| 研究領域 | 超温度場材料創成学：巨大ポテンシャル勾配による原子配列制御が拓くネオ３Ｄプリント |
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| 研究課題/領域番号 |
21H05198
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| 研究機関 | 国立研究開発法人物質・材料研究機構 |
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研究代表者 |
戸田 佳明 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 構造材料研究拠点, 主幹研究員 (60343878)
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| 研究分担者 |
御手洗 容子 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (10343881)
中野 貴由 大阪大学, 工学研究科, 教授 (30243182)
松永 哲也 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 構造材料研究拠点, 主幹研究員 (30595905)
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| 研究期間 (年度) |
2021-09-10 – 2026-03-31
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| キーワード | 積層造形 / 組織制御 / 単結晶 / チタン合金 / 力学特性 |
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| 研究実績の概要 |
耐酸化性に優れた開発合金であるTi-6Al-4Nb-4Zr (mass%)の粉末から、粉末床溶融結合型レーザービーム積層造形装置を用い、レーザーパワーやスキャン速度を変えて冷却速度の異なる積層造形体を作製した。鍛造や鋳造の従来プロセスの冷却過程で形成される高温強度阻害因子の等軸α相を積層造形により抑制できた。冷却速度の速い積層造形体にはα'マルテンサイト組織が、遅いものにはα/β層状組織が形成され、冷却速度が速くなるほど旧β相結晶粒径は小さくなった。積層まま材に熱処理を施すことで、α'マルテンサイト組織は分解してα相とその粒界にβ相が形成され、層状組織ではα相とβ相の幅が粗大化した。これらの積層造形体の室温と673～873 Kで測定した圧縮強度は、いずれの温度においても同組成の鍛造材の1.5～2.0倍であった。冷却速度が速い積層造形体ほど組織が微細になり強度は高くなった。また、873 K－137 MPaのクリープ強度試験では、鍛造材よりも積層造形体の破断寿命が最高約7倍も延長した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
積層造形の超温度場により、新しく開発された耐熱耐酸化性チタン合金の冷却時に高温強度阻害因子の等軸α相の形成を抑制し、最適な熱処理によりα/β層状組織を制御できた。また、積層造形を行うことで、従来プロセスの鍛造を施したチタン合金よりも室温・高温圧縮強度を向上させ、クリープ破断寿命を延長することができた。このように、従来のプロセスである鍛造や鋳造では得られなかった新しい組織を、超温度場を利用した積層造形で創成することができ、高温特性を向上せせることに成功した。
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| 今後の研究の推進方策 |
① 粉末床溶融結合型レーザービーム積層造形装置を用いて、Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo (mass%)合金粉末から積層造形体を作製する。レーザーパワーやスキャン速度を変えて積層造形し、冷却速度と温度勾配に伴う積層造形体組織の変化を解明する。これらの結果から、最適な積層条件により、単結晶または多結晶のベータ相過飽和固溶体の積層造形体を作製する。
② 得られたベータ相過飽和固溶体の積層造形体をいくつかの温度・時間で熱処理し、アルファ相を析出させ、熱処理条件とアルファ相析出形態の関連を解明する。
③ ベータ相過飽和固溶体中にアルファ相を析出させた積層造形体の高温引張（圧縮）強度とクリープ強度を測定し、組織形態と高温特性の関連を得る。
④ エネルギー最急降下パスの仮定により、ベータ相過飽和固溶体からアルファ相の析出・成長過程を予測する。この計算を合金元素・組成、熱処理温度・冷却速度を様々に変えて行い、高温特性を向上させるような理想的な形態にアルファ相を制御するための合金組成や熱処理条件を計算により探索する。
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