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Fig2.17
Elect『on beamgun chamber
Specimen fabr善ca髄on charnber
Schematicdiagramofelectronbeammelting(EBM)machine.[40]
Table2.7ComparisonofSLMandEBM.[41,42]
SLM(EOSINTM280) EBM(ArcamA2X)
heatsource Yb‑fiberlaser electronbeam
maxpowe「 400W 3500W
beamspotsize 100‑500μm 200‑1000μm
maxscanningspeed 7m/s 8000m/s
buildingspeed 2.8mm3/s 15‑22mm3/s
processatmosphere ArorN2 高 真 空(10‑5mbar)
layerthickness 60μm 50‑200μm
SUr血CerOUg㎞eSS (Ti‑6Al‑4V)
Ra9‑Ra12 Ra25‑35
2.3Scamiingelectronmicroscopy(SEM)
2.3.1Back‑scatteredelectronimage(BSEimage)
走 査 型 電 子 顕 微 鏡(SEM)の 仕 組 み に つ い て は 基 礎 的 事 項 に 属 す る も の で あ る た め 省 略 し,本 節 で はSEMを 用 い て 得 られ る 反 射 電 子 像(BSE像)に つ い て 解 説 す る.
Fig2.18は,電 子 が 試 料 に 入 射 し た 時 に 放 出 さ れ る 電 子,光 子,x線 の 概 略 図 で あ る.こ の 図 に 示 さ れ て い る 内 の,透 過 電 子 を 観 察 す る 装 置 が 透 過 型 電 子 顕 微 鏡(transmissionelectronmicroscope;TEM)で あ る が,SEMで は 反 射 電 子(back‑
scatteredelectron)な い し 二 次 電 子(secondaryelectrons)を 利 用 し て 観 察 を 行 う.
オ ー ジ ェ 電 子 は 固 体 最 表 面 の 観 察 に の み 利 用 に 適 す る.
二 次 電 子 が,試 料 を 構 成 す る 原 子 の 価 電 子 が 放 出 さ れ た も の で あ る の に 対 し て,反 射 電 子 は,入 社 電 子 が 試 料 中 で 散 乱 す る 過 程 で 後 方 に 散 乱 し て 試 料 表 面 か
ら 放 出 さ れ た も の で あ る.反 射 電 子 の 持 つ エ ネ ル ギ ー に 比 べ て 二 次 電 子 の 持 つ エ ネ ル ギ ー は50eV以 下 と 小 さ い た め(Fig2 .19),こ れ を 利 用 し て 両 者 を 分 離 す る.表 面 よ り放 出 さ れ た 二 次 電 子 と 反 射 電 子 は 減 速 型 静 電 レ ン ズ の 電 場 に よ っ て 捕 捉 さ れ,ビ ー ム 軸 に 沿 っ て 上 方 に 加 速 し て い く.50eV以 下 の エ ネ ル ギ ー 持 つ 電 子 が 環 状 の 検 出 器 の 高 さ に お い て,穴 を 通 過 出 来 な い よ う な 軌 道 を 描 く よ う に 電 子 レ ン ズ の 電 場 を 調 節 す る こ と に よ っ て,反 射 電 子 の み が 検 出 器 を 通 過 で き る よ う に な る(Fig2.20).
反 射 電 子 放 出 量 の 主 な 因 子 に は3つ が あ り,試 料 の 化 学 組 成 と 結 晶 粒 の 結 晶 方 位,試 料 表 面 の 凹 凸 で あ る.試 料 の 状 態 に よ っ て は,こ れ ら3つ の 因 子 が コ ン
ト ラ ス トに 反 映 さ れ て い る た め,反 射 電 子 像 の 解 釈 に は 注 意 が 必 要 で あ る.
近 年 で は,Fig2.21の よ う に 二 分 割 さ れ た 反 射 電 子 検 出 器 を 用 い る こ と で,組 成 情 報 と 凹 凸 情 報 の 分 離 を 図 っ て い る.2つ の 検 出 器 か ら の 信 号 を 加 算 し て 像 を 得 た 場 合 に は 組 成 情 報 が,減 算 し て 得 た 場 合 に は 凹 凸 情 報 が 主 に 反 映 さ れ て い て,前 者 を 組 成 像(compositionalimage;COMPOimage)やCOMPO像,後 者 を 凹 凸 像(topographicimage;TOPOimage)やTOPO像 と 呼 ぶ*2.ま た,凹 凸 の な い 平 滑 な 試 料 表 面 の 結 晶 粒 が 同 じ組 成 を 持 つ 場 合,反 射 電 子 像 に 表 れ る コ ン ト
ラ ス トは,結 晶 方 位 の 違 い を 反 映 し た も の と な る.こ れ を 電 子 チ ャ ン ネ リ ン グ コ ン ト ラ ス ト(electronchannelingcontrast;ECC)と 呼 び,転 位 配 列 の 統 計 的 な 観 察 に 適 し た 非 破 壊 検 査 方 法 と し てTEMの 代 わ り に 用 い ら れ る.
*2COMPO像 に は ,エ ネ ル ギー フ ィル タ を組 み 合 わせ て得 る方 法 も あ る.入 射 ビー ム に 対 して あ る立 体 角 を持 つ 電 子 の み を選 択 的 に 検 出 して,あ るエ ネ ル ギ ー 帯 の反 射 電 子 の み を取 り出 して 得 た イ メー ジ をhigh ‑angleBSE像 と呼ぶ .[43]
試 料 を 構 成 す る物 質 の 原 子 番 号 が 大 き い ほ ど反 射 電 子 の 強 度 は 大 き く な り (Fig2.22[),coMPo像 で は そ の よ うな部 分 は よ り明 る く映 る.反 射 電 子 強度 は 組 成 に非 常 に鋭 敏 で あ り,原 子 番 号 に して0.2の 差 を 可視 化 す る こ とが で き るが [43],こ れ が 成 立 す るの は加 速 電圧 が1kV以 上 の場 合 の み で あ る こ とに 注意 す る.
2.3.2Electronback‑scattereddiffractionpattern(EBSD)analysis
走査 型 電 子 顕 微 鏡(SEM:ScanningElectronMicroscope)を 用 い た 電 子 線 後 方 散 乱 回折(EBSD:ElectronBackScatteredDiffiractionPattern)法 は金 属 微 視 組 織 を 定量 的 に観 察 す る有 力 な手 法 の1つ で あ る.SEM試 料 室 内 で 大 き く傾 斜 した試 料(一 般 的 に は70。)に 対 して 電 子 線 を照 射 す る と電 子線 後 方 散 乱 回折 に よ りKikuchiパ ター ン と呼 ば れ る像 を得 る こ とが で き る.
Kikuchiパ ター ンをCCDカ メ ラ を用 い て画 像 と して取 り込 み,後 述 ソフ トウ ェ ア 的処 理 を行 うこ とに よ り結 晶 の 方位 情 報 マ ップ を得 る.EBSDを 用 い る と方 位 マ ップ に よ る金 属 の ミク ロ組 織 を把 握 で き る の み な らず,方 位 差 計 算 に よ る ひ ず み 量 の 大 小 や,多 相 合 金 で あれ1ま相 率 の 計 算 な ど も数 十 ㎜ の オ ー ダー で 可 能 で あ る.SEMに よ る試 料 表 面観 察 や 試 料 全 体 の 平均 的 な配 向 を調 べ るX線 解 析 等 よ りも多 くの 情 報 を得 る こ とが で き る.Kikuchi線 解 析 図形 を用 い る こ とで, 最 小0.10程 度 の 正 確 な方 位 測 定 が で き るた め,材 料 の ミ ク ロ組 織 を緻 密 に再 現 で き,注 目 した い 局 所 領 域 の結 晶方 位 を正確 に得 られ る利 点 が あ る.
SEM中 で 試 料 を約70。 傾 斜 させ 電 子 線 を走 査 す る と,照 射 電 子 に よ っ て試 料 中 の結 晶格 子 で 回 折 現 象 が起 き,試 料 表 面 か ら ドー ム状 にEBSPが 広 が る.EBSP とは反 射 解 析 に よ って 得 られ るKikuchi線 の こ とで あ る.こ れ をCCDカ メ ラ で 撮 影 して 画 像 と して 取 り込 み,ブ ラ ック の式 を利 用 して 処 理 をす る.そ の 後 に Hough変i換 法 に よ りバ ン ドの検 出 を行 い,指 数 付 け され た 晶 帯 軸 間 の 角 度 とあ らか じめ 結 晶 デ ー タ と して 入 力 した 結 晶 面 間 の 角 度 を 比 較 し検 出 したバ ン ドの ミラー 指 数 付 け を決 定 す る.バ ン ドの指 数 に基 づ い て結 晶方 位 を算 出す る.な お, EBSPは 試 料 表 面 近 傍 で 回 折 され た 電 子 線 で,試 料 や 加 速 電 圧 に も よ る が,そ の 深 さは15kVの 加 速 電 圧 で20〜30㎜ にす ぎ な い.そ の た め,試 料 表 面 の 状 態 に 非 常 に敏 感 で あ り,表 面 の ダ メー ジ(結 晶 の 乱 れ)や コ ン タ ミネ ー シ ョン等 に対
して 注 意 が必 要 で あ る.
入射電子
カ ソ ー ド ル ミ ネ ッ セ ン ス
吸収電子
オ ー ジ エ 電 子
透 過 電 子 Fig2.18Emissionofelectronsandelectromagneticwavesfromsurfaceofspecimen.
[44]
醐酷細
放 出 題 子 の エ ネ ル ギ ー
Fig2.19Relationshipofenergydistributionandquantityofelectronsemitted.[44]
SEd●t●ctio鑓 SSEdGt●ction
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BSE
Fig2.20Schematicdiagr㎜ofseparationdetectingmethodofsecondaryelectronsand back‑scatteredelectrons.[43]
電子 プロー ブ
検 出器A
電子
試料
Fig2.22 [44]
0.5
̲00,4 v
遡0 .3
篠02
O.1
020406080
原 子 番 号(乃
Dependencyofintensitiesofback‑scatteredelectrontoatomicnumber(Z).
第3章 実験方法
3.1供 試 材 の 作 製
3.1.lsLM法 に よ るTi‑6Al‑4v試 料 の 作 製
ドイ ツEOSGmbH社 製 のSLM積 層 造 形 機EOSINTM280と 同 社 か ら 供 給 さ れ たEOSTitaniumTi64粉 末 を 用 い てTi‑6A14V試 料 を 作 製 し た.EOSTitaniumTi64 粉 末 の 化 学 組 成 をTable3.1(a)に 示 す.2.2節 で 前 述 し た と お り,積 層 造 形 に お い て は 積 層 パ ラ メ ー タ ー の 設 定 が 重 要 で あ り,本 研 究 で はEOS社 よ り支 給 さ れ た 積 層 パ ラ メ ー タ ー を 用 い て 試 料 を 作 製 し た.す な わ ちYb一 フ ァ イ バ ー レ ー ザ ー 400W,ス ポ ッ ト径200μm,積 層 厚 さ30pm,走 査 速 度 く7m/sで あ り,他 の パ ラ メ ー タ ー と と も にTable3.2に 示 す.造 形 中,試 料 の 酸 化 を 防 ぐ た め に 積 層 チ ャ ン バ ー 内 は 高 純 度Ar(99.99999%)雰 囲 気 下 に 保 た れ て い た.
SLM法 に お い て は,積 層 中,試 料 に 加 え ら れ た 極 め て 局 所 的 な 入 熱 の た め に 大 き な 熱 勾 配 が 試 料 中 に 生 じ,熱 応 力 の 蓄 積 が も た ら さ れ る.こ れ を 除 去 す る た め の 積 層 後 熱 処 理 がSLM法 の 場 合 に は 必 要 で あ り,し た が っ てAMS4911で 推 奨 さ れ て い る6500C‑3h(空 冷)の 焼 鈍 熱 処 理 を 積 層 後 の 試 料 に 対 し て 施 し た.
本 来 で あ れ ば 『積 層 ま ま 材(as‑builtspecimen)』 な る 語 は,積 層 後 熱 処 理 を 施 す 前 の 試 料 に 対 し て 用 い ら れ る べ き で あ る が,SLM法 に お い て は 積 層 後 熱 処 理 工 程 を 欠 か す こ と が で き な い,す な わ ち,積 層 後 熱 処 理 が 施 さ れ て い な い 部 品 が 実 用 に 供 さ れ る こ と は 通 常 な い た め,本 研 究 で は 前 述 の 積 層 後 熱 処 理 を 施 し た SLM試 料 を 『SLM積 層 ま ま 材(SLMas‑builtspecimen,orsimply"SLM")』 と,以 後 呼 称 す る.積 層 後 熱 処 理 を 施 す 前 の 試 料 に つ い て は,SLM非 焼 鈍 材(SLM
㎜ ㎜ealedspecimen)と 呼 ぶ.
35.0×35.0×35.Ommの 立 方 体 形 状 で 作 製 し た 試 料 は,放 電 加 工 機 を 用 い て べ 一 ス プ レ ー ト(Ti‑6Al‑4v製)か ら切 り 離 さ れ た.試 料 の 写 真 をFig3.1に 示 す.
な お,べ 一 ス プ レ ー ト よ り試 料 が 切 り 離 さ れ た の は 積 層 後 熱 処 理 よ り 前 の 工 程 で あ る こ と を 付 記 す る.
3.1.2EBM法 に よ るTi‑6Al‑4v試 料 の 作 製
ス ウ ェ ー デ ンArcamAB社 製 のEBM積 層 造 形 機!廿camA2XとArcamTitani㎜
Ti6Al4V粉 末 を 用 い てTi‑6Al‑4V試 料 を 作 製 し た.ArcamTitaniumTi6A14V粉 末 の 化 学 組 成 をTable3.1(b)に 示 す.Arcam社 よ り 支 給 さ れ た 積 層 パ ラ メ ー タ ー,
specimen,orsimply"EBM")と 呼 ぶ.
45.0×45.0×45.Ommの 立 方 体 形 状 で 作 製 し た 試 料 は,SLM試 料 と 同 様 に 放 電 加 工 機 を 用 い て ベ ー ス プ レ ー ト(Ti‑6Al‑4v製)か ら 切 り離 さ れ た.試 料 の 写 真 を Fig3.2に 示 す.
3.1.3熱 間 圧 延 法 に よ るTi‑6Al‑4v試 料 の 作 製
Ti6A14v部 品 あ る い は 原 材 料 の 製 造 法 と し て,精 密 鋳 造 法 や 粉 末 冶 金 法 の 他 に,熱 間 圧 延 法 が 従 来 か ら 広 く 採 用 さ れ て き た.本 研 究 で は,従 来 の 製 造 法 と積 層 造 形 法 に よ っ て 作 成 さ れ たTi‑6Al‑4v試 料 と を 比 較 す る た め,米 国TIMET社
よ り 供 給 さ れ たTi‑6Al‑4v圧 延 材(板 厚3.17㎜)を 比 較 材 と し た.こ の 圧 延 材 の 化 学 組 成 はTable3.1(c)に 示 さ れ て い る.ま たASTME1447に 従 う ガ ス 分 析 に よ り,試 料 か ら 取 り 出 し た3つ の サ ン プ ル に つ い てHの 含 有 量 が い ず れ も30 ppm以 下 で あ っ た.
こ の 試 料 は704‑899。cの 熱 間 圧 延 法 に よ り 作 製 さ れ た.こ の 圧 延 材Ti‑‑6Al‑4v 試 料 を 以 後,圧 延 焼 鈍 材(mill一 ㎜ealedspecimen)あ る い は 比 較 材(reference materia1;RM)と 呼 ぶ.
SLMas‑builtspecimen.
■ ︑ ︑
馬 ︑
岬
EBMas‑builtspecimen.
Fig3.1
4
Fig3.2
Table3.1(a)ChemicalcompositionofRMspecimens,(b)EOSTitani㎜Ti64powder usedfortheSLMprocess,(c)ArcamTitaniumTi6A14VpowderusedfortheEBM P「ocess・
(maSS%) Ti Al V 0 N C H Fe
(a) Bal. 6.39 3.97 0.19 0.009 0.015 0.003 0.17 (b) Bal. 6.24 3.88 0.078 <0.005 0.004 0.002 0.20 (c) Bal. 6.37 4.23 0.09 0.01 0.Ol 0.002 0.20
Table3.2ProcessparameterofSLMspecimen.
Specimensize 35×35×35mm Laserpower 400W
Scanspeed <7.Om/s Spotsize 200μm Layerthic㎞ess 30μm
Atmosphere 99.99999%Ar Stagetemperature 90。C
Table3.3ProcessparameterofEBMspecimen Specimensize 45×45x45mm
Laserpower 3500W AcceleratingVbltage 60kW
Scanspeed Upto8000m/s Spotsize 200μm Atmosphere <1×104mbar
Stagetemperature 0.5‑0.87温
3.2Ti‑6Al‑4v試 料 へ の熱 処 理 と熱 履 歴
SLM,EBM,RM試 料 の それ ぞ れ の熱 履歴 をFig3.3(a)一くc)に示 す.こ こでSLM とEBM試 料 に お い て,造 形 中 に お け る温度 変 化 を省 略 して い る こ とに 注 意 せ よ.
す な わ ち,試 料 は 造 形 中 にFig.1.3の よ うな2000c以 上 に も及 ぶ急 激 な 温 度 変 化 を短 時 間 の うちに 数 十 回 経 験 す るが,Fig3.3で は紙 面 の制 約 の た め に描 かれ て い ない.
2.1.2節 で前 述 した とお り,α+β 合 金 で あ るTi‑6A14vは 熱 処 理 に よ って そ の 性 質 を大 き く制 御 す る こ とが 出来 る.中 で も,溶 体 化 処 理 とそれ に続 く時 効 処 理 は 低 温 か ら中 高 温 域 で の 強 度 を 向 上 させ る た め,航 空 宇 宙 用 途 部 品 にお い て よ
く用 い られ て い る.
本 研 究 で は従 来Ti‑‑6Al‑4vに 対 して用 い られ て きた 熱 処 理 が積 層 造 形 材 に対 して も適 用 可 能 か ど うか を検 討 す る た め に,AMS4967に お い て推 奨 され て い る 条件 で それ ぞ れ の熱 処 理 を試 料 に対 して 施 した.す な わ ち溶 体 化 処 理 条 件 と し て954。C(1750。F)‑2h(水 冷)を,時 効 処 理 条 件 と して5380C(10000F)‑4
h(空 冷)を 採 用 した.
一 連 の 熱 処 理 は本 研 究 室 で 作 製 され た電 気 炉(外 観 をFig3 .4に 示 す)を 用 い て行 った.Ti合 金 は 高 温 で 大 気 下 に晒 され る と αcaseと 呼 ば れ る酸 素 濃 化 相 を 数 十 μmか ら数 百 μmの 厚 さで表 面 に形 成 し脆 化 す るた め,そ れ を防 ぐた め に試 料 を石 英 管 中 に真 空 封 入 した*3.
石 英 管 中 に封 入 した試 料 を縦型 電 気 炉 内 に 吊 る し,0.17。C/s(100。C/10min) の昇 温速 度 で 目標 温 度 ま で 室 温 よ り加 熱 した 後,所 定 の 時 間保 持 した.試 料 温 度 は石 英 管 で保 護 され た アル メル ー ク ロメ ル熱 電 対 な い し 白金 熱 電 対 を 用 い て 試 料 近 傍 の 空 中 にお い て測 定 を し,±2。Cの 範 囲 内 で制 御 した.
Ti‑6Al‑4vの よ うな α+β合 金 の 強 度 は,溶 体 化 処 理 で冷 却 す る とき の冷 却 速 度 に大 き く影 響 され る.石 英 管 中 の試 料 を速 や か に 急冷 す るた め に,溶 体 化 温 度 で 一 定 時 間保 持 した 後 は,氷 水 中 に石 英 管 ご と投 入 した 直 後 に 素 早 く石 英 管 を ハ ンマ ー で 叩 き割 り,取 り出 した試 料 を水 中で撹 拝 した.
溶 体 化 処 理 後 の試 料 に 同様 の方 法 で 時 効 処 理 を施 した.時 効 処 理 に よ り過 飽 和 の 不 安 定 な β相 が 分 解 す る ほ か,ま た マル テ ンサ イ トが分 解 され て α'→α+β変 態 す る.大 気 中 で538。C‑4hの 熱 処 理 を行 っ た 際 に 生 じる αcaseの 厚 さは5μm 程 度 で あ り[26],除 去 に よ る寸 法 へ の影 響 は無 視 で き るた め,時 効 処 理 は 大気 中