2種類の積層造形法により作製したTi-6Al-4Vの強度と微視組織

修

士 学 位 論 文

2種 類 の 積 層 造 形 法 に よ り 作 製 し た

Ti_6Al_4Vの

強 度 と 微 視 組 織

指 導 教 授

覧

幸 次

准 教 授

平 成29年1月19日 提 出

首都大学東京大学院

理 工 学 研 究 科

機 械 工 学 専 攻

学 修 番 号15883307 氏 名 櫻 井 勇 也

学 位 論 文 要 旨(修 士(工

学))

論文著者名 櫻井 勇也 論 文 題 名:2種 類 の積 層 造 形 法 に よ り作製 した Ti-6Al-4vの 強度 と微 視 組 織 航 空宇 宙材 料 用 途 を代 表 に様 々 な産 業 で 広 く利 用 され るTiは,地 殻 中 の存 在 量 が0.33-0.63at.%と 全 元 素 中10番 目に大 き く,レ ア メ タル(希 少 金 属)と 呼 ば れ る金 属 元 素 の 中 で最 大 で あ る.そ の歴 史 の 浅 さ と高 い原 料 価 格 に も関 わ らず, Tiお よびTi合 金 は各 種 分 野 で 欠 か す こ との で き な い役 割 を今 日で は果 た して い る.航 空機 にお け るTi合 金 使 用 量 は増 加 傾 向 に あ り,米 国Boeing社 に最 新 鋭 旅 客機 で あ るB-787で はTi合 金 の 構 成 重 量 比 は15%に 達 して い る.Ti合 金 の持 つ 鋼 の60%程 度 の密 度 と鋼 よ り大 き な比 強 度 は,CFRP(炭 素 繊 維 複 合 材 料)と 並 ん で,近 年 の航 空 機 の燃 費 向 上 を もた ら した主 な理 由 で あ る. しか し,Tiは 難 切 削材 で あ り,ま た溶 接 性 や 金型 へ の充 満 性 も悪 い こ と等 か ら,複 雑 形 状 の実 現 は 困 難 だ と され て き た.Tiが 持 つ こ の よ うな欠 点 を解 決 す るた め に,付 加 製 造 に よ る積 層 造 形 技 術 が 近 年 注 目され て い る.従 来 の 除 去 加 工 ・塑 性加 工 で は 実 現 で き な か っ た 自 由で合 理 的 な設 計 の 実 現 を 可能 と し,そ れ は部 品 の 更 な る軽 量 化 に直 結 す るた め,航 空 宇 宙 分 野 で の適 用 が 特 に試 み られ て い る.付 加 製 造 技 術 を用 い る こ とで,複 雑 形 状 の 実 現や 軽 量化 の 他 に も,歩 留 ま りの 悪 い 切 削 工 程 を省 略 す る こ とに よ る部 品製 造 時 の 歩 留 ま り向上 を期 待 で き る こ と等 か ら,付 加 製 造 備 品 の本 格 的 な利 用 拡 大 が 今 後 見 込 まれ る. 一 般 に金 属 用3Dプ リン ター と呼 ばれ る装 置 は_{,粉 末 床 溶 融 結 合 方 式 を用 い た} 付加 製 造 装 置 と して 定 義 され る.ASTMF2792で は付加 製 造 法 を7つ に 分i類して お り,そ の 中で も粉 末 床 結 合 方 式 は,補 助 用 構 造 材(サ ポ ー ト材)が 不 要 で あ る こ と,層 的 に積 み 重 ね るた め極 めて優 れ た設 計 自由度 を持 つ こ と,適 切 な パ ラ メ ー ター 設 定 に よ り高密 度 を得 られ る とい う特 徴 が あ る.粉 末 床 結合 方 式 で は,均 等 の厚 さで 金 属 粉 末 を敷 き レー ザ ー を照 射 す る こ とで選 択 的 に粉 末 を溶 融 ・結 合 させ る.3次 元CADシ ス テ ム を用 い て作 成 した3次 元 モ デ ル を元 に した ス ラ イ ス デ ー タ に従 っ て,レ ー ザ ー な い し電 子 ビー ム を走 査 し,層 を積 み 重 ね る こ と で 立 体 物 を造 形 す る.粉 末床 結 合 方 式 に よ る付 加 製 造 法 は 現 在2種 類 が 実 用化

に対 し,未 だ 明確 な 回 答 は得 られ て い ない.今 ま で の研 究 か らは,双 方 それ ぞ れ に 固 有 の ア ドバ ンテ ー ジ とデ ィ ス ア ドバ ンテ ー ジが あ り,単 純 に優 劣 を判 断す る こ とが で き な い とい うの が 現 状 で あ る.SLMで 懸 念 され る酸 素 と窒 素 の コ ン タ ミネ ー シ ョンは,過 去 の文 献 に よれ ば,物 性 に影 響 を及 ぼ す ほ どに は大 き な も の で は な い.そ の前 提 に 基 づ く と,SLM材 とEBM材 との 間 に機 械 的 特 性 の違 い が 存 在 す る場 合,そ の 主 因 は微 視 組 織 の違 い で あ る可 能 性 が 考 え られ る.そ の

た め本 研 究 で は,代 表 的 なTi合 金 で あ るTi-6A14VをsLM法 とEBM法 に よ っ

て 作 製 した 時 の 組 織 を 比 較 し相 違 を 明 らか に した上 で,積 層 材 と従 来 の圧 延 焼 鈍 材 にお い て,組 織 の違 い が 機 械 的 特 性 の違 い にお よぼ す影 響 を 明 らか に す る こ と を 目的 とす る. 本 論 文 は 全6章 構 成 で あ る.第1章 は緒 言 と し,航 空 宇 宙 産 業 にお け るTi合 金 と積 層 造 形 技術 の 現 状,Ti-6A14v積 層 材 の過 去 の研 究 を取 り上 げ た 上 で,研 究 目的 につ い て記 した.第2章 は本 研 究 に 関連 した 理 論 を,Ti-6Al4v,積 層 造 形 技 術,走 査 型 電 子 顕微 鏡 技術 につ い て 主 に解 説 した.第3章 は 実 験 方 法 で あ り,試 験 片 お よび 組 織 観 察 用 試 料 の作 成 手順,試 験 装 置 と実験 条件 につ い て記 述 した.Ti合 金 の鏡 面 仕 上 げ に は特 別 の技 術 を必 要 とす るた め,組 織 観 察 用試 料 の 作 成 方 法 につ い て 特 に詳 細 に記 した.強 度 試 験 と して は 室 温 で の 引 張試 験 の 他 に,高 温 で の特 性 を調 べ る た め に450。C引 張 試 験 と450。C-400MPaク リー プ試 験 を実 施 した.比 較材 と して 従 来 の製 造 法 で あ る圧 延 焼 鈍 材 を用 意 した.第 4章 は 実 験結 果 で あ る.SLMとEBM積 層 ま ま材 の微 視 組 織 を比 較 し,両 者 は針 状 α相 か ら成 る組 織 を とも に呈 してい た が,針 状 α相 の粒 径 や 旧 β粒 の形 態, α一widmanstatten組 織 の有 無 に お い て違 い が 見 られ た.室 温 引 張試 験 にお い て は, SLM積 層 ま ま材 がEBM積 層 ま ま材 を約10%上 回 る強 度 を示 し,4500Cで は 強 度 差 は さ らに広 が っ た.450。C-400MPaク リ・一一一・プ試 験 で は,SLMとEBMと の 間 に ク リー プ特 性 の顕 著 な差 は 見 られ なか っ た こ と,ま た,溶 体化 時 効 熱 処 理 に よ っ て は 両者 と もに ク リー プ 特性 が 大 き く変 化 しな か っ た こ とが 明 らか とな っ た.第5章 は考 察 で あ る.IN718な ど他 材 料 の積 層 造 形 材 で は顕 著 に見 られ る 異方 性 がTi-6Al-4v積 層 材 で は見 られ な か っ た こ と,sLMとEBM積 層 ま ま材 の微 視 組 織 の違 い が冷 却 速 度 の違 い に起 因す る も の で あ る こ と,比 較 材 で あ る 圧 延 焼 鈍 材 やEBM積 層 ま ま材 と比 べ てSLM積 層 ま ま材 の強 度 が 高 か っ た 理 由 につ い て 考 察 を行 った.第6章 は結 言 と し,本 研 究 に よ っ て得 られ た結 果 お よ び 知 見 を ま とめ た.さ らに,本 論 文 を作 成 す る に あた って 用 い た参 考 文 献 お よび 謝 辞 を記 した.

目次

第1章 緒 言 1.1 1.2 第2章 理 論 2.1 2.1.1 2.1.2 研究背景 研 究 目的 Ti-6Al-4V Ti-一一6Al-4vの 相 構 成 と 相 変 態 Q U O O ハ 0 0 U O U O U Ti-6Al-4vの 熱 処 理 2.2Additivemanufacturing(AM) 2.3 2.3.1 2.3.2 Scanningelectronmicroscopy(SEM) Back-scatteredelectronimage(BSEimage) Electronback-scattereddiffractionpattern(EBSD)analysis

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            立早 -a a a 2 3 3 a a a 第 作製 SLM法 に よ るTir6Al-4V試 料 の 作 製 EBM法 に よ るTir-6Al-4v試 料 の 作 製 熱 間 圧 延 法 に よ るTi-6Al-4V試 料 の 作 製 Tir6Al-4v試 料 へ の 熱 処 理 と熱 履 歴 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.4組 織 観 察 3.4.1 3.4.2 3.4.3 第4章 実 験 結 果 4.1 4.1.1 4.1.2 4.1.3 ダンベル型試験片の作製方法 室 温 お よび 高 温(450。C)引 張 試 験 450◎C-400MPaク リ ー プ 試 験 組織観察試料 の作製方法 二次電子像お よび反射電子像観察 EBSD法 に よ る観 察 組織観察結果 積層材の反射電子組成像 SLM非 焼 鈍 材 とSLM積 層 ま ま材 のEBSD解 析 結 果 EBM積 層 ま ま 材 のEBSD解 析 結 果 9 6 0 0 1 5 5 5 5 6 9 3 3 3 4 6 6 8 8 0 0 0 9 6 1 1 2 3 3 3 3 3 3 3 3 3 4 4 4 4 4 4 4 4 5 5 5 5 6 7

42.2450。C高 温 引 張 試 験 結 果 4.2.3 第5章 考 察 450。C-400MPaク リー プ 試 験 結 果 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 第6章 結 言 参 考 文 献 SLM試 料の組織変化過程 EBM試 料 の組織変化過程 強度特性 の異方性 SLM試 料 とEBM試 料の組織 の比較 積層造形材 とRM材 の強度 AppendixI I.1.原 理 と 装 置 1.2. 1.3.参 考 文 献 積層造形試料のX線 回折装置による応力解析結果 8 0 2 2 7 0 2 4 5 6 7 8 8 8 8 9 9 9 9 9 実験結果 と考察 AppendixII II.1 11.2 11.3 11.4参 考 文 献 質 問事項回答量 角 田准教授 か らいただいたご質問 高橋准教授か らいただいたご質問 真鍋教授か らいただいた ご質問 100 100 101 102 106 106 107 108 109

第1章 緒言 1.1研 究背 景 航 空 宇 宙材 料 用 途 を代 表 に様 々 な 産 業 で 広 く利 用 され るTiお よびTi合 金 は, 地 殻 中 の 存在 量 がO.33-O.63at%と 全 元 素 中10番 目に大 き く[1],レ ア メ タル(希 少 金 属)と 呼 ばれ る金 属 元 素 の 中で 最 大 で あ る.し か し,常 温 常圧 ・大 気 中 で容 易 に酸 化 され る高 い 化 学 的活 性 の た め に,金 属 材 料 と して の歴 史 は 浅 く,1948年

に米 国DuPont社 がTiCl4をMgで 還 元 す るKrollmethodを 用 い た の が,Tiの 商

業 生 産 の 始 ま りで あ る[2]. そ の歴 史 の 浅 さ と高 い原 料価 格*1に も関 わ らず,Tiは 各 種 分 野 で 欠 か す こ と の で き な い役 割 を今 日で は果 た して い る.Ti合 金 は,高 い比 強度 と優 れ た耐 熱 性 ・耐 食 性 を有 す るた め,航 空機 用 エ ン ジ ンや 産 業 用 ガ ス ター ビン にお い て広 く 採 用 され[3],特 に,熱 的 条件 の 緩 い フ ァ ンデ ィ ス クや 低 圧 側 コ ンプ レ ッサ ー デ ィ ス クに 主 に用 い られ て い る.

Fig.1.1は 米 国Boeing社 にお け るTi合 金 の構 成 重 量 比 の変 遷 を示 した グ ラ フ

で あ り,同 社 の 最 新 鋭 旅 客機 で あ るB-787で はTi合 金 の構 成 重 量 比 は15%に 達 して い る.Ti合 金 の持 つ 鋼 の60%程 度 の密 度 と鋼 よ り大 きな 比 強 度 は,CFRP(炭 素 繊 維 複 合 材 料)と 並 ん で,近 年 の航 空機 の燃 費 向上 を もた ら した 主 な理 由 で あ る. しか し,Tiは 難 切 削材 で あ り,ま た 溶 接 性 や 金 型 へ の 充 満 性 も悪 い こ と等 か ら,複 雑 形 状 の 実 現 は 困難 だ と され て きた.Tiが 持 つ この よ うな欠 点 を解 決 す るた め に,付 加 製 造(AdditiveManufacturing)に よ る積 層 造 形 技 術 が 近 年 注 目 さ れ て い る.従 来 の 除去 加 工 ・塑 性 加 工 で は 実 現 で き なか っ た 自由 で合 理 的 な設 計 の 実 現 を可 能 と し,そ れ は部 品 の 更 な る軽 量 化 に直 結 す るた め,航 空 宇 宙 分 野 で の適 用 が 特 に試 み られ て い る.CFMIntemational社 が 開発 しBoeing737MAXに 搭 載 が 予 定 され て い るLEAP-IBエ ン ジ ンのNi-co合 金 製 燃 料 噴 射 ノズ ル は3D プ リン ター を用 い て製 造 され た も ので,従 来 品 に比 べ て25%の 軽 量化 と5倍 以 上 の 耐 久性 を実 現 した と同社 は 発 表 して い る[6].ま た英 国 で は,3Dプ リン ター で製 造 したTi合 金 製 ラ ンデ ィ ン グ ギ ア を装 備 したTomado戦 闘機 の試 験 飛 行 に

成 功 し た こ と が 報 じ ら れ た[7].付 加 製 造 技 術 を 用 い る こ と で,複 雑 形 状 の 実 現 や 軽 量 化 の 他 に も,歩 留 ま り の 悪 い 切 削 工 程 を 省 略 す る こ と に よ る 部 品 製 造 時 の 歩 留 ま り 向 上 を 期 待 で き る こ と 等 か ら,付 加 製 造 備 品 の 本 格 的 な 利 用 拡 大 が 今 後 見 込 ま れ る.英 国 のIn価tiReseachLtd.社 は,2016-2020年 の 間 に お け る 世 界 全 体 の 航 空 宇 宙 用3Dプ リ ン テ ィ ン グ 市 場 の 年 平 均 成 長 率(CompoundAverage GrowthRate:CAGR)が55.85%に 達 す る と 予 測 し て い て[8],す な わ ち5年 後 に は 市 場 規 模 が 約5.9倍 に 達 す る と 見 込 ま れ て い る. 一 般 に 金 属 用3Dプ リ ン タ ・一一一・と 呼 ば れ る 装 置 は ,粉 末 床 溶 融 結 合 方 式(powder bedfUsion)を 用 い た 付 加 製 造 装 置 と し て 定 義 さ れ る.溶 融 さ せ た 金 属 粉 末 を 積 層 し て い く 製 造 方 式 に は 他 に も 指 向 性 エ ネ ル ギ ー 堆 積 方 式(directenergy deposition)と 呼 ば れ る も の が あ る が,本 文 で は 扱 わ な い.ASTMF2792で は 付 加 製 造 法 を7つ に 分 類 し て お り(Fig.1.2),そ の 中 で も 粉 末 床 結 合 方 式 は,補 助 用 構 造 材(サ ポ ー ト材)が 不 要 で あ る こ と,層 的(layer-wise)に 積 み 重 ね る た め 極 め て 優 れ た 設 計 自 由 度 を 持 つ こ と,適 切 な パ ラ メ ー タ ー 設 定 に よ り 高 密 度 を 得 ら れ る と い う特 徴 が あ る.粉 末 床 結 合 方 式 で は,均 等 の 厚 さ で 金 属 粉 末 を 敷 き レ ー ザ ー を 照 射 す る こ と で 選 択 的 に 粉 末 を 溶 融 ・結 合 さ せ る .3次 元CADシ ス テ ム を 用 い て 作 成 し た3次 元 モ デ ル を 元 に し た ス ラ イ ス デ ー タ に 従 っ て,レ ー ザ ー な い し 電 子 ビ ー ム を 走 査 し ,層 を 積 み 重 ね る こ と で 立 体 物 を 造 形 す る.粉 末 床 結 合 方 式 に よ る 付 加 製 造 法 は 現 在2種 類 が 実 用 化 さ れ て い て,熱 源 と し て レ ー ザv-・一・一を 用 い る 選 択 的 レ ー ザ ー 溶 融 法(Selectivelasermelting:SLM)と,電 子 ビ ー ム を 用 い る 電 子 ビ ー ム 溶 融 法(Electronbeammelting:EBM)と が あ る.な お,SLM 法 は 装 置 の 製 造 会 社 や 研 究 者 に よ っ て レ ー ザ ー 操 作 型 ネ ッ ト シ ェ イ ピ ン グ (Laser-engineerednetshaping:LENSTM)や 直 接 金 属 レ ー ザ ー 焼 結 法(Directmetal lasersintering:DMLS),選 択 的 レ ー ザ ー 焼 結 法(Selectivelasesintering:SLS)な ど と 様 々 に 呼 称 さ れ る が,い ず れ も 本 質 的 に は 同 様 の 製 造 方 法 で あ り,比 較 的 広 く 用 い ら れ て い るSLMを 本 文 で は 採 用 す る. SLMとEBMと の 本 質 的 な 相 違 点 は,粉 末 を 溶 融 さ せ る 熱 源 と し て レ ー ザ ー を 用 い る か,あ る い は 電 子 ビ ー ム を 用 い る か と い う 一 点 の み に あ る.し か し な が ら,EBMと は 異 な り真 空 下 で 積 層 を 行 うSLM装 置 は 未 だ 実 用 化 さ れ て い な い こ と,ま た,EBMとSLMで は 実 現 可 能 な 出 力 や 走 査 速 度 が 著 し く 異 な る こ と か ら,現 在 の と こ ろ,両 者 に は 多 く の 相 違 点 が 付 随 し て 存 在 し,そ れ ら は 作 製 し た 試 料 の 持 つ 特1生 に も 影 響 を 及 ぼ す.Zhaoら[9]はSLMとEBMで 作 製 し たTi-6Al-4V試 料 が,表 面 性 状,空 孔 分 布,微 視 組 織,機 械 的 特 性 に お い て 異 な る 特 性 を 有 し て い た こ と を 報 告 し て い る. SLMとEBMと い う2つ の 方 式 の ど ち ら が よ り優 れ た 方 式 な の か と い う 問 い に 対 し,未 だ 明 確 な 回 答 は 得 ら れ て い な い.今 ま で の 研 究 か ら は,双 方 そ れ ぞ れ

に 固有 の ア ドバ ンテ ー ジ とデ ィ ス ア ドバ ン テ ー ジが あ り,単 純 に優 劣 を判 断 す る こ とが で き な い とい うのが 現 状 で あ る.一 方,化 学 的 活 性 が 高 く酸 素 の影 響 を 受 けや す いTi合 金 部 品 作製 の 場 合 に はEBMの 方 が よ り適 して い る とい う見解 が 存 在 して い る.真 空 雰 囲 気 中 で積 層 を行 うEBMで は,Ar等 の不 活 性 ガ ス 中 で積 層 を行 うSLMに 比 べ,プ ロセ ス 中 で の チ ャ ンバ ー 内残 留 酸 素 に よ る コ ン タ ミネ ー シ ョン が よ り少 な く抑 え られ る と考 え られ て い る た め で あ る.こ こでTi は 酸 素 濃 化 に よ り α ケ ー ス を形 成 す る こ とで延 性 が低 下 し,部 品全 体 の脆 化 の リス ク を もた らす.こ の 見解 に 対 し,SLMSolutions社 製 のSLM250HLに よっ て Ti-6Al-4V試 料 を作 製 したLeudersら[10]の 研 究 に よれ ば,原 料 と して用 い た粉 末 の 酸 素 と窒 素 含 有 量 が そ れ ぞ れ0.14wt.%,0.04wt.%で あ っ た 一 方,積 層 後 の 試 料 で は そ れ ぞ れ0.17wt.%,0.06wt.%で あ り,プ ロセ ス 中で の 酸 素 の コン タ ミ ネ ー シ ョンは なか っ た と報 告 して い る.ま たEos社 製 のEosrNTM270に よっ てTi-6Al-4V試 料 を作 製 したSellica-Levaら は[ll],高 レー ザ ー 出力 時 に は酸 素 濃 度 が増 加 した も の の,ASTMF1108-04に 定 め られ た規 格 値 以 下 の値 に収 ま っ

て い た こ と を報 告 して い る.一 方EBMで は,Arc㎜ 社 製 のS12EBM装 置 を用

い てTi-6A14V試 料 を作 製 したHrabeら[12,13]が,積 層 後 試 料 に お け る酸 素 濃 度 が最 大0.22土0.007Wt.%と,ASTMに よ る規 格 値 を越 え た値 を示 して い た こ と を報 告 して い る.以 上 の 文 献 値 をTablel.1に ま とめた.プ ロセ ス 中 で の 酸 素 の わ ず か な濃 化 は お そ ら く存 在 す る と思 われ るが,EBMに 比 べ てSLMの 方 が よ り多 くの 酸 素 を積 層 後 試 料 に含 ん で い る とい う確 か な証 拠 は,こ の 表 か らは確 認 で き な い. 以 上 か ら,SLM法 で作 製 したTi-6Al-4v試 料 に お い て 酸 素 の 濃 化 は機 械 的 特 性 に影 響 を 及 ぼす ほ ど顕 著 な もの で は な い とい う前 提 に 基 づ く と,SLM材 と EBM材 との 間 に機 械 的 特性 の 違 い が 存 在 す る場 合,そ の 主 因 は微 視 組 織 の違 い で あ る可 能 性 が 考 え られ る.レ ー ザ ー あ るい は電 子 ビー ム を熱 源 と して 粉 末 を 選 択 的 に溶 融 す る粉 末 床 溶 融 結 合 方 式 で は,局 所 的 な 入 熱 に よ る溶 融 と急 冷 に よ る凝 固 が繰 り返 され る た め,試 料 は従 来 の圧 延 材 な ど とは全 く異 な る熱 履 歴 を辿 り,結 果,積 層 造 形 特 有 の微 視 組 織 が もた ら され る.SLMと 同等 のLENSTM 装 置 を用 い てshellboxを 造 形 した 時 に試 料 が受 け る熱 履 歴 を測 定 したGriffithら [14]の 結 果 か らは,設 置 した熱 電 対 の 上部 が レー ザ ー に よ る入 熱 に 晒 され るた び に,数 十 回 に もわ た って2000C以 上 の急 激 な 温 度 変 化 が 繰 り返 され て い る こ と が 分 か る(Fig.1.3).熱 間圧 延 等 は勿 論 の こ と,同 じ粉 末 を用 い る粉 末 冶 金 と比

1.2研 究 目的 本 研 究 で は,sLM法 とEBM法 に よっ て作 製 され たTi6Al-4vの 組 織 の特 徴 を 比 較 し相 違 を 明 らか に した 上 で,積 層 材(SLM材)と 従 来 の圧 延 焼 鈍 材 にお い て,組 織 の 違 い が機 械 的特 性 の 違 い に お よ ぼす 影 響 を明 らか に す る こ とを 目的 とす る.ま た従 来Ti-6A14vに 用 い られ て き た熱 処 理 が積 層 材 に適 用 可 能 か ど うか を 明 らか にす るた め,SLM試 料 に後 熱 処 理 を施 し,微 視 組 織 の 変 化 と機 械 的 特 性 の変 化 を調 べ た. 演 旨 6 欄﹂ Φ 駕 ∈ 轍6 ﹂ コ ぢ 霧 3 0 0 焉 ﹂ 三 9 Φ 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 1969(B。747)1978(B鯛757>1978(B-767)1990(B-777)2008(B印787) hers omposite aterialS tanium loys eelS um Fig.1.1Transitionofweightratioofstructuralmaterialforcommercialaircraft developedbyTheBoeingCompany.[15]

ヒ ・ 光 ム ・Va窒h◎to匪me「ization'VP ・の 瀦 摸式図 煎工法の例 説 明 小 一 の な の 模式図 翻工法の例 説 明 サ ・一 トの ヒ 脂 光 重 会 ・接 驚 蒙外 線 レ ーザ ー 迭形 台 リコーター 容器 ＼ 光硬化牲樹灘 光造形法 光硬化性の樹脂 をレーザー な どの光 で選択的 に固体化 }ロ ロ Powderbedtuslon・PBF 熱可塑性 、金属、セラミックス }接 赤 外線 レーザ ヲ ζ}一 認 スキ。ナ 熱 可 塑姓 粉 末 リ コ ータ隣 一ラ レ ー ザ ー 焼 結(Lasers除 寵e卜 ing;LS)、 レ ー ザ ー 溶 融(Sele・ Ctivelasermelting;SLM>、 電 子 線 港 融(臼ectronbeam melting;E8M) 粉末床の表面付近 を熱によ り選択的に溶融 ・固化 Binderのe讐i・BJ 、 火 、趣 型 イン クジ ェッ トヘ ッ ド リ コ ー タ ー 基 本 特 許 の 名 称 を商 標 化 し た も の と し て 、3DP(Three dlmensionalprlnting)が か つ て あ っ た 粉 宋床に結 合剤 を噴射 して 選 択的に固体化 、 、 ・ 出 し Mate「ialeXtrusion n塑 フ ラ メ ン ト フ ィ ラ メ ン ト

ぞ

溶融 物 堆 積 法(Fused DepOsitionMode擁ng;FDM) 液体 も し くは可 塑 化 され た固 体 を ノズル か ら押 し出 し、堆 積 す る と同 時 に固 体化 Mteriat●in ワ ッ ク ス 光 も し く は' o イ ン ク ジ ェ ッ トヘ ッ ド

ロ

ε 造形台 特 定 の 名 前 は な し 商 標 な ど と しPoly9 .et、Smo◎豊h CurvaturePrin竃ing「 軌SCPな ど 液状の材料 をノズルから噴 射 し堆積 した後に固体化 ロ エ 、ル ギ ー DireCtedenerdsけlon ま た は レ ー 一 .・f、 シール ドガス ・ +'、1 金 鋸粉 末 ＼∵ 噂鴫 ・、玉 ・

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1二;">」.msne池 1 定 ま っ た 名 称 な し 。 商 標 な ど と し て.Leseren-gineerednetShapinglしENS、 しase「addltivemanufactu「lng Pt◎cess;しAMPな ど が 使 わ れ て い る 鳩 合 が あ る 材 料 を供 給 しっつ 、各種 ビー ム など で熱 エ ネル ギー の発 生 位 灘 を制 御 して、材 料 を選 択 的に 溶融 。結 合 、 シ ー. シ ー ト Sheetlamination も   シ ー ト テ ー 赤外線 レーザー 一 スキャナ シー トフィーダ

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定 ま っ た名 称 な し。 商標 な ど と してLaminate obieCtmodelling;LOMな ど が使 わ れて い る シー ト状 の桝 料 を積 み重 ね る。不 要 な部分 は除 去加 工 に よ っ て取 り去 る ,に よ る Fig1.2ClassifiedtableofadditivemanufacturingmethodswithASTMF2792.[16]

TC (b)1400 t200 1000 δ 旨8。 。 垂 ㎜ ε β 400 200 0 0 500 1000 nm●{seconds) 1500 鋤 Figl.3Schematicofhollowboxgeometrywithequalsidelengthsof6.45cm. ThermocoupleplacementisshownatpositionTC,approximatelylcmfrombase.(b) Thermocoupleresponse(。C)vs.time(s)duringfabricationofH13shellbox.[14] Tablel.1ChemicalcompositionofrawpowderofTi-6Al-4Vandsamplesbuildby SLMorEBM. Processing SLM SLM Rawpowder(wt.%) 0 N 0 N 0.14 0.04 0.17±0.004 0。021±0.003 Inputpower[W】 400 lI7 As-builtsample(wt.%) 0 N 0 N 0.17 0.06 0.176±0.004 0.050土0.009 Ref. [101 [11】 EBM EBM ON/A NN/A ON/A NN/A 170 3500 3500 0 N 0 N 0 N 0.199±O.004 0.090土0.007 0.19土0.006 0.029±0.004 0.22土0.007 0.031±0.004 [12] [13] (ASTMFllO8-04) 0 N 0.20max 0.05max

第2章 理論

2.1Ti-6Al-4V

2.1.1Ti-6Al-4vの 相 構 成 と 相 変 態

Ti合 金 の 一 種 で あ るTi-6Al-4V(mass%)は 世 界 のTi合 金 使 用 量 の 約 半 分 を 占

め る[17]最 も 重 要 なTi合 金 で あ る.Tiお よ びTi-6Al-4vの 物 性 値 な ど の 基 本 的

デ ー タ をTable2.1に 示 す.CP-Ti(commerciallypuretitani㎜;工 業 用 純Ti)と 同

様 に,Ti-6Al-4vに お い て も 温 度 変 化 に よ り相 変 態 が 生 じ る.cP-Tiは 室 温 で は

六 方 最 密 充 填 構 造(HCP:P63/m〃2c[18])を 形 成 し て い て こ れ を α 相(αphase)や

α一Ti等 と 呼 ぶ.α 相 の 軸 比c/aは1.587[19]とHCP構 造 の 理 想 軸 比c/a=1.633よ り

も 小 さ く,室 温 で は(1010)面 で の 柱 面 す べ り が 起 こ りや す い(高 温 で は(1101)面 も す べ り始 め る).底 面 す べ り と 柱 面 す べ り を 合 わ せ た 独 立 な す べ り系 の 数 は4 つ で あ り,多 結 晶 体 で 体 積 不 変 を 保 持 し な が ら任 意 形 状 へ 変 形 す る た め に 必 要 な5個 の 独 立 な す べ り 系(vonMisesの 条 件)に は 足 り な い た め,d方 向 へ の す べ り だ け で は な く6+dの 錐 面 方 向 へ の す べ り の 活 動 が 起 こ る.し か しFig2.1に 示 す よ う に6+dす べ り の 臨 界 分 解 せ ん 断 応 力(criticalresolvedshearstress;CRSS) は δタ イ プ の す べ り に 比 べ て か な り大 き く す べ り が 起 き に く い た め,双 晶 形 成 が 起 こ る こ と が あ る. α 相 は882・C[19]以 上 で は 体 心 立 方 構 造(BCC:Im-3m[18])を 成 す 準 安 定 の β 相(βphase,β 一Ti)へ 同 素 変 態 し,1668。Cの 融 点 に 達 す る ま で 維 持 さ れ る.こ の 変 態 点 はCP-Tiの 不 純 物 元 素 や 合 金 元 素 の 存 在 に 対 し 敏 感 で あ り,特 にoやN の よ う な 侵 入 型 元 素 に よ っ て 変 態 点 は よ り 高 く な る が,VやMo等 の 添 加 に よ っ て 変 態 点 は 低 下 し β相 が よ り安 定 化 す る.α 相 と β相 の そ れ ぞ れ の 結 晶 構 造 を Fig2.2に 示 す. Ti-6Al-4vに お い て も 同 様 に 温 度 変 化 に よ っ て α 相 と β 相 間 の 同 素 変 態 が 生 じ る が,Ti合 金 に お い て は 変 態 点(transformationpoint)と 呼 ば れ る も の は 存 在 せ ず,そ の 代 わ り に β一transus温 度 と 呼 ば れ る も の が 存 在 し,Ti-6A1-4Vの 場 合 に は お よ そ9950c[20]で あ る.Ti合 金 で はcP-Tiと は 異 な り,あ る 温 度 を 境 に し て 同 素 変 態 が 一 斉 に 生 じ る の で は な く,β 一transusに 低 温 側 か ら 近 づ く に つ れ て β 相 体 積 率(βvolumefraction,βfraction)が 上 昇 し て い き,β 一transusに お い て β相 体 積 率 が100%に 達 す る(Fig2.3(a)).す な わ ち β・・transusは α+β温 度 域 と β温 度 域 の 境 界 で あ り,ま た 同 様 に α 温 度 域 と α+β温 度 域 の 境 界 と し て α一transusが あ

2.4に 示 す.α 型Ti合 金 は,室 温 で α相 が組 織 の ほぼ 全 体 を 占め る合 金 で あ る. 実 用 され て い る β型Ti合 金 は準 安 定型 で あ るの で,冷 間加 工 な どに よっ て部 分 的 に α相 を含 む.少 量 の β安 定化 元 素 を 添加 した α合 金 をNear一α型Ti合 金 と呼 び,極 少 量(2%程 度 ま で)の β相 を含 む が α型 に近 い 挙動 を示 し,ク リv-一・一・プ特 性 で は最 も優 れ て い るた め,航 空 機 部 品 と して広 く用 い られ てい る.α+β 合 金 は α安 定 化 元 素 と β安 定化 元 素 の両 方 を含 み,室 温 で も多 量 の β相 が 存 在 して い る.熱 処 理 に よ る強 化 が で き ない α型Ti合 金 と異 な り,α+β 型Ti合 金 で は焼 入 れ に よ る強 度 の 向 上 が 可 能 で あ る ほ か,延 性 も持 ち合 わ せ るバ ラ ン ス の 良 い 合

金 で あ る.そ れ ぞれ のTi合 金 の特 徴 をTable2.2に 示 す.Ti-6Al-4Vは α+β合 金

で あ る た め,加 工性,溶 接 性,強 度,延 性 な どに優 れ た特 性 を示 す.α+β 型 合 金 と β型 合 金 の 中 間 にNear一β型 合 金 の 分 類 を設 け る場 合 もあ る. Ti合 金 に お い て,不 純 物 元 素 や 合 金 元 素 は相 構 成 に 大 き な影 響 を及 ぼ し,そ の影 響 の違 い に よっ てTable2.3の よ うに分 類 され る.Al,0,C,Nは α相 安 定 化 元 素(α 一stabilizer)と呼 ばれ,β 一transusを押 し上 げ て α相 を安 定 化 させ る.0,C, Nは い ず れ も侵 入 型 元 素 と して 固溶 し,微 量 で あ っ て も著 し く強 度 を上 昇 させ るが,延 性 へ の悪 影 響 が大 き い(Fig2.5).Tiはo,Nの 固溶 量 が大 き く,熱 処 理 な ど に よ り成 長 した酸 素 濃 化 層(αcase,Fig2.6)は 機 械 加 工 や 化 学 洗 浄 に よ るデ ス ケ ー リン グの 対 象 で あ る.そ の た め,α 安 定化 元 素 と して は唯 一 置 換 型 元 素 の

Alが 用 い られ て い る.Alの 添加 はTi合 金 の機 械 的 特性 を 向上 させ る た め(Fig

2.7),ほ とん どの 実 用 合 金 に はAlが 含 まれ て い る.一 方Alの 添 加 量 が室 温 で の 固溶 限 で あ る7wt.%程 度 を超 え る とHCP構 造 のTi3Al規 則 相 か らな る α2相(δ 相 と も)が 第2相 と して析 出す る.α2相 が靭 性 や 対応 力 腐 食 性 に悪 影 響 を持 つ こ とが,Ti-6Al-4Vを 含 む 多 くの合 金 でAl量 が7wt.%以 下 に制 限 され て い る理 由 で あ る.さ らに多 くのAlを 含 有 させ た い 場 合 に は,後 述す る β相 安 定 化 元 素 や 中性 元 素 を さ らに添加 させ る.な お,さ らに多 量 にAlを 添 加 す る と γ相 と呼

ばれ るTiAl相 を形 成 す る.こ の よ うな γ/α2二相 型 のTiA1基 合 金 はNi基 超 合 金

と遜 色 な い 耐 用 温 度 を示 す こ とか ら,軽 量 耐 熱 材 料 と して タ ー ビン ブ レー ド等 で用 い られ て い る. α相 安 定 化 元 素 に対 して い くつ か の合 金 元 素 は β相 安 定化 元 素(β 一stabilizer) に分 類 され るが,そ の性 質 の 違 い に よ って さ らに2つ に分 け られ る. β相 全 率 固溶 型 元 素(β 一isomorPhous)で あ るV,Nb,MoはHCP構 造 の β相 と 同素 体 で あ り,全 率 固溶 体 を形 成 す る.金 属 化 合 物 を作 らな い の で 添加 元 素 と し て は好 ま しい性 質 を持 つ.一 方 β相 共 析 型 元 素(β 一eutectoid)で あ るCr,Mn,Fe, Siは β相 と共 析 相 を形 成 し,全 率 固溶 型 元 素 に比 べ て β一transusを低 下 させ る効 果 が よ り強 い(β 相 安 定化 能 が よ り大 きい).そ の た め β相 率 の 大 き な α一β合 金 や β合 金 に 多 く添加 され て い る.い ず れ の元 素 も β相 を安 定 化 させ る.ま たH

も β一transusを 低 下 さ せ る た め β 相 安 定 化 元 素 に 分 類 さ れ る が,脆 化 に よ る 悪 影 響 が 著 し い た め,含 有 量 は 厳 し く 制 限 さ れ る. Zr,Hfは 中 性 元 素(Neutral)に 分 類 さ れ る.Snは β一transusを や や 低 下 さ せ る が そ の 影 響 は 小 さ い た め 中 性 元 素 と み な さ れ る.こ れ ら の 元 素 はTi同 様 に 低 温 でHCP構 造 を,高 温 でBcc構 造 を と る の でTiの α相 と β相 の ど ち ら に も よ く 固 溶 す る.α 相 を 固 溶 強 化 し ク リー プ 特 性 な ど を 向 上 さ せ る た め 添 加 さ れ る. 以 上,4種 類 の 合 金 元 素xを そ れ ぞ れ 添 加 し た 時 のTi-x2元 系 状 態 図 をFig 2.8に 示 す.本 研 究 の 対 象 で あ るTi-6Al-4vで は,Alが α 安 定 化 元 素,vが 全 率 固 溶 型 の β 安 定 化 元 素 に 分 類 さ れ る.Fig2.3(b)が 示 す よ う に,高 温 か ら 室 温 に 近 づ き β相 体 積 率 が 減 少 し て い く の に 伴 い β 相 安 定 化 元 素 で あ るVは β相 内 に 集 中 す る よ う に な り,V(β)は 増 加 し て い く.ま た α相 安 定 化 元 素 で あ るAlは β 相 内 か ら α相 内 へ 拡 散 ・移 動 し,Al(β)は 減 少 し て い く.こ の 時,α 相 は 組 織 の 大 部 分 を 占 め て い る た め,β 相 と 比 べ て か な り 小 さ な 傾 き でAl(α)は 増 加 しV(β)は 減 少 す る.以 上 か ら,室 温 に お い て β 相 は 周 囲 の α 相 に 比 べ て よ り 高 い 濃 度 の Vを 含 む た め,走 査 型 電 子 顕 微 鏡(scanningelectronmicroscope;SEM)で 反 射 電 子 像(backscatteredelectronimage;BSEimage)を 得 る と,よ り 高 い コ ン ト ラ ス ト で 映 し 出 さ れ る. α 相 と β 相 間 の 同 素 変 態 の 他 に もTi合 金 に お い て は 様 々 な 相 変 態 機 構 が 存 在 し,Table2.4に ま と め ら れ て い る. HCP構 造 の ω 相 は 準 安 定 の 遷 移 相 で あ り,残 留 β相 が α 相 に 変 態 す る 際 に, β 安 定 化 元 素 の 拡 散 移 動 が 不 十 分 で あ る こ と で 生 じ る.ω 相 は 焼 入 れ ω 相 (athermalto)と 時 効 ω 相(isothe㎜alω)の2種 類 が あ り,析 出 形 態 の 違 い に よ っ て 識 別 さ れ る.ω 相 は 強 度 を 著 し く 上 昇 さ せ る が 延 性 を 致 命 的 に 低 下 さ せ る た め(ω 脆 化),通 常 は 忌 避 さ れ る.そ の た め 実 用 合 金 で は 高 温 焼 戻 し に よ っ て α+βの 二 相 状 態 に 戻 す こ と で ω 脆 性 を 回 避 す る.三 方 晶(Tri:P-3ml[21])と 六 方 晶(HCP:P6/mmm[22])の ω 相 が 報 告 さ れ て お り,Massalskiら[23]は 六 方 晶 だ と 結 論 づ け て い る が,Banerjeeら[24]は 溶 質 原 子 濃 度 に よ っ て ど ち ら の 構 造 を と る か が 決 ま る と 述 べ て い る. α'相(HCP構 造)と α"相(斜 方 晶 構 造)は 高 温 か ら の 冷 却 過 程 で β相 が 無 拡 散 変 態 す る こ と で 生 成 す る マ ル テ ン サ イ ト相 で あ り,Ti合 金 中 の β 相 安 定 化 元 素 の 量 が 多 い 場 合 に は α"が 生 じ 少 な い 場 合 に は α'が生 じ る.Ti合 金 中 の マ ル テ ン サ イ ト変 態 と α相,α"相 に つ い て は2.1.2節 で 詳 述 す る.

β 相 か ら 析 出 す る α 相 に は2種 類 が あ り,Type1α は 母 相 で あ る β 相 と の 間

に,Fig2.9に 示 す よ う なBurgersの 方 位 関 係(110)βll(0001)α と[111]βII[1120]α

を 保 ち な が ら 析 出 し た 組 織 で あ り,Widmanstattenpatternを 形 成 す る.こ の 組 織 に つ い て は 次 の2.1.2節 で 詳 述 す る.も う1種 類 の α相 はType2α と 呼 ば れ る も の で,母 相 で あ る β相 と の 間 にBurgersの 方 位 関 係 の よ う な 決 ま っ た 方 位 関 係 を 持 た ず,微 粒 子 の コ ロ ニ ー と し て 析 出 す る. 900 700 貧   巴 8500 ぎ 300 100 C斎is{jp BasalS闘p PrismSlip O O2004◎ ◎6008001000 Teinpe『atu「0(K} Fig2.1TemperaturedependenceofCRSSfbrslipwithdandd十6Burgersvectors insinglecrystalsofTi-6.6Al.[19] (leli) 《1010} aゴ 司●騨鱒  

↑

。295・m＼ ε 6 弩 .O a 畠 墨 7 置 1 002)

/O'332nm

a2a a Fig2.2Unitcellsofαphaseandβphase.[19]

奮100_M騨 蘭 。 ♂5 喜 80Q酬 懸 酬 翻b9即 呼 墓

口

よ

ち60書i。 ぎ き 篭 憩 ぎ 1,。 謹5 量 。 § 0 70080090010006507508509501060 τempe・ 湘e{。C)7empe・aせurefC》 (ω ψ) Fig2.3PhaseequilibriadatafbrTi-6Al-4Vprogramalloy:(a)beta-approachcurveand (b)phasecompositions.[25] 麟 § 軸聖 盤 ぎ

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噸 顔噌 夢 ◎ 噸 ぜ φ噸 ＼ 、 ＼ ＼ ＼ ＼ β ＼ ＼ ＼ ＼_、 ＼ 」 ＼ ＼ ＼ 。.β 漕 ＼ ＼ 6 ＼ ＼ ＼"'＼ ＼ 、 、、.＼1 }Hl β・3緬o〃融'α 漉偲"附 εめρ 77肉醐 伽 L_,傭' 一 π覇A2働4∼ ≧・釧o _{一 荊5物 赫 禰,} 一 符・&4'《撃い2Sゆ_77・77.5御b磁455カ 幽 π 棚 ノ・4v 一 η・614'・2励剣4〃・2〃o 一 ηr8メ し'・7〃σ・7V-『77 _{・70》 ・2Jrσ・3メ》} 一 ア7・54'%25勘 Fig2.4SomeU.S. alloycompositionsrelativetoapseudo-binarytitaniumphase

0 り oo 5 oo 3 鋤 欄 印 店 3 一 .乙 り 薗 己 ● ・轟 鱒 2 慣 甕 一囎 飼 ● 儒臨 ,聖 胴噂 09 0,20.40.6 藝nt魯【titi曇lcont含nt,% 140茎 伽 誉 董10。 髭 8。1 謬。 謹 . 仁 0 噛り 璽 ロ = O ゆO を ● ﹄ り C 一〇 早 " 鱒0 30 20 10 0 0.20AO。6 1nttrstitiatcor)tent,% 0,8 Fig2.5Effectofinterstitialelementscontentonstrengthandductilityofunalloyed titani㎜.[26]

馴

羅1

.,,..・ ・ …4 働 H 20μm Fig2.6Ti-7Al-2Mo-1Vplate,heatedto1010。C,whichisabovethebetatransus. Surfacelayerofwhite,oxygen-stabilizedalpha(alphacase);theremainderofthe structureisacicularalpha(transformedbeta).[27]

雪

・。 φ も 5 輸 駒 (択 ︾ 臣 .. 衝 A薯`縦 郭》 Fig2.7EffectofAlcontentonstrenghandductilityofunalloyedtitanium _,.[28] α一s曲ll蜘9 重 轡 β一isoir}erpbovs β α

[OOOI].ll{110]P

C a _

【

・1・

】

β4鱒 爾:鱒 …訓

胴1]β11["20]a

Fig2.9ThelatticecorrespondencecompliedwithBurgersorientationrelationshipfbr β,andα'(α)transformation.[29] Table2.1PhysicalandmechanicalpropertiesofCP-TiandTi-6Al-4V. 1 CP-Ti I Ti一ゐAl-4V AlloyType α α+β Y6arofIntroduction ₍₁₇₉₁₎ 1954 Density 4.519/cm3 4.439/cm3

ModulusofElasticity 120GPa ll3.8GPa

β一tranSUS 882。C 995。C

MeltingPoint 1668。C 1604-1660。C

SpecificHeatCapacity 0.5223J/9・K 0.5263J/9・K

Table2.2Schematicshowingeffectsofalloyselementsonstructureandsomeselected properties(representivealloysnoted).[26] A6Pわ 菖・"9厨1轟翼」鋤9 dem㎝ 重5 ForexaI臓P量 憩: al駆mi鵬om o瓢y8㎝ 轟鮭rO8e轟 8G隔 輪stabil毒Zi鱒賃 ㊤ICtne纐艦 Fo「e竃 ●mple= mogybdG劇m ir㎝ サ飢9d艇 ㈲ chtotnium ntanseaRese 塞neressingquant蝕i●50fdp誉 憎 謡nbMzers980mote亀 墓μ 嘘1山 創漣・ Incr￠85曇編8鰭uantitSesofbUta5電 鐘b龍藍濯ersprolmo重e』G量85露 贈 ・ Una匪byod Ti Tト 5A卜 2.SSn Ti。 5A9・ 6S齢 ・ 2Zr・ 量Mo・ o.2鰯 Ti,Tト 丁轟. 6Aレ6Aト6Aト 2S"瞬4V6V・ 4Zr・2S馳 2Mo 算 8A量 ・ 1M④ ・ w 71・ 6▲ ト 2Sn・ 4Zr・ 6Mo。 Ti。 8Mn τ卜Tl。 8Mo・Il.5Mo幽 8V・6Zr・ 2『eg4σSSn 3Al 刑 ・ 書3V。 1竃Cr・ 3A} Hi8herde龍 謝 ン ー lnerea5in8hes豊 ・電reatlnenttespo勘 総 一

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Table2.3 classificationofsomealloyingelementsusedintitanium.

α一stablizing _{β一isomorphous β一eutectoid} Neutra1

l Al V Cr Zf O N b O N M Mn Fe f n H S

Table2.4 Phasetrans飴 ㎜ationobservedintitani㎜alloys.[28]

1

1

甘ans飴 ㎜ation _P「ocess

1

decompositionofβphaseduring ₍₁₎ martensitictransfbmlation: _{β→ α',α"}

quenching (II) athermalωphase:β → ωath+β

decompositionofβphaseorα+βphase β(β+α)→ α",α"㎡ 、h,α"1,㎝ II duringisothermaltransfbrmation β∼ β'd、h,β'1,飢 Type1α,Type2α (1) isotherma1ωphase:βr→ ωi+β (H) phaseseparation:βr→ β'+β (m) αphase鉛mation:βr→ α+β

m decompositionofretainedβ 一phase (Widmans伽enα,Ra食 α)

(IV) compoundprecipitation:βr→ orderedα2+β, β,→ orderedβ'+β (V) stress-inducedmartensite (VI) isothe㎜alma貢ensite (1) α'(β一isomorphous)→ α+β IV decompositionofmartensite α'(β一eutectoid)→ α+Comp. (H) α"(Msα"〉>R.T.)→ α+β α"(Msα"=R.T.)→ α"+β αphasefbrmationthroughintermediate _{(1) β+ω→ α+β} V phase (H) β+β'→α+β (1) activeeutectoidreaction:pearlitictexture (Cellularreaction) VI eutectoiddecomposition (H) mildeutectoidreaction:massiveproduction (Cellularreaction) (1) compoundprecipitation VH _{precipitation丘omαsolidsolution} (H) α2phaseprecipitation

2.1.2Ti-6Al-4vの 熱 処 理 α型 合 金 とは 異 な り,Ti-6Al-4vの よ うな α+β合 金 で は,二 相 合 金 で あ る こ と か ら粒 径 の粗 大 化 を 抑 え な が ら機 械 的特 性 の 向上 を実 現 す る こ とが で き るた め, 熱 処 理 が よ り重 要 で あ る.目 的 と条件 に よ って,熱 処 理 目的 と方 法 の違 い に従 っ て 以 下 の4つ に 分類 され る;① 応 力 解 放(製 造 時 に 導入 され た 残 留 応 力 低 減), ② 焼 鈍(望 ま しい延 性 や 機 械 的 特性 を 引 き出 し,組 織 の 安 定 性 を 向上 させ る), ③ 溶 体 化 処 理(機 械 的 強 度 の 向 上),④ 時効 処 理(マ ル テ ンサ イ ト相 や 遷 移 相 の 分 解).こ の うち 時効 処 理 は溶 体 化 処 理 の後 に続 け て用 い られ るの が 普 通 で あ る. Table2.5に 製 造 方 法 と熱 処 理 ご との典 型 的 なTi-6A1-4Vの 機 械 的 強 度 を示 す. Ti-6Al-4vの 従 来 的 な製 造 法 に は鋳 造,鍛 造,粉 末 冶 金 が あ る が,い ず れ の場 合 に も異 な る微 視 組 織 を 呈す るた め,そ れ ぞ れ の ま ま材 の 間 に は 強 度 差 が 表 れ る. ま た熱 処 理 に よ って も微 視 組 織 は全 く変化 し,強 度 に影 響 を もた らす. Ti-6Al-4Vで 工 業 的 に用 い られ る代 表 的 な熱 処 理 条 件 をTable2.6に 示 す.合 金 の使 用 目的 に 対 して 最 適 な機 械 的 特 性 を 引 き 出す た め の条 件 が 選 択 され使 用 され る.α+β 合 金 の熱 処 理 に お い て 重 要 な条 件 は主 に次 の3つ で あ る.

1.熱 処 理 温 度 が β一transusを 超 え る(super-transus)か 越 え な い か(sub-transus)

2.溶 体 化 処 理(Solutiontreatment)が あ る 場 合 の 冷 却 速 度 3.熱 処 理 の 段 数(α+β 合 金 で は,普 通,1あ る い は2段 階) こ の う ち α+β合 金 で 最 も 重 要 な の は1.の β一transusを 超 え る 温 度 条 件 か 否 か で あ り,Fig.2.10に 示 す よ う に,両 者 は 全 く 異 な る 組 織 を 呈 す る.sub-transus, す な わ ち α+β領 域 で は,β 相 に 変 態 せ ず 残 っ た α相 粒 が 粗 大 化 し,初 析 α(primary α)と 呼 ば れ る 組 織 と な り,特 に β一transusの 直 下(Tβ よ り50。C程 度 低 い 温 度) の 熱 処 理 に お い て 顕 著 で あ る.一 方,super-transusの β領 域 で は 全 て の α 相 粒 は β相 へ と 変 態 し,高 温 の た め に β相 は 著 し く 粗 大 化 す る.し か し冷 却 と と も に β 相 は 徐 々 に 分 解 し 始 め,次 の よ う に 相 変 態 を 起 こ す. 冷 却 速 度 が 大 き い 場 合:β → α'orα" 冷 却 速 度 が 小 さ い 場 合:β → α+β 両 方 の 場 合 で,β 領 域 に お い て 粗 大 化 し た β 相 粒 は 室 温 に お い て は 維 持 さ れ

こ の 時 α 相 が 形 成 す る 特 徴 的 な 組 織 はWidmanstattenpatternと 呼 ば れ る も の で, 18世 紀 初 頭 に 阻 鉄 中 で 初 め て 見 出 さ れ た も の で あ る.β 一transus以 上 に ま で 昇 温 さ れ た α+β型 合 金 が 除 冷 さ れ て β一transus以 下 に な る と,準 安 定 の β相 粒 界 上 で α 相 核 が 生 成 す る.こ こ で α一Tiに お い てc軸 の 平 行 方 向 よ り 垂 直 方 向 の 熱 伝 導 度 が よ り大 き い こ と が,そ れ ぞ れ の 方 向 に 対 す る 電 気 伝 導 度 の デ ー タ と,金 属 の 電 気 伝 導 度 と 熱 伝 導 度 の 比 例 関 係 を 示 し たWiedem㎜ 一Franz則 よ り推 定 さ れ る [30]. κ 一=L σT こ こ で κ[W/(mK)]は 熱 伝 導 率,σ[S/m]は 電 気 伝 導 率,T[K]は 絶 対 温 度,L[W・ Ω∠K2] は ロ ー レ ン ツ 数(Lorenznumber)で 金 属 の 種 類 に よ ら な い 定 数 で あ る. ま た,拡 散 係 数(テ ン ソ ル 量)は 立 方 晶 で は 主 成 分 は 等 し く 等 方 的 で あ る が, 一 方 ,六 方 晶 で はa軸 とc軸 方 向 の 拡 散 係 数 が 異 な る.AlやVの よ う な 遷 移 金 属 溶 質 原 子 の 拡 散 速 度 はc軸 の 平 行 方 向 に よ り 大 き な 値 を 持 つ の で[31],合 金 元 素 はc軸 方 向 に 拡 散 し よ う と し,板 状 α 相 の 側 面 へ 合 金 元 素 が 押 し 出 さ れ,そ の 成 長 は 持 続 す る.板 状 α相 は 母 相 の β相 とBurgersの 方 位 関 係(110)βll(0001)、 と[111]βll[1120]α を 保 ち な が ら β 相 の{110}方 向 に 向 か っ て 成 長 し β 相 を 仕 切 る 平 行 な 板 状 α 相 群 と な る.板 状 α 相 と 層 間 β相 と の 結 晶 方 位 関 係 をFig.2.12 に 示 す.こ の 結 晶 面 に 平 行 に,同 じBurgersの 結 晶 方 位 関 係 を 持 っ た 板 状 α 相 群 が そ れ ぞ れ 独 立 に 成 長 す る こ と で,widmanstatten組 織 特 有 の パ タ ー ン に な る. {110}pの1つ の 面 に 平 行 な 板 状 α 相 群 が 他 の{110}β 面 に 平 行 な 板 状 α 相 群 に ぶ つ か る と,α 相 同 士 の 大 傾 角 の 結 晶 粒 界 が 生 じ る.成 長 は そ こ で 妨 げ ら れ,大 傾 角 粒 界 を 持 つ 板 状 α 相 同 士 は そ の 結 晶 方 位 の 差 の た め,高 温 中 に お い て も 粒 同 士 が 吸 収 し合 う こ と な く 粒 形 状 を 維 持 し 続 け る.こ れ がwidmanstatten組 織 の 生 成 過 程 で あ る. 水 中 で の 焼 入 れ の よ う に 冷 却 速 度 が 大 き い 場 合,β 一transus以 上 で 存 在 し た β相 は α'相(HCP:P63/〃zmc[32])ま た は α"相(Ortho.:Cmc〃1[32])と 呼 ば れ る マ ル テ ン サ イ ト相 へ 無 拡 散 変 態 を 起 こ す.β → α'相の せ ん 断 変 形 を 伴 っ た マ ル テ ン サ イ

ト変 態 機 構 をFig.2.13に 示 す.(a)→(b)の 過 程 で は(1i2)β 面 に 沿 っ て[ill]β 方 向

(あ る い は(112)β)に せ ん 断 し,(b)→(c)の 過 程 で は(110)面 に そ っ て1原 子 面 お

き に 逆 ず れ を 起 こ し てHCP構 造 へ 変 わ る.こ の よ う な 変 形 で は 外 形 の 変 化 を 生

じ る が,現 実 に は 周 囲 の 拘 束 が あ る た め,変 態 時 に は 双 晶 や 転 位 な ど の 格 子 欠 陥

が 導 入 さ れ,焼 戻 し 時 に は 析 出 物 の 生 成 地 点 と な る.α'相 は 約60GPaの 低 ヤ ン グ

用 し た 新 加 工 プ ロ セ ス(α'プ ロ セ ッ シ ン グ)が 注 目 さ れ て い る[33,34].α'相 か ら 成 る 針 状 組 織(acicularstructure,orplate-likestructure)が マ ル テ ン サ イ ト変 態 に よ っ て 形 成 さ れ る.CP-Tiあ る い は 合 金 元 素 の 含 有 量 が 極 め て 少 な いTi合 金 で は massiveな α'マル テ ン サ イ トが 生 成 し,50-100μm程 度 の 大 き さ を 持 つ.溶 質 元 素(β 相 安 定 化 元 素)を 多 く含 むTi合 金 で は,六 方 晶 構 造 を 維 持 で き る 対 象 性 を 失 っ て マ ル テ ン サ イ トは 斜 方 晶 構 造 を と り,こ れ は α'相 と 呼 ば れ る. α'相と α"相 の 存 在 比 は β 相 の 化 学 組 成 に よ っ て 決 定 さ れ る.100%の β相 体 積 率 を 示 す β一transusか ら 温 度 を 低 下 さ せ る と β 相 体 積 率 が 減 少 す る に つ れ て β相 のV濃 度 は 上 昇 し て い き,マ ル テ ン サ イ ト変 態 開 始 温 度Msは 局 所 的 に 低 下 し て い く(Fig2.14).Msが 局 所 的 に 室 温 以 下 と な る ≧15%vで は β相 は 焼 入 後 も 残 留 す る よ う に な り,10土2%Vで は β 相 が 部 分 的 に 残 留 し残 り は α"相 に マ ル テ ン サ イ ト変 態 す る.Ti-6Al-4vに お い て は,約750-900。cで 焼 入 を し た 場 合 に こ れ が 生 じ る.≧9000Cで は β相 体 積 率 は 十 分 に 増 加 し β相 中 のV濃 度 が 減 少 す る た め,焼 入 に よ っ て α'相が 生 じ る よ う に な る[35】.β 一transus以 上 の 温 度(T>Tp=: 995・C)で は 初 析 α 相 は 生 成 さ れ ず,α'相 の み が 生 じ る.す な わ ち 焼 入 温 度 が ≧995。Cで β→ α',900-9950Cで β→ α'+α,750-900。Cで β→ α"+α と な る.7500C以 下 で は β 相 の 体 積 率 は 室 温 で の 体 積 率 と 同 じ程 度 で あ る た め,焼 入 を 行 っ て も マ ル テ ン サ イ ト変 態 は 生 じ ず β相 は そ の ま ま 残 留 す る.

.ー 引 裡 ﹁ ﹂ 9 1 1 ー f 9 ヨ ω 鷹 O 駄 ∈ ρ ド 1065。C {1950。F) 、 、 。甲 、 、 蹴, 955。C {17500F) 900。C (t660。F) 845。C (155◎OF》 W崩rq脳onoわ ●d (a) {b》 (o) 《d) Aircooled {o》 ① ω (h) F凹macec◎oled り { ︾ G ㈹ ︾1 ( Fig.2.10EffectofcoolingrateonthemicrostructureofTi-6Al-4V.(a)α'+β;prior betagrainboundaries.(b)Primaryαandα'+β.(c)Primaryαandα'+β.(d)Primaryα andmetastableβ.(e)Acicularα+β;priorbetagrainboundaries.(f)Primaryαand acicularα+β.(g)Primaryαandacicularα+β.(h)Primaryαandβ.(i)Plate-likeα+β; priorgrainboundaries.(j)Equiaxedαandintergranularβ.(k)Equiaxedαand intergranularβ.(1)Equiaxedαandintergra皿ularβ.[26]

1200 1eoe り .2 3 餐 医 ξ 潔 800 ㎜ o 2 轟 6 8 le筆2 ㎞ 伽 揃ooめ伽t,綱% 14 協 β 窮tias ↑r魯o● 即Ol of plones infi Fig2.11Microstmcturesachievedatvariousintermediatetemperaturesbyslowly coolingf士omabovetheβtransus.Finalmicrostructureconsistofplatesofα(white) separatedtheβphase(dark).[26]

β α β.、 α

碗

{

β α β

φ

惨

[1120】 α (112)β (llOO)α 9 φ Fig2.12Schematicalrepresentationofthecrystallographicrelationshipbetweenα platesandβmatrixinαcolonies.[19] 面j

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/ / ノ ＼ 、

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一 _ヨ.〉

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【00011 A 〉ク ツ 幅 (b)600_CP {a)BCC Fig.2.13BCC(βphase)toHCP(α,α'phase)transformation.[28]

価1

( 9 膠︾ O ﹂ ヨ 一 § 属 5 ﹄ 覧 goo 800 700 600 500 400 3000 Ti 51015 Alloy三ngelement(at%) 20 Fig.2.14EffectofalloyelementsonMstemperatUreoftitanium.[28]

Table2.5Comparisonoftypicalroomtemperaturepropertiesofwrought, unalloyedtitaniumandTi-一 一6A14V.[26] castandP/M PrO{勉 ￠`8願d cond髭io駐 Te鵬 髄e 殿 ㎝9重』 Yield 甜 ℃嚇9藍h 漁 ㎞ MPa ㎏ Cha叩pyllracture m。 劇 。。,M。,書 ㎞ 塾卿 ㎡醜 麟 伽gh㎜ %董 鶴鮮ea,%Jfし 匪MMPaViiiI㎏1漏7 U盤a墨畳oyod鍾 蝕 額i田融 Wr◎ughtbar,annealed55080 伽bar,as購ca8t63592 P離oompact,a田 副ed(b)48070 Ti・6A卜4V W⑩ughtbar、m逝a㎜ea量ed965玉40 Wmugbtbar,騨t曲ze970141 annealed Wroughthar,be伽 ㎜ 副ed955139 Castbar,as-ca戚1◎00145 ('astbar,annealed930135 Ca8tbar,an1幽!(d>895-930130-135 Castbat。STA(c)935-970136-141 Castbar,ST」 へ(f)965-1◎25140-149 Castbar,HH}豆000145 P/Mcompact雪amealed(b>825-85512(レ424 P/M◎o!npact,annea垂ed925134 andfbrged(c) PIMcompact,STA(g)965140 480 510 370 ︻ ﹂ { ﹂ 7 門 ノ 8 0 0 A U △ τ 4 7 7 { ) 7 7 2 ウ 創 董 重 860125 895130 825120 8a5-855筆20一 夏24 855-90◎124_131 860副925125-134 870126 740嗣785107-114 840122 895 130 8 ハ U 占 6 -2 1 3 /0 1 1 9 8 12 ひ10 5-8 5--8 8 5-・8 12 4 3335(a)26(a) 3垂26(a)茎9(3) 22.., ︽ ゾ ツ f 2 2 21 16 22 1(》・-15 6-14 K》-14 16 &-14 27 6 27 17,5 20 餌 ● . ● ● ら 9 , , " 52 91 107 103 109 ,,● 47 ハ5 7 4 " " 姻 9 8 ◎ ノ 0 ノ ・ 辱 。 Q ノ P/M,powdermetallutgy;STA,sd斌ionIre飢ed鴎daged;H1P,hotl30sIa縫caI肇ypre83￠d.(a》Ch&畦)yv田oes蹴 一400C(-4心oF).(b)卿94%den8e.(c) A聖mosし100%d緯nse・(d)A:meaIcdot7300r8450CO3450r15550F).(o)Aゆha鱒bcεaSTA:9550C,晃h,coo1+6200C,2h(!フ500F,1h、

oool+H500F,2h).(◎Betaso加ti◎ 掘 顧巳&にd8ndagcdSTAほ0250C,Ih,coo聾 。+6200C,2h(18750F,婁h,cool+11500F昏2h)

Table2.6 Summaryofheattreatmentsforalpha-betatitaniumalloys.[26]

Heattreatmentdesignation Heattreatmentcycle Microstructure Duplexanneal Solutiontreatandage(STA) Betaannea1 Solutiontreatat50-75。CbelowTp, aircoolandagefor2-8hat540-6750C Solutiontreatat∼40。CbelowTp, waterquenchandagefor2-8hat535675。C Solutiontreatat∼15。CaboveTp, aircoolandstabilizeat650-7600Cfor2h Primaryα,plusWidmanstatt-enα+βregions Primaryα,plustemperedα'or aP-amixture Widmanstattenα 一β mlCrOStrUCtUre colony Betaquench Recrystallizationanneal Millanneal Solutiontreatat∼150CaboveTp, waterqucnchandtemperat650-760。Cfor2h 9250Cfbr4h.coolat500C/hto7260C,aircool α一βhotworkplusamealat750。Cfor30min toseveralhoursandaircool Temperedα' Equiaxedαwithβatgrain-boundarytriple Incompletelyrecrystallizedα withasmallvolume丘act-ionofsmallβparticles

2.2Additivemanufacturing(AM) 今 日,付 加 製 造(AM:AddictiveManufacturing)は,従 来 用 い られ て き た除 去 加 工 (切 削加 工)と 成 形 加 工(塑 性加 工)に 並 ぶ 第3の 加 工 法 と して 注 目を集 め て い る. 光 硬 化 樹 脂 にUVな どを照 射 す る こ とに よ り積 層 す る光造 形 機 が1980年 代 に考 案 ・実 用 化 され て以 降,付 加 製 造 機 は主 に試 作 品 の制 作 用 の装 置 と して 長 ら く見 倣 され て き た.し か し近 年 で は樹 脂 に 留 ま らず 各種 金 属 ・合 金 や 石 膏,プ ラス チ ック な どに も使 用 可 能 な材 料 の範 囲 が広 が り,実 用 部 品 の 製 造 に も適 用 が で き る ほ ど精 密 かつ 空 隙 の ほ とん どな い緻 密 な積 層 物 が 造 形 可 能 に な っ た. 緒 言 で 前 述 した よ うに,粉 末床 溶 融 結 合 方 式(powderbedfUsion;PBF)は 付加 造 形 法(Additivemanufacturing)の 一 種 で あ り(分 類 はFig.1.2を 参 照),『 金 属 3Dプ リンタ ー』 と して知 られ て い る装 置 の 多 くが採 用 して い る方 式 で あ る.使 用 す る熱 源 が レー ザ ー で あ るか ビー ム で あ る か に よ っ て そ の機 構 に は多 少 の差 異 が 生 まれ るが,そ の違 い は主 に レー ザ ー な い し電 子 ビー ム の 走 査 機 構 部 に お け る もの で あ り,そ れ 以 外 の機構 は両 者 にお い て基 本 的 に 同 一 で あ る. Fig2.15にsLM装 置 の概 略 図 を示 す.こ の装 置 中 で,積 層 プ ロセ ス はFig2.16 に示 す よ うに,以 下 の 手順 で 実行 され る. 1.エ レ ベ ー タ ー と 呼 ば れ る ベ ー ス プ レ ー トの 表 面 に,リ コ ー タ ー を 用 い て 指 定 の 厚 さ で 金 属 粉 末 層 を 敷 き 詰 め る. 2.レ ・・一一・・ザ ー 発 振 器 か ら放 出 さ れ た レ ー ザ ー ビ ー ム(レ ・一・・一・ザ ー 源 と し て はYbフ ァ イ バv-・一・・レv-一一・・ザ ー やCO2レ ・一一・一・ザ ー 等)を ガ ル バ ノ ミ ラ ー に よ っ て 反 射 さ せ る こ と で,金 属 粉 末 層 の 任 意 の 地 点 を 溶 融 さ せ る.入 力 し た3D-CADデ ー タ か ら 作 成 し た 一 層 分 の2次 元 ス ラ イ ス デ ー タ に 従 っ て,レ ー ザ ー を 走 査 さ せ る. 3.走 査 終 了 後,一 層 分 の 厚 さ だ け エ レベ ー タ ー を 下 げ て,リ コ ー タ ー を 用 い て 次 の 粉 末 層 を 敷 き 詰 め る. 4.上 の2と3を 繰 り返 し て,造 形 物 全 体 が 完 成 す る.造 形 物 周 囲 の 未 焼 結 粉 末 は,同 じ 粉 末 を 空 気 圧 で 吹 き 付 け る こ と で 取 り 除 く.べ 一 ス プ レ ー ト と 造 形 物 を 放 電 加 工 な ど に よ っ て 切 り 離 す. Fig2.17にEBM装 置 の概 略 図 を示 す.走 査 機 構 部 お よび電 子 線 発 生 装 置 の構 造 は走 査 型 電 子 顕 微 鏡(SEM)に よ く似 て い て,加 熱 され た タ ン グス テ ン フ ィ ラ メ ン トか ら放 出 され た 電 子 を ア ノー ドに よっ て加 速 し,集 束 レ ンズ で焦 点 を合 わ せ,偏 向 コイ ル で走 査 の制 御 を行 う. 造 形 チ ャ ンバ ー 内 の積 層 プ ロセ ス の 手順 はSLM装 置 の場 合 と大 き くは 変 わ ら な い が,EBM法 の場 合 に は,各 層 を走 査 す る前 に予備 加 熱 と呼 ばれ る工程 を実 施 す る.

レー ザ ー 光 の電 界 に よ り金 属 粉 末 表 面 の 自 由電 子 を振 動 させ て格 子 振 動 を引 き起 こす[36]SLM法 とは異 な り,EBM法 で は加 速 電 子 が 金 属 粉 末 中の原 子 と衝 突 して 失 われ た運 動 エ ネ ル ギー が熱 エ ネ ル ギ ー(格 子 振 動)に 変 換 され る こ とで 照射 部 の温 度 を 上昇 させ る[37].こ の時 電 子 は金 属 粉 末 内 に 蓄積 し,や が て負 に 帯 電 し始 め る.さ らに電 子 ビー ム を照 射 し続 け る と,負 に帯 電 した金 属 粉 末 同 士 で クー ロ ンカ に よ る斥 力 が 発 生 し,粉 末 の飛 散 が 起 こ る[38].チ ャー ジ ア ップ と 呼 ばれ る この 現 象 の 発 生 は造 形 物 の最 終 状 態 に深 刻 な影 響 を及 ぼ し,ポ ー ラス 形 状 の よ うに空 孔 を 多 く含 む 状 態 とな る[39】. これ を防 ぐた め に,EBM法 の 予備 加 熱 工程 で は,粉 末 床 全 体 を走 査 して0.5∼ 0.8Tmの 温 度 域(Tmは 金 属 粉 末 の 融 点)ま で加 熱 す る こ とで 粉 末 を仮 焼 結 させ る. 粉 末 同士 が仮 焼 結 す る こ とで,プ ロセ ス 時 の 個 々 の 粉 末 の 帯 電 を妨 げ る こ とが で き る.ま た 副 次 的 な効 果 と して,溶 融 凝 固 に と もな っ て発 生 す る残 留 応 力 が 著 しく低 減 され,ま た,サ ポー トもSLM法 よ り簡 易 な もの で 十 分 とな る.SLM法 で,造 形 後 の応 力 除 去 の た め に焼 鈍 熱 処 理 が 必 要 で あ る の とは対 象 的 で あ る.予 備 加 熱 工程 は,SLM法 に お け るガ ル バ ノ ミラー の よ うな機 械 機 構 部 を持 た ず, 電 磁 レ ンズ を用 い て 走 査 制 御 を行 うEBM装 置 で の み 可 能 で あ る. 一 方 ,こ の 予備 加 熱 工程 で粉 末 が仮 焼 結 され るた め,造 形 後 の粉 抜 きはSLM 法 よ り困難 な もの とな る た め,複 雑 流 路 を持 つ 部 品 の造 形 には 不 向 き で あ る.ま た,電 気 抵 抗 度 が大 き い金 属材 料 で は,仮 焼 結 を施 して もチ ャー ジ ア ップ 現 象 を 起 こす こ とが あ るた め,EBM法 が適 応 可 能 な材 料 はSLMよ りも幅 が 狭 い. SLM法 とEBM法 の違 い を,本 研 究 で 用 い た積 層 造 形 機(EOSINTM280,Arcam

A2X)を 例 に 上 げ て 比 較 した もの がTable2.7で あ る.SLMはEBMに 対 して,

使 用 可 能材 料 の豊 富 さ,造 形 精 度,表 面粗 さ,残 留粉 末 除 去 の 容 易 さ とい う点 に お い て 有利 で あ る.一 方,EBMと 異 な り予 熱 工程 が無 い こ とに加 え,真 空 で は な く不 活 性 ガ ス 中 で造 形 を行 うた め,溶 融 後 に凝 固 した 層 は急 冷 に よ り収 縮 す る.上 下 層 の 温 度 の違 い とそれ に よ る上 層 の 収 縮 の た め に 下 に 凸 の そ りが 上 層 に生 じる.結 果SLMで 積 層 造 形 した 部 品 に は大 き な残 留 応 力 が発 生 し,変 形 を 防 止 す るた め の 強 固 な サ ポ ー トと造 形 後 の応 力 除 去 工程 が 必 要 とな る こ とが 大 き な 問題 点 で あ る.

Rec◎ater Finemetal＼ ⇔ powder _.

Sintered

FinemetalP◎wder Metal翻c Container Fig2.15Schematicdiagramofselectivelasermelting(SLM)machine. ① 総家層の作襲 ② レーザーで粉家覆溶鰐 。焼紹 ③ 一 層 分 テ ー プ ル 雀 下 げ 、 ④ 遁 形 物 全 体 の 晃 成 次 の 蘇 層 奄 作 展 Fig2.16Selectivelasermeltingprocess.

Electronbeam、 榊 Electronbear轟gu纏 Focusco縫S De例 ㏄tlonoo薩

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/S peclme日 ＼ 、BuiIding 一 table 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)

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 EsrdeteCte『 5毒纏er顧9 gr纏 量fi・lor}sSE 南 璽e《霊or 轡 り 耐 . 欄 、 5 , SE 一 騨 7 . 輔 、 4 σ 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

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

SLMas-builtspecimen. ■ 、 、 馬 、 岬 EBMas-builtspecimen. Fig3.1 4 Fig3.2