JP6785491B1 - チタン合金積層成形体およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
一方、原料として金属粉末を用い、それを一層ずつ敷き詰め、レーザーあるいは電子ビームを照射して、特定の部位のみ加熱・溶解・凝固することで、型を用いることなく、最終形状の製品を作る製法として金属積層法が最近注目されている。
しかしながら、ガスアトマイズ法により得られた金属粉末(以下、ガスアトマイズ粉末と呼ぶ)を原料として用い、電子ビームを照射して金属積層体を成形した場合、処理を施さない積層のまま材(as built)について疲労試験をすると、金属積層体内部の欠陥の影響を受けて、多くの場合疲労強度が500MPa以下と低い。このような積層のまま材(as built)をHIP処理することで、疲労強度(107回)が改善され、600MPaまで向上することが報告されている(非特許文献2参照)。
更に、アルゴンガスを用いたガスアトマイズ法により得られた金属粉末においては、粉末粒子の粒径が大きいほどポア(空洞)体積率が高い粒子の割合が増加し、また、ポアの中にアルゴンガスが多く含まれることが知られている(非特許文献4、非特許文献5参照)。
これらの現象は、粉末製造時に飛散した液滴は粒径が大きいほどその形が変形しやすく、そのために粉末製造時の環境に存在する不活性ガスを包み込む可能性が高いことによるものと考えられる。
上述した非特許文献に開示された原料粉末としてガスアトマイズ粉末を用いた電子ビームあるいはレーザーによる金属積層成形体は、一般的にはすぐれた特性を示す。
また、非特許文献2及び非特許文献3に記載されたガスアトマイズ粉末を原料とした金属積層体の引張強さについて、積層のまま材とHIP処理材とを比較すると、引張強さ、耐力、及び伸びに関して大きな違いがある。即ち、HIP処理材は、積層のまま材に比較すると、伸びは向上しているが、引張強さ及び耐力が低い。また、HIP処理は、高温、高圧の下で行われるために、積層体の処理費用が高く、それによって製品コストが高くなるという問題がある。
より具体的には、本発明の目的は、ガスアトマイズ粉末を原料とする積層成形体の成形されたまま(as built)と同等以上の引張り強さを有するとともに、ガスアトマイズ粉末を原料とする積層成形体の成形されたまま(as built)よりも高く、HIP処理材の80%以上の疲労強度を示すチタン合金(Ti−6Al−4V)積層成形体及びその製造方法を提供することにある。
また、107回の疲労強度を500MPa以上とすることができる。
上記本発明の第2の態様に係るチタン合金積層成形体の製造方法において、前記チタン合金粉末の粒径を30〜250μmとすることができる。
また、合金粉末を、回転電極法を用いて製造されたものとすることができる。
特に、本発明によれば、ガスアトマイズ粉末を原料とする積層成形体の成形されたまま材(as built)と同等以上の引張り強さを有するとともに、ガスアトマイズ粉末を原料とする積層成形体の成形されたまま材(as built)よりも高く、HIP処理材と遜色の無い疲労強度を示すチタン合金積層成形体及びその製造方法が提供される。
上述したように、金属積層成形体は急冷凝固組織であり、従来法では得られない微細組織を示すことから、高い引張強さを示す一方、金属積層体中にポアが存在する場合には、疲労特性が低い。
ここで、積層体中のポアの発生時期は、以下の二つが考えられる。
一つのポアの発生時期は積層時であり、a)積層条件が適正でないために発生する未溶融粉末に起因するポアが考えられる。この場合、単に1個の粒子の未溶融にとどまらず複雑、粗大なポアとなる。また、b)装置内環境中に不活性ガスを使用することをメインとするレーザー法の場合の巻き込みガスによるポアの可能性もある。a)のポアは、積層時の成形条件を適正にすることで解決することができる。b)のポアは、真空雰囲気で行われるためガス巻き込みが防止される電子ビーム法を採用することにより解決することができる。
以上のことから、積層体中のポアは、積層条件を適正にすること、電子ビーム法により積層すること、及び回転電極法により得た原料粉末を用いること、のいずれか又はその組み合わせにより、低減することが出来る。
得られた積層成形体は、5.50〜6.75重量%のAl、3.50 〜4.50重量%のV、0.20重量%以下のO、0.40重量%以下のFe、0.015重量%以下のH、0.08重量%以下のC、0.05重量%以下のN、及び不可避不純物を含む組成を有する。
また、上記合金組成を有し、ポア含有量が0.05個/mm2以下であるチタン合金積層成形体は、107回の疲労強度が500MPa以上である。
合金粉末中のポアの割合は金属積層後の疲労強度に大きな影響を持つ因子である。チタン合金粉末のポアは、チタン合金粉末を積層してなる積層成形体中においてもそのまま存在することになる。従って、チタン合金粉末中のポアの個数割合が0.1%を超えると、積層成形体中のポアが疲労破壊の起点となる。このため、高い疲労強度の積層成形体を得るためには、チタン合金粉末中のポアを含む粉末の割合が0.1%以下である必要がある。
一般に、電子ビーム積層方法は、図1に示す電子ビーム積層装置を用いて、以下の工程により行われる。
(1)一定厚みの金属粉末層を一層敷きつめる。
(2)金属粉末層の固化予定箇所に局部的に電子ビームを照射して粉末層を加熱し、粉末を瞬間溶融するとともに瞬間固化する。この場合、電子ビームは、3Dデータ・スライスデータに基づき走査される。
(3)製造テーブルを降下させ、更に金属粉末層を敷きつめる。
(4)以上の工程を繰返し、金属を順次積層し、最終形状の積層成形体を得た後、未固化の粉末を取り除いて、積層成形体を得る。
チタン合金粉末を以上の工程に供することにより、所定の形状のチタン合金積層成形体を得ることができる。
電子銃1において、2500℃以上に加熱されたフィラメント2から電子がグリップカップ3により引き出され、アノード4を通して光速の半分のスピードに加速され、電子ビーム8として一層の金属粉末11に照射される。金属粉末11は、例えば粒径65μmのチタン粉末であり、真空チャンバ9内に配置された製造テーブルに収容されている。この際、電子ビーム8はフォーカスコイル6により金属粉末11に焦点が合わされ、偏向コイル7により3Dデータ・スライスデータに基づき所定の形状に走査される。
金属積層は、レーザー積層装置を用いたレーザー積層方法によっても行うことが出来る。レーザー積層方法は、レーザー積層装置、例えばYbレーザー装置により生成された発光レーザーをガルバノメーターミラーにより照射位置を制御して金属粉末に照射するものである。その操作手順は、敷きつめた層状の金属粉末に、ガルバノメーターミラーを通してレーザーを照射し、照射部分のみを溶融し、固化し、この操作を繰り返して積層することにより、所定の形状の金属成形体を得るものである。
実施例1、2、4
回転電極法により製造された、下記表1に示す粒径(50%累積粒径及び粒径範囲)のチタン合金粉末(Ti−6Al−4V)を用い、電子ビーム積層法により、直径10mm、高さ100mmの積層成形体を作成し、この積層成形体から標点間距離30mm、標点直径6mmの引張試験片を切り出した。
なお、回転電極法による製造環境は1.5気圧のアルゴン雰囲気とした。
同様に、電子ビーム積層法により、直径18mm、長さ160mmの積層成形体を作成し、この積層成形体から標点間距離15mm、標点直径6mmの疲労試験片を切り出した。
回転電極法により製造された、下記表1に示す粒径(50%累積粒径及び粒径範囲)のチタン合金粉末(Ti−6Al−4V)を用い、レーザー法により、実施例1、2、4と同様にして積層成形体を作成し、この積層成形体から、実施例1、2、4と同様にして引張試験片及び疲労試験片を切り出した。
ガスアトマイズ法により製造された、下記表1に示す粒径(50%累積粒径及び粒径範囲)のチタン合金粉末(Ti−6Al−4V)を用い、電子ビーム積層法により、実施例1、2、4と同様にして積層成形体を作成し、この積層成形体から、実施例1、2、4と同様にして引張試験片及び疲労試験片を切り出した。
ガスアトマイズ法により製造された、下記表1に示す粒径(50%累積粒径及び粒径範囲)のチタン合金粉末(Ti−6Al−4V)を用い、電子ビーム積層法によりにより、実施例1、2、4と同様にして積層成形体を作成し、この積層成形体をHIP処理した。HIP処理された積層成形体から、実施例1、2、4と同様にして引張試験片及び疲労試験片を切り出した。
回転電極法により製造された、下記表1に示す粒径(50%累積粒径及び粒径範囲)のチタン合金粉末(Ti−6Al−4V)を用い、電子ビーム法により、実施例1、2、4と同様にして積層成形体を作成し、この積層成形体から、実施例1、2、4と同様にして引張試験片及び疲労試験片を切り出した。
実施例1〜4及び比較例3で使用した回転電極法により製造されたチタン合金粉末(Ti−6Al−4V)の組成は、5.9重量%のAl、4.1重量%のV、0.3重量%のFe、0.10重量%のO、0.007重量%のN、0.007重量%のH、残部Tiであった。
また、比較例1及び2で使用したガスアトマイズ法により製造されたチタン合金粉末(Ti−6Al−4V)の組成は、6.1重量%のAl、4.0重量%のV、0.22重量%のFe、0.075重量%のO、0.004重量%のN、0.004重量%のH、残部Tiであった。
実施例3で行ったレーザー積層法は、レーザー装置として、CONCEPT LASER社製 M2を使用し、予熱無し、出力400W、スキャン速度600〜1300mm/sの積層条件で行った。
比較例2のHIP処理は、100MPaのアルゴンガス雰囲気で920℃×2時間保持の条件で行った。
積層体中のポアの数の測定は、実体顕微鏡(5−20倍)を用いて積層体断面を観察することにより行った。すなわち、上述した直径18mm、長さ160mmの積層成形体を、長さ方向と直交する任意の3つの位置で切断し、それぞれの断面を、倍率を適宜変えて観察した。観察面積は、半径9mm×半径9mm×3.14×3面=763mm2とした。
粉末1000個中のポア含む粉末の割合は、粉末を樹脂に埋め込み、光学顕微鏡にて観察することにより行った。すなわち、平板に筒状枠を設け、筒状枠の中に粉末を散布して、その上から樹脂を流し込み固める。そして、金属粉末が埋め込まれた樹脂を研磨し、その断面を任意に光学顕微鏡にて撮影し、得られた写真又は画像データから1000個相当の粉末の中で観察される欠陥のある粉末の数を求めた。
実施例1−4では、金属成形体中のポア含有量が0.05個/mm2以下であるため、107回疲労強度がいずれも550MPa以上と高く、また引張強さが1000MPa以上と高い。
実施例1−4において、金属成形体中のポア含有量が0.05個/mm2以下と低いのは、原料として用いたチタン合金粉末が、回転電極法により製造されたものであり、ポアを含む粉末の割合が0.1%以下と少ないためである。この場合、電子ビーム法(実施例1、2、4)、レーザー法(実施例3)のいずれの積層法によっても、ポア含有量が0.05個/mm2以下の積層体が得られている。
図3は、ガスアトマイズ法により得たチタン合金粉末を用いた積層成形体(A)と回転電極法により得たチタン合金粉末を用いた積層成形体(B)のポアを示す図である。図3に示すように、回転電極法により得たチタン合金粉末を用いた積層成形体(A)には、一例ではあるが、1個しかポアは観察されない。これに対し、ガスアトマイズ法により得たチタン合金粉末を用いた積層成形体(B)には多数のポア(Φ17.2mm中に22個)が認められる。この積層体中のポアは、図2に示す粉末中のポアが巻き込まれたものと考えられる。
Claims (5)
- 5.50〜6.75重量%のAl、3.50〜4.50重量%のV、0.20重量%以下のO、0.40重量%以下のFe、0.015重量%以下のH、0.08重量%以下のC、0.05重量%以下のN、及び不可避不純物を含み、残部がチタンからなるチタン合金積層成形体であって、ポア含有量が0.05個/mm2以下で、引張り強さが855MPa以上であることを特徴とするチタン合金積層成形体。
- 107回の疲労強度が500MPa以上であることを特徴とする請求項1に記載のチタン合金積層成形体。
- 5.50〜6.75重量%のAl、3.50〜4.50重量%のV、0.20重量%以下のO、0.40重量%以下のFe、0.015重量%以下のH、0.08重量%以下のC、0.05重量%以下のN、及び不可避不純物を含み、残部がチタンからなるチタン合金粉末であって、ポアを含む粉末の個数の割合が0.1%以下のチタン合金粉末を金属積層法により積層成形することを特徴とするチタン合金積層成形体の製造方法。
- 前記チタン合金粉末の粒径が30〜250μmであることを特徴とする請求項3に記載のチタン合金積層成形体の製造方法。
- 前記チタン合金粉末が回転電極法を用いて製造されたことを特徴とする請求項3又は4に記載のチタン合金積層成形体の製造方法。
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