Understanding of microstructure and shape memory characteristics of SLM Ti-Nb alloys

了解SLM Ti-Nb合金的微观结构和形状记忆特性

基本信息

批准号：
21K03814
负责人：
渡邊誠
金额：
$ 2.66万
依托单位：
National Institute for Materials Science
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

Ti-Nb合金は新たな生体用形状記憶合金，超弾性合金として，医療分野での実用展開が期待されているが、加工性が低いという課題がある。一方で、近年、注目を集めるレーザ積層造形プロセスは、難加工材であっても、従来プロセスでは不可能な複雑形状を作製することが可能である。そこで、本研究ではTi-Nb合金の製造プロセスとしてのレーザ積層造形プロセスに着目し、レーザ条件や熱処理条件が、造形材の組織や形状記憶特性へ与える影響を明らかにすることを目的としている。2022年度は引き続き、レーザ条件が、Ti-Nb造形体の造形組織、熱処理後の組織、および超弾性挙動に与える影響について、調査を進めた。いずれの条件においても、試料の組成相はほぼβ相のみで構成されていたが、結晶粒界に少量のα相が観察され、エネルギー密度の減少に伴い、α相の析出量が低下した。また、結晶粒径も大きくなる傾向が認められた。造形まま材と比較し溶体化処理材では、α相析出量の増加が認められ、結晶粒界だけでなく結晶粒内にも析出が認められた。サイクル引張試験により、いずれの造形条件においても、超弾性挙動ことを確認できたが、明確な応力誘起マルテンサイト相変態点は確認できなかった。エネルギー密度が増加するにつれて、超弾性回復ひずみは低下する傾向があることが明らかとなった。計測された室温での超弾性回復ひずみは最大0.32％となり、鋳造材のそれと比較し、1/4程度であった。造形材の化学分析結果と対応させると、試験片中の酸素濃度が高いことがこの要因の一つではないかと推察された。また、二元系Ti-X合金(Xには他金属)の組成と造形条件の相関について、高効率に調査することを目的に、TiおよびXの組成比を(100%, 0%)から(0%, 100%)まで、シームレスに変化させつつ造形する手法の開発を行った。

Ti-Nb合金作为新型生物形状记忆合金和超弹性合金有望在医学领域得到实际应用，但其存在加工性差的问题。另一方面，近年来备受关注的激光增材制造工艺能够生产传统工艺无法实现的复杂形状，甚至对于难加工的材料也是如此。因此，本研究重点关注激光增材制造工艺作为Ti-Nb合金的制造工艺，旨在阐明激光条件和热处理条件对成形材料的结构和形状记忆性能的影响。 2022财年，我们继续研究激光条件对Ti-Nb形状物体的成形结构、热处理后的结构以及超弹性行为的影响。在所有条件下，样品的成分相几乎仅由β相组成，但在晶界处观察到少量α相，且随着能量密度的降低，α相析出量减少。此外，还观察到晶体粒径变大的趋势。与成形材料相比，在固溶处理材料中观察到α相析出量增加，并且不仅在晶界处而且在晶粒内观察到析出。循环拉伸试验证实了所有成型条件下的超弹性行为，但无法确认明确的应力诱导马氏体相变点。研究发现，随着能量密度的增加，超弹性恢复应变趋于减小。测得的室温超弹性回复应变最大为0.32%，约为铸造材料的1/4。通过与造型材料的化学分析结果进行比较，推测造成这种情况的原因之一是试件中的氧浓度较高。此外，为了高效地研究二元Ti-X合金（X是另一种金属）的成分与成形条件之间的相关性，将Ti和X的成分比从（100%，0% ）我们开发了一种无缝改变形状的方法（0% 到 100%）。