LPBFによるInvar36合金の組織と機械的性質の異方性

インバー36 は、航空宇宙および精密機器に広く使用されています。Truer RDチームは、レーザー粉末溶融(LPBF)プロセスによりInvar36合金のサンプルを作製し、その微細構造および機械的特性について調査を行った。その結果、Invar36合金の微細構造と機械的特性は、3つの方向で異方性を持つことが分かりました。

 

表1 Invar36合金の公称組成は、Niが36%、Feが64%であり、その他の元素は粉末調製工程で不可避の微量不純物として存在する。そのため、微量不純物に起因する残留応力は無視できます。

図1 D10:19.1μm、D50:37.3μm、D90:63.7μmで試験した粉末粒子のSEM写真を示した。

表1 調査したインバー36粉末の化学組成
エレメント Fe Ni Cr ムン Co P C
wt Bal 36.02 0.005 0.029 0.030 0.001 0.0011
TiCパウダー

微細構造の特性評価 LPBF で調製したインバー 36 合金と Truer で製造したインバー 36 粉末の比較では、面心立方格子と強い配向性を持つ明確な単一ガンマ相を示した。このことは、試料に最適な結晶粒配向の可能性があることを示している。

LPBF法で作製した配向性の異なるInvar36合金の組織異方性を調べるために、結晶粒の形態と大きさを解析した。Invar36合金の組織異方性(図2)の0°、45°および90°の配向は、LPBFによって調製されたインコネル718およびAlSi10Mg合金で観察されたものと類似している。

8 金属粉末粒子セミフォト

0°、45°、90°では、LPBFで作製したインバー36合金の組織もLPBFで作製したTi15Mo合金の組織と類似している。0°と45°の試料はいずれも等軸性であるが、90°の結晶粒径は他の2つの試料と比較して、結晶粒径と形状が大きく異なっている。

規則に従い、結晶粒強度は結晶粒方位を示す結晶粒指数の平方根となる。そのため、計算の結果、LPBF法で作製したInvar36合金の0°、45°および90°試料のテクスチャー強度は、それぞれ2.46、2.90および2.61と計算できる。LPBF法で作製したInvar36合金のテクスチャーインデックスとテクスチャー強度は、0°、45°、90°の方向で1より大きく、材料の微細構造が明らかな異方性を示すことを示している。

 

LPBFによって製造されたInvar36合金の異なる建築方向における応力-ひずみ曲線を試験した。明らかに、3つのサンプルは異なる機械的特性を示している。サンプル90°の降伏強度は364MPaであり、サンプル0°と45°はより高い392MPaと401MPaを示している。また、各試料の引張強さもこの傾向を示し、90°、0°、45°の値は397MPa、485MPa、496MPaであった。最後に、伸びを測定した結果、90°の伸びは62.70%であり、LPBFによって作製されたインバー36合金は、良好な応用の可能性があることが示された。

図3 は、LPBFによって製造された合金の微細構造の異方性をより完全に説明する。90°の場合、溶融プールと凝固した固体間の温度勾配Gは著しく大きく、熱流束の方向に柱状結晶粒の形成を助長する。0°の試料では、溶融池の中心から両側に熱が流れるため、Gが小さくなり、等軸粒が形成されやすくなる。また、45°試料の微細組織の幾何学的関係を図3(c)に示す。観察面は、90°試料を45°接線で切断して得られた面と、0°試料の投影面とが等価である。したがって、0°試料と45°試料の両方が等軸形態を示すが、後者は伸びを示す。

9 3マイクロ構造異方性の説明

図4 は、0°、45°、90°試料の室温での引張破壊形態を示し、引張破壊モードが明らかになった。0°と45°の試料には大きな気孔があり、これは金属結合が損傷した弱い領域が形成されたためと考えられる。引張試験中、弱い領域は優先的破壊を示し、その結果引き裂きエッジが発生する。対照的に、90°の試料には大きな空隙は見られず、優れた伸びを示し、これは引張試験の結果と一致している。

10 金属粉末粒子 sem photo

レーザー粉末溶融法により作製したInvar36合金について、Truerによる試験と解析を行った結果、0°、45°、90°の異なる造形方向において、LPBF法により作製したInvar36合金の微細組織と機械的特性は、3方向に明らかな異方性を示した。また、90°方向の試験片は、複数のプールで柱状結晶粒の成長を示した。しかし、0°と45°の方向で製造された構造体は、等軸粒を示した。LPBFによって作製されたInvar36合金の機械的特性は微細構造に敏感であり、それゆえ明らかな異方性を示す。LPBFによって作製されたInvar36合金は延性破壊を示し、90°方向に作製された試料は最大のディンプルサイズと優れた伸び(62.70%)を示した。

 

この研究は、LPBFによるインバー36合金およびインバー36粉末の製造に貴重な洞察と確かな基礎を提供するものである。

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