JP7601487B2

JP7601487B2 - チタン合金造形物

Info

Publication number: JP7601487B2
Application number: JP2021181392A
Authority: JP
Inventors: 佳孝三阪; 真宏塚原; 辰郎森田; 翔吾武末; 仁史酒井; 官男樋口
Original assignee: Neturen Co Ltd; Kyoto Institute of Technology NUC
Current assignee: Neturen Co Ltd; Kyoto Institute of Technology NUC
Priority date: 2021-11-05
Filing date: 2021-11-05
Publication date: 2024-12-17
Anticipated expiration: 2041-11-05
Also published as: JP2023069501A

Description

本発明は、チタン合金造形物に関する。

従来、α＋β型チタン合金を、１ｋＨｚ～４００ｋＨｚの周波数による高周波誘導加熱により、１秒～６００秒未満の時間および８００℃～１２００℃の温度で短時間加熱した後、急冷してα’相を生成させることで、α＋β型チタン合金の降伏強度、引張強度および疲労強度を向上させる高周波熱処理方法が記載されている（特許文献１を参照）。

特開平１１－８０９１６号公報

しかしながら、特許文献１には、疲労強度が有効に向上したチタン合金造形物は記載されていない。
そこで、本発明は、疲労強度が有効に向上したチタン合金造形物を提供することを目的とする。

本発明に係るチタン合金造形物は、チタン合金の積層構造を有する基材と、前記基材の表面に設けられた硬化層とを有し、前記硬化層は、前記基材の表面に設けられたチタン酸化物で構成された第１硬化層と、前記第１硬化層の内層に設けられたα相で構成された第２硬化層と、前記第２硬化層の内層に設けられたα’マルテンサイト相と準安定β相で構成された第３硬化層と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、疲労強度が有効に向上したチタン合金造形物を提供できる。

本実施形態に係るチタン合金造形物を説明するための概念図であり、（ａ）は、全体形状の一例を示す概念図であり、（ｂ）は、（ａ）をＡ－Ａ線で切った時の断面概念図であり、（ｃ）は、（ｂ）のＳ領域を拡大させた時の断面概念図である。実施例で使用した試験片の概念図であり、（ａ）は、ＥＢＳＤ分析、Ｘ線回析及び断面硬さ分布測定用、（ｂ）は疲労試験用である。実施例及び比較例における表面２０近傍のＥＢＳＤ分析結果である。実施例及び比較例における基材１０内のＥＢＳＤ分析結果である。実施例及び比較例における表面２０のＸ線回析による相同定結果である。実施例及び比較例における表面２０から内層方向における断面硬さ分布結果である。実施例及び比較例における表面２０の疲労試験結果を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係るチタン合金造形物を説明するための概念図であり、（ａ）は、全体形状の一例を示す概念図であり、（ｂ）は、（ａ）をＡ－Ａ線で切った時の断面概念図であり、（ｃ）は、（ｂ）のＳ領域を拡大させた時の断面概念図である。

本実施形態に係るチタン合金造形物１は、図１に示すように、例えば、丸棒形状で構成され、チタン合金の積層構造を有する基材１０と、基材１０の表面２０に設けられた硬化層３０とを有する。硬化層３０は、前記基材１０の表面２０に設けられたチタン酸化物で構成された第１硬化層３０ａと、第１硬化層３０ａの内層に設けられたα相で構成された第２硬化層３０ｂと、第２硬化層３０ｂの内層に設けられたα’マルテンサイト相と準安定β相で構成された第３硬化層３０ｃと、を有する。

本実施形態に係るチタン合金造形物１は、上記のような硬化層３０を備えているため、疲労強度が有効に向上する。

チタン合金の積層構造を有する基材１０は、三次元積層造形技術により積層造形されたものである。ここで、積層造形とは、造形したい対象製品の三次元データをコンピュータに入力して、当該三次元データをコンピュータ上で水平にスライスして２次元データを作成し、これらのデータに基づいて金属粉体、樹脂等の材料を積層して造形することをいう。

この積層造形は、様々な方法があるが、本実施形態に係るチタン合金の積層構造を有する基材１０を製造するのに行われる方法については、特に限定されない。
例えば、積層造形は、セレクティブレーザメルティング法（ＳＬＭ法）を用いてもよい。このセレクティブレーザメルティング法では、造形したい対象製品のデータに基づいて、レーザ溶融装置に敷き詰めた対象製品の原料となる金属粉末にレーザを照射することにより、この照射した範囲の金属粉末を溶解する。そして、その後、金属粉末を敷き詰めた台座を下げながら当該金属粉末の溶融と凝固とを繰り返すことで任意の形状を製造することが可能となる。
セレクティブレーザメルティング法等により積層造形することで、当該対象製品が複雑な形状であっても精密な寸法形状で造形することが可能となる。そのため、チタン合金は、セレクティブレーザメルティング法等により積層造形されることによって、切削法等の他の加工法では不可能な複雑な形状に造形することが可能となり、例えば、各ユーザの骨格形状に適合した人工骨等の生体材料製品に好適に用いることが可能となる。
基材１０の厚さは、チタン合金造形物を使用する用途によって、適時設定することができる。

第１硬化層３０ａは、図１に示すように、前記基材１０の表面２０に設けられたチタン酸化物で構成されている。
第１硬化層３０ａの厚さは、例えば、１μｍ程度である。

第２硬化層３０ｂは、図１に示すように、前記基材１０の表面２０の第１硬化層３０ａの内層に設けられたα相で構成されている。
第２硬化層３０ｂの厚さは、例えば、１０μｍから３０μｍ程度である。

第３硬化層３０ｃは、図１に示すように、第１硬化層３０ａの内層であって、さらに、前記第２硬化層３０ｂの内層に設けられたα’マルテンサイト相と準安定β相で構成されている。
第３硬化層３０ｃの厚さは、例えば、１２０μｍから１４０μｍ程度である。

上述したように、本実施形態に係るチタン合金造形物１は、上述した第１硬化層３０ａ、第２硬化層３０ｂ及び第３硬化層３０ｃが当該基材１０の表面２０から内層方向にこの順で積層されている。
この第１硬化層３０ａ、第２硬化層３０ｂ及び第３硬化層３０ｃの存在により高い圧縮残留応力が発生すると共に、第３硬化層３０ｃ中に含まれる準安定β相の応力誘起変態による亀裂の進展抑制起因により、疲労強度が有効に向上されると考えられる。
また、第１硬化層３０ａがチタン酸化物で構成されているため、基材１０の表面２０における耐摩耗性が改善すると考えられる。

次に、本実施形態に係るチタン合金造形物の製造方法の一例を説明する。
本実施形態に係るチタン合金造形物を製造するためには、チタン合金の積層構造を有する基材を高周波誘導加熱する。この高周波誘導加熱は、高周波を発生させる高周波発生装置と、誘導磁界を発生させる加熱コイルとを用意する。ただし、本実施形態としては、上記発生装置や加熱コイルの構造が限定されるものではなく、公知の装置を使用することができる。
上記発生装置で発生させる高周波の周波数としては、１ｋＨｚ以上である。この周波数の高周波電流を加熱コイルに印加して誘導磁界を発生させることにより、当該基材が急速昇温される。
前記周波数は、好ましくは１ｋＨｚ～４００ｋＨｚの範囲内である。

上記高周波誘導加熱では、最高到達温度が９９８℃（β変態点）以上であることが好ましい。このような温度とすることで、チタン合金の積層構造を有する基材１０の表面からの酸素、窒素の拡散が短時間で達成可能である。また、高周波誘導による加熱では、耐摩耗性と疲労強度を改善するために有効な硬化層を形成させるためには少なくとも１秒の加熱時間があればよい。
上記加熱後は、従来法と同様に、被処理材を水冷等により急冷する。

高周波誘導による加熱は、大気雰囲気中で行うものとする。このように、大気雰囲気中で加熱を行うことで、チタン合金の積層構造を有する基材の表面及びその表層に、酸素及び窒素を供給することができる。従って、チタン合金の積層構造を有する基材の表面に、チタン酸化物で構成された第１硬化層と、第１硬化層の内層に設けられたα相で構成された第２硬化層と、前記第２硬化層の内層に設けられたα’マルテンサイト相と準安定β相で構成された第３硬化層を形成することができる。
また、大気雰囲気で加熱を行うため、新たな雰囲気供給装置等を設置する必要が無く、既存の高周波誘導加熱装置で行うことができる。従って、製造コストの増加を抑制することができる。

図２は、実施例で使用した試験片の概念図であり、（ａ）は、ＥＢＳＤ分析、Ｘ線回析及び断面硬さ分布測定用、（ｂ）は疲労試験用である。
チタン合金の積層構造を有する基材として、セレクティブレーザメルティング法による三次元積層造形技術により円柱形状に積層造形させた図２（ａ）、（ｂ）に示すような形状を有するＴｉ－６Ａｌ－４Ｖ合金（以下、図２（ａ）、（ｂ）の両方を含めて「被処理材」という。）を作製した。また、高周波発生装置には２００ｋＨｚの高周波電圧を出力するものを用意した。

次に、被処理材の周囲を加熱コイルで囲み、この加熱コイルに上記高周波発生装置で発生させた高周波電圧を印加して誘導磁界を発生させ、大気雰囲気中で、セレクティブレーザメルティング法による三次元積層造形直後の被処理材を６０秒間、高周波誘導加熱した。この加熱の際に、高周波発生装置の出力を制御して、被処理材の加熱温度が１０５０℃になるように、また、当該加熱温度までの昇温速度が１００℃／秒になるように試験を行い、上記加熱時間後、被処理材を降温速度が１００℃／秒になるように急冷した（実施例）。得られた処理材について、ＥＢＳＤ分析、Ｘ線回析、断面硬さ分布測定及び疲労試験を行った。
なお、比較例として、上述した高周波誘導加熱を行っていない当該積層造形直後の被処理材について、同様に、ＥＢＳＤ分析、Ｘ線回析、断面硬さ分布測定及び疲労試験を行った。

図３は、実施例及び比較例における表面２０近傍のＥＢＳＤ分析結果である。図４は、実施例及び比較例における基材１０内のＥＢＳＤ分析結果である。図５は、実施例及び比較例における表面２０のＸ線回析による相同定結果である。図６は、実施例及び比較例における表面２０から内層方向における断面硬さ分布結果である。図７は、実施例及び比較例における表面２０の疲労試験結果を示すグラフである。

図３に示すように、実施例における表面２０近傍には、深さ１０μｍから３０μｍ程度の範囲内に、比較例と比べて、α相で構成された第２硬化層３０ｂ（相マップ中のαphase（α相））が形成されていることが確認できる。また、図３に示すように、実施例及び比較例ともに、第２硬化層３０ｂの内層には、α’マルテンサイト相（相マップ中の線状のαphase（α相））と準安定β相（相マップ中の線状のαphase（α相）以外の部分）で構成された第３硬化層３０ｃが形成されていることが確認できる。
一方、図４に示すように、実施例における基材１０内では、比較例と比べて、特に、相違点がないことが確認できる。

また、図５に示すように、実施例における表面２０には、比較例と比べて、ＴｉＯ_２及びＴｉＯのピークが発現していることが確認できる。以上から、実施例における表面２０には、チタン酸化物で構成された第１硬化層３０ａが形成されていることが確認できる。

また、図６に示すように、実施例における表面２０から内層方向には、比較例と比べて、表面２０近傍の硬さが１３３０ＨＴ１１５程度から基材１０の硬度（４５０ＨＴ１１５程度）まで、低下する硬さ傾斜層（上述した硬化層３０）を有していることが確認できる。

なお、ここで、図３を見ると、第３硬化層３０ｃには、実施例及び比較例共に、同程度の線状のα相（α型チタン合金）が存在している。その一方で、図６を見ると、第３硬化層３０ｃ（例えば、表面からの距離（μｍ）が５０μｍから１００μｍ）は、基材１０や比較例よりも硬さが高くなっている。
この硬さが高くなる理由としては、上述した高周波誘導加熱時に、大気雰囲気に含まれる酸素や窒素が被処理材の表面２０から内層方向に向かって第３硬化層３０ｃまで拡散すると共に急冷の効果により、α’マルテンサイト相と準安定β相で構成された第３硬化層３０ｃが形成されたためと推察される。
なお、第３硬化層３０ｃの外層である第２硬化層３０ｂは、上記拡散される酸素や窒素の量が多いため、α相が形成されると推測される。

更に、図７に示すように、疲労強度（破断までの繰返し数が１０^７である応力振幅（ＭＰａ））が、８０ＭＰａ（比較例）から４４０ＭＰａ（実施例）まで約５倍以上向上していることが確認できる。
従って、疲労強度が有効に向上したチタン合金造形物が得られることが確認された。

１チタン合金造形物
１０基材
２０表面
３０硬化層
３０ａ第１硬化層
３０ｂ第２硬化層
３０ｃ第３硬化層

Claims

チタン合金の積層構造を有する基材と、
前記基材の表面に設けられた硬化層とを有し、
前記硬化層は、前記基材の表面に設けられたチタン酸化物で構成された第１硬化層と、前記第１硬化層の内層に設けられたα相で構成された第２硬化層と、前記第２硬化層の内層に設けられたα’マルテンサイト相と準安定β相で構成された第３硬化層と、を有するチタン合金造形物。