[論文レビュー] The Effect of Thermal History on Microstructural Evolution, Cold-Work Refinement and {\alpha}/\b{eta} Growth in Ti-6Al-4V Wire + Arc AM

Jan Hönnige, Paul A. Colegrove+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2018

Additive Manufacturing Materials and Processes参考文献 37被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、Ti-6Al-4Vワイヤ+アーク増 additive製造（WAAM）部品における熱履歴が微細組織に与える影響を調査し、溶接熱影響部（HAZ）に現れるホワイトバンドが825 °Cに対応することを特定した。これはβ転注点（995 °C）未満ではあるが、α溶解温度（748 °C）を超える。間層ピーニングにより、最初の層バンドまで微細な組織が形成され、その境界のわずか上部で最も細かい粒が観察された。一方、より高い温度では顕著な粒成長が発生した。

ABSTRACT

Wire + arc additive manufacture (WAAM) is an attractive method for manufacturing large-scale aerospace components, however the microstructural changes that occur and the effect of interpass rolling are poorly understood. Therefore two fundamental studies were conducted: the first involved temperature measurement of a wrought dummy wall so that the microstructural changes in the heat affected zone (HAZ) could be related to the thermal cycle. This demonstrated that the white band in the microstructure corresponded to 825 C well below the beta-transus temperature and above this boundary the bi-modal substrate material was converted to lamellar. The second involved peening WAAM material along the side of a deposited wall before applying a typical WAAM thermal heat treatment. This showed that refinement occurred up to the first layer band in the microstructure and the smallest grains were observed just above this boundary at higher temperatures significant grain growth occurred. This study has provided the foundational understanding of microstructural changes that will facilitate future process developments.

研究の動機と目的

• Ti-6Al-4Vワイヤ+アーク増加造造部品の溶接熱影響部（HAZ）における熱履歴を理解すること。
• 微細組織に現れるホワイトバンドの形成に関連する温度範囲を特定すること。
• WAAMプロセス中の間層ピーニングが微細組織の微細化および微細組織の進化に与える影響を調査すること。
• 熱サイクルと微細組織の変化、特にα/β相変態および粒成長との相関関係を明らかにすること。
• 大規模なWAAMで製造された航空宇宙部品の後処理および熱処理の最適化の基盤を確立すること。

提案手法

• WAAM堆積中に経験する熱サイクルをマップするために、鋳造「ダミー」壁での温度測定が実施された。
• アークターチの干渉を避けるために、ドリル穴に thermocouples を埋め込み、表面下の温度を正確に測定した。
• 微細組織への影響を評価するために、標準的なWAAM熱処理の前に、堆積壁の側面に間層ピーニングを適用した。
• 光学顕微鏡および微細組織分析を用いて、層バンドを特定し、熱履歴と関連づけた。
• 熱履歴を、特にβ→α変態および粒径の進化と関連づけた。
• 実験的温度モニタリングと微細組織の特徴付けを組み合わせることで、臨界温度閾値を同定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Ti-6Al-4V WAAM部品のHAZにおけるホワイトバンドの形成に相当する温度範囲は何か？
• RQ2 間層ピーニングはWAAMプロセスにおける微細組織の微細化および微細組織の進化にどのように影響するか？
• RQ3 HAZにおける熱履歴と粒成長の関係は何か？
• RQ4 堆積中の熱サイクルは、α/β微細組織および相変態行動にどのように影響するか？
• RQ5 HAZで顕著な粒成長が発生する温度は何か？ また、これは最初の層バンドとどのように関連するか？

主な発見

• 微細組織に現れるホワイトバンドは、825 °Cの熱履歴に対応しており、これはβ転注点（995 °C）未満ではあるが、α溶解温度（748 °C）を超える。
• ホワイトバンドの上部では、熱履歴により二相基体微細組織が、ラメラ構造に変化した。
• 間層ピーニングにより、最初の層バンドまで微細な組織が形成され、その境界のわずか上部で最も小さな粒径が観察された。
• 最初の層バンドよりも高い温度では、顕著な粒成長が発生した。これは熱的粗大化の閾値を示している。
• WAAM堆積中の熱サイクルにより、各後続の層バンドごとにαプレートのサイズが段階的に増大した。
• 本研究では、HAZにおける熱履歴が微細組織の進化を支配しており、特に825 °C近辺で重要な転移が発生することが確認された。