Tiの微細構造応答と摩耗挙動

Scientific Reports volume 12、記事番号: 21978 (2022) この記事を引用

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1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

チタン合金は優れた耐食性で知られています。 ただし、表面硬度が低いと耐摩耗性が低下し、潜在的な用途が制限されます。 この研究では、不活性タングステンガス溶接プロセス中に生成される電気アークを使用して、ナノサイズの粒子（Al2O3 と TiO2）の混合物を含む硬質 Ni コーティングを Ti-6Al-4V 合金の表面に埋め込む新しい 2 段階のプロセスを採用しています。 サンプルの表面は、ビッカース微小硬度、走査型電子顕微鏡、エネルギー分散分光法、およびピンオンプレート摩耗試験を使用して評価されました。 微細構造分析により、チタン表面に Ni/(Al2O3 および TiO2) ナノ材料を含浸させると、表面から約 2 mm の深さまで硬質マルテンサイト構造が形成されることがわかりました。 観察された変化は、表面化学の変化とニッケルの存在によって引き起こされ、ナノ粒子による処理層の粒径縮小、固溶体強化、分散強化が引き起こされます。 40 nm の Al2O3 粒子と 30 nm の TiO2 粒子を表面に埋め込むと、処理層の硬度は 180% 以上増加しました。 同様に、処理表面の耐摩耗性も 100% 向上しました。

チタン合金の使用は、1950 年代初頭に最初に開発されて以来、大幅に拡大しました。 現在では、高い強度とパフォーマンスが要求されるいくつかの極限の作業環境で応用されています1。 機械的耐性と耐食性は望ましいものであり、自動車、航空宇宙、生物医学産業で重要な用途に使用されています2。 軍事用品や民生品など、さまざまな分野でもチタン合金に大きな注目が集まっています。 最初の実用的なチタン合金は Ti6Al4V 合金で、1950 年代に航空宇宙および軍事用途向けに開発されました。 Ti6Al4V 合金は、開発から何年も経った今でも、生物医学、航空宇宙用途で最も成功し、頻繁に使用されている材料です3。

Ti6Al4V 合金は多くの望ましい機械的強度特性と耐食性を備えていますが、主な制限は表面硬度が低いことであり、その結果、耐摩耗性が低く、摩擦係数が高くなります4。 これらの制限により、高い接触負荷が使用される状況では Ti6Al4V 合金を適用できません4。 過去 20 年間にわたり、イオン注入 5、熱処理、物理蒸着 (PVD)、化学蒸着 (CVD)6 など、チタン合金の表面硬度を向上させる数多くの方法が研究されてきました。 ガス窒化は、通常 1000 °C 付近で実行される高温拡散プロセスを通じて表面層の硬度を向上させる最も重要な可能性を示しています 7,8。 このプロセスの制限要因は、高温への曝露により一貫して記録される粒子の成長です9。 ガスと CVD プロセスを組み合わせることにより、チタン表面の硬度が向上する可能性も示されています。 ただし、このプロセスは 2 つの反応器で実行する必要があるため、不連続です10。 Tobola らによる別の研究 11 では、研究者らは、ガス窒化プロセスにかける前に、チタン部品を 130 N の力で磨き上げる 2 段階のプロセスを検討しました。 Ti6Al4V の表面硬度は増加しましたが、機械的処理により転位や粒界開口部の形で多くの欠陥が形成されました。 表面コーティングなどの技術が試みられています。 ただし、この方法の主な制限は、堆積されたコーティングとチタン合金の間の接着強度が低いことです12。

他の技術では、集中エネルギー源を使用してチタン合金の表面を硬化します。 典型的なエネルギー源には、表面の処理に必要な高出力密度を提供するレーザー 13、プラズマ、または電子ビームが含まれます 14。 これらの技術はチタン合金の表面を硬化する大きな可能性を示していますが、必要な装置は法外に高価です。 別の研究では、不活性タングステンガス溶接中に生成される電気アークを使用してTi6Al4V表面の表面を硬化し、窒素ガスとともに表面を溶解し、Ti6Al4V合金の表面に窒化物層を生成しました。 熱処理された領域は通常、窒素で覆われ、窒化物層が生成されます。 あらゆる種類の汚染を防ぐためにアルゴンガスも使用されます。 窒化層の硬度と耐摩耗性は、使用する窒素ガスの密度と量に依存します。 表面を改質して材料の表面特性を改善することは、実際のトライボロジー応用の前に必須の要件となっています15。 Ti6Al4V 合金には、摩擦低減、硬度、耐摩耗性、化学的安定性の性能を向上させるために、適切な表面処理が必要です 8,10。 表面処理により、Ti6Al4V 合金はバルクの望ましい特性を維持しながら、さまざまな分野での用途を拡大できます。 表面改質も、エンジニアリングコンポーネントの性能とコストを考慮する優れた要素です。 Ti6Al4V 合金のさまざまな表面改質技術は、その化学的特性に基づいて開発されています。 これらの技術は、さまざまなレベルの成功と、使用される装置のコスト、および表面の変化と耐摩耗性の改善を達成するのに費やされる時間に起因する追加の制限を示しています4,5。