チタン合金レーザークラッディングシステム：究極のガイド

1. 概要

チタン合金の表面にレーザークラッディングする材料には、主に可溶性合金材料、複合材料、セラミック材料があります。

その中でも可溶合金材料は、主に鉄基合金、ニッケル基合金、コバルト基合金で構成されている。

これらの合金の主な特徴は、強力な脱酸作用と自己融解作用を示すホウ素とケイ素元素の含有である。

期間中 レーザークラッドボロンとシリコンは酸化して酸化物を形成し、クラッド層の表面に薄膜を作る。

この皮膜は、合金中の元素の過剰な酸化を防ぐだけでなく、これらの元素の酸化物とホウケイ酸スラグを形成することで、クラッド層中の介在物含有量と酸素濃度を低下させる。

このプロセスにより、酸化物の含有量が低く、気孔の少ないレーザークラッド層が得られる。ホウ素とシリコンはまた、合金の融点を下げ、母材に対する溶融物の濡れ性を改善し、合金の流動性と表面張力にプラスの影響を与えます。

自己溶解合金の硬度は、合金中のホウ素とケイ素の含有量の増加に伴って増加する。これは、ホウ素とケイ素元素が合金中のニッケル、クロム、その他の元素と形成する極めて硬いホウ化物と炭化物の量が増加するためである。

1.ニッケル基合金粉末

ニッケル基合金粉末は、優れた濡れ性、耐食性、高温自己潤滑性を有する。

主に耐摩耗性、耐熱腐食性、耐熱疲労性が要求される部品に使用される。要求される レーザー出力 密度は、鉄基合金クラッドよりもわずかに高い。

ニッケル基合金の合金化原理には、Fe、Cr、Co、Mo、Wなどの元素によるオーステナイト固溶体強化、Al、Tiによる金属間化合物析出強化、B、Zr、Coによる粒界強化がある。

ニッケル基自己融着性合金粉末に含まれる元素の選択は、これらの原則に基づいている。 合金元素 は、合金の成形性とレーザークラッディングプロセスに依存する。

現在、ニッケル基の自己融着性合金には、主にNi-B-SiとNi-Cr-B-Siがある。前者は硬度は低いが延性が高く加工が容易であり、後者はNi-B-Si合金に適切なCrを添加して形成される。Niに可溶なCrは、ニッケル-クロム固溶体を形成し、クラッド層の強度を高め、耐酸化性と耐食性を向上させる。

Crはまた、BやCと硼化物や炭化物を形成し、クラッド層の硬度と耐摩耗性を高めることができる。

Ni-Cr-B-Si合金のC、B、Si含有量を増やすと、クラッド層の硬度を25HRCから約60HRCに上げることができるが、その代償として延性が低下する。

この種の合金では、Ni60とNi45が最も一般的に使用されている。さらに、Ni含有量を増やすことで、亀裂発生率を大幅に低減することができる。

Niは強力だからだ。 オーステナイト (γ）相拡大元素である。合金中のNi含有量を増やすと靭性が向上するため、クラッド層の塑性靭性が高まります。

また、Ni含有量の増加は、クラッド層の熱膨張係数を低下させ、それによってクラッド層の残留引張応力を低減し、亀裂や欠陥の発生を大幅に低減する。

しかし、Ni含有量が高すぎるとクラッド層の硬度が損なわれ、要求される特性が得られなくなるため、Niは多ければ多いほど良いというわけではない。

2.コバルト基合金粉末

コバルト基合金粉末は、チタン合金の表面にレーザークラッドすると、優れた高温性能と耐摩耗性・耐食性を発揮します。

現在、レーザー肉盛に使用されるコバルト基自溶性合金粉末は、ステライト合金をベースに開発されており、主な合金元素はクロム（Cr）、タングステン（W）、鉄（Fe）、ニッケル（Ni）、炭素（C）である。

さらに、ホウ素（B）とケイ素（Si）を添加して合金粉末の濡れ性を高め、自己融着性合金を形成する。

しかし、ボロンの含有量が過剰になると、合金にクラックが入りやすくなります。コバルト基合金は優れた熱安定性を示し、クラッディング中の蒸発・昇華や顕著な劣化を最小限に抑えます。

さらに、コバルト基合金粉末は、溶融時に優れた濡れ性を示し、コバルト基合金の表面に均一に広がる。 チタン合金.

これにより、クラッド層は緻密で平滑かつ平坦になり、クラッド層と基材との接着強度が高まる。

コバルト基合金粉末の主成分は、コバルト（Co）、クロム（Cr）、タングステン（W）であり、優れた高温性能と総合的な機械的特性を備えている。

コバルトとクロムは安定した固溶体を形成する。 炭素含有量また、準安定CrC、MC、WCなどの各種炭化物や、CrBなどのホウ化物が基地全体に分散しているため、赤色硬度、耐高温摩耗性、耐食性、耐酸化性がより高い合金となっている。

3.鉄基合金粉末

チタン合金の表面への鉄基合金粉末のレーザクラッディングは、変形しやすく局所的な耐摩耗性が必要な部品に適しています。その最大の利点は、低コストで耐摩耗性に優れていることです。

しかし、融点が高く、自己融着性に劣り、耐酸化性に劣り、流動性に劣り、クラッド層には気孔やスラグ介在物が多く含まれるため、用途が限定される。

現在、Fe基合金クラッド構造の合金化設計は、主にFe-C-X（XはCr、W、Mo、Bなどを表す）で構成され、クラッド層構造は主に準安定相で構成され、強化メカニズムは マルテンサイト 強化と超硬強化。

自己溶解合金粉末システムの特徴

4.複合粉体

チタン合金表面の摺動、衝撃摩耗、研磨摩耗の厳しい条件下では、単純なNi基、Co基、Fe基の自己融着合金は、もはや使用要件を満たすことができません。

このとき、前述の自己融着性合金粉末に、さまざまな高融点炭化物、窒化物、ホウ化物、酸化物セラミック粒子を添加して、金属-セラミック複合皮膜を作ることができる。

その中でも、炭化物（WC、TiC、SiCなど）と酸化物（ZrO、AlOなど）が最も研究され、使用されています。チタン合金溶湯中のセラミック材料の挙動には、完全溶解、部分溶解、軽微な溶解があります。

溶解の度合いは、主にセラミックスと基板の種類によって制御され、二次的にはレーザークラッディングプロセスの条件によって制御される。

レーザークラッディングプロセスでは、溶融プールが高温で存在する時間が非常に短いため、セラミック粒子が完全に溶融する時間が不十分です。クラッド層は、面心立方γ相（Fe、Ni、Co）、未溶融セラミック相粒子、および析出相（MC、M Cなど）から構成される。

レーザークラッド層は、微細粒強化、硬質粒子分散強化、固溶体強化、転位パイルアップ強化などの強化メカニズムを含む。

例を挙げよう：

1.チタン合金の表面にTiCまたは(TiB+TiC)強化チタン複合材料皮膜をその場でレーザクラッディングすることにより、皮膜材料の基材への適合性を確保しながら、チタン合金の表面硬度と耐摩耗性を向上させることができる。

2.チタン合金の表面をレーザー溶融し、異なる割合のTi-Cr二元合金を蒸着することで、高い硬度と基材との良好な相溶性を有する表面改質コーティングを作製する。