米乐m6官方网站（以下简称“AIST”）、制造技术研究部、材料加工研究组首席研究员本山雄一、首席研究员德永仁、前研究副主任冈敏光（现所属：制造大学）与谷田株式会社（以下简称“谷田”）和石川县合作工业研究院开发了一种利用传统砂型铸造方法制造钛合金零件的技术。
钛合金具有轻质、高强、高耐腐蚀性等优异性能。另一方面，它是一种高熔点、高反应性的难加工材料，铸造需要专门的技术。日本依赖从国外进口技术先进的飞机和化工厂大型钛合金铸件。因此，降低制造成本、保证稳定供应就成为问题。这次，它被称为一种历史悠久的金属加工方法，可以以相对较低的成本制造小型零件到大型零件。砂型铸造法为中心，开发了一种由廉价材料制成的砂型，可应用于熔融钛合金。在该砂型中铸造的钛合金很少出现脆性表面反应层这一问题。塑料加工具有与木材相当的高强度和高延展性。未来，我们的目标是创建一个使用我们开发的砂型技术铸造钛合金的行业。
开发砂型及用砂型制造的钛合金铸件
钛合金具有轻质、高强、高耐蚀、高生物相容性等优异性能，用作高附加值飞机零部件、化工厂零部件、医用人工关节等的金属材料。切削加工和塑性加工用于制造钛合金零件。这些加工方法很难应用于形状复杂的零件。在这种情况下，它是铸造方法之一精密铸造方法被使用。然而，精密铸造方法的缺点是它比其他铸造方法更昂贵并且需要更多的时间来加工。此外，由于熔融钛合金是一种高熔点、高反应活性的难铸造材料，因此精密铸造需要专门的技术。日本的飞机和化工厂大型钛合金铸件依赖于从国外进口，拥有先进的精密铸造技术。因此，存在成本和稳定供应的问题。
为了使钛合金铸件在国内工业中广泛应用，我们必须开发独特的铸造技术，能够以低成本生产复杂形状的零件。砂型铸造是一种自公元前就存在的传统金属加工方法。其特点是可以以相对较低的成本制造形状复杂的零件，从小型零件到大型零件。 AIST一直专注于砂型铸造方法，一直致力于开发用于三维增材制造的砂型、铸造过程中不排放有害气体的砂型以及用于高熔点合金的砂型。
这次，我们引进了AIST的砂型开发技术、TANIDA的材料评估技术以及石川县工业研究所的显微分析技术，开发了可以铸造钛合金的砂型，钛合金是一种高熔点和高反应性的难铸造材料。
这项研发得到了国家研究开发机构新能源和产业技术综合开发机构（NEDO）的补贴项目“战略节能技术创新计划（2020-2022）”的支持。
熔融钛合金会与大多数用作铸造模具的材料发生反应。铸造后的表面为Alpha 案例形成，导致强度性能下降。为此，在使用钛合金铸造飞机重要安全部件时，使用氢氟酸去除表面反应层。这是铸造钛合金时不可避免的，并且导致制造成本增加和废液处理问题。自20世纪60年代钛合金精密铸造技术发展以来，人们研究和开发了各种模具材料以防止表面反应层的形成。然而，目前尚未发现不与熔融钛合金发生反应的成型材料。
AIST、TANIDA 和石川县工业研究所联合开发了一种低反应性砂型，使得铸造熔融钛合金成为可能，这是一种难以铸造的材料。
AIST 是化学热力学通过计算来寻找与熔融钛合金反应性较小的模具材料。使用在搜索过程中找到的材料形成砂模，并使用该砂模铸造钛合金。 TANIDA 使用 X 射线 CT 评估了铸造产品的机械性能和内部质量。石川县工业研究所对铸造品的表面反应层进行了分析，并对夹杂物等显微组织进行了观察。产业技术研究院参考了TANIDA和石川县产业综合研究所的评估结果，反复进行改进和调整。结果，钛合金(Ti-6Al-4V合金)的铸造产品。开发的砂型材料相对便宜。此外，该砂型可用于铸造钛合金，无需预热模具，与普通砂型铸造方法类似。
图1显示了用传统材料和开发的砂型的熔融材料和砂型制成的Ti-6Al-4V合金的各个铸件。在传统砂模中铸造的合金会与砂模发生反应，导致表面烧焦，而不是熔化材料中的金属光泽。另一方面，当使用开发的砂型进行铸造时，没有观察到合金与砂型之间发生反应，并且具有与熔融材料相同的金属光泽。
图1 Ti-6Al-4V合金铸件对比
图2显示了从每个铸造产品的表面到内部评估的硬度分布。在使用传统砂型制造的钛合金铸件中，硬脆反应层距表面约250μm厚。另一方面，在使用开发的砂型制造的铸造产品中，从表面看的硬度几乎恒定，其值几乎与熔化的原始Ti-6Al-4V合金材料的硬度相同，并且没有观察到表面反应层。该结果还表明，通过使用所开发的砂型，可以生产出表面反应层极小的Ti-6Al-4V合金铸件。
图2 Ti-6Al-4V（64Ti）合金铸件表面反应层形成对比
（维氏硬度：硬度的度量。用一定的试验力将压头压入材料表面，并将试验力除以当时产生的压痕面积而获得的值）
使用开发的砂型铸造 Ti-6Al-4V 合金拉伸测试进行强度和延展性性能评估（表1）。该铸件的强度特性是ASTM 标准中规定的铸造材料和塑性加工材料（棒材）的标准值，特别是断裂伸长率是铸造材料标准值的两倍以上，是塑性加工材料标准值的约13倍。由于所开发的砂型可以在室温下铸造而无需预热，因此熔融钛合金的凝固速度相对较快，从而形成致密的金属结构，这被认为带来了优异的性能。
表1 使用开发的砂型制造的Ti-6Al-4V合金铸件的强度和延展性的测量值，以及Ti-6Al-4V合金塑性加工材料和铸造材料的各自标准值
未来，我们将考虑生产形状与实际产品非常相似的大型钛合金零件。利用使用开发模具的钛合金砂型铸造技术，实现大型钛合金国产化零部件的稳定供应，为日本制造业做出贡献。