自然：超微細等軸粒子を使用した高性能チタン銅合金の3Dプリント

△チタン粉末と銅粉末を配合した3Dプリントチタン銅棒。画像出典: RMIT 大学金属付加製造 (MAM) は、特に航空宇宙、自動車、バイオメディカルの分野において、複数の業界の生産に革命をもたらしています。しかし、MAM が広く採用されるまでには、解決すべき技術的な問題がまだ多くあります。大きな障害の 1 つは、粒子構造の制御です。粒子構造の制御が不十分だと、高温割れなどの特性に影響を及ぼし、特に高性能合金では異方性の機械的特性が生じる可能性があります。現在業界で使用されている合金は、もともと従来の製造プロセス用に設計されたもので、MAM プロセス用に最適化されていませんでした。高性能部品の競争力のある製造方法として MAM の採用を最大化するには、高強度で最適化された凝固特性を備えた新しい合金が必要です。

数十年にわたって、微細かつ等軸の粒子が、例えばホール・ペッチ関係の強化を通じて、高温割れの傾向を減らし、その特性を改善できることが認識されてきました。しかし、MAM では、冷却速度が極めて速く、温度勾配が不均衡に凝固するため、粒子の主な特徴は柱状でテクスチャのある微細構造になります。したがって、MAM で等軸粒子を形成することは大きな課題です。アルミニウム合金のMAMに結晶粒微細化剤を添加することで微細な等軸結晶粒を得る技術は進歩しているが、チタンの結晶粒微細構造を効果的に微細化できる市販の結晶粒微細化剤はまだ存在しない。

RMIT 大学積層造形センターのマーク・イーストン教授とオハイオ州立大学のハミッシュ・L・フレイザー教授 (共同責任著者) の指揮の下、ドン・チウ博士とドゥヤオ・チャン博士は、連邦科学産業研究機構 (CSIRO)、クイーンズランド大学、ネバダ大学と協力し、MAM コンポーネント、特に軽量合金用の調整可能な微細構造を設計しました。

△RMIT大学のAdvanced Manufacturing Zone実験で使用されるTrumpf 3Dプリンター。出典: ロイヤルメルボルン工科大学このプロジェクトの理論は、David StJohn教授らが提唱した相互依存理論に基づいています (Acta Mater. 2011, 59, 4907)。このチタン銅合金は、凝固中に合金元素が分散されるため、組織を過冷却する能力が高く、レーザー内の高熱勾配による悪影響を克服できます。印刷プロセスでは特別なプロセス制御やその他の処理は必要なく、印刷されたチタン銅合金試験片は完全に等軸の微細粒構造を持ちます。また、同様の処理条件下では、従来の合金と比較して、高い降伏強度や均一な伸びなどの優れた機械的特性も示します。これは、高い冷却速度と複数の熱サイクルを使用した超微細共析組織の形成によるものです。

2019年12月5日、南極熊は、関連する研究成果が最近「超微粒子高強度チタン合金の付加製造」というタイトルで学術誌「Natrue」に掲載されたことを知りました。

△Ti-6Al-4VおよびTi-8.5Cu合金の3Dプリント

△ 3DプリントTi-Cu合金の機械的特性記事に記載されているように、MAMプロセスで製造されたTi-Cu合金は、完全に微細な等軸一次粒子と共析ラメラを持ち、優れた機械的特性を持っています。実験により、MAM は複数の微細構造の長さスケールで調整可能な微細構造を実現できることが示されています。提案された新しい合金設計戦略は、合金元素の熱力学と MAM の凝固条件の相乗的な制御に重点を置いています。著者らはまた、この合金設計コンセプトが他の合金システムにも適用され、将来的には MAM 用のより高性能なエンジニアリング合金が開発されることを期待しています。

記事リンク: https://www.nature.com/articles/s41586-019-1783-1

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