液体金属分野における3Dプリント技術の応用

出典：パンシンニューアロイマテリアル（常州）有限公司

液体金属は、非晶質合金または金属ガラスとも呼ばれ、短距離秩序と長距離無秩序の準安定構造特性を持っています。固体状態では、原子の三次元空間は位相的に無秩序であり、この状態は特定の温度範囲内で比較的安定しています。結晶合金と比較して、非晶質合金は、高硬度、高強度、高電気抵抗、耐腐食性、耐摩耗性など、多くの優れた特性を備えています。バルクアモルファス合金材料の急速な発展は、材料研究者と産業界に高性能な機能材料と構造材料の研究開発を行うための非常に重要な機会と巨大な開発スペースを提供しました。しかし、技術的な制限により、アモルファス合金の潜在能力は十分には発揮されていません。アモルファス合金の製造には、溶融状態から固体状態への大きな冷却速度が必要になることが多く、アモルファス合金の製造方法が厳しく制限されます。最も一般的に使用されるプロセスは鋳造ですが、アモルファス合金を製造するために他の処理ルートを使用することもできます[1-2]。

鋳造においては、溶湯が凝固する鋳型が熱伝導率が高く熱容量の大きい材料（Cuなど）で構成されていることが重要です。金型キャビティが大きく、冷却速度が遅い場合、所定の組成物は、非晶質状態にうまく調製するために、高い非晶質ガラス形成能力を有する必要がある[3]。鋳造の固有のバランスにより、鋳造はガラス形成能力に優れた組成物または小型の非晶質合金にのみ適しています。さらに、鋳造では棒や板などの単純な幾何学的寸法の部品しか製造できない[4]。

図 1. ストリップ、粉末、3D プリントされた脚部およびシリンダーの X 線回折パターンと熱重量分析曲線。最近、3D プリント技術の発達により、複雑なサイズの大きなバルク非晶質合金を製造するための新しいソリューションが提供されました。 3Dプリント技術は、層状積層造形法の考え方に基づいています。高エネルギーレーザービームを使用して金属粉末を層ごとに溶かし、金属部品に成形します。高度なレーザー技術、コンピューター支援設計製造技術、コンピューター制御技術、真空技術、粉末冶金技術などを統合しています。従来の金属成形方法（高速切断、粉末プレス、鋳造、圧力処理）と比較して、3Dプリント技術で製造された部品は、複雑な形状と高い相対密度の利点があります[5-7]。

高エネルギー密度のレーザービームを使用して、少量の粉末を急速に加熱して溶融状態にします。レーザービームは溶融物を移動させて急速に凝固させます。加熱および冷却速度は 103 ～ 108 K/s に達し、ほとんどの非晶質材料の形成要件を満たします。 Paulyらは、波長1070nm、最大出力400Wのイッテルビウムファイバーレーザーを使用して、鉄系アモルファス粉末を高温で溶融し、支持構造を作製しました。冷却速度は一般に103～104K/sの値に達するため、CCT図の結晶化領域を回避できます。 3D プリント技術によってアモルファス合金部品を製造できることが実証されています。図 1 は、ストリップ、粉末、3D プリントされた脚、およびシリンダーの X 線回折パターンと DSC 熱重量曲線を示しています。
図 2. 3D プリントのプロセスと完成品。図 2 は 3D プリントのプロセスと完成品を示しています。その後、Jungらは基板温度を上げることで溶融層と固化層の温度差を減らし、微小亀裂の発生を回避できると提案した。3Dプリントプロセスパラメータを最適化することで、サンプル密度は99％を超え、鉄系アモルファス合金の優れた軟磁気特性を維持した。西オーストラリア大学のLiらは、3Dプリントアモルファス合金の組織構造の進化とプロセス最適化について比較的体系的な研究を行った。さまざまなスキャン戦略を研究したところ、複数のスキャンによって溶融フローがより均一になり、より均一な元素分布が得られることがわかりました。そのため、プロセスパラメータを制御することで、ジルコニウムベースの非晶質相の形成、微細構造、機械的特性を制御できます。図 3 に示すように、この方法により、亀裂のない Al85Ni5Y6Co2Fe2 アモルファス合金ギアが正常に製造されました。

図3. アモルファスギアディスクスターニューアロイマテリアル（常州）有限公司は、鉄系、チタン系、ジルコニウム系などのアモルファス金属粉末など、さまざまなシステムの製造に成功しました。製品は粒子サイズが均一で、球形度が高く、酸素含有量が低く、大量生産が可能で、3Dプリントにうまく適用されています。印刷された試料は高密度で強度が高いです。同社は、非晶質材料と3Dプリンティングの成熟した研究開発と生産システムを有しており、より深い研究により、欠陥とプロセス間の物理モデルを根本的に確立し、欠陥発生とプロセス制御のメカニズムを解明し、亀裂のない非結晶で高性能かつ複雑な形状の非晶質合金を形成することが期待されています。さらに、アモルファス合金は極めて高い強度、硬度、耐摩耗性を備えた合金であり、セラミック相よりも結晶合金の性能を向上させる強化相としての適合性が優れています。そのため、アモルファス強化金属マトリックス複合材料も重要な研究開発方向となります。

参考文献
[1] ターンブル、デイビッド「冶金学における準安定構造」冶金取引B 12.2（1981）：217-230。
[2] ジョンソン、ウィリアムL.「金属材料の結晶からガラスへの変態の熱力学的および運動学的側面」材料科学の進歩30.2（1986）：81-134。
[3] Wang, Wei-Hua, Chuang Dong, CH Shek. 「バルク金属ガラス」材料科学と工学：R：レポート44.2-3（2004）：45-89。
[4] ターンブル、デイビッド「冶金学における準安定構造」冶金取引B 12.2（1981）：217-230。
[5] 張元傑、他「3Dプリントアモルファス合金材料のプロセスと特性に関する研究の進歩」材料工学46.7(2018):12-18。
[6] 張学軍他「3Dプリンティング技術の研究現状と主要技術」材料工学44.2（2016）：122-128。
[7] 王燕青、沈静星、呉海泉。「3Dプリント材料の応用と研究の現状。」航空材料ジャーナル36.4（2016）：89-98。

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