KIMSの研究者が超強力な金属3Dプリント合金を開発し、宇宙用途に新たな可能性をもたらす

この投稿は warrior bear によって 2024-10-30 21:35 に最後に編集されました。

2024年10月30日、アンタークティックベアは、韓国物質科学研究所（KIMS）ナノ材料研究部のジョンミン・パク博士が率いる研究チームが、慶尚国立大学のジョン・ギキム教授、浦項工科大学（POSTECH）のヒョンソプ・キム教授と共同で、宇宙環境に適した新しい高性能金属3Dプリント合金の開発に成功したことを知りました。新しく開発された合金は、-196°C という極低温でも優れた機械的特性を示し、宇宙探査や極限環境での用途での可能性を示しています。

研究結果は、「レーザー粉末床溶融結合法で付加製造された炭素ドープCoCrFeMnNi高エントロピー合金の極低温引張挙動」と題する論文として、Additive Manufacturing誌（インパクトファクター：11）に掲載されました。研究チームは、技術アプリケーションの商業化の可能性を高めるためにさらなる研究を継続し、極限環境でのパフォーマンスを検証するためのさらなる研究を行う予定です。

論文リンク: https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.104223
(a) C-HEAプレアロイ粉末のSEM顕微鏡写真と粒度分布ヒストグラム。 (b) 本研究におけるLPBFプロセスのためのレーザースキャン戦略の概略図。 (a) 基板上に印刷されたサンプルの光学写真と (b) 長方形サンプルから引張試験片を抽出する概略図。
研究チームは、低温条件下で優れた特性を示すCoCrFeMnNi合金に少量の炭素を添加した。次に、この合金粉末は、レーザー粉末ベッド融合 (LPBF) を使用して処理されます。これは、ナノスケールのセル構造の境界に微細に分散したナノ炭化物を通じて合金の炭素強化を最大限に高める技術です。その結果、研究チームは、極低温での炭素を含まない合金よりも 140% 以上高い引張強度 (力に抵抗する能力) と延性 (破損する前に変形に耐える能力) の組み合わせを実現しました。特に、77 K での合金の伸びは 298 K での伸びに比べて 2 倍になります。この技術は、極低温用途向けに優れた耐荷重能力を備えた高性能製品を生産するための積層造形における合金設計の潜在的なガイドラインも提供します。この技術のもう一つの重要な特徴は、付加製造を通じて微細構造を細かく制御できることです。
図 1. (a) 疑似 3D EBSD-IPF マップ、(b) ECCI、および (c) 印刷サンプルの YZ 平面から得られた TEM-BF 顕微鏡写真。図 2. 印刷されたサンプルの STEM-BF 顕微鏡写真と置換元素の EELS マッピング結果。図3. サンプル内の凝固ユニット周辺の(a)TEM-BFおよび(b)HAADF顕微鏡写真。 (c) TEM-BF、(d) SADP、(e) C-HEA におけるナノスケール析出物の EELS マッピング結果。図 4. (a) 工学応力-ひずみ曲線、(b) 加工硬化率、および 298 K と 77 K における C-HEA の真応力と真塑性ひずみの関係。図5. (a、b) 298 Kおよび(cf) 77 Kで予ひずみを与えた引張サンプルに対して得られたEBSD IQマップ。全体ひずみは(a、c) 6.3%、(b、d) 12.5%、(e) 18.7%、(f) 24.4%。 EBSD 画像では、高角粒界 (HAGB) と双晶境界 (TB) がそれぞれ黒線と赤線でマークされていることに注意してください。 EBSD 画像内の青い双方向矢印は、サンプルの引張方向を示しています。図6: (a、b) 298 Kおよび(cf) 77 Kで予ひずみを与えられた引張サンプルで得られた(a、c) 6.3%、(b、d) 12.5%、(e) 18.7%、および(f) 24.4%の全体ひずみのEBSD KAMマップ。 EBSD マップでは、HAGB と TB がそれぞれ黒線と赤線でマークされていることに注意してください。 EBSD 画像内の青い双方向矢印は、サンプルの引張方向を示しています。図7. EBSDマップから得られた双晶面積率（a）とKAM（b）の平均値と全体のひずみの関係。図8. (a) 298 Kおよび77 KにおけるC-HEAのLUR応力-ひずみ曲線。 (b) (a)の各ひずみレベルでのLUR曲線のヒステリシスループから得られた真塑性ひずみによる有効応力と背応力の変化。図9. (a、b) 298 Kおよび(c、d) 77 Kでの引張変形後の(a、c) 6.3%および(b、d) 12.5%予ひずみサンプルの変形微細構造のECCI顕微鏡写真。 ECCI 画像では、ナノスケールの析出物は緑色の矢印で示され、変形双晶は黄色の矢印でマークされています。図10. (a) XY平面から得られたC-HEAサンプルのXRDパターン。 (b) 回折ピークのFWHM測定の概略図。ここで、i max はXRDピークの最大強度を表します。図 11. 298 K および 77 K における LPBFed C-HEA の UTS と T. El の関係。以前に報告された LPBFed CoCrFeMnNi HEA との比較。実線と白抜きの記号はそれぞれ 298 K と 77 K での特性を表すことに注意してください。
この金属 3D プリント合金は、宇宙探査ロケットで燃料を噴射するインジェクターやエネルギーを抽出するタービンノズルなどの複雑なコンポーネントに使用できます。宇宙やその他の過酷な環境で使用されるコンポーネントのパフォーマンスを向上させ、耐用年数を延ばします。さらに、低温靭性に関して既存の 3D プリント合金の限界を克服します。

上級研究員兼プロジェクトリーダーのジョン・ミン・パーク博士は次のように語っています。「この研究は大きな進歩であり、極限環境での使用に適した新しい合金の開発に新たな可能性を切り開きます。宇宙探査部品の従来の製造限界を超える3Dプリント技術を使用することで、宇宙打ち上げ機に使用される部品の性能を大幅に向上させることができます。」
この研究は、KIMS 基本プロジェクト「複雑な設計による超硬質異種材料の付加製造のための設計の開発」および「金属 3D 印刷のための高性能材料とプロセスの開発」によって資金提供されました。

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