Nature: 金属 3D プリントにおける大きな進歩: ナノ核剤 + 結晶化により高強度アルミニウム合金を実現

Nature: 金属 3D プリントにおける大きな進歩: ナノ核剤 + 結晶化により高強度アルミニウム合金を実現
次の技術は、全金属 3D プリントにとって非常に優れたアイデアです。ナノ核剤を追加し、それを液体金属と混合して結晶の種を育て、微細な成長を実現し、最終的に高強度の合金を得ます。


2017年9月21日、南極熊は、有名な「ネイチャー」誌が金属3Dプリント技術における大きな進歩を発表したことを知りました。米国のHRL研究所は、ナノ核剤を加えることで、Al7075やAl6061などの高強度アルミニウム合金の3Dプリントに成功し、プリント製品の強度と品質が大幅に向上し、ひび割れも発生しませんでした。

▲図1.トレサ・M・ポロックらによる版画
金属印刷のプロセスは、特定のエネルギー源(レーザー、電子ビームなど)を使用して金属材料を溶かし、すぐに固めるという単純なものです。従来の鋳造プロセスとは異なり、印刷プロセスは非平衡凝固プロセスであり、この急速凝固プロセス中に、柱状結晶と周期的な亀裂を含む微細構造が容易に形成されます。 3Dプリントで加工できる金属はたくさんあるのですが、合金は非常に少ないからです。 5,000 種類以上の合金は、印刷プロセス中の溶融および凝固のダイナミクスにより、3D 印刷には適していません。そのため、HRL研究所による今回の研究は、金属3Dプリントの「いくつかのサンプルを作ることしかできないことが多い」というレッテルを完全に取り払い、新しい時代へと導く可能性を秘めていると言えるでしょう。

図2. 3Dプリントの原理の模式図

▲図3. アルミニウム合金7075粉末の走査型電子顕微鏡(SEM)写真
Antarctic Bear によると、この重要な研究は、溶融鋳造プロセスにインスピレーションを受けた HRL 研究所の Tresa M. Pollock 氏らによって完了しました。 Tresa M. Pollockらは、ナノ粒子を核剤として液体金属と混合して結晶の種を増殖させ、大きな温度勾配と速い凝固速度を伴う非平衡条件下で結晶の微細成長を実現し、製品の性能を向上させました。印刷されたアルミニウム合金 7075 の強度は 400MPa を超え、鍛造品の性能に匹敵します。

図4. AI7075+Zrの強度は400MPa以上に達する
▲図5 アルミニウム合金7075の時効挙動
Pollock らも同様の方法を使用して、アルミニウム合金粉末にジルコニウムベースのナノ核剤を導入しました。これは、アルミニウム合金粉末の表面を改質することと同等でした。最終的に、この方法は印刷プロセス中の熱亀裂の傾向を効果的に抑制し、印刷プロセス中の非平衡凝固によって引き起こされる問題を改善し、それによって微細な等軸結晶構造を得ることができることを発見しました。
図6.ナノ核剤を使用した製品(右)と使用しない製品(左)の微細構造の比較


▲図7.凝固プロセスの模式図

▲図8.アルミニウム合金7075のEBSD分析
ポロック氏らは伝統的な鋳造プロセスを活用し、結晶化接種剤としてナノ粒子を独創的に導入し、印刷されたアルミニウム合金の強度を大幅に向上させました。この方法は、さまざまな合金材料や 3D 印刷装置に適しており、汎用性が高く、溶接不可能なスーパーニッケル合金やニッケルベースの金属間化合物の 3D 印刷が可能であり、さまざまな印刷技術にも適用できます。同時に、熱割れや凝固割れの問題が発生しやすい溶解鋳造や熱間ダイカストなどの従来のプロセスにとっても参考となる意義があります。

偶然にも、武漢国立光電子研究所レーザー先進製造研究チームの朱海紅教授、張虎、聶小佳ら博士課程の学生らの指導の下、伝統的なアルミニウム合金材料設計の観点から出発し、SLM成形された高強度アルミニウム合金に微量元素を添加することで、緻密で亀裂のない試料を得た。熱亀裂の抑制に成功しながら、SLM成形効率が大幅に向上しました。元の粗大な柱状結晶微細構造とは異なり、微量元素改質後の微細構造は1mmオーダーの等軸結晶です。細粒強化と析出強化の複合効果により、極限引張強度が12%増加しました。


図9. SLM成形した高強度アルミニウム合金の割れ、微細組織、機械的性質に対する微量元素の影響
さらに読む:高強度アルミニウム合金のレーザー3Dプリント技術の研究の進歩

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南極熊、アルミニウム合金粉末

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