中国における3Dプリントナノセラミック強化合金技術の研究開発

この投稿は Little Soft Bear によって 2016-11-7 10:46 に最後に編集されました。

3D プリント技術の発展に伴い、3D プリント材料も絶えず改良されていますが、他の処理方法と比較すると、3D プリント材料はまだ非常に希少です。アンタークティック・ベアは、3D プリントの次の爆発点は、新しい 3D プリント材料の研究開発になると考えています。ナノテクノロジーとセラミックスが 3D プリントと組み合わさると、どのような火花が散るのでしょうか。

一般的にナノセラミック材料と呼ばれるものは、既存のセラミックをナノ粉末で改質したものです。ナノスケールの粒子、ウィスカー、チップ繊維などをセラミックに添加または生成することで、粒子、粒界、およびそれらの間の結合がナノレベルに達し、材料の強度、靭性、超塑性が大幅に向上します。成都新科利化学科技を含む国内企業は、レーザー焼結法を利用してナノセラミック粒子を無機粘土と混合しています。レーザー焼結法では、レーザーの急速加熱・冷却特性を利用して、無機粘土をナノスケールのセラミック粒子に焼結します。

3Dプリント技術の発展に伴い、SLM技術によるナノセラミック強化ニッケルベース高温合金や多相ナノセラミック粒子強化Alベース複合材料を製造するプロセスが国内外で登場しています。この技術は、材料の進歩によって製品の性能を向上させることで、GE の小型「燃料インジェクター」のように、エンジン性能の向上に大きな役割を果たす可能性があります。

粒度の粗大化はもう起こらない

ナノセラミック強化ニッケル基高温合金は、高温での組織安定性と信頼性に優れており、高温合金分野全体で重要な位置を占めており、航空ジェットエンジンや各種産業用ガスタービンの最も高温の末端部品の製造に広く使用されています。

航空機エンジンの最も重要な性能パラメータの 1 つは推力重量比です。航空産業の発展に伴い、現代の航空機エンジンは常により高い推力重量比を追求しています。推力重量比が増加すると、高性能航空機エンジンのタービン入口温度は必然的にさらに上昇し、エンジンのホットエンド構成材料の耐熱問題の解決がますます重要になります。

しかし、ナノセラミック粒子強化ニッケル基超合金の製造は、ミクロンおよびサブミクロン粒子の製造よりもはるかに複雑で困難です。主な困難は次のとおりです。

1. 巨大な比表面積によって発生する表面エネルギーにより、ナノサイズの物体間に強い凝集が生じます。また、セラミック粒子とマトリックス金属の密度差が大きいため、凝集が起こりやすく、強化相粒子によるマトリックス金属への強化効果が低下します。

2. ナノセラミック粒子強化金属マトリックス複合材料を高温で製造すると、激しい界面反応が必ず発生します。セラミック材料は融点が高く、濡れ性も低く、マトリックス材料との線膨張係数の差も大きいため、界面接合に問題が生じる可能性があります。

現在、ナノセラミック粒子強化ニッケル基高温合金の従来の加工方法は主に粉末冶金、鋳造、スプレー堆積、インサイチュ複合法などですが、これらの方法は材料組織の微細結晶構造の加工に一定の限界があります。

サイレムインテリジェントテクノロジーのナノセラミック粒子強化ニッケル基高温合金の製造方法は、選択的レーザー溶融技術と3Dプリント技術を採用しており、従来の製造方法の限界を克服し、粒子の凝集と界面結合の問題を改善し、工具固定具や金型のサポートなしで複雑な部品の形状に加工できます。同時に、このプロセスでは、材料の利用率が高くなります。

Silem Intelligent Technology が採用しているレーザープロセスパラメータは、レーザースポット径 70～100μm、レーザー出力 120～160W、レーザースキャン速度 300～500mm/s、レーザースキャン間隔 50～90μm です。複合材料製品は、粉末を一層ずつ敷き詰め、融合して積み重ね、立体部品を形成する粉末床技術を使用して製造されます。印刷材料は、マトリックスとして粒径15〜45μmのニッケル基高温合金、強化相として粒径40〜100nmのCrCをベースとしています。添加されるCrCの重量パーセントは、複合材料マトリックスの2.0〜8.0％です。冷却速度は約 105 ～ 106 K/s です。凝固速度が速いため、粒子が成長する時間がなく、ナノ粒子の特性が保持されます。製造された部品は、微細で緻密な構造と優れた機械的特性を備えています。

ナノCrC粒子ハイブリッド強化ニッケル基高温合金の複合部品は、優れた高温耐食性、耐摩耗性、高温クリープなどの性能上の利点があり、高温での航空機エンジンホットエンド部品の特殊な性能要件を満たすことができます。高エネルギーレーザー成形法は、加工が難しい材料の準備や複雑な部品の成形に適しており、成形金型が不要なため、製造サイクルとコストが短縮されます。

ナノセラミック粒子強化ニッケルベース高温合金に加えて、Silem Intelligent Technology は、多相ナノセラミック粒子強化 Al ベース複合材料を製造する 3D プリント技術も発明しました。このAl基複合材料は、均一で精緻な微細構造と優れた機械的性質を備え、比強度と比剛性が高く、弾性率が高く、耐摩耗性に優れ、熱伝導率が高く、熱膨張係数が低いという特徴があります。総合的な機械的性質は、対応する材料の従来の鋳造製品や粉末冶金製品よりも25％以上高くなっています。

多相ナノセラミック粒子強化Alベース複合材料の製造において、Silem Intelligent Technologyは、複合材料マトリックスが99.9%以上、粒子サイズが25μmのAlSiMg粉末を使用し、強化相は純度が99.9%以上、粒子サイズが50μmのAl2O3、SiO2、TiN、TiC、ZnO、Y2O3粉末の複合体です。選択的レーザー溶融技術により、粉末の厚さは50μm〜70μm、レーザースポット径は50μm〜100μm、スキャン間隔は400μm〜600μm、レーザー出力は100W〜150W、スキャン速度は100mm/s〜400mm/sです。冷却速度は約105〜106 K/sです。ラピッドプロトタイピング法の溶融/凝固は、過冷却と冷却速度が高い、非常に非平衡なプロセスです。

粒子強化アルミニウム系複合材料は、その優れた性能により、アルミニウム系複合材料の研究対象として徐々に注目されてきました。このような材料は、航空宇宙、自動車、マイクロエレクトロニクスなどの分野で広く使用されています。新しい3Dプリント材料の最新情報を知るには、Antarctic Bear 3D Printing Networkに注目してください。

出典: 3D Science Valley 詳しい情報:
国内企業の3Dプリント金属セラミック材料の進歩の例：米国ノースウェスタン大学は、骨の再生をより促進できる高靭性の3Dプリントセラミックインクを開発した。

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