中国科学院金属研究所のNature公式ジャーナルです！ 3Dプリントチタン合金の疲労耐性の設計と準備において画期的な進歩がありました

この投稿は warrior bear によって 2024-2-29 16:02 に最後に編集されました

はじめに: 3D プリント材料は大きな注目を集め、航空宇宙などの分野で最初に応用されました。しかし、従来の製造技術と比較すると、3D プリントで製造された材料は、周期的な荷重下での疲労性能が一般的に劣っており、構造荷重支持部品としての広範な応用が著しく制限されています。そのため、3Dプリントされた材料や部品の疲労性能をどのように向上させるかが、国内外の学術界や工学界で大きな注目を集めています。
2024年2月29日、南極熊は、これまでの疲労損傷メカニズムと疲労予測理論の指導の下、中国科学院金属研究所材料疲労破壊チームのリーダーである張哲鋒研究員が軽量高強度材料研究部の楊睿研究員チームと協力し、微細構造と欠陥を個別に制御することで疲労に強い3Dプリントチタン合金を製造する革新的な戦略、ネット・アディティブ・マニュファクチャリング・プレパレーション（NAMP）を提案したことを知りました。
研究成果は、2024年2月29日付けのネイチャー誌に「ほぼボイドフリーの3Dプリントによるチタン合金の高疲労耐性」というタイトルで掲載された。金属研究所の博士課程学生であるQu Zhan氏が論文の筆頭著者であり、張振軍研究員、カリフォルニア大学バークレー校のロバート・O・リッチー教授、張哲鋒研究員が論文の責任著者である。

関連論文リンク: https://www.nature.com/articles/s41586-024-07048-1
論文では、研究者らが初めて明確に提言した。理想的な条件下では、 3Dプリント技術によって直接作製されたチタン合金組織（Net-AM組織と呼ばれる）は、当然優れた疲労性能を発揮するはずだが、印刷プロセス中に生成された気孔などの欠陥が組織自体の抗疲労の利点を覆い隠し、3Dプリント材料の実際の測定された疲労性能が大幅に低下することになる。したがって、 3Dプリント材料の疲労性能を向上させる鍵は、印刷された組織の状態を可能な限り維持しながら、印刷の気孔を排除することにあります。しかし、現在の気孔を除去するプロセスは、微細組織の粗大化を伴うことが多く、一方、微細組織を微細化するプロセスは気孔の再出現につながり、さらには粒界α相の濃縮などの新たな不利な要因を引き起こす可能性があり、ジレンマとなっています。
幸いなことに、研究者らは Ti-6Al-4V 合金において、高温での 3D プリント構造の粒界移動と気孔成長が相変態プロセスと非同期特性を示すことを初めて発見しました。これは、粒界 α 相の濃縮と気孔の再出現を効果的に抑制しながら、ラス構造の微細化を達成できる貴重な熱処理プロセスウィンドウが存在することを意味します。この目的のために、研究者らはこのプロセスウィンドウを巧みに利用し、欠陥と組織を段階的に制御する新しい NAMP プロセス (Net-Additive Manufacturing Process) (図 1) を発明し、最終的にほぼ気孔のない Net-AM に近い Ti-6Al-4V 合金を製造しました。 NAMPプロセスの手順には、主に、微細孔を除去するための熱間静水圧プレス (HIP) と、それに続く微細なマルテンサイトラズを含む積層造形された微細構造を復元するための高温短時間 (HTSt) 熱処理が含まれます。これにより、チタン合金をほぼ空隙のない Net-AM 微細構造に復元できます。
図 1. 3D プリントされたチタン合金の印刷状態、NAMP 状態、およびその他の 2 つの一般的な状態における微細構造と欠陥特性: (a) 印刷状態、(b) 熱間等方圧プレス (HIP) 状態、(c) ニアネット AM 状態、(d) ネット AM 状態。
多数の疲労実験により、Net-AM チタン合金は、印刷孔、粗いラス、α 相が豊富な粒界など、さまざまな疲労欠陥による亀裂を効果的に回避することが示され (図 2)、3D 印刷組織特有の高い耐疲労性が完全に実証されています。引張-引張疲労強度は、元の状態の 475 MPa から 978 MPa に増加し、106% 増加しました (図 3)。比較すると、この近Net-AM構造Ti-6Al-4V合金は、すべてのチタン合金材料の中で最も高い引張-引張疲労強度を有するだけでなく、現在報告されている材料疲労データの中で最も高い比疲労強度（疲労強度/密度）も有することが分かりました。
図 2. さまざまな組織における疲労亀裂発生の典型的な位置。 (a) 疲労亀裂発生位置を特徴付けるための鋭角層状研削および研磨法の概略図、(b) Net-AM 状態、(c) HIP 状態、(d) ほぼ Net-AM 状態。 Net-AM 状態における疲労亀裂はすべて、きれいな一次 β 粒界 (PBGB) から発生し、欠陥や粗大構造による亀裂をうまく回避し、非常に高い耐疲労性を示します。図 3. 本研究で作製した Net-AM 構造チタン合金の疲労特性 (R=0.1): (a) Net-AM 構造チタン合金の引張-引張疲労強度と積層造形および鍛造チタン合金の疲労強度の比較。(b) Net-AM 構造チタン合金の比疲労強度と他の材料の比較。 Net-AM チタン合金は、チタン合金の中で最も高い疲労強度を有するだけでなく、あらゆる材料の中で最も高い比疲労強度を示します。
NAMP プロセスによって生成された微細構造の疲労亀裂は、通常、きれいな一次 β 粒界と微細なマルテンサイトラスで核生成するため、従来の疲労の弱点の多くを回避し、局所的な欠陥の蓄積を防ぐことができ、非常に高い疲労耐性を示します。
この成果は、3Dプリント材料の疲労性能が低いというこれまでの人々の本質的な認識を更新し、耐疲労製造における3Dプリント技術の独自の利点を明らかにし、航空宇宙などの重要な分野における構造荷重支持部品としての3Dプリント材料の幅広い応用展望を示しています。
この研究は、中国国家自然科学基金創新研究グループ（52321001）、優秀青年基金（52322105）、重点基金（52130002）、葉其孫共同基金（U2241245）、中国科学院王寛誠国際協力プロジェクト（GJTD-2020-09）、中国科学院青年促進協会（2021192）の資金提供を受けて実施されました。

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