Nature Materials: 積層造形によりAlSi10Mg合金の超高疲労耐性を実現

出典: Qiyu Technology

2023年8月17日、上海交通大学材料科学工学部の王浩偉教授のチームは、「Nature Materials」誌に「付加製造による超高耐疲労性AlSi10Mg合金の実現」と題する研究論文を発表し、耐疲労性3Dプリントアルミニウム合金の分野で重要な進歩を遂げました。

オリジナルリンク: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi0357

研究チームは材料組成と印刷プロセスを最適化し、疲労限界が最大 260MPa の超高疲労強度を備えた TiB2 改質 AlSi10Mg 合金を製造しました。
(R=0.1) は、他の 3D プリントアルミニウム合金の 2 倍であり、従来の鍛造アルミニウム合金を上回っています。チームが開発した高疲労耐性の3Dプリントアルミニウム合金は、航空機の主要部品に使用され、総合的な寿命テストに合格しました。研究チームの陳哲教授、丹成毅博士研究員らは、3DプリントされたAlSi10Mg合金を研究対象とし、ミクロからマクロまでのクロススケール構造組成の最適化と疲労性能の特性評価作業を実施しました。この研究では、3Dプリント中に急速凝固によって形成されるマイクロナノ共晶二相三次元ネットワーク構造が疲労亀裂の発生を効果的に抑制できることを初めて提案しました。研究チームは、FIB加工により印刷欠陥のないミクロン規模の疲労サンプルを作製し、ナノインデンターに基づく走査型電子顕微鏡でその場疲労実験を行った。その結果、3DプリントされたAlSi10Mg合金のマイクロナノ共晶ネットワーク構造が転位運動を効果的に制限し、疲労損傷の蓄積と疲労亀裂の発生を抑制できることが示された。ミクロン規模のサンプルの疲労限界は、引張強度の80％（470MPa）にも達する。

この原理に基づき、研究チームはTiB2核生成粒子をAlSi10Mg合金粉末に導入し、材料の印刷欠陥を大幅に削減し、超高疲労強度を持つTiB2改質AlSi10Mg合金の製造に成功しました。そのマクロサンプルの疲労限界は260MPaにも達し、これは引張強度の半分近く、他の3Dプリントアルミニウム合金の2倍に相当します。研究チームは、疲労限界を超えたサンプルに対してCTスキャンとTEMによる特性評価を実施しました。マイクロナノ共晶ネットワーク構造は損なわれておらず、明らかな疲労亀裂の発生はなく、マイクロナノ共晶二相三次元ネットワーク構造が超高疲労耐性を備えていることがさらに確認されました。

図1高疲労抵抗3DプリントALSI10MG合金（A）最適化された3D印刷ALSI10MG合金の疲労強度は、他の3Dプリントアルミニウム合金の2倍です図2高疲労抵抗の微細構造3D印刷ALSI10MG合金（A）μ-CTの結果は、印刷欠陥がすべて球形であり、最大の欠陥が73ミクロンで測定されることを示しています〜500ナノメートル（g）4つの元素の分布Al、Si、Mg、およびTi図3000 MPa で 107 回の負荷サイクル後のサンプル特性 (CE) 疲労試験後のサンプルの TKD 特性結果。シリコンネットワークはそのまま残っており、サンプルに明らかなひずみ集中は見られません。

図4 疲労強度に優れたサブミクロン共晶ネットワーク構造（A）疲労限界試験に合格したサンプルには明らかな亀裂は見られなかった（BC）μ-CTでガイドされたサンプル表面近くの穴へのレーザー位置決め切断（DH）穴の周りのサブミクロン共晶ネットワークは基本的に無傷のままであり、転位の動きはネットワーク構造内に制限されていた
研究の結論 研究では、技術革新により、印刷欠陥をサブミクロンサイズの範囲内で排除または制御できるようになり、3DプリントされたAlSi10Mg合金の疲労耐性がさらに向上すると期待されると指摘した。さらに、3D プリントによって実現されるこの疲労耐性損傷メカニズムは、他の耐疲労性二相/多相合金システムやその他の 3D プリント準備技術の設計にも拡張できます。

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