呉新華院士チーム：厚いScを含む高強度アルミニウム合金の高効率3Dプリントでブレークスルー

はじめに： Sc含有高強度アルミニウム合金は、航空宇宙分野でさらなる軽量化の目標を達成するために使用されています。これは、通常3Dプリントで印刷されるAlSi10Mg合金の降伏強度がわずか260MPaであるのに対し、この新素材の降伏強度は500Mpaを超えているためです。性能を確保する条件下では、構造部品の材料消費を大幅に削減できるため、軽量化の目標を達成できます。

2023年9月8日、南極熊は、Scを含む高強度アルミニウム合金の高効率レーザー粉末床溶融結合に関する最新の研究成果「製造速度向上レーザー粉末床溶融結合で実現した強靭で延性のあるAl-Mn-Sc合金」が2023年8月29日に「仮想および物理プロトタイピング」（中国科学院第1区トップ、インパクトファクター10.6）誌に掲載され、業界で大きな注目を集めたことを知りました。

航空宇宙構造部品へのレーザー粉末床溶融結合（LPBF）の適用は、層厚が薄い（通常 30 μm の層厚）、準備効率が低い、金属材料のコストが高いなどの理由で妨げられています。 LPBFによる高強度アルミニウム合金の製造コストを削減するために、蘇州北鋒智能科技有限公司の会長である呉新華院士が率いるチームは、北京理工大学、汕頭大学、オーストラリアのエディスコーワン大学、オーストラリアのモナッシュ大学、東南大学などの機関と協力して、Sc含有高強度アルミニウム合金の大層厚かつ高効率のレーザー粉末床溶融の研究を行い、高強度アルミニウム合金の大層厚かつ粗い粉末粒子の高効率3Dプリントにおいて画期的な進歩を達成しました。調査によると、論文の第一著者は北京理工大学の張昊氏（博士課程学生）、責任著者はオーストラリアのエディスコーワン大学の張来昌教授と汕頭大学工学部機械工学科の曹勝准教授、共著者は院士の呉新華氏だという。

△図1 蘇州北峰智能科技有限公司が製造したAmpro SP260レーザー粉末ベッド装置。厚い層を準備するプロセスでは、ほとんどの機械で成形が困難で成形品質が悪いという問題が発生します。対照的に、本研究では、蘇州北峰智能科技有限公司が製造したAmpro SP260レーザー粉末ベッド装置を使用しました。低コストの粗粉末を使用することを前提に、層厚の厚い高強度Al-Mn-Sc合金を効率的に製造できます。層厚120μmで相対密度99.2%以上が達成されました。さらに、その後の熱処理後のサンプルでは、降伏強度は層厚30μmで502MPa、層厚120μmで472MPaでした。層厚 120 μm のサンプルでも、高い引張降伏強度と約 10% の伸びが見られます。

この研究は、LPBFプロセスで高強度Al-Mn-Sc合金を製造するために、大きな層厚と高効率を使用することの実現可能性を実証することに成功しました。低コストの粗粉末を使用して、高強度Al-Mn-Sc合金の航空宇宙構造部品を大きな層厚と高効率で印刷するというソリューションは、航空宇宙における高強度Al-Mn-Sc合金の応用展望を高めるだけでなく、3Dプリントの仲間のコストと技術競争力も高めます。

△図2. レーザー粉末床で作製したサンプルの欠陥の3次元可視化（aとc）と垂直投影観察（bとd）。30μm（ab）と120μm（cd）サンプルのμ-CT画像から再構成された細孔の形態と分布を示しています。
この研究では、異なる層厚（30 μm、60 μm、90 μm、120 μm）でのAl-Mn-Sc合金のレーザー粉末ベッド調製の処理ウィンドウを取得し、熱処理されたサンプルの微細構造と機械的特性を研究しました。この論文では次のような結論を導き出している。

（１）サンプルは、あらゆる層厚条件下で高い相対密度を達成した。層厚120μmのサンプルの相対密度は99.2%です。
（２）LPBFで印刷され、後熱処理されたAl-Mn-Sc合金は、典型的な二峰性等軸柱状粒子の微細構造を有する。等軸粒子と柱状粒子のサイズは層の厚さが増すにつれてわずかに大きくなりますが、これは層の厚さが厚い場合の冷却速度の低下に起因します。
（３）本研究では、高効率な厚膜LPBF製造方法を提案し、120μmの厚膜の条件下で高強度（降伏強度472MPa）かつ良好な延性（破断伸び9.8%）を有するAl-Mn-Sc合金を作製した。

△図3. (a) 異なる層厚で熱処理したAl-Mn-Sc合金の工学的応力-ひずみ曲線、および試験片の引張破面: (b)-(c) 30 μm、(d)-(e) 120 μm。
△図4. (a) レーザー粉末ベッドで作製したAl-Mn-Sc合金と他のアルミニウム合金の印刷速度。(b) レーザー粉末ベッドで作製したAl-Mn-Sc合金と他のアルミニウム合金の降伏強度。
原著論文

Zhang H、Zhang LC、Liu HY、Niu XD、Lan MC、Zhang WZ、Jin XJ、Chu FZ、Wu XH、Cao S。製造速度が向上したレーザー粉末床溶融結合で、強度と延性に優れたAl-Mn-Sc合金を実現[J]。仮想および物理プロトタイピング、2023、18(1): e2250769。
https://doi.org/10.1080/17452759.2023.2250769

著者について

呉新華氏は、元モナシュ大学副学長で、現在は蘇州大学金属材料・知能製造研究所の学部長、主任教授、博士課程の指導者を務めています。また、オーストラリア科学技術工学アカデミーの会員であり、蘇州北峰智能科技有限公司の会長でもあります。呉氏は、3D 印刷技術の世界的先駆者の 1 人として知られています。彼は、3D プリントの設計、材料、プロセス、パフォーマンスの最適化の分野で顕著な貢献を果たし、金属 3D プリントを科学的に独創的なコンセプトから実際に実現可能な生産と製造へと移行させました。 30年以上にわたり航空材料と3Dプリントの研究に従事し、金属3Dプリントの基礎研究と応用推進に尽力しています。3Dプリント材料とプロセスの体系的な研究方法を確立し、世界初の3Dプリント専用の高強度アルミニウム合金と超高強度チタン合金を開発しました。60以上の主要な国際科学研究プロジェクトに携わり、世界の20社以上の国際的に有名な航空会社（ロールスロイス、エアバス、ボンバルディア、サフラン（フランスと中国）、COMAC、AECC、中国重工、CGNなど）と長期にわたる戦略的な協力関係を築き、航空、ガスタービン、原子力の分野でハイエンドの製造問題を解決しました。同社は、国内民間航空向けの金属3Dプリントチタン合金部品の耐空証明と設置応用の先駆者となり、中国の燃料補給「二大特別プロジェクト」の燃焼室ノズルやタービンブレードなどの重要部品の3Dプリント問題を解決し、国内原子力分野での3Dプリント技術の初の認定と実証応用を達成した。彼は 5 冊の著書と 210 本以上の SCI ジャーナル論文を出版しています。彼の論文は 11,081 回引用され、H 指数は 58 で、国際特許 25 件と国内特許 6 件を取得しています。

張来昌はオーストラリアのエディスコーワン大学の終身在職権を持つ教授です。張来昌教授は長年にわたり、新材料の製造、構造、特性、特に新チタン合金の製造プロセスと特性の研究に従事しており、主に準安定合金の製造と特性、マルチスケール材料の合成と特性、新材料における3D印刷技術の応用、新しい機能性材料などが含まれています。彼はオーストラリア研究会議の研究プロジェクトを含む 20 以上の研究プロジェクトを主催または参加してきました。これまでに、2 本の英語モノグラフと 19 の本の章を出版し、Advanced Materials (インパクトファクター 21.95)、Advanced Functional Materials (インパクトファクター 13.32)、Acta Materialia (インパクトファクター 6.036)、Scripta Materialia (インパクトファクター 4.163) など、国際的に有名な学術雑誌に 200 本以上の SCI 論文を発表しました。約 15 件の学術論文が ESI「ホットアーティクル」および ESI「高引用論文」として評価されています。研究結果の一部は、オーストラリア放送協会（ABC）ニュースチャンネル、わが国中央テレビ（CCTV-4）、新華社通信などの有名メディアでの生中継インタビューで報道されました。

曹勝氏は、汕頭大学工学部機械工学科の准教授です。主な研究分野は金属材料の積層造形技術です。彼はオーストラリアのセントラルサウス大学で学士号を取得し、モナシュ大学で博士号を取得しました。オーストラリアのモナシュ大学とイギリスのマンチェスター大学で博士研究員として研究を行いました。 2021年、彼は人材優秀プログラムの優秀な人材として汕頭大学に入学しました。彼が主宰したプロジェクトには、中国国家自然科学基金（青年科学基金プロジェクト）、広東省科学技術イノベーション戦略特別プロジェクト、広東省総合大学特色イノベーションプロジェクト（自然科学）などがある。現在、Corrosion Science、Scripta Materialia、Journal of Materials Science & Technologyなど国内外の学術誌に40本以上の論文を発表し、Google Scholarでの引用数は1,200回以上、h指数は16、特許は6件取得しています。

技術サポート - 蘇州北峰智能科技有限公司

蘇州北峰智能科技有限公司は、豊かで美しい蘇州に位置し、チタン合金と積層造形の専門家であるアカデミー会員の呉新華氏によって設立されました。工業用金属 3D 印刷装置と印刷材料プロセスの研究開発と販売を専門とするハイテク企業です。また、3D 印刷産業チェーン全体にわたって、顧客に技術コンサルティングと科学研究サービスを提供しています。現在、蘇州北峰金属3Dプリント設備は、SP100-1200mmの全範囲をカバーし、設計からソフトウェアまで完全に独立した知的財産権を備えた合計6サイズのプリントホストの自主生産を実現しています。国際耐空性要件を満たす全工程不活性雰囲気保護と密閉型3Dプリント金属粉末前処理および後処理システムを備えています。同時に、同社は独自の複合付加製造設備、レーザー溶接機、その他の溶接機、関連製品のインテリジェント製造設備、科学研究サービス、消耗品関連技術のコンサルティングなどのサービスを展開しています。ご協力いただける場合は、4001185365 までお電話ください。

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