研究者らはレーザー指向性エネルギー堆積3Dプリンティングを用いて新たな持続可能なチタン合金を開発

2023年7月11日、南極熊は、ロイヤルメルボルン工科大学とシドニー大学の研究者が香港理工大学、スウェーデンのソフトウェア開発会社ヘキサゴンの製造情報部門と共同で、新型チタン合金材料の開発に成功したことを知りました。この研究結果は、チタン合金をさまざまな分野に応用する新たな可能性を切り開き、より持続可能な製造方法を実現するための有益なインスピレーションを提供します。

△レーザー指向性エネルギー堆積3Dプリンティングで印刷されたチタン合金の微細構造の模式図
新しい3Dプリントチタン合金の機能は何ですか?

このチタン合金は、強度、延性、調整可能性、持続性に優れています。従来製造されたチタン合金は高価ですが、この研究は航空宇宙、生物医学、化学工学、宇宙、エネルギーに使用できる新しい高性能チタン合金の可能性をもたらします。

研究チームは、合金と 3D 印刷プロセス設計を組み合わせて、レーザー指向性エネルギー堆積 (L-DED) 技術を使用して金属粉末からこの新しいチタン合金を 3D 印刷しました。この革新的な製造プロセスにより、チタン合金の生産はより持続可能かつ手頃な価格になります。

△宋婷婷（左）と馬婷（右）
RMIT大学の主任研究員である馬千教授は、循環型経済の概念を設計に取り入れたと語った。この新しい合金は、バナジウムやアルミニウムなどの高価な添加物を使わず、代わりに安価で豊富に存在する酸素と鉄を使って、スクラップや低品位の材料を使って生産できる。

銭教授は次のように説明した。「廃棄物や低品質の材料を再利用することで、経済的価値を高め、チタン産業の高炭素排出量を削減できる可能性があります。」

この研究の主著者はRMITの博士課程の学生、ティンティン・ソン氏である。彼女は、チームは新しいコンセプトの検証から産業応用の実現へと移行する重要な段階にあると語った。

ソン氏はさらにこう付け加えた。「我々が興奮する理由はある。3Dプリンティングは新しい合金を作る全く新しい方法を提供し、従来の方法に比べて明らかに利点がある。業界が我々の方法を使って、廃棄されたスポンジチタン酸化物鉄合金、規格外のリサイクルされた高酸素チタン粉末、または高酸素スクラップチタンから作られたチタン粉末を再利用する機会があるだろう。」

△研究論文はネイチャー誌に掲載されており、研究タイトルは「3Dプリントによる強靭な酸化チタン鉄合金の実現」（ポータル）
新しい合金の開発における課題

チームの合金は、アルファチタン相とベータチタン相の混合物である2種類のチタン結晶で構成されており、Ti-6Al-4Vと呼ばれています。それぞれの形態は、特定の原子の配置に対応します。

Ti-6Al-4V は最も一般的なチタン合金であり、従来の製造方法で 6% のアルミニウムと 4% のバナジウムを使用し、チタン合金市場の 50% 以上を占めています。新しい研究では、アルミニウムとバナジウムの代わりに酸素と鉄が使用されました。これらの元素は入手しやすくコストが低いだけでなく、α-チタン相とβ-チタン相の最も効果的な安定剤および強化剤の 2 つです。

従来、高レベルのチタンと酸素を含むチタン合金は、開発と採用において課題に直面してきました。

「一つの課題は、俗に『チタンのクリプトナイト』と呼ばれる酸素がチタンを脆くする可能性があることです」と銭氏はコメントした。「もう一つの課題は、鉄を加えるとβチタン相の大きなシートの形態に重大な欠陥が生じる可能性があることです。」

△研究チームは、レーザー指向性エネルギー堆積（L-DED）技術を用いて、新合金のα-β相界面に原子レベルの微細構造を3Dプリントすることに成功した。
L-DED 3Dプリント技術を使用して、研究者は課題を克服することに成功しました

大型で複雑な部品の製造によく使用される L-DED 3D プリンティングにより、科学者は合金の機械的特性を調整することができます。研究者らは、合金中にナノスケールのチタン結晶を作り出し、酸素と鉄原子の分布を正確に制御することに成功した。これにより、合金の一部の領域は非常に強くなり、他の領域は延性を持つようになり、応力がかかっても材料が脆くならないようになります。

チームは、Hexagon の Simufact Welding ソフトウェアの DED モジュールを使用して、一連のコンポーネントを 3D プリントし、テストしました。試験の結果、研究者らは、この合金が延性と強度において他の市販のチタン合金に匹敵することを発見した。

シドニー大学の共同主任研究者であるサイモン・リンガー教授は次のように説明しています。「鍵となるのは、α-チタン相とβ-チタン相の間および相内の酸素原子と鉄原子のユニークな分布です。私たちは、強力な高酸素領域と延性のある低酸素領域を含むナノスケールの酸素勾配をα-チタン相に設計しました。これにより、局所的な原子結合を制御できるようになり、脆さの問題を軽減することができました。」

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