「自然」3Dプリント技術が新たなチタン合金を生み出す

「自然」3Dプリント技術が新たなチタン合金を生み出す
出典:科技日報

オーストラリアのRMIT大学やシドニー大学を含む国際研究チームは、合金化と3Dプリントのプロセスを組み合わせて、張力に強く脆くない新しいチタン合金を開発した。ネイチャー誌の最新号に掲載されたこの画期的な成果は、航空宇宙、生物医学、化学工学、宇宙およびエネルギー技術での使用に向けた、より持続可能で高性能な新しい種類のチタン合金の開発に期待が持てる。



新しいチタン合金は、それぞれ特定の原子配列に対応する α チタン相と β チタン相と呼ばれる 2 つのチタン結晶の混合物で構成されています。酸素と鉄は、α-チタン相とβ-チタン相の最も強力な安定剤および強化剤であり、豊富で安価です。

しかし研究者たちは、従来の製造プロセスでは強靭なアルファベータ型チタン酸化物鉄合金の開発が2つの課題によって妨げられていることを発見した。課題の 1 つは、酸素によってチタンが脆くなることです。もう 1 つの課題は、鉄を加えると深刻な冶金上の欠陥が生じ、ベータチタンの大きな塊が形成され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法を用いて金属粉末から合金を印刷しました。これは、大型で複雑な部品の製造に適した 3D 印刷プロセスです。彼らは合金設計コンセプトと 3D 印刷プロセス設計を組み合わせて、強度、延性、印刷のしやすさを兼ね備えた一連の合金を特定しました。

主な推進要因は、α-チタン相とβ-チタン相内および相間の酸素原子と鉄原子の独特な分布です。研究者らは、強固な高酸素セグメントと延性のある低酸素セグメントを持つαチタン相にナノスケールの酸素勾配を設計し、局所的な原子結合を制御して脆化の可能性を低減できるようにしました。

研究チームによれば、新しい合金の魅力的な特性は市販の合金のそれに匹敵するという。

シドニー大学副学長のサイモン・リング教授は、この研究により、広範囲に調整可能な機械的特性、高い製造性、大幅な排出量削減の可能性を備えた新しいチタン合金システムが実現し、同様のシステムの材料設計への知見も得られたと語った。

研究者らは、研究チームが循環型経済の考え方を設計に取り入れ、産業廃棄物や低品質の材料から新しいチタン合金を生産できるという希望を生み出したと述べた。さらに、酸素脆化はチタンだけでなく、ジルコニウム、ニオブ、モリブデンやそれらの合金などの他の重要な金属にとっても重大な冶金上の課題です。この新たな研究は、3D プリントと微細構造設計を通じてこれらの酸素脆化の問題を軽減するためのテンプレートを提供する可能性があります。


論文リンク: https://www.nature.com/articles/d41586-023-01360-y

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