中国鉱業大学「JMST」レビュー：金属ガラスと高エントロピー合金の付加製造

第一著者: Liu Haishun 連絡先著者: Yang Weiming Zhang Laichang 連絡先部署: 中国鉱業大学エディス・コーワン大学

この論文では、過去 20 年間の金属ガラスおよび高エントロピー合金の付加製造分野における最新の開発状況を包括的にレビューします。このような体系的かつ包括的なレビューは、将来の作業にとって重要かつ必要です。特に印象的なのは、この論文が金属ガラスや高エントロピー合金の特性、製造プロセス、開発の方向性に関する多くの美しい表をまとめていることであり、これらは後続の研究者にとって非常に役立つでしょう。

全文を一目で見る<br /> 本論文では、金属ガラスおよび高エントロピー合金の付加製造の歴史、現状、展望を体系的かつ包括的にレビューし、従来の製造で遭遇した困難と金属ガラスおよび高エントロピー合金の付加製造の利点について論じています。付加製造された金属ガラスおよび高エントロピー合金のシステム、欠陥、細孔、密度、および力学、磁性、触媒などのさまざまな特性に関する最新の研究の進歩について論じ、性能を向上させるためのさまざまな対策をまとめ、現在の問題と課題に対する解決策を提案し、将来の方向性を指摘しています。

背景金属ガラスと高エントロピー合金は、近年広く注目を集めている代表的な新合金の2つです。どちらも興味深い微細構造を持つ多成分金属材料で、優れた機械的特性（超高強度、高硬度、高耐摩耗性、高弾性限界など）と高耐腐食性、高度な触媒特性、生体適合性、優れた磁気特性を備えています。通常は液体凝固（鋳造、メルトスピニングなど）で製造できますが、大型で複雑な形状の部品の製造ではボトルネックが発生しています。

新しく登場したシンプルでカスタマイズ可能な製造技術である積層造形は、材料の無駄が少なく、柔軟性が高く、金型を使わずに非常に複雑な形状を製造できる階層型製造方法を採用しており、重要なサイズ制限を克服しています。電子機器、航空宇宙、ロボット工学、医療など、さまざまな分野で広く使用されています。積層造形法では、高エネルギービームスキャンにより、原材料の溶融とそれに続く凝固が小さな領域（通常は数十ミクロン）に限定されます。冷却速度は 103 ～ 108 K/s に達します。極めて高い選択的溶融冷却速度は、完全に非晶質の金属ガラスの形成に役立ち、拡散を制限することで高エントロピー合金の化学的均一性も向上します。積層造形法は、金属部品の微細構造の調整にも使用できます。金属ガラスや高エントロピー合金の付加製造の研究はまだ初期段階にあります。

研究の出発点

① 図1に示すように、金属ガラスと高エントロピー合金の積層造形の歴史、現状、既存の問題、将来の研究方向について、包括的、体系的、タイムリーかつ統合的に要約および一般化します。

②レーザー選択溶融法、電子ビーム溶融法、直接エネルギー堆積法など、金属ガラスや高エントロピー合金に適した各種積層造形技術の比較まとめ。

③ 積層造形法で製造された金属ガラスや高エントロピー合金の微細構造や機械的、磁気的、触媒的、その他の特性を改善するための戦略とアプローチをまとめます。

④金属ガラスや高エントロピー合金の積層造形研究において遭遇した問題点や課題について、解決策をまとめ提案し、今後の方向性を展望する。

グラフィカル分析

図2は、近年爆発的な増加を遂げているMG/HEAとAMに関する2005年以降の論文数を示しています。

図 3 は、積層造形用の金属ガラス系とその割合を示しています。主なものはジルコニウムベースと鉄ベースの金属ガラスです。チタンベース、アルミニウムベース、銅ベース、その他の金属ガラスも研究されており、研究分野をさらに拡大する必要があります。

表1-2は、金属ガラスと高エントロピー合金を製造するためのレーザー選択溶融のパラメータを示しています。製造パラメータが異なると、微細構造と特性が異なります。亀裂、結晶化、穴などの現象の出現は、製造パラメータと密接に関係しています。機械的、磁気的、触媒的などの特性と印刷品質を向上させるには、パラメータを最適化する必要があります。

表1 レーザー選択溶融法で製造された金属ガラスのパラメータ

表2 レーザー選択溶融法で製造された高エントロピー合金のパラメータ

要約と展望<br /> 金属ガラスや高エントロピー合金の積層造形における製造パラメータの変更は、異なる微細構造や特性の出現につながります。パラメータの最適化、スキャン戦略の最適化、新しいフェーズの導入、熱処理、再溶融、予熱などにより、印刷品質を向上させることができます。現在、緊急に解決する必要がある問題と今後の研究方向としては、欠陥の発生と除去、亀裂の発生と除去および熱応力の影響、結晶化と相転移、酸化緩和と化学的均一性、積層造形に適した新しい合金粉末の開発、プロセス-構造-性能関係の確立、実験とマルチスケールシミュレーションの組み合わせ、ハイスループット製造、機械学習と人工知能の導入、金属ガラスと高エントロピー合金の積層造形の応用拡大などが挙げられます。

著者について

第一著者の劉海順氏は、博士号/二級教授、江蘇省「333プロジェクト」の育成対象者、中国鉱業大学第一学術委員会委員、若手学術リーダー、優秀な教育チームのリーダー、一級学科長である。また、中国材料および試験基準委員会委員、高等教育機関物理学力学研究協会理事、シドニー大学、ミネソタ大学、南京大学の客員研究員でもある。主にアモルファスおよびナノ結晶合金、積層造形、応力場磁気検出の研究に従事。5冊のモノグラフと教科書を出版し、Add. Manuf.、J. Mater. Sci. Tech.、Subject Educationなどの重要なジャーナルに80以上のSCI論文と20以上の教育研究論文を発表。10件以上の発明特許を認可。国家重点研究開発計画、中国国家自然科学基金などの10以上の科学研究プロジェクトを主宰し、中国石炭産業科学技術、国家安全生産科学技術成果、国家石炭教育優秀成果など10以上の一等賞を受賞。中国国家自然科学基金、科学技術部、国務院学位弁公室、江蘇省科学技術庁、ポーランド自然科学基金の審査専門家。

責任著者の楊偉明氏は、中国鉱業大学の教授/博士課程の指導者であり、機械工学科学部の部長、若手学術リーダー、「雹計画」の育成対象者であり、江蘇省青年科学技術人材支援プロジェクトに選ばれている。彼の研究対象は、主に深部地下空間開発のための主要材料、準安定金属材料の強度と靭性のメカニズム、3D プリントにおける残留応力の調整と亀裂抑制に焦点を当てています。彼は、Add. Manuf.やJ. Mater. Sci. Technol.などのジャーナルに50を超えるSCI論文を発表し、3冊の教科書/モノグラフを出版し、1,400回以上引用されています。彼は15の発明特許を取得しています。彼は、中国国家自然科学基金、国家重点研究開発プロジェクトのサブプロジェクト、中国国家自然科学基金青年基金、中国ポスドク特別基金を含む10を超えるプロジェクトを主宰しています。彼は、国家磁性材料およびデバイス専門家委員会の常任委員、江蘇省機械学会固体力学委員会の委員、中国国家自然科学基金の通信査読専門家、およびポーランド自然科学基金の国際査読専門家です。江蘇省優秀博士論文、新疆自治区自然科学二等賞、徐州市自然科学論文一等賞などの賞を受賞。

張来昌氏はオーストラリアのエディスコーワン大学の終身教授であり、機械工学分野の責任者、先端材料製造センター所長、ドイツの「フンボルト」学者でもある。2020年から2022年まで3年連続で世界トップ2％の科学者の一人に選ばれた。張教授は2005年に中国科学院金属研究所を卒業し、博士号を取得しました。ドイツのダルムシュタット工科大学、ライプニッツ固体材料研究所、ウーロンゴン大学、西オーストラリア大学、オーストラリアのエディスコーワン大学で勤務しました。張来昌教授は長年にわたり、新材料の製造、構造、特性、特に新しい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、主に金属付加製造とその工学的応用、生体医学用チタン合金、準安定合金の製造と特性などが含まれます。これまでに、2 冊の英語モノグラフと 21 の本の章を出版し、Progress in Materials Science、Materials Science Engineering R: Reports、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Applied Catalysis B: Environmental、Acta Materialia、Additive Manufacturing、Composites B: Engineering、Corrosion Science などの国際的に著名な学術誌に 320 本以上の論文を発表しました。論文は 19,000 回以上引用され、H 指数は 76 です (Google Scholar データ)。彼の研究成果の一部は、オーストラリア放送協会（ABC）ニュースチャンネルによる世界規模の生中継インタビュー、オーストラリアのザ・カンバセーションによるインタビュー、中国中央テレビ（CCTV-4）、新華社通信、科技日報などの有名メディアで報道されました。彼は現在、International Journal of Extreme Manufacturing、Advanced Engineering Materials、Acta Metallurgica Sinica など 10 を超える SCI ジャーナルの編集者または編集委員を務めています。

研究グループ紹介:
中国鉱業大学の先進構造・機能材料力学研究グループには現在、教授 3 名、准教授 1 名、講師 2 名、修士課程および博士課程の学生が 20 名以上在籍しています。主な研究は、準安定金属材料の機械的、物理的、化学的特性、3D プリント、深地下空間開発のための主要材料に関するものです。研究チームは、Add. Manuf.、Corros. Sci.、Mater. Des.などの重要な学術誌に100本以上のSCI論文を発表し、20件近くの発明特許を取得しています。国家重点研究開発計画プロジェクト、中国国家自然科学基金一般プロジェクト、973プログラムサブプロジェクト、中国国家自然科学基金重点プロジェクトなど20件以上のプロジェクトを実施しており、研究資金は1,000万人民元を超えています。研究グループとそのプラットフォームには、高真空アーク溶解炉、高真空誘導溶解/急速冷却装置、高真空吸引鋳造装置、真空熱処理炉、真空縦/横磁場熱処理炉、金属3Dプリンターなどのサンプル準備装置、高温示差走査熱量計、AC/DCヒステリシスループ測定装置、動的機械分析装置、振動サンプル磁力計、電気化学ワークステーション、万能試験機、微小硬度計、X線回折計、電界放出走査電子顕微鏡、高解像度透過型電子顕微鏡などの性能試験および構造特性評価装置など、完全なサンプル準備、試験、特性評価およびシミュレーションコンピューティング設備があります。

研究グループのウェブサイト: https://amsmlab.cumt.edu.cn/index.htm

この記事を引用する
HS Liu、DF Yang、Q Jiang、YY Jiang、WM Yang、L. Liu、LC Zhang、「金属ガラスおよび高エントロピー合金の付加製造：意義、未解決の問題、および将来の方向性」、J. Mater. Sci. Technol. 140 (2023) 79–120。

中国鉱業大学「JMST」レビュー：金属ガラスと高エントロピー合金の付加製造

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