MIT は 3D プリントを使用して、航空宇宙、エネルギー生産用途の主要材料を強化します。

この投稿は Bingdunxiong によって 2023-5-22 13:34 に最後に編集されました

2023年5月22日、アンタークティックベアは、マサチューセッツ工科大学（MIT）のチームが、航空宇宙およびエネルギー生産の分野における主要材料の性能を向上させるシンプルで安価な方法を開発したと主張していることを知りました。

△MITは3Dプリント技術を使用して、航空宇宙および新エネルギーの主要材料のシンプルで手頃な強化方法を開発しています。これらの主要材料は航空宇宙およびエネルギー生産で重要な役割を果たしており、極端な条件下でも破損することなく高温と引張応力に耐える必要があります。研究チームは、3Dプリント技術を使用して複雑なマルチマテリアル構造を構築することで、これらの材料の性能を高める「ラティスアセンブリ」と呼ばれる新しい方法を提案しました。

「極限環境に適した材料の開発が常に急務となっています」と、バテルエネルギーアライアンス原子力工学教授であり、MIT材料科学工学部（DMSE）の教授でもあるジュ・リー氏は言う。「このアプローチは将来、他の材料にも大きな可能性を秘めていると考えています。」

△ マサチューセッツ大学アマースト校のジャン・リウ氏、マサチューセッツ工科大学のエムレ・テコグル氏とアレクサンダー・オブライエン氏（左から）
これらの主要材料の性能を向上させる

航空宇宙やエネルギー生産に使われる主要材料を改良できる特性を実現するために、研究者らは、広く使われている金属で、高温や腐食に耐性のある「超合金」であるインコネル 718 を選択した。

この研究では、研究チームは革新的な方法を用いて、セラミックナノワイヤを使用して市販のインコネル 718 粉末を処理しました。少量のセラミックナノワイヤを金属粉末と混合して粉砕することで、ナノセラミックをインコネル粒子の表面に均一に分散させることができます。このナノセラミック装飾により、材料の強化がさらに進み、高温や引張応力の影響に対する耐性が向上します。

次に、研究チームは処理した粉末をレーザー粉末床溶融結合3Dプリントに使用して部品を製造しました。このプロセスでは、薄い層の粉末を次々に印刷し、レーザーを使用して各層の粉末を溶かして目的の形状にします。次に、別の粉末層を上に置いてこのプロセスを繰り返し、レーザーを動かして新しい層を溶かし、下の層に結合します。この層ごとに積み重ねる方法により、プロセス全体で複雑な 3D 部品を製造できます。

このレーザー粉末床融合技術は柔軟性が高く、複雑な形状や内部構造を印刷できます。特定の性能要件を持つ部品を製造するための新たな可能性が開かれます。研究チームは、インコネル 718 粉末にセラミックナノワイヤを導入することで、印刷部品の性能と耐久性をさらに向上させることができました。

△研究チームは、このインサイチュー沈殿形成法は、ますます過酷になるエネルギーおよび推進環境で使用できる付加製造における高温材料を強化するためのシンプルで効果的な方法であると指摘した。研究者らは、この新しい粉末で作られた部品は、インコネル718のみで作られた部品よりも多孔性と亀裂が少ないことを発見した。これは、新しい粉末で作られた部品が、他の多くの利点の中でも特に強度が高くなることを意味します。たとえば、これらの部品は延性（または伸縮性）が優れており、放射線や高温負荷に対する耐性が高くなります。

この新しい製造プロセス自体は、既存の 3D プリンターに適応できるため、それほど高価ではないことも特筆に値します。新しい粉末材料を使用するだけで、より良い性能が得られます。李教授は、この新しい方法により、材料を強化するためのコストが削減され、実現可能になると指摘した。

香港中文大学の徐松助教授は、この研究についてコメントした。同氏は、この論文で研究者らがセラミックナノワイヤを使用してインコネル718金属マトリックス複合材料を印刷する新しい方法を提案したと指摘した。インコネル 718 の耐熱性と強度は、レーザー溶融プロセス中にセラミックをその場で溶解することで向上します。さらに、その場での強化により、粒径を小さくし、欠陥を排除することができます。

△この論文は、4月5日にAdditive Manufacturing誌に「ナノ炭化物とケイ化物のその場形成により積層造形用に強化されたインコネル718」と題して掲載されました。
探索できる広大な空間

李教授は、この研究が合金設計の新たな領域を開拓するものだと指摘した。 3D プリントされた超薄金属合金層の冷却速度が速いため、従来の溶融凝固プロセスを使用して製造されたバルク部品と比較すると、バルク鋳造に適用される多くの化学組成ルールは 3D プリントには適用されないようです。したがって、セラミックに卑金属を添加する場合は、より広範な組成を検討する必要があります。

「これらの組成は私たちが最初に選択したものなので、これらの結果は私たちにとって非常にエキサイティングです」と、主執筆者の一人であるエムレ・テコグル博士は述べています。「私たちは、さらに過酷な環境に耐えられる材料を最終的に開発するために、新しいインコネル複合材料の配合を探求し、研究し続ける余地がたくさんあります。」

「3Dプリントによって可能になった精度と拡張性は、材料設計にまったく新しい可能性を切り開きます」と、もう一人の主執筆者であるアレクサンダー・オブライエン氏は述べた。「私たちの結果は、プロセスの初期段階における刺激的なものであり、原子力、航空宇宙、エネルギー生産などの分野における将来の材料設計に大きな影響を与えると信じています。」

研究チームは、この方法により他の多くの材料の性能も向上できる可能性があると述べている。このプロジェクトは、Eni SpA、国立科学財団、ARPA-E からも支援を受けました。

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