スコルテックの研究者は3Dプリントを使用して、優れた二金属特性を備えた新しい青銅鋼合金を開発しました。

2023年1月18日、アンタークティックベアは、スコルコボ科学技術研究所（Skoltech）の研究者グループが、積層造形技術を使用して新しい青銅鋼合金を開発したと発表したことを知りました。研究者らは市場で初めて、直接レーザー堆積法（LMD）を使用して、2 種類の異なる金属材料でできた部品を製造しました。
△ 二金属材料の内部組織このプロジェクトの詳細情報は、Konstantin I. Makarenkoa、Stepan D. Konevらが執筆し、Materials & Design誌に掲載された「レーザー堆積サンドイッチ構造およびFe-Cu系の準均質合金の機械的特性」と題する論文に記載されています。

関連論文リンク: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0264127522009352?via%3Dihub
合金の製造には 2 つの技術が使用されています。1 つは、層を堆積する前に 2 つの金属の混合物を準備する方法、もう 1 つは、青銅の層と鋼の層を交互に堆積する方法です。研究者らによると、この研究は航空宇宙産業、特に航空機やロケットの燃焼室の製造に影響を及ぼす可能性があるという。
2 つの材料を組み合わせてそれぞれの特性を活用することは珍しいことではありません。たとえば、複合 3D プリントはこのようにして急速に発展しています。この特定のケースでは、補完的な機能があるため、両方が選択されました。青銅は耐腐食性、優れた電気伝導性、高い耐摩耗性で知られています。一方、鋼は破損や衝撃、電気的変形に強く、硬度も高いです。このプロジェクトは、材料科学ではこれまで知られていなかった青銅と鋼の合金を作成した初めてのプロジェクトでした。これらはすべて積層造形技術のおかげです。
△新しい青銅鋼合金の機械的特性をテストするために使用された3Dプリント部品（写真提供：コンスタンチン・マカレンコ/スコルテック）
具体的には、研究者らは直接レーザー堆積法（指向性エネルギー堆積法と同様の仕組み）を使用して、ターゲット合金を開発しました。まず、2 つの材料を均一に混合してほぼ均質な合金を作成し、次にこの合金をテスト部品に加工して機械的特性をテストする必要がありました。もう 1 つの技術は、それぞれ 0.25 mm の厚さの青銅と鋼の層で構成された「サンドイッチ」のような部品を印刷することです。研究者らは、鋼鉄の含有量を一定に保ちながら、青銅の含有量を毎回25％から50％まで変えたと説明している。
スコルテックのイゴール・シシュコフスキー教授は次のように説明しています。「3D プリントは、2 つの異なる材料の特性を同時に組み合わせた複合材料を作成できるため、複合部品の製造に大きな可能性を秘めています。たとえば、鋼鉄はエンジン内で燃料が燃焼して発生する高温に耐えることができます。これは素晴らしいことですが、青銅と比較すると鋼鉄の熱伝導率は平凡なため、エンジン冷却剤は鋼鉄から熱を効果的に逃がして過熱や損傷を防ぐことができません。3D プリントを使用することで、両方の材料の特性を組み合わせた燃焼室を作成できます。つまり、温度制御を向上させるシームレスな青銅の内部と、構造固定のための鋼鉄の外部です。」
△準均質な青銅と鋼の混合物を使用した 3D プリント部品 (写真提供: Konstantin Makarenko/Skoltech)
最終的に、研究の結果、材料はうまく混ざり合い、異常は見られなかったことが判明した。その後、研究者らは光学顕微鏡と走査型電子顕微鏡を使用して一連のテストを実施し、新しい合金の構造と機械的特性を研究した。 Skoltech Materialsの博士課程4年生であるコンスタンチン・マカレンコ氏は、次のように結論付けています。「鋼と青銅を直接レーザー堆積法で3Dプリントと互換性のある合金に組み合わせることができることを確認し、この新素材の機械的特性を知ったので、その可能な用途を探求することができます。今後は、Skoltechで鋼青銅燃焼室を製造してテストしたいと考えていますが、それを超えて、他の金属の組み合わせを使用した他のプロジェクトも可能です。次のステップは、強化耐熱合金で作られたタービンブレードと青銅で作られた冷却チャネルを製造することです。溶接やその他の接合なしで、2つの異なる素材の利点を1つのシームレスな製品に組み合わせることがすべてです。」

スコルテックの研究者は3Dプリントを使用して、優れた二金属特性を備えた新しい青銅鋼合金を開発しました。

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