ロシアの科学者が3Dプリントで新しい青銅鋼合金を開発

出典: 積層造形技術フロンティア

2023年1月13日、アンタークティックベアは、ロシアのスコルテク（スコルコボ科学技術研究所）の科学者が最近、3Dプリント技術を使用して作られた青銅鋼合金を発表したことを知りました。この新しい合金は青銅と鋼のユニークな特性を兼ね備えており、鋼の極端な温度に耐える能力と青銅の熱伝導率の恩恵を受け、新しい材料は航空機やロケットエンジンの燃焼室の製造に使用できます。

この研究は、「レーザー蒸着サンドイッチ構造とFe-Cu系の準均質合金の機械的特性」というタイトルでMaterials & Design誌に掲載されました。研究者らは初めて、直接レーザー堆積法を用いて青銅と鋼の合金を作製した。 Skoltech チームは、いわゆる準均質合金とサンドイッチ構造を得るために、2 つの異なる方法で青銅と鋼を組み合わせました。

△研究者らが作製した準均質青銅鋼合金製の垂直棒。準均質合金とは、2つの材料がサンプル全体で均一に混合されていることを意味します。一方、サンドイッチ構造は、厚さ0.25mmの青銅と鋼の層が交互に並んだものです。レーザーエネルギー堆積装置は、青銅粉末と鋼粉末を同時に供給するか、交互に堆積させることにより、2 つの材料または構造を製造します。スチール粉は316Lステンレス鋼で作られており、ブロンズ粉はアルミニウムブロンズ、スズブロンズ、クロムブロンズに分けられます。研究者らは、銅と鋼の均質合金（50:50と75:25の2つの組成）と、異なる銅合金で構成されたサンドイッチ構造について8セットの実験を行った。

研究では、2つの材料が欠陥を形成せずにうまく融合したことが確認されました。チームは試験片を3Dプリントし、その形状、化学組成、微細構造を調べました。研究者らは、「問題が発生すると、サンプルの形状が大きく変形したり、3Dプリントの過程で割れたりすることがあります。これは、使用されている材料が不適切であるか、条件が適切に設定されていないことを意味します」と述べています。この段階では問題が見つからなかったため、研究者らはサンプルのさまざまな部分からサンプルを切り出し、光学顕微鏡と走査型電子顕微鏡を使用して内部の組織構造を研究し始めました。
△ 青銅と鋼の合金における青銅と鋼の交互領域。複合材料の主要な機械的特性を取得するために、広範囲にわたる機械的試験が実施されました。その中で、アルミニウム青銅と鋼を1:1の割合で混合した材料は、引張強度838.6MPa、降伏強度665MPa、ひずみ破断比0.035という最も高い機械的特性を達成しました。これらの材料特性は初めて報告されました。
△ 機械試験用の準均質サンプルこの研究では、3Dプリントによって新しい鋼と青銅の合金を製造できることが確認され、その応用の可能性を探ることができました。今後、研究者らは青銅と鋼鉄の燃焼室をテストする予定だ。鋼鉄はエンジン作動中の燃料燃焼によって発生する高温に耐えられるが、青銅と比較すると熱伝導率が不十分で、エンジン冷却液が効果的に熱を逃がして過熱や損傷を防ぐことができない。 3D プリントの助けを借りて、構造強度を維持しながら急速な熱放散を保証する傾斜材料で作られた燃焼室を製造することが可能です。さらに、研究者らは、超合金製のタービンブレードの製造など、他の金属の組み合わせもテストする予定だ。

3D プリンティングは、新素材の開発において重要な利点があることを改めて証明しました。3D プリンティングで作られた複合材料は、2 つ以上の金属の利点を備えているため、さまざまな国の科学者から広く注目されています。

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