新しい熱処理プロセスにより、極限条件下での金属 3D プリント部品の靭性と硬度が向上

南極クマの紹介:金属 3D プリント部品は通常、製造後に熱処理プロセスを経る必要があります。特に航空宇宙や軍事分野では、部品の性能に対して非常に厳しい要件が課せられます。製造プロセス中に形成される内部応力を軽減し、コンポーネントの形態を変化させます。この微細構造の変化により、靭性、硬度などの特定の特性も変化します。

△金属3Dプリント製造工程の概略図
2022年11月14日、Antarctic Bearは、MITが金属3Dプリントの微細構造を変え、極端な熱環境でも材料をより強く、より弾力性のあるものにできる新しい熱処理方法を開発したことを知りました。この技術により、発電用ガスタービンやジェットエンジン用の高性能ブレードを3Dプリントすることが可能になる可能性がある。同時に、新しい設計技術を促進することができ、より高いエネルギー変換効率も達成できるようになります。

△シーメンスはレーザー粉末床溶融結合（L-PBF）技術を使用してタービンブレードの修理とアップグレードを行っている
技術的背景<br /> 今日のガスタービンブレードは、溶融金属を複雑な鋳型に注ぎ、方向性凝固させる従来の鋳造プロセスを使用して製造されています。これらの部品は、非常に高温のガス中で高速回転し、運動エネルギーを利用して発電所の電力を生成したり、ジェットエンジンに推進力を提供したりするように設計されているため、地球上で最も耐熱性の高い金属合金から作られています。

タービンブレードの製造における 3D プリンティングへの関心が高まっています。環境面とコスト面での利点に加え、製造業者はより複雑でエネルギー効率の高いブレードを迅速に製造できるようになる可能性があります。しかし、タービンブレードの 3D プリントは、常にクリープという克服できない大きな障害に直面してきました。

「実際には、これはガスタービンの寿命が短くなるか、燃料効率が低下することを意味する」と、MITの航空宇宙工学のボーイングキャリア開発教授、ザカリー・コルデロ氏は述べた。

コルデロ氏と彼の同僚は、印刷された材料の細かい粒子をより大きな「柱状」粒子に変換する追加の熱処理ステップを追加することで、3D 印刷された合金の構造を改善する方法を発見しました。この「柱状」粒子は、最大応力の軸と一直線に並ぶため、材料のクリープの可能性を最小限に抑える、より強力な微細構造です。研究者らは、この方法がガスタービンブレードの産業用3Dプリントへの道を開くと述べている。

「近い将来、ガスタービンメーカーが大規模な3Dプリント工場でブレードをプリントし、当社の熱処理技術を使って後処理するようになると考えています」とコルデロ氏は言う。「3Dプリントによって新しい冷却構造が可能になり、タービンの熱効率が向上するという利点があります。これにより、同じ量の電力を生成しながら燃料消費量を減らすことができ、最終的にはCO2排出量も削減できます。」

△MITは、新しい熱処理により、3Dプリントされた金属が極限の条件に耐えられることを発見した
微細構造の変化を誘発する<br /> チームの新たなアプローチは方向性再結晶化の一種であり、材料を高温ゾーンに正確に制御された速度で通過させ、材料の多数の微細粒子を融合して、より大きく、より強く、より均一な結晶にする熱処理である。

方向性再結晶の技術は 80 年以上前に発明され、変形された材料に適用されてきました。新しい研究では、研究チームはニッケルベースの超合金を3Dプリントする際に方向性再結晶法を使用しました。研究者らは、棒状の高温合金の3Dプリントサンプルを誘導コイルの真下の室温の水槽に置いた。研究者たちは各棒をゆっくりと水から引き上げ、異なる速度でコイルに通して、棒を1,200～1,245℃まで大幅に加熱した。

研究者たちは、棒を特定の速度（毎時2.5ミリメートル）で特定の温度（摂氏1,235度）まで引くと、急激な熱勾配が生じ、印刷された材料の微細な微細構造の変化が引き起こされることを発見した。

「この材料は、スパゲッティの切れ端のように、転位と呼ばれる欠陥のある小さな粒子から始まります」とコルデロ氏は説明する。「材料を加熱すると、これらの欠陥は消えて再構成され、粒子は成長できるようになります。欠陥のある材料と小さな粒子を消費することで、粒子を長くし続けることができます。このプロセスは再結晶化と呼ばれます。」

△タービンエンジンと中空ブレードの構造図
研究成果<br /> 熱処理された棒を冷却した後、研究者らは光学顕微鏡と電子顕微鏡を使用してその微細構造を調べたところ、印刷された材料の微細な粒子が「柱状」粒子、つまり元の粒子よりもはるかに大きい長い結晶のような領域に置き換わっていることを発見した。

主執筆者のドミニク・ピーチー氏は次のように述べた。「私たちはその構造を根本的に変えました。粒子サイズを数桁大きくすることで、多数の柱状粒子が形成され、理論的にはクリープ特性が大幅に改善されることを示すことができました。」

研究チームはまた、棒状サンプルの引き上げ速度と温度を制御して材料の成長粒子を調整し、特定の粒子サイズと配向の領域を作成できることも示した。「このレベルの制御により、メーカーは特定の動作条件に合わせて調整された場所固有の微細構造を持つタービンブレードを印刷できるようになります」とコルデロ氏は語った。

コルデロ氏は、タービンブレードにもっと似た3Dプリント形状の熱処理をテストする予定だ。研究チームはまた、伸張速度を速める方法や、熱処理された構造物のクリープ耐性のテストも行っています。その後、彼らは熱処理のアプローチを 3D プリントの実際のアプリケーションに実装し、より複雑な形状とパターンを持つ工業グレードのタービンブレードを製造しました。

研究チームは、この研究は米国海軍研究局の支援を受けて行われたと述べた。

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