超靭性と延性を備えた初の3Dプリント高性能ナノ構造合金

この投稿は Bingdunxiong によって 2022-8-6 11:50 に最後に編集されました

2022 年 8 月 6 日、Antarctic Bear は、科学者グループが、強度と延性が他の最先端の積層造形材料を上回る二相ナノ構造の高エントロピー合金を 3D プリントしたことを知りました。この画期的な進歩により、航空宇宙、医療、エネルギー、輸送の分野での用途向けの高性能部品の開発につながる可能性がある。

△ 研究者らは、二相ナノ構造の高エントロピー合金を3Dプリントすることに成功した。この研究は、マサチューセッツ大学アマースト校とジョージア工科大学の研究者らによって行われた。このプロジェクトを率いるのは、マサチューセッツ大学機械・産業工学科助教授のウェン・チェン氏と、ジョージア工科大学機械工学科教授のティン・チュー氏です。

過去 15 年間で、高エントロピー合金 (HEA) は材料科学における新しいパラダイムとしてますます人気が高まってきました。これらはほぼ等しい割合で 5 つ以上の元素で構成されており、合金設計においてほぼ無制限の数の独自の組み合わせを作成することができます。真鍮、ステンレス鋼、炭素鋼、青銅などの従来の合金には、1 つの主要元素と 1 つ以上の微量元素が含まれています。

△ マサチューセッツ大学アマースト校機械・産業工学科助教授ウェン・チェン氏が、3Dプリントされた高エントロピー合金部品の前に立っています（ラジエーターファンと八角形格子の画像（左）、およびランダム配向、電子反転、散乱回折反転極画像を示すNanoLamera微細構造の断面（右））
3D プリンティングは積層造形とも呼ばれ、材料開発の強力な方法として最近登場しました。レーザーベースの 3D プリントでは、従来の方法では実現できない大きな温度勾配と高い冷却速度を実現できます。しかし、チュー氏は「付加製造とHEAの利点を組み合わせて活用することで、新たな特性を実現する可能性は、まだほとんど活用されていない」と述べた。

マサチューセッツ大学（UMass）のマルチスケール材料および製造研究所のチェン教授と彼のチームは、HEA と最先端の 3D 印刷技術であるレーザー粉末床融合法を組み合わせて、これまでにない特性を持つ新しい材料を開発しました。チェン氏は、このプロセスでは従来の冶金法に比べて材料を非常に速く溶かして固めるため、生成される部品には「平衡からかけ離れた、非常に異なる微細構造が得られる」と語る。この微細構造は網の目のような形をしており、ランダムな方向を持つ微細な共晶クラスターに埋め込まれた面心立方 (FCC) 構造と体心立方 (BCC) 構造のナノスケールの交互層で構成されていると言われています。階層的ナノ構造の HEA により、2 つの相が一緒に変形できるようになります。

△マサチューセッツ大学の学生、ジエ・レンさんが手に持つミニチュア冷却ファンは、ウェン・チェンの研究室で作られた3Dプリント高エントロピー合金部品の一つだ。マサチューセッツ大学（UMass Amherst）とジョージア工科大学（Georgia Tech）の研究によると、微細構造の原子再配置により、超高強度と強化された延性が得られるという。チェン氏は「微細構造のこの珍しい原子再配置により、超高強度と強化された延性が得られます。通常、強い材料は脆くなりがちなので、これは珍しいことです」と述べた。従来の金属鋳造と比較して、「強度はほぼ3倍になり、延性が失われていないだけでなく、実際に延性が向上しました」と彼は述べた。「多くの用途において、強度と延性の組み合わせが鍵となります。私たちの研究結果は、材料科学と工学にとって驚くべきものであり、また刺激的なものです。」

学生であり、論文の筆頭著者でもある Jie Chen 博士は次のように述べています。「将来、強くて延性のある HEA を製造できるようになるということは、これらの 3D プリント材料が加えられた変形に対してより強固に抵抗するようになることを意味します。これは、機械効率とエネルギー節約を向上させる軽量構造の設計にとって重要です。」

△この研究は「付加的に製造された強靭なナノシート高エントロピー合金」というタイトルでネイチャー誌に掲載されました（ポータルに移動するにはここをクリックしてください）
ジョージア工科大学のZhu氏のグループがこの研究の計算モデル化を主導した。彼は、FCC ナノフレークと BCC ナノフレークが果たす機械的役割と、それらが連携して材料の強度と延性を高める仕組みを理解するために、二相結晶塑性の計算モデルを開発しました。

「シミュレーション結果では、BCCナノシートの強度と硬化反応が驚くほど高いことが示されており、これは当社の合金が優れた強度と延性を実現するために極めて重要です」とチュー氏は述べた。「優れた機械的特性を備えたこの3Dプリントは、HEAの将来の開発にとって重要な基盤となります。」

さらに、3D プリントは、幾何学的に複雑でカスタマイズされた部品を作成するために使用できる強力な製造ツールです。将来的には、この技術の独自の利点と HEA の巨大な合金設計空間を活用することで、バイオメディカルや航空宇宙用途の最終用途部品を直接生産する機会が十分に得られます。

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