中国と米国が3Dプリント技術を使って世界最強のチタン合金を開発

中国科学院（CAS）はこの成果を材料科学における「大きな進歩」と称賛したとサウス・チャイナ・モーニング・ポストが報じた。この新技術の詳細は2月29日のネイチャー誌に掲載された。

中国科学院金属研究所瀋陽国立材料科学研究所の研究者である張振軍氏と張哲鋒氏は、カリフォルニア大学バークレー校のロバート・リッチー氏と共同でこの研究を行った。

この研究は中国で実施され、サンプル材料もこの国で生産されました。リッチー氏は原稿の審査プロセスに関与した。

3D プリンティング (AM (Additive Manufacturing) とも呼ばれる) は、ソフトウェアで描かれたデザインをシミュレートし、材料の層を互いに重ねて「配置」することで製品を製造する方法です。 3D プリント技術は製造業に革命をもたらしましたが、そのプロセスは依然として高い疲労耐性を必要とする部品の製造に限定されています。

金属 3D プリントは、レーザーを使用して金属粉末を溶かし、短い準備サイクルで特定の複雑な形状に堆積させるため、大型で複雑な材料を迅速に製造するのに最適な技術と考えられています。

しかし、印刷中に強力なレーザービームによって発生する高温により、部品の内部に空気ポケットが形成されることが多く、それが合金の性能に影響を与えます。

これらの微細な空気穴は応力集中点として機能し、ますます広がる亀裂を生じさせ、材料の疲労耐性を低下させます。

この問題を解決するために、研究者たちは気孔のないチタン合金の製造に着手しました。彼らは、チタン・アルミニウム・バナジウム合金である Ti-6Al-4V を使用したプロセスを開発し、現在までにすべてのチタン合金の中で最も高い耐疲労性を実現しました。

理想的には、完璧な条件下で印刷された合金は優れた疲労性能を持つはずだと張振軍氏は言う。この目標を達成するのは、一見すると簡単なように思えるかもしれません。しかし、気孔を除去するために使用される技術は、合金の内部構造を粗くしてしまうことがよくあります。

「気孔やその他の副作用を生じさせずにこの問題に対処することは困難です。 「私たちは、高温で印刷するためのNet-AM処理と呼ばれる新しい技術を開発しました」と彼は語った。

張氏によると、この工程は、空気穴を除去するための高温等温プレスから始まり、合金の内部構造に何らかの変化が生じる前に急速冷却が行われる。このプロセスにより、引張疲労強度が 475 MPa から 978 MPa へと 106% 向上した多孔質合金が製造され、世界記録を達成しました。

「この成果は、航空宇宙や新エネルギー車など、軽量素材を必要とする業界にとって大きな期待が持てる」と張氏は語った。

これまでのところ、この材料はプロトタイプ規模でのみ生産されており、最も薄い部分でも 3mm と、実際の用途のほとんどには小さすぎます。

張氏によれば、この新技術はまだ試験段階にあるものの、実際には大きな応用の見込みがあるという。

「厚い部分では、処理中に熱伝達が制限されます。しかし、この進歩は、より薄く、より複雑なデバイスを作るのに十分だ」と彼は語った。

CASのウェブサイトによると、NASAのロケットノズル、中国のJ-20戦闘機の機体、中国のC919航空機の燃料ノズルなど、多くの航空宇宙部品が3Dプリント技術を使用して製造されている。

将来的に規模を拡大すれば、この技術は広範囲の産業応用に利用できるようになるかもしれません。しかし、この新素材の開発が国際協力を引き付けるかどうかはまだ分からない。

張氏は、チームの成果に加えて、この研究はAM技術に関する新たな研究にも刺激を与えていると語った。

「多孔質の AM 微細構造が極めて高い疲労耐性を持つという考えは、チタン合金だけでなく、他の金属材料システムにも当てはまります。」