科学者たちは、3Dプリント技術をチタン合金に適用することで新たな進歩を達成し、材料の強度を2倍にし、航空宇宙における潜在的な用途を拡大しました。
この新しいチタン合金は、記録破りの疲労強度を誇ります。写真： iStock
中国科学院（CAS）は、2月28日付のNature誌に掲載された論文で、この成果の詳細を明らかにした。この研究は、CAS材料研究所瀋陽材料科学研究所の張振軍氏と張哲鋒氏の両氏と、カリフォルニア大学バークレー校のロバート・リッチー氏との共同研究によるものである。論文によると、この研究のアイデアは中国で生まれ、材料サンプルも中国で作成された。リッチー氏はプロセスの評価に携わった。
3Dプリンティングは製造業に革命をもたらしましたが、高い耐疲労性が求められる部品の製造においては、その利用はごく限られています。疲労強度、つまり耐疲労性とは、機械部品がギアのピッチングや表面割れなどの疲労破壊に耐える能力のことです。
レーザーを用いて金属粉末を溶融し、短時間で複雑な形状に積層する3D金属プリントは、大型で複雑な部品を迅速に製造するのに最適な方法です。しかし、プリント工程でよく使用される強力なレーザービームによって発生する高熱は、部品内部に気泡を発生させ、合金の性能に影響を与えます。これらの小さな気孔は圧力中心となり、早期の亀裂発生や材料の疲労寿命の低下につながる可能性があります。
この問題を解決するため、研究チームは多孔質チタン合金の製造を決定しました。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を用いたプロセスを開発し、現在知られているチタン合金の中で最高の疲労耐性を実現しました。張振軍氏によると、このプロセスはまず高温等温プレスで気孔を除去し、その後、合金の内部構造に変化が生じる前に急速冷却を行うというものです。このプロセスにより、多孔質合金の引張疲労強度は通常の475MPaから106%増加し、978MPaとなり、 世界記録を樹立しました。
張振軍氏は、この成果は航空宇宙や新エネルギー車など、軽量材料を必要とする産業における多くの応用に有望であると述べた。現在までにこの新材料は試作品レベルでしか製造されておらず、最薄部が3mmのダンベル状で、実用化には小さすぎる。この技術はまだ実験段階だが、複雑なデバイスの製造に大きな可能性を秘めている。
CASによると、NASAのロケットのノズル、J-20戦闘機のフレーム、中国のC919航空機の燃料ノズルなど、多くの航空部品が3Dプリント技術を用いて製造されている。この新技術は将来的なスケールアップの可能性を秘めており、より幅広い用途に応用されるだろう。
アン・カン（テックタイムズによると）
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