3Dプリント技術で作られた世界一硬いチタン合金

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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成果を達成し、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た。

新しいチタン合金は記録的な疲労強度を実現。写真：iStock — 新しいチタン合金は記録的な疲労強度を実現。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。リッチー氏は審査プロセスに参加した。

3Dプリンティングは製造業に革命をもたらしましたが、その用途は高い耐疲労性が求められる部品の製造に限られています。疲労強度または耐疲労性とは、機械部品がギアピッチングや表面割れなどの疲労損傷に耐える能力のことです。

金属3Dプリントは、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技術であり、大型で複雑な部品を迅速に製造するのに最適です。しかし、プリント時に通常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、部品内に気泡を発生させ、合金の性能に影響を及ぼす可能性があります。これらの小さな気泡は応力源となり、早期の亀裂発生につながり、材料の疲労寿命を低下させる可能性があります。

この問題を解決するため、研究チームは気孔のない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を用いて、既知のチタン合金の中で最高の疲労強度を達成するプロセスを開発しました。張振軍氏によると、このプロセスは、気孔を除去するための高温等温プレス工程から始まり、その後、合金の内部構造に変化が生じる前に急速冷却が行われます。このプロセスにより、引張疲労強度が標準の475MPaから978MPaへと106%向上した多孔質合金が実現し、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への応用に有望だと述べた。現時点では、この材料は試作品レベルでしか製造されておらず、ダンベル型で最薄部の厚さは3mmと小さく、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プリント技術を用いて製造されている。将来的には規模拡大も可能であり、この新技術はより広範囲に応用されるだろう。