積層造形用の超高強度アルミニウム合金を製造

July, 8, 2024, West Lafayette--パデュー大学(Purdue University)の材料エンジニアは、塑性変形性により積層造形(AM)に適した超高強度アルミニウム合金を開発するための特許出願中のプロセスを作成した。

Haiyan WangとXinghang Zhangは、遷移金属のコバルト、鉄、ニッケル、チタンをナノスケールの積層変形可能な金属間化合物を介してアルミニウムに導入したチームを率いている。Wang は Basil S. Turner 工学教授であり、Zhang はパデュー大学材料工学部の教授。材料工学の大学院生Anyu Shangを加えてチームが完結した。

「われわれの研究は、不均質な微細構造とナノスケールの中エントロピー金属間化合物を適切に導入することで、積層造形によって超強力で変形可能なアルミニウム合金を設計するための代替ソリューションを提供することを示している。これらの合金は、超高強度または高変形性のいずれかである従来の合金を改良したものだが、両方ではない」とZhangは説明している。

WangとZhangは、このイノベーションをPurdue Innovates Office of Technology Commercializationに開示し、同局は米国特許商標庁に知的財産保護のための特許を申請した。

この研究成果は、査読付き学術誌「Nature Communications」に掲載された。全米科学財団と米国海軍研究局がこの研究を支援した。

従来のアルミニウム合金の欠点
軽量で高強度のアルミニウム合金は、航空宇宙から自動車製造まで、様々な産業で使用されている。

「しかし、市販されている高強度アルミニウム合金のほとんどは、AMには使用できない。高温割れの影響を非常に受けやすく、金属合金の劣化につながる欠陥が発生する」とShangはコメントしている。

アディティブ・マニュファクチャリング(AM)中の高温割れを緩和する従来の方法は、転位の動きを妨げることによってアルミニウム合金を強化する粒子の導入である。

「しかし、これらの合金が達成する最高強度は300〜500メガパスカルの範囲であり、これは鋼が達成できるもの、通常は600〜1,000メガパスカルよりもはるかに低い。塑性変形性が大きく、高強度アルミニウム合金の製造には、あまり成功していない」(Wang)。

Purdue方式とその検証
Purdueの研究者は、コバルト、鉄、ニッケル、チタンなどのいくつかの遷移金属を使用して、金属間強化添加アルミニウム合金を製造した。Shangによると、これらの金属は伝統的にアルミニウム合金の製造においてほとんど避けられてきた。

「これらの金属間化合物は、対称性が低く、室温では脆いことが知られている。しかし、われわれの手法では、遷移金属元素をナノスケールの金属間ラメラのコロニーに形成し、凝集して微細なロゼットを形成する。ナノラミネートされたロゼットは、金属間化合物の脆性を大幅に抑制することができる」(Shang)。

Wangによると、「また、不均質な微細構造には、硬質ナノスケールの金属間化合物と粗粒アルミニウムマトリックスが含まれており、金属材料の加工硬化能力を向上させることができる大きな背部応力を誘発する。レーザを用いた積層造形は、迅速な溶融と急冷を可能にし、ナノスケールの金属間化合物とそのナノ積層体を導入することができる」。

研究チームは、Purdueが作成したアルミニウム合金に対して、マクロスケールの圧縮試験、マイクロピラー圧縮試験、および変形後解析を実施した。

「マクロスケールの試験では、この合金は顕著な塑性変形性と900メガパスカル以上の高強度の組み合わせを明らかにした。マイクロピラー試験では、すべての領域で大きな背部ストレスが示され、特定の領域ではギガパスカルを超える流動応力が見られた。変形後の解析により、アルミニウム合金マトリックスの豊富な転位活動に加えて、単斜晶系Al9Co2型脆性金属間化合物に複雑な転位構造と積層欠陥が形成されることが明らかになった」(Shang)。