日本の研究者たちは、 名古屋大学 は、自動車および航空宇宙用途をターゲットに、金属 3D プリンティングを使用して高強度と耐熱性を最適化した新しいアルミニウム合金シリーズを開発しました。
アルミニウムは軽量で強度に優れていますが、通常、高温になると強度が低下するため、エンジン、タービン、その他の熱を必要とする部品への使用は制限されます。新しい合金には、低コストで豊富な元素が組み込まれており、リサイクルしやすいように設計されています。 1 つのバリエーションは、300°C で強度と柔軟性の両方を維持します。
「デザインは鉄を中心にしていますが、冶金学者は通常、金属を脆く腐食しやすくするため、アルミニウムに鉄を加えません」と筆頭著者で名古屋大学大学院工学研究科教授の高田直樹氏は説明する。
このプロジェクトの主任研究員である名古屋大学の高田直樹氏（左）と、主任著者で愛知県産業科学技術センターの部門長である加藤正樹氏。写真提供：名古屋大学
3D プリントでアルミニウムのデザインを再定義する
研究チームは、溶融金属が数秒以内に凝固するレーザー粉末床融合を活用しました。 「急速冷却により、鉄やその他の元素が通常の製造条件では形成できない配置（準安定相の形成）に閉じ込められます」と高田氏は述べた。追加元素を慎重に選択することにより、研究者らは耐熱性と強度を兼ね備えた合金を作成しました。
研究チームは体系的な方法を用いて、どの元素がアルミニウムマトリックスを強化し、マイクロスケールおよびナノスケールの保護構造を形成するかを予測した。最も成功した合金である Al-Fe-Mn-Ti は、アルミニウム、鉄、マンガン、チタンで構成されており、高温強度と室温での柔軟性を実現し、他の 3D プリント アルミニウム材料よりも優れた性能を発揮します。
「私たちの方法は、3Dプリントにおける急速凝固中に元素がどのように挙動するかについて確立された科学的原理に基づいており、他の金属にも適用できます。また、この合金は、製造中にひび割れや反りが頻繁に発生する従来の高強度アルミニウムよりも3Dプリントが容易であることも証明されました」と高田氏は述べた。
3D プリント後のアルミニウム合金の顕微鏡写真。行 1: 金属がどのように溶けて層状に固まるのか。行 2: 強度に影響を与える内部粒子構造。行 3: 金属の強度を高めるのに役立つ金属内部の小さな粒子。行 4: 応力下での材料の挙動に影響を与えるエッジの同様の粒子。画像は名古屋大学経由。
用途: 軽量車両および耐熱航空宇宙部品
研究者らは、この新しい合金により、コンプレッサーローターやタービン部品など、高温で動作する自動車および航空宇宙システムの軽量アルミニウム部品が可能になる可能性があると述べた。車両の軽量化は燃料効率の向上と排出ガスの削減から恩恵を受けますが、航空機エンジンには軽量さと耐熱性のバランスをとった材料が必要です。
この研究は、特定のコンポーネントを超えて、3D プリンティングに合わせた金属を設計するためのフレームワークを提供し、複数の業界にわたる材料開発を加速する可能性があります。
新しいアルミニウム合金の 3D プリントに使用される微細な金属粉末。写真提供：名古屋大学
アルミニウム積層造形の進歩
この開発は、業界全体で材料性能を向上させることを目的としたアルミニウム積層造形の幅広いトレンドを反映しています。
9月、米国エネルギー省国立科学研究所 オークリッジ国立研究所 (ORNL) は、高温の自動車部品に使用する新しいアルミニウム合金である DuAlumin-3D をテストし、積層造形における潜在的な用途を示しました。研究では、DuAlumin-3D が同等の熱特性を維持しながら、レーザー粉体層溶融中に亀裂が発生しやすい一部の従来のアルミニウム合金よりも優れた性能を発揮することが示されました。軽量化や燃費向上への効果が期待されます。
他の場所では、 アルミニウム材料技術 (AMT) とも協力しました。 バーミンガム大学 3D プリントされたアルミニウム合金の冶金学を調査するため、 A20X。このパートナーシップは、レーザー粉末床融合 (LPBF) および直接エネルギー堆積 (DED) 技術に焦点を当て、組成変化、熱処理、および積層造形プロセスのパラメーターを調査しました。等方性特性で知られる A20X は、航空宇宙やモータースポーツで広く使用されている高強度アルミニウム銅合金です。
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注目の画像は、プロジェクトの主任研究員である名古屋大学の高田直樹氏（左）と、主任著者で愛知県産業科学技術センターの部門長である加藤正樹氏です。写真提供：名古屋大学
#名古屋大学耐熱性リサイクル可能なアルミニウム合金を開発