RMITとシドニー大学の研究者は、香港理工大学およびスウェーデンのソフトウェア開発会社ヘキサゴン社のマニュファクチャリングインテリジェンス部門と協力して、新しいチタン合金材料の開発に成功した。 この研究成果は、複数の分野でのチタン合金応用の新たな可能性を切り開き、より持続可能な製造方法の実現に有益な示唆をもたらします。
△レーザー指向性エネルギー蒸着法により印刷されたチタン合金の微細構造の模式図 3D
新しい 3D プリントされたチタン合金は何をするのでしょうか?
このチタン合金は強く、展性があり、調整可能で持続可能です。 従来のチタン合金の製造コストは高価でしたが、この研究は、航空宇宙、生物医学、化学工学、宇宙・エネルギーなどの分野で応用できる新しい高性能チタン合金の可能性をもたらします。
研究チームは、合金と 3D 印刷プロセス設計を組み合わせて、レーザー指向性エネルギー蒸着 (L-DED) 技術を使用して金属粉末からこの新しいチタン合金を 3D 印刷しました。 この革新的な製造プロセスにより、チタン合金の生産がより持続可能で手頃な価格になりました。
△ティンティン・ソン（左）と馬乾（右）
主任研究員であるRMIT大学のMa Qian教授は、循環経済の概念を設計に組み込んだと述べた。 この新しい合金は、バナジウムやアルミニウムなどの高価な添加剤を使用せず、安価で豊富な酸素と鉄を使用して、スクラップや低品位の材料を使用して製造できます。
「廃棄物や低品質材料の再利用には、経済的価値を付加し、チタン産業の高炭素排出量を削減する可能性があります」とQian教授は説明した。
この研究の筆頭著者は、RMITの博士課程学生であるTingting Song氏です。 彼女は、チームは新しいコンセプトの検証から産業応用の実現までの重要な段階にあると述べた。
Song 氏はさらに、「3D プリンティングが、従来の方法に比べて明らかな利点を持つ、まったく異なる新しい合金の製造方法を提供することに興奮する理由があります。産業界が私たちの方法を活用する潜在的な機会があります。」と付け加えました。 廃棄フェロチタンスポンジ、「規格外」リサイクル高酸素チタン粉末、または高酸素廃棄チタンから作られたチタン粉末の再利用。」
△研究論文は雑誌「Nature」に掲載されました。研究タイトルは「3Dプリンティング製造による強くて丈夫な鉄チタン酸化物合金の実現」です。
新しい合金開発における課題
研究チームの合金は、Ti-6Al-4V として知られる、アルファチタン相とベータチタン相の混合物である 2 つの形態のチタン結晶で構成されています。 それぞれの形は原子の特定の配置に対応します。
Ti-6Al-4V は最も一般的なチタン合金で、従来の製造方法では 6% のアルミニウムと 4% のバナジウムを使用しており、チタン合金市場の 50% 以上を占めています。 新しい研究では、アルミニウムとバナジウムの代わりに酸素と鉄が使用されました。 これらの元素は容易に入手でき、比較的低コストであることに加えて、チタン相とチタン相の 2 つの最も効果的な安定剤および強化剤です。
従来、高レベルのチタンと酸素を含むチタン合金は、開発と採用の課題に直面していました。
Qian氏は、「一つの課題は、口語的に『チタンのクリプトナイト』と表現される酸素がチタンを脆化させることである。もう一つの課題は、鉄の添加により、チタン相の大きなシートの形態に重大な欠陥が生じる可能性があることである。」とコメントした。
△研究チームは、レーザー指向性エネルギー蒸着（L-DED）技術により、新合金のα相界面に原子レベルの微細構造を3Dプリンティングすることに成功した。
L-DED 3D プリンティング技術を使用することで、研究者は課題をうまく克服できるようになります
L-DED 3D プリンティングは、大型で複雑な部品の作成によく使用され、科学者は合金の機械的特性を調整できます。 彼らは、酸素と鉄原子の分布を正確に制御して、合金中にナノスケールのチタン結晶を作成することに成功した。 これにより、合金の特定の領域が非常に強くなり、他の領域は延性になり、応力がかかっても材料が脆くなりません。
チームは、Hexagon の Simufact Welding ソフトウェアの DED モジュールを使用して、このような一連のコンポーネントを 3D プリントしてテストしました。 テストの後、研究者らは、その合金が延性と強度において他の市販のチタン合金に匹敵することを発見しました。
シドニー大学の共同主任研究員であるサイモン・リンガー教授は次のように説明しました。「重要な要因は、アルファチタン相とベータチタン相の間および内部の酸素と鉄原子の独特な分布です。強い酸素濃度を含む高レベルの酸素勾配が、 -酸素領域と延性のある低酸素領域により、局所的な原子結合を制御できるため、脆性の問題が軽減されます。
