研究者がレーザー指向性エネルギー蒸着 3D プリンティングを使用して、持続可能な新しいクラスのチタン合金を開発

Dec 02, 2023

RMIT大学とシドニー大学の研究者は、強力で延性があり、調整可能で持続可能な新しいクラスのチタン合金を開発しました。 この研究は、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 Hexagon 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実施されました。

チタン合金は非常に有用な材料であり、その強度、軽量さ、腐食や高温に対する耐性が高く評価されています。 しかし、伝統的に製造されたチタン合金は製造コストが高くつきます。

この新しい研究は、航空宇宙、生物医学、化学工学、宇宙、エネルギー用途に使用できる、持続可能で安価な新しい種類の高性能チタン合金の可能性を提供すると言われています。 チームは合金と 3D プリンティングのプロセス設計を統合して、レーザー指向性エネルギー蒸着 (L-DED) を使用して金属粉末から 3D プリントされた新しいチタン合金を開発しました。

RMITの主任研究員Ma Qian教授によると、研究チームは循環経済を設計に組み込んだという。 これらの新しい合金は、バナジウムやアルミニウムなどの高価な添加剤を必要とせず、廃棄物や低品位材料から製造できます。 代わりに、安価で豊富な酸素と鉄が使用されます。

「廃棄物や低品質の材料を再利用すると、経済的価値が高まり、チタン産業の高炭素排出量を削減できる可能性があります」と Qian 氏はコメントしました。

筆頭著者であるRMITのTingting Song博士は、チームは「ここでの新しいコンセプトの実証から産業応用に向けた大きな旅の始まりにいる」と主張した。

「興奮する根拠があります。3D プリンティングは、新規合金を製造する根本的に異なる方法を提供し、従来のアプローチに比べて明確な利点を持っています。 産業界には、廃スポンジチタン・酸素・鉄合金、「規格外」のリサイクル高酸素チタン粉末、または当社のアプローチを使用して高酸素スクラップチタンから作られたチタン粉末を再利用する潜在的な機会がある」とソン氏は付け加えた。

「積層造形による強くて延性のあるチタン・酸素・鉄合金」と題する研究チームの研究論文が、雑誌『Nature』に掲載された。

新しい 3D プリントチタン合金の開発

研究チームの合金は、Ti-6Al-4V と呼ばれる、アルファチタン相とベータチタン相という 2 つの形態のチタン結晶の混合物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。

最も一般的なチタン合金である Ti-6Al-4V は、伝統的に 6% のアルミニウムと 4% のバナジウムを使用して製造されており、チタン市場全体の 50% 以上を占めています。 この新しい研究では、アルミニウムとチタンを酸素と鉄に置き換えます。 これらの元素は、容易に入手でき、安価であることに加えて、アルファチタン相およびベータチタン相の最も強力な安定剤および強化剤の 2 つです。

従来、高レベルのチタンと酸素を組み込んだチタン合金は、その開発と採用を妨げる課題に直面してきました。

「1つの課題は、口語的に『チタンに対するクリプトナイト』と表現される酸素がチタンを脆くする可能性があること、もう1つは鉄を添加するとベータチタンの大きなパッチの形で重大な欠陥が生じる可能性があることです」とQian氏は述べた。

L-DED 3D プリンティングは、大型で複雑な部品の製造に一般的に使用されるプロセスであり、研究者らはこれらの課題を克服することができました。

L-DED を使用することで、チームは合金の機械的特性を調整することができました。 科学者らは、酸素と鉄原子の分布を注意深く制御しながら、合金内にナノスケールサイズのチタン結晶を生成した。 これにより、合金の特定の部分は強くなり、他の部分は延性になり、張力下でも材料が脆くなりません。

Hexagon の Simufact Welding プログラムの DED モジュールを使用して、チームはこれらの一連の構成を 3D プリントしてテストしました。 テストの後、研究者らは、彼らの合金が他の市販のチタン合金の延性と強度に匹敵する可能性があることを発見しました。