チームは 3D プリントを使用して航空宇宙、エネルギーの主要材料を強化

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航空宇宙およびエネルギー生成における多くの重要な用途の鍵となる材料は、高温や引張応力などの極端な条件に破損することなく耐えることができなければなりません。 今回、MIT主導のエンジニアのチームが、そのような用途で現在使用されている主要な材料の1つを強化するための簡単で安価な方法を報告しています。

さらに、研究チームは、セラミックナノワイヤーで強化された金属粉末の3Dプリンティングを含む一般的なアプローチは、他の多くの材料を改良するために使用できると信じている。 「極限環境向けに、より高性能な材料の開発に対する大きなニーズが常に存在します。私たちは、この方法が将来他の材料にも大きな可能性を秘めていると信じています」と、バテル・エネルギー・アライアンスの原子力工学教授であり、原子力工学の教授であるJu Li氏は述べています。 MIT の材料科学工学部 (DMSE)。

リー氏は材料研究所 (MRL) にも所属しており、Additive Manufacturing 誌の 4 月 5 日号に掲載された研究に関する論文の責任著者 3 人のうちの 1 人です。 他の責任著者は、マサチューセッツ大学アマースト校のウェン・チェン教授とマサチューセッツ工科大学機械工学部の A. ジョン・ハート教授です。

この論文の共同筆頭著者は、MIT 原子力科学工学部 (NSE) のポスドクである Emre Tekoğlu です。 アレクサンダー・D・オブライエン、NSE大学院生。 そしてアマースト大学の Jian Liu 氏。 追加の著者は、DMSE の MIT ポスドクである Baoming Wang です。 イスタンブール工科大学のシナ・カバク氏。 MRLの研究専門家、Yong Zhang氏。 So Yeon Kim、DMSE 大学院生。 Shitong Wang、NSE 大学院生。 とイスタンブール工科大学のドゥイグ・アガオグラリ氏。

より良いパフォーマンスを目指して

チームのアプローチは、人気のある「超合金」、つまり摂氏 700 度 (華氏約 1,300 度) のような極端な条件に耐えることができる金属であるインコネル 718 から始まります。 研究チームは、市販のインコネル 718 粉末に少量のセラミック ナノワイヤを加えて粉砕し、「インコネル粒子の表面にナノセラミックの均一な装飾」が得られると研究チームは書いている。

得られた粉末は、3D プリンティングの一種であるレーザー粉末床融合によって部品を作成するために使用されます。 このプロセスには、粉末の薄い層を印刷することが含まれており、各層は粉末上を移動するレーザーにさらされ、特定のパターンで粉末を溶かします。 次に、別の粉末の層を上に広げ、レーザーを移動させてこのプロセスを繰り返して、新しい層のパターンを溶かし、下の層と結合します。 全体的なプロセスにより、複雑な 3D パーツが作成される場合があります。

研究者らは、新しい粉末を使ってこの方法で作られた部品は、インコネル 718 だけで作られた部品よりも気孔率が大幅に低く、亀裂が少ないことを発見しました。 そしてそれが、部品の大幅な強化につながり、他にも多くの利点をもたらします。 たとえば、延性が高く、伸縮性があり、放射線や高温負荷に対する耐性がはるかに優れています。

さらに、「既存の 3D 印刷機で動作するため、プロセス自体は高価ではありません。当社のパウダーを使用するだけで、はるかに優れたパフォーマンスが得られます」と Li 氏は言います。

この研究には関与していない香港中文大学の助教授、Xu Song氏は次のようにコメントしている。「この論文で、著者らは、[セラミック]ナノワイヤで強化されたインコネル718の金属マトリックス複合材料を印刷するための新しい方法を提案しています。レーザー溶融プロセスによって引き起こされるセラミックのその場溶解により、インコネル 718 の耐熱性と強度が向上しました。さらに、その場強化により粒子サイズが縮小し、欠陥が除去されました。将来の金属合金の 3D プリンティング、高反射銅の修正や超合金の破壊抑制など、この技術から明らかに恩恵を受けることができます。」

巨大な新しい空間

リー氏は、この研究は「合金設計に巨大な新たな余地を開く可能性がある」と述べている。なぜなら、金属合金の極薄3Dプリント層の冷却速度は、従来の溶融凝固プロセスを使用して作成されたバルク部品の冷却速度よりもはるかに速いからである。 その結果、「バルク鋳造に適用される化学組成に関する規則の多くは、この種の 3D プリンティングには適用されないようです。そのため、セラミックを添加したベースメタルについて、より広い組成範囲を探索できるようになりました。」

アディティブ マニュファクチャリング論文の主著者の 1 人であるエムレ テコール氏は、「この構成は私たちが最初に決定した構成の 1 つでした。そのため、これらの結果を実際に得ることができて非常に興奮しました。まだ広大な探索スペースが残っています。私たちは、より過酷な環境に耐えることができる材料を最終的に実現するために、新しいインコネル複合配合物の研究を続けていきます。」

もう一人の筆頭著者であるアレクサンダー・オブライエン氏は、「3D プリンティングによる精度と拡張性により、材料設計の新たな可能性の世界が開かれました。ここでの私たちの結果は、確実に大きな変化をもたらすプロセスにおけるエキサイティングな初期段階です」と述べています。将来の原子力、航空宇宙、あらゆるエネルギー生成の設計に影響を及ぼします。」

この研究は、MIT エネルギー イニシアチブ、国立科学財団、ARPA-E を通じて Eni SpA によって支援されました。

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