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チタン合金の工業生産は、常に品質と廃棄物管理に関連する課題に悩まされてきました。 香港理工大学 (PolyU) の工学科学者は、RMIT 大学およびシドニー大学と協力し、3D プリンティングとしても知られる積層造形を利用して、チタン合金製造におけるこれらの長年の問題を解決することに成功しました。 「積層造形による強くて延性のあるチタン・酸素・鉄合金」と題されたこの研究研究は、最近『Nature』誌に掲載された。

チタン合金は、多くの重要な用途において不可欠な役割を果たす先進的な軽量素材です。 研究チームが発見した、チタン合金やその他の金属材料の製造における積層造形の革新的な利用法は、コストの削減、性能の向上、持続可能な廃棄物管理など、数多くの利点をもたらします。

研究チームは、3D プリンティングの利用を通じて、強力で延性があり、持続可能な新しいチタン合金 (α-β Ti-O-Fe 合金) を製造しました。 これらの特性は、α-β 相チタン合金の 2 つの最も強力な安定化元素および強化元素である、安価で豊富な酸素と鉄を組み込むことによって実現されます。 新しいチタン合金は、航空宇宙工学や海洋工学から家庭用電化製品や生物医学機器に至るまで、さまざまな用途に計り知れない可能性を示します。

1954 年の配合以来広く使用されているベンチマーク材料である Ti-6AI-4V と比較して、研究チームが製造した新しいチタン合金は、同等の延性とかなり高い強度を備え、より優れた機械的性能を示しています。

鋳造などの伝統的な製造方法を使用して新しいチタン合金を製造することもできますが、得られる材料の特性が劣るため、実際の工学には適さない可能性があります。 積層造形は、従来の方法の限界を効果的に克服して合金の特性を改善します。

通常、チタン合金の製造に使用されるエネルギー集約型のクロールプロセスでは、全スポンジチタンの約 10% を占めるグレード外のスポンジチタンが生成され、その結果、大量の廃棄物が発生し、製造コストが増加します。 積層造形は、オフグレードのスポンジ チタンのリサイクルを可能にし、廃棄物を原料として使用する粉末に変換することで、この問題に効果的に対処します。

PolyU 産業システム工学部の助教授であり、2022 年の若手革新的研究者賞の受賞者であり、この研究の主著者である Zibin CHEN 博士は、次のように述べています。金属合金製造産業によって発生する廃棄物。これにより、産業の材料コストとエネルギーコストの両方が大幅に削減され、環境の持続可能性と二酸化炭素排出量の削減に貢献します。」

この研究では、合金設計、計算シミュレーション、および実験的特性評価を統合して、新しいチタン合金 (α-β Ti-O-Fe 合金) の積層造形プロセス、微細構造、特性空間を調査します。

この研究では、積層造形により複雑で機能的な金属部品をワンステップで製造できるため、コストを削減しながら製品開発を加速できることが強調されています。 さらに、従来の方法では達成できない、独自の構造と組成を備えた金属部品の製造にも使用できます。

品質向上の観点からは、積層造形により金属合金の微細構造を調整できるため、強度、柔軟性、耐腐食性、耐水性が向上します。 さらに、軽量でありながら複雑な内部模様を有する金属部品の製造も可能です。 この研究の画期的な進歩により、3D プリンティングによって促進される総合的で持続可能な材料設計戦略の可能性が開かれます。

PolyU の産業システム工学部の製造工学主任教授であり、この研究の共著者である Keith KC CHAN 教授は、「この研究は 3D プリンティングを使用する他の金属合金のモデルまたはベンチマークとして機能する可能性がある」と述べています。特性を強化し、適用範囲を拡大します。 金属 3D プリンティングは新興分野であり、材料製造に広く採用されるまでには時間がかかるでしょう。