【発表のポイント】

  • ⾦属3Dプリンター※1 を⽤いて作製したハイエントロピー合⾦※2 において、既存材を上回る耐⾷性を得ることに成功
  • 複雑な熱履歴を経て形成するナノ組織により不動態⽪膜※3 が強化されることを⾒出し、耐⾷性が向上するメカニズムを解明
  • ⾦属部材の安全性・信頼性向上や⾦属3Dプリンターを⽤いた新材料開発への展開が期待

概要

ハイエントピー合⾦は異なる 5 種類以上の元素を同程度ずつ含む多成分合⾦であり、従来合⾦にない特異な材料特性を⽰すことから、世界中で⼤きな注⽬を集めています。⼀⽅、3D プリンターは既存の製造プロセスでは困難な複雑形状の造形が可能な⾰新的な製造技術として社会実装も急速に進んでいます。

東北⼤学⾦属材料研究所の⼭中謙太准教授、⽩⿃浩史⼤学院⽣（研究当時、現：株式会社⽇⽴製作所）、千葉晶彦教授、同新素材共同研究開発センターの⼤村和世技術専⾨職員、仙台⾼等専⾨学校の森真奈美准教授は、株式会社⽇⽴製作所との共同研究において、⾦属3Dプリンターを⽤いて作製したハイエントロピー合⾦において既存材を上回る優れた耐⾷性が得られることを⾒出しました。

本研究成果は、過酷な腐⾷環境で使⽤される⾦属部材の安全性や信頼性向上への貢献や⾦属3Dプリンターを⽤いた新材料開発への展開が期待されます。

本研究成果は、2020 年 8 ⽉ 11 ⽇（英国時間）に Nature Publishing Group が発⾏する npj Materials Degradation にオンライン掲載されました。

研究背景

従来の⾦属材料では、基本となる⾦属元素に対して⽬的に応じて少量の添加元素を合⾦化することにより特性改善が⾏われてきました。したがって、既存の⾦属材料は鉄鋼材料やチタン合⾦、Ni基超合⾦のように、主要元素に基づいて呼ばれています。これに対し、2004 年に提案されたハイエントロピー合⾦（high entropy alloy）は、⼀般に 5 種類以上構成元素を等モル組成、あるいはそれに近い組成で含む多元系合⾦です。主要元素を持たない従来合⾦とは異なる合⾦組成に由来し、⼤きな固溶強化や低温における優れた破壊靭性、⾼い配置エントロピーに起因した固溶体※5相の安定化など、種々の特異かつ優れた材料特性が明らかになっています。最近では、単純な固溶体合⾦だけでなく、⾦属化合物が形成した多相合⾦（chemically complex alloy）を含めて、広義のハイエントロピー合⾦に関する活発な研究が⾏われています。

⼀⽅、材料を積層することにより構造部材を作製する 3D プリンターは、格⼦構造のような従来技術では困難であった複雑形状が成形可能なことから、⾰新的な製造技術として⼤きな注⽬を集めています。2013 年にアメリカ・オバマ⼤統領が⼀般教書演説において 3D プリンターに⾔及して以来注⽬度は⼀気に⾼まり、現在では産学を問わず世界各国で研究開発がなされ、試作（プロトタイピング）から部材製造・量産へと展開し、名実ともに”Additive Manufacturing”（AM、付加製造）として産業分野における役割は⾼まりつつあります。当初、安価な⾼分⼦材料⽤の 3D プリンターの普及し、⼀般的に広く知られるようになりましたが、2000 年代に⼊り⾦属材料を対象とした 3D プリンターが急速な発展を遂げ、主に航空機産業における実⽤化への期待に牽引される形で研究開発が⼤きく進展しています。

東北⼤学⾦属材料研究所の加⼯プロセス⼯学研究部⾨では、2010 年に国内の公的機関として初めて EBM 装置を導⼊し、チタン合⾦、Ni 基超合⾦等の種々の材料への応⽤と基礎学理の構築に取り組んできました。また、2014 年より⾦属 3D プリンターに関する国家プロジェクト（TRAFAM）にも参画し、産学官連携研究により国産装置の開発にも取り組んでいます。2016 年には、⾦属 3Dプリンターを活⽤したベンチャー企業の設⽴を通して AM 技術の普及にも貢献してきました[1]。これらの取り組みを通して、当研究部⾨は我が国における AM 分野を代表する研究室の⼀つとして、世界的にも認識されています。

当研究部⾨と株式会社⽇⽴製作所では、2014 年より⾦属 3D プリンターを⽤いたハイエントロピー合⾦の造形に関する共同研究に取り組んできました。これまでに、代表的なハイエントロピー合⾦の⼀つである等モル組成の AlCoCrFeNi 合⾦を対象に、世界初となるハイエントロピー合⾦のEBM 造形に成功し、優れた⼒学特性とそのメカニズムを明らかにしてきました[2]。また、成果の⼀部については、実⽤化にも成功しています[3]。

 

 

もっと知るには・・・https://www.tohoku.ac.jp/japanese/2020/08/press20200831-01-3D.html