Tailoring strength-ductility of Al 0.8 CoCrFeNi/Al composites fabricated by deformation-driven metallurgy via incorporating high-energy ball milling pretreatment

航空機から電気自動車に至るまで、あらゆるものに対してより軽く、より強い材料を執拗に追求する中で、科学者たちは長年アルミニウムに目を向けてきました。アルミニウムは軽さと強度の優れたバランスを提供する金属ですが、最も過酷な用途においては、さらなる強化が必要です。アルミニウムにその強化を与える有望な方法の一つは、高エントロピー合金として知られる特殊なクラスの金属の微粒子を混ぜ合わせることです。これらは典型的な金属ではありません。複数の異なる元素を複雑に混合したものであり、それらを組み合わせることで、驚異的な強靭性と耐食性を備え、極限の熱にも耐えうる材料が生み出されます。しかし、課題はこの二つの材料の「結婚」にあります。もし高エントロピー合金の粒子が大きすぎたり、塊になったりすると、アルミニウムの中に弱点を作り出し、最終製品が応力下で破壊される原因となります。目標は、これらの強化粒子をアルミニウム全体に極めて細かく均一に散布し、金属を脆くすることなく、変形に対する均一な盾として機能させることです。

上海航空宇宙設備製造（Shanghai Aerospace Equipment Manufacturer）とハルビン工業大学の研究者たちは、「変形駆動冶金法（deformation-driven metallurgy）」と呼ばれる手法を洗練させることで、この課題に取り組んできました。このプロセスは、本質的に、金属を溶かすことなく粉末から鍛造する方法であり、激しい圧力と摩擦を用いて材料を混合し、一つの固形ブロックへと成形します。最新の研究論文において、チームは極めて重要な第一段階を導入しました。それは、高エネルギーボールミルによる精力的な前処理です。鋼鉄製のボールと、アルミニウムおよび高エントロピー合金の粉末が入った重いドラムを想像してください。ドラムが回転するにつれ、ボールが凄まじい力で粉末に衝突し、粒子を粉砕し、平らにし、繰り返し溶接（接合）していきます。研究者たちは、完璧な結果を得るために、このドラムをどのくらいの時間回転させ続ける必要があるのかを調べたいと考えました。彼らは、粉末がどのように変化するか、そしてその変化がアルミニウム複合材の最終的な強度にどのように影響するかを観察するために、15時間から30時間の範囲で異なる時間をテストしました。

結果は、明確な変容の物語を明らかにしました。ミリング時間が長くなるにつれて、高エントロピー合金の大きく不規則な塊は、徐々に、より細かく均一な微粒子へと粉砕されていきました。当初、粒子は比較的大きく不均一に分布していましたが、25時間のミリング後には、0.5マイクロメートル未満の非常に小さな等軸晶粒へと精緻化されていました。この精緻化は単なるサイズの変更だけではありません。粒子がアルミニウムの中にどのように埋め込まれるかという点も重要でした。激しい研削によって、アルミニウム粉末の結晶構造の中に「転位」と呼ばれる膨大な数の欠陥が導入されました。これらの欠陥は種となり、後に粉末が固形ブロックへと鍛造される際に、アルミニウムがより細かく堅牢な結晶粒パターンへと再構成することを促しました。研究者たちは、ミリングを長く続けるほど、アルミニウムの結晶粒がより緻密で均一な配列へと再結晶できることを発見しました。これは強い材料にとって不可欠な要素です。

チームがこれらの前処理された粉末を固形ブロックへと鍛造したとき、性能の差は顕著でした。ミリング時間が短い粉末で作られた複合材は、大きな粒子が亀裂の起点となることで弱さを示しました。しかし、25時間の処理を施したサンプルは、強靭さと柔軟性の驚くすべき組み合わせを示しました。それらは永久変形が始まる前に282メガパスカルの力に耐え、破断するまでに341メガパスカルの力を保持し、同時に12.4パーセントの伸びを示しました。この伸びは重要です。これは、材料がガラスのように砕け散るのではなく、破壊する前にエネルギーを吸収しながら曲がり、伸びたことを意味します。これらの成功したサンプルの破断面には、微細なディンプル（くぼみ）の均一なパターンが見られ、これは材料が弱点で引き裂かれるのではなく、均一に伸びたことを示しています。対照的に、ミリング時間が短いサンプルでは、大きな不規則な粒子が早期の亀裂を引き起こしていました。

この研究は、ボールミリングによる前処理が、これら高度な複合材の特性を調整するための強力なツールであることを裏付けています。ミリングプロセスの時間を調整するだけで、研究者たちは強化粒子のサイズとアルミニウム母材の内部構造を制御することができました。実験において、25時間の時間が「スイートスポット（最適値）」であるように見受けられました。そこでは、粒子は完璧に分散されるほど十分に小さく、アルミニウムの構造は延性を過度に犠牲にすることなく強度を最大化できるほど十分に精緻化されていました。このアプローチは、航空宇宙用途に適した軽さと、飛行の厳酷な条件に耐えうる強さを兼ね備えたアルミニウムベースの材料を創出するための、実用的な道筋を提示しています。この成果は、適切な準備さえあれば、高エントロピー合金がアルミニウムを強化するポテンシャルを完全に実現でき、粉末の混合物を現代のエンジニアリングの極限の要求に耐えうる材料へと変えられることを証明しています。