Sc/Zr and Zn/Zr modification of Al–7Mg alloys fabricated by laser- directed energy deposition: Grain refinement, tensile properties, and corrosion behavior
本研究は、レーザー指向性エネルギー堆積法によるAl–7Mg合金においてSc/ZrおよびZn/Zrの修飾を最適化することが、高い引張強度と耐食性の優れたバランスを実現するために結晶粒組織を微細化する上で効果的であり、スカンジウムへの依存度を低減するための費用対効果の高い戦略となることを示している。
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飛行機、自動車、船舶用の金属部品は、極めて強靭かつ軽量であると同時に、錆や塩水による緩やかで破壊的な腐食にも耐えなければなりません。数十年にわたり、技術者たちはアルミニウムが自然に軽く、耐食性に優れているという理由から、これらの用途にアルミニウムを採用してきました。しかし、現代の製造技術を用いて、高ストレスがかかる用途にも耐えうる強さを持つアルミニウム部品を作製することは、長年の課題でした。特に、物体を一層ずつ積み上げて造形する手法を用いる場合には顕著です。レーザー・ダイレクテッド・エネルギー・デポジション（レーザー指向性エネルギー堆積）として知られる手法の一つは、高精度な溶接トーチのように、金属粉末を溶かして一体化させ、固形へと融合させるものです。この手法は、従来の工場では製造できない複雑で軽量な構造体の作成を可能にしますが、一方で、金属の内部構造を粗く不均一にしてしまい、強度を低下させ、亀裂を生じさせやすいという欠点があります。これを解決するために、科学者たちは、パンが均一に膨らむように、特定の成分をアルミニウムの混合物に微量添加することで、内部の結晶粒を微細化する方法を長年模索してきました。ただし、高価な材料や希少な材料を使用せずにこれを行う方法を見つけることが、この分野における聖杯（究極の目標）となっていました。
研究チームは、マグネシウムを7パーセント含む一般的なアルミニウム合金に対し、2つの異なる改良戦略をテストすることで、この問題の解決に乗り出しました。彼らの目的は、コストを抑えつつ、強靭で亀裂がなく、かつ耐食性も備えた材料を作り出せるかどうかを確認することでした。まず、レーザーを用いて金属粉末を溶かし、融合させるプロセスを開始し、金属が穴や亀裂を作ることなく滑らかに溶けるよう、レーザーの出力と移動速度を慎重に調整しました。ベースとなるアルミニウム合金の印刷プロセスを完成させた後、彼らは2種類の異なる添加物を導入しました。第一のセットには、金属の大きな結晶粒を小さく均一なものへと細分化するのに非常に優れた元素であるスカンジウムとジルコニウムを少量加えました。しかし、スカンジウムは極めて高価で入手困難なことで知られています。第二のセットでは、高価なスカンジウムを、より安価で一般的な金属である亜鉛に置き換え、同様の結果が得られるかどうかを検証するためにジルコニウムと組み合わせました。
実験の結果、これらの添加物が金属にどのような変化をもたらしたかについて、明確な姿が明らかになりました。添加物を一切加えていないベースのアルミニウム合金は、平均100マイクロメートルを超える大きさの結晶粒を形成しており、これは人間の髪の毛の太さほどです。研究者がスカンジウムとジルコニウムを加えると、内部構造は劇的に変化しました。結晶粒は驚くほど微細になり、平均サイズは10マイクロメートル未満にまで縮小しました。この微細化により、金属は大幅に強靭になり、均一性が増しました。スカンジウムを高濃度に含む合金は最も強く、破断する前に400メガパスカルを超える引張力に耐えることができ、なおかつ、折れることなく伸びるための柔軟性も維持していました。興味深いことに、亜鉛で修正された合金もベースメタルに対して大幅な改善を示し、その結晶粒は約15から16マイクロメートルにまで縮小しました。スカンジウムを用いたバージョンのほど微細ではありませんが、このレベルの微細化は依然として素晴らしく、結果として、より高価な選択肢に匹近しい強度を持つ材料となりました。
強度以外にも、研究者たちは、海洋や自動車の環境で使用される金属にとって極めて重要な要因である耐食性について、これらの新しい合金がどのように耐えうるかを注視しました。彼らは、過酷な状況をシミュレートするために、印刷されたサンプルを数日間にわたって塩水の霧にさらしました。その結果、少ない量のスカンジウムを含む合金が、重量の減少が最も少なく、腐食速度も最も遅いという、最高のパフォーマンスを示しました。亜鉛で修正された合金は、強度はあるものの、腐食率がわずかに高く、これは亜鉛が金属の中に錆が発生しやすい微小な領域を作り出している可能性を示唆しています。また、研究では、レーザー印刷の過程で、激しい熱によってマグネシウムと亜当の一部が蒸発したことも指摘されましたが、合金は意図した通りに機能するために十分な量のこれらの元素を保持していました。一方、スカンジウムとジルコニウムは、プロセス全体を通じて安定していました。
これらの知見は、業界への実用的な道筋を示唆しています。スカンジウム修飾合金は、強度と耐食性のバランスが最も優れていますが、亜鉛修飾バージョンは、高い性能を提供しつつも、より低コストな代替案として非常に魅力的です。研究者たちは、印刷プロセスを慎重に制御し、適切な元素の組み合わせを選択することで、亀裂がなく、非常に微細な内部構造を持ち、要求される機械的強度を備えたアルミニウム部品を作ることが可能であることを証明しました。この研究は、エンジニアが優れた成果を得るために必ずしも最も高価な材料に頼る必要はなく、代わりに、一般的かつ希少な元素を戦略的に組み合わせることで、次世代の軽量製造に向けてアルミニウムをカスタマイズできることを示しています。
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