科学者は、極端な温度に耐えることができる新しい3D印刷材料を開発します

金属3D印刷の分野では、さまざまなレアメタルの融点が異なるため、多くの材料メーカーは、より多くの金属を混合して、処理および適用できる材料を製造しようとしています。 最近、米国のオークリッジ国立研究所（ORNL）の科学者は、電子ビーム溶解（EBM）3Dプリンターでの使用に特に最適化された新しいモリブデン（Mo）式を開発しました。 結果は、この新しい材料が極端な温度に耐えることができ、航空宇宙用途に理想的であることを示しています。

高融点金属として、モリブデンには複数の特性があり、超高温に敏感な領域での展開に魅力的な選択肢となっています。この合金の特徴は、融点が2622℃に上昇し、熱膨張係数、熱伝導率、耐食性が低いことですが、特定の温度では靭性も劣ります。



さらに、モリブデンは処理中の窒素と酸素の汚染に非常に敏感であり、それがその粒界の偏析を引き起こし、部品の亀裂を引き起こす可能性があります。この分野で行われた限られた研究では、科学者は再結晶と粒子サイズをよりよく制御するために金属を他の材料と混合しましたが、ほとんど成功していません。



早くも2017年、オーストリアの粉末生産者であるPlansee Groupの研究者は、シミュレーションデータを使用して、モリブデンの粒子サイズがSLM印刷感度にどのように寄与するかを定量化しようとしましたが、問題を完全には解決しませんでした。対照的に、ORNLチームは、合金にTiC粒子を追加してEBMに変換することにより、より高いレベルの堅牢性と剛性を備えた微細構造を作成できることを発見しました。



材料を配合するために、科学者たちは、酸化を防ぐためにアルゴンで満たされたメスシリンダー内で、MoとTiCの粉末を60:40の比率で混合しました。次に、遊星ボールミルを使用して、得られた金属マトリックス複合材料を3Dプリントできるようになるまで8時間機械的に合金化します。



新しい粉末を処理するために、ORNLチームは、カスタマイズされたArcam S12 EBM 3Dプリンターを開発しました。これは、ピストン、フィーダー、レーキ、およびテーブル粉末床搬送システムで構成される改良されたビルドチャンバーを備えています。機械のアップグレードにより、高度なプロセス監視と二次供給を実現しながら、小ロット生産を効果的に最適化します。



研究者たちは、自分たちの機械を使用して、12 mm（D）x 13 mm（H）の6つのパーツを3Dプリントすることを選択しました。これらは、純粋なモリブデン、モリブデンの2つの層の間に強力な層が巻かれたサンドイッチのような構造です。興味深いことに、SEMイメージングでは、純粋なサンプルには亀裂がないことが示されましたが、粉末の分散により表面に不整合が見られました。



その後、研究チームは熱力学的モデリングを実行しました。これは、プロセスが依然として組成と温度の変化に非常に敏感であることも示しました。その結果、ORNLの科学者は、プロセス入力の厳密な管理が、処理中に部品層の一貫性や温度勾配を変化させることなく、将来の微細構造を作成するためのモリブデンの使用の鍵になると推測しています。



結局、研究者たちは、純粋な亀裂のないモリブデンの3D印刷の実現可能性を証明し、完璧なパラメーター設定により、この合金は、熱伝達コンポーネントなどの航空宇宙またはエネルギー変換の分野で新しいアプリケーションを見つけることができると結論付けました。