3Dプリンティング技術は、複雑な構造と軽量性を兼ね備えた金属部品を容易に製造可能であり、軽量化と一体化を追求する航空機・宇宙機器などの次世代ハイエンド機器において極めて魅力的な製造手法です。しかし、3Dプリンティングで製造された金属部品には一般に致命的な欠点が存在します——疲労特性が劣り、繰返し荷重下で疲労亀裂が生じやすいため、その主要応用分野が著しく制限されてきました。このほど、中国科学アカデミー金属研究所（IMR, CAS）の張哲峰研究員および張振軍研究員が率いる研究チームは、3Dプリンティング向けの新たな後処理技術を開発しました。このNAMP技術を用いて製造されたチタン合金材料は、さまざまな応力比条件下において前例のない優れた疲労抵抗性を示し、総合的な疲労性能が既知のすべての金属材料を上回りました。これにより、3Dプリンティング技術の高精度・最先端分野への応用における大きな障壁が除去されました。関連する研究成果は『Science Advances』誌に掲載されています。
2024年初頭、チームは材料の内部構造および欠陥を精密に制御可能な新しいNAMPプロセスを開発しました。このプロセスで製造された最も一般的なチタン合金の一つであるTi-6Al-4Vは、微小気孔および粗大な微細組織の両方を除去できます——これらは疲労破壊の主な原因です。この新素材は、「引張－引張」応力比条件下における「比疲労強度」の世界記録を更新しました。
しかし、航空機エンジンのブレードや着陸装置などの実際の部品は、単なる「引張－引張」だけでなく、「引張－圧縮」など、極めて複雑な応力条件下にさらされます。つまり、応力比が変化するのです。異なる応力比では、材料内部で異なる損傷メカニズムが誘発されることがあります。従来のチタン合金の微細組織にはしばしば限界があり、特定の応力比下では優れた性能を発揮しますが、応力比が変化すると性能が低下することがあります。このため、あらゆる使用条件において優れた性能を発揮する材料を製造することは極めて困難です。
このより複雑な課題に直面し、研究チームは疲労亀裂が生じやすいチタン合金のいくつかの弱点部位と、それらが発生する応力モードを特定しました。NAMPプロセスを用いることで、ほぼ空孔のない3Dプリント構造体を製造し、すべての弱点部位を同時に最適化することに成功しました。この3Dプリントによるチタン合金は、全応力比条件下において高い疲労強度を維持するという特徴を有しています。
実験データによると、異なる応力比における疲労試験において、この新素材の疲労強度は、既存のすべてのチタン合金を上回るだけでなく、「比疲労強度」においても、すべての金属材料を包括的に上回り、世界新記録を樹立しました。
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