新たなセル界面構造の発見と、その顕著な強化効果の模式図

東京大学大学院工学系研究科のチェンハン特任研究員、江草大佑助教、阿部英司教授は、大阪大学大学院工学研究科の中野貴由教授らによる研究グループと共同で、先進的な3Dプリンティングにより造形されたハイエントロピー合金（HEA）において、材料強度の向上を実現するサブミクロンスケールの新しいセル界面構造を発見しました。この構造は、3Dプリンティングに特有の超急冷によって生じた材料内での「転位ネットワーク」と「相分離」とが相乗する効果によって形成され、それぞれが独立に導入された場合を超える新たな強度向上メカニズムとして働くことが明らかになりました。この研究成果は、3Dプリンティングを用いることで従来にはない新しいタイプのミクロ構造の制御が可能となることを示しており、次世代の高性能金属材料設計に新しい指針を提供します。医療や航空宇宙分野など、特殊な環境下での使用を可能とする材料開発に貢献することが期待されます。

ハイエントロピー合金（HEA）は、異なる金属元素を等比に近い割合で組み合わせることで、優れた機械的特性を発揮する材料として注目されています。特に、生体為害性（毒性）の低い高融点元素の組み合わせであるTi-Zr-Nb-Mo-TaのようなHEAは、医療、航空宇宙、エネルギー産業などさまざまな分野での利用が期待されています。しかし、これらの合金は高融点元素を複数含むことから、従来の製造方法では均一な材料を作製することは困難であり、性能向上に限界がありました。

東京大学大学院工学系研究科の阿部教授の研究グループと、大阪大学大学院工学研究科の中野教授らによる研究グループは、現在世界的規模で研究が盛んである先進3Dプリンティング技術を用いてTi-Zr-Nb-Mo-Ta HEAを製造し、それが示す著しい強化効果が、サブミクロンス　ケールの新しいセル界面構造によりもたらされることを見出しました。

3Dプリンティングで造形された材料では、一般的な金属で見られる結晶粒組織の内部に階層的に導入されたセル界面構造が存在します（図1）。セル界面構造は、造形中の結晶格子ひずみによって導入される「転位ネットワーク」や、急速な凝固に起因する「相分離」といった微視的スケールにおける現象に由来しており、それぞれ金属の強度を向上させることが知られていました。今回の研究では、適切な金属元素の選択および3Dプリンティングに特有の超急冷を活用することにより、この2つの現象が互いに連携した特異なセル界面構造をもたらすことを発見しました。

図1. 3Dプリンティング金属材料組織の模式図と、新たに発見されたセル界面構造

これまでの研究では、3Dプリンティングにより転位ネットワークや相分離が導入された場合、理論的には約200～500MPaの強化効果が期待されていました。今回の研究では、一般的な鋳造法と3Dプリンティングで作製したTi-Zr-Nb-Mo-Ta HEAの強度を比較したところ、新しいセル界面構造による強化量が約960MPaにまで達していることがわかりました（図2）。これは、従来想定される転位ネットワークと相分離の効果を単純に合算した値を大きく上回っており、発見した連携セル界面によって追加の強化効果が生まれていることを示しています。

図2. 各種セル界面構造による強化量の比較

今回の成果は、金属材料の設計に新しい指針をもたらし、特に耐久性と強度が求められる分野での応用が期待されます。例えば、医療分野では強度と耐久性を兼ね備えたインプラント材料が、航空宇宙分野では過酷な環境に耐える部品が実現可能になります。さらに、3Dプリン　　ティングによる精密な形状制御が可能となることで、より効率的かつ柔軟に高性能な金属材料を生産することができ、製造コストやエネルギー消費の削減にもつながります。