高エントロピー合金は、複数の金属元素がほぼ等原子で混合されていることで知られています。強度、靱性、高温耐性、耐食性の点で同時に優れた性能を発揮します。航空宇宙・エネルギー分野における次世代の重要な構造材料として注目されています。しかし、その調製では常に不均一な混合や構造の「斑点」などの問題に直面していました。米国立標準技術研究所 (NIST) の研究チームは最近、金属 3D プリンティングのための新しいレーザー経路制御方法を提案しました。印刷プロセス中の溶融池の「微細な撹拌」により、複雑な構造の部品を直接印刷しながら、原子スケールでの高エントロピー合金の混合効率を向上させることに成功しました。

従来の合金は、多くの場合、単一の金属をマトリックスとして使用し、性能を向上させるために少量の他の元素を追加しました。例えば、鉄に少量の炭素を添加すると強度が大幅に向上した鋼が得られ、ニッケルとクロムを添加すると耐食性に優れたステンレス鋼が形成されます。特にタービン、ガスタービン、宇宙船、その他の強度、耐久性、耐高温性に対する総合的な要件がますます厳しくなっているエンジニアリング用途への需要が高まるにつれ、ほぼ同様の比率を持つ 5 つ以上の金属を使用する高エントロピー合金システムが広く注目され始めています。ただし、金属が異なれば、密度、融点、凝固挙動には大きな違いがあります。たとえ高温で一時的に融着できたとしても、冷却プロセス中に簡単に分離して、特性が大きく異なるゾーンが形成され、材料の全体的な性能が弱まってしまう可能性があります。この研究に参加したNISTの物理学者ファン・チャン氏が強調したように、高エントロピー合金がその利点を活かすためには、原子スケールで十分かつ均一な混合を達成する必要があり、そのために製造プロセスにはより高い要件が課せられる。

現在、研究室で高エントロピー合金を製造する一般的な方法には、アーク溶解、粉末冶金などが含まれます。研究サンプルや単純なインゴットは入手できますが、複雑な内部空洞と調整可能な局所組成を備えた最終部品を直接製造することは困難です。金属積層造形におけるレーザー選択的融合（レーザー粉末床融合）技術は、理論的にはさまざまな金属粉末を粉末床で混合し、層ごとの溶解と積層を通じて複雑な幾何学的形状のコンポーネントを構築できます。したがって、これは高エントロピー合金の複雑な成分を実現するための可能性のある道であると考えられています。従来のプロセスでは、高出力レーザーが薄い粉末層の表面上を線形走査軌道に沿って移動し、寿命の短い小さな溶融池を形成し、その後急速に冷却されて固化します。通常、単一金属または単純な合金の性能を確保するには、このプロセスで十分です。しかし、複数の元素を十分に混合する必要があるハイエントロピー合金の場合、溶融池の滞留時間が短く内部流動が不十分なため、各種金属成分を均一に分散させることが困難です。

NIST チームが提案した解決策は、溶融池内の流動と撹拌プロセスに直接言及しており、印刷プロセス中に金属溶融池を積極的に「撹拌」して、凝固する前に複数の元素をできるだけ完全に混合します。ハードウェアレベルで装置を大幅に変更する代わりに、彼らはソフトウェアレベルでレーザーの移動方法を再計画することを選択し、従来の直線スキャン軌道を小さな楕円閉曲線で構成される「ループ」パスに書き換え、レーザーが非常に狭いスペースで繰り返しループを描くことができるようにしました。このレーザーの軌道は、レーザーを単なる熱源から微細な「撹拌ツール」に変えることに相当し、溶融池内に強力な対流と撹拌効果を生み出し、異なる金属を短時間でより完全かつ均一に混合させます。既存の商用金属 3D プリンティング ソフトウェアにはまだ同様の機能がないため、研究チームは、これらの複雑な楕円スキャン パターンを生成するための新しいツール パス ソフトウェアを開発しました。

このアイデアの有効性を検証するために、研究者らは、高密度耐火性高エントロピー合金 RHEA-19 と軽量チタン合金を並べて配置し、楕円軌道に沿って 2 つの材料の境界を横切ってレーザーを走査させるという、非常に難しい材料の組み合わせをテストに選択しました。 2 つの合金には、密度と熱特性において明確な違いがあります。これらは従来の溶融池条件下では容易に相分離され、均一な新しい合金を形成するのは困難です。そのため、「厳しい試験問題」に非常に適しています。この配置により、研究チームは、単に明確な界面を持つ二相構造を形成するのではなく、レーザー「撹拌」の作用下で溶融池が境界で2つの材料を混合して新しい均一な合金を形成できるかどうかを観察したいと考えている。

溶融池の内部で何が起こっているかを理解するには、凝固したサンプルを事後に観察するだけでは十分ではありません。溶融と凝固のプロセスは 1 秒未満の時間スケールで発生し、高密度の金属は可視光に対して不透明であるため、従来のイメージング方法で内部を「透視」するのは困難だからです。この目的を達成するために、研究者らはアルゴンヌ国立研究所の大型放射光施設「Advanced Photon Source」（先進光子源）に頼った。このスタジアムサイズの円形加速器は、金属サ​​ンプルを貫通して内部構造情報を取得するのに適した、非常に明るい X 線ビームを提供できます。研究チームは、X線回折技術を用いて溶融・凝固過程における材料内部のX線の散乱パターンをリアルタイムに記録し、そこから各段階における原子配列の進化軌跡を解析し、溶融池の動的構造の時系列画像を構築した。同時に、電子顕微鏡を使用して最終的に固化した材料の詳細な観察を実施し、合金構造が期待された均一性と潜在的な性能を達成したかどうかを確認しました。

実験的証拠は、レーザー「撹拌」戦略により、混合が困難な材料の組み合わせが改善され、境界領域が単に層になったり塊になったりするのではなく、より均一に混合された新しい合金構造を形成することを示しています。さらに重要なのは、研究により、レーザー経路の設計は成形形状に影響を与えるだけでなく、合金の成形方法を制御し、複数の元素の混合を促進するための重要なプロセスパラメータとしても使用できることが示されています。これにより、積層造形法を使用した新しい合金システムの開発に新しい制御次元が提供されます。まとめると、チームが提案する技術ソリューションは、既存のレーザー粉末床融合プラットフォームを使用して、ソフトウェア定義の軌道制御を通じて、高エントロピー合金原料の準備と複雑な最終部品の成形を同じプロセスで同時に実現します。

長期的な観点から見ると、この研究の影響は、特定の「扱いにくい」高エントロピー合金を印刷するだけにとどまりません。現在、金属 3D プリンティングは、事前に合金化された単一の粉末に依存することがよくあります。異なる合金を製造するということは、対応するさまざまな粉末を準備することを意味し、コスト、物流、およびプロセスの適応が困難です。 NIST が提案した「レーザー混合」のアイデアは、別の可能性を示しています。つまり、比較的基本的な金属粉末を同じ装置に入れ、レーザー経路とプロセスパラメータ制御を通じて装置内でそれらをオンデマンドで混合することです。これは、数種類のインクを混合して豊かな色を生成するカラープリンターと同様であり、積層造形プラットフォームを現場での「配合」と現場での成形を統合する合金工場にします。成熟したアプリケーションが実現すると、印刷装置は粉末の種類と在庫コストを削減するだけでなく、単一部品内のコンポーネントの勾配設計も実現できます。たとえば、タービンブレードの高温領域でより耐熱性の高い合金配合を使用したり、構造的負荷がかかる領域や重量軽減領域で強度と密度のバランスをとる配合を使用したりすることができます。異なる材料コンポーネントを溶接したり機械的に接続したりする必要はありません。

もちろん、このテクノロジーはまだ研究と検証の段階にあり、すぐに使用できる産業ソリューションではありません。溶融池内での合金系の挙動は大きく異なります。ミキシングは 1 つのリンクにすぎません。エンジニアリング用途では、亀裂傾向、細孔欠陥、残留応力、冷却速度、粉末品質、その後の熱処理などの複数の変数も同時に制御する必要があります。さらに、商用ソフトウェア エコシステムと機器制御システムも、産業シナリオでこのような複雑なレーザー ツール パスと合金混合戦略を定期的にサポートするためにフォローアップする必要があります。関連する研究結果はジャーナル「Additive Manufacturing」に掲載されており、将来の高エントロピー合金や複雑な構造部品の積層造形のための経験的基礎を備えた新しいプロセスの方向性を提供します。