研究背景金屬の3Dプリンティングでは、粗大な柱狀粒や不均一に分布した相がしばしば発生し、その結(jié)果、機械的特性が不均一になったり、あるいは悪くなったりする。この研究では、3Dプリンティングによってチタン合金の高強度と一貫した特性を得るための直接的なアプローチを可能にする設計戦略を含む。粉末金屬混合物にモリブデン（Mo）を添加することで、相安定性が向上し、3Dプリント合金の強度、延性、引張?zhí)匦预尉恍预纳皮丹欷毪长趣兢丹欷?。同號に掲載されたScience誌の総説は、この方法論は他の粉末混合物にも適用でき、強化された特性を持つ異なる合金を調(diào)整できることが有望であると述べている。

金屬3Dプリント合金の特性が均一でない主な理由は以下の通りである。レイヤー?バイ?レイヤー3Dプリンティング?プロセスでは、通常、10枚のレイヤーを印刷します。³-10⁸K/sという高い冷卻速度は、金屬粉末が溶融するメルトプールの端と底付近に大きな熱勾配を生じさせる。この熱勾配は、新たに溶融した材料とその下の固體材料との界面に沿ってエピタキシャル結(jié)晶粒成長を誘発し、結(jié)晶粒はメルトプールの中心に向かって成長する。多層印刷中の加熱と部分的な再溶融のサイクルは、最終的に大きな柱狀結(jié)晶粒と不均一に分散した相の形成につながる。

各種金屬材料の強度-延性

チタン合金は、最も広く使用されている金屬3Dプリンティング材料の一つです。常溫でのエンジニアリング用途では、適切なチタン合金は一般的に10～25％の引張伸びを示し、これは良好な材料信頼性を反映しています。より大きな伸び（延性）は成形を容易にし、用途によっては好まれますが、機械的負荷に耐えるためには、この伸び範囲での強度の向上がしばしば好まれます。金屬材料を加工する従來の製造技術と付加製造技術のいずれにおいても、強度と延性のバランスを常に考慮する必要がある。

強度と延性を向上させるための戦略と限界

3Dプリント合金の強度と延性を向上させるには、さまざまな戦略がある。.これには、合金設計の最適化、プロセス制御、微細粒界強化、粒微細構(gòu)造の改質(zhì)だけでなく、不要相（脆性相）の抑制、第二相の導入、後処理などが含まれる?，F(xiàn)在、柱狀結(jié)晶と望ましくない相の問題に対処するための研究は、微細構(gòu)造と相組成を修正するための元素のin situドーピングに集中している。このアプローチは、等方性結(jié)晶、すなわち縦軸と橫軸に沿った粒徑がほぼ等しい構(gòu)造の形成も促進する。in situ合金化は、強度と延性のバランスを克服する有望な方法である。特に、粉末床溶融や指向性エネルギー堆積法などの3Dプリンティング技術において。.

研究者たちは、3Dプリント合金にさまざまな元素を添加した場合の結(jié)晶粒形態(tài)と機械的特性について探求してきた。例えば、ナノセラミック水素化ジルコニウム粒子を印刷不可能なアルミニウム合金にドーピングした結(jié)果、印刷可能でクラックのない材料が得られ、洗練された等軸結(jié)晶粒微細構(gòu)造と錬成材に匹敵する引張?zhí)匦预盲椁欷蓼筏俊￥筏筏胜?、チタン合金の場合、市販されている結(jié)晶粒微細化剤は、通常、結(jié)晶粒構(gòu)造に限定的な効果しか與えません。チタン合金の微細化メカニズム、特に3Dプリンティング凝固中の柱狀から等軸への遷移は広く研究されていますが、効率性の限界は殘っています。この障害を克服する試みには、処理パラメーターの変化、高強度超音波の適用、合金設計による所望の不均質(zhì)構(gòu)造の導入、不均質(zhì)核生成部位での結(jié)晶粒微細化剤としての溶質(zhì)の添加、および高い過冷卻能力を持つ溶質(zhì)の組み込みが含まれる。β共晶安定剤元素Cu、Fe、Cr、Co、Niのような元素はチタンへの溶解度を制限する。

新たな研究が大躍進につながる研究者らは、チタン合金の脆い金屬間共晶の形成につながるβ-共晶安定剤元素を使用する代わりに、Ti-5553（Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr）用のβ-ホモ結(jié)晶グループ［ニオブ（Nb）、タンタル（Ta）、バナジウム（V）を含む］からMoを選択した。in-situ 合金化プロセスにおいて、モリブデンは溶融プールに正確に輸送され、各走査層で結(jié)晶形成と微細化のための種核として作用する。Mo 添加物は、大きな柱狀結(jié)晶から微細な等軸および狹い柱狀構(gòu)造への転移を促進する。Mo はまた、所望のβ相を安定させ、熱サイクル中の相異質(zhì)の形成を抑制する。

Mo添加Ti-5553チタン合金の特性評価

研究者らは、Ti-5553+5Moの降伏強度と破斷伸びを、L-PBF狀態(tài)および印刷後熱処理で製造したTi-5553（およびTi-55531、Ti-55511）と比較した。製造狀態(tài)のTi-5553およびその類似合金と比較すると、Ti-5553+5Moは同等の降伏強度を示すが、延性は著しく向上している。印刷後熱処理は、L-PBFで製造されたTi-5553の機械的特性のバランスをとるために一般的に使用される。特定の熱処理條件下で は高い降伏強さ(>1100MPa)を達成できるが、延性は 通常、破斷伸び<10%と著しく劣化するため、安全 性が重要視される用途での使用は制限される。対照的に、下流の熱処理を必要としないTi-5553+5Mo材料L-PBFの直接印刷部品は、強度と延性の優(yōu)れたバランスを示し、同様の合金の中で際立っている。最終的に、研究者たちはこの戦略を使って、次のような部品を作製した。降伏強さ926MPa、破斷伸び26%の均一性に優(yōu)れた材料。

L-PBF法で作製したTi-5553の組織と機械的性質(zhì)

L-PBF法で作製したTi-5553およびTi-5553+5Moの機械的性質(zhì)

Ti-5553+5Moの機械的特性は、Ti-5553に比べて非常に均質(zhì)であり、改善されていた。部品の品質(zhì)を評価するためのマイクロフォーカスCT(マイクロCT)スキャンによって、両材料が非常に高い密度を示し、総細孔容積分率がそれぞれ0.004024%と0.001589%であることが判明した。このような高い密度は、多孔性がTi-5553の高度に分散した引張?zhí)匦预卧颏趣胜肟赡苄预亭い长趣蚴舅簸筏皮辍i-5553+5Moの機械的特性の高い一貫性と一致している。+5Moの機械的特性の高い一貫性。結(jié)晶粒構(gòu)造に対するMo添加の効果を明らかにするために、研究者らはTi-5553とMo添加Ti-5553の電子後方散亂回折（EBSD）特性評価を行った。5.0wt%のMoをTi-5553に添加すると、結(jié)晶粒構(gòu)造とそれに伴う結(jié)晶構(gòu)造に大きな変化が生じる。Ti-5553+5Moの走査軌跡のエッジに沿って形成される多くの微細な等軸粒（直徑～20μm）が非常に目に見える。対照的に、Ti-5553+5Moの微細構(gòu)造は、微細な等軸結(jié)晶粒と狹い柱狀結(jié)晶によって特徴づけられる。微細組織を詳細に観察すると、微細な柱狀結(jié)晶粒が周期的に分布していることがわかる。Ti-5553の多層にわたる高度に織り込まれた柱狀結(jié)晶とは異なり、Ti-5553+5Moの柱狀結(jié)晶の長さスケールはメルトプールサイズによって決定され、結(jié)晶の織り目はランダムで弱くなる。

Ti-5553およびTi-5553+5Moの微細構(gòu)造解析

Ti-5553とモリブデン添加Ti-5553の相分析

Ti-55535から作製した破壊試験片のEBSD特性評価終了

しかし、研究者らは微細構(gòu)造中に未溶解のモリブデン粒子を同定しており、その潛在的な影響は不明である。実際、in situ合金化戦略における未溶解粒子のランダムな存在は、機械的特性や腐食特性に関連する懸念を引き起こす。例えば、in situ合金添加粒子の完全溶融は、より高いエネルギーを必要とする可能性があり、過熱は、微細構(gòu)造の変化や機械的特性の劣化につながる可能性がある。さらに、未溶解のMo粒子に起因する動的疲労特性や腐食特性は不明である。印刷後の熱処理により未溶解粒子を除去することは可能ですが、微細構(gòu)造が変化し、機械的特性に影響を及ぼす可能性があります。

全體として、この科學研究で提案された設計戦略は、さまざまな金屬粉末原料、さまざまな印刷可能な合金システム、さまざまな3D印刷技術、および高度なマルチマテリアル印刷を探求する道を開くものである。また、柱狀結(jié)晶粒の形成を抑制し、望ましくない相の不均一性を防ぐことができる。これらの問題は、各パウダーの印刷パラメータによって影響される、異なる熱分布によって生じる。この戦略はまた、印刷狀態(tài)での強度と延性のバランスを克服し、印刷後の処理の必要性を最小限にする。

3D打印新突破！2024年第二篇Science研究！最先出現(xiàn)在三帝科技股份有限公司。

高いフォトルミネッセンス量子収率を持つ青色および緑色発光體は、現(xiàn)在、固體照明やカラーディスプレイの研究の最前線にある。Peidong Yang教授の研究チームは、ハロゲン化ハフニウムとハロゲン化ジルコニウムの八面體クラスターを超分子集合させることにより、ほぼ均一なフォトルミネッセンス効率を持つ青色および緑色発光材料を?qū)g証した。この高発光性ハロゲン化カルコゲナイド粉末は、薄膜ディスプレイや自発光3Dプリンティングのための優(yōu)れた溶液加工性を有する。攪拌と超音波処理により、蓄光性粉末を樹脂中に均一に分散させた。青と緑の発光體は、マルチマテリアル?デジタル?ライト?プリンティング法を用いて、複雑なマクロおよびミクロ構(gòu)造に組み立てられた。この樹脂は、405nmの構(gòu)造用紫外線照射下で、固體の3D構(gòu)造に急速に変化した。

プリントされたエッフェル塔の建築模型は、254nm勵起後にそれぞれの青色と緑色を示す。3Dプリントされたオクテット?トラス構(gòu)造內(nèi)の青と緑の発光領域の境界をクローズアップして見ると、色遷移の精度が高く、両側(cè)で色がクロスオーバーしていないことがわかる。3Dプリントされた発光構(gòu)造の潛在的な用途は、屋內(nèi)環(huán)境用の複雑な照明ソリューションからウェアラブルデバイスへのシームレスな統(tǒng)合まで、広大かつ進化している。

2024第1篇3D打印Science最先出現(xiàn)在三帝科技股份有限公司。

具體的には、溶融プールにモリブデンを正確に供給することで、モリブデンは、各走査層中の結(jié)晶形成と微細化のためのシード核として機能し、大きな柱狀結(jié)晶から微細な等軸柱狀結(jié)晶構(gòu)造への移行を促進することができる。モリブデンはまた、所望のβ相を安定させ、熱サイクル中の相異質(zhì)の形成を抑制します。これにより、3Dプリントされたチタン合金の強度が向上するだけでなく、延性と引張?zhí)匦预瓮觇丹圣啸楗螗工_成されます。

いわゆるチタン業(yè)界の主力製品であるTC4の推奨最小破斷伸度は10%であるのに対し、この3Dプリンティングによって作製されたチタン5553は、降伏強度が926MPa、破斷伸度が26%であり、応用の可能性が大きい。この方法はまた、他の金屬粉末混合物にも適用され、強化された特性を持つ異なる合金にカスタマイズされることが期待される。

2024第2篇3D打印Science最先出現(xiàn)在三帝科技股份有限公司。

この論文では、3Dプリンターで作製された微細構(gòu)造はもともと高い耐疲労性を持っており、この特性の劣化は微細孔の存在によって引き起こされる可能性があると論じている。微細孔を除去する従來の努力は、しばしば組織の粗大化をもたらし、組織の再精製のプロセスは、気孔率の再発をもたらし、さらには粒界におけるα相の濃縮のような新たな欠點を誘発し、微細構(gòu)造をインバウンドとアウトバウンドの両方の努力にとって困難なジレンマにしている。
熱処理研究の過程で、CASチームは、3Dプリントチタン合金の高溫での相変態(tài)と結(jié)晶粒成長が非同期である重要な後処理プロセスウィンドウを発見した。十分な過熱があれば、α相からβ相への相転移は即座に起こり、β相の成長溫度には達しているが、粒界が再配列するためには妊娠期間が必要である。研究者らは、この貴重な熱処理ウィンドウを利用し、熱間等方加圧と高溫短時間処理を組み合わせた熱処理法を特定した。この熱処理法は、組織の微細化を達成し、α相の濃縮と微細孔の再出現(xiàn)を防止し、最終的には、微細孔が実質(zhì)的に存在しないニアプリント狀態(tài)の3Dプリントチタン合金を作製する。

この微細構(gòu)造を持つTC4チタン合金は、約1GPaという高い疲労限度を達成し、現(xiàn)在のすべての付加製造チタン合金や鍛造チタン合金、および他の金屬材料の耐疲労性を上回っている。

2024第1篇3D打印nature最先出現(xiàn)在三帝科技股份有限公司。

ナノからミクロンスケールの粒子は、バイオメディカルデバイス、薬剤やワクチンのデリバリー、マイクロ流體、エネルギー貯蔵システムなど、幅広い用途に応用されている。しかし、従來の製造方法では、製造速度やスケーラビリティといった複數(shù)の要素と、粒子形狀や均一性、粒子特性とのバランスをとる必要がありました。
スタンフォード大學の研究者らは、スケーラブルで高解像度のr2r CLIP 3Dプリンティングプロセスを開発した。このプロセスでは、1桁マイクロメートルの解像度の光學系と連続フィルムを使用し、さまざまな材料と複雑な形狀を持つ粒子の迅速で可変的な製造と採取を可能にする。この技術により、研究者は、高速生産と材料選択の柔軟性を維持しながら、ミクロンレベルの高精度3Dプリンティングを?qū)g現(xiàn)し、粒子製造の新たな可能性を切り開くことができます。

このスケーラブルな粒子製造技術は、以下のことが実証されている。セラミックスからハイドロゲルマニホールドまで、幅広い分野での製造の可能性この研究は、"Roll-to-roll, high-resolution 3D printing of shape-specific particles "というタイトルで発表され、マイクロツーリング、エレクトロニクス、ドラッグデリバリーへの応用が期待されている。この研究は、"Roll-to-roll, high-resolution 3D printing of shape-specific particles "というタイトルで発表された。

出典：AMReference

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