チタンの新たな時代 (3)

ナノ双晶チタン

(続き)

つい最近、材料科学と機械工学の教授であるマイナー・リッチー教授とロバート・リッチー教授は、安価で引張強度と延性がより優れた金属を生み出す純チタンを製造するための先駆的なバルク加工法を開発しました。

TEAM I電子顕微鏡のそばに立つダリル・クルザン教授、マーク・アスタ教授、アンドリュー・マイナー教授

バークレー研究所国立電子顕微鏡センターのチーム I (透過型電子収差補正顕微鏡) プロジェクトに携わる材料科学および工学教授 (左から) ダリル・クルザン、マーク・アスタ、アンドリュー・マイナー。 (写真提供：アダム・ラウ/バークレーエンジニアリング)

合金とは別に、構造用金属を強化するもう 1 つの方法は、熱や圧延やプレスなどの機械加工を使用して、金属を構成する結晶 (結晶粒とも呼ばれる) のサイズを調整することです。粒子サイズをサブマイクロメートルまたはナノメートルまで縮小することにより、研究者は、いわゆるナノ双晶構造、つまり整列した結晶構造によって引き起こされる金属の欠陥を導入することができます。ナノ双晶構造は、平面滑りに対する障壁として機能するため、強度が向上し、破損のリスクが低下します。ナノツイン構造の間隔と配向を調整することで、機械的特性をさらに最適化できるとマイナー氏は言う。しかし、これを行う従来の方法は簡単でも安価でもありません。

その代わりに、Minor 氏、Ritchie 氏らは、極低温機械プロセスを利用して純チタンに複数のナノ双晶構造を導入しました。彼らは、液体窒素中で 3 つの側面に沿ってプレスされた立方体形のチタン片を使用しました。マイナー氏によると、穏やかな圧縮によってナノ双晶構造の密度が制御され、金属の初期の粒子構造を維持しながら強化されるという。何よりも、このプロセスは高熱に依存せず、現在よりもはるかに幅広い用途にチタンを製造するためのより持続可能な方法である可能性があります。

極低温鍛造材料の機械的特性、特に強度と延性は、極低温だけでなく非常に高い温度でも維持されます。マイナー氏は、ナノ双晶チタンの性能は、極度に高温のジェットエンジンや極度に低温の動作環境などに最適であり、超電導磁石の止め輪、液化天然ガスタンクの構造部品、その他の用途に使用されることを示唆していると述べた。深海または深宇宙環境にさらされる。

新しい商用グレードのチタン製造プロセスが近いうちに大規模化されるのではないかとの質問に対し、マイナー氏は「なぜそうしないのか?」と答えた。現在使用されているクロールプロセスのようなことを行うのはより困難であり、材料を電気的に絶縁する必要があり、プロセス全体で大量の電力が必要になります。 「そして、この低温鍛造は、単に物を浴槽に入れるだけです。」