チタンの新たな時代 (2)

酸素原子のシャッフルプロセスを中断したり、平面滑りの堆積を防ぐナノ構造を促進したりする設計戦略は、より優れた合金を生み出す可能性がある。これらの合金には、特に自動車産業や航空宇宙産業に応用できるだろうとマイナー氏は言う。

低温鍛造ナノ双晶チタン

アンドリュー・マイナー教授はチタンサンプルに液体窒素を注ぎ、研究室でナノ双晶チタンを作成するために使用される低温鍛造プロセスを実演しています。 (写真提供：アダム・ラウ/バークレーエンジニアリング)

これらおよびその他の問題に対処するために、チームはコンピューター モデリング、透過型電子顕微鏡 (TEM)、その他のイメージング手法と実験を組み合わせて利用しています。

「このプロジェクトの良かった点の 1 つは、時には計算学者や理論家が少し先を行っていることもあれば、実験家が先を行っていることもあります」とアスタ氏は言います。 「私たちは頻繁に会い、発見や新しいアイデアについて話し合います。」

たとえば、チタンの酸素感受性に関する研究チームは、アルミニウムと酸素を合金化したチタンの研究につながりました。彼らは、特に摂氏-150度以下の極低温において、少量のアルミニウムを添加することで酸素脆化を解消できることを発見しました。

研究チームによると、適切な量のアルミニウムと酸素により、チタンの結晶構造に新たな秩序が生じ、有害な転位の蓄積や最終的には破壊につながる酸素原子のシャッフルが防止されたという。さらに、アルミニウムの導入によりチタン全体の酸素感受性が低下したため、使用可能な金属を作成するための加工コストも削減されます。

さらに別の研究では、研究チームは1960年代に遡る研究に注目し、多くの金属や合金は、金属の変形中に周期的な電気パルスにさらされると延性が劇的に増加することを示した。しかし、このいわゆる電気可塑性がなぜ真実であるかの根本的なメカニズムは明らかではありません。

「電気可塑性は、金属全体を高温に加熱して同じ成形性を実現するよりも、電気パルスで金属を成形する方がエネルギーが少なくて済むため、冶金加工のコスト削減につながる可能性があります」とマイナー氏は言う。 「興味深いことに、電気可塑性のこの効果は、チタンだけでなく、本質的にあらゆる金属に作用することが示されているという点で普遍的です。」

研究チームは、室温、電流なし、持続時間100ミリ秒の周期的電気パルスあり、定電流ありの3つの異なる条件下で金属の引張試験を実施した。電流を流すと金属が加熱されるため、研究チームは電気のみによって引き起こされる影響と熱によって引き起こされる影響を区別することに懸念を抱いていました。

彼らの結果は、以前の研究よりも小さい周期パルスを使用したにもかかわらず、パルス電流法がチタン合金の引張伸びと最大強度を改善したことを示しました。彼らは、この効果はパルス電流実験にのみ特有であることに注目しています。

TEM を利用して金属の結晶構造の変化を観察すると、その結果は、パルス電流処理が平面滑り転位を抑制することを示唆しています。研究者らは、電気パルスが材料を硬化させ、最終的に高い強度と延性を実現する拡散した 3D 転位パターンを維持することで、平面滑りの発達を妨げることを発見しました。

（つづく）