東大ら，3Dプリンティングで材料強度の向上を実現

東京大学と大阪大学は，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た（ニュースリリース）。

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る。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る。

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った。

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する。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た。

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った。

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るという。

研究グループは，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るとしている。