オハイオ州立大学の研究：工学的結晶欠陥が化学組成を変えずに2種の合金を強化

オハイオ州立大学の研究者が主導するチームは、意図的に導入した結晶欠陥を密な秩序ネットワークとして配列することで、化学組成を変えることなく2種の金属合金を強化できたと報告した。この査読付き論文は今週Scienceに掲載されたと大学のニュースリリースが伝えている。共著者にはドイツのエアランゲン・ニュルンベルク大学と米カリフォルニア州のローレンス・リバモア国立研究所の研究者が含まれる。

この手法は2段階からなる。研究チームはまず、ニッケルを含む超合金とクロム・タングステン合金という2種のコバルト基材料の結晶を変形させ、次に熱でゆっくり時効処理した。リリースによると、これにより構造内部に密な原子レベルの薄い特徴が生成された。TechXploreが引用した論文のタイトルでは、これらを秩序化された2次元欠陥相と表現している。透過型電子顕微鏡とコンピュータシミュレーションを用いて、チームは強度向上をこれらの欠陥周囲の原子配列と関連づけた。リリースは、その配列を変えることで材料の強度に影響を与え得ると述べている。

リリースによると、このプロセスは金属が耐えられる応力と高温でのクリープ（緩慢な変形）への耐性の両方を著しく向上させた。筆頭著者でオハイオ州立大学材料科学工学の非常勤助教授であるAndreas Bezoldは、工学的欠陥の層が従来の材料設計を補完できる可能性を結果が示唆していると述べた。「これらの強化構造を材料設計の意図的な一部にしたかった」と同氏は語った。この研究は、変形中に形成された欠陥が強化層になりうることを示した以前のオハイオ州立大学の研究を基盤としている。リリースは、この新手法が欠陥密度を十分に高めてこれらの合金を完全に強化した初の試みだと説明している。

共著者でオハイオ州立大学材料科学工学教授のMichael Millsは、欠陥は通常損傷と結びつけられるが「適切な構造と化学的性質を持つ適切な欠陥は、実際に材料をより強くすることができる」と述べた。リリースは、このアプローチが将来的に高温にさらされる機器用の高強度合金の製造に使用できる可能性があるとし、航空機タービンエンジンや発電所の機械を例として挙げたが、これを将来の可能性として位置づけている。現時点では、チームの貢献は工学における設計原理を拡大することだとしている。

この結果は2種の特定の合金に関する単一の査読付き研究から得られたものである。リリースは産業試験、部品テスト、定量的な強度数値を報告しておらず、実用化の時期も示していない。資金は米国エネルギー省と全米科学財団から提供され、アレクサンダー・フォン・フンボルト財団とオハイオ州立大学の電子顕微鏡・分析センターからも支援を受けた。