9月 23, 2024

ニッケル銅征服

チェイス・シーリーはSPEE3Dの積層造形研究エンジニア。材料科学と工学の修士課程を修了し、付加製造ステンレス鋼に関する論文を執筆。

SPEE3Dでは日々、コールドスプレー積層造形（CSAM）の可能性を広げようとしています。

また、新素材開発の最前線にいる者として、特にサブセーフ・マテリアルは、研究エンジニアが新しい金属や合金を製造用に認定する際に直面する課題について話すことができる。

銅ニッケルがその好例だ。

海軍海洋システム司令部（NAVSEA）はSPEE3Dに銅ニッケル合金の具体的な要求を持ちかけた。銅ニッケル合金は強度、延性、耐腐食性のバランスが完璧であり、海上で使用される船舶や機器に適しているため、70年近くにわたり密接に協力してきた素材である。

しかし同時に、銅ニッケル鋳物はしばしば高い脱落率を示し、その結果、非常に長いリードタイムを必要としない鋳造所では製造できない。

鋳物製造を内製化することで、海軍はこうした長いリードタイムを効果的に解消することができる。CSAMは理想的なソリューションでした。

しかし、合金を作るのは簡単なことではなかった。

その理由を理解するためには、そもそもコールドスプレー添加剤がどのように金属部品の製造に使われるのかを少し知る必要がある。

典型的なコールドスプレー・プロセスでは、原料粉末をSPEE3Dプリンターに装填し、超音速で基材に吹き付ける。印刷された部品は、炉で加熱され、焼結され、目的の合金が作られます。

場合によっては、熱間等方圧プレス（HIP）を使ってガスで圧力を加え、部品に3万psiの力を均等に加えることもある。

これにより、加熱された金属中の気孔を閉じることができ、材料の延性、性能、信頼性を脅かす酸化物を粉砕できる可能性がある。

熱処理を終えた部品は、次に冷却しなければならない。炉に入れたままゆっくり冷却するか、冷水で「急冷」して微細構造を素早く固定するのが、一般的な2つの方法である。

しかし、ステンレス鋼のような一般的な付加製造材料の印刷、熱処理、冷却方法については、文献にはっきりと書かれているが、銅ニッケルについてはあまり書かれていない。

そのためにCSAMの熱処理公式を作るには、未知の領域をナビゲートする必要がある。

最初の課題は原料そのものでした。他の材料とは異なり、銅ニッケル原料は純粋な元素のブレンドであり、熱処理工程を経て最終的な合金に均質化されます。

適切な元素の組み合わせを見つけるためには、単純に実験するしかなかったし、それぞれの実験が成功するかどうかは、それぞれの部品が加熱と冷却を経なければ判断できなかった。当然、それには時間がかかる。

操作の順番については、さらなる実験が必要だった。

まず、加熱した部品を炉内に放置してゆっくり冷やしたため、組織に巨大な硬化析出物が生じ、部品がもろくなりすぎた。

その後、冷却プロセスを促進するために加熱した部品を急冷しようとしたが、そうすることで組織内に硬化析出物が形成されなくなった。

このため、部品は延性が高すぎた。

最終的には、熱間静水圧プレスをかける前に銅ニッケル部分を均質化し、冷却速度を適度に調整することで、強度と延性の適切なバランスをとり、望ましい微細構造を作り出すことができた。

しかし、私たちの仕事は続いている。

私たちは銅ニッケルを付加製造する正しい順序を確立することに成功しましたが、再現性の証拠を示す過程にとどまっています。 

材料をミルスペック規格で検証し、あらゆる検証テストに合格することを示し、何十回も連続して一貫した品質を確立する。

つまり、プロセスを最適化し、さまざまな重要な用途で使用される従来から製造されている部品を安全かつ確実に代替できる材料粉末を提供するには、やるべきことがたくさんあるということだ。

銅ニッケルが私たちの主な焦点ですが、私たちの能力を広げ、多様な産業界のニーズに応えるため、材料科学における新たな地平を常に模索しています。