蘭州理工大学研究チーム、レアアース複合マスターアロイで主要なブレークスルーを達成

冶金・環境工学部の研究チームが、低共晶アルミニウム-シリコン合金の性能制御において顕著な進歩を遂げました。同チームは、微量の添加のみでアルミニウム合金のミクロ構造と機械的特性を大幅に向上させる新規Al-Ti-La-Sr複合マスター合金を開発しました。この研究成果は、希土類材料および非鉄金属冶金分野の主要な国際ジャーナルである「Journal of Rare Earths」に掲載されました。同誌は、2024年のインパクトファクター「7.2」を持つCASゾーン1トップジャーナルに分類され、国際材料科学コミュニティにおいて広範な学術的影響力と産業界でのリーダーシップを有しています。本論文の筆頭著者は冶金・環境工学部の丁万武研究員であり、丁万武研究員と安佳志講師が共同責任著者として名を連ねています。産業界の課題

Al-7Si-0.3Mgなどの低共晶アルミニウム-シリコン合金は、自動車エンジンや航空宇宙用途を含むハイエンド機器の軽量構造部品の主要な基盤材料です。しかし、その鋳放しミクロ構造は、粗大なα-Al粒と針状（針状）共晶シリコンの分布に悩まされるのが一般的です。これらの問題は、引張強度と延性の低さにつながり、高性能アルミニウム合金に対するハイエンド製造の厳しい要求を満たすことが困難になっています。従来の改質技術では、結晶粒微細化とシリコン相改質の組み合わせ処理が用いられることがよくあります。しかし、TiとSrの元素は拮抗作用を示す傾向があり、性能向上が限定されるだけでなく、添加量が増加しコストも上昇します。

革新的なソリューションとメカニズム

業界におけるこの一般的な課題に対処するため、研究チームは革新的にAl-Ti-La-Sr希土類複合マスター合金を開発し、従来の元素間の相互干渉によって引き起こされる技術的ボトルネックを克服しました。本研究では、合金中に形成されるTi₂Al₂₀La希土類相が二重の役割を果たすことが発見されました。一方では、効率的な不均一核生成サイトとして機能し、α-Al粒を大幅に微細化します。他方では、TiとLaの放出とSrとの相乗効果により、共晶シリコンの針状から球状への形態変化を促進し、ナノスケールの二次相の均一な析出を促進します。これにより、結晶粒微細化、シリコン相球状化、ナノ相強化を組み合わせたマルチスケール相乗強化メカニズムが確立されます。実験結果は、新しい複合マスター合金の微量添加（≤0.2%）で、Al-7Si-0.3Mg合金の引張強度が32%以上、降伏強度が44%以上、伸びが95%以上、マイクロ硬度が26%以上増加することを示しています。全体的な性能は、従来のAl-Ti-B + Srプロセスよりも大幅に優れており、元素の拮抗作用、高添加量、限定的な性能向上という業界の主要な痛点を効果的に解決しています。

主な性能向上（≤0.2%添加時）

今後、研究チームは、低コストで効率的なマイクロナノ希土類相マスター合金の調製、ワイヤー製造、および工学応用に取り組む予定です。チームは、これらの研究成果の転換と普及を加速し、新エネルギー車、ハイエンド機器製造などの分野における軽量材料の技術的アップグレードを支援し、中国の非鉄金属材料産業の質の高い発展に貢献することを目指しています。

出典：冶金・環境工学部