材料科学：超長尺単結晶および構造設計された単結晶の積層造形

単結晶材料は高性能用途に不可欠であるが、従来の製造技術が厳密な準定常熱状態に依存しているため、その展開は依然として制約されている。この要件は、積層造形に特有の周期的な激しい熱変動と根本的に相いれず、これまで大型単結晶や構造設計された単結晶の三次元（3D）プリンティングを妨げてきた。今回我々は、精密に制御された、高入熱と低入熱を交互に繰り返すパルス入熱を用いて単結晶の成長を制御し、その方向を誘導することによってこの矛盾を解消する、自由形状の積層造形法を提示する。我々は、この方法を用いて、高さがメートル級、直径がセンチメートル級の単結晶Ti-6Al-4Vの作製に加え、我々が知る限り初めてとなる、複雑なジグザグ状リガメントを含む単結晶格子構造の作製を実証し、単結晶構成要素の理論的なサイズの制約を実質的に取り除いた。得られたバルク単結晶Ti-6Al-4Vは、標準的な結晶粒径スケーリングが予測する値よりも1桁高い耐クリープ性を示した。これは、粒界の除去と、積層造形によって生じ、転位密度・転位移動度・空隙の発展を調節する階層的α/β構造との相乗効果によって駆動されていた。さらに我々は、タングステン（W）、モリブデン（Mo）、ニオブ（Nb）、MoNb合金など、加工が難しい高融点金属の単結晶を造形することによって、この技術の幅広い応用可能性を実証した。今回の研究は、単結晶の積層造形を大規模に行う方法を提示するもので、利用可能な材料のライブラリーを拡張するとともに、古典的な方法では実現できなかった高性能で複雑な形状の作製を可能にする。

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