TiH2封入を伴う摩擦攪拌加工によるAl–Mg合金フォームの高度な合成と多面的特性評価

より軽い金属が重要な理由

飛行機や電気自動車からノートパソコンや保護具に至るまで、現代の多くの技術はより軽く、かつ強靭な金属の恩恵を受けます。有望な材料群の一つが金属フォーム――微細な空隙で満たされた固体で、言わば金属のスイスチーズのようなものです。本論文は、一般的な工学用合金と制御された固相プロセスを用いて、強くて軽いアルミニウムフォームをつくる新しい手法を探ります。これにより、より安全な車両、効率的な冷却システム、衝撃を吸収しつつはるかに軽量な構造の実現が期待されます。

固体金属をフォームに変える

研究者らは、低密度で耐食性と十分な強度を備えた広く使われる合金Al-5052に着目しました。溶融金属を発泡させるのではなく、固体のアルミ板から始め、摩擦攪拌加工（friction stir processing）という方法を採用しました。回転する工具を押し付けながら板に沿って動かし、細粉のチタン水素化物（TiH₂）を詰めた溝を攪拌します。工具を4回往復させることで、これらの粒子を板中の一帯に均一に分散させました。後で加熱すると、TiH₂が軟化した金属内部でガスを放出し、内部から膨張してフォームを生成します。

新材料の内部を覗く

プロセスが意図した通りに機能したかを確認するため、研究チームは複数の観察・分析手法を用いました。光学顕微鏡や電子顕微鏡により、チタン含有粒子が均一に広がり、凝集がほとんど見られないことが示されました。激しい攪拌により元の大きなアルミ粒が非常に微細化され、通常は金属の強化につながる変化が起きていました。X線回折測定ではアルミの結晶構造が保持されており、チタン含有相が存在することが確認され、発泡剤が加熱前に合金内へ埋め込まれ保持されていることが示されました。

強く、硬く、しかし加工性は維持

材料をフォーム化する前に、研究者らは摩擦攪拌加工が機械的性質に与える影響を評価しました。処理されたアルミニウム帯域は、引張強さ（ultimate tensile strength）が約263メガパスカルからほぼ319メガパスカルへ――約21％の増加を示しました。硬度も同程度（約21％）上昇しました。この強化は、微小で硬い粒子と微細化した結晶粒が金属内部の欠陥の移動を妨げることで生じる伸びの若干の低下を伴います。実務的には、処理された合金帯域は荷重を負担しへこみを抵抗する能力が高いより頑丈で硬い“皮膜”となり、前駆体材料としても、最終的なフォームのセル壁としても有用です。

フォームと孔の形づくり

準備されたサンプルは炉で二つの条件で加熱されました：725℃で12分、もう一つは750℃で8分です。いずれの場合もTiH₂は分解して水素を放出し、軟化したアルミニウム内部に閉じ込められて丸みを帯びた孔を形成しました。顕微鏡観察では比較的均一な孔ネットワークが確認されました。725℃では平均孔径が約256マイクロメートル、750℃ではやや小さく約219マイクロメートルで、温度と時間の慎重な選択によってフォームの外観と挙動を調整できることを示唆しています。化学マッピングは大部分のTiH₂が分解しており、セル壁にはチタンやチタン–アルミニウム化合物、それに発泡中の安定化に寄与する酸化物相が残留していることを示しました。

大きな可能性を秘めた軽量ブロック

発泡サンプルの重量と体積を測定した結果、密度は約1,266 kg/m³で、固体のAl-5052のおよそ半分以下、空隙率は約53％でした。これらのフォームは、低重量、強度、エネルギー吸収のバランスが求められる工学用途において理想的な領域に位置します。本研究は、摩擦攪拌加工が発泡剤を安定的に埋め込み、溶融させることなく制御された孔径と分布を持つ高品質なアルミニウムフォームを作製できることを示しています。専門外の読者にとっての要点は、強くて軽い金属スポンジをよりクリーンかつ制御しやすい経路で作れるようになり、今後のより安全な自動車、効率的な航空機、より優れた熱管理システムの構築に寄与し得るということです。

引用: Rathee, S., Nabi, S., Srivastava, M. et al. Advanced synthesis and multifaceted characterization of Al-Mg alloy foams reinforced with TiH₂ incorporation through friction stir processing. Sci Rep 16, 11568 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38973-y

キーワード: アルミニウムフォーム, 軽量材料, 摩擦攪拌加工, チタン水素化物, 航空宇宙構造