金属間化合物は強度が高く融点も高いが、室温ではもろく、使える場面が限られてきた。
2026年6月19日付で学術誌『Science Advances』に掲載された米パデュー大学のチームの論文は、コバルト・アルミ(CoAl)の薄膜で、このもろさを小さな試料の範囲で克服できることを示した。
CoAlの薄膜から削り出した微小な柱は、圧縮試験で降伏強度6ギガパスカル(GPa)を超え、圧縮塑性ひずみは15%を超えた。
パデュー大は、この降伏強度を高強度構造用鋼のおよそ6〜10倍と説明している。
鍵になったのは、結晶の原子配列のズレであるディスロケーションを作製時にあらかじめ多く入れておくことと、変形すると部分的に結晶化する非晶質の界面の枠組み(FAI)を組み合わせたことだ。
キク研究者たちがいろいろ工夫してきたのに、どうしてコバルトとアルミの合金のもろさは直せなかったんだろう?
もろさが金属間化合物の使い道を狭めてきた
金属間化合物は、2つ以上の金属元素が規則正しく並んだ固体材料だ。並外れた強度と高い融点を持ち、クリープ(高温で力がかかり続けるときにゆっくり進む変形)にも強い。
こうした性質から、ジェットエンジンやガスタービンなどへの利用が期待されている。
Xinghang Zhang教授は、バルクのCoAlが航空機用ガスタービンエンジンの次世代のタービン翼材料に使える可能性があると述べている。
ところがバルクのCoAlは室温で特にもろい。論文は、CoAlをB2型のアルミニウム系金属間化合物のなかで最ももろいものの一つとしている。
これまで研究者たちは組成を微調整したり、微細な組織を制御したり、他の素材と複合化したりして粘りを出そうと試みてきた。
しかし成果は限られていた。パデュー大の説明では、金属間化合物の内部に高密度のディスロケーション(結晶の並びのズレ)を十分に作れなかったためだという。
「欠陥」という言葉は弱点を連想させるが、ディスロケーションは、金属が強い力を受けても壊れずに変形するのを助ける。
CoAlが室温で塑性を示すには、これが大量に必要だという。
金属を『蒸気から作る』非平衡プロセス
今回の研究の第一歩は、CoAlの作り方そのものを変えたことだった。金属は普通、原料を高温で溶かしてから冷やして固める鋳造(キャスティング)で作られる。
パデュー大チームが用いたのはマグネトロン・スパッタリング蒸着と呼ばれる非平衡プロセスだ。
合金の蒸気から基板の上に固体をつくる方法で、論文ではシリコン基板の上に、厚さ100ナノメートルのCoAlと厚さ10ナノメートルのAlの多層膜(全体で厚さ約2マイクロメートル)を作っている。
Zhang教授によると、この方法では、鋳造より多くのディスロケーションをCoAlの中に入れられる。
研究の責任著者を務めたパデュー大材料工学スクールのXinghang Zhang教授は「この非平衡の作り方では、合金の蒸気から固体をつくるので、CoAlにかなりの数のディスロケーションを導入できる。鋳造では実現できない大きな強度と塑性を、CoAlで達成できた」と説明する。
アモルファス界面の枠組み(FAI)
できあがった膜では、ナノ結晶のCoAlの間に、原子の並びが乱れたアモルファス(非晶質)の界面が走っている。この界面はAlに富み、組成はAl-25原子%Coと測定された。
研究チームはこの界面の枠組みを、FAI(framework of amorphous interfaces)と呼んでいる。
変形すると結晶化するアモルファス界面
比較のため、FAIのない厚さ約2マイクロメートルのナノ結晶CoAl(柱状)も試された。降伏強度は5.5GPaを超えたが、降伏後に荷重が大きく下がり、座屈と結晶粒の微細化を伴った。
論文は、高い強度と室温での変形しやすさは、FAIとあらかじめ入れたディスロケーションの協調効果によると結論している。
変形が始まると、アモルファスのFAIの一部が結晶化する(変形誘起結晶化)。
論文は、これがディスロケーションの発生源になり、生まれたディスロケーションがCoAlの中へ広がって変形を受け止めると述べる。
FAIはナノ結晶のCoAlの粒の形の変化にも対応し、粒界での破断(粒界破壊)を防いで、変形を均一にしたと論文は述べる。
粒界は、金属間化合物で割れの起点になりうる。
電子顕微鏡の元素分析では、Alに富むFAIが水平方向と縦方向の両方に走っているのが確認されている。
顕微鏡の中で微小な柱を潰す
研究チームが用いたのはマイクロピラー圧縮試験だ。
直径1マイクロメートル、高さ2マイクロメートルの柱を集束イオンビームで削り出し、ダイヤモンド製の平らな圧子で上から圧縮していく。
その一部始終は走査型電子顕微鏡(SEM)の中で観察された。マイクロメートル精度で変形の様子を追いかけながら、応力とひずみの関係が計測される。
実測した強度と変形量
結果は次の通りだ。降伏強度は6 GPaを超え、その後の加工硬化で応力は8.5 GPa付近まで登り続けた。それでも室温での圧縮塑性ひずみは15%を超えた。
パデュー大の説明では、この降伏強度は高強度構造用鋼のおよそ6〜10倍にあたる。
柱は15%まで圧縮されても、せん断帯や座屈、破断のような不安定な変形を示さず、上端がふくらむように均一に変形した。
比較した単結晶CoAlは、荷重の途中低下とせん断帯を伴って不安定に変形した。
論文は、この試料を、これまでに報告されたB2型金属間化合物のなかで最も変形しやすいものの一つと位置づけている。
第一著者のKe Xu氏は「この超高強度と優れた塑性の組み合わせにより、今回のCoAlナノラミネート系は、これまでに報告された金属間化合物系のなかでも最良のものの一つといえる」と説明する。
原子スケールのシミュレーションが示した変形
米ヒューストン大学のYashashree Kulkarni教授と博士課程のAnand Mathew氏が、分子動力学シミュレーションで原子レベルの過程を調べた。
シミュレーションの試料は、直径23.4ナノメートル、高さ46.4ナノメートルの柱で、約165万個の原子を含む。
実験の柱よりはるかに小さい。
シミュレーションでは、圧縮が進むとFAIの一部が結晶化し(BCC型に似た局所構造)、その結晶化した領域からディスロケーションが放出されて、CoAlの中へ広がった。
あらかじめ入れたディスロケーションは、別のディスロケーションの動きを妨げながら増え、蓄えられていくと、シミュレーションは示した。
論文は、これが加工硬化と大きな塑性につながると述べる。
ジェットエンジンの材料候補
Zhang教授は、塑性変形できる高強度のCoAl合金なら、エンジンのタービンがより速く回り、大きな遠心力に耐えながら性能を高められるだろうと述べている。
もろさが減れば製造しやすくなり、より複雑な構造の部品を作れる可能性があるという。
パデュー大は、応用先として航空宇宙、エネルギー、防衛の分野を挙げている。
もっとも、今回の試料は厚さ約2マイクロメートルの薄膜で、そこから削り出した微小な柱で試験している。タービン翼のような大きな部材で同じ強さと粘りが出るかは、この実験だけでは分からない。
パデュー大は次の段階として、産業規模で作れるバルクのCoAlナノ複合材に同じ考え方を適用する予定で、他の金属間化合物でもFAIが使えるかも試すという。
論文は、この方法がもともともろい材料の多くに室温での粘りをもたせる手段になりうる、と結んでいる。ただし、実際に確かめられたのはCoAlだけだ。
比較に使った単結晶のCoAlは、ディスロケーションがほとんどない試料です。
キク原子の並びのズレが金属の変形を助けてたなんて、意外だった。でも確かめられたのは小さな柱だけだから、大きな部品でどうなるかが気になる。
参考文献:
一次ソース: Ke Xu et al., Plasticity in brittle intermetallics enabled by framework of amorphous interfaces and preexisting dislocations（Science Advances, 2026）DOI:10.1126/sciadv.aeb0766
論文全文(PMC): PMC13274621
研究機関: パデュー大学 材料工学スクール（米国） ／ 二次ソース: ScienceDaily
