電気を一瞬流すだけで金属が強くしなやかに ~数ミリ秒でチタン合金の限界を超える新加工法~

2026-04-15 熊本大学

熊本大学を中心とする研究チーム(九州大学、名古屋大学、浙江大学など)は、パルス電流を用いてチタン合金を瞬時に強靭化する新しい材料加工法を開発した。高密度パルス電流により、電子の流れが原子を直接動かす「非熱的効果」を活用し、わずか数ミリ秒で非平衡な原子拡散と相変態を誘起、結晶組織の微細化・多相化を実現した。その結果、靭性を最大30%向上させつつ、従来の熱処理よりエネルギー消費を半減できることを示した。本手法は航空機材料や人工関節など高性能材料の省エネルギー加工に有望であり、金属材料設計の新戦略として期待される。

電気を一瞬流すだけで金属が強くしなやかに ~数ミリ秒でチタン合金の限界を超える新加工法~
図1 高密度パルス電流による「電子風力(非熱的効果)」が原子を動かし、短時間で相変態と組織微細化を誘起する模式図(従来の熱処理との比較)

<関連情報>

二相チタン合金における電流駆動による不均一な微細構造 Electric current-driven heterogeneous microstructures in dual-phase titanium alloys

Shaojie Gu,Yasuhiro Kimura,Yi Cui,Yasuyuki Morita,Sora Isoi,Chang Liu,Xinming Yan,Bingfeng Ju,Huayong Yang,Yuhki Toku & Yang Ju
Nature Communications  Published:13 April 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-026-70561-6

Abstract

Heterostructures are a powerful strategy for overcoming the long-standing strength–ductility trade-off in structural materials. However, conventional routes to such architectures often rely on complex thermomechanical treatments, limiting scalability and energy efficiency. Here, we report a hierarchical multiphase heterogeneous microstructure in dual-phase titanium alloys, achieved through a single-step high-density pulsed electric current treatment. The resulting architecture comprises 5–6 phases or components across multi-scale from 1 nm to 10 µm, and exhibits a breakthrough in the strength–ductility trade-off, achieving 13.5% and 12.1% higher strength and 13.1% and 14.5% greater ductility for Ti-6Al-4V and Ti-6Al-7Nb, respectively. In-situ transmission electron microscopy and pre-micromachined structure analysis reveal a previously unreported phase transition mechanism: electron wind-driven precipitation of nanoscale α′ martensite within β phases via limited atomic diffusion, accompanied by localized chemical ordering. This work introduces a rapid and energy-efficient processing method, where the entire treatment is completed within milliseconds and the total energy consumption is reduced by more than 50% compared to conventional processing methods. The proposed approach offers a promising route for designing and modifying metallic heterostructures, holding significant implications for next-generation structural materials.

0703金属材料
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