Establishment of the technique to consolidate powder into three-dimensional shape by the shearing plastic deformation
| Project/Area Number |
19K22042
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 26:Materials engineering and related fields
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| Research Institution | Ishinomaki Senshu University (2022)
Tohoku University (2019-2021) |
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Principal Investigator |
三木 寛之 石巻専修大学, 理工学部, 教授 (80325943)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
Fiscal Year 2020: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
Fiscal Year 2019: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
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| Keywords | 構造・機能材料 / 機械材料・材料力学 / 粉末プロセス / 表面・界面物性 / 材料設計 |
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| Outline of Research at the Start |
近年、高い造形自由度と簡便さから金属の三次元造形技術が革新的手法として注目を集めている。この手法はレーザー等で金属粉末を融点近傍の温度まで加熱し、準固相状態で粉末の接合を行っているが、プロセス温度が高く熱変性や酸化物の形成が避けられないため、プロセスの低温化が望まれている。本研究では、この課題に対して加熱の代わりにせん断力による粉末の変形や粉末間の摩擦によって、融点より十分に低い温度で粉末を固化するせん断塑性変形による手法を提案し、圧縮力とせん断力の同時付与の過程で粉末が接合する手法を応用した粉末の三次元造形技術を確立することを目指している。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本課題は金属粉あるいは金属などの固体材料の混合粉に圧縮荷重を与えた状態で圧縮荷重とは異なる方向にせん断力を加えることにより、原料粉末同士の接合（固化）と成形体内の結晶粒の微細化が同時に可能となる成形手法の高度化に関する研究である。この粉末固化手法は、従来のレーザー加熱や衝撃などの高エネルギー加工プロセスとは異なり、２軸応力を連続して付与することにより粉体を溶融せずに固化する特徴を有することが特徴であるが、本研究では粉末粒子間で起こる準静的過程を詳細に制御することによって、こすり合わされた粉末原料が互いに接合する現象をモデル化し、個々の接合現象を立体造形に展開するための基礎技術の獲得を目指している。研究初年度は金属粉末の固化条件ならびに成形体の機械的特性に影響を与える結晶組織と成形条件を検証し、粉末の力学的プロセスと成形体のマクロ特性パラメータの相関を明らかにした。研究２年度には、成形条件による形成される微細組織の違いに着目し、せん断応力の付与過程が粉末の接合に及ぼす影響を評価した。また、混合素粉末成形体における原子拡散と合金組織の形成について、常温・加熱プロセスを併用した多段成形プロセスによる結晶粒界制御ならびに難成形金属の塑性接合の検証により、ミクロな粒子間接合現象とマクロな材料特性の観点からその可能性について明らかにした。研究３年度には本手法と他の粉体成形手法や強ひずみ加工による粒子の接合性について検証し、押出成形の手法を応用することによって従来よりも厚みのある成形体作製の可能性を見出した。研究４年度には、成形プロセスにより導入されるせん断ひずみ量と機械的特性の相関について、成形温度による成形性や成形体の材料特性の違いから調査した。常温成形と温間成形を組み合わせた手法で固化成形を行い，温間成形と酸化物生成の抑制が成形体への大ひずみ導入に有効であること明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
初年度研究の実施により、せん断塑性変形による薄板材成形可能条件の抽出及び材料組織の微細構造分析行い、機械的特性に影響を与える結晶粒微細化条件等の特性パラメータを得ることが出来た。研究２年度は、初年度の結果を粒子間の接合状態が異なる材料系に適用し、接触面に形成される粒子接合界面の組織制御を目的とした研究を行うことにより、異種金属間の原子拡散に対する加工複合組織の影響について明らかにした。従来の金属の三次元造形で問題とされている成形時の温度上昇による材料の軟化や粒子間での原子拡散などの材料特性劣化をもたらす複合的な要因を制御要素として切り分け、加熱を含む成形プロセスの改良による酸化膜抑制と再結晶化を考慮した結晶制御の指針を得ることができた。３年度は粉末の三次元構造形成技術開発への取り組みとして、成形材の板厚制御に取り組み、従来手法をベースにした改良プロセスを提案し、成形材の板厚増加に成功した。せん断塑性変形による粉末の立体造形における課題である粉末への均一加圧と圧力散逸について、プロセスを多段化し粉末の流動性を抑制するとともに粒子の移動方向を制御することによって３次元的な粒子接合の手法を提案することができた。４年度は塑性変形と機械的特性の制御を目的として、温間成形の併用により成形時に導入されるせん断ひずみ量を増やす手法を見出した。三次元構造形成にはより多くのせん断塑性変形の導入が必須であるが、技術的に上限があり装置の持つ力を効率よく伝達するプロセスと成形性の両立を実現した。しかし、年度当初からコロナウイルス感染症蔓延による行動制限などの影響もあり全体計画に遅れを生じたため、当該研究進捗状況であると判断している。尚、期間に遅れは生じたものの計画には概ね則した成果を得ていることから、全体計画に変更は生じない。
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| Strategy for Future Research Activity |
研究５年度においても４年度と同様に進捗に遅れが出たものの、概ね順調に研究を実施していることから、補助事業期間の延長に際しては当初研究計画を継続して実施する。本課題の実施によりこれまでに得られた知見により、実用性のある原理の解明が開発手法の産業利用には重要であり、本手法を利用した立体造形が3Dプリンティングに代表される新たなAM技術(Additive Manufacturing)手法となり得る可能性を明らかにしたい。本課題における材料プロセスは原料となる粉末を高温で溶融せずに固相のままで成形体に加工することが特徴であり、従来高温プロセスを必要としていた粉末冶金手法や熱を好まない材料を用いた新材料開発への適用範囲拡大の可能性を検証する。したがって、今後は現在提案されている様々な積層造形法やコールドスプレー法といった粉体をベースにした材料作製法と結晶粒微細化が特徴の強ひずみ加工技術との間で材料特性や成形手法を比較し、局所塑性加工による粉末接合の有効性と基本原理を明らかにする。具体的には、①粒子間接合のモデルの構築（微細組織分析により結晶粒の接合状態を分析し、せん断力による粒子間接合と原子の拡散状態をモデル化）とともに、②三次元造形プロセスの確立（得られた現象論パラメータを用い、三次元構造体を作製する）を目指した研究を実施する。
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Report
(4 results)
Research Products
(39 results)
