ニッケル基超合金粉末成形体の焼結における炭素および酸素の挙動に関する解析的研究

Research Project

Project/Area Number	20F40749
Research Category	Grant-in-Aid for JSPS Fellows
Allocation Type	Single-year Grants
Section	外国
Review Section	Basic Section 26050:Material processing and microstructure control-related
Research Institution	Kyushu University
Principal Investigator	品川一成九州大学, 工学研究院, 教授 (30215983)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	HOEFLER THOMAS 九州大学, 工学(系)研究科(研究院), 外国人特別研究員
Project Period (FY)	2020-11-13 – 2023-03-31
Project Status	Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help	¥2,200,000 (Direct Cost: ¥2,200,000) Fiscal Year 2022: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000) Fiscal Year 2021: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000) Fiscal Year 2020: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000)
Keywords	焼結 / フェーズフィールド法 / ニッケル基合金
Outline of Research at the Start	ニッケル基超合金の成形に，金属粉末射出成形（MIM）および焼結法の適用が望まれている．ところが材質制御のために，MIMで用いるバインダー成分および焼成雰囲気が，材料組織に与える影響を把握する必要がある．しかし，MIM成形体の焼結における析出物形成・分解等の化学反応については十分解明されていない．本研究では，焼結中のニッケル基超合金MIM成形体における炭素および酸素の挙動を調査する．実験の他，計算状態図連携フェーズフィールド法を用いた解析も行い，バインダーと焼成雰囲気の材料組織への影響を，実験的および理論的に明らかにする．
Outline of Annual Research Achievements	複雑形状部品の軽量化，コストダウンを実現するために，ニッケル基超合金の成形に，金属粉末射出成形（MIM）および焼結法の適用が望まれている．材質制御のために，MIMで用いるバインダー成分および焼成雰囲気が，材料組織に与える影響を把握する必要がある．本研究では，Ni-Nb-C系のモデル合金を対象に，焼結中の組織形成過程を明らかにすることを目的に，MIM材の焼結実験を行い，微細構造変化を観察した．また，計算状態図連携フェーズフィールド法を用いた焼結過程の解析を行い，組織形成過程を理論的に考察した．焼結実験では，焼結体表面からの炭素と結晶粒径の分布を計測した．その結果，焼結体表面近傍において炭化物が少なくなり，結晶粒が大きくなる傾向が観察された．これを基に，表面においては脱炭がおきることで炭素量が減り，炭化物の分解が生じた結果，粒界移動のピン止め効果が減少して，異常粒成長が起こるという計算モデルを構築した．具体的には，固相において温度変化による炭化物，酸化物の析出（核生成）および分解を記述する二次元フェーズフィールドモデルとなる．フェーズフィールド法の基礎になる自由エネルギー関数は3元系の状態図計算（CALPHAD）で算出可能であるが，計算時間削減と数値的扱いやすさのために，様々な近似関数を用いた．シミュレーション結果は熱力学的予測とよく一致する一方，自由エネルギー関数と空間分解能により不一致が生じることがあり，また，温度により拡散係数が大きく異なるため，数値誤差によるタイムステップの最適化も実施できるようにした．これにより，気孔と緻密化，元素拡散と炭化物の析出・分解，粒界移動と結晶粒成長を考慮した焼結シミュレーションが可能になり，組織形成過程を再現できるようになった．
Research Progress Status	令和4年度が最終年度であるため、記入しない。
Strategy for Future Research Activity	令和4年度が最終年度であるため、記入しない。