| Project/Area Number |
21K18811
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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 | Ibaraki University |
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Principal Investigator |
田代 優 茨城大学, 理工学研究科(工学野), 准教授 (90272111)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
永野 隆敏 茨城大学, 理工学研究科(工学野), 講師 (70343621)
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| Project Period (FY) |
2021-07-09 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2021: ¥5,330,000 (Direct Cost: ¥4,100,000、Indirect Cost: ¥1,230,000)
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| Keywords | 異種金属間接合 / Cu-Al / 摩擦撹拌接 / 金属間化合物相 / 合金相 / 回復・再結晶 / 粒子法 / 接合強度 |
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| Outline of Research at the Start |
空隙や欠陥等の材料不連続部を含めた接合界面における温度と圧力を予測することが可能な粒子法をこのFSWのシミュレーションに用いれば接合条件、接合部組織および接合強度の相互の関係を支配する熱や熱に支配される物性値を特定できる可能性があることに着目した。本研究では、電池電極として高信頼・高強度の接合が期待されているCu-Al異種金属材料のFSWによる接合部組織の定量的な組織観察結果と粒子法による接合部組織の再現シミュレーション結果の比較・評価を行い、接合部の温度分布や塑性流動を支配する接合パラメータを明らかにすることで「Cu－Al異材金属材料の基礎的摩擦攪拌接合メカニズムの解明」を行う。
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| Outline of Annual Research Achievements |
一般に流体に適用されてきた粒子法を拡張して高粘性流体という概念を溶融する前の金属状態にある摩擦撹拌接（Friction Stir Welding以下FSWと略す）時の接合部に適用することを着想した。この概念を接合部付近の空隙や欠陥等の材料不連続部を含めた接合界面に適用することで、従来の実験的手法や有限要素法等では測定・算出が難しかった接合界面における温度と圧力を予測することが可能となると考えた。さらに、このシミュレーションの手法では、接合条件、接合部組織および接合強度の相互の関係を支配する熱や熱に支配される物性値を特定できる可能性があることにも着目した。
本研究では、電池電極として高信頼・高強度の接合が望まれるCu-Al異種金属材料をFSWによって接合した組織について定量的な観察結果と粒子法による接合部組織の再現シミュレーション結果の比較・評価を行うことで、接合部の温度分布や塑性流動を支配する接合パラメータを明らかにする。
2022年度において、接合部の定量的な組織観察については、2021年度に実施した高精度の画像データの収集及び画像処理ソフトを用いて、接合界面長さ、接合界面の状態、結晶粒径およびその分布、欠陥の形態及び分布について更に測定点を増やして詳細な定量評価を行った。また、2022年度当初に予定していた ④接合部の詳細な組織観察を行った部分の硬さ試験によって評価を行い、組織との関係を調べた。粒子法についての検討項目では、計算機によるシミュレーション環境の高速度・高性能化のため、計算機高速化デバイス（GPU）や解析ソフトウェアの拡充を行った。金属の軟化温度付近における粘度をビッカース硬さ試験の再現したシミュレーションから決定し、粒子法によるAl-Cu接合のシミュレーションを行った結果、AlとCuの撹拌する様子（粒子分布）と、接合時の温度（温度分布）を可視化した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
厚さ2㎜のCuおよびAl冷間圧延材に接合条件を変えてCu-Al突合せFSWを実施して6種類の接合試料を作製した。これらの試料の接合部断面について、結晶粒径やその分布等を詳細に定量的な観察・分析を実施した。(担当：田代優）その結果、接合部の組織における主要な接合界面長さ、接合界面の状態が明らかとなった。基本的に結晶粒径の大きさは、Al、Cu共にプローブの直下及び近傍では、接合時のツール回転数（入熱量）に比例して大きくなる傾向があることが分かった。また、プローブ近傍のAl組織では、① FSWに用いるツール（プローブ）による摩擦熱と機械的撹拌の影響を大きく受け軟化した組織、② ①の組織から熱と撹拌によって軟化した組織による圧縮を受けた組織及び、③ ①及び②の組織から伝搬した熱のみが素材の組織に影響した組織から構成されていることが分かった。さらに、これらの組織観察を実施した試料表面にビッカース試験を実施した。(担当：田代優）その結果、Al及びCu共に接合時のツール回転数が低い場合（800rpm）、接合部から母材側へ行くに従い母材の硬さに近づくこと、高い場合（1000rpm）では、十分な摩擦熱の影響で結晶粒径が粗大化・軟化していることが分かった。
粒子法によるFSW高粘性金属モデルの構築（担当：永野隆敏）金属の軟化点付近の粘度を考慮した粒子法モデルの骨格を作成し、高粘性流体を表現する値にパラメータを設定するうえ高速・大容量データ処理が可能なシステムを構築した。一方、③接合部組織と高粘性流体パラメータの相関を検証（担当：永野隆敏・田代優）及び①にて取得した接合界面長さ、接合界面の状態、結晶粒径分布等の接合部断面観察がコロナ禍で遅れたため、粒子法シミュレーション結果との比較・評価からシミュレーションの精度の向上と測定が困難な物性値等の問題的な解決は、2023年度に実施予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
2021年度の本研究申請の採択が2021年度9月上旬となったため、2021年度は、当初の研究計画より3か月程度遅れていた。その後、コロナウイルス感染拡大の影響を受け、本学でも研究室の研究時間及び入室人数等の制限が長期にわたって実施されたため、本研究の進捗の低下を招いた。
したがって、2023年3月13日付で（F-14）補助事業期間延長承認申請が承認されたので、以下の計画④～⑥は、2023年度実施に変更とした。詳しい各項目の実施計画は以下のとおりである。
④接合部の詳細な組織観察を行った部分の接合強度を引張試験および硬さ試験によって評価を行い、接合組織観察で得たデータと接合強度のデータの相関性を比較・評価を行う。（硬さ試験は実施済み（担当：田代優））
⑤高粘性流体モデルに対して用いる物性値を断面観察結果から得られた接合界面形状や金属組織（粒径分布、欠陥分布等）が再現可能となるような条件を選択しがら絞り込む。(担当：永野隆敏・田代優）
⑥具体的には、動粘性係数、熱伝導率等、既に分かっている融点以上の液体金属の値からモデル計算から高粘性側に外挿しながら値を絞り込む。有限要素法では不可能な攪拌などを粒子法によって再現可能となったことで、FSW接合面近傍での不連続な攪拌粒の生成過程を追う予定である。(担当：永野隆敏・田代優）
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