Quantitative analysis of solidification dynamics by time-resolved in-situ observations

Research Project

Project/Area Number	22H00264
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
Allocation Type	Single-year Grants
Section	一般
Review Section	Medium-sized Section 26:Materials engineering and related fields
Research Institution	Kyoto University
Principal Investigator	安田秀幸京都大学, 工学研究科, 教授 (60239762)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	勝部涼司京都大学, 工学研究科, 助教 (10839947) 鳴海大翔京都大学, 工学研究科, 助教 (20827448) 高木知弘京都工芸繊維大学, 機械工学系, 教授 (50294260)
Project Period (FY)	2022-04-01 – 2023-03-31
Project Status	Discontinued (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help	¥42,640,000 (Direct Cost: ¥32,800,000、Indirect Cost: ¥9,840,000) Fiscal Year 2022: ¥16,510,000 (Direct Cost: ¥12,700,000、Indirect Cost: ¥3,810,000)
Keywords	凝固 / 結晶成長 / X線イメージング / トモグラフィー / フェーズフィールド / その場観察
Outline of Research at the Start	放射光の特長である高輝度単色X線を活かし、時間分解その場観察による高温現象である金属材料の凝固の二次元・三次元観察が実現しつつあり、本課題では時間分解トモグラフィーとX線回折測定を組み合わせた手法とフェーズフィールドモデルを用いた再構成手法を開発して定量的な組織観察・計測を実現する。観察データは組織形成を可能なかぎりありのまま記録したデータであり、非構造化データと位置づけられる。この非構造化データを解析に用いて、鉄鋼材料などの凝固・相変態における組織形成ダイナミクスやバルク試料の固液共存体の変形ダイナミクスを明らかにし、凝固プロセスの高度化に寄与する凝固ダイナミクスの学理を構築する。
Outline of Annual Research Achievements	金属の凝固過程の二次元・三次元観察を可能にする、時間分解トモグラフィー（4D-CT）とX線回折測定（XRD）を組み合わせた手法、さらにフェーズフィールドモデル（PFM）を用いた画像処理・再構成を加えた時間分解・その場観察手法の実現を目指して研究を実施した。 4D-CT/XRD観察技術の確立：4D-CTとXRDを組み合わせた手法では、試料―検出器の距離を2m程度になるように設置した二次元検出器を用いて、数度の温度変化による格子定数の変化を検出できる感度を実現できることを確認した。また、XRDの時間分解能を向上させるための実験装置の基本的な設計を完了した。あPFMを用いた高精度再構成法の確立：PFMを用いた逐次型画像処理・再構成では、現状の試行錯誤的な解析の課題を整理し、熱力学的視点からパラメータの設定について検討を行った。また、時間発展型再構成の開発の準備段階として、試行に適した試料、4D-CTの条件などを抽出した。凝固・変態組織形成のダイナミクス：優先成長方位の違うAl合金、bcc/fccデンドライトが観察できるFe合金（Fe-C, Fe-Ni-Cr）、hcpデンドライトが観察できるMg合金を対象に4D-CT/XRD用試料の試作を行い、SPring-8での観察実験の準備を行った。また、実用材料の組成を基本としたが、観察状況に応じて合金組成を変更できるように試料組成の検討、準備を行った。Fe合金におけるマッシブ的変態はデンドライトアームの溶断やオーステナイト結晶粒の粗大化に寄与していると考えられ、試料組成と4D-CT/XRDを用いた測定条件の組み合わせを検証し、SPring-8での観察実験の準備を行った。バルク試料の固液共存体の変形についても試料サイズ、結晶粒サイズ、観察条件の整理を行い、変形装置の改良、試料準備を行った。これらの成果は、基盤研究(S)に引き継がれている。
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。