極限的時間・空間分解能での溶融金属の流動挙動と冷却過程のダイナミクス解明

• Project/Area Number: 23KK0068
• Research Category: Fund for the Promotion of Joint International Research (International Collaborative Research)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 18:Mechanics of materials, production engineering, design engineering, and related fields
• Research Institution: Chiba University
• Principal Investigator: 比田井 洋史 千葉大学, 大学院工学研究院, 教授 (60313334)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 松坂 壮太 千葉大学, 大学院工学研究院, 教授 (30334171) ; 伊東 翔 千葉大学, 大学院工学研究院, 特任助教 (70743441)
• Project Period (FY): 2023-09-08 – 2028-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥21,060,000 (Direct Cost: ¥16,200,000、Indirect Cost: ¥4,860,000); Fiscal Year 2027: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000); Fiscal Year 2026: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000); Fiscal Year 2025: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2024: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2023: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
• Keywords: 鋳造 / レーザ / 微小流路 / 溶融金属

Outline of Research at the Start

高温の溶融金属が流動しながら冷却し凝固するプロセスは鋳造，溶断，溶接など金属部品の製造工程で広範にみられる．その流動速度，冷却速度，凝固プロセスは結晶構造，機械的特性と密接に関係し，その性能を決める重要な要素である．これまでは流動速度や温度測定が困難であった．これに対して，本手法では溶融金属に近接し，極めて高い空間・時間分解能で流動速度や温度測定する手法を実現する．

Outline of Annual Research Achievements

高温の溶融金属が流動しながら冷却し凝固するプロセスは鋳造，溶断，溶接など金属部品の製造工程で広範にみられる．その流動速度，冷却速度，凝固プロセスは結晶構造，機械的特性と密接に関係し，その性能を決める重要な要素である．これまでは流動速度や温度測定が困難であった．これに対して，本手法では溶融金属に近接し，極めて高い空間・時間分解能で流動速度や温度測定する手法を実現する．
高温溶融金属が流動しながら冷却し凝固するプロセスは金属部品の製造工程で幅広く見られる．この際の流動速度と冷却速度は結晶構造を決定し，結晶構造は強度などの機械的特性を決定する重要な要素である．本申請では，溶融金属が流動しながら急冷，凝固する様子を高い時間・空間分解能で可視化し，流動速度と冷却速度の測定法を確立する．このために，国際共同研究先とともに開発したレーザフェムトキャストプロセスを活用する．これは石英ガラスを型として用い，形成した微小な空洞にレーザ加熱により溶融した金属を高圧ガスにより注入する方法である．さらに，流動速度，冷却速度が結晶状態，機械的特性にどのように影響を与えるか明らかにする．あわせて，金属とガラス型の界面反応についても理解を深め，利用できる金属の種類を詳らかにする．最終的に応用のデモンストレーションとして微細3次元構造物の作製までを目的とする．
本年度は，実験プラットフォームの改良の準備を行った．型の温度を制御できるようにガラスに吸収されるCO2レーザ，COレーザによる加熱に対応できるように改良したプラットフォームを設計した．さらにEPFLで行う型の作製をより効率的にできるように，型全体の形状とプラットフォームを改良した．さらに，金属温度表面の温度計測，凝固後の金属の構造の評価を行った．これらの結果から，型の形状の改良を行った．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

実験プラットフォームの改良については，遅れているが，金属温度表面の温度計測，凝固後の金属の構造の評価については，予定よりも進んでいる．このため，全体としては予定通り進んでいる．

Strategy for Future Research Activity

本年に引き続き，プラットフォームの改良を行い，型の温度制御を実現する．さらに，ガラスと金属の温度状態を変えて，流動速度，冷却速度について検討する．この際，チャネルの太さは金属の流動状態，冷却速度を決定する重要な要素であるため，様々に変更する．さらに本年の結果から，金属内にガラス成分が混入する問題が生じた．これは，型作製時にエッチングにより表面のガラスが劣化している問題だと明らかになっている．そこで，この問題を解決する．その後，金属と型の界面や界面近傍がどのようになっているのか分析評価する．

Research Products

• [Int'l Joint Research] スイス連邦工科大学ローザンヌ校(スイス)