高クロム高窒素コバルト合金レーザー積層造形体の疲労メカニズムの解明

• Project/Area Number: 25820350
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Research Field: Structural/Functional materials
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 蘇 亜拉図 東北大学, 金属材料研究所, 助教 (80611532)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2015-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2014)
• Budget Amount: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2016: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2015: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2014: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2013: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: レーザー積層造形体疲労特性異方性 / 柱状晶 / レーザー積層造形体 / き裂伸展 / CoCrMo合金 / 機械的異方性 / 熱処理 / 組織微細化 / レーザー積層造形法 / ＣｏＣｒＭｏ合金 / 疲労特性 / 生体用金属材料 / 組織 / き裂進展 / 異方性

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、レーザー積層造形法(SLM)により作製した高クロム高窒素コバルト合金の疲労特性メカニズム解明し、本合金の疲労強度を改善させる方法を提案する。平成26年度では、バスアトマイズ法により作製した高クロム高窒素コバルトクロム合金粉末を準備し、レーザー積層造形機に供した。粉末積層造形法を対して、平行および垂直方向に疲労試験片の長手方向になるように作製した。それぞれ、0°材と90°材と称す。本年度では、造形方向を変化させた際の疲労特性の変化について調査した。
(1)疲労試験結果、0°材および90°材では10の7乗回疲労強度は約450MPa であり、大きな違いが生じなかった。しかし、低サイクル疲労では0°材の方が90°材より高い疲労強度を示し、本合金の疲労特性にも異方性が存在することが明らかになった。一方、機械的特性では90°材の方が0°材より高い引張強さを示すことが分かっている。高引張強さを有する90°材では低い疲労特性示したことから、機械的特性と疲労特性の影響因子は異なっていると考えられる。
(2)破面観察結果、低サイクル疲労領域では90°材の破面では粒界と思われる段差が多く存在し、0度材では比較的に平坦な疲労破面であり、結晶粒の寸法および伸展方向が関わっていることを示唆した。本合金積層造形体の結晶粒は積層造形方向に伸展し、き裂が結晶粒界を沿って進展した場合、結晶粒の伸展した方向では進展しやすくなる。以上のことから、90°材ではき裂進展方向が結晶粒伸展した方向に平行であり、き裂進展速度が速いために、疲労寿命が低下したと考えられる。このことから、本合金の組織を微細化を実現した場合、更に疲労特性が向上することが予測される。また、本合金積層造形体に熱処理を施すことで組織微細化に成功した。この微細化処理を行った場合、疲労性異方性存在せず、疲労強度も大きく改善された。

Research Products

• [Presentation] レーザー積層造形したCo-33Cr-5Mo-0.4N 合金の疲労特性に及ぼす熱処理の影響 (2015)
  • Author(s): 蘇亜拉図，新家光雄，野村直之，成田健吾，中本貴之，木村 貴広，謝 国強，千葉晶
  • Organizer: 金属学会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2015-03-20
• [Presentation] レーザー積層造形法を用いた生体用高クロム高窒素含有コバルト合金多孔体の作製と評価 (2015)
  • Author(s): 彦園部道俊，山本 舜，中本 貴之，木村貴広，蘇亜拉図，菊池圭子，野村直之，川崎 亮
  • Organizer: 金属学会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2015-03-19
• [Presentation] レーザー積層造形法により作製した高クロム高窒素含有Co‐Cr‐Mo合金の疲労特性に及ぼす熱処理の影響 (2014)
  • Author(s): 蘇亜拉図，野村直之，中本貴之，木村貴広，成田健吾，謝 国強，千葉晶彦，新家光雄
  • Organizer: 紛体粉末冶金協会
  • Place of Presentation: 大阪
  • Year and Date: 2014-10-30
• [Presentation] 三次元積層造形法を用いて作製した生体用高クロム高窒素含有コバルト合金多孔体の機械的性質に対する熱処理の影響 (2014)
  • Author(s): 園部道俊，山本 舜，菊池 圭子，野村 直之，川崎 亮，蘇亜拉図，中本貴之，木村貴広
  • Organizer: 紛体粉末冶金協会平成２６年度秋季大会
  • Place of Presentation: 大阪
  • Year and Date: 2014-10-30
• [Presentation] レーザー積層造形法により作製した生体用コバルトクロムモリブデン合金の疲労特性評価 (2014)
  • Author(s): 蘇亜拉図
  • Organizer: 東北大学金属材料研究所共同研究ワークショップ日本バイオマテリアル学会東北プロック講演会
  • Place of Presentation: 仙台
  • Year and Date: 2014-10-06 – 2014-10-07
  • Invited
• [Presentation] 窒素含有Co-Cr-Mo-W合金の組織と機械的性質 (2014)
  • Author(s): 野村直之, 土居 壽, 蘇亜拉図, 堤 祐介, 塙 隆夫
  • Organizer: 第64回日本歯科理工学会学術講演会
  • Place of Presentation: 広島
  • Year and Date: 2014-10-04
• [Presentation] 窒素、炭素を添加した歯科鋳造用高クロムCo-Cr-Mo合金の1%乳酸中での耐食性 (2014)
  • Author(s): 土居 壽, 堤 祐介, 蘇亜拉図, 野村直之, 塙 隆夫
  • Organizer: 第63回日本歯科理工学会学術講演会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2014-04-12
• [Presentation] 窒素、炭素を添加した歯科鋳造用高クロムCo-Cr-Mo合金の組織と機械的性質 (2014)
  • Author(s): 野村直之, 土居 壽, 蘇亜拉図, 堤 祐介, 塙 隆夫
  • Organizer: 第63回日本歯科理工学会学術講演
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2014-04-12
• [Presentation] レーザー積層造形法により作製したCo-33Cr-5Mo-0.4N合金の疲労特性におよぼす造形方向の影響 (2014)
  • Author(s): 蘇亜拉図, 新家光雄, 野村直之, 成田健吾, 中本 貴之, 仲井正昭, 謝 国強, 千葉晶彦
  • Organizer: 日本金属学会
  • Place of Presentation: 東京
• [Presentation] 高クロム高窒素含有コバルトクロム合金積層造形体の機械的性質におよぼす粉末製法の影響 (2014)
  • Author(s): 野村 直之, 大山 恭平, 園部 道俊, 菊池 圭子, 川崎 亮, 蘇 亜拉図, 中本 貴之, 木村 貴広
  • Organizer: 日本金属学会
  • Place of Presentation: 東京
• [Presentation] 窒素，炭素を添加した歯科鋳造用高クロムCo-Cr-Mo合金の組織と機械的性質 (2014)
  • Author(s): 野村直之，土居 壽，蘇亜拉図，堤 祐介，塙 隆夫
  • Organizer: 日本歯科理工学会
  • Place of Presentation: 東京
• [Presentation] 窒素，炭素を添加した歯科鋳造用高クロムCo-Cr-Mo合金の1％乳酸中での耐食性 (2014)
  • Author(s): 土居 壽，堤 祐介，蘇 亜拉図，野村 直之，塙 隆夫
  • Organizer: 日本歯科理工学会
  • Place of Presentation: 東京
• [Presentation] 大気中および疑似生体内環境中における生体用β型チタン合金製脊椎固定器具の圧縮疲労特性 (2013)
  • Author(s): 成田 健吾, 新家 光雄, 仲井 正昭, 蘇 亜拉図
  • Organizer: 日本金属学会
  • Place of Presentation: 金沢
• [Presentation] レーザー積層造形法により作製した高クロム高窒素含有Co‐Cr‐Mo合金の疲労特性 (2013)
  • Author(s): 蘇亜拉図, 中本 貴之，野村 直之，成田 健吾，仲井 正昭，謝 国強，千葉 晶彦，新家 光雄
  • Organizer: 粉体粉末冶金協会
  • Place of Presentation: 名古屋
• [Presentation] レーザー積層造形法により作製した高クロム高窒素含有コバルトクロム合金の機械的性質におよぼす粉末製法の影響 (2013)
  • Author(s): 野村直之, 大山恭平，園部道俊，蘇亜拉図，中本貴之，木村貴広, 菊池 圭子，川崎 亮
  • Organizer: 粉体粉末冶金協会
  • Place of Presentation: 名古屋
• [Presentation] 三次元積層造形法を用いて作製した生体用Co‐Cr‐Mo合金多孔体の組織観察 (2013)
  • Author(s): 園部道俊，大山恭平，蘇亜拉図，中本貴之，木村貴広，菊池 圭子,野村 直之，川崎 亮
  • Organizer: 粉体粉末冶金協会
  • Place of Presentation: 名古屋
• [Presentation] 生体用Co‐Cr‐Mo合金多孔体/ハイドロキシアパタイト複合材料の作製 (2013)
  • Author(s): 大山 恭平，園部 道俊，蘇亜拉図，中本貴之，木村貴広，菊池圭子，野村直之，川崎 亮
  • Organizer: 粉体粉末冶金協会
  • Place of Presentation: 名古屋