Development of noble high entropy alloys for metallic biomaterials (BioHEAs) via the control of segregation

• Project Area: High Entropy Alloys - Science of New Class of Materials Based on Elemental Multiplicity and Heterogeneity
• Project/Area Number: 21H00146
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: University of Hyogo
• Principal Investigator: 永瀬 丈嗣 兵庫県立大学, 工学研究科, 教授 (50362661)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥8,060,000 (Direct Cost: ¥6,200,000、Indirect Cost: ¥1,860,000); Fiscal Year 2022: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2021: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
• Keywords: ハイエントロピー合金 / 生体用合金 / 凝固 / 偏析 / 生体合金 / 組織 / 生体材料 / 電子顕微鏡 / 金属 / 合金設計

Outline of Research at the Start

既報のTi系BioHEAだけではなく、Co-Cr系をも対象とし、「BioHEAのマテリアルDXによる偏析予測、凝固プロセス制御による偏析制御」および「偏析制御BioHEAの生体適合性の支配因子解明と構成元素非線形効果の解明」による新規なBioHEA開発を行う。

Outline of Annual Research Achievements

ハイエントロピー合金は元素の多様性と不均一性を基本とする新たな金属材料群である。チタン族元素を中心元素とするハイエントロピー合金では，構成元素の多様化に起因する凝固偏析と，これによって生じるマイクロメートルオーダーの構成元素不均一が生じる。このようなマイクロメートルオーダーの元素・組織の不均一性が，生体細胞の基本的な大きさであるマイクロメートルオーダーでの細胞接着組織と対応する時，元素の不均一性と多様性にもとづく新たな生体適合性発現メカニズムが発現すると考えられる。本研究では，凝固偏析を制御することでマイクロメートルオーダーの元素分布の不均一性を制御した新規な生体用ハイエントロピー合金（High Entropy Alloy for metallic biomaterials, BioHEAs）の創製を試みた。その結果，Ti-Nb-Ta-Zr-Mo5成分系合金に加え，Ti-Zr-Hf-Co-Cr-Mo合金やTi-Zr-Hf-Nb-Ta-Mo合金など6元系の生体用ハイエントロピー合金の創製を世界に先駆けて達成した。
生体用ハイエントロピー合金の構成元素は，4族元素・5族元素・6族元素から構成されており，その構成元素は耐火ハイエントロピー合金（Refractory High Entropy Alloys, RHEAs）と類似性がある。BioHEAsおよびRHEAsの新たな展開を検討するため、新たな構成元素としてAlが利用できるかどうかの検討を行った。Alを利用することができれば、その合金設計範囲は大きく広がる。本研究により、Alを主要構成元素としたTi-Zr-Hf-Al-V系HEAの創成を達成した。この成果によって、Ti系BioHEAsの新たな合金系の開拓が達成された。

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。

Research Products

• [Journal Article] Fe₂₀Mo₂₀Ni₂₀Rh₂₀Ru₂₀ and Fe₁₄Mo₃₅Ni₁₅Rh₁₅Ru₂₁ Ultrahigh-Mixing-Entropy Alloys with Single Hexagonal Close-Packed Structure (2023)
  • Author(s): Takeuchi Akira、Wada Takeshi、Amiya Kenji、Kato Hidemi、Nagase Takeshi
  • Journal Title: MATERIALS TRANSACTIONS Volume: 64 Issue: 4 Pages: 841-848
  • DOI: 10.2320/matertrans.MT-M2022213
  • ISSN: 1345-9678, 1347-5320
  • Year and Date: 2023-04-01
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Recent Research Trends in High Entropy Cast Alloys (2022)
  • Author(s): 永瀬 丈嗣
  • Journal Title: Journal of Japan Foundry Engineering Society Volume: 94 Issue: 9 Pages: 542-551
  • DOI: 10.11279/jfes.94.542
  • ISSN: 1342-0429, 2185-5374
  • Year and Date: 2022-09-25
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Ultra-High Mixing Entropy Alloys with Single bcc, hcp, or fcc Structure in Co–Cr–V–Fe–X (X = Al, Ru, or Ni) Systems Designed with Structure-Dependent Mixing Entropy and Mixing Enthalpy of Constituent Binary Equiatomic Alloys (2022)
  • Author(s): Akira Takeuchi, Takeshi Wada, Takeshi Nagase and Kenji Amiya
  • Journal Title: MATERIALS TRANSACTIONS Volume: 63 Issue: 6 Pages: 835-844
  • DOI: 10.2320/matertrans.MT-M2022004
  • ISSN: 1345-9678, 1347-5320
  • Year and Date: 2022-06-01
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Ti 系鋳造合金とTi 系生体用ハイエントロピー合金 (BioHEA) の凝固組織 (2022)
  • Author(s): 永瀬 丈嗣、當代 光陽、石本 卓也、小笹 良輔、松垣 あいら、中野 貴由
  • Journal Title: Journal of the Reports of the Japan Foundry Engineering Society Meeting Volume: 179 Issue: 0 Pages: 86-86
  • DOI: 10.11279/jfeskouen.179_86
  • ISSN: 1880-5388, 2424-2012
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Design and development of (Ti, Zr, Hf)-Al based medium entropy alloys and high entropy alloys (2022)
  • Author(s): Nagase Takeshi、Todai Mitsuharu、Wang Pan、Sun Shi-Hai、Nakano Takayoshi
  • Journal Title: Materials Chemistry and Physics Volume: 276 Pages: 125409-125409
  • DOI: 10.1016/j.matchemphys.2021.125409
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Fabrication of the Casting Products in Cu–Zn–Mn–Ni Medium-Entropy Brasses (2021)
  • Author(s): Nagase Takeshi、Shibata Akihiro、Matsumuro Mitsuaki、Takemura Mamoru、Semboshi Satoshi
  • Journal Title: MATERIALS TRANSACTIONS Volume: 62 Issue: 6 Pages: 856-863
  • DOI: 10.2320/matertrans.MT-M2020259
  • NAID: 130008042829
  • ISSN: 1345-9678, 1347-5320
  • Year and Date: 2021-06-01
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Solidification Microstructures in 3d-transition Metal High Entropy Alloys with Cu Element (2021)
  • Author(s): 永瀬 丈嗣、田村 卓也
  • Journal Title: Journal of Japan Institute of Copper Volume: 60 Issue: 1 Pages: 167-175
  • DOI: 10.34562/jic.60.1_167
  • NAID: 130008117292
  • ISSN: 1347-7234, 2435-872X
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Design and development of Ti-Zr-Hf-Nb-Ta-Mo high-entropy alloys for metallic biomaterials (2021)
  • Author(s): Iijima Yuuka、Nagase Takeshi、Matsugaki Aira、Wang Pan、Ameyama Kei、Nakano Takayoshi
  • Journal Title: Materials & Design Volume: 202 Pages: 109548-109548
  • DOI: 10.1016/j.matdes.2021.109548
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Development of TiNbTaZrMo bio-high entropy alloy (BioHEA) super-solid solution by selective laser melting, and its improved mechanical property and biocompatibility (2021)
  • Author(s): Ishimoto Takuya、Ozasa Ryosuke、Nakano Kana、Weinmann Markus、Schnitter Christoph、Stenzel Melanie、Matsugaki Aira、Nagase Takeshi、Matsuzaka Tadaaki、Todai Mitsuharu、Kim Hyoung Seop、Nakano Takayoshi
  • Journal Title: Scripta Materialia Volume: 194 Pages: 113658-113658
  • DOI: 10.1016/j.scriptamat.2020.113658
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Solid State Amorphization and Alloy Parameters for High Entropy Alloys (2021)
  • Author(s): Nagase Takeshi
  • Journal Title: Materials Science Forum Volume: 1016 Pages: 990-996
  • DOI: 10.4028/www.scientific.net/msf.1016.990
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] ハイエントロピー合金の鋳造合金としての可能性 (2022)
  • Author(s): 永瀬丈嗣
  • Organizer: 日本鋳造工学会東海支部, 第99回鋳造先端プロセス研究部会
  • Invited
• [Presentation] ハイエントロピー鋳造合金の開発 (2022)
  • Author(s): 永瀬丈嗣
  • Organizer: 日本金属学会 2023年 春期講演大会 (第172回)
  • Invited
• [Presentation] Development of High Entropy cast iron (HE cast iron) (2021)
  • Author(s): T. Nagase, T. Kakeshita, K. Matsumura, K. Nakazawa, S. Furuya, N. Ozoe, K. Yoshino
  • Organizer: The 12th International Symposium on the Science and Processing of Cast Iron (SPCI-XII)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] hcp型TiZrHfAl系BioMEAの開発 (2021)
  • Author(s): 高橋凪, 田中音色, 當代光陽, 松垣あいら, 永瀬丈嗣, 中野貴由
  • Organizer: 第4回 日本金属学会 第7分野講演会「金属系バイオマテリアルサイエンスの新展開（Ⅳ）
• [Presentation] 金属AMによる生体用ハイエントロピー合金(BioHEA)の高機能化検討 (2021)
  • Author(s): 西川侑希, 石本卓也, 永瀬丈嗣, 中野貴由
  • Organizer: 第4回 日本金属学会 第7分野講演会「金属系バイオマテリアルサイエンスの新展開（Ⅳ）
• [Presentation] 超多成分系生体用ハイエントロピー合金の開発 (2021)
  • Author(s): 百歩明, 松坂匡晃, 松垣あいら, 石本卓也, 小笹良輔, 永瀬丈嗣, 中野貴由
  • Organizer: 第4回 日本金属学会 第7分野講演会「金属系バイオマテリアルサイエンスの新展開（Ⅳ）
• [Presentation] チタン系生体用hcp型ミディアムエントロピー合金の開発 (2021)
  • Author(s): 當代光陽, 永瀬丈嗣, 松垣あいら, 中野貴由
  • Organizer: 軽金属学会 第141回秋季大会
• [Presentation] 等原子組成比CuSnZn, CuSnAl, CuSnZnAl合金の構成相と凝固組織 (2021)
  • Author(s): 永瀬丈嗣, 柴田顕弘, 松室光昭, 武村守, 千星聡
  • Organizer: 日本銅学会 第61回講演大会
• [Presentation] 金属AMによる生体用ハイエントロピー合金の造形と機能化の検討 (2021)
  • Author(s): 西川侑希, 石本卓也, 永瀬丈嗣, 中野貴由
  • Organizer: 日本金属学会2021年秋期講演大会(第169回)
• [Presentation] 生体用hcp型ミディアムエントロピー合金の開発 (2021)
  • Author(s): 當代光陽, 高橋凪, 永瀬丈嗣, 松垣あいら, 中野貴由
  • Organizer: 日本金属学会2021年秋期講演大会(第169回)
• [Presentation] Bcc型バイオハイエントロピー合金のデンドライト組織の体積率とボロン添加が力学特性におよぼす影響 (2021)
  • Author(s): 高橋凪, 川堀龍, 當代光陽, 永瀬丈嗣, 中野貴由
  • Organizer: 日本鉄鋼協会・日本金属学会 中国四国支部 鉄鋼第64回・金属第61回 合同講演大会
• [Presentation] TiZrHfをベースにしたミディアムエントロピー合金の開発 (2021)
  • Author(s): 當代光陽, 田中音色, 浅田若奈, 川堀龍, 永瀬丈嗣, 中野貴由
  • Organizer: 軽金属学会2021年春期大会(第140回)
• [Presentation] FactSage を利用したハイエントロピー合金の合金開発 (2021)
  • Author(s): 永瀬丈嗣
  • Organizer: 第21回 FactSage ユーザー会
  • Invited
• [Presentation] Al-Mg-Li-Ca系軽量ミディアムエントロピー合金の合金設計と鋳造材の作製 (2021)
  • Author(s): 永瀬丈嗣, 寺山朗, 長岡孝, 府山伸行, 阪本辰顕
  • Organizer: 日本鋳造工学会第177回全国講演大会
• [Book] 固体表面キャラクタリゼーション 機能性材料・ナノマテリアルのためのスペクトロスコピー (2022)
  • Author(s): (分担執筆) 永瀬丈嗣, (編集) 山下 弘巳、吉田 寿雄、田中 庸裕
  • Total Pages: 304
  • Publisher: 講談社
  • ISBN: 9784065261262