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Mechanical functionalization of carbon-supersaturated solid-solution titanium using additive manufacturing

Publicly Offered Research

Project AreaCreation of Materials by Super Thermal Field: Neo-3D printing by Manipulating Atomic Arrangement through Giant Potential Gradient
Project/Area Number 22H05273
Research Category

Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Transformative Research Areas, Section (II)
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

周 偉偉  東北大学, 工学研究科, 准教授 (10800352)

Project Period (FY) 2022-06-16 – 2024-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥8,190,000 (Direct Cost: ¥6,300,000、Indirect Cost: ¥1,890,000)
Fiscal Year 2023: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2022: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Keywordsレーザ3次元粉末積層造形法 / 金属基複合材料 / 固溶強化 / 酸化グラフェン / レーザ3次元粉末積層造形法 / Ti基複合材料 / 強制固溶 / 熱処理 / レーザ粉末溶融結合法(L-PBF) / β-Ti合金 / 固溶 / 微細組織 / 機械的性質
Outline of Research at the Start

Ti基複合材料(TMC)の製造に使われる鋳造や粉末冶金など従来の加工法では、組織の不均一性や強化相の粗大化、母相-強化相間の界面結合の低さ等が課題となっている。本研究では、ヘテロ凝集法により均一な酸化グラフェン(GO)/β-Ti混合粉末を作製し、レーザ3次元粉末積層造形法(L-PBF)プロセス中の急速凝固を活用してマトリックスに大量の炭素を固溶させる。最適処理により超微細炭化物粒子の析出を制御し、力学的高機能化を実現させる。L-PBFをプロセスの核として、炭素の強制固溶・析出挙動の制御によって実現する、室温・高温強度-靭性の特性バランスを飛躍的に向上させるスーパーチタン材料を開発する。

Outline of Annual Research Achievements

チタン合金は高比強度、高耐食性及び優れた生体適合性を有しており、航空宇宙、化学工業や医療機械など幅広い分野で構造材料として利用されている。一方で、これら分野では省エネルギー化や信頼性向上を背景に構造材料の軽量化に加え、Ti合金の高強度化が望まれる。そのため、安定なセラミックス系強化材を導入したTi基複合材料(TMC)の開発も行われている。本研究では、負に帯電した酸化グラフェン(GO)は、静電気力によって正に帯電したTi-15Mo-5Zr-3Al(Ti1553)粉末の表面に均一に付着し、流動性、粉末サイズ及び粒度分布を変化させることなくGO/Ti1553複合粉末を得た。レーザ3次元粉末積層造形法(L-PBF)プロセスの最適化を経て、緻密なGO/Ti1553造形体の製造に成功した。微細構造の観察から、GO/Ti1553の造形体は完全にβ-Ti相で構成されており、GOシートの残留や炭化物の析出は確認されなっかた。0.2wt.% GOの添加により、Ti1553合金の引張強度が992MPaから1166MPaに増加した。これは、炭素または酸素原子の固溶強化と結晶粒微細化に起因していると考えられる。さらに、1123 Kでの熱処理により、TiC粒子がTiマトリックスに析出した。本研究は、L-PBFを活用して高機能チタン基材料の開発が可能であることを示唆している。これまで成し得なかったナノ粒子強化型高力学機能スーパーチタン合金を作ることができ、微細組織の制御による使用環境条件に対応して機械的性質の調整が可能になる。高強度・高靭性β-Ti基複合材料は、自動車産業及び航空宇宙おける多くのエネルギー効率の改善、持続可能な低炭素社会の実現に貢献できる。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(2 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • 2022 Annual Research Report
  • Research Products

    (26 results)

All 2024 2023 2022

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 1 results) Presentation (24 results) (of which Int'l Joint Research: 7 results,  Invited: 2 results)

  • [Journal Article] Microstructure and Mechanical Property of MXene-Added Ti–6Al–4V Alloy Fabricated by Laser Powder Bed Fusion2023

    • Author(s)
      Zhang Yu、Dong Mingqi、Zhou Weiwei、Nomura Naoyuki
    • Journal Title

      MATERIALS TRANSACTIONS

      Volume: 64 Issue: 6 Pages: 1169-1174

    • DOI

      10.2320/matertrans.MT-ME2022009

    • ISSN
      1345-9678, 1347-5320
    • Year and Date
      2023-06-01
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] レーザ三次元粉末積層造形法によるナノカーボンを添加した Ti 基合金および複合材料の開発2023

    • Author(s)
      周偉偉, 董明琪, 周振興, 野村直之
    • Journal Title

      チタン= Titanium Japan

      Volume: 71 Pages: 301-306

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      2023 Annual Research Report
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    • Author(s)
      周偉偉
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    • Author(s)
      Mingqi Donga, Weiwei Zhou, Naoyuki Nomura
    • Organizer
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      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Laser powder bed fusion of CuO-added titanium alloys for biomedical applications2024

    • Author(s)
      Aya Niimura, Dong Mingqi, Chen Peng, Zhou Weiwei, Nomura Naoyuk
    • Organizer
      日本金属学会春期講演大会(第174回)
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      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 3Dプリンティング用セラミックス/金属複合粉末の開発2023

    • Author(s)
      周 偉偉
    • Organizer
      粉体工学会 2023年度 春期研究発表会
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    • Author(s)
      張 宇, 董 明琪, 周 偉偉, 石本 卓也, 小泉 雄一郎, 中野 貴由, 野村 直之
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      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Nanoceramic Modification of Titanium Alloy Powder for Laser Additive Manufacturing by Nanobubble Aqueous Solution2023

    • Author(s)
      Weiwei ZHOU, Mingqi DONG, Naoyuki NOMURA
    • Organizer
      World Titanium Conference 2023
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Nanoceramic decoration of metal powders for additive manufacturing by nanobubble-assisted heteroagglomeration2023

    • Author(s)
      Mingqi Dong, Weiwei Zhou, Suxia Guo, Naoyuki Nomura
    • Organizer
      International Conference on Powder and Powder Metallurgy
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      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Laser powder bed fusion of graphene oxide decorated β-Ti alloy powders2023

    • Author(s)
      Weiwei Zhou, Yu Zhang, Mingqi Dong, Naoyuki Nomura
    • Organizer
      The 1st International Conference on Creation of Materials by Superthermal Field 2023
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      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 表面修飾によるチタン合金粉末のレーザ積層造形性の向上とその造形体の高機能化2023

    • Author(s)
      Weiwei Zhou, Naoyuki Nomura, Mingqi Dong
    • Organizer
      2023年度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ブロック交流会
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      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Laser powder bed fusion of graphene oxide decorated β-Ti alloy powders2023

    • Author(s)
      Weiwei Zhou, Yu Zhang, Mingqi Dong, Naoyuki Nomura
    • Organizer
      the 1st international conference on Creation of Materials by Superthermal Field 2023 (CMSTF2023)
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      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Nanoceramic decoration of metal powders for additive manufacturing by nanobubble-assisted heteroagglomeration2023

    • Author(s)
      Mingqi Dong, Weiwei Zhou, Suxia Guo, Naoyuki Nomura
    • Organizer
      JSPMIC2023
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      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Fabrication of composite powders for laser additive manufacturing2023

    • Author(s)
      Naoyuki NOMURA, Weiwei Zhou, Mingqi Dong, Zhenxing Zhou
    • Organizer
      日本金属学会秋期講演大会(第173回
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      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] チタン粉末の表面修飾によるレーザー積層造形性と力学的機能の向上2023

    • Author(s)
      周偉偉, 董明琪, 野村直之
    • Organizer
      鉄鋼協会秋季講演大会(第186回)
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      2023 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Effects of heat treatment on the microstructural evolution of nanocarbon-added Ti alloy by additive manufacturing2023

    • Author(s)
      董 明琪, 周 偉偉, 野村 直之
    • Organizer
      日本金属学会秋期講演大会(第173回)
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      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Improvement of laser additive manufacturability of titanium alloy powder by nanocarbon decoration2023

    • Author(s)
      Mingqi Dong, Weiwei Zhou, Naoyuki Nomura
    • Organizer
      World Titanium Conference2023(Ti-2023)
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      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Microstructure and mechanical properties of carbon-added titanium by laser powder bed fusion2023

    • Author(s)
      Mingqi Dong, Weiwei Zhou, Naoyuki Nomura
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      粉体粉末冶金協会 春季大会(第131回
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      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 3Dプリンティング用セラミックス/金属複合粉末の開発2023

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      周偉偉
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      粉体工学会 2023年度 春期研究発表会
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      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Fabrication of high-performance Ti6Al4V/rGO composites with three-dimensional network structures by hetero-agglomeration process and spark plasma sintering2023

    • Author(s)
      Zhenxing Zhou, Weiwei Zhou, Naoyuki Nomura
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      日本金属学会春期講演大会(第172回)
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      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Fabrication of MXene-added Ti-6Al-4V alloy by laser powder bed fusion2023

    • Author(s)
      Yu Zhang, Mingqi Dong, Weiwei Zhou, Naoyuki Nomura
    • Organizer
      日本金属学会春期講演大会(第172回)
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      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 積層造形法を活用した炭素強制固溶による高力学機能スーパーチタンの創製2023

    • Author(s)
      周偉偉
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      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Laser powder bed fusion of nanocarbon-decorated titanium alloy powders2022

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      Weiwei Zhou, Mingqi Dong, Suxia Guo, Naoyuki Nomura
    • Organizer
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  • [Presentation] Effects of 2D-nanocarbon addition on the powder properties, laser additive manufacturability, and mechanical performance of Ti alloy2022

    • Author(s)
      Weiwei ZHOU, Mingqi DONG, Naoyuki NOMURA
    • Organizer
      第2回日本チタン学会講演大会
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      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] レーザ三次元粉末積層造形法によるMXene添加Ti合金の作製2022

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      張宇, 董明琪,周偉偉,野村直之,
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      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ブロック講演会
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      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Microstructure and mechanical properties of MXene-added Ti-6Al-4V alloy fabricated by laser powder bed fusion2022

    • Author(s)
      Yu Zhang, Mingqi Dong, Weiwei Zhou, Naoyuki Nomura
    • Organizer
      粉体粉末冶金協会2022年秋季大会
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      2022 Annual Research Report

URL: 

Published: 2022-06-20   Modified: 2024-12-25  

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