Neutron diffraction microstructural and crystal plasticity analyses for additively manufactured titanium alloys with non-equilibrium microstructures

• Project Area: Creation of Materials by Super Thermal Field: Neo-3D printing by Manipulating Atomic Arrangement through Giant Potential Gradient
• Project/Area Number: 22H05274
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (II)
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 山中 謙太 東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (30727061)
• Project Period (FY): 2022-06-16 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥8,320,000 (Direct Cost: ¥6,400,000、Indirect Cost: ¥1,920,000); Fiscal Year 2023: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2022: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
• Keywords: チタン合金 / Ni基超合金 / Additive Manufacturing / 中性子回折 / 組織 / 塑性変形

Outline of Research at the Start

チタンのAdditive Manufacturing (AM)では超温度場における急冷凝固に加えてマルテンサイト変態やβ相の析出が起こり、「階層的なバルク非平衡組織」が形成する。本研究では、その場中性子回折測定により得られる定量的な組織情報を基に高温環境や塑性変形における転位組織のダイナミクスと相変態挙動を明らかにする。以上を通してAMチタン合金のプロセス－組織－力学特性の関係を体系化し、強化機構や塑性変形に関する基礎学理と造形プロセスの最適化を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

2023年度は、昨年度Powder bed fusionタイプのAdditive Manufacturingである電子ビーム積層造形（EB-PBF）を用いて作製したTi-6Al-4V合金造形体を対象に研究を行い、引張特性および組織形成に及ぼす造形条件の影響について調査した。造形体の引張特性は電子ビームの電流値および走査速度に依存して変化した。これらの造形体の引張変形中のその場中性子回折測定をJ-PARCのiMATERIA (BL20)にて実施し、造形組織および塑性変形挙動を評価した。得られた回折データを用いてRietveld Texture解析を行ったところ、試料間でβ相分率は大きく変化しないことを確認した。また、研究代表者らは先行研究においてEB-PBFを用いたTi-6Al-4V合金の集合組織形成は旧β相の一方向凝固とβ→α′マルテンサイト変態、α′マルテンサイトにおけるナノβ相の析出により説明できることを示したが、本研究ではこのような集合組織形成がエネルギー密度に依存して変化することを明らかにした。さらに、本年度はNi基超合金にも対象を広げて中性子回折に基づく組織解析を行った。EB-PBFを用いて作製したAlloy 718においてγ相の粗大柱状晶組織と準安定な金属間化合物であるγ″相の集合組織、相分率、格子定数をRietveld Texture解析を用いてバルク材料のその場引張測定データを基に決定することに成功した。

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。

Research Products

• [Int'l Joint Research] IMT Mines Albi/INSA Lyon(フランス)
• [Journal Article] Novel tensile deformation mode in laser powder bed fusion prepared Ti?O alloy (2024)
  • Author(s): Shota Kariya, Ammarueda Issariyapat, Abdollah Bahador, Junko Umeda, Jianghua Shen, Kenta Yamanaka, Akihiko Chiba, Katsuyoshi Kondoh
  • Journal Title: Materials Science and Engineering: A Volume: 892 Pages: 146057-146057
  • DOI: 10.1016/j.msea.2023.146057
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Multiscale heat transfer affected by powder characteristics during electron beam powder-bed fusion (2023)
  • Author(s): Yufan Zhao, Kenta Aoyagi, Yujie Cui, Kenta Yamanaka, Akihiko Chiba
  • Journal Title: Powder Technology Volume: 421 Pages: 118438-118438
  • DOI: 10.1016/j.powtec.2023.118438
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Processing condition dependency of increased layer thickness on surface quality during electron beam powder bed fusion (2023)
  • Author(s): Yufan Zhao, Kenta Aoyagi, Kenta Yamanaka, Akihiko Chiba
  • Journal Title: Journal of Materials Research and Technology Volume: 26 Pages: 5264-5279
  • DOI: 10.1016/j.jmrt.2023.08.288
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] In-situ observation of powder spreading in powder bed fusion metal additive manufacturing process using particle image velocimetry (2023)
  • Author(s): Seungkyun Yim, Jiayu Sun, Koki Minowa, Hao Wang, Kenta Aoyagi, Kenta Yamanaka, Akihiko Chiba
  • Journal Title: Additive Manufacturing Volume: 78 Pages: 103823-103823
  • DOI: 10.1016/j.addma.2023.103823
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Cracking behavior of Ti-48Al-2Cr-2Nb alloy in powder bed fusion electron beam melting process (2023)
  • Author(s): Seungkyun Yim, Kenta Aoyagi, Huakang Bian, Keiji Yanagihara, Yuchao Lei, Shin-ichi Kitamura, Hironobu Manabe, Yohei Daino, Kenta Yamanaka, Akihiko Chiba
  • Journal Title: Journal of Materials Processing Technology Volume: 320 Pages: 118104-118104
  • DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2023.118104
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effect of matrix dislocation strengthening on deformation-induced martensitic transformation behavior of metastable high-entropy alloys (2023)
  • Author(s): Kenta Yamanaka , Manami Mori , Daishin Yokosuka , Kazuo Yoshida , Yusuke Onuki , Shigeo Sato , Akihiko Chiba
  • Journal Title: Materials Research Letters Volume: 12 Issue: 1 Pages: 1-9
  • DOI: 10.1080/21663831.2023.2281593
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 電子ビーム積層造形におけるハイエントロピー合金の相分解と力学特性・耐食性への影響 (2023)
  • Author(s): 山中 謙太, 千葉 晶彦
  • Journal Title: スマートプロセス学会誌 Volume: 12 Pages: 188-194
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Non-equilibrium solidification behavior associated with powder characteristics during electron beam additive manufacturing (2022)
  • Author(s): Yufan Zhao, Huakang Bian, Hao Wang, Kenta Aoyagi, Kenta Yamanaka, Akihiko Chiba
  • Journal Title: Materials & Design Volume: 221 Pages: 110915-110915
  • DOI: 10.1016/j.matdes.2022.110915
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A survey on basic influencing factors of solidified grain morphology during electron beam melting (2022)
  • Author(s): Yufan Zhao, Kenta Aoyagi, Kenta Yamanaka, Akihiko Chiba
  • Journal Title: Materials & Design Volume: 221 Pages: 110927-110927
  • DOI: 10.1016/j.matdes.2022.110927
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Solidification behavior and porosity in electron-beam powder bed fusion of Co-Cr-Mo alloys: Effect of carbon concentrations (2022)
  • Author(s): Shoya Aota, Kenta Yamanaka, Manami Mori, Nobuyuki Sasaki, Jerome Adrien, Eric Maire, Damien Fabregue, Akihiko Chiba
  • Journal Title: Additive Manufacturing Volume: 50 Pages: 103134-103134
  • DOI: 10.1016/j.addma.2022.103134
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Demonstrating a duplex TRIP/TWIP titanium alloy via the introduction of metastable retained β-phase (2022)
  • Author(s): Karri Sri Naga Sesha, Kenta Yamanaka, Manami Mori, Yusuke Onuki, Shigeo Sato, Damien Fabregue, Akihiko Chiba
  • Journal Title: Materials Research Letters Volume: 10 Issue: 11 Pages: 754-761
  • DOI: 10.1080/21663831.2022.2096419
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Analysis of hierarchical microstructural evolution in electron beam powder bed fusion Ti-6Al-4V alloys via time-of-flight neutron diffraction (2022)
  • Author(s): Manami Mori, Kenta Yamanaka, Yusuke Onuki, Shigeo Sato, Akihiko Chiba
  • Journal Title: Additive Manufacturing Letters Volume: 3 Pages: 100053-100053
  • DOI: 10.1016/j.addlet.2022.100053
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Dislocation Density of Electron Beam Powder Bed Fusion Ti-6Al-4V Alloys Determined via Time-Of-Flight Neutron Diffraction Line-Profile Analysis (2022)
  • Author(s): Kenta Yamanaka, Manami Mori, Yusuke Onuki, Shigeo Sato, Akihiko Chiba
  • Journal Title: Metals Volume: 13 Issue: 1 Pages: 86-86
  • DOI: 10.3390/met13010086
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 電子ビーム積層造形における欠陥形成とその制御 (2024)
  • Author(s): 山中 謙太, 千葉 晶彦
  • Organizer: 溶接学会 第256回溶接冶金研究委員会
  • Invited
• [Presentation] Neutron diffraction microstructural and deformation analysis of additively manufactured alloys (2024)
  • Author(s): Kenta Yamanaka, Manami Mori, Yusuke Onuki, Shigeo Sato, Akihiko Chiba
  • Organizer: TMS 2024
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] その場中性子回折を用いた加工誘起γ → εマルテンサイト変態と応力分配挙動の評価 (2024)
  • Author(s): 山中 謙太, 森 真奈美, 吉田 和男, 小貫 祐介, 佐藤 成男, 千葉 晶彦
  • Organizer: 日本金属学会2024年春期講演大会
• [Presentation] Reducing gas pores in electron beam powder bed fusion via controlling solidification mechanism (2023)
  • Author(s): Kenta Yamanaka, Shoya Aota, Manami Mori, Jerome Adrien, Eric Maire, Damien Fabregue, Akihiko Chiba
  • Organizer: Thermec 2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 中性子回折による生体医療用積層造形金属の構造解析 (2023)
  • Author(s): 山中 謙太
  • Organizer: 令和5年度 中性子産業利用報告会
  • Invited
• [Presentation] 中性子回折を用いたAM金属の組織・塑性変形解析 (2023)
  • Author(s): 山中 謙太
  • Organizer: 学術変革領域研究A 超温度場材料創製学ディスカッションミーティング
  • Invited
• [Presentation] Mitigating Gas Pores in Electron Beam Powder Bed Fusion (2023)
  • Author(s): Kenta Yamanaka, Shoya Aota, Haruko Numata, Yujie Cui, Yufan Zhao, Manami Mori, Jerome Adrien, Eric Maire, Damien Fabregue, Akihiko Chiba
  • Organizer: 日本金属学会2023年秋期講演大会
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Metallization of carbon fiber-reinforced plastics via cold spray additive manufacturing (2023)
  • Author(s): Kenta Yamanaka, Jiayu Sun, Kazuhiro Ogawa, Akihiko Chiba
  • Organizer: International Conference on Powder and Powder Metallurgy, 2023, Kyoto (JSPMIC2023)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Towards understanding phase transformation and microstructural evolution in metal additive manufacturing (2023)
  • Author(s): Kenta Yamanaka, Manami Mori, Yusuke Onuki, Shigeo Sato, Akihiko Chiba
  • Organizer: 8th International Symposium of Quantum Beam Science at Ibaraki University (ISQBS2023)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Additive manufacturing of AlCoCrFeNi high entropy alloy via electron beam powder bed fusion (2023)
  • Author(s): Kenta Yamanaka, Akihiko Chiba
  • Organizer: HEA Additive Manufacturing Workshop (HAMW)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Progress in electron beam powder bed fusion for advanced structural materials (2023)
  • Author(s): Kenta Yamanaka
  • Organizer: National Taipei University of Technology & Tohoku Univeristy 2023 Joint Symposium Pioneer Research in Sustainable Development - Materials, Energy, and Bioengineering
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 加工プロセスに基づく先進構造材料の開発 (2023)
  • Author(s): 山中 謙太
  • Organizer: 国際・産学連携インヴァースイノベーション材料創出プロジェクト第1回出島コンソーシアム・セミナー
  • Invited
• [Presentation] 中性子回折によるNi基超合金積層造形材の組織解析 (2023)
  • Author(s): 山中 謙太, 森 真奈美, 小貫 祐介, 佐藤 成男, 千葉 晶彦
  • Organizer: 粉体粉末冶金協会2023年度秋季大会
• [Presentation] Demonstrating Duplex TRIP/TWIP Titanium Alloys by Introducing Metastable Retained β-phase (2023)
  • Author(s): Kenta Yamanaka, Karri Sri Naga Sesha, Manami Mori, Yusuke Onuki, Shigeo Sato, Damien Fabregue, Akihiko Chiba
  • Organizer: IFHTSE2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Neutron diffraction microstructural analysis of additively manufactured alloys (2023)
  • Author(s): Kenta Yamanaka, Manami Mori, Yusuke Onuki, Shigeo Sato, Akihiko Chiba
  • Organizer: The 1st International conference on Creation of Materials by Superthermal Field 2023 (CMSTF2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 量子ビームを用いた組織・塑性変形解析と材料開発への応用 (2023)
  • Author(s): 山中 謙太
  • Organizer: 第4回量子ビーム材料解析セミナー 令和4年度第4回iMATERIA 研究会 「量子ビームメタラジーを指向した測定と解析」
  • Invited
• [Presentation] Co-Cr-Mo合金の電子ビーム積層造形における炭素添加の影響 (2023)
  • Author(s): 山中 謙太, 青田 昇哉, 森 真奈美, 佐々木 信之, Jerome Adrien, Eric Maire, Damien Fabregue, 千葉 晶彦
  • Organizer: 国際・産学連携インヴァースイノベーション材料創出プロジェクト -DEJl2MA プロジェクト- 第1回公開討論会
• [Presentation] Alloy design approach for reducing powder-originated gas pores in electron beam powder bed fusion (2023)
  • Author(s): Kenta Yamanaka, Shoya Aota, Manami Mori, Jerome Adrien, Eric Maire, Damien Fabregue, Akihiko Chiba
  • Organizer: EBAM (International Conference on Electron Beam Additive Manufacturing) 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 合金設計と加工プロセスによる生体用金属材料の高機能化 (2022)
  • Author(s): 山中 謙太
  • Organizer: 第244回IBBセミナー/国際・産学連携インヴァースイノベーション材料創出プロジェクト第3回バイオ・医療機器材料分野研究会
  • Invited
• [Presentation] ハイエントロピー合金のAdditive Manufacturingにおける組織形成と材料特性への影響 (2022)
  • Author(s): 山中 謙太, 李 家翔, 楊 程, 青柳 健大, 千葉 晶彦
  • Organizer: 日本金属学会2022年秋期講演大会
  • Invited
• [Presentation] Additive Manufacturingを用いた高機能構造用金属材料・部材の創製 (2022)
  • Author(s): 山中 謙太
  • Organizer: 日本金属学会2022年秋期講演大会
  • Invited
• [Presentation] 粉末特性と凝固メカニズムに着目した電子ビーム積層造形におけるポロシティの低減 (2022)
  • Author(s): 山中 謙太, 崔 玉傑, 趙 宇凡, 森 真奈美, Jerome Adrien, Eirc Maire, Damien Fabregue, 千葉 晶彦
  • Organizer: 日本金属学会2022年秋期講演大会
  • Invited
• [Presentation] Metal additive manufacturing for improved properties (2022)
  • Author(s): Kenta Yamanaka
  • Organizer: The 6th Symposium for the Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics/The 5th Symposium on International Joint Graduate Program in Materials Science
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 電子ビーム積層造形法により作製したCo-Cr-Mo合金における凝固挙動と造形欠陥に及ぼすC添加量の影響 (2022)
  • Author(s): 山中 謙太, 青田 昇哉, 森 真奈美, 佐々木 信之, Jerome Adrien, Eirc Maire, Damien Fabregue, 千葉 晶彦
  • Organizer: 粉体粉末冶金協会2022年度秋季講演会
• [Presentation] 放射光・中性子を用いたチタン合金の組織・塑性変形解析 (2022)
  • Author(s): 山中 謙太
  • Organizer: 日本鉄鋼協会チタンフォーラム「ポストコロナ社会を支える高機能チタン材料」 R4年度講演会「測定技術の進歩による Ti 研究の進展」
  • Invited
• [Remarks] [備考] https://researchmap.jp/7000010084
• [Remarks] https://researchmap.jp/7000010084