2021 Fiscal Year Annual Research Report
Digital Twin Science for Creation of Materials by Super Thermal Field
| Project Area | Creation of Materials by Super Thermal Field: Neo-3D printing by Manipulating Atomic Arrangement through Giant Potential Gradient |
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| Project/Area Number |
21H05193
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
小泉 雄一郎 大阪大学, 工学研究科, 教授 (10322174)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
奥川 将行 大阪大学, 工学研究科, 助教 (70847160)
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| Project Period (FY) |
2021-09-10 – 2026-03-31
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| Keywords | Digital Twin / Additive Manufacturing / Solidification / Crystal growth / Super-thermal Field / Process tonitoring / CtFD simulation / Phase- field method |
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| Outline of Annual Research Achievements |
SUS304鋼およびSUS316L鋼を対象として、レーザー照射によって形成された溶融ビードにおける微細組織と凝固条件の関係を実験と熱流体力学（Computational thermal-Fluid Dynamics: CtFD）計算によって調べた。また計算結果の妥当性の検証のために、高速度カメラを用いたレーザー照射溶融ビード形成実験のプロセスモニタリングを行った。さらに、フェーズフィールド（Phase-Field: PF）シミュレーションによる凝固組織形成の予測手法の検討を行った。
304鋼および316L鋼のバルク材に、レーザー積層造形装置を用いてレーザービーム照射を行った。ビーム出力は360 W、走査速度は600 mm/sとした。形成された溶融池断面形状および微細結晶組織を、走査型電子顕微鏡/電子後方散乱回折（SEM-EBSD）によって解析した。実測が困難な固液界面での温度勾配（G）、凝固速度（R）および流速（U）を、CtFDシミュレーションにより評価した。得られた実験データとシミュレーションデータを組み合わせることで、凝固組織と凝固条件の関係を解析した。
レーザー照射で形成された溶融ビードの断面観察により、両鋼種で同様の溶融領域が確認され、ともに凝固中の固液界面移動方向に伸張した柱状晶が認められた。但し、316L鋼中よりも304鋼中において、より微細な組織が形成された。実験で観察された溶融池形状を再現するように、ビーム吸収率を調整したCtFDシミュレーションの結果から、固液界面での凝固条件を評価した。両鋼種の凝固条件はG-R平面上ではほぼ同じ範囲に分布したが、304鋼中の結晶組織は316L鋼中よりも微細となった。これは、304鋼と316L鋼の液相線ー固相線温度差の違いならびに結晶粒の不均一核生成の頻度の違いに起因するものと考えられる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
2021年度には、β-Ti合金ならびにステンレス鋼などのFe系合金などへのEB高速走査実験およびLB高速走査実験を行い、溶融領域表面の温度分布変化モニタリングと、凝固組織の解析を実施することを予定していた。LB高速走査実験については計画どおり実施することができた。EB高速走査実験については、EB積層造形装置への観察用窓取り付け改造をまでを実施した。高速度カメラの設置については予算の都合により2022年度に延期した。
一方、計画を前倒しして、2021年度には高速ビーム走査実験と組織観察のみを行う予定であったところを、熱流体力学(CtFD)シミュレーションによる温度勾配(G)と凝固組織（R）、さらに流速（U）の評価も実施できた。また、鉄系合金に関しては、種々のステンレス鋼での実験とシミューレションに加えて、種々のFe合金でのビーム照射実験と組織観察まで実施することができた。この点については、当初の計画以上に進展していると言える。着実にデータを取得しており、Fe基の機能性材料の研究では日本鉄鋼協会の学生ポスター発表にて発表した担当学生が受賞するなど、他の研究者からも高い評価を得ている。
また、現時点では具体的には記載できないが、絶対安定性発現を期待させる実験データも取得できている。2022年度に実施する予定としているフェーズフィールドシミュレーションや、その場観察実験、A02やA03との連携研究の準備も進めることができた。以上のように、大部分では計画どおり進行しており、一部に計画どおりではない部分もあるものの、計画よりも前倒しで進展させることができた部分も多いことから、総合的に見て概ね順調に進展していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
鉄鋼、Ti合金を中心に金属材料へのPBF用ビーム(EB、LB)の照射による急速溶融・凝固挙動を、巨大な温度勾配(超温度場)に注目したモニタリング、熱流体力学(CtFD)計算、フェーズフィールド(PF)計算を中心としたシミュレーションにより評価する。実験では高速度カメラと2色法で表面の温度分布変化を観測する。また、マクロにはCtFD計算で温度勾配(G)、凝固速度(R)、流速(U)、凝固方向(Φ)を評価する。計算に必要な融体物性は文献値を元に本研究の実験、A02班の実験とも整合するように修正する。またA01-b班のインフォマティックスと連携し、材料の各種物性、冶金学的性質と単結晶化および微細粒化の傾向との間にある相関から単結晶化と微細粒化の指針を得る。これにより超温度場での結晶成長のデジタルツインの構築をA03班で造形されるスーパーチタンの基となるTi合金とFe系合金を対象の中心に進める。特に、(1)絶対安定性発現の有無に注目して結晶成長を解析する。具体的には (1-1) EBの高速走査実験として、速度1-10 m/s程度で走査されるEBを各材料に照射し、その自発光による画像を高速度カメラで撮影し、それを二色法で解析し温度分布に変換する。(1-2)同様の実験を、LBを1-2m/s程度の速度で走査して行い、ビームの種類と材料との相互作用と超温度場と関係を解明する。(1-3) 凝固界面挙動解析:表面温度分布変化の実験に整合するCtFD計算により、G、R、U、Φを評価する。PF結晶成長シミュレーションで必要な界面移動度を評価するとともに凝固速度上昇にともなう溶質分配係数の変化を評価する。(2) 結晶成長シミュレーション:超温度場における結晶成長を、PF計算を軸にして解析する。特に絶対安定による平滑界面成長による単結晶育成の可能性に注目する。
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