2022 Fiscal Year Annual Research Report
Microdynamics of Crystal Growth 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 |
21H05195
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
森下 浩平 九州大学, 工学研究院, 准教授 (00511875)
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| Project Period (FY) |
2021-09-10 – 2026-03-31
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| Keywords | 超温度場 / 金属３Dプリント / レーザー / Additive manufacturing / 放射光X線イメージング / その場観察 / 溶解・凝固 / マイクロダイナミクス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2022年度は，溶融地内の液相流動に着目しながら，種々の合金の板材へのレーザー照射および走査による合金種に依存する溶融・凝固挙動を放射光X線イメージングを用いて高時間分解でその場観察した．これにより，Ti合金でのスパッタ発生機構，Ni合金における溶融地スケールでのマクロ偏析，Al-Si合金における溶融挙動，SUS316Lの溶融地形状と成長界面との関係等について検討した．主な成果を以下に示す．
「巨大ポテンシャル勾配下における急速溶解・急速凝固のマイクロダイナミクス」では，ミクロ偏析によって固相内に著しい溶質分布を有するNi基超合金が，その溶融池内においても溶融池中央とその他の領域において溶質分布を示すことがその場観察により明らかとなってきた．そこでTaC粒子をトレーサーとして液相流動を確認した結果，溶融池周辺ではマランゴニ流により液相が攪拌されることで溶質濃度が均一化されるのに対し，溶融池中央では液相流動の弱い領域が存在することが明らかとなった．
「超温度場における欠陥形成のマイクロダイナミクス」では，Ti合金におけるスパッタ発生について検討した．レーザー照射によって飛散するスパッタは3DP造型体に存在する欠陥の一種と考えられている．従来，粉末床へのレーザー照射時に個々のあるいは融合した融体が飛散するとされてきた．一方，本研究により蒸発反力に起因する溶融池液相表面の激しい揺動によって液相の一部が上方に跳ね上げられ，液滴化するとともに蒸発流に乗って加速しながら飛散する現象であることが明らかとなった．
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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
本年度は溶融地内の液相流動に着目しながら，AlおよびAl-Cu合金，Al-Si合金，TiおよびTi-6Al-4V合金，Ni基超合金， SUS316L合金，Cuの板材および粉体を対象にレーザー照射および走査による合金種に依存する溶融・凝固挙動を放射光X線イメージングを用いて高時間分解でその場観察した．
「巨大ポテンシャル勾配下における急速溶解・急速凝固のマイクロダイナミクス」では，ミクロ偏析によって固相内に著しい溶質分布を有するNi基超合金が，その溶融池内においても溶融池中央とその他の領域において溶質分布を示すことがその場観察により明らかとなってきた．そこでTaC粒子をトレーサーとして液相流動を確認した結果，溶融池周辺ではマランゴニ流により液相が攪拌されることで溶質濃度が均一化されるのに対し，溶融池中央では液相流動の弱い領域が存在することが明らかとなった．
「超温度場における欠陥形成のマイクロダイナミクス」についてTi合金におけるスパッタ発生について検討した．レーザー照射によって飛散するスパッタは3DP造型体に存在する欠陥の一種と考えられている．従来，粉末床へのレーザー照射時に個々のあるいは融合した融体が飛散するとされてきた．一方，本研究により蒸発反力に起因する溶融池液相表面の激しい揺動によって液相の一部が上方に跳ね上げられ，液滴化するとともに蒸発流に乗って加速しながら飛散する現象であることが明らかとなった．
「実証的データを獲得するためのその場観察手法の確立・発展」については半導体不足により調達が遅れていた500Wファイバーレーザーとガルバノスキャナが導入され装置として組み上げる段階となった．
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| Strategy for Future Research Activity |
【実証的データを獲得するためのその場観察手法の確立・発展】
凝固速度だけでなく凝固形態やAl-Si合金における溶融池境界での等軸晶の起源等を検討する為，拡大光学系による観察を進めるとともに，4K解像度カメラによるさらなる高空間分解能観察を目指す．
【巨大ポテンシャル勾配下における急速溶解・急速凝固のマイクロダイナミクス】
開発装置によるその場観察手法を駆使し，金属粉体と金属基盤へのレーザー照射における急速溶解・急速凝固現象のその場観察を昨年度に引き続き進め，溶融池スケールでの溶解・凝固挙動を実証的に明らかにすることを目指す．各粉体および基盤（鋳造まま材・積層造形材）の溶融挙動，溶融池の形成・成長挙動，溶融池と粉体の相互作用，溶融池内での凝固挙動等のマイクロダイナミクスを，レーザーをスポット照射した系および高速走査した系に対して定量的に明らかにする．昨年度より進めている溶融地形状と固液界面の成長方向との関係の定量化を進め，造形層の進行とともに造形体として結晶方位が収束する過程を明らかにすることを試みる．これはA01班のシミュレーションおよびA02b，A03班の組織解析との連携を進める．TiおよびTi合金，SUS316L鋼，CuおよびCu合金やAl-Si，Co-Cr合金等を観察対象に用い，合金種に依らず統一的に急速溶融挙動を説明できるモデルを確立するための基盤データを獲得する．
【隣接走査列間・積層間のマイクロダイナミクス】
造型体だけでなく，複数回あるいは複数個所，さらには積層厚さ分の試料を添加してのレーザー照射による溶融・凝固挙動のその場観察を実施することで，既造型領域と溶融池との相互作用の検証を進める．
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