2016 Fiscal Year Research-status Report
異種金属衝撃圧接界面における非平衡相形成機構の解明
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16K06742
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
熊井 真次 東京工業大学, 物質理工学院, 教授 (00178055)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 異種金属接合 / シミュレーション / 衝撃圧接 / 界面組織 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
電磁力や爆薬の爆轟により、数マイクロ秒オーダーの短時間で衝撃圧接された異種金属接合界面には、通常の溶融接合や固相接合では見られない非平衡相で構成される中間層が形成されることがある。異種金属接合材の力学的特性や熱伝導度等の物理的特性は、非平衡相の化学的組成や結晶学的構造によって支配されるため、これらの特性や生成機構を明らかにすることは極めて重要である。本研究では、従来取り組んできた衝撃圧接機構に関する研究成果をベースに、衝撃解析手法と熱解析手法をリンクさせ、衝突点における両金属成分の分散（混合）挙動、衝撃圧接界面における圧力上昇と温度上昇、その後の熱拡散による冷却（温度低下）挙動をシミュレーションし、これを実際に得られた衝撃圧接界面組織と突き合わせることで、異種金属衝撃圧接界面における非平衡相の形成機構を解明することを目的としている。
実験では、中間層として金属間化合物の非平衡相生成が予想される異種金属同士（Al/CuならびにAl/Fe）を爆発圧接法ならびに電磁力衝撃圧接法の両手法を用いて高速傾斜衝突させ、接合界面の波状模様や中間相の形状、組成、構造について調べた。シミュレーションでは、まず爆轟解析あるいは電磁場解析を行って求めた衝突速度、衝突角度を基にSPH法による衝撃解析を行い、衝突点と接合界面における圧力変化、温度上昇を解析、衝突点後方での波状界面形態の発達と両金属成分の混合（配分）挙動を可視化した。さらに衝撃解析で得られた温度上昇を基に、引き続き熱伝導解析シミュレーションを行い、波状接合界面の各位置における温度－時間変化を求めた。
両解析で得られた組成分布、温度分布から、接合界面において局部溶融や非平衡相形成位置を予測し、実際の衝撃圧接界面の中間層の成分や組織と比較・検討を行ったところ、両者は定量的によく一致した。
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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
本研究は、衝撃解析手法と熱解析手法をリンクさせ、衝突点における両金属成分の分散（混合）挙動、衝撃圧接界面における圧力上昇と温度上昇、その後の熱拡散による冷却（温度低下）挙動をシミュレーションし、これを実際に得られた衝撃圧接界面組織と突き合わせることで、異種金属衝撃圧接界面における非平衡相の形成機構を解明することを目的としている。衝撃圧接機構の解析にはSPH法が使用できるが、SPH法では衝突直後の界面における最高到達温度は予測できるものの、その後の長いタイムスパンにおける温度変化は取り扱えない。すなわち、接合界面の温度が両金属母相への熱伝達によって低下する現象をシミュレートすることはできない。そこで、本年度は以下のような方策を用いて上記の問題の解決を試みた。まず、タイムスパンの長い現象を取り扱うため、SPH法に加え、熱伝導解析を導入した。次に、波状界面のSPH解析結果をベースに、SPH粒子の分布挙動を調べ、波の各位置において両金属の成分比がどのように変化しているのか調べた。さらにSPH法で求めた波状界面の各位置での最高到達温度からの冷却過程を熱伝導解析によってシュミレーションし、波状界面の各位置での両金属の成分比から推定できる融点をベースに、波状界面のどの部分が局所融解する可能性があるのかについて明らかにすることができた。さらにその部分での冷却速度を推定することにも成功した。
このように波状を呈する接合界面の温度は一定ではなく、波の各位置で異なっていることがシミュレーションにより明らかになった。これは、実際に爆発圧接や電磁力衝撃圧接によって得られた異種金属接合材において形成される中間層の組成ならびに構造解析を行う際に十分注意すべき点であり、今後研究を進める上での貴重な指針である。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでと同様、衝撃解析手法と熱解析手法をリンクさせ、衝突点における両金属成分の分散（混合）挙動、衝撃圧接界面における圧力上昇と温度上昇、その後の熱拡散による冷却（温度低下）挙動をシミュレーションし、これを実際に得られた衝撃圧接界面組織と突き合わせることで、異種金属衝撃圧接界面における非平衡相の形成機構を解明することを目的として研究を実施する。
実験的アプローチとしては、研究室所有の電磁圧接機を使用し、Al/Cu、Al/Fe等の種々の異種金属衝撃圧接材を作製する。また、旭化成（株）の協力のもと、爆発圧接法により接合材を作製する。
衝撃圧接材の断面を光学顕微鏡、走査型電子顕微鏡を用いて観察し、界面に生成した中間層について組成分析ならびに構造解析を行い、中間層内の非平衡相、準安定相、アモルファス相等の同定を行う。
数値解析的アプローチとしては、解析ソフトウェアANSYS AUTODYNを用い、SPH法によって接合時の波状界面の形成過程、界面近傍での両成分の混合（分配）挙動や温度上昇過程を可視化する。
中間層の形成過程を再現するには界面での熱伝導に関する解析が必要である。そこで解析ソフトウェアOpenFOAMを用いた熱伝導解析を実施する。
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| Causes of Carryover |
数値解析に必要なシミュレーションのソフトウェアの購入に関し、購入予定の物品が近い将来バージョンアップされる可能性があった。よって本年度の購入を控え、次年度における購入を計画するために次年度使用額へと転換した。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
数値解析に必要なシミュレーションのソフトウェアの購入ならびに実験的研究（電磁力衝撃圧接実験ならびに爆発圧接実験）を行うための金属素材購入、実験に必要な消耗品、調査ならびに成果発表のための国内ならびに海外出張のための旅費に使用する。
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