2017 Fiscal Year Annual Research Report
金属用３Ｄプリンタで形状だけでなく内部組織を自在に制御するための材料科学
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17H01329
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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(系)研究科(研究院), 教授 (10322174)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
千葉 晶彦 東北大学, 金属材料研究所, 教授 (00197617)
山中 謙太 東北大学, 金属材料研究所, 助教 (30727061)
青柳 健大 東北大学, 金属材料研究所, 助教 (90636044)
福山 博之 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (40252259)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 凝固マップ / 熱流体力学シミュレーション / 柱状―等軸遷移（CET） / ビード / IN718合金 / Co-Cr-Mo合金 / 高速二色温度分布解析 / フェーズフィールド法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
単純な条件でバルク材に種々の条件でEBを照射し、溶融ビード断面の各位置の凝固組織を観察するとともに熱流体力学シミュレーションにより温度分布変化を求め、各位置での温度勾配(G)と凝固速度（R）、流速（Ｕ）を評価した。それらの結果からGとRと凝固組織の関係を凝固マップの形式で整理した。一般に凝固マップは、GとＲで組織を制御する指針になると考えられていたが、我々の予想どおりGとRと凝固組織の関係には、柱状―等軸遷移（CET）に対する下地結晶組織や流動等影響により、一般的な傾向とは大きく異なった。なかでも流動の影響が極めて大きいことを見出し、Uの範囲毎にG-R平面内に凝固マップを作成した。一方、高速熱画像測定装置を導入し、ビーム走査時の表面温度分布の時間変化を評価することに成功した。さらに、Co-Cr-Mo合金のDSC測定と静磁場印加電磁浮遊法により溶融合金の密度の温度依存性の測定にも成功した。今後はこれらを用いてより正確な熱流体力学シミュレーションを行い、各位置でのGとRをより高精度に評価することを目指す。
また、フェーズフィールド法による凝固シミュレーションでは、IN718 合金にビームを照射した際の温度分布変化を有限要素法により評価した結果から、温度の境界条件を与えて結晶成長のシミュレーションを行い、凝固開始時に柱状晶が成長し、凝固の進行とともに温度勾配が低下し、凝固速度が上昇するのに伴い核生成が生じて等軸晶となる一般的なCETを模擬することができた。今後は、溶融過程や流動の影響の考慮したモデルとパラメータの最適化により実験観察された組織を再現し、実験で観察されていない条件での組織予測を含め凝固マップデータを蓄積することを目指す。
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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
当初より凝固組織に対する流動の影響のあることは予想していたが、その影響が予想以上大きいことが見出された。今後の組織予測のためにはその理由を解明する必要があり、フェーズフィールドモデルの改良も必要となる。このことは、凝固マップ作成や組織制御の技術開発の観点からは新たな課題となるが、学術的観点からは従来の凝固の理論では説明できない現象を見出したという大きな成果であり、期待以上の成果が得られたとも言える。予定していた他の実験は予定通りに遂行しており、当初の計画と比べると概ね順調に進んでいると判断できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
研究代表者が異動により実験環境が大きく変化したが、研究分担者との連携を強化するとともに、大阪大学での研究環境も整え研究を推進する。
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[Journal Article] How to Control Mechanical Properties of Metals (Biomedical Co-Cr-Mo alloy) 3D-Printed by Electron Beam Melting (EBM)2017
Author(s)
Y. Koizumi, S.-H. Sun, X. Ding, T. Takashima, S. Kurosu, Y. Zao, D.x. Wei, H. Wang, K. Aoyagi, K. Yamanaka, A. Chiba,
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Journal Title
Proceeding of Int. Conf. on Materials and Systems for Sustainability (ICMaSS) 2017,
Volume: 1
Pages: 1-4
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