2019 Fiscal Year Annual Research Report
Materials Science for controlling not only external shape but also internal microstructure in metal 3D printing
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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, 工学研究科, 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, 准教授 (30727061)
福山 博之 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (40252259)
青柳 健大 東北大学, 金属材料研究所, 助教 (90636044)
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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 / ニッケル基合金 / 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 |
2018年度までにCo-Cr-Mo合金、Inconel718合金を対象として実施した、電子ビーム（EB）造形用ビームを照射して形成される溶融ビード断面の各位置の凝固組織を観察、熱流体力学シミュレーション（CtFD）のデータから温度分布変化の解析、凝固界面での温度勾配(G)と凝固速度(R)、流速(U)を評価し、GとRと凝固組織の関係を柱状―等軸遷移(CET)理論に基づく凝固マップで整理する研究を、他の複数の材料を対象として進めた。その結果、GとRと凝固組織の関係はCETのみでは説明できず、流動、下地結晶組織の影響の重要性などの共通点と個々の材料特有の挙動を見出した。SUS304鋼に加え、Co-Cr-M合金と並び生体材料として重要なチタン合金、SUS316L鋼でも研究を展開し、合金の融体物性や熱力学的性質がG-R-U値と組織の関係に及ほす影響を調査した。加えて、Co-Cr-Mo合金の融体物性として、2018年度までに静磁場印加電磁浮遊法での測定に成功した密度、昨年度に成功した熱容量、熱伝導率及びその温度依存性を用いたCtFDを実行し計算の高精度化を進めた。さらにEBだけでなく、レーザーを照射した場合の溶融凝固挙動の解析を行い、LB積層造形とEB積層造形の違いの理解を深めた。また高速度カメラ画像と二色法でのビーム走査時の溶融池表面での温度分布の時間変化測定にも成功し、ビーム走査が異なる場合の溶融凝固挙動の解析により、ビーム走査履歴による温度上昇が溶融凝固挙動に及ぼす影響の実験データおよび計算データを取得した。CtFDシミュレーションでは、粉末が存在する際のビーム照射による溶融・流動・凝固のデータも拡充した。これらのデータの拡充により、本研究で得た知見の普遍性を検証し、3Dプリントで形状だけなく内部組織を制御するための材料科学の構築に向けた準備を整えた。
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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
2018年度の成果に基づき、金属3Dプリントにおける組織制御の研究を進展させた。具体的には、EB照射による溶融凝固挙動と造形における組織形成との関係を解明した。EB照射で得られる凝固組織が熱流体（CtFD）シミュレーションで評価した固液界面での温度勾配Gと凝固速度Rの値と凝固マップから予測される組織とは大きく異なったことから、融液流動が核生成に大きく影響していることが示唆された。これは、金属3Dプリントにおける組織形成を支配する組織制御を考える上での重要な指針と考え、それを実証すべく流動を加味した凝固条件と組織の関係のデータを拡充した。また粉末床形成に及ぼす粉末粒子径分布の影響も、実験観察と個別要素法(Discrete Element Method: DEM)シミュレーションにより調べた。それにより粒度分布が粉末床の均一性に及ぼす影響を解明し、金属３Ｄプリントにおける組織制御の前提となる欠陥形成回避の指針を示した。尚、本研究の当初に主眼としていたCo-Cr-Mo合金とInconel718合金を対象とした組織制御については、電子ビーム（EB）造形用ビームの照射で形成される溶融領域断面の各位置の凝固組織中の結晶方位分布評価、ならびにCtFDシミュレーションによる温度分布変化の解析による凝固界面での温度勾配(G)、凝固速度(R)、流速(U)と凝固組織の関係の評価ならびに柱状―等軸遷移(CET)理論に基づく凝固マップでの解析によりほぼ完了している。そして対象とする材料を拡張し、チタン合金、SUS304鋼、SUS316L鋼、Al-Si合金でも研究も行い、多くのデータを取得している。したがって、研究全体として概ね順調に進展していると言える。(尚、繰越した予算は、新型コロナウィルス感染拡大防止のために中止となった学会参加のための旅費であり、研究の進展の遅れを理由とした繰り越しではない。)
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| Strategy for Future Research Activity |
上述のとおり本研究開始時当初の目標であったCo-Cr-Mo合金、Inconel718合金における組織制御の研究は、電子ビーム（EB）造形用ビームの照射で形成される溶融領域断面の各位置の凝固組織中の結晶方位分布データの取得、熱流体力学（CtFD）シミュレーションによる凝固条件解析、凝固界面での温度勾配(G)ー凝固速度(R)ー凝固組織の関係の評価、柱状―等軸遷移(CET)理論に基づく凝固マップ解析によりほぼ完了し、流速(U)の重要性を見出している。そのため、対象とする材料をチタン合金、SUS304鋼、SUS316L鋼、Al-Si合金、Ni基合金にも拡張し、指針の一般化の研究を展開している。今後もこれらのデータ拡充とその高精度化を継続する。合金の融体物性や熱力学的性質がG-R-U値と組織との関係に及ぼす影響のデータを拡充するとともに、EBだけでなくレーザー（LB）を照射した場合の溶融凝固挙動のデータも拡充する。さらに高速度カメラと二色法によるビーム走査時の温度分部の時間変化推定の高精度化も進める。また、ビーム走査の経路長や経路間隔等を変化させた場合の予備加熱の効果も調査する。加えて部位毎の組織制御のため、造形条件を部位毎に変化させた場合の組織遷移のも調べる。溶融凝固挙動に及ぼす影響についての実験データの高精度計算データを取得する。さらに個別要素法（Discrete Element Method）による粉末床形成プロセスの計算機シミュレーションも実施する。凝集力を加味した粉末間の接触モデルを作成し、それを用いた粉末床モデルの高精度化も進める。粉末へのビーム照射による溶融・流動・凝固過程のデータもCtFDシミュレーションにて拡充する。これにより、本研究で得た知見の普遍性を検証し、幅広い材料に対して3Dプリントにおいて形状だけなく内部組織を同時に制御するための材料科学の構築を進める。
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| Remarks |
尚、繰越した予算は、新型コロナウィルス感染拡大防止のために中止となった学会参加費用のための旅費であり研究の遅れによるものではない。また、2020年９月に参加した学会、2021年3月の学会もオンライン開催となったため、予算は更なるデータ取得のための実験のための消耗品購入に用いた。
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