2017 Fiscal Year Annual Research Report
Modeling of solidification dynamics supported by 3D time-resolved in-situ observations
| Project/Area Number |
17H06155
|
|---|
| Research Institution | Kyoto University |
|---|
Principal Investigator |
安田 秀幸 京都大学, 工学研究科, 教授 (60239762)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
柳楽 知也 大阪大学, 接合科学研究所, 准教授 (00379124)
吉矢 真人 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教授 (00399601)
森下 浩平 京都大学, 工学研究科, 助教 (00511875)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2017-05-31 – 2022-03-31
|
| Keywords | 凝固 / 鋳造 / その場観察 / X線イメージング / トモグラフィー / モデリング / シミュレーション |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本課題では、金属合金の凝固を定量的に理解し，凝固現象の体系化を目指し，三次元時間分解・その場観察を可能とするX線4D-CTを開発し， Al，Fe，Ni系合金を対象に凝固組織の三次元観察を実現する．さらに，界面曲率分布と変化，1次・２次アームの選択，粒界領域での偏析形成など凝固組織形成を実証的に明らかにする．
[A] 三次元時間分解・その場観察手法の開発：高時間分解能観察（時間分解2s以内・空間分解10ミクロン）をAl合金で実現し，Fe合金でも4s程度での三次元観察を実現した．また、高空間分解能観察（時間分解能10s程度・空間分解１ミクロン）に必要な条件を実験により検証し，平成30年度に試行する段階になった．
組織解析手法の開発：X線CT撮影したデータから凝固組織の発達過程を精度良く再構成する解析手法を確立するため，種々のフィルター（標準状態による規格化，異方性フィルターなど）を試行し，非平衡熱力学に基づいたフェーズフィールドモデルを利用したフィルターが有効であることが明らかになった．この手法によりFe系合金のデンドライトの再構成も実現した．
[B] 凝固している組織の定量化／その場観察試料の結晶方位解析／３D観察に基づいた凝固現象のモデリング・シミュレーション：in-situの観察だけでなく、観察後の試料を解析するために結晶方位解析システムを購入し，試料内の方位解析など実験基盤が確立しつつある．三次元の凝固組織解析では，フェーズフィールドモデルを利用することで界面の曲率の定量化の精度が飛躍的に向上する可能性が示された．また，固液共存体の力学特性の検証では、変形過程における組織変化と応力変化の同時観察・測定（二次元）を実現した．データを固液共存体の力学モデルに利用する段階になった．
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本課題を遂行するために不可欠の技術的な課題として、三次元時間分解・その場観察手法の開発と実験データの解析手法の開発がある．前者については， 1s以下の高時間分解能観察（1rps以上で回転した試料のCT観察）にもめどがつき、Fe系合金でも三次元組織の観察が可能になった．後者についても，従来にないフェーズフィールドモデルを利用した画像処理・組織解析システムの有効性が明らかになり，その発展を目指している．
凝固組織に関する時間分解の定量化，凝固組織形成とともに結晶方位解析、蛍光X線分析，力学測定を実施でき，定量的な凝固モデル（三次元、時間分解）を議論できる基盤が整いつつある．
凝固組織・結晶方位のその場測定データの獲得により，計算材料科学の手法との検証することも可能になり，実験と計算をシームレスに連携した研究課題になりつつある．
以上の理由から，順調に進捗していると判断した．
|
| Strategy for Future Research Activity |
平成29年度の成果を踏まえ，本課題において有意義な成果を得るために下記の方向で平成30年度に研究を進める予定である．
[A] 三次元時間分解・その場観察手法の開発： 1s以下の時間分解能（1rps以上で回転する試料のCT観察）の高時間分解能観察、三次元組織形成と結晶方位の同時観察測定，高空間分解能観察（時間分解能10s程度・空間分解１ミクロン）を実現し，従来獲得できなかった実証データを獲得する．凝固過程における相平衡関係の定量性も確保するため，in-situでの蛍光X線分析も積極的に利用し，凝固組織形成過程の実証的・定量的解明を目指す．非平衡熱力学に基づいたフェーズフィールドモデルを利用したフィルターを検証し．組織解析の定量性を向上させる．
[B] 凝固している組織の定量化／その場観察試料の結晶方位解析／３D観察に基づいた凝固現象のモデリング・シミュレーション：時間分解の三次元組織観察・結晶方位解析，in-situ蛍光X線分析による相平衡関係の測定、固液共存体の力学特性の測定（三次元）を実現し，定量的データに基づいた凝固モデルの構築につなげる．特に変形過程における組織変化と結晶方位変化のデータから，結晶粒の配置だけでなく，方位分布も変形挙動に影響することを明らかにする．フェーズフィールドモデルを用いたフィルタなど計算科学的手法と連携を図り，実験・計算がシームレスに連携した研究アプローチにより種々の凝固現象の解明を目指す．
|
Research Products
(19 results)
