2019 Fiscal Year Research-status Report
Development of novel High Entropy Alloys for metallic biomaterials based on the new alloy design
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18K04750
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
永瀬 丈嗣 大阪大学, 超高圧電子顕微鏡センター, 准教授 (50362661)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
當代 光陽 新居浜工業高等専門学校, 環境材料工学科, 准教授 (10610800)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 生体材料 / ハイエントロピー合金 / 熱力学計算 / 凝固 / 鋳造 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
5種類以上の合金元素をほぼ等量ずつ配合することで作製されたハイエントロピー合金は、面心立方（FCC）・体心立方（BCC) といった単純な結晶構造を有する高濃度固溶体を形成し、鋳造ままでも高強度・高延性を示す新金属材料である。しかし、その開発は単純な経験則に基づくパラメーター法を用いた絨毯爆撃的実験が中心であり、これまで蓄積・構築されてきた熱力学データベースや計算科学に基づく開発がなされていないのが現状である。
本研究では、生体ハイエントロピー合金として開発がすすむTiNbTaZrMo生体ハイエントロピー合金の凝固組織を、液相線温度および液相線温度における分配係数の熱力学計算結果と比較を行い、等軸デンドライト組織における元素分配が、熱力学計算結果によりよく説明できることを明らかとした。この結果は、極めて複雑な構成元素の組み合わせを特徴とするハイエントロピー合金・生体ハイエントロピー合金であっても、固溶体と液相のみを仮定した液相線・雇用線の熱力学計算結果が、凝固組織の制御に極めて有効であることを示している。
凝固現象に注目した熱力学計算をもとに、等原子組成比TiNbTaZrMo生体ハイエントロピー合金に加え、あらたにTi濃度を増加させたTi2.6NbTaZrMo合金、およびTiとZr濃度を増加させたTi1.4Zr1.4Nb0.6Ta0.6Mo0.6合金の設計・試作を達成した。さらに、生体ハイエントロピー合金の合金設計のために開発した、熱力学計算・第一原理計算データベースを利用した合金設計法は、超他成分合金の凝固組織制御に応用可能であり、生体ハイエントロピー合金だけではなく多種多様なハイエントロピー合金の開発に有用であることを実証した。
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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
等原子組成比TiNbTaZrMo生体ハイエントロピー合金に加え、比較用としてのTiNbTaZrX(X=V, W)ハイエントロピー合金、さらには鋳鉄系・黄銅系・アルミ合金系などのハイエントロピー合金の凝固組織と元素分配を、熱力学計算と凝固組織解析の両面から取り組むことで、生体ハイエントロピー合金の凝固組織の特徴を明らかとした。実験的手法として、アーク溶解法に加え、浮遊溶解法・高周波るつぼ溶解・高周波るつぼ溶解-金型遠心鋳造などのさまざまな凝固・鋳造プロセスを利用を検討した。観察された凝固組織におけるデンドライトとデンドライト樹間の元素分配を、液相線温度における分配係数と比較した結果、実験結果が熱力学計算結果によりよく説明できることが明らかとなった。さらに、凝固組織の解析結果から、新たに熱力学計算や第一原理計算データベースを利用した凝固組織制御についての検討も開始した。
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| Strategy for Future Research Activity |
一般的に、鋳造材の凝固組織は、凝固プロセス（鋳造プロセス）や溶湯の冷却速度にも大きく依存することが知られている。本研究では、アーク溶解法に加え、さまざまな鋳造法による試料作製を行い、その凝固組織の解明と熱力学計算結果との比較を行う。これにより、凝固組織におよぼす凝固プロセス依存性および冷却速度依存性を明らかとしてきた。
凝固組織にみられる等軸デンドライト組織は、凝固時における元素分配を反映した組織であるため、凝固により形成された構成相が熱力学的安定相であるかどうかは明らかとなっていない。そのため、熱処理に伴う組織変化および元素分布の変化を行う予定である
組成をさまざまに変化させた鋳造材（鋳造法はアーク溶解法とは限らない）および熱処理材における細胞試験を行うことで、生体ハイエントロピー合金における構成元素の分布と細胞特性に関する知見を得る予定である。現時点で、生体ハイエントロピー合金はCP-Tiに匹敵する優れた生体適合性を示すこと、および生体ハイエントロピー合金系において特徴的に細胞接着領域が発達することが明らかになっているが、さらに多くの生体ハイエントロピー合金系において、この生体適合性に関するこれらの特徴が普遍的であるかを検証する。
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| Causes of Carryover |
研究により得られた成果を積極的にオープンアクセスジャーナルへ投稿するため、当初計画に比べ英文校正費用と論文投稿費用に多くの費用を計上した。次年度使用額についても、積極的に得られた成果をオープンアクセスジャーナルへ投稿する費用をの割合を増加させていく予定である。
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[Presentation] 混合エンタルピーの観点からみた金属ガラス・ハイエントロピー合金（3d-HEA, RHEA, LW-HEA, HE Brass）の特徴2019
Author(s)
永瀬丈嗣, 寺山朗, 長岡孝, 府山伸行, 阪本辰顕, 柴田顕弘, 松室光昭, 武村守, 千星聡
Organizer
粉体粉末冶金協会 平成31年度春季大会
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