2020 Fiscal Year Research-status Report
Establishment of the technique to consolidate powder into three-dimensional shape by the shearing plastic deformation
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19K22042
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
三木 寛之 東北大学, 流体科学研究所, 准教授 (80325943)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2022-03-31
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| Keywords | 構造・機能材料 / 機械材料・材料力学 / 表面・界面物性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は金属粉あるいは金属と金属などの固体材料との混合粉に圧縮荷重を与えた状態で圧縮荷重とは異なる方向にせん断力を加えることにより、原料粉末同士の接合（固化）と成形体内の結晶粒の微細化が同時に可能となる成形手法の高度化に関する研究である。この手法はレーザー加熱や衝撃などの高エネルギープロセスではなく、準静的な２軸応力の付与により粉体を溶融せずに固化する特徴を有することが特徴であるが、本課題ではその固化成形過程を詳細に制御することによって、隣接する粉末粒子が擦り合わされ互いに接合する現象を明らかにし、個々の接合現象を立体造形に展開するための基礎技術の獲得を目指している。初年度研究は金属粉末の固化条件ならびに成形体の機械的特性に影響を与える結晶組織とその成形条件を検証し、金属粉末の力学的成形プロセスにおけるマクロスケールの特性パラメータを明らかにした。さらに、研究２年度には成形条件による形成組織の違いに着目し、せん断応力の付与過程が粉末の接合状態に及ぼす影響を調べることにより、ミクロな粒子間接合状態とマクロな材料特性との関係性について検証した。具体的には、①混合素粉末の成形体を作製し、常温に加えて温間プロセスを併用した成形過程を詳細に分析することによって、原子拡散と合金化の相関性と材料特性に与える影響について評価した。②成形材を後熱処理することによって、形成される材料組織と粒子間の原子拡散の影響を明らかにした。③成形性低下の要因となっている酸化被膜の除去と微細化した結晶粒の加熱プロセスによる再結晶化に取り組み、多段化した成形プロセスによる延性を示す成形材作製に成功し、結晶粒界制御に関する知見をもとにした現象論的固化モデルを示した。また、成形材の微細構造分析により、せん断方向に垂直な方向の接合性を評価することによって、粒子の多軸接合を可能とする技術について知見を得た。
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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
初年度研究の実施により、せん断塑性変形による薄板成形パラメータの抽出及び材料組織の微細構造分析行い、機械的特性に影響を与える結晶粒微細化条件等の特性パラメータを得ることが出来た。研究２年度は、この結果を粒子間の接合状態が異なる材料に展開し、固化特性や成形状態が機械的特性に与える影響を明らかにするとともに、成形プロセスにおける重要な制御パラメータを抽出した。ここでは、接触面に形成される粒子接合層の制御を目的として、異種金属間の原子拡散に対する加工複合組織の影響について明らかにした。さらに、従来の金属の三次元造形では成形時の温度上昇が材料の軟化や粒子間での原子拡散などに対して同時複合的に作用するため、詳細なプロセス制御に技術的な課題を有しているが、本課題ではそれらの個々の課題を他の要因と切り分けることが可能であるため、加熱を含む成形プロセスの改良による酸化膜形成制御と再結晶化による結晶粒制御に関する知見を得るなど新たな課題解決にも取り組んでいる。また、初年度と同様に①せん断塑性変形による板材の成形パラメータと機械的特性の関係評価及び成形材の微細構造分析、②せん断塑性変形による新たな粒子接合プロセスとして、粉末の三次元構造形成技術開発も継続していることから、全体計画に遅れを生じない研究進捗であると判断している。
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| Strategy for Future Research Activity |
本課題の準静的プロセスは原料となる粉末を溶融せず固相のままで成形体に加工される特徴を有する。従って、本技術の応用により粉末冶金技術の適用範囲の拡大や新材料開発にも寄与が期待されるとともに、新たなAM技術(Additive Manufacturing)手法となる可能性を有していることから、技術確立に向けた実用性のある原理の解明が重要と考えている。そこで、研究計画で最終年度となる本年度はこれまでに本課題の実施により得られた知見をもとに、各種の積層造形法（3Dプリンティング）やコールドスプレー法といった粉体をベースにした材料作製法と結晶粒微細化が特徴の強ひずみ加工（ECAP、ARB、HPTなど）との材料特性や成形手法の類似性について検証し、加工による粉末接合の基本原理を明らかにする。具体的には、①粒子間接合のモデルの構築（微細組織観察にもとづき、せん断力による粒子間接合と原子の拡散状態をモデル化）とともに、②三次元造形プロセスの確立（これまでに得られた現象論パラメータをもとに、多層成形を行い、三次元構造体を作製する）を目指した研究を実施する。
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| Causes of Carryover |
研究実績の概要に示したように、研究２年度（令和２年度）に実施した事業においては概ね計画に則した成果を得ることが出来たので計画に変更はなかったが、年度当初からコロナウイルス感染症蔓延による影響が顕著となり、参加あるいは発表を予定していた学会等がオンライン開催あるいは中止となったため、旅費の支出は予定していたものとならなかった。尚、研究３年度（令和３年度）においても状況の大幅な改善は期待できず、海外実施の国際会議はもちろんのこと、国内学会の現地開催も難しい状況が今後も継続されることが予想されるため、オンライン開催の国際・国内会議での本事業の成果発表を積極的に行い、その費用の一部としても当該助成金を充当し、合わせて次年度実施予定の以下の研究費としても充当する。［物品費（原材料費、加熱金型作製費、電子顕微鏡用消耗品、表面研磨用消耗品、断面試料作製用消耗品、材料加工消耗品）、旅費（成果発表、調査研究、研究打合せ、資料収集）、その他（論文投稿料、学会登録料、分析委託費）］
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