2021 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 – 2023-03-31
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| Keywords | 構造・機能材料 / 機械材料・材料力学 / 粉末プロセス / 表面・界面物性 / 材料設計 |
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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。この粉末固化手法は、従来のレーザー加熱や衝撃などの高エネルギー加工プロセスとは異なり、２軸応力を連続して付与すること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、本課題では準静的過程を詳細に制御することによって、こすり合わされた粉末粒子が互いに接合する現象をモデル化し、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成立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と成形体におけるマクロスケールの特性パラメータの相関を明らかにした。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に与える影響を評価し、混合素粉末における原子拡散と合金組織の形成と原子拡散が材料特性に与える影響、また常温、加熱プロセスを併用し、多段化した成形プロセスによる結晶粒界制御ならびに難成形金属粒子の多軸接合の可能性について明らかにした。研究3年度には粉体を用いた他の材料作製法や結晶粒微細化が特徴の強ひずみ加工法と本手法の成形材との間の材料特性や成形手法の類似性について検証し、粉末接合による三次元構造体粒子間接合技術の確立を目的として、①板厚制御技術の検討、②多層あるいは単層プロセスの改良による従来成形体よりも厚みのある成形体の成形条件の抽出を試みた。その結果、ある種の押出成形手法の応用によって厚板成形の可能性を見出した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
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可能条件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、初年度の結果を粒子間の接合状態が異なる材料系に適用し、接触面に形成される粒子接合界面の組織制御を目的とした研究を行うことにより、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。その結果、従来の金属の三次元造形で問題とされている成形時の温度上昇による材料の軟化や粒子間での原子拡散などの材料特性劣化をもたらす複合的な要因を制御要素として切り分け、加熱を含む成形プロセスの改良による酸化膜抑制と再結晶化を考慮した結晶粒制御の指針を得ることができた。３年度は粉末の三次元構造形成技術開発への取り組みとして、成形材の板厚制御に取り組み、従来手法をベースにした改良プロセスを提案し、成形材の板厚増加に成功した。
しかし、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、確立した手法による成形材の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の検討について、全体計画に遅れを生じたため、当該研究進捗状況であると判断している。尚、期間に遅れは生じたものの計画には概ね則した成果を得ることが出来たので全体計画に変更は生じない。
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| Strategy for Future Research Activity |
研究3年度には進捗に遅れが出たものの、研究2年度までは概ね順調に研究を実施していることから、補助事業期間の延長に際しては当初研究計画を継続して実施する。これまでに本課題の実施により得られた準静的プロセスに関する知見により、開発手法の産業的な利用には実用性のある原理の解明が重要と考えている。本課題における材料プロセスは原料となる粉末を高温で溶融せずに固相のままで成形体に加工する特徴を有することから、本技術の応用により従来高温プロセスを必要としていた粉末冶金手法の適用範囲の拡大や熱を好まない材料を用いた新材料開発にも波及効果が期待されるとともに、3Dプリンティングに代表される新たなAM技術(Additive Manufacturing)手法となり得る可能性を有している。そこで、今後は各種の積層造形法（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の解明を行う。具体的には、①粒子間接合のモデルの構築（微細組織分析により結晶粒の接合状態を分析し、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（得られた現象論パラメータを用い、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 |
（未使用額が発生した状況）研究実績の概要に示すように、研究３年度（令和３年度）は年度当初からコロナウイルス感染症蔓延による研究活動への影響が顕著であった。また、研究を実施するにあたり、共同利用装置の利用や資材調達に時間を有するなどの理由で遂行に想定以上の時間を要することとなったため、未使用額が生じた。
（次年度における未使用額の使途内容）令和4年度においても状況の大幅な改善は見込めないため、海外実施の国際会議や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。このため、当初計画では旅費として計上していた予算はオンライン開催の国際・国内会議において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当該助成金を充当し、合わせて補助期間を延長して次年度実施計画に従って、以下の研究項目に充当する。［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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