ニッケル基超合金粉末成形体の焼結における炭素および酸素の挙動に関する解析的研究

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20F40749
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 品川 一成 九州大学, 工学研究院, 教授 (30215983)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): HOEFLER THOMAS 九州大学, 工学(系)研究科(研究院), 外国人特別研究員
• Project Period (FY): 2020-11-13 – 2023-03-31
• Keywords: 焼結 / フェーズフィールド法 / ニッケル基合金

Outline of Annual Research Achievements

ニッケル基超合金粉末成形体の焼結における材料組織の解析法を開発するに当たり，まず，解析対象を絞るため，ニッケル基合金の熱力学データベースおよび化学反応速度に関するデータを調査，収集した．得られたデータに基づき，モデル材料として合金元素を簡素化した，Ni-Nb-C組成を選定した．
この合金系に対し，固相において温度変化による炭化物，酸化物の析出（核生成）・分解を記述する二次元フェーズフィールドモデルを構築した．フェーズフィールド法の基礎になる自由エネルギー関数は擬2元系の状態図計算（CALPHAD）で算出可能であるが，計算時間削減と数値的扱いやすさのために，様々な近似関数を開発した．シミュレーション結果は熱力学的予測とよく一致する一方，自由エネルギー関数と空間分解能により不一致が生じることがあり，また，温度により拡散係数が大きく異なるため，数値誤差によるタイムステップの最適化も実施できるようにした．現時点で，小規模のシミュレーション（短時間・小領域）が実行可能になった．具体的には，簡素な差分法と前進Euler法で約10μm×200μmの領域で，計算可能である．
一方，実験環境として射出成形機，焼成炉等の基本設備は所有しているが，気孔を含む焼結体を精度よく切断するために，精密切断機を選定，購入した．また，熱力学計算により，Ni-Nb-C組成において，実験可能な温度範囲で，適度な量の炭化物が析出するNb含有量および炭素含有量を選定した．これをモデル組成とするNi合金粉末を購入することで，実験準備を整えた．

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

モデルの作成だけでなく，フェーズフィール法への組み込みまで遂行できた．また，モデル材料の選定が滞りなくでき，実験材料としての合金粉末の購入まで行った．

Strategy for Future Research Activity

購入した合金粉末に対し，まずは供試材として粉末製造工程由来の炭素，酸素含有量を計測しておく．次に，焼結に先行する脱脂工程を経た後の，脱脂体における炭素，酸素量の増減を把握する．焼結後は，焼結体の密度測定，走査型／透過型電子顕微鏡による微細構造観察，元素分析を行い，結晶粒径，炭化物の分散状況等を調査する.
解析では，アルゴリズムの改良やプログラムの最適化を行い，計算領域の大規模化を進める．実験との比較のために約10μm×1000μmの面積を目指す．最終的に，計算結果を実験結果と比較することで，解析モデルの妥当性の検証を行う．