2020 Fiscal Year Annual Research Report
金属材料における溶解ダイナミクスと凝固ダイナミクスの相互関係の学理の構築
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20H00310
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
森下 浩平 九州大学, 工学研究院, 准教授 (00511875)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 溶解ダイナミクス / 凝固ダイナミクス / レーザー溶融 / Ni基超合金 / A-Cu合金 / Cu粉体 / 溶断 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
金属材料のAdditive Manufacturing（AM）においては，機械的特性とプロセスパラメータの相関研究については活発に研究が進められているものの，実際にレーザーや電子線の照射時に何が起こっているのかについてはほとんど未解明とも言える．本研究の目的は，実証的データを基に金属材料における溶解ダイナミクスと凝固ダイナミクスそしてその相互関係について体系化し，新たな学理を構築することである．
本年度は第2世代Ni基超合金を対象に抵抗加熱炉での低速溶解・低速凝固現象を，Al-Cu合金およびCu粉体を対象に現有レーザー照射装置を用いた急速溶解・急速凝固現象をその場観察した．本年度の観察手法改良の結果，20 kfpsでの観察が可能となった．
Ni基超合金ではその場観察を行いながら作製した種々の凝固組織の溶解・凝固現象について精査した．いずれの組織でも二次アームの溶断は顕著であったものの，多くは１次アームよりも低温度側に沈降することでその後の凝固組織に影響を及ぼさなかった．一方で一次アームが溶断するような組織では溶断片が凝固起点となり，多結晶化を促進した．
また，現有のレーザー照射装置を用い，共晶組織の観察しやすいAl-15mass%Cu合金のバルク体に対し種々の条件でレーザーをスポット照射させ，その凝固速度を評価した．その結果，溶融池内で生じる初晶および共晶の成長界面を個別に評価することに成功した．さらに観察された現象と，成長速度，従来の定常状態を仮定した凝固理論とを比較した結果，従来モデルでは急速凝固を表現しえないことが明らかとなった．
さらに，Cu粉体へのレーザー照射では溶融池形成過程に粉体の移動現象が介在することが明らかとなった．これらは粉末床溶融法における積層造形時に大規模欠陥の種となる可能性があり，今後精査していく．
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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
本年度は第2世代Ni基超合金（Ni-Cr-Co-Mo-W-Ta-Re-Al-Ti-Hf）を対象に抵抗加熱炉での低速溶解・低速凝固現象の，Al-Cu合金およびCu粉体を対象に現有レーザー照射装置を用いた急速溶解・急速凝固現象のその場観察を実施した．
Ni基超合金ではその場観察を行いながら作製した種々の凝固組織の溶解・凝固現象について精査した．いずれの組織でも二次アームの溶断は顕著であったものの，多くは１次アームよりも低温度側に沈降することでその後の凝固組織に影響を及ぼさなかった．一方で一次アームが溶断するような組織では溶断片が凝固起点となり，多結晶化を促進した．今後，凝固組織を記述するパラメータと溶断の関係を精査していくことで，溶解前の組織と溶解過程，その後の凝固組織との相関を明らかにしていく．
また，現有のレーザー照射装置を用い，共晶組織の観察しやすいAl-15mass%Cu合金のバルク体に対し種々の条件でレーザーをスポット照射させ，その凝固速度を評価した．その結果，溶融池内で生じる初晶および共晶の成長界面を個別に評価することに成功した．さらに観察された現象と，成長速度，従来の定常状態を仮定した凝固理論とを比較した結果，従来モデルでは急速凝固を表現しえないことが明らかとなった．急速凝固域を記述するモデルの構築が不可欠である．
さらに，Cu粉体へのレーザー照射では溶融池形成過程に粉体の移動現象が介在することが明らかとなった．これらは当初予想していた現象とは異なる新たな発見ともいえる．溶融池形成過程が単なる熱移動のみでは記述できないことを示唆する結果である．
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度にて低速域での溶解・凝固ダイナミクスについての実証的データについての基礎的知見が得られている．今後は，低速域でのさらなる実証的データの追加，すなわち組織を定義するパラメータと溶断との関係について検討を進める．また，試料加熱による温度勾配の変化がレーザー走査による溶解・凝固に与える影響について検討を進める．供試材としては本年度と同様に引き続き第2世代Ni基超合金，Al-Cu合金およびCu合金を用いる．Al-Cu合金は典型的な共晶合金であるが，溶解時に溶質の影響により固液界面形状が複雑化する．Ni基超合金では偏析が強いために吸収コントラストが強く観察に適していると同時に，固液界面の複雑さが発現しやすい．Cu合金は熱伝導性が良く，以下の議論に適している．それぞれ鋳造インゴットから鋳造まま材を放電加工機で切り出し，研磨により100 μm厚にした後，観察に供する．ただしAl-Cu合金については本年度の知見により，急速凝固に及ぼす偏析の影響が示唆されているため，合金組成をパラメータとした複数の試料を用意する．
熱源移動による凝固は，その移動方向に温度勾配が向くことが容易に予想されるが，その為に凝固組織の成長方向が影響を受けると考えられる．予加熱機構を有したレーザー照射その場観察装置を用いた試料加熱を制御して行うと，その温度勾配に変化，あるいは固相成長の駆動力に変化が現れると予想され，これを精査する．そのために，前年度より開発を進めてきた予加熱機構の導入を進める．
また，本年度可能となった高速その場観察（>20 kfps）によって明らかとなった溶融池への粉体の移動現象およびレーザーと粉体との相互作用に関して，その駆動力の制御も含めて検討を開始する．
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