2013 Fiscal Year Annual Research Report
多成分系拡散のタイライン・シフト現象に立脚する凝固ミクロ偏析の新規制御法
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25289266
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Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
大野 宗一 北海道大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (30431331)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
澁田 靖 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 講師 (90401124)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 凝固 / 偏析 / シミュレーション / デンドライト / 多元系合金 |
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| Research Abstract |
本研究は、合金凝固におけるミクロ偏析制御のための新しい方法を発展させることを目的とする。具体的には、多元系合金の溶質拡散におけるタイライン・シフト現象を利用した新たな指導原理に基づく偏析制御法の発展であり、そのために構造用材料におけるslow diffuserとfast diffuserの種類やその成分比がミクロ偏析に及ぼす影響を系統的に調査する。この調査は、原子・組織レベルのシミュレーションと鋳造・凝固実験のアプローチをもって進める。
平成２５年度は、まず、多元系合金におけるミクロ偏析を高精度に算出可能な定量的フェーズフィールド・モデリングを試みた。局所平衡を仮定し、溶質拡散場のみを考慮した際の多元系合金の凝固組織を扱うモデルは完成した。続いて、定量的モデルによる凝固組織シミュレーションに先立ち、Coatesらの多元系拡散の解析モデルをベースにしたタイライン・シフト現象の解析を行った。平滑界面移動およびIvantsovモデルに基づくデンドライト成長中のタイライン・シフト現象の数値解析を行った。モデル合金における解析とFe-C-Mn合金における解析を実施し、Fe-C-Mn合金では、CとMnの拡散係数の差に加えて、これら元素の分配係数の違いと液相線勾配の違いが、タイライン・シフトをより顕著にすることを明らかにした。さらに、分子動力学法（MD）をベースにした合金凝固の動力学係数算出のための方法論の検討を行った。二元型合金において過冷に伴い固液界面が移動する様子をシミュレートすることに成功し、solute trappingが生じる条件において動力学係数の算出が可能であることが示された。
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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
本年度は、組織レベルのモデリングと原子レベルの解析を実施し、さらには解析モデルに基づくタイライン・シフト現象の解析を進めることができた。これらは当初の予定通りの進展である。
Coatesらの平滑界面移動の解析解とIvantsov解を用いた三元系合金におけるタイライン・シフトの数値解析を実施することで、タイライン・シフトに対するslow diffuserとfast diffuserの拡散係数の比の影響と平衡状態図における相境界線の形態の影響に関して系統的な知見を得ることができことは、次年度の組織形成シミュレーションのための条件探索としても重要な成果であり、順調な進展があったと考える。
流動の影響に関しては、ナビエストークス型では計算負荷が大きく、GPUによる並列計算を実施したが、さらなる高速化の必要性が示された。これらを考慮して、本研究はおおむね順調に進展していると判断される。
分子動力学法を用いた界面物性の評価においては、合金系における動力学係数を算出可能であることが示され、この算出された物性値を用いることで、フェーズフィールド・シミュレーションのさらなる高精度化が達成できることを現状で見込んでいる。
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| Strategy for Future Research Activity |
組織形態の影響を詳細に考慮したタイライン・シフト現象を定量的フェーズフィールド・シミュレーションによって系統的に解析することが今後の最重要項目である。
まず、平滑界面を想定した一次元の計算において、slow diffuserのミクロ偏析に対するfast diffuser添加量、冷却速度の影響を調査し、その後をデンドライト成長におけるミクロ偏析の挙動を調査する。さらに、計算コストの問題を解決した際には、流動の影響も併せて検討する。
上記の内容は、主にモデル合金と鉄基に対して実施することを予定している。これらの系統的な調査を進め、最終的に合金成分や冷却条件とタイライン・シフト量との関係、そしてタイライン・シフト量とミクロ偏析の関係について総括し、ミクロ偏析制御指針を得ることを予定している。また、必要に応じて、シミュレーション結果を、一方向凝固または金型鋳造を用いた実証実験によって検証する予定である。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
実証実験のための予備実験を実施した際、消耗品に関わる経費が当初の予定よりも少なくて済んだため。
実験器具の消耗品を購入する。また、最新のGPUアーキテクチャーを搭載した計算機の購入によって使用する予定である。
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