３次元凝固組織形態の実験的評価と異方性を考慮した固液界面エネルギー算出法の検討

2013 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 25820374
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• Research Institution: Akita University
• Principal Investigator: 棗 千修 秋田大学, 工学(系)研究科(研究院), 講師 (80632752)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Keywords: 凝固 / デンドライト / シリアルセクショニング / 凝固組織

Research Abstract

金属の凝固組織は，複雑な樹枝状晶（デンドライト）組織であるため，凝固組織やそれに伴う成分偏析の詳細な構造や形成過程に関する知見を得ることは材料特性評価の上で不可欠なものである．凝固組織は一般的に研磨，エッチングにより試料断面を観察して評価される．近年，その場観察技術やシミュレーション技術の発展により凝固組織形態評価の新たな展開が期待されるが，現在得られている情報の多くはまだ２次元の凝固組織に対するものであり，３次元の凝固組織形態の評価としては課題が残る．また，３次元凝固組織の評価におけるシミュレーションの活用では，固液界面エネルギーのような物性値のデータベースが不足しており，シミュレーションでの凝固組織形態の評価においても実際の３次元凝固組織の観察は重要である．
本研究ではシリアルセクショニング法を用いた３次元凝固組織観察を行い，合金種や凝固条件による凝固組織の３次元構造の相違を明らかにすると共に，実際の３次元凝固組織と凝固組織形成シミュレーションとの比較から逆解析的手法を用いて固液界面エネルギーを算出する方法について検討する．初年度（平成25年度）は，Al-7%Si合金の一方向凝固実験を行い，シリアルセクショニング法により柱状デンドライト組織の３次元凝固組織観察を行った．2.3mm×1.7mm×0.24mmの比較的大領域の３次元凝固組織を得ることができ，デンドライト１次枝の成長方向や２次枝と３次枝の区別など２次元組織観察では詳細な評価が困難な情報を得ることができた．また，デンドライトの３次元構造が取得できたことで，より正確な１次枝，２次枝間隔の測定も可能であると考えられる．特に成分偏析の形成に関連する１次枝間隔の測定などは３次元組織観察が重要な役割を果たすと言える．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初の計画通りシリアルセクショニング法によるAl基合金の３次元凝固組織を観察し，デンドライトの３次元成長形態の詳細な評価が可能になりつつある．より詳細な３次元凝固組織のデータを取得するために実験条件の調整を進めており，合金種や組成，凝固条件による凝固組織の３次元凝固組織の変化について，現在，データ取得・解析中である．学会発表などの成果報告や論文執筆は次年度以降になるが，本研究はおおむね順調に進展している．

Strategy for Future Research Activity

今後は当初の計画通り，合金種や組成，凝固条件の違いによる３次元組織形態の変化を観察し，シミュレーションとの比較を行って固液界面エネルギーの逆解析的算出法について検討する．したがって，現在のところ研究計画の変更はない．研究を遂行する上での課題として，３次元での組織およびシミュレーション結果のデータ容量が大きいことが上げられる．画像処理には高性能なコンピュータが必要であるため，次年度の研究費で画像処理用のコンピュータを導入し画像処理への負荷を低減させる．

Expenditure Plans for the Next FY Research Funding

物品費としてはおおむね計画通り使用したが，旅費の使用額に若干の差額が生じたため．
３次元画像処理に比較的大きな負荷が生じることがわかったため画像処理用のコンピュータを導入する．また，実験消耗品費，成果発表や情報収集のための国内外旅費として研究費を使用する予定である．