2014 Fiscal Year Annual Research Report
3Dプリントされた人工関節用コバルト合金の疲労とその抑止法：準安定結晶変形の科学
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26289252
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
小泉 雄一郎 東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (10322174)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
千葉 晶彦 東北大学, 金属材料研究所, 教授 (00197617)
李 云平 東北大学, 金属材料研究所, 助教 (80546862)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 電子線積層造形 / 生体・医療・福祉材料 / 構造・機能材料 / 相変態 / 繰り返し変形 / 疲労破壊 / マルテンサイト / 人工関節 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
Co-28Cr-6Mo合金粉末（粒度分布45－150 μm，平均粒径74 μm）を原料とし，Arcam社製のEBM A2Xを用いて造形方向と平行に円柱試料を4×5に配列させるように造形した（円柱中心間距離 27.5 mm，直径 16 mm，高さ160 mm）．各試料の高さ80 mmの部分からゲージ部2 mm×3 mm×5 mmの繰り返し変形用試験片を切り出し，各試料の表面を走査電子顕微鏡後方散乱電子線回折（SEM-EBSD）により測定した．また，相分布が異なるそれぞれの試料についてε相単相化を目的とした熱処理（750℃，12時間）を行い，造形まま材と熱処理材の、引張試験ならびに、全ひずみ振幅±2%の繰り返し変形を行った．変形後の表面起伏をレーザー顕微鏡により測定した。
造形スペースの外側で造形した試料と内側で造形した試料のEBSDによるPhaseマップでは、端部で造形した試料はほぼ全体がε相であったのに対し、中央部ではε相の体積率が約30%と，造形高さだけでなく、造形空間の水平位置によっても相分布の違いが現れることが確認された。これは内側の試料では周囲から受ける熱が多いため，γ相が安定な温度で保持される時間が長くなったためと考えられる．中央部の試料を全ひずみ振幅±2 %で繰り返し変形における2サイクル目の応力－ひずみ曲線を熱処理前後で比較したところ、熱処理後の試料が高い変形応力を示し、小さいサイクル数で破断した．これは熱処理によりε相を主相とする組織に変化したためと考えられる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
当初準安定γ相からなる結晶方位が一方向に揃った単結晶状組織をもつ造形物の疲労挙動を調べる予定であった。しかしながら同時に２０本の試験片を造形し、各試験片の組織を観察したところ 安定相であるε相が混在した組織になっており、各相の体積率が各試験片毎に異なることが明らかとなった。これは、予想していなかった発見であり、電子ビーム積層造形さらには金属の積層造形における組織形成に関する重要な知見であるといえる。そこで、このことに注目して、造形した試料の造形空間内での位置と組織との関係を調べたところ、中央部で造形された試験片ではγ相の体積率が高く外周部ではε相の体積率が高くなる位置依存性が見いだされた。またこれは、中央部では溶融凝固に準安定γ相が安定な高温に維持されるのに対し、外周部ではε相が安定な温度に維持されるためであると説明できた。さらに、これらの組織の違いが疲労特性におよぼす影響に注目して繰り返し変形を行ったところ、γ相とε相が混在した組織では変形後γ相にのみすべり線が観察され、γ相にひずみが集中するという知見も得ることができた。この結果に基づき、研究計画では平成27年度に実施する予定であったγ→ε変態による組織制御とその疲労特性への影響の実験を平成26年度中にも開始し、すでに実験データを得始めている。このように、当初予見していなかった重要な発見に基づき、研究が急速に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
上述のように電子ビーム積層造形した人工関節用コバルト合金の組織が、当初予定していたγ相単相単結晶状のものではなく、γ相とε相が混在した組織となること、また、それが造形空間中の、造形物の位置に依存することなどが明らかとなった。そのため、今後の研究ではこの知見に基づき、造形ままでの組織の違いが疲労特性に及ぼす影響に注目した実験を展開していく。さらに、γ→ε変態による組織制御においても、造形ままでの組織の違いの影響に注目して、それが熱処理後の組織に及ぼす影響を明らかにし、それが疲労特性に及ぼす影響を明らかにしていく。
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| Causes of Carryover |
平成26年度の研究にける発見に基づき試料表面観察方法を再検討し、観察システムを新たに設計し直し次年度に発注することとした。また、実施年度の途中で、平成26年度中に開催される国際会議での当該研究に関する招待講演の依頼を受けたため、その国際会議参加費用として平成27年度に繰り越すこととした。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
試料表面観察用機器：528,965円
国際会議参加費用：500,000円
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[Presentation] Grain Structure Heterogeneity in Biomedical Co-Cr-Mo-N Alloy Fabricated by Electron Beam Melting (EBM)2014
Author(s)
Arata Okazaki, Yuichiro Koizumi, Shi-Hai Sun, Tsuyoshi Saito, Yunping Li, Kenta Yamanaka, Akihiko Chiba,
Organizer
Materials Science of Additive Manufacturing: Processing II, Materials Science & Technology 2014
Place of Presentation
Pittsburgh, Pennsylvania, USA
Year and Date
2014-10-13 – 2014-10-16
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