2016 Fiscal Year Annual Research Report
Fatigue of 3D Printed Cobalt Alloy for Artificial Joints and Methods for its Improvement : Science of Deformation in Meta-Stable Crystals
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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)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 電子ビーム積層造形 / 3Dプリンター / 人工関節 / 疲労破壊 / 相変態 / マルテンサイト / 結晶粒微細化 / 繰り返し変形 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
Co-Cr-Mo（CCM）合金は優れた強度、耐摩耗性、耐腐食性を有し生体為害性が低いことから人工関節等に用いられているが、加工性が低いことが製造を困難にしていた。一方、金属用3Dプリント技術である電子ビーム積層造形（Electron Beam Melting: EBM）によって、自由形状成形が可能となり患者ごとに最適化された形状の人工関節の作製も可能となったが、造形されたCCM合金の組織とその強度、特に長期間の使用において重要な疲労挙動との関係は不明であった。本研究では、EBMにおいては造形プロセスにおいて凝固後に材料が受ける熱履歴が、造形空間内の位置によって異なり、それがCCM合金においてはγ－ε相変態の様式や進行度合いに影響し、結果として組織を不均一にすることを見出した。CCM合金は相分布や結晶粒径に依存して力学特性や疲労挙動が大きく変化することから、熱履歴が及ぼす相分布への影響を調べるとともに、固相変態を用いて組織を均一微細にし、疲労特性を向上させることを試みた。造形ままでは造形物の上部が<100>配向したfcc-γ相、下部ではε-hcpとなり、中間位置では両相が混在した。その遷移領域の高さ位置が造形空間内の水平位置にも依存し不均一であったが、各試料の全体をε相とする熱処理（750 ℃で12h保持後水冷）を施した後に、γ化逆変態熱処理（1000 ℃で10分間保持後水冷）すると組織が均一微細微細となり、応力振幅600 MPaでの疲労寿命は約4倍に向上した。同熱処理を2回ずつ繰り返すと組織はより微細化したがさらなる疲労寿命向上は得られなかった。その理由として繰り返し熱処理に伴う金属間化合物や炭・窒化物の増加が挙げられ、今後さらに疲労特性を向上させる方針として、γ相、ε相以外の相がでない範囲での熱処理や、造形中の凝固条件の制御による組織制御の重要性が示された。
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| Research Progress Status |
28年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
28年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Causes of Carryover |
28年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
28年度が最終年度であるため、記入しない。
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