Materials Informatics for Creation of Materials by Super Thermal Field

• Project Area: Creation of Materials by Super Thermal Field: Neo-3D printing by Manipulating Atomic Arrangement through Giant Potential Gradient
• Project/Area Number: 21H05194
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (II)
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 足立 吉隆 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (90370311)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 山中 晃徳 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (50542198) ; 小川 登志男 名古屋大学, 工学研究科, 講師 (10708910)
• Project Period (FY): 2021-09-10 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2025)
• Budget Amount: ¥84,890,000 (Direct Cost: ¥65,300,000、Indirect Cost: ¥19,590,000); Fiscal Year 2025: ¥15,730,000 (Direct Cost: ¥12,100,000、Indirect Cost: ¥3,630,000); Fiscal Year 2024: ¥15,990,000 (Direct Cost: ¥12,300,000、Indirect Cost: ¥3,690,000); Fiscal Year 2023: ¥15,990,000 (Direct Cost: ¥12,300,000、Indirect Cost: ¥3,690,000); Fiscal Year 2022: ¥16,640,000 (Direct Cost: ¥12,800,000、Indirect Cost: ¥3,840,000); Fiscal Year 2021: ¥20,540,000 (Direct Cost: ¥15,800,000、Indirect Cost: ¥4,740,000)
• Keywords: 変調構造 / 組織特徴量抽出 / 畳み込みニューラルネットワーク / 高速化非平衡フェーズフィールド法 / マテリアルDX / マテリアルインフォマティクス / データ同化 / データサイエンス / SliceGAN / CNN画像回帰 / 階層組織 / 記述子 / 非平衡フェーズフィールド法 / 敵対的生成ネットワーク / 深層学主 / 敵対定期生成ネットワーク / 走査透過型電子顕微鏡 / 積層造形 / マテリアルズインフォマティクス / 順・逆解析 / 超温度場 / 三次元構造 / データベース / 画像認識

Outline of Research at the Start

本計画研究では、材料インフォマティクスを用いて、実験研究とシミュレーション研究の橋渡しをする。具体的には、大別して2つのミッションをもつ。
順・逆解析:「所望の特性を発現する結晶組織」、「その組織を創成するプロセス条件」の導出を可能とし、その法則の背後にある物理を解明する。
データ同化:第二の役割は、熱流体力学(CtFD)シミュレーションやフェーズフィールド(PF)シミュレーションで必要となる易動度や界面エネルギー等の物性値パラメータをアジョイント法などのデータ同化手法を用いて効率的に決定する。
3D観察：組織の特徴量を3D監察結果に基づき定量評価する。

Outline of Annual Research Achievements

人工知能を使った超温度場材料創成の効率化を目指し、以下の四点を中心に取り組んだ。
（１）3枚の二次元断面像からの高解像度三次元像のBig-volume SliceGANによる生成（足立）(２）CNN画像回帰によるEBSD_OIMマップからの硬度の直接推定（足立）（３）316Lステンレス鋼の階層的構造解析による組織記述子の解明（孫）（４）データ同化を導入した非平衡マルチフェーズフィールド法による凝固組織形成シミュレーション（山中）
いずれの結果も、積層造形法による材料開発を促進するものと思われる。深層学習を構造金属材料に適用した研究としては、いづれも先駆的な研究成果といえ、次年度以降の研究の促進、対象材料の拡大に期待が持たれる。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

レーザー積層造形316Lオーステナイト系ステンレス鋼が、一般的なものよりも高強度であることが明らかとなった。その要因を探るべき、CNN画像回帰、スケールブリッジング解析、ならびに非平衡マルチフェーズフィールド法シミュレーションを行い、転位を含む転位せル、25nm間隔の変調構造、セル境界への合金元素の偏析（化学境界）の組み合わせが高強度の主要因となっており、これに加えて、画像回帰では方位分散に伴う有効結晶粒径が関連していることが伺われた。非平衡マルチフェーズフィールド法により、凝固時にわずかではあるがセル境界に合金元素が偏析する傾向が認められた。しかしながらこれらの複数の因子が高強度化につながっている内訳については今後の検討が必要である。
レーザー積層造形のプロセス条件が上の様々な組織に及ぼす影響については、レーザー走査速度の増加により転位セルサイズ、変更構造間隔も小さくなること、転位密度が若干増えることが明らかとなった。レーザーパワーの影響も今後解析することを通じて、定量的にその強化機構について議論を進める予定である。

Strategy for Future Research Activity

CNN画像回帰モデルに微視的組織特徴量を入力できるように改造モデルを構築し、様々な組織因子と特性間を高精度で表現するモデルを構築する。また、プロセス条件とこれらの様々な組織とを関連付けるモデルの構築にも着手する。
非平衡マルチフェーズフィールドモデルを用いた凝固組織形成シミュレーションに関しては、積層造形時に形成する溶融池を模擬したシミュレーションを可能とするために、GPUによる高速化やその場観察データを活用した凝固組織形成シミュレーションの精度向上を目指す.

Research Products

• [Journal Article] Image regression analysis for linking the microstructure and property of steel (2024)
  • Author(s): Sawai Kengo、Chen Ta-Te、Sun Fei、Ogawa Toshio、Adachi Yoshitaka
  • Journal Title: Results in Materials Volume: 21 Pages: 100526-100526
  • DOI: 10.1016/j.rinma.2023.100526
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Delineating the Ultra-Low Misorientation between the Dislocation Cellular Structures in Additively Manufactured 316L Stainless Steel (2024)
  • Author(s): Sun Fei、Adachi Yoshitaka、Sato Kazuhisa、Ishimoto Takuya、Nakano Takayoshi、Koizumi Yuichiro
  • Journal Title: Materials Volume: 17 Issue: 8 Pages: 1851-1851
  • DOI: 10.3390/ma17081851
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Modulated Structure Formation in Dislocation Cells in 316L Stainless Steel Fabricated by Laser Powder Bed Fusion (2023)
  • Author(s): Fei Sun, Toshio Ogawa, Yoshitaka Adachi, Kazuhisa Sato, Shunya Takagi, Goro Miyamoto, Asuka Suzuki, Akinori Yamanaka, Nobuo Nakada, Takuya Ishimoto, Takayoshi Nakano, Yuichiro Koizumi
  • Journal Title: MATERIALS TRANSACTIONS Volume: 64 Issue: 6 Pages: 1143-1149
  • DOI: 10.2320/matertrans.MT-ME2022004
  • ISSN: 1345-9678, 1347-5320
  • Year and Date: 2023-06-01
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Multi-Phase-Field Simulation of Non-Equilibrium Solidification in 316L Stainless Steel under Rapid Cooling Condition (2023)
  • Author(s): Segawa Masahito、Yamanaka Akinori
  • Journal Title: MATERIALS TRANSACTIONS Volume: 64 Issue: 6 Pages: 1160-1168
  • DOI: 10.2320/matertrans.MT-ME2022013
  • ISSN: 1345-9678, 1347-5320
  • Year and Date: 2023-06-01
• [Journal Article] Big-Volume SliceGAN for Improving a Synthetic 3D Microstructure Image of Additive-Manufactured TYPE 316L Steel (2023)
  • Author(s): Sugiura Keiya、Ogawa Toshio、Adachi Yoshitaka、Sun Fei、Suzuki Asuka、Yamanaka Akinori、Nakada Nobuo、Ishimoto Takuya、Nakano Takayoshi、Koizumi Yuichiro
  • Journal Title: Journal of Imaging Volume: 9 Issue: 5 Pages: 90-90
  • DOI: 10.3390/jimaging9050090
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Multi-phase-field simulation of non-equilibrium solidification in 316L sutainless steel under rapid cooling condition (2023)
  • Author(s): M. Segawa, A. Yamanaka
  • Journal Title: MATERIALS TRANSACTIONS Volume: 6 Pages: 10-10
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Hourly Work of 3D Microstructural Visualization of Dual Phase Steels by SliceGAN (2022)
  • Author(s): Sugiura Keiya、Ogawa Toshio、Adachi Yoshitaka
  • Journal Title: Advanced Theory and Simulations Volume: 5 Issue: 7 Pages: 2200132-2200132
  • DOI: 10.1002/adts.202200132
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 積層造形におけるSUS316Lステンレス鋼の急速凝固の非平衡マルチフェーズフィールドシミュレーション (2023)
  • Author(s): 仲村 章一郎，瀬川 正仁，山中 晃徳,
  • Organizer: 日本機械学会第36回計算力学講演会
• [Presentation] 自然対流下における合金凝固のデータ同化融合フェーズフィールドシミュレーション (2023)
  • Author(s): 川嵜 真広，山中 晃徳
  • Organizer: 日本機械学会第36回計算力学講演会
• [Presentation] SliceGANによる材料組織の三次元可視化の超効率化 (2023)
  • Author(s): 杉浦 圭哉、小川 登志男、足立吉隆
  • Organizer: 日本金属学会秋季（第171回）講演大会(福岡工業大学）
• [Presentation] Modulated structure formation in dislocation cells in 316L stainless steel fabricated by laser powder bed fusion (2023)
  • Author(s): Fei Sun, Toshio Ogawa, Yoshitaka Adachi, Kazuhisa Sato, Shunya Takagi, Goro Miyamoto, Asuka Suzuki, Akinori Yamanaka, Nobuo Nakada, Takuya Ishimoto, Takayoshi Nakano, Yuichiro Koizumi
  • Organizer: 日本金属学会秋季（第172回）講演大会(東京大学）
• [Presentation] Nano-scaled solidification microstructure characteristics in 316L stainless steel fabricated by laser powder bed fusion (2023)
  • Author(s): Fei Sun, Junki Inagaki, Toshio Ogawa, Yoshitaka Adachi, Kazuhisa Sato,Goro Miyamoto, Takuya Ishimoto, Takayoshi Nakano, Yuichiro Koizumi
  • Organizer: 日本金属学会秋季（第173回）講演大会(富山大学）
• [Presentation] 積層造形法により作製したSUS316L組織のスケールブリッジング解析 (2023)
  • Author(s): 稲垣洵希, 陳達徳, 孫飛, 足立吉隆, 小川登志男, 奥川将行 , 小泉雄一郎, 中野貴由
  • Organizer: 日本金属学会秋季（第173回）講演大会(富山大学）
• [Presentation] 積層造形したスーパーインバー合金の 相安定性と熱膨張特性 (2023)
  • Author(s): 蔡 森霖，永島 涼太，Yaw Wang Chai，中田 伸生，坂口 直輝
  • Organizer: 日本鉄鋼協会第186回秋季講演大会(富山大学）
• [Presentation] Data assimilation-integrated multi-phase-field simulation of solidification in SUS316L stainless steel during additive manufacturing (2023)
  • Author(s): Shoichiro Nakamura, Masahito Segawa, Akinori Yamanaka
  • Organizer: The 11th Pacific Rim International Conference on Advanced Materials and Processing
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Data assimilation-integrated phase-field simulation of ternary alloy solidification in forced convection using local ensemble transform Kalman filter (2023)
  • Author(s): Masahiro Kawasaki, Akinori Yamanaka
  • Organizer: The 11th Pacific Rim International Conference on Advanced Materials and Processing
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Non-equilibrium multi-phase-field simulation of solidification in SUS316L stainless steel (2023)
  • Author(s): Akinori Yamanaka, Shoichiro Nakamura, Masahito Segawa
  • Organizer: The 1st international conference on Creation of Materials by Super-thermal Field 2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Potential microstructural descriptors of additive-manufactured 316L stainless steel (2023)
  • Author(s): Yoshitaka Adachi, Fei Sun, Yuichiro Koizumi, and Takayoshi Nakano
  • Organizer: The 11th Pacific Rim International Conference on Advanced Materials and Processing
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Potential microstructural descriptors of additive-manufactured 316L stainless steel (2023)
  • Author(s): Yoshitaka Adachi, Fei Sun, Yuichiro Koizumi, and Takayoshi Nakano
  • Organizer: The 1st international conference on Creation of Materials by Super-thermal Field 2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] SliceGANによる材料組織の三次元可視化の超効率化 (2022)
  • Author(s): 杉浦圭哉、孫飛、小川登志男、足立吉隆
  • Organizer: 日本金属学会２０２２年秋期講演大会
• [Presentation] SliceGANによる材料組織の三次元可視化の超効率化 (2022)
  • Author(s): 杉浦圭哉、孫飛、小川登志男、足立吉隆
  • Organizer: 日本金属学会秋季講演大会(福岡工業大学）
  • Invited