| 研究領域 | 超温度場材料創成学：巨大ポテンシャル勾配による原子配列制御が拓くネオ３Ｄプリント |
|---|
| 研究課題/領域番号 |
21H05198
|
|---|
| 研究種目 |
学術変革領域研究(A)
|
| 配分区分 | 補助金 |
|---|
| 審査区分 |
学術変革領域研究区分(Ⅱ)
|
|---|
| 研究機関 | 国立研究開発法人物質・材料研究機構 |
|---|
研究代表者 |
戸田 佳明 国立研究開発法人物質・材料研究機構, マテリアル基盤研究センター, 主幹研究員 (60343878)
|
|---|
| 研究分担者 |
御手洗 容子 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (10343881)
中野 貴由 大阪大学, 大学院工学研究科, 教授 (30243182)
松永 哲也 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 准教授 (30595905)
|
|---|
| 研究期間 (年度) |
2021-09-10 – 2026-03-31
|
| 研究課題ステータス |
交付 (2025年度)
|
| 配分額 *注記 |
111,280千円 (直接経費: 85,600千円、間接経費: 25,680千円)
2025年度: 20,670千円 (直接経費: 15,900千円、間接経費: 4,770千円)
2024年度: 20,410千円 (直接経費: 15,700千円、間接経費: 4,710千円)
2023年度: 20,540千円 (直接経費: 15,800千円、間接経費: 4,740千円)
2022年度: 20,540千円 (直接経費: 15,800千円、間接経費: 4,740千円)
2021年度: 29,120千円 (直接経費: 22,400千円、間接経費: 6,720千円)
|
|---|
| キーワード | チタン合金 / 組織制御 / 積層造形 / 高温特性 / 相変態予測 / 結晶粒形態 / β相固溶体 / α相析出 / 高温強度 / 析出 / 単結晶 / 力学特性 |
|---|
| 研究開始時の研究の概要 |
ジェットエンジン用材料であるチタン合金の超温度場下での単結晶化および微細粒化による適材適所の特性向上のため、3次元積層造形による結晶成長と相変態挙動を明らかにし、それによる組織制御と特性向上を目指す。特に、レーザー／電子ビームによる溶融・凝固プロセス中に発生する超温度場における組織の微細化を生かした組織形成と、力学特性を向上させた材料創成をめざす。
|
| 研究実績の概要 |
実用材としてジェットエンジン圧縮機に使われているnear-β型Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo合金の粉末から、粉末床溶融結合型レーザービーム積層造形装置を用い、レーザーパワーやスキャン速度を変えて積層造形体を作製した。積層造形条件を変化させながら得られた組織に対し、硬さ試験、高温圧縮試験、クリープ試験を行った。硬さはβ相の結晶粒形態とは関係なく、体積エネルギー密度（VED）が小さく粗大なα相が生成する条件では低硬度となり、VEDが大きく微細なα相が生成する条件では高硬度となった。積層条件を変えても、β相の結晶粒形態は系統的に変えることはできなかったが、ある条件において、柱状晶のような組織、単結晶のような組織、多結晶組織が生成した。これら3組織の積層造形体のクリープ試験を行い、鍛造材のクリープ強度と比較した。低応力下では鍛造材のクリープ歪みが小さいが、高応力下では鍛造材の変形が積層材よりも加速し寿命が短くなった。これは、低応力では拡散律速、高応力では転位すべり律速と、応力により変形機構が変わるためである。さらに、機械学習により硬さを向上させる組織因子の抽出を試み、実験結果と同様に、α相の微細さが重要であることが導かれた。有限要素解析により溶融池近傍のひずみ分布計算を行い、溶融池近傍に発生する高い歪み場がα相生成を促進することが示唆された。これを確認するために放射光による凝固時のその場観察を行った。また、β型Ti-13V-11Cr-3Al合金のβ相過飽和固溶体におけるα相の連続冷却曲線を、組織自由エネルギー法により少ない入力パラメータで迅速に再現できる方法を構築した。他の様々なチタン合金組成に応用できるモデルで、積層造形に適した析出挙動を示すチタン合金組成を計算で効率的に探索できる可能性を見出した。
|
| 現在までの達成度 |
現在までの達成度
2: おおむね順調に進展している
理由
2020-2022年度までは、near-αチタン合金の積層条件による組織形態の違い、熱処理後の組織形態の違いについて明らかにした。さらに、高温圧縮試験やクリープ試験を行い、これらの組織が高温力学特性に与える影響を調べた。その結果、積層造形の超温度場により、冷却時に高温強度阻害因子の等軸α相の形成を抑制し、最適な熱処理によりα/β層状組織を制御できた。クリープ変形機構が粒界すべりであることを示し、等軸α相の形成によりクリープ寿命が短くなる機構を明確にし、積層熱処理材の組織がクリープ強度と耐疲労性のバランスの良い材料創成につながる可能性を示唆した。2023年度は、near-βチタン合金の積層条件による組織形態の違いを実験だけでなく、計算手法も用いて明らかにした。その結果、積層条件を変化させることで、β相を柱状晶のような組織（CLM）、単結晶のような組織（SCM）、多結晶組織（PCM）と様々に制御できるようにした。一方、高い体積エネルギー密度（VED）では微細なα相、低いVEDで粗大なα相が生成し、通常とは逆の傾向が観察された。これは、高いVEDでは、積層造形特有の高い転位密度と高いレーザーパワーにより、α相核生成サイトが増加したためであることが示唆された。
2024年度は、near-βチタン合金について得られた CLM、SCM、PCMの各組織について、硬さ、高温強度、クリープ特性の評価を行った。これらの積層造形特有の組織に対して、力学特性との関連は一様ではなかったが、鍛造材と同等以上の高温力学特性を有することを明らかにした。また、積層造形によるチタン合金の高温強度に重要な、連続冷却中のβ相固溶体からα相の析出を計算で迅速に予測するモデルを構築した。実施する予定だった実験や計算を計画通りに遂行することができ、概ね順調に進展していると言える。
|
| 今後の研究の推進方策 |
(1) 近赤外レーザーを利用した超高速パルスレーザー分光を実施し、レーザー光による強電場により励起された非線形光学応答である高次高調波の偏光依存性（＝結晶方位依存性）やスペクトル強度から、金属の電子構造に及ぼす超温度場の影響を評価し、力学的試験から取得する特性データと電子構造を関連づける。
(2) これまでに積層造形したチタン合金の組成と、旧β粒の溶融池形態やサイズ、α相の生成挙動の関係を明らかにする。さらに、Ti6242S（Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-Si）、TIMETAL834（Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr-0.5Mo-Si-Nb）合金などの商用合金と、東大-NIMSで開発したTi-6.5Al-4.5Sn-4Zr-2Mo-Si-Nb合金について、溶融池とα相の観察を行う。また、凝固のシミュレーションを行い、合金による組織形成過程の違いを明らかにする。
(3) 従来型のα安定型チタン合金は、α相がマルテンサイト組織として生成するために、β安定型チタン合金のように結晶の成長方向を安定的に制御できないことが分かった。そこで、α相以外の第三相で析出強化を図ったβ安定型析出強化チタン合金を新たに開発する。今年度中に合金組成を検討して粉末を作成し、最終年度で積層造形ができるように準備する。単結晶ライクな粒内に析出することで、当初の目的を達成する。
(4) エネルギー最急降下パスの仮定により、連続冷却中および等温時効中のβ相過飽和固溶体からα相や第三相の析出開始を迅速に予測する計算モデルを利用し、事前の学習用データを準備すること無く、広大な組成空間の中から目標値を最大にする組成を効率的に探索できるモンテカルロ木探索法と組み合わせることで、積層造形に最適な合金組成を計算により探索する。
|
