| 研究課題/領域番号 |
21H04611
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| 研究種目 |
基盤研究(A)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
中区分26:材料工学およびその関連分野
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
加藤 秀実 東北大学, 金属材料研究所, 教授 (80323096)
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| 研究分担者 |
和田 武 東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (10431602)
魏 代修 東北大学, 金属材料研究所, 助教 (20785810)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-05 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
43,030千円 (直接経費: 33,100千円、間接経費: 9,930千円)
2024年度: 5,980千円 (直接経費: 4,600千円、間接経費: 1,380千円)
2023年度: 6,110千円 (直接経費: 4,700千円、間接経費: 1,410千円)
2022年度: 6,760千円 (直接経費: 5,200千円、間接経費: 1,560千円)
2021年度: 24,180千円 (直接経費: 18,600千円、間接経費: 5,580千円)
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| キーワード | デアロイング / 接合 / 相分離 / 共連続構造 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
相分離という自然の摂理に阻まれて接合することが困難なマグネシウムと鉄，マグネシウムとチタンの異種金属同士を独自技術である金属溶湯脱成分（デアロイング）法を用いてナノ・ミクロンスケールで二相が絡みあう特異な複合組織の自己組織により機械的に強固に接合する“デアロイング接合”を世界に先駆けて提案し，マグネシウム合金の異種素材間接合技術を確立する．
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| 研究実績の概要 |
2023年度はTi合金とMg合金のデアロイング接合確立を目指して純Tiと純Mgを被接合材のとして選択した基礎実験から始めた。脱成分を共晶溶融に誘起させることで、接合界面のみ溶融してデアロイングが起こり接合に成功した。Ti-Cu中間層の厚みや接合温度・時間・圧力を適切に設定すると中間層全体にデアロイング反応が進行し、接合部が延性なα-Ti相とMg-Cu相から成る複合組織層に変化した。Mg-Cu相中にはα-Mg相に加えて脆性なMg2Cu金属間化合物が含まれるが、接合によって付加された荷重によって共晶融液が接合界面から排出されることで接合部は主にα-Tiとα-Mgの共連続複合組織を形成した。この接合材の力学特性を引張試験により評価したところMg母材にて90 MPaの強度を示して破断した。
この二元系の基礎実験を基にしてTi合金とMg合金の接合に研究を展開した。市販のTi合金およびMg合金に含まれる元素に基づいてデアロイング反応を誘起出来る適切な中間層を精査し、Ti-6Al-4VとZK60はTi-Cu合金が中間層を用いることで接合が可能であった。また、Ti-6Al-4VとAZ31合金ではTi-Cu合金中間層に加えてデアロイングを促進させるZK60第二中間層を挿入すれば接合が達成できた。た。いずれの場合も継手効率は約80 %に達したものの、複合組織層中ではMg合金の微量成分が濃化し、これに伴い複合組織層との界面近傍でのMg合金母材は溶質濃度が希薄化した。この領域でのMg合金母材の引張特性が低下し、界面破断を引き起こすことを明らかにした。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
進捗状況として概ね順調に進んでいる。本年度は、MgとTi間にTi-Cui合金層を挿入し、Mg-Ti間での強固な接合を試みた。この基礎研究の知見を基にして、Ti-6Al-4VとMg合金（ZK60およびAZ31）のデアロイング接合試みた。継ぎ手強度80％を達成している。
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| 今後の研究の推進方策 |
2023年度の研究からTi合金とMg合金を80%の継手効率で接合できた。しかし接合で破断強度が母材強度を上回らず接合部での破断に至っている。溶融部近傍のMg合金固体中の微量成分が生成した融液に多量に溶け込み、Mg合金固体中の固溶強化力が低下することにあると考えられる。これを改善するために中間層に第三成分を添加することや、中間層とMg合金母材の界面に第二中間層を挿入することで合金の接合部の更なる高強度化を目指すつもりである。次年度は鉄鋼材料とMg合金の接合や、Ti-6Al-4V以外のチタン合金とMg合金の接合に対してもデアロイング接合の技術の確立を目指す。
また、デアロイング接合技術の改善にも取り組む。中間層形成法の改善や加熱方法の工夫がデアロイング接合の適用範囲を拡大できると期待される。中間層形成技術としてメッキや溶射、コールドスプレーなどを用いればより簡便に中間層を挿入できる。また現在は部材全体を加熱しているため、結晶粒壮大化などによって母材自体の強度が低下してしまう懸念があるが、接合界面を局所的に加熱できればこの問題を解決できる。次年度以降はこれらの工夫を取り入れて目標達成に向けて研究を推進する。
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