チタン合金のマルチスケール組織の解明と実用材料開発

• 研究課題/領域番号: 26249104
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 構造・機能材料
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 宮崎 修一 筑波大学, 数理物質系, 特命教授 (50133038)
• 研究分担者: 金 へよん 筑波大学, 数理物質系, 教授 (20333841)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 41,340千円 (直接経費: 31,800千円、間接経費: 9,540千円); 2018年度: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円); 2017年度: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円); 2016年度: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円); 2015年度: 8,840千円 (直接経費: 6,800千円、間接経費: 2,040千円); 2014年度: 19,240千円 (直接経費: 14,800千円、間接経費: 4,440千円)
• キーワード: マルテンサイト変態 / 形状記憶合金 / 超弾性合金 / チタン合金 / 集合組織 / 力学特性 / 生体材料 / 超弾性 / 構造・機能材料 / 金属物性

研究成果の概要

大きな超弾性回復歪みと高強度を併せ持つ新規Ti基超弾性合金を開発するため、Ti- Zr合金系をベースとした多元合金を設計し、変態特性と変形挙動を調査した。各添加元素が結晶構造、相安定性、マルテンサイト変態挙動、超弾性特性に及ぼす影響を定量的に調べた。マルテンサイト変態温度と変態歪みの組成依存性を明らかにし、大きな超弾性回復歪みを示す組成範囲を見出した。相安定性の制御および再結晶集合組織の最適化により、低ヤング率化と高強度化を同時に実現できることを見出した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

生体用機能材料として注目を浴びているチタン合金を対象として、マルテンサイト変態温度、結晶構造、格子変形歪みの組成依存性を明らかにし、優れた特性を有する生体用形状記憶・超弾性合金の合金設計指針を見出した。実用レベルの新合金開発だけではなく、チタン合金のマルテンサイト変態や変形メカニズムの解明に繋がる優れた結果が得られた。また特性を最大限引き出す加工熱処理法・組織制御法を明らかにした。また、低ヤング率・高強度合金開発の新たな可能性を切り開く有用な成果が得られ、医療分野への応用が進展することが期待される。

研究成果

• [雑誌論文] Stress induced martensitic transformation and shape memory effect in Zr-Nb-Sn alloys (2019)
  • 著者名/発表者名: F. Okabe, H.Y. Kim, S. Miyazaki
  • 雑誌名: Scripta Materialia 巻: 162 ページ: 412-415
  • DOI: 10.1016/j.scriptamat.2018.12.005
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effect of heat treatment condition on microstructure and superelastic properties of Ti24Zr10Nb2Sn (2019)
  • 著者名/発表者名: L.L. Pavon, E.L. Cuellar, S.V. Hernandez, I.E. Moreno-Cortez, H.Y. Kim, S. Miyazaki
  • 雑誌名: Journal of Alloys and Compounds 巻: 782 ページ: 893-898
  • DOI: 10.1016/j.jallcom.2018.12.266
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] My Experience with Ti?Ni-Based and Ti-Based Shape Memory Alloys (2017)
  • 著者名/発表者名: Miyazaki Shuichi
  • 雑誌名: Shape Memory and Superelasticity 巻: 3 号: 4 ページ: 279-314
  • DOI: 10.1007/s40830-017-0122-3
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Electrochemical characterization of the superelastic (Ti-Zr)-Mo-Sn biomedical alloy displaying a large recovery strain (2017)
  • 著者名/発表者名: M.F. Ijaz, C. Vasilescu, S.I. Drob, P. Osiceanu, M. Marcu, H.Y. Kim, S. Miyazaki, D.M. Gordin, T. Gloriant
  • 雑誌名: Materials and Corrosion 巻: 68 号: 11 ページ: 1220-1227
  • DOI: 10.1002/maco.201709484
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] A novel method for fabrication of Ti24Zr10Nb2Sn alloy oxide nanotubes-chitosan nanocomposite films (2017)
  • 著者名/発表者名: L.L. Pavon, D. Dagnino-Acosta, I.E. Moreno-Cortez, E.L. Cuellar, D. Zarate-Trivino, H.Y. Kim, S. Miyazaki
  • 雑誌名: Materials Letters 巻: 15 ページ: 134-137
  • DOI: 10.1016/j.matlet.2017.06.078
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Tensile test criterion of transformation-induced elasticity and plasticity alloys for load-displacement measurement (2017)
  • 著者名/発表者名: C.H. Park, J.T. Yeom, D.W. Suh, S. Miyazaki
  • 雑誌名: Journal of Alloys and Compounds 巻: 711 ページ: 305-311
  • DOI: 10.1016/j.jallcom.2017.04.027
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] SMA foil-based elastocaloric cooling: from material behavior to device engineering (2017)
  • 著者名/発表者名: F. Bruederlin, H. Ossmer, .F Wendler, S. Miyazaki, M. Kohl
  • 雑誌名: Journal of Physics D: Applied Physics 巻: 50 号: 42 ページ: 424003-424013
  • DOI: 10.1088/1361-6463/aa87a2
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Effect of annealing temperature on microstructure and superelastic properties of a Ti-18Zr-4.5Nb-3Sn-2Mo alloy (2017)
  • 著者名/発表者名: J. Fu, H.Y. Kim, S. Miyazaki
  • 雑誌名: Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials 巻: 65 ページ: 716-723
  • DOI: 10.1016/j.jmbbm.2016.09.036
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Effect of Al addition on superelastic properties of Ti-Zr-Nb-based alloys (2017)
  • 著者名/発表者名: H.Y. Kim, K. Nakai, J. Fu, S. Miyazaki
  • 雑誌名: Functional Materials Letters 巻: 10 号: 01 ページ: 1740002-1740002
  • DOI: 10.1142/s1793604717400021
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Several Issues in the Development of Ti-Nb-Based Shape Memory Alloys (2016)
  • 著者名/発表者名: H.Y. Kim, S. Miyazaki
  • 雑誌名: Shape Memory and Superelasticity 巻: 2 号: 4 ページ: 380-390
  • DOI: 10.1007/s40830-016-0087-7
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Effects of oxygen concentration and temperature on deformation behavior of Ti-Nb-Zr-Ta-O alloys (2016)
  • 著者名/発表者名: L. S. Wei, H.Y. Kim, T. Koyano, S. Miyazaki
  • 雑誌名: Scripta Materialia 巻: 123 ページ: 55-58
  • DOI: 10.1016/j.scriptamat.2016.05.043
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Effects of oxygen concentration and phase stability on nano-domain structure and thermal expansion behavior of Ti-Nb-Zr-Ta-O alloys (2015)
  • 著者名/発表者名: L.S. Wei, H.Y. Kim, S. Miyazaki
  • 雑誌名: Acta Materialia 巻: 100 ページ: 313-322
  • DOI: 10.1016/j.actamat.2015.08.054
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Crystal structure, transformation strain, and superelastic property of Ti-Nb-Zr and Ti-Nb-Ta alloys (2015)
  • 著者名/発表者名: H.Y. Kim, J. Fu, H. Tobe, J.I. Kim, S. Miyazaki
  • 雑誌名: Shape Memory and Superelasticity 巻: 1 号: 2 ページ: 107-116
  • DOI: 10.1007/s40830-015-0022-3
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Martensitic Transformation and Superelastic Properties of Ti-Nb Base Alloys (2015)
  • 著者名/発表者名: H.Y. Kim, S. Miyazaki
  • 雑誌名: MATERIALS TRANSACTIONS 巻: 56 号: 5 ページ: 625-634
  • DOI: 10.2320/matertrans.M2014454
  • NAID: 130005065978
  • ISSN: 1345-9678, 1347-5320
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] A comparative study on the effects of the omega and alpha phases on the temperature dependence of shape memory behavior of a Ti-27Nb alloy (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Al-Zain, H.Y. Kim, T. Koyano, H. Hosoda, S. Miyazaki
  • 雑誌名: Scripta Materialia 巻: 103 ページ: 37-40
  • DOI: 10.1016/j.scriptamat.2015.02.032
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Effect of B addition on the microstructure and superelastic properties of a Ti-26Nb alloy (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Al-Zain, H.Y. Kim, S. Miyazaki
  • 雑誌名: Materials Science and Engineering A 巻: 644 ページ: 85-89
  • DOI: 10.1016/j.msea.2015.07.054
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Superelastic properties of biomedical (Ti-Zr)-Mo-Sn alloys (2015)
  • 著者名/発表者名: M. F. Ijaz, H. Y. Kim, H. Hosoda and S. Miyazaki
  • 雑誌名: Mater. Sci. Eng. C 巻: 48 ページ: 11-20
  • DOI: 10.1016/j.msec.2014.11.010
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Effect of Nb content and heat treatment on superelastic properties of Ti-24Zr-(8-12)Nb-2Sn Alloys (2015)
  • 著者名/発表者名: L. L Pavon, H. Y. Kim, H. Hosoda and S. Miyazaki
  • 雑誌名: Scripta Mater. 巻: 95 ページ: 46-49
  • DOI: 10.1016/j.scriptamat.2014.09.029
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Novel Ti-base superelastic alloys with large recovery strain and excellent biocompatibility (2015)
  • 著者名/発表者名: J. Fu, A. Yamamoto, H. Y. Kim, H. Hosoda and S. Miyazaki
  • 雑誌名: Acta Biomater. 巻: 17 ページ: 56-67
  • DOI: 10.1016/j.actbio.2015.02.001
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Martensitic Transformation and Superelastic Properties of Ti-Nb Base Alloys (2015)
  • 著者名/発表者名: H. Y. Kim and S. Miyazaki
  • 雑誌名: Mater. Trans. 巻: 56
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] Zr-Nb-Al合金のマルテンサイト変態特性及び微細組織 (2019)
  • 著者名/発表者名: 石井 佑典, 金 熙榮, 古谷野 有, 宮崎 修一
  • 学会等名: 日本金属学会春期講演大会
• [学会発表] Titanium Alloys for Biomedical Applications (2018)
  • 著者名/発表者名: S. Miyazaki, H. Y. Kim
  • 学会等名: 2018 Spring Conference of the Korean Institute of Metals and Materials
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Zr-Nb-Al三元系合金の集合組織と超弾性特性の組成依存性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 石井 佑典, 金 熙榮, 古谷野 有, 宮崎 修一
  • 学会等名: 日本金属学会秋期講演大会
• [学会発表] Ti-Zr-Nb-Mo-Sn-N合金の再結晶集合組織に及ぼすN濃度の影響 (2018)
  • 著者名/発表者名: 前原 沙耶, 坂戸 将也, 雨宮 太希, 金 熙榮, 宮崎 修一
  • 学会等名: 日本金属学会秋期講演大会
• [学会発表] Recrystallization texture and deformation behavior of Ti-Zr-Nb based alloys (2018)
  • 著者名/発表者名: Kyong Min Kim, Hee Young Kim, Shuichi Miyazaki
  • 学会等名: 日本金属学会春期講演大会
• [学会発表] The beta/omega athermal - alfa" martensitic transformation in Ti-Nb shape memory alloys (2018)
  • 著者名/発表者名: Yaw Wang Chai, Hee Young Kim, Hideki Hosoda, Shuichi Miyazaki
  • 学会等名: 日本金属学会春期講演大会
• [学会発表] Ti合金の変態・変形挙動に及ぼす侵入型元素の影響 (2017)
  • 著者名/発表者名: 金 熙榮
  • 学会等名: 日本鉄鋼協会チタン・フォーラムシンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] Mechanical Properties and Deformation Mechanisms in Ti-Nb-Fe-Al Alloy (2017)
  • 著者名/発表者名: T. Suzuki, H.Y. Kim, S. Miyazaki
  • 学会等名: NIMS WEEK2017
  • 国際学会
• [学会発表] Martensitic Transformation of beta Ti-based Alloys (2017)
  • 著者名/発表者名: S. Miyazaki, H. Y. Kim
  • 学会等名: International Conference on Martensitic Transformations (ICOMAT 2017)
  • 国際学会
• [学会発表] Recent Development of Ti-Zr Based Biomedical Superelastic Alloys (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Y. Kim, S. Miyazaki
  • 学会等名: International Conference on Martensitic Transformations (ICOMAT 2017)
  • 国際学会
• [学会発表] Ti-Zr-Nb-Mo-Sn-N合金の組織と機械的特性に及ぼすN濃度の影響 (2017)
  • 著者名/発表者名: 雨宮 太希, 坂戸 将也, 金 熙榮, 宮崎 修一
  • 学会等名: 日本金属学会秋期講演大会
• [学会発表] Ti-12Zr-(5～9)Nb-2Mo-2Sn合金の変態・変形挙動に及ぼすNb濃度および侵入型元素の影響 (2017)
  • 著者名/発表者名: 坂戸 将也, 雨宮 太希, 金 熙榮, 宮崎 修一
  • 学会等名: 日本金属学会秋期講演大会
• [学会発表] Overview of Ti-based Shape Memory Alloys (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Miyazaki, H. Y. Kim
  • 学会等名: 2016 Fall Conference of the Korean Institute of Metals and Materials
  • 発表場所: Busan Exhibition & Convention Center (Busan, Korea)
  • 年月日: 2016-10-26
  • 招待講演
• [学会発表] チタン合金の組織と超弾性特性 (2016)
  • 著者名/発表者名: 金 熙榮
  • 学会等名: 日本金属学会シンポジウム
  • 発表場所: 大阪大学（大阪府大阪市）
  • 年月日: 2016-09-12
  • 招待講演
• [学会発表] Effect of Zr and Nb contents on superelastic properties of Ti-Zr-Nb-Sn alloys (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Amemiya, Y. Sato, H. Y. Kim, S. Miyazaki
  • 学会等名: The 9th Pacific Rim International Conference on Advanced Materials and Processing (PRICM9)
  • 発表場所: 京都国際会議場（京都府京都市）
  • 年月日: 2016-08-01
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Effect of alloying elements on texture and mechanical properties of Ti-Nb-Fe based alloys (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Suzuki, Y. Komamura, K. Uematsu, M. F. Ijaz, H. Y. Kim, S. Miyazaki
  • 学会等名: The 9th Pacific Rim International Conference on Advanced Materials and Processing (PRICM9)
  • 発表場所: 京都国際会議場（京都府京都市）
  • 年月日: 2016-08-01
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Ti-Zr-Nb-Sn合金の超弾性特性に及ぼすZr,Nb濃度の影響 (2015)
  • 著者名/発表者名: 雨宮 太希, 佐藤 陽祐, 金 熙榮, 宮崎 修一
  • 学会等名: 日本金属学会秋期講演大会
  • 発表場所: 九州大学（福岡県福岡市）
  • 年月日: 2015-09-16
• [学会発表] Ti-Nb-Fe-Al合金の機械的特性の異方性と変形機構 (2015)
  • 著者名/発表者名: 駒村 優, 植松 健斗, 金 熙榮, 宮崎 修一
  • 学会等名: 日本金属学会秋期講演大会
  • 発表場所: 九州大学（福岡県福岡市）
  • 年月日: 2015-09-16
• [学会発表] Ti-24Zr-10Nb-(2, 3)Sn合金の超弾性特性に及ぼす熱処理温度の影響 (2015)
  • 著者名/発表者名: 中村 冬斗、金 熙榮、細田 秀樹、宮崎 修一
  • 学会等名: 日本金属学会春期講演大会
  • 発表場所: 東京大学
  • 年月日: 2015-03-18 – 2015-03-20
• [学会発表] Ti-Zr-Nb合金の冷間圧延材の組織と機械的特性 (2014)
  • 著者名/発表者名: 岡部 史弥、酒井 遼介、金 熙榮、宮崎 修一
  • 学会等名: 日本金属学会秋期講演大会
  • 発表場所: 名古屋大学
  • 年月日: 2014-09-24 – 2014-09-26
• [学会発表] Ti-Nb-3Fe-4Al合金の再結晶集合組織及び超弾性特性 (2014)
  • 著者名/発表者名: 植松 健斗、金 熙榮、細田 秀樹、宮崎 修一
  • 学会等名: 日本金属学会秋期講演大会
  • 発表場所: 名古屋大学
  • 年月日: 2014-09-24 – 2014-09-26
• [学会発表] Mechanisms of Unique Properties of Gum Metals in Connection with Nano-domain Phase Transformation (2014)
  • 著者名/発表者名: S. Miyazaki and H.Y. Kim
  • 学会等名: International Conference on Martensitic Transformations 2014
  • 発表場所: Bilbao, Spain
  • 年月日: 2014-07-06 – 2014-07-11
  • 招待講演
• [図書] Ni-Free Ti-Based Shape Memory Alloys (2018)
  • 著者名/発表者名: Hee Young Kim, Shuichi Miyazaki
  • 総ページ数: 219
  • 出版者: Butterworth-Heinemann
  • ISBN: 9780128094013