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超温度場の非定常凝固が生み出す不均一組織記述子の創出

公募研究

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 22H05281
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)
研究機関名古屋大学

研究代表者

鈴木 飛鳥  名古屋大学, 工学研究科, 助教 (90802603)

研究期間 (年度) 2022-06-16 – 2024-03-31
研究課題ステータス 完了 (2023年度)
配分額 *注記
8,320千円 (直接経費: 6,400千円、間接経費: 1,920千円)
2023年度: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2022年度: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
キーワード粉末床溶融結合法 / パーシステントホモロジー / Al-Si合金 / 熱処理 / 組織不均一性 / 記述子 / 付加製造 / 超温度場 / 組織 / データ科学 / 3Dプリント / デンドライト組織
研究開始時の研究の概要

金属の3Dプリントでは,薄く敷き詰めた金属粉末をレーザや電子ビームなどの熱源によって局所的に溶かして結合させます。このとき,これらの熱源によって局所的に温度が上昇するため,温度の勾配が非常に大きくなります(超温度場)。この超温度場では,金属が固まる際の条件が時々刻々と変わり,それによって金属のナノ・ミクロレベルの組織が変化するという特徴があります。本研究では,数理表現やデータ科学を用いて,こうした組織を記述する記述子を創出することを目指します。

研究実績の概要

本年度は,レーザ粉末床溶融結合(L-PBF)法で作製したAl-12Si (mass%)合金およびそれに熱処理(200℃~530℃)を施した試料の組織をFE-SEMにより観察した. L-PBF造形Al-12Si合金は,初晶α相をα/Si共晶組織が包囲するセル状組織形態を有する.この組織形態は,熱処理を施すことで変化し,530℃の熱処理によってSi粒子が分散した組織形態へと変化する.こうした大きく異なる組織形態を定量化するために,パーシステントホモロジー(PH)解析を行った.0次PH解析からは,熱処理に伴うSi粒子のサイズおよび粒子間距離が大きくなることに加えて,大きなSi粒子の近くにはSi粒子が少ないといったSi粒子分布に関する情報が定量化された.1次PH解析から,組織形態を表現する記述子として,第一主成分の傾きを解析した.この指標を用いることで,熱処理に伴って,組織形態がセル状および粒子分散のどちらにより近いかを定量的に議論できる.また,PH解析から得られた組織の記述子は,一般的な組織の記述子よりも合金の引張強度とよく相関することが明らかとなった.
また,L-PBF造形したAl-12Si合金は溶融池スケールでの組織の不均一性を有し,それに起因して引張延性に異方性が生じることが知られている.加えて,組織の不均一性および引張延性の異方性は熱処理に伴って低減する.そこで,上述のPH解析によって得られた組織の記述子を溶融池内部と境界付近でそれぞれ解析し,内部に対する境界の変化率を定量化した.この変化率と引張延性の間には良い相関が認められ,L-PBF造形材が有する引張延性の異方性に影響する組織不均一性を表現する記述子を見出すことができた.

現在までの達成度 (段落)

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 研究成果

    (14件)

すべて 2023 2022

すべて 雑誌論文 (5件) (うち査読あり 5件、 オープンアクセス 5件) 学会発表 (9件) (うち国際学会 4件、 招待講演 3件)

  • [雑誌論文] 機械学習を活用した金属積層造形のプロセスパラメータ設計2023

    • 著者名/発表者名
      鈴木飛鳥
    • 雑誌名

      まてりあ

      巻: 62 号: 7 ページ: 464-469

    • DOI

      10.2320/materia.62.464

    • ISSN
      1340-2625, 1884-5843
    • 年月日
      2023-07-01
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Persistent Homology Analysis of the Microstructure of Laser-Powder-Bed-Fused Al-12Si Alloys2023

    • 著者名/発表者名
      Asuka Suzuki, Yusuke Sasa, Makoto Kobashi, Masaki Kato, Masahito Segawa, Yusuke Shimono, Sukeharu Nomoto
    • 雑誌名

      Materials

      巻: 16 号: 22 ページ: 7228-7228

    • DOI

      10.3390/ma16227228

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Introducing hatch spacing into deposited energy density toward efficient optimization of laser powder bed fusion process parameters2023

    • 著者名/発表者名
      Mai Kunieda, Asuka Suzuki, Naoki Takata, Masaki Kato, Makoto Kobashi
    • 雑誌名

      Materials Transactions Vol. 64 (Special Issue: Creation of Materials by Superthermal Field)

      巻: -

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Machine-learning assisted optimization of process parameters for controlling the microstructure in a laser powder bed fused WC/Co cemented carbide2022

    • 著者名/発表者名
      Asuka Suzuki, Yusuke Shiba, Hiroyuki Ibe, Naoki Takata, Makoto Kobashi
    • 雑誌名

      Additive Manufacturing

      巻: 59 ページ: 193089-193089

    • DOI

      10.1016/j.addma.2022.103089

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 金属積層造形のプロセスパラメータ最適化への機械学習の活用2022

    • 著者名/発表者名
      鈴木 飛鳥,伊部 博之,高田 尚記,小橋 眞,加藤 正樹
    • 雑誌名

      日本溶射学会誌 溶射

      巻: 59 号: 4 ページ: 210-216

    • DOI

      10.11330/jtss.59.210

    • ISSN
      0916-6076, 2186-1080
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] レーザ粉末床溶融結合したAl-Si合金の微視組織に対するパーシステントホモロジー解析2023

    • 著者名/発表者名
      鈴木飛鳥,小橋眞
    • 学会等名
      日本鉄鋼協会2023年秋季(第186回)講演大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] レーザ粉末床溶融結合したSi濃度の異なるAl-Si合金の微視組織とその不均一性2023

    • 著者名/発表者名
      佐々侑祐,鈴木飛鳥,高田尚記,小橋眞,加藤正樹
    • 学会等名
      日本金属学会2023年秋期(第173回)講演大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Effect of Si content on crystal grain morphology and orientations in laser powder bed fused Al-Si alloys2023

    • 著者名/発表者名
      Yusuke Sasa, Mai Kunieda, Asuka Suzuki, Naoki Takata, Makoto Kobashi, Masaki Kato
    • 学会等名
      Thermec’2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Machine-learning assisted process parameter optimizations for laser powder bed fusion of WC/Co composites2023

    • 著者名/発表者名
      Asuka Suzuki, Yusuke Shiba, Hiroyuki Ibe, Naoki Takata, Makoto Kobashi
    • 学会等名
      Thermec’2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Variations in Microstructural Morphology and Crystallographic Texture of Laser Powder Bed Fused Al-Si Alloys with Si Concentration and Laser Conditions2023

    • 著者名/発表者名
      Yusuke Sasa, Mai Kunieda, Asuka Suzuki, Naoki Takata, Makoto Kobashi, Masaki Kato
    • 学会等名
      The 1st International conference on Creation of Materials by Superthermal Field 2023 (CMSTF2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Machine learning-aided laser parameter optimization and thermal conduction simulations for laser powder bed fusion of WC/Co composites2023

    • 著者名/発表者名
      Asuka Suzuki, Yusuke Shiba, Hiroyuki Ibe, Naoki Takata, Makoto Kobashi
    • 学会等名
      The 1st International conference on Creation of Materials by Superthermal Field 2023 (CMSTF2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] レーザ粉末床溶融結合法におけるプロセス条件探索および組織・特性制御に関する研究2022

    • 著者名/発表者名
      鈴木 飛鳥
    • 学会等名
      日本金属学会171回秋期講演大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 金属積層造形のプロセスパラメータ最適化 への機械学習の活用2022

    • 著者名/発表者名
      鈴木 飛鳥,伊部 博之,高田 尚記,小橋 眞,加藤 正樹
    • 学会等名
      日本溶射学会2022年秋季講演大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] レーザ粉末床溶融結合したAl-Si合金の微視組織に及ぼすSi添加量の影響2022

    • 著者名/発表者名
      佐々 侑祐、國枝 真衣、鈴木 飛鳥、高田 尚記、小橋 眞、加藤 正樹
    • 学会等名
      日本金属学会171回秋期講演大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書

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公開日: 2022-06-20   更新日: 2024-12-25  

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