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2023 年度 実施状況報告書

レーザ粉末床溶融結合によるNi基超合金単結晶の成長制御に向けた結晶粒選択機構の解明

研究課題

研究課題/領域番号 23K04454
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

北嶋 具教  国立研究開発法人物質・材料研究機構, 構造材料研究センター, 主幹研究員 (00421397)

研究期間 (年度) 2023-04-01 – 2026-03-31
キーワード粉末床溶融結合法 / フラットトップレーザ / ニッケル / 単結晶 / 結晶粒選択
研究実績の概要

本研究は、フラットトップ型レーザを用いたNi基超合金の粉末床溶融結合法でプロセスパラメータとスキャンストラテジーが集合組織形成に及ぼす影響を調査し、集合組織形成や結晶粒選択のメカニズム解明を目指すものである。本年度は下記の成果が得られた。
(1) 純Niの造形で、平坦な溶融池を形成するプロセスパラメータを用い、レーザの双方向走査とハッチ方向の90°回転のスキャンストラテジーを採用した場合、単結晶構造が得られることは過去に報告していた。プロセスパラメータを固定し、次の3つのレーザスキャンストラテジーで円柱構造体を造形した。(i)一方向走査でレイヤー毎のハッチ方向回転角0°、(ii) 双方向走査でレイヤー毎のハッチ方向回転角180°、(iii)双方向走査でレイヤー毎のハッチ方向回転角90°。その結果、レーザの双方向走査は、平坦な溶融池底面で<001>の凝固セルの成長を造形方向に促進し、造形方向に垂直な面の<001>集合組織形成に寄与する。レイヤー毎のハッチ方向回転角90°は、ティアドロップ状の溶融池後方の固液界面で、造形方向に垂直でレーザ走査方向と45°の角度に<001>の凝固セル成長を促進し、レーザ走査方向とハッチ方向のそれぞれに垂直な面で<110>集合組織を形成することが明らかになった。
(2) Ni-Al合金粉末を製造した。Ni-Al合金の造形では純Niで単結晶構造が得られたプロセスパラメータを使用し、レーザの双方向走査とハッチ方向90°回転のスキャンストラテジーを採用した。Ni-Al合金の造形体は、純Niと異なり、造形方向に<110>と<001>の混合集合組織を形成した。同じプロセスパラメータを用いた場合、Ni-Al合金の溶融池形状は純Niに比べて平坦性が低い。今後、プロセスパラメータの影響について詳しく調査する。

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

フラットトップ型レーザを用いた造形で、レーザの走査方向とハッチ方向の回転角が集合組織の形成に及ぼす影響を明らかにした。また、レーザの双方向走査とハッチ方向の90°回転の組み合わせが単結晶構造のエピタキシャル成長に必須である点を示した。これらは結晶粒構造を制御する上で重要であり、大きな成果である。また、Ni-Al合金の造形では、プロセスパラメータが集合組織形成に及ぼす影響(例えば、<001>強度)が純Niと大きく異なることを示した。これは純NiとNi-Al合金では同じプロセスパラメータの下で溶融池サイズや溶融池のアスペクト比が異なることが理由の一つであり、次年度以降、さらに詳細に調査する。

今後の研究の推進方策

フラットトップ型レーザを用いた粉末床溶融結合法においてレーザの双方向走査とハッチ方向の90°回転の組み合わせが単結晶構造の成長につながることを示した。単結晶構造から多結晶構造への遷移制御を実現するため、スキャンストラテジーの切替が単結晶構造や凝固セルの成長に及ぼす影響を調査する。具体的にはプロセスパラメータを固定し、ハッチ方向の回転角90°で単結晶構造が成長している途中で、ハッチ方向の回転角を0°、45°、67°、180°に切り替える。スキャンストラテジーの切替により固液界面の温度勾配が変化し、固液界面が不安定化し、デンドライトセルや等軸晶を生じ、結晶成長方向が造形方向からずれる可能性がある。また、Ni-Al合金においてプロセスパラメータと溶融池形態の関係をシングルトラック解析で調査し、その結果と純Niのケースの違いについて議論する。さらに、Ni-Al合金の造形において溶融池の凝固セルの成長挙動を解析し、プロセスパラメータが造形方向に垂直な面の<110>と<001>の混合集合組織の形成に及ぼす影響を調査する。

次年度使用額が生じた理由

(1) 今年度はスキャンストラテジーのレーザ走査方向とハッチ方向回転角が組織形成に及ぼす影響の解明に重点を置き、その造形に用いるSUSプレートが既存のもので足りたため。
(2) 組織解析で利用料が不要な装置を多用したため。

  • 研究成果

    (6件)

すべて 2024 2023

すべて 学会発表 (6件) (うち国際学会 3件、 招待講演 2件)

  • [学会発表] Effect of scan strategy on texture and single-crystal structure formations in laser powder bed fusion of pure Ni with a flat-top laser beam2024

    • 著者名/発表者名
      北嶋具教, Dennis Edgard Jodi, 渡邊誠
    • 学会等名
      TMS 2024 Annual Meeting
    • 国際学会
  • [学会発表] フラットトップレーザ粉末床溶融結合法におけるニッケル単結晶の造形に不可欠なレーザスキャンストラテジー2023

    • 著者名/発表者名
      北嶋具教, Dennis Edgard Jodi, 渡邊誠
    • 学会等名
      第51回日本ガスタービン学会定期講演会
  • [学会発表] フラットトップレーザを用いた粉末床溶融結合法による<011>繊維集合組織構造体の造形2023

    • 著者名/発表者名
      Dennis Edgard Jodi, 北嶋具教, 渡邊誠
    • 学会等名
      日本金属学会2023年秋期講演大会
  • [学会発表] フラットトップレーザ粉末床溶融結合法におけるスキャンストラテジー切替による単結晶から柱状晶組織への遷移2023

    • 著者名/発表者名
      北嶋具教, Dennis Edgard Jodi, 渡邊誠
    • 学会等名
      日本金属学会2023年秋期講演大会
  • [学会発表] Fabrication of a nickel single-crystal structure by controlling melt pool geometry in laser powder fusion with a flat-top laser beam2023

    • 著者名/発表者名
      北嶋具教
    • 学会等名
      Thermec' 2023: International Conference on PROCESSING & MANUFACTURING OF ADVANCED MATERIAL
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Single-crystal-structure and uniform-texture formations of cubic crystals in laser powder bed fusion2023

    • 著者名/発表者名
      北嶋具教
    • 学会等名
      2nd French-Japanese Workshop on Additive Manufacturing
    • 国際学会 / 招待講演

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公開日: 2024-12-25  

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