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2021 年度 実績報告書

偏析制御に注目した革新的生体ハイエントロピー合金(BioHEA)の開発

公募研究

研究領域ハイエントロピー合金:元素の多様性と不均一性に基づく新しい材料の学理
研究課題/領域番号 21H00146
研究機関兵庫県立大学

研究代表者

永瀬 丈嗣  兵庫県立大学, 工学研究科, 教授 (50362661)

研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2023-03-31
キーワード生体材料 / ハイエントロピー合金 / 凝固 / 偏析 / 電子顕微鏡
研究実績の概要

ハイエントロピー合金(High Entropy Alloy, 以下HEA)は、構成元素の多様性を特徴とし、これまで金属材料では注目されていなかった「エントロピー制御」の概念のもと設計・開発が進む、新たなカテゴリーに属する金属材料である。HEAの中でも、生体用金属材料として開発がすすむ生体用ハイエントロピー合金(High Entropy Alloy for Metallic Biomaterials, BioHEA)は、構成元素の多様性に直結する偏析が生体適合性に大きく影響する新たな生体用金属材料である。
本研究では、偏析制御に注目し、Ti族元素を中心とするTi-BioHEAに加え、コバルトクロム合金をベースとするCoCr-BioHEAも視野に入れた合金開発を行った。主な成果は、(1)Ti-BioHEAの構成元素としてAlが利用できることの実証、(2)Ti-BioHEAにかわるCoCr-BioHEAの開発、にまとめられる。
Alは多くのHEA合金系における主要構成元素として用いられるが、BioHEAの主要構成元素となりえるのかについては未だ明らかとなっていなかった。Ti系BioHEAの構成元素としてAlを利用することができれば、その合金設計範囲は大きく広がると考えられた。そこで、TiZrHf等原子組成合金を出発としてAlを含む新合金の開発を行い、Alが利用できることを実証した。
Ti-BioHEAの主要構成元素は高融点元素であり、かつ極めて強い偏析傾向を示すため、凝固プロセスを通して直接組成が均一な固溶体を作製することは極めて困難である。そこで、Ti系BioHEAではなく、生体用金属材料として実用的に用いられているCo-Cr合金をベースとしたCoCr-BioHEAの開発を試み、超多成分CoCr-HEAの開発を達成した。

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

Ti-BioHEAの構成元素の一つとしてAlが利用できることを明らかとするとともに、Alを含む合金の固溶体形成傾向および偏析の特徴を明らかとすることができた。
Ti-BioHEAに代わる新たな合金系であるCoCr-BioHEAの開発をすすめ、完全に偏析を制御できてはいないが、Ni元素を含まない超多成分HEAの開発に成功した。

今後の研究の推進方策

偏析制御の観点から見て、Ti-BioHEAでは偏析傾向が大きく、積層造形法の適用は極めて有効ではあることを明らかとしてきたが、積層造形を用いなくても偏析の制御が可能な新たな合金系の開発が必要と考えれた。そこで、Ti-BioHEAについては、5元系・6元系合金だけではなく、さらに構成元素を増やした合金の作製が可能であるかの検討を行い、多成分化・エントロピー効果の利用によって新たな合金系の探索を行う。
CoCr-BioHEAでは、いくつかの候補合金の開発は達成したが、既存開発の合金ではまだ偏析を完全に抑えることが出来ないことが明らかとなっている。そこで、さらに構成元素を拡張・検討することで、新たな生体HEAの開発を行う。

  • 研究成果

    (19件)

すべて 2022 2021

すべて 雑誌論文 (6件) (うち国際共著 2件、 査読あり 6件、 オープンアクセス 6件) 学会発表 (12件) (うち国際学会 1件、 招待講演 1件) 図書 (1件)

  • [雑誌論文] Design and development of (Ti, Zr, Hf)-Al based medium entropy alloys and high entropy alloys2022

    • 著者名/発表者名
      Nagase Takeshi、Todai Mitsuharu、Wang Pan、Sun Shi-Hai、Nakano Takayoshi
    • 雑誌名

      Materials Chemistry and Physics

      巻: 276 ページ: 125409~125409

    • DOI

      10.1016/j.matchemphys.2021.125409

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] 銅(Cu)を含む3d遷移金属ハイエントロピー合金の凝固組織2021

    • 著者名/発表者名
      永瀬 丈嗣、田村 卓也
    • 雑誌名

      銅と銅合金

      巻: 60 ページ: 167~175

    • DOI

      10.34562/jic.60.1_167

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Fabrication of the Casting Products in Cu-Zn-Mn-Ni Medium-Entropy Brasses2021

    • 著者名/発表者名
      Nagase Takeshi、Shibata Akihiro、Matsumuro Mitsuaki、Takemura Mamoru、Semboshi Satoshi
    • 雑誌名

      MATERIALS TRANSACTIONS

      巻: 62 ページ: 856~863

    • DOI

      10.2320/matertrans.MT-M2020259

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Design and development of Ti-Zr-Hf-Nb-Ta-Mo high-entropy alloys for metallic biomaterials2021

    • 著者名/発表者名
      Iijima Yuuka、Nagase Takeshi、Matsugaki Aira、Wang Pan、Ameyama Kei、Nakano Takayoshi
    • 雑誌名

      Materials and Design

      巻: 202 ページ: 109548~109548

    • DOI

      10.1016/j.matdes.2021.109548

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Development of TiNbTaZrMo bio-high entropy alloy (BioHEA) super-solid solution by selective laser melting, and its improved mechanical property and biocompatibility2021

    • 著者名/発表者名
      Ishimoto Takuya、Ozasa Ryosuke、Nakano Kana、Weinmann Markus、Schnitter Christoph、Stenzel Melanie、Matsugaki Aira、Nagase Takeshi、Matsuzaka Tadaaki、Todai Mitsuharu、Kim Hyoung Seop、Nakano Takayoshi
    • 雑誌名

      Scripta Materialia

      巻: 194 ページ: 113658~113658

    • DOI

      10.1016/j.scriptamat.2020.113658

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Solid State Amorphization and Alloy Parameters for High Entropy Alloys2021

    • 著者名/発表者名
      Nagase Takeshi
    • 雑誌名

      Materials Science Forum

      巻: 1016 ページ: 990~996

    • DOI

      10.4028/www.scientific.net/MSF.1016.990

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Development of High Entropy cast iron (HE cast iron)2021

    • 著者名/発表者名
      T. Nagase, T. Kakeshita, K. Matsumura, K. Nakazawa, S. Furuya, N. Ozoe, K. Yoshino
    • 学会等名
      The 12th International Symposium on the Science and Processing of Cast Iron (SPCI-XII)
    • 国際学会
  • [学会発表] hcp型TiZrHfAl系BioMEAの開発2021

    • 著者名/発表者名
      高橋凪, 田中音色, 當代光陽, 松垣あいら, 永瀬丈嗣, 中野貴由
    • 学会等名
      第4回 日本金属学会 第7分野講演会「金属系バイオマテリアルサイエンスの新展開(Ⅳ)
  • [学会発表] 金属AMによる生体用ハイエントロピー合金(BioHEA)の高機能化検討2021

    • 著者名/発表者名
      西川侑希, 石本卓也, 永瀬丈嗣, 中野貴由
    • 学会等名
      第4回 日本金属学会 第7分野講演会「金属系バイオマテリアルサイエンスの新展開(Ⅳ)
  • [学会発表] 超多成分系生体用ハイエントロピー合金の開発2021

    • 著者名/発表者名
      百歩明, 松坂匡晃, 松垣あいら, 石本卓也, 小笹良輔, 永瀬丈嗣, 中野貴由
    • 学会等名
      第4回 日本金属学会 第7分野講演会「金属系バイオマテリアルサイエンスの新展開(Ⅳ)
  • [学会発表] チタン系生体用hcp型ミディアムエントロピー合金の開発2021

    • 著者名/発表者名
      當代光陽, 永瀬丈嗣, 松垣あいら, 中野貴由
    • 学会等名
      軽金属学会 第141回秋季大会
  • [学会発表] 等原子組成比CuSnZn, CuSnAl, CuSnZnAl合金の構成相と凝固組織2021

    • 著者名/発表者名
      永瀬丈嗣, 柴田顕弘, 松室光昭, 武村守, 千星聡
    • 学会等名
      日本銅学会 第61回講演大会
  • [学会発表] 金属AMによる生体用ハイエントロピー合金の造形と機能化の検討2021

    • 著者名/発表者名
      西川侑希, 石本卓也, 永瀬丈嗣, 中野貴由
    • 学会等名
      日本金属学会2021年秋期講演大会(第169回)
  • [学会発表] 生体用hcp型ミディアムエントロピー合金の開発2021

    • 著者名/発表者名
      當代光陽, 高橋凪, 永瀬丈嗣, 松垣あいら, 中野貴由
    • 学会等名
      日本金属学会2021年秋期講演大会(第169回)
  • [学会発表] Bcc型バイオハイエントロピー合金のデンドライト組織の体積率とボロン添加が力学特性におよぼす影響2021

    • 著者名/発表者名
      高橋凪, 川堀龍, 當代光陽, 永瀬丈嗣, 中野貴由
    • 学会等名
      日本鉄鋼協会・日本金属学会 中国四国支部 鉄鋼第64回・金属第61回 合同講演大会
  • [学会発表] TiZrHfをベースにしたミディアムエントロピー合金の開発2021

    • 著者名/発表者名
      當代光陽, 田中音色, 浅田若奈, 川堀龍, 永瀬丈嗣, 中野貴由
    • 学会等名
      軽金属学会2021年春期大会(第140回)
  • [学会発表] FactSage を利用したハイエントロピー合金の合金開発2021

    • 著者名/発表者名
      永瀬丈嗣
    • 学会等名
      第21回 FactSage ユーザー会
    • 招待講演
  • [学会発表] Al-Mg-Li-Ca系軽量ミディアムエントロピー合金の合金設計と鋳造材の作製2021

    • 著者名/発表者名
      永瀬丈嗣, 寺山朗, 長岡孝, 府山伸行, 阪本辰顕
    • 学会等名
      日本鋳造工学会第177回全国講演大会
  • [図書] 固体表面キャラクタリゼーション 機能性材料・ナノマテリアルのためのスペクトロスコピー2022

    • 著者名/発表者名
      (分担執筆) 永瀬丈嗣, (編集) 山下 弘巳、吉田 寿雄、田中 庸裕
    • 総ページ数
      304
    • 出版者
      講談社
    • ISBN
      978-4-06-526126-2

URL: 

公開日: 2022-12-28  

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