レーザ粉末床溶融結合による航空用チタン含有ハイエントロピー合金の創製と高機能化

2023 年度 実績報告書

• 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: 22H05288
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 小笹 良輔 大阪大学, 大学院工学研究科, 助教 (80845347)
• 研究期間 (年度): 2022-06-16 – 2024-03-31
• キーワード: ハイエントロピー合金 / 金属３Dプリンタ / 計算機シミュレーション / 急冷凝固 / 高温耐熱材料 / 凝固組織 / 結晶集合組織

研究実績の概要

金属Additive Manufacturing（AM）手法の中でも、レーザ粉末床溶融結合（Lase-based Powder Bed Fusion of Metals: PBF-LB/M）法は、レーザ走査による金属粉末の局所での溶融／凝固を基本とし、一過性の入熱と抜熱により最大107 K/sに達する超急冷温度場を創出することが可能である。こうした高い冷却速度は従来法（例えば鋳造）では実現することができず、PBF-LB/M特有の特徴といえる。一方で、耐熱ハイエントロピー合金 （Refractory High Entropy Alloys: RHEAs）が優れた高温特性をもつ新たな金属材料として近年注目を集めている。一般にRHEAsはアーク溶解法を用いて作製される場合が多い。その理由は、アーク溶解法はMoやWなどの高融点金属を溶解可能であり、比較的簡便に合金を作製できるためである。しかしながら、RHEAsは元素偏析を生じる場合が多く、本合金は理想的な固溶体としての機能性を十分に発揮できていないものと考えられる。こうしたRHEAsで生じる元素偏析を抑制するには、合金が溶融状態から凝固完了までに要する時間の短縮が重要であり、本研究では、（1）合金設計および（2）PBF-LB/Mによる超急冷凝固に注目し、合金設計と材料創製プロセスの両面からの研究アプローチにより、RHEAsの偏析抑制により機能の向上を図ることを目的とした。
2023年度は、2022年度に合金設計した新規RHEAを対象に、最大107 K/sに達する急冷を実現可能な材料創製プロセスであるレーザ粉末床溶融結合（L-PBF）造形を実施するとともに、微細組織観察および力学特性解析を実施した。新規RHEAは冷却速度に応じて異なる凝固組織を形成し、超急冷下で形成されたL-PBF材は元素偏析を抑制することが示された。加えて、L-PBF材は室温および高温での優れた降伏応力を有することが示された。

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。

研究成果

• [国際共同研究] A*STAR(シンガポール)
  • 国名: シンガポール
  • 外国機関名: A*STAR
• [国際共同研究] KIT/POSTECH(韓国)
  • 国名: 韓国
  • 外国機関名: KIT/POSTECH
• [国際共同研究] Gamteck LLC(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Gamteck LLC
• [雑誌論文] 金属Additive Manufacturingによるチタンおよびチタン合金の相変態と組織制御 (2024)
  • 著者名/発表者名: 小笹良輔, 松垣あいら, 石本卓也, 中野貴由
  • 雑誌名: 金属 巻: 94 ページ: 224～232
• [雑誌論文] Effect of Cooling Rate on Powder Characteristics and Microstructural Evolution of Gas Atomized β-Solidifying γ-TiAl Alloy Powder (2024)
  • 著者名/発表者名: Sung-Hyun Park, Ryosuke Ozasa, Ozkan Gokcekaya, Ken Cho, Hiroyuki Yasuda , Myung-Hoon Oh, Young-Won Kim,Takayoshi Nakano
  • 雑誌名: MATERIALS TRANSACTIONS 巻: 65 ページ: 199～204
  • DOI: 10.2320/matertrans.MT-M2023174
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Development of an equiatomic octonary TiNbTaZrMoHfWCr super-high-entropy alloy for biomedical applications (2024)
  • 著者名/発表者名: Tadaaki Matsuzaka, Akira Hyakubu, Yong Seong Kim, Aira Matsugaki, Takeshi Nagase, Takuya Ishimoto, Ryosuke Ozasa, Hyoung Seop Kim, Tomoji Mizuguchi, Ozkan Gokcekaya, Takayoshi Nakano
  • 雑誌名: Materials Chemistry and Physics 巻: 316 ページ: 129120～129120
  • DOI: 10.1016/j.matchemphys.2024.129120
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Design and development of a novel non-equiatomic Ti-Nb-Mo-Ta-W refractory high entropy alloy with a single-phase body-centered cubic structure (2024)
  • 著者名/発表者名: Yong Seong Kim, Ryosuke Ozasa, Kazuhisa Sato, Ozkan Gokcekaya, Takayoshi Nakano
  • 雑誌名: Scripta Materialia 巻: 252 ページ: 116260～116260
  • DOI: 10.1016/j.scriptamat.2024.116260
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Microstructure and Crystallographic Texture Evolution of β-Solidifying γ-TiAl Alloy During Single- and Multi-track Exposure via Laser Powder Bed Fusion (2023)
  • 著者名/発表者名: Sung-Hyun Park, Ozkan Gokcekaya, Ryosuke Ozasa, Myung-Hoon Oh, Young-Won Kim, Hyoung Seop Kim, Takayoshi Nakano
  • 雑誌名: Metals and Materials International 巻: - ページ: -
  • DOI: 10.1007/s12540-023-01579-4
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Microstructure Evolution of Gas-Atomized β-Solidifying γ-TiAl Alloy Powder during Subsequent Heat Treatment (2023)
  • 著者名/発表者名: Sung-Hyun Park, Ozkan Gokcekaya, Ryosuke Ozasa, Ken Cho, Hiroyuki Yasuda, Myung-Hoon Oh, Takayoshi Nakano
  • 雑誌名: Crystals 巻: 13 ページ: 1629～1629
  • DOI: 10.3390/cryst13121629
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Review - Research and Development of Titanium-Containing Biomedical High Entropy Alloys (BioHEAs) Utilizing Rapid Solidification via Laser-Powder Bed Fusion (2023)
  • 著者名/発表者名: Ryosuke Ozasa, Aira Matsugaki, Takuya Ishimoto, Takayoshi Nakano
  • 雑誌名: Materials Transactions 巻: 64 ページ: 31～36
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] BCC 型生体用ハイエントロピー合金（BioHEAs）の設計と開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 小笹良輔, 中野貴由
  • 雑誌名: スマートプロセス学会誌 巻: 12 ページ: 208～214
• [学会発表] Design and fabrication of refractory high entropy alloys (RHEAs) with suppressed elemental segregation (2024)
  • 著者名/発表者名: Yong Seong Kim, Ryosuke Ozasa, Gokcekaya Ozkan, Kazuhisa Sato, Takayoshi Nakano
  • 学会等名: 日本金属学会2024年春期(第174回)講演大会
• [学会発表] Design and development of a single-phase refractory high entropy alloy (RHEAs) with BCC structure (2023)
  • 著者名/発表者名: Ryosuke Ozasa, Yong-Seong Kim, Kazuhisa Sato, Takayoshi Nakano
  • 学会等名: The 1st international conference on Creation of Materials by Superthermal Field 2023 (CMSTF2023)
  • 国際学会
• [学会発表] Development of bio-high entropy alloys (BioHEAs) via laser-powder bed fusion (2023)
  • 著者名/発表者名: Ryosuke Ozasa, Takuya Ishimoto, Gokcekaya Ozkan, Aira Matsugaki, Takayoshi Nakano
  • 学会等名: The 11th Pacific Rim International Conference on Advanced Materials and Processing (PRICM 11)
  • 国際学会
• [学会発表] Segregation suppression and microstructure formation of β-type titanium alloy developed via laser powder bed fusion (L-PBF) (2023)
  • 著者名/発表者名: Shohei Horio, Ryosuke Ozasa, Kazuhisa Sato, Masayuki Okugawa, Yuichiro Koizumi, Takayoshi Nakano
  • 学会等名: The 1st international conference on Creation of Materials by Superthermal Field 2023 (CMSTF2023)
  • 国際学会
• [学会発表] L-PBFの超急冷によるβ型チタン合金の偏析抑制と結晶集合組織制御 (2023)
  • 著者名/発表者名: 堀尾尚平, 小笹良輔, 佐藤和久, 奥川将行, 小泉雄一郎, 中野貴由
  • 学会等名: 日本金属学会2023年秋期(第173回)講演大会
• [備考] researchmap
  • URL: https://researchmap.jp/ozasa_r
• [備考] KAKEN
  • URL: https://nrid.nii.ac.jp/ja/nrid/1000080845347/
• [備考] 大阪大学 研究者総覧
  • URL: https://rd.iai.osaka-u.ac.jp/ja/7012bf00115007bb.html
• [備考] 研究室HP
  • URL: http://www.mat.eng.osaka-u.ac.jp/msp6/nakano/publications/