2019 Fiscal Year Annual Research Report
Fabrication and Micro/Nano Structure Control of High Entropy Alloys by Advanced Processing
| Project Area | High Entropy Alloys - Science of New Class of Materials Based on Elemental Multiplicity and Heterogeneity |
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| Project/Area Number |
18H05455
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
辻 伸泰 京都大学, 工学研究科, 教授 (30263213)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
千葉 晶彦 東北大学, 金属材料研究所, 教授 (00197617)
飴山 惠 立命館大学, 理工学部, 教授 (10184243)
安田 秀幸 京都大学, 工学研究科, 教授 (60239762)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2023-03-31
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| Keywords | プロセス / 組織制御 / 凝固 / 粉末冶金 / 3Dプリンティング / X線CT / 超微細粒 / 調和組織 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
多成分状態図の中央近傍の化学組成を持つハイエントロピー合金は、高温でのエントロピー効果や多種類に及ぶ各元素間の引力／斥力相互作用、遅い原子拡散、大きな格子ひずみといった特徴が複雑に作用して、凝固時及びその後の加工・熱処理中に従来金属・合金とは大きく異なるミクロ組織形成を生じると考えられる。本計画研究は、凝固・鋳造、加工熱処理、粉末冶金、3D プリンティングという、４種類の重要プロセスを通じてハイエントロピー合金のナノ・ミクロ組織やマクロ形態の制御を行い、ハイエントロピー合金特有の組織形成過程と機構を明らかにするとともに、ナノ・ミクロ組織と種々の特性の相関関係を明らかにして、望ましい特性の合金を作製するためのプロセス指針を獲得することを目的とする。
2019年度には、前年度に構築した研究基盤を活用して、京大・辻、京大・安田、立命大・飴山、東北大・千葉が、それぞれ加工・熱処理、凝固・鋳造、粉末冶金、3D プリンティングの各プロセスを担当し、各研究室の研究協力者、ポスドク、大学院生とともに、研究室間の緊密な連携を取りつつ研究を推進した。J-PARC・ハルヨは研究協力者として加工熱処理中の中性子その場回折実験を補助した。領域全体に共通試料やデータを提供することによって、ハイエントロピー合金に関する新学術の創成に寄与するとともに、ハイエントロピー合金の実用化を見通した基礎的知見の蓄積を行なった。前年度それぞれ確立した実験環境・条件を用いてFCC単相構造を有するハイエントロピー合金の組織解析・特製解明に関する研究を深化させるとともに、高温材料として期待される高融点BCCハイエントロピー合金の研究にも着手した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
2019年度は、以下の研究成果を得た。（１）放射光を用いてCrMnFeCoNi系の固液界面積などデンドライトの特徴と凝固パスに沿った固液の平衡関係を明らかにし、測定データに基づいて四元系でコングルーエント組成を見いだした。（２）CoCrFeMnNi FCCハイエントロピー合金およびHfNbTaTiZr BCCハイエントロピー合金の高温化高熱処理に伴う組織形成および特異な変形機構を明らかにした。（３）CoCrFeNiMn合金の調和組織制御を行い、一般の金属材料と同様に調和組織が形成され、室温と低温の引張試験で高強度と高靱性が両立することが明らかとなった。また、シナジー硬化現象が発現することが確認された。（４）電子ビーム積層造形装置を用いて優れた高温強度を有するHfMoNbTaTi合金のバルク体に対して種々の条件にてシングルビード実験を行い、ビード形状および組織観察を基に最適な造形条件について検討した。
得られた成果を、32件の学術雑誌論文、63件の学会発表（うち招待講演17件、国際学会30件）として公表した。発表した学術雑誌論文には、ネイチャーグループのScientific Reports誌への1件の論文、材料工学分野のリーディングジャーナルであるActa Materialia誌（IF=7.293）の4件、 Scripta Materialia誌（IF=4.539）の2件、Mater. Res. Lett.誌（IF=7.44）の1件の論文を含む。参画する各研究室の多くの学生と若手ポスドク研究員がハイエントロピー合金に関する研究を行い、先端的な研究を通じて若手人材育成にも貢献できた。
以上のように、当初予定通りに各プロセスを用いたハイエントロピー合金研究が順調に進展し、予想以上に多くの論文および学会発表として成果を発表できており、当初の計画以上に研究が進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
京大・辻、京大・安田、立命大・飴山、東北大・千葉が、加工・熱処理、凝固・鋳造、粉末冶金、3D プリンティングの各プロセスを担当し、研究室間の緊密な連携を取りつつ研究を推進する。領域全体に共通試料やデータを提供することによって、ハイエントロピー合金に関する新学術の創成に寄与するとともに、ハイエントロピー合金の実用化を展望した基礎的知見の蓄積を行う。第２年度までに各プロセスで得られた結果をさらに発展させるとともに、プロセス（研究室）間で情報を交換し、共通する内容の討論を進化させて、ハイエントロピー合金の組織・特性制御をより包括的に明らかにしてゆく。
2020年度は、前年度それぞれが確立したプロセスを用いて以下の研究項目を実施する。それぞれのプロセスにより得られた知見を統合し、他班の成果も取り入れながら、優れた特製を有するハイエントロピー合金を作製するためのプロセス条件等の知見を蓄積する。具体的には、以下の研究項目を実施する。（１）放射光を利用したその場観察・測定により固液平衡や凝固組織の定量化を進め、測定データにもとづき構成元素が固液に等分配される偏析フリーHEAの探索と可能性を探究する。（２）加工熱処理により組織制御された単相ハイエントロピー合金の力学特性を明らかにするとともに、第二相が析出する場合など、複相組織化するプロセス条件を明らかにする。（３）CoCrFeNiAl合金、CrFeCoNi合金、CoCrMo系合金等について調和組織制御を行い、室温と低温での変形様式について詳細な検討を行い、双晶変形、応力誘起相変態、すべり変形に及ぼす調和組織の影響を明らかにする。（４）シングルビードの溶融部および母材において観察されたクラック形成について、実験とシミュレーションの両面からメカニズムと回避策を明らかにする。また、粉末原料を用いて造形実験を行い、組織・特性評価を行う。
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[Presentation] 高・中エントロピー合金における変形組織の方位依存性と力学特性の関係2020
Author(s)
吉田周平, Fu Rui, Gong Wu, 池内琢人, Bai Yu, 柴田曉伸, Feng Zongqiang, Wu Guilin, Hansen Niels, Huang Xiaoxu, 辻伸泰
Organizer
日本金属学会 2020年春期（第166回）講演大会
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[Presentation] Metal 3D Printer for Space Technology2019
Author(s)
A. Chiba
Organizer
Global Institute for Materials Research, Tohoku (GIMRT), “Kibo” Users’ Network of JAXA (ISS-“Kibo”) and Aerospace Interdisciplinary Research Center of Tohoku University (AIRC)
Int'l Joint Research / Invited
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