2021 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 / X線CT / 超微細粒 / 調和組織 / ３Dプリンティング |
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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特徴的なミクロ組織形成を生じる。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している。
2021年度は、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。また新学術領域内の他班・公募班研究者との連携研究もさらに拡大した。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。前年度までに得られた知見を元に、FCC単相構造を有するハイエントロピー合金の先端プロセッシングを通じた組織制御・特性解明に関する研究をさらに深化・発展させるとともに、高温材料として期待される高融点BCCハイエント ロピー合金の研究を展開し、当初予定していた研究計画を遂行して多数の興味深い成果を得た。
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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
2021年度は、以下の研究成果を得た。(1)A03カ班・井上グループと辻グループの共同研究により、三次元アトムプローブトモグラフィー法(3D-APT)によってCoCrNi MEA中の局所規則構造(LCO)を直接観察し、力学特性との相関を明らかにした。(2)Fe50Mn30Co10Cr10中エントロピー合金のガスアトマイズ粉末に対してメカニカルミリングとスパークプラズマ焼結を施すことによって、調和組織制御に成功し、Shell割合を増加させることにより、延性を維持しながら降伏強度を増大させることが可能であることを明らかにした。(3)放射光を用いた時間分解X線イメージングとその場蛍光X線分析に基づきCrMnFeCoNi合金の凝固パスを含む擬二元系系状態図を作成することに成功し、コングルーエントに近い組成を２つ見出した。Cr27Fe29Co31Ni14，Cr15Fe23Co40Ni22はミクロ偏析，凝固収縮率の観点から鋳造材として望ましいFCC合金であることを明らかにした。(4)独自に設計した析出強化型高融点ハイエントロピー合金を対象に、ガスアトマイズ法により作製した粉末及び電子ビーム照射により形成したシングルビードの評価を行い、電子ビーム積層造形への適用が可能であることを確認した。(5)本班に所属する公募班に各プロセスにより作製した試料を提供し、共同研究を展開した。
得られた成果を、40件の学術雑誌論文（全て査読あり、国際共著論文20件、オープンアクセス論文21件）、24件の国際会議発表（うち12件は招待講演）、24件の国 内学会発表として公表した。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。
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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、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、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。
最終年度である2022年度は、これまでに獲得した成果をもとに、それぞれの研究室で各プロセスの高度化と最適化を行うとともに、複数のハイエントロピー合金を用いた実験を深化させ、各結晶構造・相構成ごとのナノ・ミクロ組織形成機構の違いや、基本的力学特性、さらには組織と力学特性の間の相互作用を明らかにする。計画研究内の４研究室が一体となって、種々のプロセスによるハイエントロピー合金のナノ・ミクロ組織およびマクロ形態制御の学理を確立する。また、領域内の異なる計画班および新規採択分を含む公募班との連携・共同研究をさらに発展させる。５年間の連携・共同研究の成果をまとめ、総括する
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[Presentation] Unique transition of yielding behavior and deformation mechanism in ultrafine grained high-Mn austenitic steel”2021
Author(s)
Y. Bai, H. Kitamura, S. Gao, Y.Z. Tian, N. Park, M-H Park, H. Adachi, A. Shibata, M. Sato, M. Murayama, N. Tsuji
Organizer
Materials Research Meeting (MRM) 2021
Int'l Joint Research / Invited
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[Presentation] CoCrFeMnNi high-entropy alloy with enhanced fatigue resistance due to overload-induced deformation twinning2021
Author(s)
M.-Y. Luo, S.Y. Lee, N.-T. Tsou, H.-S. Chou, B.-H. Lai, Y.-J. Chang, R. Feng, T. Kawasaki, S. Harjo, P.K. Liaw, A.-C. Yeh, M.-J. Li, R.-F. Cai, S.-C. Lo, T.-N. Lam, E-W. Huang
Organizer
2021 Materials Research Society-Taiwan International Conference
Int'l Joint Research
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