Crystal growth under conditions over 1M K/s, 10M K/m, 1 m/s

超过 1M K/s、10M K/m、1 m/s 条件下的晶体生长

• 批准号: 21H05018
• 负责人: 小泉 雄一郎
• 金额: $ 120.31万
• 依托单位: Osaka University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (S)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-07-05 至 2022-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H05018/
• 关键词: アディティブマニュファクチュアリング; デジタルツイン; 単結晶; 3Dプリンティング; 絶対安定; 温度勾配; 成長速度; 流速

金属付加製造用電子ビームやレーザーの照射による金属材料の急速溶融凝固挙動を、実験と計算機シミュレーションで解明する研究を進めた。特に冷却速度100万 K/s近傍の急速な凝固・結晶成長挙動に注目し、ニッケル合金や鉄合金など単結晶化や超微細化が有効な材料での研究を実施した。実験では溶融凝固挙動を高速度カメラで観測し、計算では熱流体力学計算で、温度勾配、成長速度、融体の流速を評価した。その結果をもとに単結晶化および微細粒化の指針を検討した。具体的には以下のとおりである。100万K/s以上の急速冷却における結晶成長挙動をデジタルツイン科学により解明し、付加製造を高速単結晶育成法や超微細粒材製造法として発展させるための学理構築のための研究を実施した。付加製造用電子ビームやレーザの走査による凝固が、固液界面温度勾配1000万K/m、固液界面移動速度約0.1 m/s以上と、従来の凝固プロセスより遙かに高いことに注目し、絶対安定性に迫るR > 1 m/sでの高速平滑界面移動による無偏析単結晶成長の可能性を検討した。結晶粒超微細化の最も重要な指標として想定していた固相線液相温度差に加えて、急速昇温による高融点相の残存が重要である可能性がステンレス鋼への電子ビームやレーザーの照射・走査による急速溶融凝固の実験と、熱流体力学計算による凝固条件の評価の結果から示唆された。これらの成果により、無偏析単結晶化から微細結晶粒化までの結晶組織制御の指針となる、いくつかの重要な知見が得られた。しかしながら、9月10日に、領域代表として申請していた学術領域研究の課題が採択されたことにより、重複制限のために本課題研究は廃止せざるを得なくなった。尚、本課題で計画していた研究の一部は、学術領域研究の計画研究として実施する予定であることから、本課題の研究のために導入した設備を有効に活用し、研究を推進する予定である。

Metal plus using electronic ビ ー ム や レ ー ザ ー の irradiation に よ る metal materials の urgent instant melting solidification 挙 を, be 験 と computer シ ミ ュ レ ー シ ョ ン で interpret す を る research into め た. Special に cooling speed is 1 million K/s nearly alongside の な rapidly solidified, crystal growth 挙 に attention し, ニ ッ ケ ル alloy objects や iron alloy な ど 単 crystallization や superfine refinement が have sharper な material で の research を be applied し た. Be 験 で は melt solidification 挙 を high speed カ メ ラ で 観 し measurement, calculation で は heat flow strength calculation で, temperature distribution, growth speed, melting body の velocity を review 価 し た. The そ <s:1> result を を とに単 とに単 crystallization および fine-grained <s:1> pointer を検 asks for た た. The specific に に is followed by とお とお である である. Above 1 million K/s の rapid cooling に お け る crystal growth dynamic を 挙 デ ジ タ ル ツ イ ン science に よ り interpret し, plus manufacturing を high-speed 単 crystallization method bred や ultrafine grain materials manufacturing method と し て 発 exhibition さ せ る た め の theoretical construct の た め の research を be applied し た. Plus manufacturing using electronic ビ ー ム や レ ー ザ の walkthrough に よ る が of solidification, the solid liquid interface hook with a temperature of 10 million K/m, solid-liquid interface movement speed is about 0.1 m/s above と, 従 to の solidification プ ロ セ ス よ り remote か に high い こ と に attention し, unique moral stability に forced る R > 1 m/sで <s:1> high-speed smooth interface movement による no segregation 単 possibility of crystallization growth <e:1> を検 seek <s:1> た. Crystal grain of superfine refinement の も most important indicator な と し て scenarios し て い た solidus liquid temperature difference に plus え て, rapid warming に よ る high melting point phase の residual が important で あ る possibility が ス テ ン レ ス steel へ の electronic ビ ー ム や レ ー ザ ー の irradiation, walkthroughs に よ る urgent instant melting solidification の be 験 と, heat flow strength calculation に よ る の solidification condition evaluation of 価 か の results Youdaoplaceholder0 indicates された. こ れ ら の results に よ り, no segregation 単 crystallization か ら crystallization fine graining ま で の crystallization organization suppression の pointer と な る, い く つ か の important な know see が ら れ た. し か し な が ら, September 10 に, field representatives と し て application し て い た の academic research topic が mining 択 さ れ た こ と に よ り limitations, repeat の た め に this topic research は 廃 check せ ざ る を have な く な っ た. Still, this topic で plan し て い た の a は, academic field study の project と し て be applied す る designated で あ る こ と か ら, this topic の の た め に import し た equipment を have sharper に を appropriate し, research advance す る designated で あ る.

项目成果

γ’析出強化型Ni基超合金の狭ピッチ走査レーザー付加製造

γ’沉淀强化镍基高温合金的窄间距扫描激光增材制造

• 发表时间: 2021
• 作者: 能勢 和史;奥川 将行;小泉 雄一郎;中野 貴由
• 通讯作者: 中野 貴由

Computer Simulations for Digital Twin Science of Powder Bed Fusion (PBF) type Additive Manufacturing (AM)

粉末床融合 (PBF) 型增材制造 (AM) 数字孪生科学的计算机模拟

• 发表时间: 2021
• 作者: Vinograd I.;Zhou R.;Mayaffre H.;Kramer S.;Ramakrishna S. K.;Reyes A. P.;Kurosawa T.;Momono N.;Oda M.;Komiya S.;Ono S.;Horio M.;Chang J.;Julien M.-H.;Yuichiro Koizumi
• 通讯作者: Yuichiro Koizumi

Inverse Columnar-Equiaxed Transition (CET) in 304 and 316L Stainless Steels Melt by Electron Beam for Additive Manufacturing (AM)

• DOI: 10.3390/cryst11080856
• 发表时间: 2021-08-01
• 期刊: CRYSTALS
• 影响因子: 2.7
• 作者: Miyata, Yuichiro;Okugawa, Masayuki;Nakano, Takayoshi
• 通讯作者: Nakano, Takayoshi

付加製造用レーザービーム照射によるNi基超合金の溶融凝固挙動

增材制造激光束照射镍基高温合金的熔化和凝固行为

• 发表时间: 2021
• 作者: 吉間 晴紀;奥川 将行;小泉 雄一朗;中野 貴由
• 通讯作者: 中野 貴由

金属3Dプリントにおける特異組織形成のデジタルツイン科学

金属 3D 打印中特定组织形成的数字孪生科学

• 发表时间: 2021
• 作者: 小泉 雄一郎;奥川 将行;石本 卓也;中野 貴由
• 通讯作者: 中野 貴由