ニッケル基超合金粉末成形体の焼結における炭素および酸素の挙動に関する解析的研究

镍基高温合金粉末压坯烧结过程中碳和氧行为的分析研究

• 批准号: 20F40749
• 负责人: 品川 一成
• 金额: $ 1.41万
• 依托单位: Kyushu University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-11-13 至 2023-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20F40749/
• 关键词: 焼結; フェーズフィールド法; ニッケル基合金

複雑形状部品の軽量化，コストダウンを実現するために，ニッケル基超合金の成形に，金属粉末射出成形（MIM）および焼結法の適用が望まれている．材質制御のために，MIMで用いるバインダー成分および焼成雰囲気が，材料組織に与える影響を把握する必要がある．本研究では，Ni-Nb-C系のモデル合金を対象に，焼結中の組織形成過程を明らかにすることを目的に，MIM材の焼結実験を行い，微細構造変化を観察した．また，計算状態図連携フェーズフィールド法を用いた焼結過程の解析を行い，組織形成過程を理論的に考察した．焼結実験では，焼結体表面からの炭素と結晶粒径の分布を計測した．その結果，焼結体表面近傍において炭化物が少なくなり，結晶粒が大きくなる傾向が観察された．これを基に，表面においては脱炭がおきることで炭素量が減り，炭化物の分解が生じた結果，粒界移動のピン止め効果が減少して，異常粒成長が起こるという計算モデルを構築した．具体的には，固相において温度変化による炭化物，酸化物の析出（核生成）および分解を記述する二次元フェーズフィールドモデルとなる．フェーズフィールド法の基礎になる自由エネルギー関数は3元系の状態図計算（CALPHAD）で算出可能であるが，計算時間削減と数値的扱いやすさのために，様々な近似関数を用いた．シミュレーション結果は熱力学的予測とよく一致する一方，自由エネルギー関数と空間分解能により不一致が生じることがあり，また，温度により拡散係数が大きく異なるため，数値誤差によるタイムステップの最適化も実施できるようにした．これにより，気孔と緻密化，元素拡散と炭化物の析出・分解，粒界移動と結晶粒成長を考慮した焼結シミュレーションが可能になり，組織形成過程を再現できるようになった．

The application of metal powder injection molding (MIM) and sintering method in the formation of multi-shape parts, metal powder injection molding (MIM) and sintering are expected. Material control, MIM, composition, firing, material organization, influence, etc. In this study, the microstructure evolution of Ni-Nb-C MIM alloys during sintering was investigated. Analysis of sintering process and theoretical investigation of microstructure formation process by computational state analysis method. Sintering process, carbon crystal particle size distribution on the sintered body surface was measured. As a result, there is a tendency for carbonized substances near the sintered body surface to decrease, and crystalline particles to increase. The amount of carbon in the surface decreases, and the decomposition of charred matter results in the decrease of grain boundary movement and abnormal grain growth. Specific, solid phase temperature changes, char, acid precipitation (nuclear generation) and decomposition of the description of the second dimension. The basis of the method is the calculation of the state of the ternary system (CALPHAD). The calculation time is reduced. The calculation time is reduced. The results of thermodynamic prediction are consistent with each other, and the results of numerical error are consistent with each other. In this case, pore formation, densification, elemental dispersion, precipitation and decomposition of carbonized matter, grain boundary movement and crystal grain growth are considered.

项目成果

Phase-field simulation of the mesoscale microstructure evolution of an injection molded Ni-base superalloy during sintering

注射成型镍基高温合金烧结过程中细观微观结构演化的相场模拟

• 发表时间: 2022
• 作者: Thomas HOEFLER;Kentaro KUDO;Kazunari SHINAGAWA
• 通讯作者: Kazunari SHINAGAWA

Simulating Mesoscale Microstructure Evolution During Sintering of an Injection Molded Ni-base Superalloy Using the Phase-Field Method

使用相场法模拟注射成型镍基高温合金烧结过程中的细观微观结构演化

• 发表时间: 2022
• 作者: Thomas HOEFLER;Kentaro KUDO;Kazunari SHINAGAWA
• 通讯作者: Kazunari SHINAGAWA