フェイズフィールド法によるセラミックス繊維/合金複合材料の結晶化シミュレーション

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金属基複合材料の諸特性を最大限に発揮するためには、母材(マトリックス)中での強化材(粒子、短繊維及び長繊維)の3次元的配置や、母相合金自身のミクロ組織を精密に制御する必要がある。本研究では強化材間隙を成長する初晶相の形態及び溶質の再分配挙動を金属基複合材料、透明有機物を利用したモデル実験、及び数値シミュレーションを行いて解析した。方向性凝固する合金及び透明有機合金の結晶化過程について微小体積内でのエネルギー保存則と質量保存則に基づいてプログラムを構築した。予備的な解析として2次元の正方格子を用い、各微小体積を指数付けすることにより不定形の結晶形態を表現した。曲率半径、濃度分布等に依存する成長の過冷度と、固液界面近傍の溶質濃度分布から得られる成長速度式を用いて微小領域における液相-固相の変態速度を決定した。得られた結晶形態から凝固パラメータ(初晶先端半径、2次デンドライトアームスペーシング、初晶先端過冷度等)を予測した。一方、物性値及び状態図が金属材料に類似しているサクシノニトリルーアセトン合金をマトリックス合金とし、平滑、セルおよびデンドライト状凝固における繊維の影響を調査した。いずれの解析でも繊維間隙が狭くなるとともに液相濃度の上昇、デンドライトの成長の停止が起きた。既存の加圧鋳造装置により、繊維体積率が約50vol%のアルミナ繊維/Al-Cu合金複合材料を作製し、凝固速度、温度勾配、冷却速度等を精密に制御しながら一方向凝固させ、組織を調査するとともに結晶内の溶質元素分布をEPMAにより解析した。アルミナ繊維間隙が極めて狭い場合、デンドライト2次アームの成長を妨げ、セル状の組織となることが見いだされたが、数値シミュレーションによっても同様の形態を予測することができた。