Quantitative 4D-CT observation of solidification in metallic alloys for controlling solidification structure

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本研究は、金属合金の凝固組織形成の時間分解・その場観察を実現するコンピュータトモグラフィー（4D-CT）を開発し、凝固現象の実証的理解につながるミクロからメゾスケールの凝固組織・偏析の時間発展、固液共存体の脆化発現を定量的に明らかにすることを目的とした。三次元時間分解・その場観察の開発では、高時間分解能の観察（目標：時間分解2s・空間分解10ミクロン）をSPring-8において硬X線領域の高輝度単色光を用いて検証し、以下の結果を得た。（１）1600℃で4D-CTを実現させるために必要となる条件を把握できた。（２）固相と液相のコントラストが比較的大きいAl-Cu合金では、2s程度の間隔で柱状晶・等軸晶の形成を観察でき、凝固にともなう液相の濃度変化も把握できる可能性が示された。（３）液相と固相のコントラストが相対的に小さいFe合金（炭素鋼）でも、4s程度の時間分解能、10ミクロン程度の空間分解能でその場観察が実現できることを確認した。さらに、X線エネルギーや試料形状の選択により2s程度の時間分解能のその場観察も期待できる。また、透過像の観察に時間的な制約がある4D-CTでは、三次元組織の再構成において、時間分解・その場観察により獲得される多量のデータを用いた画像処理も重要になる。時空間のフィルターを試行し、空間のみのフィルターに比べてノイズが低減でき、再構成像の精度の向上が可能であることも確認された。以上の結果は、動的な凝固組織形成を三次元時間分解・その場観察するための基盤となる。これらの成果を発展させて、凝固組織形成における曲率効果、1次アーム間の相互作用と選択、粒界領域の液膜形成・脆化の発現などの凝固現象を実証的に明らかにし、機構解明に結びつける。