マッシュ域における結晶の形態と組成の熱的制御

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本研究は,液固相変化を利用した材料製造で必須となるマッシュ域における結晶のミクロスケール構造(形態と組成)とマクロ伝熱との連成ならびにそれを基礎とした組織制御の可能性を追究したものである.前年度までの実験的知見を踏まえ,多成分系溶融液凝固のミクロ速度論を展開し,以下の知見を得た.(1)マッシュ域は,ミクロ組織の基盤が形成される前駆域と結晶の肥大化のもとで凝固が進行している成長域からなることが明らかとなった.以上の特徴的な2領域に分類されたマッシュ域のもとで熱的操作パラメータとしてのマクロ量と凝固によって発現されるミクロスケール構造との連成に対する考え方と問題点が示された.(2)前駆域を中心にマクロ・ミクロ連成の速度論を展開し,結晶の主軸間隔,横枝の間隔さらにはセル-デンドライト判定などのミクロ構造の予測に有効な新たな凝固モデルが提示された.(3)提示されたモデルによる計算機シミュレーションを通じて,ミクロレベルでの結晶の形態変化が,冷却速度,初期組成,壁面からの位置と関係づけて解析的に明らかにされるとともに,解析結果と実験による測定結果との比較により当モデルの妥当性が明らかにされた.(4)以上のモデルに成長域の挙動を組み込むことにより,組成分布(ミクロ偏析)をも記述し得るモデルに発展させた.モデルをベースにシミュレーションを行い,ミクロ偏析を最小にする初期組成が存在することなど,凝固層のミクロスケール構造の制御に有効となる操作パラメータが概ね明らかにされた.