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。

我们进行了研究，通过实验和计算机模拟来阐明金属增材制造的电子束和激光照射下金属材料的快速熔化和凝固行为。特别是，我们着眼于100万K/s左右的冷却速度下的快速凝固和晶体生长行为，并对镍合金和铁合金等单晶和超微细化有效的材料进行了研究。在实验中，使用高速摄像机观察熔体凝固行为，在计算中，使用热流体力学计算评估熔体的温度梯度、生长速率和流速。根据结果​​，我们考虑了单晶和细晶粒细化的指导方针。具体而言，详细如下。我们利用数字孪生科学阐明了超过 100 万 K/s 的快速冷却过程中的晶体生长行为，并进行了研究，建立了将增材制造发展为高速单晶生长方法和超细晶粒材料制造方法的理论。我们注意到，使用扫描电子束或激光进行增材制造的凝固具有1000万K/m的固液界面温度梯度和约0.1m/s或更高的固液界面移动速度，远高于传统的凝固过程中，我们研究了通过 R > 1 m/s 的快速平滑界面运动实现无偏析单晶生长的可能性，这接近绝对稳定。除了固相线-液相线温度差（被认为是晶粒超细化的最重要指标）之外，由于温度快速升高而导致的高熔点相的残留可能也很重要。使用辐射和扫描进行快速熔化和凝固实验，并使用热流体力学计算评估凝固条件。作为这些结果的结果，我们获得了一些重要的发现，这些发现将作为从无偏析单晶形成到细晶粒形成的晶体结构控制的指导方针。然而，9月10日，我作为现场代表申请的学术领域研究项目被通过，这个研究项目因重复限制而不得不取消。此外，本项目计划的部分研究计划将作为学术领域研究的计划研究进行，因此本研究引进的设备将得到有效利用，以促进该研究的发展。

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

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

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

Melting and Solidification Behavior of 316L Steel Induced by Electron-Beam Irradiation for Additive Manufacturing

增材制造电子束辐照诱导 316L 钢的熔化和凝固行为

• DOI: 10.7791/jspmee.10.208
• 发表时间: 2021
• 期刊: Journal of Smart Processing
• 作者: OKUGAWA Masayuki;MIYATA Yuichiro;WANG Lei;NOSE Kazufumi;KOIZUMI Yuichiro;NAKANO Takayoshi
• 通讯作者: NAKANO Takayoshi