Quantitative analysis of solidification dynamics by time-resolved in-situ observations

通过时间分辨原位观测对凝固动力学进行定量分析

基本信息

批准号：
22H00264
负责人：
安田秀幸
金额：
$ 27.29万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2023-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

金属の凝固過程の二次元・三次元観察を可能にする、時間分解トモグラフィー（4D-CT）とX線回折測定（XRD）を組み合わせた手法、さらにフェーズフィールドモデル（PFM）を用いた画像処理・再構成を加えた時間分解・その場観察手法の実現を目指して研究を実施した。4D-CT/XRD観察技術の確立：4D-CTとXRDを組み合わせた手法では、試料―検出器の距離を2m程度になるように設置した二次元検出器を用いて、数度の温度変化による格子定数の変化を検出できる感度を実現できることを確認した。また、XRDの時間分解能を向上させるための実験装置の基本的な設計を完了した。あPFMを用いた高精度再構成法の確立：PFMを用いた逐次型画像処理・再構成では、現状の試行錯誤的な解析の課題を整理し、熱力学的視点からパラメータの設定について検討を行った。また、時間発展型再構成の開発の準備段階として、試行に適した試料、4D-CTの条件などを抽出した。凝固・変態組織形成のダイナミクス：優先成長方位の違うAl合金、bcc/fccデンドライトが観察できるFe合金（Fe-C, Fe-Ni-Cr）、hcpデンドライトが観察できるMg合金を対象に4D-CT/XRD用試料の試作を行い、SPring-8での観察実験の準備を行った。また、実用材料の組成を基本としたが、観察状況に応じて合金組成を変更できるように試料組成の検討、準備を行った。Fe合金におけるマッシブ的変態はデンドライトアームの溶断やオーステナイト結晶粒の粗大化に寄与していると考えられ、試料組成と4D-CT/XRDを用いた測定条件の組み合わせを検証し、SPring-8での観察実験の準備を行った。バルク試料の固液共存体の変形についても試料サイズ、結晶粒サイズ、観察条件の整理を行い、変形装置の改良、試料準備を行った。これらの成果は、基盤研究(S)に引き継がれている。

一种结合时间分辨断层扫描 (4D-CT) 和 X 射线衍射测量 (XRD) 的方法，可对金属凝固过程进行二维和三维观察，并使用相场模型进行图像处理和分析（PFM）。我们进行研究的目的是实现一种包括重建在内的时间分辨原位观测方法。 4D-CT/XRD观察技术的确立：将4D-CT与4D-CT相结合的方法我们确认，可以实现能够检测晶格常数变化的灵敏度。我们还完成了实验设备的基本设计，以提高XRD的时间分辨率。利用PFM建立高精度重建方法：在利用PFM进行顺序图像处理和重建时，我们将整理当前试错分析的问题，并从热力学角度考虑参数设置。此外，作为开发时间演化重建的准备步骤，我们选择了适合试验、4D-CT条件等的样本。凝固/相变结构形成动力学：不同优先生长方向的铝合金、可观察到 bcc/fcc 枝晶的铁合金（Fe-C、Fe-Ni-Cr）以及可观察到 hcp 枝晶的镁合金的 4D-CT制作了 XRD 原型样品，并为 SPring-8 的观察实验做好了准备。此外，虽然成分是基于实际材料的成分，但我们检查并制备了样品成分，以便根据观察情况改变合金成分。 Fe 合金中的大量转变被认为有助于枝晶臂的熔化和奥氏体晶粒的粗化。我们准备进行观察实验。针对大块样品固液共存的变形，我们整理了样品尺寸、粒度、观察条件，改进了变形设备，制备了样品。这些结果已传递给科学研究（S）。