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

定量 4D-CT 观察金属合金凝固以控制凝固结构

基本信息

批准号：
17H01337
负责人：
安田秀幸
金额：
$ 28.04万
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：
2017
资助国家：
日本
起止时间：
2017-04-01 至 2018-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-17H01337/
关键词：
凝固鋳造放射光イメージングその場観察 4D-CT

项目摘要

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。

在本研究中，我们开发了计算机断层扫描（4D-CT），可实现金属合金凝固结构形成的时间分辨和原位观察。本研究的目的是定量阐明固液共存中的脆化发展。材料。在三维时间分辨和原位观测的发展中，我们在SPring的硬X射线区域验证了使用高亮度单色光的高时间分辨率观测（目标：时间分辨率2s，空间分辨率10微米） -8，得到以下结果。 (1)了解了在1600℃下实现4D-CT所需的条件。 (2)在固相和液相反差较大的Al-Cu合金中，可以每隔约2秒观察到柱状和等轴晶的形成，并且可以了解浓度的变化显示了由于凝固而产生的液相。 (3)我们证实，即使对于液相和固相对比度相对较小的铁合金（碳钢），也可以进行约4秒时间分辨率和约10微米空间分辨率的原位观察。此外，通过选择X射线能量和样品形状，可以实现时间分辨率约为2秒的原位观察。此外，在4D-CT中，观察透射图像存在时间限制，利用通过时间分辨和原位观察获得的大量数据进行图像处理对于三维组织重建也很重要。我们测试了时空滤波器，发现与纯空间滤波器相比，它能够减少噪声并提高重建图像的准确性。上述结果为动态凝固结构形成的三维时间分辨和原位观测提供了基础。基于这些结果，我们将凭经验阐明凝固结构形成中的曲率效应、主臂之间的相互作用和选择以及晶界区域液膜形成和脆化的表达等凝固现象，并阐明其相关机制。