- Address
- 305-0047 茨城県つくば市千現1-2-1 [アクセス]
外部併任先
- ●九州大学 大学院工学府 材料工学専攻 教授●
研究内容
- Keywords
組織・合金設計、組織形成・相変態、単結晶・集合組織、先端製造プロセス（3D造形）、高性能金属材料
●研究紹介●
レーザ方式の粉末3Dプリンタでニッケル単結晶の造形に成功！（クリックして別タブでオープン）
照射面内の強度分布が一様でビーム径の大きいフラットトップレーザをニッケル粉末に適用することにより、欠陥の発生を抑制しつつ、結晶方位が高度に制御された単結晶の造形に成功しました。本成果は、単結晶部材の製造自由度を大きく高めるものであり、航空機エンジンやガスタービン用耐熱材料のみならず、幅広い単結晶材料への応用可能性を切り拓くものと期待されます。
日本経済新聞、日刊工業新聞、日経産業新聞、科学新聞、日刊産業新聞、鉄鋼新聞で報道されました。海外でもEurekAlert!等の複数のメディアで報道されました。
●学生募集●
博士課程の重要な目的の一つは、自ら研究課題を構想し、その意義や分野内での位置づけを自分の言葉で説明できる研究者としての基盤を形成することです。本研究室では、博士課程学生一人ひとりが研究テーマの中核を担い、主著論文を軸とした研究成果を計画的に積み上げられるよう、入学時点から研究計画を教員と共に具体化します。
博士課程で取り組む研究テーマは、修士課程までの研究内容と必ずしも同じである必要はありません。これまでに培った研究経験や問題設定能力を踏まえつつ、新たな視点や課題意識に基づいて研究テーマを再設計することも可能です。
研究では、材料の形成過程、内部構造、特性発現の関係について、既存研究との比較や分野内での位置づけを常に意識しながら検討を進めます。近年は、粉末積層造形（3Dプリンティング）を対象とした研究に力を入れており、実験、解析、シミュレーションを組み合わせたアプローチで研究を進めます。
研究は、NIMSが有する最先端の研究施設および学際的な研究基盤と密接に連携して進められます。また、NIMSには多様な国・分野の研究者が集まる国際的な研究環境があり、日常的な議論を通じて研究の深化や論文化を進められる点も特徴です。
博士課程在学中は、国際誌への主著論文投稿を明確な目標とします。本研究室の博士課程を修了した学生は、大学、国立研究開発法人、企業の様々な分野で研究・開発に携わっています。修士課程で研究経験を積み、博士課程で自身の研究の立ち位置をより明確にしたい方、あるいは新たな研究課題に挑戦したいと考えている方からの、研究内容・進学に関する相談を随時受け付けています。
[最新ニュース]
The 4th Asia-Pacific International Conference on Additive Manufacturing (APICAM) 2025 (1-3 July, Melbourne, Australia)
LPBFで造形した単結晶のミクロ組織に対して熱処理が及ぼす影響について、招待講演で発表しました。
The 11th International Workshop on Advanced Materials Science and Nanotechnology (IWAMSN) 2024 (22-25 September, Da Nang, Vietnam)
LPBFによる単結晶造形について、招待講演で発表しました。
Alloys for Additive Manufacturing Symposium (AAMS) 2024 (4-6 September, Palaiseau, France)
LPBFによるTi-6246の単結晶造形と特異的なαバリアント選択について、口頭発表しました。
TMS 2024 (3–7 March 2024, Florida, USA)
単結晶のレーザ積層造形について、2件の口頭発表を行いました。
THERMEC' 2023 (2–7 July 2023, Vienna, Austria)
2件の発表を行いました。
1件はニッケル単結晶の積層造形に関して招待講演を行いました。
Ti-2023 (12–16 June 2023, Edinburgh, UK)
2件の口頭発表を行いました。
1件はTi-6246合金の積層造形に関する発表です。
TMS 2023 (19–23 March 2023, San Diego, USA)
3件の発表を行いました（2件は積層造形に関する研究）。
[下記の論文を発表しました！]
Fabricating a single-crystal-like beta grain structure of a near-beta Ti alloy with unique variant selection by laser powder bed fusion
T. Kitashima, T. Hiroto, D.E. Jodi, M. Watanabe, Materials & Design,
Vol. 243, (2024) 113039.（Click and open）
Effect of scan strategy on the formation of a pure nickel single-crystal structure using a flat-top laser beam via laser powder bed fusion
D. E. Jodi, T. Kitashima, M. Watanabe, Science and Technology of Advanced Materials,
Vol. 24, (1), (2023) 2201380.（Click and open）
High-temperature microstructural stability of pure Ni fabricated by laser powder bed fusion using Gaussian and flat-top beam profiles
D. E. Jodi, T. Kitashima, A. Singh, M. Watanabe, Materials Characterization, Vol. 200 (2023) 112897.（Click and open）
出版物2004年以降のNIMS所属における研究成果や出版物を表示しています。
論文
- Dennis Edgard Jodi, Tomonori Kitashima, Yuichiro Koizumi, Takayoshi Nakano, Makoto Watanabe. Manufacturing single crystals of pure nickel via selective laser melting with a flat-top laser beam. Additive Manufacturing Letters. 3 (2022) 100066 10.1016/j.addlet.2022.100066 Open Access
- Lingjian Meng, Tomonori Kitashima, Peng Lin, Zhihua Wang, Zhengyi Jiang, Qingxue Huang, Jingwei Zhao. Achieving polymer-like ultrahigh elasticity in Ti−6Al−4V alloy via a new cryo-deformation induced α′-to-α″ martensite phase transformation. Acta Materialia. 293 (2025) 121109 10.1016/j.actamat.2025.121109
- T. Kitashima, H. Harada. A new phase-field method for simulating gamma-prime precipitation in multi-component nickel-base superalloys. Acta Materialia. 57 [6] (2009) 2020-2028 10.1016/j.actamat.2009.01.006
書籍
会議録
- KITASHIMA, Tomonori, JODI, Dennis Edgard, WATANABE, Makoto. Microstructure and crystallographic texture of a near-beta titanium alloy fabricated by laser powder bed fusion with a flat-top laser beam. Proceedings of the 15th World Conference on Titanium. Chapter 2 (2024) 47-51
- 北嶋 具教, ジョディ デニス エドガード, 渡邊 誠. フラットトップレーザ粉末床溶融結合法におけるニッケル単結晶の造形に不可欠なレーザスキャンストラテジー. 第51回日本ガスタービン学会定期講演会講演論文集. n/a (2023) A-15
- KITASHIMA, Tomonori, MITARAI, Yoko, IWASAKI, Satoshi, KURODA, Shuji. Effects of alloying elements on tensile and oxidation properties in α and near-α Ti alloys. Proceedings of The 13th World Conference on Titanium (Ti-2015) . (2016) 479-483
口頭発表
- KITASHIMA, Tomonori, HIRAGA, Tomoki, JODI, Dennis Edgard, KAWAGISHI, Kyoko, DEMURA, Masahiko, 日比野 真也, 中野 貴由, WATANABE, Makoto. Development of a γ’-strengthened Ni-base superalloy for laser powder bed fusion. TMS 2023 Annual Meeting. 2023
- KITASHIMA, Tomonori. Fabrication of a nickel single-crystal structure by controlling melt pool geometry in laser powder fusion with a flat-top laser beam. Thermec' 2023: International Conference on PROCESSING & MANUFACTURING OF ADVANCED MATERIALS. 2023 招待講演
- 北嶋 具教. Development of oxidation-resistant high temperature Ti alloys . Gordon Research Conference on High Temperature Corrosion. 2017 招待講演
その他の文献
- 北嶋 具教. ニッケル単結晶のレーザ積層造形. 金属. 93 [7] (2023) 561-567
- 北嶋 具教. レーザ3Dプリンタによるニッケル単結晶の造形法開発. 光アライアンス. 34 [6] (2023) 7-10
- 北嶋 具教. Numerical analysis of the stacking fault energy in a narrow γ channel of a Ru-bearing Ni-base superalloy. Proceedings of The 1st International Conference on 123HiMAT-2015. (2016) 285-288
所属学会
日本金属学会、日本鉄鋼協会、米国TMS、軽金属学会、日本AM学会、日本チタン学会
構造材料研究センター
チタン合金とニッケル基超合金の組織制御と単結晶化
チタン合金，ニッケル基超合金，積層造形，高温変形，組織制御，析出，相変態，集合組織，単結晶
概要
チタン合金とニッケル基超合金は飛行機の機体やエンジンに使われており、それら材料の特性は飛行機の性能に大きく影響する。その材料特性を決定づけるのがミクロ組織と結晶粒構造である。粉末積層造形や高温加工、熱処理により従来報告されていないミクロ組織や結晶粒構造を創出し、材料特性の向上を図る。また、相変態、析出、集合組織形成、バリアント選択のメカニズムを解明し、その知見を組織制御の高度化に資する。近年では、高温強度に優れる単結晶を従来困難だったレーザ粉末積層造形で創製した。単結晶構造の形成メカニズムを解明し、積層造形体の積層設計に資する。
新規性・独創性
● レーザ粉末積層造形による金属材料の単結晶化と集合組織制御
● 熱処理による積層造形材の析出物形態とバリアント選択の制御
● レーザ粉末積層造形による高強度合金の創出
● 金属材料の高温変形時のミクロ組織形成と集合組織形成の制御
● 高温酸化における酸化物形成と酸素固溶の数値シミュレーション
内容
レーザ粉末積層造形でニッケル単結晶の造形に成功した。照射面強度分布が一様なフラットトップレーザを金属粉末に照射することで溶融領域が平坦になり、造形方向に単結晶構造の成長を促進する。また、単結晶の造形にはレーザの走査方向が重要な役割を担っており、レーザ走査面で走査方向をレイヤー毎に90°回転させることで、走査面全体で単結晶が成長する。この技術をチタン合金に展開し、チタン合金でも同様に単結晶構造が得られることを実証した。さらに、熱処理により単結晶の析出物を特異な析出形態に制御できる方法を見出した。今後、単結晶造形技術がさらに他の金属や合金に展開され、高機能化や高温強度の向上につながることが期待される。
まとめ
従来困難だったレーザ粉末積層造形で、高温で結晶構造が安定なニッケル単結晶の造形に成功した。この単結晶造形技術をチタン合金に展開し、チタン合金でも同様に単結晶を造形し、熱処理により析出物を特異な形態に制御することに成功した。単結晶は高温強度に優れ、また、異方性材料でもある。この造形技術が様々な金属や合金に展開されることが期待される。
