SAMURAI - NIMS Researchers Database

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    九州大学 工学府 材料工学専攻 准教授 (NIMS連携大学院)
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  • https://www.nims.go.jp/kyushu/junior/?csrt=381778577852989764

研究内容

Keywords

チタン合金、ニッケル基超合金、組織制御、単結晶、粉末積層造形、相変態・析出、集合組織形成、高温変形、高温酸化

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(クリックすると別タブでNIMS掲載ページが開きます)
  照射面強度分布が一様なフラットトップレーザをニッケル粉末に照射することにより、欠陥が少なく、結晶の方向がそろった単結晶を造形することに成功しました。単結晶の種結晶を使っておらず、造形中に結晶粒選択が起こり、単結晶化します。今回の成果によって、単結晶により製造できる飛行機エンジンやガスタービンの部品の適用範囲が大きく広がり、その他の様々な単結晶材料への応用が切り拓かれると期待されます。
国内外のメディア報道:日本経済新聞、日刊産業新聞、日経産業新聞、日刊工業新聞、鉄鋼新聞、科学新聞、EurekAlert!(米科学振興協会AAAS)等

[最新ニュース]
TMS 2024 (3–7 March 2024, Florida, USA)
単結晶のレーザ積層造形について2件の研究成果を口頭発表しました。

THERMEC' 2023 (2–7 July 2023, Vienna, Austria)
[Additive Manufacturing]セッションのチェアを務めました。
2件の研究成果を発表しました(1件は招待講演)。

Ti-2023 (12–16 June 2023, Edinburgh, UK)
[Aerospace Applications]セッションのチェアを務めました。
2件の研究成果を発表しました。

TMS 2023 (19–23 March 2023, San Diego, USA)
3件の研究成果を発表しました。

[2023年に下記の論文を発表しました!]
フラットトップレーザ粉末床溶融結合法におけるスキャンストラテジーが結晶集合組織形成と単結晶化に及ぼす影響
  レーザの双方向走査は、平坦な溶融池底面で<100>の凝固セルの成長を造形方向に促進し、造形方向に垂直な面の<100>集合組織形成に寄与する。レイヤー毎のハッチ方向回転角90°は、ティアドロップ状の溶融池後方の固液界面で、レーザ走査方向と45°の角度をなす<100>の凝固セル成長を促進し、レーザ走査方向とハッチ方向のそれぞれに垂直な面で<110>集合組織を形成する。
D. E. Jodi, T. Kitashima, M. Watanabe, Science and Technology of Advanced Materials, Vol. 24, (1), (2023) 2201380.(クリックしてオープン)

フラットトップレーザ粉末床溶融結合法で造形したニッケル単結晶組織の高温安定性
  1000℃16時間の熱処理を行い、転位の回復は起こるものの、静的再結晶は起こらないことを示した。
D. E. Jodi, T. Kitashima, A. Singh, M. Watanabe, Materials Characterization, Vol. 200 (2023) 112897.(クリックしてオープン)

researchPicture

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。

書籍

所属学会

日本金属学会, 日本ガスタービン学会, 日本チタン協会, 日本チタン学会, 軽金属学会, Minerals,Metals & Materials Society

構造材料研究センター
タイトル

チタン合金とニッケル基超合金の組織制御と単結晶化

キーワード

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

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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。

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