SAMURAI - NIMS Researchers Database

NIMS Awardシンポジウム2026

HOME > プロフィール > 北嶋 具教

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

単結晶・集合組織、相変態、構造–特性相関、先端製造プロセス(3D造形)、耐熱金属材料

●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。

●博士課程大学院生募集中●
 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]
NEW Alloys for Additive Manufacturing Symposium (AAMS) 2026 (16-18 September, Cambridge, UK)
LPBFで造形したTi-42Nb単結晶の成長メカニズムと圧縮応答の異方性について講演しました。

NEW The 12th Pacific Rim International Conference on Advanced Materials and Processing (PRICM 12) 2026 (10-13 August, Gold Coast, Australia)
LPBFで造形したステンレス鋼単結晶の成長と機械的特性について講演しました。

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!]
NEW Single-crystal β-Ti–42Nb fabricated via flat-top laser powder bed fusion: melt-pool stability–controlled cellular-dendritic growth
Xinzhe Zhu, Kohei Araake, Toshihiro Tsuchiyama, Makoto Watanabe, Tomonori Kitashima, Materials & Design, Vol. 270, (2026) 116896.(Click and open)

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)

researchPicture

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
タイトル

金属積層造形における単結晶形成と結晶成長・組織制御

キーワード

単結晶・集合組織、相変態、構造–特性相関、先端製造プロセス(3D造形)、耐熱金属材料

概要

チタン合金やニッケル基超合金などの構造用金属材料では、結晶粒構造とミクロ組織が強度や延性などの材料特性を大きく左右する。これまで高温加工や熱処理に伴う相変態、析出、集合組織形成のメカニズムを研究し、近年はレーザ粉末床溶融結合法(LPBF)による単結晶形成と結晶組織の制御に注力している。フラットトップレーザを用いて溶融池形状と結晶成長を制御し、種結晶を用いない単結晶形成を実現するとともに、セルラーデンドライト成長に着目して結晶粒選択機構を明らかにした。 また、析出に伴うバリアント選択や結晶組織を利用した機械的異方性の制御へも研究を展開している。さらに、凝固割れ感受性の低減とγ′析出強化の両立を図ったLPBF用Ni基超合金K1を開発した。

新規性・独創性

● フラットトップレーザによる溶融池形状と結晶成長・結晶粒選択の制御を通じて、レーザ粉末床溶融結合法(LPBF)による種結晶を用いない単結晶形成を実現した。 ● セルラーデンドライト成長、溶融池の安定性、温度勾配、繰り返し再溶融に着目し、単結晶形成に至る結晶粒選択メカニズムを明らかにした。

内容

image

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床溶融結合法(LPBF)による単結晶形成を、フラットトップレーザを用いた結晶成長制御によって、種結晶を使用せずに実現した。 この技術を純Niからチタン合金やステンレス鋼へと展開するとともに、セルラーデンドライト成長と結晶粒選択に着目して単結晶形成メカニズムを明らかにした。さらに、析出相のバリアント選択や機械的異方性の制御へと研究を発展させた。今後は、凝固・結晶成長メカニズムに基づく結晶組織制御を高度化し、多様な金属材料の組織・特性設計への応用を目指す。
この機能は所内限定です。
この機能は所内限定です。

▲ページトップへ移動