積層スマート材料グループ

2021.04.28 更新

積層スマート材料グループでは、ジェットエンジンやガスタービンなど高温エネルギー機器で利用される耐熱材料について研究を行っています。

【グループ研究概要】

特に過酷な環境から保護するためのコーティング技術、原料粉末から複雑な三次元構造を直接作る3D積層造形プロセス、また高温で材料を塑性変形させ目的の形状に加工する鍛造プロセス、これらによる材料開発を進めています。さらに開発材料の組織と力学特性の相関解明や、信頼性確保のための新しい非破壊評価技術について研究しています。
最新情報はグループホームページをご覧下さい。

グループ研究概要図


【研究テーマ】


【3D造形】
【New!】Effect of plastic strain on the solidification cracking of Hastelloy-X in the selective laser melting process(2021)

Houichi Kitano, Masakazu Tsujii, Masahiro Kusano, Atsushi Yumoto, Makoto Watanabe. Effect of plastic strain on the solidification cracking of Hastelloy-X in the selective laser melting process. Additive Manufacturing. 37 (2021) 101742 10.1016/j.addma.2020.101742
https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101742


【3D造形】
【New!】Detection and location of microdefects during selective laser melting by wireless acoustic emission measurement(2021)

Kaita Ito, Masahiro Kusano, Masahiko Demura, Makoto Watanabe. Detection and location of microdefects during selective laser melting by wireless acoustic emission measurement. Additive Manufacturing. 40 (2021) 101915 10.1016/j.addma.2021.101915
https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.101915


【3D造形】
レーザ積層造形法によって作製されたTi-6Al-4Vの微細構造と特性評価のための組織定量分析

レーザ積層造形法は、難加工材であるTi-6Al-4V合金に対して、飛行機や生体用途向けの三次元部材を原料粉末から直接製造することができます。この方法で作られた材料には、局所的なレーザ照射によって、スキャンパターンや熱履歴に応じた特有の微細構造が形成されます。この研究では、レーザ積層造形法によって生成されたTi-6Al-4V合金の力学的特性に対する熱処理の影響を、画像解析と機械学習ツールを使用した微細構造の定量分析に基づいて、説明することを試みています。熱処理後の微細構造は元の組織をベースとしており、二次アルファ相が処理時間の増加に伴ってベータ粒界に分散して析出することがわかりました。また、これらの微細組織は画像解析と機械学習によって適切に分類され、アルファ相の幾何学的特徴を定量的に抽出することに成功いたしました。その結果、熱処理されたサンプルの硬度は造形まま材よりも低く、アルファ相の体積率、アルファ粒子の幅、およびアルファ粒子間の最近接距離とともに増加する傾向があることが明らかになりました。

Shiho Miyazaki, Masahiro Kusano, Dmitry S. Bulgarevich, Satoshi Kishimoto, Atsushi Yumoto, Makoto Watanabe, Materials Transactions, Vol. 60, No. 4 (2019) pp. 561- 568, https://doi.org/10.2320/matertrans.MBW201806

Scheme of image analysis (a) SEM images, (b) phase classification using machine learning with RF algorithm, (c) classified images, (d) Alpha particles segmentation at k = 0.7, (e) ellipse approximation and (f) NND between a particles.




【溶射コーティング】
プラズマ溶射YSZコーティングの構造、機械的特性、耐食性に及ぼすガンスキャンパターンの影響

原料粉末をプラズマジェットに対して半径方向から投入する、従来のプラズマ溶射では、粒子プルームが非対称に分布するため、溶射コーティングの組織構造にガンの走査パターンが大きく影響します。特に、十分に加熱されていない粒子の流れは、水平方向のき裂発生要因となるだけでなく、コーティングの密着力低下にもつながります。この研究では、商用のZrO2-8Y2O3 (YSZ) 粉末を用いて、異なる3つのスキャンパターンを適用し、コーティングの組織などへ与える影響について調査しました。得られたYSZ皮膜の断面組織をSEMで観察し、界面破壊靭性をインデンテーション法で測定しました。また高温腐食試験により腐食挙動を評価しました。 溶射ガンのスキャンパターンを変更することで、スプレーパス間の弱い接合が生じる可能性を減らし、コーティングの密着性と耐食性を改善できることがわかりました。

Takuma Ohnuki, Seiji Kuroda, Hiroshi Araki, Xiaolong Chen, Makoto Watanabe & Yukihiro Sakamoto
Journal of Thermal Spray Technology volume 29, pages60–73(2020),https://doi.org/10.1007/s11666-019-00925-6 

Appearance of plasma spray plumes with different powder feed gas flow rates; (a) 2 L/min, (b) 5 L/min




【溶射コーティング】
プラズマ溶射LaMgAl11O19コーティングの高温腐食挙動に及ぼすアモルファス相の影響

S.Tsukada,S.Kuroda,M.Nishijima,H.Araki,A.Yumoto,M.Watanabe,Surface and Coatings Technology ,Volume 363, 15 April 2019, Pages 95-105,https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2019.01.097

SEM micrographs LaMA coating cross-section after hot corrosion test at 1100 °C in molten salt for 2 h. (a) The as-sprayed LaMA coating and (b) the heattreated
LaMA coating.




【非破壊評価】【3D造形】
高感度磁気センサーによる渦電流試験を使用した3Dプリントチタン合金の評価

Dongfeng He, Zhi Wang, Masahiro Kusano, Satoshi Kishimoto, Makoto Watanabe, Evaluation of 3D-Printed titanium alloy using eddy current testing with high-sensitivity magnetic sensor, NDT & E International, 102 ( 2019) p.90-95, https://doi.org/10.1016/j.ndteint.2018.11.007.

Schematic of the experimental setup for the ECT system with small excitation coil.




【非破壊評価】
テラヘルツ光磁気センサー/イメージャー

Dmitry S. Bulgarevich, Yusuke Akamine, Miezel Talara, Valynn Mag-usara, Hideaki Kitahara, Hiroyuki Kato, Masaki Shiihara, Masahiko Tani & Makoto Watanabe,Terahertz Magneto-Optic Sensor/Imager. Sci Rep 10, 1158 (2020). https://doi.org/10.1038/s41598-020-58085-5

MOI results with different permanent magnet orientation with respect to the on-chip THz sensor (see text for more details). The magnet in (a) and (b) was ~5 mm above the spintronic layer surface. The waveform colours correspond to ones of the circles, which indicate the spatial positions on images for their collections. The photos of used magnet positioned above and below of the MFVS are in (c) together with other drawings and data for magnet properties.




【非破壊評価】
炭素繊維強化プラスチック材料に適した中赤外レーザ超音波技術の開発

Masahiro Kusano, Hideki Hatano, Makoto Watanabe, Shunji Takekawa,Hisashi Yamawaki, Kanae Oguchi, Manabu Enoki, Mid-infrared pulsed laser ultrasonic testing for carbon fiber reinforced plastics, Ultrasonics, 84 (2018) Pages 310-318, https://doi.org/10.1016/j.ultras.2017.11.015.

Ultrasonic amplitude variation with the epoxy coating thickness. The circle symbol (red) shows the results of the mid-IR laser, and the square symbol (yellow) shows the Nd:YAG laser results. The diamond symbol (black) represents the simulation results.




【鍛造】
(New!)β-Texture Evolution of a Near-β Titanium Alloy During Cooling After Forging in the β Single-Phase and (α + β) Dual-Phase Regions

L. Meng, T. Kitashima, T. Tsuchiyama, M. Watanabe. β-Texture Evolution of a Near-β Titanium Alloy During Cooling After Forging in the β Single-Phase and (α + β) Dual-Phase Regions. Metallurgical and Materials Transactions A. 52 [1] (2021) 303-315 10.1007/s11661-020-06060-0 

Schematic of the temperature–time sequences of the thermomechanical processes: (a) Forging and cooling at different temperatures and cooling rates; (b) Holding for 2 to 12 seconds after forging at 980 C followed by gas quenching (GQ).




【鍛造】
Effect of α precipitation on β texture evolution during β-processed forging in a near-β titanium alloy

L.Meng,T.Kitashima,T.Tsuchiyama,M.Watanabe, Effect of α precipitation on β texture evolution during β-processed forging in a near-β titanium alloy, Materials Science and Engineering:A,  771 (2020) 138640, https://doi.org/10.1016/j.msea.2019.138640.

β-Phase orientation maps of Ti-6246 at different forging temperatures and ratios: (a)1030℃, 45%; (b) 1030℃, 75%; (c) 980℃, 45%; (d) 980℃, 75%; (e)920℃, 15%; (f) 920℃, 45%; (g) 920℃, 60%; (h) 920℃, 75%;