领域:工学系

关键词:金属 3D 打印，增强，晶胞组织，片状结构，单晶，扫描策略，SDGs

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图1 IN718合金中得到的微米级结晶学片状结构和纳米级泡孔组织共存的LPBF成型体的组织。 ( a )的绿色部分和红色部分的结晶方位不同。 ( b )表示胞组织的排列，判明是导致LPBF材料中高强度化的组织。

【研究成果要点】

针对利用金属 3D 打印※1 制作的高强度合金造型物，着眼于微米级的“结晶学片状结构※2”和纳米尺寸的“胞体组织※3”，成功地定量提取了各自对造型物强度的影响。 很明显，细胞组织是带来极大强化的原因因子。

“结晶学的片状结构”引起的强度上升只有几%左右，另一方面，“细胞组织”的强度上升了 40% (1.4 倍)。

用激光粉末床熔融结合法※4 (以下称 LPBF 法)制作的合金造型物显示非常高强度的主要原因，因为存在多个特异结构，所以尚不清楚，但单元组织通过热处理，片状结构可以通过特异的扫描策略※5 的设计进行分离。

期待产品力学功能的飞跃性提高，以及在广泛的产业领域的合金材料中的应用。

概 要

大阪大学研究生院工学研究科的菊川泰地先生(博士前期课程)、石本卓也特任教授、中野贵由教授等的研究小组，研究了通过金属 3D 打印技术自发、分层且特异地形成的微米级结晶学的片状结构和纳米尺寸的细胞组织的强度进行了分析，明确了细胞组织(细胞特异界面)是带来极大强化的因素。

为 了 分 别 阐 明 贡 献 ，

① 单元组织通过热处理，②板条结构通过特殊的扫描策略设计，建立了独立的消去方法。 结果，层状结构的存在导致了百分之几的强度上升，另一方面胞组织也带来了高达 40%(1.4 倍)的强度上升，明显了胞组织的极高强化效果。

本研究中发现的细胞组织强化，通过至今为止在 3D 打印造型材料中明确的强化机构和强度的各向异性，以及基于 3D 打印擅长的形状的功能性的重叠，突破了以往的力学功能的极限，有望大幅扩大人工定制力学功能控制的范围。

本研究成果将于6月24日(星期二) (日本时间)在《Materials Research Letters》杂志上公开，该杂志是Taylor & Francis发行的关于材料科学的顶级期刊速报杂志。

【中野教授的评论】

随着制造中的 DX 化的推进，基于 3D 打印技术数据的人工制造方法备受关注。 因为是占据从原料到最终形状的大部分的制造工艺，所以可研究的领域很广，其中本研究成果——超急冷凝固组织与功能性的关系阐明，可以说不仅是最终结构物的设计方针，也是波及到工艺初期合金开发的起点的研究成果。 通过本成果与其他各种各样的研究相结合，构筑了改变制造常识的 3D 打印技术的基础，构想了金属 3D 打印在社会的各种制造中得到活用的未来。

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图2新设计的扫描策略消除了红色子层，成功地清除了层状结构。 其结果，在造型方向上

< 011 >成为取向了的单晶，这是由于层状结构的主层和具有相同的结晶方位。

被期待着有可塑性。

本研究成果是 Taylor & Francis 发行的关于材料科学的顶级期刊速报杂志将于 6 月 24 日(星期二) (日本时间)在《Materials Research Letters》杂志上上映。

研 究 背 景

金属 3D 打印技术作为能够根据 3D 数据制作具有自由形状的产品的技术，一直备受瞩目。 另一方面，据报道，用 LPBF 法制作的各种合金比用铸造等以往方法制作的合金强度更高，对其“材质”的关注在世界范围内日益高涨。 在这样的背景下，为了合金的高强度化和自由的强度设计，要求明确强化因子的性质和特征并进行控制。 但是，通过金属 3D 打印制作的造型物内部在各种尺度上共存有多个特异结构，因此很难分离出各特异组织的强化，也就无法实现定量的强化因子鉴定。

本研究小组运用迄今为止积累起来的金属 3D 打印方面的人工组织控制技术，于 2021 年在 IN718领域率先获得了由微米尺度的“结晶学片状结构”和纳米尺寸的“单元组织”构成的成型体 因此，结晶学的片状结构和胞组织的存在/设想了如果能够独立控制不存在的话，就可以分离对强化的贡献。

研究内容

研究小组尝试了“结晶学的片状结构”和“细胞组织”各自的清除。 结晶学的片状结构通过新的扫描策略设计被删除了。 本结构具有结晶方位不同的两个板状区域在一个方向上重叠的结构。 将< 011 >较厚地朝向造型方向的一方(图1绿)称为主层，将< 001 >较薄地朝向造型方向的一方(图1红)称为副层，两者以约100 μm的周期排列。 该层状结构是通过从熔池※6的中央底部生成向造型方向< 001 >生长的晶粒，并在主层间插入副层而形成的。 在熔池的中央底部，由于垂直向下产生热流，具有< 001 >在其逆平行方向即造型方向上容易生长(也就是说容易形成副层)的性质，通过图2新设计的扫描策略，红色副层消失，成功地消除了层状结构。 结果，形成了在造型方向上< 011 >取向的单晶，其具有与层状结构的主层相同的结晶方位。

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图 3 通过热处理成功地消除了偏析和位错。 另一方面，结晶方位 ( 层状结构 ) 不变，结合图 2 的结果，成功独立消除了层状结构和胞组织。 ( c图 4 片状结构、泡孔组织的存在 / 不存在下的 4 种试样的力学试验结果。

池组织是通过LPBF法超急冷凝固(凝固时的冷却速度达到107 K/s )而形成的网络状凝固组织，以偏析(组成不均)和位错的集聚为特征。 首先，通过扩散消除组成不均，同时促进位错的重排和消失，并且找出用于抑制导致结晶织构变化的晶粒生长和再结晶的致密的热处理条件，从而除去了胞组织(图3 )。

结果，按照有无片状结构、有无泡孔组织组合制作了4种试样(图4上表)，进行了压缩试验，结果，由于片状结构的作用，强度(屈服强度:材料宏观上开始永久变形的应力)上升了百分之几，

而且，明确了由于单元组织的贡献，带来了40%的强度(屈服强度:材料宏观上开始永久变形的应力)上升(图4 )。

由此可见，泡孔组织不仅仅是表示骤冷状态的凝固组织，还是LPBF材料特有的、带来强度飞跃性提高的强化因子。 今后，积极推进小区组织期待活用合金的力学功能设计、强度的提高。

另外，对于层状结构，通过改变施加载荷的方向，也可以使其影响显著化，是可以通过LPBF法导入的非常重要的强化因子。

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图4根据层状结构、细胞组织的存在/不存在进行的4种试验材料的力学试验结果。 由于孔格组织的存在，强度高达40%显示上升。

本 研 究 成 果 对 社 会 的 影 响 ( 本 研 究 成 果 的 意 义 )

以3D打印的高形状自由度和部件数量的减少为优点，各种产品正在讨论“置换”为3D打印制。 另一方面，可以说，本研究中得到的关于基于细胞组织的强化的知识，蕴藏着向 LPBF制的置换不仅仅停留在制造方法的变更上，还能带来产品力学功能的飞跃性提高(随之而来的超轻量化)的可能性。 泡孔组织根据凝固时的浓度分配，在LPBF过程中出现在许多合金系中。 也就是说，由于可以适用于构成社会基础产品的各种合金材料，所以期待本成果的波及效果波及到极其广泛的产业领域。 而且，为了阐明3D打印金属材料的功能和人为控制，必须构建特异组织的形成机制和强化机制、特异组织的控制法等新的学理，因此本成果在学术上也具有重大意义。

特 别 记 载 事 项

本研究成果于 6 月 24 日(星期二) (日本时间)在 Taylor & Francis 发行的材料科学《Materials

Research Letters》杂志上公开。

标题: remarkable strengthening effects of cells in laser powder bed fusion -处理入内718

作者名称: Taichi Kikukawa，Takuya Ishimoto，Hyoung Seop Kim，Takayoshi Nakano * (责任作者)

doi:https://doi.org/10.1080/21663831.2025.2522801

致 谢 词

本研究是科学技术振兴机构( JST )战略性创造研究推进事业团队型研究面向 CREST 创新力学功能材料

创造的纳米尺度动态行为和力学特性机制的阐明(研究总结:伊藤耕三)中的“定制力学功能控制学的构筑

向分层各向异性骨组织学习”(研究代表者:中野贵由)

术 语 说 明

※1 金属 3D 打印

用激光和电子束溶解金属粉末并层叠，对形状复杂的部件进行造型的技术。 形状设计自由度高，可以实现用以往的加工难以实现的形状和轻量结构，在航空、宇宙、医疗、汽车领域等中正在推进应用。

※2结晶学的层状结构

同一晶体结构改变方位配置成层状的微细组织。 晶体结构向造型方向< 011 >取向的称为主层，向造型方向< 001 >取向的称为副层，两者以约 100μm 的间隔排列。 在 Ni 基合金和奥氏体类不锈钢SUS316L 中被发现。

※3细胞组织

由超急冷凝固形成的，伴随元素偏析和位错集聚的凝固组织。 是金属 3D 打印特有的特异微细结构，一般单元内部为数百 nm，界面部为数十 nm，非常微细睡觉。 通过本研究明确了对力学特性有很大的影响。 确认了以 Ni 基合金为首的各种合金体系的形成。

※4激光粉末床熔融结合法

LPBF 法，向薄薄地铺上金属粉末的层照射激光，选择性地使其熔融凝固来造型，是金属 3D 打印技术的代表之一。 这是一种除了能够以高精度制作复杂形状外，还能够通过用 107 K/s 这一以往方法得不到的超急冷凝固来制作块体的方法，利用该超急冷的人为材质控制近年来备受瞩目。

※5 扫描策略

这是3D打印中热源扫描方向的逐层组合，开发了很多种类。一般来说，是以抑制成型体的残馀应力引起的变形为目的而选择的，但在本研究小组中，将其作为控制结晶取向的参数加以利用。

※6 熔池

3D打印中，热源扫描时形成的微小熔融部。 由于成型体是通过将该熔池堆积形成的，因此可以说是 3D打印中组织控制的单位要素。 熔池内部的热流分布和温度滞后支配金属组织的形成。

※7 单晶

一般的金属呈向各个方向结晶聚集的多晶体，存在晶界。 与此相对，所有地方结晶都朝向同一方

位的叫做单晶。 因为不存在晶界，所以直接反映晶体结构(原子排列)的性质，在物理、化学特性上产生各向异性。 本研究小组使用 3D 打印，通过考虑基于晶体结构的对称性的扫描策略，用显示各种晶体结构的合金系实现了单晶的形成。

S D G s 目 标

参 考 U R L

中野贵由教授研究者总览 URL

https://rd.IAI.osaka-u.AC.jp/ja/9136 b 32

e9deb 72 a2. html中野贵由教授研究室HP URL

http://www.mat.eng.osaka-u.ac.jp/msp6/nakano/