名古屋大学大学院工学研究科に所属し、レーザ粉末床溶融結合法（L-PBF法）を用いた新規高温材料の開発に関する基礎研究を行っています。近年では非常に速い凝固速度を可能にする付加製造技術が注目されており、この技術を金属の合成に適用することで、全く新しい特性を有する合金の開発が進められてきました。L-PBF法を用いた付加製造技術は粉末の敷設とレーザ照射を一層ずつ繰り返すことで造形する技術で、ピンポイントでレーザ照射することで複雑な造形物にも対応できること、また、急速に冷却されることにより高強度な合金に生成できることが特徴です。

今回の研究ではアルミ鉄をベースにマンガン（Mn）とチタン（Ti）を添加し強度を高めることを目指したところ、想定した通り、マンガンとチタンの元素がそれぞれの相に分かれることがわかりました。また、マンガンのほうが強度をあげるのに効果的であることもわかりました。これにより、チタンの代わりに他の元素を使うことでさらに強化が高めることの可能性を見出すことができました。

L-PBF法はレーザが当たった部分のみで加熱と急速冷却がなされる造形方法で、一般的な鋳造プロセスの冷却速度よりもはるかに大きな速度で冷却がなされます。
レーザによりピンポイントで1200度以上の温度が加わり、そこから最大で1秒で100万度の速度で急冷されることになるのですが、このように急冷できるのはこのL-PBF 法のみになります。

このL-PBF法で造形したAl-Fe合金は微細なAl₆Fe相とα-Al母相の共晶組織を形成し、高い強度と高温安定性を有することがわかりました。しかし、社会実装の観点から、高温材料として実用化するためには、特性限界をさらに押し上げる必要がありますので、この研究では2元系状態図に基づいた元素分配に着目しました。Alと共晶反応を示すMnは液相へ元素分配しAl₆Fe相の体積率向上を図ることができると予測されます。一方でAlと包晶反応を示すTiは固相へ元素分配しα-Al母相の固溶強化を図ることができると予測されます。積層造形体は非平衡プロセスであり、平衡状態である状態図に基づいた元素分配をするのか不明でしたので、Al-Fe-Mn-Ti合金の積層造形体を実際に作成し、添加元素であるMnとTiが実際に元素分配するのか、Al-Fe合金と比べて、どの程度高強度化を図ることができるのかを調べていきました。

この研究で使っているL-PBF法の装置は【知の拠点あいち重点研究プロジェクト】によるもので、日本にはまだ限られた機関にしかない装置です。プロジェクト参画企業のニーズも踏まえた研究課題設定を行い、名古屋大学の小橋・高田・鈴木研究室と、あいち産業科学技術総合センターの共同研究により実施しています。センターにあるL-PBF法の装置で合金作製条件を探索し、評価は主に名古屋大学で行っています。

私は鈴鹿工業高等専門学校で金属研究に触れ、金属の可能性に惹かれ、もっと研究がしてみたいと思い、名古屋大学に編入しました。金属は単体では機能や用途が限られてしまいますが、組み合わせて合金にすることによって無限の可能性を持つようになります。例えば、鉄に炭素をいれると、鋼、鋳鉄など用途が広がります。大学での研究や、あいち産業科学技術総合センターとの共同研究を通じて、さらに新しい機能を持つ合金の研究に取り組んでいきたいと思っています。

金属学会講演大会ポスターセッションの熱気、次の目標

ポスターセッションの参加自体は初めてでしたが、参加者は材料分野に携わる方ばかりなので、とても説明しやすく、終わってみれば、1時間半というのはあっという間でした。
自分にとっては勉強会のような場でもあり、自分の発表はもちろん、他の発表を聞くことで、各専門の方の新しい動向を知り、他の観点でL-PBF法について研究されている方もおり、とても有意義で刺激的でした。

このように学生のうちからポスター作りから説明までの一連を経験できることは、これからの研究者としての人生に非常に役に立つと考えています。ポスターを作るのも初めてでしたが、図を大きくして余白のないレイアウトにし、先生から様々なフィードバッグをいただきながら作成しました。また、質疑応答をしっかり対応できるようにしました。研究背景の理解、結果に対しての根拠をしっかりと示すことができたと思います。
１年間携わってきた研究の努力を、春期講演大会42回ポスターセッションでの優秀賞という形で評価していただけたことは非常にうれしく思います。受賞に慢心することなく、引き続き頑張っていきたいと思います。2024年9月開催の金属学会秋季大会ではこの研究についての口頭発表をしました。講演大会が年に2回あるので、研究の進化過程を紹介できることも励みになります。

日本金属学会にはこのポスターセッションへの参加をきっかけに入会したばかりですが、日本のトップクラスの材料、金属分野のスペシャリストがたくさん所属している組織に所属させていただき、光栄に思っていますし、研究においてもよい刺激ばかりいただけます。
このチャンスは研究を進めていくうえで有意義なものになりますので、これからも学会イベントに多く出席して、意見交換や交流を深めていきたいと思っています。