東北大学大学院工学研究科 材料システム工学専攻 接合界面制御学講座 佐藤裕研究室

1．はじめに

　東北大学は材料科学・工学に関する教育・研究の世界的拠点となるべく力を注いでおります。その材料系に所属する私たちの研究室は、溶接・接合を中心とした界面に関わる材料工学の教育・研究を担っております。

2．研究室の歴史

　当研究室の歴史は長く、今から半世紀以上前の1961年に当時の金属材料工学科 金属塑性学講座に小林卓郎教授(東北大学名誉教授)が赴任したのが始まりです。東北大学金属系教室の同窓会誌に記載の「金属材料工学科設立の経緯」（門間改三：るつぼ・創立五十周年記念号属工学, 1974.）によると「的場工学部長より提案があり、また鋼構造などにおける溶接技術の目覚ましい発展が金属工学科卒業生である名大関口教授、阪大岡田教授の指導のもとでなされた時代でもあったので、溶接工学の講座を設けることを決定した。」とあり、当時溶接が最先端技術であったことがわかります。その後1963年に「応用金属学」講座と改称され、1965年には金属加工学科「金属接合加工学」講座、1971年には「溶接工学」講座と改称、18年間の小林研究室時代に4つの講座名を変遷しました。1979年から桑名武教授（東北大学名誉教授）に引き継がれてからの17年間の桑名研究室時代は、学科名は金属加工学科から材料加工学科と改称されましたが、講座名は「溶接工学」で一貫していました。1996年に粉川博之教授がその後任となった時は溶接工学講座でしたが、1997年の大学院重点化による改組にともなって、大学院工学研究科材料加工プロセス学専攻材料加工設計学講座という大講座の中の接合加工設計学分野となり、さらに2004年には国立大学法人化に伴う改組により材料システム工学専攻接合界面制御学講座となりました。そして粉川博之教授が2017年3月に定年退職され、当研究室は佐藤裕教授に引き継がれました。

3．研究内容

　当研究室は発足以来、溶接・接合に関する研究・教育に携わって来ました。小林研時代は、鋼のアーク溶接部に生じる脆性破壊や低温割れ、溶接歪み、残留応力など溶接工学の基礎に関する研究に加えて、アーク溶接過程におけるガス吸収挙動を主とした化学反応の研究が始められ、桑名研に継続されて各種溶接金属のガス吸収挙動の熱力学的検討や、低圧から高圧雰囲気下でのアーク溶接現象やガス・メタル反応に関する基礎的データを提供するとともに、ガス吸収を利用したミクロ組織と諸特性の制御に関する研究がその特徴でした。粉川研時代は主に摩擦攪拌接合およびプロセッシング(FSW/FSP)、超音波接合(USW)、粒界工学(GBE)の3つをテーマに研究を進めてまいりました。また佐藤研となった現在でも、主として粉川研時代に行ってきた上記の3つのテーマを継続して取り組んでおります。以下にそれぞれのテーマの内容を簡単に説明いたします。

・摩擦攪拌接合およびプロセッシング(FSW/FSP)

　摩擦攪拌接合FSW(Friction Stir Welding)は1991年に英国のTWI(The Welding Institute)で考案された固相接合法で、回転する非消耗接合ツールと被接合材の間に発生する摩擦熱とそれにより軟化した被接合材の材料流動を用いて突合せ接合を行います。アーク溶接などの溶融溶接とは異なり溶融・凝固を伴わないため、接合時の変形が少なく、欠陥も少ないといった特徴や、溶融溶接に比べ低エネルギーで排出ガスがないなど優れた面を持っています。この魅力的なテーマに当研究室はいち早く取り組み、TWIのFSW大学ライセンスを日本の大学では最初に取得し、Al合金やMg合金のFSW部の材料組織解析をはじめ、FSWの鉄鋼への応用およびそこで問題となるツール摩耗に関する研究、さらにはツール材開発などに取り組みFSWの材料学に関する研究において世界をリードする研究機関となっております。

当研究室所有のFSW装置を用いたAl合金の接合実験の様子

・超音波接合(USW)

　超音波接合USW(Ultrasonic Welding)は被接合材に一定の垂直荷重を加えながら超音波接合振動を印加することで固相状態のまま接合を達成する接合技術です。接合時に超音波振動による摩擦により金属表面の酸化被膜が除去され、新生面同士が直接接触することにより接合が達成されると考えられています。この接合法の利点として比較的低いエネルギー、短い接合時間で接合可能、異種金属間の接合が比較的容易であることなどが挙げられます。当研究室ではAl合金、ステンレス鋼、Cu合金などを扱っており、異材接合部界面における現象の解明や特性評価を行っております。

当研究室所有の超音波接合装置

・粒界工学(GBE)

　永年たゆまず研究が続けられているにも拘らずなかなか満足な解決策が得られない大きな問題として、オーステナイト系材料の結晶粒界劣化現象が挙げられます。溶接関連では、オーステナイト系ステンレス鋼溶接熱影響部の粒界腐食や応力腐食割れなどがその典型例です。様々考えつくされても回答が得られない問題には、従来と全く異なる視点からのアプローチが必要です。当研究室では、粒界腐食等の粒界劣化現象の発現場所である粒界での原子配列に着目し、材料中の劣化感受性の大きい高エネルギー粒界(ランダム粒界)を劣化感受性の小さい高密度の低エネルギー粒界(対応粒界)に置き換えることで粒界劣化現象を抑制する研究に取り組んでいます。このように粒界性格分布を制御して材料特性を向上させる手法を、粒界工学(Grain Boundary Engineering)と呼びます。当研究室では通常のオーステナイト系ステンレス鋼に極めて高い対応粒界密度(85%以上)を導入する粒界工学プロセスを確立し、耐粒界腐食性の飛躍的(4倍以上)向上を実現しました。これらGBE研究も世界的に高く評価されています。現在、本粒界工学プロセスを種々の材料への適用を試みるとともに、粒界工学制御材料の諸特性評価を実施し、実用化に向けて邁進しています。その粒界性格分布解析に欠かせないのが、当研究室の頼れるEBSD/OIM搭載FE-SEMで、日夜休みなく新たなデータを出し続けてくれています。

当研究室のEBSD/OIM搭載FE-SEM

4．研究室のメンバー構成

　当研究室の現在のメンバーは、教授1名(佐藤裕先生)、研究支援者1名(古川明久さん)、秘書1名(ヘイガン希三子さん)の3名の教職員に加え、博士課程後期(DC)2名、博士課程前期(MC)6名、学部4年生6名、研究生1名の計18名となっております。詳しくはMemberのページをご覧ください！