Prediction of fatigue limit of three-dimensional shaped article under extreme environment and extension of thruster life with combustion test.
| Project/Area Number |
21K03783
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 18010:Mechanics of materials and materials-related
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| Research Institution | Suzuka National College of Technology |
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Principal Investigator |
黒田 大介 鈴鹿工業高等専門学校, 材料工学科, 教授 (70343879)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2024: ¥390,000 (Direct Cost: ¥300,000、Indirect Cost: ¥90,000)
Fiscal Year 2023: ¥390,000 (Direct Cost: ¥300,000、Indirect Cost: ¥90,000)
Fiscal Year 2022: ¥390,000 (Direct Cost: ¥300,000、Indirect Cost: ¥90,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000)
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| Keywords | Ni基耐熱合金 / レーザー積層造形法 / EBSD / 機械的特性 / 残留応力 / 疲労特性 / 半値幅 / ミクロ組織 / 高温環境曝露 / アンモニアガス / 3D造形体 / 宇宙衛星用スラスタ / 疲労限度予測 / 燃焼試験 / 高温特殊環境 |
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| Outline of Research at the Start |
レーザー積層造形法（SLM）で製造した625合金製の実機スラスタの疲労特性をスラスタ作動を模擬した800℃の高温特殊環境中で評価する。残留応力、結晶異方性、内部欠陥ならびに高温特殊環境（温度、雰囲気）がAM材の疲労耐久性に与える影響を定量化し、疲労限度予測の基礎データとして蓄積する。蓄積データと燃焼試験データを比較・検証して造形プロセスにフィードバックし、現状の2倍以上の寿命のAM製スラスタを実現する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、レーザー積層造形法（SLM）で製造した625合金製の実機スラスタの疲労耐久性におよぼす残留応力、結晶異方性、内部欠陥、高温特殊環境（温度、雰囲気）の影響を定量化し、疲労限度予測の基礎データとして蓄積する。
2022年度は、高温環境中での疲労試験条件を検討するために、実機スラスタと同一条件で製造した3つの積層方向（引張方向に対して平行（V）、直角（L）、62°傾斜（S））の板状試験片、表層部分のみ積層条件を変化させた板状試験片（Lα、Vα）、積層造形後にひずみとり熱処理した板状試験片（Sh、Lαh、Vαh）の引張特性を800℃のArガス雰囲気中で評価した。引張試験はRSP試験装置を用いて、1 mm/minの引張速度で行った。また、室温と800℃のArガス雰囲気中で既存の625合金展伸材に繰返負荷を付与し、負荷の繰り返し数による残留応力と半値幅の関係を検証した。前年度の引張試験結果から応力振幅を200～400 MPaの範囲とし、片振り（R=0）、正弦波、10 Hzの条件とした。
前年度の室温での引張試験で良好な力学的特性が得られたVEhとLEhは800℃での引張試験においても良好な力学的特性を示した。800℃におけるVEhとLEhの引張強さと破断伸びはそれぞれ709 MPa、33%ならびに679 MPa、34%であった。800℃における展伸材のそれらの値は785 MPa、33%であり、積層造形材の力学的特性の低下には急速溶融・急速冷却プロセスに起因する粗大かつ＜001＞方向に優先結晶配向したミクロ組織形態と引張試験中に形成される集合組織が影響していると考えられる。
室温と800℃で疲労試験した625合金展伸材において、半値幅とビッカース硬さとの間に相関関係が認められた。この結果は、疲労破壊時の半値幅を計測することで、疲労限度を予測できることを示唆している。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度に実施した室温と高温環境における疲労試験ならびに半値幅と残留応力の測定により、半値幅とビッカース硬さとの間に相関関係があること、疲労破壊時の半値幅を計測することで、疲労限度を予測できる可能性が示唆された。なお、前年度に改良したRSP試験装置の試験片固定治具の耐久性を検証するために、625合金展伸材のみ疲労試験を実施した。十分な耐久性を確認できたため、次年度は800℃での引張試験においても良好な力学的特性を示したVEhとLEhについて、室温と高温環境における疲労試験を実施する。また、SLM造形後に燃焼試験した実機スラスタの触媒保持部材の結晶方位解析も開始しており、燃焼試験とのデータ整合性の検証も計画通りに実施できる見込みである。
以上のような進捗状況より、本研究は概ね順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究の目的はSLMで製造した625合金製の実機スラスタの疲労耐久性におよぼす残留応力、結晶異方性、内部欠陥ならびに高温特殊環境の影響を定量化することである。本年度に実施した積層材の高温環境中での引張試験において、応力集中する破面近傍において集合組織が形成されることがわかった。そこで、残留応力、析出物、再結晶組織を含むミクロ組織と疲労特性との関係をXRD、EBSD、STEMを用いて詳細に検証する。また、当初予定していたRSP試験装置への残留応力測定装置据え付けによるin-situでの残留応力測定（cos-α法）についてはX線作業に係る国家資格が必要であるため、測定時にRSP試験装置から試験片を都度取り外す従来の手法で研究を進める。また、同一のSLM積層条件にて製造した疲労試験片と燃焼試験後の実機スラスタから採取した試験片のミクロ組織をXRD、EBSD、STEMにより、破面形態をFE-SEMにより詳細に比較・検証して疲労限度予測式を策定し、実機スラスタの造形プロセスにフィードバックし、現状の2倍以上の寿命をもつスラスタの実現を目指す。
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Report
(2 results)
Research Products
(12 results)
