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In-situ measurement of unstable thermal stresses in coating films

Research Project

Project/Area Number 22K03819
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 18010:Mechanics of materials and materials-related
Research InstitutionJapan Synchrotron Radiation Research Institute

Principal Investigator

豊川 秀訓  公益財団法人高輝度光科学研究センター, 放射光利用研究基盤センター, 特別嘱託研究職員 (60344397)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 鈴木 賢治  新潟大学, 人文社会科学系, フェロー (30154537)
Project Period (FY) 2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2024: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
KeywordsX線応力測定 / 2次元検出器 / 溶接配管残留応力 / 二重露光法 / 応力測定 / X線回折
Outline of Research at the Start

耐熱合金の融点を超える燃焼温度はセラミックスの遮熱コーティングにより実現されているが,信頼性や強度に直接関わる基本問題は,トップコート,ボンドコートおよび基材の線膨張係数の差に起因する熱ひずみであり,非定常熱応力のその場測定による評価,解析法の実現が課題となっている.本研究では,X線画像検出器と回転スリットを利用することで,測定時間を高速化することでこの問題を解決する.コーティング層の熱サイクル過程での実応力の変化・経路の動的変化の測定を世界で初めて実現し,最重要課題であるトップコートの熱サイクル損傷によるはく離のメカニズムを解明し,より信頼性の高い材料の実現を目指す.

Outline of Annual Research Achievements

高エネルギーX線に適したCdTeピクセル検出器と二重露光法に適用することで,これまで困難とされていた粗大粒・溶接金属の残留応力測定に挑戦すること技術的問題が解決できた.沸騰水型原子炉と異なり,応力腐食割れが発生しないと思われていた加圧水型原子炉の加圧スプレイラインに応力腐食割れが発生した.この小口径突合せ溶接配管においては,これまでシミュレーションにより溶接残留応力を解析してきたが,残留応力を測定されていない.ことから,令和5年度は本研究における測定手法をそれに適用することを試みた.その結果,溶接材においては,粗大粒による回折斑点,溶接の熱応力による塑性変形からの回折環および溶接金属の集合組織からの回折が混在した回折パターンとなる.この複雑な回折パターンに対して関数近似を適用することは,場合によっては無理もあり,測定精度に直接影響していた.その解決方法について検討した結果,不規則かつ複雑な回折波形を解析的に取り扱うことをしないで,P1とP2で得られた回折曲線の一致を統計的手法で求めることを試みた.具体的にはP1とP2の回折曲線の相互相関アルゴリズムを用いて回折角度を決定することを試みたところ,非常に良い結果を得た.本方法を用いることで,溶接配管の残留応力を測定することに目処がついた.さらに,中性子回折と放射光による二重露光法を組み合わせて,三軸応力状態の残留応力を評価することも可能となった.
相互相関アルゴリズムを用いた回折角度を決定は,遮熱コーティングに使用される正方晶ジルコニアのように回折波形が複雑な回折環に対しても利用できるので,今後の研究に活かしたい.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

これまで溶接材の複雑な回折像から回折ピークを決める方法が確立つしておらず,測定精度の大きな課題であった.本年度の研究によりこの課題を相互相関アルゴリズムにより解決したことは大きな成果であることから判断した.
また,二重露光法による応力評価法が相互相関アルゴリズムにより精度と効率が飛躍的に改善されたことで,コーテイング膜の応力評価にも役立っている.

Strategy for Future Research Activity

二重露光法とCdTeピクセル検出器を組み合わせ,溶接残留応力の測定することはほぼ確立した.二重露光法を遮熱コーティングに適用する予備測定から,より優れたコーティング膜の残留応力評価の可能性が見えてきた.初年度に実施したsin自乗Ψ法よりも高速で内面の応力を評価できる方法を提案する.すなわち,コーティング材の界面に沿って透過ビームを入射し,二重露光法で測定することで,コーテイング材の膜深さ方向の材料分布や残留応力分布を計測することに挑戦する.本方法が達成できれば,複合膜や界面の分析と残留応力などの新たな評価方法として期待できる.
さらに,コーテイング膜の回折が斑点状を呈する場合は,研究実績の概要の最後で述べたように,コーティング面内の材料および残留応力の分布なども解析できる可能性がある.そして,それを面内から深さ方向にも走査すれば,コーテイング膜の3次元のマップを作成できる.
また,経年劣化などの現象による材料の評価にも利用できることから,前述の手法を高温酸化させたコーティング膜に適用し,コーティング膜の高温酸化による残留応力の挙動を捉えることにも挑戦する.

Report

(2 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Research-status Report
  • Research Products

    (24 results)

All 2024 2023 2022

All Journal Article (10 results) (of which Peer Reviewed: 10 results,  Open Access: 9 results) Presentation (14 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 2 results)

  • [Journal Article] Diffraction Angle Determination Using Cross-Correlation Algorithm for Double Exposure Method2024

    • Author(s)
      SUZUKI Kenji、MIURA Yasufumi
    • Journal Title

      Journal of the Society of Materials Science, Japan

      Volume: 73 Issue: 4 Pages: 286-292

    • DOI

      10.2472/jsms.73.286

    • ISSN
      0514-5163, 1880-7488
    • Year and Date
      2024-04-15
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Dual-Wavelength X-ray Diffraction Method by using Photon-Counting CdTe Pixel Detector2024

    • Author(s)
      Hidenori Toyokawa, Koji Ohara, Mitsuharu Yonemura
    • Journal Title

      KEK Proceedings

      Volume: 2023-1 Pages: 77-83

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Unsteady Thermal Stresses of Thermal Barrier Coatings under Cyclic Heating2023

    • Author(s)
      SUZUKI Kenji、TOYOKAWA Hidenori、SAJI Choji、YAMAZAKI Yasuhiro、OKUMURA Tadaharu
    • Journal Title

      Journal of the Society of Materials Science, Japan

      Volume: 72 Issue: 11 Pages: 821-827

    • DOI

      10.2472/jsms.72.821

    • ISSN
      0514-5163, 1880-7488
    • Year and Date
      2023-11-15
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Actual Stress Analysis of Small-Bore Butt-Welded Pipe by Complementary Use of Synchrotron X-Rays and Neutrons2023

    • Author(s)
      SUZUKI Kenji、MIURA Yasufumi、SHIRO Ayumi、TOYOKAWA Hidenori、SAJI Choji、SHOBU Takahisa、MOROOKA Satoshi
    • Journal Title

      Journal of the Society of Materials Science, Japan

      Volume: 72 Issue: 4 Pages: 316-323

    • DOI

      10.2472/jsms.72.316

    • ISSN
      0514-5163, 1880-7488
    • Year and Date
      2023-04-15
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      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Relationship between Internal Stress Distribution and Microstructure in a Suspension-Sprayed Thermal Barrier Coating with a Columnar Structure2023

    • Author(s)
      Yamazaki Yasuhiro、Shinomiya Keisuke、Okumura Tadaharu、Suzuki Kenji、Shobu Takahisa、Nakamura Yuiga
    • Journal Title

      Quantum Beam Science

      Volume: 7 Issue: 2 Pages: 1-12

    • DOI

      10.3390/qubs7020014

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Actual Stress Analysis of Welded Part Using a Quantum Beam Hybrid Method2023

    • Author(s)
      Suzuki Kenji、Miura Yasufumi、Shiro Ayumi、Toyokawa Hidenori、Saji Choji、Morooka Satoshi、Shobu Takahisa
    • Journal Title

      Key Engineering Materials

      Volume: 968 Pages: 3-8

    • DOI

      10.4028/p-nt6rfv

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      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Internal Stress Distribution in Suspension Plasma Sprayed Thermal Barrier Coating Subjected to in-plane Tensile Loading2023

    • Author(s)
      山崎 泰広、篠宮 啓介、奥村 忠晴、鈴木 賢治、菖蒲 敬久、中村 唯我
    • Journal Title

      Journal of Japan Thermal Spray Society

      Volume: 60 Issue: 1 Pages: 3-10

    • DOI

      10.11330/jtss.60.3

    • ISSN
      0916-6076, 2186-1080
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] A Study on Stress Measurement of Weld Part using Double Exposure Mehtod2022

    • Author(s)
      SUZUKI Kenji、KURA Komoe、MIURA Yasufumi、SHIRO Ayumi、TOYOKAWA Hidenori、SAJI Choji、KAJIWARA Kentaro、SHOBU Takahisa
    • Journal Title

      Journal of the Society of Materials Science, Japan

      Volume: 71 Issue: 12 Pages: 1005-1012

    • DOI

      10.2472/jsms.71.1005

    • ISSN
      0514-5163, 1880-7488
    • Year and Date
      2022-12-15
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Stress Measurements of Quasi-Coarse Grained Material using Double Exposure Method with High-Energy Monochromatic X-Rays2022

    • Author(s)
      SUZUKI Kenji、YAMADA Minami、SHIRO Ayumi、SHOBU Takahisa、TOYOKAWA Hidenori、SAJI Choji
    • Journal Title

      Journal of the Society of Materials Science, Japan

      Volume: 71 Issue: 4 Pages: 347-353

    • DOI

      10.2472/jsms.71.347

    • ISSN
      0514-5163, 1880-7488
    • Year and Date
      2022-04-15
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] 直接法による残留応力の測定2022

    • Author(s)
      鈴木賢治, 豊川 秀訓
    • Journal Title

      保全学

      Volume: 21, No. 3 Pages: 89-95

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      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Development of TlBr hybrid pixel detector for next generation photon counting imaging2023

    • Author(s)
      Hidenori Toyokawa
    • Organizer
      The 26th International Conference on Ion Beam Analysis and the 18th International Conference on Particle Induced X-ray Emission
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 高温大気暴露した遮熱コーティング材の剥離応力評価2023

    • Author(s)
      鈴木賢治,北澤留弥
    • Organizer
      日本材料学会第72期学術講演会
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      2023 Research-status Report
  • [Presentation] Actual stress analysis of welded part using quantum beam hybrid method2023

    • Author(s)
      Kenji Suzuki, Yasufumi Miura, Ayumi Shiro, Hidenori Toyokawa, Chiji Saji, Satoshi Morooka, Takahisa Shobu
    • Organizer
      International Conference on PROCESSING & MANUFACTURING OF ADVANCED MATERIALS Processing, Fabrication, Properties, Applications, Thermec 2023
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 遮熱コーティングの非定常熱応力測定2023

    • Author(s)
      鈴木賢治, 豊川秀訓, 佐治超爾, 山崎泰広,奥村忠晴
    • Organizer
      第57回X線材料強度に関するシンポジウム講演論文集
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      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 突合せ溶接配管の残留応力解析2023

    • Author(s)
      鈴木 賢治,三浦 靖史
    • Organizer
      日本保全学会第19回学術講演会
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      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 計数型CdTeピクセル検出器による2波長X線回折法2023

    • Author(s)
      豊川秀訓, 尾原幸治, 米村光治
    • Organizer
      研究会「放射線検出器とその応用」(第37回)
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  • [Presentation] 【注目講演】半導体ピクセル検出器:SiからCdTeそしてTlBrへ2023

    • Author(s)
      豊川秀訓, 人見啓太朗, 野上光博, 久保信, 末永敦士
    • Organizer
      第70回応用物理学会春季学術講演会
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  • [Presentation] Stress Measurement of Shrink-Fit Ring using Double-Exposure Method with Hard Synchrotron X-Rays2022

    • Author(s)
      Kenji Suzuki, Ayumi Shiro, Takahisa Shobu, Hidenori Toyokawa, and Choji Saji
    • Organizer
      The 11th International Conference on Residual Stresses
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  • [Presentation] Standard of the cosα method for X-ray stress measurement using two-dimensional detector2022

    • Author(s)
      Yoshihisa Sakaida, Kenji Suzuki, and Keisuke Tanaka
    • Organizer
      The 11th International Conference on Residual Stresses
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  • [Presentation] 次世代型X線応力測定法による溶接残留応力分布測定2022

    • Author(s)
      鈴木賢治, 豊川秀訓
    • Organizer
      日本材料学会第71期学術講演会
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  • [Presentation] 次世代型X線応力測定法による溶接残留応力分布測定2022

    • Author(s)
      鈴木賢治, 豊川秀訓
    • Organizer
      日本保全学会第18回学術講演会
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  • [Presentation] 突合せ溶接配管の残留応力分布2022

    • Author(s)
      鈴木賢治,三浦靖史,諸岡 聡,菖蒲敬久
    • Organizer
      第56回X線材料強度に関するシンポジウム
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  • [Presentation] 放射光を利用した粗大粒、溶接部の応力測定手法の開発2022

    • Author(s)
      鈴木 賢治
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      第80回SPring-8先端利用技術ワークショップ「放射光・中性子を活用した金属材料の分析技術」
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  • [Presentation] 量子ビームを利用した実応力解析2022

    • Author(s)
      鈴木 賢治
    • Organizer
      第2回北の耐熱合金セミナー, 日本鉄鋼協会北海道支部ノースフォーラム
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      2022 Research-status Report

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Published: 2022-04-19   Modified: 2024-12-25  

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