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Evaluation and clarification of irradiation damage mechanism in reduced activation high entropy alloys

Publicly Offered Research

Project AreaHigh Entropy Alloys - Science of New Class of Materials Based on Elemental Multiplicity and Heterogeneity
Project/Area Number 21H00136
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Science and Engineering
Research InstitutionHokkaido University

Principal Investigator

橋本 直幸  北海道大学, 工学研究院, 教授 (50443974)

Project Period (FY) 2021-04-01 – 2023-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥7,150,000 (Direct Cost: ¥5,500,000、Indirect Cost: ¥1,650,000)
Fiscal Year 2022: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
Fiscal Year 2021: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
Keywords積層欠陥エネルギー / Ni濃度 / Mn濃度 / 照射損傷 / フランク型転位ループ / 低放射化 / ハイエントロピ―合金 / 微細組織 / 機械的特性 / 不純物
Outline of Research at the Start

本課題では、FeCrNixMnyAlz(x,y,z = 0.5~1.5)HEAをアーク溶解法により作製し、結晶構造、微細組織、局所濃度分布、化学状態、および電子状態を評価してFCC 単相HEAであることを確認した後、照射実験を行う。並行して、機械的特性試験として硬度試験および引張試験を行い、構造材料としての成立性を含めた基本的な強度を精査する。照射実験では、シミュレーション照射として電子線照射その場観察実験およびイオン照射実験を行い、欠陥クラスタの形成・成長挙動の継時変化、カスケード損傷導入による微細組織変化を観察し、機械的特性変化との整合性について検討する。

Outline of Annual Research Achievements

既存軽水炉構造材料の開発研究は、高信頼性と高安全性を有するオーステナイトステンレス鋼や低合金鋼などの鉄鋼材料を中心に行われてきた[1]が、近年になって、特異な材料特性を有するハイエントロピー合金(HEA)を原子炉構造材料へ応用するための基礎研究が活発化してきた[2]。照射下におけるFCC型構造材料中には、フランク型転位ループや積層欠陥四面体(SFT)といった積層欠陥型の照射欠陥が形成することで、材料の照射硬化や照射脆化を引き起こす。これらの照射欠陥と積層欠陥エネルギー(SFE)には密接な関係性がある[3,4]。本研究では、MnおよびNiの濃度を変えたCrFeNiMn系FCC型HEAのSFEを実験的に算出した後、電子線照射実験によって耐照射性評価を試みた。
C及びN濃度の異なるCr0.8FeMnxNiy合金をアーク溶解により作製し、均質化熱処理(1160 ℃, 24 h)、冷間圧延・打ち抜き、再結晶熱処理(1160℃, 4 h)を施した。Table 1に各試料の化学組成を示す。続いて、超高圧電子顕微鏡(HVEM)を用いて電子線照射その場観察実験を行った。照射後、被照射領域におけるフランク型転位ループの数密度およびサイズ分布を調査し、C及びN濃度の関数として整理した。並行して、公称ひずみε=5%まで引張試験を行った試料に対し、透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて<111>方向から拡張転位の幅を精確に測定し、SFEを算出した。
C及びN濃度の異なるCr0.8FeMnxNiy合金を作製し、TEMを用いて各合金のSFEを調査した結果、SFEとNi,Mn濃度との間に正の相関が観られた。さらに、照射実験の結果、SFEの高いハイエントロピー合金では、照射下における積層欠陥型転位ループ(フランクループ)の形成・成長がNi、Mn、C,N濃度に依存することが判明した。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(2 results)
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Annual Research Report
  • Research Products

    (46 results)

All 2023 2022 2021

All Journal Article (6 results) (of which Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 4 results) Presentation (40 results) (of which Int'l Joint Research: 7 results,  Invited: 6 results)

  • [Journal Article] Irradiation behavior of HfNbTaTiV in comparison of HfNbTaTiZr and F82H2023

    • Author(s)
      Zong Yun、Ikubo Ryota、Hashimoto Naoyuki、Oka Hiroshi
    • Journal Title

      Journal of Nuclear Science and Technology

      Volume: 60 Issue: 7 Pages: 1-7

    • DOI

      10.1080/00223131.2022.2162141

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  • [Journal Article] Effect of Al on oxidation behavior of AlxCrCuFeNi2 (x=0.2, 0.4, 0.6) high entropy alloys2022

    • Author(s)
      Bi Peng、Hashimoto Naoyuki、Hayashi Shigenari、Oka Hiroshi、Isobe Shigehito
    • Journal Title

      Corrosion Science

      Volume: 208 Pages: 110697-110697

    • DOI

      10.1016/j.corsci.2022.110697

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      Hashimoto N.、Wada E.、Oka H.
    • Journal Title

      Journal of Nuclear Materials

      Volume: 566 Pages: 153767-153767

    • DOI

      10.1016/j.jnucmat.2022.153767

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    • Author(s)
      Zong Yun、Hashimoto Naoyuki、Oka Hiroshi
    • Journal Title

      Nuclear Materials and Energy

      Volume: 31 Pages: 101158-101158

    • DOI

      10.1016/j.nme.2022.101158

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    • Author(s)
      Bi Peng、Hashimoto Naoyuki、Hayashi Shigenari、Oka Hiroshi、Isobe Shigehito
    • Journal Title

      MATERIALS TRANSACTIONS

      Volume: 62 Issue: 12 Pages: 1716-1723

    • DOI

      10.2320/matertrans.MT-M2021096

    • NAID

      130008120265

    • ISSN
      1345-9678, 1347-5320
    • Year and Date
      2021-12-01
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    • Journal Title

      Intermetallics

      Volume: 133 Pages: 107182-107182

    • DOI

      10.1016/j.intermet.2021.107182

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      橋本直幸
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      福本 圭祐、橋本 直幸、岡 弘、礒部 繁人
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      藤井 謙成、橋本 直幸、上田 幹人、礒部 繁人、岡 弘
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      Bi Peng, N. Hashimoto, H. Oka, S. Isobe
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      N. Hashimoto
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Published: 2021-04-28   Modified: 2023-12-25  

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