2016 Fiscal Year Annual Research Report
Cu-modified Al2O3 scale forming austenitic heat resistant alloys
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15H04153
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
林 重成 東京工業大学, 物質理工学院, 准教授 (10321960)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
鵜飼 重治 北海道大学, 工学研究院, 教授 (00421529)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | アルミナ皮膜形成オーステナイト系耐熱鋼 / 内部酸化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度の研究は、１）内部酸化実験によるCuのアルミナ皮膜形成におよぼす影響調査と、２）放射光を用いた酸化初期のアルミナ皮膜形成挙動におよぼすCuの影響についてを検討し、Cu添加がオーステナイト系耐熱鋼のアルミナ皮膜の形成を促進する効果を明らかにすることを試みた。
１）に関しては、異なるNiまたはAl濃度を有するFe-Ni-Cu-AlおよびNi-Cu-Al合金を用いて異なる酸素分圧下における内部酸化挙動を調査した。Al濃度が高い合金では、Cuの添加量の増加に伴って内部酸化層の成長速度は低下した。一方、Al濃度が低い合金では、内部酸化層の成長速度はCu添加量の増加に伴って増加し、高Al合金とは逆の結果が得られた。一般にアルミナ皮膜の形成が促進される場合には、内部酸化速度は低下すると予想されることから、この低Al合金における内部酸化挙動は、Cuがアルミナ皮膜の形成を促進する実験結果の説明としては逆の傾向となった。
この理由として、低Al合金中に形成した内部酸化物はロッド状形態であり、合金内部に向かって表面とは垂直に形成すること、また、その数密度はCu添加により増加したため、内部酸化物／合金界面の総面積が増大してこの界面を通る酸素の拡散が増加したためである。この結果は、Cu添加によりアルミニウムの外方拡散量は増大したことを示しているが、形成した酸化物の形状のため、内部酸化の成長動力学が正しく評価ができなかったためである。今後は、内部酸化物の形状制御が耐酸化性の向上に有効であることが示唆された。
2)に関しては、放射光を用いた実験からは、これまでに確定的な知見が得られておらず、実験に用いる合金系をさらに最適化して継続して行う必要がある。
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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
本年度までの研究では、Cuによるアルミナ皮膜形成促進機構について、放射光を用いた検討からは、Cu添加合金においてアルミナ皮膜が形成する場合にのみ、CuOがアルミナ皮膜が形成する前に形成する事が明らかになっていた。初期にCuOが形成する事により、合金表面に脱Cu層が形成し、この合金表面近傍におけるのCuの濃度変化がアルミニウムの外方への拡散フラックスを増加させ、これがアルミナ皮膜の形成を促進したと予想していた。
本年度は、その予想を検証する事を目的として、内部酸化実験により合金表面へのアルミニウムの拡散フラックスおよび酸素の内方フラックスを評価した。実験は、合金表面に脱Cu層を形成させる条件下で実施し、その結果、アルミニウムの拡散フラックスは、Cu添加により増加している事が確認された。しかしながら、低アルミニウム合金を用いた際には、内部酸化層の動力学が増加したことから、酸素の内方への拡散もまた増加していることが明らかになった。
この実験結果は、Cuのアルミナ皮膜形成促進効果とは全く逆の結果であり、研究当初は解釈することがとても困難であった。しかしながら、1)ロッド状の内部アルミナが合金内部に形成し、その数密度がCu添加に伴って増加している事が確認されたこと、2)酸素の内方拡散フラックスの増加は、ロッド状の内部アルミナの数密度がCu添加により増加したためであること、さらに、3)内部アルミナの数密度の増加は、Cu添加によりアルミニウムの外方拡散フラックスが増加したことが要因であると考えられること、から、実験結果のすべては矛盾無く説明出来た。
一方、放射光および実験室系XRDを用いた結果からは、新しい知見を得ることができなかった。これらのことから、研究の達成度をおおむね順調に進展しているとした。
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| Strategy for Future Research Activity |
Cu添加によるアルミナ皮膜形成促進効果は、アルミニウムの外方拡散フラックスが増大すること、それは合金表面近傍における急峻なCuやNi等の合金元素の濃度勾配により、合金中のアルミニウムの活量勾配が急峻となるためであることが、これまでの研究にて明らかになった。
一方、同時に、アルミニウムの外方拡散フラックスの増大は、内部酸化物の体積を増やすと共にその数密度を増加させ、その結果、内部酸化物／合金界面を通る酸素の内方拡散もまた増加する結果となった。この結果から、内部酸化物の形状を制御することが出来れば、よりアルミニウム濃度の低い合金においても、Cuの効果をさらに向上できる可能性ができる事が示唆された。そこで、次年度の計画では、内部酸化物の形状と核生成におよぼすCuの効果を重点的に調査する必要がある。
これまでの申請者らの放射光を用いた高温その場XRD実験から、材料の加熱中の初期酸化時間帯に、内部酸化物の核生成時期を検出することは可能である事が明らかになっており、合金中へのCu添加による母材の構造変化（格子定数の変化）と内部酸化物の核生成およびその成長挙動を放射光を用いたin-situ XRD解析により時間分解して検討するとともに、酸化初期の内部酸化物の微細組織をTEMを用いた詳細な組織観察により検討して、内部酸化から外層皮膜形成にいたる組織変化挙動を、速度論および母材と内部酸化物の結晶構造の観点から検討して、Cuのアルミナ皮膜形成促進効果について明らかにする予定である。
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