低放射化材料の変態超塑性変形を応用した成形技術開発研究

2015 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 15K18306
• Research Institution: National Institute for Fusion Science
• Principal Investigator: 能登 裕之 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 助教 (50733739)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: 変態超塑性 / 低放射化フェライト鋼 / 超塑性成形

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、核融合炉候補材として知られている「低放射化フェライト鋼」の難加工性を克服するため、その成形技術の改善に着目した。その手法として、これまでに試みられなかった変態超塑性を応用した革新的な超塑性成形（SPF）を提案した。一般的に知られている粒界すべりを用いた微細粒超塑性は、引っ張り試験により巨視的な伸びが認められ、そしてこの現象を応用し、複雑形状へと成形するSPFが発展している。一方で変態超塑性による、このようなSPFはまだ事例が少ない。特に高性能に制御された金属組織を持つ低放射化材料において、試みられたことはなく、このような革新的技術を先進材料に適用することにより、核融合工学さらには異なる工学分野への波及も期待できる。
そこで、本試験では異なる組織制御が施された「JLF-1」と「9Cr-ODS鋼」と呼ばれる低放射化鋼を比較した。JLF-1は鋳造法により合金化された一般的な低放射化フェライト鋼である。一方で9Cr-ODS鋼は、機械的合金化と呼ばれる手法によりナノレベルオーダーの酸化物を粒内・粒界に分散することにより転位運動を抑制し強化した先進材料であり、どちらの材料も800/1000℃域でγ/α相変態を誘起することが確認されている。これらの2材料に対し、各種変形モードで超塑性発現の有無を確認し、最終的には複合変形モードとなるSPFが可能かを確認する。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本申請による実施期間は4か年であり、初年度は引張試験の実施、2年度はその組織解析、3年度は圧縮試験、4年度はその組織解析及びSPF技術への発展を計画していた。現在、初年度が終了し、計画通り、2種類の試験材（JLF-1、9Cr-ODS鋼）におけるサイクル数依存性、荷重依存性を明らかにした。この結果、JLF-1については1.74～0.87kg/m2の荷重域において70～180サイクルの熱処理（800/1000℃）を行うことにより180％近い巨視的な伸びを確認した。またこれに付随し、サイクル数に相当する時間、等温熱処理下による引張を行ったが、巨視的な伸びは確認されなかった。これは、明らかに相変態域を往復したことに起因する現象であることを示唆している。また荷重を4.17kg/m2まで上げると伸びは100％前後まで減少した。これは1サイクルあたりに進む伸び量が多く、連続的な超塑性流動よりも早いため破断に至ったと考えられる。そこで一連の実験を応用し、荷重を初期負荷よりも軽量化する荷重変動試験を行った。その結果、サイクルの初期において、4.17kg/m2を負荷し、数％の伸びを発現させ、その後1.74kg/m2荷重により100％までは伸びを進行させた。その後、破断までは0.87kg/m2を採用し、1サイクルあたりの伸びを制御した。これにより引き延ばし、成形時のへのフィードバックとなる知見を得た。またサイクル数全体として、減少させることが可能であることがわかった。これは実操業時の、効率化にもつながると期待できる。一方では、サイクル数および荷重を上昇させても9Cr-ODS鋼ではこのような現象は見られなかった。これは変態超塑性変形の変形機構が高温クリープ変形の連続であることを改めて示すものであった。

Strategy for Future Research Activity

2か年目となる平成28年度は、主に、変態超塑性変形前後の組織解析を進める。JLF-1は熱処理により組織制御された鉄鋼材料であり、超塑性加工のための熱処理により、その特性が変化することは望ましくない。そのため変形前後においても元の耐照射性を有する組織を維持できているかを確認する。また同時に9Cr-ODS鋼においても組織を観察し、２種類の変形機構の異なる材料を比較することにより、詳細な変態超塑性の変形機構解明の知見を得る予定である。また、３年目以降には圧縮変形を見据えた試験を検討しているが、それに先立ち、引張モードのみでもSPFの応用が可能なことを示す実験を行う予定である。具体的には、極細の円管や、矩形管等一般的な押出・引抜技術では加工が難しいとされる形状を引っ張りモードの変態超塑性を応用し、成形を行う。この実験の際には超塑性が発現しない耐熱材料を両側に拡散接合しクランプ部分とすることを検討しており、１年目に得たサイクル数-伸びのデータをもとに成形完了を判断し上記のような複雑形状の管を仕上げる計画を立てている。そして、この一連の引張モードにおける現象に関し、学術会議にて発表を行い、論文発表を行う予定である。さらに3年目以降に予定している圧縮変形試験および、その成形応用へ向けた装置の準備を同時に進める。

Causes of Carryover

当初想定していた旅費が節約できたため。

Expenditure Plan for Carryover Budget

平成28年度の試験・解析費用として有効活用する。