純チタン焼結材の高強靭化に資する固溶軽元素の振舞いに係る包括的理解

2017 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 16H02408
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 近藤 勝義 大阪大学, 接合科学研究所, 教授 (50345138)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 梅田 純子 大阪大学, 接合科学研究所, 准教授 (50345162)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: 粉末冶金

Outline of Annual Research Achievements

酸素，窒素，珪素等の軽元素が固溶する純チタン（α-Ti）焼結材において，25%を超える伸びと，汎用Ti合金を凌駕する高強度が同時に発現する特異現象を解明すべく，冷却時の局所相変態，再結晶粒界での元素濃化等の複雑系起源をその場構造解析と計算科学により明らかとし，Ti材の高強靭化に係るダイナミクスの包括的理解を通じて新規材料設計原理を構築する．特に，結晶格子内の固溶元素の振舞いによる等軸微細結晶粒の形成機構を解明すると共に，結晶格子の伸縮挙動に対するc/a軸格子定数比を用いた定量的考察を通じて，固溶現象による純Ti材の未知なる機能発現を試みることを目的とする．H29年度の研究を通じて得られた主な成果は次の通りである．昨年度までα-Ti相への侵入型固溶元素である酸素原子がTi焼結材の力学特性に及ぼす挙動を解明したが，酸素と同様に固溶元素である珪素Siについて，固溶限が約0.7wt%と小さいもの，固溶現象により伸び値を増加させる特異な挙動を解明すべく，一般化密度勾配近似を交換相関相互作用として用いた第一原理擬ポテンシャル法によりSi原子の固溶による結晶格子の拡張挙動を定量的に解析した．固溶状態での形成エネルギーを比較したところ，置換サイトに位置する場合が最も低くて安定しており，その際のα-Ti結晶での格子定数はa軸方向，c軸方向共に減少した．酸素原子の固溶時と比較すると，c/a値はほぼ同等であるため，Si元素の固溶ではc軸の減少による高強度化効果は小さいものの，a軸方向での格子収縮による延性向上が考えられる．この計算結果はこれまでのTi-Si系素材での調査結果と一致しており，第一原理計算により同一基準での評価を可能にすると共に，実験で確認されたサイト選択や格子定数・軸比変化の再現が可能となったことからも試作実験を越えた軽元素のチタン材での固溶挙動の解明に対して有用であるといえる．

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

H29年度に実施予定していたTi焼結体における微細結晶粒の形成に資する固溶酸素原子の挙動（solute drag効果）解明に係る加工・熱処理実験と，Si原子の固溶によるTi焼結材の力学特性挙動の解明といった当初の研究計画に加えて，第一原理計算によるSi原子の最安定サイトの選択とα-Ti結晶における格子定数の増減に及ぼす影響を解明したことは特筆すべき成果といえる．また，酸素と同じくα相安定化元素である窒素固溶チタン材の摩擦摺動特性や，同じくα相安定化に寄与する錫Sn原子の固溶挙動を実験的に解析し，結晶粒微細化機構を明らかにすることで常温にて高強度・高延性の両立に寄与する組織構造の提案・実証を行うなど，計画以上の内容に進展している．さらにこれらの内容に関して，次の４つの学術論文として掲載された．
[1] X.X. Ye, H. Imai, J.H. Shen, B. Chen, G.Q. Han, J. Umeda, M. Takahashi, K. Kondoh, Materials Science & Engineering A, 684 (2017) 165-177.
[2] X.X. Ye, B. Chen, J.H. Shen, J. Umeda, K. Kondoh, Journal of Alloys and Compounds, 709 (2017) 381-393.
[3] B. Chen, J. Shen, X. Ye, J. Umeda, K. Kondoh, Journal of Material Research, 32, 19 (2017) 3769-3776.
[4] 山辺 康宏，梅田純子，近藤勝義，粉体および粉末冶金，64, 6 (2017) 275-280.

Strategy for Future Research Activity

H30年度においては，残る２つの課題（①局所的なβ→α相変態を利用した結晶粒微細化と②２相混合組織における初析α相による変態後のα相の粒成長抑制）を取り上げ，試作・構造解析および第一原理計算の連成によりチタン材のα相，β相に固溶する元素の振舞いを解明する．課題①では，β相安定化元素の中でα相への固溶限が小さい元素を対象に，加工熱処理過程で生じる添加元素のα結晶粒界での偏析・濃化による不均質な組織・組成分布を利用し，等軸微細結晶粒の形成によるTi焼結材の高強度化を試みる．ここで，焼結終期においてβ相内での固溶状態が微視的に不均質であれば，その領域では冷却過程において先行してβ→α相変態が生じ，局所的にβ相を伴う２相混合組織が形成され，相変態後に生成するα相の粒成長が初析α相により抑制されて微細結晶粒が形成する機構が考えられる．また，焼結終期において固溶原子が十分に拡散してβ相内で均一な固溶状態が形成された場合，冷却過程で固溶原子が結晶粒界へ移動し，そこでの偏析・濃化による局所的に不均質な組成分布が生じ，固溶原子によるsolute drag効果，微細粒界析出物によるZener pinning効果が作用し，均一なα-Ti微細結晶粒の生成が考えられる．このような２つのモデルについて，相変態温度を考慮した試作実験・構造解析を通じて解明する．課題②では，主にH31年度での実施計画であるが，β相安定化元素でかつβ相での固溶限が大きい元素（例：鉄Fe）を対象に，その元素成分を含むβ相（第２相）がα-Ti焼結材内の結晶粒界に不均一に存在するヘテロ組織において，その分散形態が材料全体の変形挙動（高延性化）に及ぼす影響，および固溶強化第２相分散による高強度化メカニズムを解明し，α＋β型チタン焼結材の高強度・高延性発現機構を明らかにする．

Research Products

• [Int'l Joint Research] Northwestern Polytechnical University/中国科学院(中国)
  • Country Name: CHINA
  • Counterpart Institution: Northwestern Polytechnical University/中国科学院
• [Int'l Joint Research] メルボルン工科大学(オーストラリア)
  • Country Name: AUSTRALIA
  • Counterpart Institution: メルボルン工科大学
• [Journal Article] Dynamic recrystallization behavior and strengthening-toughening effects in a near-α Ti-xSi alloy processed by hot extrusion (2017)
  • Author(s): X.X. Ye, H. Imai, J.H. Shen, B. Chen, G.Q. Han, J. Umeda, M. Takahashi, K. Kondoh
  • Journal Title: Materials Science & Engineering A Volume: 684 Pages: 165-177
  • DOI: 10.1016/j.msea.2016.12.054
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Microstructure and strengthening mechanism of ultrastrong and ductile Ti-xSn alloy processed by powder metallurgy (2017)
  • Author(s): X.X. Ye, B. Chen, J.H. Shen, J. Umeda, K. Kondoh
  • Journal Title: Journal of Alloys and Compounds Volume: 709 Pages: 381-393
  • DOI: 10.1016/j.jallcom.2017.03.171
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Advanced mechanical properties of powder metallurgy commercially pure titanium with a high oxygen concentration (2017)
  • Author(s): B. Chen, J. Shen, X. Ye, J. Umeda, K. Kondoh
  • Journal Title: Journal of Material Research Volume: 32 Pages: 3769-3776
  • DOI: 10.1557/jmr.2017.338
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 窒素固溶強化純チタン焼結材の摩擦摺動特性 (2017)
  • Author(s): 山辺 康宏，梅田純子，近藤勝義
  • Journal Title: 粉体および粉末冶金 Volume: 64 Pages: 275-280
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Enhanced Homogenization of Vanadium in Spark Plasma Sintering of Ti-10V-2Fe-3Al Alloy from Titanium and V-Fe-Al Master Alloy Powder Blends (2017)
  • Author(s): Y. F. Yang, H, Imai, K. Kondoh, M. Qian
  • Journal Title: JOM Volume: 69 Pages: 663-668
  • DOI: 10.1007/s11837-017-2271-4
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Solid solution strengthening mechanisms of PM α-Ti materials with zirconium and oxygen atoms via thermal decomposition of ZrO2 additives in sintering (2017)
  • Author(s): M. Fukuo, S. Kariya, J. Umeda, K. Kondoh
  • Organizer: JSPM International Conference on Powder and Powder Metallurgy
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 軽元素固溶強化を利用した希少金属フリーα型チタン粉末焼結材の高強度化 (2017)
  • Author(s): 近藤勝義，山辺康宏，梅田純子
  • Organizer: 粉体粉末冶金協会平成29年度春季大会
  • Invited
• [Presentation] 焼結過程での熱分解を利用したジルコニウムと酸素の複合固溶による純チタン粉末押出材の強化機構の解明 (2017)
  • Author(s): 福生瑞希，刈屋翔太，梅田純子，近藤勝義
  • Organizer: 粉体粉末冶金協会平成29年度春季大会