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2018 Fiscal Year Annual Research Report

Elusiodation of rapidly-accumed damage by synergism of ultra-low-cycle fatigue and creep in combustion chamber of rocket engine

Research Project

Project/Area Number 16H02427
Research InstitutionJapan Aerospace EXploration Agency

Principal Investigator

佐藤 英一  国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 教授 (40178710)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 早川 正夫  国立研究開発法人物質・材料研究機構, 構造材料研究拠点, グループリーダー (50354254)
竹腰 正雄  国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 研究開発部門, 主任研究開発員 (60371126)
森谷 信一  国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 研究開発部門, 主幹研究開発員 (90392844)
Project Period (FY) 2016-04-01 – 2019-03-31
Keywordsロケットエンジン / 銅合金 / クリープ疲労 / 累積損傷 / 非破壊検査 / 寿命予測
Outline of Annual Research Achievements

液酸液水ロケットエンジンの高信頼化・繰り返し運用の最大の課題は、燃焼室内壁銅合金のクリープ疲労である。着火・停止による大ひずみ振幅の極低サイクル疲労と定常燃焼中の定応力クリープ変形という、発電プラント等ではあり得ない条件が重畳し、線形損傷則よりもはるかに急速な損傷蓄積が生じる。本研究では、クリープ疲労変形中の劣化損傷プロセスを定量的にモデル化し、広い条件範囲での定量的な寿命予測を行い、最終的には累積する損傷度を非破壊検査により定量的に評価することを目的とした。
析出硬化した銅合金と焼鈍した銅合金のどちらにおいても、燃焼サイクルを模擬したクリープ疲労試験において、単純クリープ試験・単純疲労試験と比較し大きな寿命低下が見られた。その原因として、クリープ疲労の各サイクル毎に、大塑性疲労変形の導入により、ひずみの蓄積が大きい遷移クリープが発現 することと、クリープ疲労寿命の後期に、疲労亀裂とクリープボイドが合体・連結することで損傷が一気に加速する、という二つの要因がわかった。特に焼鈍合金においては、逆遷移クリープが出現することが観察され、その原因として、大きな圧 縮応力の負荷による転位導入に伴い加工硬化が生じると,直後のクリープ開始時のひずみ速度は低下するが,クリープ中に転位が回復し変形が容易になり逆遷移クリープが発現する、ということがわかった。
累積損傷度を定量的に評価する技術確立のため、途中止めクリープ疲労試験で損傷度のわかった試験片を準備し、①渦電流探傷法、②非線形超音波法、③陽電子消滅法、④レプリカ法の各種非破壊検査手法により欠陥と信号との対応関係を明らかにし、それを基に燃焼室の損傷度を推定した。この中で、渦電流探傷法および陽電子消滅法において寿命推定の可能性が示された。

Research Progress Status

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

  • Research Products

    (11 results)

All 2019 2018

All Journal Article (4 results) (of which Peer Reviewed: 4 results) Presentation (7 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results)

  • [Journal Article] 酸化膜を対象としたレプリカ法による液体酸素/液体水素燃焼器銅合金劣化損傷評価2019

    • Author(s)
      志波光晴,早川正夫,橋本知之,竹腰正雄,佐藤英一
    • Journal Title

      日本金属学会誌

      Volume: 83 Pages: 176-180

    • DOI

      10.2320/jinstmet.J2018050

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Creep-fatigue behavior of annealed Cu-Cr-Zr alloy tested at 650 K and 750 K2019

    • Author(s)
      M. Mina, M. Brochu, H. Tobe, E. Sato
    • Journal Title

      銅と銅合金

      Volume: 58 Pages: ―

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Cu-Cr-Zr系合金のクリープ疲労における逆遷移クリープ2018

    • Author(s)
      山本鴻司,出口雅也,戸部裕史,佐藤英一
    • Journal Title

      銅および銅合金

      Volume: 57 Pages: 25-29

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Transient creep behavior and dislocation cell structure development during creep-fatigue deformation of fully annealed Cu-Cr-Zr alloy2018

    • Author(s)
      M. Deguchi, K. Yamamoto, H. Tobe, E. Sato,
    • Journal Title

      International Journal of Fatigue

      Volume: 116 Pages: 156-162

    • DOI

      10.1016/j.ijfatigue.2018.06.027

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] レプリカ法を用いた液体酸素/水素燃焼器の損傷評価2019

    • Author(s)
      志波光晴,早川正夫,橋本知之,竹腰正雄,佐藤英一
    • Organizer
      平成30年度 安全・安心な社会を築く先進材料・非破壊計測技術シンポジウム
  • [Presentation] ロケットエンジン用Cu-Cr-Zr合金の渦電流試験によるクリープ疲労劣化評価2019

    • Author(s)
      古屋裕之,内一哲哉,高木敏行,橋本光男,佐藤英一,竹腰正雄
    • Organizer
      平成30年度 安全・安心な社会を築く先進材料・非破壊計測技術シンポジウム
  • [Presentation] 非破壊検査を用いたロケット燃焼室銅合金の累積損傷度評価技術に関する研究2019

    • Author(s)
      竹腰正雄,佐藤英一,森谷信一,早川正夫,杉田一樹,白井泰治,水野正隆,荒木秀樹,古屋裕之,内一哲哉,高木敏行,橋本知之
    • Organizer
      平成30年度 安全・安心な社会を築く先進材料・非破壊計測技術シンポジウム
  • [Presentation] Transient Creep Behavior of Annealed Cu-Cr-Zr Alloy Tested in Creep-Fatigue2019

    • Author(s)
      Mina Blume、戸部裕史、Myriam Brochu、佐藤英一
    • Organizer
      高温変形の組織ダイナミクス研究会「平成30年度夏の学校」
  • [Presentation] Evaluation of Creep-Fatigue Degradation of Cu-alloy for Rocket Engine Combustion Chamber using NDT Method Based on Eddy Current2018

    • Author(s)
      Hiroyuki Furuya, Tetsuya Uchimoto, Toshiyuki Takagi, Mitsuo Hashimoto, Eiichi Sato, Masao Takegoshi
    • Organizer
      The 15th International Conference on Flow Dynamics (ICFD2018)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 渦電流試験の適用によるロケットエンジン燃焼器銅合金の劣化評価2018

    • Author(s)
      古屋裕之,内一哲哉,高木敏行,橋本光男,佐藤英一,竹腰正雄
    • Organizer
      日本非破壊検査協会 平成30年度秋季講演大会
  • [Presentation] Creep-fatigue behavior of annealed Cu-Cr-Zr alloy tested at 650 K and 750 K2018

    • Author(s)
      Mina Blume、戸部裕史、Myriam Brochu、佐藤英一
    • Organizer
      日本銅学会第58回講演大会

URL: 

Published: 2019-12-27  

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