2016 Fiscal Year Research-status Report
リアクティブアーク溶解法によるトリモーダルコンポジットの創製と特性評価
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16K06802
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| Research Institution | Osaka Prefecture University |
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Principal Investigator |
津田 大 大阪府立大学, 地域連携研究機構, 准教授 (80217322)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
尾崎 友厚 地方独立行政法人大阪府立産業技術総合研究所, 化学環境科, 研究員 (50736395)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | Ti2C / TiC粒子 / Ti析出 / N添加 / 時効 / N固溶 / TEM / 変態 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
今年度は、N添加及び時効がTiCへのTi析出に及ぼす影響について、X線回折、透過電子顕微鏡等により詳細に調べた。
0%N複合材料のTiCには、空孔を含む微細な非平衡相Ti2C（空間群Fd3m、およびR-3m）が多量に存在するが、Tiの析出は見られない。Nを2%以上含む（Ti、TiCおよびTi2CすべてにNが固溶する）場合、TiC内に板状のTiが二方向に析出する。Nの増加とともに析出するTi量は増大し、Ti2C（Fd3mおよびR-3m両方とも）の量は減少し、N量が5％ではTi2Cはすべて消滅する。つまり、TiC中に存在するNを固溶したTi2Cが、CとNを固溶したTiへ変態すると推測される。
Nを含まないTiC分散Ti基複合材料を600℃、1時間の時効でTiCにTiが析出する。その成長はまず[10-10]Ti方向に延び、続いて[0001]Ti方向に成長する。さらに長時間時効すると、析出Tiのサイズは増大し、その量も増す。時効を施した場合、Fd3m型のTi2Cは残存するが、R-3m型の Ti2Cは消滅する。すなわち、600℃時効によるTiC中へのTi析出は、Ti2C（R-3m）が消滅し、Tiへと変態したと考えられる。
1～2%N添加TiC粒子分散Ti基複合材料を600℃で1時間時効したところ、電子回折像にはTiとTi2Cの存在が確認され、Ti2Cのスポットはディフューズな散漫散乱からシャープなスポットへと変化している。このことは、これらの複合材料のTi2Cのドメインサイズが600℃時効により成長したことを示している。また、N添加により析出するTiは鋭く二方向に延びた板状であるが、熱処理により析出するTiは微細な紡錘状である。
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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
平成28年度の成果は、上述の通り、N添加及び時効がTiCへのTi析出に及ぼす影響を明らかにしたことである。Ti2Cには立方晶系の空間群Fd3mと三方晶系の空間群R-3mの2種類の結晶構造が存在し、この2つの結晶構造の違いは、C原子面とC空孔面の周期性の相違で説明される。また、Ti2Cについては、X線回折・中性子回折・電子線回折など様々な研究がなされており、V.N.Lipatnikovらによると、C/Ti比が0.48～0.55においては空間群Fd3mが安定であり、0.48以下では空間群Fd3mのTi2Cとα-Tiが共存すると報告しており、どちらか一方の結晶構造が単一で安定に存在せず、2つの結晶構造が共存するという報告もなされておりTi2Cは非常に不安定な物質であると考えられている。
この様に微細で複雑な構造を有し、かつ不安定なTi2Cに注目して、透過電子顕微鏡、及び電子回折像の解析を行ってきたため、予定以上に時間を要し、当初計画していた、微量（1～5%）のNを含んだTiC粒子分散Ti基複合材料の時効後の微細組織観察の内、3～5%N添加複合材料についてはまだ完了していない。来年度のできるだけ早い段階で、上記の組織観察を行うこととする
しかし、N添加なしの複合材料を、電子顕微鏡内で加熱し、600℃で保持しながら、TiC粒子内へのTi析出過程をin-situ（その場）で観察した結果から、成長はまず[10-10]Ti方向に延び、続いて[0001]Ti方向に成長するという、有益な情報が得られた。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成29年度には、上記のとおり3～5%のNを含んだTiC粒子分散Ti基複合材料の時効熱処理後の微細組織観察を継続して行う。現在600℃での時効等の熱処理を行っているが、さらに高温度での処理によりTi2Cの相安定性を調査する必要があればそれに対応する。すなわちTi2C とTiC の結晶学的、あるいは相安定性の観点から、セラミックス（TiC）中への金属相（Ti）析出を検討し、N添加及び時効がTiCへのTi析出に及ぼす影響について、総合的に検討する。
次に、TiCの体積率が高い、すなわちTiCがマトリックスとなる複合材料をTiN粉末を用いない新たな手法により作製することを目指す。また、透過電子顕微鏡によりTiC 粒子へのTi析出に関する微細組織観察も行う。これまでの研究結果から、2～5at%のNを含む複合材料中のTiC粒子と析出するTiとの間には、反応合成後の冷却過程における固相‐固相反応で生成する結晶学的法関係であることが示唆しているが、高vol％TiC複合材料でも同様の関係を有しているかを検証する。
本研究において、マトリックスTi及びTiC粒子中のN固溶量を知ることは極めて重要である。EPMAで定量分析を行う場合、TiとNのそれぞれの特性X線エネルギー（TiのLl線とNのKα線）の差が小さく、またN量が微量であるため、定量分析が難しいのが現状である。そこで、Nの特性X線のエネルギーの重なりがないZrに着目し、ZrC粒子分散Zr基複合材料を作製し、EPMAによりマトリックスZr、及びZrC粒子中のN量を高精度に分析することを試みる。これにより、TiCへのTi析出に及ぼすNの影響を考察する際の貴重な指針が得られると確信している。
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| Causes of Carryover |
平成28年度には、2種類のTi2C（空間群がFd3m及びR-3m）に注目して、N添加及び時効がTiCへのTi析出に及ぼす影響を詳細に調べた。Ti2Cは微細で複雑な構造を有し、かつ不安定な物質であり、透過電子顕微鏡観察、電子回折像の解釈に想定以上の時間を要したため、今年度予定していた3～5%のN添加後に時効した複合材料の微細組織観察、及び構造の解析が完了していないことは先に述べた。これに伴い、消耗品等の購入量等が予想を下回り、予算を次年度に繰り越すことになった。
また、新たに、ZrC粒子を分散させたZr基複合材料作製を合成し、マトリックス及び粒子中のN濃度の高精度測定が必要であると考え、来年度に検証することを計画している。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
平成29年度にはTEM観察関連の物品等の購入を予定している。また、TiC体積率の高い材料の作製、Zr基複合材料作製等に要する物品購入等を予定している。さらに、学会発表、打ち合わせ用出張旅費、データ整理等の作業者への謝金等も計画している。
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