2019 Fiscal Year Annual Research Report
Interface tailoring of eutectic composites for ultra-high temperature structural applications
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18H01735
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
岸田 恭輔 京都大学, 工学研究科, 准教授 (20354178)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 界面特性制御 / 共晶複相材料 / 構造・機能材料 / 力学特性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
「高強度」と「高延性・靭性」を兼ね備える構造材料の実現はすべての構造材料研究者が目指す究極の目標である．本研究では次世代の超耐熱構造材料の候補の一つである遷移金属シリサイド基共晶単結晶合金(共晶温度：1900～2020℃)の優れた高温強度を保持しつつ良好な破壊靭性を付与する方策として，合金添加による異相界面強度特性の最適化と組織の均質微細化を複合的に行う方法を提案し，その強靭化機構の妥当性と有効性を実験研究と理論的検討を相補的に行うことを通じて解明することを目的としている．
平成31(令和1)年度はC11b-MoSi2/D8m-Mo5Si3共晶合金に関する研究に加えて，前年度までにC40-(Nb,Mo)Si2/D8m-(Nb,Mo)5Si3共晶組織が得られる組成範囲(Nb/Mo比)を予備的に決定していたNb-Mo-Si三元合金系について，微細組織におよぼすSi組成や一方向凝固時の結晶育成条件の影響に関する詳細な検討を進めた．その結果，様々なNb/Mo比を持つNb-Mo-Si合金について均質微細な組織を有する一方向凝固共晶複相合金を得ることに成功し，一方向凝固共晶組織内での構成相間結晶方位関係，原子尺度での界面構造の詳細を明らかにした．得られた結果に基づき優先配向関係，安定界面構造と格子ミスフィットの相関についての考察を行った．さらに均質微細な共晶組織が得られたNb-Mo-Si三元合金一方向凝固材について高温圧縮試験を行い，C40-(Nb,Mo)Si2/D8m-(Nb,Mo)5Si3共晶一方向凝固合金が非常に優れた高温強度特性を有していることを確認した．
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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
異相界面強度特性最適化と組織均質微細化を複合的に行うことよる共晶複相材料の強靭化法の妥当性検証には，合金組成と結晶育成条件の最適化，詳細な界面構造解析が不可欠である．平成31年度はC11b-MoSi2/D8m-Mo5Si3共晶合金に関する研究に加えて，前年度までにC40-(Nb,Mo)Si2/D8m-(Nb,Mo)5Si3共晶組織が得られる組成範囲を決定していたNb-Mo-Si三元合金系についての研究を中心に進め，様々なNb/Mo比を有する合金について微細組織におよぼすSi組成と一方向凝固時の結晶育成条件の影響についての検討を行った．その結果，一部の合金系において均質かつ微細な共晶組織を得ることに成功した．得られた均質微細共晶合金について，共晶組織内での構成相間結晶方位関係を調査し， 共晶組織内で六方晶系C40-(Nb,Mo)Si2ならびに正方晶系D8m-(Nb,Mo)5Si3はいずれもc軸方向に優先成長すること，二相間には優先配向関係があるが，六方晶と正方晶の組み合わせのため，後者は試料全体で単一の方位を有する(単結晶状)のに対し，前者には方位の異なるドメインが形成されることを明らかにした．また，高分解能STEM観察により原子尺度での界面構造を明らかにし，それらに基づき優先配向関係，安定界面構造と格子ミスフィットの相関についての考察を行った．一部の合金について一方向凝固材の高温圧縮試験を行い，その高温強度(1300度以上)が同じの成長速度で育成したMoSi2/Mo5Si3共晶合金単結晶の約1.5倍の非常に高い値を示すことを明らかにし，Nb-Mo-Si三元合金系一方向凝固材が優れた力学特性を示すことを確認した．また研究候補としている様々な共晶材料の構成相の一部(NbSi2, SiCなど)に関しては，単結晶マイクロピラー試験法によりその基礎力学特性を明らかにした．以上のように，おおむね予定通りに研究が進捗している．
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度は引き続き育成に成功している(Nb,Mo)Si2(C40型)/(Nb,Mo)5Si3(D8m型)共晶合金を中心として，さらに別のBrittle/Brittle共晶材料にまで対象を拡大し，界面構造と界面強度特性に及ぼす元素添加の影響調査，ならびに高温強度特性，室温破壊靱性といった力学特性の評価を行う．界面の構造および界面強度特性に及ぼす元素添加の影響調査では，様々な共晶合金について，TEM, STEMによる異相界面構造解析，粉末XRDによる格子ミスフィット評価，STEM-EDSおよび3DAPを用いた界面偏析挙動の評価を行うとともに，界面インデンテーション法などを駆使して異相界面強度の定量評価を系統的に行い，実験データを蓄積する．均質微細な組織の形成に成功した試料については，一方向凝固条件の最適化によるさらなる微細化を試みるとともに，高温強度特性，室温破壊靱性といった力学特性の評価を行う．さらにこれまでに単結晶の力学特性が報告されていない構成相については，単結晶マイクロピラー圧縮試験法を用いた力学特性評価も試みる．また界面特性や，構成相の力学特性に及ぼす元素添加の影響については，第一原理計算による理論的検討も試みる．得られた実験結果，計算結果をもとにBrittle/Brittle共晶単結晶合金の強靭化法の妥当性と適用可能範囲・条件の一般化を図る．
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