フェライト鋼における変態超塑性を応用したSPF技術研究

2019 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 18K03585
• 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): 2018-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 変態超塑性

Outline of Annual Research Achievements

本課題は、将来的な変態超塑性型の超塑性変形による成形技術を実現するための圧縮変形挙動を研究するものである。超塑性は概して「微細粒超塑性」と「変態超塑性」に分類可能であり、前者はすでに航空機製造等の分野で幅広く超塑性成形（SPF）への応用がなされている。しかし、後者はいまだに工学応用の段階には至っていない。その一方で、申請者の専門分野（核融合工学）では、現在の成型技術の適用で、その特性が失われてしまうような新材料が開発されている。そこで、このような新材料の成型のため、本研究ではこれまでSPFに不向きとされ、ほとんど着目されてこなかった変態超塑性に注目した。本課題では、低荷重・高延性による変形という特性をSPFに発展させるための基礎段階を詳細に調査する。2018年度(1年目)までには、本研究に必要な熱変動圧縮装置のセットアップを行った。その継続として、2019年度(2年目)は、その装置を用い、丸形圧縮試験体を用いた試運転兼、予備試験（加熱・加圧・熱変動）を行い、研究に必要な性能が確保でき、且つ繰り返し試験に耐えうる安全性を確保できていることを確認した。その成果概要として、「これまでにない新しい熱変動圧縮装置を完成」させることができた点は非常に重要であると考えている。特に本装置は、実験の出発段階で、シンプルながらも実験室レベルで行うにはいくつか危険性を伴うことが予想されたが、そのような危険性を排除し、繰り返し熱変動試験に耐えうる安全性を確保できた点も工学研究を行うにあたり必要不可欠であり、重要な知見になると期待している。

Current Status of Research Progress

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

Reason

現在までの進捗状況として、1年目には主装置となる熱変動圧縮試験装置および周辺装置の準備を計画し、2~5年度には圧縮変形試験および組織観察を挙げていた。2年目となる今年度は、実際の本試験前の予備試験として実際の丸形圧縮試験体を用い、熱変動下による圧縮試験を実施した。具体的な試験内容として、2本の圧縮棒で試料を挟み、昇降可能なスライド式の加熱炉により、無荷重で試料の昇温を開始する。目標温度到達後には、一定荷重を負荷し試験を開始とする。その後、炉をスライドさせ試料のみを大気に曝露し自然冷却させる。この後、再度炉をスライドさせ、試料の昇温を行い温度変動とした。このように温度変動工程は単純作業であるが、1000度以上の高温かつ150kg近い荷重をかけ、同時にそれがむき出しの状態となる。このような危険をはらむ試験でありながらも1年目の組み上げ技術により、試験上の安全確保に成功できた点は、大きな成果であると考えている。その大きな理由として工学発展を見越した場合の技術的フィードバックが挙げられる。研究段階では実験室レベルの装置で、危険性も小規模に留まるが、実際のものづくりの現場ではその危険性も大規模化することが想像できる。つまり小規模なレベルの技術もまた、将来的な大規模装置へのノウハウにフィードバックされる可能性を秘めているといえる。このように安全性が確保された上でさらに、「均熱帯：炉内において目標温度に外れない領域」の調整も行った。これにより出力の小さい炉でありながらも、その出力で効率的に目標温度を維持できるようになった。さらに現在では、同試験を10サイクルまでかけることに成功し、「熱変動圧縮試験」が確実に行えることを確認した。以上のように、今年度は当初計画していた準備段階は十分に満たしていると判断した。

Strategy for Future Research Activity

2019年度までに、熱変動圧縮試験を繰り返すまでに至ったうえで、3年目以降の試験をより効率的に行うために改善点が必要となってきた。それが「炉体の昇温速度性能の向上・目標温度の維持能力の向上」である。本圧縮試験に用いられている炉体は、過去に熱変動型の引っ張り試験時に使用したものを流用しており、圧縮試験を行うには出力が小さく、限界があるため目標温度到達までの時間が長いという欠点がある。その一方で全体の機構を変化させることは難しく、炉体の変更は現実的ではない。そこで今後の研究推進方策として、炉体の「保温力」を向上させるため圧縮棒との隙間を極力少なくし、炉内への大気侵入を防ぐことを考案した。そのために、3年目に先立ちすでに、この改修に入っている。これにより本改修後には3年目以降に予定している熱変動試験をより迅速に行えるものと期待している。そのため3年目以降には、2年目までに行った10サイクルをはるかに超え、所要時間的にも効率的に100サイクル前後まで熱変動試験を行えることを期待している。その多数のサイクルをかけた試験結果の着目すべき観点として、その「圧縮率」がある。具体的には、多数の熱変動をかけた試験体と熱変動に相当する時間をかけて等温加熱した試験体の圧縮率を比較することにより、その変化を調査する。この変化により「本来圧縮できない低い荷重域で熱変動がどのように作用するか」が明らかになることを期待している。

Causes of Carryover

当該年度の使用を見送り、次年度に使用額が生じた理由は、現在の段階では学会発表には不十分であると判断したためである。また年度末における情報収集のための研究会等も出張の規制もあり取りやめたため次年度使用額が生じた。生じた次年度使用額は、「今後の研究の推進方策」で述べた炉体の補修にあてる予定である。