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

2021 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

本課題では、変態超塑性型の超塑性成形（SPF）という新しい着想に基づいた　革新的加工を実現するための研究を行っている。この超塑性とは、金属やセラミックにおいて、通常の変形よりも“低荷重かつ高延性“を示す特異な現象であり、様々な材料加工に応用可能とされている。この現象は、一般的に、「微細粒超塑性」と「変態超塑性」に分類することが可能であり、前者はすでに航空宇宙分野で広く超塑性成形（SPF）への展開がなされている。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。そのような現状の中、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によりその特性が失われてしまうという新材料（低放射化鋼）が開発された。そこで、この材料の特性を損なうことなく成形するため、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。そして本課題では、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ことを目指した。この調査を行うにあたり、「引張（前課題で終了）」「圧縮」「複合変形」の段階が必要であると考えており、2018年度(1年目:平成30年度)~ 2019年度(2年目：令和1年度)までには、「圧縮」段階に必要な熱変動圧縮装置のセットアップを行い、丸形圧縮試験体を用いて熱変動による圧縮試験を実施した。この段階の詳細な調査は現在も進行中である。さらに2020年度(3年目：令和2年度) ~ 2021年度(4年目：令和3年度)は、従来のSPFを得意とする民間企業の協力のもと、ガス圧による「複合変形」の調査に進んだ。現在は、この膨張変形の機構を詳細に調査しており、新しい金属加工技術への発展に向けた検証している。

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、2018年度(1年目:平成30年度)は主装置となる熱変動圧縮試験装置群の準備、2019年度(2年目：令和1年度)にその予備試験、2020年度(3年目：令和2年度)は熱変動下による圧縮試験が実際に可能であることを実証した。この試験については現在も進行中であり、成果がまとまり次第、関連学会および学術雑誌にて発表予定である。2021年度(4年目：令和3年度)は、前年度の圧縮試験から発展し、本研究（変態超塑性研究）一連の最終段階である「複合変形」の研究を開始した。
報告年度である2021年度(4年目：令和3年度)において特筆すべきは、ガスによる内圧を利用した試験体による熱変動試験に成功した点である。この試験は、非常にシンプルであり、変態超塑性を示す材料を缶状態に加工し、内部を既定の圧力に保持、昇温・サイクルを繰り返すというものである。これにより目標温度で内部に充填したガスの膨張により内圧が発生し、温度サイクルをかけつつも缶自体に内部から等方のガス圧を付加することができる。このような試験方法を大型の試験炉で行い、さらに使用した材料も候補材に近い耐熱材料を用いて実証できたことも成果の一つである。しかしその一方で、この試験において熱変動が変形を大きく促進しているという結果は得られなかった。これは変態超塑性が熱サイクルの速度に依存しているためと考えられる。このような報告年度の結果は次年度へ向けた推進方策を立てるために重要な知見となった。よって、当初の研究計画以上に進行していると判断した。

Strategy for Future Research Activity

4年目（2021年度：令和3年度）までの結果では、変態超塑性を用いた複合変形において、熱処理時の昇温・冷却速度が、影響を与えていることが明らかになり、その変形をより容易に進行させるためには、熱変動の速度を上げる必要性が示唆された。この結果に基づき、熱処理温度履歴の変更や装置そのものの変更を計画している。具体的には、現在使用している真空炉の温度サイクルプログラムを変更することにより、さらに早い熱サイクルを試験体に付与できると期待している。一方で真空炉の熱容量を考慮し、さらに急速な熱サイクルが必要となった場合には、別途、大気炉を用いた方策を検討している。これにより、高温炉内からの解放が容易になり空冷による急速冷却・再度保温状態にある炉内への挿入による急速昇温が可能となる。また現在初年度より進行している圧縮試験に関しては、変態超塑性による加工技術の幅をさらに広げる変形モードであり、試験を継続する。本年度は最終年度となるため、前課題（若手研究B）による引張モードに引き続き、本課題（基盤C）での圧縮モードおよびこれらの複合変形の効果を解析するに至ることを目指している。そして、本課題のタイトルともなっている「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」の実現に近づけるよう努め、まとめの段階へ移行する予定である。また、これらの成果をまとめることにより、国際学会及び学術雑誌への発表・投稿を検討している。