Fabrication of novel high temperature hard materials by incorporating high entropy alloys into ceramics

2018 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 18K04788
• Research Institution: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
• Principal Investigator: 古嶋 亮一 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 主任研究員 (50635307)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 且井 宏和 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 主任研究員 (70610202)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 高エントロピー合金 / アーク溶融 / エンタルピー / エントロピー / 原子半径 / 酸化 / 室温曲げ強度 / 高温曲げ強度

Outline of Annual Research Achievements

優れた高温特性を示す硬質材料の開発を目標として、本年度はセラミックスと複合化させる高エントロピー合金(HEA)を構成する5種類の金属元素の選定と、作製したHEAの室温・高温曲げによる機械的特性の評価を行った。具体的には、合金化に際して金属間化合物を形成せずかつ互いに分離しないという観点、混合のエンタルピーやエントロピー、原子半径比などを計算し、その結果から候補となる金属5元素の組み合わせを抽出し、候補となる5種類のHEA（TiNbMoTaW、VCrNbMoTa、TiCrNbMoTa、TiVNbMoTa、CrFeCoNiMo）を決定した。これらの5種類HEAの候補を作製するため、金属粉末の混合成形体を半焼結し、アーク溶融装置を用いることで金属成分を溶解し、合金化を試みた。その結果、TiNbMoTaWは、高融点金属であるタングステン（W）が溶融困難なため合金化困難であることがわかった。また、VCrNbMoTaに関して溶融は可能だが、溶融後のサンプルの酸化が激しく、上記候補として適切でないと判断された。残った3種のHEAに関しては、問題なく溶融でき、合金化後の激しい酸化も見られなかった。そこでこれらの3種のHEAを試験片に加工し、室温と高温曲げ強度の評価を行った。その結果、TiCrNbMoTaは室温から1000℃まで約400MPa、CrFeCoNiMoは室温から800℃まで約1000MPaの強度を維持することが分かった。一方、代表的な耐熱・耐酸化材料の一つであるカンタルは室温では1200MPa高強度を示すが、800℃で100MPa以下の強度に低下する。以上の結果から、セラミックスを複合化させることで優れた高温特性を示す硬質材料を作製するためのHEAとしてTiCrNbMoTaとCrFeCoNiMoが候補になることが期待できる。

Current Status of Research Progress

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

Reason

研究代表者はHEAを構成する金属5元素の組み合わせを選定し、金属粉を混合し、アーク溶融を用いて高エントロピー合金（HEA）を作製し、室温・高温強度を評価した。その結果、セラミックスと複合化させるHEAとしてTiCrNbMoTaとCrFeNiCoMoが有望であると判断した。本結果は、セラミックスと複合化させるHEAの設計と作製および評価を行うことを目標とする平成30年度の目標に合致したものあるといえる。ただし、有望と判断される2種類のHEAがセラミックスとの複合化に適しているかは、実際に複合化し、機械的特性を評価しないと明確には分からず、機械的特性などの評価の結果から一部の元素の追加や取り除き、置き換えなどを検討する必要がある。また、本成果を論文発表や学会発表するには、比較材料の評価や微細構造の観察など学術観点から検討すべき点が残っており、成果発信に関してはさらなる実験的検証が必要である。

Strategy for Future Research Activity

候補となるHEAと複合化させるセラミックスの選定を行い、候補となるHEAと複合化を行い室温・高温曲げ強度などの機械的特性を評価する。複合化においてHEAの融点が重要な因子となる。比較的融点の低いCrFeNiCoMo（推定融点2066℃）の場合は、液相焼結が想定され、複合化させるセラミックスとCrFeNiCoMoの濡れ性が機械的特性に重要な影響を及ぼすと考えられる。このためCrFeNiCoMoとの濡れ性の優れたセラミックスとして炭化物を中心に探索を行う。一方、融点の高いTiCrNbMoTa（推定融点2595℃）の場合は、固相焼結が想定される。この場合は、TiCrNbMoTaと反応して強度を低下させる化合物を生成しないセラミックスを選定する必要がある。この候補として、酸化物、窒化物、炭窒化物あたりを中心に探索を行う。また、複合化させるセラミックスの候補が決まった場合、機械的特性をさらに向上させるために、候補となるHEA組成（TiCrNbMoTaとCrFeNiCoMo）から一部の元素の追加や取り除き、置き換えなどを行い、曲げ強度などの機械的特性への影響を調べる。

Causes of Carryover

人件費に係わる契約職員の雇用の時期が当初の計画よりも遅くなったため、差額が生じた。