2019 Fiscal Year Annual Research Report
Development of elastically-deployable, monolithic-sheet structure using superplasticity given to superplastic titanium alloy
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19H02485
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| Research Institution | Japan Aerospace EXploration Agency |
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Principal Investigator |
佐藤 英一 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 教授 (40178710)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
竹内 伸介 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 准教授 (20353419)
戸部 裕史 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 助教 (40743886)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | チタン合金 / 形状記憶 / 超弾性 / ロケットモータ / ノズル / 展開構造 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
Ti-4.5Al-3V-2Fe-2Mo合金(SP-700)は、適切な熱処理を施すことにより超弾性特性を示すことができ、これを上段ロケットノズルの折り畳み展開構造に適用できることを目的とした。
(1) 多段階熱処理条件検討による超弾性改善を図った。850℃-10分焼鈍と875℃-10分溶体化により，溶体化後も母材部において{001}〈11-0〉β集合組織が保持され，母材部超弾性の等方性が保たれた。
(2) TIG溶接を行うと、冷却速度が低く延性が失われた溶接組織が得られたが、これに (1)の溶体化を施すことで、粒界α相が消え延性が回復し，超弾性化可能となった。
(3) マイクロプラズマ溶接を行うと、冷却速度が大きいため溶接組織はマルテンサイト単相となり，変態温度調整のみで超弾性化が可能であった。
(4) SP-700超弾性ノズルの実現性を示すため、SP-700板材ロケットノズル延長部の実物大模型を試作し、折り畳み・展開試験を実施した。冷間圧延材を約250μmまで研削した扇形パーツをマイクロプラズマ溶接してノズル形状とし、真空油冷炉を用いて熱処理を施し，ノズル全体の超弾性化を図った。この時溶接組織はマルテンサイト単相を示した為溶体化処理は行わず，変態温度調整を目的とした焼鈍・時効のみを施した。その後、折り畳み・展開試験を実施した。溶接の段階で溶接部に2か所穴が開いてしまい, 展開後この周辺に残留ひずみが一部観察されたが,それ以外のノズル全体には残留歪みによる大きな変形は目視されなかった。これにより、超弾性展開ノズルの実現性を概ね示すことができた。
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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
当初の研究項目の、1.超弾性付与熱処理、2.超塑性成形による集合組織の弱化およびその後の超弾性特性 については終了することができた。3.超弾性展開ノズルの模型試作についても、1回目の試作、試験が完了し、概ね実現性を示すことができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
大型展開モデルの試作・展開試験 昨年度までの研究で、当初の研究項目の、1.超弾性付与熱処理、2.超塑性成形による集合組織の弱化およびその後の超弾性特性 については終 了し、今年度は、3.超弾性展開ノズルの模型試作を昨年度に引き続き継続実施する。
3-1.大型板材の薄板化の検討(戸部) 昨年度の一部試作で、チタン板材の厚み250μmまでの研削行程における残留ひずみが、次工程の熱処理での歪みを誘起していることが判明した ので、中間焼鈍を加えることによる残留ひずみの低減を実施する。
3-2.ひずみの小さな熱処理条件の検討(戸部) 昨年度の一部試作で、個別の板段階とノズル形状に溶接した段階での熱処理を行った結果、熱処理によるゆがみは後者の方が少ないという結果 が得られた。今年度は、熱処理治具の検討等を行い、歪みの小さな熱処理プロセスを開発する。
3-3. 折りたたみ展開試験(佐藤・戸部・竹内) 製作したモデルの折りたたみ・展開試験を実施する。その際、画像計測による形状測定を行い、次項目に解析と定量的な比較検討する。
3-4. 展開プロセスにおける変態・変形解析(竹内・佐藤) 変態による非弾性変形を取り入れた折りたたみ展開プロセスの数値解析を行い、前項の折りたたみ展開試験結果を定量的に評価する。局所的に ひずみの大きな箇所の変態挙動を、実際の組織と照らし合わせる。
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