2022 Fiscal Year Annual Research Report
複合元素添加遷移金属シリサイド基共晶材料の異常強化機構
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21H01651
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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) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 共晶複相材料 / 異常強化現象 / 力学特性 / 構造・機能材料 / 強化機構 / マイクロ機械試験 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
次世代の超耐熱構造材料として有望な遷移金属シリサイド基一方向凝固(DS)共晶材料(共晶温度：1900℃以上)では，構成元素である遷移金属元素の一部を二種類以上の他の遷移金属元素で同時に多量置換した際に特異な強化現象を発現することを見出した．本研究では強化に有効な添加元素の種類と添加量の系統的な探索，組織的特徴のキャラクタリゼーション，マイクロ機械試験法などを駆使した力学特性評価を通じて，対象とするDS共晶材料の特異な強化現象の発現メカニズムを解明すること，さらに高温高強度化に適した合金設計指針を確立することを目的としている．令和4年度は遷移金属元素TMがMo，Nbの合金系，およびMo,Nb,Taの3元素にさらに1種類の元素含む合金系について，TMSi2-TM5Si3二相共晶組織が得られる合金系の探索を行うとともに，一部の合金系について一方向凝固材の育成，微細組織のキャラクタリゼーション，力学特性の評価，変形組織解析を行った．さらに昨年度に引き続き二相共晶合金の力学特性を理解するための重要な基礎として構成相である各種遷移金属シリサイド(TMSi2およびTM5Si3)の単相単結晶を用いて室温でのマイクロ機械試験，バルク単結晶試料を用いた高温圧縮試験を行い，活動可能な変形モードとそれらの臨界分解せん断応力の同定，転位組織の観察・解析をすすめた．また，第一原理密度汎関数法による一般化積層欠陥エネルギー(GSFE)と表面エネルギーの理論計算，GSFEを基にした転位の運動に対するパイエルス応力の計算を行い，変形機構の詳細に関する検討を進めた．
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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
昨年度までにC40/D8m二相共晶組織の形成を確認したMo-Nb-Si三元系合金について，光学式浮遊帯域溶融(FZ)法により様々な条件で一方向凝固(DS)材を育成し，DS条件と組織の相関を調査した．その結果，合金組成によらずFZ法の熱源としてキセノンランプを用いた場合に，より均質かつ微細な組織が得られることを明らかにした．得られた一方向凝固材の力学特性をDS材の圧縮試験により評価したところ，いずれの合金組成のDS材も1300℃以上の高温域において塑性変形することを確認した．これらのMo-Nb-Si三元系合金のDS材の降伏応力は1300℃で1GPa以上と非常に高い値をとり，温度の上昇とともに低下する傾向を示した．得られた降伏強度は，Mo-Si二元系共晶合金のものよりもはるかに高く，Mo-Nb-Si三元系合金DS材が非常に優れた高温力学特性を有していることがわかった．構成相である遷移金属シリサイドの室温塑性変形挙動の調査では，今年度は特にMo5Si3相についての実験研究を進め，Mo5Si3単結晶は他のTM5Si3と比較して非常に脆性的であり，室温ではマイクロサイズの単結晶を用いた機械試験でも全く塑性変形能を示さず，1200度以上の高温域においてのみ限られたすべり系の活動により塑性変形可能であることを明らかにした．さらに同定に成功したすべり系に関して，第一原理DFT計算による一般化積層欠陥エネルギーの計算を行い，転位がすべり運動するすべり面や転位の分解反応に関する理論的検討を行った．同様の理論的検討を一連の遷移金属シリサイドについても進め，Mo5Si3相のみが示す高い脆性の原因についての考察を進めた．また多元遷移金属元素含有シリサイドの変形機構理解のための基礎として，多元高濃度系固溶体合金や各種化合物相の塑性変形挙動を調査し，様々な基礎的知見を得た．
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| Strategy for Future Research Activity |
昨年度までに引き続き，4～5種類の遷移金属元素を等モル量あるいは非等モル量含む各種合金系を対象として，TMSi2-TM5Si3系あるいはTM-TM5Si3系二相共晶二相共晶組織が得られる合金系の探索を進め，二相共晶組織が得られた合金系については一方向凝固(DS)材の作製，微細組織のキャラクタリゼーション，力学特性の評価を行う．またこれまでに調査を行った合金系も含めて，様々なTM組成を有する一連のTMSi2相，TM5Si3相の単相単結晶のマイクロピラー圧縮試験を行い，これら構成相の力学特性に及ぼすTM組成の影響について明らかにするとともに，透過電子顕微鏡法および走査透過電子顕微鏡法を駆使した転位組織，転位芯構造の観察，第一原理DFT計算による一般化積層欠陥エネルギーの計算を通じた理論的検討をすすめ，構成各相の変形機構の理解を深め，力学特性の支配因子を明らかにする．さらに得られた成果を基に，遷移金属シリサイド基一方向凝固(DS)共晶材料において遷移金属元素で同時に多量置換した際に発言する特異な強化現象のメカニズムの解明を試み，高温高強度化に適した合金設計指針の確立を目指す．
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