ハイエントロピー効果と低拡散効果を積極活用した革新的異種材接合への挑戦

2022 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 22K18893
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 佐藤 裕 東北大学, 工学研究科, 教授 (00292243)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 鴇田 駿 東北大学, 工学研究科, 助教 (60807668)
• Project Period (FY): 2022-06-30 – 2024-03-31
• Keywords: 溶接・接合 / 異種材接合 / ハイエントロピー / 低拡散

Outline of Annual Research Achievements

FCC構造を有するAlCoCrCuFeNi系のハイエントロピー合金とAl合金の接合界面を、低入熱接合法の1つである摩擦攪拌接合を用いて作製することに成功した。組織観察により、接合界面には反応層はほとんど存在しないことを確認した。この接合界面に対して、500～600℃の温度で恒温保持し、反応層の形成およびその成長挙動を調べた。熱処理に伴い、反応層がAl合金側に向かって形成され、保持時間の増加とともに反応層厚さは増加した。反応層の構成相を調べた結果、Al合金に近い側にはAl-Ni系とAl-Cr系の金属間化合物が複雑に分散した反応層が確認され、ハイエントロピ―合金側にはFe2Al5とAlCoが微細分散した反応層が観察された。各熱処理温度における反応層全体の厚さと熱処理時間の関係を調べた結果、反応層厚さは熱処理時間の平方根に比例することが明らかとなった。さらに反応層成長の活性化エネルギーを見積もったところ235 KJ/molとなり、Al/Fe接合界面における反応層成長の活性化エネルギーと同等であったことから、低拡散効果による反応層の形成抑制は生じていない可能性が示唆された。接合界面に平行に引張荷重を加えた結果、反応層がない接合まま界面ではAl合金側で破断し、熱処理に伴って反応層が形成された接合界面では、Al合金／反応層もしくは反応層／ハイエントロピ―合金の界面をき裂が進展した。破断荷重は反応層形成に伴い低下し、ほとんど伸びることなく破断したことから、反応層のハイエントロピ―効果による延性向上なども生じていない可能性が示唆された。

Current Status of Research Progress

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

Reason

AlCoCrCuFeNi系のハイエントロピー合金とAl合金の組み合わせにおいて、「ハイエントロピ―合金の製造」、「Al合金との異種材接合」および「界面反応の解明」に関して系統的な実験を推進し、反応層の成長挙動や機械的特性に関する知見を得ることができた。そのため、当初の予定どおり進捗していると判断している。

Strategy for Future Research Activity

AlCoCrCuFeNi系のハイエントロピー合金とAl合金の組み合わせにおいて、予定どおり進捗できたが、本研究で期待していた反応層のハイエントロピ―効果や低拡散効果の発現は認められなかったため、予定していた「ハイエントロピ―合金インサートを用いた異種材接合」を進めるのではなく、他のハイエントロピ―合金と実用金属材料との接合界面における基礎現象の解明に注力し、画期的な異種材接合への展開へ繋げられる基礎知見の取得に努める。

Causes of Carryover

コロナの影響で、研究協力者の国立清華大学・蔡准教授との打合せのための外国出張旅費や招へい費用を執行することができなかったため、2023年度へ繰り越すこととした。2023年度は他のハイエントロピ―合金の設計・製造を実施する必要性が生じたため、蔡准教授と密に連携する必要がある。当初の計画していた消耗品や国内旅費、機器使用料に加え、日本と台湾間の外国旅費として使用する計画である。