2015 Fiscal Year Research-status Report
酸化物分散強化合金中のナノ酸化物粒子析出・成長モデルの構築
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26820325
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
大野 直子 北海道大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (40512489)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | ODS鋼 / ナノ酸化物粒子 / 析出の活性化エネルギー / Al, Ti, Zr添加 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究ではFe基酸化物分散強化(ODS)合金の酸化物粒子析出過程を明らかにすることを目的としている。H27年度は酸化物粒子の析出初期挙動をより詳細に把握するため、Fe-15Cr-2W合金をベースとし、Y2O3, Y2Ti2O7, Y2Zr2O7, YAlO3などの異なる酸化物が析出するように添加元素を意図的に変化させた (Y2O3のみ、Ti添加、Al添加、Zr添加) 合金を対象とした。メカニカルアロイング(MA)処理後の各粉末について真空炉中で500℃~1150℃, 4hの熱処理を施し、これら試料をSPring-8の放射光を用いたX線回折(XRD)と小角散乱(SAXS), 東北大金研大洗研究施設の3次元アトムプローブ(3DAP) , 北大のTEMを用いて分析した。
XRDからは添加元素の種類によって析出開始温度が異なること、特にZrを添加した試料について他の試料よりも遥かに低い温度(500℃)からY2Zr2O7の析出が見られることが分かった。SAXSからは全ての熱処理試料において数nm～十数nmの粒子が確認された。低温熱処理試料の3DAPまたはTEM分析から、Zr, Ti添加試料中のZr, Tiが粒子状に凝集していたのに対し、Alの偏析は見られないことが分かった。酸化物粒子形成自由エネルギー(⊿Gp)は、酸化物生成エネルギー(⊿Gf)、粒子/マトリクスの弾性歪エネルギー(⊿Gel)、及び粒子/マトリクス界面エネルギー(⊿Gin)の和で表わされる。700℃における⊿Gp をY2O3, Y2Ti2O7, Y2Zr2O7, YAlO3についてそれぞれ計算した結果、析出の臨界半径(r)及び活性化エネルギー(⊿Gpmax)はY2Zr2O7< Y2O3< Y2Ti2O7< YAlO3の順に小さくなり、本研究の実験結果から見られた析出の傾向と合致することが明らかとなった。
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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
H26年度に掲げた目標では「析出に際して一番影響するエネルギーを結論付けることを目的とした。析出核形成エネルギー⊿Gpについては、粒子/マトリクスの弾性歪エネルギー⊿Gelよりも酸化物生成エネルギー⊿Gfと粒子/マトリクス界面エネルギー⊿Gin の寄与が大きいことが分かった。しかし、⊿Gfと⊿Ginが活性化エネルギー⊿Gpmaxに及ぼす影響は析出する酸化物の種類によって様々であり、どちらかのエネルギーが⊿Gpmaxを決定する訳では無いことも分かった。析出の臨界半径(r)及び活性化エネルギー(⊿Gpmax)を計算した結果は実験から得た析出の傾向と同様であり、酸化物粒子の析出温度を考慮するにあたって、古典的な析出自由エネルギー計算が参考に出来ることが明らかとなった。
母相の一時再結晶は約700℃程度から開始する。本研究開始時には、一時再結晶開始と当時に酸化物が析出し始める結果が得られていたため、酸化物の析出が母相の変化に影響を受ける可能性を考えていた。H27年度は析出時の母相の変化をTEMによって観察することで、酸化物粒子-母相の界面エネルギーと析出の関係について検討する計画を立てた。H27年度は新たにZr添加試料におけるY2Zr2O7の析出が僅か500℃から開始すること、YAlO3の析出が母相の再結晶温度よりも高い温度で起こることが分かったため、母相の変化が析出影響するという仮定は誤りであると結論する。H26年度に引き続き、H27年度の解析結果からも、母相の変化が析出に影響するというよりも、一時再結晶以下の温度においてMAによって入った転位にY, Oクラスタが凝集することが重要であるといえる。
Fe-9Cr系について、H27年度は系統的に解析が可能なデータを得ることが出来なかった。主に試料熱処理時にO2ゲッタリングとして使用したZrの粉末への混入によるものと考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
H27年度までの成果を踏まえ、H28年度は以下の項目について検討を行う。
1. 析出初期の、クラスタが酸化物になる過程を理解する。自由エネルギー計算による析出核形成の予測については、H27年度にほぼ達成できたと言える。H28年度は更に、低温熱処理におけるクラスタが酸化物になる過程について詳細な調査を行う。H27年と同様Y2O3, Y2Ti2O7, Y2Zr2O7, YAlO3などの異なる酸化物が析出するように添加元素を意図的に変化させた試料を作製し、XAFS法によって低温熱処理試料に存在する「酸化物としての構造が同定できないナノ粒子(ナノクラスター)」の化学状態を観測することで、それぞれのナノクラスターが酸化物になる過程を明らかにする。
2. 酸化物粒子の成長に対して母相の結晶構造変化が及ぼす影響を明らかにする。H27年度はFe-9Cr系の系統的に解析が可能なデータを得ることが出来なかった。しかし、Fe-15Cr-2W系についてはSAXSによる粒子サイズ解析を同時に行ってきており、0.35Y2O3(H26年実施)、3.5Y2O3(H27年実施)のいずれにおいても、酸化物粒子の成長は900℃以上において顕著になることが分かっている。900℃はFe-9Cr系ODS鋼のα-γ変態温度域に属するため、これ以上の温度において熱処理を施した酸化物粒子のサイズを調査しFe-15Cr-2W系の粒子サイズと比較することで、α-γ変態によるマトリクスの結晶構造変化が酸化物粒子の成長に及ぼす影響を定量的に評価することができる。H28年度は試料へのZr混入を防ぐため、熱処理は真空炉で行う。
3. H28年度は酸化物粒子の析出・成長についてこれまでの調査結果を纏め、代表的な組成を幾つか選び、Yのクラスタリングが始まる600℃程度から一般的な焼結温度である1150℃までのシナリオを定性的・定量的に記述する。
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[Presentation] Precipitation of oxide particles in ODS ferritic steels2015
Author(s)
N. Oono, K. Nakamura, S. Ukai, N. Ebisawa, K. Tomura, Y. Nagai, S. Hayashi, S. Yoneda, T. Okuda, T. Ohtsuka
Organizer
the 17th International Conference on Fusion Reactor Materials (ICFRM-17)
Place of Presentation
Aachen, Germany
Year and Date
2015-10-15
Int'l Joint Research
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