Design principle of optimal surface texture for improving steam oxidation behavior of heat-resisting materials

2017 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 26870186
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 上田 光敏 東京工業大学, 物質理工学院, 准教授 (90376939)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: 耐熱金属材料 / 水蒸気酸化 / 保護性酸化皮膜 / 結晶方位

Outline of Annual Research Achievements

本研究では，耐熱金属材料の耐水蒸気酸化特性を向上させる母材集合組織の設計指導原理を確立するために，耐熱鋼の水蒸気酸化における酸化皮膜の組織形成に及ぼす母材結晶方位の影響を明らかにすることを目的としている。今年度は，オーステナイト系耐熱鋼のモデル合金であるFe-20Cr-35Ni (at.%)合金を用いて，1073 K，Fe/FeO平衡酸素分圧下における高温酸化実験を行い，保護性酸化皮膜の形成に及ぼす母材結晶方位の影響を明らかにした。酸化後の試料の表面には，２種類の酸化形態が観察された。結晶粒内には内部酸化による金属相の隆起が観察され，結晶粒界近傍では外部酸化皮膜が生成していた。結晶粒内の表面で隆起する金属相の組織形態は３種類に分類され，それらの組織の違いは隆起する金属相の量の差によるものであった。金属相が全面を覆っている場合，その直下には内部酸化層が生成し，金属相の隆起が少なく金属相に多数の穴が観察される場合，その直下には保護性酸化皮膜の連続層が生成していると考えられる。本研究では，酸化前の試料から得られる同一視野における逆極点図から，酸化形態と母材結晶方位との関係を関連づけた。その結果，(001)面や(101)面をもつ結晶粒の表面では，金属相が全面を覆っており，粒状の酸化物が観察された。一方，(111)面をもつ結晶粒の表面では，他の方位と同様に金属相と粒状の酸化物が観察されたが，金属相の隆起は少なく金属相には多数の穴が観察された。このように母材結晶方位によって内部酸化の組織形態に大きな違いが見られた。特に，(111)面では金属相の隆起が少なく，その直下に保護性酸化皮膜が生成しやすいことが明らかとなった。また，得られた結果は，Fe-20Cr-35Ni (at.%)合金を水蒸気酸化した際に得られる外層酸化皮膜の組織形態と母材結晶方位との関係とも概ね一致した。