2021 Fiscal Year Annual Research Report
Evaluation and clarification of irradiation damage mechanism in reduced activation high entropy alloys
Publicly Offered Research
| Project Area | High Entropy Alloys - Science of New Class of Materials Based on Elemental Multiplicity and Heterogeneity |
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| Project/Area Number |
21H00136
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
橋本 直幸 北海道大学, 工学研究院, 教授 (50443974)
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2021-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 積層欠陥エネルギー / Ni濃度 / Mn濃度 / 照射損傷 / フランク型転位ループ / 不純物 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、MnおよびNiの濃度を変えたFeCrNiMn系FCC型HEAのSFEを実験的に算出した後、電子線照射実験によって耐照射性評価を試みた。
アーク溶解によって作製したFeCr0.8NixMny合金に対して均質化熱処理(1160℃, 24h)、冷間圧延（圧延率90%）、再結晶化熱処理（1000℃, 4h）を施した。続いて、公称ひずみε=5%まで引張試験を行った試料に対し、透過型電子顕微鏡（TEM）を用いて<111>方向から拡張転位の幅を精確に測定し、SFEを算出した。また、再結晶化熱処理後の試料に対して電子線照射実験を行い、TEM観察により照射前後の微細組織変化を評価した。なお、FeCr0.8NixMn合金については、N濃度の異なる資料を用意し、引張特性及び照射損傷組織に及ぼすNの影響も併せて調査した。
SEMとXRDの結果から、作製した試料は全て熱処理後にFCC単相であることを確認した。FeCr0.8NiMn系HEAのSFEを実験的に求めた結果、SFEはNiおよびMn濃度の増加に伴って増大することを確認した。また、400℃におけるFeCr0.8NiMn系HEAの照射損傷挙動を調査した結果、NiおよびMn濃度の増加に伴い、照射欠陥の形成が抑制された。これらの結果は、SFEの制御によりCoフリーHEAの耐照射性も向上させられることを示唆している。また、当該試料の引張特性とNi濃度との間に明確な相関は観られないが、N濃度の増加に伴い延性を損なうことなく降伏応力及び引張強さが向上した。被照射試料中のフランクループの数密度(ND)及び平均サイズ(d)は、N濃度の増加に伴いそれぞれ増加及び減少し、その結果(ND×d)の値も減少した。この結果は、Nがフランクループの核形成を促進し、かつNi濃度の増加に伴い照射硬化が抑制されることを示唆している。
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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
原子炉および高速炉や核融合炉などの次世代型エネルギー炉の安全な稼働には、高エネルギー粒子照射環境に十分な耐性を持つ構造材料が必要不可欠であることを踏まえ、長期間継続利用可能で安全性の高い新規材料の創製を目指し、低放射化ハイエントロピー合金(RA-HEA)の創製を試みている。RA-HEAをデザインするに当たり、先ずは代表的な単相FCC型HEAであるCoCrFeNiMnからCoを除いたCoフリーFeCrNiMn系HEAを作製した。FCC構造材料において主要な損傷組織である積層欠陥四面体(SFT)およびフランクループ(FL)の形成・成長挙動は、材料の積層欠陥エネルギー(SFE)に強く依存すると考えられており、このことは逆に言えば、構成元素を適切に選択することにより材料のSFEを変化させ、照射損傷挙動を制御できる可能性があることを示唆している。当研究室では、開発戦略として先ずSFEの制御を掲げ、Ni, Mn, (Al)濃度の最適化を進めている。
FeCr0.8NixMny合金(x,y = 1~1.5)をアーク溶解法によって作製し、SEMとXRDで結晶組織観察および相同定後、引張試験とイオン照射実験を行い、照射損傷組織を精査した結果、SFEにMn，Ni依存性があること、高SFE試料は耐照射性を有すること、照射損傷組織に及ぼすN及びCの影響などが見い出された。
これまでの研究により、HEAにおける照射損傷組織発達は、①SFEの大小、②Mn,Ni濃度、③不純物濃度に強く依存していることが判明し、当初の研究目標にむかって順調に成果が出ていると判断される。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、HEAの照射損傷メカニズムの解明に向け、照射によって導入される過飽和な点欠陥の拡散挙動を精査する。具体的には、超高圧電子顕微鏡を用いた照射損傷その場観察実験による欠陥クラスター形成・成長挙動の把握、陽電子消滅測定やアトムプローブによる原子空孔と構成原子の相互作用に関する知見を得ることにより、より原子レベルの実験手法による解析を進めたい。
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