| 研究領域 | 超温度場材料創成学：巨大ポテンシャル勾配による原子配列制御が拓くネオ３Ｄプリント |
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| 研究課題/領域番号 |
21H05198
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| 研究種目 |
学術変革領域研究(A)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 審査区分 |
学術変革領域研究区分(Ⅱ)
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| 研究機関 | 国立研究開発法人物質・材料研究機構 |
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研究代表者 |
戸田 佳明 国立研究開発法人物質・材料研究機構, マテリアル基盤研究センター, 主幹研究員 (60343878)
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| 研究分担者 |
御手洗 容子 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (10343881)
中野 貴由 大阪大学, 大学院工学研究科, 教授 (30243182)
松永 哲也 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 准教授 (30595905)
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| 研究期間 (年度) |
2021-09-10 – 2026-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
111,280千円 (直接経費: 85,600千円、間接経費: 25,680千円)
2024年度: 20,410千円 (直接経費: 15,700千円、間接経費: 4,710千円)
2023年度: 20,540千円 (直接経費: 15,800千円、間接経費: 4,740千円)
2022年度: 20,540千円 (直接経費: 15,800千円、間接経費: 4,740千円)
2021年度: 29,120千円 (直接経費: 22,400千円、間接経費: 6,720千円)
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| キーワード | チタン合金 / 積層造形 / 組織制御 / 高温特性 / 単結晶 / 高温強度 / 析出 / 力学特性 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
ジェットエンジン用材料であるチタン合金の超温度場下での単結晶化および微細粒化による適材適所の特性向上のため、3次元積層造形による結晶成長と相変態挙動を明らかにし、それによる組織制御と特性向上を目指す。特に、レーザー／電子ビームによる溶融・凝固プロセス中に発生する超温度場における組織の微細化を生かした組織形成と、力学特性を向上させた材料創成をめざす。
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| 研究実績の概要 |
本計画班では、ジェットエンジン用材料であるチタン合金の超温度場下での単結晶化および微細粒化による適材適所の特性向上のため、3次元積層造形による結晶成長と相変態挙動を明らかにし、それによる組織制御と特性向上を目指す。特に、レーザー／電子ビームによる溶融・凝固プロセス中に発生する超温度場における組織の微細化を活かした組織形成と、力学特性を向上させた材料創成をめざす。
2022年度は、耐酸化性に優れた開発合金であるnear-α型Ti-6Al-4Nb-4Zr (mass%) 合金の粉末から、粉末床溶融結合型レーザービーム積層造形装置を用い、レーザーパワーやスキャン速度を変えて積層造形体を作製した。そして、熱処理条件により組織を変化させて積層造形材の組織形成を明らかにし、室温と高温の圧縮強度やクリープ破断寿命を測定して、積層プロセス・熱処理と組織・機械的特性の関係を解明した。また、同組成の鍛造材の組織や特性と比較した。さらに、near-β型Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo合金の粉末についても同様に、積層造形条件を変化させながら造形し他試料の組織観察を行うことで、積層造形条件と組織の関係について調べた。
チタン合金の高温特性はβ相中のα相の析出形態に大きく依存するため、チタン合金の析出挙動を計算により予測することができれば、高温特性向上に最適な析出形態を得るための合金組成・積層条件・熱処理条件を効率的に探索できる可能性がある。そこで、最小限の入力パラメータで容易に析出挙動を計算できる組織自由エネルギー法の有用性を確かめるために、実用多元系チタン合金のβ母相中のα相と第三相の等温析出開始線を予測してみた。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
積層造形の超温度場により、新しく開発された耐熱耐酸化性チタン合金の冷却時に高温強度阻害因子の等軸α相の形成を抑制し、最適な熱処理によりα/β層状組織を制御できた。積層造形材では、α相領域で熱処理しても、結晶粒の成長を抑制できることが明らかとなった。熱処理により異なる組織を生成させ、クリープ特性の評価を行い、クリープ変形機構を明らかにした。クリープ変形機構が粒界すべりであることを示し、等軸α相の形成によりクリープ寿命が短くなる機構を明確にし、積層熱処理材の組織が、クリープと疲労のバランスの良い材料創成につながる可能性を示唆した。このように、従来のプロセスである鍛造や鋳造では得られなかった新しい組織を、超温度場を利用した積層造形で創成することができ、高温特性を向上させることに成功した。また、組織自由エネルギー法がチタン合金の析出過程を迅速に予測するのに有用であることを示し、積層造形したチタン合金の高温特性向上に最適な析出形態を得るための合金組成・積層条件・熱処理条件を効率的に探索できる可能性を見いだした。
2022年度に実施する予定だった実験や計算を計画通りに遂行することができ、概ね順調に進展していると言える。
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| 今後の研究の推進方策 |
① 粉末床溶融結合型レーザービーム積層造形装置を用いて、Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo (mass%)合金粉末から積層造形体を作製する。レーザーパワーやスキャン速度を変えて積層造形し、冷却速度と温度勾配に伴う積層造形体組織の変化を解明する。これらの結果から、最適な積層条件により、単結晶または多結晶のβ相過飽和固溶体の積層造形体を作製する。
② 得られたβ相過飽和固溶体の積層造形体をいくつかの温度・時間で熱処理し、α相を析出させ、熱処理条件とα相析出形態の関連を解明する。
③ β相過飽和固溶体中にα相を析出させた積層造形体の高温引張（圧縮）強度とクリープ強度を測定し、組織形態と高温特性の関連を得る。
④ 合金組成を変えてチタン合金における絶対安定性発現のための凝固速度下限値を網羅的に計算し、凝固速度下限値の添加元素と組成の影響を調べる。
⑤ 組織自由エネルギー法により、チタン合金におけるβ相過飽和固溶体からα相の連続冷却曲線を計算する手法を確立し、その合金組成依存性を網羅的に調べる。④と⑤から、凝固速度下限値と連続冷却中のα相の析出ができるだけ遅く、かつ析出したα相の体積分率が大きいチタン合金組成を探索し、スーパーチタン合金として提案する。
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