| 研究課題/領域番号 |
23K26406
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| 補助金の研究課題番号 |
23H01713 (2023)
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 配分区分 | 基金 (2024)
補助金 (2023) |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分26040:構造材料および機能材料関連
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| 研究機関 | 九州大学 |
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研究代表者 |
光原 昌寿 九州大学, 総合理工学研究院, 准教授 (10514218)
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| 研究期間 (年度) |
2024-04-01 – 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 |
18,720千円 (直接経費: 14,400千円、間接経費: 4,320千円)
2025年度: 5,070千円 (直接経費: 3,900千円、間接経費: 1,170千円)
2024年度: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)
2023年度: 7,150千円 (直接経費: 5,500千円、間接経費: 1,650千円)
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| キーワード | フェライト系耐熱鋼 / 金属間化合物 / クリープ / 高温強度 / 組織解析 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
発電プラントなどで実用されている高強度な高Crフェライト系耐熱鋼は、炭化物を多く含むマルテンサイト組織とすることが常識とされている。しかし、炭化物とマルテンサイト組織は高温で安定な組織とはいえず、それらによる析出強化と転位強化は変形中に徐々に失われていく。本研究では、このような高温で不安定な組織から脱却し、「フェライトを母相とし金属間化合物で強化された耐熱鋼の開発」を行う。そのために、Fe-W系金属間化合物で強化されたフェライト単相耐熱鋼の合金設計・組織デザインと強化理論の構築を行い、高温での延性向上のための結晶粒微細化手法の確立と粒界上析出物デザインの提案を行う。
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| 研究実績の概要 |
発電プラントなどで実用されている高強度な高Crフェライト系耐熱鋼は、炭化物を多く含むマルテンサイト組織とすることが常識とされている。しかし、炭化物とマルテンサイト組織は高温で安定な組織とはいえず、それらによる析出強化と転位強化は変形中に徐々に失われていく。本研究では、このような高温で不安定な組織から脱却し、「フェライトを母相とし金属間化合物で強化された耐熱鋼の開発」を行う。そのために、金属間化合物で強化されたフェライト単相耐熱鋼の合金設計・組織デザインと強化理論の構築を行い、超高強度フェライト系耐熱鋼の設計指針を明示する。
2023年度は、[1]開発鋼の基本構成元素についての検討を行った。耐酸化性向上のためのクロム、金属間化合物形成元素であるタングステン、磁気変態点の上昇によるクリープ強度向上効果を持つコバルトなどの添加元素に着目して合金を作製し、平衡状態の熱力学計算結果から導かれる適切な温度範囲での加工と熱処理を施した。その結果、微細で熱的に安定な金属間化合物相がフェライト母相に分散した合金作製に成功した。また、その合金の時効熱処理を実施し、クリープ変形中の強化相となり得る金属間化合物相の熱的安定性について調査した。
また、2023年度は、 [2]母相結晶粒径の制御に関連して、高温でオーステナイト化させることによる相変態を利用した結晶粒径の調整について検討を進めた。
2024年度は、上記[1]の研究活動をさらに推進しつつ、[3]強化因子としての金属間化合物相の最適化のための添加元素選択について新たに着手した。金属間化合物相構成元素として置換される元素を微量添加した合金を複数種類作製し、形成される金属間化合物相の分散状態に対して熱処理や予ひずみが及ぼす影響を調査した。また、それら合金のクリープ特性の調査も開始した。
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| 現在までの達成度 |
現在までの達成度
2: おおむね順調に進展している
理由
当初計画にて、2023年度に研究項目[1]としてフェライト単相耐熱鋼の合金設計・組織デザインを確立させ、2024年度から実施する高温力学特性評価に繋げることとした。研究項目[2]としてクリープ変形中の延性向上を目的とした結晶粒径制御または結晶粒界近傍の組織制御を行うための研究課題を設定し、2023年度に、高融点析出物や相変態を利用した結晶粒径制御について検討を開始することを計画した。また、2024年度より、研究項目[3]として強化因子としての金属間化合物相の最適化のための添加元素選択に関する研究を実施することとした。
[1]について、2023年度はクロム、タングステン、コバルトの添加量などを調整した数種類の合金を作製し、熱処理を施した後に、微細組織を評価した。2024年度は、金属間化合物相の析出形態に対する予ひずみの影響を調査するため、軽圧延した合金の熱処理試験を進め、金属間化合物相の析出に及ぼす優先析出サイト導入の効果について議論を進めた。さらに、2024年度は、作製した合金のクリープ試験を複数条件で開始した。
[2]について、2023年度に、高温でオーステナイト化させることによる相変態を利用した結晶粒径の調整についての成果が得られた。一方で、焼きならし温度の低下に伴って強化相の析出と粗大化が生じることがわかった。その結果として、ターゲットとする温度範囲において強化能を失うことが懸念された。
[3]について、2024年度には、微量合金元素を添加した新合金を複数種類作製し、熱処理中での析出状態変化を詳細に解析した。その結果、金属間化合物相の熱的安定性は、微量添加元素により大きく影響を受けることが判明した。また、予ひずみを加えることでも、析出状態が大きく変化することを見出した。さらに、これら合金のクリープ試験を開始した。
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| 今後の研究の推進方策 |
研究項目[1]について、2024年度までに、本研究課題の目標を達成するためのいくつかの合金組成は決定され、また、強化相の析出状態に及ぼす熱処理と予ひずみの効果に関する知見が蓄積された。2025年度は、2024年度に開始したクリープ試験を継続し、合金の高温力学特性の評価を行う。試験後の試料の組織評価を実施して、クリープ変形の様式を明らかにするとともに、変形中の強化相の変化を調査する。具体的には、結晶粒径、強化相分散状態、転位下部組織などの変化を詳細に解析する。それらの結果をもとに、作製した合金の高温強度と強化を理解し、さらなる強化に向けた組織デザインについて検討する。
研究項目[2]について、2023年度の成果として、結晶粒径制御に対する相変態の利用は不適であることがわかった。また、2024年度では、微量添加元素が結晶粒径の制御に有効であるかについて検討を行ったが、結晶粒径に対する影響はほとんど確認されなかった。そこで、2025年度は、本研究で作製した合金または既存のフェライト系耐熱鋼において、結晶粒界近傍でのクリープ変形を基礎から検討するための実験手法を確立させ、結晶粒界近傍への変形集中のメカニズムとそれを抑制するための技術開発に向けた知見の獲得を狙う。
研究項目[3]として、2024年度にて、微量添加元素を含む新合金を作製し、クリープ試験を開始した。2025年度は、このクリープ試験にて、新合金の力学特性を継続的に評価し、また、必要に応じて、研究項目[1]に類似の組織評価を実施する。
以上の研究遂行内容は、本研究開始時の実施計画におおむね沿ったものであり、本研究の進捗状況は極めて順調である。
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