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低放射下高濃度固溶体合金の探索と創製

公募研究

研究領域ハイエントロピー合金:元素の多様性と不均一性に基づく新しい材料の学理
研究課題/領域番号 19H05161
研究種目

新学術領域研究(研究領域提案型)

配分区分補助金
審査区分 理工系
研究機関北海道大学

研究代表者

橋本 直幸  北海道大学, 工学研究院, 教授 (50443974)

研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2021-03-31
研究課題ステータス 完了 (2020年度)
配分額 *注記
5,850千円 (直接経費: 4,500千円、間接経費: 1,350千円)
2020年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
2019年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
キーワード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 / ハイエントロピー合金 / 欠陥挙動 / 構成元素 / 微細組織 / Mn効果 / フランクループ / 照射損傷組織 / TEM観察 / 高濃度固溶体合金 / 低放射化
研究開始時の研究の概要

次世代型エネルギー炉の安全な稼働には、中性子や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。本研究は、照射損傷にも放射化にも無縁な長期継続利用可能で安全な材料の創製を目指す先見的基礎研究である。この挑戦が成功裏に終わるためには、従来考えられなかった特性を有する材料の探索とその高機能化が必要であるが、本研究課題では、近年、材料構成原子の拡散挙動や欠陥形成挙動における特異性かつ照射損傷に対する優位性について報告されているハイエントロピー合金:HEA(高濃度固溶体合金:CSA)に着目し、極めて高い耐照射性を有する基礎材料として低放射化ハイエントロピー合金の創製を目標とする。

研究実績の概要

本研究では、現在も開発が進められている高エネルギー炉用構造材料のうち、316ステンレス鋼をはじめとするFCC構造材料の照射損傷、特に積層欠陥型損傷組織に着目した。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。本研究では、316ステンレス鋼に近い機械的特性を有するCoフリーのFeCrNiMn系ハイエントロピー合金を軸に、Mn, Niの組成を変えたハイエントロピー合金を作製し、電子及びイオン照射実験を行うことで、SFTおよびFLの形成・成長挙動から低放射化FCC型ハイエントロピー合金の耐照射性について検討した。
CoCrFeNiMnx (x=0.7.1,1.3)合金及びFeCr0.8NixMny 合金((x,y)=(1,1), (1,1.3), (1.3,1.3), (1.5,1.5))を高周波溶解炉、アーク溶解炉によってそれぞれ作製し、SEMとXRDで結晶組織観察および相同定を行ったのち、機械特性調査のために引張試験を行った。さらに耐照射性を評価するために、電子照射実験およびイオン照射実験を行い、500℃における照射損傷挙動を調査した。
作製した各種合金についてTEMを用いて各合金のSFEを調査した結果、SFEとNi,Mn濃度との間に正の相関が観られた。さらに、照射実験の結果、高SFEハイエントロピー合金では照射誘起2次欠陥の形成・成長が抑制されることが分かり、Ni,Mn濃度の調整により、ハイエントロピー合金の耐照射特性を向上させられる可能性を示した。

現在までの達成度 (段落)

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2020 実績報告書
  • 2019 実績報告書
  • 研究成果

    (20件)

すべて 2020 2019

すべて 雑誌論文 (4件) (うち国際共著 2件、 査読あり 4件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (16件) (うち国際学会 5件)

  • [雑誌論文] Cu-Containing High Entropy Alloys for Nuclear Fusion Application2020

    • 著者名/発表者名
      Y. Lei, N. Hashimoto, S. isobe
    • 雑誌名

      MATERIALS TRANSACTIONS

      巻: 61 号: 7 ページ: 1247-1251

    • DOI

      10.2320/matertrans.MT-M2020049

    • NAID

      130007864095

    • ISSN
      1345-9678, 1347-5320
    • 年月日
      2020-07-01
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Doping of Interstitials (H, He, C, N) in CrCoFeNi High Entropy Alloy: A DFT Study2020

    • 著者名/発表者名
      Shi Jingming、Lei Yu、Hashimoto Naoyuki、Isobe Shigehito
    • 雑誌名

      MATERIALS TRANSACTIONS

      巻: 61 号: 4 ページ: 616-621

    • DOI

      10.2320/matertrans.MT-MK2019009

    • NAID

      130007815341

    • ISSN
      1345-9678, 1347-5320
    • 年月日
      2020-04-01
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] ehavior of hydrogen at Fe/W interface: a first-principle calculation study2020

    • 著者名/発表者名
      J. Shi, N. Hashimoto, S. Isobe
    • 雑誌名

      J. Nucl. Sci. and Tech.

      巻: 57 号: 11 ページ: 1223-1230

    • DOI

      10.1080/00223131.2020.1779143

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Irradiation Effects on Al0.3CoCrFeNi and CoCrMnFeNi High-Entropy Alloys, and 316H Stainless Steel at 500°C2020

    • 著者名/発表者名
      W-Y Chen, M.A. Kirk, N. Hashimoto, J-W Yeh, X. Liu, Y Chen
    • 雑誌名

      J. Nucl. Mater.

      巻: 529 ページ: 152324-152324

    • DOI

      10.1016/j.jnucmat.2020.152324

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] FCC型ハイエントロピー合金の高温水蒸気腐食特性2020

    • 著者名/発表者名
      長友真裕子, 橋本直幸, 林重成, 礒部繁人, 岡弘
    • 学会等名
      日本金属学会2020年秋期大会(第167回)講演大会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] エネルギー炉用BCC型ハイエントロピー合金の試作2020

    • 著者名/発表者名
      井窪亮太, 橋本直幸, 礒部繁人, 岡弘
    • 学会等名
      日本金属学会2020年秋期大会(第167回)講演大会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] Oxidation behaviors of Cu-containing high entropy alloys under steam conditions2020

    • 著者名/発表者名
      Peng Bi, N. Hashimoto, H. Oka, S. Isobe, S, Hayashi,
    • 学会等名
      日本金属学会2020年秋期大会(第167回)講演大会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] Research on bcc high entropy alloy for fusion reactor application2020

    • 著者名/発表者名
      Y. Zong, H. Oka, N. Hashimoto
    • 学会等名
      NuMat2020 (The Nuclear Materials Conference)
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Steam oxidation behaviors and irradiation effects of Cu-containing FCC high entropy alloys or nuclear application2020

    • 著者名/発表者名
      P. Bi, Y. Lei, N. Hashimoto, H. Oka, S. Hayashi
    • 学会等名
      NuMat2020 (The Nuclear Materials Conference)
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 高エントロピー合金における照射損傷~その場観察による欠陥解析2020

    • 著者名/発表者名
      橋本直幸、CHEN Wei-ying
    • 学会等名
      日本金属学会・2020年春期(第166回)講演大会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] 高エントロピー合金の照射下における点欠陥の移動度と微細組織変化2020

    • 著者名/発表者名
      小野佑太、橋本直幸、礒部繁人
    • 学会等名
      日本金属学会日本鉄鋼協会両支部合同冬季講演大会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] 高濃度固溶体合金における照射損傷挙動の直接観察2019

    • 著者名/発表者名
      橋本直幸, W-Y Chen, J-W Yeh
    • 学会等名
      日本顕微鏡学会北海道支部学術講演会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] In-situ observation of radiation damage in FeCrNiMn high entropy alloys2019

    • 著者名/発表者名
      N. Hashimoto, Weiyin Chen, Jienwei Yeh
    • 学会等名
      The 19th International Conference of Fusion Reactor Materials
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Study on Cu-based High Entropy Alloys for Nuclear Fusion Application2019

    • 著者名/発表者名
      Yu Lei, N. Hashimoto
    • 学会等名
      The 19th International Conference of Fusion Reactor Materials
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Mobility of point defects in CoCrFeNi-base High Entropy Alloys2019

    • 著者名/発表者名
      Yuta Ono, N. Hashimoto, Wei-Ying Chen
    • 学会等名
      The 19th International Conference of Fusion Reactor Materials
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Research and development of High Entropy Alloys for nuclear reactor2019

    • 著者名/発表者名
      Tatsuya Fukushi, N. Hashimoto
    • 学会等名
      The 19th International Conference of Fusion Reactor Materials
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 高エントロピー合金の照射下における点欠陥の挙動と微細組織変化2019

    • 著者名/発表者名
      小野佑太, 橋本直幸, 礒部繁人
    • 学会等名
      日本金属学会・2019年秋期(第165回)講演大会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] エネルギー炉用FCC高エントロピー合金の研究開発2019

    • 著者名/発表者名
      福士達也, 橋本直幸, 礒部繁人
    • 学会等名
      日本金属学会・2019年秋期(第165回)講演大会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] Study on Cu-containing High Entropy Alloys for Nuclear Fusion Application2019

    • 著者名/発表者名
      LEI Yu, HASHIMOTO Naoyuki, ISOBE Shigehito
    • 学会等名
      日本金属学会・2019年秋期(第165回)講演大会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] エネルギー炉用FCC高エントロピー合金の開発研究2019

    • 著者名/発表者名
      福士達也, 橋本直幸, 礒部繁人
    • 学会等名
      日本金属学会・日本鉄鋼協会両支部合同サマーセッション
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書

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公開日: 2019-04-18   更新日: 2021-12-27  

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