純チタン焼結材の高強靭化に資する固溶軽元素の振舞いに係る包括的理解

2018 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16H02408
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 近藤 勝義 大阪大学, 接合科学研究所, 教授 (50345138)
• 研究分担者: 梅田 純子 大阪大学, 接合科学研究所, 准教授 (50345162)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: 粉末冶金

研究実績の概要

酸素，窒素，珪素等の軽元素が固溶する純チタン（α-Ti）焼結材にて，25%を超える伸びと，汎用Ti合金を凌駕する高強度が同時に発現する特異現象を解明すべく，冷却時の局所相変態，再結晶粒界での元素濃化等の複雑系起源をその場構造解析と計算科学により明らかとし，Ti材の高強靭化に係るダイナミクスの包括的理解を通じて新規材料設計原理を構築する．特に，結晶格子内の固溶元素の振舞いによる等軸微細結晶粒の形成機構を解明すると共に，結晶格子の伸縮挙動に対するc/a軸格子定数比を用いた定量的考察を通じて，固溶現象による純Ti材の未知なる機能発現を試みることを目的とする．H30年度の研究を通じて得られた主な成果は次の通りである．六方最密充填構造(hcp structure)を有するα-Ti結晶では，原子の固溶伴うc軸およびa軸方向での結晶格子の歪み量が異なるといった結晶異方性を有するため，古典強化理論（Labuschモデル）の適用による耐力値増加量の定量的な解析は困難であった．そこで，同モデルにおいて変数部が固溶原子量に係るcを含むc^(2/3)/SF（SF; シュミット因子），定数部が(Fm^4 w/4Gb)1/3であることに着目し，引張試験による実験データベースを作成した上で耐力値と固溶量の相関関係から直線の勾配を算出し，そこからF_m値を導出することで酸素原子による固溶強化量を定量的に解析できることを明らかにした．同様に窒素原子の固溶現象に関しても解析した結果，α-Tiでは算出が困難であった刃状転位と溶質原子の間に働く相互作用の最大値F_mに関して，酸素固溶Ti材では6.22×10-10N，窒素固溶Tiでは5.21×10-10Nとなることを明らかにした．さらにこれらの結果を用いて，酸素と窒素が共存する際のそれぞれの固溶強化量をこの手法で算出し，実験結果を高い精度で一致することを実証した．

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

酸素・窒素原子のα-Ti結晶内への固溶現象による強化量の定量解析モデルの構築に関するH30年度の研究計画に加え，第一原理計算を用いて酸素供給源となるTiO2粒子の熱分解とα-Ti結晶内での安定化挙動に関する解析を行い，O原子が八面体サイトにて最安定状態で固溶することを生成エネルギーの比較を通じて明らかにした．さらに，金属酸化物（例えば，Cr2O3，ZrO2）の分解挙動に関して，SEM内加熱・その場観察を通じて各酸化物の分解後にO原子の拡散と共に，酸化物を構成する金属成分の拡散・固溶挙動を解明した．以上の研究成果は、次の学術論文として掲載された．
(1) 刈屋翔太，梅田純子，Ma Qian，近藤勝義：金属学会誌，82 (2018) 390.
(2) K. Kondoh, R. Ikemasu, J. Umeda, S. Kariya, A. Khantachawana: Microstructural and mechanical properties of α-titanium sintered material via thermal decomposition of additive chromium oxide particles, Materials Science & Engineering A, 739 (2019) 491.
(3) J. Shen, J. Umeda B. Chen, J. Umeda, J. Zhang, Y.Li, K. Kondoh: Rate sensitivity and work-hardening behavior of an advanced Ti-Al-N alloy under uniaxial tensile loading, Materials Science & Engineering A, 744 (2019) 630.

今後の研究の推進方策

H31年度においては，残る主要課題である局所的なβ→α相変態を利用した結晶粒微細化とそれによる延性回復機構の解明に取り組む．具体的には，α相安定化元素（酸素，窒素）とβ相安定化元素（Fe）をベースに，全率固溶型元素であるジルコニウムZrを新たに加えた２相Ti合金における固溶量―格子定数変化量―強度特性の相関に関する実験データベースを構築する．その際，加工条件（熱間押出加工温度）に関してα単相およびβ単相となる温度域を選択し，組織構造（結晶粒径と形状）変化を解析することで延性回復に有効な等軸粒の形成条件に関する実験的解析も併せて行う．Zr成分の添加方法に関しては，水素化ジルコニウムZrH2粒子を使用する．Zr粒子は極めて活性度が高いために酸化し易く，最終素材における酸素含有量の管理が困難であることや，取り扱い過程で自己発熱や発火の問題が生じる可能性がある．Ti粉末とZrH2粒子の混合体を加圧焼結する際，ZrH2粒子の熱分解により水素はガス成分として系外に排出・除去される．但し，α-Ti相での水素原子の拡散速度が大きいことから，焼結過程でTiH2化合物相の生成が懸念される．そこで，焼結過程での昇温速度の適正化と，H2ガスの系外排出経路となる焼結体内の空孔を利用した除去プロセスについて実験的に検討する．その結果，作製したTi-Zr系焼結合金において，JIS規定値を満足する水素含有量(≦0.03 wt.%)の達成を目指す．最終的には，これまでの研究内容と同様，Ti-Zr系焼結合金の組織構造（格子定数変化を含む）と静的強度特性におけるZr固溶量依存性に関する調査結果に基づいて，固溶強化による耐力値予測のための実験データベースを構築し，Labuschモデルを用いた計算結果と実験解析結果との対比を通じて，実験データベースを用いた固溶強化モデルによる強化量予測手法の有効性を検証する．

研究成果

• [国際共同研究] メルボルン工科大学(オーストラリア)
  • 国名: オーストラリア
  • 外国機関名: メルボルン工科大学
• [国際共同研究] Northwestern Polytechnical University/中国科学院(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: Northwestern Polytechnical University/中国科学院
• [国際共同研究] KMNUTT(タイ)
  • 国名: タイ
  • 外国機関名: KMNUTT
• [雑誌論文] 急冷処理による酸素過剰添加チタン材の延性向上とその機構解明 (2018)
  • 著者名/発表者名: 刈屋翔太，梅田純子，Ma Qian，近藤勝義
  • 雑誌名: 金属学会誌 巻: 82 ページ: 390-395
  • DOI: 10.2320/jinstmet.JAW201810.
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Microstructural and mechanical properties of α-titanium sintered material via thermal decomposition of additive chromium oxide particles (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Kondoh, R. Ikemasu, J. Umeda, S. Kariya, A. Khantachawana
  • 雑誌名: Materials Science & Engineering A 巻: 739 ページ: 491-498
  • DOI: 10.1016/j.msea.2018.10.081.
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Rate sensitivity and work-hardening behavior of an advanced Ti-Al-N alloy under uniaxial tensile loading (2018)
  • 著者名/発表者名: J. Shen, J. Umeda B. Chen, J. Umeda, J. Zhang, Y.Li, K. Kondoh
  • 雑誌名: Materials Science & Engineering A 巻: 744 ページ: 630-637
  • DOI: 10.1016/j.msea.2018.12.066.
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Strengthening Mechanism of α+β Type Ti-Fe Alloy by Powder Metallurgy (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Tanaka, S. Kariya, J. Shen, J. Umeda, K. Kondoh
  • 学会等名: ASMP2018
  • 国際学会
• [学会発表] 鉄・酸素固溶チタン焼結材における相変態挙動と力学特性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 田中貴之，刈屋翔太，SHEN Jianghua，梅田純子，近藤勝義
  • 学会等名: 粉体粉末冶金協会平成30年度秋季大会
• [学会発表] Novel titanium materials with atomic/nano-scale microstructures by powder metallurgy process (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Kondoh
  • 学会等名: IWAMSN 2018
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 鉄・酸素固溶チタン焼結材における相変態挙動と力学特性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 田中貴之，刈屋翔太，J. Shen，梅田純子，近藤勝義
  • 学会等名: 日本金属学会2018年秋期講演大会
• [学会発表] State-of-The-Art Titanium Alloys by Powder Metallurgy Process (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Kondoh
  • 学会等名: MSAT-10
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] State-of-the-art powder metallurgy light metals and their composites with atomic/nano-scale microstructures (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Kondoh
  • 学会等名: ICMMP2018
  • 国際学会 / 招待講演