| 研究課題/領域番号 |
16H02443
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| 研究機関 | 核融合科学研究所 |
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研究代表者 |
室賀 健夫 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 教授 (60174322)
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| 研究分担者 |
菱沼 良光 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (00322529)
鵜飼 重治 北海道大学, 工学研究院, 教授 (00421529)
笠田 竜太 京都大学, エネルギー理工学研究所, 准教授 (20335227)
大野 直子 北海道大学, 工学研究院, 助教 (40512489)
能登 裕之 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 助教 (50733739)
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| 研究期間 (年度) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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| キーワード | 銅合金 / プラズマ対向機器 / 高温静水圧プレス / ナノ粒子分散 |
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| 研究実績の概要 |
【高純度雰囲気ボールミル、キャプセル封入技術の高度化】 MA-HIP法により、ナノレベル酸化物分散強化銅合金の製作を行った。この研究により、高純度アルゴン雰囲気ボールミルによる合金化過程、およびキャプセル封入段階の不純物管理が焼結後の試作材に与える影響について、製作材の組成分析、組織観察、および強度試験により明らかにした。また、不純物制御環境でのキャプセル封入手法を確立し、安定的な材料試作を可能とした。
【水冷ミリング法の適用】 銅に分散させる酸化物粒子のリアルナノサイズ高密度化のために、水冷型高エネルギーボールミルによるメカニカルアロイング（MA）条件の探索を行った。運転条件を最適化することによってMA助剤を添加することなく延性に富む銅粉末の固着を防止し、焼結に供することができた。
【熱伝導特性評価モデルの検証】 新規に導入した熱拡散率測定装置を用いて、熱伝導特性の評価モデルの検証を行った上で、小型サンプルによって高熱伝導を有する銅合金の評価を行うことを可能とした。
【添加元素、製作条件の最適化】 ナノ酸化物粒子高密度分散を目的に、添加元素と焼結条件を最適化するために、ODS合金として一般的なY2O3を添加し、潤滑剤(PCA)を用いたMA処理の後、SPSを用いて焼結試料を試作し、微細組織と強度の評価を行った。酸化物粒子の平均サイズ11nm, 分散間隔152nm, 結晶粒径1マイクロメータ程度の微細な組織を持つODS銅が得られた。このような組織を有するODS銅の引張強度は室温で272MPaであり、今後の開発のベースとなる知見を得た。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
【高純度雰囲気ボールミル、キャプセル封入技術の高度化】 試作合金は、合金化―封入―焼結の3段階を経て製作されるが、本研究では、2段階目の封入に着目した。一般的に、この封入段階は大気環境下で行われるが、本研究では初めて、グローブボックス内において封入することに成功した。本研究では、このような封入プロセス導入の有無を比較した結果、最終的な試作材の不純物濃度が焼結後の機械的特性、特に強度の向上に寄与していることが明らかになった。これらの試験を繰り返すことにより、キャプセル封入においてリークを防止する溶接法、カシメ法、HIP処理でキャプセルの過大変形による破壊を防止する充填法など、MA-HIPの基本的な技術が向上した。
【水冷ミリング法の適用】 水冷ミリング法で得られたCu-1Y2O3合金のビッカース硬さはHV145であり、同条件でMAおよび焼結を行った純銅の約1.5倍の強度を示した。Y2O3の緻密分散と結晶粒微細化の影響が示唆され、今後の開発の起点となる結果を得られた。熱伝導率については純銅と同程度の値が得られており、酸化物分散粒子による悪影響は見られず、合金開発の基本方針の正しさが確認された。
【添加元素、製作条件の最適化】 潤滑剤添加、SPS焼結によるY2O3添加ODS銅合金の試作に成功し、その引張強度は微細組織解析から見積もった強化量と概ね一致することが判明し、当初の計画以上にに進展していると言える。ここで得られた知見をベースに今後は組織制御を行うことで、更に強度・延性に優れたODS銅の開発を進める。
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| 今後の研究の推進方策 |
【高純度雰囲気ボールミル、キャプセル封入技術の高度化】 グローブボックスを使用した封入技術により、試作材の強度は使用しなかった場合と比べ、上昇した。これは添加元素の異なる2種類の試作材において確認されており、新規に導入した封入装置の効果によるものと考えられる。しかしながら、その伸びに関しては、市販DS-Cuと比較するとさらに改善の必要性が示唆された。今後は、この低延性の改善を目指す。
【水冷ミリング法の適用】 酸化物分散粒子の更なる微細化を目指して、他の酸化物との複合添加、水素雰囲気MA、その他の新規の組成調合の探索を進める。特に、MA粉末の微細化と関係することが示唆されるメカノREDOX反応制御の可能性を明らかにする。得られた焼結材料については、イオン照射法に供するための超微小試験技術による評価を進め、バルク強度特性との関係を明らかにする。
【熱伝導特性評価モデルの検証】 熱伝導特性については、中性子照射実験を想定してより微小な試料での測定の可否について明らかにする。
【添加元素、製作条件の最適化】 ダイバータ用銅合金の使用温度は300℃程度であり、この温度域において銅合金は分散強化と粒界強化の両方によって強化される。従ってODS銅合金の強度を高めるには、ナノ粒子の高密度分散とともに結晶粒の微細化が極めて有効である。今後はMA・焼結条件の最適化を継続して行うとともに、加工熱処理による結晶粒の微細化を行い、強度・延性の向上を図る。
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