| 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, 特任教授 (00421529)
笠田 竜太 東北大学, 金属材料研究所, 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】 ナノレベル酸化物分散強化銅合金の製作に着手した。本研究では、粉末冶金法に基づいた高純度アルゴン雰囲気ボールミルによる合金化(MA)過程と試作材の大型化・自由成形を見越せる熱間等方加圧法（ＨＩＰ）を組み合わせた新しいプロセスによる試作材が製作され、その評価が行われた。特に試作材の含有酸素濃度と強度特性の相関、CuOパウダーのMA中添加によるナノ酸化物の効率的形成、などの成果が得られた。
【水冷ミリング法の適用】 Cu-Y2O3系ODS銅合金の創製を目的として、水冷型ボールミルを用いてY2O3直接添加法およびYH2とCuOを添加したREDOX制御法によるメカニカルアロイング（MA）を行い、焼結材の硬さや熱拡散率を調べた。Y2O3直接添加法によって作製したCu-1Y2O3では銅合金において見られる硬さと熱拡散率のトレードオフ関係が克服されていることが見出された。これは、母相組織の超微細粒強化とナノ粒子分散強化が貢献しているためと考えられ、合金開発指針の妥当性が確認された。
【添加元素と焼結条件の最適化】 Cu合金における熱伝導度と強度・延性を両立させるため、合金添加元素を入れずにY2O3のみを添加したCu-ODSを試作した。ステアリン酸を助剤に用いたCu-0.5wt.％Y2O3において、加工熱処理の工夫によって強度の改善を試みた。80%冷間圧延をした後の材料で550MPaという高強度を得ることができた。形成された集合組織（Brass方位）の生成メカニズムを圧延加工に伴う部分転位の集積モデルに基づき明らかにした。
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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】実際に製作した試作材の内部酸素量を計測すると、その量に大きな違いが生じており、これは開発当初の予想を覆すものであった。しかし一方で、本結果により、含有酸素量が試作材内における強化ナノ粒子の増減に影響を与えていること、効率的な酸素添加により、ナノ粒子形成の促進と強度の向上が可能であることが示された。すなわちこの結果から、銅基材料への分散強化技術の適用の上では、繊細な酸素含有量の制御により特性を最適化できることが示された。さらにその一方法として、MA途中にCuOパウダーを添加することにより、ナノ酸化物の形成が大幅に促進されることが分かった。これらは期待以上の成果であった。
【水冷ミリング法の適用】 水冷型ボールミルを用いるY2O3直接添加法によって、従来の銅合金における課題であった強度と熱伝導特性のトレードオフ関係が克服されることが示されたことは当初の期待以上の成果である。REDOX制御法では、Y2O3直接添加法では到達できていないMAによるYH2の完全な分解が見出された。
【添加元素と焼結条件の最適化】80%冷間圧延によってCu合金において550MPaという高強度を達成でき、その形成メカニズムを明らかにしたことで、本材料作製に再現性が得られるようになったことは期待以上の成果であると言える。
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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】現在、試作金属内の含有酸素量という大気感受性の強い因子を制御するため、合金化粉から最終的な焼結（ＨＩＰ処理）への過程で含有酸素量に変化を起こさない常温高圧の仮焼結プロセスを試みている。当該研究は、合金化中の酸素濃度制御を目指した重要なプロセス研究であり、安定的に大型試作材を製作する上で必要不可欠な工程の探索である。
【水冷ミリング法の適用】 YH2＋CuOの添加によるREDOX制御法では、Y2O3直接添加法を超える強度の向上が期待されるため、今後焼結条件の検討を行う。また、これまでに得られているCu-1Y2O3合金等の微細組織観察を進めるとともに、イオン照射や中性子照射による耐照射性評価を行う予定である。
【添加元素と焼結条件の最適化】H29年度の知見を基に、強度と延性・熱伝導率を両立させたCu-ODSの作製プロセス確立を目指す。粗大粒で延性を、微細粒で強度を、それぞれ確保することを考え、Bi-modal分布から成る再結晶粒を有するCu-ODSを開発する。このため液体窒素温度での圧延加工とその後の再結晶温度の最適化を行う。圧延中の割れを防ぐため、Cu中溶存酸素濃度の低減を試みる。
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