| 研究課題/領域番号 |
17K06813
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| 研究機関 | 秋田大学 |
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研究代表者 |
原 基 秋田大学, 理工学研究科, 教授 (50156494)
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| 研究分担者 |
福本 倫久 秋田大学, 理工学研究科, 准教授 (20343064)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| キーワード | ジルコニウム / シリコン拡散層 / 耐水蒸気酸化性 |
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| 研究実績の概要 |
昨年度の研究で明かになった緻密なSi拡散層（ZrSi相）が形成される条件（パックセメンテーション法；加熱温度：1273 K，加熱時間：24時間，パック組成：Si濃度10 mass%，NaF濃度0.5 mass%）でZr試料の表面部にSi拡散層を作製し，1273 Kの水蒸気雰囲気（12 vol% H2O-Ar）中で水蒸気酸化試験を行った。未処理のZr試料についても同じ環境で水蒸気酸化試験を行い，両試料の水蒸気酸化挙動を比較することで耐水蒸気酸化性に及ぼすSi拡散層の効果を調べた。水蒸気酸化試験より，酸化試験（16時間）後の酸化増量はSi拡散層を作製した試料の方が未処理Zrの酸化増量よりも約1/3小さくなることが明かになった。酸化試験後の試料断面を走査型電子顕微鏡により観察した結果，未処理Zr上には40～50 μmの厚い酸化物層が形成されていたのに対し，Si拡散層を作製した試料では10数μmの薄い酸化物層が形成されていることがわかった。さらに，電子線マイクロアナライザーにより酸化物層を分析した結果，両試料に形成された酸化物層はZrO2で構成されることがわかった。以上の結果より，Zr表面部にSi拡散層を形成させることによりZrの水蒸気酸化が抑えられることが明かになった。また，電子線マイクロアナライザーにより酸化物層直下の金属Zr中の酸素濃度を分析した結果，未処理Zr試料では400 μm深さまで酸素濃度が35 ～25 at%であるのに対し，Si拡散層を作製した試料では約20 at%であることがわかった。この結果より，Si拡散層（ZrSi相）が下地Zr中への酸素拡散の障壁層として作用していることが明かになった。以上の結果より，Zr表面部へのSi拡散層の形成がZrの耐水蒸気酸化性の向上に有効に働くことがわかった。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
平成30年度の目標は，平成29年度の研究により明かになったSi拡散層の形成条件でZr表面部にSi拡散層を作製し，水蒸気酸化挙動を未処理Zrと比較して調べることであった。水蒸気酸化試験の結果，Si拡散層が形成された試料の酸化増量は未処理Zr試料の約1/3となることが明かになった。これは，Si拡散層が形成された試料では試料表面上に生成するZrO2から成る酸化物層が薄くなることに起因する。さらに，Si拡散層が金属Zr（酸化物層直下）中への酸素の拡散を抑制することもわかった。以上の平成30年度の結果は，本研究で作製したSi拡散層がZrの耐水蒸気酸化性の向上に有効に作用することを明らかにした。
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| 今後の研究の推進方策 |
平成30年度の研究結果より，Zr表面部にSiを含有させた層がZrの耐水蒸気酸化性を向上させることが明かになったが，水蒸気酸化後の酸化増量は未処理Zrに比べ1/3に留まった。さらに，耐水蒸気酸化性を向上させるためには，(1) Si拡散層中のSi濃度の増加，(2)厚く，かつ下地Zrとの密着性の高いSi拡散層の作製，といった課題がある。これらの課題を解決するために，拡散層中のSi濃度および拡散層の形態に大きく影響を及ぼすと推察されるSi拡散層作製におけるパック中の活性化剤について調査する。活性化剤はパック中のSi粉末と反応してハロゲン化Si（ガス）を生成する。このガスの蒸気圧が高いほどZr試料表面でのSiの遊離反応が速く進む（Si拡散量の増大）と予想されるため，ハロゲン化Siの蒸気圧を高くすることが期待されるAlF，NH4F，AlCl3，NH4Clを活性化剤とし，より良好なSi拡散層の作製を試みる。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
次年度使用額が約70万円生じた。この理由は，水蒸気酸化試験における酸化増量を連続的に測定できる「酸素ポンプセンサー法」装置の作製を計画していたが，再現性を見るのに有効なバッチ法での酸化増量測定でSi拡散層の有無を明確に把握できたので，「酸素ポンプセンサー法」装置の作製を行わなかった。この分，余剰金が生じた。
次年度は，活性化剤を変えて多くのSi拡散層を作製するため，水蒸気酸化試験も多く行う必要がある。この場合，酸化増量を連続的に測定できる「酸素ポンプセンサー法」が有効な手段となるため，「酸素ポンプセンサー法」装置を作製し，使用する予定である。このため，余剰金を「酸素ポンプセンサー法」装置の作製に充てる。
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