| 研究課題/領域番号 |
23360301
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| 研究機関 | 東京工業大学 |
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研究代表者 |
竹山 雅夫 東京工業大学, 理工学研究科, 教授 (30251622)
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| 研究期間 (年度) |
2011-04-01 – 2014-03-31
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| キーワード | 組織制御 / ラメラ組織 / その場観察 / き裂の発生・伝播 / β-Ti相 / 塑性変形 / 加工効果 / 破壊靭性 |
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| 研究概要 |
本研究は，鍛造TiAl基合金を世界に先駆けて実用化する上でクリアーすべき靭性の向上を組織設計の観点から達成することを目的に，昨年度に引き続きき裂の伝播経路と組織との関係を調べ，以下のことを見出した：
(1) き裂伝播に及ぼすラメラ組織およびそのラメラ方位の影響では，本合金の基本組織となるラメラ組織における亀裂伝播挙動をまず把握するため，Ti-48Al及びTi-48Al-8Nb合金を用いてα2/γ ２相及びγ/γ界面からなるフルラメラ単結晶を作成し，荷重軸に対して特定の方位を持つ試験片のSEM内３点曲げ試験のその場観察及び吸収エネルギーの定量化を行った．き裂発生に要するエネルギーは，荷重軸に対するラメラ面の角度の増加に伴って増加する傾向を示すが，その程度は小さい．一方，き裂伝播エネルギーは，ラメラの回転角が45°近傍で極大値を取り，その値はα2板の存在によって著しく増大する．したがって，靭性の向上はλの制御とα2板の分布が重要である．
(2) き裂伝播に及ぼす残留β相の影響では，(1)を踏まえて，α2板の量を高め，且つ，我々の組織設計指導原理を用いて熱間鍛造したTi-42Al-Nb-V合金に所定の熱処理を施してラメラ粒界をβ-Ti相で覆った組織を有する試料を用いてSEM 内引張り試験を行い，き裂進展のその場観察を行った．その結果，粒界β 相中には明確なすべり線が観察され，β相はき裂の進展を抑制し，靭性向に有効であることを明らかにした．
(3) き裂伝播に及ぼすラメラ界面上に析出させたβ相粒子の影響では，(1)と(2)の成果を踏まえて，熱間鍛造性と靭性向上を両立させ得るラメラ組織及びβ-Ti相の形態及び量を相変態によって制御できるTi-Al-M1-M2 4元系合金を設計原理に基づいて成分設計し、その大型インゴットの溶製した．また，実験と計算状態図から相互作用パラメータを求めた．
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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
本研究は，世界でまだ誰も実現していない高靭性鍛造TiAl基合金の開発に資する基礎データを取得するため，まずその基本組織となるラメラ組織の亀裂伝播抵抗に及ぼす効果を調べ，次に，その重畳効果を得るためにβ相の影響を調べた．その上で，新たな成分設計を行い，その状態図と相変態を利用して組織設計を行い，大型の試験片を用いて，その機械的性質を調べる，という手順で研究を進めている．大型試験片を作製するためのインゴットの成分設計は，まずは研究室で溶製できるボタンインゴット（30g）からスタートし，次に外部委託によって溶製する．緻密な計画が必用であり，且つ，状態図の作成（平衡論）や相変態による組織制御（速度論）にはある一定の時間が必用である．この基礎的学術研究（計算による多元系状態図の再現と相変態機構）は高温材料の組織設計をする上でもっとも重要な要素である．これについては今後も継続して研究を進める．また，そのような状況下にあっても既に多元系モデル合金の成分設計は終了し，大型インゴットの溶製も完了した．したがって，現在までは，概ね計画通りに進んでいる．
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| 今後の研究の推進方策 |
平成25年度は，本研究の最終年度になる．本年度は，組織制御と機械的性質の評価の二本立てとなる．特に，後者では，クリープ特性を調べる．TiAlは，現在ジェットエンジンの低圧タービン翼に利用され，軽量であるがゆえに燃費の向上による環境負荷低減材料として今後益々注目度が挙がる．したがって，高靭性化もさることながら，高温化によるクリープ特性も求められる．その特性に及ぼすβ-Ti相の影響を定量的に評価することは，実用化に向けて非常に重要である．今後は，本研究で得られた基礎データを活用してすぐに実用化研究に展開することを視野に研究を進める．特に，大型インゴットを用いた製造プロセス設計は企業との共同研究が必須となる．現在すでに企業との共同研究を行い，世界に先駆けて本合金を実用化すべく，鋭意努力をしている．
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