| 研究課題/領域番号 |
26420719
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| 研究機関 | 金沢大学 |
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研究代表者 |
石川 和宏 金沢大学, 機械工学系, 准教授 (10312448)
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| 研究分担者 |
山田 良穂 金沢大学, 機械工学系, 教授 (20126626)
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| 研究期間 (年度) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| キーワード | 水素透過 / 水素吸蔵 / 構造変化 / 微細組織 |
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| 研究実績の概要 |
Nb-TiNi系およびNb-TiCo系において共晶合金を作製し、PCT測定を行った。その結果、TiNi相は比較的水素を固溶するが、TiCo相は水素をほとんど固溶しないことが明らかとなった。また、水素固溶係数KはTiNi相がTiCo相より大きいことが分かった。すでにNb-TiCo系で高い水素透過度Φが得られることが分かっていたが、Φは水素固溶係数Kと水素拡散係数Dの積であることから、Nb-TiNi合金はNb-TiCo合金と比較して水素拡散係数が小さいことが見積もられた。
Nb-TiNi合金は水素透過に寄与しない水素を大量に固溶している。もしこの余剰水素を低減できれば、耐水素脆化性の更なる改善が期待できる。添加元素を加えたNb-TiNi合金の水素透過度および水素吸蔵量を測定した結果、水素透過時の高圧側および低圧側の水素吸蔵量を約20%低下できることが分かった。一方、高圧側と低圧側の水素量吸蔵量の差は不変であった。その結果、元素添加を行っても水素透過度は不変であった。以上より、元素添加により水素透過度を維持したまま水素吸蔵量を低減できることを見出したと言える。
Nb-TiNi共晶合金をSPring-8の高輝度Ｘ線により、高温高圧水素環境下における水素化による構造変化を測定した。400℃で水素を吸蔵させるとbcc相は水素を吸蔵して膨張し始めるが、水素導入後約20秒後に格子定数の大きいbcc'相が生成した。bcc相の格子定数は時間とともに増大し、回折強度は低下した。一方、bcc'相のそれはほぼ一定であり、時間とともに回折強度が増大した。一方、bcc単相合金を同様に水素化すると、格子定数の大きいbcc'が出現することなくbcc相が時間とともに膨張した。以上より、２相合金中のbcc相は２相状態を経て水素化されるが、単相合金中では単相状態を維持したまま水素化されることが分かった。
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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
これまで微細組織はほぼ同様に見えるNb-TiNi共晶合金とNb-TiCo合金で水素透過度に差が生ずることが不明であったが、TiNi相およびTiCo相の水素吸蔵特性を明らかにすることで、水素透過度の差が水素拡散係数の差に起因することが分かり、Niの一部をCoに置換することで、合金全体の水素吸蔵量を減少させ、耐水素脆化性の改善に有効と考えられる。
水素透過性は、水素吸蔵量の絶対値に関係なく、高圧側と低圧側の水素吸蔵量の差で決まる。この差を変化させずに水素吸蔵の絶対量を低下させる元素について探索を行った結果、この条件を満たす添加元素を見出すことに成功した。
SPring-8での高輝度Ｘ線を用いた高温高圧水素中Ｘ線回折については、水素供給システム、加熱システム等の機器開発から始め、制度の良いデータを得ることに成功した。実際の測定では、鋳造状態でbcc相およびB2相にcube-on-cubeの関係があり、1373Kでの熱処理後も、水素吸蔵後もこの関係を維持しているなど、想定外の知見も得られた。
以上より、当初の計画通りおおむね順調に進展していると言える。
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| 今後の研究の推進方策 |
・Nb-Ti(Ni, Co)系合金の水素化特性と微細組織
上述のようにNb-TiNi系共晶合金とNb-TiCo共晶合金には水素化特性に差があることが明らかになってきている。今年度はNb-Ti(Ni, Co)系合金にて、Ni/Co比を変えた系において、共晶組織を形成する合金組成をまず決定する。この合金の鋳造状態および圧延・熱処理後の状態において、水素透過度、水素吸蔵量、水素化による構造変化について調べ、耐水素脆化性を決定する因子を明らかにする。
・添加元素による水素吸蔵量の低減
これまでに合金中の水素吸蔵量を低下させるが、水素吸蔵量の差を変えない添加元素を見出しているが、今年度は他の元素についても同様の試験を行い、水素吸蔵量の低減に有効な元素を見出す。効果のあった元素については、元素の添加量と水素透過性、水素吸蔵量、加工性、微細組織について調べ、添加元素量の最適化を行う。
・高輝度Ｘ線を用いた水素中での構造変化
SPring-8で高輝度Ｘ線を用い、Nb-Ti(Ni, Co)合金の水素中での構造変化を１秒間隔で測定し、合金の微細組織と構造変化の過程について明らかにする。また、２相合金でのみ耐水素脆化性が発現する理由を、実験データを用いて考察する。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
本研究費で購入予定であった合金元素を、学内予算で購入することができたため。
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| 次年度使用額の使用計画 |
当初計画になかった合金元素を購入し、元素添加と水素吸蔵量の関係について調べる。
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