2018 Fiscal Year Annual Research Report
Interface tailoring of eutectic composites for ultra-high temperature structural applications
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18H01735
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
岸田 恭輔 京都大学, 工学研究科, 准教授 (20354178)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 界面特性制御 / 共晶複相材料 / 構造・機能材料 / 力学特性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
「高強度」と「高延性・靭性」を兼ね備える構造材料の実現はすべての構造材料研究者が目指す究極の目標である．本研究では次世代の超耐熱構造材料の候補の一つである遷移金属シリサイド基共晶単結晶合金(共晶温度：1900～2020℃)の優れた高温強度を保持しつつ良好な破壊靭性を付与する方策として，合金添加による異相界面強度特性の最適化と組織の均質微細化を複合的に行う方法を提案し，その強靭化機構の妥当性と有効性を実験研究と理論的検討を相補的に行うことを通じて解明することを目的とする．平成30年度は主な研究対象をTMSi2/TM5Si3共晶合金(TM=Mo,Nb,W)とし，ベース合金系の決定，それらの一方向凝固による均質微細組織を有する単結晶状試料の育成，ならびに力学特性評価，界面構造と界面強度特性に及ぼす元素添加の影響に関する予備的検討を行った．これまでに結晶育成に成長しているC11b-MoSi2/D8m-Mo5Si3共晶合金を用いて結晶育成条件の最適化を試みた結果，従来は不均質なセル状共晶凝固組織しか得られていなかった第3，第4元素を添加した合金について100mm/hという速い成長速度で均質微細共晶組織の形成に成功した．得られた試料は同共晶合金においてこれまでに得られていたものよりも優れた高温強度，室温破壊靭性値を示すことを確認し，本研究で提案している強靭化法の有効性のさらなる実証に成功した．またNb-Mo-Si三元合金系において，C40-(Nb,Mo)Si2/D8m-(Nb,Mo)5Si3共晶組織が得られる組成範囲を決定し，一方向凝固により均質微細共晶組織を有する棒状試料の育成に成功するとともに，その組織的特徴を明らかにした．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
合金添加による異相界面強度特性の最適化と組織の均質微細化を複合的に行うことよる材料の強靭化法の妥当性の検証のためには，合金組成(第3，第4元素の種類と添加量)と結晶育成条件の最適化が不可欠である．平成30年度は新たに検討を始めたNb-Mo-Si三元合金系において，C40-(Nb,Mo)Si2/D8m-(Nb,Mo)5Si3共晶組織が得られる組成範囲を決定し，ベース合金組成を決定した．また一方向凝固により均質微細共晶組織を有する棒状試料の育成に成功するとともに，共晶組織内での二相の組織形態，結晶方位関係をはじめとする様々な組織的特徴を明らかにした．またNb-Mo-Si合金におけるNb/Mo比が組織形態，界面特性に及ぼす影響について調査を進めている．同時にこれまでに結晶育成に成長しているC11b-MoSi2/D8m-Mo5Si3共晶合金について，現有のハロゲンランプ熱源型光学式浮遊帯域溶融(FZ)装置に加えて，当初は想定していなかったキセノンランプ熱源型FZ装置を用いた一方向凝固試験を行ったところ，これにより第3，第4元素を添加した合金において従来よりも微細均質な共晶複相合金の育成に成功し，その力学特性評価により本研究で提案している強靭化法の有効利用には組織の均質微細化が極めて有効であることを確認した．これらの結果をもとにキセノンランプ熱源型FZ装置の使用が超高融点共晶合金の均質微細共晶組織形成に極めて有効であると認識し，今年度予算での当該装置の新規導入に至った．これにより研究の大幅な加速が十分に期待できる．以上のように，ほぼ予定通りに研究が進捗している．
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| Strategy for Future Research Activity |
今後はまずこれまでに育成に成功しているC11b-MoSi2/D8m-Mo5Si3共晶合金，C40-(Nb,Mo)Si2/D8m-(Nb,Mo)5Si3共晶合金を中心に，界面構造と界面強度特性に及ぼす元素添加の影響を実験的に明らかにする．この際，新規導入したキセノンランプ熱源型FZ装置を用いて，より速い凝固速度での結晶育成を行うことにより研究の高効率化を図る．また界面特性に及ぼす元素添加の影響については，第一原理計算による理論的検討にもチャレンジし，理論面からも有効な添加元素の探索を試みる．また均質微細な組織の形成に成功した試料については，高温強度特性，室温破壊靱性といった力学特性の評価を系統的に行う．さらに他のBrittle/Brittle共晶系である金属間化合物基材料(NbSi2-WSi2系(C40型-C11b型, 共晶温度：1860℃)など)，セラミックス基材料(Al2O3-Y3Al5O12(YAG)系(共晶温度：1827℃)，ZrB2-SiC系(共晶温度：2297℃)，TiB2-SiC系(共晶温度：2190℃)など)，さらには延性相を含む高融点BCC金属基材料のうちのいくつかについて，同様の一方向凝固材の作製，構成相間の結晶方位関係の調査を行い，格子ミスフィット制御の可能性を検討し，本研究で提案している強靭化法の妥当性を検証するとともに，その適用可能範囲・条件を明らかにする．
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