2019 Fiscal Year Annual Research Report
Development of a non-destructive method to study hydrogen behavior and hydrogen embrittlement resistance using muon spin relaxation spectroscopy
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18H01747
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| Research Institution | University of Toyama |
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Principal Investigator |
西村 克彦 富山大学, 学術研究部都市デザイン学系, 教授 (70218189)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
松田 健二 富山大学, 学術研究部都市デザイン学系, 教授 (00209553)
赤丸 悟士 富山大学, 研究推進機構 水素同位体科学研究センター, 助教 (10420324)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | アルミニウム合金 / 水素脆性 / 水素原子拡散 / ミュオンスピン緩和法 / 原子空孔 / 原子クラスター / 材料組織 / 自然時効 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
金属材料の水素脆性は広く知られたことだが、金属中水素原子の直接観察の困難さにより、水素原子の拡散や捕獲に関する実験的データは限定されている。この現状にあって、温室効果ガス排出量削減のために水素を車両燃料に利用し、エネルギーダムとして液体水素を利用する動きがある。一般に6000系アルミ合金は耐水素脆性に優れているが、純粋なAl-Mg-Si合金は耐水素脆性が相対的に低いことが知られている。Cuなどの添加元素が水素原子の拡散を抑制し、水素脆化を抑制していると考えられる。本研究では、近年実験精度が飛躍的に向上したミュオンスピン緩和法を応用し、6000系アルミ合金中の水素原子の捕獲位置と拡散挙動を解明し、水素脆性を抑制する工業的手法を探索する。更に、確立した研究手段で水素脆性が顕著な7000系アルミ合金中の水素挙動を解明する。よって、基盤材料となるアルミ合金の選択枝を広げ、水素エネルギー社会の安全性を高める。本研究の問いは、“アルミ合金中で水素原子はどのような位置に捕獲されて、どのような経路で拡散するのだろうか？”。“アルミ合金中で水素原子の拡散を抑制する元素は、なにか？”この問いに対する解答は、水素脆性過程を解明し、対策を設計する上で重要である。本研究では、イオンガンを利用して、直径50mm、厚さ1mmのディスク状試料の片面から水素イオンをインプラントする。アルミニウム中の水素拡散実験によれば、温度20℃、水素の拡散率は、2.3ｘ10-11m2/sであり、約10時間で1mm程度拡散・浸透すると考えられる。室温時効における水素原子の拡散現象の時間経過を観測して、活性化エネルギーと電子密度計算結果から、水素拡散経路を解明する。
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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
アルミニウム合金に水素をインプラント（照射）するイオンガンおよびその周辺機器を設計・作製・性能試験を終了し、種々の条件で水素インプラントを試みて、水素脱離試験でインプラント水素濃度を評価した。まず、インプラント中の資料温度を、液体窒素温度、室温、昇温100℃で行った。その結果、100℃で行った場合にインプラント水素濃度が高いことが分かった。また、インプラント水素濃度は、ほぼ照射時間に比例して増加した。しかし、ある濃度以上になると増加速度が著しく低下する。ミュオンスピン緩和実験は、Al-0.2%Cu、Al-0.5%Mg、高純度Alの３種類で行った。結果、特にAl-0.2%Cuで、顕著なミュオンスピン緩和率の増加を水素インプラント試料で観測した。これは、添加元素Cuが原子空孔と結合力が高いこと、さらに水素は原子空孔に捕獲されることから、理解できる。Al-0.5%Mgおよび高純度Alでも、ミュオンスピン緩和率の増加を観測している。これらの実験結果は、国際会議等で公表している。
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| Strategy for Future Research Activity |
１）2019年度、水素濃度が約50ppmのAl-0.2%Cu合金、Al-0.5%Mg合金および高純度Alでミュオンスピン緩和実験を行い、初めてミュオンと水素原子の相互作用に起因すると考えられるミュオンスピン緩和率の増加を観測した。2020年度は、水素濃度を約100ppm濃度に増やしたAl-0.2%Cu合金、Al-0.5%Mg合金および高純度Alでミュオンスピン緩和実験を行い、ミュオンと水素原子の相互作用を確定し、水素が捕獲されているAl格子位置を明らかにする。２）整備したイオンガン用いた水素インプラント装置を利用し、種々の加速電圧で水素をAl-0.2%Cuにインプラントし、水素脱離試験で、水素の捕獲格子位置を調査する。さらに、ミュオンスピン緩和実験（J-PARCおよびRAL）を行う。３）正ミュオンは、アルミニウム中で化学的には水素イオンと同様に振る舞う。ミュオンスピン緩和スペクトルから、捕獲率と緩和率の温度依存性から、水素イオンの拡散エネルギーを推定できる。補助的に陽電子消滅実験を行い原子空孔周りの電子密度を求める。その結果を基に電子密度計算と拡散エネルギー計算を行い、ミュオンの拡散経路を明らかにする。正ミュオンと水素原子の質量差を補正し、水素原子の拡散経路を推定する。
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