PRICM10
物質・材料研究機構 構造材料研究拠点 耐熱材料設計グループ
グループリーダー 御手洗 容子（平成 30 年度 国際会議等参加助成 AF-2018066-X2）
キーワード：クリープ変形機構，等軸α組織，高温強度

１．開催日時2019 年 8 月 19 日～8 月 22 日．

待講演を行なった。
耐熱 Ti 合金はジェットエンジンのファンや圧縮機のディスク, ブレードなどに使われている。エンジンに使用さ

２．開催場所

れている耐熱 Ti 合金は, すべり系が少ない hcp 構造の α

中国、西安相を主相とした, 高強度・高靭性である α+β(bcc)型合金,

Xi’an Qujian International Conference Center

高温強度・耐クリープ性に優れる near α 合金(β 量を 10%以下に抑えた合金)である。さらに, 規則相である α2-Ti3Al

３．国際会議報告

相や微細シリサイド(Ti5Si3)等の析出強化により強化され3・1ている。

会議概要

10th Pacific Rim International Conference on Advanced

現在使用されている耐熱 Ti 合金の中で最も耐熱温度がMaterials and Processing(PROCM10)は、アメリカ、オースト

高いのは 1984 年に開発された TIMEAL834 であるが, 長ラリア、中国、韓国、日本の５カ国を持ち回りながら、３時間使用可能な温度は 550 であり, これ以上になるとク

年に１回開催される材料とプロセスに関わる国際会議でリープ特性や耐酸化性の劣化により, 長時間の使用が難ある。主催は上記 5 カ国の金属学会、TMS, MA, CSM, KIM,しい。NIMS では, これまで新たな耐熱材料の可能性を求JIM（日本金属学会）である。今回は、中国で 3 回目の開めて研究を行ってきた。まず耐酸化特性に与える添加元素催となり、41 国から 1213 件の発表があり、5 つの Plenaryの効果について系統的に調べ, α-Ti 合金に必須元素である講演、116 の Keynote 講演、268 の招待講演、542 の一般

Sn が耐酸化性を劣化し, 既存合金では 1wt%以下しか添加

講演、282 のポスター発表があった。

しない Nb が耐酸化性を向上させることを明らかにした開催されたセッションの内訳は、(1-3)。本発表では, Ti-Al-Nb をベースにした Ti 合金の等軸 α

Advanced Steels and Processing

組織について, 高温圧縮試験及びクリープ試験を行い, Sn

High Temperature Structural Materialsを添加しない Ti 合金の高温変形挙動を明らかにした。

Light Metals and Alloys

コールドクルーシブル浮揚溶解法により 1.1kg の Ti 合

Advanced Processing of Materials

金 イ ン ゴ ッ ト (Ti-10Al-2Nb, Ti-10Al-2Nb-0.3Si, Ti-10Al-

Thin Films and Surface Engineering2Nb-2Zr, Ti-10Al-2Nb-2Zr-0.5Si, at%)を作製し、インゴットBiomaterials

を α+温度域である 900 °C に加熱後鍛造し, 溝ロール圧

Smart and Magnetic Materials

延により 14.3 mm 角 (93%加工率) の棒状に加工した。こMaterials Characterization and Evaluation

れらを 800 °C で 3 時間熱処理後, 水冷処理し、等軸α相

Composite Materials

組織を生成させた(図 1)。α相の結晶粒径は、添加元素にAmorphous and High Entropy Alloys

より小さくなり、特に Si 添加により小さくなった。Ti-Nanocrystalline Materials, and Ultra-Fine Grain Materials

10Al-2Nb-2Zr-0.5Si にのみ 1μm 以下のシリサイドが生成

Computational Design and Simulation of Materials

し、等軸α相内に比較的均一に分散した。

Renewable Energy and Nuclear Materials

熱処理材から, 2.5 x 2.5 x 5.5 mm の試験片を切り出し,Additive Manufacturing and Power Metallurgy

圧縮試験片とし、3 x 10-4 /s のひずみ速度で室温から 650

Electronic and Spin-Electronic Materials

˚C の温度範囲で圧縮試験を行なった。また, 直径 6 mm,

Dynamic Behavior of Materials

ゲージ長 30 mm のツバ付き丸棒クリープ試験片を用いて、と多岐に渡った。

試験温度 550~650 °C 負荷応力 137 ~240 MPa でクリープ試験を行った。クリープ試験は Ti-10Al-2Nb-2Zr, Ti-10Al-3・2

発表概要

報告者は Light Metals and Alloys の中の“Titanium”のセッションで“Creep deformation of near-α Ti alloys”と題した招2Nb-2Zr-0.5Si の２合金に対してのみ行なった。

圧縮試験による変形とクリープ変形の変形機構を明らかにするために、式(1)のアレニウスタイプのひずみ速度式を用いて解析を行った。
/(1)

その結果、圧縮試験では、応力指数 n は 5.9〜6.9 の間であり、活性化エネルギーはおよそ 100kJ/mol であった。
また、クリープ試験では、応力指数は 3.4〜5.9 であり、
図 1 熱処理材の組織(a)〜(d)と IPF マップ(e)〜(f)。
(a, e)Ti-10Al-2Nb, (b, f) Ti-10Al-2Nb-0.5Si,(c, f) Ti-10Al-2Nb-2Zr,(d, h) Ti-10Al-2Nb-2Zr-0.5Si。4)

圧縮強度は、ベース合金である Ti-10Al-2Nb の強度が最も低く, 合金元素添加により強度が向上した。これは固溶強化によるものであり, 特に 300℃以上で顕著であった。
また 2Zr と 0.5Si 添加の強度がほぼ同程度であることから, 等量で比較すると Si の方が固溶強化能が高いことが明らかとなった。これは Si 添加により粒径が小さくなること, さらに Ti の原子半径と比較して, Si の方が原子半径差が大きいためである。

活性化エネルギーはおよそ 300kJ/mol であった。応力指数が 3 以上の時、転位クリープが起こるとされる。一方、
Ti の拡散に関する活性化エネルギーと上記変形の活性化エネルギーを比較すると 100kJ/mol は粒界拡散や転位芯拡散の活性化エネルギーと近い。粒界すべりによる変形では応力指数が 1 程度であることが知られているため、圧縮試験の変形機構は転位芯拡散による転位すべりであると判定した。クリープ変形の活性化エネルギーは Ti の格子拡散の活性化エネルギーの値と近いため、クリープ変形は格子拡散による転位すべりであると判定した。
発表後、Nb が耐酸化性を向上させる理由や、550℃でのクリープ試験で Si の影響が明確でない理由について質問があり、有意義な議論を行うことができた。

謝

辞本国際会議への参加にあたり、公益財団法人天田財団
2018 年度国際会議等参加助成のご支援をいただきました。
ここに厚く感謝申し上げます。

参考文献
1)

2)

図 2 Ti-10Al-2Nb-2Zr（オープンシンボル）および Ti-10Al2Nb-2Zr-0.5Si(ソリッドシンボル)の(a, b)ひずみ-時間曲

3)

線および(c, d)ひずみ速度-時間曲線。(a, c) 550, 600,650 ℃137MPa、(b, d) 550℃ 137, 190, 240 MPa。4)
クリープ試験の結果は、どのクリープ条件でも Ti-10Al2Nb-2Zr よりも Ti-10Al-2Nb-2Zr-0.5Si の方が寿命が長かった。これは Ti-10Al-2Nb-2Zr-0.5Si 高温での強度が高いためであり, また, シリサイドの生成もクリープ変形の抵抗となったと考えられる。

4)

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