環境創成計画学講座 │ Ecomaterial Design and Process Engineering

環境調和材料強度学分野 Structural Materials for Eco-Friendly Systems

材料強度の原子論と格子欠陥制御工学
教授

Atomistic of material strength and lattice defect control engineering

丸山 公一

准教授

助教

吉見 享祐

鈴木 真由美Professor

Associate Professor

Assistant Professor

Koichi Maruyama

Kyosuke Yoshimi

Mayumi Suzuki

Weight saving and mechanical property development of materials are very important issues for the reductionof environmental burdens and the construction of infrastructure for the sustainable society. Maruyama group is challenging to create new structural materials with the viewpoint of atomistic approaches of material strength and deformation and lattice defect engineering in crystals.

次世代内燃機関を担う超高温材料
Mo-Si-B合金の状態図研究の強化機構についての調査を行っており、イットリウムと亜鉛の同時添加に伴う合金内の物理量（積層欠陥エネルギー）の変内燃機関の基本原理から、燃焼ガスの温度を高くすればす化と転位の移動度の関係を変形組織観察結果から検討しているほど熱効率は上昇することがよく知られているが、実際の熱る。本系合金では積層欠陥エネルギーの低下に伴い、高温で効率は熱力学が示す理想的な値に比べてかなり低い。これは、の回復機構の一つである転位の上昇運動速度が著しく抑制さ内燃機関内で理想的な断熱仕事がなされていないためであり、れる。またイットリウムと亜鉛の濃度を適切に設定すると粒内その主たる原因は目的に適った高温で高強度な材料が提供でには積層欠陥が規則的に導入された長周期積層構造が導入さきていないことにある。この問題は古くから懸念されており、れるが、亜鉛を銅で置換した長周期型Mg85Y9Cu6合金（図3）

現在人類が直面している石油資源の枯渇問題を回避するためにおいては、この効果が特に期待される。また、長周期積層には、超高温材料を使った新しい内燃機関の提案が急務であ構造相を粒界に連続的に導入させたチクソモールディング®成る。そこで当グループでは、高融点金属であるモリブデンの高形材（図4）も優れたクリープ強度を示す。以上の成果は国内外

融点、高強度、低密度そして資源の豊富さに着目し、Mo-Si-Bの学会および研究会で発表されており、上記内容を含む研究

三元合金の状態図および金属組織学的研究、粉末材料プロ成果について第一回軽金属女性未来賞が授与された。

セッシングの検討、さらには超高温特性の調査等々を進めた。
Mo濃度が50%以上の合金ではMo5SiB2という金属間化合

Fig.1 Electron microscopic image of an eutectic structure of
Mo5SiB2 intermetallic compounds and Mo solid solution.

比重2.7のAlと4.5のTiからなるTiAl合金は、航空機エンジンとが知られているが、Mo-Si-B三元系合金の凝固経路や平衡（タービン翼）や自動車エンジン（ターボチャージャ）用の次世代状態図に関しては未だに議論が混沌としている。
しかし当グルー軽量高温材料である。ヨーロッパでは燃費の良いディーゼル車

プは、これまで複数の研究グループが報告してきた凝固経路が人気で、ディーゼル車ではターボチャージャが必須である。ターの矛盾点を解明した。また、
Mo-8.5at.% Si-13.2at.% B合金は、ボチャージャの性能を決める翼車の特性向上のために、軽くて降伏強度が1500℃でおよそ1 GPaと、極めて高強度であること

しかもより高温に耐える軽量高温材料の開発が推進されていとが、TiAl合金の強度向上に大きく貢献する。界面転位の導入を明らかにした（図2）。これらを含めたこれまでの成果に対して、る。日本のガソリン車の空燃比は、理想値より低いところに設

制御は、多くの異相界面を含むナノデバイスでも重要な問題で

平成22年3月には日本金属学会功績賞が授与される他、同年定されている。理想値に近づければ、燃費は向上するが、排ガあり、本研究の成果は、これらの分野にも貢献できる。

12月に開催予定のMaterials Research Societyでシンポジウム

ス温度が上昇し、それに耐える材料が必要になる。当グループ

これらを含めたこれまでの成果に対して、H21年9月に、日本金属のオーガナイザーを務める。尚、本研究は科学研究費補助金（基では、ターボチャージャの高性能化や排ガス温度の高温化に対学会 功労賞と日本鉄鋼協会 学生ポスター発表賞が贈呈された。

盤研究B）の支援によって遂行されている。

応できるように、TiAl合金の高強度化を目指した基礎研究を行っている。
TiAl合金は、γTiAl相とα2Ti3Al相という2種類の化合物相

マグネシウムは実用金属材料中最も軽量であり、省エネルがナノ～サブミクロンサイズの層状組織を形成している。γ相とギー・地球温暖化防止の観点から輸送媒体への応用が期待さ

α2相からなるTiAl合金中には、γ/α2界面とγ/γ界面が存在すれている材料であるが、実用化のためには更なる高温強度の改る。この層状組織の設計によってその強度を種々制御すること善が必要である。マグネシウムにある種の希土類元素と遷移ができる。図5に示すように、界面の間隔を微細化すると、格金属を同時添加するとその強度は著しく向上することは特に興子ミスフィットを補う転位を含むγ/α2界面から、含まない整合

味深いトピックであり、近年種々の研究が精力的に進められて界面へ構造変化する。整合なγ/α2界面の周囲では、結晶格子いる。特にマグネシウムにイットリウムと亜鉛を同時添加したが大きく弾性変形しており、それが原因して、材料強度（降伏合金は鋳造材および展進材で優れた機械的性質を示す。当グ応力）が上昇する。このように、界面転位の導入を抑制するこ

Coexistence Activity Report 2009

Fig.2 Comparison of yield stress between the Mo-8.5Si-13.2B
alloy and typical high temperature materials.

TiAl合金：次世代軽量高温材料物が生成し、Mo固溶体と共晶反応によって凝固する（図1）こ高強度耐熱マグネシウム基鋳造合金の強化機構

2

ループではこれらの合金のクリープ強度を調査すると共に、そFig.3 TEM microstructure of the LPSO（Long Period StackingOrdered）type Mg85Y9Cu6 alloy.

Fig.4

SEM microstructure of an Mg-Zn-Y Thixomolded® alloy.

特筆すべき業績
The Japan Institute of Metals Distinguished Achievement Award（Science）, K. Maruyama, on 15/09/2009.
Outstanding poster award of the Iron and Steel Institute of Japan, R. Chen, H. Ghassemi Armaki and K.
Maruyama, "Microstructural stability of P91 steels during long-term creep exposure", on 15/09/2009.
1st Award of Light Metal Woman Future Prize,M. Suzuki on 14/11/2009.

Fig.5 Effects of average lamellar width on（a）material strengthand（b）misfit dislocation density on interface between γ and
α2 phases in fully lamellar TiAl alloys.

アクティビティレポート 20093