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

Professor

Koichi Maruyama

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 ischallenging to create new structural materials with the viewpoint of atomistic approaches of material strength anddeformation and lattice defect engineering in crystals.

究極の耐熱性を有する超高温材料の創製と超高温特性の評価

この合金は、従来の耐熱モリブデン合金 MHCの 2 ～ 3 倍の高温強度である上、密度はニッケル基超合金と同等、さ准教授

助教

Associate Professor

Assistant Professor

吉見 亨祐

Kyosuke Yoshimi

中村 純也

Junya Nakamura

り、析出挙動を正確に理解することは依然難しい。
当グルー

市販鋼の 700℃での軟化速度と同程度です。このように熱プでは、原子分解能分析電子顕微鏡を始めとする透過型電安定性が高い酸化物粒子を分散強化した鋼は、高い組織安子顕微鏡を用いた化合物相の結晶構造解析（Fig. 3）や析出定性を持ち、第 4 世代の原子炉で使える耐熱材料として注組織観察をもって、Al 合金中に析出する化合物相の同定目されています。当分野ではこの酸化物粒子の熱安定性のと合金組成による組織変化を系統的に調査する事で、Al起源を研究しています。鋼中の Y2O3 粒子は、Fig. 5 の高合金の組織制御法ならびに強度向上のための手掛かりを見分解能 STEM 明視野像に示すように、母相との間に高い出した。また関連研究の発表で、当分野の学生が、日本金整合性を持って析出しています。この高い整合性が、高い

属学会第 5 回格子欠陥制御工学研究会にて若手優秀講演賞

熱安定性の起源の一つと考えられます。

受賞した。

Ecomaterial Design and Process Engineering

Atomistic of material strength and lattice defect control engineering

丸山 公一

環 境 創 成 計 画 学 講 座

環境創成計画学講座

らに融点は 2000℃以下であるため溶解鋳造法で作製が可

ほとんどの原子力発電所が操業停止を余儀なくされてい能となった（Fig. 2）などの際立った特徴を有している。こる我が国では、電力供給の大半を火力発電に頼らざるを得

れら関連の成果は、第150回日本金属学会春期講演大会（横ない状況になっている。しかし昨今、火力発電のための燃浜国立大学）の基調講演、材料物性工学談話会平成 24 年度

料調達でコスト増となり、ほぼすべての電力会社が電気料金の値上げに踏切る、もしくは検討する事態となっている。
火力発電は主に、石炭を使った水蒸気タービン発電と液化天然ガスなどを使ったガスタービン発電に分けられるが、コスト増の原因は液化天然ガスにあると考えられ、ガスタービン発電の高効率化は我が国にとって今や最重要課題となっている。ガスタービン発電の高効率化には、タービ
ン入口温度の上昇が必須であるが、高圧タービンブレードに使用されているニッケル基超合金の耐熱性が限界に達しており、現在のシステムではこれ以上のタービン入口温度の上昇は極めて困難である。そこで当グループでは昨年来

Fig. 2 Appearance of a Mosibtic alloy produced by a plasma-melting technique.

より、ニッケル基超合金の耐熱性をはるかに凌ぐモリブデ

第 1 回講演会（京都大学）の招待講演、CREEP2012 (Kyoto)

ン基超高温材料の開発を進めてきた。その結果、モリブデや MS&T ’12 (Pittsburgh) の招待講演を通して報告された

ンに Mo5SiB2、TiC、Mo2C などを分散・複合化した新規ほか、東北大学オープンキャンパス期間中開催された市民

なモリブデン合金「モシブチック合金」（Fig. 1）の開発に成公開講座「’12 夏 最先端・次世代材料の研究最前線」や第 2功し、特許出願した（特願 2013-005292）。

回 3 大学主催連携公開講演会「グリーン・ライフイノベー

内燃機関を高温で運転すれば、省エネルギーと CO2 排出ションへの材料研究最前線」（大阪大学中之島センター：日削減が達成できます。そのためには、高温での使用に耐え刊工業新聞 平成 24 年 8 月 23 日，日経サイエンス 2012 年

る材料が不可欠です。材料の多くは分散粒子を導入して転9 月号に記事が掲載。）で広く一般市民にも紹介された。さ位運動を抑制することで強化されています。高温で強い材

らに、第151回日本金属学会秋期講演大会（愛媛大学）
では、料を作るには、高密度に分散させた微細な粒子を長期間に当グループの学生が第 19 回優秀ポスター賞を受賞した。

渡ってそのまま保つ必要があります。Fig. 4に3種類のフェAl 合金：ナノスケール析出物の結晶構造

Fig. 1 3-dimensional microstructure of a Mosibtic alloy consisting of Mo solidsolution (bright phase), Mo5SiB2 (dark phase), and TiC (black phase).

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Fig. 3 HAADF STEM images of characteristic bright dot periodicity in a
precipitate with a complex structure at an early aging stage.

Coexistence Activity Report 2012

Fig. 4 高温加熱にともなう硬さ低下

酸化物粒子による高温材料の強化

ライト系耐熱鋼の高温加熱中の硬さ変化を示します。窒化物粒子（VN）を含む試作鋼は 700℃、300 時間の加熱で硬さが大きく低下します。これは VN 粒子の凝集・粗大化が時効硬化型 Al 合金は、中、高強度軽量材料として自動車早いためです。炭化物粒子（M23C6）で強化した市販鋼では、や航空機など広範囲な分野で構造材料として利用されてい硬さ低下が緩やかになり、高温でより長時間の使用に耐える。この合金系は熱処理によって著しく強度が増加するたることができます。酸化物粒子（Y2O3）を含む材料は更にめ、合金を強化するためには微細に析出するナノスケール高い熱安定性を示します。700℃から825℃に昇温すると、化合物相の析出を制御する事が重要であるが、非常に多く原子の拡散が早まり、軟化速度が約 100 倍早くなります。の種類の化合物が合金中に析出するため組織が複雑となしかし酸化物粒子分散強化鋼は、825℃でも、炭化物強化

Fig. 5 ODS 粒子の結晶方位関係

アクティビティレポート 201253