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[NRIMNews1992-05.pdf](https://mdr.nims.go.jp/filesets/7c109e3b-0d17-4313-95f8-be7f5e730bb9/download)

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松岡 浩

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[金材技研ニュース 1992 No.5](https://mdr.nims.go.jp/datasets/c63bf227-610b-443f-926a-683a42d7313c)

## Fulltext

金属技研ニュース　1992　No.5i〇一．ゼEoo一一〇⊂蜆⊂○箏○コーooo－o0＝あ○蜆oo．］o－Eo－ooo］10’0E0f000眈o〇一10－〇一眈○眈餉Eo．但≧里三…ω…Z－o○餉］○工←■一核融合炉低温照射下クリープ／耐熟合金設計法／傾斜機能材料熱的安定性核融合実験炉の低温照射下クリープを刊則原子炉材料の照射誘起変形の計算　究極のエネルギー源として期待される核融含炉の炉心部では，強力な中性子照射によって格子点からの原子の激しいはじき出し現象が起こり，これによって材料中に導入された点欠陥が動き回って集合・離散・吸収・消滅のダイナミックな現象が起きる。そのため材料物性に種々の変化が生じ，また，炉の設計上特に重要なものとして材料の変形や寸法変化が生じる。しかし，実際にこのような材料の挙動を中性子照射下で詳細に調べ，設計に必要なデータを完全に収集・整備することは技術的・経済的に極めて困難である。　このような背景の下に，当研究所では照射下クリープや照射誘起応力緩和など，　「照射下」で誘起される変形をシミュレーションによって予測する研究を進めている。応力下の材料中では照射によって導入された点欠陥を転位の運動，転位ループの核生成，成長など複数の照射誘起変形機構が競合して取り込む。このダイナミックな過程を追跡するため，点欠陥の拡散の活性化エネルギー，材料の弾性係数，転位密度など総数20個ほどの因子を用いて点欠陥密度に関する反応速度論的な連立方程式を導出し，それを時々刻々解いて塑性ひずみの生成過程を求める手法を世界に先駆けて開発した。　核融合エネルギー開発における現在最大の話題は国際熱核融合実験炉（ITER）の工学設計であるが，ITERでは冷却水の温度が60℃と低く照射量も少ないため，これまで照射下クリープは無視できるものと思われていた。しかし本研究の結果，図に示すように，ITERで予想される最大はじき出し量10回数／原子以下の領域で変形量がかなり大きいこと，および，低い照射量の範囲内では遷移的な現象によって高い温度よりもむしろ変形量が大きくなることが予測された。このような著しい低温照射下クリープがはじき出し量2～3回数／原子の領域で起きていることが米国のオークリッジ国立析究所において最近実験的に確かめられ，ITERにおける照射誘起変形の重要性が指摘されるとともに本予測法の有用性が実証された。今後の改良によ、）さらに多くの状況における照射誘起変形を予測できるものと期待される。（06“迂ト604トヘト02雷1　　　　　024681012　　　　　　はじき出し量（回数／原子〕図　核1融合実験炉条件での低溢照射下クリープ予測1統計熱力学モデノレによる耐熱合金の設計クラスター変分法の応用　ニッケル蜘鮒熱含金はγ棚（f㏄構造）の中に微細なγ’梢（L12規則構造）を析出させ、高淋における強度やクリー一プ特性の1命1．．．1二を図っている。こ二のため含金設討には，多樹1買の含金元素の添カ1．1によって，γ’とγの組成，鐙比や格子ミスフィットがどのように変化するかを定鍛的に解析し，予測することが必要である。　ニッケル趨合金に闘しては梱平衡閥係のデータはすでにかなり多く蓄積されており，これらのデータを基に，純織験式により特例三の鍛遭条件を計算機によって探索する含金設言十の乎法が闘発されてきた。この方法は搬実ではあるが，十分に僧煩性のある予測を行うためには数多くの含金元葉の，広い組成範囲にわたる1膨大なテL夕を必要とする。そこで，確固とした統言十熱力学的乎法に基づき，実験鐙が少なくてすむような，設言十法の闘発が望まれるが，それに遭したものとしてクラスター」変分浸ξカ｛ある。　クラスター変分法は批輿1j柵や化含物の梢平衡の解析に極めて有効であることが知られている。この方法は四而体や八櫛体といった腺二r・クラスターを考え（図1），クラスターの各煩一1㌢を構成原子が■｝iめるクラスター配機1の確率（酉雌董エントロピー）をよく書十皿算できる。そして、現象論的な原二γ・間ポテンシャルを用いることによリ，梢中の1累二戸配澱（含金元素の櫨換サイト），規興1」度，2梢中の含金元素の濃度比），j1犬態図中の平衡柵境界などを統一●・10・i図1　γ’ヰ1・1の1側1向＝イ木』勇（・・ゴ・クラスター一的に請’1」算でき，言十算に1必要なポテンシャルパラメータの数も少ないのが特徴である。　図2はこの’’フテ法を用いて討算したニッケルーアルミニウムーコバルト（Ni－Al－Co）三元含金のγ’／γ∫1・三衡棚境弊をホす。平衡棚境界はキ’ブス三角形のNi－Co辺に平行な方1’自1にのびており，これはコバルトがおもにNiサイトに激換することをホしている。討算では約80％がMサイト，残り約20％がAlサイトに灘換されると予測されるが，これは実際に電界イオン顕微鋭や分析電顕によって得られた炎験結果ともよ一く一致している。　このようにクラスター変分法では，単に平衡梱境界や分配係数といった匡ζ視的な熱力学最だけでなく，合金元素の置換挙動や椿子ミスフィットのように，含金特性を左有するミクロな構造にまで立ち入って解析し，設膏・1一に取り入れることができる一1．ミ1二に架手徴カ｛ある。当概究所はま辛1＝菊〒的オ；オ料設計法の閉発のための特舳月＝究や新技術寮業団の蘭英共1郡月＝究（原子配澄設喬十維11御畜十醐）を適じて，ニッケル趨合金、チタン含金の含金設計にクラスター変分法を遭用し，設計法の改良という繊一［扱から，耐熱含金の性能1竈］」二に取り組んで一いる。　　　　　　Co，・士％　　　900℃　　　　　　　　60　　　　　　　　　　　　’　　　　　　　　　　　　’　　　　　　50　　　　　1　　　　　　　　　　　’　　　　　　　　　　　ノ　　　　　　　　　　メ　　　　40　　　　71、　　　　　　　　　’　1，　　　　　　　　　　　1　，　　　　　　　　　1　　1　、　　　　’　　　3C　　　　7　　1　、　　！　　　　　　　　1　　　1　、　　’　　　　　　　　7　　　1　、　’。。γキγj・，オー一’　　　　　　　　　　■　I　　　　　　　　　　・’　’　　　　　　　　　　　　　’　　　　　　　　　　　’　　’王0　　γ　　　　　　　’　’　　　　　　　　　　’　　’　　　　　　　　　　’　　　　。　　γ’、・　！　　　　’　　　　　　　’　　　’Ni　l0　　　20　　　30　　　40　　　5C　　　60　Al，at％図2　クラスター変分淡によリ膏1’猟されたNi－Al－　　　Co3元含金のγ7γ平衡榊境弊金属／セラミックス傾斜機能材料の熱処理現象クラゲ状金属組織の発生　超耐熱複合材料として従来，金属材料表面にセラミックスを溶射または接着した材料が用いられてきた。しかし，実際に高温で使用した場合，金属とセラミックスとの界面で熱」膨張係数の差による熱応力が発生してセラミックスの剥離を起こし，超耐熱材料としての性能に問題を生じた。そこで考案されたのが傾斜機能材料である。傾斜機能材料とは，セラミックスから金属へと組成を連統的あるいは階段状に変化させることにより，熱応力を緩和させるとともに所定の遮熱性を付与し得る材料のことである。このような不均質材料は，熱力学的観点からすると非平衡状態にある。そのため傾斜機能材料が高温に長時問さらされる場合には，異相問の化学ポテンシャルの勾配によって原子の拡散が起こり，元の傾斜組成を失うことが予想される。それゆえ，実用化に際してはそのような場合も想定して熱的安定性や組織の時間的変化を充分把握しておく必要がある。　当研究所では，プラズマ溶射法，物理蒸着法，薄膜積層法などで作製した傾斜機能材料の熱的安定性について検討している。一例として，ステンレス鋼SUS310S基板上にニッケルークロムーアルミニウムーイットリウム合金（Ni－16wt％Cr－6Al－0．8Y）と部分安定化ジルコニア（Partiany　Stabi1ized　Zirconia＝PSZ，ZrO1－8wt％Y！Ol）をプラズマ溶射した傾斜機能材料があるが，この材料（写真（目））は，真空中で高温（1200℃）に加熱した場合に興味深い組織変化を示すことがわかった。すなわち，PSZ部では焼結の進行にともなう体積減少によりき裂が発生し，そのき裂の中に金属が侵入するが（b），加熱時問が長くなるとともに侵入した金属はPSZ部の表面にまで達し（c），さらにはPSZ部の表面に金属が盛り上がってクラゲ状組織を生じた（d）。侵入した金属部の化学組成をX線マイクロアナライザーで調べたところ，主成分は基板のSUS310Sから拡散してきた鉄であり，クラゲの上部に向かって鉄濃度が高くなっていた（図）。一方，Ni－Cr－Al－Y合金の代わりにNi－20wt％Cr合金を用いた場合には金属組織の成長は起こらない。これらのことから，Ni－Cr－A1－Y合金中に大量に含まれるアルミニウムの存在が成長を促進しているものと思われるが，その機構はまだ明らかになっていない。　クラゲ状組織の成長は傾斜機能材料の剥離防止の観点からすると好都合であるが，材料本来の遮熱性を失うことになり，耐熱コーティングとしては必ずしも好ましくない。そのため，加熱にと　工oo　　　　　　　　　　　　　　もなうPSZ　80挫撃60益姦40簑　20　　　　　　　　　　部のき裂発　　　　　　　　　　生を防止す　　　　Fe　　　　　　　　　　る方法につ　　　　　　　　　　いても検討　　　Ni　　　　　　　　　　を行っていCr　　　　　　　　　　る。　O　　　　O　　　　1O0　　　　200μm　　金属／PSZ　　　　　　PSZ表面図＝写真（d沖のクラゲ’状金属組織部の主な成分元素写真　Ni－Cr－Al－Y／PSz系傾斜機能材料を1200℃に加熱した時の断而組、織変化　　U〕〕16H寺問，　1仁）64H寺問，　（（い144H寺r削（壬1〕O時1笥，◆短　　信◆●人事異動平成4年3月3工日定年退職　山崎道夫（材料設計研究部長）定年退職　島　　榮（筑波支所管理課長）平成4年4月1日配置換　材料設計研究部長　辻本得蔵（第3研昇昇　　究グループ総合研究官）任　第3研究グループ総合研究官　中村森　　彦（第3研究グループ第1サブグルー　　プリーダー）任　筑波支所管理課長　筒本利行（筑波支　　所管理課長補佐）●外国人研究員の受入れ氏　名所　属アーマ期　問氏　名所　属アーマ期　問氏　名所　属ア■マ期　問氏　名所　属フ■一マ期　問Balette　Papeフランス共和国　ボルドー大学MM　Cの機械的性質に及ぼす組織の影響に関する研究平成4年1月9日～平成5年7月8日趨　翰愛中華人民共和国　上海交通大学軽水炉の環境劣化に関する研究平成4年2月24日～平成4年4月12日Dirk　Vandersc11uerenベルギー共和国　ルーベン大学TiA1化合物の高温変形に関する研究平成4年3月1日～平成5年2月28日Ho1ger　Norenbergドイツ連邦共和国　ロシュトック大学MB　Eによる半導体量子井戸箱の作製に関する研究平成4年3月3日～平成5年3月2日氏　名所　属アLマ期　問氏　名所　属フー一マ期　間氏　名所　属フI一マ期　問氏　名所　属フI一マ期　問許　龍学大韓民国　標準科学研究院新素材評価センター金属材料のクリープき裂成長特性評価平成4年4月3日～平成4年7月3日Sri　Murdiatiインドネシア科学院金属研究開発センター金属被覆研究平成4年4月10日～平成4年6月10日Pradoomg　Suanpootタイ　チェンマイ大学大気腐食に関する有機被覆技術平成4年4月20日～平成4年7月3日Tasrifインドネシア　科学技術研究所大気腐食に関する有機被覆技術平成4年4月20日～平成4年9月4日般公開　　本所と支所で680人ほどが参観　　　　SClENCE　NOW’92も大好評　当研究所では，科学技術週問行事の一環として，目黒本所（4月21日）と筑波支所（4月18日）を」般公開し，科学技術庁主催のSCIENCE　NOW’92（4月14日～17日，東京・晴海）に出展した。　一般公開では，本所270名，支所約410名の来訪があり，研究成果の説明や質問に対する応答が，第一線研究者により熱心に行われた。　SCIENCE　NOW’92では，当研究所が目指す今後の方向と幅広い研究の内容を紹介するバネルや展示物が，大勢の参観者の興味を集めた。鰍ピ＝SClENCE　NOW’92を視察する石塚科学技術亭務次官発行所科学技術庁金属材料技術研究所（本　　所）〒153東京都目黒区中目黒2－3－12　　　　　TEL（03）3719－2271，FAX（03）3792－3337（筑波支所）〒305茨城県つくば市千現1－2－1　　　　　TEL（0298）51－6311，FAX（0298）51－4556通巻第401号　　　　　　　平成4年5月発行編集兼発行人　　松岡　浩印刷所株式会社三興印刷　　　　　　東京都新宿区西早稲田2－1－18