超高圧力による合金の結晶粒制御とその機構の解明

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Al-Li合金は超軽量高強度合金として将来期待されている合金系であるが、粒界脆性がその実用化への障害となっている。本研究では、このAl-Li合金の結晶粒径制御に2万気圧までの高圧力を加え高圧力による粒界制御の定量化とその機構を研究した。Al-1at%Li合金を溶解炉で作製した後、Arガス雰囲気内で均一化処理を行い、型圧延と線引きにより直径4mm、長さ5mmの試料を作製した。573Kで1hrで前処理を行い初期粒径として21.1μmの微細な結晶粒を得た。常圧力下の結晶粒成長としてArガス下で673K〜798Kで時間は0.3ks〜21.6lksで焼鈍し、高圧力下の焼鈍では1200tプレスWCアンビル型超高圧力発生装置を用いて2万気圧までの高圧力下で行った。試料の結晶粒度は電界研磨と腐食を行い結晶粒界を出現させ光学顕微鏡及びSEM観察を行い測定した。画像処理により平均結晶粒度を決定すると共に統計学的処理を行った。超高圧力Pが作用することで結晶粒成長は著しく抑制され、高圧力ほど微細な組織となることが判明した。それと共に、結晶粒径への高圧力の影響を示す次式を導出した。∂lnD/∂P=-ΔV/(nRT)-lnD・{∂ln(n)/∂P}ここで、ΔVは粒成長の活性化体積、nは指数で結晶粒成長の時間則のD^n-D^n_0=ktで表される。Dは結晶粒径、D_0は初期粒径、kは速度定数、tは時間である。本研究では、この式で超高圧力による結晶粒制御が定量的に評価できた。また、拡散が結晶成長に寄与しているため、圧力により拡散が抑制されたことと密接な関係が存在することが判明した。さらに、n値は常圧においては2となり純金属や単相金属のn値と良い一致を示したが、2万気圧の高圧力下においてはn値が4程度まで増加した。一般にn値の上昇は粒界移動のpinning効果でありLi原子が粒界に偏析してn値を上昇させたといえる。高圧力は以上のの因子に作用し結晶粒成長速度を著しく変化させ、高圧力は結晶粒度制御に応用できることが分かった。