水中衝撃波収束によるナノ組織傾斜機能材の作製と高機能化

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現在、極限場の環境下での使用に耐える材料の開発が求められている。この条件を満足する材料として、セラミックス/金属系の傾斜機能材が挙げられる。すなわち、高温部には、セラミックスを配置し、耐熱性を与え、冷却を行う部分には金属を配置して、高い熱伝導性と機械的性質を与え、これらの間の組成、組織の分布を連続的に制御し、熱膨張差により生ずる熱応力を緩和するものである。 本研究は粉末配列法による傾斜機能材をSi_3N_4/SUS304系、ZrO_2/SUS304系、及びSUS304/Cu系の3つの系について、我々が開発した水中衝撃波収束を利用して衝撃固化を行ったものである。本衝撃固化法は爆薬の爆轟により発生した衝撃波を水中に伝播し、水中衝撃波とし、この高い衝撃圧力を粉末に直接作用させ、粉末の粉砕、粉末粒同士の摩擦・溶融と、その後の超急冷により、固化させるものである。 えられた衝撃圧力は4〜11GPaであった。 本衝撃圧縮法の特徴は1)超高圧が容易にえられるため、相対密度94%以上の高密度の圧縮体が作製できる。2)粉末粒子の接合は粉末粒子の摩擦と、粉末の極表面の摩擦熱による融解によるので、成形と焼結過程を同時に行うことが出来る。3)衝撃負荷時において、粉末粒子間の摩擦により、粉末表面が活性化しているため、焼結が必要な場合にも、通常の粉末冶金の焼結温度より低い温度で焼結できる。その結果、1)傾斜機能粉末は10vo1%ずつ異なる11種類の混合比の粉末を、粉末充填部にそれぞれ厚さ1〜2mmずつ積層し、固化した場合に、組成が連続的に変化した割れのない良好なFGM材を作製できた。2)SUS304/CuFGM材及びSi_3N_4/SUS304FGM材の熱サイクル試験は600℃〜800℃-10min加熱後、水焼き入れのサイクルを10回行った。その結果、素材間の熱膨張差が2〜10倍異なるにも関わらず、割れ等の欠陥の発生は認められなかった。高温落差試験はSUS304/Cu系について行い、SUS304側表面を高温に加熱し、Cu側は水冷Cu盤上にセットし、このサイクルを30回行った。その結果、800℃加熱ではSUS304側に多少亀裂が発生し、1000加熱では、Cu側にも一部亀裂が発生した。熱サイクル試験に比較し、高温落差試験の方が機械的性質の劣下を引き起こし易いことが知られた。