Development of cryogenic temperature shape memory alloys

水素社会や宇宙開発等の分野においては、150Kを下回る温度域における冷却技術やアクチュエータ技術が必要とされており、形状記憶合金は魅力的である。しかし、実用合金では利用が難しく低温の応用例が殆ど無い。Cu-Al-Mn合金は、極低温域での弾性熱量効果や形状記憶効果が期待できるものの、未だに低温弾性熱量効果や低温形状記憶効果は実証されていない。そこで、本研究では、150K以下に変態温度を有するCu-Al基形状記憶合金の変態温度やエントロピー変化の組成依存性を調査し、低温での断熱温度変化や形状記憶特性の評価を行う。今年度は、組成探索と単結晶化について研究を行った。適正な変態温度とΔSを得るため、①100K以下の低温でM変態を示す合金組成（方向性：MnやAl濃度の増加等）②異常粒成長のため必要な700℃付近にfcc固溶温度を持つ合金組成（方向性：Niの添加）③ΔSが比較的大きな合金組成（方向性：Niの添加）、の指針に沿って合金組成を探索した。ただし、組成調整でM変態温度を下げる（fccを不安定化する）ことは、異常粒成長に不利なfcc固溶温度の低下を招くことを意味し、①と②は両立し難い。その様な背景の中、精密な組成探索を行い両立する合金系候補を見出した。サイクル熱処理法では、高温用DSCでfcc固溶温度を決定した上で、温度制御付き熱処理炉でサイクル熱処理を行い異常粒成長の有無について確認した。また、サイクル熱処理前に超弾性特性の良好な方位を長手方向とする集合組織を作製するため、様々な加工、熱処理条件で集合組織を調査し、集合組織制御についての知見を得た。

水素社会や宇宙開発等の分野においては、150Kを下回る温度域における冷却技術やアクチュエータ技術が必要とされており、形状記憶合金は魅力的である。しかし、実用合金では利用が難しく低温の応用例が殆ど無い。Cu-Al-Mn合金は、極低温域での弾性熱量効果や形状記憶効果が期待できるものの、未だに低温弾性熱量効果や低温形状記憶効果は実証されていない。そこで、本研究では、150K以下に変態温度を有するCu-Al基形状記憶合金の変態温度やエントロピー変化の組成依存性を調査し、低温での断熱温度変化や形状記憶特性の評価を行う。今年度は、組成探索と単結晶化について研究を行った。適正な変態温度とΔSを得るため、①100K以下の低温でM変態を示す合金組成（方向性：MnやAl濃度の増加等）②異常粒成長のため必要な700℃付近にfcc固溶温度を持つ合金組成（方向性：Niの添加）③ΔSが比較的大きな合金組成（方向性：Niの添加）、の指針に沿って合金組成を探索した。ただし、組成調整でM変態温度を下げる（fccを不安定化する）ことは、異常粒成長に不利なfcc固溶温度の低下を招くことを意味し、①と②は両立し難い。その様な背景の中、精密な組成探索を行い両立する合金系候補を見出した。サイクル熱処理法では、高温用DSCでfcc固溶温度を決定した上で、温度制御付き熱処理炉でサイクル熱処理を行い異常粒成長の有無について確認した。また、サイクル熱処理前に超弾性特性の良好な方位を長手方向とする集合組織を作製するため、様々な加工、熱処理条件で集合組織を調査し、集合組織制御についての知見を得た。