ユビキタス元素を利用した微細構造設計によるレアメタルフリー高強靭性チタンの創製

利用普遍存在的元素通过微观结构设计制造不含稀有金属的高强度和韧性钛

基本信息

批准号：
13J01370
负责人：
三本嵩哲
金额：
$ 1.92万
依托单位：
Osaka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2013
资助国家：
日本
起止时间：
2013-04-01 至 2016-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本年度は，最終目標とする力学特性（引張強さ＞1100 MPa，破断伸び＞20%）を備えた高強靭性チタン材を作製した．本研究では，既存チタン合金におけるレアメタル元素添加依存から脱却すべく，資源的に豊富で安価なユビキタス軽元素の活用を試みた．特に，チタンの組織構造制御性と高強度・低コスト化への潜在能力に優れた侵入型元素である『水素』と『酸素』に着目し，『固相状態』での原子配列制御によるチタンの高次機能化に関する材料設計とその製造プロセスを提案・実証した．具体的な材料設計においては，廉価な水素化チタン(TiH2)粉末を原料粉末として直接利用し，脱水素・焼結処理によって所望の微量水素を残留させたTiH2粉末焼結体に熱間押出加工を施すことで，障害物(β相)による結晶粒成長の抑制作用を利用したチタン結晶粒の微細化を試みた．さらに，原料粉末に酸化チタン(TiO2)粒子を添加してチタン結晶格子内に酸素原子を導入し，可動転位の障害とすることで固溶強化を発現し，結晶粒微細化と併せて原子スケールでの異種強化機構の複合化による超高強靭化に挑戦した．開発したチタン粉末押出材(Ti-1.0wt.%O-0.1wt.%H)は，異種強化機構（結晶粒微細化＋酸素固溶強化）を原子スケールで複合化することに成功し，UTS：1158 MPa(既存チタン合金比で約1割向上)，破断伸び：23.9%(同約4割向上)という最終目標を上回る超高強靭性を発現した．本材は，純Tiをベースとすることで既存合金を超える高延性を発現し，また各強化機構の寄与率は，酸素固溶強化：8割，水素による結晶粒微細化：2割であった．以上より，ユビキタス軽元素である『水素』および『酸素』の積極活用とそれらの原子配列制御に基づく材料設計は，チタンの高次機能化に対して有効であると結論づけられ，次世代ユビキタス材料科学における基礎原理を構築した．

今年，我们制造了一种具有最终目标机械性能的高度坚硬的钛材料（拉伸强度> 1100 MPa，伸长率在断裂> 20％时伸长）。在这项研究中，我们试图利用富含资源和廉价的无处不在的光元素，以避免对现有钛合金中稀有金属元素的依赖。特别是，我们专注于侵入性元素“氢”和“氧”，它们具有良好的组织结构控制和降低成本的极大潜力，并提出并证明了通过控制“固态状态”中的原子布置来控制钛的材料设计和制造过程。在特定的材料设计中，我们直接利用便宜的氢化钛（TIH2）粉末作为原料粉末，并通过将热挤压施加到TIH2粉末烧结的身体中，在该粉末中，我们通过脱氢和烧结的处理来保留所需的痕量氢，我们试图通过降期生长（降低了疾病的效果）来改善钛晶粒的效果（以降低效应，以使其造成障碍。此外，将氧化钛（TiO2）颗粒添加到原粉中，以将氧原子引入钛晶体晶格中，从而导致可移动位错的干扰，从而导致固定溶液的加强，除了谷物的细化外，挑战还可以通过将异型的强度在Antoms Antoms Antoms Antoms Antoms Antoms spare and Ondomegens中实现超高强度。开发的钛粉末挤出材料（Ti-1.0wt。％O-0.1Wt。％h）能够在原子尺度上结合异源强化机制（谷物细化 +氧固体溶液加强），并实现了超高韧性，并实现了UTS的最终目标：1158 MPA的最终目标（大约是10％的爵士）（大约是10％）。 23.9％（相同数量提高约40％）。该材料基于纯Ti，并且表现出高延展性，超过了现有合金，每种加强机制的贡献率为80％，用于氧固体溶液增强，而由于氢而导致的晶体晶粒细化为20％。从上面的结论是，基于其原子布置控制的无处不在的光元素，氢和氧以及材料设计的主动利用有效地对钛的高阶功能化有效，并且已经构建了下一代无处不在材料科学的基本原理。