複合加算析出強化を利用した新しい耐熱材料の設計

申請者は、マルテンサイト系耐熱鋼の高温域での強化手段として、従来鋼で使用されている炭窒化物粒子とは析出サイトが異なるCu粒子の複合析出を提案しており、これまでCuの添加によりクリープ強度が大幅に改善されることを実証してきた。しかしながら、これらの研究では、Cuのみを強化元素として利用した基礎研究にとどまっており、種々の炭窒化物粒子を含めた析出粒子の分散状態の最適化など、複合加算析出強化を図るための実用化を見据えた組織制御の指針は得られていない。そこで今年度は、(1)高温保持に伴うマルテンサイト組織の変化と種々の炭窒化物粒子の役割を明確化し、(2)炭窒化物粒子およびCu粒子の成長挙動や転位との相互作用を比較することで、それぞれの析出粒子の最適な分散状態を検討した。マルテンサイト組織は、10^<15>m^<-2>程度という高密度の転位を含んでいるため熱的に不安定であり、高温保持中には回復や再結晶が生じて鋼の強度は低下する。炭窒化物粒子、なかでも耐熱鋼で析出する代表的な炭化物M_<23>C_6粒子は、マルテンサイト組織中の種々の境界に主に析出して転位や粒界の移動の妨げとなり、組織の回復や再結晶を抑制する効果があることを明らかにした。したがって、優れた高温強度を長時間維持するには、境界移動を抑制するために炭窒化物粒子を、さらに粒内転位の移動を妨げるためにCu粒子を複合析出させることが有効であると示唆された。また、再結晶の抑制効果は、粒子の分散間隔に強く依存し、粒界エネルギーを考慮することで再結晶を抑制する臨界の粒子間隔を理論的に求めることもできた。一方、これらの粒子について、高温保持中の成長挙動を調査した結果、Cu粒子、M_<23>C_6炭化物粒子ともに、その成長は溶質原子の転位芯拡散によって律速されることを見出した。そのため、とくにM_<23>C_6炭化物粒子では、置換型元素として拡散係数が小さいものを固溶させることにより、その成長を遅らせて粒子径を細かく保つことも高温強度の観点から有効であると示唆された。

申請者は、マルテンサイト系耐熱鋼の高温域での強化手段として、従来鋼で使用されている炭窒化物粒子とは析出サイトが異なるCu粒子の複合析出を提案しており、これまでCuの添加によりクリープ強度が大幅に改善されることを実証してきた。しかしながら、これらの研究では、Cuのみを強化元素として利用した基礎研究にとどまっており、種々の炭窒化物粒子を含めた析出粒子の分散状態の最適化など、複合加算析出強化を図るための実用化を見据えた組織制御の指針は得られていない。そこで今年度は、(1)高温保持に伴うマルテンサイト組織の変化と種々の炭窒化物粒子の役割を明確化し、(2)炭窒化物粒子およびCu粒子の成長挙動や転位との相互作用を比較することで、それぞれの析出粒子の最適な分散状態を検討した。マルテンサイト組織は、10^<15>m^<-2>程度という高密度の転位を含んでいるため熱的に不安定であり、高温保持中には回復や再結晶が生じて鋼の強度は低下する。炭窒化物粒子、なかでも耐熱鋼で析出する代表的な炭化物M_<23>C_6粒子は、マルテンサイト組織中の種々の境界に主に析出して転位や粒界の移動の妨げとなり、組織の回復や再結晶を抑制する効果があることを明らかにした。したがって、優れた高温強度を長時間維持するには、境界移動を抑制するために炭窒化物粒子を、さらに粒内転位の移動を妨げるためにCu粒子を複合析出させることが有効であると示唆された。また、再結晶の抑制効果は、粒子の分散間隔に強く依存し、粒界エネルギーを考慮することで再結晶を抑制する臨界の粒子間隔を理論的に求めることもできた。一方、これらの粒子について、高温保持中の成長挙動を調査した結果、Cu粒子、M_<23>C_6炭化物粒子ともに、その成長は溶質原子の転位芯拡散によって律速されることを見出した。そのため、とくにM_<23>C_6炭化物粒子では、置換型元素として拡散係数が小さいものを固溶させることにより、その成長を遅らせて粒子径を細かく保つことも高温強度の観点から有効であると示唆された。