多種の量子ビーム実験と第一原理計算を活用したアルミ合金の水素脆性抑制機構の解明

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金属材料の水素脆性は広く知られた現象だが、金属中水素原子の直接観察の困難さにより、拡散や捕獲に関する実験的データは限定されている。水素ガス・液体の安全な運搬・利用を推進するためには、保管・運送に利用する金属材料の水素脆性対策が求められる。一般に6000系アルミ合金は耐水素脆性に優れているが、Cuを除去した純粋なAl-Mg-Si合金は耐水素脆性が相対的に低い。Cuが水素原子の拡散を抑制し、水素脆化を抑制していることが伺える。本研究では、近年実験精度が飛躍的に向上したミュオンスピン緩和法を応用し、6000系アルミ合金中の水素原子の捕獲位置と拡散挙動を解明する。更に、Ｘ線吸収微細構造法および中性子小角散乱法を組み合わせて水素原子拡散を抑制する原子クラスタ構造を解明し、水素脆性を抑制する工業的手法を得て、水素エネルギー社会の安全基盤を構築する。正ミュオンは電荷がe+で、質量が水素の約9分の1であるため、物質中では軽い水素のように振る舞うことが知られている。 この特徴を利用して、Al-Mg、Al-Ti、Al-V、Al-Cu合金のミュオンスピン緩和実験を行い、ミュオンスピン緩和率およびトラップ率の温度依存性を調べ、そこから溶質元素―ミュオンおよび溶質原子―原子空孔－ミュオンの結合エネルギーを評価した。 これらの実験結果は、密度汎関数計算から得られたAl中の溶質原子－水素および溶質原子－原子空孔－水素の結合エネルギーと比較された。結果、観測された緩和率またはトップ率のピーク温度とDFT計算で得た、溶質原子―水素、溶質元素－原子空孔―水素の結合エネルギー値の間に、顕著な直線関係があることがわかった。