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3.4組 織 観察

3.4.1組 織観 察試 料 の作 製 方 法

微 視 組 織 観 察 用試 料 にお い て は,特 に2.3節 で 解 説 したEBSD法 を用 い よ う と す る場 合,鏡 面 仕 上 げ を施 して極 めて 高 度 な平 滑 面 を得 る必 要 が あ る.こ の よ う な鏡 面 を実 現 す る方 法 と して,電 解 液 中で 金 属 を通 電 して表 面 をイ オ ン化 させ

る こ とで 平 滑 面 を得 る電解 研 磨 法 が よ く用 い られ るが,Ti合 金 の場 合 に は,Ti固 有 の 強 い 酸 化 傾 向 の た め に,通 電 中 に 固 体 皮 膜 が成 長 して研 磨 の効 果 を得 る こ

とが で き な い[48].ま た 電解 研 磨 で は,β 相 が優 先 的 に腐 食 す る と され て い る.

そ のた め本 研 究 で は,異 な る方 法 に よ って研 磨 を実 施 した.

以 下 に,東 京 大 学柳 本 研 究 室 で 採 用 され て い る研 磨 法(東 大 法)と,物 質 材 料 研 究機 構 で採 用 され て い る研 磨 法(NIMS法)の2種 類 を掲 載 す る.

東 大 法 に よ る研 磨 手順 1.機 械 研 磨

耐 水 研 磨 紙#500(面 出 し3分)→#800(2分)→#1200(2分)→#2400(2分)→#4000(2分)

必 ず 前 工程 と90度 回 転 させ て,前 の研 磨 傷 が 消 え る ま で研 磨 す る.慣 れ な い う ち は逐 一,光 学 顕微 鏡 で確 認 す る.

2.琢 磨

MD‑ChemOP‑Sコ ロイ ダル シ リカ0.04μm(20〜40分 か,そ れ 以 上)回 転 数 は遅 す ぎ ない 程 度

・最 初 は前 工程 と90度 回 転 させ て 研 磨 す る .2分 く らい 研 磨 し,琢 磨 工程 で 新 しい 大 き な傷 が で き た場 合,新 しいMD‑Chemデ ィス クに 交換 し,機 械 研 磨 か ら や り直 す.

・試 料 にか け る力 は あ ま り強す ぎ な い程 度 .

・研 磨 傷 が 目視 で確 認 で きず,光 学 顕 微 鏡 で傷 を観 察 した い場 合,コ ロイ ダル シ リカ を水 で流 しな が ら試 料 面 をデ ィス クで 洗 い去 る.そ の 後試 料 を水 流 な どで 洗 浄 す る.

・試 料 へ の摩 擦 熱 や,結 晶 化 した コ ロイ ダル シ リカ に よ る傷 を避 け るた め,乾 か な い程 度 に(少 しず つ)コ ロイ ダル シ リカ研 磨 液 を流 し続 け る.

NIMS法 に よ る 研 磨 手 順 1.機 械 研 磨

耐 水 研 磨 紙#180(面 出 し1分)×2‑3回 →#240(1分)→#320(1分) い ず れ も150rpm,1min.,151b,正 回 転

Ti合 金 の 場 合 に は 必 ず 新 し い 研 磨 紙 を 使 う.水 量 は 多 い 分 に は 問 題 な い.

#320終 了 後,洗 剤 で 洗 い よ く 乾 か す.

2.琢 磨

BuehlerUltraPad+9μmダ イ ヤ モ ン ド 懸 濁 液(Buehler社) 150rpm,5min.,151b,正 回 転.

20秒 に1回 懸 濁 液 を 追 加 し,時 々metaDi且uidを 代 わ り に 追 加 す る.

終 了 後,洗 剤 で 洗 い よ く 乾 か す.

BuhlerTrident2+3μmダ イ ヤ モ ン ド懸 濁 液(Buehler社) 150rpm,5mirL,151b,正 回 転.

20秒 に1回 懸 濁 液 を 追 加 し,時 々metaDi且uidを 代 わ り に 追 加 す る.

終 了 後,洗 剤 で 洗 い よ く 乾 か す.

BuhlerChemomet+Ti用 懸 濁 液(後 述) 150rpm,5min.,151b,正 回 転.

懸 濁 液 はMastermet(コ ロ イ ダ ル シ リ カ 懸 濁 液)と30%H202を5:3の 割 合 で 混 合 し た も の を 使 用 す る.

20秒 に1回 懸 濁 液 を 追 加 す る.

3.振 動 研 磨

VivroMet2+Mastermet lill)m,180min.

Mastermetを200ml投 入 し,試 料 の 底 が 浸 る よ う に す る.

本 研 究 で は,予 備 実 験 と して,2種 類 の方 法 で そ れ ぞ れ研 磨 したRM試 料 の表 面 状 態 を 光 学 顕微 鏡 で 観 察 し比 較 した.そ の 結 果,NIMS法 の方 が よ りク ラ ッチ が少 な い表 面 を得 られ た こ と,ま た,そ の 後 行 ったEBSD観 察 で も よ り精 度 の

脂 へ の 埋 め 込 み に はMarumotoStruersK.K.社 製 のCitoPress‑1を 用 い て,加 熱 時 間180s,温 度180。C,圧 力25MPa,冷 却 時 間120sの 条 件 で 埋 め 込 ん だ.埋 め 込 ん だ 試 料 を150rpm,2min,51bの 条 件 で#240,#400,#800,#1200の 順 番 で 耐 水 研 磨 し を 用 い て 機 械 研 磨 を 施 し た 後,9μmと3μmの ダ イ ヤ モ ン ドス プ レ ー を 用 い て50rpm,10min.の 条 件 で 琢 磨 を 実 施 し た.最 後 に,コ ロ イ ダ ル シ リ カ 懸 濁 液 と30%H202を5:3の 割 合 で 混 合 し た 懸 濁 液 を 用 い て50rpm,10min.の 条 件 で 鏡 面 研 磨 を 実 施 し た.

組 織 観 察 洋 試 料 に つ い て は,積 層 面 を 上 か ら観 察 し た も の を 上 面 観 察(top view),積 層 面 を 側 方 か ら観 察 し た も の を 側 面 観 察(sideview)と し て 区 別 し た.

3.4.2二 次 電 子 像 お よび反 射 電子 像 観 察

破 面観 察 な どの た め の 二次 電子 像(secondaryelectronimage;SEimage)観 察 に HITACHI社 製 のS‑3700N走 査 型 電 子 顕 微 鏡 を用 い た.ま た,EBSD法 に よ る相 解 析 が マ ル テ ン サ イ ト変 態 の た め に 不 可 能 な 組 織 に 対 し て,反 射 電 子 像 (backscatteredelectronimage;BSEimage)に よ る観察 を行 っ た.2.3節 で説 明 し た よ うに,試 料 か ら放 出 され る反 射 電 子 量 は,試 料 の 構 成 物 質 の原 子 番 号 に 比例

し,原 子 番 号 が 大 きい ほ ど電 子 量 は多 くな る.す なわ ち試 料 の化 学 組 成 を反 映 し た像 を得 る こ とが で き る た め,反 射 電 子 組 成 像 と も呼 ばれ る.軽 いAlを 多 く含 む α相 は暗 い 色 で映 り,重 いVを 多 く含 む β相 は 明 るい 色 で写 る た め,試 料 表 面 の相 を明 らか にす る こ とが で き る.こ の反 射 電 子 像 観 察 にはJEOL社 製 のJSM‑

7100F走 査 型 電子 顕微 鏡 を用 い た.

3.4.3EBSD法 に よ る観 察

2.3節 で説 明 したEBSD法 に よ る観 察 結 果 は,組 み合 わせ るSEMの 能 力,特 に 電 子 プ ロー ブ 径 に左 右 され る.微 細粒 組 織 の観 察 に は 高 い 分 解 能 が 要 求 され るが,そ の分 解 能 は 電子 プ ロー ブ 径 に依 存 す る.そ の た め本研 究 で は,EBSD法 に よ る微 視 組 織 観 察 の た め に,電 界 放 出電 子 銃(fieldemissionelectrongun)を 装 備 した 電 界 放 出形 走 査 電 子 顕 微 鏡(FE‑SEM)装 置 で あ るJEOL社 製 のJSM‑7100F

を用 い た.

電 子 ビー ム の 入 射 方 向 に対 して70。 に傾 斜 させ た ス テ ー ジ 上 に試 料 を設 置 し, 電 子 ビー ム の 入 射 方 向 に対 して ほ ぼgooの 方 向 に取 り付 け られ た 検 出器 に よ っ て試 料 の 回折 パ ター ン を画 像 と して検 知 し,ソ フ トウェ ア 的 処 理 を経 て 照 射 点 の 結 晶 の 方 位 情 報 を 得 て,そ れ を 繰 り返 す こ と で 結 晶 情 報 の マ ッ ピ ン グ を 行 っ た.結 晶 情 報 の 解 析 に はTSLソ リュー シ ョンズ 社 の ソ フ トウェ ア で あ るTSL OIMAnalysis7を 用 い た.

Fig3.8に 実 験 結 果 にお い て示 すIPFmapで 用 い られ る結 晶 方位 と色 との対 応

関係 を表 した ス テ レオ 三 角 形 と,Phasemapの 表 示 方 法,KAMMapの ス ケ ー ル をそ れ ぞれ 示 す.ま た粒 界 は結 晶 方 位 差 が15。以 上 の境 界 と して 定 義 し,黒 色 の 線 で 表 示 して お り,結 晶方 位 差 が4。以 上150以 下 の 境 界 を青 色 の線 で表 示 して い る.

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第4章 実 験 結 果 4.1組 織 観 察 結 果

4.1.1積 層 材 の 反 射 電 子 組 成 像

Fig4.1にsLM非 焼 鈍 材 側 面 の反 射 電 子 組 成 像(BsE像)を 示 す.写 真 中 の コ ン トラス トは 主 に化 学 組 成 の 違 い を反 映 した もの で あ り,よ り重 い 元 素 を含 む 領 域 ほ ど よ り明 る く見 え る.SLM非 焼 鈍 材 のBSE像 か らは,針 状 の初 析 α相 (primaryα)が 生成 して い る領 域 と,積 層 中な い し積 層 後 の 冷 却 過 程 で生 成 した 非 平衡 相 の α'マル テ ンサ イ トが 旧 β粒 中 で 生成 して い る領 域 に不 明 瞭 に分 かれ て い る様 子 が確 か め られ る.粒 形 が 明確 な針 状 α相(acicularα)領 域 に対 して, α'領域 は20,000倍 の 高 倍 率 観 察 にお い て で も粒 界 な どは不 明確 で,コ ロニ ー を 形 成 して い る よ うに見 え る.

SLM非 焼 鈍 材 の積 層 後 熱 処 理 を施 したSLM積 層 ま ま材 の 上 面 お よび 側 面 の BsE像 をFig4.2に 示 す.Fig4.1に 見 られ た よ うな α'マル テ ンサ イ トが焼 鈍 処 理 中 に分 解 して 生成 ・成 長 した針 状 α相[49,50]がBSE像 で 主 に 暗灰 色 の結 晶 粒 と して観 察 され た.こ こで,反 射 電 子 の放 出量 は結 晶方 位 に対 す る電 子 の入 射 角 に 影 響 を受 け るた め,結 晶粒 ご とに異 な る コ ン トラ ス トが見 られ て い る.SLM非 焼 鈍 材 で 見 られ た よ うな,針 状 粒 領 域 とそれ 以外 の領 域 との分 化 はSLM積 層 ま ま材 で は 見 られ ず,針 状 α 相 か ら構 成 され る組 織 は そ の形 状 にお い て全 体 と し て均 一 で あ る.針 状 α 相 はそ れ ぞれ ラ ン ダ ム な方 向 に長 手 方 向 を持 っ て い る よ うに 見 え る が,実 際 に は 幾 つ か の 方 向 に の み 伸 び る よ う長 手 方 向 は 限 定 され て い る.ま た 同 じ長 手 方 向 を持 つ針 状 α相 の組 は 同 じ コ ン トラス トを持 って い て,

これ は,Fig4.2(b)の 白矢 印 で成 長 方 向 を示 す よ うな周 囲 よ り暗 い色 を持 つ針 状 α 相 の組 を 見れ ば容 易 に確 か め る こ とが で き る.す な わ ち,同 じ結 晶 方位 を持 つ 針 状 α相 は 同 じ長 手 方 向 を有 して い る.

Fig4.2(b)の よ うな高 倍 率 観察 で は,針 状 α相 同士 の粒 界 に 白 く極 微 細 な粒 子 の よ うな もの が分 布 して い る こ とが 分 か る.針 状 α 相 は結 晶方 位 の 違 い に よ り 様 々 な コ ン トラ ス トを示 して い る が,こ れ らの 白い粒 子 は そ の い ず れ よ りも 明

らか に 白い コ ン トラス トを見せ て い る.す な わ ち これ は焼 鈍 中 に針 状 α 相 内 か ら拡 散 に よっ て 追 い 出 され たVが 集 合 して,α/α 粒 界 に お い てVが 濃 化 な い し Alが 濃 度 低 下 して い る こ と を示 して お り,極 微 細 に分布 して 粒 界 β相 を形 成 し て い る と考 え られ る.こ の こ とは,後 のEBSD観 察 お よび相 分析 に よ っ て再 び 確 か め られ る.

Fig4.3に 示 すEBM積 層 ま ま 材 の 反 射 電 子 組 成 像 か ら も,sLM積 層 ま ま 材 と 同様 の,結 晶 方位 に応 じた 長 手 方 向 を持 つ 針 状(板 状)α 相 と α/α粒 界 に分 散 し て 存 在 す る粒 界 β相 か ら成 る組 織 を有 して い る こ とが 分 か るが,針 状 α相 の粒 径(長 手 方 向 の長 さ+厚 さ)に お い て違 い が あ り,よ り長 大 で あ り厚 さ も大 き い.

ま たSLM積 層 ま ま 材 の微 細 な粒 界 β相 が,等 方 的 な形 状 を有 して い る もの が 多 い の に 比 べ て,EBM積 層 ま ま材 で は概 して よ り長 大 で あ り,そ の長 さはSLM積 層 ま ま材 で 最 大0.5μm程 度 で あ る の に対 してEBM積 層 ま ま材 で は最 大5μm程 度 に及 ぶ.Fig4.3(a)の 左 側 に は,黒 い 塊 状 の領 域 が縦 に伸 び て い て,こ の部 分 を 拡 大 して観 察 した写 真 をFig4.3(c),(d)に 示 す.白 い 矢 印 で 示 した方 向 に対 して長 手方 向 を持 つ 板 状 α相 が多 数 連 な っ て い て,隣 り合 っ た板 状 α相 は部 分 的 に 合 体 して い る.他 の領 域 の針 状 α相 よ りも暗 い 色 を持 ち,Alが よ り濃 化 な い しV が よ り濃 度 低 下 して い る この領 域 は α一widmanstatten組 織 と呼 ばれ る組 織 を形 成

して い る と考 え られ[51],試 料 の 積 層 中 な い し積 層 後 にお け る冷 却 過 程 でFig 2.11に 示 す 図 と同様 の機 構 に よっ て 生成 した もの で あ る.

α/α粒 界 にお け るV濃 化 とAl濃 度 低 下 を確 か め る た め,FE‑SEMに 備 え付 け られ たEDS装 置 を用 い て 元 素 分 析 を行 っ た.線 分 析 を行 った 写 真 とそ の結 果 を 示 した グ ラ フ をFig.4.4に,ま た 面 分 析 を行 っ た結 果 をFig4.5に 示 す.面 分 析 の 結 果(Fig4.5)か らは,反 射 電 子組 成 像 で 白い コ ン トラス トで 映 る粒 界 β相 と思 われ る領 域 の 周 囲 の広 い部 分(粒 界 β相 の厚 さの数 倍 か ら十 倍 程 度)に お け るV の濃 化 とAlの 希 薄 化 が確 認 で き る.ま た線 分析 の 結 果(Fig.4。4)に は それ が よ

り明確 に 現 れ て い て,概 ね1pm程 度 の領 域 に お け るVの 濃 化 とAlの 希 薄 化, Tiの わず か な濃 度 低 下 が見 られ た.こ の 結 果 か ら,α/α 粒 界 にお け るv濃 化 と Al濃 度 低 下 が確 か め られ た.