早稲田大学大学院 基幹理工学研究科
博 士 論 文 概 要
論 文 題 目
Ir 添加 Ni 基単結晶超合金の クリープ変形挙動
Creep deformation behavior of Ni-base single crystal superalloys
containing Ir
申 請 者
森 雄飛
Yuhi MORI
機械科学専攻 材料プロセス工学研究
2017 年 2 月
No. 1
N i 基 単 結 晶 （S C） 超 合 金 は ， ガ ス タ ー ビ ン 機 関 の 高 温 部 材 と し て 幅 広 く 使 用 さ れ て お り ， そ の ク リ ー プ 強 度 向 上 が 切 望 さ れ て い る ．N i 基 S C 超 合 金 は ， γ 相 中 に γ ’ 相 が 整 合 析 出 し た ミ ク ロ 組 織 を 有 し ， γ 相 と γ ’ 相 の 相 互 作 用 が ク リ ー プ 強 度 を 向 上 さ せ る 上 で 重 要 な 要 素 で あ る ． ま た ， ク リ ー プ 強 度 を 低 下 さ せ る t o p o l o g i c al l y c l o s e p a c k e d（T C P） 相 の 析 出 を 抑 制 す る に は ，R u の 添 加 が 有 効 で あ る こ と が 知 ら れ て い る ． 一 方 ，h c p 構 造 の R u の 代 替 と し て ，R u と 同 じ く 白 金 族 元 素 に 属 し ， か つ N i 母 相 と 同 じ f c c 構 造 を 有 す る I r を 添 加 し た 方 が ， よ り 高 い T C P 相 析 出 抑 制 効 果 が 期 待 で き る ． 現 に ，R u を I r に て 置 換 す る と ，T C P 相 の 析 出 量 が 低 下 し ，9 0 0 ° C - 3 92 M P a（ 低 温-高 応 力 ） で の ク リ ー プ 強 度 が 向 上 し た と い う 報 告 が あ る ．そ の 一 方 ，I r 置 換 に よ り γ/γ ’界 面 転 位 網 が 粗 大 化 す る た め ，11 5 0 ° C - 1 3 7 M P a（ 高 温-低 応 力 ） で の ク リ ー プ 強 度 は 低 下 し て し ま う ．
し た が っ て ，本 研 究 は ，N i 基 S C 超 合 金 中 の R u を I r 置 換 す る こ と で 生 じ る ミ ク ロ 組 織 と ク リ ー プ 強 度 の 変 化 の 原 因 を 解 明 す る こ と を 目 的 と し た ．
第 1 章 「 緒 言 」 で は ， 社 会 的 背 景 か ら 本 研 究 の 意 義 を 説 明 す る と と も に ， 既 存 研 究 で は 解 明 さ れ て い な い 現 状 の 課 題 を 挙 げ た ． さ ら に ， 抽 出 し た 課 題 を 解 決 す る た め の 本 研 究 の 目 的 を 示 し た ．
第 2 章 「I r 添 加 N i 基 超 合 金 の 凝 固 組 織 と 熱 処 理 後 組 織 」 で は ， 新 た に 設 計 し た I r 添 加 N i 基 S C 超 合 金 の 単 結 晶 化 の 可 能 性 ，熱 処 理 条 件 の 妥 当 性 及 び T C P 相 の 析 出 有 無 を 検 討 し た ．
第 6 世 代 N i 基 S C 超 合 金 T M S - 2 38 中 の R u を I r に て 5 0 %，1 00 %と 段 階 的 に 置 換 し ， 新 合 金 を 設 計 し た ． こ れ ら の 新 合 金 に ，T M S - 2 3 8 の 公 称 熱 処 理 条 件 （ 溶 体 化 1 3 4 5 ° C/ 2 0 h+冷 却→ 1 段 目 時 効 11 5 0° C / 2 h+冷 却→ 2 段 目 時 効 8 7 0 ° C/ 2 0 h+冷 却 ） に 従 い ， 立 方 体 状 の γ ’ 相 の 析 出 を 意 図 し た 熱 処 理 を 施 し た ．
凝 固 組 織 を S E M 観 察 し た 結 果 ， デ ン ド ラ イ ト が 規 則 的 か つ 同 一 方 位 に 成 長 し て い る こ と か ら ，5 0 %・1 0 0% Ir 置 換 合 金 共 に 単 結 晶 凝 固 し て い る こ と が 分 か っ た ． ま た ， 熱 処 理 材 に お い て は ，N i 基 S C 超 合 金 の 典 型 的 な ミ ク ロ 組 織 と 同 様 に ， γ 相 中 に 立 方 体 状 の γ ’ 相 が 析 出 し た こ と を 確 認 で き た ． ま た ， 部 分 溶 融 の 痕 跡 及 び T C P 相 は 観 察 さ れ な か っ た ．し た が っ て ，本 研 究 で 行 っ た 溶 体 化 処 理 及 び 時 効 処 理 の 条 件 が 適 切 で あ る こ と が 分 か っ た ．
第 3 章 「 ミ ク ロ 組 織 と ク リ ー プ 強 度 に 対 す る I r 添 加 の 影 響 」 で は ， 第 6 世 代 N i 基 S C 超 合 金 T M S - 2 3 8 に お い て も ，R u を I r に て 置 換 す る こ と で ミ ク ロ 組 織 が 変 化 し ， そ れ に 伴 い ク リ ー プ 強 度 が 変 化 す る 現 象 が 発 生 す る か 検 討 し た ．
T M S - 2 3 8，5 0%及 び 1 0 0% I r 置 換 合 金 の 試 験 片 を 用 い て ，9 0 0° C - 3 92 M P a（ 低 温 -高 応 力 ）及 び 11 5 0 ° C - 1 3 7 M P a（ 高 温-低 応 力 ）に て ク リ ー プ 試 験 を 行 っ た ．次 に ， ク リ ー プ 破 断 後 試 験 片 の ミ ク ロ 組 織 を S E M・T EM 観 察 し た ． そ の 結 果 ， 低 温-高 応 力 で は ，I r 置 換 す る と T C P 相 の 析 出 が 抑 制 さ れ る と と も に ， γ ’ 相 の ラ フ ト 化 が 抑 制 さ れ ， ク リ ー プ 強 度 が 向 上 す る こ と が 分 か っ た ． 高 温-低 応 力 で は ，
T M S - 2 3 8 中 の R u を 5 0%だ け I r 置 換 し て も ク リ ー プ 破 断 寿 命 が ほ と ん ど 変 化 し な い 一 方 ，1 0 0 % I r 置 換 す る と 破 断 寿 命 が 急 激 に 短 縮 す る こ と が 分 か っ た ． こ れ は ，I r 置 換 す る と γ/γ ’界 面 転 位 網 が 粗 大 化 し ，転 位 の 固 着 が 緩 和 さ れ て ク リ ー プ 変 形 が 容 易 に な る た め で あ る ．
第 4 章 「I r 添 加 N i 基 単 結 晶 超 合 金 の 組 織 安 定 性 」 で は ，R u 添 加 と I r 添 加 で T C P 相 析 出 抑 制 効 果 を 比 較 し ，γ/γ ’2 相 組 織 の 熱 力 学 的 安 定 性 の 相 違 を 明 ら か に し た ．
R u 添 加 N i 基 単 結 晶 超 合 金 と そ の 1 0 0% I r 置 換 合 金 に 対 し 11 0 0 ° C で ひ ず み 時 効 を 施 す こ と で T C P 相 の 析 出 を 加 速 さ せ ，γ ・ γ ’・T C P の 3 相 平 衡 状 態 に 到 達 し た と 考 え ら れ る 試 料 を 得 た ． そ し て ， 一 つ の 試 料 に つ き 3 ヶ 所 で 3 相 の 体 積 率 を 調 べ ， そ の 平 均 と 標 準 偏 差 を 導 出 し た ． ひ ず み 時 効 後 の 組 織 に お い て ， 時 効 時 間 6 0 0 h と 1 0 0 0 h で γ ， γ ’，T C P 間 の 体 積 率 比 を 比 較 し た 結 果 ， 時 間 経 過 に 伴 う 変 化 が 標 準 偏 差 の 範 囲 に 収 ま っ た ． こ れ は ，11 0 0 ° C に お け る 3 相 平 衡 状 態 に 十 分 到 達 し て い る こ と を 示 唆 し て い る ． こ の 3 相 平 衡 状 態 に 到 達 し た と 考 え ら れ る 試 料 に お い て R u 添 加 と I r 添 加 を 比 較 し た 結 果 ， γ ， γ ’，T C P 間 の 体 積 率 比 の 差 異 は 標 準 偏 差 の 範 囲 に 留 ま り ， 有 意 差 が な い こ と が 分 か っ た ．
一 方 ，9 0 0 - 1 20 0 ° C で の T C P 相 析 出 に 関 す る t i m e t e m p e r at u r e t r a ns f o r m at i o n ( T T T ) 線 図 を 作 成 し ， 析 出 開 始 曲 線 の 相 違 を 調 べ た 結 果 ，R u を I r 置 換 す る と ， T C P 相 の 析 出 開 始 が 大 幅 に 遅 延 す る こ と が 分 か っ た ．
し た が っ て ， 第 3 章 で 見 ら れ た I r 置 換 に よ る T C P 相 析 出 抑 制 効 果 の 向 上 は ， I r 置 換 に よ り γ/γ ’2 相 組 織 の 安 定 性 が 向 上 し た た め で は な く ，速 度 論 的 に T CP 相 の 析 出 が 大 幅 に 遅 延 し た た め と 考 え ら れ る ． こ の T C P 相 析 出 の 遅 延 は ，I r- N i の 相 互 拡 散 係 数 が R u - N i と 比 べ 非 常 に 小 さ い こ と か ら ，I r 置 換 に よ り 合 金 全 体 の 易 動 度 が 低 下 し た こ と に 起 因 す る と 考 え ら れ る ．
第 5 章 「 γ/γ ’ 格 子 定 数 ミ ス フ ィ ッ ト に 対 す る I r の γ/γ ’ 相 分 配 の 影 響 」 で は ，I r 置 換 に よ る γ/γ ’格 子 定 数 ミ ス フ ィ ッ ト の 変 化 と そ の ミ ス フ ィ ッ ト を 決 定 す る 重 要 な 要 素 で あ る 各 合 金 元 素 の γ/γ ’ 相 分 配 を 明 ら か に し た ．
9 0 0 - 11 0 0 ° C に お け る T M S - 2 38 と そ の 1 0 0% I r 置 換 合 金 の γ/γ ’格 子 定 数 ミ ス フ ィ ッ ト を 高 温 X 線 回 折 に よ り 測 定 し た ． そ の 結 果 ，R u を I r に て 置 換 す る と ， γ/γ ’ 格 子 定 数 ミ ス フ ィ ッ ト が 緩 和 す る こ と が 実 験 的 に 明 ら か に な っ た ．
一 方 ，9 0 0 - 1 2 0 0 ° C に て ひ ず み 時 効 を 行 う こ と で 意 図 的 に 粗 大 化 ・ 均 質 化 さ せ た γ 相 及 び γ ’ 相 の 組 成 を 2 0 ヶ 所 で E P M A に よ り 定 量 分 析 し ， そ の 平 均 と 標 準 偏 差 を 導 出 し た ． そ の 結 果 ，R u を I r に て 5 0 %，1 0 0 %と 置 換 し て も ， 合 金 元 素 の γ/γ ’相 分 配 の 変 化 は 標 準 偏 差 の 範 囲 で あ り ，有 意 な 変 化 が な い こ と が 分 か っ た ． ま た ，R u は γ 相 に よ り 多 く 分 配 す る 一 方 ，I r は γ 相 と γ ’ 相 の 両 相 に ほ ぼ 均 等 に 分 配 す る こ と が 分 か っ た ．
第 2 章 ～ 第 5 章 に て 得 ら れ た 知 見 を も と に ，N i 基 S C 超 合 金 中 の R u を I r に て
No. 3
置 換 し た こ と で 生 じ る 組 成 変 化 か ら ク リ ー プ 強 度 の 変 化 ま で の 一 連 の 現 象 と そ の 因 果 関 係 を 系 統 的 に 関 連 付 け た ．
I r 添 加 は ，R u 添 加 よ り 高 い T C P 相 抑 制 効 果 が あ る ． 本 研 究 に よ り ， そ の 理 由 は ，T C P 相 の 析 出 開 始 が 速 度 論 的 に 遅 延 す る た め で あ る こ と が 明 ら か に な っ た ． こ の T C P 相 の 析 出 遅 延 は ，I r- N i の 相 互 拡 散 係 数 が ，R u - N i と 比 べ 非 常 に 小 さ い た め ，I r 置 換 に よ り 合 金 全 体 の 易 動 度 が 低 下 し た こ と が 原 因 で あ る と 考 え ら れ る ．
ま た ，9 0 0 - 1 2 0 0° C の 範 囲 に お い て ，N i 基 S C 超 合 金 中 の R u は γ 相 に 多 く 分 配 す る 一 方 ，I r は γ 相 と γ ’相 の 両 相 に ほ ぼ 等 分 配 す る こ と が 分 か っ た ．そ の た め ， N i 基 S C 超 合 金 中 の R u を I r に て 置 換 す る と ，I r が γ 相 と γ ’相 に 等 分 配 す る 分 だ け γ ’ 相 の 固 溶 原 子 は 増 加 し ， γ 相 の 固 溶 原 子 は 減 少 す る ． こ こ で ，R u と I r の 原 子 半 径 は ， ほ ぼ 同 じ か つ N i よ り 大 き い と い う 純 金 属 で の 大 小 関 係 が ， 多 元 系 合 金 中 で も 成 立 す る と 仮 定 す る と ， 固 溶 原 子 が 増 加 し た 分 だ け γ ’ 相 の 格 子 間 隔 は 押 し 広 げ ら れ ， γ ’ 相 の 格 子 定 数 は 拡 大 す る ． そ の 一 方 ， 固 溶 原 子 が 減 少 す る γ 相 の 格 子 定 数 は 縮 小 す る と 言 え る ． 上 記 の 過 程 を 経 て ， 本 研 究 に よ り 実 証 し た γ/γ ’ 格 子 定 数 ミ ス フ ィ ッ ト の 緩 和 が 引 き 起 こ さ れ る と 考 え ら れ る ．
I r 置 換 に よ り 格 子 定 数 ミ ス フ ィ ッ ト が 緩 和 さ れ る と ， 応 力 が 付 加 さ れ た 際 に 生 じ る γ/γ ’ 整 合 ひ ず み エ ネ ル ギ の 異 方 性 が 低 減 す る と 考 え ら れ ，ラ フ ト 化 が 抑 制 さ れ る ． さ ら に ，9 0 0° C で は ，11 5 0 ° C と 比 べ I r- N i の 相 互 拡 散 係 数 が 非 常 に 小 さ い た め ，I r 置 換 に よ る 合 金 元 素 の 易 動 度 低 下 が 顕 著 に 現 れ ， ラ フ ト 化 が よ り 困 難 に な る と 考 え ら れ る ． し た が っ て ， 低 温-高 応 力 で は ，I r 置 換 に よ り T C P 相 が 抑 制 さ れ る と と も に ， γ ’ 相 が 立 方 体 状 を 維 持 し や す い ． そ の 結 果 ，R u を I r に て 置 換 す る ほ ど ， 低 温-高 応 力 で の ク リ ー プ 強 度 が 向 上 す る ．
一 方 ，高 温-低 応 力 で は ，I r の 拡 散 係 数 が 小 さ い 影 響 は 比 較 的 軽 微 で あ る と 考 え ら れ る も の の ，I r 置 換 に よ り γ/γ ’ 格 子 定 数 ミ ス フ ィ ッ ト が 緩 和 す る た め ，ラ フ ト 組 織 中 の γ/γ ’ 界 面 転 位 網 が 粗 大 化 す る ． こ れ は ， γ 相 と γ ’ 相 の 格 子 定 数 差 が 小 さ い 方 が ，γ/γ ’ 整 合 ひ ず み を 減 少 さ せ る た め に 必 要 な 転 位 量 が 少 な い こ と に 起 因 す る ． γ/γ ’ 界 面 転 位 網 が 粗 大 化 す る と ， γ/γ ’ 界 面 で の 転 位 の 固 着 が 緩 和 さ れ γ ’ 相 を 切 断 す る 転 位 の 運 動 が 容 易 に な る ． そ の 結 果 ， 定 常 ク リ ー プ で の ひ ず み 速 度 が 増 加 す る ． し た が っ て ，R u を I r に て 置 換 す る と ， 高 温-低 応 力 で の ク リ ー プ 強 度 は 低 下 す る ．
N i 基 S C 超 合 金 中 の R u を I r 置 換 す る と ， 低 温-高 応 力 で の ク リ ー プ 強 度 が 向 上 す る 一 方 ， 高 温-低 応 力 で の ク リ ー プ 強 度 は 低 下 す る こ と が 第 6 世 代 N i 基 S C 超 合 金 T M S - 2 38 で も 確 認 で き た ． こ れ は ， 低 い 拡 散 係 数 ， 大 き な 原 子 半 径 ， 及 び γ/γ ’ 相 に 等 分 配 す る と い っ た I r の 特 性 に 起 因 す る ミ ク ロ 組 織 の 変 化 で あ る こ と を 明 ら か に し た ． こ れ ら の 結 果 に よ り ，I r 置 換 に よ る N i 基 単 結 晶 超 合 金 の 更 な る ク リ ー プ 強 度 向 上 の 可 能 性 を 見 出 し た ．
第 6 章 「 総 括 」 で は ， 本 研 究 を 総 括 し た ．
Ｎｏ.1
早稲田大学 博士（工学） 学位申請 研究業績書
森 雄飛 印
（2017 年 1 月 24 日 現在）
種 類 別 題名、 発表・発行掲載誌名、 発表・発行年月、 連名者（申請者含む）
論文 査読有り
◯
◯
講演
◯
[1] Yuhi Mori, Tadaharu Yokokawa, Toshiharu Kobayashi, Hiroshi Harada, Shinsuke Suzuki: Phase Stability of Ni-Base Single Crystal Superalloys Containing Iridium Substituting for Ruthenium, Mater. Trans., Vol.57, No.10 (2016) 1845-1848.
[2] Tadaharu Yokokawa, Hiroshi Harada, Yuhi Mori, Kyoko Kawagishi, Yutaka Koizumi, Toshiharu Kobayashi, Michinari Yuyama, Shinsuke Suzuki: Design of Next Generation Ni-Base Single Crystal Superalloys Containing Ir: Towards 1150°C Temperature Capability, Proc. 13th International Symposium on Superalloys, Superalloys2016 (2016) 123-130.
[3] Yuhi Mori, Tadaharu Yokokawa, Toshiharu Kobayashi, Hiroshi Harada, Shinsuke Suzuki, Yuki Takebe: Microstructure and Creep Strength of the Ni-Base Single Crystal Superalloys Containing Ir Substituting for Ru, Proc. 9th Pacific Rim International Conference on Advanced Materials and Processing (PRICM9) (2016) 765-769.
[4] 久保順, 森雄飛, 鈴木進補, 中江秀雄, 久保公雄: 表面張力と酸化被膜の影響を考慮 した薄肉平板アルミニウム合金鋳物の湯流れ解析, 鋳造工学, Vol.88, No.3 (2016) 148-153.
[5] Yuhi Mori, Yoshitaka Hashimoto, Shinsuke Suzuki, Yuko Inatomi: Investigation of the Application of a Two-Wavelength Mach-Zehnder Interferometer to Measure Soret Coefficients, Trans. JSASS, Vol.12, No.ists29 (2014) Ph_37-Ph_40.
[6] 中江秀雄, 奥田哲文, 森雄飛: 薄肉平板アルミニウム砂型鋳物の湯流れに対する鋳型 傾斜角度の影響, 鋳造工学, Vol.85, No.5 (2013) 268-272.
[1] ○森雄飛, 横川忠晴, 原田広史, 小林敏治, 湯山道也, 川岸京子, 鈴木進補: Ni基単結
晶超合金TMS-238中のRuをIrにて置換した合金のミクロ組織とクリープ強度, 第
44回日本ガスタービン学会定期講演会, 山形県, 2016年10月.
[2] ○Tadaharu Yokokawa, Hiroshi Harada, Yuhi Mori, Kyoko Kawagishi, Yutaka Koizumi, Toshiharu Kobayashi, Michinari Yuyama, Shinsuke Suzuki: Design of Next Generation Ni-Base Single Crystal Superalloys Containing Ir: Towards 1150 °C Temperature Capability, Superalloys2016, Seven Springs, USA, 2016年 9月.
Ｎｏ.2
早稲田大学 博士（工学） 学位申請 研究業績書
種 類 別 題名、 発表・発行掲載誌名、 発表・発行年月、 連名者（申請者含む）
講演
◯
◯
◯
[3] ○Yuhi Mori, Tadaharu Yokokawa, Toshiharu Kobayashi, Hiroshi Harada, Shinsuke Suzuki, Yuki Takebe: Microstructure and Creep Strength of the Ni-Base Single Crystal Superalloys Containing Ir Substituting for Ru, 9th Pacific Rim International Conference on Advanced Materials and Processing (PRICM9), Kyoto, Japan, 2016年8月.
[4] ○齊藤拓馬, 横川忠晴, 大澤真人, 小林敏治, 森雄飛, 鈴木進補, 原田広史: Ni基単結 晶超合金における高温γ/γ’弾性定数ミスフィットの測定, 日本金属学会 2016 年 春期講演大会, 東京都, 2016年3月.
[5] ○森雄飛, 横川忠晴, 小林敏治, 原田広史, 鈴木進補: RuをIrにて置換したNi基単 結晶超合金の組織安定性, 日本金属学会 2016年春期講演大会, 東京都, 2016年3月.
[6] ○森雄飛, 鈴木進補, 横川忠晴, 小林敏治, 原田広史: Ni基超合金のγ-γ’結線上に ある合金の凝固組織, 日本鋳造工学会 第166回全国講演大会, 東京都, 2015年5月.
[7] ○鈴木進補, 森雄飛, 橋本栄尭, 稲富裕光, 正木匡彦, 渡邉匡人, 水野章敏, 上野一 郎, 山根岳志, 伊丹俊夫, 勝田真登: ISSきぼう船内実験室利用テーマ「Soret-Facet」, 日本マイクログラビティ応用学会 第27回学術講演会, 東京都, 2013年11月.
[8] ○橋本栄尭, 森雄飛, 鈴木進補, 稲富裕光, 干渉計を用いて測定したソーレ係数の温 度依存性, 日本マイクログラビティ応用学会 第 27 回学術講演会, 福岡県, 2013 年 11月.
[7] 森雄飛, 奥田啓文, 鈴木進補, 中江秀雄, ○久保順: 雰囲気の異なるアルミニウム薄 肉平板鋳物湯流れについてのシミュレーションによる検討, 日本鋳造工学会 第 163 回全国講演大会, 石川県, 2013年10月.
[8] ○Yuhi Mori: Investigation of the application of two-wavelength Mach-Zehnder interferometer to measure Soret coefficients, ISTS29, Nagoya, Japan, 2013年6 月.
[9] ○森雄飛, 鈴木進補, 横川忠晴, 小林敏治, 原田広史: Ni 基超合金の一方向凝固条件 とミクロ組織の関係, 日本金属学会2013年春期大会, 東京都, 2013年3月.
[10]○橋本栄尭, 森雄飛, 鈴木進補, 稲富裕光: 2 波長マッハツェンダー干渉計による熱 拡散係数の測定,日本マイクログラビティ応用学会 第 26 回学術講演会, 東京都, 2012年11月.
[11]○森雄飛, 奥田啓文, 久保公雄, 鈴木進補, 中江秀雄: アルミニウム薄肉平板鋳物の 湯流れに及ぼす雰囲気の影響, 日本鋳造工学会第163回全国講演大会, 愛知県, 2012 年5月.
Ｎｏ.3
早稲田大学 博士（工学） 学位申請 研究業績書
種 類 別 題名、 発表・発行掲載誌名、 発表・発行年月、 連名者（申請者含む）
受賞 [1] 2016年3月, 日本金属学会2016年春期講演大会, ポスターセッション 優秀ポスタ ー賞.
[2] 2016年8月, 9th Pacific Rim International Conference on Advanced Materials and Processing (PRICM9), Excellent Poster Award for Young Scientist.
