修 士 学 位 論 文
単 結 晶Ni基 超 合 金 の ク リ ー プ 変 形 に お け る 引 張 圧 縮 異 方 性 の メ カ ニ ズ ム
指 導 教 員 覧 幸 次 教 授
平 成28年1.月19日 提 出
首都大学東京大学院
理 工 学 研 究 科 機 械 工 学 専 攻
学 修 番 号16883309
氏 名 大 橋 健 史
学位 論 文 要 旨(修 士(工 学))
論文著者名 大橋 健史
論 文題 名:単 結 晶Ni基 超 合 金 の ク リー プ 変 形 にお け る 引張圧 縮 異 方 性 の メカ ニ ズ ム
航 空 機 用 ジ ェ ッ トエ ン ジ ン は,昨 今 の エ ア ライ ン間 の 競 争 激 化 か ら よ り燃 料 消 費 効 率 の 向上 が求 め られ,ま た環 境 面 で も規 制 に よっ て低 いNOx値 が 要 求 さ れ てい る.そ のた め,近 年 ジ ェ ッ トエ ン ジ ンの 熱 効 率 向上 が 求 め られ て い る.こ れ を達 成 す る た め の 最 も効 率 的 な 方 法 は,圧 力 比 と ター ビ ン入 口温 度(TIT:
TurbineInletTemperature)を 上 げ る こ とで あ る.航 空機 用 エ ン ジ ンで はTITに 応 じた最 適 圧 力 比 が存 在 し,圧 力 比 を 向 上す るに は,こ れ に応 じてTITの 上昇 を 図 る必 要 が あ る.民 間航 空 機 に お い て,最 新 の エ ンジ ンでTITは16000aこ ま で達 して い る.ま た,今 後 地 球 環 境 へ の 負 荷 低 減 の 要 求 等 に よ り,さ らな る高効 率 化 を 目指 してTITは2000℃ ま で 上昇 し続 け る と予想 され る.
この よ うな 高温 の状 況 下 で は,耐 熱 合 金 の果 た す 役 割 が大 きい.特 に 高 温 とな る ター ビ ンブ レー ドに は 高温 強 度 ・耐 食 性 に優 れ たNi基 超 合 金 が用 い られ る.
このNi基 超 合 金 とは,ニ ッケル をベ ー ス に アル ミを添 加 し,さ らに ク ロ ム,タ ン グ ステ ン,タ ン タル,レ ニ ウム な どの種 々 の 高 融 点金 属 な どを合 金化 して 高 温 強 度 と耐 酸 化 性.耐 腐食 性 な どを一 層 向上 させ た 耐 熱 合 金 で あ る.初 期 の 普 通鋳 造 合 金 か ら,1970年 代 に は ク リー プ破 壊 及 び熱 ひず み に よ る ク リー プ破 壊 の 起 点 とな る ター ビン ブ レー ド長 手 方 向 に垂 直 な結 晶粒 界 を な く した 一 方 向凝 固合 金 が 開発 され,さ らに は 結 晶 粒 界 自体 を完 全 に な く した 単 結 晶合 金 が 開 発 され た.こ の 単結 晶合 金 は 高温 で の破 壊 の起 点 とな る結 晶粒 界 が な い こ とな どか ら, 実 用 超 合 金 と して は最 も高 強度 で あ る.形 状 に加 え て,近 年 で は 添加 元 素 の 種 類 や 量 を変 え る こ とで新 た な超 合 金 が多 く開発 され て い る.そ れ に伴 い,単 結 晶Ni 基 超 合金 の高 温 強 度 に 関す る研 究 は数 多 く行 われ て き た.そ の 中 で も,単 結 晶超 合 金 特 有 の<ll2>す べ りが 生 じる低 温 高応 力(750。G750MPa)で の ク リー プ 強度 は特 に注 目され て い る.近 年 開発 され た合 金 で は低 温 高応 力 の条 件 で<ll2>す べ りに よっ て,5‑20%に お よぶ 大 きな1次 ク リー プ ひず み が 生 じる例 が報 告 され て い る.こ れ は 非 常 に 大 き な ひ ず み で あ る た め,こ の 低 温 高 応 力 とい う条 件 に お け る ク リー プ強 度 を調 査 す る こ とは重 要 で あ る.し か し,こ れ ま で行 わ れ て い る研 究 は 引 張荷 重 に 関す る もの が大 半 で あ り,圧 縮 荷 重 にて 強 度 を評 価 し,引 張 と圧 縮 の異 方 性 を評 価 した例 は非 常 に少 な い.
実 際,圧 縮 強 度 は ター ビン ブ レー ドの高 温 強 度 に大 き く影 響 す る.高 温 化 に対 応 す るた めブ レー ド内 部 に は冷 却 用 の 空 冷 孔 が設 け られ て い るが,そ の形 状 は 非 常 に複 雑 で あ りエ ン ジ ン の作 動 中 に ブ レー ドに は,引 張 応 力 の み で な く圧 縮 応 力 も負 荷 され る こ とが分 か っ て い る.さ らに,単 結 晶Ni基 超 合 金 に は特 有 の 引 張圧 縮 異 方 性 が あ り,圧 縮 ひ ず み の負 荷 時 間 が長 くな るにつ れ,熱 一機 械 疲 労 (Thermo‑MechanicalFatigue:TMF)寿 命 が 大 幅 に低 下す る と報 告 され て お り,実 用 上 の大 き な 問題 とな っ て い る.そ のた め,こ の合 金 の ク リー プ 強度 に お け る圧 縮 特 性 につ い て も詳 細 に把 握 す る必 要 が あ る.
ま た,熱 処 理 に 関 して 時 効 処 理 後 の 冷 却 速 度 に応 じて 合 金 中 の微 視 組 織 が変 化 し,ク リー プ 強 度 に影 響 を与 え る こ とが 示 され てい る が,実 用合 金 に お い て そ の影 響 を詳 細 に調 査 した例 は少 な い.
そ こで,本 研 究 で は米 国Cannon‑Muskegon社 で 開発 され た実 用 合 金CMSX‑4 を供 試 材 と し,異 な る3種 類(AC,2S,FC)の 熱 処 理 を施 し,<ll2>す べ りが 生 じ る低 温 高 応 力 の75000750MPaと い う条件 にお い て 引 張 と圧 縮 両 方 の 荷 重 で ク リー プ試 験 を行 うこ とで,各 熱 処 理 にお け る圧 縮 特 性 と引 張圧 縮 異 方 性 の メ カ ニ ズ ム を解 明す る こ とを 目的 と した.
本 稿 は6章 構 成 で あ る.
第1章 は緒 言 と し,研 究 背 景 お よび本 研 究 の 目的 を記 した.
第2章 は理 論 と し,本 研 究 で 用 い た 単 結 晶 超 ・合金CMSX‑4の 構…造や 変形 機 構 に 関す る基 礎 知 識,高 温 で の 変 形 の基 礎,さ らに本 研 究 で 重 要 な役 割 とな る透 過 型 電 子 顕 微 鏡 の基 礎 知 識 に 関 して記 した.
第3章 は実 験 方 法 と し,本 研 究 で用 い た合 金 の詳 細,熱 処 理 方 法,強 度 試 験 片 お よび 組 織 観 察 試 料 の作 製 方 法,ク リー プ試 験,顕 微 鏡 観 察 につ い て記 した.
第4章 は実 験 結 果 と し,CMSX‑4ク リー プ試 験,透 過 型 電 子 顕微 鏡 に よ る変形 組 織,EDS(エ ネ ル ギー 分 散 型X線 分 光器)元 素 分析 の結 果 を示 した.[001]方 位 の ク リー プ試 験 で は,AC材 と2S材 で大 き な異 方 性 を 生 じて い た が,FC材 で は異 方 性 は小 さか っ た.透 過 型 電 子 顕 微 鏡 像 で はAC,2S,FCそ れ ぞ れ の熱 処 理 で双 晶 を観 察 で き,そ の密 度 は ク リー プ 時 間 と とも に増加 して い た.ま た,[O
ll]方位 の ク リー プ試 験 で は各 熱 処理 と もに 非 常 に大 き な 引張 圧 縮 異 方 性 が 生 じてい た.EDS元 素分 析 で は,γ マ トリック ス と γ'相へ の各 添加 元 素 の 分 配 は 各 熱 処 理 でお お よそ 同 じよ うな傾 向 とな り,高 温 強度 に大 き く寄 与す るRe(レ ニ ウム)は マ トリ ック ス に主 と して 分 配 され て い た.ま た,2次 析 出 γ'に関 して は, 2S材 に お い て1次 析 出 γ'同様 にReは マ ト リ ッ ク ス に 主 と して 分 配 され る とい
う結 果 とな っ た.
第5章 は考 察 と し,第4章 で 記 した 実 験結 果 に 関 して,透 過 型 電 子 顕微 鏡 で 観 察 され た 双 晶 を 中 心 に引 張 ク リー プ と圧 縮 ク リー プ 間 で の変 形 機 構 の 違 い に
つ い て詳 細 に考 察 した.ま た,高 温 強 度 に 大 き く寄 与 す る元 素Reに つ い て も EDS元 素 分 析 の結 果 か らそ の影 響 につ い て考 察 した.
第6章 は結 言 と し,本 研 究 で得 られ た知 見 を端 的 に述 べ た.最 後 に本 稿 を作 成 す るに あ た っ て用 い た参 考 文 献,謝 辞 を述 べ た.
目次
1章 緒 言
1.1.研 究 背 景 1.2.研 究 目 的 2章 理 論
2.1.単 結 晶Ni基 超 合 金 の 基 本 事 項 2.1.1.単 結 晶Ni基 超 合 金 の 構 造 2.1.2.逆 温 度 依 存 性
2.2.変 形 機 構 2.2.1.す べ り 変 形 2.2.2.シ ュ ミ ッ ト 因 子 2.2.6」.12構 造 の せ ん 断 2.2.7.双 晶 変 形
2.3.単結 晶Ni基 超 合 金 の 格 子 回 転
2.3.1.{111}<110>す べ り 系 の 格 子 回 転 2.3.2.{111}<112>す べ り 系 の 格 子 回 転 2.4.標 準 ス テ レ オ 三 角 形
2.5.高 温 で の 変 形 2.5.1.ク リ ー プ 変 形 2.5.2.ク リ ー プ 機 構
2.6.透過 型 電 子 顕 微 鏡 お よび 回 折 図 形 に つ い て 2.6.1.透 過 型 電 子 顕 微 鏡 の 原 理
2.6.2.電 子 回 折 パ タ ー ン
3章 実 験 方 法 3.1.供試 合 金 3.2.熱 処 理 条 件 3.3.試 験 片 作 製 3.3.1.方 位 解 析
3.3.2.試 験 片 切 り 出 し 3.3.3.試 験 片 研 磨 3.4.ク リ ー プ 試 験 3.5.TEM観 察
3.5.1.TEM試 料 作 製 3.5.2.TEM観 察 3.6.EBSI)解 析
/0/03444577713456788911266677899000111111111222222222333333333334444
3.6.1.EBSD試 料 作 製 3.6.2.EBSD解 析 3.7.E])S元 素 分 析
4章 実験結果
4.1.供試 材 の組 織 観 察
4.2.ク リ ー プ 試 験
4.2.1.【OOI]ク リ ー プ 試 験 4.2.2.【Oll1ク リ ー プ 試 験 4.3.TEM観 察
4.3.1.[OOI1圧 縮 ク リ ー プTEM観 察 4.3.2.[Oll]圧 縮 ク リ ー プTEM観 察 4.4.EBSD解 析
4.5.E])S元 素 分 析
5章 考察
5.1.[OOII方 位 変 形 機 構
5.1.1.引 張 ・圧 縮 ク リ ー プ 機 構
【圧 縮 ク リー プ 】
【引 張 ク リー プ 】
【引 張 圧 縮 ク リー プ機 構 ま と め 】 5.1.2.微視 組 織 お よび 添 加 元 素 の 影 響
【2次析 出 γ'の影 響 】
【添加元素濃度の影響】
【微視組織 と元素濃度の影響 まとめ】
5.2.[Oll1方 位 変 形 機 構
6章 結論
参考文献 調辞
ll1222260045811115588014568444444445555566666666777777
1章 緒 言
1.1.研 究 背 景
航 空 機 用 ジ ェ ッ トエ ン ジ ン は,昨 今 の エ ア ラ イ ン 間 の 競 争 激 化 か ら よ り燃 料 消 費 効 率 の 向 上 が 求 め られ,ま た 環 境 面 で も規 制 に よ っ て 低 いNOx値 が 要 求 され て い る.そ の た め, 近 年 ジ ェ ッ トエ ン ジ ン の熱 効 率 向 上 が 求 め られ て い る[1].
これ を達 成 す る た め の 方 法 に は 圧 縮 機,タ ー ビ ン部 等 の 効 率 を 上 げ,エ ン ジ ン 内 部 に お け る エ ネ ル ギー 損 失 を 減 らす こ とが 挙 げ られ る が,最 も効 率 的 な 向 上 策 は 圧 力 比 と タ ー ビ ン 入 り 口温 度(TIT:TurbineInletTemperature)を 上 げ る こ とで あ る.航 空 機 用 エ ン ジ ン で はTITに 応 じた 最 適 圧 力 比 が 存 在 し,圧 力 比 を 向 上 す る に は,こ れ に応 じてTITの 上 昇 を 図 る必 要 が あ る.
Fig.1.1に エ ン ジ ン の 種 類 の 変 移 とTITと の 関 係 を 示 す.民 間航 空 機 に ガ ス ター ビ ン エ ン ジ ン が 本 格 的 に 導 入 され た の は1950年 代 で あ り,TITは900℃ で あ っ た.以 降,航 空 機 の 大 型 化,高 性 能 化 に対 応 して,TITは 年 平 均 約10℃ の 割 合 で 上 昇 し続 け,最 新 の エ ン ジ ン で は 1600℃ に ま で 達 す る に至 っ て い る.今 後 地 球 環 境 へ の負 荷 低 減 の 要 求 等 に よ り,さ ら な る高 効 率 化 を 目指 してTITは2000℃ ま で 上 昇 し続 け る と予 想 され る[2].
こ の よ うな 高 温 の 状 況 下 で は,耐 熱 合 金 の 果 た す 役 割 が 大 き い.特 に 高 温 とな る タ ー ビ ン ブ レー ドに は 高 温 強 度 ・耐 食 性 に 優 れ たNi基 超 合 金 が 用 い られ る.こ のNi基 超 合 金 とは, ニ ッ ケ ル を べ 一 ス に ア ル ミを 添 加 し,さ らに ク ロ ム,タ ン グ ス テ ン,タ ン タル,レ ニ ウム な
どの 種 々 の 高 融 点 金 属 な ど を合 金 化 して 高 温 強 度 と耐 酸 化 性.耐 腐 食 性 な ど を一 層 向 上 さ せ た 耐 熱 合 金 で あ る.初 期 の 普 通 鋳 造 合 金 か ら,1970年 代 に は ク リー プ破 壊 及 び 熱 ひ ず み に よ る ク リー プ 破 壊 の 起 点 と な る ター ビ ン ブ レー ド長 手 方 向 に 垂 直 な 結 晶 粒 界 を な く した 一 方 向 凝 固 合 金 が 開 発 され
,さ らに は 結 晶 粒 界 自体 を完 全 に な く した 単 結 晶 合 金 が 開 発 さ れ た(Fig.1.2).こ の 単 結 晶 合 金 は 高 温 で の破 壊 の 起 点 とな る 結 晶 粒 界 が な い こ とな どか ら, 実 用 超 合 金 と して は 最 も高 強 度 で あ る[2][3].
こ の よ うに,単 結 晶Ni基 超 合 金 は航 空 機 エ ン ジ ン用 の 材 料 と して 非 常 に重 要 な 役 割 を担 っ て い る.そ の た め,こ の 合 金 に 関す る研 究 は 古 くか ら行 わ れ て き た.1960年 代 に はKear
ら[4,5,6]が単 結 晶Ni基 超 合 金 の 有 す るLl2型 格 子(Fcc型 超 格 子,2章 参 照)に お け る 転 移 の 運 動 に 関 す る研 究 を行 い,ゾ 粒 子 の せ ん 断機 構 を 明 らか に して い る.
そ れ か ら さ ら に,実 用 合 金 に お け る ク リー プ 試 験 を 中 心 と した 研 究 が 多 く な され て き た.
代 表 的 な もの にLeverantら[7]に よ るMar‑M200単 結 晶 超 合 金 の 研 究 が あ る.彼 ら は14000F (760℃)/100ksi(689MPa)の 条 件 で ク リー プ 試 験 を 行 っ て い る.上 述 した よ うに ジ ェ ッ トエ ン ジ ン 内 で タ ー ビ ン ブ レー ドは1000℃ 以 上 の 高 温 に さ ら され る の だ が,ブ レー ド内 部 は 温 度 上 昇 を 和 らげ る た め の 空 冷 孔 が 設 け られ て お り非 常 に複 雑 な 形 状 とな っ て お り(Fig.1.3(a)), 温 度 勾 配 も大 き く な っ て い る(Fig.1.3(b)).そ の た め,looo℃ 以 上 の 高 温 の 部 分 か ら700℃
台 と い っ た 低 温 部 分 も存 在 して い る(単 結 晶Ni基 超 合 金 に お い て は700℃ 〜800℃ を低 温,
900℃ 〜 を 中 間 温 度,1000℃ 以 上 を 高 温 と い う く く り方 を す る).そ の た め,760℃ と い う温 度 は 稼 働 時 を 考 慮 す る と 非 常 に 重 要 な 温 度 と な る.加 え てFig.1.3(b)か ら わ か る よ う に 低 温 部 分 程 高 応 力 が 負 荷 さ れ て い る こ と が わ か る.そ の た め 試 験 応 力 も689MPaと 比 較 的 高 い 応 力 と な っ て い る.さ ら に760℃ の 低 温 域 に お い て 高 応 力 が 負 荷 さ れ る と<ll2>す べ り(詳 し
く は2章 参 照)が 生 じや す く な る た め,1400叩(760℃)/100ksi(689MPa)と い う条 件 で の ク リー プ 試 験 を 行 う こ と は 非 常 に 重 要 と な る.
Leverantら は こ の 条 件 に お い て,a<ll2>転 位 対 に よ る γ一γ'のせ ん 断 を 透 過 型 電 子 顕 微 鏡 (TEM)に よ り観 察 し た(Figl.4).ま たMar‑M200の ク リ ー プ 曲 線 は 潜 伏 期 間 →1次 ク リー プ →2次 ク リ ー プ →3次 ク リ ー プ の 順 に 生 じ る と し,荷 重 負 荷 方 位 が[001]か ら ず れ る と1次 ク リ ー プ ひ ず み に 大 き な 違 い が 生 じ る と こ を 示 し た.こ の 違 い は シ ュ ミ ッ ト 因 子 と {lll}<ll2>す べ り系 に 要 因 が あ り,[001]方 位 付 近 で は4つ の す べ り 系 が 働 き,[001]一[Oll]境 界 で は2つ の す べ り系,そ し て[001]一[lll]境 界 で は 単 一 す べ り と な る と し た.複 数 の す べ り 系 が 働 く 場 合 よ り早 く ひ ず み 硬 化 す る た め,2次 ク リー プ へ 早 く遷 移 す る た め1次 ク リー プ ひ ず み は 抑 え ら れ る.そ の た め,[001]付 近 の 方 位 で の ク リー プ が 最 も1次 ク リー プ ひ ず み は 小 さ な 値 と な る と し た.
こ の 研 究 に 続 き,MacKayら[8]はMar‑M247単 結 晶 超 合 金 に 関 し て,774℃/724MPaで の ク リー プ 試 験 を 行 い,ク リ ー プ 強 度 の 方 位 依 存 性 を さ ら に 詳 し く 調 査 し て い る.そ の 結 果 を 標 準 ス テ レ オ 三 角 形 上 に ま と め た も の をFig.1.5に 示 す.MacKayら は 方 位 の 影 響 に つ い て シ ュ ミ ッ ト因 子 と 格 子 回 転 の 観 点 か ら 説 明 を し た.
こ の よ う に 初 期 の 段 階 か ら 多 く の 研 究 が な さ れ て い く 中,様 々 な 単 結 晶Ni基 超 合 金 が 開 発 さ れ た.単 結 晶Ni基 超 合 金 は 世 代 を 重 ね る に つ れ 添 加 元 素 の 種 類,量 を 変 化 させ る こ と で 強 度 上 昇 を 図 っ て い る(Tablel.1).様 々 な 添 加 元 素 の 中 でReは 高 温 強 度 上 昇 に 大 き く 寄 与 す る こ と か らReの 添 加 量 に よ り世 代 分 類 が な さ れ て い る.1970年 代 後 半 に 一 方 向 凝 固 材 に 比 べ て 耐 用 温 度 が50℃ 高 い,PWAI480,CMSX‑2な ど でReを 含 有 し て い な い 第1世 代 超 合 金 が 開 発 さ れ た.そ の の ち に,Re添 加 に よ る 耐 食 性,高 温 強 度 の 改 善 効 果 が 知 られ る よ
う に な り,第 一 世 代 合 金 にReを 約3wt%含 有 す るPWA‑1480,CMMSX‑4な ど の 第2世 代 超 合 金 が 開 発 さ れ,現 在 も 広 く い 実 機 使 用 さ れ て い る.第2世 代 超 合 金 は 第1世 代 超 合 金 よ
り も 耐 用 温 度 が25℃ 向 上 し た[1].さ ら にReを5〜6wt%含 有 す るCMSX‑10等 の 第3世 代 超 合 金 が 開 発 さ れ,耐 用 温 度 は1050℃ ま で に 達 し て い る.ま た,長 時 間 組 織 安 定 性 の 向 上 を
目 指 し,Reに 加 え,Ruを2〜3wt%添 加 し た 第4世 代 超 合 金 が,米 国GE社,フ ラ ン スSENCMA 社 お よ びNIMSに よ り研 究 開 発 さ れ て い る.ま た,さ ら にRu添 加 量 を 増 加 し たTMS‑162な
ど の 開 発 がNIMSに よ り行 わ れ,世 界 的 に も 注 目 さ れ て い る[1].
こ の よ う に 多 く の 合 金 が 開 発 さ れ る 中,RaeとReed[9,10]はReを3wt%含 有 す る 第2世 代 超 合 金cMsx‑4に 関 し て750℃ で の ク リー プ 試 験 を 行 っ て い る.ク リ ー プ 曲 線 はFig.1.6の よ う に な っ て お り,1次 ク リ ー プ ひ ず み が 非 常 に 大 き い 結 果 と な っ て い る.こ れ はReを 含 有 す る 単 結 晶 超 合 金 の 特 徴 で あ り,LeverantとKaerら[7]の 研 究 に よ り こ の 大 き な ひ ず み は
逆 位 相 境 界 や 積 層 欠 陥 を 伴 うa/2<ll2>転 位 対 に よ り γ'相が 大 規 模 にせ ん 断 され る こ とが 原 因 で あ る と説 明 され て い る.ま た,Raeら は γ'相をせ ん 断 す る転 位 対 を"積 層 欠 陥 対"や"転 位 リボ ン"と 呼 称 して い る.
こ の よ うに 合 金 開 発 に 伴 い 多 くの 研 究 が 行 わ れ て き た.他 の 世 代 の 超 合 金 に 関 して も 同 様 に多 く の研 究 が な され て い る が,ReやRuと い っ た 元 素 に は 特 に 注 目が 置 か れ て き た.
ま た,添 加 元 素 の 観 点 以 外 に も熱 処 理 に 主 眼 を 置 い た 研 究 も 行 わ れ て き た.Caronと Kahn[11]は γ'相の サ イ ズ が 小 さ く な る に つ れ,1次 ク リー プ ひ ず み が 増 加 す る こ と を様 々 な 単 結 晶 超 合 金 に つ い て 示 した.さ らに,γ マ トリ ック ス 中 に微 細 に 析 出 す る二 次 析 出 γ'の影 響 につ い て も研 究 され て お り,SRR99やCMSX‑4に 関 して,二 次 析 出 γ'によ っ て1次 ク リ v‑一一̀プひ ず み が 増 加 す る こ とが 報 告 され て い る[12
,13].ま た1000℃ 以 上 の 高 温 に お い て 二 次 析 出 γ'が転 位 に 与 え る影 響 や 二 次 析 出 γ'中の 元 素 濃 度 な どに つ い て詳 細 に 調 べ た 最 近 の 研 究 も あ る[14].
以 上 の よ うに,単 結 晶Ni基 超 合 金 に つ い て は 初 期 に お け る変 形 機 構 の研 究 に始 ま り,実 機 使 用 に 向 け 方 位 依 存 性 の研 究,さ ら に 合 金 開 発 に 伴 い 添 加 元 素 の 影 響 の 研 究 な ど現 在 に わ た り様 々 な 研 究 が 行 わ れ て い る.
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㎜
tgso 1960 tg70 1YSO 1990 ユ㎜
年 代 Fig.1.lHistoryofTIT[2].
(A)
(B)
(a)
Mold (1〔}oo℃}
(b)
●
P
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隔一、、IoId'1 q6⑪o℃)
Chillplate'
(c)
Fig.1.2.TranSitiOnOftU.rbinebladefOrCaStingprOCeSSfrOm
(a)conventionalcastingand(b)directionalsolidificationto(c)singlecrystal.
(A)realtU.rbinblade[15],(B)SChematiCillUStratiOn[16].
(a)
冷却空 流路
冷却空気出口
"、
1↑ll 冷却空気人口
冷却空気 出 口
(b)
画
呼
ン囮
、
Fig.1.31nnerstructUreofturbineblade
(a)CoolingchannelsoftUrbineblade[17],(b)DistributionoftemperatUreandstress[18].
Fig.1.4Transmissionmicrographofasectionparalleltothecriticalplane,(111),showing a〈112>ribboninthesinglecrystalsuperalloy[7].
1000FF[00ユ]
天
INTER凹EDlATEへ 、 VERYGOOD‑5
loo1] ' [012〕
【rll】
'BEST 'VERYGOOD
,一一1NTERMEDIATE
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[Ol1]
Fig.1.50rientationdependenceofcreepperformanceforMar‑M200andMar‑M247single crystalatabout760。C[8].
Tablel.1ChemicalcompositionoftypicalsinglecrystalNi‑basedsuperalloys[2].
一一 一一 一 gon・
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Cr Co Mo 脚
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一 一一一 Ro
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Ba1.
RenoN4 1a8 9 1.9 3.8 4 邑 凸 0.5 37 42 凸 邑
SRR99 8 5 ■ 10 3 ■ ■ ● 5.5 22 ■ ●
AM1 a 6 2 6 9 ■ ■ ● 52 12 ■ ■
AM3 8 6 2 5 4 ■ 騨 ● 6 2 ■ ●
CMSX・2 8 5 Oβ 8 6 ■ 一 ■ 5.6 1 ■ .
MC2 8 5 2 8 6 ■ 一 ■ 5 t5 ■ .
2nd
CMSX4 6.5 9 α6 6 a5 3 一 ■ 5.6 1 oj .
PWA14母4 6 10 2 6 9 3 ■ ● 5.6 ■ o.1 ■
SC180 5 10 2 5 8.5 3 ■ 暫 5.2 1 o.1 帽
Re舶N5 7 7.5 1.5 5 6.5 3 冒 暫 62 ■ O.15 ‑
3rd
CMSX・10 2 2 o.4 5 8 6 響 Oj 5.7 02 α03 響
ReneN6 42 12.5 1.4 6 7.2 5.4 騨 , 5.75 騨 α15 ,
F旧2100 2.5 12 ■ 9 55 6.4 凸 ' 6 ■ ■ ■
TMS‑75 3 12 2 6 6 5 凸 ● 6 凸 o.1 '
4h
EPMIO2 2 16.5 2 6 8.25 5.95 3 ' 5.55 凸 O.15 邑
RR2101 a5 12 ■ 9 5.5 6.4 2 ● 6 ■ ■ ■
TMS・173 2週 5.6 2.8 5β 5β a9 5 ● 5.6 ■ α1 ●
TMS・138 2.9 5.8 2.9 5.8 5.5 4.9 ● 層 5.8 ■ oj 3
5電島 TMS・162 29
一
5.8 3.9
一 一
5.8
一
5.6 4.9 6
一 幽
一
5.8 ● oj ●
TMS・196 4.6 5.6 2.4 5 5.6 6.4 5 ● 5.8 ● o.1 ●
10
日
ハ回﹄.
雷.=旧E一の血のロ﹂Q
2
o
o 100 200300
Time,h
400 500
Fig.1.6CreepcurvesfbrCMSX‑4deformedat750℃atvariousmagnitudesofapplied stress[10].
1.2.研 究 目 的
研 究 背 景 で み て き た よ う に,単 結 晶Ni基 超 合 金 に 関 し て 非 常 に 多 く の 研 究 が 行 わ れ て き た.し か し,そ れ ら は 引 張 ク リ ー プ に よ る も の が 大 半 で あ り,圧 縮 ク リー プ に 関 し て 行 っ て い る 研 究 は ほ と ん ど な い.
ま た,上 述 し た よ う に 高 温 化 に 対 応 す る た め ブ レ ー ド内 部 に は 冷 却 用 の 空 冷 孔 が 設 け ら れ て い る.し か し,そ の 形 状 は 非 常 に 複 雑 で あ り,エ ン ジ ン の 作 動 中 に,ブ レ ー ドに は 引 張 応 力 の み で な く圧 縮 応 力 も 負 荷 され る こ と が 分 か っ て い る.ま た,単 結 晶Ni基 超 合 金 に は 特 有 の 引 張 圧 縮 異 方 性 が あ り,圧 縮 ひ ず み の 負 荷 時 間 が 長 く な る に つ れ,熱 一機 械 疲 労(Thermo‑Mechanical Fatigue:TMF)寿 命 が 大 幅 に 低 下 す る と報 告 さ れ て お り[19],実 用 上 の 大 き な 問 題 と な っ て い る.
そ の た め,こ の 合 金 の ク リー プ 強 度 に お け る 引 張 ・圧 縮 両 方 の 変 形 特 性 を 把 握 す る 必 要 が あ る.
こ れ ま で の 研 究 で は,一 般 的 に 降 伏 応 力 の 引 張 圧 縮 異 方 性 に つ い て はLall,ChinandPopeに よ る 交 差 す べ り の しや す さ に 基 づ く"Corewidtheffect"モ デ ル に よ っ て 説 明 さ れ て い る[20].ま た,Shah
ら は ク リー プ 変 形 の 引 張 圧 縮 異 方 性 に つ い て"Corewidtheffect"に よ り説 明 した[21].そ の 一 方 で, ク リー プ 強 度 の 引 張 圧 縮 異 方 性 に 関 し て,Kakehi[22]やKnowles[23]は<ll2>す べ りに 起 因 す る機 械 的 双 晶 に よ り説 明 し た.そ の た め,引 張 ク リー プ に 関 して は<ll2>す べ り に よ る 変 形,圧 縮 ク リー プ に 関 して は 機 械 的 双 晶 に よ る 変 形 が 中 心 に な る と され て い る が,<ll2>す べ り と機 械 的 双 晶 の 間 の 明 確 な 関 連 は い ま だ 明 ら か と され て い な い.
さ ら に,単 結 晶 超 合 金 に お い て γ'粒子 の 大 き さ は ク リ ー プ 強 度 に 影 響 を 与 え る と考 え られ て お り[21],Bhowalら[24]はRENE95の ク リー プ メ カ ニ ズ ム が γ'粒子 径 に よ り変 化 す る こ と を 示 し た.ま た,熱 処 理 に 関 して 時 効 処 理 後 に 急 速 冷 却 を 行 う と,γ'粒 子 の ほ か に γマ ト リ ッ ク ス 中 に 細 か な2次 析 出 γ'が析 出 す る.こ の2次 析 出 γ'は,実 質 的 に γ'粒子 間 隔 を 変 化 させ る こ と か ら, 単 結 晶Ni基 超 合 金 の ク リー プ に 対 し影 響 を 及 ぼ す[22].そ の た め,2次 析 出 γ'がク リー プ 強 度 に 及 ぼ す 影 響 を 明 ら か に す る こ と は 重 要 で あ る が,実 用 合 金 に お い て2次 析 出 γ'に関 す る研 究 を 行 っ た 例 は 少 な い.
以 上 か ら,本 研 究 で は 単 結 晶 超 合 金 の 圧 縮 特 性 と2次 析 出 γ'の影 響 に つ い て 重 点 を 置 い て い る.そ こ で,第2世 代 超 合 金 で あ るCMSX‑4に 関 して3種 類 の 異 な る 熱 処 理 を 施 し,750℃/750MPa の 条 件 で 引 張 ・圧 縮 の ク リー プ 試 験 を 行 い,そ れ ぞ れ の 熱 処 理 に お け る 引 張 圧 縮 異 方 性 の メ カ ニ ズ ム を 解 明 す る こ と を 目 的 と し た.
2章 理 論
本 研 究 で 用 い た 単 結 晶Ni基 超 合 金 は 様 々 な独 自の 特 性 を持 つ 金 属 材 料 で あ る.そ の た め こ の 章 で は 単 結 晶Ni基 超 合 金 に特 有 の 性 質 を 中心 に 解 説 す る.さ らに 本 研 究 に お い て 重 要 な役 割 と な る透 過 型 電 子 顕 微 鏡 の 基 礎 知 識 につ い て も簡 単 に 解 説 す る.
2.1.単結 晶Ni基 超 合 金 の 基 本 事 項
2.1.1.単 結 晶Ni基 超 合 金 の 構 造
Ni基 超 合 金 は,γ 相 中 に約60〜70%の γ'相が 整 合 析 出す る析 出 強 化 型 合 金 で あ る.Fig.2.1 に 単 結 晶Ni基 超 合 金 の 透 過 型 電 子 顕 微 鏡 像 を示 す.こ こ で γ相 とはNiを ベ ー ス とす る 固 溶 体 で あ り,面 心 立 法 構…造 を持 つ.ま た γ'相はNi3Alを 基 本 組 成 とす る金 属 間 化 合 物(規 則 的 結 晶構 造 を持 つ 金 属 元 素 の 化 合 物)で あ る.強 度 を 高 め るた め,Ti,Ta等 の 合 金 元 素 が 添 加 され て い る.γ'相 は 面 心 立 方 格 子 の面 心 にNiが 位 置 す るLl2型 構 造 で あ る[25].Fig.2.2に γ相,γ'相 の構 造 の 模 式 図 を示 す.
強 化 相 が 析 出 して い る に もか か わ らず,単 結 晶 と 呼 ぶ こ とが で き る の は,こ の 析 出 相 が 母 相 と整 合 で あ り,マ ク ロ的 に は 単 結 晶 とみ なす こ と が で き る た め で あ る.つ ま り,整 合 相 境 界 は 内 在 す る が,結 晶 粒 界 は 存 在 しな い とい うこ とで あ る.析 出 相 で あ る γ相 は 立 方 体 形 状 に析 出 す る.立 方 体 形 状 に 析 出 す る の は,析 出 相 間 の 弾 性 的 相 互 作 用 と,(010)面 上 で 相 界 面 エ ネ ル ギ ー が 低 い た め で あ る と考 え られ て い る.ま た,立 方 体 形 状 の析 出相 の 間 の母 相 チ ャ ン ネ ル に微 細 な γ'相が 観 察 され る.こ の 微 細 な 析 出 相 は,900℃ 以 下 で は,母 相 チ ャ ン ネ ル 中 で の 転 位 の 運 動 の 障 壁 とな り,小 さい な が ら も重 要 な 役 割 を果 た す[25].
Fig.2.lTransmissionmicrographofsinglecrystalNibasesuperalloy
(・)〔1 ̲̲̲̲̲A
○
○
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○
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○
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○
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翁 凝
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Fig.2.2CryStallineStrUCtU.reOfSingleCryStalNibaSedSUperallOy, (a)γmatrix,(b)γ'phase.
2.1.2.逆 温 度 依 存 性 一 般 的 に
,金 属 の 強 度 は 温 度 上 昇 と共 に 低 下 して い く.し か しNi基 超 合 金 は 温 度 の 上 昇 と共 に 強 度 が 増 加 す る.こ れ に は γ'の温 度 依 存 性 が 関 係 し て い る.Fig.2.3(a)に 示 す よ うに γ' 相 の よ うなLl2型 の 構 造 を持 っ 化 合 物 で は 温 度 の 上 昇 と共 に 強 度 が 高 く な る異 常 強 化 現 象 が 現 れ る.
規 則 格 子 転 位 は,す べ り面 で あ る(lll)面 だ け に存 在 す る よ り(OlO)面 に 交 差 す べ り した 状 態 の 方 が,規 則 格 子 転 位 の全 体 の エ ネ ル ギ ー が 低 く な る た め交 差 す べ り を起 こす.こ の 部 分 が ピ ン留 め の 役 割 を 果 た し,温 度 上 昇 と と も に 交 差 す べ りの 頻 度 が 増 し ピ ン 留 め の 数 が 増 加 す る た め 温 度 の 上 昇 と共 に 変 形 抵 抗 が 高 くな る.こ れ はKear‑Wilsdorf機 構 と呼 ば れ る.
[25]こ の機 構 に よ っ て γ'は高 温 で 強 度 が 上 昇 す る.
さ ら に,こ の 合 金 の 強 度 は,構 成 相 で あ る γ相 お よび γ'相の 降伏 強 度 を複 合 則 に よ り加 算 した 値 よ りは る か に 大 き い(Fig.2.4(b)).こ れ に は,γ/γ'相境 界 そ の も の が 強 度 に 寄 与 して い る.相 界 面 は 転 位 を トラ ップ す る 障 壁 と な り,そ れ と と も に,相 界 面 は,転 位 の 上 昇 運 動 の 障壁 とな る ラ フ ト(γ粒 子 が い か だ 状 に 再 配 列 す る)組 織 形 成 プ ロ セ ス に 寄 与 し,1000℃ 以 上 の 高 温 ク リー プ 強 度 を 高 め る役 割 を 果 た す[25].こ の よ うに してNi基 超 合 金 は 高 温 にお い て 優 れ た機 械 特 性 を有 す る.
(05匹Σ)霧Φ﹂劇ω雪￡雰創.O oooooo∞ooooooo765432﹂1
0
209も γ'
■40%ブ 10,)6'f'
609もv'
8("6v' γノγ ("﹂一≧)のの匡O
'輪Y螂緊藩蝦齢 050 0ω 030 002 001 0
basedSuperalloy
phase
awofmixture (Vγ ・60%)
γphase
2。 。4。06。0800髄1000・2・ ・4・ ・6・ ・
Temperature(。C)Temperature(℃) (a)(b)
Fig.2.3Dependenceofsinglecrystalsuperalloyontemperatu[re (a)γandγ'phase[26],(b)Complexlaw[27].
800 1000
2.2.変形 機 構
2.2.1.すべ り変 形
単 結 晶 金 属 の 塑 性変 形 は す べ りに よ っ て 起 こ る.す べ り変 形 の 模 式 図 をFig.2.4に 示 す.
す べ り とは 金 属 の 結 晶 を 引 張 っ た と き に 特 定 の 方 向 にせ ん 断 応 力 が 作 用 す る こ とで 上 下 に 重 な っ た 原 子 面 が 相 対 的 に ず れ る こ と を言 う.す べ り を起 こす 面 は す べ り面 と呼 ばれ,原 則 と して 原 子 が 最 も密 に つ ま っ て お り,面間 隔 の 最 も広 い 面 で あ る.ま た,す べ り を起 こす 方 向 は 結 晶 格 子 中 で 原 子 が 最 も接 近 して 並 ん で い る方 向 で あ り,す べ り方 向 とい う.す べ り面
とす べ り方 向 を 合 わ せ て す べ り系 とい う.
Niは 面 心 立 方 構 造 で あ る た め,す べ り面 は{lll}面,す べ り方 向 は 〈110>方 向 で あ る.
ま た,す べ り面 は 等 価 な 面 が4面,す べ り方 向 は 等 価 な方 向 が3方 向 存 在 す る た め す べ り 系 は 計12個 とな る.さ らに,こ れ に加 え 単 結 晶Ni基 超 合 金 は 固 有 の 〈ll2>方 向 へ の す べ
り系 が あ る た め す べ て で24個 のす べ り系 が 存 在 す る.
A
B す べ り変 形 前
A
1ヨ す べ り変 形 後
Fig.2.4Schematicillustrationofslipdeformation[28].
2.2.2.シ ュ ミ ッ ト因 子
す べ り 系 の 中 で ど の す べ り 系 が 働 く か を 考 慮 す る 際 に 用 い る の が シ ュ ミ ッ ト因 子 で あ る.
金 属 の す べ り は す べ り 面 に 沿 っ て す べ り方 向 に 作 用 す る せ ん 断 応 力 に よ っ て 生 じ る.
Fig.2.5に 示 す よ う に,す べ り 面 へ の 法 線 と 引 張 軸 の な す 角 を Φ,す べ り方 向 と 引 張 軸 の な す 角 を λ と す る.試 験 片 の 断 面 積 をA,引 張 力 をFと す れ ば,す べ り面 に 平 行 で す べ り方 向 に 作 用 す る せ ん 断 応 力 τは 次 式 の よ う に な る.
F
τ=‑cosZCOS￠=σCO∫ ￠ こ こ で,cosZCOS￠ を す べ り 系 の シ ュ ミ ッ ト因 子 と い う.
Ni基 超 合 金 に は 合 計24個 の す べ り系 が 存 在 す る が,そ の す べ り 系 の う ち シ ュ ミ ッ ト因 子
の 最 も大 き い す べ り系 で,実 際 の す べ りは 起 こ る.こ れ を 主 す べ り系 とい う.ま た 主 す べ り 系 以 外 の す べ り系 を 二 次 す べ り系 とい う.ま た,変 形 して い く過 程 で 各 す べ り系 に 対 す る λ
と(pの 値 が 変 化 し,そ の結 果2つ の す べ り系 に対 す る λ と Φが 等 し く な る こ と が あ り,そ うす る と二 つ の す べ り系 は 同 時 に 活 動 す る.こ れ を二 重 す べ り と い う.同 じ よ うに,三 つ あ る い は そ れ 以 上 の す べ り系 が 同 時 に活 動 す る こ とを 多 重 す べ り とい う.
F
λ
/、
すべ り方向＼
へ
すべ り面への法線
すべ り面
Fig.2.5SchematicillustrationofSchmidfactor.
2.2.3.転位 の 運 動
上 述 の す べ り変 形 の 担 い 手 とな る の が 転 位 で あ る.金 属 結 晶 の す べ りは,完 全 結 晶(原 子 が す べ て 格 子 点 上 に あ り,ま た 格 子 点 が す べ て 原 子 に よ っ て 占 め られ て い る 結 晶)の ま ま 起 こ り,す べ り面 を挟 ん だ 両 側 の原 子 が い っ せ い に動 く とい うの が 最 も簡 単 な形 で あ る.
しか し,実 際 に は,完 全 結 晶 のす べ りを 起 こす よ りも か な り小 さ な 力 で 金 属 を変 形 させ る こ と が で き る.そ の た め,Fig.2.6の よ うに す べ り面 の 上 と下 で 原 子 面 の 数 が 違 う結 晶 を仮 定 す る.こ の 結 晶 に せ ん 断 応 力 を 加 え る と,Cか らC'へ と原 子 面 が移 動 す る よ うに,す べ り面 の あ る特 定 の 場 所 で す べ りが 始 ま り,そ れ が 徐 々 に 伝 播 す る と い う形 で 全 体 の す べ り が 生 じ る.こ こ で,図 のC,C'の よ うに す べ り面 の 上 です で に す べ りの 起 こ っ た 部 分 とま だ す べ りの 起 こ っ て い な い 部 分 との 境 界 線 を 転 位 ま た は転 位 線 と呼 ぶ.ま た,す べ り面 を挟 ん で ず れ た 上 下 の 結 晶 面 の 相 対 的 な ず れ と方 位 を 表 した ベ ク トル を バ ー ガ ー スベ ク トルbと 呼 ぶ.結 晶 中 に は こ の線 状 の 欠 陥 が 存 在 す る た め,金 属 材 料 は 完 全 結 晶 のす べ りを 起 こす よ
り も小 さ な 力 で 変 形 させ る こ とが で き る.
【完 全 転 位 と超 転 位 】
す べ り変 形 が 起 こ っ て も結 晶 構 造 そ の も の は 変 化 しな い.し た が っ て,す べ り転 位 の バ ー ガ ー ス ベ ク トル は 結 晶 格 子 の 並 進 ベ ク トル の一 つ と一 致 しな くて は な らな い.ま た,転 位 は バ ー ガ ー ス ベ ク トル の 二 乗 に比 例 した 自己 エ ネ ル ギ ー を 有 す る.そ の た め な るべ く小 さな
バ ー ガ ー ス ベ ク トル を 持 つ ほ うが 都 合 が よ い.よ っ て,FCCに お け る 転 位 の バ ー ガ ー ス ベ ク トル はFig2.7(a)の よ う に な り,以 下 の よ う に あ ら わ す こ と が で き る.
hニ2〈110>
こ の よ う に,そ の バ ー ガ ー ス ベ ク トル が 結 晶 格 子 の 並 進 ベ ク トル の 一 つ と一 致 して い る 転 位 を完 全 転 位 とい う.
上 述 した の は1種 類 の 原 子 か ら な る結 晶 の場 合 で あ る が,単 結 晶Ni基 超 合 金 の γ'相な ど の 金 属 問 化 合 物 は 超 格 子 を組 ん で い る.そ の た め,こ の格 子 中 で は 完 全 転 位 の バ ー ガ ー ス ベ ク トル はFig.2.7(b)に 示 す よ うに な る.こ れ は 通 常 のFccに 比 べ2倍 の長 さを 有 して い る.
こ の よ うに,一 般 的 に規 則 合 金 中 の完 全 転 位 は,純 金 属 や 不 規 則 合 金 の 完 全 転 位 の整 数 倍 の 長 さ を 持 つ.こ れ を 超 格 子 転 位 ま た 超 転 位 と呼 ぶ[29].
一
すべ り面 B
Fig.2.6Schematicillustrationofdislocation.
b;a〈110>
一(1一
Fig.2.7Schematicillustrationofperfectdislocation[29].
(a)FCC,(b)L12structUre.
2.2.4.積 層 欠 陥(StackingFault)
FCC金 属 の す べ り方 向 は<llO>で あ る.そ の た めFig.2.8(a)のBlか らB2の 位 置 へ 原 子 を 飛 び 越 え て 移 動 す る こ と に な る が,実 際 の す べ りで は 矢 印 が 示 す よ う にBl→Cl→B2の よ う に 原 子 の 谷 間 に 沿 っ て ジ グ ザ グ の 経 路 を た ど る.
こ こ で,上 述 し た よ う にa/2<ilO>の バ ー ガ ー ス ベ ク トル を 持 つBIB2の 経 路 は 原 子 の 中 心 間 を 結 び,完 全 転 位 で あ る.そ れ に 対 し,a/6<211>,a/6〈i2i>の バ ー ガ ー ス ベ ク トル を 持 つBICI,CIB2の 経 路 は い ず れ も 原 子 の 中 心 問 を 結 ぶ 格 子 基 本 ベ ク トル で は な い た め, こ れ ら は 部 分 転 位 あ る い は 不 完 全 転 位 と 呼 ば れ る.
こ の よ うな 部 分 転 位 に よ る 原 子 の 動 き をFig.2.8(b)に 示 す(す べ り 面 を 紙 面 に 平 行 に 置 い て 示 し て い る).図 の 右 か ら左 へ と 部 分 転 位 が 動 い て い る と す る と,先 頭 の 転 位 が 通 り過 ぎ て 次 の 転 位 が く る ま で,B原 子 はCの 位 置 に 移 っ て い る.す な わ ち そ の 部 分 に お い て 原 子 の 積 み 重 ね の 順 序 は 乱 れ て い る と い う こ と に な り,こ れ を 積 層 欠 陥 と 呼 ぶ.ま た こ の 積 層 欠 陥 に よ っ て 結 ば れ た 転 位 を 拡 張 転 位 と 呼 ぶ.積 層 欠 陥 部 分 は2〜4原 子 層 の 厚 さ を 持 つ 最 密 六 方 格 子 を な し て い る た め,正 常 の 格 子 に 比 べ て 固 有 の 高 い エ ネ ル ギ ー を 持 っ て お り,こ の エ ネ ル ギ ー を 積 層 欠 陥 エ ネ ル ギ ー と い う[28].
旦[211〕 トー 一一一一1音[τ2τ]
:≡『: :i:
: A A
●
.・:。:・
・ ・:・ 。 ・:
::
:i:iiiiA ・:・A o A ii
:●::・
・o●Oo
●・o, ℃ ・: ●
●.● :B 羅 Bo・ ● r・●・
::
A ● ●A ●
o
・:
・:;.●
・●
P●
7〔TIO〕
Fig.2.8Schematicillustrationofpartialdislocation[28].
(a)Atomicpathon(lll)plane,(b)Stackingfaultbetweenpartialdislocations.
2.2.5.逆 位 相 境 界(AntiPhaseBoundary)
積 層 欠 陥 が 形 成 さ れ る の と 同 様 に,部 分 転 位 が 運 動 す る こ と で 局 所 的 な 結 晶 構 造 の 変 化 が 生 じ る.こ れ が γ'相な ど の 金 属 間 化 合 物 で 生 じ る 場 合 を 考 え る.Fig2.7に 示 す よ う にLl2 構 造 に お い て 完 全 転 位 の バ ー ガ ー ス ベ ク トル はbニ α〈110>と な る が,こ れ は2本 の 超 部 分 転
位bl=9〈110>とb∬=9〈110>1こ 分 解 で き る.こ の 分 解 し た 超 部 分 転 位 の う ち の1本 の み が
22
運 動 し た 時 に は,局 所 的 に 結 晶 構 …造 が 変 化 し た 部 分 を 生 じ る(Fig2.9).こ の 部 分 を 逆 位 相 境 界(antiphaseboundary,略 し てAPB)と 呼 ぶ.こ れ はFig2.9に お い て 白 丸 の 原 子 が 黒 丸 へ,黒 丸 の 原 子 が 白 丸 へ 移 動 す る こ と に 相 当 す る.そ の た め こ れ が 規 則 化 さ れ て い な い 通 常 の FCCと 考 え る と そ の 結 晶 構 造 は 乱 れ て い な い.そ の た め,APBは 結 晶 構 造 自 体 が 乱 れ る 積 層 欠 陥 と は 区 別 さ れ る.
窒 こ111]
◎ ○ ◎(… ≠㊤
一 ○ す べ(1丁(,)り 面 ○ ◎/Q⑤㊤ ○ ㊧ ○ ◎○
㊨
㊧○前ゑ転
げ ら趨び㈲
σ＼◎ q嬢/b/愈 ○ 遥位看、
㊧b/融'○ ㊧ 境界
(b)す べ り後
Fig.2.8SchematicillustrationofAPB[29].
2.2.6.L12構 造 の せ ん 断
【a<110>転 位 に よ る せ ん 断 】
γ'析出 物 は 規 則 格 子 で あ り,そ の す べ り変 形 は,格 子 定 数 をaと す る とa<llO>の バ ー ガ ー ス ベ ク トル に よ る も の と な る .こ れ は 面 心 立 方 構 造 の バ ー ガ ー ス ベ ク トル の2倍 の 大 き さ で あ り,こ の よ うな 大 き な バ ー ガ ー ス ベ ク トル を 持 つ 転 位 は エ ネ ル ギ ー 的 に 存 在 す る こ と が で き な い.そ の た め,こ の バ ー ガ ー ス ベ ク トル は2つ のa/2<110>超 格 子 転 位 へ と 分 解 す る.こ の 超 格 子 転 位 はFig.2.9に 示 す よ う に,先 行 す る 転 位 がAPB(逆 位 相 境 界)を 作 り な が ら 進 み,追 従 す る 転 位 がAPBを 打 ち 消 し な が ら 進 む.こ の よ う に し て,a<llO>転 位 に よ り,γ'相 は せ ん 断 され る[10].
at2[1101
{1tl}
̀'ri一,
「
も ゑ
Y∫'・ 、'
⇒
'
⇒
Fig.2.9Schematicillustrationofγ'shearingbya<llO>dislocations
【a<ll2>転 位 に よ る せ ん 断 】
ク リ ー プ 変 形 の よ う に ひ ず み 速 度 が 小 さ く,転 位 の 運 動 に 拡 散 が 伴 う場 合 に は,γ マ ト リ ッ ク ス 中 のa/2<Oll>転 位 は γ'析 出 物 界 面 で 反 応 し 以 下 の 式 に 示 す よ う に,<a/3112>と a/6<ll2>の バ ー ガ ー ス ベ ク トル を 持 つ 転 位 に 分 解 す る.
1[…1+1「 ・・1→1「 ・2]+1「 ・2]
a/3<ll2>転 位 は,積 層 欠 陥 を 形 成 し な が ら γ'相 を せ ん 断 す る.し か し,a/6<ll2>転 位 は a/3<ll2>転 位 の 運 動 に よ り形 成 さ れ た 高 エ ネ ル ギ ー の 積 層 欠 陥 が 存 在 す る た め,APBを 形 成 し な け れ ば γ'をせ ん 断 で き な い の で,γ'の 界 面 に 残 る.こ こ で,さ ら に 同 一 す べ り 面 上 に も う一 本 のa/2〈ll2>転 位 が 運 動 す る 場 合,子 の 転 位 も γ/γ'界面 に お い て,a/3<ll2>とa/6〈ll2
>転 位 に 分 解 す る.す る と γ'界面 に 残 っ て い たa/6<ll2>は 新 た なa/6<ll2>転 位 と の 間 位 に 狭 いAPBを 形 成 す る こ と で γ'をせ ん 断 で き る よ う に な る.最 後 にa/3〈ll2>とa/6<ll2>に は 先 行 す るa/3〈ll2>とa/6<ll2>と 同 様 に,積 層 欠 陥 を 形 成 す る こ と で γ'をせ ん 断 し て い く
(Fig.2.10).
こ の よ う に し てa/2<ll2>転 位 が γ相 と γ'相を 連 続 し て せ ん 断 す る と マ ク ロ 的 な<ll2>す べ り が 生 じ る.こ の4つ の 転 位 は,転 位 リボ ン と 呼 ば れ700‑800℃ の 温 度 域 で γ/γ'組織 を 大 規 模 に せ ん 断 す る.[10]
