イオン照射下でのFe-Cr-Al合金におけるCrリッチ析出物形成に及ぼす合金組成と損傷速度の影響

Effect of alloy composition and damage rate on the formation of Cr-rich precipitates in Fe-Cr-Al alloys under ion irradiation

阿部 陽介  ; 佐々木 泰祐*; 都留 智仁   ; 藤田 洋平*; 大友 政秀*; 山下 真一郎   ; 大久保 成彰   ; 鵜飼 重治  

Abe, Yosuke; Sasaki, Taisuke*; Tsuru, Tomohito; Fujita, Yohei*; Otomo, Masahide*; Yamashita, Shinichiro; Okubo, Nariaki; Ukai, Shigeharu

軽水炉の事故耐性燃料被覆管材料として開発中の酸化物分散強化型Fe-Cr-Al合金では、Crリッチ析出物(Cr-Rich Precipitates: CrRP)の形成による脆化挙動の解明と予測が課題となっている。本研究では、14種類の組成の異なるFe-Cr-Al合金に対して350Cにて10.5MeVの自己イオン照射を行い、CrRPの形成挙動を系統的に調べた。照射は、2桁異なる3水準の損傷速度を用いて0.24及び0.64dpaまで行った。3次元アトムプローブを用いて照射後試料中のCrRPの定量解析を行い、各実験変数がCrRP関連量に及ぼす影響を相関行列と重回帰モデルを用いて評価した。その結果、CrRPの数密度・体積率・内部Cr濃度は、Cr添加の増加・Al添加の減少・損傷速度の減少に伴って増加した。また、いくつかの交互作用が確認された。系統的な実験・解析に加えて、実験的に解明することが困難な原子レベルでのメカニズムを明らかにするために、第一原理計算を用いてCrRPの形成挙動に及ぼすAl添加の影響を調べた。原子配置エネルギーや短距離秩序パラメータ等を用いて解析を行い、実験データとの比較を通して考察した。

This study examines CrRP formation behavior through 10.5 MeV self-ion irradiation at 350C on 14 Fe-Cr-Al alloy compositions, with doses of 0.24 and 0.64 dpa and three damage rates differing by two orders of magnitude. Using a three-dimensional atom probe, we analyzed CrRPs in irradiated samples and evaluated the effects of different variables with a correlation matrix and multiple regression model. We found that the number density, volume fraction, and internal Cr concentration of CrRPs increased with higher Cr levels, lower Al levels, and reduced damage rates. To better understand the atomic-level mechanisms, we also explored the effect of Al addition on CrRP formation using first-principles calculations, analyzing atomic arrangement energy and short-range order parameters alongside experimental data.