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野村 茂雄; 森永 正彦*; 湯川 夏夫*
日本原子力学会誌, 41(12), p.1244 - 1251, 1999/12
被引用回数：2 パーセンタイル：21.16(Nuclear Science & Technology)高速炉炉心材料として現在被覆管製造と炉外評価試験を実施している高Niオーステナイト鋼について,現在の初期に行った基本的な合金設計手法とその結果をまとめたものである。高Niオーステナイト鋼の合金設計では,d電子合金論を用いて,合金元素Mのd軌道エネルギーレベルと原子間の結合強さを表す2つのパラメータを座標軸に取り,この座標上でオーステナイト鋼の安定な相領域と照射試験で得られている低スエリング境界線を示した指針図を作成して,その妥当性を炉外予備実験により確認した。この設計指針図に基づき,高Niオーステナイト鋼の基本的な合金成分の範囲を選定した。
電子合金理論に基づく超耐熱構造材料の材料設計(II) 材料設計及び特性評価湯川 夏夫*; 森永 正彦*; 斉藤 淳一*; 加藤 直人*; 一色 泰志*
PNC TJ9623 92-001, 81 Pages, 1991/07
(目的)開発中の高温Li用材料であるNb基合金及びMo基合金について、簡便な方法で高温引張強度の類推が可能な方法を開発すると共に、液体金属中での耐食性等を明らかにする。(実験方法) 高温引張強度については、始めに実用合金に関する文献で室温
高温の硬さと引張強度を調べ、次に新たに溶製した合金を用いて1200度Cまでの硬さを測定した。 液体金属中での耐食性については、昨年度の設計合金に対する650度CでのNa浸漬試験を行い、試験前後の重量変化、組織変化、成分変化ならびに文献からの合金元素の酸化物とナトリウムの酸化物との生成自由エネルギーなどから、腐食量、Na浸漬中の溶出元素等を調べ、また初めての試みとして、Li、K、Naなど液体金属中の原子状の溶出元素の電子構造、イオン性などの解析をd電子論に基づいて行った。(結果) 実用合金の調査から、室温1200度Cで硬さと引張強度の間には良好な直接関係があることをまず明らかにし、次にこの関係を利用して測定で得た硬さから高温時の引張強度の簡易的予測が可能な式を導出した。 液体金属中の耐食性については、Na中ではNb基合金はその合金元素であるNbとTaが酸化されるために腐食され易いが、Mo基合金はその合金元素の酸化が起こらないために腐食され難く優れた耐食性を示した。d電子論に基づく解析からは、Li、K、Naの各液体金属の中ではLiが溶出した原子状の元素と最も強く結合するなどの新たな知見を得た。 これらの他に、合金の硬さは母金属と添加元素の原子半径差またはヤング率差に依存すること、合金の密度は添加元素の純金属の密度で整理が可能なこと、昨年の設計合金は1200度Cで良好な相安定性を示すこと、などを明らかにした。
湯川 夏夫*
PNC TJ9623 90-001, 87 Pages, 1990/03
(目 的)可搬型FBRの構造材料には、約1200
CのLiとKの環境で10年の耐用年数が要求される。そこで、 本研究は、これらの超耐熱性と耐食性を満たし、更に軽量化のための高比強度を持つ新合金の開発のため、d電子合金設計理論に基づいて材料設計を行う。また設計した合金を実際に溶製し、その高温硬度、耐食性および比重を実験によって明らかにする。(合金設計および実験方法)合金設計には、d電子合金理論を適用する。すなわち分子軌道法により、母金属(Nb、Mo)中での合金元素の特徴を表す2つのパラメータを理論的に求め、それらを合金設計に活用した。それら合金効果を表すパラメータとしては、原子間の結合の強さを示す結合次数(Bo)と、原子半径や電気陰性度と相関のあるd軌道エネルギーレベル(Md)がある。超耐熱性については、高融点の合金ほど優れていると考え、主に融点に注目した。合金の組成平均で求められる2つのパラメータ、BO、 Mdを用いて、二元および三元系状態図から合金の融点を整理したところ、Nb基合金では、Ta、 Mo合金ではWが融点を上昇させるのに最も有効な合金元素であることがわかった。そして、設計合金の融点を、Nb基合金は2550C、Mo基合金は2750Cに設定した。また、 Li、K中での耐食性については現在、不明瞭な点が多い。そこで、純金属の状態でLi、K中で良好な耐食性を示す金属(Ta、W、Re、Hf)を、合金元素として選択した。比重については、Nb基合金のみであるが重回帰計算により予測を行った。このようにして、 目標を満足させる合金として、4種類のNb基合金と3種類のMo基合金を設計した。本設計の妥当性を検討するために、 これらの設計合金と5種類の比較合金について、高温硬度試験、 100%沸騰硫酸中の耐食性試験、比重測定試験を行った。(実験結果)これらの試験の結果、設計合金の高温硬度と腐食特性は比較合金と同等またはそれ以上であった。また、設計合金は融点が高いことから優れたクリープ特性が期待できる。この他、耐食性については、Re添加合金は低い耐食性を示すことがわかった。比重はNb基合金において予測に近い値が得られたが、 Mo基合金は予測できなかったために高密度であった。 (結 論)FBR用超耐熱構造材料をd電子合金理論によって設計を行った結果、比較合金よりも優れた特性
湯川 夏夫*
PNC TJ9623 89-001, 75 Pages, 1989/02
高性能FBR燃料被覆管材料を開発する目的で、Fe-Ni基Fe-Ni-Cr-Mo-W-N系オーステナイト型合金について新合金理論に基づく合金設計を行った。この理論は"d電子合金理論"と呼んでおり、遷移金属基合金について分子軌道計算を適用して開発したものである。合金設計においては、主としてMdおよびBoの2つのパラメータを用いる。前者は合金遷移金属元素のd電子エネルギーレベルで、後者は原子間共有結合強さを表す。合金の組織や物性に及ぼす合金効果は、これらのパラメータによりよく理解できる。例えば、合金の相安定性は、BoとMdを両軸にとった、"相安定性指標図"で表すことができる。ここで、BoとMdはそれぞれの合金における組成平均を示す。Cr、Mo、W、Nを含む、各種Fe-Ni基オーステナイト合金の相安定性と、時効硬化挙動を実験的に調べた。それらの実験結果と、従来報告された各種の照射実験によるスエリングデータを、相安定性指標図によって解析した。時効試料について
/+
相境界を本図上に示すことができた。ここで、はfcc基質相、は(Ni,Fe)7(Mo,W)6型のいわゆるTCP相で、機械的性質に悪影響を及ぼす。その他、Mo/(Mo+W)およびFe/Niの最適組成比については、時効硬化実験から決定した。FBRの炉心条件下において合金が安定であることを考慮した。合金の計算機援用設計を行い、FBR燃料被覆管用の候補合金数種を選定した。
