深セン大学付加製造研究所：高強度・低放射化鋼の3Dプリントにおける新たな進歩

出典：深セン大学付加製造研究所

低放射化フェライト/マルテンサイト（RAFM、Fe-Cr-CW-Mn-Ta-V）鋼は、固有の形状安定性、低い放射線膨張係数と熱膨張係数、強い放射線照射下での高い熱伝導率など、優れた熱物性を備えています。その低放射化成分は商業生産に適しており、核融合炉の好ましい構造材料であると考えられています。現在、世界各国では、日本のF82H、欧州のEUROFER97、米国の9Cr-2WVTa、中国科学院プラズマ物理研究所が開発したCLAM、中国科学院西南物理研究所と金属研究所が共同開発した低放射化鋼CLFシリーズなど、独自の知的財産権を持つRAFM鋼の開発が進められている。 RAFM鋼材の研究開発はますます成熟してきましたが、RAFM鋼を構造材料として使用した第一壁構造部品の加工および製造は依然として困難な問題です。第一壁の構造は複雑かつ精密であり、従来の製造方法では複数の処理ステップを経る必要があり、煩雑なプロセス、時間のかかる消耗品、高コスト、制御不能な欠陥などの問題に直面しています。

積層造形（3Dプリントとも呼ばれる）技術は、金型が不要、製造サイクルが短い、材料利用率が高い、ニアネット成形、あらゆる形状を作製できるなどの利点があり、従来の製造方法の欠点を解決し、核融合炉第一壁の複雑な構造部品の一体成形を実現することが期待されています。これまでの関連研究では、選択的レーザー溶融（SLM）技術を使用して核融合炉の第一壁の複雑な構造部品を製造する実現可能性が確認されています。しかし、SLMで形成されたRAFM鋼の強度は従来の方法で製造されたRAFM鋼よりも高いものの、可塑性は低いです（5％未満）。全体的な傾向として、RAFM鋼の強度と塑性は逆の関係を示しています。強度が高くなるほど、塑性の低下がより顕著になります。今後の作業では、合金の強度と塑性を同時に向上させ、核融合の使用条件の機械的特性の基本要件を満たすことが急務です。

業績の簡単な紹介<br /> SLM成形RAFM鋼の高強度と低塑性という不一致に対応するため、深セン大学付加製造研究所の老昌史と陳張偉の研究チームは、CLF-1鋼のSLMプロセスと微細組織および性能の制御について体系的な研究を行い、初めて異種デュアル/マルチモード微細組織設計の考え方をSLM成形高強度・靭性RAFM鋼の開発に導入しました。SLMプロセスパラメータとスキャン戦略の最適化に基づき、SLM成形CLF-1鋼は高強度（降伏強度1053MPa）と高塑性（伸び16.9％）を両立し、その総合強度と靭性は現在の文献で報告されているRAFM鋼よりも大幅に優れています。

図1. SLM成形CLF-1鋼の微細構造と組織
(a, j) 金属組織; (b, f, k, o) EBSD IPF 画像; (c, g, l, p) SEM 画像; (d, e, m, n) TEM 明視野画像; (h, q) 極点図; (i, r) 反極点図

S209とS98の微細組織と機械的特性を比較することで、SLM成形されたCLF-1鋼の強化および靭化メカニズムが明らかになりました。その高い強度は微細な結晶粒と微細なマルテンサイト層に依存しており、その高い可塑性は、このデュアル/マルチモード構造の転位優位の加工硬化能力の向上によるものです。この研究は、3D プリントされた高強度で強靭な RAFM 鋼の構造設計に重要な理論的基礎と技術的ガイダンスを提供し、制御可能な組織特性を持つ核融合炉の主要コンポーネントの統合成形を促進します。当該研究成果は、国際的に著名な学術誌「Materials Research Letters」（IF: 7.440）に掲載されました。

図2. SLM成形された高強度・高靭性CLF-1鋼の室温引張特性と文献で報告されている特性との比較

文献リンク:
選択的レーザー溶融法によって付加的に製造された、強度と延性に優れた低放射化フェライト/マルテンサイト鋼 (Materials Research Letters、2019、doi.org/10.1080/21663831.2019.1631224)

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