出典: 構造健全性同盟 著者: パン・ユージエ
ステンレス鋼に対する業界の注目は通常、自動車製造部門に関連付けられていますが、航空宇宙、エネルギーなどの分野でのステンレス鋼材料の使用は、多様な需要の発展の傾向を示しています。典型的な例として、SpaceX の主な取り組みは、可能な限り多くの材料をステンレス鋼に置き換えることです。当初、置き換えを回避できたのは、高温の酸素を多く含むガスの燃焼環境にさらされる部品でしたが、最終的にイーロン・マスクはほとんどの部品をステンレス鋼に置き換えることに成功しました。スペースXがフルサイズのスターシップを建造するにあたり、イーロン・マスク氏は、鋼鉄が使用されるため、ロケットの材料費は4億～5億ドルではなく1000万ドルに抑えられ、再利用可能な宇宙船になると述べた。鋼鉄は低コストなだけでなく、高い融点も重要な利点です。クロムとニッケルの含有量が多いステンレス鋼は、-160°C の温度でも十分な延性と強度を維持できます。
「中国原子力研究開発研究所：原子力発電向け316Lステンレス鋼粉末付加製造の研究状況」によると、航空宇宙分野だけでなく、原子力分野での鋼の応用もかなり有望です。付加製造された316Lステンレス鋼の構造と特性は異方性がありますが、付加製造後処理技術により異方性を排除できます。現在、積層造形において最も一般的に使用されている後処理技術は熱処理です。鍛造 316L ステンレス鋼と比較すると、熱間静水圧プレス処理された積層造形 316L ステンレス鋼の機械的特性と照射特性は優れています。現在、原子力用ステンレス鋼の積層造形技術はまだ初期段階にあり、今後は積層造形の形成メカニズムと形成された材料の中性子照射性能に重点を置く必要があります。
背景 近年、原子力などの分野では、積層造形技術の応用可能性が積極的に模索されています。積層造形 (AM) 316L ステンレス鋼は、技術的に成熟度が高く、室温および高温での機械的特性に優れています。このステンレス鋼は、原子力安全監査に合格し、原子力用途で最初に使用される可能性が最も高い積層造形材料であると考えられています。 AM 316L の成形プロセスにより、その微細構造は従来のプロセスで製造された材料とは大きく異なります。柱状結晶、転位セル、元素偏析、ナノ粒子酸化物などの印刷構造が、材料の機械的特性に影響を及ぼす可能性があります。クリープは、高温負荷条件下での材料の最も基本的な変形モードです。AM 316L の基本的なクリープ データを取得し、印刷された微細構造とクリープ性能間の構造活性相関を理解することは、高温クリープ条件下でこのタイプの材料を安全に使用することを保証するための前提条件です。 AM 316Lの長期クリープデータが欠落しており、変形メカニズムの研究が不十分な現状を踏まえ、本研究では、レーザー粉末床溶融法で製造された316L原材（注：AM 316L）と、同じ組成のその完全再結晶材（注：Re 316L）に対して、600℃、公称応力235～360MPaでクリープ試験を実施しました。試験結果を文献データと比較したところ、AM 316Lは従来の316材を上回る優れたクリープ性能を有することが判明しました。その後、その背後にある変形および破壊メカニズムを分析しました。
研究成果
（１）図１は、本論文で使用した引張試験片およびクリープ試験片のサンプリング図であり、垂直試験片は印刷方向と平行な荷重応力を有する試験片を表し、水平試験片は印刷方向と垂直な荷重応力を有する試験片を表す。図 2 は、さまざまな荷重応力下における 600 °C での AM 316L と Re 316L のクリープ特性をまとめたものです。あらゆる荷重応力条件下で、AM 316L は Re 316L 材料よりも優れたクリープ耐性を示し、最小クリープ速度が大幅に低減し、クリープ寿命が長くなることがわかります。例えば、300 MPa の応力下では、AM 316L の最小クリープ速度は Re 316L よりも約 3 桁低く、クリープ寿命は Re 316L の 50 倍以上になります。しかし同時に、AM 316L は長期クリープ条件下ではクリープ異方性と限られたクリープ延性を示します。著者らは、本論文で得られたクリープ特性を文献に記録されたデータと比較し（図3）、Re 316Lのクリープ特性は従来の316Lの範囲内であるのに対し、AM 316Lのクリープ特性は同じグレードの316Lよりも大幅に優れていることを発見しました。
▲図1 (a) 引張試験片およびクリープ試験片の作成の概略図 (bc) はそれぞれ引張試験片およびクリープ試験片の寸法 ▲図2 AMおよびRe 316Lの一軸クリープ特性の概要：最小クリープ速度（左）、クリープ寿命（中央）、クリープ破断ひずみ（右）
▲図3 AMおよびRe 316Lのクリープ特性と同グレードの316Lのクリープ特性の比較（2）クリープ変形中のAM 316LおよびRe 316Lの微細構造変化を明らかにするために、透過型電子顕微鏡を使用してクリープ試験後の微細構造を特徴付けた（図4）。 1936 時間のクリープ実験後、Re 316L の結晶に多数の登り転位が見られることが観察されます。一方、AM 316L の安定した転位セル構造は、クリープ変形によって生成された転位と絡み合って、より複雑な転位構成を形成します。これらの転位構造は、クリープ転位の動きをさらに妨げ、それによって結晶内変形を制限し、クリープ速度を低下させます。 AM 316L の異方性クリープ速度は、柱状結晶の成長と転位セル構造の配向の違いによって発生する可能性があります。水平試験片の転位運動は、粒界と転位セル壁によって妨げられることが多く、運動の自由経路が短くなり、クリープ速度は小さくなります。
▲図4 235MPaクリープ試験後のRe 316L（a、b）とAM 316L（c、d）の転位組織（3）図5はAM 316L破壊サンプルの破壊近傍の縦断面形態を示しています。粒界近くの析出相の薄い層の近くで亀裂や気孔が発生し、凝集して伝播し、最終的に粒界破壊につながることが観察されます。クリープ過程が進むにつれて、これらの硬い析出相の薄層の析出により、粒界付近の局所的な応力集中が激化し、クリープボイドの核生成が促進され、粒界の滑り能力が低下し、それによって材料のクリープ延性が低下する可能性があります。そのため、本研究では AM 316L の析出相をさらに分析しました。図 6 は、クリープ時間が長くなるにつれて、AM 316L の高角粒界にモリブデン (Mo) を多く含む析出相の薄い層が徐々に形成され、その濃化はクリープ時間の増加とともに増加することを示しています。析出相の組成から、脆いライボルド相であると推測されます。しかし、このタイプの析出相は Re 316L では観察されなかったため、初期の微細構造の違いが AM 316L と Re 316L 間の相析出挙動の違いにつながることが証明されました。さらに、AM 316L の長くまっすぐな柱状結晶が印刷方向に沿って成長し、水平方向の荷重を受けると、より高い割合の粒界が垂直応力にさらされ、クリープ亀裂の伝播を促進し、結果として水平サンプルのクリープ延性が垂直サンプルよりも制限されます。
▲図5 AM 316Lのクリープ破壊近傍の縦断面形態 ▲図6 異なる時効時間後のAMとRe 316Lの高角粒界における元素分布と析出相分布の変化： (ac) AM 316L (d) Re 316L (eg) AM 316L粒界元素ラインスキャン結果 この研究は、AM 316Lの安定した転位セル構造が転位運動を効果的に妨げ、クリープ変形速度を大幅に低減し、亀裂発生時間を遅らせ、材料のクリープ寿命を大幅に向上できることを実証しています。 AM 316L の印刷構造は、長期クリープ後にクリープ異方性やクリープ延性の低下を引き起こす可能性があるため、注意が必要です。
引用形式: GB/T 7714
Pan Y、Hu H、Wang K、他「並外れたクリープ耐性を備えた付加製造316Lステンレス鋼のクリープ挙動と破壊メカニズム[J]」。材料力学、2024：105053。
MLA
Pan, Yujie、他「並外れたクリープ耐性を備えた付加製造316Lステンレス鋼のクリープ挙動と破壊メカニズム」Mechanics of Materials（2024）：105053。
アパ
Pan, Y., Hu, H., Wang, K., Dong, N., Qiu, R., Wen, JF, Song, M., & Tu, ST (2024)。付加製造により優れたクリープ抵抗を持つ 316L ステンレス鋼のクリープ挙動と破壊メカニズム。材料力学、105053。
このプロジェクトは、中国国家自然科学基金、中国核工業集団のパイオニアプロジェクトなどから資金提供を受けた。この論文の第一著者は Pan Yujie (華東科技大学) であり、責任著者は Wen Jianfeng (華東科技大学) と Song Miao (上海交通大学) です。
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