- Address
- 305-0047 茨城県つくば市千現1-2-1 [アクセス]
外部併任先
- 横浜国立大学 大学院 工学研究院 客員准教授
研究内容
- Keywords
耐熱材料 クリープ強度 耐酸化 析出シミュレーション
(1) 『析出強化型15Crフェライト耐熱鋼』の開発
焼戻しマルテンサイト組織を用いた既存の高クロムフェライト耐熱鋼に代わる新しい耐熱材料として、転位を低減させたフェライト母相を金属間化合物で析出強化した『析出強化型15Crフェライト耐熱鋼』を提案しました。そして、熱処理や合金組成の最適化により、この開発鋼の650~750 ℃におけるクリープ破断強度を既存鋼の約2倍、クリープ破断寿命を10~100倍に向上させました(Fig. 1)。クリープ延性、衝撃靱性、耐水蒸気酸化特性の向上にも成功しています。既存の熱間押出プロセスによりボイラー用継目無管を試作することで優れた製造性も実証しました。鍛造可能なフェライト系耐熱鋼の中では、『析出強化型15Crフェライト耐熱鋼』は最も優れたクリープ強度と高温特性を有します。よって、この開発鋼は、次世代の高効率発電・化学プラント、超臨界圧地熱発電、核融合炉、酸化物燃料電池等の高温構造部材の候補材になると考えます。
(2) 『組織自由エネルギー法』による析出遷移過程予測
様々な合金の析出遷移過程を、エネルギー論に基づいて予測する新しい方法を提案しています。この方法は析出物の界面エネルギーや弾性歪エネルギー等を考慮した系全体の自由エネルギーを計算し、様々な組織形態のエネルギー的階層からエネルギー最急降下パスを評価して析出遷移過程を予測します。そして、この方法により、実用耐熱鋼の10万時間後までの析出遷移過程を予測できました(Fig. 2)。多元系の実用ニッケル基合金や耐熱チタン合金の析出現象にも応用できます。『組織自由エネルギー法』は、計算速度が速くカスタマイズ可能な自作プログラムであることを活かして、析出強化型新合金探索のための逆問題解析ツールとしてさらに研究中です。
Fig. 1 既存鋼と『析出強化型15Crフェライト耐熱鋼』のクリープ強度。左下は開発鋼で試作したボイラー用継目無管。
Fig. 2 実用耐熱鋼の実験(点)と『組織自由エネルギー法』(曲線)による等温析出曲線図。
出版物2004年以降のNIMS所属における研究成果や出版物を表示しています。
論文
- Yoshiaki Toda, Yuki Nakamura, Naomichi Harada, Akihiro Kaseya, Nina Kobata, Yoko Yamabe-Mitarai, Osamu Umezawa. Effect of the Laves phase and carbide on the creep strength of Fe–C–15Cr–W alloys. Materials Science and Engineering: A. 797 (2020) 140104 10.1016/j.msea.2020.140104
- Haruki Masuyama, Kei Shimagami, Yoshiaki Toda, Tetsuya Matsunaga, Tsutomu Ito, Masayuki Shimojo, Yoko Yamabe-Mitarai. Microstructure Evolution and Creep Behavior of Near-α Ti Alloy Produced by Thermomechanical Processing. MATERIALS TRANSACTIONS. 60 [11] (2019) 2336-2345 10.2320/matertrans.mt-maw2019010
- 戸田佳明, 小野嘉則. 金属の低温での粘り強さ. 金属. [1] (2019) 77-84
会議録
- TODA, Yoshiaki, MITARAI, Yoko, KASEYA Akihiko, UMEZAWA Osamu. Improvement in Creep and Steam Oxidation Resistance of Precipitation Strengthened Ferritic Steels. Proceedings of the Joint EPRI-123HiMAT Conference on Advances in High Temperature Materials. 2019, 96-103
- MITARAI, Yoko, SHIMAGAMI, Kei, MASUYAMA, Haruki, MATSUNAGA, Tetsuya, TODA, Yoshiaki, Tsutomu Ito. Creep behavior of near-α Ti-Al-Nb-Zr alloys. Joint EPRI-123HiMAT International Conference on Advances in High-Temperature Materials (2019). 2019, 803-811
- 戸田 佳明, 御手洗 容子, 村上 秀之. 組織自由エネルギー法によるニッケル合金の析出遷移過程予測. 日本学術振興会耐熱金属材料第123委員会研究報告. 2019, 208-218
口頭発表
- 増山 晴己, 戸田 佳明, 松永 哲也, 伊藤 勉, 下条 雅幸, 御手洗 容子. 耐熱Near-α Ti合金の強度・クリープ特性に対する相分配の影響. 日本鉄鋼協会 第180回秋季講演大会. 2020
- 増山 晴己, 戸田 佳明, 松永 哲也, 伊藤 勉, 下条 雅幸, 御手洗 容子. δパラメータを用いた耐熱Near-α Ti合金の固溶強化解析. 日本金属学会 2020年秋期(第167回)講演大会. 2020
- 増山 晴己, 戸田 佳明, 松永 哲也, 伊藤勉, 下条雅幸, 御手洗 容子. 耐熱Near-α Ti合金における固溶強化に対する添加元素の影響. 日本金属学会2020年春期(第166回)講演大会. 2020
その他の文献
- 戸田 佳明, 谷 月峰, 黒田 聖治. 発電プラントの効率向上・長寿命化へ向けた耐熱・耐環境材料の開発動向. オーム社技術総合誌OHM2014年02月号. 101 [2] (2014) 54-57
特許
- 特許第5713250号 耐熱性精密部品 (2015)
- 特許第4900639号 焼戻しマルテンサイト組織を有するフェライト耐熱鋼とその製造方法 (2012)
- 特許第3843314号 高Crフェライト系耐熱鋼 (2006)
所属学会
日本金属学会 日本鉄鋼協会