水素の影響を受けない新しい高強度アルミニウムの創製～材料を強化するナノ粒子の「切り替え」～

2022-11-21

2022-11-18 九州大学,岩手大学,京都大学,高輝度光科学研究センター,科学技術振興機構

ポイント

金属に水素が入り込むと、その強度や延性が低下する水素脆化ぜいかや、長期間使用したときに水素がアルミニウムを突然破壊する応力腐食割れと呼ばれる現象が生じる。本研究グループは、高強度アルミニウムに一般的に用いられるナノ粒子（η）が水素で損傷を受けることを最近報告している。
この防止のため、アルミニウムの強度をかなり落とした状態で使う、特定の元素を添加して粒子を形成するなどの方法が実用的に用いられる。いずれも水素脆化の防止効果はある程度得られるものの、アルミニウムの強度や靱性（粘さ）を犠牲にせざるを得なかった。
今回、ηとは異なるナノ粒子であるＴナノ粒子が水素を大量に吸蔵することを発見した。ηナノ粒子の一部をＴナノ粒子に置き換えるだけで、アルミニウムの強度などを犠牲にすることなく、水素によって脆化しない高強度アルミニウムを創成することができることを見いだした。

高強度アルミニウム合金には、水素脆化や応力腐食割れなどの現象が生じて材料に環境の悪影響があり、また長期間使用する時の信頼性も問題になります。アルミニウムをさらに高強度化しようとすると、これらの現象が著しく生じ、高強度化が阻まれていました。

九州大学大学院工学研究院の戸田裕之主幹教授、ワンヤフェイ特任助教、岩手大学の清水一行助教らは、原子レベルのシミュレーションを行い、これまで実用されていなかったナノ粒子（Ｔ相と呼ばれる）がその内部に水素を強力かつ大量に吸蔵できることを発見しました。また、現在アルミニウムの強化のために用いられているナノ粒子（η：イータと呼ばれる）の一部をＴナノ粒子に置き換えることで、水素脆化などが有効に防止できました。これにより、アルミニウムの強度や靱性などを犠牲にすることなしに、水素によって脆化しない高強度アルミニウムを創成することができました。

さらに研究グループは、高輝度光科学研究センターや京都大学の研究グループと共同で大型放射光施設ＳＰｒｉｎｇ－８の高分解能Ｘ線ＣＴを用いた実験を行い、高強度アルミニウム合金の破壊過程を４Ｄ観察することでシミュレーションの結果を検証しました。得られた画像に高度な画像解析を施すことで、アルミニウム中の水素の分布を精密に求めました。従来の高強度アルミニウムでは、水素がηナノ粒子の表面に集中して材料の損傷をもたらしていました。しかし、ηナノ粒子の一部をＴナノ粒子に置き換えた場合、Ｔナノ粒子の内部に水素が大量に蓄えられ、これと引き替えにηナノ粒子に引き付けられる水素が劇的に減少しました。これにより、水素脆化の発生を効果的に防止することができました。また、仮に水素脆化により亀裂が発生したとしても、破壊の進行を強力に抑えることができました。これらは、水素によって脆化しない高強度アルミニウムを実現するための鍵を握る、重要な物理メカニズムです。

Ｔナノ粒子の生成には新たな元素の添加は必要とせず、特殊な装置を用いることもありません。以前から用いられている安価な合金元素であるマグネシウムの濃度を現在より少し増やすか、熱処理の温度を少し引き上げるなどだけでηナノ粒子の一部をＴナノ粒子に「切り替える」ことができます。したがって、Ｔナノ粒子の利用は、工業的にも実用可能な技術になると期待されます。

この研究成果は、２０２２年１１月１８日（金）（日本時間）に国際誌「ＮａｔｕｒｅＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ」に掲載される予定です。

本研究は、ＪＳＴ（科学技術振興機構）ＣＲＥＳＴ、ＪＰＭＪＣＲ１９９５の支援を受けたものです。また、本研究の一部は、ＪＳＰＳ科研費ＪＰ２１Ｈ０４６２４の助成を受けています。

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