報告書番号

Q08008

タイトル（和文）

クリープボイド発生観察によるボイド発生モデルの開発

タイトル（英文）

Development of void nucleation model by observation of creep void nucleation behavior

概要 （図表や脚注は「報告書全文」に掲載しております）

火力高温機器の代表的な損傷形態としてクリープボイドの発生・成長・合体が挙げられる。実機の場合は低応力条件の為、ボイドが発生し成長するまでの時間が長い。従ってボイドの発生・成長挙動を定量的に予測出来る手法が望まれる。これまでに当所ではボイド成長モデルを提案し、損傷予測手法の開発を進めてきた。しかし、開発してきた予測手法ではボイド発生の合理的なモデル化が課題となっていた。また、既存のモデルでは実用材におけるボイド発生挙動を適切に予測する事は出来ない。
そこで本研究では、タービンローター材を用いてクリープボイドの発生機構を実験観察により推察すると共に、実用材中のボイド発生時期を定量的に予測出来るモデルを開発した。
タービンローター材Cr-Mo-V鍛鋼を対象に、応力154.5MPa、温度580℃でのクリープ試験を実施し（想定寿命1万時間）、FE-SEM（電界放射型走査電子顕微鏡）によりクリープ中断材の微視組織観察を行なった所、ボイドは想定寿命に対する5%中断材では観察されず、10%中断材において約0.5μmのサイズで観察され、15%中断材では約1.2μm、20%中断材では約2.6μmのものが観察された。また、EDS（エネルギー分散型X線分光）元素マッピングにより本材料では粒界上の析出炭化物横に原子空孔が集積する事によりボイドが発生する事が示唆された。
実験観察結果を踏まえ、粒界上の析出物/母相界面への空孔集積によりボイドが発生するモデルを提案した。また、ひずみの蓄積により粒界空孔濃度が上昇する事を分子力学計算により初めて明らかにし、ボイド発生に対する応力依存性を考慮できる理論式をモデルに組み入れた。
多結晶体中の様々な粒界の性状のばらつきを統計的に考慮し、実用材中のボイド発生挙動を定量的にシミュレートできるボイド発生モデルを開発した。モデルを用い、0.1μmのサイズでボイドが発生するという仮定を置いて実験観察結果の検証を行った所、良好にボイド個数密度の推移を再現出来る事が明らかとなった。また、他の応力条件についても再現性を確認出来た。
今後の展開は、本発生モデルをボイド成長モデルに統合する事によりボイド発生・成長を統一的に予測出来る手法を構築し、実機への適用性を明らかにする事である。

概要 （英文）

In order to establish a reliable remaining life assessment method for high temperature components in thermal power plants, it is necessary to reveal the internal damage mechanism of heat resisting alloy and establish the prediction method of damage phenomena. In the case of commercial heat resisting alloy for thermal plants, nucleation, growth and coalescence of creep void is dominant damage mechanism. Various creep void growth models have been proposed. However, number of proposed creep void nucleation model is limited and their validations have not been clearly shown. In this study, void nucleation behavior of a turbine rotor material under creep condition was investigated by scanning electron microscope and applicability of existing nucleation models was examined. Creep voids were found to nucleate at the grain boundary as a size of ~0.5 micron during 5% ~ 10% of the life and grown to ~1.2 micron in 15%, ~2.6 micron in 20% of the life. It was found that representative existing nucleation models cannot predict nucleation behavior of void. Therefore, new nucleation model was developed based on the idea that creep voids nucleate by vacancy condensation at the interface between precipitate carbide and matrix on the grain boundary. In addition, creep property was connected via the relationship between strain and vacancy density indicated by molecular mechanics simulation. Using the developed model, experimental nucleation time was successfully predicted. Moreover, model was expanded to predict the number density of the voids, by a statistical treatment of the different physical property in the every grain boundaries. It was confirmed that present void nucleation can predict the evolution of void density until 20% of the life.

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