革命的3Dイメージングがニッケル基合金の隠れた亀裂を可視化

金属合金の微細亀裂は肉眼では見えませんが、水素や水にさらされると他の領域へ広がり、原子力プラント、電気化学、水素貯蔵技術、橋梁や高層ビルなどの構造物で深刻な問題を引き起こす可能性があります。

通常、合金の水素脆化（HE）は、予期せぬ破壊と延性の喪失によって示され、材料破壊の幅広いスペクトルを招きます。HEの激しさは金属強度とともに増すため、先進合金（ニッケル基合金など）はHEを受けやすくなります。HEを予測・防止するには、その物理的起源について詳細な知識を持つ必要があります。

最近、MITとLLNL（ローレンスリバモア国立研究所）の研究者たちが、水素脆化によって合金に生じた微細亀裂の三次元画像を撮影する技術を開発しました。これらの画像は、亀裂を逸らし、水素や水による損傷を防ぐことができる、異なる結晶粒界や微細構造の配向を検出するために使用できます。

新技術「3D微細構造マッピング」は、シンクロトロンベースのX線回折とトモグラフィー手法を用いて、水素/水によるニッケル合金の亀裂を分析します。

金属亀裂の伝播を精密に分析するには、問題を3次元でシミュレートする必要があります。また、亀裂の形態と微細構造との関係について十分なデータが必要です。

非破壊評価を行うため、著者たちは亀裂の入ったニッケル合金に高強度X線ビームを照射しました。透過および回折ビームをすべて撮影するためにカメラを配置。その後、微細構造の数十万通りの配向をテストし、数百万のスポットを検証しました。

参照: Nature Communications | doi:10.1038/s41467-018-05549-y | LLNL

Image credit: Dharmesh Patel / Texas A&M University

データを物理モデルと整合させることで、回折点を三次元微細構造画像に変換しました。この3D画像は、どの種類の結晶粒界が亀裂を逸らせるかを示し、結果はBLIPS（低指数面を持つ境界）が損傷に耐性があることを示唆しています。

この技術は、ニッケル合金における亀裂の更なる伝播を阻止することを目的とした金属加工技術の進歩をもたらす可能性があります。これにより材料が強化され、コンポーネントと構造物の寿命が延びます。

より具体的には、HE合金の力学的応答予測を改善できる可能性があります。有害な結晶粒界を加工で除去し、合金設計時に亀裂の成長を阻止する障壁を追加できます。

さらに、3D画像から得られるデータは、エンジニアが延命微細構造を開発するのに役立ち、修理・交換コストを削減します。寿命を延ばすには、大量のBLIPSを含むように微細構造を加工すべきです。これにより、亀裂をより良く逸らしたり鈍らせたりできます。

産業技術