物理学者が生命の原因を探る

2022 年 11 月 11 日

ローレンス・リバモア国立研究所著

「滞留疲労」は、離陸時のジェット エンジンのファン ディスクなど、応力がかかった状態でチタン合金に発生する可能性のある現象です。 この特有の故障モードにより、微細な亀裂が発生し、コンポーネントの寿命が大幅に短縮される可能性があります。

最も広く使用されているチタン合金である Ti-6Al-4V は、2017 年のエールフランス 066 便事件以前は滞留疲労を示すとは考えられていませんでした。この事件では、パリからロサンゼルスに向かう途中のエアバスがグリーンランド上空でファンディスクの故障に見舞われ、緊急事態が発生しました。着陸。 この事故の分析と最近のいくつかの懸念により、連邦航空局と欧州連合航空安全局は、滞留疲労の根本原因を特定するために航空宇宙産業全体での作業を調整することになりました。

専門家によると、金属は主に転位滑り、つまり下にある結晶格子内の線欠陥の動きによって変形します。 研究者らは、滑りが三次元で均一に発生するのではなく、狭い帯域に限定されている場合に滞留疲労が始まる可能性があると考えています。 ナノメートルスケールの金属間化合物 Ti3Al 析出物の存在は、特に処理条件で長距離の秩序化が可能な場合に、バンドの形成を促進します。

このバンディング現象が「マクロゾーン」と呼ばれる「ソフト」指向の粒子の連続したグループ全体で発生すると、事態は危険な状態になると研究者らは説明した。 マクロゾーンの外側でバンドが「硬い」方向の粒子と接触する箇所での変形集中により、応力集中が生じ、亀裂プロセスが開始されます。

さらに事態を複雑にしているのは、小さな断層滑り現象がより重大な地震を引き起こすのと同様に、転位滑りはバーストまたは「雪崩」として断続的に発生することです。 これらの滑り雪崩の大きさと頻度は、滞留疲労の開始に強く影響します。

ローレンス・リバモア国立研究所（LLNL）の現・元科学者を含む多国籍チームによる最近の研究では、研究者らはシンクロトロンX線を使用して、室温で荷重下に保持されたチタンにおける離散的な滑り雪崩現象を追跡した。

インペリアル・カレッジ・ロンドンのチームは、Ti-6Al-4V の初相の代替となる合金である、特別に準備された Ti-7Al の標本を提供しました。 2 点欠陥タイプの母集団は、格子間酸素含有量と規則正しい Ti3Al 析出物の量によって、試験片全体で調整されました。

Nature Communications に掲載されたこの研究は、Ti3Al が秩序を示す場所では、関連する応力の大きさにおいて滑り雪崩がより深刻であることを示しています。 対照的に、間質酸素の量を増やすと重症度が軽減され、より頻繁な小さな雪崩が促進されるようです。

「この研究は、ドウェル疲労の根底にある断続的な変形現象（プラスチックスリップの小さな「バースト」）、特にそれらの現象の頻度と規模が酸素含有量と合金化にどのように依存するかについて、新しい中規模な視点を提供します」と共著者でLLNLは述べた。物理学者ジョエル・バーニエ。 「これらのデータは、滞留疲労に対する耐性に悪影響を与える微細構造を回避するための処理をガイドするのに役立ちます。」

Bernier 氏は、コーネル高エネルギーシンクロトロン源 (CHESS) での高エネルギー X 線回折顕微鏡測定の実行を支援し、LLNL が開発した HEXRD ソフトウェア ライブラリを使用してデータ削減を実行しました。 研究チームは、滑り雪崩に起因する応力バーストの頻度と大きさを定量化し、両方のタイプの点欠陥が結晶格子の基底面で発生する滑りに顕著な影響を及ぼしていることを発見した。

研究者らは、この変形メカニズムが、初期降伏（滞留疲労の場合に損傷の蓄積や破損の前兆として知られる軟化）後に作動しやすくなることを発見しました。 重要な発見の中には、格子間酸素の濃度が高いと、より頻繁な低規模のイベントが促進され、基礎滑り雪崩の平均規模が減少したことが挙げられます。

対照的に、高温で材料を時効させることによって規則的な Ti2Al 析出物のサイズを拡大すると、すべり雪崩の頻度と大きさの両方が増加し、亀裂が発生する確率が増加しました。 研究チームによると、これらの発見は、滞留疲労に対する耐性を高めるためにチタン合金の加工を最適化するのに役立つ可能性があるという。

詳しくは： Felicity F. Worsnop et al、スリップ断続性に対する合金化の影響とチタンの滞留疲労への影響、Nature Communications (2022)。 DOI: 10.1038/s41467-022-33437-z

雑誌情報:ネイチャーコミュニケーションズ

ローレンス・リバモア国立研究所提供