成果報告書詳細
管理番号20110000001744
タイトル*平成22年度中間年報 水素製造・輸送・貯蔵システム等技術開発 水素ステーション機器要素技術に関する研究開発 水素用アルミニウム材料の評価・開発(4)
公開日2012/2/17
報告書年度2010 - 2010
委託先名国立大学法人茨城大学
プロジェクト番号P08003
部署名新エネルギー部
和文要約和文要約等以下本編抜粋:1.研究開発の内容及び成果等
(a)内圧型高圧水素環境下引張・疲労試験装置の製作;設計概念図の製作を終了した。
(b)水蒸気分圧制御雰囲気中での引張・疲労試験および(c)重水素・昇温脱離分析による侵入水素量の調査;水蒸気分圧制御雰囲気および重水蒸気雰囲気中で引張および疲労試験を行い、乾燥窒素中や普通の大気中での引張特性、疲労亀裂伝播特性と比較・検討した。さらに引張荷重負荷部分から試験片を切り出し、昇温脱離分析(TDS)を行った。
(1)重水蒸気雰囲気中での疲労き裂進展に伴う重水素侵入の解析では、6061-T6と7075-T6の厚板から1/2インチCT試験片をT-L方向に切り出し、疲労き裂進展試験を行った。また、き裂前方部から採取した試片についてTDSを行った結果、いずれの合金もき裂先端部では重水素量が増加し、水素が試験中に雰囲気から侵入したことが示唆された。
(2)重水蒸気雰囲気中での引張変形に伴う水素侵入の解析では、7075合金の1mm厚のT6調質の板材から、平行部の幅が5mm、長さが12mmの引張試験片を、引張軸がLT方向となるように切り出した。また、10%硝酸水溶液中で2minの晶出第二相を部分的に溶出させる処理を行った試料と99.99%の純Alの1mm厚板材を用意し、TDSに供した。純Alでは溶出処理の影響がほとんど見られず、重水素が第二相と関係のない母相から侵入したことを確認した。一方、7075では溶出処理により重水素放出量が著しく減少し、7075の水素侵入が第二相をサイトとして生じることが示唆された。
(d)トリチウムオートラジオグラフィ(TARG)による侵入サイトの調査;7075の主たる第二相であるAl7Cu2Fe相のみを含み、その粒子サイズがより粗大な合金(Al-11%Cu-5%Fe)および7075について、TARGを用いて第二相における水素侵入挙動を調査した。トリチウムの侵入を示す銀粒子はいずれもAl7Cu2Fe相と母相との界面部に観察された。7075ではAl7Cu2Fe相の寸法がやや小さく、この相が侵入サイトであることは分かっていたが、本研究の結果から、侵入サイトはこの相の母相との界面部であることが明らかになった。次年度は、7075に存在する他の第二相であるMgZn2相や、6061に生じる第二相が水素侵入に係るか調査する予定である。
(e)調査結果のまとめ;以上の結果より、水素は引張変形や疲労き裂進展中に水蒸気雰囲気あるいは水素ガス環境から第二相をサイトとして侵入すると考えられる。しかし、湿潤雰囲気中で水素侵入量の多い6061合金は脆化せず、侵入量の少ない7075合金は脆化を生じる。この原因は、6061合金では粒内・粒界を問わず広く水素が拡散分布するのに対して、7075合金では粒界に優先的に分布するためではないかと推測される。この点を明らかにするために、応力負荷状態での水素分布の可視化を試みる予定である。
(f)関連NEDO事業との連携調整;水素ステーションの技術基準に関する検討「複合容器分科会」委員として伊藤が参画し、アルミニウム材料に関する知見を提供し、ステーションにおける複合容器の技術基準策定に貢献した。他方、その基準策定の過程から逆にアルミニウム材料の課題を抽出した。また、水素用材料評価関係者会議に伊藤が出席し、国際標準化や材料評価法に関する情報収集を行うとともに、アルミニウム材料の研究開発の状況を述べ、国際標準化や材料評価法の進展に貢献した。
英文要約Title:Development of Technologies for Hydrogen Production, Delivery, and Storage Systems. Research and Development of Elemental Technologies for Hydrogen Station Components. Assessment and Development of Aluminum Materials for Hydrogen (4) (FY2010-FY2012) FY2010 Annual Report

In 2010FY, we conducted the following investigations: (a) preparation of an apparatus to carry out tensile and fatigue tests where the inside of the hollow cylindrical specimens are filled with high-pressure hydrogen gas, (b) tensile and fatigue tests under air with controlled water-vapor pressure, (c) assessment of the amount of hydrogen invading the specimen by means of thermal desorption spectroscopy (TDS) using deuterium, (d) investigation on the invasion site of hydrogen by means of tritium autoradiography (TARG), (e) summary of the results, and (f) liaising closely with the other hydrogen-related project groups consigned by NEDO. Summary of the results obtained on each category are described as follows;
(a) Design concept has been established.
(b) and (c) Fatigue crack propagation tests were carried out using half-inch CT test pieces in T-L direction for 6061-T6 and 7075-T6 plates. TDS investigation on deuterium invasion accompanied by fatigue crack propagation under the air with water vapor. The amount of total desorbed deuterium was compared between the samples cut from the crack front in the course of the test under air with water vapor and those cut from untested test pieces. The results showed that the deuterium amount in the crack front was markedly larger than in the untested test piece, which means the invasion of hydrogen from the environment during testing.
Tensile tests were performed on test pieces with gage portion of 5mm width and 12 mm length cut from a 1 mm thick sheet of 7075-T6 in T direction. TDS investigation on deuterium invasion accompanied by tensile deformation under the air with water vapor. Some test pieces were etched in 10% nitric acid aqua solution for 2 min to lightly remove second-phase particles. Aluminum with 99.99% purity was also subjected to same tests. Etching treatment markedly reduces the amount of deuterium detected in TDS in 7075, while no such reduction was observed in pure aluminum. This suggests that the invasion sites of hydrogen is the second particle in 7075 alloy, while the matrix in pure aluminum.
(d) The TARG was applied to an Al-11%Cu-5%Fe alloy containing a sole kind of second phase, Al7Cu2Fe, which forms primary constituent particles in 7075 aluminum alloy. It was revealed that the interface between the particles of this phase and the matrix was the invasion site for hydrogen and that this phenomenon was not affected by the difference of the environment: water or hydrogen gas. Further study is underway to elucidate the behavior of the other second phases such as MgZn2 and Mg2Si.
(e) By summarizing the above-mentioned results, it was concluded that hydrogen invades the aluminum alloys at second-phase particles from water-vapor and hydrogen gas during tensile deformation and fatigue crack propagation. Further studies are underway to elucidate the relationship between the hydrogen invasion and the embrittlement, by observing the distribution in the test piece with actual loading of applied stress.
(f) One of the members of the present project, G. Itoh, joined the committees that aim establishing the technological standard for hydrogen station and discussing the methodology of the assessment of materials for hydrogen-related application.
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