+1,500℃までの高温クリープ試験
ケーススタディー
- お客様：オットー・フォン・ゲーリケ大学マグデブルク
- 所在地：ドイツ、マグデブルク
- 業界:研究機関および学術機関
- トピック：革新的な高温材料の機械的特性評価
2026年2月
次世代高温材料の開発は、エネルギー工学および宇宙航空工学の技術革新における中核をなしています。高温下での材料試験は、試験技術および計測システムに対して極めて高い性能が要求されます。+1,500℃に達する高温下においては、酸化現象、温度勾配、および環境因子が測定結果を著しく左右する要因となります。
同時に、最先端の材料コンセプトを実現するには、極小サイズの試験片や極低速での試験、さらには疲労試験やクリープ試験が不可欠となるケースが多々あります。こうした背景から、オットー・フォン・ゲーリケ大学マクデブルク校の材料・技術・力学研究所（IWTM）にある高温材料講座は、2019年から適切な材料試験機の導入を計画してきました。
オットー・フォン・ゲーリケ大学マグデブルク
オットー・フォン・ゲーリケ大学マグデブルク（OVGU） は、ドイツのザクセン＝アンハルト州にある公立大学です。1993年に複数の大学が統合され設立されました。工学から自然科学、医学、経済、人文社会科学まで、幅広い学問領域で教育と研究を展開しています。
高温材料学講座は、この組織内にある材料・技術・機械研究所（IWTM）に所属しています。専門の研究ユニットとして、当ワーキンググループは、過酷な環境で使用される材料の研究、開発、特性評価、および性能評価に注力しています。主要な研究テーマの一つは、高温環境下における機械的および熱機械的試験です。
これらの研究所では、金属材料、金属間化合物、および複合材料の特性評価に向けて、包括的な試験インフラと最新の手法を提供しています。主要な研究テーマの一つは、高融点金属などをベースとした革新的な高温材料の調査と、最高+1,500℃までの高温下における機械的特性値の測定です。
実験による検証に加え、付随する解析、モデリング、およびシミュレーションを組み合わせることで、多角的なアプローチを実現しています。
これらを基盤として、OVGUは確かな研究・試験サービスを提供するとともに、産業界と研究機関の強力な連携機会を創出しています。
試験技術に対する要求事項
オットー・フォン・ゲーリケ大学マグデブルク（OVGU）材料・技術・機械研究所（IWTM）の高温材料講座では、特にエネルギーおよび高温領域における過酷な環境で使用される材料の研究を行っています。したがって、実験的な基礎研究においては、制御された雰囲気条件下で時間・温度依存性試験を「確実」かつ「再現性」高く、さらに「規格に準拠」して実施できる試験システムが必要とされていました。
2019年10月の高温材料研究室の発足に伴い、+1,500℃に達する超高温環境下での材料評価を目的とした、最新のクリープ試験機の新規購入が検討されてきました。
最高+1,500℃までの高温下で、引張、圧縮、曲げ試験、およびクリープ試験を行える試験システムを開発することでした。広範な温度域に加え、極低速域での安定した荷重・ひずみ制御、さらには微小試験片に対する精密なひずみ測定が求められました。
さらに、国際的な研究成果や産業界の試験規格との再現性を確保するため、試験は規格に準拠して実施される必要がありました。
本システムは、高真空および不活性ガス雰囲気の両方での試験に対応しており、酸化や周囲環境による影響を極限まで抑えることが可能です。
ツビックローエルのソリューション
これらの要求を満たすため、当講座では高温真空チャンバーを一体化した電気機械式クリープ試験機 Kappa 100 SS-CFを選定しました。
本システムは、時間、温度、荷重の変化に伴う材料挙動の研究に特化した設計となっており、学術研究から品質管理まで幅広い試験用途に適しています。
Kappa 100 SS-CFは、バックラッシュのない中央リードスクリュー駆動機構を備えた、非常に剛性の高い4柱式試験フレームを採用しています。この設計により、正確な軸方向の力の印加が保証され、試験片への干渉が最小限に抑えられます。
本システムの最大定格荷重は100 kNです。しかし、高分解能測定の場合、50 kNのロードセルを真空チャンバー内に直接設置することで、摩擦や温度が力測定に与える影響を低減します。
本システムの主要な構成要素は、タングステン発熱体を備えた一体型の高温真空チャンバーです。
3ゾーン加熱炉により、最高+1,500℃までの高温試験が可能となり、試験片エリアにおける均一な温度分布を保証します。高真空および不活性ガスの両環境下での試験が可能であり、酸化や周囲環境による影響を極限まで抑えることができます。
極限環境下での高精度測定
非接触式の光学式伸び計を使用することで、試験片に触れることなく変形を記録できます。laserXtens 1-32 HP/TZ は、1.5〜25 mmの初期標点距離に対応し、極めて微小な伸びを高分解能で測定可能です。試験片に標線を付けることなく、EN ISO 9513の精度等級0.5級に準拠した高精度な測定を実現します。
試験片との機械的な接触がないため、高温下であっても材料特性に影響を与えることはありません。これは、脆性材料や極小サイズの試験片において、特に大きな利点となります。レーザー反射が制限される場合や、長期間のクリープ試験においては、代替手段として内蔵のvideoXtens HP/TZ機能を使用することが可能です。
ただし、ビデオ式測定では試験片への標線（マーキング）が必要となるため、対応可能な最高温度は+1,400℃までに制限されます。
Kappa 100 SS-CFのモジュール式計測制御エレクトロニクスは、高い制御安定性による荷重制御およびひずみ制御試験を可能にします。µm/hレンジの極低速試験においても、極めて高い信頼性で実行可能です。
規格準拠の試験
高温材料講座では、本装置を用いて最高+1,500℃での引張、圧縮、および曲げ試験を実施しています。また、 クリープ試験においては、ISO 204およびASTM E139に準拠した試験運用を行っています。荷重測定系は、DIN EN ISO 7500-1に準拠した設計となっています。これにより、国際的な研究成果や産業規格との極めて高い試験結果の再現性が保証されます。
導入効果と成果
Kappa 100 SS-CFの本格稼働により、高温材料講座における材料試験の可能性は大幅に拡大しました。本システムは、優れた耐熱性と精密な荷重・ひずみ測定を兼ね備えており、高度な技術を要する高温試験を規格に準拠して実施することを可能にします。これにより、次世代の高温材料における機械的特性評価に向けた、強力かつ将来性のあるプラットフォームが構築されました。このようにして、当講座はエネルギーおよび宇宙航空技術に向けた新材料の開発に貢献しています。
実環境を再現した再現性の高いシミュレーションを通じて、微視的組織と特性の相関を徹底的に分析し、信頼性の高い機械的特性を導き出すことができます。このクリープ試験設備の導入により、産業界および研究機関にとっての有能なパートナーとしての、オットー・フォン・ゲーリケ大学マグデブルク（OVGU）の地位はさらに強固なものとなりました。得られた試験結果は、高温環境にさらされる部品の設計や、新材料コンセプトの適合性評価など、産業用途に直接活用することが可能です。
