成果報告書詳細
管理番号20120000000987
タイトル*平成23年度中間年報 省エネルギー革新技術開発事業 高効率ガスタービン用タービン翼部材の研究開発
公開日2012/9/11
報告書年度2011 - 2011
委託先名三菱重工業株式会社 独立行政法人物質・材料研究機構
プロジェクト番号P09015
部署名省エネルギー部
和文要約三菱重工業(株)および(独)物質・材料研究機構がこれまで連携して行った開発においては、基本的材料特性が良好なニッケル単結晶合金が1700℃級ガスタービン向けタービン翼材として期待されている。そこで本研究では、これを量産技術開発研究へつなげるための先導研究として、方向凝固翼鋳造技術の開発と材料特性安定化研究を主眼に以下の研究を実施した。

1.方向凝固翼鋳造技術の開発(三菱重工業株式会社)
 本年度は冷却性能を左右する強制対流熱伝達率の詳細評価を実施するとともに、冷却適用時の凝固解析技術開発を行い、モデル形状において温度勾配を1.5倍以上にできることを確認した。また鋳造設備改造を実施し基本的冷却性能を評価できた。次年度は改造した鋳造設備を用いて種々の鋳造条件で試作評価を行い、温度勾配急峻化効果を詳細に確認すると共に、さらなる装置改良により鋳造品質の向上を図る予定である。

2.タービン翼の材料特性安定化(独立行政法人 物質・材料研究機構)
 本年度は、試作合金を用いたクリープ試験、熱疲労試験、酸化試験を実施し、固溶指数SI を抑えることで耐用温度950℃を満足できることを確認した。またクリープ破断試験後の試験片詳細観察により、開発合金の転位ネットワークが微細であり、優れた強度特性の一因であることを明らかにした。次年度は、合金成分、結晶方位、熱処理条件が変動した場合の長時間材料特性について調査し、各製造条件が変動した場合の材質安定性に及ぼす影響について評価する予定である。

3.タービン翼部材の特性評価(三菱重工業株式会社)
 本年度は、大型試作鋳造材の量産熱処理試験を行い、組織状態と熱疲労特性の詳細評価を実施した結果、量産熱処理炉による熱処理においても組織の微細均質化が達成できていることを確認し、熱疲労試験により目標寿命を満足することが確認できた。次年度は、改良鋳造法にて製作したモデル形状供試材について、量産設備による熱処理を実施し、材料特性評価により耐用温度950℃を満足できることを確認する予定である。
英文要約Title: Research and Development on Turbine Blade Materials for High Thermal Efficiency Gas Turbine (FY2010-FY2012) FY2011 Annual Report

In past collaboration research between NIMS and MHI, Ni base single crystal alloy which have fine basic material properties and is expected to be used for 1700 deg-C class gas turbine have been developed. In this project, research and development for directional solidifying technology and material property stabilizing technology is now in practice as advanced research leading to mass production technology development. In this year, following works were carried out. 1. Development on directional solidification technology (MHI): Detail evaluation for casting condition and casting equipment modification for acquiring high thermal gradient among casting process were carried out. Forced-convection heat transfer coefficient distribution was estimated in detail by CFD and taken into account in solidification analysis for gas cooling casting process. Through the solidification simulation, it was confirmed that the thermal gradient at the timing of solidification is more than 1.5 times higher in gas cooling casting process. Also basic cooling ability was estimated was estimated using modified casting equipment. In following year, casting test in various casting condition will be carried out and the effect of gas cooling for thermal gradient and quality of castings will be estimated. 2. Investigation for stabilizing turbine blade material property (NIMS): For the alloy developed by NIMS and MHI, creep rupture tests, thermo-mechanical fatigue tests, oxidation tests were carried out. Through these tests, it was confirmed that 950 deg-C durable temperature was ensured by keeping solubility index (SI) low. Also by micro structure observation of the test pieces after creep rapture test, it was made clear that dense dislocation network in developed alloy was one of the factors for great material strength. In following year, affect of alloy composition, crystal orientation, heat treatment condition to the log time material propertied will be studied for estimating the effect of variation of production condition to the stability of material property. 3. Property evaluation of turbine blade (MHI): Heat treatment tests in mass production furnace with the large size castings were carried out and it was cleared that fine and homogeneous micro structure was acquired also in mass production process. In following year, material property of castings through the mass production heat treatment will be carried out and it will be checked whether the material property is sufficient for use in 950 deg-C.
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