成果報告書詳細
管理番号20120000001052
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 挑戦研究 超高温無冷却ガスタービン実現のための超耐熱材料開発
公開日2012/12/19
報告書年度2011-2011
委託先名独立行政法人物質・材料研究機構 金属技研株式会社
プロジェクト番号P09015
部署名省エネルギー部
和文要約和文要約等以下本編抜粋:2.研究内容と成果
本研究では1800℃無冷却ガスタービンを実現するために必要な超耐熱材料を開発する。しかし現行のNi基超合金は融点が高々1350℃であり、融点に達しなくても1100℃以上では軟化して十分な強度を発揮できないため空冷を必要とし、1800℃無冷却ガスタービンには不適である。よって、最も温度の高くなる第一段静翼(1800℃)はもちろん、断熱膨張にて順次ガス温度が低下し、したがって材料温度も低下する下流側の材料についても、1100℃を超える部材については、それぞれの温度域で十分な強度を持ち、併せて燃焼ガスによる酸化に耐え、脆性破壊しないだけの延性を有する材料の開発が必須である。無冷却ガスタービンの候補材としてこれまでに検討されてきた材料として、SiC/SiC系CMC、モリブデンとその珪化物、ニオブとその珪化物がある。しかしこれらの材料は、延性あるいは耐酸化性に本質的な問題を有しているため実用化は非常に困難である。
本研究においては、これまで研究されてきた材料に比べて、高温強度のみならず耐酸化性、延性という実用化に重要な3つの特性を兼備すると期待され、将来の実用化の可能性が遥かに高いと考えられる(1)酸化物系CMC、(2)酸化物分散強化(ODS)超合金、(3)高融点超合金、ならびに(4)熱力学平衡(EQ:Equilibrium)コーティングを候補材として選んだ。また(5)部材成形プロセス開発、(6)バーチャルタービンによる評価、により部材への形成性と、部材として用いた場合の省エネ効果を評価することとした。以下、各サブテーマについて研究内容と平成23年度の成果について述べる。
英文要約“Development of High Temperature Materials to realize Ultra-efficient Uncooled Gas Turbines ” (FY2011-FY2012) FY2011 Annual Report
National Institute for Materials Science, and Metals Technology Co.Ltd.
In this research, we develop high temperature materials necessary to realize an 1800 deg.C ultra-high temperature uncooled gas turbine. In this purpose, (1)ceramic matrix composite (CMC), (2)oxide dispersion strengthened (ODS) superalloys, (3)refractory superalloys, (4)equilibrium coatings are selected for candidate materials. Also, (5)process technologies for the developed materials and (6)virtual gas turbines to evaluated the potentials of the materials in terms of improvement in gas turbine efficiency will be developed.
In the financial year 2011, we started researches on (1)-(3), and (5) and obtained the results as follows.
(1) CMCs composed of Oxide fibers and matrix with excellent phase stabilities at high temperatures were searched for and some hopeful ceramics were found. We are making such ceramic samples by a sintering process and starting property evaluations. A new equipment to produce ceramic fibers of the materials was newly designed.
(2) To create ODS superalloys with excellent creep strength and oxidation resistance, this year, we searched for matrix superalloy compositions that would exhibit best creep and oxidation properties. Some hopeful candidate compositions were found. A mechanical alloying device has been prepared and being utilized for fabricating samples.
(3) Refractory superalloys with containing mixed Ir, Co, Pt, Ni as the base instead of Ni and yet having the same gamma and gamma’ coherent structures are being developed. In the last fiscal year, we investigated phase equilibrium in some such alloys to obtain fundamental parameters necessary for a systematic alloy design. As an example, phase equilibrium in Ir-Ni-Nb alloys has been analyzed to determine the partitioning coefficients of alloying additions in the sample.
(5) For hot isostatic pressing (HIP) to process the materials described above, finding right capsule materials is a key. We investigated a range of metals and found that Ta is best suitable for this purpose. Also, the specification of computer software for simulating the dimension of sintered material was made clear. We have also started generating materials property data needed for this simulation.
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