成果報告書詳細
管理番号20130000000125
タイトル*平成24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2013/5/2
報告書年度2012 - 2012
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
和文要約研究内容と成果
 本研究では1800度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度であり、融点に達しなくても1100度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度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度)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度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。
英文要約“Development of High Temperature Materials to realize Ultra-efficient Uncooled Gas Turbines ” (FY2011-FY2013) FY2012 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, and (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 2012, we conducted researches throughout (1)-(6) and obtained the results as follows.
(1) CMCs composed of oxide fibers and matrix with excellent phase stabilities at high temperatures were searched for. We have successfully fabricated such ceramic matrix composite samples by a sintering process and found that the fiber and matrix materials keep a thermodynamic equilibrium. The composite was also found very well consolidated with the sintering process.
(2) To create ODS superalloys with excellent creep strength and oxidation resistance, we found right matrix superalloy compositions that would exhibit best creep and oxidation properties. Alloys with a hopeful candidate compositions were mechanical alloying processed. We have successfully prepared an ODS superalloy sample with 100% recrystalized microstructure.
(3) Refractory superalloys with containing mixed Ir and Ni and yet having the gamma and gamma’ coherent structures have been developed. We selected Ir-Nb-Ni-Al alloy system as a hopeful candidate. The gamma and gamma’ phases in the alloys were found continuous from Ni-base to Ir-base as expected. The creep test has been started as scheduled.
(4) Equilibrium coatings are selected for candidate materials, one for ODS superalloys, another for refractory superalloys. In both cases, it was found that the EQ coating materials can be in thermodynamic equilibrium with the substrate materials that the coating/substrate interfaces can stay stable at high temperatures for a long time period.
(5) Using hot pressing (HP) and hot isostatic pressing (HIP) we successfully processed a 1/2 size shroud component with using Ni powder first and then Ir-Ni mixed powder to demonstrate a processability of the refractory superalloys. With Ir-Ni powder we have fabricated a smooth surfaced shroud although an additional hot press is needed to complete the final precise shape.
(6) A fundamental version of a computer code for a virtual gas turbine to evaluate the potentials of the materials in terms of improvement in gas turbine efficiency has been developed. Using this program it was predicted that the CMC we are developing will have enough creep temperature capability that can enable 1800 deg.C gas turbine.
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