成果報告書詳細
管理番号20130000000330
タイトル平成22年度-平成24年度成果報告書 省エネルギー革新技術開発事業 先導研究 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2013/6/15
報告書年度2010 - 2012
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
和文要約件名:平成22年度-平成24年度成果報告書 省エネルギー革新技術開発事業 先導研究 「高効率ガスタービン用タービン翼部材の研究開発」

過去に実施された(独)物質・材料研究機構と三菱重工業(株)との共同研究において,次世代ガスタービン翼材として基本的特性に優れたニッケル基合金が開発された。本研究では量産技術開発へ向け,タービン翼材の材料組織を適正に制御できる方向凝固技術の開発を進めるとともに,タービン翼材の量産時においても安定して品質を確保するための材料特性安定化研究を実施した。
1. 方向凝固翼鋳造技術の開発
無欠陥鋳造達成のため,凝固時温度勾配向上技術の要素検討と装置開発を実施した。開発した凝固解析技術と要素試験結果により,鋳造欠陥抑制条件を見出した。また単結晶合金の材料特性は結晶方位の影響を受けることから,結晶成長シミュレーション技術を活用するため結晶成長に関わる材料因子を実験的に評価し,解析技術の妥当性を確認した。本技術を用いて試作した材料は結晶方位の倒れ角15°以内を達成できた。
2. タービン翼の材料特性安定化
開発合金は優れた基本的特性を有していたが広範囲の条件での材料特性評価が必要であった。合金成分変動の影響を把握するため,物材機構の合金設計プログラムを活用して成分設計した試作合金の評価を行った。これら合金は優れたクリープ強度,疲労強度,耐酸化性を有しており,耐用温度950℃を満足することができた。
3. タービン翼部材の特性評価
開発合金の実用化にあたっては,実翼相当の大型材でも優れた特性を有する必要がある。大型材で量産大型熱処理炉を用いて熱処理した材料についてクリープ,疲労特性を評価し,開発目標を満足することが確認できた。
英文要約Title: Research and Development on Turbine Blade Materials for High Thermal Efficiency Gas Turbine (FY2010-FY2012) Final 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 the next generation gas turbine have been developed. In this project, research and development for directional solidifying technology and material property stabilizing technology were carried out as advanced research leading to mass production technology development. In this research, following works were carried out.
1. Development on directional solidification technology
Casting condition and basic specification for high thermal gradient casting equipment to achieve no-defect casting were investigated. Using several developed casting analysis techniques and castability test results, right condition for defect suppression have been made clear. Meanwhile material properties of single crystal alloy are severely affected by crystal orientation. To utilize crystal growth analysis for casting condition development, material parameters for crystal growth were estimated. With using these parameters, trial analysis and experiment were carried out, and it was confirmed that analysis result have good agreement with experiments. The deviation of crystal grain orientation of the trial casting specimens was within 15 degree.
2. Investigation for stabilizing turbine blade material property
Although the alloy developed by NIMS and MHI have fine material property, sufficient amount of tests in wide range conditions. Effect of major elements composition variation on material properties was evaluated. Trial alloys, which have slightly composition change from mother alloy and expected not to have so much property change from mother composition, were designed with alloy designing program developed by NIMS and manufactured experimentally. It was confirmed that these alloys have uniform solidification microstructure and fine gamma prime precipitates. These alloys also have excellent creep strength, fatigue strength and anti oxidation properties. The durable temperature of the developed alloys was evaluated more than 950 deg-C.
3. Property evaluation of turbine blade
For practical application of candidate alloy, fine material property even in large size turbine blade castings. Creep property and fatigue property of large scale castings with heat treatment in mass-production furnace was evaluated. As a result it was made clear that the strength properties of the developed alloy satisfied the target.
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