成果報告書詳細
管理番号20140000000378
タイトル平成23年度-平成25年度成果報告書 省エネルギー革新技術開発事業 挑戦研究フェーズ 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2014/7/1
報告書年度2011 - 2013
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 従来のCMC(セラミック・マトリクス・コンポジット)であるSiC/SiC複合材の耐用温度は耐環境性(耐酸化性)の限界より、1300-1400℃であった。そこで、耐環境性に優れた酸化物系CMCの開発を目指した。その結果、各種酸化物の中で最も高温強度が期待できるジルコニア系材料にて、繊維編み上げが可能なハンドリング性を有する連続繊維を世界で初めて開発した。また,1800℃の超高温においてもこの開発繊維と反応せず,優れた高温強度を有するマトリックス材を選定し,相対密度が高いCMC製造条件を開発した。最終目標である1800℃のクリープ特性確認には試験技術の改良が併せて必要であることがわかった。
 耐用温度1250℃を目標として、最近開発された世界最高の耐用温度の鋳造単結晶合金の化学組成をベースとして、酸化物微粒子を分散させたODS(酸化物分散強化)合金素材を、粉末冶金的プロセスで試作した。さらに、一方向帯域加熱処理を施して、再結晶粒が伸長した組織を形成する技術を確立した。最終目標である1250℃対応のODS超合金の開発には、機械的合金化プロセスの際の合金成分変化の抑制、あるいはこれに対応して配合成分の調整が必要であることなどの開発指針が明らかになった。
 Ir, Co, Pt, Niなどを混合した面心立方固溶体をベース(γ母相)にAl, Nb, Taなどを添加してγ’相を生成させ、クリープ耐用温度に優れた一連の高融点超合金を開発した。Ni-20Al、Ir-20Nbおよび混合合金を試作し、クリープ試験を実施した。その結果、Ni-20Al、混合合金、Ir-20Nbの順にクリープ強度が高くなり、組成調整によって、Ni基とIr基との間に一連の高融点合金を作製可能であることを確認し、中間目標を達成した(平成24年度終了)。
 ODS超合金用に、熱力学的平衡コーティング(EQコーティング)を開発した。EPMAにより開発コーティング材と基材の界面の濃度分布測定を行い、1250℃、100時間加熱後も相互拡散が抑制され、接合界面の元素濃度変化が当初組成の10%以下であることを確認した。設計した組成で粉末を作製し、ODS超合金丸棒試験片にコーティングした。大気中1250℃1000時間加熱後のLPPSコーティング表面の酸化消耗量は当初コーティング層厚さの30%以下であること、また大気中1250℃において100サイクルの繰返し加熱後もコーティング層は良好に維持されていることを確認するなど、最終目標を実質的に達成した。
 本プロジェクト開発材料を用いた部材成形技術開発を行った。超高温高圧プレス技術とコンピュータシミュレーションを組み合わせ、超高温・高圧焼成等によるニアネット成形技術を開発した。また、この特性評価のため、タービン翼、セグメントなどの摸擬タービン部材の試作および評価を行った。部材成形プロセス開発では見掛け密度99%以上の焼結技術を開発。またホットプレス+熱間静水圧プレスの複合プロセスにより目標を満足する寸法精度を得ることに成功した。このプロセスを用いて、CMCでタービン翼1段目、ODSで3段目の1/2サイズの模擬ブレードの試作を行い、相対密度99%以上であることを確認するなど最終目標をほぼ達成した。
 数値シミュレーション法の基本ソフトを開発し、1800℃ガスタービンに無冷却タービン翼として使用した場合の各段のタービン翼の温度、応力などを計算した。開発目標の材料を適材適所に用いた場合に1800℃ガスタービンが十分設計可能であることが確認され中間目標を達成した(平成24年度終了)。
英文要約Title: Development of High Temperature Materials to realize Ultra-efficient Uncooled Gas Turbines (FY2011-FY2013) Final Report

In order to develop a new ceramic matrix composites (CMC) whose temperature capability is much higher than that of conventional SiC/SiC type CMC, whose temperature capability is about 1300-1400℃, were investigated. It was found that ZrO2 base ceramic fiber with enough length for weaving can be produced, which is the first time in the world. We also found a right matrix ceramics which is thermodynamically in equilibrium with the fiber at 1800℃. A process condition to fabricate a dense composite of the fiber and the matrix described above was also established.
For a new oxide dispersion strengthened (ODS) superalloy, we selected the 6th generation single crystal superalloy as the base alloy and strengthened with fine oxide particles. After mechanical alloying (MA), the alloyed powder was canned and extruded, followed by a directional recrystallization treatment. A process condition to create grains with high aspect ratios, which is essential to perform high strength, has been established. It has been suggested that the exact control of matrix alloy composition during MA will be crucial for an expected property at the target temperature, 1250℃.
A series of refractory superalloys with containing Ir, Co, Pt, and Ni as the main elements and also containing Al, Nb Hf, Zr, Mo and Ta as alloying additions were designed to be superalloys composed of γ and γ’ phases. The partitioning behavior of the additions was clarified. Also Ni-20Al and Ir-20Nb alloys were mixed to each other to evaluate the creep property against the mixing fractions. It was found that the creep property increases continuously from Ni-Al to Ir-Nb, demonstrating that we can design refractory superalloys with a wide range of cost performance on demand.
An EQ(Equilibrium) coating for up to 1250℃ use has been designed. It was found that even after heating at 1250℃ for 100h the interdiffusion was well suppressed between the EQ coating material and the substrate superalloys and the concentration change at the interface was within 10%. An LPPS processed EQ coating has an extremely good oxidation resistance; the metal loss by oxidation was within 30%, the target value. Also after 100 cycles of heating at 1250℃, the coating was maintained sound.
Component fabrication process has been investigated using hot isostatic pressing (HIP) and hot pressing (HP), combined with computer simulation techniques. Model turbine blades and segments were fabricated. Also, densities of 99% or higher were achieved with these components. This technique was applied to the 1st blade with CMC and the 3rd blade (1/2 model) of ODS blade were made with densities higher than 99%.
A numerical simulation program, named as virtual gas turbine was developed and used in this project to evaluate the materials for 1800℃ uncooled use. It was found that if the materials being developed in this project will be successfully developed and used as the critical components, 1800℃ uncooled gas turbine design will become possible.
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