成果報告書詳細
管理番号100013707
タイトル平成20年度成果報告書 研究者派遣型国際共同研究調査事業 平成20年度国際共同研究先導調査事業/コールドスプレー法を用いたエネルギー機器劣化・損傷部の省エネルギー型補修技術に関する研究調査
公開日2009/4/24
報告書年度2008 - 2008
委託先名国立大学法人東北大学
プロジェクト番号P00044
部署名研究開発推進部
和文要約本調査においては,大きく分けて次の4項目に関し,調査を実施した.1)コールドスプレーに関する動向調査,2)コールドスプレー施工プロセスの最先端技術の調査,3)施工した皮膜あるいは付着層と基材の界面における接合現象とそのナノレベル解析法の調査,4)高温環境下における強度評価技術の調査である.1)のコールドスプレーに関する動向調査に関しては,文献調査あるいは国内外の学術講演会へ参加し,最新の技術・研究内容に関し,調査を行った.当該分野では最も規模の大きい会議であるInternationalThermalSprayConference2008に関し,Proceedingsから現状と動向を調査した.コールドスプレー法に関しては,欧米や中国,韓国を中心に積極的に研究・開発が進められている.特に,フランス,ドイツのグループにおいては,粒子の前後処理,他プロセスとの組み合わせ等,最先端の施工プロセスが研究開発されている.付着メカニズムに関しては,韓国の研究グループが粒子の変形の数値解析や流体力学的なアプローチ,さらには高解像度透過型電子顕微鏡(HR-TEM)による原子レベルでの観察から系統的に評価を行っている.しかし,現時点は数個の仮説の提案に留まっており,その詳細は明らかになっていない.2)のコールドスプレー施工プロセスに関しては,欧州のコールドスプレー装置製造メーカによりガス温度の上昇による付着効率の改善が進んでいる.また,レーザ前処理装置を付帯させたコールドスプレー装置の検討が行われており,レーザにより表面の活性化,酸化皮膜の除去が有効に作用し,粒子の付着を容易にしている.3)の1項目である付着した粒子のナノレベルにおける解析に関しては,Ni基超合金基材のようなバルク材の評価は試験片作製が比較的容易であるため,問題がない.しかし,基材/皮膜界面のような極めて狭い領域を評価する場合,試験片作製が極めて難しいが,集束イオンビーム装置(FIB)等の利用により,評価できる可能性がある.アトムプローブは原子1つ1つを評価可能であることから,基材/皮膜界面の極めて狭い領域から試験片の採取ができれば,どのような形態で原子同士が付着しているかを評価することが可能である.また,基材/皮膜界面の接合現象の解析には,粒子の高速衝突現象を有限要素解析から評価することが可能である.しかし,汎用非線形有限要素解析プログラムを用いた解析では粒子の付着そのものを定義できないために,どのような現象が発生すると粒子が付着するというクライテリアを定義する必要がある.上述のナノレベルにおける付着部の観察と併せることでその評価が可能になるものと考える.4)の高温環境下における強度評価技術に関しては,従来のNi基超合金基材において実施されてきたクリープ試験,あるいは熱機械疲労(TMF)試験を実施し,コールドスプレー補修部を有する試験片と基材のみの試験片を比較し,高温環境下におけるコールドスプレー皮膜の強度特性を評価することが可能である.本調査により,エネルギー機器で使用される構造物,特に高温環境下で使用される部材に対し,コールドスプレー法による補修技術の確立を目指す研究組織設立の可能性,さらには科学的な根拠に基づく信頼性・安全性の確保を行うための研究体制設立の可能性が見いだせたと考える.
英文要約In this research, we investigated the following four items, namely 1) trend research on the cold spray, 2) research on state-of-the-art cold spray processes, 3) research on bonding phenomena at the interface between a substrate and a cold sprayed deposition, and nano-scale analysis technique for the bonding, and 4) research on technique for strength evaluation under high temperature environment. In the item 1), we investigated many literatures concerning the cold spray (CS), especially, proceedings of International Thermal Spray Conference 2008, which is the largest-scale conference in this field. And also we took part in domestic and international conference on the CS, and investigated trend research on it. The research and development on the CS are aggressively proceeded by European countries, United State, China and Korea. Especially research groups in France and Germany are studying the most advanced spraying process,for example, pre- and/or post-treatment and combined with the other process. In order to understand the deposition mechanism, research group in Korea is trying genealogically evaluation with numerical simulation of particle deformation, fluid dynamics approach and high-resolution transmission electron microscope (HRTEM) observation. However, there are only few assumptions proposing, the detail has been not understood completely. In the item 2), European CS manufacturer is preparing to improve deposition efficiency by the increasing of gas temperature. Laser pre-treatment technique is considered by Eropean research group. This pre-treatment is effective in improvement of particle deposition, because of the influence of surface activation and elimination of the covered oxide film. In the first topic of item 3), nano-scale evaluation of the deposited particle was considered. It is difficult to investigate that in a quite-narrow area i.e. substrate/coating interface, because of problem with specimen preparation. Recent advances in specimen preparation methods from quite-narrow area using the focused ion beam (FIB) technique have made it possible to apply the atom probe technique. Atom probe is available to evaluate individual atoms. Using these two techniques allow evaluating what state in atomic scale binding. In the second topic of item 3), the analysis of particle deposition at the substrate/coating interface, finite element analysis of high velocity particle impact is also available. General nonlinear finite element analysis program, however, cannot define the deposition phenomenon. It, therefore, is required that the evidence-based criteria, which represent deposition phenomenon. It is considered that combined using of nano-scale observation and computational analysis allows to completely evaluation of it. In the item 4), material strength evaluation under the high temperature environment was considered.
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