遮熱コーティングの結晶構造変化に着目した温度推定方法の開発

• Project/Area Number: 22K04777
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 26050:Material processing and microstructure control-related
• Research Institution: Tokyo Metropolitan University
• Principal Investigator: 高橋 智 東京都立大学, システムデザイン研究科, 准教授 (80260785)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2024: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000); Fiscal Year 2023: ¥260,000 (Direct Cost: ¥200,000、Indirect Cost: ¥60,000); Fiscal Year 2022: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
• Keywords: 遮熱コーティング / ガスタービン / 結晶構造 / 温度推定

Outline of Research at the Start

電力の安定供給を図るためにガスタービンの高温運転による高効率化が積極的に進められており，高温部品の使用環境は一段と厳しくなっている。高温部品には遮熱コーティング（TBC）が必須となっており、TBCの劣化を的確に把握し、余寿命を予測するためには、運転時のTBC表面温度を把握することが必要不可欠である。本研究では、TBCのトップコートとして代表的なZrO2-8mass%Y2O3（YSZ）コーティングについて、熱時効による結晶構造の変化に着目し、単斜相の割合ー熱時効温度ー熱時効時間との関係式を導き、使用済TBC施工部品における単斜相の割合に基づく新たな温度推定方法を開発する。

Outline of Annual Research Achievements

高効率火力発電用ガスタービンなどの高温部品には，遮熱コーティング（以下，TBC）が必須の構成要素となっている。TBCは金属のボンドコートと，遮熱性に優れたセラミックスのトップコートから構成され，トップコートとしてZrO2-Y2O3（YSZ）が利用されている。高温部品の使用環境は極めて厳しく，高温部品の劣化評価技術や余寿命評価技術の確立が必要である。このためには高温部品の運転温度，すわなち，TBC表面温度を合理的に推定する技術が不可欠である。
本研究では，TBCのトップコートであるYSZコーティングについて，温度と時間を変化させた熱時効による結晶構造の変化を調べ，単斜晶（m相）の生成メカニズムを解明する。さらに熱時効によって増加するm相の割合に着目し，m相の割合ー温度ー時間との関係式を導くとともに，この関係式を展開し，TBC表面温度を推定可能な温度推定方法を新たに開発することを目的とする。
TBCの代表的な成膜方法であるプラズマ溶射法によって，Y2O3の割合が異なる数種類のYSZ溶射成膜体を購入し，ここから各種YSZコーティング試験片を作製した。これらの試験片に対して，現有の電気炉を用い，熱時効を施し，所定の時間毎に試験片を取り出し，熱時効条件が異なる各種試験片を用意した。熱時効によるm相の生成メカニズムの本質を解明するために，TEM観察に取組んだ。本物品費で購入したマイクロスコープやイオンミリング装置などを用いて観察用薄膜試料を作製した。カーボン蒸着を施した後，学内の原子分解能分析電子顕微鏡（TEM）を利用して観察・分析を行った。その結果，Yは拡散速度が遅いと言われているが，比較的短時間の熱時効でYの拡散が始まり，立方晶（c相）とm相でY濃度に違いが生じることが明らかになった。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

m相の生成メカニズムの本質を究明するために，TEM観察に取組み，Zr原子やY原子の拡散挙動に関するデータが得られつつあるが，観察試料作製にはノウハウが必要であり，試行錯誤しながら観察試料を作製しても観察に適した領域が少なく，十分な情報が得られない場合も多々あった。また撮影した原子配列に基づく結晶構造解析には，結晶学に関する専門的な知識が必要であり，予めZrO2の３次元的原子構造を理解した上で，特定の方位からTEM観察を行う必要があることがわかった。このように，観察試料の作製，TEM観察方法，結晶構造解析に手間がかかり，他の観察や解析まで展開することができなかった。

Strategy for Future Research Activity

いろいろなTEM観察試料作製方法の経験をもとに，ノウハウを蓄積し，より良い観察試料を作製できるようになってきた。また観察方位や原子構造解析方法なども習得しつつあるので，引き続き様々な熱時効コーティングのTEM観察に取組み，データを収集する。進捗具合によっては学内だけでなく，他機関のTEMも利用して観察・分析を行う。さらにTEM観察試料作製技術は，EBSD分析試料の作製にも活かすことができるので，EBSD分析なども実施し，これらの観察・分析結果をもとに，様々な視点からYSZの結晶構造の変化やm相生成メカニズムの解明に取り組む。またXRD装置で回折パターンを測定し，m相や正方晶（t相）などのピークの積分強度比からm相の割合を求め，熱時効条件との関係性を検討する。