次世代ガスタービン動翼用耐熱疲労セラミックコーティングの最適化

1998 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 09305048
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 渡辺 龍三 東北大学, 大学院・工学研究科, 教授 (20005341)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 山田 葉子 東北大学, 大学院・工学研究科, 助手 (20271877) ; 李 敬鋒 東北大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (50241542) ; 川崎 亮 東北大学, 大学院・工学研究科, 教授 (50177664)
• Keywords: 傾斜機能材料 / 耐熱材料 / セラミックコーティング / 溶射皮膜 / 熱衝撃試験 / 熱機械的性質 / 破壊力学 / 材料設計

Research Abstract

821800
本研究の目的は、次世代ガスタービン動翼のための遮熱コーティング(Thermal Barrier Coating)を対象として、熱疲労破壊メカニズムを材料科学と破壊力学的手法を融合することにより基礎的にかつ定量的に明らかにすることにより、高信頼性の超耐熱・遮熱型セラミックコーティングの材料システム設計とプロセス開発を行うことである。
本年度は、申請者らグループが開発したガスバーナ加熱衝撃試験法により、電子ビームPVDとプラズマ溶射で作製されたジルコニアセラミックス/ニッケル-クロム基耐熱合金傾斜機能コーティング試料の熱疲労破壊メカニズムを明らかにした。バーナ加熱衝撃試験法を通じて、特に、アコースティックエミッション(AE)法を併用し、コーティング材の剥離や微視割れを詳細に調べて,以下の結果を得た。(1)電子ビームPVDコーティングとプラズマ溶射コーティングでは鮭の発生の仕方が異なっている。プラズマ溶射コーティングの場合は冷却中のAEが先に発生し,それに遅れて加熱中のAEが発生するのに対して,電子ビームPVDコーティングの場合は加熱中のAEが先に発生し,その後に冷却中のAEが発生する。(2)電子ビームPVDコーティングはトップコート/ボンドコート界面で横亀裂が発生し,それが進展してバックリングを起こし破壊に至る。縦亀裂は表面から発生し,トップコート/ボンドコート界面まで達するのがよく観察される。これはプラズマ溶射コーティングの亀裂発生・破壊形態とは大きく異なる点で,プラズマ溶射コーティングに比べて電子ビームPVDコーティングの組織が緻密で,配向性のあることに起因するためであると考えられる。(3)ガスバーナ局所加熱試験法を用いた熱疲労試験により、両コーティング材の寿命評価を行った。
さらに,傾斜機能コーティングを作製するプロセスとして,任意形状を有する部品に対応できるSlurry diping技術と任意な組成制御が可能な単粒子配列技術を開発した。

Research Products

• [Publications] 李 敬鋒: "小型パンチ試験法による傾斜機能コーティング用セラミックス/金属プラズマ溶射膜の機械的特性評価" 粉体および粉末治金. 45. 237-241 (1998)
• [Publications] Ryuzo Watanabe: "Microstructure-Property Relationship in Composite Refractory Materials" Plansee Proceedings 14the Internatilnal Plamsee Seminar'97. 4. 1-12 (1998)