2017 Fiscal Year Annual Research Report

無機質燃焼生成物による遮熱皮膜の損傷機構の解明とリスクコントロール

Research Project

Project/Area Number	16H06060
Research Institution	Niigata Institute of Technology
Principal Investigator	山岸郷志新潟工科大学, 工学部, 准教授 (20452089)
Project Period (FY)	2016-04-01 – 2020-03-31
Keywords	ガスタービン / 耐熱材料 / 遮熱コーティング / 損傷 / 線膨張係数 / 複合材料
Outline of Annual Research Achievements	本研究は，航空機や発電プラントで広く利用されているガスタービンの安全かつ効率的な運用の一助となることを目的とした研究である．エネルギーを効率よく利用するために，ガスタービンの運転温度を高温化するための技術開発が進められている．従って，ガスタービンを構成する材料は，より厳しい環境で使用されることになり，様々な損傷によって機能を損なう危険性が一層高まっている．本研究では，大気中の微小な不純物（砂埃など）による材料の損傷に注目している．特に高い温度で使用される部材は，表面を遮熱コーティング（TBC）と呼ばれる保護膜に覆われた状態で使用されている．しかし，近年の運転温度上昇は，先に述べた不純物が溶融可能な温度にまで達し，溶融した不純物（無機質燃焼生成物）がTBCに付着・浸透することでTBCの遮熱性能を低下させ，TBCの寿命（皮膜のはく離・脱落）を大幅に早めてしまう．運転温度の高温化が進められている中で，TBCの喪失は深刻な状況を招く．しかし，無機質燃焼生成物による損傷減現象に対する理解ならびに対策は十分とは言えない．本研究では，(1)無機質燃焼生成物による損傷メカニズムを解明し，(2)損傷の程度を適切に評価する手法の開発とともに(3)無機質燃焼生成物に強いTBCあるいはその運用方法の提案を通して，問題解決を目指す． 2017年度は，主に(1)に取組み，無機質燃焼生成物の侵入によってTBCの熱・機械的特性に，ある種の複合材料（無機質燃焼生成物とTBC）としての特徴が現れることを明らかにした．また，その変化にはTBC特有の多孔質構造の特徴を反映した挙動がみられ，高温環境では液相と固相が共存し，その状態が温度によって変化する特殊な複合材料として，その取扱いに関して新たな課題が顕在化した．一方で，この変化は(2)の損傷評価に関して効率的な評価手法の開発につながる可能性も含んでいるといえる．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 3: Progress in research has been slightly delayed. Reason 2017年度は，所属機関の変更に伴い当初の計画から遅れが生じた．さらに，使用予定であった実験装置の不具合によって，実施できなかった検討項目もあり， 2018年度以降の研究計画を一部見直す（具体的には，次の項目にて述べる）ことで対応する．
Strategy for Future Research Activity	2017年度までの進捗状況を考慮して，今後の研究計画を以下のように見直した．・課題1：TBC皮膜の機械的・熱的特性に及ぼすCMASの影響の解明（2016,2017年度実施済み）・課題2：CMAS損傷素過程の解析的および実験的検証（2017年度一部実施済み，2018年度）・課題3：CMAS損傷の許容基準の検討（2018, 2019年度）・課題4：CMAS損傷の検出・評価技術および損傷防止・抑制技術に関する検討（2019年度）特に2017年度に遅れが生じた課題2について，実験方法の見直しを行い，CMAS損傷過程の再現実験をより簡易化するとともに，検討事項を減らして実施する．一方で，実験の簡易化と検討事項の減少を補うために解析的検討を効果的に活用する．また，2017年度の研究の中で，対象としている材料系が，固液混合の特殊な複合材料の状態にあることが損傷過程に関与している可能性が明らかになった．これに関して，特殊な複合材料としての力学的取扱いについても，本研究の課題3ならびに課題4とも関連させて，新たな研究の観点として検討していく．