2017 Fiscal Year Research-status Report
激甚型高温酸化利用経年強化傾斜機能遮熱コーティング
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16K14109
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
小川 和洋 東北大学, 工学研究科, 教授 (50312616)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 遮熱コーティング / 高温酸化 / 熱成長酸化物 / 傾斜機能材料 / ボンドコート |
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| Outline of Annual Research Achievements |
これまでの代表らの研究によって，遮熱コーティング(TBC)の皮膜界面強度向上には，ボンドコート(BC)内部に成長する酸化物が有効であり，この内方拡散酸化物が厚くなればなるほど，界面強度が増加する傾向にあることを示してきた．昨年度はこの内方拡散酸化物の形成に内部酸化促進効果の高いセリア(CeO2)を添加することが効果的であることを明らかにした．今年度は，希土類元素であるCe等を含む酸化物の添加の他に，溶射条件の最適化により酸化物の形成を制御可能か否かに関し，検討を行った．
種々の粒径のBC材料およびBC溶射方法を用いることにより，BCに内部酸化を導入したTBC試験片を作製し，これらのTBC試験片の内部酸化導入量および耐はく離特性を評価した．溶射プロセスによって，内方拡散TGOの生成度合いが異なり，これまで耐酸化の観点から使用されてこなかった大気圧プラズマ溶射法による成膜が最も良好な内方拡散TGOを生成させることを明らかにした．また，同様の化学組成を有する粉末粒子であっても粒径が細かくなるほど表面積の割合が増え，内方拡散TGOが生成しやすいことを明らかにした．これらのプロセス，粒子を用いたTBCに関し，4点曲げ試験による界面強度評価を実施し，試験治具の限界までひずみを与えてもはく離が生じないといった極めて良好な結果を得ることができた．
以上の結果から，BC粒径および溶射方法を変化させることによって，CeO2添加同様の内方拡散酸化物を形成させることに成功した．しかし，熱処理条件によっては，酸化皮膜が厚くなりすぎ，基材まで酸化する場合が確認された．そこで，今後は耐酸化を目的とした緻密なBCと耐はく離性を目的とした内方拡散酸化物を含むBCの2層化技術を開発する必要があると考える．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
傾斜機能TBC（Functionally Graded TBC : FG-TBC）は，ボンドコート(BC)/トップコート(TC)比率を徐々に変化させ，熱応力の緩和を目的としたTBCである．BC材料のCoNiCrAlY合金とTC材料のイットリア安定化ジルコニア(YSZ)はそれぞれ成膜プロセス，成膜条件といった成膜性が異なるが，傾斜機能化させる場合はこれらを一つのプロセスで成膜する必要がある．そこで，本研究では金属ならびにセラミック成膜で実績のあるコールドスプレー（CS）法を適用した．
CS法は，窒素ガス等により加速させた固相粒子を基材へ衝突させることによって成膜を行う技術であり，粒子の融点以上の温度で成膜を行う溶射法に比べて，熱影響が小さく，成膜速度も速いという特徴がある．本研究においては，成膜性の向上の観点から，昨年度の研究でCoNiCrAlYとYSZそれぞれの微小粒子を混合させて焼結させた配合比の異なる数種のサーメット粒子開発し，CS法によってFG-TBCの成膜に成功してきた．
しかし，配合比の異なるサーメット層間の強度が十分ではなく，今年度の研究においては，酸化物の積極的利用による界面強度の改善に着手した．活性なセラミック粒子であるセリアの添加，さらには溶射条件や粒子径の最適化により，層間にくさび的に作用する酸化物を生成させ，良好な界面強度を得ることに成功しており，概ね順調に進展している．ただし，界面強度にはばらつきが大きく，次年度はこの改善も進める予定である．
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度においては，実機への適用可能性を視野に入れ，静的強度・高温強度特性や高温酸化特性を評価し，信頼性確保に着手する．特に，今年度の研究で，傾斜機能化させた層間強度にばらつきが大きく，この点に関する改善を試みる．具体的には，界面近傍の酸化物の形態が界面強度を左右している可能性が考えられるため，初期に添加する酸化物の形状，大きさ，材種の見極めを行う．また，積極的な高温酸化を利用しているため，高温・長時間の環境下では，一部Ni基超合金基材側も酸化するケースが認められたため，激甚型酸化による耐はく離性の向上を目的とした第一ボンドコートと基材を高温酸化から保護する第二ボンドコートの二層化に関してもその可能性を検討し，さらなる信頼性の向上に着手する．
また，本研究で得られた結果を基に，基盤研究あるいは民間企業との共同研究等により，実機適用の可能性を検討していく．特に，内方拡散TGOが生成・成長することにより，界面強度が向上する理由に関しては，まだ未解明のままであり，このメカニズム解明に関しても基盤研究等で明らかにしていく．
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