2016 Fiscal Year Annual Research Report
次世代高効率石炭火力発電の低炭素・長寿命を可能にする溶射材料および溶射技術の開発
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26249098
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| Research Institution | Tomakomai National College of Technology |
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Principal Investigator |
黒川 一哉 苫小牧工業高等専門学校, 未登録, 校長 (00161779)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
浅見 廣樹 苫小牧工業高等専門学校, その他部局等, 准教授 (00547961)
沖中 憲之 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (20250483)
高澤 幸治 苫小牧工業高等専門学校, その他部局等, 准教授 (20331952)
松浦 清隆 北海道大学, 工学研究院, 教授 (60142692)
張 麗華 北海道大学, 工学研究院, 助教 (60719714)
坂口 紀史 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (70344489)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 石炭火力発電 / 耐高温腐食性 / 耐摩耗性 / 溶射皮膜 / サイアロン / 基材との接合性 / ミクロ構造解析 / 燃焼合成 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度に得られた研究実績の概要は以下の通りであり、耐高温腐食性・耐摩耗性に優れたサイアロンの微細構造解析から基材金属との接合性及ぶ幅広い基礎的・工学的知見を得ている。
（１）SiAlON基溶射層の特性向上のため，高速気流中衝撃法を用いて，SiAlON粒子表面 を1)焼結助剤となるMgO，2)鋼母材との熱応力緩和のためのNi，でそれぞれ被覆した溶射粉末の試作を行った．得られた被覆粉末の溶射に向けた予備実験として，急速昇温・低プレス圧による放電プラズマ焼結を行った結果，単純に二種類の供試粉末を混合した粉末よりも均一な組織および高い焼結体密度が得られた． （２）火力発電所のボイラー管の耐熱性を向上させるため既存の耐熱合金上へのSiAlONセラミック被覆の実施可能性を検討した。その結果、銅および銀をフィラーとして、SiAlONとSUS304ステンレス鋼およびSiAlONとINCONEL X-750超合金のロウ付け接合に成功した。（３）α-SiAlONの特性は、電荷中性条件を満たすためにドープされるCaやEuや等の金属元素の分布に大きく左右される。HAADF-STEMでは、ドーパントを二次元に投影した位置を測定可能であるが、深さ方向の情報は失われてしまう。本研究では、Ca分布に関する統計的HAADF-STEM、Eu分布に対するスルーフォーカスHAADF-STEM解析手法を提案し、それぞれの元素の3次元空間分布に関する情報を得た。（４）伝熱管へのSiAlON溶射に関して、Ni添加による溶射特性の改善を試みた。添加Ni濃度(0～30mass%)と被膜厚さの関係を調査し、濃度の上昇とともに皮膜厚さが増大することが分かった。また、皮膜形成過程の解明のため、Ni添加時の皮膜形成のモデルを提案し、Ni添加時と同質量のNiを含むNiO添加時の形成皮膜の比較から、提案モデルが妥当であると結論付けた。
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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
本研究において遂行しようとしている課題は以下の通りである。課題１：サイアロンの燃焼合成技術の確立と溶射粉末に適した複合材料の開発と評価。課題２：サイアロン－金属複合材料耐高温腐食性・耐摩耗性評価。課題３：サイアロン－金属複合材料の溶射膜作製技術の確立と基材との適合性。課題４：溶射膜を有した材料のラボおよび実機試験評価。
本年度までに、課題１から３までに関する実験を主として進めるとともに、その過程で、サイアロンの原子レベルでの構造解析、金属との接合性改善のための異種金属の活用など興味深い新しい基礎的・工学的知見も得られてきた。それらのことに関する研究の深化のために多くの時間を割いたため進捗状況はやや遅れ気味にもなっているが、総合的には課題４を残すのみとなっており、おおむね順調に進展していると評価している。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後も基本的には当初の計画に沿って研究を遂行する予定である。基礎的・工学的知見をさらにブラッシュアップして、本課題の最終目標であるサイアロンの溶射技術開発のための指針を与えるよう研究を推進する。その具体的課題は以下の通りである。
①スルーフォーカスHAADF-STEMの深さ分解能は電子プローブの収束角に強く依存する。今後、最新の球面収差補正器を搭載したSTEMを用いて、非常に大きなプローブ収束角条件での測定を実施し、3次元分布評価時の空間分解能を向上させることを試みる。さらに、統計的HAADF-STEMについては、Ca原子間に働く反発相互作用を考慮した原子モデルを構築し、より現実に近いCa原子の空間分布を予測する。②高速気流中衝撃法で作成したMgO被覆-SiAlON粉末およびNi被覆-SiAlON粉末を用いた溶射組織について調べるため，衝撃焼結被覆法による溶射層の形成を試みる．また，単純に二種類の供試粉末を混合した粉末の溶射層の組織と比較し，組織の均一性や空隙率，硬さ等から優位性について評価する．③銅および銀をフィラーとして、SiAlONをSUS304ステンレス鋼およびINCONEL X-750超合金とロウ付け接合できたが、まだ界面の高温長時間安定性が不明である。また、SiAlONの耐食性向上の余地もある。そのため、これらの問題改善に寄与する添加元素の影響を調査する。④粒子径1μmのSiAlON使用時に最大の皮膜厚さが得られたことから、SiAlON粒径と被膜形成挙動の関係を調査し、さらなる溶射特性の改善を試みる。⑤溶射、実機などに精通した現場技術者・研究者の助言を得て、最適な要素技術を総合的に把握する。⑥次世代高効率石炭火力発電に資するサイアロンの溶射技術開発のための指針を与える報告書を纏める。
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[Presentation] Brazing between SiAlON and Stainless steel2016
Author(s)
Matsuura K., Koshiyama M., Tokunaga T., Ohn M.
Organizer
9th International Science & Technological Conference Polish Ceramics 2016
Place of Presentation
Krakow (Poland)
Year and Date
2016-09-11 – 2016-09-14
Int'l Joint Research / Invited
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