| 研究概要 |
2元系TiAlを試料とし、エンジン燃焼雰囲気に含まれる水蒸気と窒素の影響を調べるため、(1)酸素、(2)酸素と水蒸気の混合ガス、(3)アルゴンと水蒸気の混合ガス、(4)酸素と窒素の混合ガス中の酸化挙動を実験的に調査した。さらに(5)窒素中の窒化および不純物による酸化挙動も実験的に調査した。試験温度は1100Kおよび1200Kで最長100ksまで酸化させた。熱重量法を用いて速度論的挙動を把握し、酸化生成物の同定、観察、解析にはX線回折、走査電子顕微鏡、電子線微小部分析法を用いた。炭酸ガス中の酸化挙動については、既に報告している。
酸素に25%窒素を添加すると、酸化増量は1100Kで約3倍、1200Kで約4倍に上がる。その後窒素濃度を増やすと1100Kでは100%窒素まで徐々に酸化増量が上がり、酸素中と比べ約5倍となる。1200Kでは、窒素濃度を上げても影響は同じである。酸化皮膜(スケール)は2層構造を示し、外層は主にTiO_2から成り、内層は多孔質で非常に細かいTiO_2とAl_2O_3の混合物から成る。酸化の進行と共に酸化物粒子間で焼結がある程度進むので、窒素の酸化加速効果は水蒸気や炭酸ガスより小さい。組織観察の結果より窒素の影響は以下のように考えられる。酸化の初期に酸化物(TiO_2とAl_2O_3)と窒化物(Ti_2AlN)が形成される。スケールが保護性を示すためには、Al_2O_3の連続層を形成しなければならないが、窒化物が混じりそれを阻止する。この窒化物は酸化の進行と共に酸化物に変わるが、排出された窒素の一部はスケールと下地の界面で新たに窒化物を形成する。この過程を繰り返し、窒素は酸化挙動に影響をあたえ続ける。
一方、TiAlの酸化後の機械的性質を調べるために、750,800,850℃で20h大気中で酸化した試料について、室温における引張り試験を行なった。酸化により、スケール下部に低Al濃度層ができこれが強度に影響することがわかった。
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