プラズマ溶射を用いた熱遮へいコーティングの耐酸化性・耐はく離性の向上

2001 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13450041
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 庄子 哲雄 東北大学, 大学院・工学研究科, 教授 (80091700)
• 研究分担者: 佐藤 岳彦 東北大学, 流体科学研究所, 助手 (10302225) ; 横堀 壽光 東北大学, 大学院・工学研究科, 教授 (00124636) ; 西山 秀哉 東北大学, 流体科学研究所, 教授 (20156128) ; 小川 和洋 東北大学, 大学院・工学研究科, 講師 (50312616)
• キーワード: 熱遮へいコーティング / 熱成長酸化物 / ボンドコート / セリウム(Ce) / シリコン(Si) / 四点曲げ強度

研究概要

先進ガスタービンにおいて必要不可欠な熱遮へいコーティング(TBC)は、高温・長時間の過酷な条件下での使用により、はく離・脱落等の発生が危惧される。一般に、高温での使用によりTBCとボンドコート界面には熱成長酸化物が生成し、それに伴う熱応力の発生がTBCはく離・脱落の主要因と考えられている。しかし、熱応力のみが劣化要因であるのか、劣化の起点がどこであるのか等不明確な点が多い。耐はく離特性を向上させるためには、主要因と考えられる酸化特性の見極めと劣化メカニズムの解明が重要である。そこで本研究においては、従来から使用されてきたTBCに関し、時効処理を施し、時効にともなう劣化を詳細に調査し、そのメカニズムを明らかにした。その結果、TBCとボンドコート界面に生成する熱成長酸化物は異なる二種類の酸化物から構成され、その一方に多くの気孔を含んでいることからこの気孔を通って界面でのき裂が進行していることがわかった。すなわち、劣化のメカニズムとしては、これまで言われてきた熱応力の発生に他に気孔発生による応力集中と接合強度の低下が考えられる。さらにこれらの結果を鑑み、プラズマ溶射に用いる溶射粉末の化学組織を変化させ、ガスタービンプラントの長寿命化を目的に、耐はく離性に優れたTBCの開発を行った。本研究で開発したボンドコート材料は四点曲げ試験による界面強度評価試験において、従来から使用されてきたTBCに比べ、良好な強度を有することがわかった。これは、微量添加したSiおよびCeが、酸化物界面に入り込み、酸化物をボンドコートの内側へ成長されることにより、くさび的な効果を生じ、その結果として界面強度が向上してものと考える。

研究成果

• [文献書誌] Kazuhiro Ogawa, Takeshi Masuda, Tetsuo Shouji: "Kinetics of Thcrmally Grown Oxidc at Interface Between Thermal Barrier Coating and MCrAlY Bond Coatings"Proceedings of the International Thermal Spray Conference 2001. 187-194 (2001)
• [文献書誌] K.Ogawa, T.Shoji, H.Aoki, N.Fujita, T.Torigie: "Mechanistic Understanding for Degraded Thermal Barrier Coatings"JSME international Journal. Vol.44, No.4. 507-513 (2001)
• [文献書誌] Kazuhiro Ogawa, Noritake Gotoh, Tetsuo Shoji, Minoru Sato: "High Temperature Oxidation Behavior of the Interface Between Thermal Barrier Coatings and MCrAlY Bond Coatings"Proceedings of APCFS & ATEM'01. 297-302 (2001)
• [文献書誌] Takehiko Sato, Oleg P, Solonenko, Hideya Nishiyama: "Numerical Simulation of a Particle-Laden Plasma Flow in a Complex Configuration under an Electromagnetic Field"Int. J. Multiphase Flow. accepted. (2002)
• [文献書誌] Takehiko Sato, Oleg P, Solonenko, Hideya Nishiyama: "Optimization for Plasma Spraying Processes by Numerical Simulation"Thin Solid Films. accepted. (2002)
• [文献書誌] Takehiko Sato, Oleg P, Solonenko, Hideya Nishiyama: "Numerical Study Possibilities of Plasma Spraying Processes under Increased Inlet Pressure"Proc. 15th Int. Symp. on Plasma Chemistry, Orleans. VI. 2647-2653 (2001)