| 研究課題/領域番号 |
16H06060
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| 研究機関 | 新潟工科大学 |
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研究代表者 |
山岸 郷志 新潟工科大学, 工学部, 准教授 (20452089)
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| 研究期間 (年度) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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| キーワード | ガスタービン / 高温部材 / 耐熱材料 / 遮熱コーティング / 線膨張係数 / 複合材料 |
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| 研究実績の概要 |
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.ガスタービンの熱効率および性能向上を目指して，運転温度高温化のための技術開発が進められ，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，様々な損傷により機能を損なう危険性が高まっている.本研究では，大気中の微小な無機不純物(砂埃, 火山灰など)による材料の損傷に注目している.ガスタービンを構成する材料のうち，特に高い温度で使用される部材の表面には遮熱コーティング(TBC)と呼ばれる保護膜が施工される．TBCは材料の耐久性を維持しながら運転温度の高温化を可能にしている．しかし，近年の運転温度は，先の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：CMAS)がTBCに付着・浸透することで遮熱性能を低下させるとともに寿命を大幅に短縮してしまう．運転温度がより高温化している中にあってTBCの喪失は深刻な状況を招く.しかし，CMASによる損傷現象に対する理解とその対策は十分とは言えない.本研究では，(1)CMAS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および(3)CMAS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. 2018年度は，(1)と(2)を中心に取組み，CMASの浸入によるTBCの熱・機械的特性の変化に伴う内部応力の発達過程について検討を行い，温度変化に伴う内部応力の変化を介した損傷の程度を精度の良く評価する手法が実現可能であることを明らかにした．また，損傷を受けたTBCを特殊な複合材料とみなし，その熱変形の様子について数値解析を用いた検討を行い，場合によってはその微視的構造の影響が強く反映されるとともに，その効果の程度は微視的構造のサイズ・スケールに依存するという知見が得られた．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
2017年度の進捗状況を受けて，2018 年度の研究開始に先立ち研究計画を見直し，実験手法の変更と検討項目の絞り込みを行なった．その結果，概ね計画どおりに課題に取り組むことができた．また，2017年度の成果から，新たな研究の観点として，無機質燃焼生成物が付着・浸透したTBCを特殊な複合材料とみなし，その力学的な考究を行うことにした．2018年度は，その基礎的な検討を行い，TBCの損傷現象や損傷検出技術との関係づけはもとより，複合材料の微視的構造と材料特性に関する新しい研究課題としての発展の可能性が見込まれる結果が得られた.
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| 今後の研究の推進方策 |
本研究では，前々項目で述べた(1)~(3)の3つの観点について，さらに下記の4つの課題に分けて実施している．
・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(2016,17年度実施済み)
・課題2: CMASによる損傷素過程の解析的および実験的検証(2017,18年度実施済み) ，(課題2より派生): CMASが付着・浸透したTBCの動的変化に関する解析的検討(2018年度一部実施済み，2019年度)
・課題3: CMAS損傷の許容基準の検討(2018年度一部実施済み，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(2018年度一部実施済み，2019年度)
本年度は，本研究課題の最終年度であり，これまでに得られた結果を総合し，CMAS損傷の許容基準（課題3）と新たな損傷対策（課題4）に関する検討を実施する.許容基準(課題3)については，これまでの結果（課題1および2の結果）から，TBCの最終的な破壊(はく離・脱落)が生じないCMASの臨界浸入量(例えば，深さなど)を探求する.しかし，これまでに得られた知見によれば，ある時点でのCMASの浸入深さのような量的な基準が得られたとしても，それに続く熱的負荷により損傷の様相が時々刻々と変化する．従って，CMAS損傷が動的現象であることを考慮する必要がある.そこで，昨年度に課題2の派生課題として実施した，CMAS損傷したTBCを複合材料とみなしてその微視的構造と材料物性の動的変化に関する解析的検討をさらに前進させるとともに，実験結果との整合性を検証し，量的な許容基準について考察する.そして，損傷対策（課題4）については，特にCMAS損傷の抑制技術に関する検討に注力し，CMASの付着・浸透とそれに 伴うTBCの反応を抑制するための新しい表面改質技術の可能性について検討する.
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