• 研究課題をさがす
  • 研究者をさがす
  • KAKENの使い方
  1. 課題ページに戻る

2016 年度 実績報告書

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

研究課題

研究課題/領域番号 26249098
研究機関苫小牧工業高等専門学校

研究代表者

黒川 一哉  苫小牧工業高等専門学校, 未登録, 校長 (00161779)

研究分担者 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)
研究期間 (年度) 2014-04-01 – 2018-03-31
キーワード石炭火力発電 / 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
研究実績の概要

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。

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

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。

今後の研究の推進方策

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。

  • 研究成果

    (14件)

すべて 2017 2016

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 4件、 謝辞記載あり 4件) 学会発表 (10件) (うち国際学会 2件、 招待講演 1件)

  • [雑誌論文] Three-dimensional analysis of Eu dopant atoms in Ca-α-SiAlON via through-focus HAADF-STEM imaging2017

    • 著者名/発表者名
      G. Saito, F. Yamaki, Y. Kunisada, N. Sakaguchi, T. Akiyama
    • 雑誌名

      Ultramicroscopy

      巻: 175 ページ: 97-104

    • DOI

      https://doi.org/10.1016/j.ultramic.2017.01.014

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] SiAlONと耐熱合金のろう付け接合2017

    • 著者名/発表者名
      徳永透子, 越山将行, 黒川一哉, 大野宗一,松浦清隆
    • 雑誌名

      日本金属学会誌

      巻: 81 ページ: 143-149

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Estimating the dopant distribution in Ca-doped α-SiAlON: statistical HAADF-STEM analysis and large-scale atomic modeling2016

    • 著者名/発表者名
      N. Sakaguchi, F. Yamaki, G. Saito, Y. Kunisada
    • 雑誌名

      Microscopy

      巻: 65 ページ: 400-406

    • DOI

      https://doi.org/10.1093/jmicro/dfw020

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] The Relationship between the Spark Plasma Sintering Temperature and Mechanical Properties of Combustion-Synthesized α- and β-SiAlON2016

    • 著者名/発表者名
      Masayuki Koshiyama, Hazuki Sako, Munekazu Ohno and Kiyotaka Matsuura
    • 雑誌名

      Mater. Trans.

      巻: 57 ページ: 1593-1596

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [学会発表] HAADF-STEM法によるα-SiAlON中Caドーパントの空間分布予測2017

    • 著者名/発表者名
      坂口紀史,八巻風太,齊藤元貴,國貞雄治
    • 学会等名
      日本金属学会2017年春期講演大会
    • 発表場所
      首都大学東京南大沢キャンパス
    • 年月日
      2017-03-15 – 2017-03-17
  • [学会発表] High Temperature Corrosion of SiO2 Formers2017

    • 著者名/発表者名
      Kazuya Kurokawa
    • 学会等名
      The 10th Inter’l Workshop on Plasma Application and Hybrid Functionally Materials
    • 発表場所
      Hanoi (Vietnam)
    • 年月日
      2017-03-10 – 2017-03-13
    • 国際学会
  • [学会発表] スルーフォーカスHAADF-STEM 法による蛍光体中ドーパントの3 次元分布評価2016

    • 著者名/発表者名
      齊藤元貴、八巻風太、國貞雄治、坂口紀史
    • 学会等名
      日本顕微鏡学会 北海道支部学術講演会
    • 発表場所
      北海道大学
    • 年月日
      2016-12-10
  • [学会発表] HAADF-STEM 法によるα-SiAlON 中のドーパント分布解析2016

    • 著者名/発表者名
      八巻風太、齊藤元貴、國貞雄治、坂口紀史
    • 学会等名
      日本顕微鏡学会 北海道支部学術講演会
    • 発表場所
      北海道大学
    • 年月日
      2016-12-10
  • [学会発表] 高速気流中衝撃法によるサイアロン核粒子へのニッケル微粒子の被覆とその粉末の放電プラズマ焼結2016

    • 著者名/発表者名
      高澤幸治, 渡邊和来, 浅見廣樹, 黒川一哉
    • 学会等名
      粉体粉末冶金協会 平成28年度秋季大会
    • 発表場所
      東北大学青葉山キャンパス
    • 年月日
      2016-11-09
  • [学会発表] 高速気流中衝撃法によるサイアロン核粒子へのニッケルおよび窒化アルミニウム微粒子の被覆2016

    • 著者名/発表者名
      渡邊和来, 高澤幸治, 浅見廣樹, 黒川一哉
    • 学会等名
      日本機械学会北海道支部 第54回講演会
    • 発表場所
      苫小牧工業高等専門学校
    • 年月日
      2016-10-29
  • [学会発表] HAADF-STEM法によるCa-α-SiAlONの原子構造解析2016

    • 著者名/発表者名
      齊藤 元貴,八巻 風太,國貞 雄治, 坂口 紀史
    • 学会等名
      日本金属学会2016年秋期講演大会
    • 発表場所
      大阪大学豊中キャンパス
    • 年月日
      2016-09-21 – 2016-09-23
  • [学会発表] Brazing between SiAlON and Stainless steel2016

    • 著者名/発表者名
      Matsuura K., Koshiyama M., Tokunaga T., Ohn M.
    • 学会等名
      9th International Science & Technological Conference Polish Ceramics 2016
    • 発表場所
      Krakow (Poland)
    • 年月日
      2016-09-11 – 2016-09-14
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] スルーフォーカスHAADF-STEM法によるSiAlON中ドーパントの3次元分布解析2016

    • 著者名/発表者名
      齊藤 元貴,八巻 風太,國貞 雄治, 坂口 紀史
    • 学会等名
      日本金属学会・日本鉄鋼協会両支部合同サマーセッション
    • 発表場所
      北海道大学
    • 年月日
      2016-07-01
  • [学会発表] HAADF-STEMによるα-SiAlON中のドーパント分布解析2016

    • 著者名/発表者名
      坂口 紀史,八巻 風太,齊藤 元貴,國貞 雄治
    • 学会等名
      日本顕微鏡学会第72回学術講演会
    • 発表場所
      仙台国際センター
    • 年月日
      2016-06-14 – 2016-06-16

URL: 

公開日: 2018-01-16  

サービス概要 検索マニュアル よくある質問 お知らせ 利用規程 科研費による研究の帰属

Powered by NII kakenhi