2011 Fiscal Year Annual Research Report
宇宙用耐熱軽量スラスター用耐環境コーティングの設計と実証
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11J10324
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
北澤 留弥 東京大学, 先端科学技術研究センター, 日本学術振興会特別研究員(DC2)
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| Keywords | SiC/SiC複合材料 / スラスター / コーティング / 機械的試験 / 特性予測 / 機械的特性 / 熱的特性 / 熱応力 |
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| Research Abstract |
航空機ガスタービンエンジン用タービン翼に用いられるセラミックス熱遮蔽コーティング(TBC:Thermal Barrier Coating)は熱と力の負荷が同時に加わる熱機械疲労環境下にある。基材にNi基超合金Incone 1738LC、基材とTBC層の接着層にプラズマ溶射によって施工したCoNiCrAlY、TBCに電子ビーム物理的蒸着法によって施工したY_2O_3-ZrO_2を用いた平板状のTBC試験片を作成し、放射加熱装置と疲労試験器を組み合わせた装置を用いて熱機械疲労試験を行った。
TBC表面温度1150℃、基材表面温度1000℃までの加熱と同時に60MPaの引張応力を加える応力制御同位相熱機械疲労試験を行った。TBC層は8%以上11.5%未満までクリープ変形し、クラックは引張方向と垂直な方向に伸び複数発生した。接着層内のAlが酸化することでTBC層と接着層の間にAl_2O_3が主成分の酸化物(TGO:Thermally Grown Oxide)層が成長する。TGO層はTBC層の剥離の発生源になることが多い。TGO層は引張方向に平坦、引張と垂直方向にうねりが発生する形状の異方性があった。蛍光分光法によってTGO層内の応力分布を測定したところ、数GPaの平均圧縮応力が生じており、TGO層の形状に加え応力分布にも異方性があった。
TBC表面温度1150℃、基材表面温度1000℃までの加熱と同時に0.045%の圧縮機械的歪を加える歪制御逆位相熱機械疲労試験を行った。試験の負荷サイクル数の増加とともに、試験片の圧縮変形により高温時の圧縮負荷応力は減少し、低温時の圧縮負荷応力はゼロから引張へと変化した。TGO層は荷重負荷方向に平坦、垂直方向にはうねりが発生する形状の異方性があった。TGO層内には数GPaの平均圧縮応力が生じていた。TGO層の形状に異方性があったが、応力分布は均一で異方性は見られなかった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
航空機ガスタービンエンジン用タービン翼に用いられる熱遮蔽コーティングについて、熱機械疲労環境の再現試験を行い、得られた損傷の観察と解析を行うことができた。SiC/SiC複合材料のコーティングは次年度に見送った。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成24年度はSic/SiC複合材料の基材を用いて実際にコーティングを作成する。材料、最適厚さ及び成膜方法をあらかじめ検討するが、実際の材料での試験結果と理論計算結果が異なる場合が考えられるため、条件を広く設定し試験片を作成する。試験片の詳細な観察後、取得する特性は、機械特性、熱特性、酸化特性及びガス漏洩特性を計画しており、特性取得後、損傷及び剥離などが見られた場合には詳しく観察する。以上の特性取得と観察及び測定、及び新しい試験片の作成をできるだけ繰り返し、最適なコーティングシステムの作成を目指す。
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