超塑性セラミック被覆によるC/Cコンポジットの耐熱性・耐熱衝撃性の同時向上

超塑性陶瓷涂层同时提高C/C复合材料的耐热性和抗热震性能

基本信息

批准号：
09243221
负责人：
新井紀男
金额：
$ 1.47万
依托单位：
Nagoya University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
财政年份：
1997
资助国家：
日本
起止时间：
1997 至无数据
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-09243221/
关键词：
C Cコンポジット対酸化性コーティング耐熱衝撃性ガスタービン

项目摘要

経済性や起動性などの点で優れた熱機関であるガスタービンの熱効率の向上を図るためには、1500℃以上の高温に無冷却で耐えうるタービン翼材料の開発が求められており、その有力候補としてC/Cコンポジットが注目されている。本材料は、高温酸化雰囲気中での酸化反応により材料強度が大きく劣化するため、構造材に適用する場合には、セラミック等を被覆して本材料を複合化することにより耐酸化性を付与する必要がある。これまで様々な被覆手法が検討されてきたが、C/C基材と被覆層との熱膨張率のミスマッチや密着性等の問題により、未だ十分な耐酸化性と耐熱衝撃性を有した被覆層を実現するには至っていない。これまでに申請者らは、独自の被覆法の開発と材料使用環境の制御により、本材料の耐熱性向上のための研究を継続的に実施してきた。しかし、耐酸化性と耐熱衝撃性を同時に兼備するというような過酷な使用条件に耐えうる材料を開発するためには、更なる複合化技術のブレークスルーが必要とされるに至ってきた。そこで本研究では、過酷な高温場で使用される材料には、CVD法、PVD法やプラズマ溶射法によってZrO_2、Al_2Oなどを遮熱コーティングすることが一般的で、熱の流入を遮蔽する事のみを重視し、熱輻射による放射冷却にはほとんど関心が向けられていなかった点に着目し、きざいの耐熱性を向上させることのできるような、輻射率の高い材料を作製することを目的とした。輻射率が高く、耐熱性にも優れたコーティング材料としてセラミックスが挙げられる。しかしながら、ZrO_2、Al_2O、MgOなどの酸化物系セラミックスのほとんどが、1000K付近から温度上昇とともに急激に輻射率が低下する傾向がある。一方、カーボン、SiCをはじめとする非酸化物系セラミックスは、1250K以上でも高い輻射率を持つ材料が多いものの、そのままの状態では1250Kを越える高温下に長時間曝されると酸化してしまうため、コーティング材料としての機能が保持できない。そので1250Kを越える高温下においても高い輻射率と耐熱性を有し、さらに施工性にも優れたセラミックスコーティング材料の研究開発を行ってきた。その結果、上記コーティング材料として、耐熱ガラスマトリックス中に高輻射率顔料であるセラミックス粉末を均一分散させた構造が適当であることが、確認された。

为了提高燃气轮机的热效率，这些燃气轮机是具有出色的经济性和启动功能的热发动机，需要开发涡轮刀片材料，可以承受1500°C或更高的高温而无需冷却的高温，而C/C复合材料则吸引了作为有希望的候选人的注意力。由于高温氧化气氛中的氧化反应，该材料的强度大大恶化，因此，当应用于结构材料时，有必要通过用陶瓷等涂层材料来提供抗氧化耐药性并结合。尽管到目前为止已经研究了各种涂层方法，但由于C/C底物与涂料层和粘附层之间的热膨胀系数不匹配，但尚未实现具有足够的氧化抗性和热休克电阻的涂层。到目前为止，申请人一直在研究通过开发自己的涂料方法并控制材料使用环境，以提高该材料的耐热性。但是，需要进一步的复合技术突破来开发可以承受诸如氧化耐药性和耐热冲击能力之类的恶劣条件的材料。因此，在这项研究中，通常使用Zro_2，al_2o等的隔热涂层来用于通过使用CVD，PVD或血浆喷涂的苛刻的高温场中使用的材料，并且仅着眼于屏蔽热流入，并专注于辐射性冷却的事实，即通过热极空散发性冷却而产生材料的辐射量很大，并且可以将材料产生高度的材料。陶瓷是具有较高发射率和极好耐热性的涂料材料的例子。但是，大多数基于氧化物的陶瓷（例如ZRO_2，Al_2O，MGO）随着温度从约1000k升高而趋于突然下降。另一方面，诸如碳和SIC之类的非氧化陶瓷即使在1250K或更高的情况下也具有很高的发射率，但是在其原始状态下，它们在很长时间内暴露于高温超过1250K的高温时会氧化，因此无法保持其作为涂层材料的功能。这一直在研究和开发陶瓷涂料材料，即使在高温超过1250K的高温下，它们的发射率和耐热性也很高，并且在建筑方面也非常出色。结果，可以证实上述涂层材料是一种结构，其中陶瓷粉是一种高发射色素，均匀地分散在耐热玻璃基质中。