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NIMS一般公開2024

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研究内容

Keywords

Ni基単結晶超合金、Ni基鍛造超合金、耐酸化コーティング

出版物2004年以降のNIMS所属における研究成果や出版物を表示しています。

書籍

所属学会

日本金属学会, 日本ガスタービン学会

受賞履歴

  • 日本金属学会功績賞 (2019)
  • 平成26年度科学技術分野の文部科学大臣表彰科学技術賞開発部門 (2014)
  • 第13回山崎貞一賞 (2013)
構造材料研究センター
タイトル

高性能Ni基超合金の開発

キーワード

Ni基超合金、高温クリープ、熱疲労、耐酸化性

概要

航空用ジェットエンジンや発電用ガスタービンの効率向上のためには燃焼ガスの高温度化が必須であり、そのために、タービン材料の耐用温度の向上が求められている。当機構ではタービン翼材料として多くのNi基単結晶超合金を開発している。航空エンジン用先進単結晶超合金、発電ガスタービン用低コスト単結晶超合金、航空エンジンタービンディスク用鋳鍛造/粉末冶金超合金など、用途に応じて適切な材料設計を行い、開発合金の実用化に向けて特性評価を行う。

新規性・独創性

高温強度と耐酸化性の両立
高温強度と耐腐食性の両立
高温クリープ特性と熱疲労特性の両立

内容

image

左図は、縦軸に耐酸化性を表す指標を、横軸に1100℃/137MPaでのクリープ破断寿命をプロットしたものである。Ni基単結晶超合金は世代を上げるにつれ高温強度は向上してきたが、耐酸化性は低下する傾向にあった。そこで高温強度を維持しつつ、耐酸化性高向上させる元素を増やし、それらのバランスをとったものが第5世代以降の超合金である。TMS-238は、高温酸化特性とクリープ強度特性に優れた第6世代Ni基単結晶超合金であり、航空機エンジンの高圧タービン翼としての実用化が期待される。
右図は縦軸に熱疲労特性を、横軸に1100℃/137MPaでのクリープ破断寿命をプロットしたものである。発電タービンでは製造コストの面からReやRuの添加は望ましくないとされる。そこで、強化元素であるReを減らしつつクリープ強度特性と熱疲労特性に優れた低コストNi基単結晶超合金TMS-1700を開発した。現在、実用化に向けて検証が行われている。

まとめ

NIMSが開発したタービンブレード用単結晶超合金、タービンディスク用鋳鍛造/粉末冶金超合金は海外の汎用材料より優れた耐用温度を示し、その実用化によって燃料消費率の低減、CO2排出量の削減に貢献することができる。現在、それぞれの合金の実用化に向けて、リサイクル技術の開発、材料特性データベースの構築を行っており、さらに製造コスト抑制のためのプロセス改良、補修技術の開発などが課題として考えられる。

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