研究課題名：長寿命・高信頼性遮熱コーティングを実現する拡散バリヤ型ボンドコートの創製

1．研究課題名：

長寿命・高信頼性遮熱コーティングを実現する拡散バリヤ型ボンドコートの創製

2．研究期間：

平成16年度～平成20年度

3．研究代表者：

成田　敏夫（北海道大学大学院工学研究科・教授）

4．研究代表者からの報告

（1）研究課題の目的及び意義

　発電用ガスタ－ビン（GT）の燃焼ガスタ－ビン入口温度（TIT）は1,300から1,500度に達し、次世代型高効率GTでは1,700度が計画されている。ジェットエンジン（JE）ではより苛酷なTITが予想されている。この高温の燃焼ガスからタ－ビンブレ－ド（Ni基超合金）を保護するため、遮熱コ－ティング（TBC）が施されるが、TBCの性能と寿命は、1．トップコ－ト（ZrO2）の剥離、2．基材とボンドコ－トの拡散による基材強度の低下が挙げられる。現用のGTとJEでは、1．が主要な課題となっているが、次世代型高効率GTとJEでは、トップコ－トの剥離とともに、基材強度の低下が顕在化すると予想される。
　本研究代表者はボンドコートと基材の間に「両者の拡散を抑制する」拡散バリヤ層を挿入することによって、基材強度の低下のみならずトップコ－ト（ZrO2）の剥離もまた抑制できることを理論的に提案し、Re（レニウム）基合金を拡散バリヤとする、拡散バリヤ型ボンドコートを提案した。
　本特別推進研究では、超高温環境下おける超合金/コ－ティング/燃焼ガス雰囲気の相互作用を解明することによって、長寿命・高信頼性を有する耐酸化性と機械的特性を兼備した拡散バリヤ型ボンドコ－トの低コスト成膜プロセスを開発する。さらに、実機ガスタービン（および、ジェットエンジン）への技術移転による実用化を目指す。なお、高温酸化と機械的特性は互いに独立した学問領域として発展してきたが、本特別推進研究では、材料科学と腐食科学を統合した新しい研究領域を開拓する。

（2）研究の進展状況及び成果の概要

　Re基合金を拡散バリヤとするボンドコ－ト層［（Re（レニウム）-W（タングステン）-Cr（クロム）-Ni（ニッケル））/（系Ni（ニッケル）-Al（アルミニウム））］をNi基超合金（TMS-82＋）に成膜するプロセスを確立し、耐酸化性、状態図と拡散、透過電子顕微鏡による組織観察、高温における変形のその場観察、クリープ試験とバーナーリグ試験による特性評価を実施した。
　その結果、（1）2,500度以上の高融点を有する拡散バリヤ層（Re（レニウム）-W（タングステン）-Cr（クロム）-Ni（ニッケル）系σ相）の形成、（2）Alリザバー層が保護的Al2O3を形成し、かつバリヤ層と安定に存在できる最適Al濃度（10～50atパーセントAl）の決定、（3）1,150度；1,000時間の耐久性、など本研究の最終目標を達成した。（4）Re（レニウム）-Ni（ニッケル）-Al（アルミニウム）,Ni（ニッケル）-Cr（クロム）-Al（アルミニウム）,Re（レニウム）-Cr（クロム）-Ni系状態図を作成し、（5）保護的Al2O3皮膜の密着性を支配する元素La（ランタン）,Y（イットリウム）,Hf（ハフニウム）,Zr（ジルコニウム）を溶融塩から電析することに成功し、（6）1,150度，1,000時間の耐酸化性に合格した（中期目標）。しかし、550時間以上の長時間酸化で、Al2O3皮膜の一部の剥離等が観察されたことから、現在、（5）の微量元素の添加法の開発とAl2O3皮膜の剥離防止対策を進めている。
　（7）高温における変形のその場観察と（8）クリープ試験の結果から、Re基合金の拡散バリヤは超合金のクリープ変形に追従し、かつ、超合金との密着性にも優れていることを確認した。なお、Re基合金皮膜の塑性変形は世界的にも最初の発見である。本研究の成果は、拡散バリヤの実用化のための最重要課題（コーティング皮膜の形成による耐酸化性と超合金の機械的特性の両立）をクリヤしたものと考えられる。（9）バーナーリグ試験による評価を進めている。
　現在、実用化（事業計画の前倒し）を目指して、タービンブレード（模擬）、燃焼器のノズル、発熱体、などへの成膜プロセスの開発を開始し、さらに、Ni基超合金（Mar-M247,CMSX-4,CMSX-10）、ハステロイ合金、ステンレス鋼、などへの応用・展開を進めている。

5．審査部会における所見

A（現行のまま推進すればよい）
　Re基合金を拡散バリヤ層に用いることにより、剥離と強度低下を同時に抑制することができる遮熱コーティングの実現を目指した研究は、これまでのところ目的に沿って順調に推移している。特に、プロセス研究としては順調であり、定性的評価も進んでおり、得られた知見は多数の特許等に結び付いている。しかしながら今後は、力学特性の評価など定量的な研究の推進により腐食化学と材料強度学を融合した新しい材料科学分野を構築することを期待する。