マルチスケール組織構造制御による革新的高遮熱・高耐久コーティングの開発

通过多尺度结构控制开发创新的高隔热和高耐用涂层

• 批准号: 21K03768
• 负责人: 山崎 泰広
• 金额: $ 2.66万
• 依托单位: Chiba University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K03768/
• 关键词: 遮熱コーティング; 微粒子溶射; 組織構造制御; 熱応力緩和; 遮熱特性

耐熱構造材料では，熱伝導率の低減が内部熱応力を上昇させて損傷の加速や寿命低下を引き起こすため“高い熱伝導率”により“熱応力を抑制”することが善とされてきた．しかし，先進ガスタービンで不可欠となっている遮熱コーティングにおいては，低熱伝導率と内部熱応力の抑制の両立が求められる．本研究では，従来トレードオフの関係にある低熱伝導率化と内部熱応力の抑制の両立が可能かという命題に対して，遮熱コーティングを事例として取り上げ，新規開発した遮熱コーティングの遮熱性・耐久性を検討した．具体的には，YSZより低熱伝導率性を有するYbTa3O9を遮熱層とし，中間層としてHf6Ta2O17を用いたTBCについて検討した．そして，微粒子溶射法を適用することにより柱状組織を有する遮熱層を製膜することが可能であることを確認した．一方，成膜した新規遮熱コーティング（Yb/Hf材と呼ぶ）の耐熱サイクル性を評価したところ，従来TBCに比して剥離抵抗が大きく低下することが明らかとなった．これは中間層である Hf6Ta2O17層の熱応力緩和が不十分で，界面に過大な熱応力が生じたことが原因と考えられた．そこで，熱応力緩和機能を十分に発現し得る組織として，遮熱層はYbTa3O9のままとして中間層に柱状YSZ層を有する遮熱コーティング（Yb/YSZ材と呼ぶ）を準備した．そして，その耐熱サイクル性を検討した結果，従来TBCを凌駕し，Yb/Hf材に比べてYb/YSZ材が耐熱サイクル性に優れることを明らかにした．また，中間層とした柱状YSZ層の熱応力緩和性について，高エネルギーX線を用いた応力測定により確認した．更なる熱応力緩和機能を発現させるため，中間層に柱状YSZ層を製膜したのち，そのYSZ層状にさらに柱状Yb層を有する遮熱コーティング（柱状Yb/YSZ材と呼ぶ）の可能性について検討した．

The heat-resistant construction material is used, and the thermal conductivity is reduced, the internal heat resistance is increased, the damage is accelerated, and the service life is shortened. "High thermal conductivity" "High thermal conductivity" "Suppression of thermal resistance" "High thermal conductivity" "Suppression of thermal conductivity" "Suppression of thermal conductivity" "High thermal conductivity"しかし, advanced ガスタービンでcannot owe となっている热コーティングにおいては, low thermal conductivity and suppression of internal thermal force. In this study, the relationship between low thermal conductivity and internal thermal conductivity suppression and the establishment of a possible proposition are derived.して, heat-shielding コーティングをcase としてtakeり上げ, new regulations open 発したheat-shielding コーティングのheat-shielding properties and durability を検曰した. Specifically, YSZ has low thermal conductivity and has YbTa3O9 thermal shielding layer, and the intermediate layer has Hf6Ta2O17 and uses TBC.そして, the micro-particle spray method is applicable, the columnar structure is する, the heat shielding layer is formed, the film is formed, the possibility is confirmed, and the であることを is confirmed. On the other hand, review of heat-resistant film-forming film-forming heat-shielding film (Yb/Hf material film)価したところ, 従来 TBC に than して peeling resistance が大きく lower することが明らかとなった． The reason why the thermal resistance of the middle layer of the Hf6Ta2O17 layer is not relaxed enough is not very high, and the thermal resistance of the interface is too large.そこで, Thermal force easing function is very good, the structure is として, the heat shielding layer is YbTa3O9のままとThe middle layer is a columnar YSZ layer and the YSZ material is a heat-shielding material.そして, そのheat-resistant サイクル性を検question した results, 従来TBC をOVER し, Yb/H The f material is better than the Yb/YSZ material, which is heat-resistant and durable.また, としたThermal stress relaxation properties of the columnar YSZ layer in the middle layer について, high エネルギーX-ray を Use the いた応force measurement によりconfirmationした. Thermal force alleviation function is improved, the middle layer is a columnar YSZ layer, and the middle layer is a columnar YSZ layer, and the YSZ layer is a layered one. There is a possibility that the columnar Yb layer will be heat-shielding (columnar Yb/YSZ material).

项目成果

Relationship between the mechanical properties and structure of a suspension plasma-sprayed thermal barrier coating with columnar microstructure

• DOI: 10.1016/j.surfcoat.2022.128430
• 发表时间: 2022-04
• 期刊: Surface and Coatings Technology
• 影响因子: 5.4
• 作者: Y. Yamazaki;M. Morikawa;Tatsuya Hamaguchi;Y. Habu;Yuhei Ohide;Kai Takagi

Internal Stress Distribution in Suspension Plasma Sprayed Thermal Barrier Coating Subjected to in-plane Tensile Loading

面内拉伸载荷下悬浮液等离子喷涂热障涂层的内应力分布

• DOI: 10.11330/jtss.60.3
• 发表时间: 2023
• 期刊: Journal of Japan Thermal Spray Society
• 作者: 山崎 泰広;篠宮 啓介;奥村 忠晴;鈴木 賢治;菖蒲 敬久;中村 唯我
• 通讯作者: 中村 唯我

サスペンションプラズマ溶射TBCの耐熱サイクル特性と微視組織の関連性

悬浮等离子喷涂TBC热循环特性与显微组织的关系

• 发表时间: 2022
• 作者: Yamazaki Yasuhiro;Morikawa Masahiro;Hamaguchi Tatsuya;Habu Yoichiro;Ohide Yuhei;Takagi Kaito;奥村忠晴，篠宮啓佑，山崎泰広
• 通讯作者: 奥村忠晴，篠宮啓佑，山崎泰広

Effect of the microstructure of suspension plasma-sprayed thermal barrier coatings on their thermal cycling damage

• DOI: 10.1016/j.surfcoat.2023.129269
• 发表时间: 2023-01
• 期刊: Surface and Coatings Technology
• 影响因子: 5.4
• 作者: Y. Yamazaki;Keisuke Shinomiya;Tatsuya Hamaguchi;Y. Habu;Kai Takagi

ペロブストカイト型酸化物TBCの熱サイクル損傷挙動

钙钛矿型氧化物TBC的热循环损伤行为

• 发表时间: 2021
• 作者: Y. Yamazaki;K. Shinomiya;篠宮啓佑，山崎泰広，濱口竜哉，土生陽一郎，大井手雄平，高木海人;篠宮啓佑，山崎泰広，濱口竜哉，土生陽一郎，大井手雄平，高木海人
• 通讯作者: 篠宮啓佑，山崎泰広，濱口竜哉，土生陽一郎，大井手雄平，高木海人