8.5 超高温材料の開発

8.5.1 研究開発目標

　WE-NET計画では、水素利用技術の一つとして環境保全性に優れ、画期的な高効率（60％）が期待できる水素燃焼タービンの研究開発を行っている。そのため、開発に不可欠な各課題に対し、調査研究を行うとともに、パイロットプラント要素技術の開発に必要な基礎・基盤技術を確立する。超高温材料技術については、既存材料の改良や革新により、水素燃焼タービン部品への応用に必要な超高温材料を明らかにするため、各種材料の加工技術、材料特性評価ならびに構造設計適用の基礎的検討を行うことになっている。
　第I期（平成５〜10年度）の３年目にあたる平成７年度は、水素燃焼タービンへの適用可能性が期待される耐熱合金、金属間化合物、セラミック系複合材料および炭素系複合材料を対象に、平成５年度に抽出した技術的課題を踏まえ、材料設計・試作ならびに試験・評価を行い、これら超高温材料の基本特性と今後改善すべき問題点を明らかにした。

8.5.2 平成７年度の研究開発成果

(1)　高性能超合金単結晶およびハイブリッド冷却翼用材料の開発

• 高温強度の向上を目的に金属材料技術研究所が開発した単結晶合（TMS63Mod）ベースにCr無添加合金を８種類試作し、基礎特性を評価した。
• 中空多孔質の繊維強化セラミックス（FRC）として、SiC／有機ハイブリッド織物を用いた冷却孔の形成の他、小径孔形成ピンにより良好な冷却孔を形成した。

(2)　ＯＤＳ合金冷却翼および遮熱コーティングの研究

• ２種類の気孔率制御遮熱コーティングモデルのうち、耐環境性、冷却媒体の透過特性等から、セラミックス遮熱コーティングのみを多孔質にしたモデルを選定し、その流量特性・冷却効果の評価を行った。
• ＯＤＳ合金とセラミックス遮熱コーティングの間のボンド層材料候補として、耐環境性から、CoCrAlYを選定した。

(3)　金属間化合物の研究開発

• MoSi₂系金属間化合物の機械的性質、耐環境性を向上させる添加元素を検討し、Re、W、Alの3元素を選定し配合組成を決定した。
• 製造プロセスとしてホットプレスを採用し、試料の作製を行い、高温圧縮試験、高温耐酸化試験を実施した。

(4)　セラミック系複合材料の開発

• 窒化ボロンをコーティングしたSiC繊維（ハイニカロン）と緻密化処理したSiCマトッリクスによりCMCを試作し、高強度、高耐熱性を達成した。
• Al₂O₃、ZrO₂およびY₂O₃によるコーティング材を試作し、大気中加熱試験(1300℃）を行なって耐酸化特性を明らかにした。

(5)　セラミック系多重構造材料の開発および超高温複合環境下破壊挙動解析技術

• 導電性のあるTiN粒子を分散させ破壊検知機能を持たせたCMC（芯部材料）を試作し、電気抵抗変化によるき裂検出の可能性を確認した。
• 表面部材料として期待されるAl₂O₃等のコーティング膜を試作し、加熱方式を比較検討した水蒸気／水素高温環境下腐食試験方法を用いて耐食性を評価した。

(6)　３次元織物繊維強化複合材料の開発研究

• 強化繊維候補材を選定し、３種類の繊維配向で試作を行った。
• 強化繊維およびマトリックス候補材としてAl₂O₃を選定し、１種類の繊維配向で複合材を試作して熱衝撃性を評価した。

(7)　超高温材料基本特性評価技術の開発

• C／C材による高温（1600℃）での繰り返し荷重試験が可能なことを確認した。
• 超高温水蒸気／水素環境下腐食試験に用いる加熱方式の適用性を確認した。
• 熱的特性（熱拡散率、比熱、放射率）測定法の標準化のため、温度測定等を改善あるいは測定上の問題点を抽出した。
• 高温X線回折に用いる炭素系ヒータの実用化検討ならびに導電性材料への直接通電加熱の適用可能性を明らかにした。

8.5.3 今後の進め方及び課題

　引き続き水素燃焼タービンへの適用可能性が期待される耐熱合金、金属間化合物、セラミック系複合材料および炭素系複合材料を対象に、これまでに抽出した技術的課題をふまえ、材料設計・試作ならびに試験・評価を行い、これら超高温材料の基本特性等明らかにしていく予定である。