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％以上）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４年目にあたる平成８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。

（表8-5-1　高温材料の設計・開発に関する研究成果のまとめ）

8.5.2 平成８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

• 前年度開発した単結晶合金に対し最適な溶体化熱処理を選定した結果、強度特性等において既存の超合金と同等以上であることを確認した。
• ＦＲＣではＳｉＣの有機ハイブリッド織物、小穴ピン成形用織物等を試作し、冷却媒体の通路となる小孔の孔径分布や強度特性を明らかにした。

(2) ＯＤＳ合金冷却翼および遮熱コーティングの研究

• 基材のＯＤＳ合金上に施す遮熱コーティング部にトランスピレーション冷却モデルを考案し、コーティングはYSZ、アルミナおよびイットリアの３種を候補材料として選定し、成形・加工を行った。
• トランスピレーション冷却構造を付加した多孔質セラミックス遮熱コーティングの気孔率・流量特性等の冷却効率に関する基礎データを取得した結果、ＹＳＺが最も優れていることを明らかにした。

(3) 金属間化合物の研究開発

• 添加元素（Re、W、Al）について配合組成を決定し、ホットプレス条件の最適化により、ほぼ完全な合金化が可能になった。
• 高温強度評価試験を実施した結果、添加元素の影響はW>Al>Reで高温強度に効果があることを確認した。
• しかしながら、本材料は1700℃までの超高温条件への適用可能性が得られなかったことから、平成８年度をもって開発研究を終了することとした。

(4) セラミック系複合材料の開発

• 耐熱性・耐環境性改善のため、高緻密化したSiCマトリックスおよびBNコーティングを採用し、長時間の安定性を確認した。
• Al₂O₃、ZrO₂およびY₂O₃の耐食コーティングの酸化試験を実施し、Al₂O₃の質量増加が最も少なかったことを確認した。

(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

• BN界面材をベースにＣＭＣ（芯部材料）を試作し、室温曲げ強度、破壊靭性値を計測した。その結果、昨年度までの開発材と比較して強度特性が大きく改善されたことを確認した。
• 表面部材料（Al₂O₃）について、単結晶試験片を用いて1600℃における高温水蒸気環境下腐食試験を行った結果、重量変化等は認められず高温水蒸気環境下において化学的に安定であることを確認した。

(6) ３次元織物繊維強化複合材料の開発研究

• 繊維配向を変えてＣ／Ｃ・ＣＭＣの３次元織繊維強化複合材料を試作し、それぞれ2000℃および1200℃の超高温での曲げ試験を行い、曲げ強度に関するデータを取得した。
• CMC試験片を用いて熱衝撃試験を行い、耐熱衝撃性の向上を確認した。また、熱応力分布の解析的評価を行い、その強度と発生応力の相関性を明らかにした。

(7) 超高温材料基本特性評価技術の開発

• 力学特性では、レーザー顕微鏡による試験片表面のその場観察技術の検討を行い、高温（大気中・真空中）での観察が可能になった。
• 物理特性では、熱拡散率/放射率において、輻射熱の影響を受けない温度測定方法等を明らかにした。
• 化学特性では、高温水蒸気雰囲気酸化試験を現有設備を用いて実施し、焼結ＳｉＣにおいては1600℃、40％水蒸気雰囲気で極めて優れた高温化学特性を示すことを確認した。

（表8-5-2　超高温材料の試験・評価に関する研究成果のまとめ）

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、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等を明らかにしていく予定である。