↑他グループへはアイコンをクリック

超耐熱材料グループ

English

次世代ジェットエンジン、超高効率複合発電、コジェネレーションなどの熱効率向上とCO2排出削減を目的として、高性能Ni基超合金をはじめとした、各種超耐熱材料の研究を行っています。母相と析出相、結晶粒界などの界面制御やクリープ強度などの機械的特性の評価、開発合金に適したコーティングの開発を行うとともに、材料設計法を確立して低コスト・高パフォーマンスな合金の開発を促進します。

専門分野・研究対象

1. Ni基超合金および新プロセスによる超耐熱材料の開発
航空機のジェットエンジンや発電用ガスタービンにおける高出力・高効率化を目的として、高温での強度や耐酸化性に優れたNi基超合金を開発してきました。鍛造 (Wrought) による材料開発から精密鋳造 (CC) 、一方向凝固 (DS) を経て単結晶 (SC) による製造により、耐用温度が大幅に向上してきました (図1) 。Ni基単結晶合金の開発には、γ'相析出量とγ相/γ'相の格子定数ミスフィット等を制御することで析出硬化と界面転移網微細化による強化を図り、世界最高の耐用温度1117℃の合金開発に成功しています。今後は、更なる耐用温度の向上と実用化を目指します。
詳細は、材料のチカラ　コラム「超合金 (www.nims.go.jp/chikara/column/superalloy.html) 」をご覧ください。
また、母相と析出相との界面を制御および製造プロセスの改良により、ラメラー組織を制御した軽くて強い一方向凝固TiAl翼の実現を目指しています(図2)。

図3. 熱力学的平衡コーティング (EQコーティング) の開発

3. 合金設計および組織解析
組織解析や数値シミュレーションを基に材料設計を行い、開発合金の創製、評価を一貫して行います (図4) 。

図4. 合金設計および組織解析

With the aim of reducing CO₂ emission by improving the thermal efficiency of next generation jet-engines, ultra-high efficient combined cycle power generation, and cogeneration systems, our group is developing various ultra-high temperature heat resistant materials, including high performance Ni-base superalloys. The scope of our activities encompasses interfacial engineering at grain-boundaries and between the solid solution matrix (γ phase) and the coherent precipitates (γ’ phase), mechanical evaluation including creep strength study, coating development and most importantly, the design based approach to the development of low cost high performance alloys. In addition, recycling methods of our developed alloys have also been proposed to make the practical use of our materials feasible.

Specialized Research Field

1. Development of Ni-base Superalloys and new high temperature alloys
With the purpose of enhancing energy output and efficiency of jet-engines and power generation gas turbines, high temperature creep and oxidation resistant Ni-base superalloys have been developed. Over the decades, temperature capabilities have greatly enhanced (Fig. 1) as casting technologies transformed from wrought, to conventionally cast, directionally solidified and to the current single crystal form. In the development of single crystal Ni-base superalloys, with γ' volume fraction and lattice misfit of γ'/γ being tailored to enhance precipitation strengthening and refinement of interfacial dislocation network spacing, we have successfully developed a new alloy with World highest temperature capability of 1117°C and are working to achieve higher temperature capability. Concurrently, we are also working on achieving lightweight high strength directionally solidified TiAl blades with tailored lamellar structure by interfacial engineering of matrix and precipitated phases, and improved manufacturing processes (Fig. 2).

2. Development of the thermodynamic equilibrium coating (EQ coating)
A new coating system which does not form the harm layer in substrate and the coating interface has been developed basing on our new concept of using a material in thermodynamic equilibrium with the substrate (Fig. 3).

Fig. 3
Coating in equilibrium with substrate = EQ Coating

3. Alloy design, Simulation and Microstructure analysis
Alloy design, simulation and microstructure analysis are performed using empirical formulae based on database (Fig. 4).

Fig. 4
Alloy Design, Simulation and Microstructure Analysis