JP4542857B2 - 耐酸化性ユニット及び耐酸化性を付与する方法 - Google Patents
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Description
本発明の耐酸化性ユニット10は、耐酸化性を付与して保護しようとする構造体20と、この構造体20に耐酸化性を付与しあるいは耐酸化性を向上させる負電荷集積手段50とを備えている。本耐酸化性ユニット10および構造体20の使用環境は、特に限定しないが、約1100℃以上であることが好ましい、より好ましくは約1400℃以上、さらに好ましくは、約1500℃以上である。
図1に示すよう、耐酸化性ユニット10の構造体20は、電子伝導性領域32と、酸化物層42とを備えている。また、構造体20は、構造材料として基体22を備えている。
構造体20における基体22は、構造体20の基本的構造を構成可能な構造材料で構成されている。構造体20が耐熱性が要請される場合には、耐熱性構造材料で構成することができる。したがって、基体22としては、一般的に各種の構造部材や機械部品に用いられる金属材料、セラミックス材料及び複合材料等各種構造材料を使用することができる。
構造体20は、高温環境などに曝されて保護すべき側に電子伝導性領域32を備えていればよい。電子伝導性領域32は、図1〜3にに示すように、基体22自体であってもよいし、図4に示すように、基体22の表面に電子伝導性領域32を層状に備えていてもよい。電子伝導性領域32は、基体22の表面に直接備えられていてもよいし、別の層を介して備えられていてもよい。
構造体20は、電子伝導性領域32の表層側に酸化物層42を備えている。酸化物層42を備えることで所定の耐酸化性を期待できるとともに、酸化物層42自体の酸化を抑制でき、結果として、良好な耐食コーティング機能を維持できる。酸化物層42は、電子伝導性領域32の表面に直接備えられていてもよいが、電子伝導性領域32の表面に対して別の層を介して備えられていてもよい。本発明では、イオン導電性を発現したときにでも、効果的な耐酸化性を発揮できる。すなわち、酸化物層42は、構造体20の使用環境においてイオン導電性を発現する場合において、他の耐酸化性材よりも優れた耐酸化性を発揮する。したがって、少なくとも使用環境においてイオン導電性を発現する酸化物層42とすることが好ましい。酸化物層42がイオン導電性を発現すると、酸素や水蒸気などの雰囲気内の酸化種に電子を渡して酸素アニオンや水酸基アニオンとして酸化物層42の移動を許容するが、これらのアニオンは電子伝導性領域32およびその負電荷集積領域60によりブロックすることができるため、結果として効果的にこれらの酸化種による酸化を抑制できる。なお、「少なくとも使用環境においてイオン導電性を発現する」とは、耐酸化性ユニット10等を使用しようとする温度範囲の全範囲においてイオン導電性を発現することを意図するものではなく、使用温度範囲にイオン導電性を発現する温度を含んでいれば足りることを意味している。
構造体20は表層側から順に、酸化物層42、電子伝導性領域32を備えているが、他の層をさらに備えることもできる。例えば、酸化物層42よりも表層側に遮熱コーティング層を備えることもできるし、他の酸化物層などの耐酸化性層を設けることもできる。また、酸化物層42、電子伝導性領域32、基体22との間には、後述する負電荷の集積を妨げない程度に剥離を抑制し、熱膨張率を緩和し、あるいは良好な結合を確保するための1種あるいは2種以上の他の層を介在させることができる。該他の層が最表層を構成する場合、該他の層は酸化物層であることが好ましい。
耐酸化性ユニット10には、電子伝導性領域32に負電荷を集積させる負電荷集積手段50を備えている。負電荷集積手段50は、構造体20の電子伝導性領域32に負電荷を集積させた領域を形成する手段である。負電荷を集積させるとは、例えば、電子伝導性領域32の全体あるいは一部を負の電荷を付与あるいは偏在させることを意味している。このような手段の一つとして、図5に示すように、構造体20の電子伝導性領域32に対向状に電子伝導性体62を位置させる構成とすることができる。そして、この電子伝導性体62に正の電荷を付加することで静電誘導により、電子伝導性領域32と電子伝導性体62の間において、電子伝導性体62からから電子伝導性領域32に向かう電気力線を描くことのできる電場が形成される。この電場の形成により、電子伝導性領域32の電子伝導性体62に対向する領域(表層側)に容易に負電荷を集積させることができる。このような静電誘導によれば、電子伝導性体62の形状および/または配置によって、電子伝導性領域32の所望の位置に負の電荷を集積させることができるため、負電荷の集積領域60を構造体20の酸化部位に一致させることで、効果的に酸化を抑制することができる。具体的には、例えば、電子伝導性領域32に対向状に配置した金属などの電子伝導性体62を直流電圧電源63のプラス極に連結してこの電子伝導性体62に正の電荷を付与することができる。なお、電子伝導性体62に正の電荷を付与するには、他に公知の帯電手段を用いて電子伝導性体62を帯電させることができる。
することができる。また、例えば、図7に示すように、直流電圧電源65のマイナス極に電子伝導性領域32を接続し、そのプラス極に電子伝導性体62を接続するようにしてもよい。
(1)各種プラント関係
各種製造、エネルギー供給プラント等で使用されている内燃機関、ボイラー(過熱器官、管寄せ・主蒸気管、高温高圧バルブ等)、蒸気タービン・ガスタービン(高温ロータ、内車室、蒸気弁、低圧ロータ等)、熱交換器、改質器、配管、遮熱材、断熱材、固定部品等、800℃以上の高温にて使用される部位・部品の全て。
(2)輸送機器関係
各種自動車・車両、船舶、航空機、宇宙機器等で使用されている内燃機関、ボイラー(過熱器官、管寄せ・主蒸気管、高温高圧バルブ等)、蒸気タービン・ガスタービン(高温ロータ、内車室、蒸気弁、低圧ロータ等)、熱交換器、改質器、配管、遮熱材、断熱材、固定部品等、800℃以上の高温にて使用される部位・部品の全て。
(3)その他の施設・設備・機器
上記(1)、(2)以外の分野の各種施設・設備・機器等において、使用されている内燃機関、ボイラー(過熱器官、管寄せ・主蒸気管、高温高圧バルブ等)、蒸気タービン・ガスタービン(高温ロータ、内車室、蒸気弁、低圧ロータ等)、熱交換器、改質器、配管、遮熱材、断熱材、固定部品等、800℃以上の高温にて使用される部位・部品の全て。
図8に示す電気的反発力検証試験用接合試験片の作製手順を示す。この試験片は耐食コーティング材あるいは構造体(基体が電子伝導性を備える場合)に対応するものであり、酸化物層42としてAl2O3層、電子伝導性領域32あるいは電子伝導性領域32を有する基体22としてCoNiCrAlY合金を選択した。なお、負電荷集積手段の電子伝導性体62としては、Pt電極を採用した。
上記試験片をバーナーリグ試験装置に設置した後、Pt線を取り付けた面を空気冷却しながら、もう一方の面(Al2O3層が形成)のみを1100℃の燃焼ガス(プロパンと酸素の混合ガスを使用)に100時間曝露することにより耐酸化性評価試験を実施した。試験条件は,以下の3種類とした.
(a)CoNiCrAlY板に電位付加せず
(b)CoNiCrAlY板に−5Vの電位を付加
(c)CoNiCrAlY板に−5Vの電位を付加すると共に,試験片から50mmの位置にアース電極を設置
ここで,試験条件(b)及び(c)の場合は、試験片のPtリード取り出し部にPtペーストにてPtリード線を接続の上、Ptリード線端部を定電圧電源のマイナス極に接続した。また、定電圧電源の+極をアースに接続して所定の電圧を付加した。さらに、試験条件(c)の場合、試験片から50mmの間隔を隔てた条件でPt製の電極を配置の上、アースに接続した。ここで、試験条件(a)及び(b)は、本発明の比較例に相当し、試験条件(c)は本発明の実施例に相当する。
Claims (16)
- 800℃以上の温度の酸化性雰囲気の環境で使用される耐酸化性ユニットであって、
基体と、該基体に備えられ少なくとも前記使用環境において電子伝導性を示す電子伝導性領域と、該電子伝導性領域よりも前記基体に対して前記使用環境側に備えられる酸化物層と、を備える、構造体と、
前記電子伝導性領域内に負電荷を集積するための負電荷集積手段と、
を備える、
耐酸化性ユニット。 - 前記負電荷集積手段は、静電誘導によって前記電子伝導性領域内に負電荷を集積させる手段である、請求項1に記載のユニット。
- 前記負電荷集積手段は、前記構造体の前記電子伝導性領域に対向状に位置される電子伝導性体を備える、請求項2に記載のユニット。
- 前記負電荷集積手段によって形成される電界の電界強度は100V/m以上である、請求項3に記載のユニット。
- 前記電子伝導性領域および前記電子伝導性体の導電性は前記酸化物層の導電性の1000倍以上である、請求項3または4に記載のユニット。
- 前記電子伝導性領域および前記電子伝導性体の導電率は10−5S/m以上である、請求項3〜5のいずれかに記載のユニット。
- 前記電子伝導性領域は前記基体で構成される、請求項1〜6のいずれかに記載のユニット。
- 前記電子伝導性領域は前記基体の表面に層状に備えられる、請求項1〜6のいずれかに記載のユニット。
- 前記電子伝導性領域は、Ti,Ta,W,Ir,Pt系合金、Feに0〜1%C,0〜3%Si,0〜2%Mn,0〜30%Cr,0〜50%Ni,0〜10%Mo,0〜8%W,0〜5%Nb,0〜5%Ti,0〜2%Al,0〜0.2%B,0〜0.2%N,0〜1%V,0〜5%Cu,0〜0.3%Zrを添加した耐熱鋼およびFe基超合金、Feに0〜0.5%C,0〜2%Si,0〜5%Mn,0〜30%Cr,0〜50%Ni,0〜50%Co,0〜10%Mo,0〜8%W,0〜5%Nb,0〜5%Ti,0〜1%Al,0〜0.1%B,0〜0.2%N,0〜5%V,0〜5%Cuを添加したFe−Ni−Co−Cr系超合金、Coに0〜1%C,0〜2%Si,0〜2%Mn,0〜30%Ni,0〜30%Cr,0〜8%Mo,0〜20%W,0〜5%Nb,0〜10%Ta,0〜5%Ti,0〜0.5%Al,0〜5%Fe,0〜0.5%B,0〜2%Zrを添加したCo基超合金、MCrAlR合金(Mは、Ni、CoおよびFeの少なくとも1種であり、Rは希土類元素の少なくとも1種である)、TiC,TiN,TaC,TaN、LaCrO3及びLaCoO3からなる電子伝導性材料あるいはこれらの電子伝導性材料を基とする複合材料から構成される、請求項1〜8のいずれかに記載のユニット。
- 前記酸化物層は、Al2O3、Al2TiO5、TiO2、ZrO2、HfO2、ThO2、BeO2、MgO、Ta2O5、LaAlO3、CeO2及びY2O3からなる群から選択される1種あるいは2種以上の酸化物、これらの複酸化物あるいはこれらを基とする複合材料から構成される、請求項1〜9のいずれかに記載のユニット。
- 前記構造体の前記酸化物層の表層側に、さらに1あるいは2以上の層を備えている、請求項1〜10のいずれかに記載のユニット。
- 前記構造体はケーシング内部に備えられ、前記負電荷集積手段は前記ケーシングの内表面近傍に備えられる、請求項1〜11のいずれかに記載のユニット。
- 前記構造体はケーシングを構成し、前記負電荷集積手段は前記ケーシング内部に備えられる、請求項1〜12のいずれかに記載のユニット。
- 前記構造体は、内燃機関の構成部材である、請求項1〜13のいずれかに記載のユニット。
- 前記構造体はタービンである、請求項1〜14のいずれかに記載のユニット。
- 800℃以上の温度の酸化性雰囲気の環境で使用される基体に耐酸化性を付与する方法であって、
基体と、該基体に備えられ少なくとも前記使用環境において電子伝導性を示す電子伝導性領域と、該電子伝導性領域よりも前記基体に対して前記使用環境側に備えられる酸化物層と、を備える構造体に対して、負電荷集積手段により前記電子伝導性領域内に負電荷を集積させて前記基体に耐酸化性を付与する、方法。
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