JPH093647A - Thermal stress relaxation type coated heat resistant structure part and its production - Google Patents

Thermal stress relaxation type coated heat resistant structure part and its production

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JPH093647A
JPH093647A JP15131095A JP15131095A JPH093647A JP H093647 A JPH093647 A JP H093647A JP 15131095 A JP15131095 A JP 15131095A JP 15131095 A JP15131095 A JP 15131095A JP H093647 A JPH093647 A JP H093647A
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JP
Japan
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heat
coating layer
tungsten
thermal stress
rhenium
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JP15131095A
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Japanese (ja)
Inventor
Shizuka Yamaguchi
山口  静
Yoshiyuki Kojima
慶享 児島
Noboru Baba
馬場  昇
Tsunehiko Takakusaki
常彦 高草木
Hiroyuki Itami
博幸 伊丹
Susumu Nakano
晋 中野
Kensho Matsuda
憲昭 松田
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Hitachi Ltd
Hitachi Nuclear Engineering Co Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
Hitachi Nuclear Engineering Co Ltd
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  • Aerodynamic Tests, Hydrodynamic Tests, Wind Tunnels, And Water Tanks (AREA)
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Abstract

PURPOSE: To provide thermal stress relaxation type coated heat resistant structure parts by relaxing the thermal stress in the heat resistant coating layer in which temp. distribution is formed so that it is higher in percentage in a cross-sectional radial or longitudinal direction and to improve the reliability of a plant and to provide a method thereof. CONSTITUTION: A coating layer 8 of heat resistant material is laminated on the surface of structure parts 6 by forming a columnar crystal structure 8a, a fine crystalline grain structure 8b, or the columnar crystal structure 8a and the fine crystalline grain structure 8b. This heat resistant coating layer 8 has a function of developing fine cracks in a film-thickness direction by the application of thermal stress and relaxing the thermal stress. By this method, the thermal stress relaxation type coated heat resistant structure parts, excellent in heat resistance and thermal shock resistance, can be produced.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、耐熱被覆層を設けた構
造体部品及びその製造方法に係り、特に、断面半径方
向、または長手方向に温度分布が形成されている中空円
筒,中実円筒,中空円板,中実円板状,軸対称的な構造
の中のいずれかの構造であり、且つ熱応力を受ける熱応
力緩和型被覆耐熱性構造体部品及びその製造方法に関す
るものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a structural part provided with a heat-resistant coating layer and a method for manufacturing the structural part, and more particularly to a hollow cylinder or a solid cylinder having a temperature distribution formed in a radial direction or a longitudinal direction of a cross section. The present invention relates to a thermally stress-relaxed coated heat-resistant structural component that has any one of a hollow disc, a solid disc shape, and an axially symmetric structure, and is subjected to thermal stress, and a method for manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来の断面半径方向に温度分布が形成さ
れている中空円筒,中空円板での応力発生状況を図9か
ら図18を用いて説明する。図9,図10は中空円筒1
の周囲をながれる流体2,3と中空円筒1の断面に発生
する温度分布の関係を示す。図11は内周が外周よりも
温度が高い場合に中空円筒に発生する断面肉厚方向応力
分布を示し、図12は同じ温度条件の場合の中空円板に
発生する断面肉厚方向応力分布を示す。図13は外周が
内周よりも温度が高い場合に中空円筒に発生する断面肉
厚方向応力分布を示し、図14は同じ温度条件の場合の
中空円板に発生する断面肉厚方向応力分布を示す。図1
5,図16は中空円板と中空円筒の中間に属する有限長
さの円筒の例であり、しかも、端面に曲率を有する軸対
称体の場合の温度,応力分布を示す。図17は内周高温
外周低温の場合、図18は内周低温外周高温の場合の内
周側,外周側に発生する熱応力とひずみの関係を示す。
2. Description of the Related Art A conventional stress generation condition in a hollow cylinder or a hollow disk having a temperature distribution formed in a radial direction of a cross section will be described with reference to FIGS. 9 and 10 show a hollow cylinder 1
2 shows the relationship between the fluids 2 and 3 flowing around and the temperature distribution generated in the cross section of the hollow cylinder 1. FIG. 11 shows the cross-sectional thickness direction stress distribution generated in the hollow cylinder when the inner circumference is higher in temperature than the outer circumference, and FIG. 12 shows the cross-section thickness direction stress distribution generated in the hollow disc under the same temperature condition. Show. FIG. 13 shows a cross-section thickness direction stress distribution generated in the hollow cylinder when the outer circumference is higher in temperature than the inner circumference, and FIG. 14 shows a cross-section thickness direction stress distribution generated in the hollow disc under the same temperature condition. Show. FIG.
5 and 16 show an example of a cylinder having a finite length which belongs to the middle of a hollow disk and a hollow cylinder, and shows the temperature and stress distribution in the case of an axisymmetric body having a curvature on the end face. FIG. 17 shows the relationship between thermal stress and strain generated on the inner and outer peripheral sides when the inner peripheral temperature is high and the outer peripheral temperature is low, and FIG. 18 is when the inner peripheral temperature is low.

【0003】各図中の符号は以下の内容を示している。
すなわち、1は円筒、2は高温流体、3は低温流体、4
は内周表面、5は円筒外周部である。
The symbols in each figure indicate the following contents.
That is, 1 is a cylinder, 2 is a high temperature fluid, 3 is a low temperature fluid, 4
Is the inner peripheral surface, and 5 is the outer peripheral portion of the cylinder.

【0004】図9,図10は中空円筒1の周囲を流れる
流体2,3と中空円筒1の断面に発生する温度分布の関
係を示す。図9は、基本的に円筒の内周表面4の温度が
円筒外周部5の温度よりも高い場合の条件を示してい
る。すなわち、図9(a)は円筒内部を流れる流体2が
円筒外周部5を流れる流体3よりも温度が高く、その結
果、円筒内周の温度は他の部分よりも高くなり、図中に
示したように半径方向の温度分布を示すものである。図
9(b)は円筒の温度が当初低く、急激に円筒内部に高
温の流体2が流れる場合の条件である。長時間経過する
と、断面全体は一定温度になるが、流体が流れ始めた当
初は、半径方向に温度分布ができる。図9(c)は円筒
の温度が高く、急激に円筒外周部に低温の流体3が流れ
る場合の条件である。図9(b)同様に、長時間経過す
ると、断面全体は一定温度になるが、流体の流れ始めた
当初は、半径方向に温度分布ができる。
9 and 10 show the relationship between the fluids 2 and 3 flowing around the hollow cylinder 1 and the temperature distribution generated in the cross section of the hollow cylinder 1. FIG. 9 basically shows conditions when the temperature of the inner peripheral surface 4 of the cylinder is higher than the temperature of the outer peripheral portion 5 of the cylinder. That is, in FIG. 9A, the temperature of the fluid 2 flowing inside the cylinder is higher than that of the fluid 3 flowing in the outer peripheral portion 5 of the cylinder, and as a result, the temperature of the inner peripheral portion of the cylinder is higher than the other portions. As described above, the temperature distribution in the radial direction is shown. FIG. 9B shows the condition when the temperature of the cylinder is initially low and the high-temperature fluid 2 suddenly flows inside the cylinder. After a long period of time, the temperature of the entire cross section becomes constant, but at the beginning of the flow of the fluid, a temperature distribution is formed in the radial direction. FIG. 9C shows the condition when the temperature of the cylinder is high and the low temperature fluid 3 suddenly flows to the outer peripheral portion of the cylinder. Similar to FIG. 9B, after a long time has passed, the entire cross section has a constant temperature, but at the beginning of the flow of the fluid, a temperature distribution is formed in the radial direction.

【0005】一方、図10は、基本的に円筒の内周表面
4の温度が円筒外周部5の温度よりも低い場合の条件を
示している。すなわち、図10(a)は円筒内部の流体
3が円筒外周部5を流れる流体2よりも温度が低く、そ
の結果、円筒内周の温度は他の部分より高くなり、図中
に示したような半径方向の温度分布を示すものである。
図10(b)は円筒の温度が当初低く、急激に円筒外周
に高温の流体2が流れる場合の条件である。長時間経過
すると、断面全体は一定温度になるが、流体が流れた当
初は、半径方向に温度分布ができる。図10(c)は円
筒の温度が当初高く、急激に円筒内周部に低温の流体3
が流れる場合の条件である。図10(b)と同様に、長時
間経過すると、断面全体は一定温度になるが、流体が流
れ始めた当初は、半径方向に温度分布ができる。
On the other hand, FIG. 10 shows conditions basically when the temperature of the inner peripheral surface 4 of the cylinder is lower than the temperature of the outer peripheral portion 5 of the cylinder. That is, in FIG. 10A, the temperature of the fluid 3 inside the cylinder is lower than that of the fluid 2 flowing in the outer peripheral portion 5 of the cylinder, and as a result, the temperature of the inner periphery of the cylinder becomes higher than the other portions, as shown in the figure. It shows the temperature distribution in the radial direction.
FIG. 10B shows the condition when the temperature of the cylinder is initially low and the high temperature fluid 2 rapidly flows around the outer circumference of the cylinder. After a long period of time, the entire cross section has a constant temperature, but at the beginning of the fluid flow, a temperature distribution is formed in the radial direction. In FIG. 10 (c), the temperature of the cylinder is initially high, and the low-temperature fluid 3 suddenly appears inside the cylinder.
Is a condition for flowing. Similar to FIG. 10B, after a long time has passed, the entire cross section has a constant temperature, but at the beginning of the flow of the fluid, a temperature distribution is formed in the radial direction.

【0006】中空円筒、及び中空円板に上述したような
温度分布が存在するときに、断面肉厚に発生する応力分
布を図11から図14に示す。図11,図12はそれぞ
れ円筒と円板について、内周の温度が高く、肉厚方向に
温度分布がある場合の弾性応力分布を示す。円筒,円板
共に、温度が高いために、内周は圧縮応力を示し、外周
は引張応力を示しているのが分かる。一方、図13,図
14は外周の温度が高い場合の弾性応力分布を示す。こ
の場合、内周は引張応力を示し、外周は圧縮応力を示し
ているのが分かる。
11 to 14 show stress distributions generated in the cross-section wall thickness when the above-mentioned temperature distribution exists in the hollow cylinder and the hollow disk. 11 and 12 show the elastic stress distributions of the cylinder and the disk, respectively, when the temperature of the inner circumference is high and the temperature distribution is in the thickness direction. It can be seen that both the cylinder and the disk have high temperatures, so that the inner circumference shows compressive stress and the outer circumference shows tensile stress. On the other hand, FIG. 13 and FIG. 14 show elastic stress distributions when the outer peripheral temperature is high. In this case, it can be seen that the inner circumference shows tensile stress and the outer circumference shows compressive stress.

【0007】さらに、図15は端面に曲率を有する有限
長さの円筒の軸対称の場合の温度分布を示す。曲率を有
する部分も高温流体の影響を受けるために、図に示すよ
うに内表面の形状にほぼ平行な温度を示している。その
結果、発生する熱応力も、図16に示すように、内表面
の形状にほぼ平行でしかも、内表面近くは圧縮応力,外
表面に近づくと引張応力になる。
Further, FIG. 15 shows a temperature distribution in the case of an axisymmetric cylinder having a finite length and having a curvature on the end face. Since the portion having the curvature is also affected by the high temperature fluid, the temperature is almost parallel to the shape of the inner surface as shown in the figure. As a result, the generated thermal stress is, as shown in FIG. 16, almost parallel to the shape of the inner surface, and has a compressive stress near the inner surface and a tensile stress near the outer surface.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】このように発生する熱
応力は、接触する流体によって半径方向の温度分布が変
化し、これによって、熱応力値も変化する。図11から
図14には、弾性応力値を示したが、半径方向の温度分
布が大きくなれば、発生する熱応力も大きくなる。図1
7,図18はそれぞれ内周高温外周低温の場合、内周低
温外周高温の場合の内周側,外周側に発生する熱応力ひ
ずみの関係を示す。熱応力が大きくなると、高温側では
体力が低いため、低温側に比し早期に塑性変形を生じ
る。
With respect to the thermal stress thus generated, the temperature distribution in the radial direction changes depending on the contacting fluid, and the thermal stress value also changes accordingly. Although the elastic stress values are shown in FIGS. 11 to 14, the larger the temperature distribution in the radial direction, the larger the generated thermal stress. FIG.
FIG. 7 and FIG. 18 show the relationship between the thermal stress strains generated on the inner peripheral side and the outer peripheral side when the inner peripheral temperature is high and the outer peripheral temperature is low, and when the inner peripheral temperature is low and the outer peripheral temperature is high. When the thermal stress is large, the physical strength is low on the high temperature side, so that plastic deformation occurs earlier than on the low temperature side.

【0009】その結果、発生する非弾性ひずみも大きく
なる。流体の流れがプラントの起動,停止によって繰返
されることにより、繰返し全ひずみ範囲も低温側に比
し、高温側の方が大きくなる。また、低サイクル疲労強
度も低温よりも高温雰囲気の方が低い。その結果、温度
の高い方の寿命が低くなり、繰返しの早期に熱疲労き裂
が発生することがあり、また、延性の低い材料であれ
ば、一回の負荷にてき裂が発生することになる。
As a result, the generated inelastic strain also becomes large. Since the fluid flow is repeated by starting and stopping the plant, the total cyclic strain range becomes larger on the high temperature side than on the low temperature side. The low cycle fatigue strength is also lower in the high temperature atmosphere than in the low temperature. As a result, the life at the higher temperature becomes shorter, thermal fatigue cracks may occur early in repetition, and if the material has low ductility, cracks may occur at one load. Become.

【0010】例えば、ピストンの移動によって管内に充
填された気体が圧縮される圧縮管と、該ピストンの駆動
源である高圧気体が貯蔵される高圧空気貯槽と、圧縮管
に接続され、ピストンの移動によって断熱圧縮された気
体によって圧縮される試験気体が充填される衝撃波管
と、衝撃波管端において圧縮された試験気体を膨張させ
て高速気流を発生させるノズルとノズル下流に設置され
るテストセクション及びダンプタンクとからなるフリー
ピストン型衝撃風洞装置において、試験気体の高速気流
に曝される衝撃波管端のスリーブ、及びノズル部のエン
ドプレート,ノズルスロートの構造体部品が高熱流速域
の運転条件において高寿命化を図る必要がある。
For example, a compression pipe for compressing the gas filled in the pipe by the movement of the piston, a high-pressure air storage tank for storing high-pressure gas which is a driving source of the piston, and a compression pipe are connected to move the piston. A shock wave tube filled with a test gas that is compressed by adiabatic compressed gas, a nozzle that expands the compressed test gas at the end of the shock wave tube to generate a high-speed airflow, and a test section and a dump installed downstream of the nozzle In a free-piston type shock wind tunnel device consisting of a tank, the shock tube end sleeve exposed to the high-speed air flow of the test gas, the end plate of the nozzle part, and the structural parts of the nozzle throat have a long life under operating conditions in the high heat flow rate region. Need to be promoted.

【0011】上記のように、熱応力及び繰返し熱応力に
より、構造体1にき裂が発生し、き裂が進展する恐れが
あり、したがって、高温流体の影響を受ける構造体部品
においては、き裂防止対策を施し、プラントの信頼性の
向上を図る必要がある。
As described above, due to the thermal stress and the repeated thermal stress, a crack may be generated in the structure 1 and the crack may be propagated. Therefore, in a structural part affected by the high temperature fluid, It is necessary to take measures to prevent cracks and improve the reliability of the plant.

【0012】つまり、断面半径方向、または長手方向に
温度分布が形成されている中空円筒,中実円筒,中空円
板,中実円板状、及び軸対称的に構造を示す構造体にお
いて、断面半径方向、または長手方向に温度分布が非常
に大きくなり、熱応力が大きくなり、き裂が発生すると
高温流体の気流に乱流を生じ、目的とする気流特性が得
られず、プラントの信頼性に大きな影響を与える。
That is, in a hollow cylinder, a solid cylinder, a hollow disc, a solid disc shape, and a structure having an axially symmetric structure, the cross section of which has a temperature distribution formed in the radial direction or the longitudinal direction of the cross section. When the temperature distribution becomes extremely large in the radial direction or the longitudinal direction, thermal stress becomes large, and cracks occur, turbulent flow occurs in the hot air flow, and the desired air flow characteristics cannot be obtained, resulting in plant reliability. Have a great influence on.

【0013】本発明の目的は、断面半径方向、または長
手方向に温度分布が形成されても、熱応力を低減させる
熱応力緩和型被覆耐熱性構造体部品及び製造方法を提供
し、プラントの信頼性を向上させることにある。
An object of the present invention is to provide a thermal stress relaxation type coated heat resistant structure part and a manufacturing method for reducing thermal stress even if a temperature distribution is formed in a radial direction or a longitudinal direction of a cross section, and a plant reliability. Is to improve the sex.

【0014】[0014]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本願第一発明は、温度分布が形成されている中空円
筒,中実円筒,中空円板,中実円板状,軸対称的な構造
のうちいずれかの構造であり、且つ熱応力を受ける構造
体部品において、高温側の温度を有する構造体部品の表
面に耐熱被覆層を設け、該耐熱被覆層は膜厚方向に対し
て柱状晶組織,微細結晶粒組織、あるいは柱状晶組織と
微細結晶粒組織の積層組織を呈し、該耐熱被覆層は熱応
力の負荷により膜厚方向にクラックを生じることを特徴
とする熱応力緩和型被覆耐熱性構造体部品としたもので
ある。
In order to achieve the above object, the first invention of the present application is a hollow cylinder, a solid cylinder, a hollow disk, a solid disk shape, and an axisymmetric shape in which a temperature distribution is formed. In any of the structures described above, which is subjected to thermal stress, a heat-resistant coating layer is provided on the surface of the structure component having a temperature on the high temperature side, and the heat-resistant coating layer is formed in the film thickness direction. A thermal stress relaxation type characterized by exhibiting a columnar crystal structure, a fine crystal grain structure or a laminated structure of a columnar crystal structure and a fine crystal grain structure, and the heat resistant coating layer causes cracks in the film thickness direction due to the load of thermal stress. It is a coated heat-resistant structure part.

【0015】本願第二発明は、耐熱被覆層の構成が柱状
晶組織のタングステン,柱状晶組織のレニウム,柱状晶
組織のニオブ,微細結晶粒組織のタングステン/レニウ
ム合金、あるいは該柱状晶組織のタングステン,レニウ
ム,ニオブの少なくとも一種の被覆層の上に微細結晶粒
組織のタングステン/レニウム合金,タングステン/ニ
オブ合金,ニオブ/レニウム合金の少なくとも一種から
なる被覆層を積層させた構成であるのがよい。
In the second invention of the present application, the heat-resistant coating layer has a columnar structure of tungsten, a columnar structure of rhenium, a columnar structure of niobium, a fine grain structure of tungsten / rhenium alloy, or a columnar structure of tungsten. It is preferable that a coating layer made of at least one of tungsten / rhenium alloy having a fine grain structure, tungsten / niobium alloy, and niobium / rhenium alloy is laminated on at least one coating layer of rhenium and niobium.

【0016】本願第三発明は、構造体部品は金属からな
り、その材質はCu,Ni,Mo,Feが好ましい。ま
た、それらの合金からなることが好ましい。
In the third invention of the present application, the structural component is made of metal, and the material thereof is preferably Cu, Ni, Mo, Fe. In addition, it is preferable to be made of those alloys.

【0017】本願第四発明は、構造体部品と耐熱被覆層
の境界部は、構造体部品と耐熱被覆層の材質成分を含有
した拡散層が形成されていることがよい。
In the fourth invention of the present application, a diffusion layer containing material components of the structural component and the heat resistant coating layer may be formed at the boundary between the structural component and the heat resistant coating layer.

【0018】本願第五発明は、耐熱被覆層は厚さが前記
構造体部品の断面の半径方向,長手方向に発生する圧縮
応力がゼロとなる位置近傍とすることがよい。
In the fifth invention of the present application, it is preferable that the heat resistant coating layer has a thickness in the vicinity of a position where the compressive stress generated in the radial direction and the longitudinal direction of the cross section of the structural component becomes zero.

【0019】本願第六発明は、温度分布が形成されてい
る中空円筒,中実円筒,中空円板,中実円板状,軸対称
的な構造のうちいずれかの構造であり、且つ熱応力を受
ける構造体部品において、高温側の温度を有する構造体
部品の表面に耐熱被覆層を設け、該耐熱被覆層のタング
ステン,レニウム,ニオブ、あるいはタングステン/レ
ニウム合金,タングステン/ニオブ合金,ニオブ/レニ
ウム合金はタングステン,レニウム、及びニオブのハロ
ゲンガスを水素ガスで還元して製造することとしたもの
である。
The sixth invention of the present application is any one of a hollow cylinder having a temperature distribution, a solid cylinder, a hollow disc, a solid disc shape, and an axisymmetric structure, and a thermal stress. In a structural part that receives heat, a heat-resistant coating layer is provided on the surface of the structural part having a temperature on the high temperature side, and the heat-resistant coating layer is made of tungsten, rhenium, niobium, or a tungsten / rhenium alloy, a tungsten / niobium alloy, a niobium / rhenium. The alloy is produced by reducing halogen gas of tungsten, rhenium and niobium with hydrogen gas.

【0020】本願第七発明は、耐熱被覆層を設けた構造
体部品は真空中、あるいは不活性ガス雰囲気中におい
て、600℃から2000℃の加熱保持の熱処理をして
製造することとしたものである。
In the seventh invention of the present application, the structural part provided with the heat-resistant coating layer is manufactured by subjecting the structural part to heat treatment at 600 ° C. to 2000 ° C. in vacuum or in an inert gas atmosphere. is there.

【0021】本願第八発明は、ピストンの移動によって
管内に充填された気体が圧縮される圧縮管と、該ピスト
ンの駆動源である高圧気体が貯蔵される高圧空気貯槽
と、圧縮管に接続され、ピストンの移動によって断熱圧
縮された気体によって圧縮される試験気体が充填される
衝撃波管と、衝撃波管端において圧縮された試験気体を
膨張させて高速気流を発生させるノズルとノズル下流に
設置されるテストセクション及びダンプタンクとからな
るフリーピストン型衝撃風洞装置において、前記試験気
体の高速気流に曝される前記衝撃波管の端のスリーブ及
びノズル部のエンドプレートとノズルスロートの表面部
に耐熱被覆層を設け、該耐熱被覆層は膜厚方向に対して
柱状晶組織,微細結晶粒組織あるいは柱状晶組織と微細
結晶粒組織の積層組織を呈し、該耐熱被覆層は熱応力の
負荷により膜厚方向に微細なクラックを生じるもので、
構成が柱状晶組織のタングステン,柱状晶組織のレニウ
ム,柱状晶組織のニオブ,微細結晶粒組織のタングステ
ン/レニウム合金、あるいは該柱状晶組織のタングステ
ン,レニウム,ニオブの少なくとも一種の被覆層の上に
微細結晶粒組織のタングステン/レニウム合金,タング
ステン/ニオブ合金,ニオブ/レニウム合金の少なくと
も一種からなる被覆層を積層した構成を特徴とするフリ
ーピストン型衝撃風洞装置としたものである。
The eighth invention of the present application is connected to a compression tube for compressing the gas filled in the tube by the movement of the piston, a high-pressure air storage tank for storing high-pressure gas that is a drive source of the piston, and a compression tube. , A shock wave tube filled with a test gas compressed by adiabatic compression by the movement of the piston, a nozzle for expanding the compressed test gas at the end of the shock wave tube to generate a high-speed airflow, and a nozzle installed downstream of the nozzle In a free-piston type impact wind tunnel device consisting of a test section and a dump tank, a heat-resistant coating layer is provided on the sleeve of the end of the shock tube and the end plate of the nozzle and the surface of the nozzle throat exposed to the high-speed air flow of the test gas. The heat-resistant coating layer has a columnar crystal structure, a fine crystal grain structure or a laminated set of a columnar crystal structure and a fine crystal grain structure in the film thickness direction. The exhibits, heat-resistant coating layer intended to produce a fine cracks in the film thickness direction by the load of the thermal stress,
On the coating layer of tungsten having a columnar structure, rhenium having a columnar structure, niobium having a columnar structure, tungsten / rhenium alloy having a fine grain structure, or at least one coating layer of tungsten, rhenium, and niobium having the columnar structure. A free piston type impact wind tunnel device having a structure in which a coating layer made of at least one of a tungsten / rhenium alloy having a fine grain structure, a tungsten / niobium alloy, and a niobium / rhenium alloy is laminated.

【0022】[0022]

【作用】本発明の構成と作用を説明する。The structure and operation of the present invention will be described.

【0023】本発明では、構造体部品の表面に熱応力を
緩和する作用の高融点材料からなる耐熱性の被覆層を形
成する。被覆層の厚さは熱応力の発生により生じる圧縮
応力がゼロとなる領域の厚さにすることにより、被覆層
と構造体部品の境界部における応力の集中による剥離な
どの損傷を防げる。
In the present invention, a heat-resistant coating layer made of a high melting point material having a function of relaxing thermal stress is formed on the surface of the structural component. The thickness of the coating layer is set to a region where the compressive stress generated by the generation of thermal stress becomes zero, so that damage such as peeling due to concentration of stress at the boundary portion between the coating layer and the structural component can be prevented.

【0024】耐熱被覆層は熱応力の負荷よりは膜厚方向
に微細なクラックを生じることにより緩和する。そのた
め、被覆層の組織は膜厚方向に対して柱状晶組織、ある
いは微細結晶粒組織、さらには柱状晶組織と微細結晶粒
組織の積層組織を呈しているようにしたものである。
The heat-resistant coating layer relaxes by generating fine cracks in the film thickness direction rather than the load of thermal stress. Therefore, the structure of the coating layer has a columnar crystal structure or a fine crystal grain structure in the film thickness direction, or a laminated structure of a columnar crystal structure and a fine crystal grain structure.

【0025】耐熱性は高融点材料を用いることで確保す
る。それにはセラミックス,金属間化合物,高融点金属
などがあるが、高温域での靭性に優れている高融点金属
が望ましい。すなわち、熱衝撃などにより大きな熱応力
が発生した際に、脆性材料のセラミックスなどは破壊し
て損傷する可能性がある。高融点金属としては高温域に
おいて強度の高い材質としてタングステン,レニウム,
ニオブ、及びタングステン/レニウム合金,タングステ
ン/ニオブ合金,ニオブ/レニウム合金がよい。
The heat resistance is ensured by using a high melting point material. There are ceramics, intermetallic compounds, refractory metals, etc., but refractory metals that are excellent in toughness at high temperatures are desirable. That is, when a large thermal stress is generated due to thermal shock or the like, the brittle material such as ceramics may be broken and damaged. As refractory metals, materials with high strength in the high temperature range are tungsten, rhenium,
Niobium, tungsten / rhenium alloy, tungsten / niobium alloy, and niobium / rhenium alloy are preferable.

【0026】これを被覆層として形成する方法は、高純
度で緻密な被膜が得られる化学気相蒸着法(CVD:Chemi
cai Vaper Deposition)がよい。処理は、加熱保持され
た構造体部品である基材の表面に原料ガスのタングステ
ン,レニウムあるいはニオブのハロゲン化物ガス(WF
6 ,ReF6 ,NbF5 )と水素ガスを供給し、還元反
応させることできる。被覆時の基材温度は、例えばタン
グステン/レニウム合金の場合では250から600℃
であり、特に被膜生成速度を大きく、かつ均一な微細組
織を得るためには、400〜500℃の温度範囲が最適
である。基板温度が200℃以下では生成する膜が不均
一な形態の膜となる。また、基板温度が600℃以上に
なると添加元素のレニウムの含有量が少なくなるために
微細組織が得られない。なお、成膜速度を大きくするた
めにはCVD圧力が常圧に近いことが好ましい。また、
微細組織のW−Re合金に含まれるReの量は2.5 〜
26wt%であることが微細組織形成上好ましい。
As a method for forming this as a coating layer, a chemical vapor deposition method (CVD: Chemi) capable of obtaining a highly pure and dense coating film is obtained.
cai Vaper Deposition) is good. The treatment is performed by heating the surface of the base material, which is a structural component heated and held, with a source gas of tungsten, rhenium or niobium halide gas (WF).
6 , ReF 6 , NbF 5 ) and hydrogen gas can be supplied to carry out a reduction reaction. The substrate temperature during coating is, for example, 250 to 600 ° C. in the case of tungsten / rhenium alloy.
The temperature range of 400 to 500 ° C. is optimum for obtaining a uniform fine structure with a particularly high film formation rate. When the substrate temperature is 200 ° C. or lower, the formed film has a non-uniform form. Further, when the substrate temperature is 600 ° C. or higher, the content of the additional element rhenium decreases, and a fine structure cannot be obtained. The CVD pressure is preferably close to normal pressure in order to increase the film formation rate. Also,
The amount of Re contained in the microstructured W-Re alloy is 2.5-
It is preferably 26 wt% from the viewpoint of forming a fine structure.

【0027】それぞれの製造条件を満足することで、タ
ングステン,レニウムあるいはニオブの被覆層は柱状晶
組織となり、またタングステン/レニウム合金,タング
ステン/ニオブ合金,ニオブ/レニウム合金は微細結晶
粒組織が得られる。ここで柱状晶組織とは、被覆のまま
で結晶粒径が0.1から10.0μm程度である。この柱
状晶組織は、熱応力の負荷により膜厚方向に微細なクラ
ックを生じる。これにより応力を緩和する作用を果た
す。また微細結晶粒組織とは、被覆のままで結晶粒径が
0.2から0.7μm程度である。通常の粉末焼結で鍛
造,線引き加工した材料は、1300から1500℃の
温度で結晶粒径が50から100μm程度に成長して脆
化するのに対して、例えば、本発明の被覆層のタングス
テン/レニウム合金は、1300から1500℃の温度
まで微細結晶粒組織は殆ど変化しない。より高温の16
00から2000℃の温度で結晶の成長が観察される
が、その場合においても結晶粒径は10μm以下で小さ
く、高温に加熱しても成長しにくい特徴がある。柱状晶
組織と微細結晶粒組織の積層構造の組織の場合は、柱状
晶組織は熱応力の負荷よりは膜厚方向に微細なクラック
を生じ、これにより応力を緩和する。そして、微細結晶
粒組織が高温に加熱しても成長しにくいため、クラック
の成長を抑える効果がある。
By satisfying the respective manufacturing conditions, the tungsten, rhenium or niobium coating layer has a columnar crystal structure, and the tungsten / rhenium alloy, the tungsten / niobium alloy and the niobium / rhenium alloy have a fine crystal grain structure. . Here, the columnar crystal structure means a crystal grain size of about 0.1 to 10.0 μm as coated. This columnar crystal structure causes fine cracks in the film thickness direction due to the load of thermal stress. This serves to relieve stress. The fine crystal grain structure means a crystal grain size of about 0.2 to 0.7 μm as coated. The material forged and drawn by ordinary powder sintering grows at a temperature of 1300 to 1500 ° C. to have a crystal grain size of about 50 to 100 μm and becomes brittle, whereas, for example, tungsten of the coating layer of the present invention is used. In the / rhenium alloy, the fine grain structure hardly changes from 1300 to 1500 ° C. Hotter 16
Crystal growth is observed at a temperature of 00 to 2000 ° C., but even in that case, the crystal grain size is as small as 10 μm or less, and there is a characteristic that it is difficult to grow even when heated to a high temperature. In the case of a structure having a layered structure of a columnar crystal structure and a fine crystal grain structure, the columnar crystal structure causes fine cracks in the film thickness direction rather than the load of thermal stress, thereby relaxing the stress. Since the fine crystal grain structure is hard to grow even when heated to a high temperature, it has an effect of suppressing the growth of cracks.

【0028】したがって、この被覆層のタングステン/
レニウム合金,タングステン/ニオブ合金,ニオブ/レ
ニウム合金は高熱流速域の条件に曝されて、600〜20
00℃の高温に加熱されて熱応力の負荷を受けても、耐熱
性,強度の低下などを防止して性能の向上に有効に作用
するため、高負荷のニーズに対応した耐熱性被覆部品に
なる。
Therefore, the tungsten /
Rhenium alloys, tungsten / niobium alloys, and niobium / rhenium alloys are exposed to high heat flux conditions,
Even when it is heated to a high temperature of 00 ° C and subjected to thermal stress, it effectively prevents the deterioration of heat resistance and strength and improves performance, making it a heat-resistant coated component that meets the needs of high loads. Become.

【0029】これらの作用は、基材がCu,Ni,M
o,Fe、及びそれらの合金においても同様である。例
えば、耐熱性より熱伝導性を重視して熱伝導の良いCu
あるいはCu合金等を基材とし、この上に耐熱被覆層を
CVDで形成しても良い。しかし、耐熱被覆部品は、使
用用途により材質が使いわけられているため、材質によ
って被覆のための前処理,中間層の形成、さらには後処
理の工夫は、必要であるが、本発明はそれを限定するも
のではない。
These functions are based on the fact that the base material is Cu, Ni, M.
The same applies to o, Fe, and alloys thereof. For example, Cu, which has good thermal conductivity, with emphasis on thermal conductivity rather than heat resistance
Alternatively, a heat resistant coating layer may be formed by CVD using a Cu alloy or the like as a base material. However, since the heat-resistant coated parts are made of different materials depending on the intended use, it is necessary to devise a pretreatment for coating, formation of an intermediate layer, and further post-treatment depending on the material. Is not limited.

【0030】以上の構成により、Cu,Ni,Mo,F
e、及びそれらの合金などの金属からなる基材上に耐熱
性,密着性,耐久性が優れた熱応力緩和型の耐熱被覆層
が得られ、それからなる熱応力緩和型被覆耐熱構造体部
品が得られる。
With the above structure, Cu, Ni, Mo, F
A heat stress relaxation type heat resistant coating layer having excellent heat resistance, adhesion and durability is obtained on a base material made of a metal such as e and alloys thereof, and a heat stress relaxation type coated heat resistant structure part made of the same is obtained. can get.

【0031】また、フリーピストン型衝撃風洞装置の試
験気体の高速気流に曝される衝撃波管端のスリーブ、及
びノズル部のエンドプレート,ノズルスロートを熱応力
緩和型被覆耐熱性構造体部品とすることにより、高熱流
速域の運転条件において高寿命化を図れる。
Further, the sleeve at the end of the shock wave tube exposed to the high-speed air flow of the test gas of the free-piston type shock wind tunnel device, the end plate of the nozzle portion, and the nozzle throat are made to be thermal stress relaxation type coated heat-resistant structural parts. As a result, the life can be extended under the operating conditions in the high heat flow rate region.

【0032】[0032]

【実施例】以下、本発明を実施例により説明する。The present invention will be described below with reference to examples.

【0033】(実施例1)本実施例では、秒速数kmの
速度を有する気流を供給するフリーピストン型衝撃風洞
装置の、高温高圧の試験気体の高速流に曝される構造体
部品への適用例である。
(Embodiment 1) In this embodiment, a free piston type impact wind tunnel device for supplying an air flow having a velocity of several kilometers per second is applied to a structural part exposed to a high-speed flow of a high-temperature high-pressure test gas. Here is an example.

【0034】宇宙往還機が大気圏に再突入する際に受け
る空力加熱状態を、地上実験設備で実現するためには秒
速数kmの速度の気流を発生させる必要がある。この秒
速数kmの速度の気流を発生させるためには、風洞の貯
気槽状態として、約一万度,一千気圧の高エンタルピー
状態を作り出さなければならない。この種の高温高圧状
態は衝撃波を利用して達成される。実験設備として衝撃
波を発生させるものに衝撃波管がある。衝撃波管は高圧
状態の駆動ガスにより、低圧状態の試験ガスを圧縮する
もので、高圧ガスが低圧ガス側に膨脹するときに発生す
る衝撃波により低圧ガスを圧縮し、更に低圧ガスの衝撃
波管端側でこの衝撃波が反射するときに高温高圧状態が
発生する。この時の圧力及び温度の上昇は、管内を伝ぱ
する衝撃波の強さによって決まる。衝撃波の強さは高圧
側と低圧側のガスの圧力比と音速比に依存する。圧力比
が同じなら音速比を大きくしたほうがより高エンタルピ
ー状態を発生し易い。この目時の為に駆動側のガスには
通常ヘリウムが用いられる。フリーピストン型風洞では
ピストンによる圧縮作用によってヘリウムを高温高圧状
態にして、これを駆動ガスとして用い、衝撃波管端側で
高エンタルピー状態の試験気体を得る。
In order to realize the aerodynamic heating state that the space shuttle receives when it re-enters the atmosphere, it is necessary to generate an airflow at a speed of several km per second. In order to generate an air flow at a speed of several kilometers per second, it is necessary to create a high enthalpy state of about 10,000 degrees and 1,000 atmospheric pressure as a storage state of a wind tunnel. This kind of high temperature and high pressure state is achieved by utilizing shock waves. There is a shock tube as an experimental facility that generates a shock wave. The shock wave tube compresses the low pressure test gas by the high pressure driving gas, compresses the low pressure gas by the shock wave generated when the high pressure gas expands to the low pressure gas side, and further the shock wave tube end side of the low pressure gas. Therefore, when this shock wave is reflected, a high temperature and high pressure state occurs. The increase in pressure and temperature at this time is determined by the strength of the shock wave propagating in the tube. The strength of the shock wave depends on the pressure ratio and the sound velocity ratio of the gas on the high pressure side and the gas on the low pressure side. If the pressure ratio is the same, it is easier to generate a high enthalpy state by increasing the sound velocity ratio. For this purpose, helium is usually used as the driving gas. In a free-piston type wind tunnel, helium is brought into a high-temperature and high-pressure state by the compression action of a piston, and this is used as a driving gas to obtain a test gas with a high enthalpy state at the end of the shock tube.

【0035】図4はフリーピストン型風洞装置の一例で
その概略を示した断面図である。図5は図4の第二隔膜
近傍部の詳細構造を示すもので、本実施例ではこのノズ
ルスロートが本発明の熱応力緩和型被覆耐熱性構造体部
品からなるものである。図4で、ピストン12によって
ヘリウムガスを圧縮する圧縮管10と、その圧縮された
ヘリウムによって試験気体(本実施例では空気ガスであ
る)を圧縮する衝撃波管16と、衝撃波管端に発生した
高エンタルピー状態の試験気体を膨張させて秒速数km
の速度の気流を発生させる超音速ノズル17と試験モデ
ル25が設置され試験状態が観測されるテストセクショ
ン24,テストセクション下流に設置されるダンプタン
ク26で構成される。また、圧縮管と衝撃波管の間に
は、ヘリウムガスと試験気体を仕切る第一隔膜19が設
置されており、衝撃波管と超音速ノズルの間には第二隔
膜20が設置されている。この第二隔膜は、図5の詳細
構造で見ると、衝撃波管端のスリーブ21とエンドプレ
ート22,ノズルスロート23で保持されている。な
お、圧縮管10には衝撃波管16の接続側と反対側にピ
ストン12を駆動するための高圧空気を供給する高圧空
気貯槽11が設置されている。
FIG. 4 is a sectional view showing an outline of an example of a free piston type wind tunnel device. FIG. 5 shows a detailed structure of the vicinity of the second diaphragm of FIG. 4, and in this embodiment, this nozzle throat is composed of the thermal stress relaxation type coated heat resistant structural member of the present invention. In FIG. 4, a compression tube 10 for compressing helium gas by a piston 12, a shock wave tube 16 for compressing a test gas (air gas in this embodiment) by the compressed helium, and a high pressure generated at the end of the shock wave tube. The test gas in the enthalpy state is expanded and the speed is several km per second.
The supersonic nozzle 17 for generating the air flow of the following speed, the test model 25 is installed and the test section 24 in which the test state is observed and the dump tank 26 installed downstream of the test section are configured. A first diaphragm 19 for partitioning the helium gas and the test gas is installed between the compression tube and the shock wave tube, and a second diaphragm 20 is installed between the shock wave tube and the supersonic nozzle. The second diaphragm is held by the sleeve 21 at the end of the shock tube, the end plate 22 and the nozzle throat 23 when viewed in detail in FIG. A high-pressure air storage tank 11 for supplying high-pressure air for driving the piston 12 is provided on the compression tube 10 on the side opposite to the connection side of the shock wave tube 16.

【0036】ダンプタンク26を真空状態にして、衝撃
波管内の試験気体と圧縮管内のヘリウムを所定の圧力に
設定した後に高圧空気貯槽から高圧空気をピストンの背
面に供給してピストンを駆動させる。ピストン駆動によ
って圧縮管内のヘリウムは圧縮され高温高圧状態にな
る。ヘリウムの圧力が第一隔膜の破裂圧力に達すると、
高温高圧のヘリウムガスは第一隔膜を通過して圧縮管内
に流入して試験気体を圧縮する。高温高圧の試験気体は
第二隔膜を通過して超音波ノズルにより膨張して高速流
を発生する。
The dump tank 26 is evacuated, the test gas in the shock wave tube and the helium in the compression tube are set to a predetermined pressure, and then high pressure air is supplied from the high pressure air tank to the back surface of the piston to drive the piston. The helium in the compression tube is compressed by the piston drive and becomes a high temperature and high pressure state. When the pressure of helium reaches the burst pressure of the first diaphragm,
The high temperature and high pressure helium gas passes through the first diaphragm and flows into the compression tube to compress the test gas. The high temperature and high pressure test gas passes through the second diaphragm and is expanded by the ultrasonic nozzle to generate a high speed flow.

【0037】この際、第二隔膜近傍部の構造体部品は、
高温高圧の試験気体の高速流に曝される。そのため、こ
れらの構造体部品の高速流に曝され表面は高エネルギー
の熱流速を受け、その結果大きな熱応力を生じる。
At this time, the structural parts near the second diaphragm are
Exposed to a high-speed stream of high-temperature, high-pressure test gas. Therefore, the surfaces exposed to the high-speed flow of these structural parts are subjected to a high-energy heat flow rate, resulting in large thermal stress.

【0038】本実施例では、ノズルスロートの表面に耐
熱被覆層を設けた熱応力緩和型被覆耐熱性構造体部品で
構成した。すなわち、ノズルスロートの基材をMo合金
(Ti,Zr含有)とし、この表面に耐熱被覆層を設け
た。表1に耐熱被覆層の仕様を示す。
In this embodiment, a heat-stress-releasing coated heat-resistant structural component having a heat-resistant coating layer on the surface of the nozzle throat is used. That is, the base material of the nozzle throat was made of Mo alloy (containing Ti and Zr), and the heat resistant coating layer was provided on the surface thereof. Table 1 shows the specifications of the heat resistant coating layer.

【0039】[0039]

【表1】 [Table 1]

【0040】耐熱被覆層の材質は、1.タングステン,
2.レニウム,3.タングステン−レニウム,4.タン
グステンとタングステン−レニウムを積層した4種類と
し、その厚さを約0.5mmと1.3mmの2種類とし、CV
D法で被覆した。CVDは、先ず基材を水素ガス雰囲気
中で450℃に加熱し、次いでWF6 、あるいはReF6
またはWF6 とReF6 とを含む混合ガスを基材上に導
入して行った。処理中は均一な被覆をするために約10
rpm で基材を回転した。回転しながら耐熱被覆層を形成
した後、1100℃での真空熱処理を1時間行った。こ
の熱処理は、不活性ガス雰囲気中で実施しても良い。こ
の時の微細結晶粒組織の粒径は0.9 から4.5μm で
あった。次にこのノズルスロートをフリーピストン型衝
撃風洞装置に組込み、運転条件として熱流速を3条件設
定し、3回の繰返しの実負荷試験を行った。評価は、試
験後の外観観察,表面の電子顕微鏡観察,切断した断面
の光学顕微鏡組織観察により行った。表1に試験結果を
まとめたものを示す。その結果は、本発明の熱応力緩和
型被覆耐熱性構造体部品のノズルスロートでは、柱状晶
組織のタングステン、あるいはレニウムのみの場合は熱
流速が大きくなると大きなクラックが生じたが、微細結
晶粒組織のタングステン−レニウム、あるいはタングス
テンとタングステン−レニウムを積層したものは、高熱
流速において表面に微細なクラックがランダムに形成さ
れたものの気流性能に悪影響のない表面粗さ、及びクラ
ックの幅のサイズであった。したがって、高熱流速域の
試験が可能であった。なお、この被覆層であっても、厚
さが薄い場合には被覆層の剥離が見られた。Wでは、貯
気状態25MJ/kgのときは、厚さ0.5及び1.3mmの
相方で剥離したが、20MJ/kgのときには厚さ1.3m
m で剥離しなかった。W/Reの場合には、貯気状態2
0,25MJ/kgのとき、厚さ0.5mm で剥離し、厚さ
1.3mm で剥離しなかった。WとW/Reの積層のもの
についても、貯気状態20,25MJ/kgのとき、厚さ
W(0.2mm),W−Re(0.3mm)で剥離し、厚さ
(0.6mm),W−Re(0.7mm)のとき剥離しなかっ
た。この様に20,25MJ/kgのときおおよそ厚さ
0.6mm 以上で剥離しないことがわかった。これは急激
な温度勾配による熱応力発生の範囲内に、構造体部品で
ある基材と被覆層の界面があったために、大きな応力に
耐えられなかったものである。なお、従来例としては比
較品のMo材,Mo合金Ti,Zr含有),W合金(C
u−W,Ni−W)は低熱流速での試験では損傷はなか
ったが、熱流速が大きくなるとMo材あるいはMo合金
では円周方向及び気流方向の斜め方向にもクラックが見
られ、これは試験回数の増加で成長した。また、断面組
織では表面から1mm程度の領域で結晶粒が粗大化した再
結晶組織を呈しているので観察された。したがって、こ
の領域はMo材が再結晶する千数百℃の温度域に加熱さ
れる条件に曝されたことが分かった。W合金は外観では
クラックの発生とともに、表面形態が粗くなっている状
況が観察された。断面組織でこれは融点の低いCu及び
Niの組成部分が溶融し、損耗していた。
The material of the heat resistant coating layer is 1. tungsten,
2. Rhenium, 3. Tungsten-rhenium, 4. There are four kinds of laminated tungsten and tungsten-rhenium, and there are two kinds of thickness of about 0.5 mm and 1.3 mm, and CV
Coated by method D. In CVD, the substrate is first heated to 450 ° C. in a hydrogen gas atmosphere, and then WF 6 or ReF 6 ,
Alternatively, a mixed gas containing WF 6 and ReF 6 was introduced onto the base material. Approximately 10 for uniform coating during processing
The substrate was spun at rpm. After forming the heat resistant coating layer while rotating, vacuum heat treatment was performed at 1100 ° C. for 1 hour. This heat treatment may be performed in an inert gas atmosphere. At this time, the grain size of the fine grain structure was 0.9 to 4.5 μm. Next, this nozzle throat was incorporated into a free piston type impact wind tunnel device, three heat flow rates were set as operating conditions, and an actual load test was repeated three times. The evaluation was performed by observing the appearance after the test, observing the surface with an electron microscope, and observing the cut cross section with an optical microscope. Table 1 shows a summary of the test results. As a result, in the nozzle throat of the thermal stress relaxation type coated heat-resistant structure part of the present invention, a large crack was generated when the heat flow rate was increased in the case of only the columnar structure of tungsten or rhenium, but the fine grain structure The tungsten-rhenium or the tungsten-tungsten-rhenium laminate has a surface roughness that does not adversely affect the air flow performance even though fine cracks are randomly formed on the surface at a high heat flow rate, and a crack width size. It was Therefore, the test in the high heat flux region was possible. Even with this coating layer, peeling of the coating layer was observed when the thickness was thin. In the case of W, when the stored state was 25 MJ / kg, the layers separated with a thickness of 0.5 and 1.3 mm, but at 20 MJ / kg, the thickness was 1.3 m.
It did not peel off at m. In the case of W / Re, the stored state 2
At 0.25 MJ / kg, it peeled at a thickness of 0.5 mm and did not peel at a thickness of 1.3 mm. Also for the laminate of W and W / Re, when the stored state is 20, 25 MJ / kg, peeling with thickness W (0.2 mm) and W-Re (0.3 mm), thickness (0.6 mm ) And W-Re (0.7 mm), no peeling occurred. Thus, it was found that when the thickness was 20 and 25 MJ / kg, peeling did not occur at a thickness of 0.6 mm or more. This is because the interface between the base material, which is the structural component, and the coating layer was within the range where the thermal stress was generated due to the rapid temperature gradient, so that the large stress could not be endured. As conventional examples, comparative Mo materials, Mo alloys containing Ti and Zr), W alloys (C
u-W, Ni-W) was not damaged in the test at a low heat flow rate, but when the heat flow rate became large, cracks were observed in the Mo material or Mo alloy in the circumferential direction and the oblique direction of the air flow direction. It grew with the increase in the number of tests. Further, the cross-sectional structure was observed because it exhibited a recrystallized structure in which crystal grains were coarsened in a region of about 1 mm from the surface. Therefore, it was found that this region was exposed to the condition of being heated to the temperature range of several thousand and several hundred degrees Celsius where the Mo material was recrystallized. In appearance, the W alloy was observed to have cracks and a rough surface morphology. As for the cross-sectional structure, the composition parts of Cu and Ni having a low melting point were melted and worn.

【0041】これらの従来の材料からなるノズルスロー
トでは、大きなクラックの存在、あるいは表面粗さの増
大のために、気流の流れに乱れを生じてしまう。このた
めに、以後の運転はできなくなり、高熱流束域での試験
はできないことになる。
The nozzle throat made of these conventional materials causes turbulence in the air flow due to the presence of large cracks or an increase in surface roughness. For this reason, the subsequent operation cannot be performed, and the test in the high heat flux region cannot be performed.

【0042】以上のように、本発明の熱応力緩和型被覆
耐熱性構造体部品のノズルスロートは、高熱流束域での
運転条件においても従来材料による部品に比べて優れた
特性が得られ、風洞の性能ならびにプラントの信頼性を
向上させるものである。
As described above, the nozzle throat of the thermal stress relaxation type coated heat resistant structure part of the present invention has excellent characteristics as compared with the parts made of the conventional materials even under the operating conditions in the high heat flux region. It improves the performance of the wind tunnel and the reliability of the plant.

【0043】(実施例2)図7は図4,図5の衝撃波管
端にあるスリーブ21の詳細を示すもので、本実施例で
はこのスリーブが本発明の熱応力緩和型被覆耐熱性構造
体部品から成るものである。スリーブの基材はニッケル
−クローム−鉄合金(インコネル)とし、内周面に図3
の耐熱被覆層を設けた。耐熱被覆層はタングステン−レ
ニウムで、その厚さは圧縮応力が発生している範囲より
深く、約1.2mm とした。このスリーブを用いて、実施
例1と同様にフリーピストン型衝撃風洞装置に組込み、
運転条件としてエンタルピーの値を25MJ/kgで、3
回繰返しの実負荷試験を行った。その結果、表面に微細
なクラックがランダムに形成されたものの気流性能に悪
影響のない表面粗さ、及びクラックの幅のサイズであっ
た。したがって、高熱流速域の試験が可能であった。
(Embodiment 2) FIG. 7 shows the details of the sleeve 21 at the end of the shock tube of FIGS. 4 and 5. In this embodiment, this sleeve is a thermal stress relaxation type heat-resistant structure of the present invention. It consists of parts. The base material of the sleeve is a nickel-chromium-iron alloy (Inconel), and the inner peripheral surface of FIG.
The heat-resistant coating layer was provided. The heat-resistant coating layer was tungsten-rhenium, and its thickness was about 1.2 mm, which was deeper than the range where compressive stress was generated. Using this sleeve, as in Example 1, incorporated into a free piston type impact wind tunnel device,
Enthalpy value of 25 MJ / kg as operating condition is 3
An actual load test was performed repeatedly. As a result, the surface roughness was such that fine cracks were randomly formed on the surface, but the airflow performance was not adversely affected, and the size of the width of the cracks. Therefore, the test in the high heat flux region was possible.

【0044】以上のように、本発明の熱応力緩和型被覆
耐熱性構造体部品のスリーブは、高熱流速域での運転条
件においても従来材料による部品に比べて優れた特性が
得られ、風洞の性能ならびにプラントの信頼性を向上さ
せるものである。
As described above, the sleeve of the heat-stress-releasing type coated heat-resistant structure part of the present invention has excellent characteristics compared with parts made of conventional materials even under operating conditions in a high heat flow rate region, and the sleeve of the wind tunnel It improves performance and reliability of the plant.

【0045】(実施例3)図8は図4,図5のエンドプ
レートの詳細を示すもので、本実施例ではこのエンドプ
レートの衝撃波管端側面が本発明の熱応力緩和型被覆耐
熱性構造体部品からなるものである。エンドプレートの
基材はCuとし、この衝撃波管端側面に図1の耐熱被覆
層を設けた。耐熱被覆層はタングステンとタングステン
−レニウムを積層したもので、その厚さは圧縮応力が発
生している範囲より深く、それぞれ約0.6mm とした。
このエンドプレートを用いて、実施例1と同様にフリー
ピストン型衝撃風洞装置に組込み、運転条件としてエン
タルピーの値を25MJ/kgで、3回の繰返しの実負荷
試験を行った。その結果、表面に微細なクラックがラン
ダムに形成されたものの気流性能に悪影響のない表面粗
さ、及びクラックの幅のサイズであった。したがって、
高熱流束域の試験が可能であった。
(Embodiment 3) FIG. 8 shows the details of the end plate of FIGS. 4 and 5. In this embodiment, the side surface of the end plate of the shock tube is a thermal stress relaxation type heat resistant structure of the present invention. It consists of body parts. The base material of the end plate was Cu, and the heat-resistant coating layer of FIG. 1 was provided on the side surface of the end of the shock tube. The heat-resistant coating layer was a stack of tungsten and tungsten-rhenium, and the thickness thereof was deeper than the range in which compressive stress was generated, and was about 0.6 mm each.
Using this end plate, it was incorporated into a free piston type impact wind tunnel apparatus in the same manner as in Example 1, and an actual load test was repeated three times with an enthalpy value of 25 MJ / kg as an operating condition. As a result, the surface roughness was such that fine cracks were randomly formed on the surface, but the airflow performance was not adversely affected, and the size of the width of the cracks. Therefore,
It was possible to test the high heat flux region.

【0046】以上のように、本発明の熱応力緩和型被覆
耐熱性構造体部品のエンドプレートは、高熱流速域での
運転条件においても従来材料による部品に比べて優れた
特性が得られ、風洞の性能ならびにプラントの信頼性を
向上させるものである。
As described above, the end plate of the thermal stress relaxation type coated heat-resistant structure part of the present invention has excellent characteristics as compared with the part made of the conventional material even under the operating condition in the high heat flow rate region, and the wind tunnel Performance and plant reliability.

【0047】[0047]

【発明の効果】温度分布が形成される構造体部品の熱応
力を低減させることが出来るという効果を生じる。ま
た、熱応力を低減できる熱応力緩和型被覆耐熱性構造体
部品及びその製造方法が提供できる。
EFFECT OF THE INVENTION The effect that the thermal stress of the structural component in which the temperature distribution is formed can be reduced is produced. Further, it is possible to provide a thermal stress relaxation type coated heat-resistant structure part capable of reducing thermal stress and a method for manufacturing the same.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の熱応力緩和型被覆耐熱性構造体部品の
断面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view of a thermal stress relaxation type coated heat resistant structure part of the present invention.

【図2】本発明の熱応力緩和型被覆耐熱性構造体部品の
断面図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view of a thermal stress relaxation type coated heat resistant structure part of the present invention.

【図3】本発明の熱応力緩和型被覆耐熱性構造体部品の
断面図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view of a thermal stress relaxation type coated heat resistant structure part of the present invention.

【図4】フリーピストン型風洞装置の一例でその概略を
示した断面図である。
FIG. 4 is a sectional view schematically showing an example of a free piston type wind tunnel device.

【図5】図4の第二隔膜近傍部の部分拡大断面図であ
る。
5 is a partially enlarged cross-sectional view of the vicinity of the second diaphragm of FIG.

【図6】図5のノズルスロートの部分拡大断面図であ
る。
6 is a partial enlarged cross-sectional view of the nozzle throat of FIG.

【図7】図5の衝撃波管端にあるスリーブの部分拡大図
である。
7 is a partial enlarged view of a sleeve at the end of the shock tube of FIG.

【図8】図5のエンドプレートの部分拡大図である。8 is a partially enlarged view of the end plate of FIG.

【図9】中空円筒の半径方向の温度分布発生状況(内周
が高温の場合)を説明する図。
FIG. 9 is a diagram for explaining a situation where a temperature distribution occurs in the radial direction of the hollow cylinder (when the inner circumference is hot).

【図10】中空円筒の半径方向の温度分布発生状況(外
周が高温の場合)を説明する図。
FIG. 10 is a diagram for explaining a situation where a temperature distribution occurs in the radial direction of a hollow cylinder (when the outer circumference is hot).

【図11】中空円筒に発生する断面肉厚方向応力分布
(内周が高温の場合)を説明する特性図。
FIG. 11 is a characteristic diagram for explaining a stress distribution in the cross-section thickness direction (when the inner circumference is at a high temperature) generated in the hollow cylinder.

【図12】中空円板に発生する断面肉厚方向応力分布
(内周が高温の場合)を説明する特性図。
FIG. 12 is a characteristic diagram illustrating a stress distribution in the thickness direction of a cross section (when the inner circumference is at a high temperature) generated in a hollow disc.

【図13】中空円筒に発生する断面肉厚方向応力分布
(外周が高温の場合)を説明する特性図。
FIG. 13 is a characteristic diagram illustrating a stress distribution in the cross-section thickness direction (when the outer circumference is at a high temperature) that occurs in the hollow cylinder.

【図14】中空円板に発生する断面肉厚方向応力分布
(外周が高温の場合)を説明する特性図。
FIG. 14 is a characteristic diagram illustrating a stress distribution in the thickness direction of a cross section (when the outer circumference is at a high temperature) generated in a hollow disc.

【図15】中空円筒で端面に曲率を有する軸対称の場合
の温度分布を説明する図。
FIG. 15 is a diagram illustrating a temperature distribution in the case of an axisymmetric hollow cylinder having an end surface having a curvature.

【図16】中空円筒で端面に曲率を有する軸対称の場合
の応力分布を説明する図。
FIG. 16 is a diagram illustrating a stress distribution in the case of an axisymmetric hollow cylinder having an end surface having a curvature.

【図17】内周高温外周低温の場合の内、外周の熱応力
とひずみの関係を説明する図。
FIG. 17 is a diagram for explaining the relationship between the thermal stress and strain of the inner circumference when the inner circumference is high temperature and the outer circumference is low temperature.

【図18】内周低温外周低温の場合の内、外周の熱応力
とひずみの関係を説明する図。
FIG. 18 is a diagram for explaining the relationship between the thermal stress and strain of the outer circumference in the case where the inner circumference temperature is low and the outer circumference temperature is low.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…円筒、2…高温流体、3…低温流体、4…内周表
面、5…円筒外周部、6…基材、7…境界層、8…耐熱
被覆層、8a…微細柱状晶組織、8b…微細結晶粒組
織、10…圧縮管、11…高圧空気貯槽、12…ピスト
ン、13…減圧排気系接続配管、14…高圧空気供給配
管、15…大気排気管、16…衝撃波管、17…超音速
ノズル、18…慣性質量、19…第一隔膜、20…第二
隔膜、21…スリーブ、22…エンドプレート、23…
ノズルスロート、24…テストセクション、25…試験
モデル、26…ダンプタンク。
1 ... Cylinder, 2 ... High temperature fluid, 3 ... Low temperature fluid, 4 ... Inner peripheral surface, 5 ... Cylinder outer peripheral portion, 6 ... Substrate, 7 ... Boundary layer, 8 ... Heat resistant coating layer, 8a ... Fine columnar crystal structure, 8b ... fine crystal grain structure, 10 ... compression tube, 11 ... high pressure air storage tank, 12 ... piston, 13 ... decompression exhaust system connection pipe, 14 ... high pressure air supply pipe, 15 ... atmospheric exhaust pipe, 16 ... shock wave tube, 17 ... super Sonic nozzle, 18 ... Inertial mass, 19 ... First diaphragm, 20 ... Second diaphragm, 21 ... Sleeve, 22 ... End plate, 23 ...
Nozzle throat, 24 ... Test section, 25 ... Test model, 26 ... Dump tank.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 児島 慶享 茨城県日立市大みか町七丁目1番1号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 馬場 昇 茨城県日立市大みか町七丁目1番1号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 高草木 常彦 茨城県日立市幸町三丁目1番1号 株式会 社日立製作所日立工場内 (72)発明者 伊丹 博幸 茨城県日立市幸町三丁目1番1号 株式会 社日立製作所日立工場内 (72)発明者 中野 晋 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 松田 憲昭 茨城県日立市幸町三丁目2番2号 日立ニ ュークリアエンジニアリング株式会社内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Keiho Kojima 7-1-1 Omika-cho, Hitachi-shi, Ibaraki Hitachi Ltd. Hitachi Research Laboratory (72) Inventor Noboru Baba 7-chome, Omika-cho, Hitachi-shi, Ibaraki Hitachi, Ltd. Hitachi Research Laboratory, No. 1 (72) Inventor, Tsunehiko Takasagi, 1-1, Sachimachi, Hitachi City, Ibaraki Prefecture Hitachi Ltd., Hitachi, Ltd. (72) Hiroyuki Itami, Hitachi City, Ibaraki Prefecture 3-1, 1-1 Kochimachi Hitachi Ltd. Hitachi factory (72) Inventor Susumu Nakano 502 Jintamachi, Tsuchiura-shi, Ibaraki Prefecture Hiritsu Works Co., Ltd. Mechanical Research Laboratory (72) Inventor Noriaki Matsuda Hitachi-shi, Ibaraki Prefecture 3-2, Sachimachi Hitachi Hitachi Engineering Co., Ltd.

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】温度分布が形成されている中空円筒,中実
円筒,中空円板,中実円板状軸対称的な構造の中のいず
れかの構造であり、且つ熱応力を受ける構造体部品にお
いて、高温側の温度を有する構造体部品の表面に耐熱被
覆層を設け、該耐熱被覆層は膜厚方向に対して柱状晶組
織,微細結晶組織あるいは柱状晶組織と微細結晶粒組織
の積層組織を呈し、該耐熱被覆層は熱応力の負荷により
膜厚方向にクラックを生じることを特徴とする熱応力緩
和型被覆耐熱性構造体部品。
1. A structure having any one of a hollow cylinder, a solid cylinder, a hollow disc, and a solid disc-shaped axisymmetric structure in which a temperature distribution is formed and which is subjected to thermal stress. In the component, a heat-resistant coating layer is provided on the surface of the structural component having a temperature on the high temperature side, and the heat-resistant coating layer has a columnar crystal structure, a fine crystal structure or a lamination of a columnar crystal structure and a fine crystal grain structure in the film thickness direction. A thermal stress relaxation type coated heat-resistant structural part characterized in that the heat-resistant coating layer exhibits a texture and cracks are generated in the film thickness direction due to the load of thermal stress.
【請求項2】前記耐熱被覆層は、被覆層の構成が柱状晶
組織のタングステン,柱状晶組織のレニウム,柱状晶組
織のニオブ,微細結晶粒組織のタングステン/レニウム
合金、あるいは該柱状晶組織のタングステン,レニウ
ム,ニオブの少なくとも一種からなる被覆層の上に微細
結晶粒組織のタングステン/レニウム合金,タングステ
ンテン/ニオブ合金,ニオブ/レニウム合金の少なくと
も一種からなる被覆層を積層させた構成であることを特
徴とする請求項1記載の熱応力緩和型被覆耐熱性構造体
部品。
2. The heat-resistant coating layer comprises a columnar structure of tungsten, a columnar structure of rhenium, a columnar structure of niobium, a fine grain structure of tungsten / rhenium alloy, or a columnar structure of tungsten. A coating layer made of at least one of tungsten / rhenium alloy, tungsten ten / niobium alloy, and niobium / rhenium alloy having a fine grain structure is laminated on a coating layer made of at least one of tungsten, rhenium, and niobium. The thermal stress relaxation type coated heat-resistant structure part according to claim 1.
【請求項3】前記被覆層を設ける前記構造体部品は金属
からなり、該金属はCu,Ni,Mo,Feのうち少な
くとも一種あるいは、Cu,Ni,Mo,Feのうち少
なくとも一種を含む合金からなることを特徴とする請求
項1に記載の熱応力緩和型被覆耐熱性構造体部品。
3. The structural component provided with the coating layer is made of metal, and the metal is made of at least one of Cu, Ni, Mo and Fe or an alloy containing at least one of Cu, Ni, Mo and Fe. The thermal stress relaxation type coated heat-resistant structure part according to claim 1, wherein
【請求項4】前記構造体部品と前記耐熱被覆層の境界部
は、前記構造体部品と前記耐熱被覆層の材質成分を含有
した拡散層が形成されていることを特徴とする請求項1
に記載の熱応力緩和型被覆耐熱性構造体部品。
4. A diffusion layer containing a material component of the structural component and the heat resistant coating layer is formed at a boundary portion between the structural component and the heat resistant coating layer.
The heat-stress-releasing coated heat-resistant structure part according to.
【請求項5】前記耐熱被覆層は、厚さが前記構造体部品
の断面の半径方向又は、長手方向に発生する圧縮応力が
ゼロとなる位置近傍とすることを特徴とする請求項1に
記載の熱応力緩和型被覆耐熱性構造体部品。
5. The heat-resistant coating layer has a thickness near a position where a compressive stress generated in a radial direction or a longitudinal direction of a cross section of the structural part becomes zero. Thermal stress relaxation type coated heat resistant structure parts.
【請求項6】温度分布が形成されている中空円筒,中実
円筒,中空円板,中実円板状軸対称的な構造の中のいず
れかの構造であり、且つ熱応力を受ける構造体部品の製
造方法において、高温側の温度を有する構造体部品の表
面に耐熱被覆層を設け、該耐熱被覆層であるタングステ
ン,レニウム,ニオブ,タングステン/レニウム合金,
タングステン/レオブ合金,ニオブ/レニウム合金のう
ちのいずれかは、タングステン,レニウム又はニオブの
ハロゲンガスを水素ガスで還元して被覆したことを特徴
とする熱応力緩和被覆耐熱性構造体部品の製造方法。
6. A structure having any one of a hollow cylinder, a solid cylinder, a hollow disk, and a solid disk-shaped axisymmetric structure in which a temperature distribution is formed and which is subjected to thermal stress. In the method of manufacturing a component, a heat-resistant coating layer is provided on the surface of a structure component having a temperature on the high temperature side, and the heat-resistant coating layer is made of tungsten, rhenium, niobium, a tungsten / rhenium alloy,
One of the tungsten / rheobium alloy and the niobium / rhenium alloy is coated by reducing the halogen gas of tungsten, rhenium or niobium with hydrogen gas, and a method for producing a heat-stress relaxing coated heat-resistant structural component. .
【請求項7】前記構造体部品は、真空中あるいは不活性
ガス雰囲気中において、600℃から2000℃の過渡
範囲で加熱保持する熱処理を施すことを特徴とする請求
項6記載の熱応力緩和型被覆耐熱性構造体部品の製造方
法。
7. The thermal stress relaxation type according to claim 6, wherein the structural component is subjected to a heat treatment of heating and holding it in a transient range of 600 ° C. to 2000 ° C. in a vacuum or an inert gas atmosphere. A method for manufacturing a coated heat-resistant structure part.
【請求項8】ピストンの移動によって管内に充填された
気体が圧縮される圧縮管と、該ピストンの駆動源である
高圧気体が貯蔵される高圧空気貯槽と、圧縮管に接続さ
れピストンの移動によって断熱圧縮された気体によって
圧縮される試験気体が充填される衝撃波管と、衝撃波管
端において圧縮された試験気体を膨張させて高速気流を
発生させるノズルと、ノズル下流に設置されるテストセ
クション及びダンプタンクとを有するフリーピストン型
衝撃風洞装置において、前記試験気体の高速気流に曝さ
れる前記衝撃波管の端のスリーブ及びノズル部のエンド
プレートとノズルスロートの表面部に耐熱被覆層を設
け、該耐熱被覆層は膜厚方向に対して柱状晶組織,微細
結晶組織あるいは柱状晶組織と微細結晶粒組織の積層組
織を呈し、該耐熱被覆層は熱応力の負荷により膜厚方向
にクラックを生じることを特徴とするフリーピストン型
衝撃風洞装置。
8. A compression pipe for compressing gas filled in the pipe by movement of the piston, a high-pressure air storage tank for storing high-pressure gas that is a driving source of the piston, and a movement of the piston connected to the compression pipe. A shock tube filled with a test gas that is compressed by adiabatic compressed gas, a nozzle that expands the compressed test gas at the end of the shock tube to generate a high-speed airflow, and a test section and a dump installed downstream of the nozzle. In a free-piston type impact wind tunnel device having a tank, a heat-resistant coating layer is provided on the surface of the sleeve at the end of the shock tube and the end plate of the nozzle and the surface of the nozzle throat exposed to the high-speed air flow of the test gas. The coating layer exhibits a columnar crystal structure, a fine crystal structure or a laminated structure of a columnar crystal structure and a fine crystal grain structure in the film thickness direction, and Layer free-piston type shock tunnel and wherein the resulting cracks in the film thickness direction by the load of the thermal stress.
【請求項9】前記スリーブ及びノズル部のエンドプレー
ト,ノズルスロートの耐熱被覆層は、被覆層の構成が柱
状晶組織のタングステン,柱状晶組織のレニウム,柱状
晶組織のニオブ,微細結晶粒組織のタングステン/レニ
ウム合金、あるいは該柱状晶組織のタングステン,レニ
ウム,ニオブの一種類以上の被覆層の上に微細結晶組織
のタングステン/レニウム合金,タングステン/ニオブ
合金,ニオブ/レニウム合金の少なくとも一種類以上か
らなる被覆層を積層させた構成であることを特徴とする
請求項8記載のフリーピストン型衝撃風洞装置。
9. The heat-resistant coating layer of the sleeve, the end plate of the nozzle portion, and the nozzle throat is composed of tungsten having a columnar crystal structure, rhenium having a columnar crystal structure, niobium having a columnar crystal structure, and fine crystal grain structure. Tungsten / rhenium alloy, or at least one or more of tungsten / rhenium alloy, tungsten / niobium alloy, and niobium / rhenium alloy having a fine crystal structure on one or more coating layers of tungsten, rhenium, and niobium having the columnar crystal structure 9. The free-piston type impact wind tunnel device according to claim 8, wherein the coating layer is formed by laminating the following coating layers.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2018507320A (en) * 2014-12-23 2018-03-15 ポスコPosco Plated steel sheet having excellent adhesion and method for producing the same

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JP2018507320A (en) * 2014-12-23 2018-03-15 ポスコPosco Plated steel sheet having excellent adhesion and method for producing the same

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