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1400℃に耐える合金材料、火力発電のCO2削減へ期待

6/27(火) 9:10配信

スマートジャパン

 大阪大学は1400℃の高温に耐えられる、NbSi2(ニオブダイシリサイド)とMoSi2(モリブデンダイシリサイド)を組み合わせた合金について、実用化の障壁となっていた靱性(じんせい)と強度を同時に成功させることに成功した。Cr(クロム)とIr(イリジウム)に微量添加によるもので、世界初の成果だという。

 火力発電所のタービンなどに適用可能な、1400℃以上での高温使用に耐えられる超高温構造材料の開発が期待されている。さらなる高温環境下で利用できるタービンがあれば、全体のエネルギー効率を高められ、結果的にCO2排出量の削減につながるからだ。国内で排出されるCO2の約30%は火力発電所に由来する。熱効率を1%向上させるだけでも、大きなCO2排出量の削減が見込める。

 大阪大学 大学院工学研究科の萩原幸司准教授と中野貴由教授らの研究グループは、軽量、高融点を有する遷移金属シリサイドであるNbSi2とMoSi2を組み合わせた「複相シリサイド合金」を2000年初頭に開発し、実用化に向けた研究を進めている。複相シリサイド合金は、C40-NbSi2、C11b-MoSi2相が板状にそれぞれ交互に並んだラメラ組織と呼ぶ構造を有している。このラメラ組織によって、結晶方位の制御により、特定方向に延性(加工が可能な特性)を保持しつつ、かつ高い高温強度を示すという優れた特性から、複相シリサイド合金は次世代の超高温構造材料の候補材として注目されているという。だが、両相の界面がずれる方向などの特定の方向に力が負荷された際に、強度や靱性が低くなることが実用化への課題となっていた。

 今回研究グループは、この複相シリサイド合金にCrとIrを微量に同時添加し、高温処理を行ったところ「格子ラメラ組織」という構造が形成されることを世界で初めて発見。この材料の力学特性を評価したところ、従来の複相シリサイド合金で見られた優れた力学特性を保持しつつ、かつ特定方向への強度や靱性の低下を同時に抑制可能できることが分かった。

 この材料は1400℃という超高温度まで高強度を維持でき、現在飛行機ジェットエンジンのタービンブレードなどに使用されている耐熱合金であるNi(ニッケル)基超合金(耐容温度~1100℃)と置き換えることで、熱効率の向上によるCO2排出量の削減が期待できるとしている。研究グループは今後も耐久性の向上に向けた改良に取り組む方針だ。

 なお、今回の研究成果は英国の科学誌「Scientific Reports」に、日本時間の2017年6月21日に掲載された。