高温材料とクリープ
ガスタービンの翼に施す遮熱コーティング(TBC)の構成についての説明として正しいものはどれか。
- A熱伝導率の低いYSZのトップコートの下にMCrAlYなどのボンドコートを置き、その界面の薄いAl₂O₃の熱成長酸化物(TGO)が母材の酸化を防ぐ
- Bトップコートには熱伝導率の高い緻密なアルミナを使い、翼の熱を速く外へ逃がして金属の温度を下げ、その下のボンドコートで母材との熱膨張差を吸収する
- CトップコートのYSZが酸素をまったく通さないので、ボンドコートは不要で、YSZを母材に直接吹き付けるだけで母材の酸化と熱の両方を同時に防げる
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正解：A. 熱伝導率の低いYSZのトップコートの下にMCrAlYなどのボンドコートを置き、その界面の薄いAl₂O₃の熱成長酸化物(TGO)が母材の酸化を防ぐ
TBCは、翼の内部を冷却空気で冷やしながら、表面の断熱層で金属の温度を下げる被膜です。トップコートのYSZ(イットリア部分安定化ジルコニア)は熱伝導率が約1〜2 W/(m·K)と低く、セラミックスとしては熱膨張係数が大きい材料です。多孔質の溶射膜や柱状の蒸着膜にして、母材との熱膨張差によるひずみを逃がします。YSZは酸化物イオンをよく通すので酸素を止められず、ボンドコートのAlが酸化して薄いAl₂O₃のTGOができ、これが母材の酸化を防ぎます。TGOが厚くなったり熱サイクルを受けたりすると、その付近からトップコートがはく離することが、寿命を決める主な原因です。熱伝導率の高い材料では断熱の役目を果たせません。