北海道大学大学院工学研究院・工学院広報誌えんじにあRing　2014年1月号 ◆高温過酷環境から材料を守る：省エネルギー・低環境負荷に貢献する高温材料の技術

高温過酷環境から材料を守る：
省エネルギー・低環境負荷に貢献する高温材料の技術
Protection of materials against high-temperature harsh environments:
High-temperature materials contributing to saving energy and low environmental impact

［PROFILE］
○研究分野／高温腐食防食、耐熱・耐酸化合金、表面改質
○研究テーマ／耐酸化性を飛躍的に向上させるアルミナスケールの組織制御
○研究室ホームページ
　http://labs.eng.hokudai.ac.jp/labo/AHTM/

Shigenari Hayashi ： Associate Professor
Laboratory of Advanced High-Temperature Materials
Division of Materials Science and Engineering
○Research field : High-temperature oxidation and corrosion, Heat resistant alloys, Surface modification
○Research theme : Microstructural refinement of protective Al₂O₃ scale for improvement of high-temperature oxidation resistance
○Laboratory HP :
　http://labs.eng.hokudai.ac.jp/labo/AHTM/english/

目標は化石燃料の効率利用
超高温に耐えうる素材とは？

　我々の生活で用いられる動力や電力は化石燃料を燃やすことによって得られています。化石燃料を出来るだけ効率よく使うことは、化石燃料を使う期間を長くすることだけでなく、発生する二酸化炭素の量を減らすことができるため、今後の人類の発展に直結したとても重要なことです。
　化石燃料を燃やすことによって得られる熱を効率よく動力や電力に変換するには、とても高い温度で燃焼させることが必要です。例えば、先進のジェットエンジンにおける燃焼温度は1700℃を超える極めて高い温度です。このような高い温度で稼働する装置の構造材料となる耐熱合金は、高温でも十分な強さを有し、かつ燃焼ガスとの化学反応による高温酸化・腐食等の劣化が遅いという特性が必要です。

“さび”で“さび”を防ぐ
耐熱材料の自己防衛機能に着目

　そもそも金属材料は、自然界に一般的に存在する酸化物や硫化物に簡単に戻ってしまう性質を持っており、特に高温下ではその性質が顕著に表れ、機器の大きな損傷につながります（図1）。

図1 小型ガスタービンの燃焼器の損傷事例 Figure1:Damaged micro-gas turbine combuster.

　従って、高温ガス中で使用される機器を長期間に渡り安全に使うためには、耐熱合金と高温のガスの反応を防がなければなりません。その唯一の方法が、耐熱合金表面を保護酸化スケールと呼ばれる薄い酸化物の膜で覆うことです（図2(a)）。耐熱合金中には必ずアルミニウムやクロムが添加されており、高温燃焼ガス中でそれらは酸化され、アルミナ（酸化アルミニウム）やクロミア（酸化クロム）が化学的に生成します。実はこのアルミニウム、クロムたちが自ら率先して酸化され、保護酸化スケールとなることが、耐熱合金を機械的特性を損ねることなく高温のガス環境から守る役割を果たしているのです。
　耐熱合金の必須要件である高温強度は、添加される元素とその量に強く依存するため、アルミニウムやクロムを闇雲に添加することはできません。また、保護性スケールの組織も添加元素に強く依存し、それが特性に強く影響を与えます（図2(b)）。そのため、我々は、様々な元素の組み合わせや添加量、表面改質法を材料科学および物理化学に基づき選定し、アルミナやクロミアスケールの特性を飛躍的に向上させるための研究に取り組んでいます。

図2　保護性Al₂O₃スケールの一例
　　（a）Fe-Al合金上に形成したスケール
　　（b）Feコーティングにより表面を改質したFe-Al　合金上に形成したスケール Figure2:Protective Al₂O₃ scale formed on(a)Fe-Al oxidation resistant alloy(b)Surface modified Fe-Al alloy by Fe-coating.