JPH093647A

JPH093647A - 熱応力緩和型被覆耐熱性構造体部品及びその製造方法

Info

Publication number: JPH093647A
Application number: JP15131095A
Authority: JP
Inventors: 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
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Nuclear Engineering Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Nuclear Engineering Co Ltd
Priority date: 1995-06-19
Filing date: 1995-06-19
Publication date: 1997-01-07

Abstract

(57)【要約】【目的】断面半径方向、または長手方向に温度分布が大
きく形成されて、耐熱被覆層において熱応力を緩和して
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。【構成】構造体部品の表面に耐熱性材質の被覆層を、柱
状晶組織，微細結晶粒組織、あるいは柱状晶組織と微細
結晶粒組織で積層させる。この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て熱応力と緩
和する。【効果】耐熱，耐熱衝撃性、優れた熱応力緩和型被覆耐
熱性構造体部品及びその製造方法を提供できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【００２２】

【作用】本発明の構成と作用を説明する。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【００３２】

【実施例】以下、本発明を実施例により説明する。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【００３９】

【表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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【図面の簡単な説明】

【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。

【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。

【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。

【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。

【図５】図４の第二隔膜近傍部の部分拡大断面図であ
る。

【図６】図５のノズルスロートの部分拡大断面図であ
る。

【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。

【図８】図５のエンドプレートの部分拡大図である。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【符号の説明】

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。

───────────────────────────────────────────────────── 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

Claims

【特許請求の範囲】

【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。