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HIGH TOUGHNESS AND HIGH HEAT RESISTANT MOLYBDENUM SILICIDE ALLOY

Patent code P200016751
File No. 6048
Posted date Apr 8, 2020
Application number P2017-241257
Publication number P2019-108573A
Date of filing Dec 16, 2017
Date of publication of application Jul 4, 2019
Inventor
  • (In Japanese)乾 晴行
  • (In Japanese)岸田 恭輔
Applicant
  • (In Japanese)国立大学法人京都大学
Title HIGH TOUGHNESS AND HIGH HEAT RESISTANT MOLYBDENUM SILICIDE ALLOY
Abstract PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an MoSi2/Mo5Si3 two-phase eutectic alloy having excellent high temperature properties such as a fracture toughness value.
SOLUTION: Provided is a molybdenum silicide alloy characterized in that, in a molybdenum silicide alloy including a molybdenum disilicide alloy (chemical formula MoSi2: described by the chemical formula herein after) and a pentamolybdenum trisilicide alloy (chemical formula Mo5Si3: described by the chemical formula herein after), an impurity element(s) in which the solid solubility limit in the alloy is 5 atomic(at.)% or more (defined as a group 1 element(s)(a G1 element(s)) and an impurity element(s) in which the solid solubility limit in the alloy is 2 atomic(at.)% or lower (defined as a group 2 element(s)(a G2 element(s)) ad additional elements, and the molybdenum silicide alloy being a two-phase eutectic ally of MoSi2 and Mo5Si3.
Outline of related art and contending technology (In Japanese)

2015年のパリ協定<フランスのパリで開催された国連気候変動枠組条約 第21回締約国会議(COP21)>ですべての国の温室効果ガス排出量の削減への取り組みが採択された。温室効果ガスの中で特に重要なものは二酸化炭素(CO2)であり、このCO2の総排出量をどのように大幅に削減するのかが喫緊の課題である。日本国内のCO2総排出量のうち約30%は発電プラントから発生し、そのうち約99%は火力発電が関与している。従って、火力発電からのCO2削減が最も有効と考えられる。最新型の火力発電システムはコンバインドサイクル型であり、ガスタービンを使って発電した後、その排熱を利用して作った蒸気により蒸気タービンを使って再度発電させるシステムである。現行はガスタービン材料にNi基超合金を用いて、約1500℃の高温で動作させ熱効率約52%を得ている。ガスタービンの入り口温度を上昇すれば、熱効率の増大も見込まれており、たとえば、約1700℃以上の耐熱性を実現できれば、熱効率が約60%以上になると予想される。この1700℃を越えるガスタービンならば、発電所からのCO2発生量は11~19%は削減可能と考えられており、これに耐える新規の超耐熱材料(合金)の実現が望まれている。

そこで注目されている材料として、モリブデンダイシリサイド(2珪化モリブデンとも言う)(MoSi2)合金が挙げられる。MoSi2合金は優れた塑性変形能、高い融点(2020℃)、優れた耐酸化性を有しており、また軽量(Ni基超合金の密度約8g/cm3に対して、約6.2g/cm3)であり、戦略的元素を含まないという点で安価である。しかしながら、室温靭性が乏しく(約2MPam1/2)、クリープ強度が不十分である。本発明者はMoSi2相にMo5Si3相を加えたMoSi2/Mo5Si3合金に着目した。図19は、Mo-Si二元系合金の状態図である。MoSi2相は正方晶C11b構造で、Mo5Si3相は正方晶D8m構造である。この状態図は共晶系であり、1900℃という非常に高い共晶温度を持っている。

図20は、このMoSi2/Mo5Si3二相共晶複相材料のクリープ特性を示す図である。MoSi2/Mo5Si3二相共晶複相材料は一方向凝固(DS:Directional Solidification)で作製したものである。縦軸のクリープ特性は1200℃で歪み速度が1×10-6/sとなる応力値である。他のMoSi2基複相材料(18at.%SiC、20at.%SiC、30at.%SiC、+WSi2)を比較として示す。粉末冶金法(PM:Powder Metallurgy)で作製したMoSi2/Mo5Si3合金および他のMoSi2基複相材料より優れたクリープ特性を示し、高温ガスタービン材料として使用可能である。(非特許文献1)

図21は二元系MoSi2/Mo5Si3二相一方向凝固(DS)共晶合金のクリープ特性を示す図である。二元系MoSi2/Mo5Si3二相一方向凝固(DS)共晶合金は、組織が共晶組織(ラビリンス(スクリプトラメラとも言う))であるからラビリンス合金と記載しているが、その耐用温度はNi基超合金よりはるかに高く1400℃を達成する。(耐用温度は、137MPaでクリープ破断が2%塑性歪で生じるとして算出した。)このように、二元系MoSi2/Mo5Si3一方向凝固(DS)共晶合金はクリープ特性に関しては、現行のNi基超合金を越える高温材料として使用できる。

Field of industrial application (In Japanese)

本発明は、発電用タービン等の高温で使用する耐熱合金に関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
二珪化モリブデン合金(化学式MoSi2:以下、化学式で記載)および三珪化五モリブデン合金(化学式Mo5Si3:以下、化学式で記載)を含むモリブデンシリサイド合金において、前記合金中の固溶限が5原子(at.)%以上の不純物元素(グループ1元素(G1元素)と称する)および前記合金中の固溶限が2原子(at.)%以下の不純物元素(グループ2元素(G2元素)と称する)を添加元素として含む、モリブデンシリサイド合金。

【請求項2】
 
前記モリブデンシリサイド合金はMoSi2およびMo5Si3の2相共晶合金であることを特徴とする、請求項1に記載のモリブデンシリサイド合金。

【請求項3】
 
前記G1元素は、MoSi2とMo5Si3とのテラス部における格子ミスフィットを増大させる元素であり、前記格子ミスフィットはテラス部におけるMoSi2の(110)面間距離(d110)とMo5Si3の(002)面間距離(d002)との差であることを特徴とする、請求項1または2に記載のモリブデンシリサイド合金。

【請求項4】
 
前記G1元素は、Ta、NbおよびWから選択される少なくとも1種であることを特徴とする、請求項1~3のいずれかの項に記載のモリブデンシリサイド合金。

【請求項5】
 
前記G2元素は、Ni、Co、BおよびCから選択される少なくとも1種であることを特徴とする、請求項1~4のいずれかの項に記載のモリブデンシリサイド合金。

【請求項6】
 
前記G1元素の添加量は、4原子(at.)%~10原子(at.)%の範囲であることを特徴とする、請求項1~5のいずれかの項に記載のモリブデンシリサイド合金。

【請求項7】
 
前記G2元素の添加量は、0.01原子(at.)%~1.5原子(at.)%の範囲であることを特徴とする、請求項1~6のいずれかの項に記載のモリブデンシリサイド合金。

【請求項8】
 
前記G1元素およびG2元素を添加したモリブデンシリサイド合金は、一方向凝固装置を用いて、成長速度を制御して作製されることを特徴とする、請求項1~7のいずれかの項に記載のモリブデンシリサイド合金。

【請求項9】
 
前記一方向凝固装置は浮遊帯域溶融装置であることを特徴とする、請求項1~8のいずれかの項に記載のモリブデンシリサイド合金。

【請求項10】
 
前記成長速度は2mm/h以上であることを特徴とする、請求項8または9に記載のモリブデンシリサイド合金。

【請求項11】
 
2珪化モリブデン合金(化学式MoSi2:以下、化学式で記載)および3珪化5モリブデン合金(化学式Mo5Si3:以下、化学式で記載)を含むモリブデンシリサイド合金において、前記合金中の固溶限が5原子(at.)%以上の不純物元素(グループ1元素(G1元素)と称する)を添加元素として含むとともに、前記G1元素添加モリブデンシリサイド合金は成長速度が制御された状態で作製されたものであることを特徴とする、モリブデンシリサイド合金。

【請求項12】
 
前記一方向凝固装置は浮遊帯域溶融装置であり、前記成長速度は5mm/h以上であることを特徴とする、請求項11に記載のモリブデンシリサイド合金。

【請求項13】
 
前記モリブデンシリサイド合金はMoSi2およびMo5Si3の2相共晶合金であることを特徴とする、請求項11または12に記載のモリブデンシリサイド合金。

【請求項14】
 
前記G1元素は、MoSi2とMo5Si3との格子ミスフィットを増大させる元素であり、
前記格子ミスフィットはMoSi2の(110)面間距離(d110)とMo5Si3)の(002)面間距離(d002)との差であることを特徴とする、請求項11~13のいずれかの項に記載のモリブデンシリサイド合金。

【請求項15】
 
前記G1元素は、Ta、NbおよびWから選択される少なくとも1種であることを特徴とする、請求項11~14のいずれかの項に記載のモリブデンシリサイド合金。

【請求項16】
 
前記G1元素の添加量は、4原子(at.)%~10原子(at.)%の範囲であることを特徴とする、請求項11~15のいずれかの項に記載のモリブデンシリサイド合金。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2017241257thum.jpg
State of application right Published
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