ビジネスグリッドコンピューティングプロジェクト事後評価の概要について

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えりかけいれい
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1 第 1 回航空機関連分野技術に関する施策事業評価検討会資料軽量耐熱複合材 CMC 技術開発 ( 産学連携 ) の概要について平成 24 年 11 月 29 日

2 目次 1 1. プロジェクトの概要 2. 目的政策的位置付け 3. 目標 4. 成果目標の達成度 5. 事業化波及効果 6. 研究開発マネジメント体制等

3 1. プロジェクトの概要 2 概要軽量耐熱材料である CMC(Ceramic Matrix Composites ) を航空エンジンへ適用するためには設計の課題として損傷許容評価製造の課題として高速加工技術 CVI(Chemical Vapor Infiltraiton) プロセス最適化修理の課題としてコーティング技術を解決する必要がある各々の課題に対して高度な知見を有する大学研究機関と IHI が共同研究を行い国内の技術力を結集することで CMC の実用化を加速する実施期間平成 23 年度 ~ 平成 27 年度 (5 年間 ) 予算総額これまでの合計 2.4 億円 ( 委託 ) ( 平成 23 年度 :1.1 億円平成 24 年度 :1.3 億円 ) 実施者プロジェクトリーダー株式会社 IHI 東北大学東京大学東京理科大学金沢大学九州大学独立行政法人宇宙航空研究開発機構株式会社 IHI 航空宇宙事業本部技術開発センターエンジン技術部今成邦之 ( 部長 )

4 2. プロジェクトの目的政策的位置付け < 政策的な位置付け > 3 エンジン要素技術複合材適用による低高温部重量低減 / オープンローター等新たな推進システムの実現等

5 3. 目標耐熱性に優れ金属材料よりも軽量な部材として開発が期待されているセラミック複合材 (CMC) の実用化を加速しその普及拡大による低炭素省エネルギー社会の実現に寄与するため CMC の実用化にとって課題となっている基盤技術を開発することを目的とする 4 要素技術 ( 課題 ) (1)CMC 損傷許容評価技術目標指標 CMC の損傷パラメータを選定し CMC 中に発生した損傷や寿命との関係を把握する損傷の発生進展を予測する手法を設定し設計ツールを開発するまたその実証実験を行う運用時の検査基準を決める手法も設定する妥当性設定理由根拠等 CMC は損傷を許容することが必須であり全く新しい設計手法の確立データの取得試験での実証が必要 (2)CMC 高速加工技術 CMC を高温にした領域を加工する技術を確立し従来に比べて 5 倍以上の生産性向上を目指すまた従来の研削加工と同程度の加工精度を維持する (3)CVI プロセス最適化 a) CVI による反応条件の最適化 CVI の含浸効率を従来比で 50% 以上改善する副生成物を半減する方法を確立する b) CVI シミュレーション技術開発 CVI によるマトリクス形成量を予測でき工業的なサイズの CVI 反応器設計を可能とするシミュレーション手法を確立する CMC は難加工材であり量産時の処理量を考えると現在の 5 倍以上の速度が必要量産時の CVI 処理量を考えると左記の目標値が必要またシミュレーションにより量産サイズで炉を設計できる必要がある (4) コーティング技術 CMC の損傷 ( マトリクス割れ ) に対し修理可能なコーティングを確立するまた課題となるサンドエロージョン ( 砂による削れ ) に対し加速評価の手法を提案するとともに熱サイクル環境曝露評価方法を提案する CMC は新材料であり修理方法も確立しておくことが実用化に向けて必要

3. 目標 ( 全体スケジュール ) H23~24 年度で基礎技術に目処を得て H25~27 年度で技術の適用を行なう 1 CMC 損傷許容評価技術平成 23 年度平成 24 年度平成 25 年度平成 26 年度平成 27 年度損傷パラメータ候補の選定設計ツールの開発実証試験損傷パラメータの検討運用時検査基準の選定 2 CMC 高速加工技術レーザー援用加工実験装置の構築

6 3. 目標 ( 全体スケジュール ) H23~24 年度で基礎技術に目処を得て H25~27 年度で技術の適用を行なう 1 CMC 損傷許容評価技術平成 23 年度平成 24 年度平成 25 年度平成 26 年度平成 27 年度損傷パラメータ候補の選定設計ツールの開発実証試験損傷パラメータの検討運用時検査基準の選定 2 CMC 高速加工技術レーザー援用加工実験装置の構築試験片加工特性評価材料強度への影響評価加工条件最適化 3 CVI プロセス最適化実験炉構築 CVI 反応実験 CVI 反応条件最適化副生成物処理手法確立シミュレーションモデル構築シミュレーションモデル改善シミュレーションモデル精度検証 4 コーティング技術スクリーニング試験コーティング改良コーティング選定施工方法開発シミュレーションモデル構築試験実施シミュレーションモデル改善コーティング評価基礎技術に目処技術の応用適用を可能

7 4. 成果目標の達成度 6 要素技術目標指標成果 (1)CMC 損傷許容評価技術 (2)CMC 高速加工技術 (3)CVI プロセス最適化 (4) コーティング技術 ( 中間 ) CMCの損傷パラメータを選定して損傷や寿命との関係を把握する設弾性率の低下永久ひずみの増分き裂密度計ツールを開発するまたその実証実験を行う運用時の検査基準をを損傷パラメータとして選定した決める手法も設定する損傷による剛性低下を考慮した解析手法を検 ( 中間 ) 討実施し損傷の発生進展を予測可能な解損傷パラメータ候補を選定する損傷の発生進展を予測可能析手法に目処得たな解析手法の適用に目処を得る CMCを高温にした領域を加工する技術を確立し従来に比べて5 倍以 2 種類のレーザーを選定しレーザー援用加工上の向上を目指すまた従来の研削加工と同程度の加工精度を維持の実験装置を構築したする超鋼エンドミルを用い耐熱性や耐摩耗性を考 ( 中間 ) 慮した加工条件や刃先修理方法に関するレーザー援用加工の実験装置を構築する工具の検討加工条データを取得した件選定に必要な基礎データの取得を行う a) CVI による反応条件の最適化 CVI の含浸効率を従来比で 50% 以上改善するまた副生成物を半減する方法を確立する b) CVI シミュレーション技術開発 CVI によるマトリクス形成量を予測でき工業的なサイズの CVI 反応器設計を可能とするシミュレーション手法を確立する ( 中間 ) a)cvi 実験炉を構築し MTS ガスの反応実験を行う b)cvi シミュレーションが実施可能な目処を得る a) プロセス条件を変更できる CVI 実験炉を設計構築した CVI 反応実験を行い MTS 原料ガスについて温度圧力添加ガスが製膜速度に与える影響を調べた b) 必要な定数を仮定し簡易条件での反応速度と原料ガスの流れを考慮した CVI シミュレーションを行い実施可能な目処を得た CMCの損傷に対し修理可能なコーティングを確立するまた課題と高温曝露試験熱サイクル試験結果によりアなるサンドエロージョンに対し加速評価の手法を提案するとともに熱ルミナシリカ耐熱ガラスを用いた3 種類の候サイクル環境曝露評価方法を提案する補を選定した ( 中間 ) コーティングの候補を3 種類程度に絞る達成度 ( 中間 ) 達成達成達成達成 MTS メチルトリクロロシラン

8 Cutting force N 4. 主な成果 1( 損傷許容評価高速加工 ) (1)CMC 損傷許容評価技術 (2)CMC 高速加工技術 Laser head 45 End mill CMC ε m : 最大歪 ε p : 永久ひずみ X Z Y 構築したレーザー援用加工装置の概要 Dynamometer 荷重負荷時のその場観察による破壊メカニズムの解明疲労荷重負荷時の損傷パラメータの変化 ( 永久歪みの増分の場合 ) 荷重方向損傷なし荷重方向 1 サイクル半導体レーザー ( 左 ) と計測したビーム形状 ( 右 ) Non-laser assist Laser assist 荷重負荷レベル ( 上 ) と疲労での剛性低下 ( 下 ) 剛性低下を解析ツールに組み込み荷重方向 1000 サイクル疲労での剛性低下による応力集中部の応力低減を表現 Ft(MAX) Ft (MIN) Fz (MAX) Fz (MIN) Removal vomume レーザー援用により切削抵抗の大幅低減を確認 Removal volume mm 3

9 4. 主な成果 2(CVI プロセス最適化コーティング ) (3)CVI プロセス最適化 MTS SiC MTS 逐次反応マクロスケール解析から SiC マクロスケール解析とミクロスケール解析から (4) コーティング技術 MTS Species 1 Species 2 併発反応 MTS Species 1 Species 2 構築した CVI 実験炉気相組成 ~0.99 気相組成 ~0.01 E a1=44 kcal/mol η 1000 : η 1100 : C-SiC(111) layer(βsic, Cubic) Si(100) substrate η 1000 : 0.20 η 1100 : 0.54 E a2=35 kcal/mol 反応は 2 種以上の製膜種によると判明化学的安定性と熱伸び差を考慮して候補を設定添加ガスにより蒸着速度 ( 左 ) の向上と均質性 ( 右 ) の両立可能であることを確認試作時に見られた割れ改善 450 ~ サイクル試験後外観成分中液相と固相の割合を調整して製造性を改善熱サイクルでも剥離しない候補を 3 種選定仮定した常数により SiC の CVI シュミレーションを実施 CVI 含浸の粗 ( 青 ) 密 ( 赤 ) が炉の位置を考慮して表現できた衝突圧力衝突速度ベクトルサンドエロージョンのシミュレーションモデルを作成簡易な平板につき解析を実施

10 5. 事業化波及効果 < 事業化 > 9 フェーズ実機開発静翼実機開発 / 型式承認国際共同開発エンジン全体での最適化市場投入次世代エンジン複雑形状製造技術エンジン試験実証エンジン試験静翼研究 (H20FY~H24FY) 試験規格化データベース取得実用化の基盤技術確立フェーズ研究開発実用化への課題洗い出し < 本研究 > 産学連携による先端基盤技術開発 (H23FY~H27FY を予定 ) 量産化確立設計技術確立 ( 損傷許容 ) 製造技術確立 (CVI 高速加工) 修理技術確立 ( コーティング ) 設備設計へのインプット技術確立へのフィードバック設備導入技術実証設備量産プロセス実証工程フリーズ量産設備へのフィードバック量産設備量産処理量実証品質安定化低コスト化 FY2010 (H22) 2012 (H24) 2014 (H26) 2016 (H28) 2019 (H31)

5. 事業化波及効果 < 波及効果 > 我が国産業の競争力強化等への貢献航空産業ではボーイング 787

) エネルギー機器 ( ガスタービン工業炉等 ) の分野において耐熱性の高い CMC

10 繊維織り日本各地の特色のある織物技術を各部に組み合わせて活用エンジンはレアアース等が大部分を占める

はレアアース等代替材料 ( しかも原料は国内で大量に採取可能 ) 素材製造修理までオール国産 (

11 5. 事業化波及効果 < 波及効果 > 我が国産業の競争力強化等への貢献航空産業ではボーイング 787 などの炭素繊維複合材の利用拡大において日本の航空機メーカの競争力強化に貢献しており現在自動車業界等へ展開されつつある同様に複合材として CMC がそれに続く日本競争力強化に繋がることが期待されるまた技術波及が可能な輸送 ( 自動車鉄道ロケット等 ) エネルギー機器 ( ガスタービン工業炉等 ) の分野において耐熱性の高い CMC を活用することによる日本の競争力強化が見込まれるセラミックス繊維東北大学が開発国内メーカーが製造を独占 10 繊維織り日本各地の特色のある織物技術を各部に組み合わせて活用エンジンはレアアース等が大部分を占める界面コーティング ( 株 )IHI が差別化技術セラミックス含浸 ( 株 )IHI が差別化技術 CMC はレアアース等代替材料 ( しかも原料は国内で大量に採取可能 ) 素材製造修理までオール国産 ( 日本が優位に ) 技術波及軽量高性能ブレーキディスク ( 自動車航空機鉄道 ; SGL H.P.) 耐熱外壁 ( 再突入機 ;JAXA H.P.) スラスタノズル ( 衛星探査機 )

12 6. 研究開発マネジメント体制等 11 航空機用エンジンの国内最大手であり CMC 開発において実績のある株式会社 IHI が研究開発全体を統括管理し CMC 素材の提供と評価の仕様条件提示を行ったまた各課題の解決にあたっては高度な知見を有する 5 つの大学 ( 東京大学東北大学金沢大学九州大学東京理科大学 ) および 1 つの研究機関 ( 宇宙航空研究開発機構 ) との共同研究を実施した設計の課題製造の課題修理の課題日本の英知を結集

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ビジネスグリッドコンピューティングプロジェクト事後評価の概要について第 1 回航空機関連分野技術に関する施策事業評価検討会資料 5-8-4 軽量耐熱複合材 CMC 技術開発の概要について平成 24 年 11 月 29 日目次 1 1. プロジェクトの概要 2. 目的政策的位置付け 3. 目標 4. 成果目標の達成度 5. 事業化波及効果 6. 研究開発マネジメント体制等 1. プロジェクトの概要 2 概要軽量耐熱材料である CMC(Ceramic

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