大阪大学大学院工学研究科の萩原幸司准教授、中野貴由教授らの研究グループは、1400℃以上の超高温での使用に耐えるタービンブレード用材料として開発中の、遷移金属とシリコンを組み合わせた遷移金属シリサイド であるNbSi ₂ （ニオブダイシリサイド）/MoSi ₂ （モリブデンダイシリサイド）を組み合わせた複相シリサイド合金について、実用化における大きな問題点であった室温靱性（靱性：割れにくさの尺度）、ならびに高温強度（クリープ強度 ）の同時向上を、Cr（クロム）とIr（イリジウム）という元素の微量添加により世界で初めて実現しました。

これまで複相シリサイド合金は、C40-NbSi ₂ 、C11 _b -MoSi ₂ 相(※) が板状にそれぞれ交互に並んだラメラ組織 を有しており、優れた力学特性を示すものの、両相の界面がずれる方向などの特定の方向に力が負荷された際に、強度、靱性が低い値を示すことが、実用化に向けた大きな問題となっていました。

今回、萩原幸司准教授、中野貴由教授らの研究グループは、この複相シリサイド合金にCrとIrの2つの元素をそれぞれ0.5at.% という微量を同時添加することにより、ラメラ組織に加え、 図1 に示すような特徴的な「格子ラメラ組織 （図1） 」を発達させることに世界で初めて成功しました。この材料の力学特性を評価したところ、従来の複相シリサイド合金で見られた優れた力学特性を保持しつつ、かつ特定方向への強度・靱性低下を同時に抑制可能であることを初めて見出しました。

本材料は、1400℃という超高温度まで高強度を維持する、これまでにない新材料であり、飛行機ジェットエンジンのタービンブレード等にて現在使用されている耐熱合金であるNi（ニッケル）基超合金（耐容温度～1100℃）と置き換えることにより、大幅な熱効率の上昇を通じ、環境へのC0 ₂ 排出量の大幅削減を実現することが期待されます。

本研究成果は、英国科学誌「Scientific Reports」に、6月21日（水）18時（日本時間）に公開されました。

図1　NbSi ₂ /MoSi ₂ 複相シリサイド合金に、Cr、Irを微量添加することで発達する特徴的な「格子ラメラ組織」（上図）と模式図（下図）

近年、エネルギー問題や地球温暖化抑制に向けたCO ₂ 排出量低減のために、発電所等にて1400℃以上での高温使用に耐え得る超高温構造材料の開発が早急に求められています。というのも、国内で排出するCO ₂ の約30%が火力発電所に由来することを考慮すれば、発電用タービンエンジンなど燃焼システムの熱効率を1％向上させるだけでも、温室効果ガスの排出削減に対して非常に大きな効果が得られます。この実現のため、萩原准教授、中野教授らの研究グループは、軽量、高融点を有する遷移金属シリサイドであるNbSi ₂ とMoSi ₂ を組み合わせた「複相シリサイド合金」を2000年初頭に開発し、その研究開発を進めています。従来の複相シリサイド合金は、NbSi ₂ とMoSi ₂ 両相が板状の形状を有し、それらが交互に積み重なった「ラメラ組織」を有しています。このラメラ組織に由来し、結晶方位の制御により、特定方向に延性（加工が可能な特性）を保持しつつ、かつ高い高温強度を示すという優れた特性を示すことから、次世代超高温構造材料の候補材として注目されています。

しかしながらこの「ラメラ組織」は、確かに各板状結晶粒と平行方向に荷重が負荷された際には高強度を示すものの、例えば各板状結晶粒が45度傾いた方向から荷重が負荷された際には、その界面に平行に変形が生じることにより、高温での強度(クリープ強度)が大きく低下します。またさらに、ひとたび界面に平行に割れ（crack)が生じた際には、即座に破壊に至るという実用化に向けた大きな問題点がありました。

萩原准教授らの研究グループは今回、Crと（クロム）とIr（イリジウム）元素の同時添加を提案しました。これまでの研究で、Crを添加することにより、両相の界面にCrが偏析する（界面にCr原子が集まる）ことでラメラ組織の安定化、高温強度上昇を実現し、また一方でIrを添加することによりラメラ組織を細かくすることで、室温靱性（靱性：割れにくさの尺度）の上昇を実現しました。しかし、両特性の同時向上はこれまで不可能でした。本研究においてこのIrとCrを同時に添加し、高温でのラメラ組織発達化熱処理を施したところ、両者の相互作用として、先の 図1 に示すような特徴的な「格子ラメラ組織」が形成されることを世界で初めて見出しました。本組織を発達させることにより、多方位で優れた力学特性を示す材料の創製に世界で初めて成功しました。

火力発電所のタービンブレード使用温度の向上は、熱効率を上昇させることで排出CO ₂ 量削減を実現するための非常に有効な方策です。今回の新材料開発により大幅な熱効率の上昇が実現されることは、低炭素社会の実現に向けた重要な一歩となります。

本研究成果は、2017年6月21日 （水）18時（日本時間）に英国科学誌「Scientific Reports」（オンライン，nature publishing）に掲載されました。
タイトル：”Outstanding compressive creep strength in Cr/Ir-codoped (Mo _0.85 Nb _0.15 )Si ₂ crystals with the uniquecross-lamellar microstructure”
著者名：Koji Hagihara, Takaaki Ikenishi, Haruka Araki, Takayoshi Nakano

なお、本研究は、科学技術振興機構（JST）プロジェクト「先端的低炭素化技術開発(ALCA)」におけるプロジェクト「界面機能化に基づくMoSi ₂ 基Brittle/Brittle複相単結晶超耐熱材料の開発」、ならびに、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）SIPプロジェクト「革新的設計生産技術」の支援のもとで実施されました。

本材料の開発は、我々がこれからも継続的に地球に優しく豊かな生活を営む上で必要不可欠な、CO ₂ 排出量削減という、環境対策として最も重要な部分に貢献できるものと期待しています。

また、私個人の夢を語りますと、本材料開発が、我々が子供のころから持っていた「宇宙旅行の実現」に少しでもつながれば、と夢見ています。本材料の使用により、通常の飛行機のように、何度も宇宙を行ったり来たり出来るロケット（宇宙往還機）ができれば、海外旅行と同じ感覚で宇宙旅行できる時代がいつか来ると期待しており、それが私が元気に生きている間に実現すればいいな、と思っています。