超合金 が 航空宇宙 及び エネルギー 分野 で 革新 を 推進 する 方法

現代のエンジンに使われる合金組成は、多くの人が考えるよりも古いものです。タービンセクションのニッケル超合金は数十年にわたって開発されており、今日図面に記載されている名称は、現在業界を支配している製造方法が確立される前に、ほとんど決まっていました。変化したのは、それらの合金がどのように部品に加工されるかであり、その変化こそが最近の改善の大部分をもたらしたのです。

3つの成形ルートがこのシフトを説明しています。指向性凝固と単結晶鋳造により、クリープを制限する結晶粒界なしでブレードを作成できます。粉末冶金により、鋳造では到達できない、微細で均一な構造を持つディスクを作成できます。積層造形により、形状を層ごとに構築でき、可能な形状と無駄になる金属の量を両方変えることができます。

各ルートは問題を解決し、それぞれが以前は存在しなかった欠陥を導入します。これがこの業界におけるイノベーションの正直な説明であり、超合金部品の購入仕様書が現在、組成だけでなくプロセスも記述する必要がある理由です。

この表は、ルートをそれらが可能にすることとコストによって配置しています。各列の合金は類似している可能性がありますが、結果として得られる部品は異なります。

単結晶ルートは、名称を変えずに材料を変えたプロセスの最も明確な例です。単結晶として鋳造されたブレードは、遠心荷重を担う断面に結晶粒界がないため、等軸鋳造を制限するクリープ機構が低減されるのではなく除去されます。CMSX-4のような第二世代単結晶合金は1990年代にガスタービンブレードサービスに入り、Rene N5のような第三世代合金は最も高温の位置に使用され、それらの間の選択は入手可能性ではなく、温度能力とコーティング適合性によって駆動されました。

組成によって超合金を認定したバイヤーは、金属を認定したのであって部品を認定したのではありません。各成形ルートには、組成では記述されない特徴的な欠陥があり、各欠陥には独自の検査が必要です。

粉末冶金行は、ディスクに新しいバイヤーを驚かせる行です。ニッケル粉末ディスクの技術文献では、先行粒子境界の析出、熱誘起気孔、非金属介在物の3つの欠陥が繰り返し言及されています。最初のものは、元の粉末粒子の表面に沿って形成される析出物のネットワークであり、粉末表面に酸素または炭素があり、凝固中に反応する場合に形成されます。2番目のものは、高温での急激な温度上昇中に粉末に閉じ込められたガスが膨張したときに現れる気孔です。3番目のものは、粉末と一緒に到着し、熱処理では除去できない固体介在物です。

これらの3つの欠陥のいずれも組成証明書では検出できません。これらは超音波検査、切断、および粉末ロットの管理によって見つけられるため、ディスク仕様書には合金だけでなく、粉末供給源と凝固ルートが記載されています。

超合金部品が高価なのは、購入した金属の大部分が航空機に搭載されないためでもあります。この指標は、購入した材料の重量を完成部品の重量で割った、バイ・トゥ・フライ比であり、ルートによって1桁異なります。

この比率は、積層造形が航空宇宙分野で、単純に大きい部品ではなく、幾何学的に複雑な部品に採用された理由を説明しています。内部チャネルを持つ燃料ノズルは、複数の部品を接合せずに鍛造品から機械加工することはできず、密な冷却機能のアレイを持つライナーは、他の方法で製造するのは困難です。幾何学形状が単純な場合、鍛造品は依然として安価であり、比率の議論は消えます。

この比率は、制限も説明しています。材料を追加して構築された部品は、鍛造品とは異なる熱履歴を持ち、製造方向の特性はそれとは異なります。材料の節約は現実であり、異方性も現実であり、図面には特性が重要となる方向を示す必要があります。

材料購入からプロセス購入への移行は、上記のすべてが実質的に結果です。かつて合金と形状を指定していたバイヤーは、現在、合金、成形ルート、欠陥許容レベル、および認定記録を指定します。

そのため、同じ合金の2つの見積もりが、金属価格では説明できない要因で異なる場合があります。一方のサプライヤーは、認定されたルートの見積もりを提示し、もう一方のサプライヤーは、バイヤーの注文で認定する予定のルートの見積もりを提示しています。

陸上ガスタービンは同じ3つの成形ルートを使用し、異なる許容ロジックを適用します。大型フレーム機のブレードは単結晶または指向性凝固鋳造であり、燃焼温度でのクリープ寿命が決定的な特性です。ディスクは粉末冶金部品であり、検査は鋳造欠陥ではなく、3つの粉末欠陥を対象としています。燃焼器または遷移ピースは、ますます積層造形部品になっており、許容は薄壁の熱疲労を中心に構築されており、引張試験を中心に構築されていません。

共通点は、ホットセクションの温度が、新しいベースメタルを見つけるのではなく、プロセスと冷却幾何形状を一緒に改善することによって上昇したことです。フィルム冷却と熱バリアコーティングを備えた単結晶ブレードはシステムであり、合金はその要素の1つです。合金のみをクレジットするページは、タービンが機能する理由の3分の1を説明しています。

製品形状は依然としてルートに従い、文書は依然として形状に従います。バー、ビレット、鍛造材料は、機械加工または鍛造部品の入力です。粉末は、凝固したディスクの入力です。ワイヤーとストリップは、溶接または成形アセンブリの入力です。プレートは、燃焼器またはケーシングの入力です。

DLXは江蘇省常州市でニッケルおよびコバルトベースの超合金を、0.025 mmからのワイヤー、50 mmまでの丸棒、厚さ0.50 mmから2.5 mmのストリップ、および標準的なミルサイズのチューブとプレートで供給しています。この範囲は、航空宇宙およびエネルギーハードウェアで使用される固溶強化および析出強化グレード、および溶接用の対応するフィラーメタルをカバーしています。

材料は注文に記載された仕様に対して供給され、要求に応じてEN 10204 3.1証明書が付与され、熱番号は試験結果に追跡可能です。新しい成形ルートに部品を移行しているバイヤーは、通常、まず入力形状とその証明書を必要とします。なぜなら、ルートの認定は材料から始まり、完成部品から始まるわけではないからです。

組成は数十年にわたって開発されており、広く使用されているグレードは成熟しています。最近の利益のほとんどは、成形ルート、冷却幾何形状、およびコーティングから来ており、これら3つはシステムとして機能します。フィルム冷却と熱バリアコーティングを備えた単結晶ブレードは、合金だけでは生存できない温度で動作します。

結晶粒界が荷重経路から除去されるからです。従来の鋳造ブレードでは、結晶粒界は遠心荷重を担う断面を横切り、温度での弱点となります。指向性凝固は結晶粒界を荷重に沿って整列させ、単結晶鋳造はそれらを完全に除去するため、鋳造を制限するクリープ機構は低減されるのではなく排除されます。

先行粒子境界の析出、熱誘起気孔、および非金属介在物。最初のものは元の粉末表面に沿った析出ネットワークであり、2番目のものは温度で膨張する粉末に閉じ込められたガスからの気孔であり、3番目のものは粉末と一緒に到着した固体介在物です。それらのいずれも組成証明書には現れず、超音波検査、切断、および粉末ロット管理によって見つけられます。

購入した材料の重量を完成部品の重量で割ったものです。鍛造と機械加工は一般的に約3:1から10:1、積層造形は約1:1から3:1であり、積層ルートが複雑な部品に魅力的で単純な部品ではない理由です。この比率は材料コストの指標であり、部品の疲労寿命については何も述べていません。

いいえ、認定する必要があるものを変更します。構築された部品は熱履歴と方向依存構造を持つため、図面には特性が重要となる配向を示す必要があり、プロセスウィンドウを固定する必要があります。材料の節約は現実であり、認定の負担は同じ合金の鍛造品よりも大きいです。

1つは認定されたプロセスを見積もり、もう1つは材料を見積もっているからです。合金価格は差額の小さな部分です。残りはルート、検査、プロセス記録、および歩留まりであり、認定されていないルートは注文後に現れるコストを伴います。

航空宇宙およびエネルギー超合金におけるイノベーションは、組成から成形ルートへと移行しました。指向性凝固と単結晶鋳造は、クリープを制限する結晶粒界を除去します。粉末冶金は、鋳造では到達できないディスク構造を、粉末から生じる3つの欠陥の代償で生成します。積層造形は、可能な形状と、部品に到達する購入済み金属の割合を変更します。

各ルートは欠陥と認定負担をもたらし、購入仕様書は両方を指定する必要があります。合金と形状を指定したバイヤーは、入力を指定しました。ルート、欠陥許容、および証拠も指定したバイヤーは、部品を指定しました。

1. ニッケルベースディスク超合金の粉末冶金に関する公開レビュー。先行粒子境界の析出、熱誘起気孔、および非金属介在物を、ルートの3つの特徴的な欠陥として特定しています。
2. ニッケルベース超合金における粉末先行境界形成に関する公開研究。凝固後の元の粒子表面に沿った析出ネットワークを説明しています。
3. 単結晶タービンブレードの指向性凝固に関する公開作業。1990年代からガスタービンブレードで使用されている第二世代合金CMSX-4、第三世代合金Rene N5、および凝固前面が乱れたときに形成されるフレックル欠陥が含まれています。
4. タービンブレードの単結晶鋳造に関する公開評価。荷重経路からの結晶粒界の除去と、その結果としてのクリープ利点を説明しています。
5. 航空宇宙における金属積層造形に関する公開レビュー。積層ルートのバイ・トゥ・フライ比は約1:1から3:1と報告されています。
6. 鍛造と機械加工に関する公開業界評価。バイ・トゥ・フライ比は約3:1から10:1と報告されており、比較として炭素繊維複合材は約1.5:1です。
7. ニッケルベース超合金バー、ビレット、プレート、シート、ワイヤーのAMSおよびASTM製品仕様。表に記載されている入力形状を管理する文書として。
8. EN 10204、検査文書。3.1証明書を実際の試験結果を記載し、製造業者の独立した検査担当者によって承認された文書として定義します。

上記のルートと欠陥メカニズムは、指定されたプロセスの一般的な挙動を説明しており、特定のサプライヤーが特定の部品に対して認定されていることを示すものではありません。バイ・トゥ・フライ比は、コンポーネントの幾何形状と機械加工代の量によって異なります。したがって、引用された範囲は典型的な値であり、設計目標ではありません。構築または鋳造された部品の特性は、局所的な熱履歴と試験片の配向に依存するため、テストバーの値は部品のすべての場所を説明するものではありません。飛行ハードウェアの認定要件は、エアフレームまたはエンジンメーカーおよび適用される耐空性当局によって設定されており、このページの内容はいかなる認定も構成するものではありません。製品仕様は改訂され、購入注文に記載されている版が優先されます。このページの内容は、エンジニアリングリリースまたはバイヤーとサプライヤー間で合意された認定試験の代わりになるものではありません。