ニッケル基超合金タービンホイール

ニッケル基超合金は、高温強度、靱性、腐食性または酸化性環境における耐劣化性の優れた組み合わせを備えた、珍しい種類の金属材料です。

高圧タービンディスクのリムセクション (ガス流路近く) の動作温度は、現在 760°C に近づき、一部の特殊な軍事用途では 815°C に達するため、材料および設計エンジニアにとって課題となっています。

ニッケル基超合金は、高温強度、靱性、腐食性または酸化性環境における耐劣化性の優れた組み合わせを備えた、珍しい種類の金属材料です。これらの材料は、航空機や発電タービン、ロケット エンジン、原子力発電や化学処理プラントなどのその他の困難な環境で広く使用されています。

過去数十年にわたる集中的な合金およびプロセス開発活動の結果、平均温度 1050°C に耐えることができる合金が誕生しましたが、時折、約 90% に相当する 1200°C の高温までの変動 (または翼端付近の局所的なホットスポット) が発生します。材料の融点のこと。これらの優れた特性をもたらす微細構造と組成の基本的な側面をここで簡単にレビューします。ガス タービン エンジンで利用される主な超合金とその製造プロセスについて、その特徴的な機械的および物理的特性とともに概説します。

前述したように、ニッケル基超合金の主な用途の 1 つは、陸上発電および航空機推進用のガス タービン エンジンのディスク部品です。タービン エンジンは、高い動作温度と応力レベルにより、材料にとって過酷な環境を作り出します。したがって、この記事で説明したように、これらのエンジンの高温タービンセクションで使用される多くの合金は非常に複雑で、高度に最適化されています。

ガスタービンは複雑な機械であり、航空機エンジンまたは陸上発電用途の両方に使用されています。小型、中型、大型のガス タービンは、陸上移動式電源装置や大型民間航空機用途向けに急速に開発されています。

このタイプの発電システム内のさまざまな部品には、特定の固有の要件があります。たとえば、エンジンの高圧タービン領域に使用される材料は最高温度に達するため、エンジンの中で最も応力がかかる部品の 1 つであり、非常に特殊なニッケルベース超合金材料が必要です。高圧タービンディスクのリムセクション (ガス流路近く) の動作温度は、現在 760°C に近づき、一部の特殊な軍事用途では 815°C に達するため、材料および設計エンジニアにとって課題となっています。タービンブレードはディスクに取り付けられており、ディスクはタービンシャフトに接続されています。金属は低温にさらされるため、航空エンジンのディスク (図 1) に必要な特性はタービンの特性とは異なります。ディスクは疲労による破損に耐えなければなりません。ディスクは通常、鋳造され、その後鍛造されて形状が変化し、通常は多結晶です。

難点の 1 つは、鋳造合金が大きな柱状粒子構造を持ち、顕著な化学偏析を含んでいることです。後者は最終製品では完全には除去されません。これにより、機械的特性がばらつく可能性があります。これを克服する 1 つの方法は、細かくてきれいな粉末から始めて、それを固めることです。

粉末は不活性ガス中での噴霧によって作られます。化学的偏析の程度は粉末のサイズを超えることはできません。噴霧後、一部のディスクは粉末から熱間静水圧プレスされ、押し出されて、必要な形状に鍛造されて作られます。

このプロセスは、例えば噴霧プロセスで使用される耐火物からの望ましくない粒子の混入や、固化中に取り込まれる不純物を避ける必要があるため、困難です。このような粒子は疲労を引き起こし、当然のことながら、航空機エンジンのタービンディスクの故障は致命的なものとなる可能性があります。

高温に関する懸念に加えて、最新のタービン用途の材料は、増大し続ける商業圧力によって推進されています。これらのプレッシャーは、コンポーネントコスト、ライフサイクルコスト、メンテナンスコストの削減に対する要求が高まるにつれて発生すると考えられます。取得コストを下げるために、コバルトを削減した合金や、より高い加工歩留まりをもたらす合金などの手段が追求されています。

ライフサイクルコストを下げるために、合金は耐用年数が長くなるように設計されています。安定性が高く、亀裂の成長率が非常に低く、非破壊的な手段で簡単に検査および監視できる合金が求められています。燃料効率と排出ガスも、タービン エンジンの材料に影響を与える主要な商業的要因と環境要因です。これらの要求を満たすために、最新のニッケル基合金は、性能と経済性の間の効率的な妥協点を提供します。いくつかの一般的なニッケル基超合金と先進的なニッケル基超合金の化学的性質を表 1 に示します。