ハイエンド精密鋳造技術開発の展望

チェン・ビン氏のコレクションより

ハイエンド精密鋳造航空宇宙、兵器、産業用ガスタービン、その他の重要な分野に関わる高付加価値の精密鋳造では、徐々に種類、仕様、冶金品質や外観品質が非常に厳しくなります。 本稿では、その開発の歴史と動向について、代表的な事例をいくつか挙げて簡単に紹介します。

防衛産業

 1、航空エンジンのタービンブレード

現代の航空エンジン (ジェット エンジン) の中心部分は、主に加圧器、燃焼室、タービンの 3 つの部分で構成されています (図 1)。 精密鋳造と密接に関係しているのは、静的ブレード（ガイドブレード）と動的ブレード（作業ブレード）を含む、数段のブレードとタービンブレードの後の圧力エンジンです。 航空機の種類や用途が異なれば、エンジンの要件は同じではありませんが、共通しているのは、推力重量比を常に向上させ、燃料消費量を削減することです。 そのためには熱効率の向上が鍵であり、熱効率向上の主な技術対策は加圧器の昇圧比とタービン前入口温度を最大限に高めることに他なりません（図1）。 その結果、システム全体の温度が必然的に上昇し、関連部品、特にタービンブレードの作動温度がますます高くなっています。 第一級のタービンブレードの作動温度はタービン入口温度とほぼ同等であり、最新鋭の航空エンジンのタービン入口温度は現在の驚異的な1700℃にも達し、ニッケル基高分子の融点を超えています。 -合金の温度は約300℃です。

冶金学の基本原理によれば、粒界は高温では弱い結合であるため、タービンブレード合金材料の粒界領域は、等軸結晶の発達 (1950 年代) から 1950 年代の方向に向かって、ますます小さくなるはずです。配向柱状結晶の主応力方向を主応力の方向と平行に（1970S）、ブレードの作動温度も900～1000℃から1000～1100℃に上昇し、鋳造方法もそれに応じて通常の真空溶解から -鋳造は単結晶鋳造まで方向性凝固に発展しました（図2および3）。

異なる国で開発された単結晶合金の化学組成は同じではありませんが、微細構造は基本的に同じです。つまり、ニッケル基固溶体γ相を基材として、その中に立方晶系の高温強化相γ'が埋め込まれています（図4)。 これまで単結晶合金の研究開発は第1世代、第2世代、第3世代を経験し、現在第4世代、第5世代、さらには第6世代の研究開発段階に入り、1150℃の使用温度目標に向かって進んでいます。 。 何十年にもわたるたゆまぬ努力にもかかわらず、合金の観点からだけ見ると、使用温度はまだ 1150 ℃を超えていません。 しかし、最新の航空エンジンのタービン入口温度要件は1700℃と高く、その差は600℃近くあります。 この600℃の差をどう埋めるか？ 現時点では、主に 2 つの技術的手段、すなわちブレード内部の空冷とブレード外部の遮熱コーティングの助けを借りて行われています。 空冷効率を継続的に向上させるには、ブレードの内部冷却チャネルを曲がりくねらせて、その冷却効果がリーフ本体部分全体、特に吸気口と排気口の端全体に及ぶようにする必要があります。 これにより、内部空洞を形成するセラミックコアの構造形状がますます精巧かつ複雑になります（図5）。 ほぼすべての高温合金、特に複雑な内部空洞 (冷却チャネル) の鍛造特性や機械加工特性が劣っていることを考慮すると、当然のことながら、今日まで精密鋳造が航空エンジンのタービンブレードの唯一の成形方法となっています。

遮熱コーティングとは一言で言えば断熱コーティングであり、前世紀末に開発されたばかりの新技術です。 基本構造は、熱伝導率の小さなセラミックトップ層と、基板の酸化を防ぎ強固に接着する接着層の2層で構成されています（図6）。 前者は主に電子ビームやプラズマなどの物理蒸着法により形成され、後者は化学蒸着により形成される。 1700℃の高温で亀裂や剥離が発生しないようにするには、コーティングの全体的な熱膨張係数が基材の熱膨張係数と一致している必要があります。 コーティングは基材材料にも塗布する必要があります。 図 7 は、遮熱コーティングを施した中空タービンブレードを示しています。

2、大型一体構造部品

典型的な航空エンジンのプロファイルを図 8 に示します。ケーシングは、多くの場合「マガジン」と呼ばれる多数のコンパートメントで構成されています。 燃焼室の後には通常、鋳造は行われませんが、非常に複雑な形状のマガジンの一部の加圧部分は、多くの場合、成形品の鋳造によってのみ行われます。 加圧エアコンプレッサーの作動温度に対するブースト比の要求はますます高くなり続けているため、これらのマガジンの成形方法はアルミニウム、マグネシウム合金の砂型鋳造（1950年代〜1960年代に開発されたステンレス鋼板金 - 現在のチタン合金に溶接）図 9 は PCC 製の大型チタン合金マガジンを示し、図 10 と 11 はハウメット製のチタン合金マガジンとワックスモールドをそれぞれ示します。

チタン合金は他の合金に比べて比強度と比剛性が高いため、チタン合金の大型薄肉複雑構造部品は、航空機（図12）やミサイルの船体（図13）の大型耐荷重構造部品にも広く使用されています。 ）1970年代から。

3、一体構造のアルミニウム合金精密鋳造品

これらの鋳物は、電子・通信機器のラック、フレーム、ベース、ラジエーターなどに広く使用されています。代表的な例を図14にいくつか示します。一体構造のアルミニウム合金精密鋳物です。

 産業用ガスタービン

温室効果ガスの排出量を削減することは、全人類にとって深刻な課題となっています。 最大量の二酸化炭素が世界中の熱電（火力）発電所から排出されることは間違いありません。 一般に火力発電は、使用する燃料に応じて石炭火力、石油火力、ガス火力に分類されます。 これら 3 つのシステムが発生する単位熱あたりの二酸化炭素排出量は、相対値でそれぞれ 1.00、0.76、0.53 と大きく異なり、従来の石炭火力発電をすべて置き換えれば二酸化炭素排出量は約半分に削減できることになります。ガス火力発電によるものです。 周知のとおり、現在、中国の火力発電設備は依然として石炭火力の蒸気タービンが主流ですが、先進国では発電設備のエネルギー効率向上の観点から、石油や石油を燃料とするガスタービンへの切り替えが早くから行われてきました。ガス。 発電設備だけでなく、船舶の動力や一部の高出力機械ポンプや加圧器などの設備もガスタービンで駆動されています。 したがって、ほぼすべての先進国において、ガスタービンは精密鋳造産業の主要市場の一つであり、その売上高は市場シェアの約3分の1を占めています。 残念ながら、さまざまな理由により、これまでのところ、中国のガスタービン産業は依然としてかなり低いレベルの発展にあり、タービンブレードを含む多くの主要コンポーネントがまだ開発段階にあり、精密鋳造市場シェアに占める割合はごくわずかです。

実は産業用ガスタービンの動作原理や構造は航空エンジンと基本的に同じであり、心臓部も加圧器、燃焼室、タービンの3つの部分から構成されています（図15）。 したがって、方向性凝固、単結晶鋳造、ブレード冷却、遮熱コーティングなど、航空エンジンで使用される多くの高度な微細鋳造技術がガスタービンに大量に移植されています。 航空エンジンと同様、ガス タービンの熱効率はタービン フロントの入口温度に直接関係します。 例えば、世界で普及している従来型のコンバインドサイクル発電機セットの場合、タービン前入口温度は1100～1300℃、熱効率は43%～48%です。 新型ガスタービンの正面入口温度は1500℃、熱効率は52%です。 研究開発中の超高効率ガスタービンの熱効率の目標値は56%～60%であり、タービン前入口温度は1700℃までさらに高められる予定である。

産業用ガスタービンの推力対重量比の要件は航空エンジンほど高くありませんが、サイズが大きいことが難点です。 図 16 は GE の産業用ガスタービン MS9001FA の一次タービンブレードと二次タービンブレードを示しており、長さはそれぞれ 43cm と 56cm、質量は 13.5kg と 12.6kg です。 図 17 は、長さ 60cm、質量 >60kg のタービンガイドベーンのファンセクションを示しています。 産業用ガスタービンのタービン翼の設計長は90cmに達したとの報告もある。 図 18 は、2011 年に日本の三菱重工業が開発に成功した長さ 30 cm の単結晶タービンブレードを示しています。図 19 は、プレス加工中のワックス型を示しています。 図 20 は、トリミング中のセラミック コア (ブランク) を示しています。

 自動車エンジン用ターボチャージャー

自動車にターボチャージャーを搭載する本来の目的は、エンジンからの排気ガスを最大限に利用してターボチャージャーのタービンを回転させ、同軸コンプレッサーのインペラを駆動して空気を圧縮してエンジンに供給することです。これにより、エンジンの出力とトルクが増加し、燃料消費量の削減と排出ガスのクリーン化の効果が得られます（図21、22）。

通常、乗用車のディーゼル エンジンは最高温度約 850°C の排気ガスを排出しますが、ガソリン エンジンは最高 1050°C に達することがあります。 したがって、タービンは通常、713C や MarM などのニッケルベースの高温合金から精密鋳造されます。 米国ヒッチナー・マニュファクチャリング社の特許取得済みの反重力鋳造（真空鋳造）技術（図23）は、このような製品を製造する最も効率的な方法であると考えられています。 一方、フロントコンプレッサーインペラは高温では動作しないため、通常はアルミニウム合金の石膏型精密鋳造で作られています。 スーパーチャージャーのインペラとタービンは一般にサイズが小さいですが、回転速度が最大 250,000 rpm 以上と非常に高いため、これら 2 つのインペラには非常に厳しい品質要件が求められます。 この２つの羽根車は国内メーカーも多数生産していますが、総需要に占める生産割合は大きくありません。

近年、欧州では燃料消費量の削減や都市部の大気環境改善への要望の高まりから、自然吸気大型エンジンに代わってターボチャージャー付き小型エンジンを搭載することが一般的となっており、2011年を基準年とした搭載率はスーパーチャージャーの台数は 2016 年までに 2 倍以上となり、全体の 76% に達すると予想されます。 しかし、欧州諸国の自動車発電機は主にディーゼルエンジンであるため、ターボチャージャーの設置だけでは常に更新されるEUの自動車排出ガス基準を満たすには十分ではなく、PM2.5とNOxを最小限に抑えるために吸排気システムの両方を装備する必要があります。およびその他の有害な排出物。 システム内の多くの部品は、材料の大部分がステンレス鋼であり、複雑な形状、薄肉、より高い特性の寸法精度の要件を備えており、精密鋳造法による成形に非常に適しており、自動車精密鋳造品の急速な拡大を占めています。市場シェアは 2004 年の 5% から 2011 年の 16% に増加し、同時期の日本では 24% から 43% に急増しました。 自動車用過給機の吸排気系精密鋳造品は、一般的な観点からすると精密鋳造市場では中級品にしか数えられませんが、市場の需要により、中国の精密鋳造産業の発展のために、稀な機会。 21世紀に入って、中国の長江デルタ、渤海、その他多くの精密鋳造企業が進出している地域は、政策と地理的優位性をもたらす改革開放に依存しており、この地域を精密鋳造の一部にする機会を逃すことはない。これらの分野の製品は定着し、急速に新製品市場に発展し、同時に企業の管理からプロセス技術や設備に至るまで、オリジナルに基づいて一歩を強化しています。 なお、国産自動車のエンジンは、乗用車は依然としてガソリンエンジンが主流ですが、貨車はディーゼルエンジンが主流となっています。 中国の大気環境の要求が徐々に改善されるにつれ、ターボチャージャーとその補助機器は急速に新たな国内市場を形成し、中国の精密鋳造産業の発展に貢献し、発展の活力に新たな波をもたらすことになるだろう。

スーパーチャージャーの回転部品の密度を減らすことは、エンジン効率と過渡応答の両方にプラスの効果をもたらします。 チタン・アルミニウム合金（TiAl）の比重は4.2、ニッケル基合金（713C）の比重は7.9なので、後者ではなく前者を使用すると質量が約半分（47％）になり、軽量化が図れます。タービンのイナーシャを低減し、トルク増加の応答時間を短縮し、ターボチャージャーの過渡応答特性を向上させることができます。 日本の大同鋳造株式会社（以下、大同鋳造）によると、懸濁溶解と真空鋳造の組み合わせにより、チタン・アルミニウム合金製ターボチャージャータービンの鋳造に成功し、量産化したという。 図 24 は懸濁液の溶解原理 (左) と溶解プール (右)、図 25 は懸濁液の溶解 - 真空吸引鋳造装置の概略図です。

   チタンアルミニウム合金精密鋳造

チタン - アルミニウム合金は、低密度、優れた高温機械的特性、耐酸化性を備えた金属間化合物であり、航空宇宙、産業用ガスタービン、自動車産業において、特定の高温合金やその他の耐高温材料の代替として使用できます。 。 機械的特性試験の結果、760℃での耐クリープ性が高く、耐疲労性に優れていることが証明されています。 しかし、このような材料は脆く、室温伸び率が 2% 未満であり、耐衝撃性や亀裂伸展性能が劣るため、このような材料を成形するにはダイカストが最適な手段となります。 前世紀の 90 年代以降、産業用ガス タービン ブレード (図 26a)、鋳造タービン全体 (図 26b)、航空エンジン ブレード (図 26c)、自動車の製造にニッケル基高温合金の代わりに使用される合金が増えています。内燃機関シリンダーの吸排気バルブなどの製品。