ガスタービンブレード：方向凝固の準備

Nov 19, 2024

タービンブレードはガスタービンのコアとなる高温部品であり、その研究開発と製造は一国の産業の発展規模と技術レベルを反映する重要な要素です。ここでは、最近のガスタービンブレード製造技術に関する研究進展についてレビューします。研究グループの研究成果に基づき、ガスタービンブレードの方向凝固に関する分野での研究進展を紹介し、今後の重点方向を示します。

1 方向凝固技術

方向凝固技術とは、凝固プロセス中に強制的な手段で特定の方向に温度勾配を形成し、凝固が特定の方向に進むようにする技術を指します。金属の凝固プロセスでは、凝固部分と未凝固の溶融部の間で特定方向に温度勾配が生じ、これにより金属は熱伝導の逆方向に凝固します。方向凝固技術を使用することで、特定の方向を持つ柱状結晶または単結晶を得ることができ、柱状結晶または単結晶のブレードを作製し、その性能を大幅に向上させることができます。

1960年代後半、ヴァースナイダーらは方向性凝固技術をスーパーアロイの製造に適用し、凝固体の結晶方位をよりよく制御し、横方向の粒界を除去し、スーパーアロイの機械的特性を大幅に向上させました。方向性凝固技術は十数年にわたる研究を通じて、放熱粉末法（EP法）、電源ダウン法（PD法）、高速凝固法（HRS法）、液体金属冷却法（LMC）などの従来技術が開発されました。現在では、高速凝固法と液体金属冷却法が広く使用されています。

1.1高速凝固法

高速凝固法は、鋳造物を高温領域から徐々に一方方向に移動させ、単方向凝固を達成する方法です。この方法は、凝固過程で温度勾配が徐々に低下する問題を改善します。高速凝固法の原理は図1(a)に示されています。炉の底部には断熱バaffleが設置され、そのバaffleには鋳造物よりもわずかに大きな開口部が設けられています。炉内部は加熱された状態に保たれます。金属の凝固過程において、殻はゆっくりと引き下げられ、外部に露出した部分が冷却されて凝固を開始しますが、炉内にある金属溶湯は依然として加熱された状態にあり、これにより軸方向の温度勾配が形成されます。高速凝固法は高いかつ安定した温度勾配と冷却速度を持ち、長い柱状結晶と微細な組織を得ることができ、これにより鋳造物の機械的特性が大幅に向上します。しかし、この方法の温度勾配は依然として十分ではなく、厚く大型の鋳造物の単方向凝固中に斑点や不純物などの鋳造欠陥が発生しやすいです。