ガスタービンブレード：方向性凝固の準備日本

2024 年 11 月 19 日

タービンブレードはガスタービンの核心となるホットエンド部品であり、その研究開発と製造は国の産業の発展規模と技術レベルを反映する重要なものです。ガスタービンブレード製造技術の最近の研究の進歩をレビューします。研究グループの研究に基づいて、ガスタービンブレードの方向性凝固分野の研究の進歩を紹介し、焦点の方向を提示します。

1 方向性凝固技術

方向性凝固技術とは、凝固の過程で強制的な手段によって一定方向に温度勾配を設け、一定方向に沿って凝固が進むようにする技術を指します。金属の凝固過程において、凝固部分と未凝固溶融物との間には特定方向の温度勾配があり、これにより金属は熱伝導と反対方向に凝固します。方向性凝固技術を使用することで、特定の配向を持つ柱状または単結晶が得られ、柱状または単結晶ブレードを作製することができ、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、Versnyderらは方向性凝固技術を超合金の製造に応用し、凝固組織の結晶配向をより適切に制御し、横方向の粒界を排除し、超合金の機械的性質を大幅に改善しました。方向性凝固技術は数十年の研究を経て、発熱粉末（EP）法、パワーダウン（PD）法、高速凝固（PD）法、HRS [12]や液体金属冷却（LMC）などの従来の技術を開発しました。現在、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、鋳物を高温領域から徐々に離れて一方向に移動させ、一方向凝固を実現する方法です。この方法は、凝固プロセスで温度勾配が徐々に低下する問題を改善します。高速凝固法の原理を図1（a）に示します。炉の底に断熱バッフルを設置し、バッフルに鋳物よりわずかに大きい口を開けます。炉内は加熱された状態に保たれます。金属の凝固プロセス中にシェルがゆっくりと引き下げられ、外部に露出した金属の部分が冷却されて凝固し始めますが、炉内の金属溶融物は加熱された状態のままであるため、軸方向の温度勾配が確立されます。高速凝固法は、温度勾配と冷却速度が高く安定しており、長い柱状結晶と微細組織が得られるため、鋳物の機械的性質が大幅に向上しますが、この方法の温度勾配はまだ不十分であり、厚くて大きな鋳物の方向性凝固中に、そばかすや不純物などの鋳造欠陥が依然として発生しがちです。