航空機エンジンの高圧タービンローターブレードはどのように製造されるのでしょうか?

航空機エンジンの高圧タービンローターブレードが製造される原理は非常にシンプルですが、このプロセスにおけるさまざまなパラメータを決定するには、各ノードのパラメータ、補助材料の構成などを得るための多くの実験と、かなりの運が必要です。

まず、高圧タービンローターブレードには複雑な内部冷却エアダクトが必要です（下図参照）。最初に内部冷却エアダクトを作ります（冷却用エアホールは後で説明します）。その後、特別なセラミックを使用してワックスモデルを鋳造し、エアダクトを形成します。

このセラミックのエアウェイ型を手に入れた後、それをブレードの外型と組み合わせて鋳造炉に入れます。溶けたスーパーアロイ*が上から下へ型腔に流入します（セラミックのエアウェイ内型とワックスの外型を含む）。各型を作る際に無数の層のコーティングを行うのは非常に手間がかかります。ドイツの企業ではロボットを使用してこれをしていますが、ロシアではまだおばさんのブラシを使っているようです。これらのコーティングは鋳造品質を直接決定し、許容率は極めて低いです。

このとき、鋳造機は溶けたスーパーアロイの温度を厳密に制御し、その後水平面上で固化させます（つまり結晶の成長です）、下から上へと成長します。螺旋状（結晶選択器）で成長する結晶同士が互いに押し合い、選別され、最終的に予め設定された方向に最も近い一つの結晶だけが残り、その結晶がさらに上へと成長していきます。

高圧シャフトは1万回以上回転しなければならないため、各部品には10トン以上の遠心力がかかります。そして、 Nickel結晶の各方向の強度が異なるため、その対角線（最も強い方向）は遠心力の方向から10度以内に収める必要があります。（ちなみに、低圧タービンロータで使用される単方向ニッケル合金も結晶方位が要求されますが、単一結晶のみではなくてもよいです。なぜなら、単結晶の融点は多結晶（単方向結晶を含む）よりも50K高いからです）

収率は高くありません。私が知る限り、ドイツの多くの優れた精密鋳造工場がこのプロセスに挑戦しましたが、最終的に破産しました。ハードルが本当に高すぎます。

最後に、完成品が得られ、特別なアルカリを使用してセラミックのエアウェイ型を溶解して冷却孔を作ります。電気溶解孔と電化学孔がありますが、最も一般的な孔はレーザーで作られます。孔の形状も非常に複雑です。その後、電着コーティングが行われますが、これも大変専門的な知識が必要です。

下の写真は左が多結晶、中央が単方向結晶、右が単結晶を示しています。

しかし、鋳造後、ブレードには内蔵冷却空気ダクトとブレード表面を結ぶ空孔がありません。これは通常レーザーで行われます。冷却空気が高圧コンプレッサーから抽出され、中空シャフトを通じて高圧タービンに流れますが、この過程で多くの圧力が失われます。一方、コアエアフローも燃焼を通じて圧力を失いますが、シャフトからブレードへ向かう過程で一定の遠心圧縮と圧力上昇効果があります。それでもなお、冷却空気をブレード表面に届けるためには高い静圧が必要です。このとき、断面が拡大された穴が必要となり、冷却空気を処理し、動圧を減らして静圧を増やします。そして冷却空気がブレード表面から熱いコアエアフローを押しのけます（無駄話が多い）。さらに、速すぎると冷却が直接コアエアフローに注入されてしまうため、別の役割として、ブレード表面に冷却空気の薄膜を形成してブレードを保護する必要があります。これには減速と圧力上昇が必要です。

したがって、この種の穴は異なる位置に対してその幾何学的形状を最適化する必要があります。レーザー穿孔は簡単に自動化できますが、欠点として内部表面に応力が発生する可能性があります。

タービンスタタの尾部（単方向結晶、話題から外れますが）には、後続のタービンロータ用に目覚め冷却孔を Punch で開けなければなりません。この孔は非常に細長く、内部応力を耐えられないため、電気化学的腐食を使用して作られます。もちろん、これらは絶対的なものではなく、異なる会社には異なる加工方法があります。

これを実行した後、単結晶タービンブレードが得られますが、まだコーティングされていません。現代のタービンブレードにはジルコニア熱障壁コーティングというジルコニア酸化セラミックの層が必要です。これはセラミックなので、ある程度脆い特性があります。タービンが動作中、わずかな変形があると、全体が剥がれてしまい、タービンブレードが直ちに溶けてしまう可能性があります。これは絶対にハンファでは許容できません。

次にEB-PVDプロセス（電子線物理蒸着法）という蒸着方法があります。

もちろん、それを作る前に他の多くの材料の層があります。例えば、プラチナメッキやプラズマスプレーなどです。また、ジルコニアを補強し、接着剤のように固定する層もあります。各社によって若干の違いがあり、それは静的ではありません。

まず、電子銃が電子ビームを発生させ、それが磁場によって導かれ、ジルコニア基板に衝突します。電子によって照射された基板は気体状態に変わり、その気化したジルコニアはブレードの表面へ誘導され、成長を開始します。ジルコニアは直径1マイクロメートル、長さ50マイクロメートルの小さな棒状に成長し、葉の表面を密集して覆い、孔が塗布されることがありません。これは全体が一つのセラミックではなく、小さな棒同士がわずかに相対的に動くことができ、剥がれることなく変形による破損問題を解決します。

ジルコニアは非常に高い硬度と極めて低い熱伝導率を持ち、ニッケル製の基板と高温の空気流れの間で非常に急峻な温度勾配を実現できます。内部冷却と空気膜冷却により、刃は自身の融点よりもはるかに高い環境でも、高い強度と信頼性で長時間作動可能です。

この時点で、ブレード表面は完成しています。タービンホイールに適合させるため、ブレードにはさらに松葉形状またははめ込み構造のブレードルートが必要です。

前述の通り、各タービンブレードは作動時に10トンを超える遠心力を受けるため、ブレードの根元も非常に精密に加工する必要があります。ニッケルベースの超合金は硬く、高温に耐え、非常に加工が困難です。

ブレードの根元は研削されており、特殊な治具でブレードを固定し、上下の形状が逆（雌型）の研削輪で内側から研磨されます。

これにより研削盤がすぐに故障するため、2つの研削盤の外側にポジティブダイヤモンド研削盤を追加し、研削盤を連続して研磨して作業状態を維持します。ダイヤモンドホイール上の工業用ダイヤモンドは、ロボットによって接着されています。

これらの工程と検査を経ると、ブレードが作動準備が整います。これは航空機エンジンの一部であり、航空機エンジンは航空機上のモジュールの一つに過ぎません。