液体金属冷却法

指向性凝固における温度勾配をさらに向上させるために、研究者たちは急速冷却法に基づいた液体金属冷却法を開発しました。この方法では、高熱伝導率、高沸点、低融点（主流はSnを使用）を持つ液体金属に鋳造品を浸すことで、冷却効果を高めます（図1(b)参照）。液体金属冷却法は、鋳造品の冷却速度と固体-液体界面の温度勾配を最大200 K/cmまで向上させ、安定した温度勾配を維持し、結晶化プロセスを安定させることができます。これにより、樹状結晶間隔が大幅に縮小され、様々な凝固欠陥の確率も減少します。しかし、液体金属冷却法にはいくつかの制限もあります。例えば、この方法に必要な設備は複雑であり、実際の操作が十分に簡単ではありません。また、冷却媒体であるSnは有害な元素であり、鋳造品をSnなどの低融点金属に浸すと、Sn液が容易に浸透して鋳造品を汚染する可能性があります。近年、人々は殻の準備などの面からプロセスを最適化し、液体金属冷却プロセスの欠点を改善しました。これにより、航空エンジン用単結晶タービンブレードや地上ガスタービン用大型単結晶タービンブレードの生産に応用されています。

さらに、温度勾配を増大させる新しい方法が絶えず探求されています。例えば：ガス冷却鋳造方向凝固技術、電磁制約形成方向凝固技術、過冷方向凝固（SDS）、レーザー急速凝固（LRM）、流動層急冷方向凝固技術、二次元方向凝固技術（二方向凝固、BDS）、薄殻鋳造方向凝固技術などがあります。しかし、これらの新技術はまだ未成熟であり、ガスタービンブレードの方向凝固には適用されていません。

液体金属噴霧強化冷却法

液体金属冷却法では、鋳造が液体金属冷却材によって汚染される可能性や、鋳造欠陥が容易に形成されるといった問題を克服するために、当研究グループは液体金属噴霧冷却（LMSC）方向凝固技術を開発し、工業用方向凝固装置も開発しました。LMSC方向凝固炉の設計構造と目的は図2に示されています。LMSC技術は、元々の液体金属冷却（LMC）技術に基づいており、殻や鋳物を直接液体金属に浸漬して冷却する従来の方法から、殻や鋳物に対して液体金属を噴霧して冷却する方法へと進化しています。この技術には、強力な熱放散、均一な冷却、そして断熱区域と冷却区域間の優れた断熱性という特徴があります。LMSC技術は、強力な冷却能力を持つLMC技術の利点を維持しつつ、その欠点も解決しています。液体金属の噴霧流量が制御可能であり、引き上げ速度の調整と組み合わせることで、構造が良く、樹状結晶間隔が小さい柱状結晶または単結晶を得ることができ、超合金における凝固欠陥の形成を低減または回避できます。LMSC方向凝固技術は、超合金の開発および工業生産において非常に重要です。