液体金属冷却法 日本

方向性凝固における温度勾配をさらに改善するため、研究者らは急速冷却法に基づく液体金属冷却法を開発した。 この方法は液体金属を使用して鋳物を冷却するものであり、つまり、取り出した鋳物を高熱伝導率、高沸点、低融点の液体金属（主流ではSnを使用）に浸漬して（図1（b）参照）、冷却効果を高める。 液体金属冷却法は、鋳物の冷却速度と固液界面の温度勾配を最大200 K / cmまで改善し、安定した温度勾配を維持できるため、結晶化プロセスが安定し、デンドライト間隔を大幅に短縮し、さまざまな凝固欠陥の可能性を低減できる。 しかし、液体金属冷却法にもいくつかの制限があり、たとえば、この方法に必要な設備は複雑で、実際の操作では十分に単純ではありません。冷却媒体のSnは有害な元素であり、鋳物がSnなどの低融点金属に浸されると、Sn液体が浸透して鋳物を汚染しやすくなります。近年、シェルの準備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、航空エンジン用の単結晶タービンブレードや地上ガスタービン用の大型単結晶タービンブレードの製造に適用されています。

さらに、温度勾配を高めるための新しい方法が絶えず模索されており、例えば、ガス冷却鋳造方向性凝固技術、電磁拘束成形方向性凝固技術、過冷却方向性凝固（SDS）、レーザー急速凝固（LRM）、流動床急冷方向性凝固技術、2次元方向性凝固技術（双方向凝固、BDS）、薄シェル鋳造方向性凝固技術などがあります。ただし、これらの新技術はまだ未熟であり、ガスタービンブレードの方向性凝固には適用されていません。

液体金属スプレー強化冷却法

鋳造品が液体金属冷却剤によって汚染されるおそれや、液体金属冷却法では鋳造欠陥が形成されやすいなどの問題を克服するために、当研究グループは液体金属スプレー冷却（LMSC）方向性凝固技術を開発し、工業用方向性凝固装置を開発しました。 LMSC方向性凝固炉の設計構造と目的を図2に示します。 LMSC技術は、シェルと鋳物を液体金属液に直接浸して冷却するという従来の方法から、液体金属液を使用してシェルと鋳物をスプレー冷却するLMC技術に基づいています。 この技術は、放熱性が強く、冷却が均一で、断熱ゾーンと冷却ゾーンの間の断熱が良好という特徴があります。 LMSC技術は、LMC技術の強力な冷却能力の利点を保持するだけでなく、LMC技術の欠点も解決します。噴射される液体金属液の流量を制御でき、引き出し速度の調整と組み合わせることで、構造が良好で樹枝状結晶の間隔が小さい柱状結晶または単結晶が得られ、超合金の凝固欠陥の形成を減らすか、または回避することができます。LMSC方向性凝固技術は、超合金の開発と工業生産にとって非常に重要です。