高温合金は、耐熱合金または超合金とも呼ばれ、-高温環境および特定の応力下で長期間使用できる金属材料の一種です。{{2}{3}}これらは、高温酸化および高温腐食に対して優れた耐性を示し、さらに優れた高温強度、疲労強度、クリープ破壊靱性を示します。-これらの合金は主に航空宇宙、エネルギー、船舶のタービン エンジンで使用されます。
高温合金の分類-
1. マトリックスの材質に応じて、鉄-ベース、ニッケル-ベース、コバルト-ベースの3つのカテゴリに分類できます。
(1) 鉄-基の高温-合金は、耐熱合金鋼-とも呼ばれます。耐熱合金鋼は、焼きならしの要件に応じて、マルテンサイト、オーステナイト、パーライト、フェライト耐熱鋼などに分類できます。{6}}鉄-基の高温-合金は動作温度が比較的低い（600～850 度）が、中温での機械的特性は良好であり、類似のニッケル-基の合金と同等以上の機械的特性を備えています。また、安価であり、熱間加工時に変形しやすい。これらは通常、タービンディスク、ケーシング、シャフトなど、動作温度が低いエンジンの部品に使用されます。
(2) ニッケル-基の高温-合金は、動作温度が最も高く（約 1000 度）、航空ジェット エンジンやさまざまな産業用ガス タービンの最も高温の部品（タービン ブレード、ガイド ベーン、タービンなど）の製造に広く使用されています。
(3) コバルト-基-の高温合金は鋳造性と溶接性に優れており、700~1050 度の高温で使用できます。コバルトを主成分とし、代表的なものはコバルトを58％以上含むK610です。コバルトは価格が高く、不足しているため、国内外でほとんど使用されていません。既存ブランドにはK640、K644、GH188などがあります。
2. 製造プロセスに応じて、変形高温合金、鋳造高温合金、粉末高温合金-に分類できます。-
(1) 変形した高温合金-
変形高温合金とは、インゴットを冷間および熱間加工してさまざまなプロファイルまたはブランク部品にし、最終的にホットエンド部品に製造される高温合金を指します。-重要なのは、合金インゴットが形成できるかどうかです。鋳造高温合金と比較して、変形高温合金は合金化度が低い-。{6}}。したがって、融点は高く、熱間加工温度の上限は高く、合金再結晶温度は低く、熱間加工温度の下限は低くなります。したがって、変形した高温合金の熱間加工範囲は、鋳造した高温合金の熱間加工範囲よりも広くなります。-さまざまな母材元素に応じて、変形高温合金は、鉄-基の変形高温-合金、ニッケル-基の変形高温-合金、コバルト-基の変形高温-合金に分類できます。
(2) 高温合金の鋳造-
高温合金の鋳造は、合金インゴットを再溶解した後、部品に直接鋳造または方向性凝固を行うプロセスです。その開発は 1940 年代に始まりました。高温合金の鋳造では、鍛造変形性能が考慮されなくなりました。精密鋳造法または方向性凝固プロセスを使用して、複雑な形状と遮るもののない内部キャビティを備えた中空薄肉ブレードを鋳造できます。-したがって、鋳造超合金中の元素の総量は、変形超合金よりも大幅に多くなります。固溶強化元素には Re と Ru が含まれ、高融点金属 W の含有量が増加します (一部の合金では 10% を超えます)。析出-強化合金元素には、Al と Ti に加えて、Nb、Ta、Hf、V も含まれます。
鋳造超合金は、凝固方法により等軸鋳造超合金、方向性凝固柱状超合金、単結晶超合金の 3 つに分類できます。新しいタイプの超合金である単結晶超合金は、方向性凝固によってすべての粒界を除去することによって形成されます。金属は個々の結晶で構成されているため、単結晶超合金と呼ばれます。-結晶粒界は、さまざまな歪み、欠陥、不純物が蓄積する金属内の領域です。室温では結晶内よりも強いですが、高温では滑りやすくなります。高温で結晶粒界の強度が低下すると、金属の強度が低下します。したがって、方向性凝固によって粒界を除去すると、優れた性能を備えた単結晶超合金が得られます。-現在、ほぼすべての先進的なエンジンは、単結晶合金のタービン ブレードまたはガイド ベーンを利用しています。{10}
(3) 粉末状の高温合金-
耐熱合金の加工温度がますます高くなるにつれて、合金内の強化元素の数が増加し、組成がより複雑になります。その結果、一部の合金は鋳造状態でしか使用できず、熱間加工では変形できなくなります。さらに、合金元素の増加により、凝固後のニッケル-ベースの合金に深刻な成分偏析が生じ、その結果、構造と性能が不均一になります。粉末冶金技術を使用して高温合金を製造すると、上記の問題を解決できます。-粉末粒子が小さく、製粉時の冷却速度が速いため偏析がなくなり、熱間加工性が向上します。鋳造のみが可能な合金は、熱間加工が可能な高温合金に変わり、降伏強度と疲労特性が向上します。{7}{8}粉末高温合金は、より高強度の合金を製造する新しい方法を生み出しました。-粉末高温合金は主に、高推力-から先進的な航空機エンジン用のタービン ディスクの製造に使用されます。また、先進的な航空機エンジン用のコンプレッサー ディスク、タービン シャフト、タービン バッフルなどの高温-ホットエンド部品-の製造にも使用されます。
高温合金の応用分野
1. 航空宇宙
(1) 燃焼室
燃焼室は、エンジンのすべてのコンポーネントの中で動作温度が最も高い領域です。燃焼室内のガス温度が 1500-2000 度に達すると、燃焼室壁合金の温度は 800-900 度、局所的には 1100 度に達することがあります。近年、燃焼室に使用される高温合金の多くは固溶強化合金です。この合金には、W、Mo、Nb などの固溶強化元素が多量に含まれています。高温強度があり、良好な成形および溶接特性を備えています。代表的なグレードとしては、GH1140、GH3030、GH3039、GH3333、GH3018、GH3022、GH3044、GH3128、GH3170などがあります。
(2) ガイドベーン
ガイドベーンは燃焼室から出てくるガスの流れの方向を調整する部品です。ガイドベーンとも呼ばれます。これらはタービン エンジンの部品の 1 つであり、最も大きな熱衝撃を受けます。特に、燃焼室内の燃焼が不均一であったり、作動が悪い場合には、ガイドベーンにかかる熱負荷が大きくなる。先進的なタービン エンジンのガイド ベーンの動作温度は 1100 度に達することがあります。国産ガイドベーン合金の使用温度は1000～1050度に達します。代表的な高温合金精密鋳造合金には、K214、K233、K406、K417、K403、K409、K408、K423Bなどが含まれます。
(3) タービンブレード
タービンブレードは、航空機エンジンの中で最も過酷な使用条件にさらされる部品です。作業環境温度が高温です。高温合金材料の一般的なグレードには、GH4033、GH4037、GH4143、GH4049、GH4151、GH4118、GH4220 などがあり、750-950 度の環境で使用できます。新しいエンジンの開発や古いモデルの改造では、タービンブレードの製造に高温合金の鋳造が使用されます。鋳造合金の代表的なグレードには、K403、K417、K417G、K418、K403、K405、K4002 などが含まれます。
