最新のジェット エンジンの中心には根本的な問題があります。

タービンブレードは、その材料の融点よりも高い温度にさらされます。

ニッケル-ベースの超合金は、現在入手可能な構造材料の中で最も耐熱性が高いものの 1 つです。-しかし、これらの合金でさえ、約 1,300 度かそれよりわずかに高い温度で溶けます。

しかし、現代のエンジンの燃焼室から出るガスは 1,500 度を超えることがあります。

では、なぜタービンブレードは単純に溶けないのでしょうか?

答えは驚くほど簡単です。

中空です。

最新のタービンブレードの内部には、高度に設計された内部冷却通路のネットワークがあります。冷却空気はブレードの根元から入り、これらの通路を通って移動し、金属から熱を吸収し、最終的にブレードの表面にある数百の小さな穴から出ます。

逃げた空気は、ブレードと周囲の高温ガスの間に薄い保護層を形成します。

実際、ブレードは、溶けるほど高温の環境内で動作している間、常に冷却されています。

しかし、それは別の問題を引き起こします。

湾曲し、分岐し、非常に薄く、従来の切削工具では到達することがほとんど不可能な冷却通路を備えた金属部品をどのように製造するのでしょうか?

機械加工はしません。

セラミックの周りにそれらをキャストします。

そのセラミック成分はセラミックコア.

完成したエンジンには決して表示されない可能性があります。ブレードが使用される前に、完全に溶解して除去される可能性があります。

しかし、これがなければ、最先端の中空タービンブレードの多くは製造が非常に困難になり、場合によっては製造が不可能になるでしょう。-。

なぜタービンブレードを冷却する必要があるのか

タービン前部の温度は、ガス タービン エンジンの性能と熱効率を左右する重要な要素の 1 つです。{0}}

一般に、タービン入口温度を上昇させると、エンジンは燃焼プロセスからより多くの有用なエネルギーを抽出できるようになります。

しかし、材料には厳しい制限があります。

さらに融点の高い合金を開発するだけでは十分ではありません。最新のタービン材料はすでに、その微細構造が許容できる限界近くで動作しています。

解決策は、金属を完全なガス温度に耐えさせることではありません。

解決策は、金属自体を周囲のガスよりも大幅に低温に保ちます。

そこでタービン冷却が登場します。

冷却空気はコンプレッサーから排出され、タービンブレード内の通路を通って送られます。

内部チャネルを流れる際に、ブレードから熱が奪われます。

その後、空気はブレード表面に正確に配置された穴から排出されます。

これはとして知られていますフィルム冷却.

冷却空気は表面全体に広がり、金属と高温の燃焼ガスの間に薄い層を形成します。

その結果、驚くべきエンジニアリングのトリックが生まれました。

周囲のガスは合金の融点よりも高温になる可能性がありますが、実際の金属温度は臨界温度限界未満のままです。

しかし、そのような冷却システムを設計することは問題の半分にすぎません。

残りの半分は製作中です。

製造の問題: 不可能な機械をどうやって作るか?{0}{1}

先進的なタービンブレード内の冷却通路は、単純なドリル穴ではありません。

それらには次のものを含めることができます。

曲がった通路、

複数の支店、

蛇行したチャネル、

薄い壁、

内部リブ、

衝突構造、

正確に配置された冷却出口。

一部の通路は非常に小さく、幾何学的に複雑であるため、従来の穴あけやフライス加工では到達できません。

高度な加工技術であっても、工具が必要な形状に物理的にアクセスできない場合には、基本的な制限があります。

インベストメント鋳造が解決策を提供します。

メーカーは、内部通路を作成するために材料を除去しようとする代わりに、最初から鋳物に通路を作ります。

そしてそれを実現する鍵となるのがセラミックコアです。

セラミック コアは、タービン ブレードの内側の一時的な 3 次元鋳型と考えてください。{0}}

金属は最終的には刃になります。

セラミックは冷却通路となる空間を一時的に占有します。

金属が固まったら、セラミックを取り除きます。

後に残るのは内部冷却ネットワークです。

セラミックコアのライフサイクル

セラミックコアは本質的に使い捨てコンポーネントであり、非常に要求の厳しい作業を伴います。

1. 芯を作る

製造は、慎重に制御されたセラミック配合から始まります。

用途や製造ルートに応じて、射出成形、ゲルキャスティング、セラミック積層造形などのプロセスを使用してセラミック粉末を成形できます。

結果として得られるグリーンボディは、ブレードの内部冷却システムの複雑な形状を再現します。

次に、乾燥し、必要に応じて脱結合し、高温で焼結します。

最終的なセラミック コアは、次に起こるあらゆるものに耐えられる十分な強度と寸法安定性を備えていなければなりません。

そして寸法精度は非常に重要です。

炉心の小さな誤差は冷却通路の小さな誤差となる。

高度に最適化されたタービンブレードでは、冷却性能、局所的な金属温度、そして最終的にはブレードの寿命に影響を与える可能性があります。

2. ワックスパターンの構築

完成したセラミックコアは金型内に配置されます。

次に、コアの周囲にワックスを注入します。

ワックスが固化すると、内部にセラミックコアが埋め込まれたタービンブレードの外部形状を表すワックスパターンが得られます。

この時点で、将来の冷却通路はすでに存在します - が、まだセラミックによって占有されています。

3. インベストメント-鋳造シェルの構築

ワックスパターンはセラミックスラリーに繰り返し浸漬され、耐火材料でコーティングされます。

層ごとに、ワックスパターンの周りに強力なセラミックシェルが構築されます。

シェルが必要な厚さと強度に達したら、通常は蒸気または制御された加熱を使用してワックスを除去します。

ワックスが流れ出ます。

セラミックコアが内部に残ります。

その結果、次の 2 つの重要なセラミック構造を含むインベストメント鋳造金型が完成します。{0}

ブレードの外形を画定する外側シェルと、その冷却通路を画定する内部セラミックコアです。

4. 超合金の鋳造

金型は予熱され、制御された鋳造環境に移されます。

ニッケル-ベースの超合金は、厳密に制御された条件下、多くの場合真空または不活性雰囲気下で溶解され、金型に注入されます。

溶融金属はセラミックコアの周囲の空間を満たします。

合金が凝固すると、内部コアの形状を維持しながらブレードの形状になります。

高度なタービンブレードの場合、凝固プロセス自体は、方向性凝固や、一部の用途では単結晶成長など、非常に洗練されたものになる可能性があります。-

プロセスの最後には金属ブレードが存在します。

しかし、セラミックコアはまだその中に閉じ込められています。

5. コアの取り外し

ここで、セラミック コア テクノロジーを非常に珍しいものにする部分が始まります。{0}

コアは鋳造プロセス - を経て事実上消滅する必要があります。

コアシステムと合金の用途に応じて、化学浸出を使用してセラミックを除去します。

アルカリ溶液はセラミックを攻撃し、徐々に分解します。

残りの粒子は、コアが作成したのと同じ狭い通路を通って洗い流されます。

目的はシンプルです。

金属はそのままにしておきます。冷却通路を開いたままにしておきます。基本的にセラミックは残りません。

コアはその仕事を完了しました。

そしてそれはなくなってしまった。

矛盾を中心にデザインされたマテリアル

これがセラミックコアの開発を非常に困難にしている理由です。{0}

材料は、互いに相反するように見える 2 つの要件を満たさなければなりません。

キャスト中: 非常に安定している必要があります。

コアは約 1,500 度の温度で溶融した超合金にさらされます。

それは抵抗しなければなりません:

ひび割れ、

変形、

侵食、

クリープ、

そして次元変化。

炉心が少しでも動くと、冷却通路の形状が変化する可能性があります。

高度なタービンブレードの場合、高価な鋳物をスクラップに変えるのに十分な場合があります。

キャスト後: 取り外しが簡単でなければなりません。

同時に、セラミックは通常の非常に安定した構造セラミックのように単純に動作することはできません。

鋳造後に化学的に損傷を受けていない場合、ブレードの内部に永久に閉じ込められる可能性があります。

冷却通路が塞がれてしまいます。

刃が使えなくなってしまいます。

したがって、理想的なセラミック コアは、2 つの異なる瞬間に 2 つの異なる材料のように動作する必要があります。

鋳造中は、高温の構造コンポーネントのように動作する必要があります。-

鋳造後は、きれいに除去できる犠牲材料のように動作する必要があります。

この矛盾がセラミックコア材料工学の中心にあります。{0}

シリカ vs アルミナ

2 つの重要なセラミック コア材料ファミリーは、シリカ- ベースとアルミナ- ベースのシステムです。

シリカ-ベースのコア

溶融シリカにはいくつかの魅力的な特徴があります。

比較的良好な浸出性、比較的低い処理温度、および有利な製造経済性を実現できます。

しかし、特に鋳造温度や加工要件が上昇すると、高温での寸法安定性とクリープ挙動が制限になる可能性があります。{0}}

アルミナ-ベースのコア

アルミナは優れた高温安定性と耐クリープ性を備えています。{0}

そのため、アルミナ-ベースのコアは、高度な単結晶タービンブレードなどの要求の厳しい用途にとって魅力的です。-

その代償として、安定性の高いアルミナは鋳造後の除去がより困難になる可能性があります。-

したがって、エンジニアリング上の課題はバランスをとることになります。強度、寸法安定性、気孔率、相組成、浸出性.

最良のコアが必ずしも最強のセラミックであるとは限りません。

これは、製造サイクル全体にわたって特性を適切に組み合わせたセラミックです。

製造における本当のボトルネックはどこにあるのか

高度な航空機エンジンの背後にあるテクノロジーについて考えるとき、人々は次のような明白な課題に注目する傾向があります。

エンジンの構造、タービンブレード合金、単結晶技術、冷却設計、または高温コーティング-。

しかし、先進的なセラミック コアは、製造チェーンにおけるもう 1 つの重要なリンクです。

そして、課題は単にセラミック部品を作ることではありません。

それを中心にシステム全体を構築しています。

粉質

高性能コアには、注意深く制御されたセラミック粉末が必要です。-

純度、粒度分布、粒子形態、表面化学、その他の特性はすべて、最終的なコアに影響を与える可能性があります。-

出発粉末の小さな変化は、成形、乾燥、焼結、気孔率、強度、寸法安定性に影響を与える可能性があります。

プロセス制御

製造ウィンドウは非常に狭い場合があります。

成形条件、結合剤含有量、脱結合剤、焼結温度、または保持時間の変化により、コアの微細構造と特性が変化する可能性があります。

これが、セラミックコアの製造が蓄積されたプロセス知識に大きく依存する理由の 1 つです。{0}

紙に書かれたレシピと安定した製造プロセスは必ずしも同じではありません。

資格

航空宇宙コンポーネントは、非常に厳しい信頼性要件の下で動作します。

新しい材料や製造プロセスは、実験室でのテストが有望であるからといって、単純に導入することはできません。

広範なテスト、プロセスの検証、再現性の調査、および認定を通過する必要があります。

そのため、航空宇宙のサプライチェーンへの参入や置き換えが困難になっています。

したがって、セラミックコアの場合、製造能力は適切な設備を有することよりもはるかに重要です。

それは、材料、プロセス管理、品質システム、エンジニアリングの専門知識、資格履歴同じ結果を繰り返し生み出すこと。

次のフロンティア: セラミック 3D プリンティング

従来のセラミックコアの製造は、工具に大きく依存しています。{0}

設計者がますます複雑になる冷却アーキテクチャを実験したい場合、これが問題になります。

セラミック積層造形は、別のアプローチを提供します。

光重合-ベースのセラミック 3D プリンティングを使用すると、複雑なコア形状をデジタル モデルから直接製造できるため、従来の成形に伴う工具の制約の一部が解消される可能性があります。

これにより、開発が容易になる可能性があります。

より複雑な冷却通路、

より薄い構造、

型破りな内部形状、

冷却設計を迅速に反復します。

しかし、積層造形は魔法の解決策ではありません。

この技術は依然として、素地均一性、寸法精度、焼結収縮、欠陥制御、スループット、コストなどの課題に直面しています。{0}

実験室でのデモンストレーションもその 1 つです。

一貫した特性を備えた航空宇宙グレードのコアを数千個製造することも必要です。{0}

からの移行「印刷できるよ」に「工業規模で確実に製造できる」ここにはエンジニアリング作業の多くが残っています。

消えるコンポーネント

セラミックコアに関して最も興味深いのは、最終的にどうなるかということかもしれません。

完成したエンジンの一部にはなりません。

乗客が目にする仕様には記載されていません。

エンジンの推力には直接寄与しません。

鋳造工程後は取り外されて廃棄されます。

しかし、それがなければ、先進的なタービンブレードの複雑な内部冷却構造は決して存在し得ないでしょう。

現代の航空機エンジンを見るとき、私たちは-巨大な推力、高度な合金、単結晶ブレード、洗練された冷却システム、極端な動作温度などの素晴らしいものに注目する傾向があります。-

しかし、高度な製造業は、はるかに小さなものの上に構築されることがよくあります。

消えてしまう素材たち。

仮設構造物。

特殊な粉末。

最終製品には決して表示されない可能性のある小さなコンポーネント。

セラミックコアもその一つです。

- が必要とされる瞬間は存続し、仕事が完了すると消えるように設計されています。

これは、目に見えない製造技術を表す最も適切な表現かもしれません。

決して飛行することはありませんが、飛行を可能にするコンポーネントです。