単結晶鋳造(タービンブレード)

しくみ

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   セラミックの型をつくる。 インベストメント鋳造(レッスン 1.2)と同じように、ろうのブレードをセラミックで覆い、ろうを溶かし出します。内側のセラミックの中子がブレードの冷却流路をつくり、ブレードの下には、結晶選別器と呼ばれるらせん状の通路を加えます。

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   熱い型に注湯する。 型は、真空炉の中の冷却板の上に置かれるので、ニッケル超合金が空気と反応することはありません。型を金属の融点より高い約 1500 °C に加熱し、金属を流し込みます。

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   下から凝固を始める。 水冷された冷却板が、底の金属を最初に凝固させます。スターターブロックでは多数の小さな結晶が生まれ、すべて上へ向かって成長します。

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   結晶を 1 つだけ通す。 らせん状の結晶選別器は曲がりくねっていて、ほとんどの結晶は追いつけません。通常は 1 つだけが上へ抜け出します。代わりに種結晶を使って、結晶の向きを決めることもできます。

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   ゆっくり引き下げる。 型は、バッフルを通して高温部から引き下げられます。速度は通常、毎時数センチです。凝固の前線はバッフルの位置で平らに保たれ、単結晶はブレード全体を通って上へ成長します。

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   殻を取り除いて検査する。 セラミックを割って取り除き、中子を溶かします。各ブレードをエッチングし、X 線と結晶方位の測定で、1 つの結晶であることを確かめます。

主なポイント

材料

ニッケル基超合金(ニッケルに、クロム、コバルト、アルミニウム、レニウムなどを加えた耐熱合金)

代表的な部品

ジェットエンジンとガスタービンの高圧タービンのブレードと静翼

部品サイズ

航空機用のブレードは長さ数センチから約 15 cm。発電所用のブレードは数倍大きいことも

精度

インベストメント鋳造と同じレベルで約 ±0.1 mm。細かい冷却穴はあとからあける

表面仕上げ

なめらか:Ra(平均粗さ)で約 1〜3 µm。そのあとコーティングされる

向いているロット数

エンジンのプログラムごとに、年間数千から数十万枚のブレード

金型・設備コスト

真空引き下げ炉は数百万ドル。ブレード 1 枚は数百から数千ドル

速度

遅い:1 回の引き下げに数時間かかり、炉 1 回の装填に複数の型を入れる

強みと限界

使われる場所

• 航空宇宙ジェットエンジンの高圧タービンのブレードと静翼
• 発電大型ガスタービンの 1 段目のブレード
• 防衛軍用のジェットエンジンとヘリコプターのエンジン
• 研究合金の研究用の単結晶の試料

見分け方

• コーティングされた完成品のブレードでは、たいてい見ても分かりません。ほかの精密鋳造品と同じに見えます。
• エッチング(結晶粒を浮かび上がらせる酸浴)をすると、単結晶のブレードは、結晶粒の模様がない、均一な 1 つの面に見えます。
• 通常の鋳造ブレードは結晶粒がパッチワークのように見え、一方向凝固のものは、根元から先端まで長い縞が見えます。
• 表面の小さな冷却穴と、高温部のブレードに典型的なモミの木形の根元。

比較

動画を見る

What is Directional Solidification? | Manufacturing Processes

Magic Marks · 単結晶の背後にある、ゆっくりした一方向の凝固についての短い解説

Gas Turbine Blades and their Heat-Defying Single-Crystal Superalloys

Asianometry · 通常のブレードから柱状晶、単結晶ブレードへの歴史

Why Single Crystal Blades Are Nearly Impossible to Manufacture

Jetline Marvel · これらのブレードがなぜこれほどつくりにくく、なぜこんなに多く廃棄されるのか

Singapore facility makes 90% of all Rolls-Royce’s jet engine blades?

The Business Times · タービンブレード工場の実際の映像

実写真を見る

• Wikipedia:Turbine blade — ブレードの材料、冷却、鋳造の背景
• Wikipedia:Directional solidification — ゆっくりした一方向の凝固法
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