より効率的なタービン
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ガスタービンの進化は、ニッケル合金の発展との関連がある By John Milne
60年前、ドイツと英国は、航空機の動力源としてガスタービンで実験を始めました。タービンの吸気ファンは空気を圧縮して、次にそれを液体燃料の燃焼で高温ガスを膨張させる燃焼室に送った。この膨張が高温部分のタービンと空気の吸気ファンを駆動した。今日のガスタービンも、ほとんど同様に機能する。 当時、利用できる合金鋼はジェットエンジンの燃焼室での950-1,100℃の高温に耐えることができなかったので、初期のガスタービンの寿命はおよそ5時間に制限された。エンジンは機能していたが、その実用的な使用は当時の高温ガス部で利用できる材料の腐食によって制限された。ガスタービンが今日のような効率的で信頼できるエンジンになるためには、改善された合金が必要でした。 ニッケルは、その固有の強さ、耐食性、及び他の金属との合金化の能力のため、ジェットエンジンのためのより良い合金の発展のために選択される基本的な金属でした。1940年代と50年代の冶金技術者は、ニッケル-クロムとニッケル-クロム-コバルト合金が当時一般に使用されていたステンレス鋼合金よりもより強く、腐食と酸化により抵抗性があることを知っていた。これらのニッケル-クロムとコバルト合金は、ガスタービンの寿命を延ばすことができた。例えばN06600のような72%のニッケルを含む初期の合金は、冶金技術者がジェットエンジンのためにより効果的で耐久性のある合金を開発するのを助けた。 ニッケル基合金とその後の展伸及び鋳造製品の加工技術の発展は停滞し、カーブは、水平になっているだろうか？ ガスタービンの効率は、吸気、外気及び燃焼室の間の温度差に依存する。燃焼領域が熱ければ熱いほど、燃料から取り出すことができるエネルギー量は、より大きい。そういうわけで、我々はより高温の燃焼室温度を取り扱うことが出来る合金を必要とした。冶金産業が進化するにつれ、新しい合金がこの挑戦に応えるために開発された。それらは、大部分はより高温で強度と酸化/腐食の抵抗性を上げるために、クロム及びその他の元素を添加をしたニッケル基合金でした。合金の発展は、ガスタービン自体と同様に、3段階で進化しました。 最初に、合金は展伸及び鋳造の合金でニッケルとクロムの含有量を増やすことにより、又有害な酸化物の形成を減らすために真空溶解技術を用いることにより合金は改善された。研究者は、それから合金組成を向上させることを考えた。ニッケル、クロムまたはコバルト以外の元素の合金添加は、より高温で用いるための次のステップでした。特に、タングステン、バナジウム、モリブデンとニオブの添加は、12の異なる金属元素を含んだ複雑な合金の開発につながりました。ジェットエンジン使用のために非常に良い特性を有する68%のニッケルを含んだN06102は、その間に開発された合金の一つでした。真空溶解技術の改善は、合金のクリーンさと均質な微細構造を有する、このような複雑な合金の製造を可能にした。 次に例えばCoAlや NiAlのようなアルミ化物のコーティングが出てきた。そしてそれはより良い耐食性及び耐酸化性を有する基本的合金部品に応用することができた。 発展の第3の段階では、溶解金属の凝固の間のいくつかの元素の結晶粒界偏析は、高温部分のタービン羽根のような鋳造合金部品の弱点でした。この問題は、高温部分のタービン羽根の新しい鋳造技術の開発によって解決されました。たとえば、一方向凝固と単結晶鋳造は、ガスタービンをより高温度で作動させ、より大きな燃料効率をもたらした。 今日、我々はガスタービンを次のレベルへ持っていく更なる冶金の改良を待っている。そのような改善は、ニッケル基合金の継続した発展に依存する。 John Milne is a consultant to the Nickel Institute. PHOTOS: Rolls-Royce
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