新しいろう付け合金によりジェット エンジンの高温セクションの断熱層が向上

編集者による | 2013 年 11 月 8 日

によるTom Sandin 氏、Morgan Advanced Materials Wesgo 氏、金属ろう付け製品マネージャー

材料科学者とセラミック部品メーカーは、航空宇宙産業の高性能化とコスト削減への関心に応えて、エンジンをより高温で動作させるための新しい材料とプロセスを開発してきました。

ガスタービンエンジンでは、タービンベーンとブレードを冷却するためにコンプレッサーからの大量の空気が使用されます。 必要な空気の量は、タービンの温度と冷却する必要がある材料によって決まります。 タービン材料の冷却が少なくて済む場合、または高温に耐えられる材料で作ることができれば、より多くの空気を推進に利用できるようになります。 したがって、タービンの温度能力を高めることが、エンジン効率を向上させる鍵となります。 ただし、処理温度が上昇するとエンジンの動作温度が上昇し、この熱の上昇によって金属が劣化する傾向があります。

タービン内部では、過剰な熱と摩耗によって破損したベーンを修復するために、焼結前プリフォーム (PSP) が使用されます。 PSP は母材金属に少量のろう付け合金が混合されており、主にタービン部分でベーンの亀裂や摩耗領域を修復するために使用されます。 これらのゾーンでは温度が上昇し続けるため、より優れた断熱層を作成するための新しい素材と技術が開発されています。 これらの開発により、保守、修理、オーバーホール (MRO) コストが大幅に削減されることが期待されます。 例としては、先進的なろう付け合金の開発、高温金属とセラミック部品間のセラミックの使用、金属化せずに金属をセラミックに直接接合できる活性ろう付けの導入などが挙げられます。

ろう付け合金は、さまざまな軍用機や商用航空宇宙エンジンの部品に使用されており、セラミックを金属やその他の材料に直接接合するグレードが開発されています。 合金組成はさまざまで、高温用途 (750 ～ 850°C) での機能的使用向けに設計されたものも含まれます。

合金は、特定の使用温度条件および接合されるすべてのコンポーネントの要件を満たすように選択されます。 例としては、新しいタービンのホットセクションで使用される合金、新しい超合金エンジン部品への窒化ケイ素セラミックのろう付けなどが挙げられます。 表 1 は、利用可能なろう付け合金の概要を示し、それが使用されるエンジン部品とコンポーネント/ベース材料を示しています。

最新の旅客機のほとんどは、推力が高く燃料効率が良いため、ターボファン エンジンを使用しています。 ターボファンは、推力の一部をコアから得、一部をファンから得ます。 入ってくる空気はエンジン入口に捕らえられます。 入ってくる空気の一部はファンを通過し、引き続きコアコンプレッサーに入り、次にバーナーに入り、そこで燃料と混合されて燃焼が起こります。 高温の排気はコアとファン タービンを通過し、ノズルから排出されます。 流入空気の残りは、プロペラを通過する空気と同様に、ファンを通過し、エンジンをバイパスします。 ファンを通過する空気の速度はわずかに増加します。

典型的なターボファン エンジンのこの図は、エンジンの「コールド セクション」 (空気入口とコンプレッサー) とその「ホット セクション」 (タービンと燃焼室) に使用される場所を含む、合金が使用される最も一般的な場所を示しています。

図 1 は、典型的なターボファン エンジンの図であり、エンジンの「コールド セクション」 (空気入口とコンプレッサー) とその「ホット セクション」 (タービンと燃焼室) に使用される場所を含む、合金が使用される最も一般的な場所を示しています。

カリフォルニア州ヘイワードにあるモーガン アドバンスト マテリアルズのウェスゴ メタルズ サイトでは、コンプレッサー セクションで使用する 15 を超えるろう付け合金組成物を製造しています。 Nioro® は、ニッケルベースの合金で発生する過剰な粒子成長を起こさずに溶体化処理温度を満たすために、インコネル X750 または 718 に使用されます。 Nioro® は、真空ろう付け用の高純度の金/ニッケル合金です。 ニッケルろう付け合金は、コンプレッサーおよびタービンセクションのろう付けに使用されます。 フォイルの形では、ハニカムおよび金属シール ストリップのろう付けに使用できます。

ターボファン エンジンのステーター セクションでは、ステーターが冷気を引き込んでエンジンをバイパスし、追加の推力を生み出します。 ステーターには乱流を低減する役割もあるため、空気のピッチングとローリングが最小限に抑えられます。

ターボファン燃料システムでは、燃料システムのチューブとノズルのろう付けに金ニッケルと白金金ニッケルが使用されます。 燃料ノズルは、第 1 および第 2 の燃焼段階が行われる場所に配置されており、かなりの量の熱を受け取ります。 ろう付け接合部の延性は、燃焼セクションの膨張と振動を抑えるために必要です。 金およびプラチナのろう付け合金は、ろう付け接合部で優れたコントラストを示すため、X 線技術を使用してろう付け接合部の完全性を確認できます。 さらに、これらの合金は優れた耐食性を示します。 この分野は、エンジンメーカーが、従来の超合金では機能しない極端な温度に耐えることができる材料に多大な関心を示している分野です。

関心が高まっている分野は活性金属ろう付けです。これにより、メタライゼーションを行わずに金属をセラミックに直接接合できるため、接合プロセスのいくつかのステップが省略され、より高い動作温度に達することができる非常に強力な気密シールが作成されます。 航空宇宙用途には、航空宇宙および産業用タービン エンジン用のノズル、新しいタービン ベーン システム、エンジン センサー コンポーネントが含まれます。

活性金属ろう付けは、セラミック、カーボン、グラファイト、金属、ダイヤモンドの任意の組み合わせで実行できます。 活性ろう付け合金 (ABA) は、金属とセラミックのストリップを使用してエンジンの機能を監視するエンジン センサーに使用されます。 ろう付けは高温 ABA で行われるため、センサーは使用中に 1000°C (1830°F) に耐えることができます。

活性金属ろう付けは、これまで実現できなかった一部の材料やコンポーネントの接合を容易にし、特に軍事および航空宇宙用途で有益です。

モーガン アドバンスト マテリアルズwww.morganadvancedmaterials.com