3Dプリントチタン合金の航空宇宙への応用

3Dプリントチタン合金の航空宇宙への応用

チタン合金は、低密度、高比強度、広い動作温度範囲（-269〜600℃）、耐腐食性、低減衰性、溶接性など、多くの利点を備えています。航空宇宙機の軽量化と総合性能の向上に最適な材料です。その応用レベルは、航空機の進歩を反映する重要な側面です。航空機の総合的な機械的特性の向上とコストの削減は、航空宇宙分野におけるチタン合金の応用を促進するための重要な対策です。

航空宇宙技術の発展に伴い、チタン合金の航空宇宙分野への応用範囲は拡大し続けており、チタン合金構造部品は大型化、薄肉曲面化、厚さ可変、全体構造化の傾向がますます顕著になっており、航空宇宙機の性能と構造剛性がさらに向上し、重量が軽減されています。チタン合金の精密成形技術は、航空宇宙製造技術の研究焦点になります。

精密成形とは、成形後に部品の精度要件に近づくか、それに到達する成形技術を指します。新材料、新設備、新プロセス、コンピュータ支援プロセス設計などの技術成果に基づいて、従来の成形技術を発展させ、高効率、高性能、低コスト、低残留物の製造技術を実現します。精密成形部品は、高い幾何学的精度と表面粗さ、精密な外観、優れた機械的特性を備えています。チタン合金の精密成形技術は航空宇宙分野で広く利用されており、その使用により、各種戦闘機、航空エンジン、戦略戦術ミサイル、打ち上げロケットなどの航空宇宙製品の総合的な性能とサポート能力が大幅に向上します。精密成形技術における精密熱間成形技術（精密鋳造、超高速成形/拡散接合、精密スピニング、レーザー直接高速成形を含む）の応用進捗状況を分析します。これらの技術は、材料利用率が最大70％～90％のニアネットシェイプ生産を実現でき、航空宇宙分野で幅広い発展の見通しと優れた応用価値を示しています。

チタン合金精密鋳造技術

米国は1960年代からチタン合金精密鋳造技術の研究と応用を開始し、ワックスセラミック鋳造技術、機械加工グラファイト鋳造技術、熱間静水圧プレス技術を開発し、世界をリードするレベルに達しています。海外の先進国は、F-100、CFM-56、CF6-80、F-119などの航空機エンジン用の大型薄肉一体型チタン合金中間ケーシング、ファン、高圧コンプレッサーケーシングなどの鋳物の開発に成功しました。最大直径は1000mm以上、最小壁厚は3mm未満、寸法精度はCT6〜CT7レベルに達し、冶金品質は高いです。

米国のF-22戦闘機は、垂直尾翼の方向舵アクチュエーター支持部やその他の主要な荷重支持部品に多数のチタン合金精密鋳造品を使用しており、全体の構造重量の約7.1%を占めています。ドイツのチタンアルミニウム精密鋳造会社は、準α型チタン合金IMI834を使用して、ガスタービン航空機エンジンの部品を製造しています。現在、大型で複雑なエンジン中間ケースファンフレームには、基本的に Ti-6Al-4V と Ti6242 の精密鋳造品が使用されています（表 1 を参照）。

我が国のチタン精密鋳造技術は1960年代に始まり、外国の技術を学び、導入することで発展しました。長年の開発を経て、チタン合金精密鋳造技術、ラミングモールド鋳造技術、グラファイト加工モールド鋳造技術などが開発されました。チタン合金精密鋳造技術と遠心鋳造プロセス技術を組み合わせることで、サイズ900mm、総肉厚2.5mmの薄肉複合チタン合金構造部品の鋳造を実現しました。寸法精度はCT6～CT8レベルに達し、鋳造表面の粘着層の厚さは0.3mmまで減少しました。中小型鋳物の場合、寸法精度はCT6〜CT7レベルに達し、表面粗さはRa3.2mmに達し、最小壁厚は1.5μmで、国際先進レベルに達しています。北京航空材料研究所は、寸法630mm×300mm×130mm、最小壁厚わずか2.5mmの複雑なフレーム構造の鋳造に成功しました。

航空宇宙機器のアップグレードに伴い、大規模で複雑かつ高精度な部品に対する要求が高まっています。先進的な溶解技術、コンピューターシミュレーション技術、熱間静水圧プレス技術、デジタル検出技術などを組み合わせたチタン合金精密鋳造技術は、今後の主な発展方向です。現在、欧米先進国と比較すると、わが国は技術基盤、設備、工程管理、成形・修正統合、工程シミュレーション、デジタル検出などの面で依然として一定の格差があり、大型薄肉複合一体型精密鋳造品のキー鋳造技術を克服し、先進的な航空宇宙設備の研究開発ニーズを満たすことが今後の取り組みの焦点となっている。

チタン合金超塑性成形/拡散接合技術（SPF/DB）

超塑性成形/拡散接合（SPF/DB）は、超塑性成形と拡散接合を組み合わせて高精度の大型部品を製造する、残留物がほぼゼロの加工方法です。現代の航空宇宙産業の発展に牽引され、30年以上の開発、研究、検証テストを経て実用段階に入りました。

1970年代初頭、アメリカのロックウェル社が初めて超塑性成形技術を航空機構造部品の製造に応用し、チタン合金製造プロセスに技術革命をもたらしました。その後、欧米ではチタン合金のSPFとSPF/DB技術を重点研究プロジェクトに挙げ、超塑性成形された一体型チタン合金構造部品の工学応用につながり、莫大な技術的・経済的利益を生み出しました。統合打撃戦闘機（JSF）の後縁フラップとエルロン、F-22の後部胴体ヒートシールドなどの重要な構造はすべて、チタン合金の超塑性成形/拡散接合の一体型構造を採用しました。英国のロールスロイス社は、SPF/DB技術を活用し、第2世代のチタン合金製ワイドコード、ショルダーフリー中空ファンブレードを開発し、ブレード1枚あたりの重量を35～40％削減し、世界をリードしています。超塑性成形法で成形されたEUのTi-6Al-4V合金高度制御機器シリンダーは、アリアンVロケットにも使用されています。一部の外国のミサイルに使用されているチタン合金のハニカム構造の翼面も、SPF/DB技術を使用して成形されています。

我が国におけるSPF/DB技術の研究は1970年代後半に始まり、30年以上の開発を経て、我が国のSPF/DB技術は大きな進歩を遂げました。近年、我が国では、前縁フラップ、カナード、一体型壁パネル、腹板などの大型チタン合金部品に、新型航空機の開発・改良にSPF/DB技術が活用されています。航空宇宙モデルにおける金属熱保護構造の需要に応えて、航空宇宙材料技術研究所はチタン合金波板のSPF技術の研究を行い、TC4チタン合金熱保護タイルなどの熱構造部品の製造に成功しました。

SPF/DB は航空宇宙用途において 2 つの利点があります。1 つは航空宇宙の複雑な形状の部品の要件を満たすことができ、もう 1 つはジョイント (ファスナーやリベットなど) のない一体構造を実現できることです。 SPF/DB技術の応用方向は、大型構造部品、複雑構造部品、精密薄肉部品の超塑性成形、高速超塑性成形技術の研究開発です。 SPF/DB 技術の応用により、チタン合金は高価であるにもかかわらず、コスト効率、信頼性、長寿命、軽量が航空宇宙にとってより魅力的であることが示されました。

チタン合金精密スピニング技術

スピン成形技術で製造された薄肉回転シェル部品は、旋削加工時に生じる剛性が低い、振動が大きい、加工精度が低いなどの技術的問題、あるいは全く加工できないという技術的困難を解決し、航空宇宙分野での応用に多くの利点があります。

米国で高出力スピニング加工により生産されるφ3900mmの大型ミサイル砲弾は、半径寸法精度0.05mm、表面粗さRa1.6～3.2μm、肉厚差≤0.03mmを実現。アメリカン・チタニウム・マニュファクチャリング社では、1.5mの垂直スピニングマシンを使用して、φ1524mmのTi-6Al-4Vチタン合金ミサイル圧力容器ヘッドをスピニングしており、ヘッド1つあたりのスピニング時間は5分です。ミニットマン大陸間ミサイルの第2段固体エンジンケースはTi-6Al-4Vチタン合金製で、高力スピニング成形により成形されています。チタン合金ケースの重量は成形後30%軽減されます。ドイツのMTエアロスペース社は、軽量、高強度、大型航空機モデルに対する航空宇宙ニーズに応えて、スピニングプロセスを使用してφ1905mmの高強度Ti-15V-3Cr合金推進システムタンクを生産し、欧州アルファ通信衛星巨大プラットフォームに適用し、衛星プラットフォームの大幅な軽量化とペイロードの増加を実現しました。

我が国の紡糸技術と設備の研究は1960年代初頭に始まり、チタン合金の紡糸の研究は1970年代に始まりました。40年以上の発展を経て、設備の研究開発からプロセス開発まで、成熟したシステムが基本的に形成されました。国内航空宇宙用チタ​​ン合金およびスピニング製品。ロケットエンジンケース、ブレードカバー、ジャイロガイドカバー、内板など。Ti8Al1Mo1V高チタン合金はスピニング加工によるエンジンブレードの熱処理および強化に使用され、TB2チタン合金は小型ノズルのスピニングなどに使用されます。

西安航空宇宙動力機械工場は、中国で最大径のチタン合金円筒部品を開発しました。順方向と逆方向の2回のスピニングとフランジ加工を経て、宇宙船のマイクロパワー姿勢調整に使用されるφ500mmの薄肉半円形チタンリングのスピニングに成功しました。

中国航空科学技術集団第703研究所は、普通スピニングと強スピニング技術を組み合わせて、TC3とTC4チタン合金板をブランクとして熱間スピニングを行い、チタン合金の半球形（φ522mm×2.0mm）と円筒形のタンクシェル2種類（φ163mm×2.0mm×200mmのカップ形部品、φ163mm×2.0mm×360mmとφ112mm×6.0mm×1000mmの円筒形部品）を製造した。

近年、コンピュータシミュレーション技術の発展に伴い、金属部品のスピニング工程の解析に数値シミュレーションが広く使用されるようになりました。航空宇宙材料技術研究所は、TC4円筒部品のコンピュータシミュレーションを実施し、スピナーアタック角度、スピナー運動軌道、一般的なスピニングパス数などのプロセスパラメータがスピニング成形に与える影響を分析し、高アスペクト比のTC4チタン合金円筒部品のスピニングに成功しました。チタン合金精密スピニング技術は、航空宇宙分野にさまざまな合金汎用スピニング成形高アスペクト比スピニング部品を提供していますが、部品のエンジニアリング応用とスピニング成形の複雑性分析の面でさらに強化する必要があります。一般的に、スピニング技術は国内の航空宇宙産業で広く使用されていますが、大口径、薄肉の一体型チタン合金熱間スピニング成形プロセスの応用例はありません。直径2.25mのタンク底の一体型スピニング技術、直径5mの低温タンク底のメロンスライス成形、チタン合金と高温合金の複雑な構造部品の成形は、まだプロセス探索段階にあります。

チタン合金レーザー直接ラピッドプロトタイピング技術

1990 年代以降、コンピュータ技術の急速な発展に伴い、レーザー直接製造技術は製造分野で徐々に注目される研究テーマになってきました。金属部品を直接製造するために使用できるレーザー直接ラピッドプロトタイピング技術には、選択的レーザー溶融 (SLM) 技術とニアネットシェーピング (LENS) 技術の 2 つの方法があります。大型チタン合金構造部品のレーザー直接ラピッドプロトタイピング技術に関する海外の研究は、主に米国に集中しています。 2002年から2005年にかけて、アメリカのAeroMet社は航空機のチタン合金構造部品のレーザー直接高速成形の応用を実現しました。 2001 年、エアロメットは、ボーイング社の F/A-18E/F 艦載統合戦闘攻撃機向けに、エンジン室のスラスト ビーム、翼の回転および折りたたみジョイント、翼桁、リブ付き壁パネルなど、チタン合金製の二次荷重支持構造部品の少量試作を開始しました。 2002年に航空宇宙材料規格「Ti6Al4Vチタン合金レーザー急速成形製品」（ASM 4999）を制定し、同年、世界で初めてF/A-18などの戦闘機へのレーザー急速成形チタン合金二次荷重支持構造部品の検証、評価、搭載を実現しました。航空宇宙分野では、アラバマ州ハンツビルにあるNASAのマーシャル宇宙飛行センターが、2012年に航空宇宙エンジンの複数のモデルの複雑な金属部品サンプルの製造に選択的レーザー溶融技術を適用しました。レーザー直接ラピッドプロトタイピング技術は、チタン合金部品や金型の修復にもよく使用されます。

2001年以来、我が国のチタン合金構造部品のレーザー直接ラピッドプロトタイピング技術の研究は、政府の主要科学技術管理部門から高く評価されており、航空機やエンジンなどのチタン合金構造部品のレーザーラピッドプロトタイピング製造プロセスの研究、設備一式の開発、エンジニアリングアプリケーションのキーテクノロジーの取り組みにおいて大きな進歩を遂げています。

北京航空航天大学のレーザー材料加工製造技術研究室は、航空機二次荷重支持チタン合金複合構造部品のレーザーラピッドプロトタイピングの工学応用技術の研究を進め、TA15チタン合金コーナーボックスを200個近く連続製造し、「レーザーラピッドプロトタイピングTA15チタン合金構造部品の特定機種航空機への搭載審査」を完了しました。最初のレーザーラピッドプロトタイピングTA15チタン合金構造部品は、特定機種航空機への適用テストと評価にすべて合格し、わが国は米国に次いで世界で2番目に航空機チタン合金複合構造部品のレーザーラピッドプロトタイピングの工学技術を習得し、航空機へのレーザーラピッドプロトタイピングチタン合金構造部品の応用を実現した国となりました。

北京航空航天大学の王華明氏が主宰する「航空機用チタン合金の大型複雑一体部品のレーザー成形技術」プロジェクトは、これまでわが国の航空機装備において最大かつ最も複雑なチタン合金やその他の高性能難加工金属主要一体部品を開発・生産した。これらの部品はわが国の大型航空機を含む各種航空機の開発・生産に実用化されており、わが国は図1に示すように、航空機用チタン合金の大型主要荷重支持構造部品のレーザー急速成形技術で画期的な進歩を遂げ、実用化を実現した世界で唯一の国となっている。

国内の航空分野の研究と応用と比較すると、我が国の航空宇宙分野におけるレーザー直接ラピッドプロトタイピング技術の応用研究は、基本的にまだ初期段階にあります。実際、航空宇宙の液体および固体ロケットエンジンの難加工材料、兵器モデルの難加工材料の複雑な表面構造部品、軽量の耐熱構造部品は、選択的レーザー溶融技術によって高精度に加工できます。

航空宇宙用の一体型チタン合金構造部品の製造にレーザー直接ラピッドプロトタイピング技術を使用すると、材料利用率が高く、加工許容範囲が小さく、サイクルが短く、柔軟性が高いなどの利点があります。しかし、レーザーラピッドプロトタイピング時の部品の変形や割れの防止、内部品質（内部欠陥、粒子や微細構造など）、機械的特性の制御は、依然として大型一体型チタン合金の主要構造部品に対するレーザー直接ラピッドプロトタイピング技術の開発と応用を制限する技術的なボトルネックとなっています。

結論 まとめると、チタン合金の精密熱間成形技術は継続的に進歩している一方で、いくつかの技術的な困難にも遭遇しています。大型一体型チタン合金部品のエンジニアリング応用の範囲はまだ比較的小さいですが、航空宇宙産業の急速な発展に伴い、チタン合金の精密熱間成形技術は新たな発展期に入ることは間違いありません。チタン合金と精密熱間成形技術の優れた利点を考慮すると、この2つを組み合わせることで、将来の航空宇宙産業にさらに大きな貢献をすることができます。今後の主な発展方向は、（1）大型または超大型の複雑な（薄肉）構造部品の一体型精密成形、低コスト、エンジニアリング応用、（2）コンピューターシミュレーション（エミュレーション）技術、CAD / CAM技術、数値制御技術などを精密成形技術と組み合わせて、新しい航空宇宙部品の成形に技術的なアプローチを提供することです。

中国航空ニュースネットワーク

チタン合金、航空宇宙

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