航空エンジンおよびガスタービンにおける付加製造されたニッケル基超合金の研究と応用の進歩

航空エンジンおよびガスタービンにおける付加製造されたニッケル基超合金の研究と応用の進歩
出典: 航空材料ジャーナル
著者: Wu Yu、Chen Bingqing、Liu Wei、Huang Shuai、Sun Bingbing、Zhang Xuejun、Chen Pei、Huang Chen 著者の所属部署: 中国航空宇宙付加製造技術イノベーションセンター、中国航空宇宙北京航空材料研究所 3D 印刷研究およびエンジニアリング技術センター、中国航空宇宙優秀材料 (鎮江) 付加製造株式会社技術部、中国石油化学工業計画研究所石油化学部

ニッケルベースの高温合金は優れた高温特性を備えており、航空機エンジンやガスタービンの高温側部品の製造に広く使用されています。点ごとの急速溶融や層ごとの累積積層などの積層製造のプロセス特性は、高性能な複雑な構造部品の迅速な製造を実現できるだけでなく、損傷した部品の効率的かつ高品質な修復にも使用できます。現在、積層造形技術は、ニッケル基高温合金部品の製造および修理における重要な技術的アプローチの 1 つになりつつあります。本稿では、積層造形されたニッケル基超合金の微細構造と冶金的欠陥の研究の進歩をレビューし、既存の文献で一般的に使用されている3つのニッケル基超合金GH3536、GH3625、GH4169の引張特性を要約し、積層造形されたニッケル基超合金部品の航空エンジンとガスタービンへの典型的な応用事例を紹介します。最後に、既存研究に存在する問題と積層造形ニッケル基高温合金部品の応用を制限する困難に対応して、積層造形専用のニッケル基高温合金組成の設計、積層造形ニッケル基高温合金の特殊熱処理/熱間静水圧プレスプロセスの確立、単結晶ニッケル基高温合金積層造形技術の開発、積層造形のためのリアルタイム監視および制御技術の開発、および積層造形部品の内部表面処理技術の革新の側面から、積層造形ニッケル基高温合金部品の工学応用をさらに促進することを提案する。


ニッケル基高温合金は、600℃以上で優れた構造安定性、耐酸化性、耐熱腐食性、機械的特性を有し、高温部品の製造に重要な材料であり、航空エンジンやガスタービンに広く使用されています。従来の製造プロセスは、主に鋳造、鍛造、粉末冶金です[1-2]。航空エンジンやガスタービンの急速な発展に伴い、ニッケル基高温合金部品はより複雑、軽量、統合化される傾向にあり、ニッケル基高温合金の製造プロセスに新たな要件が求められています。

積層造形技術は、レーザー、電子ビーム、電気アークなどの高エネルギービーム熱源を使用して粉末またはワイヤを層ごとに溶かし、層ごとに積み重ねて部品を準備する、ニアネットシェイプ成形プロセスです。ニッケル基高温合金の一般的な積層造形プロセスには、レーザー粉末床溶融法（LPBF）、電子ビーム溶融法（EBM）、レーザー直接エネルギー堆積法（LDED）、ワイヤアーク積層造形法（WAAM）などがある[3-4]。

従来のプロセスと比較して、積層造形技術は複雑な構造部品の製造に適しています。積層造形技術とトポロジー最適化や統合設計などの設計手法を組み合わせることで、設計の自由度が向上し、設備の軽量化が促進され、処理サイクルが短縮されます。ロールス・ロイス社は積層造形技術を利用して部品製造サイクルタイムを30%短縮した[5]。これはTrentXWB-84エンジン用に製造された低圧タービンであり、質量が約40%削減されています[6]。リープヘル社は従来の製造技術に代わって積層造形法を採用し、部品の重量を35%、部品数を10個削減し、生産時間を75%短縮しました[5]。

GE の積層製造された T25 センサー ハウジングは 10 個の部品を 1 つに統合し、センサーの精度を 30 パーセント向上させます。 2015年に、この部品はFAAの耐空性認証に合格した最初の積層造形航空機エンジン部品となりました[7-8]。さらに、積層造形プロセスは、溶融池の固液界面での冷却速度が速く、温度勾配が大きいため、堆積方向に沿って連続的にエピタキシャル成長する柱状結晶を形成しやすいだけでなく、凝固プロセス中の成分偏析や粗大構造の問題も軽減されるため、タービンブレードの修理に適しています。

2001年、スイス連邦工科大学ローザンヌ校は、CMSX-4合金ブレードの修復にレーザー直接溶融堆積技術を初めて採用しました[9-11]。米国のパデュー大学の研究では、積層造形技術を使用して古いブレードを修理すると、新しいブレードを交換する場合に比べてエネルギー消費を36％削減できることが指摘されています[12]。そのため、積層造形技術は、溶接性に優れたニッケル基高温合金部品の迅速な製造と修理のための重要な技術的アプローチとして徐々に定着しつつあります。

本稿では、航空エンジンおよびガスタービンにおける積層造形ニッケル基超合金の研究および応用状況をレビューし、積層造形ニッケル基超合金の微細構造特性、一般的な冶金欠陥の原因と制御方法を説明し、積層造形GH3536、GH3625、GH4169の室温/高温引張特性をまとめ、積層造形ニッケル基超合金部品の航空エンジンおよびガスタービンへの応用を紹介します。国内外の現在の研究状況を踏まえ、今後の重要な発展の方向性を展望します。

1 付加製造ニッケル基高温合金微細構造<br /> 積層造形プロセスでは温度勾配が大きく、冷却速度が速いため、従来の方法で製造されたニッケルベースの高温合金の微細構造とは異なります。さまざまな積層造形法で形成されたニッケル基高温合金の粒子形態は、主に柱状結晶と、堆積方向に沿ってエピタキシャル成長する少量の等軸結晶で構成されており、明らかな異方性を持っています。直接エネルギー堆積プロセスでは、熱は基板または堆積部分を通じて放散されるため、柱状結晶は通常、基板に対して垂直になり、レーザー走査方向にわずかに傾斜します。粉末床溶融成形法では、溶融池のサイズが小さく、対流がより激しくなるため、柱状結晶の成長方向は直接エネルギー堆積法と比較してより複雑になります[5]。

積層造形されたニッケル基高温合金の堆積微細構造は、通常、γ相、γ'相、共晶組織、ラーベス相、金属間化合物および炭化物から構成される（図1（a）～（c））[13]。 Xuら[14]がアーク積層造形技術を用いて作製したGH4169合金は、堆積方向に沿って成長する粗い柱状結晶で構成されている。柱状結晶の長さと幅はそれぞれ約11mmと0.8mmである。

Tayonら[15]による電子ビーム溶融GH4169合金の研究結果によると、堆積した微細組織は強い組織を有していた。1190℃で熱処理すると、柱状結晶は等軸結晶に変化し、組織は著しく弱くなった。いくつかの研究では、レーザー粉末床溶融法で形成されたGH4169合金の堆積組織中に脆い金属間化合物δ相とラーベス相が発見されている[16-17]。また、レーザー直接溶融法で堆積されたGH4169合金に炭化物とラーベス相が存在することを示す報告もある[18]。

レーザー粉末床溶融結合法で形成されたGH3536合金の堆積微細構造は、主に単相オーステナイトで構成されており、粒界には基本的に析出物は存在しない[19-20]。レーザー粉末床溶融結合法で形成されたGH3625合金の堆積微細構造は、主にγ相マトリックス、金属間化合物、およびラーベス相で構成されています[21-23]。王ら[24]はIC10合金のレーザー直接溶融堆積を研究し、凝固過程における組成偏析が粒界での共晶構造の形成につながることを発見した。

非平衡相やラーベス相が存在すると材料特性に悪影響を与えるため、成形合金は熱処理/熱間静水圧プレスを施して内部品質と微細構造を改善する必要があります。 GH4169 合金の付加製造では​​通常、δ 相と Laves 相を完全に溶解し、その後の時効処理で γ' 相の析出を促進するために溶体化処理が必要です。 Nb原子の拡散能力が低いため、δ相を完全に溶解させるために、積層造形されたGH4169合金の溶解温度は、鍛造の溶解処理温度よりも一般的に高くなります[25]。

Niら[26]は、レーザー粉末床溶融結合法で形成されたGH4169合金の結晶粒形態に対する溶体化温度の影響を研究し、980℃での溶体化処理後に柱状結晶が部分的に等軸結晶に変態し、粒径が減少することを指摘した。1040℃と1100℃での溶体化処理後には、柱状結晶が完全に等軸結晶に変態した。異なる熱処理条件下でのGH4169合金の結晶粒形態を図1(d)～(g)に示します。

熱処理後、レーザー粉末床溶融結合法で形成されたGH3536合金の溶融池境界は消失し、等軸粒が形成される[27]。熱間等方加圧後、粒は成長して等軸粒に変態し、粒界と粒内部との間の溶質元素の拡散により炭化物が形成される[19-20,28]。研究によると、レーザー粉末床で溶融された GH3625 合金の微細構造は、700℃ での溶体化処理では基本的に変化しないことが示されています。

溶解温度が1000℃まで上昇すると、溶融池境界は消失し、炭化物が粒界に析出します。 1150℃で熱処理すると、結晶粒はさらに成長し、粒界の炭化物も著しく粗大化する[29]。

王ら[30]はGH3230合金のレーザー直接溶融堆積を研究し、合金の堆積構造中にM23C6とM6Cの2種類の炭化物が存在することを発見した。溶体化処理後、炭化物の含有量とサイズが大幅に減少し、M23C6炭化物は完全に消失します。 Huang Wenpuら[31]は、レーザー粉末床溶融成形されたK4202合金が溶解および時効処理後に再結晶化し、炭化物が粒界と粒内の両方に析出することを発見した。

付加製造されたニッケル基高温合金の方向性成長特性により、単結晶高温合金を製造および修復するための重要な手段となります。単結晶高温合金の製造において、Jodiら[32]はレーザー粉末床溶融技術を用いて、トップライトによる多結晶合金基板上への単結晶合金の製造を実現した。

近年、電子ビーム溶解技術の発展に伴い、この方法を用いた単結晶高温合金の製造が研究の焦点の一つとなっている。

ラムスパーガーら[33]は、電子ビーム粉末床融合技術を初めて使用して単結晶高温合金を製造した。 Körnerら[34]が作製したCMSX-4単結晶高温合金は、熱処理後に鋳造品に匹敵する機械的特性を達成することができ、いくつかの特性は鋳造品よりも優れている（図1（h））。 Fernandez-Zelaiaら[35]は、プロセスパラメータが高温合金の微細構造に及ぼす影響を研究し、より高いエネルギー入力が単結晶の形成を促進できることを発見した。ショーヴェら[36]は、約1020℃の予熱温度でステンレス鋼基板上に亀裂のない単結晶高温合金を作製した。

リン・フェン教授の研究グループ[37]は、電子ビーム粉末床溶融技術を用いて、ステンレス鋼基板上にインコネル738単結晶高温合金を作製した。単結晶の形成は凝固条件に大きく依存するため、異なるサイズの単結晶高温合金を作製するには、異なるプロセスパラメータが必要である。単結晶高温合金の修復の分野では、EPFLはレーザー直接溶融堆積プロセスパラメータがCMSX-4合金の微細構造に及ぼす影響と修復されたCMSX-4合金ブレードを研究した[8-10]。

Liangら[38-42]は、レーザー急速凝固中の単結晶高温合金の凝固経路を研究し、プロセスパラメータが単結晶高温合金の微細構造に及ぼす影響を分析し、プロセス最適化の結果に基づいて単結晶マトリックス上に良好な配向性を持つ単結晶高温合金を製造することに成功した。

中国科学院金属研究所は、積層造形された単結晶高温合金の微細構造に対する熱処理の影響を分析し、プロセスパラメータを調整することでDD32単結晶タービンブレードの修復を実現した[43-44]。 Rottwinkelら[45]は、CMSX-4単結晶高温合金の補修部周囲に予熱を施し、底部を水冷することで溶融池の熱流方向を制御し、補修部における単結晶構造の完全性を確保した。

王ら[46]は、DD407単結晶高温合金に対するレーザーとプラズマアークの修復効果を比較し、どちらの処理法でも方向性成長単結晶構造が得られるが、プラズマアーク修復後の熱影響部は大きいことを発見した。張ら[47]はシンクロトロン放射技術を用いて、レーザー急速溶融中のDD5単結晶高温合金の結晶回転現象を発見し、単結晶高温合金の積層造形および修復プロセスにおける結晶配向制御の理論的基礎を提供した。

2 積層造形されたニッケル基高温合金の冶金学的欠陥<br /> 多孔性と亀裂は、積層造形されたニッケル基超合金によく見られる冶金上の欠陥です。気孔が形成される主な原因としては、積層造形工程中に環境や原料粉末から持ち込まれたガスによって形成される気孔、凝固工程中に液体金属が収縮して形成される穴、不完全に溶融した粉末粒子間の気孔などが挙げられます。粉末床溶融結合プロセスでは、粉末粒子間の隙間によって細孔が形成されることもある[5,49]。積層造形されたニッケル基高温合金の多孔性は避けるのが困難ですが、積層造形プロセスパラメータの最適化、原料粉末の品質管理、成形プロセスにおける酸素含有量の低減、熱間静水圧プレスによって多孔性を低減することができます。未溶融粉末による多孔性は、入力エネルギーを適切に増加させることによって回避できる[50]。トムスら[27]は、熱間静水圧プレス法を用いて、レーザー粉末床溶融GH3536合金の内部気孔を除去し、材料の室温伸びを改善した。 Hanら[51]は、レーザー粉末床溶融GH3536合金に熱間静水圧プレスを施し、材料内部の気孔や微小亀裂を除去し、合金の疲労特性を改善したが、同時に引張強度と降伏強度の低下ももたらした。

亀裂は現在、ニッケル基高温合金の製造における積層造形技術の応用を制限する主な障害となっている。積層造形合金における亀裂形成には主に3つのメカニズムがある[52-53]。

（１）凝固割れ：凝固割れは溶融池凝固の最終段階で形成される。この段階では液相が形状を満たすことが困難であり、凝固収縮による応力によりデンドライト間の液膜が引き裂かれ、割れが生じる（図２（ａ））。

（２）液化クラック：液化クラックは、その後の堆積プロセス中に形成される。その後の堆積熱サイクル中に、低融点析出物またはデンドライト間の共晶組織が溶融して液膜を形成する。この液膜は、内部応力の作用により引き裂かれ、クラックを形成する（図２（ｂ））。

（３）固体亀裂：その後の堆積時にも固体亀裂が形成されるが、固体亀裂の形成は固体材料の引張強度を超える内部応力によって引き起こされ、局所的な溶融は起こらない（図２（ｃ））。粒界構造、化学組成、成分の偏析、粒径、内部応力は、積層造形されたニッケル基高温合金における亀裂の形成に影響します。凝固過程において、大角粒界に残留液膜が多くなり、界面エネルギーが高くなり、割れが発生しやすくなります。大角粒界と比較して、小角粒界は安定性が高く、割れ傾向が低い[54-55]。ショーヴェらの研究[56]では、粒界の方位差角が15°を超えると、粒界に沿って亀裂が発生しやすくなることが示されています（図2（d）、（e））。 Guoら[52]は、レーザー直接溶融法で堆積したGH3536合金の割れ挙動を研究し、粒界のミスオリエンテーション角が25°～45°の場合、粒界の界面エネルギーが高くなり、割れが発生しやすくなることを発見した。合金の化学組成と凝固終了時の組成偏析は、凝固温度範囲の上昇、粒界液膜の存在時間の延長につながり、液相が樹枝状結晶間の空隙を満たすのを妨げ、粒界低融点相の形成を促進し、それによって割れ傾向を増加させる[57-59]。合金の凝固温度範囲が広いほど、凝固割れが発生しやすくなります[60]。レーザー直接溶融堆積法GH3536合金の亀裂近傍領域の化学元素の分布を図2(f)に示します。 Clootsら[61]は、組成偏析がレーザー粉末床溶融IN738LC合金の割れにつながる主な要因の一つであると信じていた。組成偏析の影響により、粒界に濃縮された元素は液相の流れを妨げるだけでなく、材料の強度を弱め、それによって材料の割れ傾向を高める可能性がある[62-63]。

亀裂形成の原因を考慮すると、積層造形されたニッケル基高温合金の亀裂は、成形プロセスの制御、合金組成の調整、熱間等方圧プレスによって抑制または排除できます。凝固亀裂と液状化亀裂の形成メカニズムの模式図をそれぞれ図2(g)と(h)に示す。成形プロセス制御の観点から、張傑ら[22]は、基板の予熱によってレーザー粉末床溶融GH3625の残留応力が低減し、ひび割れの発生を抑制できることを指摘した。予熱温度が300℃のとき、クラックの発生が最も少なくなります。 Kontisら[64]は、電子ビーム粉末床溶融プロセスのパラメータを調整することで、より大きな粒界面積とより小さな粒径を実現し、粒界上の熱応力をより均一に分散させました。同時に、プロセスパラメータを調整することで、成分の偏析を減らし、ホウ化物の形成を抑制することもできます。上記の方法により、ニッケル基高温合金の割れ傾向が改善されました。 Xuら[66]は、レーザー粉末床溶融インコネル738合金の割れ傾向に対するスキャン戦略の影響を研究し、隣接する2層のスキャン方向を毎回67°回転させると、等軸粒子の形成が促進され、割れの形成が効果的に抑制され、良好な機械的特性が得られることを発見した。溶接性の悪いニッケル基高温合金の場合、プロセスパラメータを調整するだけでは割れを完全に防ぐことは難しく、合金組成も調整する必要があります。トムスら[67]は、SiとC元素の含有量を減らすと、レーザー粉末床溶融GH3536合金の耐割れ性が向上することを指摘した。ハリソンら[68]は、固溶強化元素を増やし、不純物元素を減らすことで、レーザー粉末床溶融中のGH3536合金の割れ傾向を軽減しました。彼らの研究結果によると、GH3536合金の組成を調整した後、割れ密度が約65％減少し、高温引張強度が大幅に増加しました。 Tangら[69]は、合金の組成、成形性、機械的特性の関係を研究し、これに基づいて、積層造形用の高性能で亀裂のない新しいニッケル基高温合金ABD-850AMとABD-900AMを設計した。彼らは、積層造形用のニッケル基高温合金の亀裂形成は、合金の凝固温度範囲を下げ、粒界析出物と低融点共晶組織を減らし、合金の高温塑性を改善することで抑制できると考えた。さらに、結晶粒微細化により各粒界の局所的な歪みが減少し、液相の充填容量が向上し、合金の耐割れ性が向上します[52]。 Hanら[70]はGH3536合金にナノTiC粒子を添加して凝固中の不均一核形成を促進し、小角粒界の数を増やし、粉末床溶融GH3536合金の割れ傾向を低減した。 Chengら[71]は、GH3536合金粉末の表面に、その場化学合成法によりY2O3コーティングを施した。表面改質粉末は、レーザー粉末床溶融の原料として使用された。Y2O3粒子は凝固中に不均一核形成を促進し、微細構造を形成し、亀裂の発生と伝播を効果的に抑制した。

3 積層造形法で製造された代表的なニッケル基高温合金の引張特性<br /> 現在、GH3536、GH4169、GH3625合金の積層造形プロセスは比較的成熟しており、緻密で亀裂のないサンプルを容易に得ることができます。積層造形されたニッケル基高温合金の微細構造の異方性は、その機械的特性に明らかな異方性をもたらし、熱処理により機械的特性を大幅に改善することができます。積層造形されたニッケル基超合金の室温および高温引張特性は、一般に鋳造合金よりも高いが、鍛造合金よりも低い。合金によっては、その機械的特性が鍛造品と同等か、それを超えるものもある[16, 72]。

王ら[73]は、レーザー粉末ベッド溶融成形GH3536合金と熱間鍛造GH3536合金の引張特性を比較し、レーザー粉末ベッド溶融成形GH3536合金の強度は熱間鍛造合金よりも高かったが、破断後の伸びは熱間鍛造合金よりも低いことを発見した。

王ら[74]が作製したレーザー粉末床溶融成形GH3625合金は、鍛造GH3625合金と同様の引張特性を有する。ノースウェスタン工科大学の研究結果によると、レーザー直接溶融法で堆積されたGH4169合金の熱処理後の機械的特性は鍛造基準を満たすことができることが示されている[75]。

Strößnerら[76]は、均質化後にレーザー粉末床溶融法で形成されたGH4169合金の性能は鍛造品と同等であることを発見した。レーザー粉末床溶融成形されたGH3536合金を溶体化処理（950℃で3時間、空冷）および熱間静水圧プレス（1125℃、110MPaで4時間、炉冷）した後、室温での引張強度と伸びはそれぞれ750MPaと45%～50%に達します。試験温度が上昇するにつれて、引張強度は徐々に低下しますが、伸びは基本的に変化しません。試験温度が600℃を超えると、引張強度と伸びはともに低下しますが、試験温度が815℃に上昇すると、引張強度は依然として低下するものの、伸びは増加します[19]。

Sanchez-Mataらの研究結果[77]によると、堆積したGH3536合金の横方向の引張強度、降伏強度、伸びはそれぞれ924.7、790.2 MPa、25.7%であり、縦方向の引張強度、降伏強度、伸びはそれぞれ777.1、662.8 MPa、22.3%でした。1177℃で2時間の空冷固溶体処理後、横方向の引張強度、降伏強度、伸びはそれぞれ792、384.8 MPa、50.3%であり、縦方向の引張強度、降伏強度、伸びはそれぞれ728.3、412.8 MPa、43.4%でした。

同じ熱処理システム下で、モンテロ・システィアガらの研究結果[78]によると、GH3536合金の横方向の引張強度、降伏強度、伸びはそれぞれ709.5、325.5MPa、44.3%であり、縦方向の引張強度、降伏強度、伸びはそれぞれ662.2、320.5MPa、44.9%でした。

研究結果によると、堆積したGH3536合金の横方向の引張強度、降伏強度、伸びはそれぞれ787.5、552 MPa、31.5％であり、縦方向の引張強度、降伏強度、伸びはそれぞれ494.3、682.2 MPa、36.9％です。800℃で2時間の空冷固溶体処理後、材料の横方向の引張強度、降伏強度、伸びはそれぞれ798.1、508.3 MPa、31.8％であり、縦方向の引張強度、降伏強度、伸びはそれぞれ728.3、484.4 MPa、36.3％です[78]。

レーザー粉末床溶融成形されたGH3625合金の堆積直後の引張強度、降伏強度および伸びは、それぞれ（925±13）、（652±10）MPaおよび（32±3）％である。900℃で1時間の溶体化処理後、引張強度、降伏強度および伸びは、それぞれ（869±7）、（567±15）MPaおよび（38±1）％である。1100℃で1時間の溶体化処理後、引張強度、降伏強度および伸びは、それぞれ（886±11）、（409±14）MPaおよび（56±5）％である。

レーザー直接溶融堆積法で堆積したGH3625合金の場合、堆積状態の引張強度、降伏強度および伸びはそれぞれ(1073±5)、(723±23) MPaおよび(26±2)%である。900℃で1時間の溶体化処理後、引張強度、降伏強度および伸びはそれぞれ(1084±2)、(654±15) MPaおよび(27±2)%である。1100℃で1時間の溶体化処理後、引張強度、降伏強度および伸びはそれぞれ(991±13)、(532±22) MPaおよび(43±1)%である[79]。

図 3 ～ 5 は、いくつかの文献に記載されている積層造形された GH3536、GH4169、GH3625 合金の堆積直後およびさまざまな熱処理/熱間静水圧プレス処理後の室温/高温引張特性をまとめたものです。 GH3536 および GH3625 合金の場合、熱処理により強度は低下しますが、可塑性の向上が促進されることがわかります。 GH4169 合金の場合、熱処理により室温強度は向上しますが、可塑性は低下します。

付加製造されたニッケル基高温合金の機械的特性には大きな偏差があることは注目に値します。同じ材料であっても、異なる文献で報告されている機械的特性の結果には一定の違いがあります。これは、成形プロセスや熱処理/熱間等方圧プレスシステムの変化に伴う合金の内部欠陥や微細構造の変化に関係している可能性があります。この現象は、付加製造されたニッケルベースの高温合金の工学的応用を制限し、現段階で緊急に解決する必要がある問題の 1 つです。

4 付加製造ニッケルベース高温合金アプリケーション<br /> 現在、積層造形法で製造されたニッケル基高温合金部品は、まず航空機エンジンやガスタービンに採用されています。航空エンジン分野では、AECC北京航空材料研究所、AECC商用航空機エンジン株式会社、北京航空航天大学、西北工科大学、華中科技大学、中国科学院金属研究所、ポリライトなどの国内機関が、燃料ノズル、渦流探知機、予旋回ノズルなど航空エンジン用ニッケル基高温合金部品の積層造形に関する研究を行っている。積層造形技術の使用により、燃料ノズルの処理サイクルを約6週間から1週間未満に短縮でき、渦流探知機の処理サイクルを約1か月から3～5日に短縮できる[1、97]。

国際的には、付加製造技術を使用して製造されたサフランのニッケルベース高温合金タービンノズルが、欧州航空安全機関によって認定されています[3]。ヒンドゥスタン航空機社は、25kNエンジン用のニッケルベースの高温合金製燃焼室ケースを製造した[3]。 Rolls-Royceが次世代の燃焼室を製造していたとき、最初に添加剤の製造技術を使用して8つの燃焼チャンバー成分を製造し、次にレーザー溶接を使用してコンポーネント全体に溶接しました（図6（b））。
従来のプロセスと比較して、この技術は燃焼室の処理に3.5か月しかかかり、処理サイクルを約70％短縮します[98]。 Honeywellは、電子ビーム融解技術を使用してHTF7000エンジンチューブキャビティを製造し、元の8つの部分を1つに組み合わせて、送達サイクルを大幅に短縮するだけでなく、製造コストも削減しました[3]。

ガスタービンフィールドでは、GEはレーザーパウダーベッドフュージョンを使用して、2021年にLM9000ガスタービンアダプターカバー（図6（c））を形成して、元の鋳造部品を置き換えました。これらの部品は、1対1の代替品であり、再設計や部品の統合なしで、添加剤の製造プロセスのわずかな調整のみです。従来の鋳造部品は通常、生産に12〜18か月かかりますが、添加剤の製造は10か月しかかかりません。

米国のオークリッジ国立研究所は、ソーラータービンと協力して、電子ビーム融解技術を使用してInconel738合金ジェネレータータービンブレードを生成しました（図6（d））。彼らはその後、添加剤の製造技術を使用して複雑な内部冷却チャネルを形成し、タービンがより高い温度で動作して発電効率を改善できるようにすることを計画しています[101-102]。

ニッケルベースの高温合金タービンブレードの熱伝達と衝突冷却効果を改善するために、ドイツのシーメンはレーザーパウダーベッド融解技術を使用して、SGT-400ガスタービンの複雑な内部構造を備えた刃を調製しました（図6（E）。 2017年、MAN機械はMGT6100ガスタービンに加えて製造されたタービンブレードを使用しました。

5つの概要とOutlook <br /> このペーパーでは、微細構造、欠陥、特性の観点から添加したニッケルベースの超合金の研究の進歩をレビューし、エアロエンジンおよびガスタービンに加えて製造されたニッケルベースの超合金部品の適用を導入します。ニッケルベースの高温合金の添加剤は、理論的な研究および工学アプリケーションで大きなブレークスルーを行っているが、組織の特性と欠陥制御の規制にはまだ特定の問題があることがわかる。

（1）添加剤製造のためのニッケルベースの高温合金組成の設計

合金組成の設計では、材料の性能と加工性能の両方を考慮に入れる必要があり、加工技術は合金組成の設計に重要な影響を及ぼします。現在、添加剤の製造用のニッケルベースの高温合金は、主に従来のニッケルベースの高温合金の成分を使用しており、鋳造、鍛造、その他のプロセスに基づいて開発されており、添加剤の製造プロセスには完全には適していません。たとえば、簡単な亀裂は、この問題の主な理由は、ニッケルベースの高温合金のいくつかのグレードの組成が固化亀裂と液化亀裂の組成が添加剤の製造プロセス条件下で形成される傾向があることです。したがって、添加剤の製造プロセスの特性に従って合金組成を設計して、添加的に製造されたニッケルベースの高温合金のパフォーマンスを完全に与える必要があります。

（2）ニッケルベースの高温合金の添加剤造形のための専用の熱処理/高温アイソスタティックプレスプロセスの確立

添加剤の製造プロセスは、高温の勾配、高冷却速度、および現場の熱サイクルによって特徴付けられます。従来のプロセスによって調製されたニッケルベースの高温合金と比較して、添加剤の製造によって生成されるニッケルベースの高温合金の微細構造は明らかな異方性を示し、第2相のタイプ、含有量、および分布も異なる可能性があり、従来の熱治療システムはニッケルベースの高温合金添加剤に完全に適用できないことになります。さらに、ニッケルベースの高温合金のいくつかのグレードは、添加剤の製造プロセス中に割れがちであり、亀裂を閉じて機械的特性を改善するために高温等吸着症を押す必要があります。ただし、股関節によって引き起こされる微細構造の変化は、機械的特性の劣化につながる可能性があります。したがって、機械的特性を改善するために、添加式のニッケルベースの高温合金の微細構造と欠陥特性に従って、ターゲットを絞った方法で熱処理と高温アイソスタティックプレスプロセスを確立する必要があります。

（3）単結晶高温合金ブレードのための添加剤製造技術の開発

単結晶高温合金は、優れた高温特性を持ち、航空機のエンジンタービンブレードを製造するための重要な材料です。現在、単結晶高温合金ブレードは、主に方向性固化技術によって調製されています。ただし、鋳造合金には、粗い構造、重度の分離、鋳造欠陥の容易な形成があり、高温合金の完全な性能を制限しています。添加剤の製造プロセス中、溶融プールは非常に高い温度勾配と冷却速度を持ち、成分の分離、緩み、粗い構造などの問題を軽減するのに役立ちます。

単結晶高温合金ブレードの機械的特性は、添加剤の製造技術を使用することでさらに改善できます。ただし、現在、添加剤の製造技術は主にブレード修理に使用されており、ブレード製造にはまだ使用されていません。近年、研究では、電子ビームパウダーベッド溶融技術とレーザービーム型技術を使用すると、多結晶合金マトリックス上の単結晶高温合金の調製を実現できることが研究で発見されています。この発見により、添加剤の製造技術を直接使用して単結晶の高温合金ブレードを形成することが可能になり、体系的かつ詳細な研究を実施する必要があります。

（4）添加剤製造のためのリアルタイム監視および制御技術の開発

添加されたニッケルベースの高温合金の微細構造は、溶融プールの固化条件とin-situ熱サイクルの加熱/冷却速度の間に形成されます。 '位相、および降水段階。

さらに、添加剤の製造プロセス中の温度と応力場の変化は、材料の変形と亀裂に重要な影響を及ぼします。特に、亀裂が発生しやすいニッケルベースの高温合金の場合、形成プロセス中の温度場と応力場を厳密に制御する必要があります。同時に、形成プロセス中の粉末やその他の不純物のスプラッシングは、不整合、包含、層間層などの欠陥を引き起こす可能性があります。したがって、添加剤の製造用のリアルタイム監視および制御技術を開発し、温度、画像、その他のシグナルに応じてプロセスパラメーターを調節し、添加剤におけるニッケルベースの高温合金の形成品質安定性を改善する必要があります。

（5）革新的な添加剤製造部品内部表面処理技術

添加剤の製造は層ごとのプロセスであるため、コンポーネントの表面は通常粗いです。原料粉末の品質を改善し、形成プロセス中に部品の配置を調整し、プロセスパラメーターを最適化することにより、表面の品質をある程度改善することができますが、表面粗さの問題は完全に解決することはできません。

したがって、添加物は、使用する前に表面処理する必要があります。添加式で製造された部品には、通常、複雑な内部構造があり、既存の表面処理方法（研磨流、電気化学腐食、水ジェット、振動研磨、砂の爆破など）は、添加された部品のエンジニアリングアプリケーションを制限する重要な技術的なボトルネックの1つである複雑な内部表面の1つである複雑な内部表面の1つです。したがって、添加剤の製造部品の適用を促進するために、新しい内部表面処理技術を開発する必要があります。

（6）人工知能技術の導入

人工知能には、強力なデータ分析と処理機能があり、自動化と作業効率が高くなっています。人工知能を使用して設計データを分析すると、人間の思考の限界を突破し、部品構造の迅速な最適化設計をさらに達成できます。さらに、人工知能を使用して、添加剤の製造プロセス中に生成されたデータを処理して、可能な欠陥を予測し、機器のメンテナンスが必要な場合です。プロセスパラメーターを生産プロセス中に事前に調整できるだけでなく、計画外のダウンタイムを短縮し、製品資格と生産効率を改善することもできます。

同時に、人工知能は、材料データを採掘し、「材料の組成物質の欠陥 - 機械的特性」との関係を確立し、実験の前に組成を最適化してスクリーニングし、時間とリソースを節約し、ニッケルベースの高温合金組成の添加物の開発を加速するために使用されます。したがって、添加剤の製造技術の急速な発展を促進するために、人工知能と添加剤の製造技術を組み合わせる必要があります。

（7）添加剤製造技術の革新を促進する

既存の添加剤製造技術を使用して生産された部品は、航空機エンジンとガスタービンで使用されていますが、将来、より大きなアプリケーションニーズを満たすために、添加剤の製造技術のさらなる改善と革新が必要になります。添加剤の製造技術の開発を通じて、部品の形成精度を最適化し、機器の安定性を改善し、製造効率を改善することができます。

同時に、添加剤の製造技術は、インテリジェントな製造、デジタル工場、その他の技術と組み合わされて、添加剤のデジタル変換を実現します。さらに、環境保護と持続可能な開発の問題は、添加剤の製造技術のグリーンで環境に優しい、持続可能な開発を達成するために考慮する必要があります。

ニッケルベースの高温合金、航空、エンジン、ガスタービン

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