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Jul 11, 2023

王冠の宝石: ロールス

La fusione è uno dei metodi più antichi e basilari di lavorazione dei metalli.se potete

鋳造は金属加工の最も古く、最も基本的な方法の 1 つです。 金属を溶かすのに十分な温度の火を作り、それを溶かすためのるつぼとその熱に耐えられる型を製造できれば、複雑な金属の形を鋳造することができます。 そして私たちはそれを何千年も続けてきました。 知られている最古の鋳物は、6,000年前にメソポタミアで作られた銅製のカエルです。 古代ギリシャの光り輝く大理石の彫刻の多くは、実際には青銅で鋳造されたオリジナルのより最近のローマのコピーです。シチリア島沖の海で発見されたギリシャ戦士のリアーチェ青銅など、現存する数少ないオリジナルは、信じられないほどの洗練と、これらの遠い昔に亡くなった金属の巨匠によって達成された詳細レベル。

しかし、この最も古いスキルは今日でも使用されており、実際にまだ開発されています。 その最新の具体化は、おそらくこれまで金属で行われた中で最も先進的な手順であり、現代世界の象徴的な活動の 1 つである日常的な空の旅にとって不可欠です。 この製品は、英国の金属加工の歴史的中心地シェフィールドにある、ロザラムにあるシェフィールド大学の先進製造研究センターの近くに建設されたロールス・ロイス先進ブレード鋳造施設 (ABCF) で見つかります。

ABCF が製造している部品は、ほとんどの人が目にするものではありません。ジェット エンジンの最も高温の部分に隠されているタービン ブレードです。 ギリシャのブロンズの装飾的な輝きとは程遠く、実用的な外観と複雑な形状と機能、そして宝石のような内部の完成度を兼ね備えています。重さはわずか約 300g で、手のひらに収まるほど小さく、実際には完璧な単一製品です。ジェット エンジンの最も速く動く部分の地獄のような条件で動作するために、その組成が長年にわたって微調整された金属合金の結晶。

「ジェットエンジンの誕生当時、フランク・ホイットル卿のプロトタイプは完全に鋼鉄で作られていました」とロールス・ロイスの材料部門責任者のニール・グローバー氏は語った。 「鋼は強度と表面硬度の点で優れていますが、高温性能が必要な場合は実際にはあまり良くありません。450 ～ 500 °C がほぼ限界です。」

その不適性により、より耐熱性の高い材料が模索され、ジェット機メーカーはニッケル合金に目を向けました。 オーストラリアでは比較的豊富で、埋蔵量も多く、価格も安いニッケルは 1,728K (1,455°C) で溶解し、耐腐食性を備えており、どちらもジェット エンジン内で機能するコンポーネントにとって貴重な特性です。 さらに重要なのは、合金を形成する能力と、それらの合金の 1 つであるガンマプライムとして知られるニッケルとアルミニウムが結合した化合物が高温でも強度を維持できるという特別な特性です。 「鋼やチタンでも、融点の40～50パーセントに達すると強度は急速に低下します」とグローバー氏は言う。 「ニッケル合金は、融点の 85% まで強度を維持します。

そしてエンジンメーカーはこの性質を最大限に活用しています。 ジェット エンジンは、燃焼室から膨張する高温ガスの流れの中で回転するタービン ブレードを、エンジンに高圧で空気を送り込むコンプレッサー ブレードと同じシャフト上に配置することによって機能します。 したがって、エンジンの後部では、ある程度冷却されたガス流の中で動作する低圧タービンブレードが、エンジン前部の大型ファンブレードと同じシャフト上にあり、空気を加速して空気を生成します。エンジンの推力。 このシャフトは、より短く幅広の中圧 (IP) シャフトの中央を通っており、このシャフトにも後部にタービン ブレード、前部にコンプレッサー ブレードがあります。 この外側には高圧シャフトがあり、燃焼室自体に空気を送り込むコンプレッサーを作動させます。 燃焼室は環状で、後部に排気ガスの流れを制御する出口リングがあり、ここに単結晶ブレードが配置されています。 燃焼直後のガスは約 1,700°C です。 シャフトは 12,000rpm を超える速度で回転します。

これは、ブレードがニッケル合金の融点より数百度高い環境で動作することを意味します。 溶けるのを止めるには、金属を冷却する必要があります。 これは 2 つのメカニズムによって行われます。ブレードは低導電率のセラミックでコーティングされています。 そしてそれらは内部チャネルの複雑な分岐構造でいっぱいです。 「空気は HP コンプレッサーから引き込まれ、エンジンのコアを通ってブレードの根元に送られます」とグローバー氏は説明しました。

「冷却チャネルを通過し、ブレードの表面にある無数の穴から出て、ブレードの周囲に冷たい空気の包みを作ります。そのため、たとえ環境が変化しても、金属が融点を超えることはありません。空気は実際にはそれほど冷たくなく、約 600 ～ 650°C ですが、チャネルを通って穴から出るのに十分な圧力を得るために、エンジンの熱いコアから空気を取り出す必要があります。刃の温度を約1,150℃に抑えてください。」

熱はジェット機にとって不可欠です。 より高温で動作できるほど、燃料からより多くのエネルギーを抽出できます。 これはエンジンメーカー間の競争の最大のポイントであるため、60年間にわたりジェット機が運用され、高温を強いられ、その熱に耐えられるタービンブレードの開発は、この分野で最も重要な技術競争の1つとなっている。 グローバー氏によると、これは段階的なプロセスであり、1980年代後半の単結晶ブレードの開発で頂点に達したという。

ただし、単結晶構造は温度に対処することを目的としたものではありません。 それは、ブレードの回転速度によって生じる大きな機械的負荷に耐えられるようにするためです。 「すべてのブレードがガス流からF1車のエンジンと同等のパワーを引き出します」とグローバー氏は語った。 「そして、それらにかかる遠心力は、2階建てバスの重量に相当します。」

通常、金属は多くの結晶、つまり規則的な格子に配置された原子の規則正しい構造で構成されており、金属が溶融状態から冷えるにつれて自然に形成されます。 これらの結晶は通常、サイズが数十ミクロン程度で、さまざまな方向に配置されています。 高温で歪みがかかると、結晶が互いに滑り、不純物が粒子間の境界に沿って拡散する可能性があります。 これはクリープとして知られており、鋼鉄やその後のニッケル棒から鍛造された初期のタービンブレードに悪影響を及ぼしました。

開発の最初の段階は、遠心荷重に対して直角の結晶粒界を除去することで、金属結晶がすべて上から下に走るように鋳造されたブレードの開発につながりました。 その後、粒界がまったくない単結晶を鋳造することにより、これがさらに最適化されました。 これは非常に複雑なプロセスです。内部の冷却チャネルがすでに配置された状態でブレードを鋳造する必要があるだけでなく、結晶は均一ではありません。 むしろ、異なる組成および結晶構造のゾーンがブレード内に存在します。

「このようなニッケル超合金は複合材のようなものだと考えることができます」とロールス・ロイスの翼型タービン材料技術者のニール・ドゥスーザ氏は言う。 「これは 2 つの相の混合物であり、そのうちの 1 つであるガンマプライムは、高温での持続的な強度の増加を引き起こします。」

ニッケルは結晶化すると、面心立方晶 (fcc) として知られる構造を形成します。 各立方体の面には 5 つの原子があり、各隅に 1 つと中央に 1 つずつあります。 合金が作られるとき、通常、原子は fcc 格子に出入りするだけです。 しかし、適切な条件下では、アルミニウムとニッケルは、ニッケルが面の中心に、アルミニウムがコーナーに配置されるように結合します。 これは沈殿物として知られています。 それは、合金のバルク内に、寸法が約 0.5 ミクロンの、直線状に密に詰め込まれた、より秩序のある島を形成します。 析出物の格子サイズと規則性の低いバルク合金はほぼ同じであるため、それらはすべて同じ結晶の一部です。

「ボールとスティックの格子モデルを構築することを想像できるでしょう」とグローバー氏は言う。 「バルク合金の中に、ニッケル、アルミニウム、クロム、タンタル、チタンなど、合金の成分である約 10 種類の異なる元素を表すボールをかなりランダムに配置し、ガンマプライムの析出物に到達したら、隅にアルミニウム、中央にニッケルを規則的に配置したものです すべて同じ規則的な格子上にあり、同じ方向を向いているため、すべて同じ結晶ですが、ガンマ線の配列がある非常に強い領域があります。プライム沈殿物。」

しかし、これは自然に起こるわけではありません。 ブレードを製造するための最初の段階は、曲がりくねった内部冷却チャネルの形状をしたセラミックの「コア」です。 この周りにワックスが注入されて、空気力学的ブレードの形状と、鋳造プロセスを支援する他のいくつかの機能が形成されます。 プラチナピンを挿入してワックス内のコアをサポートします。 次に、フォームをアルミナケイ酸塩材料のスラリーでコーティングしてセラミック コートを形成することにより、フォームを「シェル化」します。 異なる組成のコーティングをさらに数回塗布し、ワックスを溶かしてブレードの形状に空隙を残します。 これは投資または「ロストワックス」鋳造であり、古代ギリシャの彫刻家がリアーチェブロンズを作るために使用したのと同じ技術です。

次に、溶けた金属が鋳型に注がれ、鋳型は金属を溶融状態に保つために炉内に置かれます。 鋳型の底部には、追加の鋳造特徴の 1 つである、標準的なコルク抜きの 3 回転とほぼ同じ形状の螺旋構造があります。 ピグテールとして知られるこれは、水で冷却されるプレートに取り付けられています。 充填が完了すると、金型は炉から冷却されたチャンバー内にゆっくりと引き出されます。 金属は冷却プレートで凝固し始め、結晶がピグテール内に成長し始めます。 結晶は型が引き抜かれる方向に直線的に成長しますが、ピグテールのねじれた形状により、最も速く成長する結晶以外はすべて除去されます。 正しい方向を持った結晶だけがブレード型に適切に現れ、型を徐々に引き抜くことにより、結晶が溶融物を通して残りの空間に成長し続けることが保証されます。

重要な沈殿物の形成は、外部温度の慎重な制御と金型の設計から生じます。 これらの複数のセラミック層は、溶融金属からの熱がどれだけ速く放散できるかを決定し、これにより、必要な内部構造を実現するための特別な繊細さが実現されます。 コアを所定の位置に保持するプラチナピンは、合金の特性に影響を与えることなく合金中に拡散します。

凝固すると、鋳物は金型から取り外され、約 20 のプロセスのうちの最初のプロセスで、エンジンへの組み立ての準備が始まります。 まず、セラミックコアを苛性アルカリで溶解除去します。 その後、鋳造のための余分な部分が機械加工で取り除かれます。 冷却空気を逃がすための穴は放電加工を使用して開けられ、空気を必要な場所に導くために必要な穴の形状が形成されます。 最後に、ブレードには電子ビーム プラズマ蒸着によって絶縁セラミック コーティングが施されます。

ロザラムのABCFは、大型民間旅客機エンジンの部品に集中している。なぜなら、ロールス・ロイスがトレントXWBエンジンを開発したエアバスA350 XWBのような航空機の出現により、同社はここから主な成長がもたらされると考えているからである。

約 1 億 1,000 万ポンドをかけて、ABCF は生産プロセスを可能な限り自動化するために建設されました。 「単結晶鋳造は高価であり、プロセスの多くの部分は伝統的に非常に手作業で行われてきました」とABCFの製造マネージャー、スティーブ・パイケット氏は述べた。 「当社の従業員は素晴らしいスキルを持っていますが、彼らも人間であり、シフトの終わりに最初と同じ品質の仕事を生み出す人間はいません。」

ワックスアセンブリの製造は、この哲学の良い例です。 「インベストメント鋳造工場には必ずワックス室があります」とパイケット氏は語った。 「ワックスを成形するには手と目の調整と器用さが必要ですが、それでは一貫性が得られません。」

ロールスロイスは、コベントリー近郊の製造技術センターと協力して、セラミックコアを保持し、ワックスを注入し、コアを所定の位置にピンで固定し、組み立てプロセスを実行する自動システムを開発しました。 「以前は組み立てるのにシフト全体が必要でしたが、今では 1 時間かかります」とパイケット氏は言います。 「しかし、ここでの主な要因は時間ではありませんでした。今では、時間を問わず、ワックスプロセスから一貫した製品が得られることが分かりました。これにより、コストを削減できる強固なプラットフォームが得られます。」

鋳物の犠牲的な特徴を除去するドレッシング作業など、他のいくつかのプロセスも自動化されています。 その後ブレードは検査に入り、ロールス・ロイスは 5 つの工程を 2 つの工程に置き換えました。 その後、鋳物はバージニア州クロスポイントの別の工場に出荷され、エンジン内のディスクに取り付けるための機能のさらなる機械加工と、冷却穴の穴あけが行われます。 彼らはコーティングのためにノッティンガムシャー州アンズリーの工場に戻ります。

「このプロセスは非常に複雑で、ブレードの形成方法を事実上原子ごとに管理するための温度と材料の取り扱いを正確に制御する必要がある」と鋳造製造部門幹部のマーク・フーランド氏は述べた。 「私たちが行ったことは、これらのコンポーネントを製造するスキルの一部を、ライン上の製造エンジニアからプロセス開発者に移転することです」とフーランズ氏は述べた。 「それは、私たちのスキルが低下したという意味ではありません。私たちのエンジニアは、プロセスをスムーズに実行し続けるために依然として高度なスキルを必要としますが、それらは異なるスキルであり、コストを削減できるように一貫性を向上させました。」

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