単結晶Ni基超合金のクリープ変形における引張圧縮異方性のメカニズム

航空機用ジェットエンジンは,昨今のエアライン間の競争激化からより燃料消費効率の向上が求められ,また環境面でも規制によって低いNOx値が要求されている.そのため,近年ジェットエンジンの熱効率向上が求められている.これを達成するための最も効率的な方法は,圧力比とタービン入口温度(TIT: Turbine Inlet Temperature)を上げることである.航空機用エンジンではTITに応じた最適圧力比が存在し,圧力比を向上するには,これに応じてTITの上昇を図る必要がある.民間航空機において,最新のエンジンでTITは1600℃こまで達している.また,今後地球環境への負荷低減の要求等により,さらなる高効率化を目指してTITは2000℃まで上昇し続けると予想される.このような高温の状況下では,耐熱合金の果たす役割が大きい.特に高温となるタービンブレードには高温強度・耐食性に優れたNi基超合金が用いられる.このNi基超合金とは,ニッケルをベースにアルミを添加し,さらにクロム,タングステン,タンタル,レニウムなどの種々の高融点金属などを合金化して高温強度と耐酸化性.耐腐食性などを一層向上させた耐熱合金である.初期の普通鋳造合金から,1970年代にはクリープ破壊及び熱ひずみによるクリープ破壊の起点となるタービンブレード長手方向に垂直な結晶粒界をなくした一方向凝固合金が開発され,さらには結晶粒界自体を完全になくした単結晶合金が開発された.この単結晶合金は高温での破壊の起点となる結晶粒界がないことなどから,実用超合金としては最も高強度である.形状に加えて,近年では添加元素の種類や量を変えることで新たな超合金が多く開発されている.それに伴い,単結晶Ni基超合金の高温強度に関する研究は数多く行われてきた.その中でも,単結晶超合金特有のすべりが生じる低温高応力(750℃/750MPa)でのクリープ強度は特に注目されている.近年開発された合金では低温高応力の条件ですべりによって,5-20%におよぶ大きな1次クリープひずみが生じる例が報告されている.これは非常に大きなひずみであるため,この低温高応力という条件におけるクリープ強度を調査することは重要である.しかし,これまで行われている研究は引張荷重に関するものが大半であり,圧縮荷重にて強度を評価し,引張と圧縮の異方性を評価した例は非常に少ない.実際,圧縮強度はタービンブレードの高温強度に大きく影響する.高温化に対応するためブレード内部には冷却用の空冷孔が設けられているが,その形状は非常に複雑でありエンジンの作動中にブレードには,引張応力のみでなく圧縮応力も負荷されることが分かっている.さらに,単結晶Ni基超合金には特有の引張圧縮異方性があり,圧縮ひずみの負荷時間が長くなるにつれ,熱-機械疲労(Thermo-Mechanical Fatigue: TMF)寿命が大幅に低下すると報告されており,実用上の大きな問題となっている.そのため,この合金のクリープ強度における圧縮特性についても詳細に把握する必要がある.また,熱処理に関して時効処理後の冷却速度に応じて合金中の微視組織が変化し,クリープ強度に影響を与えることが示されているが,実用合金においてその影響を詳細に調査した例は少ない.そこで,本研究では米国Cannon-Muskegon社で開発された実用合金CMSX-4を供試材とし,異なる3種類(AC,2S,FC)の熱処理を施し,すべりが生じる低温高応力の7500℃/750MPaという条件において引張と圧縮両方の荷重でクリープ試験を行うことで,各熱処理における圧縮特性と引張圧縮異方性のメカニズムを解明することを目的とした.本稿は6章構成である.第1章は緒言とし,研究背景および本研究の目的を記した.第2章は理論とし,本研究で用いた単結晶超・合金CMSX-4の構造や変形機構に関する基礎知識,高温での変形の基礎,さらに本研究で重要な役割となる透過型電子顕微鏡の基礎知識に関して記した.第3章は実験方法とし,本研究で用いた合金の詳細,熱処理方法,強度試験片および組織観察試料の作製方法,クリープ試験,顕微鏡観察について記した.第4章は実験結果とし,CMSX-4クリープ試験,透過型電子顕微鏡による変形組織,EDS(エネルギー分散型X線分光器)元素分析の結果を示した.[001]方位のクリープ試験では,AC材と2S材で大きな異方性を生じていたが,FC材では異方性は小さかった.透過型電子顕微鏡像ではAC,2S,FCそれぞれの熱処理で双晶を観察でき,その密度はクリープ時間とともに増加していた.また,[O11]方位のクリープ試験では各熱処理ともに非常に大きな引張圧縮異方性が生じていた.EDS元素分析では,γマトリックスとγ\u27相への各添加元素の分配は各熱処理でおおよそ同じような傾向となり,高温強度に大きく寄与するRe(レニウム)はマトリックスに主として分配されていた.また,2次析出γ\u27に関しては,2S材において1次析出γ\u27同様にReはマトリックスに主として分配されるという結果となった.第5章は考察とし,第4章で記した実験結果に関して,透過型電子顕微鏡で観察された双晶を中心に引張クリープと圧縮クリープ間での変形機構の違いについて詳細に考察した.また,高温強度に大きく寄与する元素ReについてもEDS元素分析の結果からその影響について考察した.第6章は結言とし,本研究で得られた知見を端的に述べた.最後に本稿を作成するにあたって用いた参考文献,謝辞を述べた.首都大学東京, 2018-03-25, 修士（工学）首都大学東