超合金とは、鉄、コバルト、ニッケルなどの元素をベースとし、多数の強化元素を添加した金属材料の一種で、600℃以上の高温や一定の応力下で長時間使用することができます。超合金は高温強度が高く、耐酸化性、耐熱腐食性、耐疲労性、組織安定性、高温での使用信頼性に優れているため、耐熱合金、耐熱合金、超合金とも呼ばれる。
超合金の基本概要
超合金は1940年代に開発された新しいタイプの航空金属材料である。複雑な応力に耐えることができ、600～1100℃の酸化およびガス腐食条件下でも長期間安定して使用できる。超合金は主に航空エンジンの熱端部品に使用されるほか、航空宇宙、エネルギー、運輸、化学工業などで広く使用されている。
細分化された産業から見ると、超合金材料は新材料分野のハイエンド金属構造材料に属する。優れた総合性能、優れた高温強度と塑性、良好な耐酸化性と耐熱腐食性、優れた耐クリープ性、耐破壊性、良好な組織安定性を持ち、多くの重要な産業分野の発展にとって重要な特殊材料となっている。
超合金材料の性能特性：
- 優れた高温強度と可塑性
- 良好な耐酸化性と耐熱腐食性
- 優れた耐クリープ性と耐フィッション性
- 組織の安定性
- 変形加工は難しい
- 優れた性能と価格の比率
超合金の分類
技術と材料の絶え間ない進歩に伴い、超合金製品は絶えず反復され、耐熱性は絶えず改善され、総合性能は絶えず向上している。従来の鋳造超合金や変形超合金から変化してきた。 粉末超合金、チタンとアルミニウムの金属間化合物、酸化物分散強化超合金、耐食性超合金、粉末冶金、ナノ材料など、一連の新しい超合金材料が開発されている。
超合金の調製技術
超合金の開発を促進する上で、技術が果たす役割は大きい。超合金の製造・調製工程は複雑で、溶解、鋳造、熱処理が主な工程である。生産プロセスと技術の安定性は、超合金材料の機械的特性に直接的な影響を与える。経済と科学技術の急速な発展により、様々な新しい超合金材料が開発・促進され、開発のための大きなスペースが提供されています。合金特性に対する要求がますます高くなる場合、様々なプロセスや超合金材料が変化に適応できるように、様々なプロセスを常に改善し、最適化する必要があります。プロセスの継続的な改善は、性能の継続的な改善、新しい超合金の開発を実現し、関連製品や産業の発展を促進することができます。
- 製錬プロセス
化学組成の厳密な管理は、超合金の優れた性能を保証する基本である。溶解工程は、臨界サイズ以上の介在物を効果的に除去し、酸素、窒素、硫黄の含有量を減らし、超合金の純度を元から向上させることができる。従って、溶解工程は超合金の準備工程で最初の位置にある。
現在、世界における超合金の主な溶解法は、真空誘導炉（VIM）、真空消耗炉（VAR）、エレクトロスラグ再溶解炉（ESR）である。近年、粉末超合金に代表される新しい超合金の応用がますます広がっており、粉末超合金の溶解プロセスは最先端の研究技術となっている。国際的には、ロシアの粉末超合金はVIMまたはVIM+VARデュアル溶解プロセスを採用し、アメリカの粉末超合金はVIM+ESR+VARトリプルプロセスを採用している。しかし、国内の粉末超合金は基本的にVIM単一精錬プロセスを採用しており、その結果、中国の粉末超合金材料の純度は外国の先進レベルより低い。
- キャスティング
超合金の精密鋳造技術は主にインベストメント鋳造であり、等軸晶型、方向性円筒晶型、単結晶型に発展してきた。現在、超合金鋳物は複雑化、大規模化、高精度化の方向に発展し始め、鋳造工程とプロセスに一定の課題を提起し、また真空製錬技術から非残留鋳造技術、方向性凝固技術、単結晶技術など、インベストメント精密鋳造技術の絶え間ない進歩を促進している。
鋳造技術の向上と超合金原材料の生産・製造には直接的な関係もある。超合金素材の特性と鋳物の用途を組み合わせ、対応する技術モードとメカニズムを改善し、材料の性能を制御し、生産プロセスの安定性を確保する必要がある。 現在、超合金の製造過程では、組成パラメータや凝固パラメータの制御が困難であり、方向性凝固製造時や単結晶製造時に、そばかす、熱間割れ、緩みなどの欠陥が発生しやすく、製品の高温性能に深刻な影響を及ぼしている。 米国での研究過程において、高勾配方向性凝固技術は航空エンジンブレードの製造に使用されており、フレックルの発生を効果的に低減し、各部品サイズの条件下で温度勾配パラメーターを厳密に制御し、生産の最適化と改善に一定の役割を果たしている。
精密鋳造の分類：主にインベストメント鋳造、セラミック鋳造、金属鋳造、圧力鋳造、失われた鋳造。
- 熱処理
新しい超合金材料の適用と合金の特性に対する高い要求により、熱処理は不可欠なプロセスである。超合金の熱処理工程とは、超合金材料を固体状態で加熱、断熱、冷却し、期待される組織や特性を得る金属の熱間加工工程の一種である。近年、超合金では固溶化熱処理や時効熱処理が系統的に研究されている。
⁎ 固溶化熱処理とは、合金中に不均一に分布する析出相を、超合金組織中の析出相の全溶体温度以上の温度で母相中に完全に溶解させ、固溶強化、靭性・耐食性の向上、残留応力の除去を図り、加工・成形を継続し、その後の時効処理で均一な分布の析出相を得る準備をすることである。
⁎ 時効熱処理とは、超合金の強化相が均一に析出し、炭化物が均一に分散するように、強化相が析出する温度間隔内で一定時間加熱保持することで、合金を硬化させ、強度を向上させる役割を実現することである。
超合金の用途
世界の超合金市場は成長を続けており、中国が主要な増 加市場となっている。中国の超合金市場では、異形超合金とニッケル基超合金が最も大きな割合を占めている。製造工程別では、異形超合金が超合金市場全体の約70%を占め、鋳造超合金（20%）、粉末超合金（10%）がこれに続く。合金のマトリックス元素によると、ニッケル基超合金は約80%、ニッケル-鉄超合金は約14%、コバルト基超合金は約6%である。
超合金の最大の応用シナリオは航空宇宙分野で、需要シェアは55%である。超合金材料は航空宇宙エンジン製造の重要な原材料である。主にエンジン燃焼室、ガイド、タービンブレード、タービンディスク、テールノズル、ケーシングなどの部品に使用される。第二に、超合金は耐高温性、耐食性などの優れた特性を持ち、ガスタービン、石油化学、工業、自動車などの分野でも広く使用されている。
1) 航空エンジン
超合金はその誕生以来、航空エンジンに応用されてきた。現代の航空エンジンでは、超合金材料は主に燃焼室、ガイド室、タービンブレード、タービンディスク、ケーシング、リング部品、アフターバーナー、テールノズルの4つの主要なホットエンドコンポーネントに使用されています。
2) 自動車用ターボチャージャー
自動車排ガス過給機タービンも超合金材料の重要な応用分野である。現在、わが国のターボチャージャーメーカーのほとんどはニッケル基超合金ターボチャージャーで、ボルテックスシャフトとコンプレッサーインペラーでローターを形成している。自動車1万台当たりのターボチャージャーの超合金消費量は約3.5トンで、2021年に自動車生産業が必要とする超合金材料は約9,128.7トンで、市場規模は約18.3億元である。今後の自動車台数の増加と中国での組立率を考慮すると、今後の年平均成長率を5%と仮定した場合、2030年には中国自動車市場における超合金材料の総需要は約10.6万トンになると推定される。
3) 原子力
原子力用超合金には、燃料要素被覆管材料、構造材料、燃料棒位置決めグリッド、高温ガス炉用熱交換器などがあり、これらは他の材料で代替することが難しい。
世界原子力エネルギー協会が発表した核燃料報告書によると、世界の原子力発電設備容量は年率2.6%で増加し、2040年には世界の原子力発電設備容量は6億1,500万キロワットに達し、設備容量の増加は主に中国、ロシア、その他の国々からもたらされると予測している。2022年1月、福清原子力発電所6号機が送電網に接続されたことにより、中国大陸には53基の送電網に接続された原子力発電所があり、総設備容量は5,4636,695kwで、アメリカ、フランスに次いで世界第3位となった。国家エネルギー局は、中国の原子力発電設備容量は2030年に1億2000万～1億5000万kwに達すると推定しているため、2030年までに約8000万kwの新規原子力発電設備が完成することになる。60万kwの原子力発電所1基あたり約600トンの超合金材料が必要となるため、超合金材料の総需要は約8万トンとなる。原子力発電所建設の国内生産率が約80%であることを考慮すると、超合金の国内需要は将来的に年平均約7,111トンになると予想される。
4) その他の地域
超合金材料は、ガラス製造、冶金、医療機器、その他の分野でも広く使用されている。
