高温合金深度研究報告書

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要点：超耐熱合金とも呼ばれる超合金は、600℃以上かつ一定の応力条件下で長期間使用できる金属材料であり、優れた高温強度に加え、良好な耐酸化性・耐熱腐食性、そして優れた疲労強度や破壊靭性といった総合的な性能を有している。超耐熱合金の材料特性により、それは航空エンジンにおいて代替不可能な重要な材料となっている。世界の先進的なエンジン開発において、高温合金材料の使用量はエンジン全体の40％～60％を占めている。そのため、超耐熱合金材料は「先進エンジンの基石」とも称されています。航空エンジン用の超高温合金は、超高温合金の需要の半分以上を占めている。国内で新しい型の航空エンジンが量産されるにつれて、高温合金の需要は急速に増加する見込みです。J-10B、J-15、J-16を代表とする複数の第三半世代戦闘機が次々と配備される中、WS-10エンジンの需要は継続的に増加している。今後数年間で、国産の大型輸送機「運20」の量産が始まるにつれて、大排気量エンジンも量産段階に入ることになる；低バイパス比の中出力、低出力航空エンジンも徐々に量産されるようになる。国産航空エンジンの需要増加により、航空用超高温合金の需要も急速な成長期に入ることになる。高温合金は民間産業においてもますます広く利用されています。高温合金は、ガスタービン、自動車用ターボチャージャー、原子力、石油化学などの業界で重要な用途を持っています。工業化の進展と国内の高級機器製造業の発展により、民間産業における超耐熱合金の需要は引き続き高まっていく。現在、民間分野での超耐熱合金の需要は全需要の20％を占めており、今後もこの割合は上昇し続ける見込みだ。私たちの試算によると、2020年までに我が国の超耐熱合金の需要は約4万トンに達し、それに伴う市場規模は90.5億元になる見込みです。航空エンジン、自動車用排気ガスターボチャージャー、原子力発電分野での超耐熱合金需要の増加が、業界全体の需要拡大を促進することになります。現在、我が国の超高温合金の生産能力は約1万2600トンで、実際の生産量は8000～9000トン程度です。高温合金の今後7年間の需要の複合成長率は20％を超える見通しです。 一、高温合金の概要（一）高温合金の紹介と分類
高温合金とは、600℃以上の高温環境下で、かつ一定の応力が作用する中で長期間にわたって使用される金属の一種です。高温合金が従来の金属や合金と異なる特徴は、高温環境下で高い強度を持ち、優れた耐酸化性および耐熱腐食性、良好な疲労特性と破壊靭性を有し、さらにあらゆる温度において組織の安定性と使用信頼性といった総合的な性能を維持する点にあります。西洋ではこれをスーパーアロイ（Superalloys）とも呼んでいます。高温合金材料は航空エンジンにおいて最適な材料であり、現代の航空産業の発展において代替不可能な存在です。その規模的な発展の有無が、航空機器の発展水準を直接決定するのです。また、超耐熱合金は航空機エンジンの熱端部品にも広く使用されている。工業化の進展に伴い、民間向けの高機能機器産業における超高温合金材料の需要は絶えず増加している。超高温合金は高温に強く、耐摩耗性や耐腐食性に優れているため、ディーゼルエンジンや内燃機関のターボチャージャー、ガスタービン、エネルギー・動力分野、石油化学、ガラス・建築資材など、さまざまな民間産業で広く利用されている。民間産業における超高温合金の使用率は、すでに約20％に達している。 超耐熱合金は、材料の成形方法、母相元素の種類、合金の強化機構などによって分類することができる。1）材料の成形方法によれば、超耐熱合金は変形超耐熱合金、鋳造超耐熱合金（通常の精密鋳造合金、方向性凝固合金、単結晶合金などを含む）、粉末冶金超耐熱合金（通常の粉末冶金超耐熱合金と酸化物分散強化超耐熱合金ODSを含む）に分けられる；2）基体元素の種類により、超耐熱合金は鉄系、ニッケル系、コバルト系などに分けられる；3）合金の強化タイプにより、高温合金は固溶強化型高温合金と時効析出強化合金に分けられる。（二）高温合金材料の技術的課題と革新　高温環境下では材料の各種劣化速度が加速され、使用過程で組織の不安定化や、温度・応力の影響による変形やき裂の進展、材料表面の酸化腐食などが生じやすい。超高温合金が持つ高耐熱性や耐腐食性といった特性は、主にその化学組成と組織構造に依存しています。高温合金の材料組成は非常に複雑で、クロムやアルミニウムといった反応性の高い元素を含んでいる。酸化や熱腐食環境下では化学的に安定しているように見えるが、機械加工によって作られた部品の表面には加工硬化や残留応力といった欠陥が残り、これが材料の化学的性質や力学的性質に非常に悪影響を与える。合金化度が高いため、高温合金材料では成分の偏析が非常に起こりやすく、この偏析は鋳造高温合金および加工高温合金の組織と性能に大きな影響を与える。高温合金のこれらの特徴が、通常の金属材料とは異なる加工工程を必要とする理由となっている。高温合金の発展とは、合金理論および製造工程技術が絶えず改善・革新されていく過程であり、合金強化と工程強化を組み合わせることによって、合金の材料特性を継続的に向上させていくものです。合金強化には、合金固溶強化、第二相強化剤による結晶界面強化などがある；工程強化とは、製錬、凝固結晶、熱間加工、熱処理、表面処理などの工程を改善し、合金の組織構造を向上させることを含む。 高温合金の製造工程は、主に溶解、鋳造、熱処理の3つのプロセスで構成されます。製造工程は超高温合金の機械的特性に大きな影響を与え、新しい工程の導入によってしばしばその性能が飛躍的に向上し、新種の超高温合金が開発される。これがまた、次世代の航空エンジンや航空機の発展を促進するのである。古い型式の合金でも、製造工程を改善することで材料性能を向上させることができる。例えば、単結晶タービンブレードの利用は、航空エンジンの進歩を大きく推し進めた。F-22に搭載される航空エンジンF119のタービンローターブレードには、第3世代の単結晶高温合金であるPWA1484が使用されている。この材料自体の最大動作温度は約1070℃だが、計算流体力学プログラムを用いて超冷却ブレードが設計・製造されたことにより、タービンローターブレードの動作温度は1621～1677℃まで向上した（F100エンジンでは1400℃）。これにより、材料開発における工程革新の重要性が明らかになる。 高温合金材料の製造技術と工程は、依然として絶え間なく進化し、革新が続いている。例えば、製錬工程では真空誘導炉＋電渣再溶解＋真空自己消耗溶解の3段階プロセスが採用され、真空自己消耗溶解には先進的な溶解制御手法が用いられているなどです；定向凝固柱晶合金および単結晶合金のプロセス技術による材料の高強度化；粉末冶金法を用いて合金元素の偏析を減らし、材料の強度を向上させるなどする。さらに、酸化物分散強化型超高温合金や金属間化合物系超高温材料も、絶えず開発と革新が進められている。 二、高温合金の応用については、航空エンジン用の高温合金が高温合金全体の需要の半分以上を占めており、さらに電力、自動車、機械などの業界でも広く利用されているという研究結果がある。（一）航空エンジン 航空エンジンは「産業の花」と呼ばれ、航空産業において技術的な要求が最も高く、製造が最も困難な部品の一つである。航空機の動力装置である航空エンジンにおいては、金属構造材料が軽量であり、高強度かつ高靭性を持ち、高温に耐え、酸化や腐食にも強いといった特性を備えていることが特に重要であり、これは構造材料としてはほぼ最高水準の性能要求と言える。航空エンジンの技術進歩は、高温合金の発展と密接に関連しており、高温合金は航空エンジンの発展を支える最も重要な構造材料です。軍用航空エンジンは、通常その推力重比（推力/重量）によって、エンジンの性能を総合的に評価することができる。推力対重量比を向上させるための最も直接的で効果的な技術的手段は、タービン前の燃焼ガス温度を上げることです。したがって、高温合金材料の性能と選定は、航空エンジンの性能を決定する重要な要素です。航空機装備が絶えず高度化するにつれて、航空エンジンの推力に対する要求も高まり続けており、エンジンは高性能な高温合金材料への依存度をますます高めている。現代の先進的な航空エンジンにおいて、高温合金材料の使用量はエンジン全体の40％～60％を占めています。航空エンジンにおいて、高温合金は主に燃焼室、ガイドブレード、タービンブレード、タービンディスクという4つの高温部品に使用される；また、ケーシング、リング部品、スーパーチャージャー燃焼室、尾噴射口などの部品にも使用される。軍用航空エンジンは、通常その推力重量比の大きさによってエンジンの性能が総合的に評価される。推力重量比を向上させるための最も直接的で効果的な技術的手段は、タービン前の燃焼ガス温度を上げることです。燃焼室の機能は、燃料の化学エネルギーを熱エネルギーに変換することであり、動力機械のエネルギー源となる場所です。燃焼室で生成される燃焼ガスの温度は1500～2000℃の間です。残りの圧縮空気は燃焼室の周囲を流れ、室壁のスロットを通って室壁を冷却し続ける。燃焼筒の合金材料は、800～900℃以上の温度に耐えられ、局部的には1100℃にも達する。燃焼室を製造するための主要な材料には、高温合金、ステンレス鋼、構造用鋼がある；その中で最も多く使用され、最も重要なのが変形高温合金です。従来の高温合金板は合金の融点に制約されるため、現在ではすでにその限界使用温度に達しており、さらなる発展が難しい状況にある。燃焼室用の超高温合金材料をさらに発展させるためには、全く新しい材料マトリックスおよび材料製造プロセスの研究が不可欠である。現在、国際的に研究が進められている新素材には、炭素/炭素複合材料、高温セラミックス材料、酸化物分散強化合金、金属間化合物、高温高強度チタン合金などがある。案内羽根　案内羽根とは、燃焼室から出てくる燃焼ガスの流れ方向を調整する部品であり、航空エンジンにおいて熱衝撃を最も受けやすい部品の一つです。一般的に、ガイドブレードの温度は同じ条件下のタービンブレードの温度より約100℃高いが、ブレードが受ける応力は比較的低い。溶型精密鋳造技術の進歩により、鋳造高温合金がガイドブレードの主要な製造材料となった。近年、定向凝固技術の発展により、定向合金を用いてガイドブレードを製造する技術も試作段階にある；また、FWS10エンジンのタービンガイド後部のギアリング製造には、酸化物分散強化型超高温合金が使用されている。タービンディスクは、4つの熱端部品の中で最も質量が大きい。タービンディスクが動作しているとき、リムの温度は550～750℃に達するが、中心部の温度は約300℃程度であり、部品全体の温度差は大きい；回転時に大きな遠心力に耐える；起動および停止過程において、高応力かつ低疲労サイクルに耐える。タービンディスク製造に用いられる主な材料は変形超耐熱合金であり、その中でもG4169合金が最も多く使用され、最も広範囲に応用されている主要な種類です。近年、航空エンジンの性能が向上するにつれて、タービンディスクに求められる要件も高まっている。粉末タービンディスクは、組織が均一で結晶粒が微細、強度が高く延性に優れているなどの利点から、航空エンジン用の理想的なタービンディスク合金として注目されている。しかし、我が国で製造される粉末タービンディスクには不純物が多く含まれており、現在さらなる改良が進められている。タービンブレードは航空エンジンにおいて最も重要な部品であり、その作動環境は極めて過酷です。タービンブレードは高温にさらされるだけでなく、大きな遠心応力や振動応力、熱応力などにも耐えなければなりません。タービンブレード製造に使用される主要な材料は、鋳造高温合金です。過去30年以上にわたる鋳造技術の発展により、通常の精密鋳造、指向性鋳造、単結晶鋳造によるブレード用合金が広く利用されるようになった。単結晶合金は国際的に急速に発展し、すでに5世代目の単結晶合金が開発されており、高性能な商用航空機用エンジンの高温タービン動翼の主要な材料となっている；我が国は1980年代に単結晶合金の研究開発を始め、専門書『中国の高温合金50年』（師昌緒）によると、第2世代の単結晶合金はすでに先進的なエンジンで使用されている。（二）宇宙航空エンジン 宇宙航空エンジンの特殊な作業環境の要求により、使用される材料は高温、高圧、大きな温度勾配の変化、高い動的負荷、そして特殊な条件に耐えなければならない。そのため、材料の総合的な性能や加工性に対して非常に高い要求が課せられる。超高温合金材料は宇宙機関車のかなり大きな割合を占めており、エンジン内での使用比率は全体重量の半分に近い。超高温合金材料技術の発展は、宇宙機関車の開発水準に直接影響を与える。宇宙航空用エンジン用の超高温合金は、原則として航空機用エンジン用の超高温合金を使用できるが、宇宙航空用エンジンの材料は高温衝撃に耐えるだけでなく、低温（-100℃以下）環境にも対応する必要がある。高温合金の精密鋳造技術の制約により、過去には形状が極めて複雑な構造部品は宇宙エンジンに実際には使用されてこなかった。技術の進歩に伴い、宇宙機用エンジンの多くの重要な耐熱部品には、余分な部分を持たない一体型の高精度鋳造高温合金製の鋳造品が使用されるようになりました。これによりエンジンの構造が簡素化され、重量が軽減し、溶接部分も減少します。その結果、開発および生産の期間が短縮され、コストも削減されるとともに、エンジンの信頼性も向上します。宇宙推進機関技術の進歩に伴い、宇宙推進機関用の高温合金は、複雑化、薄肉化、複合化、マルチファンクショナル化、余分な部分のない設計へと移行している。典型的なものには、タービンローター、ガイド、ポンプケーシングなどがある。我が国の「長征」シリーズのロケットや「神舟」シリーズの宇宙船では、エンジンの核心部に高温合金材料が使用されている。現在、宇宙航空分野で使用されている液体酸素・ケロシン式や液体酸素・液体水素式の宇宙輸送用エンジン、および小型ジェットエンジンやターボファンエンジンはすでに完成し、量産が始まっている。また、国内においても宇宙航空用の高温度合金や精密鋳造品への需要が絶えず増加しており、新たな成長期に入っている。 （三）民間工業における超高温合金の応用　工業化が進むにつれて、産業は高度化・大型化していき、民間工業における超高温合金の需要も日増しに高まっている。超耐熱合金は、船舶や列車、自動車のターボチャージャーのブレード、さらには各種産業用ガスタービンのブレードにおいても最適な材料です；鉄道輸送の高速化、造船業における高品質要求（特に輸出向け造船）、艦船の動力としての高効率性の要求、産業用ガスタービンの急速な普及などにより、高性能な高温合金の母合金が急務となっている。現在、国内の民間工業用超耐熱合金は、超耐熱合金全体の需要の20％を占めているのに対し、アメリカでは超耐熱合金の50％が民間工業分野で使用されている。ガスタービンは、高温合金のもう一つの主な用途です。ガスタービン装置は、空気と燃料ガスを媒体とする回転式の熱機関であり、その構造は航空機のジェットエンジンと同じで、蒸気タービンにも似ている。ガスタービンの基本原理は蒸気タービンと非常に似ているが、違いは作動媒体が蒸気ではなく、燃料の燃焼によって生じた煙ガスである点だ。ガスタービンは内燃機関に属するため、内燃ガスタービンとも呼ばれます。構造は4つの主要な部分から成り立っています：空気圧縮機、燃焼室、インペラーシステム、および回熱装置です。ガスタービンの需要は急速に増加しており、発電以外にも船舶の動力や天然ガスの圧縮充填ステーションなどにも利用されている。航空用の超高温合金製ブレードと比べて、ガスタービン用の超高温合金は使用寿命が長く（10万時間）、耐熱腐食性に優れ、サイズも大きく、品質に対する要求も非常に高い。 自動車排気ガス用ターボチャージャー。自動車排気ガス用ターボチャージャーのタービンも、高温合金材料の重要な応用分野です。現在、我が国のターボチャージャー製造業者が使用しているタービンインレットは、ほとんどがニッケル系超高温合金製であり、これはタービンシャフトや圧縮機インレットと共にローターを構成している。また、内燃機関のバルブシート、インサート、吸気バルブ、シールスプリング、スパークプラグ、ボルトなども、鉄系またはニッケル系の高温合金を使用することができる。ターボチャージャーシステムは、燃費とパフォーマンスの向上に顕著な効果があります。ターボチャージャーは、エンジンから排出される排気ガスのエネルギーを利用してタービン室内のタービンを回転させ、そのタービンが同軸上のインペラーを駆動し、インペラーがエアフィルターの配管から送られてきた空気を圧縮してシリンダー内に送り込みます。エンジンの回転数が上がると、排気ガスの排出速度やタービンの回転数も同時に上がり、インペラーはより多くの空気をシリンダー内に圧縮する。空気の圧力と密度が高まることでより多くの燃料を燃焼させることができ、それに応じて燃料量を増やすことでエンジンの出力を高めることができる。一般的に、排気ターボチャージャーを装着すると、エンジンの出力とトルクは20％～60％増加する。2008年の中国の自動車産業において、タービンローター用の高温度用母合金だけでの需要は1,900トン以上に上っていた。 原子力発電およびその他の分野における超高温合金の応用　原子力発電業界で使用される超高温合金には、燃料要素の被覆材、構造材、燃料棒の位置決め格子、超高温ガス炉の熱交換器などがあり、これらは他の材料では代替が難しい。例えば、燃料要素の被覆管の管壁は運転時に600～800℃という高温度にさらされるため、高いクリープ強度が求められ、そのため高温合金材料が広く使用されている。高温合金材料は、ガラス製造、冶金、医療機器などの分野でも広く利用されています。ガラス産業で使用される高温合金部品には10種類以上もあり、例えばガラスウールを製造するための遠心ヘッドやフレームブロー用のるつぼ、平板ガラス製造用のターンロール式引き上げ機の主軸、端部部品、通気管、ガラス炉の給材路、シャットバルブ、マッファーケース、給材ボウル、電極棒などがある。冶金工業の圧延工場の加熱炉用パッド、線材連続圧延用ガイド、高温炉用熱電対保護カバーなど。医療機器分野の人工関節など。モンニッケル合金は、高温合金、ニッケル系合金、銅ニッケル合金、純ニッケルなどの特殊材料を主に製造しております。技術交流がございましたら、ぜひご連絡ください