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インコネルはニッケル-クロムベースの超合金で、部品が高温、高圧、または機械的負荷を受ける過酷な環境でよく使用されます。インコネル合金は耐酸化性と耐腐食性があります。加熱されると、インコネルは表面をそれ以上の攻撃から保護する厚く安定した不動態化酸化物層を形成します。インコネルは広い温度範囲で強度を維持するため、アルミニウムや鋼鉄では熱誘起結晶空孔の結果としてクリープが発生する高温用途に適しています。インコネルの高温強度は、合金に応じて固溶強化または析出硬化によって得られます。 [1] [2]
インコネル合金は、通常、高温用途に使用されます。各種インコネル合金の一般的な商標名は次のとおりです。
- 合金625：インコネル625、クロニン625、アルテンプ625、ヘインズ625、ニッケルバック625、ニクロファー6020、UNS指定N06625。[3]
- 合金 600: NA14、BS3076、2.4816、NiCr15Fe (フランス)、NiCr15Fe (EU)、NiCr15Fe8 (DE)、および UNS 指定 N06600。
- 合金718：Nicrofer 5219、Superimphy 718、Haynes 718、Pyromet 718、Supermet 718、Udimet 718、UNS指定N07718。[4]
歴史
インコネル合金ファミリーは、1932年12月以前に初めて開発され、その商標はデラウェア州とニューヨーク州の米国企業インターナショナル・ニッケル社によって登録されました。 [5] [6]重要な初期の用途は、ホイットルジェットエンジンの開発を支援するために、 1940年代にイギリスのヘレフォードにあるヘンリー・ウィギン＆カンパニーの研究チームによって発見されました。この会社はモンド・ニッケル社[8]の子会社であり、 1928年にインコ社と合併しました。ヘレフォード工場とインコネル商標を含むその資産は、1998年にスペシャルメタルズコーポレーションによって買収されました。[9]
具体的なデータ
構成
インコネル合金の成分は多岐にわたりますが、いずれもニッケルが主成分で、クロムが第 2 の元素です。
- ^ コバルトを含む
プロパティ
インコネルは加熱されると、表面をそれ以上の攻撃から守る厚く安定した不動態化酸化物層を形成する。インコネルは幅広い温度範囲で強度を維持するため、アルミニウムや鋼鉄では熱誘起結晶空孔の結果としてクリープが発生する高温用途に適している（アレニウスの式を参照）。インコネルの高温強度は、合金に応じて固溶強化または析出強化によって発揮される。時効硬化または析出強化の品種では、少量のニオブがニッケルと結合して、金属間化合物 Ni 3 Nb またはガンマダブルプライム（γ″）を形成する。ガンマプライムは、高温で滑りやクリープを効果的に抑制する小さな立方結晶を形成する。ガンマプライム結晶の形成は、特に 850 °C（1,560 °F）の熱に 3 時間さらされると、時間の経過とともに増加し、72 時間のさらし後も成長し続ける。[22]
強化メカニズム
インコネル合金の最も一般的な硬化メカニズムは、析出強化と固溶体強化である。インコネル合金では、この2つのうちの1つが優勢であることが多い。インコネル718のような合金の場合、析出強化が主な強化メカニズムである。強化の大部分は、ガンマダブルプライム（γ″）析出物の存在による。[23] [24] [25] [26]インコネル合金は、 FCC構造のγマトリックス相を有する。[25] [27] [28] [29] γ″析出物はNiとNbで構成され、具体的にはNi 3 Nb組成である。これらの析出物は、正方晶構造を持つ細かくてまとまりのある円盤状の金属間粒子である。[24] [25] [26] [27] [30] [31] [32] [33]
二次析出強化はガンマプライム（γ'）析出物によってもたらされる。γ'相はNi 3（Al、Ti）などの複数の組成で出現する可能性がある。[24] [25] [26]析出相は一貫性があり、γマトリックスと同様にFCC構造をとる。[33] [27] [30] [31] [32] γ'相はγ″よりもはるかに少ない。γ″相とγ'相の体積率は、析出後、それぞれ約15％と4％である。[24] [25] γマトリックスとγ'およびγ″析出物との間の一貫性のため、転位の動きを妨げるひずみ場が存在する。MX（Nb、Ti）（C、N）組成の炭化物の存在も材料の強化に役立つ。[25]析出強化には、ニオブ、チタン、タンタルなどの元素が重要な役割を果たしている。[34]
γ″相は準安定相であるため、過時効によりγ″相析出物が安定相であるデルタ（δ）相析出物に変化する可能性がある。[25] [27] δ相は斜方晶構造で、Ni 3（Nb、Mo、Ti）組成であり、非整合である。[35] [29]その結果、インコネル合金におけるγ″からδへの変化は整合強化の喪失につながり、より弱い材料となる。とはいえ、適切な量であれば、δ相は粒界のピン止めと強化を担う。[33] [32] [29]
インコネル合金によく見られるもう1つの相は、ラーベス金属間化合物相です。その組成は(Ni, Cr, Fe) x (Nb, Mo, Ti) yおよびNi y Nbで、脆く、その存在はインコネル合金の機械的挙動に悪影響を及ぼす可能性があります。[27] [33] [36]ラーベス相の量が多い部位は、応力集中の可能性が高くなるため、亀裂が広がりやすくなります。[31]さらに、Nb、Mo、Tiの含有量が多いため、ラーベス相はこれらの元素のマトリックスを枯渇させ、最終的に析出物と固溶体の強化をより困難にします。[32] [36] [28]
インコネル625のような合金の場合、固溶体硬化が主な強化メカニズムです。Mo [説明が必要]などの元素はこのプロセスで重要です。NbとTaも、程度は低いものの固溶体強化に寄与します。[34]固溶体強化では、Mo原子がインコネル合金のγマトリックスに置換されます。Mo原子の半径はNi原子の半径よりも大幅に大きいため（それぞれ209 pmと163 pm）、置換によって結晶格子にひずみ場が生成され、転位の動きが妨げられ、最終的に材料が強化されます。
元素組成と強化メカニズムの組み合わせにより、インコネル合金は高温、特に650℃までの高温でも、高強度や耐疲労性などの好ましい機械的・物理的特性を維持できます。[23]
機械加工
インコネルは、加工硬化が早いため、従来の冷間成形技術では成形や機械加工が難しい金属です。最初の機械加工パスの後、加工硬化により、後続のパスでワークピースまたはツールのいずれかが塑性変形する傾向があります。このため、718 などの時効硬化インコネルは、通常、硬いツールで強力だが低速の切削を使用して機械加工され、必要なパス数が最小限に抑えられます。あるいは、加工の大部分を「溶体化」したワークピースで実行し、[説明が必要]、最終ステップのみを時効硬化後に実行することもできます。ただし、一部の人は[誰? ]、切削幅が狭く、送り速度が速い多溝セラミック ツールを使用すると、インコネルはスピンドル速度が非常に速く、非常に速く機械加工できると主張しています。これは、溝の前で局所的に加熱と軟化が発生するためです。
外ねじは、旋盤を使用してねじを「シングルポイント」にするか、またはねじ加工機を使用して溶体化処理された状態でねじを転造することによって加工されます (硬化性合金の場合)。インコネル 718 は、結晶粒度を増加させることなく、誘導加熱を使用して 700 °C (1,290 °F) まで完全に時効処理した後に転造ねじにすることもできます。 [引用が必要]内ねじの穴は、スレッドミリングによって作られます。内ねじは、シンカー放電加工(EDM)を使用して形成することもできます。 [引用が必要]
接合
一部のインコネル合金（特にガンマプライム析出硬化型合金、例えばワスパロイやX-750）の溶接は、熱影響部での割れや合金元素の微細構造偏析のため困難となることがある。しかし、625や718などのいくつかの合金は、これらの問題を克服するように設計されている。最も一般的な溶接方法は、ガスタングステンアーク溶接と電子ビーム溶接である。[37]
用途
インコネルは、過酷な環境でよく使用されます。ガスタービンのブレード、シール、燃焼器のほか、ターボチャージャーのローターとシール、電動潜水井戸ポンプのモーターシャフト、高温ファスナー、化学処理および圧力容器、熱交換器のチューブ、蒸気発生器、原子炉加圧水型原子炉のコア部品、[38] H2SやCO2などの汚染物質を含む天然ガス処理、銃器の消音ブラストバッフル、F1、NASCAR、NHRA、APR、LLCの排気システムなどでよく使用されます。[39] [40]また、第3世代のマツダRX7のターボシステムや、排気温度が1,000℃（1,830℉）を超える高出力のヴァンケルエンジンやノートンのオートバイの排気システムにも使用されています。 [41]インコネルは、廃棄物焼却炉のボイラーでますます使用されるようになっています。[42]欧州共同トーラスとDIII -Dトカマクの真空容器はインコネルで作られています。[43]インコネル718は、極低温貯蔵タンク、ダウンホールシャフト、坑口部品によく使用され、[44]航空宇宙産業では耐熱タービンを製造するための主要候補材料となっています。[45]
航空宇宙
- スペースシャトルは、固体ロケット ブースターを打ち上げプラットフォームに固定するために 4 つのインコネル スタッドを使用しており、合計 8 つのスタッドが、飛行可能なシャトル システムの全重量を支えています。固体ロケット ブースターの外側には 8 つの壊れやすいナットが取り付けられており、打ち上げ時に爆発物によってナットが分離され、シャトルが打ち上げプラットフォームから解放されます。[引用が必要]
- ノースアメリカン・アビエーションは、ノースアメリカンX-15 ロケット推進航空機の外皮をインコネルX/750合金で製造した。[46]
- ロケットダインは、サターンVブースターの第一段に使用されたF-1ロケットエンジンの推力室にインコネルX-750を使用した。[47]
- スペースXは、ファルコン9打ち上げロケットに動力を供給するマーリンエンジンのエンジンマニホールドにインコネル（インコネル718 [48] ）を使用している。[49]
- 3Dプリンティングでは初めて、 Dragon V2乗組員搭載宇宙カプセルの打ち上げ脱出システムを提供するSpaceX SuperDraco ロケットエンジンが完全に印刷されました。特に、エンジンの燃焼室は直接金属レーザー焼結法を使用してインコネルで印刷され、非常に高温で動作し、チャンバー圧力は6.9メガパスカル（1,000psi）です。[50] [51] [52] [53] [54] [55]
- SpaceXは、ラプターロケットエンジンのマニホールドを、ニッケル超合金（古いインコネル合金の改良版）であるSX300、後にSX500から鋳造した。[56]
自動車
- テスラは、モデルSのメインバッテリーパック接触器に鋼鉄の代わりにインコネルを使用し、大電流の熱でも弾力性を保つと主張している。テスラは、これによりこれらのアップグレードされた車両はパックの最大出力を1300アンペアから1500アンペアに安全に増加させることができ、テスラが「ルディクラスモード」と呼ぶ出力（加速）の増加が可能になると主張している。[50] [57]
- フォード・モーター社は、 2016年に導入されたEcoBlueディーゼルエンジンのターボチャージャーのタービンホイールの製造にインコネルを使用している。[58]
- NHRAトップフューエルやファニーカーのドラッグレースエンジンの排気バルブはインコネルで作られていることが多い。[59]
- フォード・オーストラリアは、ターボチャージャー付きバラエンジンにインコネルバルブを採用した。このバルブは1900馬力以上を出力し、非常に信頼性が高いことが証明されている。[60]
- BMWはそれ以来、S38エンジンを搭載した高性能高級車BMW M5 E34の排気マニホールドにインコネルを使用し、より高い温度に耐え、背圧を低減してきました。[61]
- ジャガー・カーズは、高性能スポーツカー「ジャガーFタイプSVR」に、より高いピーク温度に耐え、背圧を減らし、車両から16kg（35ポンド）の質量を削減する新しい軽量インコネルチタン排気システムを標準装備しました。[62]
- デロリアン・モーター・カンパニーは、DMC-12の故障しやすいOEトレーリングアームボルトの代替としてインコネル製のボルトを提供している。これらのボルトが故障すると、車両が失われる可能性がある。[63]
圧延インコネルは航空機のブラックボックスレコーダーに刻印された記録媒体として頻繁に使用されました。 [64]
スクラバー、カラム、反応器、パイプなどの化学用途では、インコネルの代わりにハステロイ、パーフルオロアルコキシ(PFA) ライニング炭素鋼、または繊維強化プラスチックが使用されます。
インコネル合金
インコネルの 合金には以下のものがあります。
- インコネル 188: 商用ガスタービンおよび航空宇宙用途向けに容易に製造できます。
- インコネル 230: 合金 230 プレートおよびシート。主に電力、航空宇宙、化学処理、工業用加熱業界で使用されます。
- インコネル600：耐高温性と耐腐食性の点では、インコネル600が優れています。[65]
- インコネル601
- インコネル617：固溶強化型（ニッケル-クロム-コバルト-モリブデン）、高温強度、耐腐食性、耐酸化性、高い加工性、溶接性。[66] 2020年4月頃、溶融塩炉などの高温原子力用途向けのASMEボイラーおよび圧力容器規格に組み込まれました。[67]
- インコネル625：耐酸性、良好な溶接性。[68] LCFバージョンは、通常、ベローズに使用されます。航空、宇宙、海洋、化学、石油化学産業での用途によく使用されます。 [69]また、加圧水型原子炉の炉心および制御棒部品や、重水製造用のアンモニア分解プラントの熱交換器チューブとしても使用されます。[70]
- インコネル690：原子力用途に適した低コバルト含有量、低抵抗[71]
- インコネル706
- インコネル713C：析出硬化型ニッケルクロム基鋳造合金[2]
- インコネル718：ガンマダブルプライム強化型で溶接性に優れている[72]
- インコネル738
- インコネル X-750: ブレード、シール、ローターなどのガスタービン部品によく使用されます。
- インコネル751：アルミニウム含有量の増加により1600°Fの範囲での破断強度が向上しました[73]
- インコネル 792: アルミニウム含有量を増やして耐高温腐食性を向上させたもので、特にガスタービンに使用されます。
- インコネル907
- インコネル909
- インコネル925：インコネル925は、炭素含有量の少ない非安定化オーステナイト系ステンレス鋼です。[74]
- インコネル 939: ガンマプライムの強化により溶接性が向上しました
時効硬化または析出強化の品種では、アルミニウムとチタンの合金添加物がニッケルと結合して、金属間化合物Ni 3 (Ti,Al)またはガンマプライム (γ′) を形成します。ガンマプライムは、高温での滑りとクリープを効果的に抑制する小さな立方結晶を形成します。
参照
ウィキメディア・コモンズには、インコネルに関連するメディアがあります。
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従来の鋳造部品と比較して、プリントされた[部品]は強度、延性、破壊抵抗に優れ、材料特性の変動性が低くなっています。...チャンバーは再生冷却され、高性能超合金であるインコネルでプリントされています。チャンバーをプリントすることで、従来の機械加工と比較してリードタイムが桁違いに短縮されました。最初のコンセプトから最初のホットファイアまでの道のりは、わずか3か月強でした。ホットファイアテスト中、...SuperDracoエンジンは、打ち上げ脱出プロファイルと着陸燃焼プロファイルの両方で点火され、20%から100%の推力レベルの間で正常にスロットリングされました。現在までにこのチャンバーは 80 回以上発射され、300 秒以上の高温燃焼が行われました。
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