インコネル

インコネル（/ ˈɪnkənəl / IN - co-nel ）は、ニッケル、クロム、鉄を主成分とする超合金で、高温、高圧、機械的負荷にさらされる極限環境でよく使用されます。インコネル合金は酸化や腐食に強いです。加熱すると、インコネルは厚く安定した不動態酸化皮膜を形成し、表面をそれ以上の腐食から保護します。インコネルは幅広い温度範囲で強度を維持するため、アルミニウムや鋼が熱誘起結晶空孔の結果としてクリープを起こすような高温用途に適しています。インコネルの高温強度は、合金の種類に応じて固溶強化または析出硬化によって発揮されます。 ^{[ 1 ] [ 2 ]}

インコネルは1930年代初頭にインターナショナル・ニッケル・カンパニー（後のインコ・リミテッド）の科学者によって発見されました。様々なインコネル合金の一般的な商標名には以下のようなものがあります。

• 合金625：インコネル625、クロニン625、アルテンプ625、サニクロ625、ヘインズ625、ニッケルバック625、ニクロファー6020、および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、およびUNS指定N07718。^{[ 4 ]}

インコネル合金ファミリーは、デラウェア州とニューヨーク州のインターナショナル・ニッケル社が商標を登録した1932年12月以前に初めて開発されました。 ^{[ 5 ] [ 6 ]}重要な初期の用途は、1940年代にイングランドのヘレフォードにあるモンド・ニッケル社の子会社であるヘンリー・ウィギン＆カンパニーの研究チームによって、ホイットル・ジェットエンジンの開発を支援するために見つかりました。^{[ 7 ]}同社は1928年にインコ社と合併しました。 [ ^{8 ]ヘレフォード工場とその資産（インコネルの商標を含む）は、} 1998年にスペシャル・メタルズ社によって買収されました。^{[ 9 ]}

インコネル合金は組成が大きく異なるが、いずれも主成分はニッケルで、クロムが第二の元素として含まれている。

インコネルは加熱されると、厚く安定した不動態酸化層を形成し、表面をさらなる攻撃から保護します。インコネルは広い温度範囲で強度を維持するため、アルミニウムや鋼が熱誘起結晶空孔の結果としてクリープを起こすような高温用途に適しています（アレニウス式を参照）。インコネルの高温強度は、合金の種類に応じて固溶強化または析出強化によって発揮されます。時効硬化型または析出強化型では、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″）を形成します。ガンマプライムは小さな立方晶を形成し、高温での滑りやクリープを効果的に抑制します。ガンマプライム結晶の形成は、特に850 °C (1,560 °F)の熱に 3 時間さらされた後には時間とともに増加し 、72 時間さらされた後も成長し続けます。^{[ 23 ]}  

インコネル合金の最も一般的な強化機構は析出強化と固溶強化です。インコネル合金では、この2つのうちの1つが支配的になることがよくあります。インコネル718のような合金では、析出強化が主な強化機構です。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ものです。^{[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]}インコネル合金は、面心立方（fcc）構造のγマトリックス相を持っています。^{[ 26 ] [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]} γ″析出物は、 NiとNb、具体的にはNi3Nb組成でできています。これらの析出物は、_正方構造の微細でコヒーレントな円盤状の金属間化合物粒子です。^{[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ] [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]}この相は安定化させるのに最も重要であるため、γ″析出物の粗大化を制限し、γ″からデルタ（δ）相への相転移を制限することによってインコネル合金が強化されます。

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ます。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ります。^{[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]}析出相は、γ マトリックスと同様に、コヒーレントでfcc構造を持っています。^{[ 34 ] [ 28 ] [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]} γ' 相は、γ″ よりもはるかに少ないです。析出後の γ″ 相と γ' 相の体積分率は、それぞれ約 15% と 4% です。^{[ 25 ] [ 26 ]} γ マトリックスと γ' および γ″ 析出物の間のコヒーレンスにより、転位の移動を妨げる歪み場が存在します。MX (Nb, Ti)(C, N) 組成の炭化物の存在も、材料の強化に役立ちます。^{[ 26 ]}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ます。^{[ 35 ]}

γ″相は準安定であるため、過時効によりγ″相析出物が安定相であるδ相析出物に変化する可能性があります。^{[ 26 ] [ 28 ]} δ相は斜方晶構造、Ni ₃ (Nb、Mo、Ti)組成を持ち、非整合です。^{[ 36 ] [ 30 ]}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、材料が弱くなります。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に寄与します。^{[ 34 ] [ 33 ] [ 30 ]}インコネル合金の組成は、この準安定γ″相の安定性を最大化し、この変化を遅らせるように調整されています。この結果、インコネル合金中のNb、Al、Tiの範囲が狭くなります。これらの元素は、粒界に偏析してマトリックスから重要な元素を枯渇させる他の望ましくない相を形成しやすい。^{[ 37 ]}

インコネル合金のもう1つの一般的な相は、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であり、脆性で、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。^{[ 28 ] [ 34 ] [ 38 ]}ラーベス相を多く含む箇所は、応力集中の可能性が高いため、亀裂伝播が起こりやすくなります。^{[ 32 ]}さらに、ラーベス相は Nb、Mo、Ti の含有量が高いため、マトリックス中のこれらの元素を消費し、最終的に γ″ 相の形成を制限し、析出物の減少と固溶強化の困難化につながります。^{[ 33 ] [ 38 ] [ 29 ]}

時効処理中、合金718における炭化ニオブの析出は主に粒界で発生し、温度と保持時間の増加に伴い、孤立した析出物から粒界に沿った膜状の境界層へと進行する。主要な粒界炭化物はニオブに富むMC型である。MC炭化物を含む粒界は、γ″相、そして程度は低いもののγ'相の析出物がない明確な領域によって境界付けられていることが多い。これらの析出物のない領域は、粒界付近の溶質元素と空孔の局所的な枯渇によって生じる。700 ～750 ℃（1,292～1,382 °F）付近では、炭化物で覆われた粒界の割合が時間とともに増加する。さらに高温では、δ相との共析出が頻繁に観察される。炭化物による境界の被覆が進むと、破壊モードが粒内破壊から粒界破壊へと変化し、変形帯が境界に衝突するマトリックスと炭化物の界面で微小亀裂が発生することが多い。^{[ 39 ]}  

インコネル718の析出挙動は、時間-温度-変態特性によって支配され、これは異なる熱処理条件下で微細構造がどのように変化するかを記述する。1,165 °C (2,129 ° F)付近での固溶化焼鈍後、γ'、γ″、δ、およびラーベスなどのほとんどの相は、面心立方γマトリックスに溶解する。その後、制御された時効処理を使用して、強化相または安定化相を選択的に析出させる。約960 °C (1,760 °F)での短時間時効は、粒界に沿ってデルタ相の形成を促進し、結晶粒構造を微細化するが、γ″析出に利用できるニオブを減少させる可能性がある。γ″は強化に寄与する主要な析出物であるため、これは好ましくない。その後、約760 ℃（1,400 °F）での時効処理に続いて、 680 ℃（1,256 °F）付近の低温段階を行うことで、マトリックス全体にコヒーレントなガンマプライム粒子とガンマ″粒子が微細に分散して析出する。        

長時間または高温では、準安定γ″相が徐々にδ相に変化し、粒界に粗大なニオブリッチなラーベス相または炭化ニオブ粒子が形成されることがあります。このような変化はマトリックスのニオブを消費し、過時効を引き起こして強度を低下させます。多段階時効中の温度と保持時間の精密な制御により、インコネル718の強化と微細構造の安定性のバランスが決まります。^{[ 40 ] [ 41 ]}

インコネル625のような合金では、固溶強化が主な強化機構です。インコネル625では、高濃度のMo（約9重量%）とCr（約22重量%）が、従来の超合金の時効硬化析出物に頼ることなく、クリープ耐性と高温強度を高める強力な固溶マトリックス強化剤として機能します。NbとTaも、程度は低いものの固溶強化に寄与します。^{[ 35 ]}固溶強化では、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原子はNi原子よりも半径がかなり大きい（それぞれ209 pmと163 pm）ため、置換によって格子内にひずみ場が生成され、転位の移動が妨げられ、最終的に材料が強化されます。

元素組成と強化機構の組み合わせにより、インコネル合金は高温、特に650 ℃（1,202 °F）までの温度で、高強度や疲労抵抗などの優れた機械的および物理的特性を維持できるのです。^{[ 24 ]}  

インコネルは、加工硬化が速いため、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。最初の加工パスの後、加工硬化により、次のパスでワークピースまたは工具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、硬い工具を使用して、積極的かつ低速の切削を行い、必要なパス数を最小限に抑えて加工されます。あるいは、加工の大部分はワークピースを「固溶化」した状態で行い、時効硬化後に最終工程のみを行うこともできます。しかし、切削幅の小さい多刃セラミック工具を高速送りで使用すれば、フルートの前方で局所的な加熱と軟化が生じるため、非常に高速なスピンドル回転でインコネルを極めて速く加工できると主張する人もいます。

外ねじは、旋盤でねじ山を「一点」加工するか、固溶化処理された状態でねじ山を転造加工（焼入れ可能な合金の場合）して、ねじ切り機で加工します。インコネル718は、結晶粒径を大きくすることなく、誘導加熱で700 ℃（1,290 °F）まで 加熱して完全時効処理した後、転造ねじ切り加工を行うこともできます。内ねじ穴は、ねじ切りフライス加工で作ります。内ねじは、放電加工機（EDM）を使用して形成することもできます。  

インコネル合金の一部（特にガンマプライム析出硬化系、例えばワスパロイやX-750）の溶接は、熱影響部での合金元素の亀裂や微細構造偏析のため困難になる場合があります。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ます。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す。^{[ 42 ]}

インコネルは極限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、ターボチャージャーのローターとシール、電動水中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、原子力加圧水型原子炉の蒸気発生器とコアコンポーネント^{[ 43 ]} 、_H2SやCO2_などの汚染物質を含む天然ガス処理、銃器の消音器のブラストバッフル、フォーミュラワン、NASCAR、NHRA、APR, LLCの排気システムによく使用されています。^{[ 44 ] [ 45 ]}また、第3世代マツダRX-7のターボシステム、排気温度が1,000 ℃（1,830 °F）を超える高出力ヴァンケルエンジンおよびノー​​トンモーターサイクルの排気システムにも使用されています。^{[ 46 ]}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る。^{[ 47 ]}欧州共同トルーシおよびDIII -Dトカマクの真空容器はインコネル製である。^{[ 48 ]}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、ウェルヘッド部品に一般的に使用されており、 ^{[ 49 ]}航空宇宙産業では耐熱タービンの構築のための主要な候補材料となっている。^{[ 50 ]}  

インコネル合金には以下が含まれます。

• 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加工できる。
• インコネル230：合金230の板材およびシート材は、主に電力、航空宇宙、化学処理、および工業用加熱産業で使用されます。
• インコネル600：高温耐性と耐食性に関しては、インコネル600が優れている。^{[ 70 ]}
• インコネル601
• インコネル617：固溶強化（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、高い加工性および溶接性。^{[ 71 ]}溶融塩炉などの高温原子力用途向けにASMEボイラーおよび圧力容器コードに組み込まれた（ 2020年4月頃）。^{[ 72 ]}
• インコネル625：耐酸性、溶接性良好。^{[ 73 ]} 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、石油化学産業の用途によく使用されます。 ^{[ 74 ]}また、加圧水型原子炉の炉心および制御棒コンポーネント、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。^{[ 75 ]}
• インコネル690：原子力用途向けの低コバルト含有量、および低抵抗率^{[ 76 ]}
• 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：ガンマ二重プライム強化、溶接性良好^{[ 77 ]}
• インコネル738
• インコネルX-750：ガスタービン部品（ブレード、シール、ローターなど）に一般的に使用される。
• インコネル751：1600  °Fの範囲で破断強度を向上させるためにアルミニウム含有量を増加させた^{[ 78 ]}
• インコネル792：アルミニウム含有量を増加させることで高温耐食性を向上させた合金で、特にガスタービンに使用される。
• 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、低炭素含有量の非安定化オーステナイト系ステンレス鋼です。^{[ 79 ]}
• インコネル939：溶接性を向上させるためにガンマプライム強化

時効硬化型または析出強化型では、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Ni₃ (Ti,Al)またはガンマプライム(γ′)を形成する。ガンマプライムは小さな立方晶を形成し、高温下で滑りやクリープを効果的に抑制する。

クリープ（変形）とは、高温下で一定の機械的負荷を受けた材料に時間依存的に生じる塑性変形のことで、ガスタービンディスクやロケットエンジン部品などのインコネル718部品の設計において重要な考慮事項となる。

• クリープ機構: 650℃から700℃の動作温度範囲では、支配的なクリープ機構は転位上昇であることが確認されています。^{[ 80 ]}このプロセスでは、空孔の拡散を利用して転位が移動し、硬化析出物を迂回することで、連続的かつ緩やかな変形が生じます。
• 応力依存性：インコネル718のクリープ速度は、印加応力に対して非常に非線形な関係を示し、一般的にn=36付近の高い応力指数値を示します。この高い指数は、クリープ性能が動作応力のわずかな増加にも非常に敏感であることを示しています。^{[ 80 ]}
• 破壊モード：クリープ荷重中の破壊は、温度と時間に大きく依存します。比較的低い高温では延性破壊となる可能性がありますが、約675℃では、破壊モードは粒界破壊へと移行する傾向があります。

ガスタービンのブレードやディスクなどの部品は、機械的応力と温度の両方が同時に変動するサイクルにさらされます。これは熱機械疲労（TMF）と呼ばれる現象です。TMFは、クリープ現象や酸化損傷などの環境要因も含むため、単純な等温疲労よりも深刻な損傷を引き起こすことがよくあります。

• TMF負荷：TMF試験は、2つの限界モードで温度と機械的ひずみを繰り返すことにより、実際の使用環境をシミュレートします。疲労亀裂は、TMF条件に関わらず、表面から発生します。
  1. 同相（IP）TMF：最大機械的引張応力は最高温度と同時に発生し、最大圧縮応力は最低温度で発生する。
  2. 位相ずれ（OOP）TMF：最大引張応力は最低温度で発生し、最大圧縮応力は最高温度で発生する。
• インコネル718の損傷メカニズム
  1. インコネル718は、IP条件とOOP条件で異なるTMF挙動を示します。IP TMFでは、δ相とクリープおよび酸化の影響の増加により、亀裂の発生と伝播は主に粒界に沿って発生し、疲労寿命が短くなります。^{[ 81 ]} OOP TMFでは、亀裂は主に酸化によって粒内方向に成長し、一般的にIP条件と比較して疲労寿命が長くなります。^{[ 82 ]} IPモードとOPモードの寿命の差は、ひずみ振幅が低いほど顕著ではなくなりますが、異なる損傷メカニズムは依然として明らかです。^{[ 81 ] [ 82 ]}
• 積層造形の影響：積層造形（選択的レーザー溶融、SLMなど）で製造されたインコネル718に関する最近の研究では、結果として得られる微細粒組織は、多くの場合、粒径制御のバランスをとることによって、クリープと疲労性能の間のトレードオフを改善できることが示されています。^{[ 83 ]}

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。

無料辞書であるWiktionaryで「インコネル」を調べてみてください。

• ハステロイ
• インコロイ
• モネル
• ニクロム
• ニモニック
• ステライト