宇宙機関と民間の立ち上げプロバイダは、現在、定期的な再利用可能な、より高いペイロードの分数、および長いサービス寿命を目標としています。これらの目標は、1,500 °Cを超える燃焼温度、急速な熱循環、および腐食性排気環境を生き残ることができる材料を要求します。超合金 - 極端な条件のために設計された金属合金のクラス - 打ち上げ車両ハードウェアの次世代に不可欠になります。組成、製造、コーティング技術が最近の進歩により、これらの材料のパフォーマンスの限界をプッシュし、より効率的なアーキテクチャと操作性を削減することができます。

次世代ロケットにおけるスーパーアロイのピボタルロール

再使用可能なロケットおよび増加された推圧比への非寛大な押しは構造および熱セクション部品に非前例のない要求を置く。SpaceXの流星か青い起源BE-4で使用されたそれらのようなファースト・ステージ エンジンは、従来の鋼鉄かアルミ合金が秒以内に失敗する原因になる圧力および温度で作動します。Superalloysは800Cの上の温度の高い機械強さ、抵抗の費用および熱抵抗および性能の低下の腐食の効率性を保障するために、それらがより高い機械強さを保たせます。

スーパーアロイとは?

スーパーアロイは、ニッケル、コバルト、鉄ニッケルをベースにした高性能合金で、クロム、アルミニウム、チタン、タングステン、モリブデン、タンタルなどの要素で合金化されています。 彼らの定義特性は、その融点の大きな分岐で有用な強さを維持する能力です。 ほとんどのスーパーアロイは、固体の溶解硬化と降水強化の組み合わせから、これらの特性は、これらの特性は、これらの構造体が、その構造体が直接、その構造体と構造体を、その構造体と構造体を、その構造体と結合する、構造体を、構造体と構造、構造、構造、構造、構造、構造、構造、構造、構造、構造、構造、構造、構造、構造、構造、構造、構造、構造、構造、構造、構造、構造、構造、構造、構造、構造、構造、構造、構造、構造、構造、構造、構造、構造、構造、構造、構造、構造、構造、構造、構造、構造、構造、構造、構造、構造、構造、構造、構造、構造、構造、構造、構造、構造、構造、構造、構造、構造、構造、構造、構造、構造、構造、構造、構造、構造

ニッケル系スーパーアロワは、優れたクリープと酸化抵抗によるロケット産業を約1,100 °Cに支配します。コバルト系変種は、熱疲労抵抗または熱腐食抵抗がパラマウントされる場所で使用されます。シングル‐クリスタル鋳造技術の導入により、材料を高温で弱めるグレイン境界を排除し、他の50〜100 °Cで使用可能な温度範囲を拡張しています。例えば、レンデックスエンジンやRenx4などの高機能エンジンをシングル-crystal鋳造技術の導入により、Nextal/nextrageneなどの高機能のエンジンを単独で使用しています。

スーパーアロイ技術の最近の革新

過去10年間に、いくつかの分離された進歩は、新しい政令に優先するスーパーアロイ性能を持っています。 これらの革新は、合金化学、処理、および保護コーティングにスパンします。

高度な構成: 耐火金属でマイクロロワリング

現代のスーパー合金は、ガンマプライムフェーズの solvus 温度を上げ、高温強度を向上させるために、耐火成分のより高いレベルを組み込んでいます。 レン、ルテニウム、タンタルは、今、第三世代と四世代の単一結晶性スーパー合金の一般的な追加です。 レンアンは、特に、拡散が遅くなり、微細構造を安定させるが、密度とコストも増加します。 したがって、合金の開発者は、材料の半分を削減するが、 40% 削減する 切削 切削 と 切削 40% 削減 切削 切削 切削 切削 切削 切削 切削 切削 切削 切削 切削 切削 切削 切削 切削 切削 切削 切削 切削 切削 切削 切削 切削 切削 切削 切削 切削 切削 切削 切削 切削 切削 切削 切削 切削 切削 切削 切削 切削 切削 切削 切削 切削 切削 切削 切削 切削 切削 切削 切削 切削 切削 切削 切削 切削 切削 切削 切削 切削 切削 切削 切削 切削 切削 切削 切削

複合体測量用添加剤製造

添加剤製造(AM)は、超合金部品の製造に革命を起こしています。レーザー‐粉末‐ベッドの融合と電子ビームの融解により、キャストや機械に不可能な部品の製造をほぼネット形状にすることができます。ロケットエンジンメーカーは、AMを使用して、燃焼室やノズル内の複雑な冷却チャネルを生成し、部品数を減らし、溶接を除去することを可能にします。例えば、]SpaceXは、このような切断された部品を、非溶断処理にするために、多くの部品を切断するために使用されます。

保護熱および環境の障壁のコーティング

結束しても、最も厳しい環境に無期限に耐えられない。 湿疹の安定化ジルコニア(YSZ)に基づく熱バリアコーティング(TBC)は、最大150 °Cで金属温度を低下させ、環境バリアコーティング(EBC)は、まれにアースされたシリカトが熱気腐食から保護します。 新しいコーティングアーキテクチャは、グレードされたインターフェイスまたはコンポラ係数を使用して、スクライマを改善します。 蒸着剤は、高濃度のコーティング(EBC)を生き延ばすことができる[:]。

宇宙ロケットの応用

スーパーアロイは、起動車両の複数のサブシステムに展開しています。次のセクションでは、プライマリ使用量と最近の革新から得られる利点について詳しく説明します。

エンジンタービンおよびターボ機械

液体ロケットエンジンでは、ターボポンプタービンは、熱、部分的に燃焼ガスによって駆動される間、数千のRPMで回転しなければなりません。タービンブレードとディスクは、極端な遠心負荷と高温に直面しています。 シングルクリスタルニッケルベースのスーパーアルロイ(例えば、René N4、PWA 1480)は、ブレードの基準となっています。 一方、粉末 - メタルスーパーアルロイは、ディスクの耐摩耗性および耐摩耗性のために使用されるため、Reneは、ブレードの耐摩耗性および耐摩耗性を向上するために使用される。

燃焼室とノズル

燃焼室は、あらゆるコンポーネントの最高の熱フラックスを体験します。チャンバーライナーは、熱伝導性のための銅合金で作られていますが、熱気ガスの壁には、超合金構造のジャケットやライナーが必要です。多くのエンジンでは、チャンバーは、ニッケル合金アウター構造シェルを備えた銅合金インナーライナーです。ノズルエクステンションは、低温で動作するが、それでも強調され、インコネル625やヘインズ230などのスーパー合金を使用します。添加剤製造は、一体化されたチューブを装備していますが、ブレーキングやブレーキングなどのエンジンは、新しい構造を向上させます。

熱保護および熱保護

多くの熱シールドは、断熱材ですが、特定の再使用可能な宇宙船は、金属熱保護を必要とします。 スペースシャトルの鼻キャップと翼のリーディングエッジは、強化されたカーボンを使用したが、ドリームチャザーのような次世代の翼車は、TBCでコーティングされたスーパーアロイパネルを評価しています。 これらのパネルは、過剰な酸化や歪みのない複数の再エントリーサイクルに耐える必要があります。 そのようなインコネル718やヘインズなどのスーパーアロイは、NASの温度を維持している間、低負荷試験に耐えなければなりません。

現行の課題と研究フロンティア

印象的な利益にもかかわらず、いくつかの障害は残っています。 コストは永続的な問題です。: rhenium、ルテニウム、タンタルは高価であり、いくつかの専門スーパー合金は、1キログラムあたり1,000ドル以上の費用を払うことができます。 添加剤の製造のスケールアップは、品質 - 制御ハードルに直面しています。特に、気孔率と微量構造の一貫性。 性能面では、スーパー合金は、それらのイントラシン酸性溶融限界に近づくことができます。 ニッケル合金は、または高温の代替品の代替品は、このような傾向に、それらの合金を、またはそれらの材料は、または材料の代替材料を、または材料に結合する。

新たなスーパーアロイの発見を加速するデータ主導のアプローチ。 サーモダイナミクスと機械的特性の大規模なデータベースで訓練された機械学習モデルは、高価な実験の前に有望な構成を予測することができます。 []] 統合計算材料工学(ICME)フレームワークは、NASAと業界パートナーがスーパーアロイコンポーネントのライフサイクル全体をシミュレートするために使用されます。 サイクルの失敗から、開発時間を削減する。

未来展望

オンゴイニングリサーチは、コストを削減し、製造性を向上させる一方で、別の50〜100 °Cによるスーパーアロワの動作温度を増加させることを目指しています。スーパーアロワ粉末のバインダージェットや方向エネルギー堆積などの新しい製造技術は、より大きな部品やより複雑な幾何学を扱うために精製されています。同時に、スクラップスーパー合金のリサイクル戦略は経済的に有効になり、レンガリウムのような貴重な要素の値は、魅力的な再資源化を実現するために、より大きな努力を要する必要がないことである。