チタン合金精密鋳造技術の開発

チタン合金インベストメント鋳造の品質管理は、主に形状、サイズ、欠陥の管理に重点を置いています。チタンは高温で化学的に非常に活性が高く、るつぼや金型シェルと容易に反応して、大量のガス放出や鋳造不足を引き起こし、製品のスクラップにつながります。鋳物の形状と寸法の制御には、ワックスパターンの変形、金型シェルの変形と割れ、鋳物の凝固変形、熱処理/熱間静水圧プレスの変形、溶接変形が含まれます。鋳造欠陥の制御には、材料特性、ゲート システム設計、金型シェルの材料とプロセス、注入技術、後処理が含まれます。高性能チタン合金の開発における主な課題は、高い鋳造性能と高い操業性能のバランスをとることにあります。航空機エンジンのコンプレッサーの動作温度が上昇するにつれて、ZTC4 チタン合金は、航空宇宙部品に求められるますます要求の厳しい高温機械特性を満たせなくなりました。したがって、550～650℃での高温鋳造が可能なチタン合金を開発し、溶接割れのプロセス課題に対処し、熱強度と熱安定性の両方を改善する必要がある。チタン合金の鋳造および機械的特性は、合金組成によって大きく影響されます。組成の最適化により、高い鋳造特性と機械的特性を備えたチタンベースの合金を実現でき、精密鋳造の需要に応えます。

現在、航空宇宙構造コンポーネントは、より大型でより一体化されたより薄肉のコンポーネントへと徐々に進化しています。我が国は、航空機エンジンの中間ケーシング、円形から四角形のケーシング、燃料タンクフレームなどのチタン合金精密鋳造において画期的な進歩を遂げ、現在では直径1500mmを超える大規模で薄肉で複雑なチタン合金精密鋳造品を製造できるようになりました。冶金品質と寸法管理の向上により、チタン合金精密鋳造の将来の応用見通しは有望です。しかし、我が国のチタン合金精密鋳造技術は比較的後発であり、米国や英国など西側諸国の航空宇宙産業が数十年にわたって蓄積してきた高度な技術と比較すると、生産能力やコスト管理、納期サイクルなどに大きな差があります。その結果、国際的な航空宇宙サプライチェーンにおける中国のチタン合金精密鋳造品のシェアは比較的小さくなり、チタン合金精密鋳造品市場は長らくPCCなどの米国企業によって独占されてきた。航空宇宙産業は精密鋳造の中核市場であり、市場シェアの約 39% を占め、増加する需要の 50% を占めています。今後の市場競争は激化することが予想されます。

     現在、我が国の航空宇宙産業は急速な発展を遂げており、複雑な国際情勢の中で現地化が加速しています。国内航空宇宙産業における精密鋳造需要は将来的に1000億元を超え、チタン合金精密鋳造市場は100億元を超えると予測されている。しかし、国内企業が生産するチタン合金精密鋳物の現在の生産額は25億元を超えておらず、この分野の将来の大きな成長の可能性を示唆しています。この記事では、航空宇宙分野におけるチタン合金精密鋳造アプリケーションの現状を概観し、国内外のチタン合金精密鋳造プロセス、材料、製品アプリケーションの開発を紹介し、現在の課題を要約し、将来の展望を提案します。この記事は、国産チタン合金精密鋳造品の品質と市場競争力を向上させるための指針を提供します。

1. チタン合金精密鋳造プロセスの開発

    近年、鋳造品質への要求の高まりと精密鋳造設備の進歩により、チタン合金精密鋳造は構造の均一性、精密な成形、インテリジェントなプロセス制御へと進化してきました。図 1 に示すように、

      チタン合金インベストメント鋳造の製造プロセスには、主にワックスパターンの製造、モールドシェルの製造、溶解と注入、および後処理が含まれます。まず、コンピューター支援設計ソフトウェアを使用して設計された鋳造モデルから、金型 (または積層造形装置) を使用してワックス型を作成します。次に、この型を複数の耐火材料層でコーティングしてシェルを形成します。次に、シェルを加熱してワックスを溶かして放出します。次に、シェルを高温で焼結してセラミック化し、溶融したチタン合金をシェルに注入します。溶融金属が凝固して冷却した後、シェルが破壊され、鋳物とゲートシステムが取り外されます。最後に、鋳造およびゲート システムは、切断、サンドブラスト、研磨、検査、酸洗い、修理などの後処理を経て、最終的な鋳物が得られます。大型、複雑、異種部品用のインベストメント鋳造技術の開発には、より複雑なプロセスフローが必要であり、初期ゲートシステムと鋳造プロセス設計、金型製造装置、シェル加工、および溶解装置に対してより高い要求が課せられます。表1に示すように、チタン合金精密鋳造技術は他の精密成形技術と比較して、工程短縮、低コスト、高精度、一体設計が可能です。

    インベストメント鋳造業界で 20 年以上働いてきた私は、このプロセスに特別な情熱を持っており、世界中の鋳造専門家と多くの人脈を築いてきました。精密鋳造業界のより多くの同僚とつながり、世界のインベストメント鋳造業界の発展をより促進したいと考えています。