航空宇宙向け研削ソリューション

航空機メーカーは、より経済的に燃料を燃焼させる新しいエンジン スタイルに焦点を当てています。 これらの新しい希薄燃焼エンジンは、今日のニッケル基超合金エンジン部品の安全動作レベルを大幅に超える温度で動作します。 その結果、以前の材料よりも高い熱安定性または比クリープ特性、低い密度 (3.9 ～ 4.1 g/cm3)、および高い比強度を備えたチタン アルミナイド (TiAl) などの新しい材料が登場しています。

これらの合金は、高い比降伏強度 (降伏強度/密度)、高い比剛性 (弾性率/密度)、優れた耐酸化性、チタン火災に対する耐性、および高温での優れた疲労特性も備えています。 たとえば、TiAl は 760° C (1,400° F) までの超合金と同等の強度を持っていますが、TiAl の密度 (4.0 g/cm3) は 718 インコネルの密度 (8.2 g/cm3) の半分未満です。

航空宇宙エンジンの低圧タービンセクションで超合金ブレードを軽量の TiAl ブレードに置き換えると、重量が軽減され、効率が向上します。 ブレードの重量が軽減されることで、より小型のニッケル合金支持ディスクの使用も可能になり、さらに重量が軽減されます。 TiAl 合金は、低圧タービン段で最大 50% の重量削減を実現し、推力重量比を改善し、燃料消費量を削減し、排気ガスを低減します。

高い比弾性率または剛性は、シールサポートやライニングなど、クリアランスが狭いコンポーネントやアセンブリにとって価値があります。 また、高い比弾性率は音響振動をより高い周波数にシフトさせ、他の構造領域のフレッチングや疲労を軽減します。 従来のチタン合金は、高温（400°Cまたは752°F以上）で他の部品と擦れると、ジェットエンジン内で発火し、チタン火災を引き起こす可能性があります。 TiAl は超合金とほぼ同じくらいチタン火災に対する耐性があるため、チタン火災を防ぐ超合金バリアを TiAl に置き換えることができます。 低圧 (LP) タービンブレードでの TiAl の成功に続き、航空宇宙技術者は高圧 (HP) コンプレッサーのブレード、ベーン、ブレード ダンパーにも TiAl を導入しています。

しかし、TiAl を将来の航空機エンジンに望ましいものにするのと同じ特性により、加工が難しくなります。 TiAl は、金属結合と共有結合が混合した金属間化合物です。 TiAl などの金属間化合物材料は、金属特性とセラミック特性の組み合わせを示します。 これらは、高温用途に望ましい高温強度を備えていますが、通常、室温での延性、靭性が低く、製造特性が劣っています。 朗報です。これらの材料を研究し、既存の製造プロセスを再定義することで、費用対効果の高いソリューションが実現できるのです。

TiAl には 45 ～ 50 原子パーセントのアルミニウムが含まれています。 室温では、TiAl 合金は脆く、延性は特定の合金と微細構造に応じて 0.3% ～ 4% の範囲です。

TiAl のいくつかの変種が市販されており、さまざまな加工方法に合わせて組成と微細構造が調整されています。 二本構造の TiAl には、層状のガンマ コロニーと六方晶系のアルファ 2 (Ti3 Al) 相の混合物が含まれています。 二相 TiAl は室温での延性が優れている傾向がありますが、耐クリープ性は現在のニッケル超合金の 70% にすぎません。 完全に層状およびほぼ層状のガンマ チタン アルミナイド (γ-TiAl) は、1,000 ℃ までの超合金と同等のクリープ特性を備え、より高い破壊靱性と亀裂伝播耐性を備えています。立方晶ベータ TiAl はより高い変形能を備えているため、ベータ凝固 γ-TiAl 合金は熱間静水圧プレス、特殊な押出および熱処理後に熱間圧延または鍛造することができます。

鍛造、鋳造、粉末冶金を使用して作られた粗い γ-TiAl 形状は、機械加工、研削、または従来とは異なる方法によって、必要な寸法、仕上げ、表面の完全性を満たす完成形状に変換されます。 室温での延性微細構造と高温特性を達成するために必要な複雑な加工と熱処理により、従来の超合金と比較して TiAl のバイ・トゥ・フライ比が高くなり、材料コストが高くなります。

TiAI は延性または脆性が低い (破壊歪みが低い)、高強度、低い熱伝導率、低い弾性率、および反応性により、機械加工や研削が非常に困難な材料となっています。 切削工具は急速に劣化し、材料除去率が低下し、機械加工された TiAI コンポーネントの表面品質に影響を及ぼし、材料の疲労強度が低下する可能性があります。 切削工具は TiAI と反応し、かじり、汚れ、刃先の蓄積、工具の急速な摩耗を引き起こす傾向があります。 TiAI はひずみ速度に対する感度が高く、ひずみ硬化して鋸歯状の切りくずを生成する傾向があります。 工具の摩耗は、TiAI 微細構造の摩耗相によって加速されます。 TiAI の低い熱伝導率は刃先に熱を集中させ、TiAI の高温強度により過熱した刃先が潰れる傾向があります。 工具とワークピースの界面での集中加熱により、チタンと工具の反応が促進され、工具側面の摩耗やクレーターが発生します。

したがって、TiAl は機械加工が難しく、アルミニウム、従来のチタン合金、または超合金 718 インコネルの機械加工性のほんの一部しか達成できません。 Seco Tools によるテストでは、TiAl の被削性は 718 インコネルの 3 分の 1 であり、合金 Ti-6Al-4V の 7 分の 1 でした。 TiAl の機械加工テストを完了するには、インコネル 718 の場合は 6.6 個のインサートが必要でしたが、20 個のインサートが必要でした。脆性 TiAl ワークピースのチッピングは、材料の低い被削性と高い工具摩耗により、高速切削やフライス加工でよく発生する問題です。

溶融状態または高温状態のチタンは事実上すべての金属やセラミックと反応して溶解するため、冶金学者はチタンを「万能溶媒」とみなしています。 研磨研削中、チタンの反応性により摩耗平坦または鈍い粒子が発生し、砥粒への TiAl のキャッピングまたは固着が発生します。 焼け、亀裂、表面下の変形または残留応力、その他の表面損傷は、TiAl の研削中に適切に対処する必要がある課題です。 チタンは酸素、窒素、その他の隙間汚染物質を容易に吸収し、変色や焼け、硬化、脆化を引き起こす可能性があります。

2011 年以来、ノートン | Saint Gobain Abrasives は、この材料および同様の材料を研削および仕上げるために最適な研磨製品とプロセス パラメータを決定するためのテストを実施しました。 研磨加工または研削を正しく適用すると、従来の一点加工で発生する亀裂や表面損傷の問題の多くが克服されます。 一般に、高度な研削技術は、表面の完全性を維持しながら、γ-TiAl およびその他の金属間化合物部品の最終的な部品寸法と表面特性を達成するための最良の方法です。

最初は、鍛造品のバリや鋳造品のゲートを除去するために粗研削が必要です。 ここでは、金属の除去速度とアクセスの容易さにより、コーティングされた研磨ベルトが重要な役割を果たします。 チタン合金は手作業で研磨することも、生産量が必要な場合にはロボットによる自動化を使用して研磨することもできます。

ノートンは、スーパーサイズ コートを施したアルミナ - ジルコニア グレイン ベルトを使用したチタン ゲートの乾式研削に成功しました。 この用途では材料の挙動が一貫していることが期待されるため、この発見は、TiAl を使用して製造を開始する顧客にとって重要になります。 ジルコニア砥粒と砥粒に含まれるその他の独自の添加剤により、砥粒の刃先のキャッピングが軽減されます。 スーパーサイズ層内の化学物質はチタンの燃焼を抑制し、さらにチタンのキャッピングや砥粒への付着を抑制します。 バックスタンドマシンでのいくつかのオフハンドベルト研削フィールドテストでは、ノートン BlueFire R801 ベルト製品は競合製品を 2 対 1 上回りました。 さらに、Norton BlueFire R801P ベルト製品は、チタン部品の損傷 (亀裂や焼け) を防ぎながら、さらに高い金属除去性能を提供します。

メーカーが小規模生産から大量生産に移行するにつれて、これらのフィールド テストにより、TiAI ゲージの取り外しに関する重要な開始仕様が設定されます。 ノートンは、正確な仕様パラメータを特定するために追加のテストを推奨します。

成形および表面仕上げのテストは、効率的で損傷のない研削のための適切なソリューションを特定することを目的として、3 種類のコア砥粒を使用した砥石車の評価に重点を置きました。 テストされた 3 つのコア研磨材は、炭化ケイ素 (SiC)、立方晶窒化ホウ素 (cBN)、およびダイヤモンドでした。 SiC ホイールはより高い出力と力を必要とし、粒子へのキャッピングや金属の付着力が最高レベルであったため、TiAl 部品の亀裂や焼けが発生しました。 ｃＢＮホイールは、研削中のキャッピングが少なく、動力の増加が少なかった。 ダイヤモンド超砥粒ホイールは、最小限のキャッピングで常に最低の電力を引き出しました。 また、ダイヤモンド ホイールは、除去されたストックの関数として最も安定した出力曲線を示し、コンポーネントに損傷を与えることなく 48,000 mm3 の材料を除去することができました。

Norton Winter Paradigm ダイヤモンドホイールを使用した研削技術の有効性も評価されました。 パラダイムホイールはメタルボンド技術と研磨技術を組み合わせたもので、TiAl などの摩耗しにくい材料の研削中に正確なプロファイルを維持するのに最適です。 電気メッキ (EP) または金属単層は、最初はパラダイム ダイヤモンド ホイールよりも優れた性能を発揮しますが、ホイールはドレスアップ可能ではありません。 EP ホイールのダイヤモンド研磨剤の切れ味が鈍くなったら、ホイールは機械から取り外され、再生のために送られます。 それに伴うダウンタイムと処理にはコストがかかります。 パラダイムホイールは性能が大幅に向上しており、SiC の 2 倍の材料除去速度を備えています。 パラダイムホイールの総工具コストも、TiAl を研削する場合の SiC または EP ダイヤモンドホイールの価格の数分の一です。

精密な形状が研削された後、バリ取りと研磨の最終ステップで、以前の粗い砥粒製品からのマークやレイを滑らかにしてブレンドし、必要な表面仕上げを生成します。 バリ取りや研磨作業には、クイックチェンジ ディスク、NoRax 研磨ベルト、不織布研磨材が使用されます。

TiAl 部品製造の成功の鍵は、研削中の発熱を制御し、低減することです。 最適な砥石冷却剤とその適用により、研削ゾーンから熱が除去されます。 適切なホイールドレッシング方法によりホイールの鋭さを維持し、摩擦熱の発生を最小限に抑えます。 コーティング研磨製品の場合、特大ベルトと低速の使用により、加熱と部品の焼けを軽減できます。

チタン合金を研削する際、砥粒とワークピースの界面での摩擦加熱を最小限に抑えるには、ベルト速度を遅くすることが重要です。 ベルト速度は 2,500 ～ 3,500 SFPM の範囲が推奨されます。これは、鋼または超合金の研削における一般的な 5,000 ～ 6,000 SFPM の半分です。 ベルト速度が遅いと、砥粒のエッジがチタン部品によく浸透します。 この深い切り込みにより、大きな切りくずや切り粉の粒子が研磨され、熱の蓄積や部品の焼けが軽減され、高品質の部品が製造されます。 小さなチタン粒子と熱によりチタンの発火や火災の危険性が高まるため、低速と大きな切り粉サイズにより安全な研削環境が形成されます。

精密研削中に水ベースの冷却剤を大量に注入することで、部品の温度が低く保たれ、TiAl 部品への熱による損傷が軽減されます。 研磨ワークゾーンへのクーラントの適切な供給により、ホイールの寿命が最大限に延長され、部品の焼けが防止されます。 ノートンでは、パラダイム ホイールでは通常のクーラント ノズルとともに追加の高圧スクラバー ノズル (>800 psi) を使用することをお勧めします。これにより、切りくずを洗い流してホイールの表面をきれいに保つことができます。 高圧と方向付けられた冷却剤の流れも、6,000 SFPM のホイール速度に一致する必要があります。

連続ロータリードレッシングによりダウンタイムが短縮され、砥石の切れ味が維持され、部分焼けがなくなりました。 ロータリードレッシングは、砥粒やボンドの種類によって異なるドレッサーロールと砥石の速度比を調整することで最適化されます。 SiC ホイールは、ダイヤモンド超砥粒ホイールと比較して、切れ味を維持するためにはるかに高い頻度でドレッシングを行う必要があります。

ノートン | Saint-Gobain Abrasives には 4 つのグローバル R&D センターがあり、現在および新しい材料の研削が継続的に研究されています。 これらの研究センターおよびノー​​トン プロセス ソリューション プログラム (PSP) へのアクセスにより、お客様に最適な研削ソリューションが提供されます。 PSP プログラムは、ノートンの顧客に技術専門家への内部アクセスと、研削および仕上げの履歴データの収集を提供します。 これは、TiAl などの新興材料を使用して最適な製造と生産性を実現するための重要な利点です。 PSP 評価は、研磨製品の推奨事項を超えて、製造作業全体を評価します。

TiAl は、航空宇宙産業に導入されている材料の変化の 1 つにすぎません。 エンジン効率と推力対重量比を向上させるために、モリブデンやニオブケイ化物などの追加の金属間化合物、金属マトリックス複合材、窒化物、炭化物、酸化物ベースのセラミックマトリックス複合材が開発中です。 TiAl、超硬およびセラミック切削工具の研削におけるパラダイム ダイヤモンド ホイールの成功により、Norton | Saint Gobain Abrasives は、航空宇宙産業の顧客の要求に応じて進化し、これらの新たな材料に対応しています。

この記事は GlobalSpec の Engineering360 に掲載されています。 許可を得て転載しています。

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