Inconel 738
インコネル 738 の概要
インコネル 738 は、高温（最大 980°C / 1796°F）において優れたクリープ耐性、耐酸化性、耐熱疲労特性を必要とする用途向けに開発された高強度の鋳造ニッケル基超合金です。極端な熱・機械応力下で作動するタービン部品向けに設計されており、航空宇宙、発電、高効率ガスタービンシステムで広く使用されています。
主にニッケル（約62%）をベースとし、クロム（16%）、タングステン（2.6–3.3%）、モリブデン（1.5–2.1%）、コバルト（8.0–9.0%）、チタン（3.3–3.7%）、アルミニウム（3.2–3.7%）によって強化されます。本合金は安定したガンマプライム（γ′）相を形成し、高温での長時間曝露下でも強度を維持します。インコネル 738 は優れた鋳造性と寸法安定性を備え、ニアネットシェイプの精密鋳造（ロストワックス）後にCNC加工を行う用途に最適です。
インコネル 738 の化学的・物理的・機械的特性
インコネル 738（UNS R30738 / AMS 5389）は、通常、鋳造および析出硬化（時効）処理状態で、タービンエンジンおよび産業用ホットセクション部品向けに供給されます。
化学成分（鋳造材の代表分析値）
元素 | 組成範囲（wt.%） | 主な役割 |
|---|---|---|
ニッケル（Ni） | ~61.0 | 高温強度のための母相マトリクス |
クロム（Cr） | 16.0 | 耐酸化性を付与 |
コバルト（Co） | 8.5 | 高温強度と疲労寿命を向上 |
タングステン（W） | 2.6–3.3 | 固溶強化 |
モリブデン（Mo） | 1.5–2.1 | クリープ耐性を改善 |
チタン（Ti） | 3.3–3.7 | γ′相の形成と強化 |
アルミニウム（Al） | 3.2–3.7 | γ′析出に寄与 |
タンタル（Ta） | ≤0.05 | 粒界を強化（任意） |
炭素（C） | 0.11–0.17 | 炭化物形成による粒界安定化 |
ホウ素（B） | 0.005–0.01 | 延性と高温強度を向上 |
ジルコニウム（Zr） | ≤0.05 | 粒界の結合力（コヒージョン） |
ケイ素（Si） | ≤0.5 | 酸化スケールの密着性を改善 |
マンガン（Mn） | ≤0.5 | 鋳造性を促進 |
物理特性
特性 | 代表値（典型） | 試験規格／条件 |
|---|---|---|
密度 | 8.15 g/cm³ | ASTM B311 |
融解温度範囲 | 1260–1330°C | ASTM E1268 |
熱伝導率 | 11.2 W/m·K（100°C） | ASTM E1225 |
電気抵抗率 | 1.28 µΩ·m（20°C） | ASTM B193 |
熱膨張係数 | 13.2 µm/m·°C（20–1000°C） | ASTM E228 |
比熱容量 | 450 J/kg·K（20°C） | ASTM E1269 |
ヤング率（弾性率） | 190 GPa（20°C） | ASTM E111 |
機械的特性（鋳造＋時効処理状態）
特性 | 代表値（典型） | 試験規格 |
|---|---|---|
引張強さ | 980–1120 MPa | ASTM E8/E8M |
耐力（0.2%） | 700–820 MPa | ASTM E8/E8M |
伸び | ≥4–8%（標点距離 25mm） | ASTM E8/E8M |
硬さ | 330–400 HB | ASTM E10 |
クリープ破断強度 | ≥140 MPa @ 870°C、1000h | ASTM E139 |
インコネル 738 の主な特長
ガンマプライム強化：高いγ′相含有量（約60%）により、最大 980°C まで優れたクリープ耐性と耐疲労性を発揮します。
優れた耐酸化性：安定した Al₂O₃ および Cr₂O₃ の酸化皮膜を形成し、タービン排気および高温ガス環境で長期的に表面を保護します。
高い構造安定性：熱サイクル負荷および長時間曝露下でも、寸法精度と機械的強度を維持します。
鋳造性とCNC適合性：鋳造時の優れた流動・給湯（フィーディング）特性により複雑形状が可能で、その後CNC加工により厳しい公差（±0.02 mm）に対応します。
インコネル 738 のCNC加工における課題と解決策
加工上の課題
高硬度と脆性
時効処理済み鋳物は最大 400 HB の硬さを示し、仕上げ加工時に逃げ面摩耗が加速し、工具寿命を制限します。
熱の蓄積
放熱性が低い（低い熱伝導率）ため、十分なクーラント戦略がない場合、熱損傷やクレータ摩耗が急速に進行します。
工具のノッチ摩耗と欠け
研磨性の高い金属間化合物相および硬質炭化物により刃先のノッチ摩耗が生じやすく、強化された切れ刃形状が必要です。
最適化された加工戦略
工具選定
項目 | 推奨 | 理由 |
|---|---|---|
工具材質 | SiAlONセラミック、または仕上げにはCBN併用の超硬 | 高い高温硬さと耐摩耗性 |
コーティング | TiAlN、AlCrN（PVD、3–6 µm） | 熱拡散とかじり（凝着）を抑制 |
形状 | 正すくい（10–12°）、強化刃先処理 | 工具たわみと欠けを低減 |
切削条件（ISO 3685）
加工 | 速度（m/min） | 送り（mm/rev） | 切込み（DOC）（mm） | クーラント圧（bar） |
|---|---|---|---|---|
荒加工 | 15–25 | 0.20–0.30 | 2.0–3.0 | 80–100 |
仕上げ加工 | 30–45 | 0.05–0.10 | 0.3–0.8 | 100–150 |
加工済みインコネル 738 部品の表面処理
熱間等方圧加圧（HIP）
HIPは鋳造組織を緻密化し、収縮ポロシティを除去して、繰返し荷重下での疲労耐性と寸法安定性を向上させます。
熱処理
熱処理は、通常 1120–1170°Cでの溶体化処理と 845°Cでの時効処理を含み、最適な高温強度を得るためにγ′相を十分に発達させます。
超合金溶接
超合金溶接は、TIGやEB溶接などの先進手法と予熱管理を用い、γ′強化合金における高温割れリスクを低減します。
遮熱コーティング（TBC）
TBCコーティングは、イットリア安定化ジルコニア（YSZ）を125–250 µm付与し、タービン翼や排気部品の表面温度を150–200°C低減します。
放電加工（EDM）
EDMにより、冷却流路、ブレードルート形状、微細スロットなどを±0.01 mmの精度で形成できます。
深穴加工（Deep Hole Drilling）
深穴加工は、タービンブレードおよびベーン鋳物における効率的な冷却流路のために、L/D ≥ 40:1 を実現します。
材料試験・分析
材料試験には、ASTM E112、E139、および AMS 5389 に基づく非破壊・破壊試験が含まれ、機械特性、微細組織、寸法適合性を認証します。
インコネル 738 部品の産業用途
航空宇宙タービン
タービンブレード、ベーン、燃焼器セグメント、シュラウド。
950°Cを超える温度域で、繰返し荷重と酸化環境下でも運用可能です。
発電分野
産業用ガスタービンのホットセクション部品、ステータリング、シール。
高圧燃焼環境下で、耐酸化性と耐疲労強度を両立します。
防衛・推進
ジェットエンジンノズル、排気ディフューザ、熱シールド。
飛行および打上げシーケンス中の極端な熱衝撃と振動負荷に耐えます。
エネルギー分野
コンバインドサイクル発電所における高効率タービン部品。
過酷な熱交換システムにおいて、機械的安定性と耐食性を維持します。
