Inconel 939
Inconel 939の概要
Inconel 939は、極限の高温用途向けに開発された高強度の析出硬化型ニッケル-クロム系超合金です。高いγ′体積分率（約45～50%）、優れたクリープ破断抵抗、そして1000°Cまでの卓越した耐酸化性を備え、主に航空宇宙および発電システムにおけるタービン部品や高荷重の構造部品に使用されます。
本合金は、インベストメント鋳造およびその後の精密CNC加工に適するよう設計されています。チタン、アルミニウム、タンタルの添加により強化され、炭素およびホウ素含有量を管理して安定化することで、熱サイクルと機械的応力への長期曝露下でも寸法健全性を維持します。ガスタービンのブレード、ベーン、燃焼器ハードウェア、ホットセクションの航空宇宙部品に広く採用されています。
Inconel 939の化学的・物理的・機械的特性
Inconel 939（UNS N09939 / AMS 5400 / ASTM A297 Grade HFS）は、鋳造、溶体化処理、時効硬化状態で供給され、高温での長期使用に最適化されています。
化学成分（代表値）
元素 | 含有範囲（wt.%） | 主な役割 |
|---|---|---|
ニッケル（Ni） | 残部（約50–55%） | 母相マトリクス。高温強度を付与 |
クロム（Cr） | 22.0–24.0 | 耐酸化性とスケール形成 |
コバルト（Co） | 17.0–19.0 | 熱疲労特性と応力緩和を改善 |
モリブデン（Mo） | 1.2–1.8 | 固溶強化 |
アルミニウム（Al） | 1.2–1.6 | 時効硬化のためのγ′相形成 |
チタン（Ti） | 3.0–3.6 | γ′析出物を強化 |
タンタル（Ta） | 1.3–1.8 | クリープおよび破断抵抗を向上 |
炭素（C） | 0.13–0.17 | 粒界強度のため炭化物形成を促進 |
ホウ素（B） | 0.01–0.015 | 延性を向上し、熱割れを抑制 |
ジルコニウム（Zr） | ≤0.10 | 粒界の安定化 |
ケイ素（Si） | ≤0.5 | 耐酸化性を補助 |
マンガン（Mn） | ≤0.5 | 鋳造特性を改善 |
物理的特性
特性 | 代表値 | 試験規格/条件 |
|---|---|---|
密度 | 8.27 g/cm³ | ASTM B311 |
融点範囲 | 1300–1365°C | ASTM E1268 |
熱伝導率 | 10.0 W/m·K（100°C） | ASTM E1225 |
電気抵抗率 | 1.38 µΩ·m（20°C） | ASTM B193 |
熱膨張 | 13.7 µm/m·°C（20–1000°C） | ASTM E228 |
比熱容量 | 440 J/kg·K（20°C） | ASTM E1269 |
弾性率 | 190 GPa（20°C） | ASTM E111 |
機械的特性（鋳造＋時効状態）
特性 | 代表値 | 試験規格 |
|---|---|---|
引張強さ | 1000–1180 MPa | ASTM E8/E8M |
耐力（0.2%） | 700–850 MPa | ASTM E8/E8M |
伸び | ≥5–8%（標点距離25mm） | ASTM E8/E8M |
硬さ | 330–390 HB | ASTM E10 |
クリープ破断強度 | ≥140 MPa（870°C、1000h） | ASTM E139 |
Inconel 939の主要特性
高いクリープ・熱疲労耐性：タービンおよび排気用途で、800°C超の高荷重条件下でも優れた機械的性能を発揮。
優れた耐酸化性：クロムおよびアルミニウム含有により、1000°Cまで安定した酸化スケール形成をサポート。
鋳造性と寸法安定性：微細組織を持つインベストメント鋳造向けに最適化され、結晶粒粗大化に対する耐性を確保。
CNC加工性：鋳造後のCNC加工により、厳しい公差管理（±0.01 mm）と高い表面品位（Ra ≤ 1.2 µm）を実現。
Inconel 939のCNC加工における課題と対策
加工上の課題
高硬度とγ′相含有
時効処理後のInconel 939は390 HBに達することがあり、振動や工具たわみを避けるために高度な工具と高剛性の段取りが必要です。
研磨性の炭化物および金属間化合物
炭化物とγ′析出物が摩耗を増大させ、連続切削中に工具劣化が急速に進行します。
発熱
熱伝導率が低いため、特にドライ加工またはクーラントが不足する条件では局所的な熱蓄積が生じます。
最適化された加工戦略
工具選定
項目 | 推奨 | 根拠 |
|---|---|---|
工具材質 | セラミック（SiAlON）、PVDコーティング付き超硬、またはCBN | 熱負荷下でも工具健全性を維持 |
コーティング | AlTiNまたはAlCrN（3–6 µm） | 熱摩耗と摩擦を低減 |
形状 | 10°–12°のすくい角、ホーニングされた切れ刃 | 切りくず制御と工具寿命を向上 |
切削条件（ISO 3685）
加工 | 速度（m/min） | 送り（mm/rev） | 切込み（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 | 0.5–0.8 | 100–150 |
Inconel 939切削部品の表面処理
熱間等方圧加圧（HIP）
HIPは、CNC仕上げ前にポロシティを除去して鋳造品を緻密化し、疲労およびクリープ性能を改善します。
熱処理
熱処理は、溶体化処理（約1160°C）の後、時効（約845°C）を行い、γ′相を析出させて高温強度を向上させます。
超合金溶接
超合金溶接は、高γ′合金での熱割れを防ぐため、適合する溶加材を用いた低入熱のTIG/EB溶接が必要です。
遮熱コーティング（TBC）
TBCコーティングは、表面温度低減のため125～250 µmのYSZセラミックスを適用し、燃焼器およびタービン部品の寿命を延長します。
放電加工（EDM）
EDMは、残留応力を導入せずに、熱処理済みInconel 939の高精度スロット加工およびプロファイル加工を可能にします。
深穴加工（ディープホールドリリング）
深穴加工は、冷却性能を最適化するため、タービンブレードおよびベーンにおけるL/D > 40:1の内部流路をサポートします。
材料試験・分析
材料試験には、クリープ破断試験（ASTM E139）、金属組織（ASTM E3）、およびAMS 5400に基づく機械特性の検証が含まれます。
Inconel 939コンポーネントの産業用途
航空宇宙タービン
ノズルガイドベーン、タービンブレード、燃焼器ライナー。
極端な温度勾配下でもクリープおよび酸化に耐えます。
発電
陸上ガスタービンのホットセクション部品。
≥900°Cで高強度と耐酸化性を維持します。
防衛システム
ジェット推進用のアフターバーナーおよび排気コンポーネント。
熱衝撃および急速サイクル下でも構造健全性を確保します。
産業用ガスタービン
トランジションダクト、ブレードリング、フレームチューブ。
ベースロードまたはピーキング運転向けに設計されています。
