Nimonic PE11
Nimonic PE11の概要
Nimonic PE11は、高温域で卓越した強度と耐酸化性を発揮するよう設計された高性能ニッケル基超耐熱合金です。熱疲労とクリープの両方に対する耐性が不可欠な用途向けに開発されており、航空宇宙、発電、原子力などの重要分野で広く使用されています。本合金は、固溶強化機構に加えて高いクロム含有量を備えているため、極端な機械的・熱的応力下でも構造健全性を維持できます。
これらの高応力用途で要求される厳格な寸法公差を満たすため、Nimonic PE11はCNC加工サービスによって加工されることが一般的です。CNC加工により、複雑形状を高精度かつ再現性高く製造でき、過酷環境下での信頼性ある性能を確保します。
Nimonic PE11の化学的・物理的・機械的特性
Nimonic PE11（UNS N07011 / W.Nr. 2.4952）は、高強度の耐熱合金であり、主にタービンブレード、ノズルガイドベーン、その他の航空宇宙および産業用ガスタービン部品に使用されます。
化学成分（代表値）
元素 | 含有量範囲（質量%） | 主な役割 |
|---|---|---|
ニッケル（Ni） | 残部（≥50.0） | 母相；耐食性と熱的安定性を付与 |
クロム（Cr） | 15.0–17.0 | Cr₂O₃酸化皮膜を形成し高温酸化に抵抗 |
コバルト（Co） | 10.0–12.0 | 母相を強化し、熱疲労耐性を向上 |
モリブデン（Mo） | 2.0–3.0 | 耐クリープ性および固溶強化を向上 |
チタン（Ti） | 3.0–4.0 | 析出硬化のためのγ′相形成に寄与 |
アルミニウム（Al） | 2.0–3.0 | Ni₃Al相による析出強化 |
鉄（Fe） | ≤2.0 | 残留元素 |
炭素（C） | ≤0.08 | 炭化物形成によりクリープおよび疲労強度を向上 |
マンガン（Mn） | ≤1.0 | 熱間加工性を向上 |
ケイ素（Si） | ≤0.5 | 耐酸化性を向上 |
ホウ素（B） | ≤0.01 | 粒界強化 |
ジルコニウム（Zr） | ≤0.05 | クリープ破断強度を向上 |
物理的特性
特性 | 代表値 | 試験規格／条件 |
|---|---|---|
密度 | 8.2 g/cm³ | ASTM B311 |
融点範囲 | 1315–1360°C | ASTM E1268 |
熱伝導率 | 13.3 W/m·K（100°C） | ASTM E1225 |
電気抵抗率 | 1.08 µΩ·m（20°C） | ASTM B193 |
熱膨張係数 | 13.5 µm/m·°C（20–1000°C） | ASTM E228 |
比熱容量 | 440 J/kg·K（20°C） | ASTM E1269 |
縦弾性係数 | 200 GPa（20°C） | ASTM E111 |
機械的特性（溶体化処理＋時効処理）
特性 | 代表値 | 試験規格 |
|---|---|---|
引張強さ | 1100–1250 MPa | ASTM E8/E8M |
耐力（0.2%） | 850–1000 MPa | ASTM E8/E8M |
伸び | ≥20% | ASTM E8/E8M |
硬さ | 240–270 HB | ASTM E10 |
クリープ破断強度 | 800°C・1000時間で210 MPa | ASTM E139 |
疲労特性 | 非常に優れる | ASTM E466 |
Nimonic PE11の主な特長
高温強度と耐久性 Nimonic PE11は650–800°Cで引張強さ1100 MPa超を維持し、高荷重環境下でも信頼性の高い運用を可能にします。
耐クリープ性のための析出硬化 γ′相による強化機構が高温クリープおよび疲労に対して優れた耐性を与え、タービンおよびエンジン用途に最適です。
耐酸化性および耐食性 クロムとアルミニウムが安定したCr₂O₃酸化皮膜の形成に寄与し、最大1050°Cの環境でも長期的な耐酸化性を確保します。
良好な溶接性 中程度の鉄含有量によりホットクラックのリスクを抑えた溶接性を実現し、複雑部品の補修・製作に適しています。
寸法安定性 熱膨張係数13.5 µm/m·°Cにより、急速な熱サイクル下でも寸法安定性を維持します。
Nimonic PE11のCNC加工における課題と対策
加工上の課題
急速な工具摩耗
高い硬さと固溶強化元素の組み合わせにより、加工中の超硬工具の摩耗が加速されます。
熱マネジメント
Nimonic PE11は熱伝導率が低いため切削域の温度が上昇しやすく、工具の劣化や寸法不安定のリスクが高まります。
加工硬化
加工硬化により切削中の表面硬度が上昇するため、過度な工具摩耗を防ぐには切削条件の精密な管理が必要です。
最適化された加工戦略
工具選定
項目 | 推奨内容 | 理由 |
|---|---|---|
工具材質 | 超硬（K20–K30）、仕上げではCBNインサート | 高温下での高い耐摩耗性 |
コーティング | AlTiNまたはTiSiNのPVD（3–5 µm） | 工具への摩擦および熱影響を低減 |
形状 | 正のすくい角（6–8°）、シャープな刃先（約0.05 mm） | 切削抵抗と加工硬化を最小化 |
切削条件（ISO 3685準拠）
加工工程 | 切削速度（m/min） | 送り（mm/rev） | 切込み量（mm） | クーラント圧（bar） |
|---|---|---|---|---|
荒加工 | 10–18 | 0.10–0.20 | 2.0–3.0 | 100–120 |
仕上げ加工 | 25–35 | 0.05–0.08 | 0.3–0.8 | 120–150 |
Nimonic PE11加工部品の表面処理
熱間等方圧加圧（HIP）
HIPは疲労性能を20%以上向上させ、タービン部品に必要な均一密度と機械特性を確保します。
熱処理
熱処理では、1050°Cでの溶体化処理の後、800°Cで時効処理を行い、γ′相の生成を最大化して耐クリープ性を高めます。
超耐熱合金溶接
超耐熱合金溶接は、熱影響部においても母材強度の90%以上を保持し、割れのない溶接を実現します。
遮熱コーティング（TBC）
TBCコーティングは母材温度を200°C低減し、タービンブレードおよびノズルの長寿命化に寄与します。
放電加工（EDM）
EDMは、熱変形を伴わずに高精度の冷却孔および内部流路へ微細加工を施すことができます。
深穴加工
深穴加工は、燃焼システムで必要とされる深穴に対し、L/D比>30:1、同心度偏差<0.3 mm/mを達成します。
材料試験および解析
材料試験には、引張、クリープ、疲労試験が含まれ、高性能用途における部品信頼性を保証します。
Nimonic PE11部品の産業用途
航空宇宙エンジン：周期的な熱・機械応力に曝されるコンプレッサーブレード、タービンディスク、ノズルガイドベーン。
発電分野：高効率発電サイクルで使用されるガスタービンブレード、シール、シャフト。
原子炉：熱応力と放射線応力の両方を受ける圧力容器、支持ブラケット、制御棒。
自動車用ターボシステム：高性能エンジン向けのターボチャージャーホイール、排気バルブ、ヒートシールド。
産業用熱処理設備：高温環境で使用される炉治具、シール、温度影響を受けやすい部品。
