■2007.3

財団法人 金属系材料研究開発センター

No.245

TODAY

研究開発のマネージメント
ではなくメンバーに積極的な参加意識が芽生える。研究開発の現場に置き換えると、研究計画の立案に際して自分の考えを聞かれないのでは､研究員は自分の仕事に対して「オーナーシップ意識」をもつことはできない。そこから先進的アイデア

JFEスチール株式会社
専務執行役員 スチール研究所長

影 近も画期的ブレークスルー技術も生まれようがないというわけだ。

博

もう一つは、「チームワークをうまく進めるたオルフェウス室内管弦楽団をご存じの方も多いめにコミュニケーション能力を磨く」ことである。

ことだろう。世界で唯一「指揮者のいないオーケ

オルフェウスでは、メンバー全員が練習中に意見ストラ」として知られ、1972年の創立以来、リハを戦わせるなど､メンバーの音楽上のアイデアやーサルから演奏､レコーディングまでを一貫して技能を十二分に活用するよう努めている。双方向指揮者無しで行ってきた唯一の楽団である。オルの情報伝達､意思疎通がうまくいかないとオルフ

フェウス室内管弦楽団がなぜ有名かというと、そェウス･プロセスが機能しない。個人には自発的のユニークな意思決定ノウハウ「マルチ･リーダに人の話を聞き､自分の意見を人に伝える能力がーシップ･マネジメント」が、社員の才能や意欲求められている。

を最大限に引き出す有力なプロセスとして企業経企業に限らず研究開発は研究者の個人的な能力営者に対し多くの示唆を与えているからである。と意欲に依存するところが多い。如何に一人ひとオルフェウス･プロセスにはいくつかの原則がりの研究者が活性化するか、それを決めるのは組ある。その中で最も特徴的なのは、「リーダーを織マネージメントである。国際的競争激化の中で固定しない」というものである。オルフェウスで企業は変化に迅速に対応する必要がある。研究開はすべてのメンバーは､何らかの形でリーダーの発にも俊敏さが要求される。重要な情報を一部の役割を務めるよう奨励される。リーダーとそれにリーダーが占有する従来の縦型の組織運営ではそ従う人々の間には常に流動性があり固定しない。

れは難しい。むしろ部署間の境界を越えた連携､現在、企業では目標や方針を決定する際、一般社チームワークが必要だ。そしてリーダーからの一員が発言権をもつことは少ない。強力な指揮権を方的な指示のもとで研究を遂行していては真の先行使すると逆に部下のコミット意識が薄れ士気が進技術を生み出すことはできない。研究の効率も低下する。オルフェウスでは「組織の創造的な潜上がらない。技術立国､技術立社を目指すとき、在能力を十分発揮できるのは､メンバーに重大な磨き上げられた専門性と自己責任の精神を具備し意思決定する権限を与えた場合だけ」と考える。

た研究者と、「オルフェウス･プロセス」に示唆さ誰もがリーダーになる可能性があり､またそれをれる正しい意味の組織マネージメントの両方が備経験すると、指揮者（リーダー）の指導力に頼るのわって最高の研究開発が可能となるであろう。

1

JRCM REPORT「高温タービンディスク製造技術開発に関する先導調査」「高温タービンディスク製造技術開発に関する先導調査」調査報告
調査報告
非鉄材料研究部

有我誠芳

開発費を単独で負担するリスクを回避す

戦闘機用エンジンに使用される場合、機るため、Risk and Revenue Share Partner

体の運動性能にかかわる推力重量比に大この報告は（独）新エネルギー・産業技方式を導入し、世界中からパートナーをきく影響する高温タービン材料は重要な

1

はじめに術総合開発機構（NEDO）の委託業務とし募ってエンジン各部の設計・製造・開発国家戦略技術として扱われ、その情報はて実施した「高温タービンディスク製造試験を分担することが多くなっていま国外に公開されにくい状況にあります。

技術開発に関する先導調査」の概要をます。エンジンメーカー自身はマーケティ

2）航空機エンジン用高温耐熱材料

とめたものです。

ング、エンジン全体構想、概念設計、基高圧タービンディスクは直接燃焼ガス

この先導調査は、新規に開発された耐本設計、材料選定を担当し、パートナーに触れないので、ブレードやノズルほど熱合金を航空機エンジン等に使用されるにはモジュールや部品の詳細な設計、製厳しい環境にはありませんが、高温に加高温タービンディスク部材として使用す造、開発試験等を任せるという役割分担

熱されたブレードと直結しているため、るための製造技術開発をプロジェクト化です。主要エンジンメーカーは自社の地耐熱設計が必要です。外周部は高温のブする場合の課題や目標設定、プロセス開位確保のため、技術的にもレベルの高いレードと近いためクリープ強度が要求さ発の実施方法・実施体制・所要資源等基キーテクノロジーであるとともに、アフれるのに対し、内周部は、遠心力による本計画立案のベースとなる諸要素を明確

ターマーケットでの重要な収入源であ

低サイクル疲労（LCF）が問題となります

化することを目的として、エンジンメーる、エンジンの高圧部や高温部を自社の（図−1〜3）。

カー、材料メーカー、航空会社、研究機担当部としています。

関の方々に委員会にご参加・討議いただ

製造上の不具合から生じるディスクのまたエンジンメーカーが、モジュール内部欠陥や、疲労から生じる亀裂が、そや部品の分担を共同開発のパートナーにの後どの程度の速度で拡大するのかを判

また、委員会での討議と並行して、プ任せる場合には、自社自身のスリム化及断するため、部材の亀裂進展特性を把握ロセス開発に関する課題の抽出を行うたび調達システムの合理化のため、サプラする必要があります。

め、（独）物質・材料研究機構（NIMS）
でイチェーンという考え方を導入し、調達タービンディスクは、その破断が航空開発された超高温耐熱材料の鋳造鍛造評

先の材料メーカーや部品メーカーの数を機に壊滅的なダメージを与える恐れがあ価試験を実施しました。

極力減らして安定供給とコストダウンをるため、高い信頼性が要求され、Life図っています。このため材料メーカーはLimited Partsとして指定されています。

新規に参入しにくい構造になっており、航空機エンジンの高圧タービンではブレ日本のエンジンメーカーが共同開発で部ード、ノズル、シュラウドは、メンテナ

きました。

2

調査の概要

1）航空機エンジン産業の動向
今世紀はじめの米国同時多発テロ事件

品の設計・製造をする場合でも、独自にンス時にその状態に応じて修理・交換をやSARSのため、一時落ち込んでいた世材料メーカーを選択することには障害が行えるのに対し、ディスクの場合、航空界の航空旅客数の伸びは今後年率5%前あるのが現状です。

当局に許可されたサイクル数使用された後の成長が期待され、2004年からの20年海外エンジンメーカーと特定の材料メ間に25,000機程度の新規機体需要が見込ーカーが、長年積み上げてきたノウハウしなければなりません。

ものは、その状態如何にかかわらず廃却まれています。近年「運用コストの削減」、を独占しており、材料スペックとして表

3）航空機エンジン用高温耐熱材料の「環境対策」＋「安全性／信頼性」というに出てくるものはごく一部です。このた開発状況

課題を中心に技術開発、エンジン開発がめ材料に関する熱処理、検査技術、その高圧タービン翼材料の高温クリープ強展開され、エンジンの燃費改善が重要視背景にある技術的根拠については見えて度向上は、燃料消費率（SFC）の低減に大されています。

こないことが多エンジンメーカーは開発にかかる膨大なく、特に軍用の図−1 ターボジェットエンジン

JRCM NEWS No.245

図−2 タービン詳細21990年代後半以降、米国
ではNASA、国防省が中心となり、また欧州ではRRが中心となり欧州のエンジンメーカー、大学が参画したエンジン関連技術開発プ
ログラムが展開されています。これらのプログラムの図−3 高圧タービンディスク

内容はまだ明らかになってきく寄与するため、国内外において積極いないものが多いですが、的にタービン翼材料の開発が進められて比較的情報が入手可能ないます。近年では、（独）物質・材料研究機

Ultra-Efficient Engine Tech-構が石川島播磨重工業（株）と共同開発しnology（UEET）について、デたTMS-162合金は耐用温度1100℃に達しィスク材研究開発の一例とます。これは公表されたものとしては世して述べます。

（図−4）界最高の耐用温度です。

UEETは、低NOx燃焼器、4）高圧タービンディスク材料に求めら材料等に関するエンジン関れる特性連技術開発を目的に実施さ高圧タービン翼材料と同様、高圧ターれたプログラムで、1999年ビンディスク材料（以下、ディスク材と10月に始まり、2006年に終略す）に対する高性能化要求も大きく、了する予定となっていま

高圧タービン翼材料において高温でのクす。プログラム予算は年間リープ強度が重視されるのに対し、ディ約57〜83億円、総額約375

スク材では、従来は疲労特性が重視され億円（1ドル=110円換算）で、てきました。しかし、最新のジェットエ

このうちセラミック複合材

ンジンでは高温化が進んでおり、ディスCeramics Matrix Composite,

図−4 タービン翼用材料の耐熱温度の変遷

ク材に対してもクリープ特性等も重視しCMC）、熱遮蔽コーティングた設計がなされています。例えば、ボー（Thermal Barrier Coating,

イング777に使用されているエンジンのTBC）、ディスク材製造技

タービン入り口温度は1600℃を超え、タ術開発を含む「材料・構造分野」の予算とができません。日本メーカーが入手可

ービンディスクの外周部は650℃にも達は年間約17億円です。ディスク材製造

能な材料は素材メーカーが開発した一般するため、外周部ではクリープ強度が要

技術開発はNASA、GE、P&Wの3者でなC&W材（IN718、U720等）や比較的中求されます。また、高周速化や大型化も進められました。そのなかでME3の鍛立的な研究機関にて開発されたPM材進んでおり、回転数は10,500rpmに達す

造技 術 、 熱 処 理 技 術 等 が 開 発 さ れ、（AF115、N18等）に限られており、そのるため、ディスクの内周部に負荷されるME3が実用化レベルに達し、2007年就航

なかでも十分な使用実績があり、製造と応力は離陸時に1000MPaを超えます。こ予定の超大型旅客機エアバス380向けの入手が容易なC&W材が、軍用エンジン

れは、離陸時の応力が従来のNi基超合金

GE/P&W共同開発エンジンGP7200のデを中心とする国産エンジンに適用されての降伏点を大きく超えることを意味し、ィスク材として採用されるに至りまし

（図−5）
います。

内周部は高い引張強さ（降伏応力）と低サた。このように米国においては、ディス国産エンジンのディスク材は1980年代イクル疲労強度が要求されます。さらに、ク材の製造技術開発に関して積極的に政までIN718鍛造材が中心でしたが、1990

最近では設計手法が低サイクル疲労設計府支援がなされ、材料の実用化が達成さ年代に入りLCF特性向上のために微細粒から損傷許容設計に変わりつつあることれています。

化製造工程をとったHS718材、DA718材から、より亀裂伝播特性に優れたディス

6）国内における高圧タービンディスクに移り、現在はC&W材で最も高い強度ク材が求められています。ディスク材料

材料の適用、開発動向レベルであるU720が実機適用段階にきに要求される主要な特性は次の４点にな（1）国産エンジンへのC&W材の適用動ています。

ります。

向と問題点

①引張特性、②クリープ特性、③低サ

図−5 タービンディスク材の600℃での引張強度の変遷

しかしU720のビレットも海外メーカ

すでに述べたように、PM材を中心にーから入手し、最終鍛造工程のみを国内

イクル疲労特性、④亀裂伝播特性合金設計と製造プロセスは海外の主要エ開発しているにすぎず、718系と比べて

5）海外における最近の高圧タービンデンジンメーカーの戦略技術として取り扱製造が難しく、かつ国内需要の少ないィスク材料のプロジェクトわれており、日本メーカーは使用するこU720の溶解技術、ビレッティング技術

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JRCM NEWS No.245

はいまだ国内で確立できていないのが現材であるME3に匹敵する耐用温度を有状です。
国内での溶解、ビレッティング技しています。タービンディスクが、PM材術の確立が今後の課題となっています。の4分の1以下のコストであるC&W材で（2）国産エンジンへのPM材の適用動向製造できる可能性をもったものです。欧と問題点

米エンジンメーカーもこの合金に着目

PM材に関しては、旧通商産業省工業し、NIMSに対しディスク材の共同研究技術院の産業科学技術研究開発制度によ開発の申し入れがきはじめています。本

る「超音速輸送機用推進システムの研究先導調査研究では、この合金を試作評価開発（HYPER）」において、国内素材メーしました。

カーで製造したAF115 PM材を1/3スケ7）ディスク用超耐熱材料に要求される

対しては、Rene88DTやN18等の粉末プールのターボジェットエンジンに搭載

条件ロセス材に頼ることになりますが、異物

図−6 切削加工で生じる加工変質層抑える必要があり、これ以上の高温化にし、地上実証試験に成功した例があり、航空機用エンジンは、その推力の大小混入防止のための高度な品質管理が必要

それに続く「環境適合型次世代超音速推にかかわらず、低燃費（高効率）かつ高信となりエンジンがコスト高となります。

進システムの研究開発（ESPR）」
において頼であることが求められます。近年では、

よって、ディスク材は、現行の粉末プロは、N18 PM材を高圧コアエンジンに搭エンジンのさらなる軽量化、低燃費化をセス材と同等以上の耐熱強度をもち、か載し、15分程度ですがTIT 1650℃の地上図るため、圧縮機出口圧力の上昇とともつコストが鋳造鍛造プロセス材と同等レ実証試験に成功しました。PM材は粉末に、タービン入口温度（TIT）を高温化すベルであることが求められます。

表面の汚染や介在物の混入した場合、低る傾向にあります。その実現のためには、その他の重要特性としては、破壊靭性サイクル疲労が低下する問題があり、信タービン材料のさらなる耐熱性向上が必値や亀裂進展特性等の破壊力学的特性頼性を向上させるために粉末をアルゴン要不可欠となっています。タービン翼材があげられます。チタン製ディスクにつ等の保護雰囲気及び真空下で取り扱うと料としては、Reが3%程度添加された第2いては、すでにFAAの関連法規であるともに、介在物サイズを小さくするため、世代の単結晶翼（SC）が採用されはじめ

Advisory Circular（No.33-141）に基づいた粉末の微粉化が求められるので、特殊なています。今後も第3世代SC材（Re 5〜「損傷許容設計解析」が義務付けられる設備や技術が必要となります。従って、6%添加）の採用等、さらなるTITの高温等、亀裂進展特性を考慮した設計がなさPM材に対する国内ニーズがほとんどな化が図られる方向にあります。これらのれており、2010年ごろにはその適用対象

く、また欧米エンジンメーカーが欲するタービン翼の採用に伴い、タービンディがニッケル合金製のディスクにも拡大さような材料がない状況では、国内メーカスク材の使用温度も年々上昇する傾向にれる予定です。

ーが設備や技術を維持することは難しあります。

低サイクル疲労特性や引張強度につい

く、現在、国内でPM材を生産できるメ

特にリム部における温度条件が厳しても、これらの特性の向上はディスクのーカーはありません。また、N18 PM材

く、材料のクリープ特性が設計における軽量化に直接効果を与えるため、これまに関しても、国内生産ができないことかキー特性となっています。高温ディスクで同様に重要視されます。さらには、鍛らコストが高く、安定供給の点も懸念が用合金Udimet720の場合、600℃程度に造プロセスや熱処理による材料特性のコ残ります。
（3）高圧タービンディスク材料の日本における開発動向
日本におけるディスク材の開発は、旧通商産業省工業技術院の次世代産業基盤技術研究開発制度による「高性能結晶制御合金の研究開発」において、金属材料研究所（現NIMS）でRene'95をモデルにγ'相体積率を変化させ改良した例が1980年代にありますが、それ以降目立った成果はありませんでした。
しかし最近、NIMSにおいて、Ni基超合金を同じくγ相/γ'相を有するCo-Co 3Ti合金と組み合わせることにより、高強度でかつ鍛造性もよいNi-Co基合金が開発されました。この合金はC&W材で最も耐用温度の高いレベルであるU720LIに比べ約50℃耐用温度が高く、最新のPMJRCM NEWS No.245

図−7 鋳鍛造法（C＆W）と粉末冶金（PM法）の製造工程

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ントロールが容易であること、各材料特ク／データ・ベース、設計基準とともにを設計・製造していますが、これらは欧性が高い次元でバランスがとれているこ製造国政府の認可を受け、Life Limited

米のエンジンメーカーの設計基準、材料と等が望まれます。

Partsとしてその寿命はエンジン・マニスペック／データ・ベースに従って設ュアルに定められています。

計・製造しており、日本独自の設計基準、機械的特性、非破壊検査、冶金特性の他に設計時に考慮される熱膨張、比重等

エアラインは、当該国政府の認可のも材料スペック／データ・ベースをもっての物理的特性があります。新材料に対しとで、運航データからLife Limited Partsいません。このため日本独自でエンジて、機械的特性についてはより優れた特の使用サイクルを記録管理し、寿命に到ン／Life Limited Partsを設計・製造する性が要求され、物理的特性（熱膨張、比重達した時点でエンジンを取卸し、当該部場合、導入当初から欧米のエンジンの使等）が従来材と大きく異なると新たに熱品を廃棄しなければなりません。しかし用寿命レベルの認可を得ることはできま応力や他部品との接合等の問題が生じるながら、設計寿命以内でも予期しない不せん。

ため、物理的特性については同等の特性具合、製造欠陥、整備作業の不備等に起寿命延長方式の場合、寿命延長の承認が要求されます。機械加工後に発生する因したUncontained Failureが発生した場

がおりるまでエアラインは寿命到達によ

歪を可能な限りゼロに近く、また切削に合、製造国政府は耐空性改善命令を発行

りエンジンを取卸していく必要があり、ついても耐熱合金は難切削材であるが、し、航空機の運航安全性を維持管理してエンジン生産のために部品購入をせざる可能な限り切削性が良好な材料であるこいます。これらの安全性阻害要因はそのを得ないことになります。これは生産上とが要求されます。例えばタービンディ

つど分析され、設計基準や製造品質の管のインパクトだけでなく整備コストにもスクとタービンブレードとの勘合部セレ理に反映されています。

影響を与えることになります。将来国産ーション形状を切削する工具の寿命は部

日本においてはこれらの実績がないた

エンジンを開発し、欧米のエンジンメー品製造コストの重要なファクターとなりめ、十分な設計基準、製造品質の管理基カーと競合していくためには、早くからます。このセレーション部ではタービン準ができているとは言えず、事前に過去これらの寿命の算定方法、設計基準を独ブレードの遠心力による応力が発生し、の不具合内容を十分に分析し、これらの自で開発し、FAA等から承認を得られタービンディスクのボア穴部にもディス基準に反映できる体制を確立する必要がる体制をつくる必要があります。このた

クの遠心力により大きな力がかかります。

あります。

めには、日本の国内でLife Limited Parts

そのため加工面についても厳しく管理さ（2）使用サイクル寿命初期設定に対するの材料スペック／データ・ベースから設れており、機械加工によって形成される要求計までを自ら手がけてエンジンの使用実偏向したミクロ組織が厳しく管理されま

最近の欧米のエンジンではCold Sec-績を蓄積する必要があります。

す。図−6に示したような変質層が発生

tion 20,000 Cycle、Hot Section 15,000

しにくい材料が望まれます。

Cycleが標準的な設計寿命で、Regional

8）ユーザーとしての要求

Jet等は年間の使用サイクルが多いため、エンジンの最も重要な部品であるディ（1）安全性／信頼性に関する要求30,000Cycle以上に延長されています。現

スク材をC&W材、PM材ともに海外メー

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おわりに航空エンジンのディスクや、シャフト在ではほとんどのLife Limited Partsはエカーに依存しなければならないことは安等は、それらが万一飛散した場合Engineンジン導入当初からこれらの寿命を満足全保障上も大きな懸念であり、早急な対Uncontained Failureとなるため安全性をしています。 しかし、Life Limited Parts

応が必要と考えられます。この点に関し阻害する重要部品として定義されていまの寿命は設計だけでなく使用実績によって、国内にはディスク材の品質に適合するす。これらの部品は繰り返し応力によって認可される方法がとられており、欧米

真空誘導溶解（VIM）−エレクトロスラグて疲労が発生するため、安全率を設けてのエンジンメーカーも長い年月をかけて再溶解（ESR）−真空アーク再溶解（VAR）

寿命を設定し、その使用サイクルに到達実績を積み、データ・ベースの蓄積をふまの3重溶解インゴット製造の設備を有し、した場合、廃棄することが義務付けられえて寿命を延長し、現在のように導入当技術レベルも高いメーカーがあるので、ています。

初から設計寿命の認可（Certified Life）を戦略的に市場調査や技術開発を計画的に寿命は各エンジンメーカーによって算得られるようになりました。日本のエン進めることで、海外素材メーカーに対し定手法が確立されており、材料スペッジンメーカーも一部のLife Limited Partsて十分競争力のあるC&W材の製造が可能であると考えられます。
なお、今回は詳細を記載いたしませんでしたが、新規開発合金のトン級での3重溶解インゴットの鋳造鍛造評価の結果は良好であり、組織の均質化及び安定製造のために製造工程全体のさらなる検討が必要ですが、製造可能であるという見通しを得ることができました

図−8 ディスク鍛造後の外観

図−9 機械加工後の外観

5（図−7、8、9）。

JRCM NEWS No.245

ANNOUNCEMENT

理事長が交代当センターでは、1月23日に開催された理事会において、理事長に永広和夫
新日本製鐵（株）代表取締役副社長が就任いたしました。
●お知らせ
日本金属学会セミナー

水素貯蔵の材料科学−基礎・応用技術での研究展開−
主催：（社）日本金属学会
日時： 3月30日（金）
場所：千葉工業大学 津田沼キャンパス
6号館1階615講義室
津田沼市津田沼2−17−1
問い合わせ先：（社）日本金属学会セミナー参加係
TEL：022−223−3685
FAX：022−223−6312
E-mail：apply@jim.or.jp
http://www.sendai.kopas.co.jp/METAL/EVENTS/seminar/index.html
参加事前予約： 3月8日
（木）必着（社）日本鉄鋼協会第153回春季講演大会
主催：（社）日本鉄鋼協会
日時： 3月27日
（火）
〜29日
（木）
場所：千葉工業大学 芝園キャンパス
内容：一般講演409件（国際セッション10件を含む）、討論会は7テーマ・50件、学生ポスターセッション・50件。
「鉄鋼研究をキーテクノロジーとしたイノベーション−他分野との融合による新しい価値の創造を図る」講師吉川弘之氏、材料戦略委員会シンポジウム「希少資源・元素戦略研究の緊要性と可能性」（会場：千葉工業大学・津田沼キャンパス）等のシンポジウムの開催が予定されています。
特別講演会「鉄鋼新時代〜持続的な成長に向けて〜」馬田 一氏（（社）日本鉄鋼連盟会長、JFEス（株）代表取締役社長）
チール

The Japan Research and Development Center for Metals

JRCM NEWS／第245号

発 行 2007年 3 月 1 日
発行人 小紫正樹
発行所 財団法人 金属系材料研究開発センター〒105-0003 東京都港区西新橋一丁目5番11号 第11東洋海事ビル6階

内容に関するご意見、ご質問は JRCM 総務企画部までお寄せください。
本誌は地球環境保全を考慮し再生紙を使用しています。
本書の内容を無断で複写・複製・転載することを禁じます。

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T E L （03）3592-1282（代）／F A X（03）3592-1285
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