セラミックマトリックス複合材料が LEAP ジェット エンジンで飛行

2017 年 1 月 4 日

ドーン・レヴィ著、オークリッジ国立研究所

セラミックマトリックス複合材 (CMC) 材料は、セラミックマトリックスで囲まれたコーティングされたセラミックファイバーで作られています。 丈夫で軽量で、金属合金が耐えられる温度よりも 300 ～ 400 度 F 高い温度にも耐えることができます。 特定の部品が金属合金の代わりに CMC で作られれば、航空機や発電所のタービン エンジンは高温でより効率的に動作し、燃料をより完全に燃焼させ、汚染物質の排出を減らすことができます。

四半世紀前、米国エネルギー省は、DOE のオークリッジ国立研究所が主導する、米国の CMC 材料開発を支援するプログラムを開始しました。 2016 年、新しい航空機エンジンである LEAP が、初めて広く導入された CMC 含有製品となりました。 サフランと GE の折半出資の合弁会社である CFM International が LEAP を製造しています。

エンジンには 1 つの CMC コンポーネントがあり、タービンシュラウドが最も高温のゾーンを裏打ちしているため、最大 2400 °F で動作できます。CMC はニッケルベースの超合金より必要な冷却空気が少なく、15 の発電に貢献する一連の技術の一部です。 LEAP では、前世代の CFM 56 エンジンに比べて燃料を % 節約できます。

燃料コストの削減に熱心な航空会社への予約販売は驚異的で、11,000 基を超えるエンジンの定価で 1,400 億ドルに達します。 8月には、最初のLEAPエンジンがエアバスA320neoで商業飛行を開始した。 他の LEAP エンジンは、2017 年にボーイング 737 MAX で飛行する予定です。

「DOEプログラムで開発された材料は、現在航空機エンジンに使用されている材料の基礎となった」とGEグローバル・リサーチのCMC開発を25年間指揮したクリシャン・ルスラ氏は語った。

GE の CMC は、窒化ホウ素を含む独自の材料でコーティングされた炭化ケイ素 (SiC) セラミック ファイバー (ケイ素と炭素を同量含む) でできています。 コーティングされたファイバーは、10 ～ 15 パーセントのシリコンを含む SiC に埋め込まれる「プリフォーム」に成形されます。

ORNL の Rick Lowden は、1980 年代に DOE プログラムへの道を開く基礎的な作業を行いました。 重要なのはセラミックファイバーのコーティングでした。

「セラミックマトリックス複合材は、マトリックスがセラ​​ミックで繊維がセラミックであるため、他のほとんどすべての複合材とは異なります」とローデン氏は述べています。 通常、2つの脆性材料を組み合わせると脆性材料が生成されると同氏は述べた。 しかし、繊維と母材の間の結合を変えることで、材料がより木片のように機能することが可能になります。 亀裂は周囲のマトリックスから繊維に伝播しません。 繊維は材料をまとめて保持し、マトリックスからゆっくりと引っ張りながら荷重に耐え、靭性を高めます。

DOE の連続繊維セラミック複合材 (CFCC) プログラムは 1992 年から 2002 年まで実施され、AlliedSignal、Alzeta、Amercom、Babcock and Wilcox、Dow Chemical、Dow Corning、DuPont-Lanxide Composites、GE、Textron による CMC の産業開発を支援しました。 その予算は年間平均 1,000 万ドルで、コストは業界共通でした。

CFCCは複合材料を製造する企業に資金を提供し、材料の特性を評価するために国立研究所や大学に資金を提供した。 取り組みは ORNL を通じて調整され、資金提供されました。 ローデン氏はDOEのスコット・リッチランド氏、ORNLのマイク・カーニッツ氏とともにプログラム計画を書き、ORNLのカレン・モア氏、ピート・トルトレッリ氏、エドガー・ララ＝クルツィオ氏、アルゴンヌ国立研究所のビル・エリンソン氏らと企業への支援を共同主導した。 米国アドバンスト セラミックス協会は業界を代表して CMC の利点を議会に知らせました。

「私たちはさまざまな繊維、さまざまな界面コーティング、さまざまなマトリックスを検討していました」とモア氏はORNLの役割について語った。 「私たちは、劣化メカニズムの理解と、より有望な複合材料の厳選、およびそれらを製造するための費用対効果の高い技術に取り組みました。」

ローデン氏はさらに、「私たちはセラミック基複合材料を高圧熱交換器、陸上タービン、浸炭炉、輻射バーナーなどの産業用途に導入するという共通の目標に向かって取り組んできました。」と付け加えた。

GE の CFCC プロジェクトは、電力を生成する産業用ガス タービン エンジン用の CMC を開発することでした。 (GE は電力タービンと推進タービンの両方を製造しています。) 後続の DOE プログラムは 2005 年まで実施され、最も有望な CFCC 企業に資金を提供して材料とコンポーネントをさらに開発し、可能であればそれらを用途でテストすることができました。 総資金調達額は約 1,500 万ドルで、業界の費用負担は 50% に近づきました。 GEは、このプログラムに基づいて170メガワットの産業用ガスタービンのCMCシュラウドをフィールドテストしました。 結局、GEはその後、この技術を商業化するために15億ドルを投資した。

「ハイリスク、ハイペイオフの技術にとってシードマネーは極めて重要だ」とルスラ氏は語った。 「材料開発は長期的な活動であり、オークリッジは基礎研究を多大に支援しました。」

成功の証拠として、ルスラ氏は今日の新しいCMC工場と雇用を指摘した。 2002 年、GE はデラウェア州ニューアークにある CMC 施設を買収し、施設は大幅に成長しました。 シュラウド部品を製造するための新しい GE 施設が 2014 年にノースカロライナ州アッシュビルに開設されました。 さらに、GEはアラバマ州ハンツビルに隣接する2つの工場を建設中です。1つ目は繊維の生産を強化し、2つ目は繊維をコーティングして部品に加工するためのテープを製造します。 本格的に稼働すると、アッシュビルとハンツビルの拠点では640人のハイテク関連の雇用がもたらされると見込まれている。

GEは2019年に、2つの燃焼器ライナー、2つのノズル、1つのシュラウドという5つのCMC部品を備えたエンジンGE9Xを生産する予定です。 予約販売額は、700 基のエンジンの定価で約 290 億ドルです。

セラミック繊維がセラミック複合材を強化するずっと前に、ORNL の研究者は核燃料を炭素と SiC でコーティングして、放射性物質を三重構造等方性 (TRISO) 燃料粒子内に閉じ込めていました。 70 年代の実験中に、ORNL のジャック ラッキーは、プロセスを変更してセラミック複合材料をより迅速に製造できることに気づきました。 DOE の化石エネルギー材料プログラムの支援を受けて、彼のグループはまさにそれを行うためのプロセスを開拓しました。

「繊維状のプリフォームを取り出し、炉に入れ、繊維の上や周囲に固体を蒸着させます」とラッキー社の技術者であるローデン氏は説明した。 オブジェクト全体を均一にコーティングするには、蒸着プロセスを非常に遅くする必要があり、0.5 インチの部品の処理には 6 か月かかる場合があります。

しかし、ORNL チームは、コールド プレート上に繊維マットを置き、上部を加熱し、マット内にガスを強制的に通すと、プロセスが数か月から数時間に短縮されることを発見しました。 「そこで私たちはセラミックマトリックス複合材料に取り組みました」とローデン氏は語った。 ORNL は、さまざまな用途向けに CMC を評価する研究者に長年にわたって CMC を供給していました。

現在、GE は溶融浸透プロセスを使用して CMC を量産しています。 生産能力は、2020 年までに年間 36,000 個の完璧な品質のシュラウド セグメントを製造できるように拡張されています (各 LEAP エンジンには 18 個のシュラウド セグメントが必要です)。

CFCC 時代におけるこのプログラムの最大の成功は、1999 年にマサチューセッツ州のモールデン ミルズ工場で産業用ガス タービンが稼働したことです。タービンには CMC 燃焼器ライナーが搭載されていました。これは、ユナイテッド テクノロジーズのアルゴンヌにある ORNL の研究者の意見をもとにソーラー タービンズによって開発されました。 、BF Goodrich および DuPont-Lanxide 複合材料 - タービンの効率向上に貢献しました。 当時、ビル・リチャードソン・エネルギー長官は、モールデン・ミルズ工場は「米国の工業化された熱電複合施設の中で最も排出量が少ない」と述べた。

CFCC 以来、GE は産業用ガスタービンでの 40,000 時間を含む 200 万時間以上にわたって CMC をテストしてきました。 GEのCMCプログラムのJim Vartuli氏は、最初の実証機を取得するための大型産業用ガスタービンに対するDOEの支援により、GEはセラミックがタービン内の高温や応力に長期間耐えられるという自信を与えられたと述べた。

「GEは大型産業用ガスタービンと航空機エンジンの両方の事業を手掛ける世界で唯一の企業であり、これにより先端技術の共同開発の多くの機会が可能になります。これは技術と知識の移転である「GEストア」の一例ですGEの事業間で」とヴァルトゥリ氏は説明した。 「タービン試験の成功により、当社の航空業界はCMCが航空機エンジンでも成功するだろうと確信しました。」

CFCC企業は、非破壊評価のためにアルゴンヌにあるDOE国立研究所に、微細構造特性評価と応力および酸化試験のためにオークリッジにあるDOE国立研究所に、製造した材料を持ち込みました。 「この提携は国立研究所の価値を浮き彫りにする」とモア氏は語った。 「私たちは、材料の挙動を理解するための基礎的かつ広範な研究を行っています。コミュニティがどこへ行くか、どのように進めるかについての決定を下すのに役立つように、必要な情報を提供します。」 材料がどのように劣化するかに関する新しい知識は、業界が改善を加速し、製造プロセスを最適化するのに役立ちました。

ORNL での研究は、下にある材料の寿命を 5 倍に延ばすことができる環境バリアコーティングのアレン・ヘインズによる開発から、ラルフ・ディンウィディによるサーマルカメラを使用した材料の非破壊イメージングまで多岐にわたりました。 アルゴンヌ国立研究所では、ビル・エリンソン氏が広範な非破壊検査法の開発を主導し、使用間隔後の材料劣化を監視することでコンポーネントの安全な継続使用を確保しました。 コンポーネントに損傷を与えることなく、時間の経過とともに材料が環境中でどのように反応するかを検査により明らかにしました。 アルゴンヌの科学者は、ORNL の研究者と協力して、コンポーネントの性能を判断するのに役立ついくつかの非破壊検査技術を開発しました。

ORNL の Pete Tortorelli 氏と HT Lin 氏は、環境曝露チャンバー内の材料を強調して、その障害点を学びました。 研究室の同僚であるジム・カイザー氏とアーヴ・フェデラー氏は、タービン内の状態をシミュレートした「カイザーリグ」でサンプルを腐食性ガス、最大2550°Fの温度、最大500psiの圧力にさらした。 これらは、燃焼環境で必要な保護コーティングをスクリーニングするために、More、Totorelli、Keizer によっても使用されました。

一方、応力材料の構造はさらに特徴付けられます。 「カレン・モアが顕微鏡技師として登場し、それが私たちの世界を変えました」とローデン氏は振り返る。 「透過型電子顕微鏡で何が起こっているのかを確認でき、そのレベルで何が起こっているのかを理解できたのは信じられないほどでした。」 GE は大規模なインフラストラクチャを備えていたため、一部の技術を社内で利用できました。 「しかし、ファイバーコーティングに関してはカレンから貴重な助けを得ました」とルースラ氏は語った。 「これにより、ファイバーコーティングをより迅速に開発することができました。」

ORNL の初期の発見は、業界が繊維コーティングとしてのカーボンを放棄することを奨励しました。 炭素が酸化して一酸化炭素や二酸化炭素になり、揮発して塗膜が薄くなります。 ORNL のエンジニアは、代わりに耐酸化性の窒化ホウ素を推奨しました。

さらに、Edgar Lara-Curzio は、ORNL の高温材料研究所で、さまざまな荷重条件下での CMC 材料の機械的性能と、疲労、クリープ、破断に対する耐性をモデル化し、テストしました。 彼は、Matt Ferber および Chun-Hway Hsueh と協力して、繊維とマトリックスの界面のマイクロメカニクスを特徴付ける実験および分析手法を実装しました。 「これらの測定は、繊維とマトリックスの間の化学結合、繊維が受ける残留応力、繊維が滑る際の繊維とマトリックス間の摩擦を定量化するために不可欠でした」とララ・クルツィオ氏は述べ、CMCが丈夫なのは主に界面コーティングが繊維を滑らせ、ブリッジマトリックスの亀裂。 彼と Hsueh は、単一の繊維がセラミック マトリックス内でどのようにスライドするかについて重要な情報を提供しました。 次に、Lara-Curzio、Ferber、Lowden は、繊維コーティングの厚さが滑りに及ぼす影響を定量化し、機械的特性を最適化する値を発見しました。 企業は、複合材料を最適化するためにこの相関関係を広く採用しています。

現在、GE でルスラ氏は、ブレード、ノズル、ライナーなど、エンジンが熱くなるあらゆる場所に CMC を配置することを夢見ています。 このビジョンを達成するために、コミュニティには登るべき技術的な山がたくさんあります。 1 つは、溶融浸透とは異なり、揮発してマトリックスに亀裂を形成する可能性のある過剰なシリコンを生成しない製造プロセスを開発することです。

「10年ごとに、[金属が受け取ることができる熱]は約50度増加しました」とルスラ氏は述べました。 現在、CMC 材料は最大 2400 °F まで耐えることができますが、ルスラ社は次世代では 2700 °F に達することを望んでいます。「これは、最初のセラミック複合材料の開発と同じくらい困難になるでしょう」と彼は言いました。

これらの課題を強調するために、米国アドバンスト セラミックス協会は、先進的なガス タービン用の 2700 F CMC の開発に向けた業界主導のロードマップを作成しています。 このロードマップは、2400 F CMC の成功について議会に知らせ、2700 F CMC の開発への投資を奨励し、米国の製造業における高賃金雇用の創出、国家安全保障、環境への CMC の貢献を強調します。 USACA のロードマップは、ガス タービンの材料とコーティングへの投資が最優先であるべきであり、2700 F CMC によってエンジンの冷却の必要性が劇的に減少または排除され、効率が向上し、重量が軽減される可能性があると結論づけた、最近の米国科学アカデミーの研究結果を裏付けています。 DOE国立研究所は、高温やさらに過酷な環境でも動作できる高性能材料やプロセスの発見を支援することが再び求められるかもしれない。

将来の CMC は、用途に応じて 4 つの時間スケールで極端な状況に耐える必要があります。打ち上げロケットのホットタイムは 1 時間以下。 事故耐性のある燃料の場合は数日（たとえば、原子力発電所の冷却システムが停止した場合）。 航空機タービンの動作寿命は数千時間。 発電用の産業用ガスタービンでは 30,000 時間以上。

発電用の陸上ガスタービンは、高温で動作する時間がはるかに長いため、航空機エンジン用途よりも要求が厳しい可能性があるとルトラ氏は述べた。 次世代の 2700 F 材料の進歩により、効率と排出量の画期的な改善が可能となり、電気コストを削減できる可能性があります。

結局のところ、空は限界ではないのかもしれません。

詳しくは：世界的な炭素排出量を削減する民間航空機の推進およびエネルギー システムの研究: www.nap.edu/read/23490/chapter/1

オークリッジ国立研究所提供