軽量耐熱複合材ＣＭＣ技術開発の

概要について

平成２４年１１月２９日

第１回 航空機関連分野技術に関する 施策・事業評価検討会

資料５－８－４

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目 次

１．プロジェクトの概要

２．目的・政策的位置付け

３．目標

４．成果、目標の達成度

５．事業化、波及効果

６．研究開発マネジメント・体制等

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１．プロジェクトの概要

軽量耐熱材料であるＣＭＣ(Ceramic Matrix Composites )の航空

エンジンのタービン部への適用を目指し、開発難易度が高い代表部品であるタービン静翼を取り上げ、複雑形状織物、成型法の最適化を図り、適切な製造プロセスを確立させる。また、ＣＭＣタービン静翼の温度分布を推定し、解析で発生応力の評価を実施して、既存タービン静翼と比較し30%以上軽量化の成立性を確認する。

平成20年度～平成24年度 （5年間）

これまでの合計 4.85億円（委託） （平成20年度： 1億円 平成21年度： 0.95億円 平成22年度： 0.65億円

平成23年度： 1.25億円 平成24年度： 1億円）

株式会社ＩＨＩ

株式会社ＩＨＩ 航空宇宙事業本部 技術開発センター

材料技術部 部長 荒井 幹也

概 要

実施期間

予算総額

実 施 者

プロジェクト

リーダー

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軽量耐熱材料であるＣＭＣを適用してタービン静翼等のエンジン高温部品の耐熱温度を約２００℃上昇させることにより熱効率が向上し、エンジン重量も低減することで、より少ない燃料で必要な推力が得られる。これらのエンジン性能の向上により、今後着実に伸びると予想される航空輸送において、喫緊の課題とされる地球温暖化対策に貢献する技術開発を目指す。日本独自の軽量耐熱材料を持つことは、日本の航空産業の国際競争力確保の鍵となる。

＜背景＞ 本事業では、１３００℃の耐熱性を有し、かつ金属材料よりも軽量なＣＭＣ（Ceramic Matrix Composites）を航空機用エンジンに適用することで、高性能化、軽量化等を図り、省エネルギーに 資することを目的とする。

CMC(Ceramic Matrix Composites）とは、セラミックス基複合材の略で、セラミックの脆さを克服するために髪の毛ほどの細いセラミックの繊維をマトリクス(母材)で強化した複合材である。 本材料は、ニッケル基合金より、軽量（密度は約1/4）かつ耐熱性（200℃向上）に優れる。将来の航空エンジン用耐熱材として最も期待される材料の一つ。 なお、材質は繊維もマトリクスも炭化ケイ素（SiC）である。繊維は、東北大で開発され、世界で日本の２社（日本カーボン、宇部興産）しか製造できない。 現在、世界では主に米国のＧＥ社、仏国のＳＮＥＣＭＡ社もCMCの実用化に向けた開発を積極的に進めており、次世代の航空エンジンへの適用を目指したエンジン試験が行われている。

SiC繊維の外観 日本カーボン（株） カタログより

１．プロジェクトの概要

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エンジン要素技術

複合材適用による低・高温部重量低減／オープンローター等新たな推進システムの実現 等

２．プロジェクトの目的・政策的位置付け ＜政策的な位置付け＞

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３．目標

耐熱性が１３００℃と高く軽量なセラミックス基複合材（ＣＭＣ）を航空エンジンに適用し、高温部の冷却空気量を削減するとともに軽量化を図ることにより、エンジンの大幅な燃費改善を目指す。また、温度・応力解析によりタービン静翼として成立性の目処を得、従来部品に対し、重量を３０％以上軽量化する。

＜全体目標＞

要素技術(課題) 目標・指標 妥当性・設定理由・根拠等

（１）複雑形状成型法の開発 タービン静翼の試作と、タービン静翼に適した複雑形状織物成型技術および高効率含浸法を確立

タービン静翼はエンジン部品の中でも形状が最も複雑であり、この試作に成功することで他の部品の成型が可能

（２）冷却構造の検討 ＣＭＣに適した冷却構造を選定し、その冷却性能データを取得

ＣＭＣは熱伝導率が低く製造性からも制約が多いため、ＣＭＣ独自の最適冷却構造が必要。構造成立性の目処を得るためには、その冷却性能データが必要

（３）成立性の確認 取得した材料データ及び冷却性能データを基にＣＭＣ静翼を設計後に製造し、実環境における検証試験を行い、解析結果と合わせてＣＭＣ静翼成立性の目途を得る

ＣＭＣ静翼の成立性を確認するためには、実環境における検証試験による健全性の確認が必要

＜要素技術目標＞

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３．目標

・１３００℃の耐熱性と３０%の軽量化は、大幅な燃料使用量の削減につながる。(図１参照)

・タービン静翼は、他の部品と比較し冷却構造も含め最も複雑形状である。(図２参照)

図２ 部品例

タービン静翼

図１ ＣＭＣを適用した場合のメリット （出典；GE社論文）

注）右端はＣＭＣの耐熱温度を1300℃、中２つは1200℃とした場合

燃費改善による省エネ効果： 日本のエアラインの年間燃料使用料は1千万ｋ

ｌ程度であり、本研究成果等により５～６％燃費が向上すると、2030年には年間10万ｋｌの燃料使用量削減に繋がる。(タービン静翼、シュラウドなどの静止部への適用の場合)

シュラウド テールコーン

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３．目標（全体スケジュール）

実施項目／期間 平成24年度

③成立性の確認

平成20年度 平成21年度 平成23年度平成22年度

①複雑形状成型法の開発

②冷却構造の検討

含浸手法の最適化

分割・一体織物試作

中空翼構造の検討

冷却孔の検討

材料試験(概念設計)

供試体試作

冷却性能試験準備 冷却性能試験(無冷却)

冷却・構造設計／解析冷却性能試験（冷却）

実環境の検証試験供試体試作

タービン静翼成立性の確認

材料試験（設計確認）

供試体製作

耐久性評価（熱サイクル）

CMC静翼の成立性に目処

（TRL3→TRL4）

CMC静翼の成立性を確認

（TRL4→TRL5）

事業終了後、エンジン実機開発に着手可能とする。

また、他のタービン部品開発へ成果を還元する。

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４．成果、目標の達成度

要素技術 (課題)

目標・指標 成果 達成度

（１）複雑形状成型法の開発

タービン静翼の試作と、タービン静翼に適した複雑形状織物成型技術および高効率含浸法を確立

・中空翼とバンド部を織物で一体化したタービン静翼を試作した。 ・織物成形、マトリックス含浸、機械加工とも結果は良好であり、複雑形状織物成型技術および高効率含浸法を確立した。 ◆以上により最終目標を達成した

達成

（２）冷却構造の検討

ＣＭＣに適した冷却構造を選定し、その冷却性能データを取得

・インピンジ+フィルム冷却構造を選定した。レーザーにて冷却孔加工を可能とした。 ・試作したCMC静翼を用いて冷却性能データを取得した。 ◆以上により最終目標を達成した

達成

（３）成立性の確認

取得した材料データ及び冷却性能データを基にＣＭＣ静翼を設計後に製造し、実環境における検証試験を行い、解析結果と合わせてＣＭＣ静翼成立性の目途を得る。

・取得した材料データ、冷却性能データを基にCMC静翼を設計、エンジンに搭載可能なCMC静翼を製造した。 ・試作したCMC静翼を用いてエンジンによる実環境における検証試験を実施し、30%以上の軽量化と十分な健全性を有することを確認した。 ・試作したCMC静翼を用いた熱サイクル試験にて要求寿命を満足した。 ・今後、材料試験データを追加し、構造解析にて成立性を確認する。 ◆以上により最終目標を達成できる見通し

達成 （見込み）

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４．成果、目標の達成度 ③成立性の確認

②冷却構造の検討

①複雑形状成型法の開発

一体型

レーザーによる冷却孔加工試験

冷却孔の試作

加工条件の設定を実施

前縁

後縁

腹側 背側

試作したCMC静翼

構造検討

エンジン実証試験

複雑形状の織物を試作 CMC

実エンジン環境における成立性を確認（400時間）

熱サイクル試験

冷却構造の検討

インピンジ用インサート

フィルム冷却用冷却孔

CMC静翼を設計

要求形状を満足

要求サイクル

（5000回）を満足

搭載

冷却性能を取得

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５． 事業化、波及効果

＜事業化＞

次世代エンジン 静翼

実機開発／型式承認

2012

（H24） FY2010

（H22）

2014

（H26） 2016

（H28）

2019

（H31）

市場投入

＜本研究＞

静翼研究

（H20FY～H24FY）

実機開発

フェーズ

研究開発

フェーズ

産学連携による

先端 ・基盤技術開発

（H23FY～H27FYを予定）

エンジン試験

技術実証設備 量産設備

設備導入

●国際共同開発

●エンジン全体での最適化

●複雑形状製造技術

●エンジン試験実証

●量産プロセス実証

●工程フリーズ

●量産設備へのフィードバック

実用化への課題洗い出し

実用化の基盤技術確立

設備設計へのインプット 技術確立へのフィードバック

量産化確立

●量産処理量実証

●品質安定化

●低コスト化

試験規格化データベース

取得

●設計技術確立（損傷許容） ●製造技術確立（CVI、高速加工） ●修理技術確立（コーティング）

５． 事業化、波及効果 ＜波及効果＞

我が国産業の競争力強化等への貢献 航空産業では、ボーイング７８７などの炭素繊維複合材の利用拡大において、日本の航空機メーカの競争力強化に貢献しており、現在自動車業界等へ展開されつつある。

同様に複合材としてＣＭＣがそれに続く日本競争力強化に繋がることが期待される。また、技術波及が可能な輸送（自動車、鉄道、ロケット等）、エネルギー機器（ガスタービン、工業炉等）の分野において、耐熱性の高いＣＭＣを活用することによる日本の競争力強化が見込まれる。

ＣＭＣはレアアース等代替材料（しかも、原料は国内で大量に採取可能） 素材、製造、修理までオール国産（日本が優位に）

エンジンはレアアース等が大部分を占める

軽量高性能ブレーキディスク

（自動車、航空機、鉄道 ； SGL H.P.） スラスタノズル

（衛星・探査機） 耐熱外壁

（再突入機 ；JAXA H.P.）

技術波及

５． 事業化、波及効果

セラミックス繊維 ・東北大学が開発

・国内メーカーが製造を独占

界面コーティング ・（株）IHIが差別化技術

セラミックス含浸 ・（株）IHIが差別化技術

繊維織り ・日本各地の特色のある織物技術を

各部に組み合わせて活用

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６．研究開発マネジメント・体制等

経済産業省

委託

村田機械 株式会社

株式会社ＩＨＩ ジェットサービス

株式会社 IHI検査計測

株式会社 超高温材料研究

センター

株式会社IHI エスキューブ

株式会社ＩＨＩ プロジェクトリーダー： 航空宇宙事業本部 技術開発センター 材料技術部 部長 荒井幹也

研究開発部門： ・材料技術部 ・要素技術部 ・エンジン技術部

外注会社

（材料試験） （織物） （CMC製造） （実環境試験） （解析）