航空宇宙分野における高性能合金の需要増加

概要

機能性の向上、生存性の向上、ライフサイクルコストの低減を可能にするため、製造部門における先端材料への支出が増加しており、これが引き続き重要な傾向になると予想されます。したがって、先端材料、すなわち高性能合金の可能性は、世界レベルで航空宇宙および防衛部門で無視することはできません。OEMは依然として航空機製造でアルミニウムを好んでいますが、高性能合金などの先端材料は、優れた耐熱性、優れた強度、および他の材料よりも高い温度での寸法安定性の維持により、エンジニアの間で勢いを増しています。

COVID-19後の規制緩和と、ミレニアル世代の航空運賃支払い意欲の高まりにより、航空宇宙および防衛分野で事業を展開する業界関係者は新たな道を切り開くことが予想されます。さらに、ロシアとウクライナの戦争の余波により、世界中で新たな地政学的方程式が生み出されました。西側諸国から中国やインドなどの新興経済国に至るまで、ほとんどの政府は航空宇宙および防衛分野の国内製造能力の強化に支出を増やすことが予想されます。したがって、航空宇宙および防衛分野のこのような前向きな感情は、今後数年間で先端材料、特に高性能合金を取り入れる道を開くと予測されます。

高性能合金とは何ですか?

高性能合金または超合金は、優れた機械的強度、優れた熱クリープ変形抵抗、表面安定性、耐腐食性などの優れた特性を示すため、さまざまな用途に使用されています。これらの材料は、航空機のピストンエンジンターボチャージャーで使用するために開発されました。新しい技術の出現により、超合金は航空宇宙および海洋タービンエンジン部品の製造における主要な原材料の 1 つとして進化しました。これらの特殊材料の採用が拡大しているのは、航空宇宙産業において、過酷な酸化環境や極端な温度への適度な期間の曝露から保護するための対策を講じる意識が高まっているためです。

高性能合金は、ニッケル、鉄、コバルトのカテゴリで入手可能です。入手可能な主な製品の種類には、インコネル、ハステロイ、ルネ合金、ワスパロイ、インコロイ、TMS 合金などがあります。高温時の酸化および腐食に対する優れた耐性は、航空宇宙分野のエンジニアが高性能合金を好む理由となる重要な特徴の 1 つです。

クリープは、ガスタービンブレードなどの航空構造部品の性能と耐久性に影響を与える重要な寿命要因です。高性能合金は、高温で優れたクリープ耐性を持つコバルト、鉄、ニッケルなどの面心立方 (BCC) 金属で構成されています。そのため、航空宇宙 OEM は、クリープの悪影響を抑えるために、これらの製品形態を好むと予想されます。

過去数年間、ニッケルベースの高性能合金は、800～1000度の高温で作動する能力があるため、航空宇宙分野で十分な市場を獲得してきました。これらのニッケルベースの製品バリエーションは、クロム、鉄、チタン、コバルト材料で構成されています。さまざまな材料を単一の製品形態に融合することで、高圧タービンブレード、ディスク、燃焼室、アフターバーナー、逆推力装置など、さまざまな航空宇宙部品の製造での使用が促進されると期待されています。

航空宇宙セクターのシナリオ

世界の航空宇宙部門は、COVID-19制限解除後の旅客旅行需要の増加と、各国政府による新しい軍用機の発注への支出増加により、成長を遂げています。2023年現在、世界の航空機の年間出荷数は5,000機以上、その価値は1.5兆米ドルを超えると推定されています。今後20年間で航空機の要件は4万機以上に達し、その価値は81億米ドルに達すると予想されています。航空宇宙産業は、民間航空機、民間旅客機、軍用機、ヘリコプター、プロペラ機の5つの主要製品に分かれています。これらの主要製品のうち、民間航空機と軍用航空機は、世界レベルで航空機産業の動向を決定する主導的な立場にある主要な貢献者です。

過去数年間、航空宇宙部門では、近い将来に民間航空機と防衛航空機の生産を促進する以下の開発が見られてきました。

• 2023年6月、GEエアロスペースはヒンドゥスタン・エアロノーティクス・リミテッド（HAL）と覚書（MoU）を締結し、インド空軍向けに推力98キロニュートンの戦闘機エンジンを生産する。このエンジンは軽戦闘機（LCA）マークIIに搭載され、2024年末までに商品化される見込みだ。
• エアバスは2023年4月、天津自由貿易区投資会社および中国航空工業集団有限公司とA320航空機ファミリーの最終組立の拡張に関する契約を締結した。この契約は、月間75機の航空機生産を維持するという同社の目標をサポートするのに役立つだろう。
• ボーイングは2023年1月、2024年半ばまでにワシントン州エバレットに737MAXの生産ラインを追加する計画を発表した。さらに同社は、2025年から2026年にかけて月産50機の増産も計画している。
• 2022年12月、日本政府は英国とイタリアの協力を得て次世代戦闘機を開発する計画を発表した。この計画は、老朽化し​​た米国のF2戦闘機群を三菱FX戦闘機に置き換える上で重要な役割を果たすことになる。この取引は、インド太平洋地域で増大する中国の主張に対抗する上で重要な役割を果たすと期待されている。
• ロシア国防省は2022年11月、Su-57と呼ばれる第5世代多機能航空機の生産能力の拡大計画を明らかにした。
• インド政府は2022年10月、インドのグジャラート州にC-295航空機製造施設の基礎を築いた。この施設は、スペインに拠点を置くエアバス・ディフェンス・アンド・スペースとタタ・アドバンスト・システムズ・リミテッドとの協力の一環として、インド空軍向けに40機のC-295航空機を製造する予定である。
• 2022年5月、中国初の国産ジェット旅客機が初飛行を完了した。中国商用航空集団（Comac）は、C919のブランド名でこのジェット旅客機を開発し、乗客定員は推定130人。同社は、C919のジェット旅客機が1200機以上注文されたことを明らかにした。さらに、Comacは今後5年間で年間150機の計画生産能力で航空機を製造する予定である。
• 2022年3月、ロッキード・マーティンはサウジアラビアの航空宇宙産業に10億ドル以上を投資する計画を発表した。この計画は、サウジアラビアでの製造、研究開発、MRO（保守、修理、運用）の取り組みを促進し、ひいては国内レベルでの航空宇宙産業の拡大を促進することになる。

航空宇宙および防衛材料の幅広い使用は、軽量航空機のコストと環境要件、および構造的完全性のメンテナンス要件を満たすことに起因しています。航空宇宙および防衛材料の市場規模は、2028年までに305.2億米ドルと評価され、2021年から2028年の予測期間に4.10%の成長率が見込まれています。

この研究の詳細については、 https://www.databridgemarketresearch.com/reports/global-aerospace-and-defense-materials-market

航空宇宙分野における高性能合金

2022年、航空宇宙部門は世界の高性能合金市場の50％以上を占めました。超合金は、民間航空機、貨物機、ビジネスジェット、軍用機など、さまざまな航空機で使用されています。ほとんどの航空宇宙OEMは、優れた耐熱性と優れた耐腐食性のため、ターボファンエンジンに高性能合金を使用することを好みます。さらに、これらの合金は、胴体構造およびファスナー部品、タービンブレードなどの用途で過去数年間で受け入れられるようになりました。

表: 一般的に使用される高性能合金

なぜ高性能合金なのか?

高性能合金は、次のような重要な特徴と利点を発揮できるため、航空宇宙構造のさまざまなコンポーネントの製造に好まれています。

• 優れた耐クリープ性

クリープは、部品が極限引張強度以下の応力レベルで変形する故障モードです。高性能製品形状により、タービンブレードは極度の発熱と重い求心力負荷で動作できます。航空宇宙産業で高性能合金が導入される前は、非クリープ耐性材料が広く使用されていたため、タービンブレードは回転中に伸びず、エンジンケーシングとの干渉を引き起こしていました。

• 優れた耐熱性

ジェットタービンは、吸入空気と燃料を圧縮することで高い推力レベルを生成できます。したがって、高圧縮の結果としてエンジンの強力なパワーが生み出され、その結果熱発生レベルが高まります。高性能合金は、高い燃焼圧力を誘発するのに役立ち、エンジン効率を大幅に向上させます。

• 析出硬化

高性能合金は二相平衡微細構造を形成する能力があり、合金元素が自ら配置する能力に影響を与え、さまざまな故障モードから保護します。

高性能合金の種類

ニッケル基合金

• ハステロイ: - これらのニッケル合金はクロムとモリブデンの組み合わせで、優れた耐腐食性、良好な溶接性、優れた耐酸性を発揮します。その変種の 1 つであるハステロイ X は、耐熱性、耐酸化性、耐浸炭性などの優れた特性を備えているため、航空宇宙産業で 50 年以上使用されています。これらの変種は、酸化による応力割れに抵抗し、1600° F までの温度暴露中に延性を維持するのに役立ちます。その結果、航空機 OEM はエンジン タービン、排気管、その他の航空機部品にハステロイ X を使用することを好みます。

Data Bridge Market Research は、世界のニッケル合金市場は、2023 年から 2030 年の予測期間中に 5.59% の CAGR で成長し、2030 年までに 19,370,672.30 千米ドルに達すると予測しています。市場レポートでは、価格分析、特許分析、技術の進歩についても包括的に取り上げています。

この研究の詳細については、 https://www.databridgemarketresearch.com/reports/global-nickel-alloy-market

インコネル:-これらのニッケルベースの製品はクロムと鉄の組み合わせで、高温での腐食防止に使用されます。インコネルには、航空宇宙産業で一般的に使用されるインコネル 625 とインコネル 718 のバリエーションがあります。これらのバリエーションは、燃料ノズル、アフターバーナー リング、その他のエンジン部品など、高温の航空宇宙用途で使用されます。インコネルを効果的に使用すると、ジェット流体やその他の液体による腐食に抵抗できます。さらに、インコネルは過去数年間、ロケットや宇宙探査船にも使用されています。

銅ベースの合金:-銅ベースの高性能合金は、優れた機械的特性と加工性を発揮するために使用されます。特性の一部を以下に示します。

• ニッケルベースの合金に比べて優れた耐熱性
• 優れた腐食防止
• 高温でも優れた耐熱疲労性
• 溶接性の向上

鉄系合金:-鉄ベースの超合金は次のような特性を示します。

• ニッケルに比べて優れた耐摩耗性
• 優れた耐クリープ性
• 良好な溶接性
• 優れた加工性

高性能合金の製造展望

過去数年間、超合金処理は従来の鋳造方法から、方向性凝固鋳造や単層鋳造といった高度な技術へと変化してきました。方向性凝固鋳造は、鋳型が他の材料に比べて低温であると考えられる 1 つの内面を組み込むように設計されるような方法で機能します。このプロセスは、水冷式熱交換器を使用して実行されます。このような鋳造プロセスは粒界の方向を制御できるため、航空宇宙 OEM のエンジニアは特定の方向でコンポーネントを設計できます。その結果、方向性凝固鋳造はジェット タービン エンジン コンポーネントの製造に導入されることが好まれています。

一方、単結晶鋳造は、直接凝固プロセスの改良版とみなされるだけでなく、粒界によって引き起こされる滑り、キャビテーション、介在物などの問題を排除できます。さらに、単結晶プロセスは、航空機部品用に製造された部品にクリープ抵抗を誘発する能力があります。したがって、民間航空機および旅客機の部品の品質を評価するための重要なパラメータとしてクリープ抵抗がますます受け入れられるにつれて、航空宇宙 OEM は単結晶鋳造プロセスを好むと予測されます。

次世代航空機：新たな機会

ボーイングやエアバスなどの航空機OEMの間で、経済、環境、電動化、効率の4つの柱を重視する傾向が変化していることで、次世代航空機の範囲が拡大すると予想されています。たとえば、2021年5月、エアバスは、全長50メートルの次世代A322を開発する計画を発表しました。航空機のクリープ強度と高温保護は、航空機の次世代バリアントの全体的な効率を高める上で重要な役割を果たす重要な属性です。その結果、航空宇宙分野のOEMは、次世代航空機のエンジンやブレードライナーなどのさまざまなコンポーネントの製造用の先進材料として高性能合金を好み、より優れた熱保護と優れたクリープ強度を実現しています。

航空宇宙産業における競争とメーカーの対応

高性能合金製造会社の大半は、航空宇宙分野をターゲットとした製品形態を専門としています。この業界には、戦略的パートナーシップを活用して市場シェアを維持する国際的および地域的な企業が参入しています。主要メーカーには、Alcoa Inc.、Hitachi Metals Ltd.、Outokumpu、Allegheny Technologies Incorporated、H aynes International Inc.、Carpenter Technology、VSMPO-Avisma Corporation などがあります。

新興企業の中には、革新的な製品の発売を通じて市場を獲得しているところもあります。たとえば、2019年9月、スウェーデンに拠点を置くDigital Metal ABは、極限環境向けの新しい2バインダージェット3Dプリント高性能合金を発売しました。これらの製品は、DM 247とDM 625のプレポジションで利用可能で、優れたバインダージェッティング技術により、熱を加えずに常温でプリントすることでこれらの問題を防止します。DM 247はMAR M247から派生したもので、極限温度でのタービンブレードやその他の航空宇宙用途の製造に有用です。一方、DM 625はインコネルグレードで、海水、化学処理装置、原子力、航空宇宙セグメントに使用されています。

積層造形が世界規模で普及するにつれ、高性能合金製造企業は積層造形プロバイダーとの戦略的提携に投資し、次世代の製品カテゴリーがすぐに導入されるようになると予想されます。さらに、航空宇宙分野の科学者のほとんどは、高性能合金が 3D プリントに適していると考えています。そのため、航空機製造 OEM は、独自のバインダー技術と超合金の USP を単一の製品カテゴリーで完璧に組み合わせて使用​​すると予想されます。

Data Bridge Market Research の分析によると、市場は 2023 年から 2030 年の予測期間に 20.9% の CAGR で成長し、2030 年までに 918 億 5,388 万米ドルに達すると予想されています。積層造形市場の成長を牽引する主な要因は、自動車業界と航空宇宙業界からの軽量部品の需要増加です。

この研究についてさらに詳しく知るには、 https://www.databridgemarketresearch.com/reports/global-additive-manufacturing-market

過去数年間、航空宇宙分野の研究機関は、航空機の製造のための次世代超合金の開発に向けた支出を増やしてきました。たとえば、2020年2月、NASAは、700°Cを超える温度での有害な変形を制限する特定の合金元素を使用したニッケルベースの超合金の開発を発表しました。これらのニッケルベースの高性能合金は、粉末冶金（PM）組成を利用して、有害なガンマプライムからガンマ相への変態を制限し、クリープ変形中に積層欠陥を引き起こします。航空機構造の材料は、高温時に負荷がかかると塑性変形する傾向があることはよく知られています。その結果、これらの高性能製品形態は、航空機エンジンの性能向上に重要な役割を果たす優れた耐クリープ性材料と見なされています。

結論

総メンテナンス費用を削減するための先端材料への多額の支出と、新世代航空機の導入により、今後数年間で高性能合金の範囲が拡大すると予想されます。さらに、3D 印刷技術などの新技術の導入への支出の増加により、航空宇宙部門の OEM が最高品質の超合金と相乗効果を発揮し、商用航空機や軍用航空機向けの革新的な部品を開発する道が開かれると予想されます。

組み込みに必要な膨大な初期投資と、高性能合金をさまざまな形状に加工する限界が、航空宇宙 OEM 部門で事業を展開するバイヤーにとって大きな課題になると予想されます。さらに、ニッケル、アルミニウム、銅、鉄などの金属生産地からの供給動向の変動による金属原材料価格の変動は、近い将来、航空宇宙部門向けの高性能合金の入手性を確保する上で大きな課題になると予想されます。

Data Bridge Market Research は、高性能合金市場は 2023 年から 2030 年にかけて 5.80% の CAGR で成長すると予測しています。市場価値、成長率、セグメンテーション、地理的範囲、主要プレーヤーなどの市場シナリオに関する洞察に加えて、Data Bridge Market Research がまとめた市場レポートには、詳細な専門家の分析、地理的に表された企業別の生産量と生産能力、販売業者とパートナーのネットワークレイアウト、詳細で最新の価格動向分析、サプライチェーンと需要の不足分析も含まれています。

市場の詳細な情報を得るには、 https://www.databridgemarketresearch.com/reports/global-high-performance-alloys-market