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GE、日本の技術が生きた超先端セラミック複合材料(CMC)量産へ

時代を変える超先端材料、セラミックマトリックス複合材料 (CMC)。
金属と同等の強度がありながらも重さは3分の1であり、発電産業から航空産業まであらゆる分野に革命を起こすと目されています 。

人類は3000年以上にわたって鉄やスチールでものづくりをしてきました。いまや月面から海底まで、様々な場所に、合金製の機器や設備が設置されています。しかし、サンジェイ・コレアをはじめGEアビエーションのエンジニアたちは「金属が尽きてしまうのも時間の問題」だと確信しています。

彼らが開発中のセラミックマトリックス複合材料(CMC)と呼ばれる新素材は、これから発電産業から航空産業まであらゆる分野に革命を起こし、たとえば航空産業で言えば10年も経たないうちに今よりはるかにパワフルで効率的なジェットエンジンを作れるようになります。「それはもう、絶大な進歩になりますよ」とコレアは言います。今週GEは、昨年ノースカロライナ州アッシュビルに開設した米国初のCMC工場に続き、今度は米国アラバマ州・ハンツビルに2つのCMC工場を新設することを発表。私たちはCMC製部品の量産に必要なサプライチェーンを構築するために、ここに2億ドル(約240億円)を投じることを決めました。

CMCのような「複合材料」とは、その名が示すとおり、異なる材料を組み合わせてできているもの。身近な複合材料の例を挙げるならば“コンクリート”もそのひとつです。

GEのCMCは、炭化ケイ素マトリックスに埋め込まれた微細な炭化ケイ素繊維から作られています。この「炭化ケイ素繊維」こそが、日本生まれの技術。日本カーボン株式会社が開発したものです。この特殊な繊維はヒトの髪の毛の5分の1の細さで「企業秘密のコーティング」が施されており、金属材料の3分の1と軽量でありながら耐熱温度は金属材料より20%も高く、多くの合金が溶解し始めるほどの高温でも使用することができる特性があります。つまり、金属並みの強度があり、セラミックより耐久性のある素材です。

2012年、GEは日本カーボン株式会社と仏サフラン・グループと手を組み、この「炭化ケイ素繊維」の製造を行うための合弁会社、NGSアドバンストファイバー株式会社(以下、NGS)を立ち上げました。筆頭は日本カーボン株式会社(50%出資)であり、GEとサフラン・グループがそれぞれ25%出資した合弁会社です。今回アラバマ州での建設を決めた2つの工場のうち1つは、米国で初めて炭化ケイ素繊維を扱う工場となり、GEがNGSからのライセンス供与を受けて製造を行うもの。GE製品のためだけでなく米国防総省への素材供給も行います。もう1つの工場では炭化ケイ素繊維を利用して企業秘密のCMCテープを作り、すでに稼働しているノースカロライナ州・アッシュビルにあるGEのCMC工場で利用することになっています。

CMC製ジェットエンジンタービンブレード

GEは今年のパリ航空ショーでCMC製ジェットエンジンタービンブレードを披露
(画像:GEアビエーション)

GEの科学者たちはCMCの研究に20年間取り組んできました。彼らが研究する「スーパーセラミック」は金属と同等の強度がありながらも重さは3分の1と、非常に軽量。しかも、耐熱温度は華氏2400度で、最先端の合金よりも500度も高いのです。これらの特性のおかげで、部品の軽量化を図れるだけでなく、従来ほど冷却空気量を必要としないため、よりパワフルで燃費のよいエンジンを作れるようになります。コレアと彼のチームは、CMCを活用することで2020年までにジェットエンジンの推力を25%向上させ、燃料消費を10%削減することができると確信しています。

その一方でCMCの量産は非常に困難なものとされており、つい最近までその利用は宇宙産業と戦闘機の排気装置に限られていました。GEの最初のCMCの応用はそんな高尚なものではなく、むしろ実用的なものでした。2000年には、オイル&ガス事業のフィレンツェの施設において、出力数2メガワットのガスタービン内部にCMCを採用し、テストを開始しました。その後5年間、CMC製シュラウド(マシンの高温部に送り込む空気の流線方向を決定する特殊なパーツ)を備えたタービンは何の問題もなく何千時間も稼働し続けました。

これを見たGEアビエーションは、2007年からこの技術をジェットエンジンへ応用する手法の模索をデラウェア州のリーン・ラボで始めました(これGEが誇る「GEストア」、すなわち、事業を跨いでテクノロジーや知識を転用し合う取り組みの一例です)。

航空機エンジンに使用するCMC製部品のテスト

GEは旅客機や戦闘機のエンジンに使用するCMC製部品をテスト中
(画像:GEアビエーション)

すでに、CMC製の静的部品はGEと仏スネクマ社(サフラン・グループ)の合弁会社、CFMインターナショナルが開発した次世代旅客機エンジン「LEAP」に実用化されており、これまでに受注または内定したLEAPエンジン販売数は9,500基を越え、リストプライスでの受注額は1200億ドルを上回ります。

2015年には、GEはボーイング製「ドリームライナー(B787)」にも多数搭載されているGE nxエンジンでCMC製部品のテストを開始し、GEの最新型大型エンジン「GE9X」向けテクノロジーの完成を目指しています。このテクノロジーが完成すれば、ファン直径11フィート(約3.4 m)、空気圧縮比60対1を実現するGE9Xエンジンは、世界最大かつ航空機史上最高の圧縮比を誇るジェットエンジンになるはず。「これらのエンジンの商用利用が始まる2020年の終わりまでには、CMCへの需要は10倍に膨らむと見ています」とコレアは言います。

軽量化による相乗効果は計り知れません。ファンブレードがすべて軽量化されれば、ニッケル合金のタービンディスクも、従来のようにガッシリした作りである必要がなくなります。遠心力が弱まれば、ベアリングや他の部品もスリム化することができ、エンジンのいっそうの軽量化は大きな燃費削減につながり、絶大な経済効果と環境効果をもたらしてくれることでしょう。

鉄のかたまりに見えていた航空機エンジンがセラミック製になる日も、遠くはないかもしれません。

セラミック複合材料(CMC)のブレードを採用した低圧タービン

ADVENTによるCMC製ブレードを採用した低圧タービン
特殊な黄色の耐環境コーティングを施したものも
(画像:GEアビエーション)

* 再上部の画像:「ADVENT(Adaptive Versatile Engine Technology:適応型多用途エンジン技術)」による適応型サイクルエンジンには、CMCを含むGEの最新テクノロジーが用いられる。(画像:GEアビエーション)