JP2000192179A - ダイキャスト部材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ニッケルベースの超合金などの溶融温度が高
い材料でダイキャスト部材を形成する。 【解決手段】 ニッケルベースの超合金であるＩＮ７１
８から構成されるダイキャスト部材である。この部材の
ミクロ構造は、流れ線を含まず、かつ、例えば、ＡＳＴ
Ｍ３もしくはこれよりも小さい微細な平均粒度を有す
る。例示的な部材には、ブレード、ベーン、ケース、及
びシールなどのガスタービンエンジン部材が含まれる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超合金材料から形
成される部材に関し、特にニッケルベースの超合金から
形成される部材及びこのような合金を熱処理する方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】このような合金は、通常、１２６０〜１
３７１℃／２３００〜２５００°Ｆを超える高い溶融温
度を有する。ニッケルベースの超合金は、高い強度−重
量比率、耐食性、及び、例えば、約１０９３℃／２００
０°Ｆ以上の比較的高温での使用が要求される用途で使
用される。

【０００３】これらの超合金は、例えば、ガスタービン
エンジンでは、一般にタービンセクションに使用され、
ブレードやベーンなどのエアフォイルを含むエンジンの
コンプレッサセクションの後段や中間ケース、及びコン
プレッサケース、コンプレッサディスク、タービンケー
ス、タービンディスクなどの固定部材や構成部材で使用
されることもある。ガスタービンエンジンで使用される
一般的なニッケルベースの超合金には、インコネル７１
８（ＩＮ７１８）があり、その組成を広く示すと、炭素
（Ｃ）約０．０１〜０．０５重量％、クロム（Ｃｒ）１
３〜２５重量％、モリブデン（Ｍｏ）２．５〜３．５重
量％、［コロンビウム（Ｃｂ）（ニオブ（Ｎｂ）とも呼
ばれる）＋タンタル（Ｔａ）］５．０〜５．７５重量
％、チタン（Ｔｉ）０．７〜１．２重量％、アルミニウ
ム（Ａｌ）０．３〜０．９重量％、約２１重量％までの
鉄（Ｆｅ）、残部実質的にニッケル（Ｎｉ）となる。

【０００４】ガスタービンエンジン産業では、ブレード
やベーンなどの複雑な三次元形状を有する部材の形成に
鍛造が用いられる。ニッケルベースの超合金で微細な平
均結晶粒度を有するとともに、高強度、低重量、及び高
くて良好なサイクル疲労耐性をバランス良く有する部材
を形成するために、これまで精密鍛造が用いられてき
た。このような部材が適切に形成された場合には、高強
度、低重量、及び耐久性をバランス良く有する。

【０００５】簡単に言うと、ベーンのブレードなどの部
材を鍛造するには、最終部材の所望の組成に対応する組
成を有する材料のインゴッドを用意する。このインゴッ
ドを、ブレードやベーンの場合は通常円筒形であるビレ
ット状に加工し、続いて、徐々に所望の形状に近い形状
となった加熱可能な金型及びハンマの間で、何度も加熱
やスタンピングを行うことなどによって加工熱処理を行
い、材料を塑性変形させて所望の部材形状とする。各部
材は、通常、硬化／強化、応力除去、亀裂発生に対する
耐性、及び特定レベルのＨＣＦ耐性などの所望の特性を
得るように熱処理されるとともに、必要に応じて、機械
加工、ケミカルミリング、もしくは研磨剤仕上げなどの
仕上げ加工によって正確な形状、寸法もしくは特性とな
るように加工される。

【０００６】鍛造による部材の製造は、費用が高く、か
つ時間がかかるので、通常、室温及び高温の両方におい
て高強度、低重量、及び耐性などの特定の特性バランス
を必要とする部材のみに対して用いられる。鍛造の材料
は、材料によっては、数ヶ月単位の長いリードタイムを
要することもある。鍛造は、通常、一連の作業を含み、
各作業は、それぞれ別個の金型や関連する装置を必要と
する。また、ブレードの根部を加工して適切な表面仕上
げを与えるといった鍛造後の仕上げ作業は、鍛造部材の
全製造コストの大きな部分を占め、スクラップとなる部
材部分も多く含まれる。

【０００７】部材の鍛造中には、元の材料の（約８５％
もの）多くの部分が取り除かれて処理廃棄物などとな
り、完成部材の一部とはならない。製造部材の形状が複
雑になると、部材製造の労力や費用が単に増加してしま
うので、特に複雑な形状を有するガスタービンエンジン
部材では、更に重大な問題となる。また、ＩＮ７１８な
どのニッケルベースの超合金は、スプリングバックも大
きく、即ち材料が弾性を有するので、鍛造中にこのよう
なスプリングバックを考慮する必要がある。つまり、通
常、部材を“過度に鍛造”しなければならない。更に、
上述したように、完成部材に多数の鍛造後処理を行うこ
とが必要となり得る。また、空気力学的に更に効率的な
エアフォイル形状を分析して得るために、コンピュータ
流体力学を適用するコンピュータソフトウェアが使用さ
れているので、このように得られたエアフォイルや部材
の三次元形状が更に複雑になっている。多くの材料が示
す僅かに弾性的な特性のためもあり、これに応じて、こ
のような進んだより複雑な形状に超合金を正確に鍛造す
ることがより困難もしくは不可能となっている。材料の
弾性的な特性によって、部材のコストが増加するととも
に、エンジン技術における特定の進歩を適用すること
や、部材によっては特定の合金を使用することが、経済
的に不可能となるくらいに部材のコストが押し上げられ
てしまうおそれがある。

【０００８】鍛造部材は、多くの場合、介在物や炭化物
を含む高いレベルの欠陥を示し、欠陥のレベルは、部材
ごとに大きく異なる。また、ＩＮ７１８などコロンビウ
ム含有量が多い部材では、元素偏析が生じやすく、かつ
ラーベス相や位相幾何学的に最密構造の位相が形成され
やすい。これらの欠陥とその程度によって、特に高温に
おける機械的特性に有害な影響が及ぼされる。これらの
欠陥の程度は、通常、材料の組成、及び鍛造中に部材が
高温にさらされる時間によって決まってくる。従って、
これらの欠陥を減少させるかもしくは取り除くために、
部材に行われる処理ステップに加えて別個のステップと
して均質化熱処理などの熱処理が行われる。この熱処理
は、一般的に、部材を約１０９３℃／２０００°Ｆなど
の比較的高温に数時間ほどさらすことを含む。この温度
は、偏析を減少させるのに充分に高いが、大きな結晶成
長が起ってしまう温度よりも低く、かつ時間的にも短
い。

【０００９】比較的最終形状に近い部材を製造するのに
は、鋳造が広く使用されてきた。このような部材の製造
には、鋳造部材の形状のキャビティを有するセラミック
製シェルに溶融金属を流し入れるインベストメント鋳造
を使用することもできる。しかし、インベストメント鋳
造では、（鍛造によって得ることができる小さい平均結
晶粒度に比べて）非常に大きい結晶を有する部材が形成
され、場合によっては、部材全体が単一の結晶から構成
されることもある。結晶度は、更に、許容できない程度
の元素偏析を生じさせてしまい、試験結果として（部材
間の変動である）分散が大きくなるおそれがあるととも
に、特性の低下をも引き起こす脆弱相を生じさせるおそ
れがある。また、各部材用に個々の金型を製造するため
に、処理費用が高く、かつ部材間寸法の非常に正確な再
現性を達成することは難しい。更に、溶融材料を空気も
しくは他の気体内で融解して、流し入れ、凝固させた場
合には、特に反応性成分を含む材料で、介在物や気孔な
どの望ましくない特性を有する部材が形成されるおそれ
がある。気孔は、例えば、部材を加熱するとともに部材
に圧力を加えることによって取り除く必要がある。ＩＮ
７１８製の部材に関しては、９８２〜１０２４℃／１８
００〜１８７５°Ｆの温度及び１０５〜１５４ＭＰａ／
１５〜２２ｋｓｉの圧力で数時間にわたって、ホットア
イソスタティック成形（ＨＩＰ）を通常行う。セラミッ
ク製シェルのスポーリングも、鋳造部材に介在物や不純
物が含まれることの一因となる。

【００１０】複数の部材を含む再使用可能な型に溶融材
料を流し入れ、溶融材料を引力のみによって型内に流し
入れる永久型鋳造も、部材を鋳造するのに一般に使用さ
れてきた。例えば、コルヴィンに付与された米国特許第
５，５０５，２４６号などを参照されたい。しかし永久
型鋳造は、いくつもの難点がある。エアフォイルなどの
薄い部材の鋳造では、薄い部分へ材料を流し入れるのに
引力だけでは不充分であるおそれがある。これは、特
に、材料の融点が高く、かつ過熱が低い場合において顕
著であり、この場合には型を一定に満たすことができ
ず、部材がスクラップとなってしまう。従って、許容寸
法を比較的大きくする必要が生じ、これに応じて鋳造後
の作業が多くなるために困難となる。永久型鋳造は、ま
た、表面仕上げが比較的おそまつであり、このことによ
っても鋳造後の作業が増加してしまう。

【００１１】再利用可能な型に加圧下で溶融材料を注入
するダイキャストは、例えば、約１０９３℃／２０００
°Ｆよりも低い、比較的低い溶融温度を有する材料から
上記のような部材を形成するために好適に使用されてき
た。

【００１２】ダイキャスト機械の１つが、米国特許第
３，７９１，４４０号に開示されている。この特許で
は、上記機械は、固定された型要素１１と移動可能な型
要素１２とを含む。簡単にいうと、溶融金属を、ポアス
パウト２２とスプルーを通して型キャビティ１５と連通
する注入シリンダ３０へと流し入れる。注入シリンダ３
０とスプルー２１の一部を満たすように充分な溶融材料
が流し入れられ、これにより、注入シリンダから空気が
排気される。例えば、第６欄第６〜１７行目を参照され
たい。注入プランジャ３８によって、シリンダ３０から
型キャビティ１５へと材料が注入される。スプルー固定
シリンダと関連するプランジャ３８とによってスプルー
２１が注入時などに密閉される。注入シリンダ３０が型
プラテンの１つに埋め込まれており、高い溶融温度の溶
融材料が注入シリンダに流し入れられる場合にシリンダ
の変形が防がれる。このクロスタイプの機械は、真空環
境を用いずに、シリンダを完全に満たすことで型へ空気
が注入されるのを防止する。

【００１３】このような機械は費用が高く、かつ供給が
少ないので、必要に応じて改修や修理を行うコストが高
い。例えば、スリーブがプラテン内に埋め込まれている
ことで容易にアクセスすることができないために、機械
に真空装置を取り付けることができても困難でかつ費用
が高くなる。また、真空環境内で溶融材料を溶融ユニッ
トからポアスパウト２２まで移動することができたとし
ても困難である。型の温度制御も困難であり、これは、
プラテンとプラテン内に埋め込まれた型の組み合わせの
物理的な寸法だけでなく、このような組み合わせにおけ
る熱集中による。機械の構成によっても、真空環境にお
ける部材の取り外しが難しくなる。

【００１４】ダイキャスト機械の別の種類には、“コー
ルドチャンバ”タイプのものがある。上述のように、例
えば、米国特許第２，９３２，８６５号、第３，１０
６，００２号、第３，５３２，５６１号、及び第３，６
４６，９９０号では、従来型のコールドチャンバダイキ
ャスト機械は、複数部材を含む型の（通常固定された）
プラテンの１つに固定されたショットスリーブを含み、
このような複数部材を含む型には、共同で型キャビティ
を画定する固定及び移動可能なプラテンを含む二部材の
型などがある。このショットスリーブは、水平、垂直、
または垂直と水平の間で傾斜して配置することができ
る。このスリーブは、型のランナと連通しているととも
に、溶融材料を流し入れる開口部３５を頂部に含む。ス
リーブ内で移動するようにプランジャが配置されてお
り、このプランジャによってスリーブ内の溶融金属が型
に押し込まれる。“コールドタイプ”の機械では、ショ
ットスリーブは、水平に配置されるとともに過熱されな
い。鋳造は、通常、大気条件で行われ、即ち、装置は、
真空チャンバなどの非活性空間には配置されない。

【００１５】このような機械の難点は、特に、ニッケル
ベース、コバルトベース及び鉄ベースの超合金など、融
点が（約１０９３℃／２０００°Ｆより高い）比較的高
い材料を鋳造するために使用することができないことで
あり、これに関しては、米国特許第３，６４６，９９０
号で説明している。従来型のコールドチャンバ機械で
は、ショットスリーブが排気されないために空気がプラ
ンジャによって型に注入されてしまい、ダイキャスト部
材に望ましくなくかつ許容できない気孔が生じてしま
う。従って、溶融材料への気泡の注入を防止するため
に、ショットスリーブをできる限り完全に満たすか、も
しくはショットスリーブを傾けることで溶融材料内の空
気が注入前に型から離れるようにする必要がある。

【００１６】更に、ショットスリーブが過熱されないの
で、溶融金属のスキン即ち“筒”がショットスリーブの
内側に凝固し、溶融材料を型内に挿入するためにプラン
ジャをスリーブ内で移動するためは、プランジャがスリ
ーブからスキンを削り取る即ち“筒”をつぶす必要があ
る。しかし、“筒”が、例えばスリーブに支持されるシ
リンダ形状である強度の高い部材を形成してしまった場
合には、プランジャもしくはプランジャを移動するため
の関連する構造が損傷もしくは破壊されるおそれがあ
る。スリーブが熱によって変形してしまってプランジャ
形状に一致しなくなるか、プランジャが変形してスリー
ブ形状に一致しなくなると、プランジャを通してプラン
ジャとスリーブとの間から金属が流出（逆流）してしま
うか、プランジャとスリーブとの間にガスが捕捉されて
しまうおそれがあり、これらは全て完成部材の質に有害
な影響を与える。パーランチ等に付与された米国特許第
３，５３３，４６４号も参照されたい。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】長期にわたる研究にも
拘わらず、従来型の“コールドチャンバ”ダイキャスト
装置を使用して、ニッケルベースの超合金などの高い溶
融温度を有する材料で構成される部材を製造することに
成功していない。超合金のように溶融温度の高い材料の
ダイキャストに関するこれまでの試みでは、ダイキャス
ト機械が故障したり、不純物、過度の気孔や偏析、比較
的低い強度、及びハイアンドローサイクル疲労特性など
を有する、質の悪い部材が形成された。

【００１８】本発明は、主な目的は、ニッケルベースの
超合金などの溶融温度が高い材料で形成されるダイキャ
スト部材を提供することである。

【００１９】本発明の他の目的は、対応する鍛造部材に
匹敵する特性を有する超合金ダイキャスト部材を提供す
ることである。

【００２０】本発明のより具体的な目的は、対応する超
合金鍛造部材に匹敵する強度、耐久性、及び疲労耐性を
有する超合金部材を提供することである。

【００２１】本発明のまた他の目的は、鍛造で製造可能
であっても製造が困難な、複雑な三次元形状を有する部
材を提供することである。

【００２２】本発明の更に他の全体的な目的は、超合金
ダイキャスト部材の元素偏析を減少させるかもしくは取
り除くことである。

【００２３】本発明の更に具体的な目的は、ＩＮ７１８
製のダイキャスト部材における元素偏析やＴＣＰ相を減
少させるかもしくは取り除くことである。

【００２４】本発明のまた他の目的は、残る気孔を減少
させるかもしくは取り除くために、適切なＨＩＰパラメ
ータを組み込むこともできる熱処理を提供することであ
る。

【００２５】他の目的は、以下の実施形態及び図面に基
づいて当業者にとって明らかとなる。

【００２６】

【課題を解決するための手段】本発明の１つの形態で
は、ＩＮ７１８などのニッケルベースの超合金によって
構成されるダイキャスト部材が開示されている。これら
の部材は、例えば、ＡＭＳ５６６３やＡＭＳ５３８３に
記載された、対応する鍛造部材の強度、低い亀裂進展速
度、及び応力破断耐性を少なくとも満たすことが望まし
い。これらの部材は、例えば、ガスタービンエンジン用
のブレードやベーンを含む。各部材は、鍛造材料と同様
のミクロ構造を有するとともに、より均一な粒子を有
し、かつおおよそ（アメリカ材料試験協会 Ａｍｅｒｉ
ｃａｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｆｏｒ Ｔｅｓｔｉｎｇ Ｍ
ａｔｅｒｉａｌｓの規格である）ＡＳＴＭ３よりも小さ
く、更に望ましくは、ＡＳＴＭ５もしくはそれよりも小
さい微細な平均結晶粒度を有することを特徴とする。こ
のミクロ構造は、更に流れ線（ｆｌｏｗ ｌｉｎｅ）を
含まないことを特徴とすることが望ましい。ガスタービ
ンエンジンのブレードなどの回転部材では、所望の平均
結晶粒度は更に小さく、例えば、望ましくはＡＳＴＭ５
もしくはそれよりも小さく、更に望ましくはＡＳＴＭ６
もしくはそれよりも小さい。

【００２７】本発明の他の形態では、鋳造した状態で気
孔及び元素偏析を有する超合金ダイキャスト部材を熱処
理する方法が開示されている。この方法では、約９８２
〜１１２１℃／１８００〜２０５０°Ｆ、望ましくは、
約９８２〜１０２３℃／１８００〜１８７５°Ｆの温度
で約１〜２４時間にわたって加熱して偏析を減少させる
ことを含む。更に、加熱ステップにわたって部材を約１
０５〜１５４ＭＰａ／１５〜２５ｋｓｉの圧力にさらし
て、同時に気孔を実質的に取り除くことが望ましい。

【００２８】これらの部材は、室温及び高温の両方で同
じ材料で形成された鍛造部材に匹敵する降伏強度及び最
大引張強度を有するとともに、同様のハイアンドローサ
イクル疲労特性を有する。

【００２９】本発明の利点は、ダイキャストでは、特別
に調整したビレット状材料やセラミックインベストメン
トシェルを用意する必要がなく、かつ実質的に単一のス
テップで行うことができるために、多数の処理を要する
鍛造処理やシェルの前処理に比べてインゴッドから最終
部材までの部材製造時間がかなり減少することである。
更に、ダイキャストでは、一度の鋳造で複数の部材を製
造することができる。また、ダイキャストによって、よ
り複雑な三次元形状を有する部材を製造することがで
き、鍛造に比べて空気力学的に効率の高いエアフォイル
や他の部材の製造が可能となる。本発明によって、複雑
な形状を有する部材の製造を、そのような形状に鋳造す
るのが困難もしくは不可能である材料を利用して行うこ
とが可能となる。更に、ダイキャスト部材は、鍛造もし
くはインベストメント鋳造よりも再現性が高く、最終形
状により近い形状に製造することができ、かつ表面仕上
げが優れているために製造後の仕上げ処理が最小で済
む。また、これらの要因は全て、このような部材の製造
コストをも減少させる。他の利点は、以下の詳細な説明
及び添付図面により明らかとなる。

【００３０】

【発明の実施の形態】図１を参照すると、本発明のニッ
ケルベースの超合金ダイキャスト部材は、符号１０とし
て示されている。図示された実施例では、部材は、ガス
タービンエンジンで使用されるＩＮ７１８製のブレード
１０を有する。この部材は、エアフォイル１２、プラッ
トフォーム１４、及び根部１６を含む。本発明は、種々
の用途に広く適用することができ、特定の部材やガスタ
ービンエンジンでの使用に限定することを意図するもの
ではない。（他の用途のダイキャスト部材と比べて）ガ
スタービンエンジンで使用するダイキャスト部材は、ペ
ンシルベニア州、ワレンデール（Ｗａｒｒｅｎｄａｌ
ｅ，ＰＡ）所在のＳＡＥインターナショナル（ＳＡＥ
Ｉｎｔ’ｌ）発行の（対応する鍛造部材に関する）米国
航空宇宙材料仕様ＡＭＳ５６６３（改訂Ｊ，１９９７年
９月発行）、もしくは（対応するインベストメント鋳造
−ＡＭＳ５６６３の低強度用途に関する）ＡＭＳ５３８
３（改訂Ｄ，１９９３年４月発行）に記載された強度、
低い亀裂進展速度、及び高い応力破断耐性を有すること
が望ましい。

【００３１】上述したように、ガスタービンエンジンで
通常使用されるニッケルベースの超合金は、インコネル
７１８（ＩＮ７１８）であり、この超合金は、約１９重
量％のＣｒ、約３．１重量％のＭｏ、５．３重量％の
（Ｃｂ＋Ｔａ）、０．９重量％のＴｉ、０．６重量％の
Ａｌ、１９％のＦｅ、残部Ｎｉの公称組成を有する。ま
た、ＩＮ７１８の組成をより広く示すと、約０．０１〜
０．０５重量％の炭素（Ｃ）、約０．４重量％までのマ
ンガン（Ｍｎ）、約０．２重量％までのケイ素（Ｓ
ｉ）、１３〜２５重量％のクロム（Ｃｒ）、約１．５重
量％までのコバルト（Ｃｏ）、２．５〜３．５重量％の
モリブデン（Ｍｏ）、５．０〜５．７５重量％の［コロ
ンビウム（Ｃｂ）＋タンタル（Ｔａ）］、０．７〜１．
２重量％のチタン（Ｔｉ）、０．３〜０．９重量％のア
ルミニウム（Ａｌ）、約２１重量％までの鉄（Ｆｅ）、
残部実質的にニッケル（Ｎｉ）となる。更に、ＩＮ７１
８は、約０．０２〜０．０４重量％のＣ、約０．３５重
量％までのＭｎ、約０．１５重量％までのＳｉ、１７〜
２１重量％のＣｒ、約１重量％のＣｏ、２．８〜３．３
重量％の（Ｍｏ＋Ｗ＋Ｒｅ）、５．１５〜５．５重量％
の（Ｃｂ＋Ｔａ）、０．７５〜１．１５重量％の（Ｔｉ
＋Ｖ＋Ｈｆ）、０．４〜０．７重量％のＡｌ、約１９重
量％までのＦｅ、残部実質的にＮｉ及び極微量の他の元
素の組成を有することが望ましい。

【００３２】強度及び能力を向上させるために、ＩＮ７
１８の組成を変更することもでき、例えば、鋳造材料の
Ｎｂや他の強度を増す要素の含有量を増加することがで
きる。

【００３３】共にクロスに付与された米国特許第３，７
９１，４４０号、第３，８１０，５０５号に開示及び説
明されたダイキャスト機械を使用して、ダイキャスト部
材を製造してきた。また、上述の米国特許第３，７９
１，４４０号にも記載されているように、通常非加熱の
ショットスリーブを有する“コールドチャンバタイプ”
のダイキャスト機械も使用してこのような部材を製造し
てきた。本発明に関しては、比較的費用が安く、供給量
が多く、高い溶融温度の材料などをダイキャストする必
要に応じて改修することができ、かつ必要に応じて修理
する費用が全体として安いために、“コールドチャン
バ”機械を使用し、この機械の方が好ましいと考える。

【００３４】簡単にいうと、本発明では、溶融装置もし
くは材料の１つもしくはそれ以上の元素の反応により、
少なくとも１回の供給量の材料を汚染を最小に抑える方
法で溶融する。従って、この合金は、例えば、望ましく
は１００μｍより低く、より望ましくは５０μｍよりも
低い圧力に保たれた、不活性の望ましくは真空の非反応
性環境で加熱及び溶融される。この合金は、制御される
とともに制限された過熱温度、例えば、通常合金の溶融
温度より３８〜９３℃／１００〜２００°Ｆ、より望ま
しくは、１０〜３８℃／５０〜１００°Ｆ高い温度まで
加熱され、この加熱は、非汚染の溶融装置を用いて行う
ことが望ましい。インダクト−スカル溶融ユニットなど
のセラミックを含まない溶融装置の使用が望ましい。材
料は、型に注入する時点まで溶融状態を保つように充分
に過熱する必要があるが、注入後に溶融材料が急速に凝
固するのを妨げる程度には過熱しない。続いて、溶融合
金を、望ましくは真空環境に配置された機械の水平なシ
ョットスリーブに移し、溶融材料を再使用可能な型に圧
力下で注入する。溶融材料を移して注入する処理は、非
加熱のショットスリーブを有するダイキャスト機械で
は、数秒を超えてはならず、注入は、１、２秒で行う必
要がある。

【００３５】部材は、所望であれば、鋳造後に熱機械処
理することができる。つまり、部材は、ダイキャスト後
に鍛造することができ、即ち、ダイキャスト部材を鍛造
処理で用いる予形成部材として使用することができる。
鋳造後の作業及びこれに関連する費用を最小にするため
に、ダイキャスト部材をニアネットシェイプに鋳造する
ことが望ましい。

【００３６】本発明によって形成された部材は、特に鋳
造後に、微細で、均一な平均結晶粒度を有するミクロ構
造を有するとともに流れ線を含まないことを特徴とす
る。ダイキャストによるＩＮ７１８製のテストバーとエ
アフォイルとをそれぞれ示した図２，図３と、従来の鍛
造によるＩＮ７１８製のエアフォイルを示す図５と、を
参照されたい。図２では、平均結晶粒度がおおよそＡＳ
ＴＭ６である。図５では、平均結晶粒度がおおよそＡＳ
ＴＭ１０である。

【００３７】これらの部材は、平均結晶粒度が小さいこ
とを特徴とし、例えば、ケースやシールなどの非回転の
ガスタービンエンジン部材では平均結晶粒度はＡＳＴＭ
３もしくはそれよりも小さく、より望ましくはＡＳＴＭ
５もしくはそれよりも小さい。ガスタービンエンジンの
ブレードなどの回転部材の場合には、所望の平均結晶粒
度はより小さく、例えば、ＡＳＴＭ５もしくはそれより
も小さく、より望ましくはＡＳＴＭ６もしくはそれより
も小さい。所望の平均結晶粒度及び最大許容結晶粒度
は、部材の用途によって異なり、即ち、部材がガスター
ビンエンジンで使用されるのか他の用途で使用されるの
か、回転か非回転か、低温環境で動作するのか高温環境
で動作するのかによって決まってくる。このような部材
は、鍛造材料を含む対応部材に匹敵する特性、望ましく
は少なくとも同等の特性を有する。

【００３８】ダイキャストによるＩＮ７１８などのダイ
キャスト部材を検査したところ、驚くことに、元素偏析
とともに少なくともいくつかのラーベス相や他のＴＣＰ
相の存在が確認された。溶融材料を型に挿入した後の
（インベストメント鋳造に比べて）比較的速い冷却速度
を考えると、このような欠陥が存在することは驚くべき
ことである。上述したように、このような欠陥によって
部材の機械的性質が損なわれる。部材の用途によって、
このような欠陥を減少させるかもしくはなくす必要があ
る。このような欠陥を減少させるかもしくはなくすため
の例示的な熱処理に関して、図１２〜図１４を参照して
説明する。

【００３９】上述のように、本発明によって、好適な強
度を有するのみでなく、対応する鍛造部材に匹敵するも
しくは鍛造部材よりも優れた他の特性、例えば、低い亀
裂進展速度や高い応力破断耐性などを有する部材のダイ
キャストが可能となる。本発明によるＩＮ７１８製ダイ
キャストのサンプルに関して、降伏強度や最大引張強
度、及び延性や衝撃強さを測定する試験を行った。引張
特性については、ＩＮ７１８製ダイキャストを試験する
前に一定時間室温（約７０°Ｆ）に保った場合と、例え
ば約６５０℃／１２００°Ｆの高温に保った場合との両
方に関して試験を行った。引張強度試験では、これらの
サンプルに、０．０７６〜０．１７８ｍｍ．／ｍｍ．／
分即ちｉｎ．／ｉｎ．／分の歪み速度を与え、この速度
を約１分後に破断が起きる程度に増加した。図６，図７
に示されるように、ダイキャスト部材は、室温及び高温
の両方において鍛造に匹敵する０．２％降伏強度、最大
引張強度、破断時の伸び、及び衝撃強さを有する。

【００４０】より詳細には、ブレードやベーンなどの回
転部材では、ダイキャスト部材は、対応する鍛造部材が
示す強度特性や衝突特性と少なくとも同程度のものが要
求される。ＩＮ７１８製のベーン、ブレード、及び回転
部材は、室温で少なくとも１ＭＰａ／１４０ｋｓｉ、更
に望ましくは、少なくとも１．０５ＭＰａ／１５０ｋｓ
ｉ、最も望ましくは、少なくとも１．１２Ｍｐａ／１６
０ｋｓｉの０．２％降伏強度を有し、６５０℃／１２０
０°Ｆで少なくとも８０５ｋＰａ／１１５ｋｓｉ、更に
望ましくは、８７５ｋＰａ／１２５ｋｓｉ、最も望まし
くは少なくとも９４５ｋＰａ／１３５ｋｓｉの降伏強度
を有することが望ましい。このような部材は、室温で少
なくとも１．２３Ｍｐａ／１７５ｋｓｉ、更に望ましく
は、少なくとも１．３Ｍｐａ／１８５ｋｓｉ、最も望ま
しくは、少なくとも１．３７Ｍｐａ／１９５ｋｓｉの最
大引張強度を有し、６５０℃／１２００°Ｆで１ＭＰａ
／１４０ｋｓｉ、更に望ましくは、１．０５ＭＰａ／１
５０ｋｓｉ、最も望ましくは、少なくとも１．１２Ｍｐ
ａ／１６０ｋｓｉの最大引張強度を有することが望まし
い。

【００４１】更に、例えば、ＡＳＴＭ Ｅ２９２に一致
する（本発明に従って製造した材料を含む）応力破断試
験用の標準的な滑らかな試験片とノッチ付の試験片との
組み合わせに対して試験を行った。これらの試験片を、
６５０℃／１２００°Ｆに保ちながら、約７３５〜７７
０ＭＰａ／１０５〜１１０ｋｓｉの軸方向初期応力を加
えた後に引き続き負荷を加えた。ブレードやベーンに使
用する材料の場合には、試験片は、少なくとも２３時間
後に初めて破断した。この値は、上述のＡＭＳ５６６３
に記載された値に匹敵する。

【００４２】上記と同様の例えば、ＡＳＴＭ Ｅ２９２
に一致する（本発明に基づいて製造される材料を含む）
応力破断試験用の標準的な滑らかな試験片とノッチ付の
試験片との組み合わせに対して、約７０４℃／１３００
°Ｆでも試験を行った。これらの試験片に対して、約４
２０〜４５５ＭＰａ／６０〜６５ｋｓｉの軸方向初期応
力を加えた後に引き続き負荷を加えた。ブレードやベー
ンに使用する材料の場合には、試験片は、少なくとも４
０時間後に初めて破断した。

【００４３】クリープ特性に関しても、約６５０℃／１
２００°Ｆで評価を行った。試験片を、約６５０℃／１
２００°Ｆに保って、少なくとも約５６０ＭＰａ／８０
ｋｓｉの軸方向応力が加わるまで負荷を加えた。０．１
％の塑性変形が生じる時間を測定した。ブレードやベー
ンに使用する材料の場合には、この時間は、１５時間を
超える必要がある。ここでも、部材の特定の用途によっ
て、詳細な要求値が異なってくる。

【００４４】ケース、フランジ、及び、例えばリングで
あるシールなどの非回転部材では、上述の値は、要求値
を上回ることになる。より詳細には、ＩＮ７１８製のリ
ングやシールなどの非回転部材は、室温で少なくとも９
１０ＭＰａ／１３０ｋｓｉ、更に望ましくは、少なくと
も１ＧＰａ／１４０ｋｓｉ、最も望ましくは、少なくと
も１．０５ＧＰａ／１５０ｋｓｉの０．２％降伏強度を
有し、６５０℃／１２００°Ｆで少なくとも７３５ＭＰ
ａ／１０５ｋｓｉ、更に望ましくは、８０５ＭＰａ／１
１５ｋｓｉ、最も望ましくは、少なくとも８７５ＭＰａ
／１２５ｋｓｉの降伏強度を有する。このような部材
は、室温で少なくとも１．１６Ｇｐａ／１６５ｋｓｉ、
更に望ましくは、少なくとも１．２３Ｇｐａ／１７５ｋ
ｓｉ、最も望ましくは、少なくとも１．３Ｇｐａ／１８
５ｋｓｉの最大引張強度を有し、６５０℃／１２００°
Ｆで８７５ＭＰａ／１２５ｋｓｉ、更に望ましくは、９
４５ＭＰａ／１３５ｋｓｉ、最も望ましくは、少なくと
も１．０２Ｇｐａ／１４５ｋｓｉの最大引張強度を有す
る。

【００４５】更に、例えば、ＡＳＴＭ Ｅ２９２に一致
する（本発明に従って製造される材料を含む）応力破断
試験用の標準的な滑らかな試験片とノッチ付の試験片と
の組み合わせに対して試験を行った。これらの試験片
を、６５０℃／１２００°Ｆに保ちながら、約７３５〜
７７０ＭＰａ／１０５〜１１０ｋｓｉの軸方向初期応力
を加えた後に引き続き負荷を加えた。ブレードやベーン
に使用する材料の場合には、試験片は、少なくとも２３
時間後に初めて破断し、伸び率は約６％であった。

【００４６】上記と同様の例えば、ＡＳＴＭ Ｅ２９２
に一致する（本発明に従って製造される材料を含む）応
力破断試験用の標準的な滑らかな試験片とノッチ付の試
験片との組み合わせに対して、約７０４℃／１３００°
Ｆでも試験を行った。これらの試験片に対して、約４２
０〜４５５ＭＰａ／６０〜６５ｋｓｉの軸方向初期応力
を加えた後に引き続き負荷を加えた。ブレードやベーン
に使用する材料の場合には、試験片は、少なくとも８５
時間後に初めて破断した。

【００４７】クリープ特性に関しても、約６５０℃／１
２００°Ｆで評価を行った。試験片を、約６５０℃／１
２００°Ｆに保って、少なくとも約５６０ＭＰａ／８０
ｋｓｉの軸方向応力が加わるまで負荷を加えた。０．１
％の塑性変形が生じる時間を測定した。ブレードやベー
ンに使用する材料の場合には、この時間は、約１５時間
を超える必要がある。ここでも、部材の特定の用途によ
って、詳細な要求値が異なってくる。

【００４８】ＡＭＳ５６６３では、以下の特性が必要と
なる。

【００４９】

【表１】

【００５０】ＡＭＳ５３８３では、以下の特性が必要と
なる。

【００５１】

【表２】 〈特性〉 〈室温〉 引張強度，最小 ８４０ＭＰａ／１２０ｋｓｉ 降伏強度，０．２％オフセット，最小 ７３５ＭＰａ／１０５ｋｓｉ ４Ｄでの伸び，最小 ３％ 面積の減少，最小 ８％ ＡＭＳ５６６３に記載されているように、鍛造材料の特
性は、試験片を長手方向もしくは横方向のいずれの方向
で試験したかによって異なる。即ちこれらの特性は、等
方性ではなく、横方向で試験を行った場合により低い値
が出る。

【００５２】更に、例えば、ＡＳＴＭＥ２９２に一致す
る（本発明に従って製造される材料を含む）応力破断試
験用の標準的な滑らかな試験片とノッチ付の試験片との
組み合わせに対して試験を行った。これらの試験片を、
６５０℃／１２００°Ｆに保ちながら、約７３５〜７７
０ＭＰａ／１０５〜１１０ｋｓｉの軸方向初期応力を加
えた後に引き続き負荷を加えた。試験片は、少なくとも
２３時間後に初めて破断した。これらの値は、ＡＭＳ５
６６３に記載された必要条件と一致する。

【００５３】ＡＭＳ５３８３の必要条件を満たす比較的
強度が低い部材については、応力破断試験用の標準的な
滑らかな試験片とノッチ付の試験片との組み合わせに対
して試験を行った。これらの試験片を、７０４℃／１３
００°Ｆに保ちながら、約４６２ＭＰａ／６５ｋｓｉの
軸方向初期応力を加えた後に引き続き負荷を加えた。こ
れらの試験片は、少なくとも２３時間後に初めて破断し
た。

【００５４】図８，図９，及び図１０を参照すると、Ｉ
Ｎ７１８などのニッケルベースの超合金は、望ましくは
溶融されるとともに、不活性ガスもしくは更に望ましく
は真空環境などの非反応性の環境で鋳造される。部材の
ダイキャストの所望の方法は、本出願と同日に米国に出
願され、共に継続中の出願である「溶融温度が高いかも
しくは反応性の材料からダイキャスト部材を形成する方
法」及び「高い溶融温度を有する材料用のダイキャスト
装置」に記載されている。望ましくは、一回の供給量即
ち（４．５ｋｇ／１０ポンドより少ない）少量の材料が
用意される（図１０−ステップ４４参照）。この供給量
は、材料を汚染することなく素早く溶融するように溶融
される。次に、溶融材料は、コールドチャンバタイプの
ダイキャスト装置の、望ましくは同様に真空排気された
水平なショットスリーブを部分的に満たすようにこのシ
ョットスリーブへと流し入れられる。溶融材料は、続い
て、望ましくは加熱されていない型に注入され、ここで
所望の部材を形成するように凝固される。

【００５５】まず、ダイキャスト用の材料を図８及び図
９に示した装置１８で溶融する（図１０−ステップ４
６）。反応性成分を含む超合金などの反応性材料を鋳造
する場合には、形成される部材の質に有害な影響を及ぼ
し得る反応、汚染、もしくは他の状態を防止するため
に、材料を非活性環境で溶融することが重要である。溶
融環境内のガスは、どのようなものであっても溶融材料
内に捕捉されてダイキャスト部材の過剰な気孔の原因と
なるおそれがあるので、アルゴンなどの不活性環境より
も真空環境で材料を溶融することが望ましい。更に望ま
しいのは、真空供給源２２と連結され、１００μｍより
も小さい圧力、望ましくは５０μｍよりも小さい圧力に
保たれた溶融チャンバ２０内で材料を溶融することであ
る。

【００５６】例えば、約２５ポンドまでの１回分の鋳造
用の供給材料を迅速でかつ完全に溶融することができ
る、ニュージャージー州、ランコカス（Ｒａｎｃｏｃａ
ｓ，ＮＪ）所在のコンサルクコーポレイション（Ｃｏｎ
ｓａｒｃ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）製造の、るつぼ２
４などで、ＩＮ７１８などのニッケルベースの超合金を
インダクションスカル再溶融（ＩＳＲ）や溶融によって
溶融することが望ましい。ＩＳＲでは、互いに隣り合う
位置に固定された（通常は銅である）複数の金属フィン
ガによって画定されるるつぼ２４内で材料が溶融され
る。このるつぼ２４は、電源供給源２６に連結された誘
導コイルによって囲まれている。これらのフィンガは、
フィンガが溶融するのを防止するように水供給源（図示
省略）からの冷却水循環用の流路を含む。コイルによっ
て発生する電界は、るつぼ２４を通って、るつぼ２４に
配置された材料を加熱して溶融する。この電界は、溶融
金属を撹拌即ち混ぜる役目も果たす。材料の薄膜がるつ
ぼ２４の壁に硬化してスカルを形成し、溶融材料がるつ
ぼ２４に破壊的な化学作用を及ぼすおそれを最小とす
る。るつぼ２４、コイル、及びコイルに与える出力レベ
ルと周波数を適切に選択することによって、溶融材料を
るつぼ２４から離れて浮揚させることができる。

【００５７】材料の溶融と溶融材料の型への注入との間
には、いくらかの時間経過が生じるので、材料は、過熱
した状態で溶融される。この過熱は、注入する時点まで
材料の少なくとも一部が実質的に溶融状態であるように
充分に高く、かつ、注入時に急速に凝固して、例えば、
微細な結晶が形成されるように、充分低い温度に制限さ
れる。超合金に関しては、過熱を溶融点よりも９３℃／
２００°Ｆだけ高い温度以内に、更に望ましくは、３８
℃／１００°Ｆだけ高い温度に、最も望ましくは１０℃
／５０°Ｆだけ高い温度に制限することが望ましい。

【００５８】材料の一回分の供給量をＩＳＲユニットを
用いて溶融することが望ましいが、真空誘導溶融（ＶＩ
Ｍ）、電子ビーム溶融、抵抗溶融、もしくはプラズマア
ークなどの他の方法で材料を溶融することもできる。更
に、バルク状の材料、例えば、数回分の材料を一度に真
空環境で溶融してから、１回分の溶融材料を型に注入す
るためにショットスリーブに移動することも除外するわ
けではない。しかし、材料を真空で溶融するので、溶融
材料の移動に使用する装置は、通常、高温に耐え得ると
ともに真空チャンバ内に配置可能である必要があり、従
って、チャンバが比較的大きいことが必要となる。この
ような装置が必要となることで、コストが増加するとと
もに、大きい真空チャンバに伴って排気に必要な時間が
長くなってしまい、サイクル時間に悪影響が及ぼされ
る。

【００５９】溶融材料を装置１８のるつぼ２４からショ
ットスリーブ３０へと移すために（図１０−ステップ４
８）、るつぼ２４は、（図９の矢印３８に沿って）並進
するようにかつ（図８の矢印３３のように）ピボット移
動するように流し入れ軸（図示省略）を中心に取り付け
られている。また、ショットスリーブ３０の流し入れ孔
３５を通して、ポアキャップもしくは漏斗がスリーブに
取り付けられた状態もしくはこのような手段がない状態
で溶融材料を流し入れるために、更に、モータ（図示省
略）に取り付けられている。上記並進は、材料を溶融す
る溶融チャンバ２０と、ショットスリーブが位置する別
個の真空チャンバ３４と、の間で起こる。流し入れチャ
ンバ３４も、非活性環境に保たれ、望ましくは１００μ
ｍ、更に望ましくは、５０μｍより低い圧力の真空環境
に保たれる。溶融チャンバ２０と流し入れチャンバ３４
とは、ゲートバルブや他の適切な手段（図示省略）によ
って分離されており、例えば、特定のチャンバ内の部材
にアクセスするために一方のチャンバが大気にさらされ
た場合であっても、真空状態の損失が最小で済むように
なっている。

【００６０】上述したように、溶融材料は、るつぼ２４
から流し入れ孔３５を通してショットスリーブ３０に移
される。ショットスリーブ３０は、型キャビティ３８を
画定する複数部材の再使用可能な型３６と連結してい
る。１つもしくは１つ以上の部材を含む型キャビティを
満たすのに充分な量の溶融材料が、ショットスリーブに
流し入れられる。例えば、１２のキャビティを有する型
を用いて、最大１２の部材を一回の注入で鋳造すること
に成功している。

【００６１】図示の型３６は、例えば、ガスタービンエ
ンジン用のコンプレッサエアフォイルの形状である型キ
ャビティ３８を共同で画定する２つの部分３６ａ，３６
ｂを含む。この型３６は、溶融金属の注入前に型を真空
排気することができるように真空供給源にも連結されて
おり、別個の真空チャンバに格納することもできる。型
３６の２つの部分３６ａ，３６ｂのうちの一方は、固定
されており、他方の部分は、例えば、油圧装置など（図
示省略）によって、他方に対して移動可能となってい
る。この型３６は、凝固した材料を型から容易に取り外
すことができるように、エジェクタピンを含むことが望
ましい。

【００６２】型３６は、種々の材料で構成することがで
き、良好な熱伝導性、及び溶融材料の注入による侵食や
化学的な破壊作用に対して相対的に耐性を有する必要が
ある。使用可能な材料の包括的なリストは、かなり長
く、金属、セラミック、グラファイト、及び金属マトリ
クス複合材などを含む。型材料には、Ｈ１３やＶ５７な
どの工具鋼、ＴＺＭやアンビロイなどのモリブデンやタ
ングステンベースの材料、銅ベリリウム合金“モールド
マックス”−ハイハードネスなどの銅ベースの材料、Ｆ
７５やＬ６０５などのコバルトベースの合金、ＩＮ１０
０やＲｅｎｅ９５などのニッケルベースの合金、鉄ベー
スの超合金、及び１０１８などの軟炭素鋼を使用して成
功してきた。型材料の選択は、経済的な部材製造のため
に重要であり、鋳造される部材の複雑さ及び量とともに
現時点での部材コストによって決定される。

【００６３】各型材料は、それぞれ異なる用途において
望まれる特性を有する。低コストの型材料には、型の機
械加工及び製造が比較的容易であることにより、軟炭素
鋼や銅ベリリウム合金が好適である。タングステンやモ
リブデンなどの耐熱性金属ベースの材料は、高温におい
て好適な強度を有するので、比較的コストが高く、かつ
量が多い用途に適している。コバルト及びニッケルベー
スの合金や、より多くの金属を含む合金である工具鋼
は、上述の２つのグループの中間物を提供する。コーテ
ィングや表面処理を使用して、装置の性能や製造される
部材の質を高めることもできる。また、水などの冷却剤
供給源もしくは油（図示省略）などの熱供給源に型を接
続して、作業中の型温度を熱的に管理することができ
る。更に、型潤滑剤を型及びダイキャスト装置の１つも
しくはそれ以上の選択された部材に用いることもでき
る。どのような潤滑剤を使用してもよいが、鋳造される
部材の質を全体的に向上させるとともに、注入材料を汚
染しないように熱的な破壊に耐性を有する必要がある。

【００６４】続いて、溶融金属をるつぼ２４からショッ
トスリーブ３０へと移す。型キャビティとともに関連す
るランナ、ビスケット、及び他のキャビティを満たすよ
うに充分な量の溶融金属をショットスリーブ３０に流し
入れる。ＩＮ７１８は、チタン合金と同程度に“筒”状
とはならないので、ショットスリーブを充填することが
できる。しかし、スリーブの充填が５０％、４０％、及
び３０％より少ない場合でも良質な鋳物を製造すること
が可能である。

【００６５】プランジャ４０などの注入装置は、ショッ
トスリーブ３０と協働して、実線で示した位置から点線
で示した位置まで油圧や他の適切な装置（図示省略）に
よって矢印４２の方向に駆動され、これにより、溶融材
料がスリーブ３０から型キャビティ３８内に注入される
（図１０−ステップ５０）。実線で示した位置では、プ
ランジャとスリーブとは、注入される溶融材料の量より
も実質的に大きい容積を定める。この容積は、注入材料
の量の少なくとも２倍であることが望ましく、少なくと
も約３倍であることが更に望ましい。従って、この量
が、るつぼからスリーブに移される溶融材料の量であ
る。スリーブが部分的にしか充填されない場合には、ス
リーブに凝固する材料即ちスキンによって、例えば、開
いた弓形面などの部分的な円筒のみしか形成されず、金
属の注入中により容易に削りとられるかもしくはつぶさ
れて溶融金属に再度混合される。

【００６６】注入時には、約０．７７ｍ／ｓ（３０イン
チ／秒（ｉｐｓ））〜７．７ｍ／ｓ（３００ｉｐｓ）の
間のプランジャ速度を用いたことがあり、また、現時点
では、約１．３〜４．５ｍ／ｓ（５０〜１７５インチ／
秒（ｉｐｓ））を使用することが望ましい。プランジャ
は、少なくとも８．４ＭＰａ／１２００ｐｓｉの圧力で
移動し、少なくとも１０．５ＭＰａ／１５００ｐｓｉで
移動することが更に望ましい。プランジャのストローク
の最後近くになると、型キャビティが満たされて、プラ
ンジャによって金属に圧力が伝達される。続いて、型キ
ャビティが完全に充填されるように、金属に加わる圧力
が、望ましくは少なくとも３．５ＭＰａ／５００ｐｓ
ｉ、更に望ましくは少なくとも約１０．５ＭＰａ／１５
００ｐｓｉに増加される。圧力の増加は、気孔率を最小
とし、冷却中に生じる材料収縮を減少させるかもしくは
なくすためにも行われる。型材料が確実に凝固する充分
な時間が経過した後に、型から部材を取り外すためにエ
ジェクタピン（図示省略）が作動される（図１０−ステ
ップ５２）。

【００６７】従来技術で周知のように、一般に鋳造され
た部材、特にダイキャストされた部材は、通常、数パー
セントまでの気孔率を有する傾向がある。従って、ガス
タービンエンジン用のコンプレッサエアフォイルなど
の、要求がより厳しい用途でこのような部材を使用する
場合には、気孔率を減少させ、望ましくは気孔を取り除
く必要があり、即ち必要に応じて処理する必要がある
（図１０−ステップ５４）。従って、鋳造したこれらの
部材の気孔率を減少させるとともに実質的に取り除くよ
うに、上述したホットアイソスタティック成形（ＨＩ
Ｐ）を行う。ＩＮ７１８などのニッケルベースの超合金
では、約９８２〜１０９３℃／１８００〜２０００°Ｆ
の温度、更に望ましくは、約９８２〜１０２３℃／１８
００〜１８７５°Ｆの温度で、最低限約４時間の間、約
１０５〜１７５ＭＰａ／１５〜２５ｋｓｉの圧力でＨＩ
Ｐを行うことが望ましい。

【００６８】所望であれば、続いて各部材に熱処理を行
うこともできる。ＩＮ７１８製ダイキャストで構成され
たエアフォイルに関しては、この熱処理は、ＡＭＳ５６
６３に記載されているような標準的で商業的に実施され
ている処理を含む。

【００６９】実際の熱処理及びＨＩＰのパラメータは、
所望の特性や部材の用途、及び処理の目標サイクル時間
によって変更することができるが、ＨＩＰにおいて使用
される圧力及び時間は、実質的に全ての気孔を除去する
とともに鋳物の偏析を均質化するのに充分であり、かつ
大きな結晶成長が生じない程度である必要がある。

【００７０】これらの部材は、例えば、蛍光浸透探傷検
査（ＦＰＩ）、放射線、目視などの従来の検査技術を使
用して検査され（図１０−ステップ５６）、検査後に使
用することができ、もしくは、必要に応じて更に処理／
再処理することができる（図１０−ステップ５８）。

【００７１】熱処理に関しては、従来の部材と比較して
かなり低い温度で偏析やＴＣＰ相を減少させるかもしく
は実質的に取り除くことができ、よって、ＨＩＰと同様
のパラメータ内で元素偏析に対処することができること
を確認した。熱処理は、約９８２〜１１２１℃／１８０
０〜２０５０°Ｆの温度で、約１〜２４時間、約１０５
〜１７５ＭＰａ／１５〜２５ｋｓｉの圧力で材料を加熱
して気孔を取り除くことを含む。この処理は、アルゴン
などの不活性環境で行われることが望ましい。実際のパ
ラメータは、部材の所望の用途、及び処理の目標サイク
ル時間によって変更することができるが、圧力及び時間
は、鋳造した部材（図１２参照）の実質的に全ての気孔
を除去するとともに偏析を均質化するのに充分であり、
かつ大きな結晶成長が生じない程度である必要がある。
図１３には、加圧することなく、約１０１０℃／１８５
０°Ｆで２時間加熱した材料を示しており、この図で
は、偏析が減少した様子が示されている。適切なＨＩＰ
圧力をこの時間にわたって加えることで、気孔も取り除
くことができる。

【００７２】結果的に形成される部材の結晶粒度は、温
度及び時間の影響を受ける。例えば、図１１を参照する
と、ＩＮ７１８製ダイキャスト部材は、約ＡＳＴＭ９の
平均結晶粒度、及び約３０％の偏析を有した（左側の写
真参照）。このサンプルに対して約９５４〜１１２１℃
／１７５０〜２０５０°Ｆの温度で熱処理を行ったとこ
ろ、処理部材は、温度の増加とともに偏析が減少すると
ともに平均結晶粒度が増加した。平均結晶粒度の増加
は、特に高温において、処理時間が長くなるほど顕著と
なる。図１１で示した曲線は、ＩＮ７１８製ダイキャス
トに関するものであるが、他の材料も同様の特性を示し
得る。例えば、共に継続中である米国特許出願、名称
「超合金ダイキャスト部材」を参照されたい。

【００７３】ニッケルベースの超合金に関する研究の結
果、良質の鋳物の製造において種々の条件が重要である
と考えられる。特に反応性の材料に関して、材料の溶
融、流し入れ、及び注入は、非活性の環境で行われる必
要があり、望ましくは１００μｍより低い圧力、更に望
ましくは、５０μｍより低い圧力に保たれた真空環境で
行うことが望ましい。過熱の程度は、材料を流し入れた
時点から注入する時点まで、材料が実質的かつ完全に溶
融状態に保たれるように充分であることが必要である
が、注入後に、急速に冷却して微小な結晶を形成するこ
とができる程度である必要もある。過熱が比較的低いの
で、金属が凝固する前に溶融金属の移動及び注入を素早
く行う必要がある。結果として生じる結晶粒度などのミ
クロ構造は、型材料、及び過熱とともに、鋳造する部材
の部分的な厚みにも対応するようであり、即ち比較的薄
いセクションは、比較的小さい結晶を含む傾向があり、
比較的厚いセクション（特に比較的厚いセクションの内
側部分）は、比較的大きい結晶を含む傾向がある。型材
料の熱伝導性が比較的高い場合や過熱が低い場合には、
部材の結晶が比較的小さくなる。これは、これらのセク
ションにおける相対的な冷却速度によると考えられる。
プランジャの移動速度、即ち材料の鋳型への注入速度
は、鋳造部材の表面仕上げに影響を与えるようであり、
またゲート設計や型材料も注入速度と組み合わさって影
響を与え得る。ダイキャストの比較的微細なミクロ構造
が有する利点を完全に得るためには、鋳造後の熱処理を
注意深く制御することが必要である。

【００７４】ダイキャストは、鍛造に比べて他にも大き
な利点を有する。特別に調整したビレット状材料を用意
する必要がなく、かつ多数の処理を要する鍛造に比べて
実質的に単一のステップで鋳造が行われるので、インゴ
ッドから最終部材となるまで部材を製造するのに要する
時間は、大きく減少する。ダイキャストでは、一度の鋳
造で複数の部材を製造することができる。また、ダイキ
ャストによって、より複雑な三次元形状を有する部材を
製造することができ、ガスタービンエンジンなどの分野
で新しいソフトウェア設計技術を活用することが可能と
なるとともに、より効率的なエアフォイルや他の部材の
製造が可能となる。ダイキャストによって、複雑な形状
を有する部材の製造を、このような複雑な形状に鋳造す
るのが困難もしくは不可能である材料を利用して行うこ
とが可能となる。更に、ダイキャスト部材は、鍛造部材
もしくはインベストメント鋳造部材よりも再現性が高
く、最終形状により近い形状に製造することができ、か
つ表面仕上げが優れているので、製造後の仕上げ処理が
最小で済む。また、これらの要因は全て、このような部
材の製造コストをも減少させる。

【００７５】本発明の熱処理は、利点を提供する。熱処
理によって、気孔、ラーベス偏析、及び他の望ましくな
いＴＣＰ相などの鋳造の悪い影響が取り除かれるととも
に、優れた機械的特性を提供する微細な結晶粒度を維持
する。更に、この処理は、上述の悪影響を全て１つのス
テップで取り除くことができ、これにより、コスト、時
間、及び取扱いを少なくすることができる。

【００７６】本発明を詳細に説明してきたが、本発明の
趣旨及び請求の範囲から離れずに種々の変更及び代用を
行うことができる。従って、本発明を実施例に基づいて
説明しており、限定的に説明したものではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るＩＮ７１８製ダイキャスト部材の
説明図である。

【図２】本発明に係るＩＮ７１８製ダイキャストの試験
片のミクロ構造を示す顕微鏡写真である。

【図３】本発明に係るＩＮ７１８製エアフォイルのミク
ロ構造を示す顕微鏡写真である。

【図４】ホットアイソスタティック成形した後の図３の
エアフォイルのミクロ構造を示す顕微鏡写真である。

【図５】ＩＮ７１８製の鍛造エアフォイルのミクロ構造
を示す顕微鏡写真である。

【図６】本発明に係るＩＮ７１８製ダイキャスト部材と
対応する鍛造部材との特性を示すグラフである。

【図７】本発明に係るＩＮ７１８製ダイキャスト部材と
対応する鍛造部材との特性を示すグラフである。

【図８】ＩＮ７１８製の部材の製造に使用するダイキャ
スト機械の概略図である。

【図９】ＩＮ７１８製の部材の製造に使用するダイキャ
スト機械の概略図である。

【図１０】本発明に係るＩＮ７１８製ダイキャストの処
理を示したフローチャートである。

【図１１】熱処理温度に対する本発明に係るＩＮ７１８
製ダイキャスト部材の平均結晶粒度と偏析割合とを示す
グラフである。

【図１２】元素偏析を含むＩＮ７１８製ダイキャスト部
材のミクロ構造を示す顕微鏡写真である。

【図１３】本発明に係るホットアイソスタティック成形
及び熱処理後の偏析が減少した様子を示す顕微鏡写真で
ある。

【符号の説明】

１８…装置 ２４…るつぼ ３０…ショットスリーブ ３５…開口部 ３６…型 ３６ａ，３６ｂ…型の一部 ３８…型キャビティ ４０…プランジャ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ラルフ ギュグノ アメリカ合衆国，コネチカット，アイヴォ リートン，マールズ ヒル ロード 96 (72)発明者 ウォルター フレデリック グスタフソン アメリカ合衆国，コネチカット，マンチェ スター，ロレイン ロード 20 (72)発明者 ジョン ジョセフ マーシン，ジュニア. アメリカ合衆国，コネチカット，マールボ ロウ，ヴァージニア レイル ドライヴ 50 (72)発明者 ジェフリー ウィリアム サミュルソン アメリカ合衆国，フロリダ，ジュピター, リヴァー エッジ ロード 324 (72)発明者 デルウィン エアール ノートン アメリカ合衆国，コネチカット，マンチェ スター，アグネス ドライヴ 21

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 約１５〜２５重量％のＣｒ、２．５〜
   ３．５重量％のＭｏ、約５．０〜５．７５重量％の（Ｃ
   ｂ＋Ｔａ）、０．５〜１．２５重量％のＴｉ、０．２５
   〜１．０重量％のＡｌ、約２１重量％までのＦｅ、残部
   実質的にＮｉの組成を有するダイキャスト部材。
2. 【請求項２】 前記部材は、流れ線を含まないミクロ構
   造を有し、かつＡＭＳ５６６３に規定の強度、亀裂進展
   速度、及び応力破断耐性を有することを特徴とする請求
   項１記載のダイキャスト部材。
3. 【請求項３】 前記部材は、ガスタービンエンジン部材
   を含むことを特徴とする請求項１記載のダイキャスト部
   材。
4. 【請求項４】 前記部材は、コンプレッサ部材であるこ
   とを特徴とする請求項３記載のダイキャスト部材。
5. 【請求項５】 前記部材は、タービン部材であることを
   特徴とする請求項３記載のダイキャスト部材。
6. 【請求項６】 平均粒度が約ＡＳＴＭ３よりも小さいこ
   とを特徴とする請求項１記載のダイキャスト部材。
7. 【請求項７】 前記部材は、室温で少なくとも１８０ｋ
   ｓｉ（１．２６ＧＰａ）の最大引張強度と少なくとも１
   ４５ｋｓｉ（１．０２ＧＰａ）の０．２％降伏強度とを
   有することを特徴とする請求項１記載のダイキャスト部
   材。
8. 【請求項８】 前記部材は、約１２００°Ｆ（６５０
   ℃）で少なくとも１５０ｋｓｉ（１．０５ＧＰａ）の最
   大引張強度と少なくとも１２５ｋｓｉ（８７５ＭＰａ）
   の０．２％降伏強度とを有することを特徴とする請求項
   ７記載のダイキャスト部材。
9. 【請求項９】 前記部材は、流れ線を含まないミクロ構
   造を有し、かつＡＭＳ５６６３に規定の強度、亀裂進展
   速度、及び応力破断耐性を有することを特徴とする請求
   項８記載のダイキャスト部材。
10. 【請求項１０】 前記部材は、室温で少なくとも１２０
    ｋｓｉ（８４０ＭＰａ）の最大引張強度と少なくとも１
    ０５ｋｓｉ（７３５ＭＰａ）の０．２％降伏強度とを有
    することを特徴とする請求項１記載のダイキャスト部
    材。
11. 【請求項１１】 約１５〜２５重量％のＣｒ、２．５〜
    ３．５重量％のＭｏ、約５．０〜５．７５重量％の（Ｃ
    ｂ＋Ｔａ）、０．５〜１．２５重量％のＴｉ、０．２５
    〜１．０重量％のＡｌ、約２１重量％までのＦｅ、残部
    実質的にＮｉの組成を有するガスタービンエンジンダイ
    キャスト部材。
12. 【請求項１２】 流れ線を含まないミクロ構造を有する
    ことを特徴とする請求項１１記載のガスタービンエンジ
    ンダイキャスト部材。
13. 【請求項１３】 前記部材は、室温及び１２００°Ｆ
    （６５０℃）の両方において、ＡＭＳ５６６３に規定の
    強度及び応力破断耐性を有することを特徴とする請求項
    １１記載のガスタービンエンジンダイキャスト部材。
14. 【請求項１４】 前記部材は、コンプレッサ部材である
    ことを特徴とする請求項１１記載のガスタービンエンジ
    ンダイキャスト部材。
15. 【請求項１５】 前記部材は、タービン部材であること
    を特徴とする請求項１１記載のガスタービンエンジンダ
    イキャスト部材。
16. 【請求項１６】 平均粒度が約ＡＳＴＭ３よりも小さい
    ことを特徴とする請求項２０記載のガスタービンエンジ
    ンダイキャスト部材。
17. 【請求項１７】 前記部材は、室温で少なくとも１８０
    ｋｓｉ（１．２６ＧＰａ）の最大引張強度及び少なくと
    も１４５ｋｓｉ（１．０２ＧＰａ）の０．２％降伏強度
    を有することを特徴とする請求項１１記載のガスタービ
    ンエンジンダイキャスト部材。
18. 【請求項１８】 前記部材は、１２００°Ｆ（約６５０
    ℃）で少なくとも１５０ｋｓｉ（１．０５ＧＰａ）の最
    大引張強度と少なくとも１２５ｋｓｉ（８７５ＭＰａ）
    の０．２％降伏強度とを有することを特徴とする請求項
    １１記載のガスタービンエンジンダイキャスト部材。
19. 【請求項１９】 前記部材は、室温及び１２００°Ｆ
    （６５０℃）の両方において、ＡＭＳ５３８３に規定の
    強度及び応力破断耐性を有することを特徴とする請求項
    １１記載のガスタービンエンジンダイキャスト部材。
20. 【請求項２０】 前記部材は、室温で少なくとも１２０
    ｋｓｉ（８４０ＭＰａ）の最大引張強度と少なくとも１
    ０５ｋｓｉ（７３５ＭＰａ）の０．２％降伏強度とを有
    することを特徴とする請求項１９記載のガスタービンエ
    ンジンダイキャスト部材。