JP2006328535A - 超合金粉末 - Google Patents

Abstract

【課題】ＮｉまたはＣｏ基超合金製部品の肉盛、ろう付において使用する粉末あるいは部材中の融解元素の分散の不均一性による、肉盛、ろう付部分の密度不足、変形を解決する。
【解決手段】本発明は、少なくとも１つの融解元素Ｂに富み、粉末の各粒子が、超合金の他の元素中に分散された前記少なくとも１つの融解元素を含むような、ＮｉまたはＣｏ基超合金粉末を開示する。このタイプの粉末は、超合金の構成元素および融解元素の両方に関して、すでに必要とされる最終組成を有する。特に、Ｂの割合と、所望によりＳｉの割合は、別の粉末と混合する予備工程なしに、粉末を使用するように構成される。構成部品、特にプレートの焼結による製造のため、またはセメントとの混合のため、または金属粉末の射出成形のための混合物の構成成分としての、この粉末を使用する。
【選択図】図１

Description

本発明の目的は超合金粉末である。

航空工学および工業用タービンの分野において、タービン翼およびノズルなどの特定の構成部品に課される過酷な運転条件は、これらの構成部品をＮｉ基またはＣｏ基超合金で製造することを必要とする。硬化肉盛（すなわち、構成部品上への材料の局所的堆積）により、これらの構成部品を組み立てるか、またはこれらを修復するためには、融接に依存する従来技術は、不十分であるかまたは使用に不適切であることが判明している。さらに、仏国特許第２８２２７４１号明細書に記載されているように、ろう付拡散法は、２種の金属粉末のいわゆる二成分混合物を用いて開発されてきた。これらの混合物は、
・ 修復される物質と類似した化学組成の第１の超合金粉末と、
・ ２重量％〜６重量％のホウ素（Ｂ）またはケイ素（Ｓｉ）などの融解元素を含有する、ニッケル（Ｎｉ）またはコバルト（Ｃｏ）基の第２の粉末とを含む。

第２の粉末中に融解元素が存在することは、第１の粉末が固体状態のままで、第２の粉末の融点を低下させ、かつ第２の粉末が液体である温度で作業することを可能にする。

これらの二成分混合物は、それでも、２種の粉末の均質な混合物を製造するのが困難であること、混合物の貯蔵の間に粉末が分離する問題、または混合物中の各粉末の配分の問題などの多くの欠点を有する。

例えば、二成分混合物を焼結し、混合物の特定の領域における融解元素の量が十分でない場合、多孔質焼結物質が得られる。反対に、混合物中の特定の領域における過剰の融解元素は、過度の融解を引き起こし、その結果、焼結物質が変形し、このために所望の寸法と一致しない。

これらの問題を克服するために、仏国特許第２８２２７４１号明細書に記載されている解決法は、機械的合成により、第１の粉末の粒子を第２の粉末の粒子で被覆させる方法である。しかしながら、実際、この被覆技術は、限界があることが判明している。すなわち、この技術は、特に、健康上の問題を引き起こす、使用される第２の粉末の微粉度のために、実施するのがかなり困難であることが判明している。さらにこの技術は、均一性を部分的に向上させるだけである。

Ｎｉ−Ｂおよび／またはＮｉ−Ｓｉの層中に超合金粉末の粒子を化学的に封入することも知られている。工業的見地から、この方法は、非常に時間がかかり、合金が少ない割合の多数の元素から構成される場合に実施するのが非常に困難であるという点で、使用するのが困難である。
仏国特許第２８２２７４１号明細書

本発明の目的は、既存の解決法の代替法を提案し、粉末内の融解元素の分散の均一性の点で良好な結果をもたらすことであり、これは、特に焼結により製造された構成部品の変形がないことにより反映される。

この目的を達成するために、本発明の目的は、請求項１または請求項５に記載のＮｉまたはＣｏ基超合金粉末である。

本発明の粉末は、超合金の構成元素および融解元素の両方の点で必要とされる最終組成を既に有しているので、本発明の粉末を、仏国特許第２８２２７４１号明細書におけるように別の粉末と混合する必要はない。特に、Ｂの割合と、所望によりＳｉの割合は、別の粉末との予備混合の工程なしに粉末を利用するように構成される（すでに説明したように、融解元素の割合は、粉末の熱処理の間に、粉末の挙動に対して決定的影響を有する）。

加えて、本発明の粉末において、前記融解元素は、超合金の一体部分を形成し、すなわち、上記知られている技術におけるように、超合金粒子の表面上に化学的に堆積または機械的に被覆されない。

要するに、本発明の粉末において、融解元素を含む超合金の構成元素は、粉末の各粒子中に存在し、従って、完全に均質に粉末内に分散している。粉末の特定の領域における融解元素の割合が極度に低いかまたは極度に高いことに関連する、局在化した多孔性および過度の溶融の問題は、かくして回避される。

有利には、本発明の粉末を製造するために、前記超合金の元素および前記少なくとも１つの融解元素を含む、前駆液体混合物を微粒化する技術が使用される。

本発明およびその利点は、以下の詳細な説明を読むことにより、よりよく理解されるであろう。この説明は添付の図面を参照する。

以下に一例として示された本発明の粉末のタイプに関係なく、各粉末は、少なくとも３つの元素Ｎｉ、Ｃｏ、およびＣｒ（クロム）を含む、ＮｉまたはＣｏ基超合金粉末である。

これらの粉末は、超合金の元素（Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒなど）、および少なくとも１つの融解元素（Ｂおよび、所望によりＳｉ）を含む前駆液体混合物から、微粒化技術を用いて調製された。この液体混合物は、液体混合物を低い流速で流出させるビュレットを備えたるつぼ中で、真空下での誘導により合金を融合させることにより得られた。高圧下、音速に近い速さで流れる不活性ガスジェットが、ビュレットを出る混合物を微粒化するために使用される。混合物は、次いで分解して微細液滴になり、これは表面張力の影響下で球状形態をとり、微粒化チャンバ中で非常に急速に冷える。本発明者らの場合、使用される不活性ガスは、例えばアルゴンまたは窒素である。

驚くべきことに、冷却中、合金の他の元素から融解元素が分離することはない。これらの元素は、全て各液滴中に残存し、従って粉末の各粒子内に残存する。

特に記載しない限り、以下に記載するパーセンテージは重量パーセントである。

本発明のＮｉ基超合金粉末の第１のタイプにおいて、融解元素に富む超合金は、本質的に、１４％〜１９．６％のＣｏと、８．２％〜１５．３％のＣｒと、２．６％〜４．７％のＭｏと、２．２５％〜３．５％のＡｌと、１．９５％〜３．１％のＴｉと、０％〜２％のＳｉと、０．４％〜１．３％のＢと、残りのＮｉとを含む。

粉末における不純物の存在は、除外されない（それ故に「本質的に」という用語を用いる）。例えば、炭素（Ｃ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、およびリン（Ｐ）は、例えば、０．０６％程度、または０．０６％未満などの最小の割合で見いだすことができる。

本発明の第１のタイプの超合金粉末の第一の例（ａ）において、融解元素に富む超合金は、本質的に、１６．４％〜１９．６％のＣｏと、８．２％〜１２．８％のＣｒと、２．６％〜４．４％のＭｏと、２．２５％〜３．３％のＡｌと、１．９５％〜２．９％のＴｉと、０．８％〜２％のＳｉと、０．５％〜１．３％のＢと、残りのＮｉとを含む。

本発明の第１のタイプの超合金粉末の第二の例（ｂ）において、融解元素に富む超合金は、本質的に、１４％〜１６％のＣｏと、１２％〜１５．３％のＣｒと、３．３５％〜４．７％のＭｏと、２．９％〜３．５％のＡｌと、２．５％〜３．１％のＴｉと、０．４％〜１％のＢと、残りのＮｉとを含む。例（ｂ）において、Ｂは、唯一の融解元素である。

本発明のＣｏ基超合金粉末の第２のタイプにおいて、融解元素に富む超合金は、本質的に、１７．２％〜２２．２％のＣｒと、２６．７５％〜３０％のＮｉと、０％〜１．５％のＳｉと、０．８％〜１％のＢと、０．１％〜０．５％のＣと、０％〜０．３７％のＺｒと、０％〜３％のＴａと、残りのＣｏを含む。

第２のタイプのコバルト基粉末は、リンＰなどの不純物を、０．０４％程度、または０．４％未満などの最小の割合で含むことができる。

以下の表１は、上述の粉末例（ａ）および（ｂ）、ならびに本発明の超合金粉末の第２のタイプに対応する粉末例（ｃ）の組成をまとめる。

超合金粉末のこれらの例はすべて、特に航空工学の分野において、ニッケル基またはコバルト基合金からなる構成部品の製造または修復の間に適用される、任意のろう付拡散法の実施において用いることができる。これは、構成部品の組立、および表面上の不具合の修正、または後者のある特性または幾何学的寸法の修復の目的での、構成部品または構成部品の表面の硬化肉盛上の亀裂または割れ目の充填を包含し得る。

用途に応じて、フィラー粉末の配置は異なる方法で行うことができる。

亀裂を充填するために、原料粉末を、例えば、Ｎｉｃｒｏｂｒａｚ３２０タイプのセメントと混合して用いることができる。得られる混合物は、ビーズの形態において適用することができることに留意されたい。

ある用途、および特に構成部品表面の硬化肉盛の場合において、適用は、コンパクトフィラーピースの形態で行うことができる。前記コンパクトフィラーピースは、粉末の焼結により圧縮する作成技術によるか、または金属粉末の射出成形の技術によるかのいずれかにより、粉末から得られる。

図１は、本発明による超合金粉末から焼結により製造されるコンパクトフィラーピースの一例を示す。これは、構成部品の表面を構築するために使用されるように構成されたプレートの形態をとる。

このプレートは、上述の第１のタイプの粉末から、以下の工程により作られる。すなわち原料粉末を釜で焼く工程と、焼かれた粉末を所望の焼結材料の寸法および厚さと適合する型中に配置させる工程と、炉中に型を配置し、これを熱処理に晒す工程とである。熱処理の一例として、温度を１，１６０℃まで連続的に上昇させ（０．１３Ｐａの炉内圧力）、この温度で約１０分間保持し、続いて徐々に冷却することが可能である。

比較のために、コンパクトフィラーピースを、知られているタイプの二成分粉末の混合物から焼結により製造した。図２は得られたピースを示す。

実際、本発明は、いくつかの異なるタイプの粉末の取り扱いおよび貯蔵をはぶき、任意の粉末混合段階を回避することを可能にし、このことは健康および安全性の観点から重要であることが分かった。

さらに、各粒子内に、プレートを製造するために必要な組成（すなわち、超合金の元素の全ておよび少なくとも１つの融解元素）を含有する単一の粉末を用いることにより、焼結温度は実質的に、二成分混合物に必要な温度よりも実質的に低下される。粉末の均一性および焼結温度の低下のために、焼結されたプレートの特性の均一性、および焼結されたプレートの寸法および形状の良好な維持において、特に所望の寸法および良好な平面性の保持において、顕著な改善が得られる。

反対に、図２は、二成分混合物の焼結中に起こり得る変形の問題を示す。

本発明の超合金粉末の均一性は、前記プレートを用いて構築された領域の機械的特性の改善において反映される。

本発明の粉末を使用するもう一つ別の例において、コンパクトフィラーピースは、金属粉末の射出成形の知られている技術を用いて製造することができる。これらの技術は、一般に、簡単な成形とその後の焼結により製造される構成部品よりも、複雑な形状の構成部品を得ることを可能にする。

この目的のために、粉末は、ミキサー中でバインダーと混合される。バインダーは、例えば、ポリプロピレン、エチレン、酢酸ビニル、およびパラフィンを含む。混合時間は、混合物を可塑化できるようなものでなければならない。混合物を次いで粉砕する前に冷却する。かくして得られた顆粒状物質は、プレスのホッパー中に供給され、製造されるコンパクトフィラーピースに特有の寸法の型中に注入されることができる。成形されたブランクを、次いで型から化学的にとりはずし、前記ブランクを焼結させる。

表１における特定の種の粉末例は、次の使用ａ、ｂ、およびｃのうちの特定の使用をより受け入れやすかった。
ａ）例えば、亀裂を充填するための、セメントと混合された粉末の使用と、
ｂ）コンパクトフィラーピース、特にプレートを焼結により製造するための粉末の使用と、
ｃ）金属粉末の射出成形のための混合物の構成成分としての粉末の使用。

各粉末例の好ましい使用を、以下の表２に示す。

本発明の粉末から焼結により製造されたプレートの写真である。 粉末の二成分混合物から焼結により製造されたプレートの写真である。

Claims (10)

1. 超合金粉末であって、粉末の各粒子が、超合金の他の元素間に分散された少なくとも１つの融解元素を含むように、超合金が、少なくとも１つの融解元素Ｂに富み、超合金が、
   １４重量％〜２４重量％のＣｏと、
   ８．２重量％〜２０重量％のＣｒと、
   ０重量％〜４．７重量％のＭｏと、
   ２．２５重量％〜８重量％のＡｌと、
   ０重量％〜３．１重量％のＴｉと、
   ０重量％〜３．３重量％のＳｉと、
   ０重量％〜４．５重量％のＴａと、
   ０重量％〜０．６重量％のＹと、
   最高１．３重量％までのＢと、
   残りのＮｉとからなることを特徴とする、超合金粉末。
2. 融解元素に富む前記超合金が、
   １４重量％〜１９．６重量％のＣｏと、
   ８．２重量％〜１５．３重量％のＣｒと、
   ２．６重量％〜４．７重量％のＭｏと、
   ２．２５重量％〜３．５重量％のＡｌと、
   １．９５重量％〜３．１重量％のＴｉと、
   ０重量％〜２重量％のＳｉと、
   ０．４重量％〜１．３重量％のＢと、
   残りのＮｉとからなる、請求項１に記載の超合金粉末。
3. 融解元素に富む前記超合金が、
   １６．４重量％〜１９．６重量％のＣｏと、
   ８．２重量％〜１２．８重量％のＣｒと、
   ２．６重量％〜４．４重量％のＭｏと、
   ２．２５重量％〜３．３重量％のＡｌと、
   １．９５重量％〜２．９重量％のＴｉと、
   ０．８重量％〜２重量％のＳｉと、
   ０．５重量％〜１．３重量％のＢと、
   残りのＮｉとからなる、請求項２に記載の超合金粉末。
4. 融解元素に富む前記超合金が、
   １４重量％〜１６重量％のＣｏと、
   １２重量％〜１５．３重量％のＣｒと、
   ３．３５重量％〜４．７重量％のＭｏと、
   ２．９重量％〜３．５重量％のＡｌと、
   ２．５重量％〜３．１重量％のＴｉと、
   ０．４重量％〜１重量％のＢと、
   残りのＮｉとからなる、請求項２に記載の超合金粉末。
5. 超合金粉末であって、粉末の各粒子が、超合金の他の元素間に分散された少なくとも１つの融解元素を含むように、超合金が、少なくとも１つの融解元素Ｂに富み、超合金が、
   １７．２重量％〜２３重量％のＣｒと、
   ２６．７５重量％〜３２．４重量％のＮｉと、
   ０重量％〜２．５重量％のＳｉと、
   ０重量％〜０．５重量％のＣと、
   ０重量％〜０．４重量％のＺｒと、
   ０重量％〜３重量％のＴａと、
   ０重量％〜０．５重量％のＹと、
   ０重量％〜８重量％のＡｌと、
   最高１．２重量％までのＢと、
   残りのＣｏとからなることを特徴とする、超合金粉末。
6. 融解元素に富む前記超合金が、
   １７．２重量％〜２２．２重量％のＣｒと、
   ２６．７５重量％〜３０重量％のＮｉと、
   ０重量％〜１．５重量％のＳｉと、
   ０．８重量％〜１重量％のＢと、
   ０．１重量％〜０．５重量％のＣと、
   ０重量％〜０．３７重量％のＺｒと、
   ０重量％〜３重量％のＴａと、
   残りのＣｏとからなる、請求項５に記載の超合金粉末。
7. 前記超合金の元素および前記少なくとも１つの融解元素を含む液体混合物の微粒化により得られる、請求項１から６のいずれか一項に記載の超合金粉末。
8. 構成部品、特にプレートを焼結により製造するための、請求項１から７のいずれか一項に記載の超合金粉末の使用。
9. セメントと混合される、請求項１から７のいずれか一項に記載の超合金粉末の使用。
10. 金属粉末の射出成型用混合物の構成成分としての、請求項１から７のいずれか一項に記載の超合金粉末の使用。

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