JP2014043620A - METHOD OF MANUFACTURING INGOT OF Ni-BASED SUPERALLOY - Google Patents

METHOD OF MANUFACTURING INGOT OF Ni-BASED SUPERALLOY Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of manufacturing an ingot of a Ni-based superalloy by ESR method or VAR method, capable of preventing occurrence of defects such as freckle defect or segregation.SOLUTION: A method of manufacturing an ingot 1 of a Ni-based superalloy containing, by mass%, Ni:45 to 60%, Cr:15 to 30%, Mo:1 to 10%, Ti:5% or less, Nb and Ta:total 10% or less and Al:0.2 to 5%, and further Bi:10 to 100 mass ppm by ESR method or VAR method includes using a consumable electrode 2 not containing Bi in a base material and adding Bi when the consumable electrode 2 is dissolved.

Description

本発明は、Ni基超合金の鋳塊の製造方法に関し、特に、内部品質の均一な鋳塊の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a Ni-base superalloy ingot, and more particularly to a method for producing an ingot with uniform internal quality.

Ni基超合金は、優れた耐食性および耐熱性を有し、高温下においても強度が維持される。これは、母相であるγ相中に、γ′相(Ni3(Al,Ti))およびγ″相(Ni3Nb)を整合析出させることによる析出強化や、Cr、Mo等の元素の添加による固溶強化により得られる特徴である。そのため、この超合金は、航空機用エンジンやガスタービン、油井機器等の、700℃を超える高温環境や過酷な腐食環境において使用可能な素材として注目を集めている。 The Ni-base superalloy has excellent corrosion resistance and heat resistance, and maintains strength even at high temperatures. This is because precipitation strengthening by coherent precipitation of the γ ′ phase (Ni 3 (Al, Ti)) and the γ ″ phase (Ni 3 Nb) in the γ phase which is the parent phase, and elements such as Cr and Mo Therefore, this superalloy is attracting attention as a material that can be used in high-temperature environments exceeding 700 ° C and severe corrosive environments such as aircraft engines, gas turbines, and oil well equipment. Collecting.

さらに、この種の合金は、上記のような安全性が要求される用途に適用されるため、その鋳塊に要求される品質のレベルは厳格化しており、併せて製品の大型化に伴って鋳塊の大型化も要求されている。   Furthermore, since this type of alloy is applied to applications requiring safety as described above, the level of quality required for the ingot has been tightened, and along with the increase in size of products. Larger ingots are also required.

しかし、Ni基超合金は、強化相の析出を目的としてNbやMo等の合金元素を多量に含有しているため、合金元素の含有率が低い合金と比較してマクロ偏析が生じやすく、鋳塊の大型化が困難であるとされている。   However, since Ni-base superalloys contain a large amount of alloy elements such as Nb and Mo for the purpose of precipitation of the strengthening phase, macrosegregation is more likely to occur compared to alloys with a low alloy element content. It is said that it is difficult to increase the size of the lump.

そのため、Ni基超合金の鋳塊は、マクロ偏析が生じにくい再溶解プロセスである、エレクトロスラグ溶解法(ESR(Electro−Slag Remelting)法))や真空アーク再溶解法(VAR(Vacuum Arc Remelting)法)またはこれらの方法の併用により製造される。   Therefore, the ingot of the Ni-base superalloy is an electroslag melting method (ESR (Electro-Slag Remelting) method) or a vacuum arc remelting method (VAR (Vacuum Arc Remelting)), which is a remelting process in which macrosegregation hardly occurs. Method) or a combination of these methods.

これらの再溶解プロセスによって鋳塊を製造する場合、凝固して形成された柱状の鋳塊の上部に溶湯のプールが存在し、そのプールの底部から溶湯が凝固し、その一方でプールの上方から溶湯が補充され、鋳塊の形成が進行する。   When producing an ingot by these remelting processes, a molten metal pool exists at the top of a columnar ingot formed by solidification, and the molten metal solidifies from the bottom of the pool, while from the upper side of the pool. The molten metal is replenished and ingot formation proceeds.

このプロセスではマクロ偏析は生じにくいものの、冷却条件や合金組成、鋳塊の形状等の条件によってフレッケル欠陥と呼ばれる偏析に起因する欠陥が生じることがある。   In this process, macrosegregation hardly occurs, but defects caused by segregation called Freckle defects may occur depending on conditions such as cooling conditions, alloy composition, and ingot shape.

フレッケル欠陥は、後工程で鋳塊に熱処理を施しても除去することが困難であり、鋳塊の内部に偏析として残存する。そのため、この鋳塊から製造された製品の品質低下の原因となり、要求される品質に対応できないという大きな問題となる。   Freckle defects are difficult to remove even if heat treatment is performed on the ingot in a later step, and remain as segregation inside the ingot. For this reason, the quality of a product manufactured from the ingot is reduced, which is a serious problem that the required quality cannot be met.

図1は、ESR法によって得られた一般的な鋳塊の縦断面図である。ESR法では、水冷銅モールドを用いて鋳塊が製造される。そのため、鋳塊1には、表面から内部に向かってデンドライト11が成長する。また、鋳塊1の内部には、製造時の溶湯のプールの深さにもよるが、プールの曲率が大きくデンドライトアームの間隔が広がりやすい鋳塊のR/2近傍にフレッケル欠陥12が発生しやすい。さらに、鋳塊が大型である場合には、重元素の含有率が高い場合等にはR/2に加え、鋳片の表面寄りにもフレッケル欠陥が発生しやすい。ここで「R/2」とは、半径Rの円柱形状の鋳塊の中心軸からの距離がR/2の位置をいう(以下同様)。   FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a general ingot obtained by the ESR method. In the ESR method, an ingot is manufactured using a water-cooled copper mold. Therefore, dendrites 11 grow on the ingot 1 from the surface toward the inside. Also, inside the ingot 1, depending on the depth of the molten metal pool at the time of manufacture, a Freckle defect 12 is generated in the vicinity of R / 2 of the ingot where the curvature of the pool is large and the interval between the dendrite arms tends to be widened. Cheap. Further, when the ingot is large, Freckle defects are likely to occur near the surface of the slab in addition to R / 2 when the content of heavy elements is high. Here, “R / 2” refers to a position where the distance from the central axis of a cylindrical ingot having a radius R is R / 2 (the same applies hereinafter).

フレッケル欠陥とは、Nb、Mo、W、その他の合金元素が濃化して生じる偏析であり、ストリーク状に発達したマクロ偏析の一種である。また、フレッケル欠陥は、普通造塊法(鋳型に溶湯を流し込んで鋳造する方法)で製造した鋳塊に見られるゴースト偏析と同様の機構で発生し、チャンネル型偏析の一種である。   Freckle defects are segregation caused by concentration of Nb, Mo, W, and other alloy elements, and are a kind of macrosegregation that develops in a streak shape. Further, the freckle defect is generated by a mechanism similar to ghost segregation found in an ingot produced by a normal ingot casting method (a method in which a molten metal is poured into a mold and cast), and is a kind of channel type segregation.

ここで、フレッケル欠陥の発生機構は以下のように説明できる。   Here, the generation mechanism of the freckle defect can be explained as follows.

鋳塊の製造時において合金の固液界面において凝固が進行する際に、溶質の再分配が行われ、含有する合金元素により、デンドライトアームの間にAl、Ti、Si等の軽元素、またはNb、Mo、W等の重元素が濃化(凝集)した金属の液塊(ミクロ偏析)が溶湯のバルク(母材)中に発生する。   When solidification proceeds at the solid-liquid interface of the alloy during the production of the ingot, the solute is redistributed, and depending on the alloying elements contained, light elements such as Al, Ti, Si, or Nb between the dendrite arms , Metal liquid mass (micro segregation) in which heavy elements such as Mo and W are concentrated (aggregated) is generated in the bulk (base material) of the molten metal.

軽元素が凝集したミクロ偏析は、バルクと比較して密度が低いため、浮力により浮上する。反対に、重元素が凝集したミクロ偏析は、バルクと比較して密度が高いため、重力により沈降する。   Since microsegregation in which light elements are aggregated has a lower density than bulk, it floats by buoyancy. On the other hand, the microsegregation in which heavy elements are aggregated has a higher density than the bulk, and thus settles due to gravity.

これらの、ミクロ偏析は、発生当初には樹枝状に形成されたデンドライトアームの間で静止しているものの、その後浮力または重力によりわずかに移動し、別のミクロ偏析と合体(凝集)することでマクロ的な偏析の集合体に成長して体積を増す。このようにして生じた大きな偏析が凝固の進行とともに凍結され、偏析線となって鋳塊内部に残ったものが、フレッケル欠陥である。   Although these microsegregations are stationary between dendritic arms formed in the shape of dendrites at the beginning, they are moved slightly by buoyancy or gravity and then merged (aggregated) with other microsegregations. Grows into a macroscopic segregation aggregate to increase volume. The large segregation produced in this way is frozen as the solidification progresses, and the segregation line that remains inside the ingot is the Freckle defect.

フレッケル欠陥は、その発生機構上、溶湯中の軽元素または重元素の含有率が高いほど発生しやすい。また、凝固組織であるデンドライト組織が粗い場合には、最初に発生する個々のミクロ偏析も大きく、かつミクロ偏析が移動しやすいため、容易に凝集して体積が大きくなりやすく、フレッケル欠陥が粗大化しやすい。   Freckel defects are more likely to occur as the content of light elements or heavy elements in the molten metal is higher due to the generation mechanism. In addition, when the dendrite structure, which is a solidified structure, is coarse, the individual microsegregation that occurs first is large and the microsegregation easily moves, so it easily aggregates and increases in volume, and the Freckle defects become coarser. Cheap.

上述の通り、Ni基超合金の鋳塊に要求される品質のレベルは厳格化しており、欠陥のない高い品質が要求されている。この要求に応えるには、フレッケル欠陥を鋳塊の鋳造段階で低減する必要がある。   As described above, the level of quality required for a Ni-base superalloy ingot is stricter, and high quality without defects is required. In order to meet this requirement, it is necessary to reduce freckle defects at the ingot casting stage.

フレッケル欠陥は、その発生機構から考えると、デンドライト組織を微細化することで発生を抑制可能であると考えられる。デンドライト組織の微細化は、鋳造時の冷却速度を大きくすることにより達成できることが知られている。冷却速度を大きくする方法としては、例えば鋳塊の径を小さくする方法が挙げられるが、その場合には製品のサイズが制限される等の問題がある。   Considering the generation mechanism, it is considered that the generation of freckle defects can be suppressed by miniaturizing the dendrite structure. It is known that the dendrite structure can be refined by increasing the cooling rate during casting. As a method for increasing the cooling rate, for example, there is a method for reducing the diameter of the ingot. In this case, however, there is a problem that the size of the product is limited.

特許文献1には、鋳造時の冷却速度を大きくすることを目的とし、冷却ガスとして熱伝導性に優れるHeガスを鋳塊の下部から供給しながらESR法を行う方法が記載されている。しかし、鋳塊が大きい場合には、冷却ガスを熱伝導性に優れたものとする効果は鋳塊の表層部近傍でしか得られないため、フレッケル欠陥が発生しやすい鋳塊のR/2近傍の冷却速度を大きく変化させることはできない。そのため、同文献に記載された方法では、フレッケル欠陥を抑制する効果は小さいと考えられる。   Patent Document 1 describes a method of performing the ESR method with the purpose of increasing the cooling rate at the time of casting and supplying He gas having excellent thermal conductivity as a cooling gas from the lower part of the ingot. However, when the ingot is large, the effect of making the cooling gas excellent in thermal conductivity can be obtained only in the vicinity of the surface portion of the ingot, so the vicinity of R / 2 of the ingot where freckle defects are likely to occur. The cooling rate cannot be changed greatly. For this reason, it is considered that the method described in this document has a small effect of suppressing the Freckle defect.

特許文献2には、Ni基超合金の鋳塊の製造時にストリーク状の偏析の発生を軽減させる方法として、Coを添加することにより、Niとの密度差が大きいWの分配係数を1に近づけ、溶湯のバルクと合金元素が濃化したミクロ偏析との密度差を小さくする方法が記載されている。この方法は、Wを含有するNi基超合金におけるストリーク状の偏析の抑制に有効であることが実施例に示されているものの、記載鋳物材料を変えた場合には、改めて合金設計を行わなければならず、さらに機械的特性の評価を改めて行わなければならないという問題がある。   In Patent Document 2, as a method for reducing the occurrence of streak-like segregation during the production of an ingot of a Ni-base superalloy, the distribution coefficient of W having a large density difference from Ni is made close to 1 by adding Co. A method of reducing the density difference between the bulk of the molten metal and the microsegregation in which the alloy elements are concentrated is described. Although this method is effective in suppressing streak-like segregation in a Ni-base superalloy containing W, the examples show that if the casting material is changed, the alloy must be redesigned. In addition, there is a problem that mechanical characteristics must be evaluated again.

特許文献3には、フレッケル欠陥のないNi基超合金の鋳塊をVAR法またはESR法で製造する方法として、溶湯のプールの形状を固液界面の傾斜が緩やかとなるように制御する方法が記載されている。一般的に、鋳型と鋳塊のデンドライト成長方向の角度との関係から、プールの側面を鋳型にできるだけ平行にする必要があること、およびプールが浅いほどフレッケル欠陥が発生しにくいことが知られている。しかし、これらの条件を実現するには溶解速度を遅くする必要がある。溶解速度を遅くすると、スラグ殻の厚肉化や不均一化等により、鋳肌の劣化や、凝固組織の粗大化による鋳塊品質の劣化が生じるという問題が生じる可能性があり、さらに生産量の低下という問題も生じる。   Patent Document 3 discloses a method for controlling the shape of a molten metal pool so that the inclination of a solid-liquid interface becomes gentle as a method of manufacturing an ingot of a Ni-base superalloy having no freckle defect by a VAR method or an ESR method. Have been described. In general, it is known from the relationship between the mold and the angle of the dendrite growth direction of the ingot that the side of the pool should be parallel to the mold as much as possible, and that the smaller the pool, the less likely that Freckle defects will occur. Yes. However, to achieve these conditions, it is necessary to slow down the dissolution rate. If the dissolution rate is slow, problems such as deterioration of the casting surface and ingot quality due to coarsening of the solidified structure may occur due to thickening and non-uniformity of the slag shell, and further the production volume. The problem of lowering of the size also occurs.

また、本発明者らは、特許文献4において、普通造塊法で鋼塊を鋳造する際にゴースト偏析の発生を抑制するのに非常に有効な方法として、微量のBiを添加することにより、デンドライトアームの間隔を狭くし、偏析発生の原因となるミクロ偏析の流動を抑制する方法を提案した。しかし、この方法は、普通造塊法により鋼塊を鋳造する際に適用されるものであり、ESR法やVAR法による鋳造方法に適用した場合には、アーク加熱を用いるため局部的な高温領域が生じ、Biの歩留まりが悪く、同様の効果が得られないと考えられる。   In addition, in the Patent Document 4, the inventors have added a very small amount of Bi as a very effective method for suppressing the occurrence of ghost segregation when casting a steel ingot by the ordinary ingot forming method. We proposed a method to reduce the flow of micro-segregation, which causes segregation, by reducing the distance between dendrite arms. However, this method is applied when casting a steel ingot by a normal ingot forming method, and when applied to a casting method by an ESR method or a VAR method, a local high temperature region is used because arc heating is used. It is considered that the yield of Bi is poor and the same effect cannot be obtained.

ところで、特許文献5には、Pbに替わる元素としてBiを含有する快削鋼の製造方法が記載されている。同文献には、Biを5〜70質量%含有する合金のワイヤーまたは粒状塊を、鋳造の際の溶鋼の注入流に添加することが記載されており、特にワイヤーの場合にBiの歩留まりが良好であることが記載されている。しかし、同文献に記載の方法も、前記特許文献4に記載の方法と同様に普通造塊法により鋼塊を鋳造する際に適用されるものであり、ESR法やVAR法による鋳造方法に適用した場合には、同様の効果が得られないと考えられる。   By the way, Patent Document 5 describes a method for producing free-cutting steel containing Bi as an element replacing Pb. This document describes that an alloy wire or granular lump containing 5 to 70% by mass of Bi is added to the molten steel injection flow during casting, and the yield of Bi is particularly good in the case of a wire. It is described that. However, the method described in the same document is also applied when casting a steel ingot by the ordinary ingot forming method similarly to the method described in Patent Document 4, and is applied to the casting method by the ESR method or the VAR method. In such a case, it is considered that the same effect cannot be obtained.

特開平9−29420号公報JP-A-9-29420 国際公開第2009/102028号International Publication No. 2009/102028 特開2003−164946号公報JP 2003-164946 A 特開2012−35286号公報JP 2012-35286 A 特開2002−363683号公報JP 2002-363683 A

上述のように、Ni基超合金の大型の鋳塊をESR法またはVAR法によって製造する場合において、特許文献1〜5に記載の方法を適用してフレッケル欠陥の発生を抑制するのは困難である。   As described above, when a large ingot of a Ni-base superalloy is manufactured by the ESR method or the VAR method, it is difficult to suppress the occurrence of freckle defects by applying the methods described in Patent Documents 1 to 5. is there.

本発明は、この問題に鑑みてなされたものであり、フレッケル欠陥や偏析等の欠陥の発生を抑制し、品質の優れた大型の鋳塊を得ることが可能な、ESR法またはVAR法によるNi基超合金の鋳塊の製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of this problem, and it is possible to suppress generation of defects such as freckle defects and segregation, and to obtain a large ingot having excellent quality, which is Ni by ESR or VAR. It aims at providing the manufacturing method of the ingot of a base superalloy.

本発明者らは、ESR法またはVAR法によって製造されたNi基超合金の鋳塊におけるフレッケル欠陥の発生を抑制する方法について検討した結果、Biを所定量含有させることが効果的であることを知見した。これは、鋼塊の場合と同様に、デンドライト組織が微細化され、ミクロ偏析の移動が阻害されるからである。   As a result of studying a method for suppressing the occurrence of freckle defects in an ingot of a Ni-base superalloy manufactured by the ESR method or the VAR method, the present inventors have found that it is effective to contain a predetermined amount of Bi. I found out. This is because the dendrite structure is refined and the movement of microsegregation is inhibited, as in the case of the steel ingot.

さらに、Biを添加する工程について検討した結果、ESR法またはVAR法に用いる消耗電極を鋳造する際ではなく、ESR法またはVAR法において消耗電極を溶解して鋳塊を鋳造する際に添加することにより、Biを歩留まりよく添加することが可能であることを知見した。これらの検討内容については後述する。   Further, as a result of examining the process of adding Bi, it is not added when casting the consumable electrode used in the ESR method or VAR method, but added when casting the ingot by melting the consumable electrode in the ESR method or VAR method. Thus, it was found that Bi can be added with a high yield. Details of these studies will be described later.

本発明は、これらの知見に基づいてなされたものであり、その要旨は、下記の(1)〜(5)に示すNi基超合金の鋳塊の製造方法にある。   This invention is made | formed based on these knowledge, The summary exists in the manufacturing method of the ingot of the Ni base superalloy shown to following (1)-(5).

(1)質量%で、Ni:45〜60%、Cr:15〜30%、Mo:1〜10%、Ti:5%以下、NbおよびTa:合計で10%以下、ならびにAl:0.2〜5%を含有し、さらにBi:10〜100質量ppmを含有するNi基超合金の鋳塊をESR法またはVAR法によって製造する方法であって、母材中にBiを含有しない消耗電極を用い、前記消耗電極を溶解する際にBiを添加することを特徴とするNi基超合金の鋳塊の製造方法。 (1) In mass%, Ni: 45-60%, Cr: 15-30%, Mo: 1-10%, Ti: 5% or less, Nb and Ta: 10% or less in total, and Al: 0.2 A consumable electrode that contains a Ni-based superalloy ingot containing 5 to 5% and Bi: 10 to 100 ppm by mass by the ESR method or the VAR method, and does not contain Bi in the base material. A method for producing a Ni-base superalloy ingot, wherein Bi is added when the consumable electrode is melted.

(2)前記消耗電極の母材の側面にBiを含有するワイヤーを溶接し、この消耗電極を用いることを特徴とする前記(1)に記載のNi基超合金の鋳塊の製造方法。 (2) The method for producing a Ni-base superalloy ingot according to (1), wherein a wire containing Bi is welded to a side surface of the base material of the consumable electrode, and the consumable electrode is used.

(3)前記ワイヤーがNi−Bi合金であることを特徴とする前記(2)に記載のNi基超合金の鋳塊の製造方法。 (3) The method for producing an ingot of a Ni-based superalloy according to (2), wherein the wire is a Ni-Bi alloy.

(4)前記ワイヤーが鉄で被覆されていることを特徴とする前記(2)または(3)に記載のNi基超合金の鋳塊の製造方法。 (4) The method for producing a Ni-base superalloy ingot according to (2) or (3), wherein the wire is coated with iron.

(5)鋳塊のBiの含有量は、Biの添加量の40%以上とすることを特徴とする前記(1)〜(4)のいずれかに記載のNi基超合金の鋳塊の製造方法。 (5) Production of ingot of Ni-base superalloy according to any one of (1) to (4), wherein Bi content of ingot is 40% or more of Bi addition amount Method.

以下の説明では、「金属」とは、純金属および合金のいずれをも含む。Ni基超合金およびNi−Bi合金の成分組成についての「質量%」および「質量ppm」を、それぞれ単に「%」および「ppm」とも表示する。   In the following description, “metal” includes both pure metals and alloys. “Mass%” and “mass ppm” for the component compositions of the Ni-base superalloy and Ni—Bi alloy are also simply expressed as “%” and “ppm”, respectively.

本発明のNi基超合金の鋳塊の製造方法によれば、フレッケル欠陥や偏析等の欠陥の少ない大型の鋳塊を得ることができる。この鋳塊を素材として製造された製品は、高温環境や過酷な腐食環境において安定して使用することができる。また、Biを歩留まりよく添加することができるため、確実に欠陥を低減することができる。   According to the method for producing a Ni-base superalloy ingot of the present invention, a large ingot having few defects such as Freckle defects and segregation can be obtained. A product manufactured using this ingot as a raw material can be used stably in a high temperature environment or a severe corrosive environment. In addition, since Bi can be added with a high yield, defects can be reliably reduced.

ESR法によって得られた一般的な鋳塊の縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of the general ingot obtained by ESR method. 本発明のNi基超合金の鋳塊の製造方法において、鋳塊をESR法によって鋳造する際の状態の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the state at the time of casting an ingot by the ESR method in the manufacturing method of the ingot of the Ni base superalloy of this invention. Bi含有率と1次デンドライトアーム間隔との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between Bi content rate and a primary dendrite arm space | interval.

本発明のNi基超合金の鋳塊の製造方法は、Ni:45〜60%、Cr:15〜30%、Mo:1〜10%、Ti:5%以下、NbおよびTa:合計で10%以下、ならびにAl:0.2〜5%を含有し、さらにBi:10〜100ppmを含有するNi基超合金の鋳塊をESR法またはVAR法によって製造する方法であって、母材中にBiを含有しない消耗電極を用い、前記消耗電極を溶解する際にBiを添加することを特徴とする。   The ingot of the Ni-base superalloy according to the present invention is manufactured by Ni: 45-60%, Cr: 15-30%, Mo: 1-10%, Ti: 5% or less, Nb and Ta: 10% in total The following is a method for producing an ingot of a Ni-based superalloy containing Al: 0.2 to 5% and further containing Bi: 10 to 100 ppm by the ESR method or the VAR method. A consumable electrode that does not contain is added, and Bi is added when the consumable electrode is dissolved.

以下に、本発明のNi基超合金の鋳塊の製造方法を上述の通り規定した理由および本発明の好ましい態様について説明する。   Below, the reason for having prescribed | regulated the manufacturing method of the ingot of the Ni base superalloy of this invention as mentioned above and the preferable aspect of this invention are demonstrated.

1.ESR法による鋳塊の製造
図2は、本発明のNi基超合金の鋳塊の製造方法において、鋳塊をESR法によって鋳造する際の状態の一例を示す模式図である。同図に示すように、ESR法では、鋳塊1の材料である円柱状の消耗電極2は、その上端に溶接によってスタブ4が連結され、図示しない昇降機構によるスタブ4の下降に伴って下降する。その際、チャンバー5内の鋳型(水冷銅モールド)6内には溶融スラグ7が保持されており、消耗電極2を溶融スラグ7に浸漬させた状態で通電を行うことにより、溶融スラグ7に電流が流れ溶融スラグ7が発熱する。消耗電極2は、その溶融スラグ7のジュール熱によって下端から順次溶解する。溶解した消耗電極2は、液滴となって溶融スラグ7中を沈降し、鋳型6内で溶湯3のプールとなって貯溜されつつ積層凝固していく。こうして消耗電極2が上端まで順次溶解し、その溶湯3が鋳型6内で順次凝固することにより、Ni基超合金の鋳塊1が得られる。VAR法によっても、以上説明したESR法とほぼ同様の過程で消耗電極からNi基超合金の鋳塊を得ることができる。
1. Production of Ingot by ESR Method FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of a state when casting an ingot by the ESR method in the method for producing an ingot of the Ni-base superalloy according to the present invention. As shown in the figure, in the ESR method, a cylindrical consumable electrode 2 that is a material of the ingot 1 has a stub 4 connected to its upper end by welding, and descends as the stub 4 is lowered by a lifting mechanism (not shown). To do. At that time, a molten slag 7 is held in a mold (water-cooled copper mold) 6 in the chamber 5, and when the consumable electrode 2 is immersed in the molten slag 7, an electric current is applied to the molten slag 7. Flows and the molten slag 7 generates heat. The consumable electrode 2 is sequentially dissolved from the lower end by Joule heat of the molten slag 7. The melted consumable electrode 2 becomes droplets and settles in the molten slag 7 and is stacked and solidified while being stored as a pool of the molten metal 3 in the mold 6. In this way, the consumable electrode 2 is sequentially melted to the upper end, and the molten metal 3 is sequentially solidified in the mold 6, whereby the Ni-base superalloy ingot 1 is obtained. Also by the VAR method, a Ni-base superalloy ingot can be obtained from the consumable electrode in substantially the same process as the ESR method described above.

2.Biを鋳塊に含有させる方法
本発明では、ESR法またはVAR法によって得られる鋳塊1にBiを所定量含有させるため、ESR法またはVAR法による鋳造の過程でプールの溶湯3にBiを含有させる必要がある。
2. In the present invention, in order to contain a predetermined amount of Bi in the ingot 1 obtained by the ESR method or VAR method, Bi is contained in the molten metal 3 in the pool in the casting process by the ESR method or VAR method. It is necessary to let

その方法として、(1)消耗電極2にBiを含有させておく方法、(2)ESR法またはVAR法により消耗電極を溶解する際にBiを添加する方法、の2つの方法が考えられる。   Two methods are conceivable: (1) a method of containing Bi in the consumable electrode 2 and (2) a method of adding Bi when the consumable electrode is dissolved by the ESR method or the VAR method.

(1)の消耗電極2にBiを含有させておく方法としては、ESR法またはVAR法による鋳造の前処理段階すなわち真空誘導溶解法(VIM(Vacuum Induction Melting)法)または普通造塊法によって消耗電極2を作製する際に、溶湯にBiを添加する方法が挙げられる。しかし、この方法では、消耗電極2を作製する際とESR法またはVAR法による鋳造段階との2回Biが溶湯から揮発し、さらにBiは融点が低く溶湯から揮発しやすいため、Biの歩留まりが悪く、効率が低いという問題がある。そのため、この方法で得られる鋳塊1において所望のBi含有率とするには、消耗電極2の作製時に2回分の揮発量を見越して溶湯にBiを添加しなければならない。また、後述する実施例に示すように、Biを含有する消耗電極を用いてESR法またはVAR法によって鋳塊を製造した場合、Biの歩留まりが非常に悪いという問題もある。   As a method of containing Bi in the consumable electrode 2 of (1), the pretreatment stage of casting by the ESR method or the VAR method, that is, the vacuum induction melting method (VIM (Vacuum Induction Melting) method) or the normal ingot forming method is used. A method of adding Bi to the molten metal when producing the electrode 2 can be mentioned. However, in this method, Bi is volatilized from the molten metal twice during the production of the consumable electrode 2 and the casting stage by the ESR method or the VAR method, and Bi has a low melting point and is likely to volatilize from the molten metal. There is a problem that it is bad and inefficient. Therefore, in order to obtain a desired Bi content in the ingot 1 obtained by this method, Bi must be added to the molten metal in anticipation of the volatilization amount for two times when the consumable electrode 2 is produced. In addition, as shown in Examples described later, when an ingot is manufactured by an ESR method or a VAR method using a consumable electrode containing Bi, there is also a problem that the yield of Bi is very poor.

(2)のESR法またはVAR法により消耗電極を溶解する際にBiを添加する方法では、消耗電極2にBiを添加していない場合には、Biが溶湯から揮発する機会は1回だけとなる。そのため、(2)の方法は(1)の方法と比較して、Biの歩留まりが良好である。本発明では、母材にBiを添加しない消耗電極を用い、ESR法またはVAR法により消耗電極を溶解する際にBiを添加することとした。   In the method of adding Bi when the consumable electrode is melted by the ESR method or the VAR method of (2), when Bi is not added to the consumable electrode 2, the opportunity for Bi to volatilize from the molten metal is only once. Become. Therefore, the yield of Bi is better in the method (2) than in the method (1). In the present invention, a consumable electrode to which Bi is not added is used as a base material, and Bi is added when the consumable electrode is dissolved by the ESR method or the VAR method.

ESR法またはVAR法により消耗電極を溶解する際にBiを添加する方法としては、(2−1)純Biの顆粒またはBiを含有する合金の顆粒を添加する方法、(2−2)純BiのワイヤーまたはBiを含有する合金のワイヤーを添加する方法が挙げられる。   As a method of adding Bi when the consumable electrode is dissolved by the ESR method or the VAR method, (2-1) a method of adding pure Bi granules or a granule of an alloy containing Bi, and (2-2) pure Bi. And a method of adding an alloy wire containing Bi.

(2−1)の顆粒を添加する方法では、連続して添加すると溶け残りが生じることや、ブールの溶湯3の上部に滞留して溶湯3に均一に溶解しないことがあり、これらの場合には得られた鋳塊1において不均一な組織を生じるおそれがある。   In the method of adding the granule of (2-1), when it is continuously added, undissolved residue may be generated, or it may stay in the upper part of the melt 3 of the boule and may not be uniformly dissolved in the melt 3. In these cases May cause a non-uniform structure in the resulting ingot 1.

(2−2)のワイヤーを添加する方法では、ワイヤーの下降速度を消耗電極2の下降速度と合わせることにより、溶湯3のBi含有率を一定とすることができ、均一な組織の鋳塊1を得ることができる。   In the method of adding the wire of (2-2), the Bi content of the molten metal 3 can be made constant by matching the descending speed of the wire with the descending speed of the consumable electrode 2, and the ingot 1 having a uniform structure can be obtained. Can be obtained.

ワイヤーは、供給装置を設けて溶湯3に繰り出して添加してもよいし、消耗電極2の母材2aの側面に、軸方向に沿って溶接してもよい。前記図2には、複数のワイヤー2bを母材2aの側面に、軸方向に沿って溶接した状態を示す。これ以外に、母材2aに、軸方向に貫通する孔を1個以上設けてその孔にワイヤー2bを通してもよい。   A wire may be provided and fed to the molten metal 3 by a supply device, or may be welded along the axial direction to the side surface of the base material 2a of the consumable electrode 2. FIG. 2 shows a state in which a plurality of wires 2b are welded to the side surface of the base material 2a along the axial direction. In addition to this, one or more holes penetrating in the axial direction may be provided in the base material 2a, and the wire 2b may be passed through the holes.

ワイヤー2bを消耗電極2の母材2aに溶接または母材2aに設けた孔に通し、消耗電極2の軸方向すなわち下降方向に配置する場合には、供給装置を新たに設ける必要がなく、またワイヤーの下降速度を調整する必要がない。そのため、鋳型6の周囲に十分な空間がなく、供給装置を設けるのが困難な場合に有利である。   When the wire 2b is welded to the base material 2a of the consumable electrode 2 or is passed through a hole provided in the base material 2a and disposed in the axial direction of the consumable electrode 2, that is, in the descending direction, there is no need to newly provide a supply device. There is no need to adjust the descent speed of the wire. Therefore, it is advantageous when there is no sufficient space around the mold 6 and it is difficult to provide a supply device.

ワイヤー2bは、純BiのワイヤーよりもBiを含有する合金のワイヤーの方が好ましい。溶湯3の温度は、溶融スラグ7との界面の近傍では1600℃以上となるのに対して、純Biは沸点が1564℃である。このため、純Biのワイヤーを添加すると鋳造時にBiが揮発し、溶湯3中にBiを有効にとどめることができない可能性がある。   The wire 2b is preferably an alloy wire containing Bi rather than a pure Bi wire. The temperature of the molten metal 3 is 1600 ° C. or higher near the interface with the molten slag 7, whereas pure Bi has a boiling point of 1564 ° C. For this reason, when pure Bi wire is added, Bi volatilizes during casting, and Bi may not be effectively retained in the molten metal 3.

一方、Biを含有する合金、例えばNiとBiとの合金(以下「Ni−Bi合金」という)は融点(液相線温度)が約1300℃と、純Biの271℃と比べて高く、沸点も同様に純Biより高いと考えられる。そのため、Ni−Bi合金のワイヤーを添加した場合には、鋳造時にBiが揮発しにくいため、溶湯3中にBiを有効にとどめることができ、Biの歩留まりを向上させることができる。Ni−Bi合金では、Biの含有率を、溶湯3中でBiが液相となる20〜70%とすることが好ましい。   On the other hand, an alloy containing Bi, for example, an alloy of Ni and Bi (hereinafter referred to as “Ni-Bi alloy”) has a melting point (liquidus temperature) of about 1300 ° C., which is higher than 271 ° C. of pure Bi, Is also considered to be higher than pure Bi. For this reason, when a Ni-Bi alloy wire is added, Bi is less likely to volatilize during casting, so that Bi can be effectively retained in the molten metal 3 and the yield of Bi can be improved. In the Ni—Bi alloy, the Bi content is preferably set to 20 to 70% in which Bi becomes a liquid phase in the molten metal 3.

さらに、ESR法においては、ワイヤー2bを、高温の溶融スラグ7の層を溶解せずに通過させ、溶湯3にBiを添加する必要がある。そのため、純BiまたはNi−Bi合金のワイヤー2bを鉄で被覆することが好ましい。鉄で被覆したワイヤー2bを、前記図2に示すように消耗電極2の母材2aの側面に溶接した場合、ワイヤー2bが加熱されてもワイヤー2b自体の熱伝導により母材2aへ抜熱されるため、溶融スラグ7中に挿入されてもすぐには溶融せず、また溶融後も溶融スラグ7との比重差により沈降してプールの溶湯3に流入する。そのため、鉄で被覆したワイヤーを用いることにより、鉄で被覆していないワイヤーを用いた場合よりもBiの歩留まりを向上させることができ、Biを安定して添加することができる。   Further, in the ESR method, it is necessary to pass the wire 2b without melting the layer of the high-temperature molten slag 7 and to add Bi to the molten metal 3. For this reason, it is preferable to coat the wire 2b of pure Bi or Ni—Bi alloy with iron. When the wire 2b covered with iron is welded to the side surface of the base material 2a of the consumable electrode 2 as shown in FIG. 2, even if the wire 2b is heated, heat is extracted to the base material 2a by the heat conduction of the wire 2b itself. Therefore, even if it is inserted into the molten slag 7, it does not melt immediately, and after melting it settles down due to the difference in specific gravity with the molten slag 7, and flows into the molten metal 3 of the pool. Therefore, by using a wire coated with iron, the yield of Bi can be improved as compared with the case where a wire not coated with iron is used, and Bi can be stably added.

以上のBiを鋳塊に含有させる方法は、電子ビーム溶解炉を用いてNi基超合金の鋳塊を製造する場合にも適用することができる。   The above-described method for incorporating Bi into the ingot can also be applied to the production of an ingot of a Ni-base superalloy using an electron beam melting furnace.

3.Ni基超合金の成分組成およびその限定理由
Ni:45〜60%
Niは、母相であるγ相(オーステナイト)を安定化し、Ni基超合金の耐熱性および高温強度を向上させるのに有効な元素であり、Ni基超合金の高強度化に寄与するγ′相およびγ″相をγ相から析出させるのに不可欠な元素である。また、Ni基超合金の機械的特性を劣化させるσ相等の有害な析出物の生成を防止する効果を有する。Ni含有率が45%未満ではγ相が不安定となる可能性がある。また、Niを、60%を超えて含有させてもこれらの効果の向上が小さく、Ni基超合金が高価となるだけである。そのため、Niの含有率は45〜60%とする。
3. Component composition of Ni-base superalloy and reason for limitation Ni: 45-60%
Ni is an element effective for stabilizing the parent phase γ phase (austenite) and improving the heat resistance and high-temperature strength of the Ni-base superalloy, and contributes to increasing the strength of the Ni-base superalloy. It is an element indispensable for precipitating the phase and the γ ″ phase from the γ phase. It also has the effect of preventing the formation of harmful precipitates such as the σ phase that degrade the mechanical properties of the Ni-base superalloy. If the rate is less than 45%, the γ phase may become unstable, and even if Ni is contained in excess of 60%, these effects are small and the Ni-base superalloy is only expensive. Therefore, the Ni content is 45 to 60%.

Cr:15〜30%
Crは、Ni基超合金の耐酸化性および高温強度を向上させるのに有効な元素である。Cr含有率が15%未満ではNi基超合金の耐酸化性が劣り、30%を超えると靭性が低くなる。そのため、Cr含有率は15〜30%とする。
Cr: 15-30%
Cr is an element effective for improving the oxidation resistance and high temperature strength of the Ni-base superalloy. When the Cr content is less than 15%, the oxidation resistance of the Ni-base superalloy is poor, and when it exceeds 30%, the toughness is lowered. Therefore, the Cr content is 15 to 30%.

Mo:1〜10%
Moは、母相であるγ相に固溶して、Ni基超合金の高温引張特性、クリープ特性およびクリープ疲労特性を向上させるのに有効な元素である。また、Cとともに炭化物を形成してNi基超合金の結晶粒の成長を抑制する効果を有する。しかし、Moの含有率が過剰である場合には、Ni基超合金の熱間加工性が低下するとともに、脆化相の析出を招く。これらの理由から有効な範囲として、Mo含有率は1〜10%とする。
Mo: 1-10%
Mo is an element effective for improving the high-temperature tensile properties, creep properties, and creep fatigue properties of the Ni-base superalloy by dissolving in the γ phase as a parent phase. Further, it has the effect of suppressing the growth of crystal grains of the Ni-base superalloy by forming carbide with C. However, when the Mo content is excessive, the hot workability of the Ni-base superalloy is reduced and the embrittlement phase is precipitated. As an effective range for these reasons, the Mo content is set to 1 to 10%.

Ti:5%以下
Tiは、主として析出強化相であるγ′相に固溶して、Ni基超合金の高温強度を向上させるのに寄与する元素である。また、Cとともに炭化物を形成してNi基超合金の結晶粒の粗大化を抑制する効果を有する。しかし、Tiの含有率が過剰である場合には、脆化相の析出を招く。そのため、Ti含有率は5%以下とする。
Ti: 5% or less Ti is an element that contributes to improving the high-temperature strength of the Ni-base superalloy by being dissolved in the γ ′ phase, which is a precipitation strengthening phase. Further, it has an effect of suppressing the coarsening of crystal grains of the Ni-base superalloy by forming carbide with C. However, when the Ti content is excessive, the embrittlement phase is precipitated. Therefore, the Ti content is set to 5% or less.

NbおよびTa:合計で10%以下
NbおよびTaはともに析出強化元素であり、Ni基超合金の高強度化に寄与するγ″相を析出させるため、必要に応じて含有させる。しかし、NbおよびTaの含有率が過剰である場合には、Laves相、σ相等の金属間化合物相が生成し、好ましくない。そのため、NbおよびTaの含有率は合計で10%以下とする。
Nb and Ta: 10% or less in total Nb and Ta are precipitation strengthening elements, and are included as necessary in order to precipitate a γ ″ phase that contributes to increasing the strength of the Ni-based superalloy. When the content of Ta is excessive, intermetallic compound phases such as a Laves phase and a σ phase are formed, which is not preferable, so the content of Nb and Ta is 10% or less in total.

Al:0.1〜5%
Alは、Ni基超合金の主要析出強化相であるγ′相を構成し、Ni基超合金の高温強度を向上させるのに有効な元素である。しかし、Alの含有率が0.1%未満では高温強度を向上させる十分な効果を得ることがでない。また、Alの含有率が過剰である場合にはγ′相の結晶粒界への粗大凝集を招き、Ni基超合金の機械的特性が大幅に低下する。これらの理由から有効な範囲として、Al含有率は0.1〜5%とする。
Al: 0.1 to 5%
Al constitutes the γ ′ phase, which is the main precipitation strengthening phase of the Ni-base superalloy, and is an element effective for improving the high-temperature strength of the Ni-base superalloy. However, if the Al content is less than 0.1%, a sufficient effect of improving the high-temperature strength cannot be obtained. Further, when the Al content is excessive, coarse aggregation of the γ 'phase at the crystal grain boundaries is caused, and the mechanical properties of the Ni-base superalloy are greatly deteriorated. As an effective range for these reasons, the Al content is set to 0.1 to 5%.

Bi:10〜100ppm
NbおよびMoは重元素であるため、含有率を上記範囲とした場合には、Ni基超合金の鋳塊において沈降型のフレッケル欠陥が発生しやすい。しかし、ESR法またはVAR法で鋳造し、Bi含有率を10ppm以上とすることにより、フレッケル欠陥の発生を抑制することができる。一方、Bi含有率が100ppmを超えると、微小ではあるもののNi基超合金の熱間加工時に脆化する。そのため、Biの含有率は10〜100ppmとする。
Bi: 10 to 100 ppm
Since Nb and Mo are heavy elements, when the content is within the above range, a sedimentation type freckle defect is likely to occur in the ingot of the Ni-base superalloy. However, the occurrence of freckle defects can be suppressed by casting by the ESR method or the VAR method and setting the Bi content to 10 ppm or more. On the other hand, when the Bi content exceeds 100 ppm, the Ni-based superalloy becomes brittle during hot working, although it is minute. Therefore, the Bi content is set to 10 to 100 ppm.

上述の成分以外の残部は、Feおよび不純物である。   The balance other than the above components is Fe and impurities.

ESR法またはVAR法での鋳造により、上記組成のNi基超合金の鋳塊は、Biを含有しない場合と比較してデンドライト組織が微細となるため、フレッケル欠陥が完全に抑制され、または偏析が抑制され、高い内部品質を有する。この鋳塊を素材として製造された製品は、高温環境や過酷な腐食環境において安定して使用することができる。   As a result of casting by the ESR method or VAR method, the Ni-base superalloy ingot having the above composition has a fine dendrite structure as compared with the case where it does not contain Bi, so that the Freckle defects are completely suppressed or segregation is prevented. Suppressed and has high internal quality. A product manufactured using this ingot as a raw material can be used stably in a high temperature environment or a severe corrosive environment.

4.Biを含有させることの効果
本発明者らは、ESR法またはVAR法による鋳造の過程で溶湯にBiを添加し、鋳塊にBiを微量(10ppm以上)含有させることにより、デンドライト組織が微細化し、フレッケル欠陥の発生を抑制することが可能であることを、以下の一方向凝固試験により見出した。一方向凝固を採用したのは、冷却速度を任意に設定できるからである。
4). Effect of containing Bi The present inventors refined the dendrite structure by adding Bi to the molten metal in the course of casting by the ESR method or VAR method, and adding a trace amount (10 ppm or more) of Bi to the ingot. It was found by the following unidirectional solidification test that it was possible to suppress the occurrence of freckle defects. The reason why the unidirectional solidification is adopted is that the cooling rate can be arbitrarily set.

4−1.試験条件
直径が15mm、高さが50mmの円柱形の鋳塊を普通造塊法により鋳造した。その際、消耗電極が溶解してプールとなった溶湯にBiを添加して、Bi含有率が0ppm、4ppm、11ppm、21ppm、25ppm、32ppmおよび34ppmである鋳塊を作製するとともに、Biを添加せず、Biを含有しない鋳塊を作製した。冷却速度は、実用鋳塊の冷却速度に合わせて5〜15℃/minとした。
4-1. Test conditions A cylindrical ingot having a diameter of 15 mm and a height of 50 mm was cast by a general ingot casting method. At that time, Bi is added to the molten metal in which the consumable electrode is melted to form a pool, and ingots having Bi contents of 0 ppm, 4 ppm, 11 ppm, 21 ppm, 25 ppm, 32 ppm and 34 ppm are produced, and Bi is added. No ingot containing no Bi was prepared. The cooling rate was set to 5 to 15 ° C./min in accordance with the cooling rate of the practical ingot.

得られた鋳塊のそれぞれについて、中心を通る縦断面において軸方向にほぼ平行に延びる約10本の1次デンドライトアームの間隔を測定し、算術平均した値を各鋳塊の1次デンドライトアーム間隔とした。   For each of the ingots obtained, the distance between about 10 primary dendrite arms extending approximately parallel to the axial direction in the longitudinal section passing through the center was measured, and the arithmetic average value was used as the primary dendrite arm distance of each ingot. It was.

4−2.試験結果
図3は、Bi含有率と1次デンドライトアーム間隔との関係を示す図である。同図では、1次デンドライトアーム間隔(d)を、Bi含有無しの鋳塊の1次デンドライトアーム間隔(dB)に対する比(d/dB)として縦軸に表示した。同図から、Bi含有率が高いほどNi基超合金の1次デンドライトアーム間隔が狭くなり、デンドライト組織が微細となることがわかる。これは、BiがNi基超合金の固液界面エネルギーを下げる効果を有する元素であり、その含有率が微少でも1次デンドライトアーム間隔の微細化に効果を示すことによるものと考えられる。上述のように、Bi含有率は、10ppm以上であればフレッケル偏析の抑制に効果がある。
4-2. Test Results FIG. 3 is a diagram showing the relationship between Bi content and primary dendrite arm spacing. In the figure, the primary dendrite arm interval (d) is shown on the vertical axis as the ratio (d / d B ) to the primary dendrite arm interval (d B ) of the ingot without Bi. From this figure, it can be seen that the higher the Bi content, the narrower the primary dendrite arm spacing of the Ni-base superalloy becomes, and the finer the dendrite structure. This is considered to be because Bi is an element having an effect of lowering the solid-liquid interface energy of the Ni-base superalloy, and is effective in reducing the primary dendrite arm interval even if its content is very small. As described above, if the Bi content is 10 ppm or more, it is effective in suppressing Freckle segregation.

5.フレッケル欠陥発生の尺度
上述のように、フレッケル欠陥は合金元素が濃化した金属の液塊(ミクロ偏析)がデンドライトアームの間から移動することに起因して形成される。そのため、このミクロ偏析の移動を抑制することでフレッケル欠陥の発生を抑制できる。
5. As described above, the Freckle defect is formed due to the movement of the liquid mass (micro segregation) of the metal enriched with the alloy element from between the dendrite arms. Therefore, it is possible to suppress the occurrence of freckle defects by suppressing the movement of the microsegregation.

本発明者らは、フレッケル欠陥発生の尺度として知られ、濃化液塊の浮力と通過抵抗との関係を示すRa数に着目した。Ra数は、温度場での対流流動無次元数であり、Pr数(Prandtl数:プラントル数)とGr数(Grashof数:グラスホフ数)の積であり、下記(1)式で表される。
Ra=Pr・Gr=gβ(Ts−T)L3/να …(1)
ここで、g[m/s2]:重力加速度、β[1/K]:体膨張係数、Ts[K]:物体表面温度、T[K]:流体の温度、ν[m2/s]:動粘性係数、α[m2/s]:熱拡散率、L[m]:代表長さである。
The present inventors paid attention to the Ra number, which is known as a measure of the occurrence of freckle defects and shows the relationship between the buoyancy of the concentrated liquid mass and the passage resistance. The Ra number is a dimensionless number of convection flows in the temperature field, and is the product of the Pr number (Prandtl number: Prandtl number) and the Gr number (Grashof number: Grashof number), and is represented by the following equation (1).
Ra = Pr · Gr = gβ (T s −T ) L 3 / να (1)
Here, g [m / s 2 ]: gravity acceleration, β [1 / K]: body expansion coefficient, Ts [K]: object surface temperature, T [K]: fluid temperature, ν [m 2 / s ]: Kinematic viscosity coefficient, α [m 2 / s]: Thermal diffusivity, L [m]: Representative length.

Ra数は、物理的には流動抵抗力に対する、流動駆動力である密度差による沈降する力の比と考えられ、上記(1)式に示すように代表長さLの3乗に比例する。フレッケル欠陥の発生の臨界について考える場合、Ra数における代表長さLは、デンドライトアームの間のミクロ偏析の大きさとするべきである。この場合、ミクロ偏析が生成初期にデンドライトアームの間を満たすことから、ミクロ偏析の大きさを1次デンドライトアーム間隔とすることができる。そのため、Ra数は、1次デンドライトアーム間隔の3乗に比例するといえる。   The number of Ra is physically considered to be the ratio of the settling force due to the density difference that is the flow driving force to the flow resistance force, and is proportional to the cube of the representative length L as shown in the above equation (1). When considering the criticality of occurrence of freckle defects, the representative length L in Ra number should be the magnitude of microsegregation between dendrite arms. In this case, since the microsegregation fills the space between the dendrite arms at the initial stage of generation, the size of the microsegregation can be set as the primary dendrite arm interval. Therefore, it can be said that the number of Ra is proportional to the cube of the primary dendrite arm interval.

上述のように、デンドライト組織が粗いほどフレッケル欠陥が粗大化しやすいため、Ra数が大きいほどフレッケル欠陥は発生しやすくなると考えられる。Ni基超合金の鋳塊にBiを微量に含有させることによる1次デンドライトアーム間隔の減少そのものが比較的小さくても、Ra数は1次デンドライトアーム間隔の3乗に比例するため、鋳塊にBiを含有させることはRa数の低減に有効であり、フレッケル欠陥の発生の抑制に大変効果的である。   As described above, the freckle defect is likely to be coarser as the dendrite structure is coarser. Therefore, it is considered that the freckle defect is more likely to occur as the Ra number is larger. Even if the reduction of the primary dendrite arm interval by adding a small amount of Bi to the ingot of the Ni-base superalloy is relatively small, the Ra number is proportional to the cube of the primary dendrite arm interval. Inclusion of Bi is effective in reducing the number of Ra and is very effective in suppressing the occurrence of freckle defects.

本発明の、Ni基超合金の鋳塊の鋳塊の製造方法の効果を確認するため、以下の試験を行い、その結果を評価した。   In order to confirm the effect of the method for producing an ingot of a Ni-base superalloy ingot according to the present invention, the following tests were conducted and the results were evaluated.

1.試験方法
前記図2に示す装置を用い、ESR法により消耗電極を溶解してNi基超合金の鋳塊を作製した。作製条件は表1および以下の通りとした。
1. Test Method Using the apparatus shown in FIG. 2, a consumable electrode was melted by an ESR method to produce a Ni-base superalloy ingot. The production conditions were as shown in Table 1 and the following.

消耗電極(母材)
組成:54%Ni−18%Cr−3%Mo−5%Nb−1%Ti(残部はFeおよび不純物)
液相線温度:1336℃
固相線温度:1260℃
直径:430mm
作製した鋳塊
直径:650mm
長さ:1100mm
Consumable electrode (base material)
Composition: 54% Ni-18% Cr-3% Mo-5% Nb-1% Ti (the balance being Fe and impurities)
Liquidus temperature: 1336 ° C
Solidus temperature: 1260 ° C
Diameter: 430mm
Produced ingot Diameter: 650mm
Length: 1100mm

表1には、Biの添加方法、およびBiの添加率を示した。Biの添加方法は、以下の通りとした。   Table 1 shows the addition method of Bi and the addition rate of Bi. The addition method of Bi was as follows.

本発明例1および2ならびに比較例3および4では、直径10mmの純Biからなるワイヤーを、前記図2に示すように、消耗電極の母材の側面に軸方向すなわち消耗電極の下降方向に沿って溶接した。本発明例3〜5では、直径10mmの30%Ni−70%Biからなるワイヤーを厚さ3mmの鉄で被覆したものを、消耗電極の母材の側面に軸方向に沿って溶接した。これにより、本発明例1〜5ならびに比較例3および4では、鋳型内に形成された溶湯のプールにBiを添加した。   In Invention Examples 1 and 2 and Comparative Examples 3 and 4, as shown in FIG. 2, a wire made of pure Bi having a diameter of 10 mm is disposed on the side surface of the base material of the consumable electrode in the axial direction, that is, along the descending direction of the consumable electrode. And welded. In Invention Examples 3 to 5, a wire made of 30% Ni-70% Bi having a diameter of 10 mm and covered with iron having a thickness of 3 mm was welded along the axial direction to the side surface of the base material of the consumable electrode. As a result, in Invention Examples 1 to 5 and Comparative Examples 3 and 4, Bi was added to the molten metal pool formed in the mold.

比較例1では、Biは添加しなかった。比較例2では、VIM法によって消耗電極を作製する際に溶湯にBiを添加し、ESR法による鋳塊の作製時には、Biを含有する消耗電極を使用した。そのため、比較例2の消耗電極の組成は上記組成に30ppmのBiを加えたものであった。比較例2以外では、消耗電極自体またはその母材にはBiを添加しなかった。   In Comparative Example 1, Bi was not added. In Comparative Example 2, Bi was added to the molten metal when producing a consumable electrode by the VIM method, and a consumable electrode containing Bi was used when producing an ingot by the ESR method. Therefore, the composition of the consumable electrode of Comparative Example 2 was obtained by adding 30 ppm Bi to the above composition. Except for Comparative Example 2, Bi was not added to the consumable electrode itself or its base material.

Biの添加率は、消耗電極の母材の側面にワイヤーを溶接した本発明例1〜5ならびに比較例3および4では、母材とワイヤーからなる消耗電極全体におけるBiの割合であり、消耗電極にBiを含有させた比較例2では消耗電極中のBiの含有率である。   The addition ratio of Bi is the ratio of Bi in the entire consumable electrode composed of the base material and the wire in Invention Examples 1 to 5 and Comparative Examples 3 and 4 in which the wire is welded to the side surface of the base material of the consumable electrode. In Comparative Example 2 in which Bi is contained, the content of Bi in the consumable electrode.

表1からわかるように、この試験は、(1)Biの添加率および含有率、(2)Biの添加方法、(3)Biの添加に用いたワイヤー、を異なる条件として行った。本発明例1〜5はいずれも本発明の規定を満足した。比較例1〜4は、いずれも本発明の規定のうち、Bi含有率を満足しなかった。   As can be seen from Table 1, this test was performed under different conditions: (1) Bi addition rate and content, (2) Bi addition method, and (3) Bi used for Bi addition. Inventive Examples 1 to 5 all satisfied the provisions of the present invention. None of Comparative Examples 1 to 4 satisfied the Bi content of the present invention.

2.評価項目
評価項目は、作製された鋳塊のBi含有率、Biの歩留まり、1次デンドライトアーム間隔の変化率、Ra/Ra0、およびフレッケル欠陥の発生状況とした。
2. Evaluation Items The evaluation items were the Bi content of the manufactured ingot, the yield of Bi, the rate of change of the primary dendrite arm interval, Ra / Ra 0 , and the occurrence status of the Freckle defect.

鋳塊のBi含有率は、上記各条件で作製された鋳塊から採取した切粉を試料とし、ガス分析を行い測定した値である。Biの歩留まりは、Biの添加量に対するBi含有量の比の値とした。   The Bi content of the ingot is a value measured by performing gas analysis using a chip collected from the ingot produced under each of the above conditions as a sample. The yield of Bi was defined as the ratio of the Bi content to the added amount of Bi.

1次デンドライトアーム間隔の変化率は、上記各条件で作製された鋳塊の1次デンドライトアーム間隔(d)と比較例1の条件で作製された鋳塊の1次デンドライトアーム間隔(d0)を用いて、(d−d0)/d0とした。 The change rate of the primary dendrite arm interval is determined by the primary dendrite arm interval (d) of the ingot produced under the above conditions and the primary dendrite arm interval (d 0 ) of the ingot produced under the conditions of Comparative Example 1. Was used as (d−d 0 ) / d 0 .

1次デンドライトアーム間隔(d、d0)は、鋳塊から採取した縦断面試験片に、下記条件のエッチングを行い、鋳塊のR/2に相当する位置(鋳塊の中心軸から半径方向に100mmの位置)において間隔を複数測定し、その算術平均値とした。縦断面試験片は、鋳塊の表層を含めた幅50mm、長さ120mm、厚さ8mmの大きさとした。測定箇所としてR/2を選択したのは、鋳片の表面よりもフレッケル欠陥が現れやすいからである。
エッチング条件
エッチング液:シュウ酸
エッチング方法:電界エッチング
液温:室温
エッチング時間:60〜180秒
The primary dendrite arm spacing (d, d 0 ) was determined by etching a longitudinal cross-section specimen taken from the ingot under the following conditions to a position corresponding to R / 2 of the ingot (in the radial direction from the center axis of the ingot). At a position of 100 mm), a plurality of intervals were measured, and the arithmetic average value was obtained. The longitudinal section test piece was 50 mm in width including the surface layer of the ingot, 120 mm in length, and 8 mm in thickness. The reason why R / 2 is selected as the measurement location is that Freckle defects are more likely to appear than the surface of the slab.
Etching conditions Etching solution: Oxalic acid Etching method: Electric field etching Liquid temperature: Room temperature Etching time: 60 to 180 seconds

Ra/Ra0におけるRaは上記各条件で作製された鋳塊についてのRa数であり、Ra0は比較例1の条件で作製された鋳塊のRa数である。 Ra in Ra / Ra 0 is the Ra number for the ingot produced under the above conditions, and Ra 0 is the Ra number for the ingot produced under the conditions of Comparative Example 1.

フレッケル欠陥の発生状況は、1次デンドライトアーム間隔の測定に使用した縦断面試験片を目視で観察した。表1では、目視によりフレッケル欠陥の発生が確認されなかったものを○(良)、軽微なフレッケル欠陥の発生が確認されたものを△(可)、粗大なフレッケル欠陥の発生が確認されたものを×(不可)とした。   The state of occurrence of freckle defects was visually observed on a longitudinal section test piece used for measuring the primary dendrite arm interval. In Table 1, the case where the occurrence of the Freckle defect was not confirmed by visual observation was ○ (good), the case where the occurrence of a minor Freckle defect was confirmed was △ (possible), and the occurrence of a coarse Freckle defect was confirmed. X (impossible).

3.試験結果
表1には、Biの添加方法と併せて、上記評価項目の結果を示す。本発明例1および2ならびに比較例3および4を比較してわかるように、純Biからなるワイヤーを使用してBiを添加した場合には、Biの添加率に関わらずBiの歩留まりは39〜45%と良好であった。また、本発明例3〜5のように鉄で被覆したNi−Bi合金からなるワイヤーを使用した場合には、Biの歩留まりは51〜63%とさらに良好であった。比較例2のようにBiを含有する消耗電極を使用した場合には歩留まりは16%であり、ワイヤーを使用した場合に比べて大きく劣っていた。
3. Test results Table 1 shows the results of the above evaluation items together with the addition method of Bi. As can be seen by comparing Invention Examples 1 and 2 and Comparative Examples 3 and 4, when Bi was added using a wire made of pure Bi, the yield of Bi was 39 to 39, regardless of the Bi addition rate. It was as good as 45%. Moreover, when the wire which consists of a Ni-Bi alloy coat | covered with iron like Example 3-5 of this invention was used, the yield of Bi was still better with 51 to 63%. When a consumable electrode containing Bi was used as in Comparative Example 2, the yield was 16%, which was significantly inferior to the case where a wire was used.

1次デンドライトアーム間隔の変化率からわかるように、Bi含有率が高いほど1次デンドライトアーム間隔が狭く、デンドライト組織が微細であった。これは前記図3で示した結果と同様である。   As can be seen from the change rate of the primary dendrite arm interval, the higher the Bi content, the narrower the primary dendrite arm interval and the finer the dendrite structure. This is the same as the result shown in FIG.

また、Bi含有率が高く、デンドライトアーム間隔が狭いほど、Ra/Ra0の値が著しく小さくなっていた。このことから、Bi含有率が高いほど、フレッケル欠陥の発生の抑制効果が大きいと判断できる。実際にフレッケル欠陥の発生状況は、Bi含有率が2.2%以下であれば評価が×であったのに対し、4.0ppm以上であれば評価が△であり、11.7ppm以上であれば評価が○であった。 Also, high Bi content, as dendrite arm spacing is narrow, the value of Ra / Ra 0 had become significantly smaller. From this, it can be judged that the higher the Bi content is, the greater the effect of suppressing the occurrence of the Freckle defect. Actually, the evaluation of the occurrence of freckle defects was x when the Bi content was 2.2% or less, whereas the evaluation was Δ if it was 4.0 ppm or more, and 11.7 ppm or more. The evaluation was ○.

すなわち、Bi含有率は4.0ppmと微少であっても1次デンドライトアーム間隔の微細化にはわずかに効果があり、10ppm以上であればフレッケル欠陥の発生の抑制に十分な効果があるといえる。   That is, even if the Bi content is as small as 4.0 ppm, it is slightly effective in reducing the primary dendrite arm interval, and if it is 10 ppm or more, it can be said that there is a sufficient effect in suppressing the occurrence of Freckle defects. .

本発明のNi基超合金の鋳塊の製造方法によれば、フレッケル欠陥や偏析等の欠陥の少ない大型の鋳塊を得ることができる。この鋳塊を素材として製造された製品は、高温環境や過酷な腐食環境において安定して使用することができる。また、Biを歩留まりよく添加することができるため、確実に欠陥を低減することができる。   According to the method for producing a Ni-base superalloy ingot of the present invention, a large ingot having few defects such as Freckle defects and segregation can be obtained. A product manufactured using this ingot as a raw material can be used stably in a high temperature environment or a severe corrosive environment. In addition, since Bi can be added with a high yield, defects can be reliably reduced.

1:鋳塊、 2:消耗電極、 2a:母材、 2b:ワイヤー 3:溶湯、
4:スタブ、 5:チャンバー、 6:鋳型、7:溶融スラグ、 11:デンドライト、
12:フレッケル欠陥
1: ingot, 2: consumable electrode, 2a: base material, 2b: wire 3: molten metal,
4: stub, 5: chamber, 6: mold, 7: molten slag, 11: dendrite,
12: Freckle defect

Claims (5)

質量%で、Ni:45〜60%、Cr:15〜30%、Mo:1〜10%、Ti:5%以下、NbおよびTa:合計で10%以下、ならびにAl:0.2〜5%を含有し、さらにBi:10〜100質量ppmを含有するNi基超合金の鋳塊をESR法またはVAR法によって製造する方法であって、
母材中にBiを含有しない消耗電極を用い、前記消耗電極を溶解する際にBiを添加することを特徴とするNi基超合金の鋳塊の製造方法。
In mass%, Ni: 45-60%, Cr: 15-30%, Mo: 1-10%, Ti: 5% or less, Nb and Ta: 10% or less in total, and Al: 0.2-5% A Ni-based superalloy ingot containing Bi: 10 to 100 ppm by mass is produced by an ESR method or a VAR method,
A method for producing a Ni-base superalloy ingot, wherein a consumable electrode containing no Bi is used in a base material, and Bi is added when the consumable electrode is melted.
前記消耗電極の母材の側面にBiを含有するワイヤーを溶接し、この消耗電極を用いることを特徴とする請求項1に記載のNi基超合金の鋳塊の製造方法。   The method for producing a Ni-base superalloy ingot according to claim 1, wherein a wire containing Bi is welded to a side surface of the base material of the consumable electrode, and the consumable electrode is used. 前記ワイヤーがNi−Bi合金であることを特徴とする請求項2に記載のNi基超合金の鋳塊の製造方法。   The method for producing a Ni-base superalloy ingot according to claim 2, wherein the wire is a Ni-Bi alloy. 前記ワイヤーが鉄で被覆されていることを特徴とする請求項2または3に記載のNi基超合金の鋳塊の製造方法。   The method for producing a Ni-base superalloy ingot according to claim 2 or 3, wherein the wire is coated with iron. 鋳塊のBiの含有量は、Biの添加量の40%以上とすることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のNi基超合金の鋳塊の製造方法。   The method for producing a Ni-base superalloy ingot according to any one of claims 1 to 4, wherein the Bi content of the ingot is 40% or more of the Bi addition amount.
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