JP2017203195A - 金属部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アディティブ・マニュファクチャリングにより成形された金属部材について、十分なクリープ特性と低サイクル疲労特性とを確保する。【解決手段】金属部材の製造方法が、アディティブ・マニュファクチャリングにより、Ｎｉ基合金で構成される金属部材の成形を行う工程と、前記金属部材に対して溶体化処理を行う工程とを具備する。該溶体化処理においては、（ＴＣ−１００）℃以上、（ＴＣ−５０）℃以下の温度範囲（ＴＣは、該Ｎｉ基合金の固溶線温度）の温度での熱処理が行われる。【選択図】図１

Description

本発明は、金属部材の製造方法に関し、特に、アディティブ・マニュファクチャリング（additive manufacturing）を用いて金属部材を製造するための製造方法に関する。

アディティブ・マニュファクチャリングとは、３Ｄモデルデータに基づいて材料を順次に積層することで構造体の成形を行う技術である。例えば、３Ｄプリンタは、アディティブ・マニュファクチャリングにより構造体を成形する最も典型的な装置である。アディティブ・マニュファクチャリングは、複雑な３次元形状を有する構造体を、迅速に且つ安価に成形することが可能な技術として注目を集めている。アディティブ・マニュファクチャリングは、金属部材の製造にも適用されており、金属部材の製造に適用可能なアディティブ・マニュファクチャリングとしては、粉末焼結積層造形法及び熱溶解積層法が知られている。

アディティブ・マニュファクチャリングにより作製された金属部材は、鍛造や鋳造で製造された金属部材とは異なる材料特性を有している。第１に、アディティブ・マニュファクチャリングにより作製された金属部材は、微細結晶で構成される組織を有している。第２に、溶融と凝固のプロセスを経るので、相当な残留応力を有している。このため、アディティブ・マニュファクチャリングにより作製された金属部材は、鍛造や鋳造で製造された金属部材とは異なる挙動を示す。

金属部材は、しばしば、耐久性の確保が重要な課題になることがあり、これは、アディティブ・マニュファクチャリングにより作製された金属部材にも当てはまる。発明者が特に着目しているのは、クリープ特性と低サイクル疲労特性である。これらの特性は、例えば航空宇宙分野で使用される金属部材においては非常に重要である。

良好なクリープ特性と低サイクル疲労特性を実現するための一つの手法としては、熱処理が考えられる。鍛造や鋳造で成形された金属部材では、良好なクリープ特性と低サイクル疲労特性の確保のために、様々な熱処理が検討されている。しかしながら、アディティブ・マニュファクチャリングにより成形された金属部材は、鍛造や鋳造で成形された金属部材とは異なる挙動を示すので、鍛造や鋳造で成形された金属部材と同様の熱処理は、必ずしも最適ではない。

従って、アディティブ・マニュファクチャリングにより成形された金属部材について、良好なクリープ特性と低サイクル疲労特性とを確保する技術の提供には、技術的なニーズが存在する。

なお、特開２０１３−９６０１３号公報は、アディティブ・マニュファクチャリングにより成形された金属部材の熱処理について開示している。この公報は、インコネル７３８ＬＣ（ＩＮ７３８ＬＣ）で成形された材料の熱処理に言及しており（インコネルは登録商標である）、（１）１２５０℃／３時間の熱処理、及び、（２）１２６０℃／３時間＋１１８０℃／４時間＋１１２０℃／２．５時間＋８５０℃／２４時間の熱処理により、かなりの結晶粒の粗大化が生じたことを開示している。なお、インコネル７３８ＬＣは、融点範囲が１２３０−１３１５℃である、即ち、固溶線温度が１２３０℃であり、液相線温度が１３１５℃である材料である。

特開２０１３−９６０１３号公報

したがって、本発明の目的の一つは、アディティブ・マニュファクチャリングにより作成された金属部材について、実用上十分なクリープ特性と低サイクル疲労特性とを確保する技術を提供することにある。本発明の他の目的は、下記の開示から当業者には理解されるであろう。

本発明の一の観点では、金属部材の製造方法が、アディティブ・マニュファクチャリングにより、Ｎｉ基合金で構成される金属部材の成形を行う工程と、金属部材に対して溶体化処理を行う工程とを具備する。溶体化処理においては、（Ｔ_Ｃ−１００）℃以上、（Ｔ_Ｃ−５０）℃以下の温度範囲（Ｔ_Ｃは、Ｎｉ基合金の固溶線温度）の温度での熱処理が行われる。

一実施形態では、該金属部材が、析出硬化型のＮｉ−Ｃｒ系Ｎｉ基合金で構成される。この場合、当該製造方法は、更に、前記溶体化処理がなされた金属部材に対して析出硬化処理を行う工程を具備する。

本発明によれば、アディティブ・マニュファクチャリングにより成形された金属部材について、十分なクリープ特性と低サイクル疲労特性とを確保することができる。

一実施形態における金属部材の製造方法を示すフローチャートである。 規格で定められたインコネル７１８の化学組成を示す表である。 実施例と比較例の試験片のクリープ特性を示すグラフである。 長さ方向が造形方向と同一であるように作製された、実施例と比較例の試験片の低サイクル疲労特性を示すグラフである。 長さ方向が造形方向と４５°の角度をなすように作製された、実施例と比較例の試験片の低サイクル疲労特性を示すグラフである。 長さ方向が造形方向と９０°の角度をなすように作製された、実施例と比較例の試験片の低サイクル疲労特性を示すグラフである。 実施例と比較例の試験片の組織写真を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。

本実施形態では、Ｎｉ基合金で構成される金属部材、より具体的には、析出硬化型のＮｉ−Ｃｒ系合金で構成される金属部材が、アディティブ・マニュファクチャリングを用いて製造される。析出硬化型のＮｉ−Ｃｒ系合金としては、例えば、インコネル７１８、インコネル７３５、インコネル７３８ＬＣ、インコネルＸ−７５０等が挙げられる。

図１は、一実施形態における金属部材の製造方法を示すフローチャートである。

まず、アディティブ・マニュファクチャリングにより、金属部材の成形が行われる（ステップＳ０１）。最も典型的には、熱溶解積層法により、所望の３次元形状の金属部材が形成される。

続いて、溶体化処理が行われる（ステップＳ０２）。当業者に周知であるように、溶体化処理とは、金属の合金成分が固溶体に溶解する温度以上に加熱して、十分な時間保持し、急冷する処理のことである。

本実施形態では、ステップＳ０２の溶体化処理における熱処理が、（Ｔ_Ｃ−１００）℃以上、（Ｔ_Ｃ−５０）℃以下の温度範囲で行われる。ここで、Ｔ_Ｃは、当該金属部材を構成する材料（即ち、Ｎｉ基合金）の固溶線温度である。例えば、インコネル７１８については、融点範囲が１２６０〜１３３５℃であり、固溶線温度が１２６０℃であるから、溶体化処理における熱処理は、１１６０℃以上、１２１０℃以下の温度範囲で行われる。この温度範囲は、鍛造や鋳造によって成形されたＮｉ基合金の金属部材の溶体化処理において一般的に用いられる温度範囲よりも相当に高い温度範囲であることに留意されたい。溶体化処理の熱処理時間は、１時間以上、１２時間以下であることが好ましく、２時間以上４時間以下であることが更に好ましい。溶体化処理は、常圧の不活性ガスの雰囲気又は真空雰囲気で行われる。

続いて、析出硬化処理が行われる（ステップＳ０２）。析出硬化処理とは、析出硬化（時効硬化）を人工的に行う熱処理であり、過飽和固溶体から金属間化合物などの異相が析出させて材料を硬化させるためのものである。析出硬化処理は、６００℃以上、８００℃以下の温度範囲での比較的長時間（例えば、１２時間以上２４時間以下）の熱処理によって行われる。

本実施形態の金属部材の製造方法においては、溶体化処理が、（Ｔ_Ｃ−１００）℃以上、（Ｔ_Ｃ−５０）℃以下（Ｔ_Ｃは、固溶線温度）という、比較的高いが固溶線温度から少し離れた温度範囲で行われることに留意されたい。このような温度範囲で溶体化処理を行うことにより、アディティブ・マニュファクチャリングにより成形された金属部材について、実用上十分なクリープ特性と低サイクル疲労特性とを確保することができる。以下では、本発明の具体的な実施例について説明する。

本実施例では、アディティブ・マニュファクチャリングにより、より具体的には、熱溶解積層法により、インコネル７１８で構成される金属部材の成形が行われた。

図２は、規格で定められたインコネル７１８の化学組成を示す表である。図２から理解されるように、インコネル７１８は、ニッケルを主成分（最も多い成分）とするＮｉ−Ｃｒ−Ｆｅ系合金である。インコネル７１８は、融点範囲が１２６０〜１３３５℃であり、固溶線温度が１２６０℃である。

アディティブ・マニュファクチャリングによる成形が行われたインコネル７１８の金属部材に対して溶体化処理が行われた。溶体化処理が下記の２つの条件の熱処理で実施された金属部材がそれぞれ用意された。
実施例：１１８０℃、３時間
比較例：９５５℃、１時間
溶体化処理は、常圧の不活性ガスの雰囲気又は真空雰囲気で行われた。

なお、実施例の金属部材の溶体化処理の温度は、（Ｔ_Ｃ−１００）℃以上、（Ｔ_Ｃ−５０）℃以下（Ｔ_Ｃは、固溶線温度）の温度範囲内である。また、比較例の金属部材の溶体化処理の温度は、鍛造及び鋳造で成形されたインコネル７１８の金属部材について一般的に行われる溶体化処理の温度であり、この温度範囲外の温度である。

溶体化処理の後、析出硬化処理が行われた。析出硬化処理においては、７２０℃、８時間の熱処理が行われ、その後、６２０℃、１０時間の熱処理が行われた。

析出硬化処理の後、実施例及び比較例の金属部材から試験片が切り出された。試験片は、長さ方向が造形方向（アディティブ・マニュファクチャリングにおける積層方向）と同一であるもの、造形方向に対して４５°の角度をなすもの、及び、造形方向に対して９０°の角度をなすものの３種類が作製された。なお、後に提示する図３〜図５において、「造形方向０°」という凡例は、長さ方向が造形方向と同一の試験片を意味している。同様に、「造形方向４５°」という凡例は、長さ方向が造形方向と４５°の角度をなす試験片を意味しており、「造形方向９０°」という凡例は、長さ方向が造形方向と９０°の角度をなす試験片を意味している。

以上のようにして得られた各試験片（実施例の試験片と比較例の試験片）について、クリープ試験、低サイクル疲労試験、及び、組織写真の撮影が行われた。

図３は、クリープ試験の結果を示すグラフである。なお、クリープ試験は、７０５℃の温度で４５０ＭＰａの引っ張り応力を印加することによって行われた。図３から理解されるように、比較例の試験片（溶体化処理の温度が９５５℃）は、破断時間が長くても３０時間であり、劣悪なクリープ特性を示した。一方、実施例の試験片（溶体化処理の温度が１１８０℃）については、比較例の試験片と比較して、良好なクリープ特性を示した。実施例の試験片については約２００時間の破断時間が得られており、この破断時間は、鍛造によって作製された金属部材よりはやや劣るものの、鋳造によって作製された金属部材と同等のものであった。

この結果は、本実施形態の金属部材の製造方法により、実用上十分なクリープ特性が得られることを示している。

図４Ａ〜図４Ｃは、低サイクル疲労試験の結果を示すグラフである。詳細には、図４Ａは、長さ方向が造形方向と同一である試験片の低サイクル疲労試験の結果を示しており、図４Ｂは、長さ方向が造形方向と４５°の角度をなす試験片の低サイクル疲労試験の結果を示しており、図４Ｃは、長さ方向が造形方向と９０°の角度をなす試験片の低サイクル疲労試験の結果を示している。

比較例の試験片は、いずれの造形方向についても、良好な低サイクル疲労特性を示した。比較例の試験片の低サイクル疲労特性は、鍛造によって作製された試験片とほぼ同等であった。

一方、実施例の試験片は、比較例の試験片と比較すると低サイクル疲労特性において劣っていた。しかしながら、実施例の試験片においても、実用上十分な低サイクル疲労特性を示した。

上記されたクリープ試験及び低サイクル試験の結果は、実施例の試験片においては結晶粒の粗大化が発生しているためと理解された。図５は、実施例の試験片と比較例の試験片の組織写真を示している。図５から理解されるように、比較例の試験片には微細結晶の組織が形成されていた。一方、実施例の試験片では、結晶粒の粗大化が認められた。

アディティブ・マニュファクチャリングで作製された金属部材には、基本的には微細結晶の組織が形成される。これは、良好な低サイクル疲労特性を発現させる一方で、クリープ特性を劣化させる要因となる。しかしながら、一般的に用いられる溶体化処理の温度よりも相当高いが固溶線温度よりも少し低い温度範囲で溶体化処理が行われた実施例の試験片については、実用上十分なクリープ特性及び低サイクル疲労特性が得られた。これは、溶体化処理により、結晶粒の粗大化が発生したためであると考えられた。

以上には、本発明の実施形態及び実施例が具体的に記述されているが、本発明は、上記の実施形態及び実施例に限定されると解釈してはならない。本発明が様々な変更と共に実施され得ることは、当業者には自明的であろう。

Claims (2)

1. アディティブ・マニュファクチャリングにより、Ｎｉ基合金で構成される金属部材の成形を行う工程と、
   前記金属部材に対して溶体化処理を行う工程
   とを具備し、
   前記溶体化処理において、（Ｔ_Ｃ−１００）℃以上、（Ｔ_Ｃ−５０）℃以下の温度範囲（Ｔ_Ｃは、前記Ｎｉ基合金の固溶線温度）の温度での熱処理が行われる
   金属部材の製造方法。
2. 請求項１に記載の金属部材の製造方法であって、
   前記Ｎｉ基合金が、析出硬化型のＮｉ−Ｃｒ系Ｎｉ基合金であり、
   当該製造方法が、更に、前記溶体化処理がなされた金属部材に対して析出硬化処理を行う工程を具備している
   金属部材の製造方法。