JP2021021140A - ニッケル基合金の射出成型品及びニッケル基合金の射出成型品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高温強度が高いニッケル基合金、これを用いたタービン翼及びニッケル基合金の射出成型品の製造方法を提供すること。【解決手段】ニッケル基合金１０は、クロム、モリブデン及びニオブのうち少なくともいずれか１つの金属元素と、ニッケルと、アルミニウムと、炭素と、を含む。ニッケル基合金１０は、複数の結晶粒１２と、複数の析出物１６と、を有する。ニッケル基合金１０は、各結晶粒１２の間、すなわち各結晶粒１２の境界が結晶粒界１４となる。結晶粒１２は、ニッケルを主成分とする結晶である。析出物１６は、結晶粒界１４に析出している。析出物１６は、クロム、モリブデン及びニオブのうち少なくともいずれか１つの金属元素と炭素とを含む炭化物を有する。この炭化物は、径が０．１μｍ以上１０μｍ以下、かつ、アスペクト比が３以上である。【選択図】図１

Description

本発明は、ニッケル基合金の射出成型品及びニッケル基合金の射出成型品の製造方法に関する。

高温の環境下で使用される部材、例えば、航空エンジンまたは原動機等のガスタービンのタービン翼またはターボチャージャに用いられるタービン翼には、ニッケルを主成分とするニッケル基合金が使用されているものがある。ニッケル基合金には、例えば、アルミニウムを含有するニッケル基合金がある。アルミニウムを含有するニッケル基合金には、γプライム析出物と呼ばれるＮｉ_３Ａｌ（トリニッケルアルミナイド）の合金相の粒子を析出させる構造を有する析出強化型ニッケル基合金がある。析出強化型ニッケル基合金は、高温における強度が高い。特許文献１には、熱処理等の所定の処理を施すことにより、γプライム析出物の析出状態を制御する析出強化型ニッケル基合金の製造方法が記載されている。

特公昭５８―３７３８２号公報

しかしながら、特許文献１に記載されている方法では、製造に手間がかかる場合、製造に制約が生じる場合がある。また、製造されるニッケル基合金の高温強度が十分ではないことがある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、高温強度が高いニッケル基合金、これを用いたタービン翼及びニッケル基合金の射出成型品の製造方法を提供することを目的とする。

上記した課題を解決し、目的を達成するために、本発明のニッケル基合金は、クロム、モリブデン及びニオブのうち少なくともいずれか１つの金属元素と、ニッケルと、アルミニウムと、炭素と、を含み、前記ニッケルを主成分とする結晶粒と、前記結晶粒の間である結晶粒界に析出し、径が０．１μｍ以上１０μｍ以下、アスペクト比が３以上であり、かつ、前記金属元素と前記炭素とを含む炭化物と、を有することを特徴とする。

このニッケル基合金は、ニッケルを主成分とする結晶粒の結晶粒界に、径が０．１μｍ以上１０μｍ以下、アスペクト比が３以上であり、金属元素と炭素とを含む炭化物が析出することにより結晶粒界が強くなるので、高温強度が高くなる。

本発明のニッケル基合金において、前記結晶粒界に析出し、径が０．１μｍ以上２０μｍ以下、アスペクト比が３以上であり、かつ、前記ニッケルまたは前記ニオブと前記アルミニウムとを含む合金を含む金属析出物と、をさらに有することが好ましい。これにより、ニッケル基合金は、さらに結晶粒界が強くなるので、さらに高温強度が高くなる。

本発明のニッケル基合金において、前記アルミニウムは、含有割合が２質量％以上７質量％以下であることが好ましい。これにより、ニッケル基合金は、結晶粒界の析出物の析出量をより適切にすることができ、高温強度をより高くすることができる。

本発明のタービン翼は、本発明のニッケル基合金を用いることが好ましい。これにより、タービン翼は、高温強度が高くなる。

本発明のニッケル基合金の射出成型品の製造方法は、クロム、モリブデン及びニオブのうち少なくともいずれか１つの金属元素と、ニッケルと、アルミニウムと、炭素と、を含み、粒径が１μｍ以上５０μｍ以下のニッケル基合金の粉末材料を、成形型に射出して射出成型品を形成する射出成型工程と、前記射出成型品を加熱して前記ニッケルを主成分とする合金を結晶化させて、前記ニッケルを主成分とする結晶粒と、前記結晶粒の間である結晶粒界に析出し、径が０．１μｍ以上１０μｍ以下、アスペクト比が３以上であり、かつ、前記金属元素と前記炭素とを含む炭化物と、を有する結晶構造を生成する熱処理工程と、を有することを特徴とする。

このニッケル基合金の射出成型品の製造方法によれば、ニッケルを主成分とする結晶粒の結晶粒界に、径が０．１μｍ以上１０μｍ以下、アスペクト比が３以上であり、金属元素と炭素とを含む炭化物が析出したニッケル基合金の射出成形品を製造することができるので、結晶粒界が強いニッケル基合金の射出成形品を製造することができ、高温強度が高いニッケル基合金の射出成型品を製造することができる。

本発明のニッケル基合金の射出成型品の製造方法において、前記熱処理工程は、さらに、前記結晶粒界に析出し、径が０．１μｍ以上２０μｍ以下、アスペクト比が３以上であり、かつ、前記ニッケルまたは前記ニオブと前記アルミニウムとを含む合金を含む金属析出物と、をさらに有する結晶構造を生成することが好ましい。この方法により、金属析出物によりさらに結晶粒界が強いニッケル基合金の射出成型品を製造することができるので、さらに高温強度が高いニッケル基合金の射出成型品を製造することができる。

本発明のニッケル基合金の射出成型品の製造方法において、前記ニッケル基合金の粉末材料は、前記アルミニウムの含有割合が２質量％以上７質量％以下であることが好ましい。これにより、より高温強度が高いニッケル基合金の射出成型品を製造することができる。

本発明のニッケル基合金の射出成型品の製造方法において、クロム、モリブデン及びニオブのうち少なくともいずれか１つの金属元素と、ニッケルと、アルミニウムと、炭素と、を含むニッケル基合金の材料を溶解及び混合してニッケル基合金のインゴットを作製し、前記インゴットの周囲を加熱し、一部を溶解させてニッケル基合金の液滴を生成し、前記液滴に冷却ガスを吹き付けて冷却し、前記ニッケル基合金の粉末材料を作製する工程と、をさらに含むことが好ましい。この方法により、高温強度が高いニッケル基合金の射出成型品を安定して製造することができる。

本発明によれば、高温強度が高いニッケル基合金を得ることができる。

図１は、本発明の一実施の形態に係るニッケル基合金の結晶構造の一例を示す図である。 図２は、ニッケル基合金の結晶粒界に析出している析出物の構造の一例を示す図である。 図３は、ニッケル基合金のインゴットの作製装置の構成の一例を示す図である。 図４は、ニッケル基合金の粉末材料の作製装置の構成の一例を示す図である。 図５は、ニッケル基合金の製造方法の工程の一例を示すフローチャートである。 図６は、実施例１のニッケル基合金の射出成型品の断面のＳＥＭ画像の一例を示す図である。 図７は、図６のＳＥＭ画像の点線枠内を拡大したＳＥＭ画像を示す図である。 図８は、図７のＳＥＭ画像と同じ領域についてＥＰＭＡによるアルミニウムの含有割合の面内分布測定の結果を示す画像の一例を示す図である。 図９は、図７のＳＥＭ画像と同じ領域についてＥＰＭＡによるニオブの含有割合の面内分布測定の結果を示す画像の一例を示す図である。 図１０は、図７のＳＥＭ画像と同じ領域についてＥＰＭＡによるモリブデンの含有割合の面内分布測定の結果を示す画像の一例を示す図である。 図１１は、実施例１及び比較例１のニッケル基合金の射出成型品の高温における引張強度の測定結果を示すグラフである。 図１２は、比較例１のニッケル基合金の射出成型品の断面のＳＥＭ画像の一例を示す図である。 図１３は、図１２のＳＥＭ画像の点線枠内を拡大したＳＥＭ画像を示す図である。 図１４は、図１３のＳＥＭ画像と同じ領域についてＥＰＭＡによるアルミニウムの含有割合の面内分布測定の結果を示す画像の一例を示す図である。 図１５は、図１３のＳＥＭ画像と同じ領域についてＥＰＭＡによるニオブの含有割合の面内分布測定の結果を示す画像の一例を示す図である。 図１６は、図１３のＳＥＭ画像と同じ領域についてＥＰＭＡによるモリブデンの含有割合の面内分布測定の結果を示す画像の一例を示す図である。

以下に、本発明の実施の形態に係るニッケル基合金、このニッケル基合金を用いたタービン翼及びこのニッケル基合金の射出成型品の製造方法を、図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施の形態の説明は、本発明を限定するものではなく、適宜変更して実施可能である。

（ニッケル基合金）
図１は、本発明の一実施の形態に係るニッケル基合金１０の結晶構造の一例を示す図である。以下、図１を用いて、ニッケル基合金１０について説明する。ニッケル基合金１０は、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）及びニオブ（Ｎｂ）のうち少なくともいずれか１つの金属元素と、ニッケル（Ｎｉ）と、アルミニウム（Ａｌ）と、炭素（Ｃ）と、不可避的不純物と、を含む。ニッケル基合金１０は、ニッケルが主成分である。

ニッケル基合金１０は、アルミニウムの含有割合が２質量％以上７質量％以下であることが好ましい。ニッケル基合金１０は、クロムの含有割合が１０質量％以上２０質量％以下であることが好ましい。ニッケル基合金１０は、モリブデンの含有割合が１質量％以上１０質量％以下であることが好ましい。ニッケル基合金１０は、ニオブの含有割合が１質量％以上７質量％以下であることが好ましい。ニッケル基合金１０は、炭素の含有割合が０．０１質量％以上０．２質量％以下であることが好ましい。ニッケル基合金１０は、例えば、ＩＮＣＯＮＥＬ７１３Ｃ（ＩＮＣＯＮＥＬは登録商標第０２９８８６０号）またはＩＮＣＯＮＥＬ７１８（ＩＮＣＯＮＥＬは登録商標）と同等の成分であることが好ましい。

次に、ニッケル基合金１０の結晶構造について説明する。ニッケル基合金１０は、複数の結晶粒１２と、複数の析出物１６と、を有する。ニッケル基合金１０は、各結晶粒１２の間、すなわち各結晶粒１２の境界が結晶粒界１４となる。結晶粒１２は、ニッケルを主成分とする結晶である。結晶粒１２の粒径は、１μｍ以上１００μｍ以下が好ましく、１μｍ以上２０μｍ以下がさらに好ましい。ここで、結晶粒１２の粒径は、ニッケル基合金１０の断面における結晶粒１２の断面積と同等の面積の円の直径で求められる。

析出物１６は、結晶粒界１４に析出している。析出物１６は、結晶粒界１４に沿って膜状に点在して析出している。図２は、ニッケル基合金１０の結晶粒界１４に析出している析出物１６の構造の一例を示す図である。析出物１６は、炭化物１６ａと、金属析出物１６ｂと、を有する。すなわち、炭化物１６ａ及び金属析出物１６ｂは、いずれも結晶粒界１４に沿って膜状に点在して析出している。炭化物１６ａは、クロム、モリブデン及びニオブのうち少なくともいずれか１つの金属元素と炭素とを含む。

炭化物１６ａは、径が０．１μｍ以上１０μｍ以下であり、０．１μｍ以上５μｍ以下が好ましく、０．１μｍ以上２μｍ以下がさらに好ましい。ここで、炭化物１６ａの径は、ニッケル基合金１０の断面における炭化物１６ａの断面積と同等の面積の円の直径で求められる。

炭化物１６ａは、結晶粒界１４に沿って膜状に点在して析出しているので、アスペクト比が高いものも存在する。炭化物１６ａは、アスペクト比が３以上であり、３以上２０以下が好ましい。ここで、炭化物１６ａのアスペクト比は、ニッケル基合金１０の断面における炭化物１６ａの断面を楕円で近似して、その近似した楕円の長径と短径との比の値、すなわち（長径）／（短径）で求められる。

炭化物１６ａは、クロム、モリブデン及びニオブのうち少なくともいずれか１つの金属元素の一部と炭素の一部とを含んでいればよい。結晶粒１２は、クロム、モリブデン及びニオブのうち少なくともいずれか１つの金属元素の一部または炭素の一部を含んでいてもよく、炭化物１６ａと同等の組成及び構成を有する炭化物を含んでいてもよい。

金属析出物１６ｂは、ニッケルまたはニオブとアルミニウムとを含む合金を含む。金属析出物１６ｂは、ニッケルとアルミニウムとを含む合金であるＮｉ_３Ａｌ（トリニッケルアルミナイド）を主成分として含むγプライム析出物と、ニオブとアルミニウムとを含む合金であるＮｂ_３Ａｌ（トリニオビウムアルミナイド）を主成分として含むγダブルプライム析出物と、が例示される。金属析出物１６ｂは、ニッケル基合金１０の各元素の含有割合によって、γプライム析出物とγダブルプライム析出物とのうちいずれか一方が結晶粒界１４に析出する。金属析出物１６ｂは、ＩＮＣＯＮＥＬ７１３Ｃ（ＩＮＣＯＮＥＬは登録商標）に例示されるように、ニッケル基合金１０におけるアルミニウムの含有割合が高くニオブの含有割合が低い場合、γプライム析出物である。金属析出物１６ｂは、ＩＮＣＯＮＥＬ７１８（ＩＮＣＯＮＥＬは登録商標）に例示されるように、ニッケル基合金１０におけるアルミニウムの含有割合が低くニオブの含有割合が高い場合、γダブルプライム析出物である。以下では、金属析出物１６ｂがγプライム析出物である場合について説明するが、金属析出物１６ｂがγダブルプライム析出の場合も同様である。

金属析出物１６ｂは、径が０．１μｍ以上２０μｍ以下であり、０．１μｍ以上１０μｍ以下が好ましい。ここで、金属析出物１６ｂの径は、ニッケル基合金１０の断面における金属析出物１６ｂの断面積と同等の面積の円の直径で求められる。

金属析出物１６ｂは、結晶粒界１４に沿って膜状に点在して析出しているので、アスペクト比が低いものも存在する。金属析出物１６ｂは、アスペクト比が３以上であり、３以上２０以下が好ましい。ここで、金属析出物１６ｂのアスペクト比は、ニッケル基合金１０の断面における金属析出物１６ｂの断面を楕円で近似して、その近似した楕円の長径と短径との比の値、すなわち（長径）／（短径）で求められる。

金属析出物１６ｂは、ニッケルまたはニオブの一部とアルミニウムの一部とを含んでいればよい。結晶粒１２は、ニッケルまたはニオブの一部またはアルミニウムの一部を含んでいてもよく、金属析出物１６ｂと同等の組成及び構成を有する金属析出物を含んでいてもよい。

ニッケル基合金１０は、結晶粒界１４に炭化物１６ａが析出しているため、結晶粒界１４が強い。そのため、ニッケル基合金１０は、高温強度が高い、すなわち、高温での引っ張り強度が高く、高温でのクリープ特性が良い。また、ニッケル基合金１０は、炭化物１６ａが結晶粒界１４に沿って膜状に点在しているので、結晶粒界１４が高温でも脆くはならず、粘り強い。また、ニッケル基合金１０は、高温での伸びが下がり、高温で伸びにくくなる。

さらに、ニッケル基合金１０は、結晶粒界１４に金属析出物１６ｂが析出してニッケル基合金１０のすべりや転位を抑えることにより、すなわち析出硬化することにより、結晶粒界１４がさらに強くなる。そのため、ニッケル基合金１０は、さらに高温強度が高くなる、すなわち、高温での引っ張り強度がさらに高くなり、高温でのクリープ特性がさらに良くなる。また、ニッケル基合金１０は、金属析出物１６ｂが結晶粒界１４に沿って膜状に点在しているので、結晶粒界１４が高温でも脆くはならず、さらに粘り強くなる。また、ニッケル基合金１０は、高温での伸びがさらに下がり、高温でさらに伸びにくくなる。

ニッケル基合金１０は、アルミニウムの含有割合を１質量％以上とすることが好ましい。ニッケル基合金１０は、アルミニウムの含有割合を１質量％以上とすることで、結晶粒界の析出物の析出量を適切にすることができ、高温強度を高くすることができる。ニッケル基合金１０は、アルミニウムの含有割合を２質量％以上とすることがより好ましい。ニッケル基合金１０は、アルミニウムの含有割合を２質量％以上とすることで、結晶粒界の析出物の析出量をより適切にすることができ、高温強度をより高くすることができる。

（タービン翼）
本発明の実施の形態に係るタービン翼は、本発明の実施の形態に係るニッケル基合金が用いられた射出成型品の一例である。本発明の実施の形態に係るタービン翼は、高温の環境下で使用される部材、例えば、航空エンジンまたは原動機等のガスタービンまたはターボチャージャに用いられるものであり、本発明の実施の形態に係るニッケル基合金１０が材料として用いられることが好ましい。ニッケル基合金１０が用いられたタービン翼は、材料として用いられているニッケル基合金１０の結晶粒界１４が強いので、高温強度が高い、すなわち、高温での引っ張り強度が高く、高温でのクリープ特性が良い。また、ニッケル基合金１０が用いられたタービン翼は、高温でも脆くはならず、粘り強い。また、ニッケル基合金１０が用いられたタービン翼は、高温での伸びが下がり、高温で伸びにくくなる。

（ニッケル基合金の射出成型品の製造方法）
図３は、ニッケル基合金のインゴット２８の作製装置の構成の一例を示す図である。図４は、ニッケル基合金の粉末材料３８の作製装置の構成の一例を示す図である。図５は、ニッケル基合金の射出成型品の製造方法の工程の一例を示すフローチャートである。以下、図３、図４及び図５を用いて、ニッケル基合金の射出成型品の製造方法について説明する。ここで、図３及び図４に示す各作製装置は、全自動で実行されるものでも良いし、オペレータが操作して実行するものであっても良い。また、図５に示す処理は、全自動で実行しても良いし、オペレータが各工程における操作をすることにより実行しても良い。本実施の形態の製造装置及び製造方法は、金属粉末射出成型（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｍｏｌｄｉｎｇ、ＭＩＭ）に関する装置及び方法を含むものであるので、成形型を用いる。成形型は、予め作製しておいても良いし、ＭＩＭを実行する毎に作製してもよい。

図３に示すニッケル基合金のインゴット２８の作製装置は、いわゆる誘導溶解法により図５のステップＳ１２のインゴッド作製工程を実行するための装置の一例であり、ニッケル基合金の材料２２が投入される耐火性るつぼ２４と、耐火性るつぼ２４の周囲に螺旋状に巻かれたコイル２６と、を有する。材料２２は、ニッケル基合金１０と同様の範囲の組成となるように仕込まれたものであり、クロム、モリブデン及びニオブのうち少なくともいずれか１つの金属元素と、ニッケルと、アルミニウムと、炭素と、不可避的不純物と、を含む。コイル２６は、その両端が交流電源に接続されており、交流電流を流すことができる。

コイル２６は、交流電流が流されると、耐火性るつぼ２４内に磁場を発生させる。そして、耐火性るつぼ２４内に投入された材料２２は、耐火性るつぼ２４内に発生した磁場に電磁誘導されて、内部に電流が流れる。そして、内部に電流が流れた材料２２は、材料２２自体の電気抵抗によって発熱する。これにより、材料２２は、溶解及び混合する。

コイル２６は、流されていた交流電流が停止すると、耐火性るつぼ２４内に発生させていた磁場が消滅する。そして、耐火性るつぼ２４内の材料２２は、耐火性るつぼ２４内に発生していた磁場からの電磁誘導が終了し、内部の電流が消滅する。そして、材料２２の発熱が終了する。耐火性るつぼ２４内の材料２２は、発熱が終了した状態で時間が経過すると、自然に冷却されて凝固して、ニッケル基合金１０と同様の範囲の組成を有するニッケル基合金のインゴット２８となる。このように、ニッケル基合金のインゴット２８の作製装置は、ニッケル基合金１０と同様の範囲の組成となるように仕込まれたニッケル基合金の材料２２から、ニッケル基合金１０と同様の範囲の組成を有するニッケル基合金のインゴット２８を作製することができる。

図４に示すニッケル基合金の粉末材料３８の作製装置は、いわゆるアトマイズ法により図５のステップＳ１４の粉末材料作製工程を実行するための装置の一例であり、ニッケル基合金のインゴット２８を配置する機構と、配置されたインゴット２８の周囲に螺旋状に巻かれたコイル３０と、インゴット２８の鉛直方向下側部から発生するニッケル基合金の液滴３２に冷却ガス３４を吹き付ける冷却ガス吹付け部３６と、を有する。インゴット２８は、ニッケル基合金１０と同様の範囲の組成を有するものであり、クロム、モリブデン及びニオブのうち少なくともいずれか１つの金属元素と、ニッケルと、アルミニウムと、炭素と、不可避的不純物と、を含む。コイル３０は、その両端が交流電源に接続されており、交流電流を流すことができる。冷却ガス３４は、ニッケル基合金と化学的に反応しないガス、例えばアルゴンガスなどの希ガスが好ましいものとして例示されるが、これに限定されない。

コイル３０は、交流電流が流されると、インゴット２８の周囲に磁場を発生させる。そして、インゴット２８は、内部に発生した磁場に電磁誘導されて、周囲に電流が流れる。そして、周囲に電流が流れたインゴット２８は、インゴット２８自体の電気抵抗によって発熱する。これにより、インゴット２８は、その周囲の部分が加熱され、その一部が溶解し、鉛直方向下側部から下方へ落下するニッケル基合金の液滴３２が生成される。

インゴット２８から生成された液滴３２は、冷却ガス吹付け部３６から冷却ガス３４を吹き付けられて冷却され、粒径の小さい粉末状となって下方に蓄積して、ニッケル基合金１０と同様の範囲の組成を有するニッケル基合金の粉末材料３８となる。ステップＳ１４の粉末材料作製工程で作製された粉末材料３８は、ニッケル基合金１０と同様の範囲の組成を有するものであり、クロム、モリブデン及びニオブのうち少なくともいずれか１つの金属元素と、ニッケルと、アルミニウムと、炭素と、不可避的不純物と、を含む。このように、ニッケル基合金の粉末材料３８の作製装置は、ニッケル基合金１０と同様の範囲の組成を有するニッケル基合金のインゴット２８から、ニッケル基合金１０と同様の範囲の組成を有するニッケル基合金の粉末材料３８を作製することができる。ニッケル基合金の粉末材料３８は、このような方法で作製されるので、粒径が１μｍ以上５０μｍ以下に、好ましくは１μｍ以上２０μｍ以下に、作製される。

本実施の形態のニッケル基合金の射出成型品の製造方法は、インゴット作製工程Ｓ１２と、粉末材料作製工程Ｓ１４と、射出成型工程Ｓ１６と、熱処理工程Ｓ１８と、を含む。インゴット作製工程Ｓ１２は、例えば図３に示すニッケル基合金のインゴット２８の作製装置を用いて、上記のように、ニッケル基合金１０と同様の範囲の組成となるように仕込まれたニッケル基合金の材料２２からニッケル基合金１０と同様の範囲の組成を有するニッケル基合金のインゴット２８を作製する工程である。粉末材料作製工程Ｓ１４は、例えば図４に示すニッケル基合金の粉末材料３８の作製装置を用いて、上記のように、ニッケル基合金１０と同様の範囲の組成を有するニッケル基合金のインゴット２８から、ニッケル基合金１０と同様の範囲の組成を有するニッケル基合金の粉末材料３８を作製する工程である。

射出成型工程Ｓ１６は、粉末材料作製工程Ｓ１４で作製されたニッケル基合金の粉末材料３８を、成形型に射出して射出成型品を形成する工程、すなわちＭＩＭに関する工程である。射出成型工程Ｓ１６は、成形型の形状が複雑な場合、ニッケル基合金の粉末材料３８の射出圧力を上げて行われる。

熱処理工程Ｓ１８は、射出成型工程Ｓ１６で形成された射出成型品を加熱して、ニッケルを主成分とする粉末粒子（粒子状の合金）を結晶化させ、ニッケルを主成分とする結晶粒と、結晶粒の間である結晶粒界に析出し、クロム、モリブデン及びニオブのうち少なくともいずれか１つの金属元素と炭素とを含む炭化物と、を有する結晶構造を生成する工程である。また、熱処理工程Ｓ１８では、射出成型時に粉末材料に混入したバインダを除去する脱脂処理も行う。結晶粒界に析出する炭化物の径及びアスペクト比の範囲は、上記のニッケル基合金１０における炭化物１６ａの径及びアスペクト比の範囲と同様である。ニッケルを主成分とする結晶粒の粒径の範囲は、上記のニッケル基合金１０における結晶粒１２の粒径の好ましい範囲と同様であることが好ましい。

熱処理工程Ｓ１８は、さらに、ニッケルを主成分とする結晶粒の結晶粒界に析出し、ニッケルまたはニオブとアルミニウムとの合金を含む金属析出物と、をさらに有する結晶構造を生成することが好ましい。結晶粒界に析出する金属析出物の径及びアスペクト比の範囲は、上記のニッケル基合金１０における金属析出物１６ｂの径及びアスペクト比の範囲と同様である。

本実施の形態に係るニッケル基合金の射出成型品の製造方法は、射出成型工程Ｓ１６で粉末材料３８を成形型にあわせて成形した後、熱処理工程Ｓ１８で焼結する。このため、鋳造法のように溶解した材料を鋳型に投入せず、粒子を密集させて成形し、その後熱処理を行って焼結する。そのため、製造したニッケル基合金の射出成型品は、鋳造法により形成された鋳造成形品と比較して、ニッケルを主成分とする結晶粒の粒径を小さく、例えば、好ましくは１μｍ以上５０μｍ以下に、より好ましくは１μｍ以上２０μｍ以下とすることができる。

また、射出成型工程Ｓ１６で形成された射出成型品は、クロム、モリブデン及びニオブと炭素とを含む炭化物が各粉末粒子に溶けて分散して存在し、炭化物が固まって析出しない状態に保持されている。すなわち、射出成型工程Ｓ１６で形成された射出成型品は、射出成型工程Ｓ１６以降の工程によって、クロム、モリブデン及びニオブと炭素とを含む炭化物の析出状態を細かく制御することが可能な状態に保持されている。さらに、射出成型工程Ｓ１６で形成された射出成型品は、金属析出物が各粉末粒子に溶けて分散して存在している。すなわち、射出成型工程Ｓ１６で形成された射出成型品は、射出成型工程Ｓ１６以降の工程によって、金属析出物の析出状態を細かく制御することが可能な状態に保持されている。

本実施の形態に係るニッケル基合金の射出成型品の製造方法は、熱処理工程Ｓ１８で、上記のニッケル基合金１０における炭化物１６ａと同様の構造となるように、炭化物の析出状態を細かく制御することができる。具体的には、熱処理の温度や時間を制御することで、結晶粒界に析出する析出物の状態を制御することができる。そのため、本実施の形態に係るニッケル基合金の射出成型品の製造方法は、上記の結晶粒界１４に炭化物１６ａが析出しているニッケル基合金１０に例示されるような、結晶粒界が強いニッケル基合金が用いられた射出成型品を製造することができる。さらに、本実施の形態に係るニッケル基合金の射出成型品の製造方法は、上記のニッケル基合金１０における金属析出物１６ｂと同様の構造となるように、金属析出物の析出状態を細かく制御することができる。そのため、本実施の形態に係るニッケル基合金の射出成型品の製造方法は、上記の結晶粒界１４にさらに金属析出物１６ｂが析出しているニッケル基合金１０に例示されるような、結晶粒界がより強いニッケル基合金が用いられた射出成型品を製造することができる。

本実施の形態に係るニッケル基合金の射出成型品の製造方法は、上記のニッケル基合金１０に例示される結晶粒界が強いニッケル基合金が用いられた、高温強度が高い射出成型品を製造することができる。すなわち、本実施の形態に係るニッケル基合金の射出成型品の製造方法は、高温での引っ張り強度が高く、高温でのクリープ特性が良い射出成型品を製造することができる。また、本実施の形態に係るニッケル基合金の射出成型品の製造方法は、高温でも脆くはならず、粘り強い射出成型品を製造することができる。また、本実施の形態に係るニッケル基合金の射出成型品の製造方法は、高温での伸びが下がり、高温で伸びにくい射出成型品を製造することができる。

ニッケル基合金は、アルミニウムの含有割合を１質量％以上とすることが好ましい。本実施の形態に係るニッケル基合金の射出成型品の製造方法は、アルミニウムの含有割合が１質量％以上である場合でも、結晶粒界を強くすることができ、高温強度が高い射出成形品を製造することができる。ニッケル基合金は、アルミニウムの含有割合を２質量％以上とすることがより好ましい。本実施の形態に係るニッケル基合金の射出成型品の製造方法は、アルミニウムの含有割合が２質量％以上である場合でも、結晶粒界を強くすることができ、より高温強度が高い射出成形品を製造することができる。

なお、本実施の形態のニッケル基合金の射出成型品の製造方法は、ニッケル基合金１０と同様の範囲の組成となるように仕込まれたニッケル基合金の材料２２を最初の材料に選択したが、ニッケル基合金１０と同様の範囲の組成を有するニッケル基合金のインゴット２８を最初の材料に選択して、インゴット作製工程Ｓ１２の処理を行わずに粉末材料作製工程Ｓ１４以降の処理のみを行ってもよい。

以下、本発明の効果を明確にするために行った実施例に基づいて本発明をより詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。

（実施例１）
ＩＮＣＯＮＥＬ７１３Ｃ（ＩＮＣＯＮＥＬは登録商標）とほぼ同等の組成、すなわち６．１質量％のアルミニウム、１３質量％のクロム、４．５質量％のモリブデン、２．３質量％のニオブ、０．１４質量％の炭素を含むニッケル基合金の材料に対してインゴット作製工程Ｓ１２と同様の処理をしてニッケル基合金のインゴット２８を作製し、このニッケル基合金のインゴットに対して粉末材料作製工程Ｓ１４と同様の処理をしてニッケル基合金の粉末材料３８を作製した。その後、このニッケル基合金の粉末材料３８に対して射出成型工程Ｓ１６と同様の処理をして射出成型品を形成した。この射出成型品に対して熱処理工程Ｓ１８と同様の処理をして、本発明の一実施の形態に係るニッケル基合金の射出成型品を製造した。この本発明の一実施の形態に係るニッケル基合金の射出成型品の製造方法により製造されたニッケル基合金の射出成型品を、実施例１の射出成型品とした。

上記の実施例１の射出成型品の断面を、走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ、ＳＥＭ）で観察及び撮影して、実施例１のＳＥＭ画像を取得した。ＳＥＭの観察及び撮影は、島津製作所製のＳＳ−５５０を用いて、加速電圧を１５ｋＶに設定して、行われた。実施例１のＳＥＭ画像は、図６及び図７に示されている。また、この実施例１の射出成型品の断面を、電子線マイクロアナライザ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ ＭｉｃｒｏＡｎａｌｙｓｅｒ、ＥＰＭＡ）でアルミニウム、ニオブ、モリブデンの各元素の含有割合の面内分布を測定して、それらの面内分布を濃淡で表した、実施例１のＥＰＭＡ画像をそれぞれ取得した。ＥＰＭＡの測定条件は、島津製作所製のＥＰＭＡ−１７２０を用いて、加速電圧を１５ｋＶに設定して、電子線の直径を０．１μｍに収束させて、行われた。実施例１のＥＰＭＡ画像は、それぞれ図８、図９及び図１０に示されている。実施例１の各ＥＰＭＡ画像では、淡色の箇所は、濃色の箇所よりも各元素の含有割合が高い箇所である。また、実施例１の射出成型品の任意の位置から採取した米国材料試験規格ＡＳＴＭ Ｅ８の丸棒引張試験片を用い、ＡＳＴＭ Ｅ２１に規定する金属材料試験方法に準じ、６５０℃以上９００℃以下の範囲の複数の温度における各引張強度を測定した。実施例１の各引張強度の測定結果は、図１１に示されている。

図６は、実施例１のニッケル基合金の射出成型品の断面のＳＥＭ画像の一例である。図７は、図６のＳＥＭ画像の点線枠内を拡大したＳＥＭ画像である。図８は、図７のＳＥＭ画像と同じ領域についてＥＰＭＡによるアルミニウムの含有割合の面内分布測定の結果を示す画像の一例である。図９は、図７のＳＥＭ画像と同じ領域についてＥＰＭＡによるニオブの含有割合の面内分布測定の結果を示す画像の一例である。図１０は、図７のＳＥＭ画像と同じ領域についてＥＰＭＡによるモリブデンの含有割合の面内分布測定の結果を示す画像の一例である。図１１は、実施例１及び比較例１のニッケル基合金の射出成型品の高温における引張強度の測定結果を示すグラフである。

図６及び図７に示す実施例１のＳＥＭ画像から、本実施の形態に係るニッケル基合金の射出成型品の製造方法により製造された実施例１の射出成型品は、ニッケルを主成分とする複数の結晶粒の粒径が１μｍ以上２０μｍ以下となっていることが分かった。

図８に示す実施例１のＥＰＭＡ画像から、実施例１の射出成型品は、アルミニウムが、ニッケルを主成分とする複数の結晶粒の結晶粒界に沿って、径が０．１μｍ以上２０μｍ以下、かつ、アスペクト比が３以上の形状で、膜状に点在していることが分かった。このことから、実施例１の射出成型品は、ニッケルを主成分とする複数の結晶粒の結晶粒界に析出し、径が０．１μｍ以上２０μｍ以下、アスペクト比が３以上であり、かつ、ニッケルとアルミニウムとを含む合金を含む金属析出物であるγプライム析出物を有することが推測される。

図９及び図１０に示す実施例１のＥＰＭＡ画像から、実施例１の射出成型品は、ニオブ及びモリブデンが、ニッケルを主成分とする複数の結晶粒の結晶粒界に沿って、粒径が０．１μｍ以上１０μｍ以下、かつ、アスペクト比が３以上の形状で、膜状に点在していることが分かった。このことから、実施例１の射出成型品は、ニッケルを主成分とする複数の結晶粒の結晶粒界に析出し、径が０．１μｍ以上１０μｍ以下、アスペクト比が３以上であり、かつ、ニオブまたはモリブデンと炭素とを含む炭化物を有することが推測される。

（比較例１）
実施例１において、熱処理工程Ｓ１８の処理をする前の状態の射出成型品を、比較例１の射出成型品とした。比較例１の射出成型品の断面を、実施例１と同一の条件下で、ＳＥＭで観察及び撮影して、比較例１のＳＥＭ画像を取得した。比較例１のＳＥＭ画像は、図１２及び図１３に示されている。また、比較例１の射出成型品の断面を、実施例１と同一の条件下で、ＥＰＭＡでアルミニウム、ニオブ、モリブデンの各元素の含有割合の面内分布を測定して、それらの面内分布を濃淡で表した、比較例１のＥＰＭＡ画像をそれぞれ取得した。比較例１のＥＰＭＡ画像は、それぞれ図１４、図１５及び図１６に示されている。比較例１の各ＥＰＭＡ画像では、実施例１の各ＥＰＭＡ画像と同様に、淡色の箇所は、濃色の箇所よりも各元素の含有割合が高い箇所である。また、比較例１の射出成型品の任意の位置から採取した米国材料試験規格ＡＳＴＭ Ｅ８の丸棒引張試験片を用い、ＡＳＴＭ Ｅ２１に規定する金属材料試験方法に準じ、６５０℃以上９００℃以下の範囲の複数の温度における各引張強度を測定した。比較例１の各引張強度の測定結果は、実施例１の各引張強度の測定結果とともに、図１１に示されている。

図１２は、比較例１のニッケル基合金の射出成型品の断面のＳＥＭ画像の一例である。図１３は、図１２のＳＥＭ画像において結晶粒界が交わっている領域に相当する点線枠内を拡大したＳＥＭ画像である。図１４は、図１３のＳＥＭ画像と同じ領域についてＥＰＭＡによるアルミニウムの含有割合の面内分布測定の結果を示す画像の一例である。図１５は、図１３のＳＥＭ画像と同じ領域についてＥＰＭＡによるニオブの含有割合の面内分布測定の結果を示す画像の一例である。図１６は、図１３のＳＥＭ画像と同じ領域についてＥＰＭＡによるモリブデンの含有割合の面内分布測定の結果を示す画像の一例である。

図１２及び図１３に示す比較例１のＳＥＭ画像から、比較例１の射出成型品は、ニッケルを主成分とする粉末粒子が密集して形成された結晶粒の粒径が１μｍ以上２０μｍ以下に小さく保持されていることが分かった。また、図１４、図１５及び図１６に示す比較例１のＥＰＭＡ画像から、比較例１の射出成型品は、アルミニウム、ニオブ及びモリブデンが各結晶粒に分散して存在していることが分かった。このことから、比較例１の射出成型品は、ＥＰＭＡでの含有割合の面内分布の測定が困難とされる炭素が固まって存在していない状態、すなわち炭化物が固まって析出していない状態であることが推測される。

図９、図１０、図１５及び図１６に示す各ＥＰＭＡ画像から、比較例１の射出成型品は、本実施の形態に係る熱処理工程Ｓ１８の処理により、実施例１の射出成型品の状態となり、すなわちニッケルを主成分とする複数の結晶粒の結晶粒界に析出し、径が０．１μｍ以上１０μｍ以下、アスペクト比が３以上であり、かつ、ニオブまたはモリブデンと炭素とを含む炭化物を有するに至ったことが推測される。

図８及び図１４に示す各ＥＰＭＡ画像から、比較例１の射出成型品は、本実施の形態に係る熱処理工程Ｓ１８の処理により、実施例１の射出成型品の状態となり、すなわちニッケルを主成分とする複数の結晶粒の結晶粒界に析出し、径が０．１μｍ以上２０μｍ以下、アスペクト比が３以上であり、かつ、ニッケルとアルミニウムとを含む合金を含む金属析出物であるγプライム析出物を有するに至ったことが推測される。

図１１に示すグラフから、実施例１の引張強度は、６５０℃の時に約１２００ＭＰａであり、温度の増加と共に単調に減少して、９００℃の時に約５００ＭＰａであることが分かった。また、同じグラフから、比較例１の引張強度は、６５０℃の時に約１１００ＭＰａであり、温度の増加と共に単調に減少して、９００℃の時に約４００ＭＰａであることが分かった。実施例１の引張強度は、６５０℃以上９００℃以下の範囲において、比較例１の高温の引張強度よりも高いことが分かった。すなわち、ニッケル基合金の射出成型品の高温の引張強度は、本実施の形態に係る熱処理工程Ｓ１８の処理により、向上したことが分かった。

以上により、実施例１のニッケル基合金の射出成型品は、本実施の形態に係る熱処理工程Ｓ１８の処理により、ニッケルを主成分とする複数の結晶粒の結晶粒界に析出し、上記の範囲内の径及びアスペクト比の炭化物及びγプライム析出物を有するに至ったため、高温の引張強度が高くなったことが推測される。

１０ ニッケル基合金
１２ 結晶粒
１４ 結晶粒界
１６ 析出物
１６ａ 炭化物
１６ｂ 金属析出物
２２ 材料
２４ 耐火性るつぼ
２６、３０ コイル
２８ インゴット
３２ 液滴
３４ 冷却ガス
３６ 冷却ガス吹付け部
３８ 粉末材料

Claims (7)

1. クロム、モリブデン及びニオブのうち少なくともいずれか１つの金属元素と、
   ニッケルと、
   アルミニウムと、
   炭素と、を含み、
   前記金属元素と前記炭素とを含む炭化物が、前記金属元素、前記ニッケル、前記アルミニウム及び前記炭素を含む粉末材料の各粉末粒子に溶けて分散して存在し、前記炭化物が固まって析出しない状態に保持されており、
   前記粉末材料の各粉末粒子の粒径が１μｍ以上５０μｍ以下であることを特徴とするニッケル基合金の射出成型品。
2. 前記ニッケルまたは前記ニオブと前記アルミニウムとを含む合金を含む金属析出物が前記各粉末粒子に溶けて分散して存在していることを特徴とする請求項１に記載のニッケル基合金の射出成型品。
3. 前記アルミニウムは、含有割合が２質量％以上７質量％以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のニッケル基合金の射出成型品。
4. クロム、モリブデン及びニオブのうち少なくともいずれか１つの金属元素と、ニッケルと、アルミニウムと、炭素と、を含み、粒径が１μｍ以上５０μｍ以下のニッケル基合金の粉末材料を、成形型に射出して射出成型品を形成する射出成型工程を有し、
   前記射出成型工程では、前記金属元素と前記炭素とを含む炭化物が前記粉末材料の各粉末粒子に溶けて分散して存在し、前記炭化物が固まって析出しない状態とすることを特徴とするニッケル基合金の射出成型品の製造方法。
5. 前記射出成型工程では、さらに、前記ニッケルまたは前記ニオブと前記アルミニウムとを含む合金を含む金属析出物が前記各粉末粒子に溶けて分散して存在している状態とすることを特徴とする請求項４に記載のニッケル基合金の射出成型品の製造方法。
6. 前記ニッケル基合金の粉末材料は、前記アルミニウムの含有割合が２質量％以上７質量％以下であることを特徴とする請求項４または請求項５に記載のニッケル基合金の射出成型品の製造方法。
7. クロム、モリブデン及びニオブのうち少なくともいずれか１つの金属元素と、ニッケルと、アルミニウムと、炭素と、を含むニッケル基合金の材料を溶解及び混合してニッケル基合金のインゴットを作製するインゴット作製工程と、
   前記インゴットの周囲を加熱し、一部を溶解させてニッケル基合金の液滴を生成し、前記液滴に冷却ガスを吹き付けて冷却し、前記ニッケル基合金の粉末材料を作製する粉末材料作製工程と、
   をさらに含むことを特徴とする請求項４から請求項６のいずれか１項に記載のニッケル基合金の射出成型品の製造方法。