JP2021042403A

JP2021042403A - 複合部材および複合部材の製造方法

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Publication number: JP2021042403A
Application number: JP2019162769A
Authority: JP
Inventors: 一矢品川; Kazuya Shinagawa; 浩史白鳥; Hiroshi Shiratori; 秀峰小関; Hidemine Koseki; 孝介桑原; Kosuke Kuwabara
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2019-09-06
Filing date: 2019-09-06
Publication date: 2021-03-18
Anticipated expiration: 2039-09-06
Also published as: JP7255430B2

Abstract

【課題】高温環境や腐食環境などの過酷環境下での耐久性に優れ、割れや剥離の発生を抑制することができる複合部材および複合部材の製造方法を提供する。【解決手段】本発明の複合部材は、溶融凝固組織を有する造形体（１）が、遷移金属を主成分とする金属基材（２）の表面に形成された複合部材であって、造形体（１）は、ＴｉＣ、ＴｉＮおよびＴｉ（Ｃ、Ｎ）のうちの少なくとも１種のセラミクス相を１５〜７５質量％と、金属相を２５〜８５質量％含み、金属相は、Ｎｉ単体またはＮｉを主成分とする合金よりなり、造形体（１）に接する金属基材（２）の表層部に、Ｔｉを深さ方向に傾斜して含む混合層（３）が、厚さ２５０μｍ以上形成されていることを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、複合部材および複合部材の製造方法に関する。

温熱間および耐食工具および部材では、従来の工具鋼を越える長寿命材料を適用するニーズがある。このニーズに対し、過酷環境下で耐久性に優れる複合部材を作製できる技術として、例えば特許文献１には、ＴｉＣとＮｉなどを含むオーバレイ層を基材の表面に形成する技術が開示されている。

一方、基材上に異種材料を形成した複合部材を作製する技術として、付加製造法（ＡｄｄｉｔｉｖｅＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ、ＡＭ法）があり、例えば特許文献２に記載されている。

特表２０１７−５２１５４８号公報特開２０１７−１１５１９４号公報

上述した特許文献１のように、基材に皮膜状のオーバレイ層を設けた複合部材では、基材とオーバーレイ層との密着が不十分となる可能性があり、複合部材の作製時や使用時に、き裂や剥離が発生する恐れがある。

特許文献２は、付加製造用粉末材料の流動性の問題を解決するものであるが、各種付加製造法により造形した付加製造体における、セラミックス粒子の組織形態や構造物として許容できない割れなどの欠陥低減にまで効果が及ぶものではない。
また、ＴｉＣ／ＮｉやＷＣ／Ｃｏに代表されるセラミックス／金属複合材料の付加製造用粉末材料と、これによる付加製造体が知られている。しかし、これらを例えば金型やスクリュー工具のような複雑形状で多層に積層し構造物とした場合、基材と造形体との間で、溶融凝固と連続的な熱処理が加わることで応力が発生し、基材と造形体との間で割れや剥離が生じること、さらにセラミックスが粗大化し強度や靭性などの機械特性が低下することが課題となっていた。

本発明は、上記事情に鑑み、高温環境や腐食環境などの過酷環境下での耐久性に優れ、割れや剥離の発生を抑制することができる複合部材および複合部材の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の一態様は、溶融凝固組織を有する造形体が、遷移金属を主成分とする金属基材の表面に形成された複合部材であって、前記造形体は、ＴｉＣ、ＴｉＮおよびＴｉ（Ｃ、Ｎ）のうちの少なくとも１種のセラミクス相を１５〜７５質量％と、金属相を２５〜８５質量％含み、前記金属相は、Ｎｉ単体またはＮｉを主成分とする合金よりなり、前記造形体に接する前記金属基材の表層部に、Ｔｉを深さ方向に傾斜して含む混合層が、厚さ２５０μｍ以上形成されていることを特徴とする複合部材である。

また、上記目的を達成するための本発明の他の態様は、遷移金属を主成分とする金属基材を準備する基材準備工程と、ＴｉＣ、ＴｉＮおよびＴｉ（Ｃ、Ｎ）のうちの少なくとも１種のセラミクス相を１５〜７５質量％含むとともに、Ｎｉ単体またはＮｉを主成分とする合金よりなる金属相を２５〜８５質量％含んだ溶融凝固組織を有する造形体を付加製造法によって造形する付加製造工程を有し、前記付加製造工程によって、前記造形体に接する前記金属基材の表層部に、Ｔｉを深さ方向に傾斜して含む混合層を、厚さ２５０μｍ以上形成することを特徴とする複合部材の製造方法である。

本発明によれば、高温環境や腐食環境などの過酷環境下での耐久性に優れ、割れや剥離の発生を抑制することができる複合部材およびその製造方法を提供することができる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の第１の実施の形態の複合部材を模式的に示す断面図本発明の第２の実施の形態の複合部材を模式的に示す断面図図１Ａの構成を有する複合部材の断面観察写真図１Ａの複合部材の深さ方向のＴｉ濃度を示すグラフ比較例１の複合部材の断面観察写真

以下、図面を参照して本発明の複合部材および複合部材の製造方法の実施の形態を説明する。

［複合部材］
図１Ａは本発明の第１の実施の形態の複合部材を模式的に示す断面図である。図１Ａに示すように、本発明の複合部材は、金属基材２と、金属基材２の表面に設けられた造形体１と、金属基材２と造形体１との間に設けられた混合層３とを有する。

金属基材２は、遷移金属を主成分とする合金からなる。中でも鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）またはコバルト（Ｃｏ）を主成分とする合金が好ましい。造形体１は、炭化チタン（ＴｉＣ）、窒化チタン（ＴｉＮ）および炭窒化チタン（Ｔｉ（Ｃ，Ｎ））のうちの少なくとも１種のセラミックスと、Ｎｉを主成分とする合金とを含む層からなる。造形体１は、後述する通り、積層造形法（付加製造法）によって形成され、上記成分を含む溶融凝固組織を有するセラミックスと金属（Ｎｉ基合金）とからなる層である。造形体１と金属基材２がこのような組成を有することによって、セラミックス粒子が粗大化することを防止し、造形体１と金属基材２の特性低下を防ぐことができる。より具体的には、Ｔｉ系セラミックス（ＴｉＣ、ＴｉＮ、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ））自体は融点が高く、粗大化しにくい。さらに、Ｔｉ系セラミックスは金属基材（Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ）２と反応して有害相を形成することが無い。

また、造形体１と金属基材２との間に、造形体１の成分と金属基材２の成分を含む混合層３を有している。この混合層３は、厚さが２５０μｍ以上であり、中間金属間化合物相の分率が３０％未満である部分を含んでいる。造形体１は高温強度、耐摩耗性および耐食性に優れている。したがって、このような造形体１が金属基材２の上に設けられた複合部材は、高温強度に優れ、摺動等の使用環境下で発生する割れや剥離の発生を抑制することができる。

金属基材２がＮｉを主成分とする合金（Ｎｉ基合金）からなる場合、金属基材２の好ましい組成の一例は、Ｃｒが８質量％以上かつ２２質量％以下、Ｃｏが２８．５質量％以下、Ｍｏが１４．５質量％以下、Ｗが１２質量％以下、Ｎｂが５質量％以下、Ａｌが６．１質量％以下、Ｔｉが４．７質量％以下、Ｆｅが１８．５質量％以下、Ｚｒが０．１質量％以下、Ｔａが４質量％以下、Ｖが１．０質量％以下、Ｈｆが１．３質量％以下、Ｍｎが０．０５質量％以上０．７質量％以下、Ｓｉが０．５質量％以下、Ｌａが０．０２質量％以下、Ｍｇが０．０２質量％以下、Ｃが０．０２質量％以上０．２質量％以下、Ｂが０．０５質量％以下、残部がＮｉと不可避不純物である。

金属基材２がＦｅを主成分とする合金（Ｆｅ基合金）からなる場合、金属基材２の好ましい組成の一例は、Ｃｒが０．０５質量％以上かつ３０質量％以下、Ｃｏが２８．５質量％以下、Ｍｏが５．０質量％以下、Ｗが５質量％以下、Ｎｂが５質量％以下、Ａｌが１．０質量％以下、Ｔｉが１．０質量％以下、Ｚｒが０．１質量％以下、Ｔａが１．０質量％以下、Ｖが１．０質量％以下、Ｍｎが０．０１質量％以上５．０質量％以下、Ｓｉが０．０５以上５．０質量％以下、Ｃが０．０２質量％以上２．０質量％以下、Ｂが０．０５質量％以下、残部がＦｅと不可避不純物である。

金属基材２がＣｏを主成分とする合金（Ｃｏ基合金）からなる場合、Ｃｏを５０質量％以上含み、その他にＣｒ、Ｎｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｃ等から選択される元素を含むことが好ましい。好ましい組成の一例は、具体的には、Ｃｒが３０質量％以下、Ｎｉが２２質量％以下、Ｗが１５質量％以下、Ｍｏが４．２５質量％以下、Ｖが１．７質量％以下、Ｆｅが３０質量％以下、Ｍｎが２．０質量％以下、Ｓｉが１．０質量％以下、Ｃが１．１質量％以下、残部がＣｏと不可避不純物である。

金属基材２の硬度が低いほど、金属基材２により造形体１の拘束力が弱まり、付加製造時の応力が緩和され、剥離の発生を抑制することができる。しかし、複合部材を、たとえば工具として使用する場合には、ある程度の硬度が必要になる。したがって、金属基材２のビッカース硬さは、２００ＨＶ以上５００ＨＶ未満であることが好ましい。金属基材２が上述した硬度を有していれば、複合部材を工具として使用することができる。

セラミックスと金属からなる造形体１は、主に、Ｎｉ単体もしくはＮｉ合金の金属相を結合相とし、１５質量％以上７５質量％以下（１５〜７５質量％）のＴｉＣ、ＴｉＮおよびＴｉ（Ｃ，Ｎ）のうちの少なくとも１種の硬質なセラミックス粒子が分散した積層造形体である。造形体１において、Ｎｉの量が多いほど靭性が向上する。そのため、Ｎｉの量が多いほど、造形体１の造形時の割れや剥離の発生を抑制できる。その反面、Ｎｉの量の増加に伴って、強度および硬度が低下する。

以上のことから、造形体１の結合相であるＮｉは２５質量％以上８５質量％（２５〜８５質量％）以下であることが好ましい。より好ましくは３５質量％以上８０質量％以下、さらに好ましくは４５質量％以上７５質量％以下である。これにより、複合部材の造形体１の割れや剥離が防止され、たとえば工具としての使用に適した靱性、強度および硬度を備えることができる。なお、造形体１のビッカース硬さは、たとえば４００ＨＶ以上１２００ＨＶ以下であることが好ましい。

造形体１においてＴｉＣ、ＴｉＮおよびＴｉ（Ｃ，Ｎ）の含有量は、上記成分以外に、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）およびタンタル（Ｔａ）などの微量添加元素と、これら添加元素と炭素、窒素からなるセラミックスを含むことができる。これら添加元素とセラミックスは、造形体１の硬さを向上させることができる。またＣｒとＭｏは耐食性および耐酸化性を向上させることができる。添加元素と炭素とからなるセラミックスとして、例えば、ＷＣ粒子を含むことが好ましい。

ＴｉＣ、ＴｉＮまたはＴｉ（Ｃ，Ｎ）粒子は、微細であるほど強度および靭性が向上する。そのため、造形体１に含まれるＴｉＣ、ＴｉＮまたはＴｉ（Ｃ，Ｎ）粒子の平均粒径は、５０μｍ以下であることが好ましい。ここで、造形体１に含まれるＴｉＣ、ＴｉＮまたはＴｉ（Ｃ，Ｎ）粒子の平均粒径は、セラミックスと金属の造形体を切断した被験面における光学顕微鏡やＳＥＭ観察などの写真から各粒子の円相当径の平均値から求めることができる。

混合層３は、造形体１と金属基材２との間の基材表層部に形成され、造形体１の成分と金属基材２の成分を含む領域である。混合層３は、複合部材の積層造形時に、造形体１と金属基材２との接合界面およびその近傍に生成される。

図２は図１Ａの構成を有する複合部材の断面観察写真（光学顕微鏡写真）であり、図３は図１Ａの複合部材の深さ方向のＴｉのＸ線カウント数を示すＥＰＭＡによる測定結果を示すグラフである。図３において、横軸は、測定開始点からの距離である測定位置［μｍ］であり、縦軸は、ＴｉのＸ線カウント数から算出したＴｉ濃度である。造形体１と混合層３との境界および混合層３と金属基材２との実質的な境界は、たとえば、下記するようにＴｉのＸ線カウント数の変動幅によって規定することができる。

混合層３の存在は、図２に示すように、外観写真の濃淡により判別することが可能である。即ち、基材部分は白っぽいが、混合層は黒っぽさが混じっている。しかし、造形体１と混合層３との境界、および金属基材２と混合層３との境界は、顕微鏡による観察では明確に判別できない場合がある。この場合、それぞれの境界は、たとえば、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ：ＥｌｅｃｔｒｏｎＰｒｏｂｅＭｉｃｒｏＡｎａｌｙｚｅｒ）によって分析することができる。

より具体的には、図２に示すように、造形体１と金属基材２の複合部材を、造形体１および金属基材２が同一断面で観察できるように切断する。なお、図２の例に示すように、造形体１と金属基材２は、容易に判別することができる。次に、造形体１から金属基材２へ向けて２０μｍのステップで、スポットサイズの設定値を０μｍとして、ＥＰＭＡによる線分析を行い、ＴｉのＸ線カウント数を測定する。尚、カウント数が高いと濃度も高くなり、カウント数を基に濃度を算出できる。

具体的には、たとえば、混合層３では、固溶体に近いため互いに隣接する分析点の間のカウント数の変動幅が±１０％程度であるのに対し、造形体１では、セラミックスと金属の複合材であるため互いに隣接する分析点の間のカウント数の変動幅が±２０％以上である。また、金属基材２では、造形体１や混合層３と比較して、カウント数およびカウント数の変動幅が非常に小さくなっている。したがって、ＥＰＭＡにより、複合部材の切断面におけるＴｉのＸ線カウント数を測定することで造形体１と混合層３との境界、および混合層３と金属基材２との実質的な境界を画定することができる。

図３に示すように、混合層３は、造形体１のＴｉ濃度と金属基材２のＴｉ濃度の間のＴｉ濃度を示し、金属基材２の表面を基準とし、ここから混合層３の最大深さまでの厚さが２５０μｍ以上としている。これにより、造形体１と金属基材２の組合せにより脆化相の生成が少なく、かつ造形体１と金属基材２の密着強度が十分に維持可能である。また、厚さが２５０μｍ以上であることで、造形体１と金属基材２の複合部材の製造時の熱応力に耐え得る靱性を備えた混合層３となっている。

図１Ｂは、本発明の第２の実施の形態の複合部材を模式的に示す断面図である。図１Ｂに示す複合部材は、造形体１の表面に、さらにコーティング層４を有している。コーティング層４は、例えば、複合部材に耐摩耗性を向上する目的で設けられる。コーティング層４は、特に限定されないが、たとえば、炭化チタン（ＴｉＣ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化チタンアルミニウム（ＴｉＡｌＮ）および窒化クロム（ＣｒＮ）などを用いることができる。

コーティング層４の形成は、たとえば、造形体１の表面を窒化させたり、ＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法やＰＶＤ（ＰｈｙｓｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によって成膜することができる。

上述したコーティング層を形成した複合部材は、従来よりも高い高温強度、耐摩耗性および耐食性を有し、割れや剥離の発生を抑制することができる。

［複合部材の製造方法］
本発明の複合部材の製造方法は、上述したように、金属基材２の表面に造形体１を付加製造法（ＡｄｄｉｔｉｖｅＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ：ＡＭ法）によって造形するものである。ＡＭ法の方式としては、特に限定されないが、たとえば、レーザメタルデポジション（ＬＭＤ法）などの指向性エネルギー堆積方式、粉末床溶融結合方式およびプラズマ粉体肉盛などを用いることができる。指向性エネルギー堆積方式の付加製造では、造形体１の原料となるセラミックスと金属の材料粉末を、レーザ、電子ビーム、プラズマ、アークのいずれかの熱源を用いて溶融させ、溶融した材料粉末を金属基材２の上に付着させて溶融し凝固させて、造形体となる層を形成する。これを繰り返し行い積層してなる造形体１とする。このとき、造形体１の原料の供給粉末は、供給源と熱源により形成する溶融部を含む供給経路のどの段階で混合されてもよい。

ＡＭ法によって、金属基材２の表面に造形体１を付加製造によって造形することで、造形体１と金属基材２との界面およびその近傍の溶融凝固により、造形体１の成分と金属基材２の成分とが混ざり合う。これにより、造形体１と金属基材２との間に造形体１の成分と金属基材２の成分とを含む混合層３が生成され、造形体１と金属基材２との間に混合層３を有する複合部材が得られる。

混合層の厚さは、例えば指向性エネルギー堆積方式のレーザ積層造形であれば，レーザ出力、粉末供給量、走査速度により制御することができる。混合層の厚さは、粉末と基材への単位長さ当たりのエネルギ一投入量によって変化するため、例えば走査速度を早くした場合、粉末と基材に対する単位長さ当たりの投入エネルギ量が減少するため基材への溶け込みが浅くなり、これにより混合層の厚みは小さくなる。このような関係を利用することで、混合層の厚みを制御することができる。

上記製造方法において、付加造形前および付加造形中に予熱工程を加えても良い。予熱工程では、金属基材２を２００℃以上の温度に予熱する工程である。予熱工程は、たとえば、高周波誘導加熱、ガスバーナー、赤外線電気ヒーター、加熱炉、電子ビームまたはレーザの照射などを用いて行うことができる。なお、予熱工程において、金属基材２を２００℃以上の温度に予熱することが好ましい。また、予熱工程の温度の上限は、自重による変形を防止する観点から、１３００℃以下である。

予熱工程において、金属基材２を２００℃以上の温度に予熱することで、付加造形工程において、造形体１と金属基材２との間の割れや剥離の発生を抑制する効果を向上することができる。具体的には、予熱工程において金属基材２を一定の温度以上に予熱することで、造形体１の付加製造時に溶融凝固させた材料の冷却速度を低下させ、造形体１の硬化や低温割れ、水素の拡散などを抑制する効果を向上できる。

この予熱工程では、金属基材２を予熱することで、付加製造時の造形体１の温度勾配が緩やかになり、熱応力による変形の抑制と残留応力の緩和が可能になる。また、予熱工程において金属基材２を２００℃以上の温度に予熱することで、付加造形時の微小な亀裂の発生を抑制する効果を向上できる。

また、付加製造後に、複合部材を５００℃以上、１３００℃以下の温度で熱処理する工程を有していてもよい。これにより、複合部材製作工程において、造形体１に存在する中間金属間化合物相を低減もしくは消失させることができる。中間金属間化合物相は脆性であるため、これらが存在すると造形体１および混合層３の靱性が低下する。また、上記熱処理工程は、付加製造時に発生した残留応力を低減もしくは除去する効果がある。残留応力は、後工程や使用時の割れや剥離の原因となる可能性があるため、熱処理工程によって取り除かれることが好ましい。

熱処理工程において、造形体１と混合層３に存在する中間金属間化合物相を低減もしくは消失させることで、造形体１の靱性が向上する。熱処理工程における熱処理温度は、熱処理の目的に応じて選択することができる。残留効力を低減する場合、５００℃以上が好ましい。また、造形体１に存在するη相や遊離炭素をより効果的に拡散および消失させて、造形体１の靱性をより向上させる観点から、１２００℃以上１３００℃以下の温度で熱処理することが好ましい。

なお、本実施形態の複合部材の製造方法は、熱処理工程の前後の少なくとも一方に、複合部材の切削加工を行う切削工程を有してもよい。これにより、複合部材の形状精度をより向上させることができる。

また、上記切削加工において、金属基材を除去することができ、本実施形態の複合部材の製造方法は、所望の部品を製造するための工程として組み込むことができる。例えば、金属基材上に一または複数の造形体を積層造形し、複合部材とした後、必要に応じて造形体を分離し、部品として使用する。金属基材側には混合層を残すことができ、局所的な成分調整・部品の一部への物性付与が可能となる。

以下、実施例および比較例により本発明をさらに具体的に説明する。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

まず、複合部材を構成する金属基材として、以下の表１に示すＮｏ．１〜Ｎｏ．４の４種の異なる組成の合金を用意した。金属基材の形状や寸法に関しては特に指定はなく、厚さ２５０μｍ以上の混合層を得られるものであれば特に指定されるものではない。表１に示す組成の単位は質量％であり、「Ｂａｌ．」は「残部」を示している。すなわち、Ｎｏ．１は、炭素鋼であり、Ｎｏ．２はオーステナイト系ステンレス鋼であり、Ｎｏ．３はＮｉ基合金であり、Ｎｏ．４はＣｏ基合金である。

［実施例１〜９および比較例１〜８］
表１に示す基材を用い、後述する表３（実施例）および表４（比較例）に示す構成を有する複合部材を作製した。具体的には、金属基材上の表面に表２に示すＡＭ法によって造形体を造形した。造形体のセラミックス成分の材料と含有量、および金属成分の材料と含有量は表３、表４に示すものである。

付加造形は、指向性エネルギー堆積方式のレーザメタルデポジション法により行った。原料粉体の平均粒径は、ＴｉＣ：１〜２μｍ、ＴｉＮ：１〜２μｍ、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）：１〜２μｍ、Ｎｉ：１〜２μｍである。

セラミックスと金属の造形体の造形は、１層あたり８パスで、高さが１０ｍｍになるように材料を付着させて、おおむね２０層程度にわたって積層させた。後述する表２に、実施例１〜８および比較例２〜８の付加造形の条件を示す。表２に示す付加造形の条件は、金属基材と造形体との間に割れが生じにくく、さらに、混合層の厚さが２５０μｍ以上となるように粉末への入熱量を設定した。尚、実施例９は速度を３７０ｍｍ／ｍｉｎとし、比較例１は速度を３９０ｍｍ／ｍｉｎとし、その他の条件は表２と同じとした。

［実施例１〜９および比較例１〜８の評価結果］
作製した実施例１〜９および比較例１〜８の複合材について、浸透探傷試験および断面観察を行って、割れおよび剥離の有無を目視で確認した。また、混合層の厚さ測定、および混合層のＴｉ濃度についてＥＰＭＡによるライン分析を行った。

図４は比較例１の複合部材の断面観察写真である。図４において、混合層３に生じた割れのうち、造形体１と混合層３との境界または混合層３と金属基材２との境界に沿う方向の横割れを剥離Ｓ、それ以外を割れＣとした。

割れＣおよび剥離Ｓのどちらも生じなかったものを「無」と評価し、どちらか一方または両方生じたものを「有」と評価した。また、断面観察から、セラミックス粒子の粗大化（セラミックス粒子の平均粒径が５０μｍ以上）が確認されたものを「有」と評価し、確認されなかったものを「無」と評価した。評価結果を後述する表３および表４に併記する。

実施例１〜９の混合層には、造形体から金属基材に向かって減少するＴｉの濃度勾配が確認された。そして、表３に示すように、実施例１〜９は、全て割れおよび剥離と、セラミックスの粗大化が無かった。一方、表４に示すように、比較例１〜８は、全て割れおよび剥離が発生し、比較例１以外は全てセラミックスの粗大化が確認された。セラミックス相の粗大化により、機械強度の低下や靭性の低下が生じていると考えられる。

以上、本発明によれば、高温環境や腐食環境などの過酷環境下での耐久性に優れ、割れや剥離の発生を抑制することができる複合部材およびその製造方法を提供できることが実証された。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加や削除または置換をすることが可能である。

１…造形体、２…金属基材、３…混合層、４…コーティング層、５…混合層の厚さ。

Claims

溶融凝固組織を有する造形体が、遷移金属を主成分とする金属基材の表面に形成された複合部材であって、
前記造形体は、ＴｉＣ、ＴｉＮおよびＴｉ（Ｃ、Ｎ）のうちの少なくとも１種のセラミクス相を１５〜７５質量％と、金属相を２５〜８５質量％含み、
前記金属相は、Ｎｉ単体またはＮｉを主成分とする合金よりなり、
前記造形体に接する前記金属基材の表層部に、Ｔｉを深さ方向に傾斜して含む混合層が、厚さ２５０μｍ以上形成されていることを特徴とする複合部材。
前記混合層におけるＴｉ濃度は、前記造形体から前記金属基材に向かって減少していることを特徴とする請求項１に記載の複合部材。
前記造形体の表面に、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＡｌＮまたはＣｒＮからなるコーティング層を有することを特徴とする請求項１または２に記載の複合部材。
前記金属基材は、Ｆｅ、ＮｉまたはＣｏを主成分とする合金であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の複合部材。
前記金属基材が、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｆｅ、Ｍｎ、ＳｉおよびＣのうちの少なくとも１種以上を含むことを特徴とする請求項４に記載の複合部材。
前記金属基材のビッカース硬さが２００ＨＶ以上５００ＨＶ未満であり、前記造形体のビッカース硬さが４００ＨＶ以上１２００ＨＶ以下であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の複合部材。
遷移金属を主成分とする金属基材を準備する基材準備工程と、
ＴｉＣ、ＴｉＮおよびＴｉ（Ｃ、Ｎ）のうちの少なくとも１種のセラミクス相を１５〜７５質量％含むとともに、Ｎｉ単体またはＮｉを主成分とする合金よりなる金属相を２５〜８５質量％含む溶融凝固組織を有する造形体を付加製造法によって造形する付加製造工程を有し、
前記付加製造工程によって、前記造形体に接する前記金属基材の表層部に、Ｔｉを深さ方向に傾斜して含む混合層を、厚さ２５０μｍ以上形成することを特徴とする複合部材の製造方法。
前記付加製造工程の前に、前記金属基材を２００℃以上に予熱する予熱工程を含むことを特徴とする請求項７に記載の複合部材の製造方法。
前記付加製造工程の後に、前記複合部材を５００℃以上１３００℃以下の温度で熱処理する熱処理工程を含むことを特徴とする請求項７または８に記載の複合部材の製造方法。
前記複合部材の前記造形体と前記混合層の全体もしくは一部を分離する分離工程を含むことを特徴とする請求項７から９のいずれか一項に記載の複合部材の製造方法。
前記造形体の表面に、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＡｌＮまたはＣｒＮからなるコーティング層を形成する工程を有することを特徴とする請求項７から１０のいずれか一項に記載の複合部材の製造方法。