JP2021138978A - Co基合金構造体およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
Co基合金は、一般的に利用されているNi基合金に比較して融点が50〜100℃程度高く、置換型元素の拡散係数がNi基よりも小さい。このため、Co基合金では、高温での使用中に生じる組織変化が少ない。また、Co基合金は、Ni基合金と比較して延性に富んでいる。このため、Co基合金は、鍛造,圧延,プレス等の塑性加工が容易となる。したがって、Co基合金は、Ni基合金よりも広い用途の展開が期待されている。
本開示の実施形態に係るCo基合金構造体では、L12型金属間化合物〔Co3(Al,W)〕又は〔(Co,X)3(Al,W,Z)〕を適量分散させるため、成分および組成を特定している。Co基合金構造体の基本組成は、質量比でAl:0.1〜10%,W:3.0〜45%であり、残部が不可避的不純物を除きコバルト(Co)の組成を有している。
Co−W−Alの基本成分系では、グループ(I)およびグループ(II)の少なくともいずれか一方から選ばれた一種又は二種以上の合金成分(選択元素)が必要に応じて添加される。グループ(I)から選ばれた複数の合金成分を添加する場合には、添加量の合計を0.001〜2.0%の範囲で選択する。また、グループ(II)から選ばれた複数の合金成分を添加する場合には、添加量の合計を0.1〜50%の範囲で選定する。
L12型の金属間化合物〔Co3(Al,W)〕又は〔(Co,X)3(Al,W,Z)〕は、析出相(γ’相)の粒径が10nm〜1μm(1000nm)の粒子となるように構成されている。1μmを超える粒径では、強度,硬さ等の機械的特性が劣化してしまう。γ’相の好ましい粒径は、10nm以上でありかつ50nmよりも小さい範囲である。
L12型の金属間化合物〔Co3(Al,W)〕又は〔(Co,X)3(Al,W,Z)〕は、析出相(γ’相)の析出量が40〜85体積%となるように構成されている。当該析出量が40%未満では析出強化による作用が不十分となる。一方、当該析出量が85%を超えてしまうと、Co基合金構造体において延性劣化が生じるおそれがある。
Co基合金構造体は、例えば、粉末からなる積層造形体として構成されている。積層造形体は、積層造形法(Additive Manufacturing、AM法)により形成される。積層造形法は、ガスアトマイズ法などにより作製した粉末を、レーザなどを熱源とした3Dプリンタを用いて選択的に溶融および凝固することにより積層造形体を成形する方法である。
次に、積層造形体からなるCo基合金構造体の製造方法の一例を図1に示す。当該製造方法は、主な工程として、粉末作製工程S1と、選択的レーザ溶融工程S2と、溶体化処理工程S3と、時効処理工程S4と、を有する。以下、各工程について説明する。
粉末作製工程S1は、Co基合金構造体の原材料となる粉末を作製する工程である。当該粉末は、例えば上記原料粉末のような所定の化学組成を有する。
選択的レーザ溶融工程S2は、粉末作製工程S1により作製された粉末を用いて選択的レーザ溶融(SLM)法により所望形状の積層造形体を形成する工程である。
溶体化処理工程S3は、選択的レーザ溶融工程S2により得られた積層造形体(Co基合金構造体の前駆体)に対して溶体化処理を施す工程である。溶体化処理の温度条件としては、1100℃以上1200℃以下の範囲に設定される。溶体化処理の好ましい温度は1160℃である。また、溶体化処理の保持時間は、0.5時間以上10時間以下に設定されるのが好ましい。なお、熱処理後の冷却方法としては、特に限定されず、例えば水冷、油冷、空冷、炉冷のいずれかの方法を実施すればよい。
時効処理工程S4は、溶体化処理工程S3により溶体化処理を施した積層造形体(Co基合金構造体の前駆体)に対して時効処理を施す工程である。具体的に、時効処理工程S4は、第1の時効処理工程S41と、第2の時効処理工程S42と、を含む。
以上のように、Co基合金構造体では、マトリックス相(γ相)において分散した状態で析出する析出相(γ’相)の粒径が10nm〜1μmであり、かつ析出相(γ’相)の析出量が40〜85体積%となるように構成されている。かかる構成では、極限まで微細化された粒子径を含むγ’相が、マトリックス相(γ相)に対して多数析出し、分散した状態となる。その結果、Co基合金構造体の組織内では、マトリックス相(γ相)と多数のγ’相との界面における総表面積が相対的に増加しかつγ’相の粒子同士の距離が相対的に縮まるようになる(100nmよりも小さくなる)。すなわち、マトリックス相(γ相)において極限まで微細化された粒子を含むγ’相が一様に析出強化された状態となる。そして、当該析出強化により特に高温における機械的特性(特に引張強さおよび耐力(0.2%耐力))が向上する。したがって、本開示の実施形態に係るCo基合金構造体では、上記析出強化の作用による機械的特性を高めることができる。なお、本開示の実施形態において、「分散した状態」とは、複数のγ’相が、マトリックス相(γ相)内において一様に配置された状態をいう。
上記実施形態では、粉末からなる積層造形体として構成されたCo基合金構造体を説明したが、この形態に限られない。具体例として、Co基合金構造体の前駆体は、積層造形法により製造された積層造形体に代えて、鍛造法により製造された鍛造体として構成されていてもよい。すなわち、Co基合金構造体の製造方法として、図1に示した粉末作製工程(S1)および選択的レーザ溶融工程(S2)を、鍛造法による鍛造工程(S5)に置き換えた形態(図4参照)を採用してもよい。
また、Co基合金構造体の前駆体は、積層造形法により製造された積層造形体に代えて、粉末HIP鍛造法により製造された粉末HIP鍛造体として構成されていてもよい。すなわち、Co基合金構造体の製造方法として、図1に示した選択的レーザ溶融工程(S2)を、粉末HIP鍛造法によるHIP処理工程(S6)に置き換えた形態(図5参照)を採用してもよい。
図1および図5に示した粉末作製工程(S1)において、Co基合金の原材料である粉末を作製する方法および手法に特段の限定はない。すなわち、粉末作製工程(S1)では、従前の方法および手法を利用することが可能である。例えば、所望の化学組成となるように原料を混合、溶解、鋳造して母合金塊(マスターインゴット)を作製する母合金塊作製素工程と、該母合金塊から合金粉末を形成するアトマイズ素工程とを行ってもよい。また、アトマイズ方法にも特段の限定はなく、従前の方法および手法を利用できる。例えば、上述したガスアトマイズ法に代えて、遠心力アトマイズ法を採用してもよい。
Claims (11)
- 質量比でAl:0.1〜10%、W:3.0〜45%で両者の合計が50%未満であって、残部が不可避的不純物を除きCoの組成を有するCo基合金構造体であって、
前記Co基合金構造体は、
fcc構造を有するCo主体のマトリックス相(γ相)と、
原子比でCo3(Al,W)又は〔(Co,X)3(Al,W,Z)〕のL12構造を有するfcc構造の金属間化合物からなり、前記マトリックス相において分散した状態で析出する析出相(γ’相)と、を有し、
前記析出相(γ’相)は、粒径が10nm〜1μmであり、前記析出相(γ’相)の粒子が一様に配置して析出しており、かつ析出量が40〜85体積%となるように構成されている、Co基合金構造体。 - 請求項1に記載のCo基合金構造体において、
前記析出相(γ’相)の粒径は、10nm以上でありかつ50nmよりも小さい範囲である、Co基合金構造体。 - 請求項1または2に記載のCo基合金構造体において、
前記Co基合金構造体は、粉末からなる積層造形体として構成されている、Co基合金構造体。 - 請求項1または2に記載のCo基合金構造体において、
前記Co基合金構造体は、粉末からなる粉末HIP鍛造体として構成されている、Co基合金構造体。 - 請求項3または4に記載のCo基合金構造体において、
前記粉末は、質量比でAl:2〜5%、W:17〜25%、C:0.05〜0.15%、Ni:20〜35%、Cr:6〜10%、Ta:3〜8%であって、残部が不可避的不純物を除きCoの組成を有する、Co基合金構造体。 - 請求項1または2に記載のCo基合金構造体において、
前記Co基合金構造体は、鍛造体として構成されている、Co基合金構造体。 - 請求項1または2に記載のCo基合金構造体の製造方法であって、
前記Co基合金構造体の前駆体に対して溶体化処理を施す溶体化処理工程と、
前記溶体化処理を施した前記Co基合金構造体の前駆体に対して時効処理を施す時効処理工程と、を有し、
前記時効処理工程は、第1の時効処理工程と、前記第1の時効処理工程の後に実施される第2の時効処理工程と、を含み、
前記第2の時効処理工程の時効温度は、前記第1の時効処理工程の時効温度よりも高くなるように設定されている、Co基合金構造体の製造方法。 - 請求項7に記載のCo基合金構造体の製造方法において、
前記溶体化処理の温度は1100℃以上であり、
前記第1の時効処理工程の時効温度は500〜700℃であり、
前記第2の時効処理工程の時効温度は600〜800℃である、Co基合金構造体の製造方法。 - 請求項7または8に記載のCo基合金構造体の製造方法において、
前記Co基合金構造体の前駆体は、積層造形法により製造される、Co基合金構造体の製造方法。 - 請求項7または8に記載のCo基合金構造体の製造方法において、
前記Co基合金構造体の前駆体は、鍛造法により製造される、Co基合金構造体の製造方法。 - 請求項7または8に記載のCo基合金構造体の製造方法において、
前記Co基合金構造体の前駆体は、粉末HIP鍛造法により製造される、Co基合金構造体の製造方法。
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