JP3905674B2

JP3905674B2 - Method for manufacturing metal article

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Publication number: JP3905674B2
Application number: JP36208399A
Authority: JP
Inventors: シー．キャブラルアントニオ
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1998-12-21
Filing date: 1999-12-21
Publication date: 2007-04-18
Anticipated expiration: 2019-12-21
Also published as: KR20000047783A; EP1013790B1; KR100603882B1; EP1013790A3; DE69916763D1; EP1013790A2; DE69916763T2; JP2000192218A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基本的には溶射成形された金属物品に関し、特に、鍛造されたものと同等の特性を有する金属物品に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、高い強度に加えて低い亀裂成長率や高い耐応力破損性等の他の望ましい特性を必要とする部材のように、要求される用途に応じた様々な部材を製造する際に、鍛造が利用されてきた。航空宇宙分野では、回転部材や固定部材を製造する際に鍛造が利用され、各部材には、典型的に、高い強度と、低い亀裂成長率と、高い耐応力破損性とが全て要求される。このような部材には、ブレード及びベーンのように複雑な形状のものの他、エンジンケース，フランジ及びシール部材のような環状部材も含まれ得る。
【０００３】
特に環状部材を鍛造する際には、材料の鋼片として、最終的な製造品に含まれる所望の成分に応じた成分を含むものが要求される。このような鋼片として、一般的には、鋳物材料が好適に用いられる。この鋼片を最初の材料とし、その後、この鋼片材料を適宜な部材の形状へ変化させるために、複数回のリングローリング等による加工熱処理が行われる。また好ましくは、この部材に対し、所定レベルの耐亀裂成長率等の所望の特性を得るために熱処理が行われた後、正確な寸法や形状の製品が得られるように研磨や機械加工等の仕上げ行程が行われる。
【０００４】
鍛造による製品の製造は高価で時間がかかるため、一般的には、高いレベルの種々の特性、例えば高い強度の他に高い耐応力破損性及び低い亀裂成長率が要求される製品に対してのみ行われる。鍛造に適した鋼片を得る際、確かな材料を調達するには月単位の期間を必要とする。また、部品の製造中には、元の鋼片材料の多くが廃棄物等として除去され、最終的な製品の一部を形成することはない。製造される製品の形状が複雑化されると、これに応じて、製品の製造に要求される労力及び費用も増加する。最終的な製品を得るために、高価な機械加工や他の仕上げ処理が必要なこともある。更に、効率や出力又は双方を増加させるために、高温下でガスタービンエンジンを運転させるためには、製品の製造に更に高性能な合金を多く用いる必要がある。このような高性能な合金の多くは、鍛造が非常に困難か又は不可能であり、この結果、製品コストが更に増加するか、あるいは非常に高価なので上記の合金をエンジン分野に用いることはできず、またある種の部品に対してこのような特定の金属を適用することは経済的に難しい。
【０００５】
溶射成形は、鋳物材料等のバルク材料から直接的に製品を製造するものとしては用いられていないが、高い強度だけでなく、低い亀裂成長率及び高い耐応力破損性性を示すものである。ニッケルを主成分とする超合金であって、主成分のニッケル及び他の成分の公称重量に対する公称重量パーセントで、約１９．５（ｗ／ｏ）のクロム（Ｃｒ），４．３ｗ／ｏのモリブデン（Ｍｏ），１３．５ｗ／ｏのＣｏ，３．０ｗ／ｏのチタン（Ｔｉ），１．４ｗ／ｏのＡｌ，０．０５ｗ／ｏのジルコニウム（Ｚｒ），０．００６ｗ／ｏのＢ、を含み、要求に応じた高い強度，低い亀裂成長率及び高い耐応力破損性を有するもの（”ワスパロイ（Ｗａｓｐａｌｏｙ）”と称す）が、国際ワーレンデール（Ｉｎｔ’ｌｏｆＷａｒｒｅｎｄａｌｅ，ＰＡ）のＳＡＥ発行の、米国航空宇宙材料仕様書のＡＭＳ５７０７（Ｒｅｖ．Ｈ，１９９４年８月発行）に示されている。これらの特性は、本発明により得ることができる。
【０００６】
図１には典型的な溶射成形装置が示されている。金属は、鋳型内で製造されるもので、るつぼ１２内、より好ましくは低圧及び／又は非活性環境下の真空溶融室１４内で溶融される。この溶融金属１６は、油だまり１８へ移された後、噴霧器２０を通過する際に、この噴霧器でアルゴン等の不活性キャリアガスを用いて金属飛沫として噴霧される。噴霧された材料２２は、スプレー室２６内に配置された基材２４としての冷却器の軸の表面に衝突して堆積される。環状の部品を形成する場合、好ましくは軸を円筒状にするとともに回転させ、かつ、噴霧された金属と軸との流れが互いに逆方向となるようにする。上記のように金属は基材に衝突して堆積され、急速に凝固される。このように凝固された金属の層を積み重ねることにより、所望の成形品が形成される。米国特許第４，８３０，０８４号等を参照されたい。この後、上記成形品には、材料を高密度化及び高強度化するリングローリングのような、加工熱処理及び／又はホットアイソスタティック成形（ＨＩＰ’ｉｎｇ）等の処理が行われる。このような手法により、金属物品を形成するために、超合金が溶融及び溶射成形されてきた。しかしながら、このようにして成形された金属物品は、高い強度，低い亀裂成長率又は高い耐応力破損性等の特性が得られず、この結果、ガスタービンエンジンや他の高温高圧下というような所望の用途で使用されるものを形成する際には適用できない。
【０００７】
上述したワスパロイ材料は、所望の用途に用いられる鍛造品を製造する際に幅広く利用されている。上述したように、ガスタービンエンジンに利用される具体的な部品として、ガスタービンエンジンのケース，フランジ及びシール部材が、ブレード及びベーンと同様に含まれる。これらの部品では、一般的に、一旦成形してから、所望の特性を得るように機械加工及び熱処理を行う必要がある。上記のＡＭＳ５７０７には、このような材料から鍛造される部品に対する一般的な熱処理が記載されている。
【０００８】
ＡＭＳ５７０７においては、鍛造品に対して３つのステップで熱処理が行われる。第１のステップでは、溶体化処理が１８２５〜１９００°Ｆ（約９９６〜１０３８℃）の温度で約４時間行われた後、冷却処理が空気冷却以上の速度で行われる。第２のステップでは、安定化熱処理が約１５５０°Ｆ（約８４３℃）の温度で約４時間行われた後、空気冷却が行われる。第３のステップでは、析出熱処理が約１４００°Ｆ（約７６０℃）の温度で約１６時間行われる。処理後の部品では、室温で少なくとも約１１０ksiの降伏強度が得られ、かつ、相対的に低い切欠もろさと、高い耐応力破損性とが示される。従って、ワスパロイを鍛造することにより製造されるとともに、ＡＭＳ５７０７に基づく熱処理が行われた部品は、ガスタービンエンジンのケース，フランジ，シール部材，ブレード及びベーンの他、同じ様な他の所望の用途に好適に用いられる。しかしながら、鍛造物品には、かなりの量の粗いカーバイドや他の含有物が含まれることがあり、その量は製品間で相違するという問題がある。また鍛造物品は、機械加工や検査が困難な傾向にある。更に言えば、鍛造では部品間の寸法が同一の製品が常に製造されるわけではないため、正確な複製能力が要求される。検査の後では、多くの部品に再加工が要求される。一般的に、鍛造品では、約２０％の時間が廃棄分や再加工に費やされると思われる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、より再現性良く部品を製造するとともに製造コストの抑制化を図るために、我々は、ワスパロイを用いてテストサンプルを溶射成形した。溶射成形及びＨＩＰ処理を行った部品では、所定の強度が得られるものの、高い亀裂成長率及び低い耐応力破損性が示され、このような部品で所期の特性を得るためには、例えば鍛造やリングロール等の熱機械加工処理が必要と思われる。このような処理工程の追加は製造コストが増加するために好ましくない。
【００１０】
上述したように、ワスパロイの鍛造品に対する標準的，一般的な熱処理は、ＡＭＳ５７０７に基づいて行われる。そして、我々は、溶射成形されたワスパロイにＨＩＰ処理を行うとともに、ＡＭＳ５７０７に基づく熱処理又は他の一般的な熱処理を行って製造された製品では、鍛造と同等の降伏強度及び引張強度が得られる一方、亀裂成長率，耐応力破損性の他、その特性の存在により所望の用途で部品を用いることができないというような他の好ましくない特性が相対的に抑制されることを見出し、本発明を想到するに至った。
【００１１】
本発明の基本的な目的は、鍛造品と同等の特性を有する溶射成形された金属物品（溶射成形品）を提供することである。
【００１２】
本発明の更なる目的は、鍛造品と同等の耐応力破損性，亀裂成長率及び強度をバランス良く有する溶射成形品を提供することである。
【００１３】
本発明の他の目的は、亀裂成長率が低く、かつ、耐応力破損性が高い溶射成形品を提供することである。
【００１４】
本発明の更に他の目的は、溶射成形されるワスパロイを含む成形品を製造するための熱処理であって、対応するワスパロイ鍛造品と同等の特性を与える熱処理を提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明では、溶射成形品に処理が施されて、高い強度と耐応力破損性及び耐亀裂成長率とが与えられる。
【００１６】
本発明の一つの態様として、金属物品は、ニッケルベースの超合金が含まれるものとして表され、積層される金属飛沫（ｍｅｔａｌｄｒｏｐｌｅｔｓ）によって形成され、一例として溶射成形される。この後、この溶射成形品を熱処理することにより、ＡＭＳ５７０７に基づいて熱処理された鍛造品と同等の耐応力破損性及び亀裂成長率を有する金属物品が得られる。この金属物品は、基本的には等方性のミクロ構造を有することで特徴付けられるが、溶射成形品がプレフォームとして用いられる程度のフローライン（ｆｌｏｗｌｉｎｅｓ）を有すること、すなわち溶射成形及び加工熱処理できることで特徴付けられる。
【００１７】
本発明の他の態様として、ニッケルベースの超合金を含む溶射成形品に対し、その耐応力破損性及び耐亀裂成長率を増加させる方法が示されている。この方法は、成形品を溶射成形するステップを有し、溶射成形された成形品は、容積で約３パーセントまでの間隙率によって特徴付けられており、かつ、上記溶射成形品を熱処理するステップを有し、これにより、間隙率が十分に低減され、ＡＭＳ５７０７に基づいて熱処理された鍛造品に比して同等の耐応力破損性及び亀裂成長率を有する金属物品が得られる。
【００１８】
本発明を要約すると、熱処理された金属物品では、対応する鍛造品と同等の耐応力破損性及び亀裂成長率を示すことを見いだした。金属物品は、先ず第１に、超合金等の溶融された金属飛沫を成形前の基材上に積層して成形され、この超合金には、主成分としてのニッケルに対する配合として、重量パーセントで、約１８〜２０（ｗ／ｏ）のＣｒ，３．５〜５ｗ／ｏのＭｏ，１２〜１５ｗ／ｏのＣｏ，２．７５〜３．２５ｗ／ｏのＴｉ，１．２〜１．６ｗ／ｏのＡｌ，０．０１〜０．０８ｗ／ｏのＺｒ，０．００３〜０．０１０ｗ／ｏのＢ、が含まれる。この成形品には、ＨＩＰ処理の後に熱処理が行われ、この熱処理には溶体化処理，安定化処理及び析出熱処理が含まれる。最終的な金属物品では、鍛造及び一般的な熱処理が行われた材料と同等の良好な平均粒径が得られ、かつ、鍛造材料と同等の降伏強度及び引張強度が得られる。また、重要な点として、この金属物品では、例えば鍛造物と同等の耐応力破損性及び低亀裂成長率が示されるとともに、等方性のミクロ構造が得られる。この金属物品は鍛造品の代わりに用いることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
再び図１を参照して、本発明に係る溶射成形，ＨＩＰ成形及び熱処理された金属物品においては、先ず第１に、従来公知の手法で溶射成形される。シンガー（Ｓｉｎｇｅｒ）へ付与された米国特許第４，５１５，８６４号の”飛沫粒子を積層した金属物品”，及びブルックス（Ｂｒｏｏｋｓ）へ付与された第３１，７６７号（第３，９０９，９２１号の再発行）の”飛沫金属又は金属合金から金属物品を形成する方法及び装置”を参照されたい。本発明で用いられるのに適した材料としては、基本となるＮｉに対し、その概略の組成（重量パーセント）で、約１８〜２１のＣｒ，３．５〜５のＭｏ，１２〜１５のＣｏ，２．７５〜３．２５のＴｉ，１．２〜１．６のＡｌ，０．０１〜０．０８のＺｒ，０．００３〜０．０１０のＢが含まれ、更に好ましくは、基本となるニッケル及び他の成分の公称量に対し、約１９．５のＣｒ，４．３のＭｏ，１３．５のＣｏ，３．０のＴｉ，１．４のＡｌ，０．０５のＺｒ，０．００６のＢが含まれる（この材料は”ワスパロイ”と称されることもあり、本明細書でもこの名称を用いる）。また、この材料には、好ましくは、約０．０４〜０．０７５のＣ，約０．１５までのＭｎ，約０．１７５までのＳｉ，約０．０１までのＳ，約０．０２までのＰ，約２．２５までの鉄，約０．１５までのＣｕ，約０．０００７５までのＰｂ，約０．００００３５までのＢｉ，約０．０００５までのＡｇ，約０．０１までのＯ，約０．０１までのＮ、が含まれる。要するに、本発明に基づく金属物品は、後述するように、溶射成形され、ＨＩＰ処理され、熱処理される。最終的な金属物品では、鍛造品と同等の特性、つまり室温及び高温（例えば少なくとも約１３００°Ｆ（約７０４℃））での降伏強度及び引張強度と、低い亀裂成長率及び高い耐応力破損性とが得られ、かつ、これらの特性を、鍛造に比して十分に低いコスト，無駄，労力，及び十分に少ない期間で得ることができる。
【００２０】
上述したように、溶射成形に用いられる金属は、例えば、鋳型内で混合材料を溶融することにより得られ、あるいは廃材を再度溶融することにより得られ、又は他の手法により得られる。材料はるつぼ１２内で溶融され、このるつぼ１２は、好ましくは低圧及び／又は非活性環境下の真空溶融室１４内に配置される。溶融金属１６は、油だまり１８へ移送された後、噴霧器２０を通過する。この噴霧器２０では、アルゴン等の不活性キャリアガスを用いて金属飛沫が噴霧される。噴霧された材料２２は、スプレー室２６内に配置された基材２４としての冷却器の軸の表面へ向けて噴射され、このとき、好ましくは、低圧及び／又は非活性状態に維持されている。環状の部品を形成する場合、好ましくは、軸を円筒状にするとともに回転させ、かつ、飛沫金属と軸との流れが互いに逆方向となるようにする。上記の金属は、基材に衝突して堆積され、急速に凝固される。このようにして、鍛造に比して精密な粒径が得られる。そして、上記のように凝固された金属の層が積み重ねられて、所望の形状の成形品を形成する。なお、ワスプロイから製造される金属物品について説明したが、他の材料から製造される金属物品でも、本発明に係る手法で同じように溶射成形，熱加工処理，ＨＩＰ処理及び熱処理され得ることは、当業者であれば容易に理解できるであろう。加えて、金属物品を形成するために適用される低圧又は真空環境下でのプラズマ溶射のように、他の方法で基材上に溶融又は半溶融の飛沫材料を堆積させた場合でも、同等の効果が得られることは、当業者であれば容易に理解できるであろう。
【００２１】
後述する溶射成形に関する値（パラメータ）は本発明の臨界を示すものではないが、飛沫は大きいものより小さいものが好ましく、更に好ましくは、直径で約１０〜１０，０００ミクロンのオーダーである。また、飛沫に適用される温度は高いより低い方が好ましい。すなわち、この温度は、衝突する際には既に堆積された材料や基材上に半溶融状態で残存することのないように熱くない方が好ましいが、衝突前に実質的に凝固することのない程度には熱くする必要がある。飛沫の速度は、溶融状態で飛沫を噴射させ得る程度に速く設定される一方、飛沫が既に堆積された飛沫や基材に付着可能な程度に遅く設定される。溶射ノズルと基材との距離は、材料が堆積される割合に応じて適宜に調整される。
【００２２】
溶射成形された成形品では、成形直後の状態では、一般的に、容積百分率（ｖ／ｏ；ｖｏｌ％）で約１〜３パーセントの空隙率が存在するという特性がある。これに対し、鍛造成形品では実質的に空隙がない。空隙率が大きくなると、成形品の強度が低下する傾向にある。そこで、溶射成形品に対し、材料を高密度化するための処理をが行われる。図２を参照して、溶射成形により形成された粗い成形品は、好ましくは、先ず第１に、ＨＩＰ処理によって高密度化される。ＨＩＰ処理における適切なパラメータ値（温度，圧力，時間等）は、ＨＩＰ処理される材料や空隙率の低減量に応じて変化するが、溶射成形ワスプロイの場合、好ましくは約１，８００〜２，０００°Ｆ（約９８２〜１０９３℃）及び１５，０００〜２５，０００ｐｓｉで約４時間のＨＩＰ処理が行われ、更に好ましくはアルゴン等の不活性環境下でＨＩＰ処理が行われる。良好なＨＩＰ処理を維持するために、例えば少なくとも５分毎にその圧力及び温度が監視される。なお、図２では熱処理後に所定の後処理や機械加工が行われるように図示されているが、成形品の最終的な機械加工はＨＩＰ処理後の任意の時期に行うことができる。
【００２３】
溶射成形品では、耐応力破損性及び亀裂成長率が鍛造品に比してかなり低い。このような溶射成形品にＨＩＰ処理することで、これらの特性が完全に改善されるわけではない。この溶射成形品に対し、例えばワスパロイに対するＡＭＳ５７０７のような、鍛造分野で一般的に用いられている熱処理を更に行うことにより、これらの特性が鍛造レベルと同等のものとなる。つまり、溶射成形及びＨＩＰ処理されただけの中間成形品は、ガスタービンエンジンのような要求用途には適用することができない。
【００２４】
そこで本発明では、低い亀裂成長率，高い耐応力破損性及び強度をバランス良く得るために、溶射成形及びＨＩＰ処理された中間成形品に対して熱処理が行われる。これにより、少なくとも上記の要求用途に対して好適な金属物品が得られる。後述するように、熱処理には、好ましくは溶体化熱処理３２，安定化熱処理３４，及び析出熱処理３６が含まれる。後述するような温度，期間及び冷却率等のパラメータ値は、処理される材料に応じて変化する。好適な熱処理により、溶射成形された中間成形品に対し、従来の鍛造材料のものに比して著しく精密かつ均一性に優れたミクロ構造が与えられる。図３及び４のミクロ構造を参照されたい。上記の成形品に対し、必要に応じて機械加工等の仕上処理３８（図２）が行われる。ＨＩＰ処理後に行なわれる仕上げ処理は必ずしも必要ではない。
【００２５】
溶体化熱処理３２は、熱処理の第１段階を構成するもので、その温度や期間等は処理される材料に応じて変化する。図３は、本発明に係る熱処理が行われた後の金属物品のミクロ構造を示す顕微鏡写真である。ＡＭＳ５７０７に記載されるような一般的な組成のワスパロイ材料の場合、好ましくは約１９２５〜２０２５°Ｆ（約１０５２〜１１０７℃）の温度、特に好ましくは１９７５°Ｆ（約１０７９℃）の温度で約２時間、熱処理が行われた後、油冷又は水冷される。溶体化熱処理３２における期間及び温度は、所望の特性が得られない大きな粒径とならないように、材料の粒径が急に大きくなる温度及び期間よりも短く設定される。我々は、溶射成形材料では、鍛造材料に比して高温な熱処理温度下での粒径の成長が抑制されることを見出した。従って、溶体化熱処理は、好ましくは、鍛造品に対するＡＭＳ５７０７の溶体化熱処理に比してより高い温度で行われる。
【００２６】
溶体化熱処理の後、その成形体に対して安定化熱処理３４が行われ、その温度や期間等は処理される材料によって変化する。ワスプロイから製造される成形品の場合、約１５００〜１６００°Ｆ（約８１６〜８７１℃）の温度、好ましくは約１５５０°Ｆ（約８４３℃）の温度に維持された状態で約４時間、安定化熱処理が行われた後、空冷と同等もしくは速い割合で冷却される。
【００２７】
上記安定化熱処理及び冷却処理の後、その成形体に析出熱処理３６が行われ、その温度や期間等は処理される材料によって変化する。ワスプロイの場合、約１３５０〜１４５０°Ｆ（約７３２〜７８８℃）、好ましくは約１４００°Ｆ（約７６０℃）の温度で少なくとも約１６時間、析出熱処理が行われた後、空冷と同等もしくは速い割合で冷却処理される。
【００２８】
上述した本発明に係る図示実施例によれば、溶射成形品から得られる最終的な金属物品では、十分な強度が得られるだけでなく、鍛造物に比して同等もしくは優れた他の特性，例えば低い亀裂成長率及び高い耐応力破損性が得られる。ワスパロイに対して溶射成形，ＨＩＰ処理及び熱処理を行った本発明に係るサンプルに対し、延性と同じ様に、降伏強度及び最大引張強度を測定する試験を行った。引張特性に関しては、サンプルが室温（約６８°Ｆつまり約２０℃）で保持された状態及び試験前に所定期間高温（約１２００°Ｆつまり約６４９℃）に保持された状態の双方で試験を行った。また、サンプルには、０．００５ in./in./minute の間の歪み速度となる降伏強度（室温で約１１０ksi及び１２００°Ｆで９３．５ksi）が与えられた。得られた特性を次表に示す。
【００２９】
【表１】

上記の特性の最小値（min）は、製品の適用用途に応じて適宜に高く又は低くされる。上記の値は、上述したガスタービンエンジンのケース，フランジ及びシール部材等に応じたものである。上記の特性は、エンジンケース及びリング等の特定の部分に対して設定されている。
【００３０】
上述した特性は、ＡＭＳ５７０７の熱処理が行われた鍛造材料の特性と同等であり、その特性を次表に示す。
【００３１】
【表２】

ＡＭＳ５７０５に記載されているように、鍛造された材料の特性は、上記のサンプルの試験内容と縦方向又は横方向にかかわらず同等である。
【００３２】
加えて、標準的な平滑部及び切欠部の応力破損性を試験する試験片（本発明に係る手法で製造された材料を含む）に対し、例えばＡＳＴＭ_Ｅ２９２に基づいて試験を行った。上記試験片は、１３５０°Ｆ（約７３２℃）に維持され、約７５ksiの初期軸圧を作用させた後、常に負荷がかけられる。上記試験片は少なくとも２３時間後には破損した。本発明に基づいて処理が行われたワスプロイに対する上記の値は、ＡＭＳ５７０７に基づいて熱処理された鍛造材料と同等である。
【００３３】
上述した後処理の一例として、リングローリングが挙げられる。簡単に説明すると、リングローリングは、典型的には、エンジンケース及びシール部材のような環状部材に対して行われるもので、成形品を加熱するとともに、一連のロール間に反復して通過させることにより、要求形状となるように成形品が引き延ばされる。図５及び６（それぞれ約１００倍の拡大率で、図６の粒粗さがＡＳＴＭ８）には、本発明に係る溶射成形された金属物品の顕微鏡写真が示されており、それぞれ中程度の変形及び大きな変形を得るようにリングロールされている。
【００３４】
我々は、本発明に基づいて溶射成形（及びリングロール）されたワスプロイ物品では、一般的に、鍛造されたワスプロイ物品と同等のミクロ構造が得られる一方、鍛造されたワスプロイ物品に比して仕上加工での研磨量が著しく低減されることを見出した。更に、溶射成形され、リングロールされたワスプロイ物品では、室温及び高温状態で優れた強度が示される。室温では、本発明に基づいて溶射成形及びリングロールされたワスプロイ物品では、少なくとも約１４０ksi、好ましくは約１５５ksi以上の０．２％降伏強度が得られるとともに、少なくとも約１８０、より好ましくは少なくとも約２００ksiの最大引張応力が得られる。高温下（約１２００Ｆ）においても、上記物品では少なくとも約９０ksi、特に好ましくは約９３ksi以上の０．２％降伏強度が得られるとともに、少なくとも約１３５、特に好ましくは少なくとも約１４０ksiの最大引張応力が得られる。
【００３５】
図７及び８に示すように、ＡＭＳ５７０７に基づいて処理された鍛造ワスプロイに対し、種々の温度及び圧力に対する０．５％クリープ（図７の破線）、及び様々な温度及び圧力に対する降伏強度（図８の破線）を測定する試験を行った。また、本発明に基づくワスプロイのサンプルに対しても試験を行い、このようなサンプルでは、基本的に、同じ温度及び圧力等の条件下で試験された鍛造ワスプロイよりも著しく良好な結果が得られた。
【００３６】
加えて、本発明に基づいて溶射成形されたワスプロイにＨＩＰ処理及び熱処理を行ったサンプルでは、相対的に小さな粒径となることが見い出された。ＡＳＴＭ_Ｅ１１２の仕様書に基づく測定で、粒径が約ＡＳＴＭ３、特に好ましくは約ＡＳＴＭ５又はそれ以上となり、ＡＭＳ５７０７に基づく熱処理が行われた対応する鍛造材料と同等となる。また、仕上処理された材料のミクロ構造は、鍛造されたものに比して、概してより均一かつ一様な特性が得られる。また、そのミクロ構造は、材料がこの後に塑性的に変形されない限り、（鍛造の場合に比して）成分の分離が少ないという特徴を有し、従って、一般的に、材料の断面において、材料の塑性流動の方向を示すようなフローラインが抑制されるという特徴を有する。更に言えば、仕上処理された材料では、空隙率が抑制されることに加え、亀裂成長率の低下と耐応力破損性の向上とが得られる。
【００３７】
本発明に係る熱処理は、一般的に、ＡＭＳ５７０７のような標準的な熱処理で置き換えることはできない。上述したように、ＡＭＳ５７０７のようなワスプロイに対する標準的な熱処理を溶射成形品に適用した場合、所期の結果を得ることはできない。例えば、ＡＭＳ５７０７に基づく溶体化熱処理では、本発明の場合に比してかなり低い温度で行われ、かつ、冷却が急冷ではなく空冷により行われる。ＡＭＳ５７０７に基づいて溶射成形品を熱処理した場合、その耐クリープ性がＡＭＳ５７０７に基づいて処理された対応する鍛造品と同程度まで低減されてしまう。
【００３８】
要するに、本発明では、鍛造品を上回る他の重要な特性を得ることができる。一般的に、本発明は、鍛造物と同等の特性を有する溶射成形された金属物品を直接的に製造する際に利用される。本発明に基づいて製造された金属物品は、そのミクロ構造がより均一化され、その適用用途が非常に広い。個々の金属物品では、後からリングローリング等によって熱処理される場合を除き、等方性のミクロ構造が得られる。また、特に、この金属物品では、鍛造物と同じ程度にミクロ構造における分離が抑制されるという特性が得られる。また、本発明に基づいて製造された金属物品では、その機械加工や検査が更に容易となるという特性が得られる。
【００３９】
更に言えば、本発明では、特に好適な材料の鋼片を得る必要性が抑制されるとともに、鋼片を得るために必要な調達時間が抑制され、この結果、その調達時間が最小限に抑制されるか、あるいは不必要となる。本発明によれば、バルク材料が容易に加工可能となり、変形することによりコンポーネントとして直接用いることもできる。このように、鍛造に比して実質的な作業時間，費用及び無駄が十分に低減又は解消される。
【００４０】
本発明に係る溶射成形品（金属物品）では、一般的な鍛造物と同等の強度が得られるだけでなく、少なくとも鍛造物と同等の亀裂成長率及び耐応力破損性が得られる。更に、本発明に係る金属物品では、製造時の時間及びコストが大幅に低減される。ミクロ構造の観点では、溶射成形品は、鍛造品に比して、より均一化され、概して精密な粒子が得られれるとともに、特に重要なこととして、対応する鍛造品に比して製品間の特性がより狭い範囲で得られ、製品間のばらつきが著しく抑制される。
【００４１】
以上のように本発明の具体的な例を詳細に説明してきたが、本発明の趣旨及び範囲を逸脱することなく、様々な変形，変更が可能である。つまり、ここでは図示実施例により本発明を説明してきたが、本発明はこれに限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】成形品を溶射成形する装置を示す一部破断概略図。
【図２】本発明に係る成形品の熱処理を示す流れ図。
【図３】本発明に係る熱処理が行われた溶射成形品の顕微鏡写真。
【図４】従来例に係る熱処理後の鍛造品のミクロ構造を示す顕微鏡写真。
【図５】溶射成形及び熱処理後に熱加工処理された溶射成形品（金属物品）のミクロ構造を示す顕微鏡写真。
【図６】図５と同じく溶射成形及び熱処理後に熱加工処理された溶射成形品のミクロ構造を示す顕微鏡写真。
【図７】本発明に係る金属物品における適用応力及び温度に対する０．５％クリープ線を示すグラフ。
【図８】本発明に係る金属物品における様々な温度での応力破損性を示すグラフ。
【符号の説明】
３２…溶体化熱処理
３４…安定化熱処理
３６…析出熱処理
３８…仕上処理[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates basically to a thermally sprayed metal article, and more particularly to a metal article having properties equivalent to those of a forged product.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, forging various parts depending on the required application, such as parts that require other desirable properties such as low crack growth rate and high stress failure resistance in addition to high strength. Has been used. In the aerospace field, forging is used in the production of rotating and stationary members, and each member typically requires all of high strength, low crack growth rate, and high stress failure resistance. . Such members may include complex shapes such as blades and vanes, as well as annular members such as engine cases, flanges and seal members.
[0003]
In particular, when forging an annular member, a steel slab of material that includes a component corresponding to a desired component included in the final manufactured product is required. In general, a casting material is suitably used as such a steel slab. This steel slab is used as the initial material, and thereafter, a heat treatment by a plurality of ring rolling or the like is performed in order to change the steel slab material into an appropriate member shape. Preferably, the member is subjected to heat treatment or the like so as to obtain a product having an accurate size and shape after heat treatment is performed to obtain a desired property such as a crack growth rate at a predetermined level. A finishing process is performed.
[0004]
Because the production of products by forging is expensive and time consuming, it is generally only for products that require a high level of various properties, for example, high strength as well as high stress failure resistance and low crack growth rate. Done. When obtaining steel slabs suitable for forging, it takes a monthly period to procure certain materials. Also, during the manufacture of parts, much of the original billet material is removed as waste etc. and does not form part of the final product. As the shape of the manufactured product becomes more complex, the labor and cost required to manufacture the product increase accordingly. Expensive machining and other finishing processes may be required to obtain the final product. Furthermore, in order to operate a gas turbine engine at high temperatures in order to increase efficiency and / or power, it is necessary to use more sophisticated alloys in the manufacture of the product. Many of these high performance alloys are very difficult or impossible to forge, which results in additional product costs or is very expensive, so the above alloys cannot be used in the engine field. In addition, it is economically difficult to apply such specific metals to certain parts.
[0005]
Thermal spray molding is not used to directly manufacture products from bulk materials such as casting materials, but exhibits not only high strength but also low crack growth rate and high stress failure resistance. A nickel-based superalloy having a nominal weight percent relative to the nominal weight of the main component nickel and other components, about 19.5 (w / o) chromium (Cr), 4.3 w / o Molybdenum (Mo), 13.5 w / o Co, 3.0 w / o titanium (Ti), 1.4 w / o Al, 0.05 w / o zirconium (Zr), 0.006 w / o B And having high strength on demand, low crack growth rate and high stress failure resistance (referred to as “Waspaloy”) is SAE from International Warendale, PA. It is shown in AMS 5707 (Rev. H, issued in August 1994) of the US aerospace material specification. These properties can be obtained by the present invention.
[0006]
FIG. 1 shows a typical thermal spray molding apparatus. The metal is manufactured in a mold and melted in the crucible 12, more preferably in a vacuum melting chamber 14 in a low pressure and / or inert environment. The molten metal 16 is transferred to the oil sump 18 and then sprayed as metal droplets using an inert carrier gas such as argon when passing through the sprayer 20. The atomized material 22 collides with the surface of the shaft of the cooler as the substrate 24 disposed in the spray chamber 26 and is deposited. When forming an annular part, the shaft is preferably cylindrical and rotated, and the flow of sprayed metal and shaft is opposite to each other. As described above, the metal collides with the substrate and is deposited and rapidly solidified. By stacking the solidified metal layers in this manner, a desired molded product is formed. See U.S. Pat. No. 4,830,084. Thereafter, the molded article is subjected to processing such as processing heat treatment and / or hot isostatic molding (HIP'ing) such as ring rolling for increasing the density and strength of the material. With such techniques, superalloys have been melted and spray formed to form metal articles. However, metal articles molded in this way do not provide properties such as high strength, low crack growth rate, or high stress failure resistance, resulting in desired properties such as under gas turbine engines or other high temperature and high pressure conditions. It cannot be applied when forming what is used for the above purpose.
[0007]
The above-described Waspalloy material is widely used when manufacturing a forged product used for a desired application. As described above, the specific parts used in the gas turbine engine include the case, flange, and seal member of the gas turbine engine, as well as the blades and vanes. In general, these parts need to be molded once and then machined and heat treated to obtain the desired properties. The above AMS 5707 describes a general heat treatment for parts forged from such materials.
[0008]
In AMS 5707, the forged product is heat treated in three steps. In the first step, the solution treatment is performed at a temperature of 1825 to 1900 ° F. (about 996 to 1038 ° C.) for about 4 hours, and then the cooling treatment is performed at a speed higher than that of air cooling. In the second step, the stabilization heat treatment is performed at a temperature of about 1550 ° F. (about 843 ° C.) for about 4 hours, followed by air cooling. In the third step, a precipitation heat treatment is performed at a temperature of about 1400 ° F. (about 760 ° C.) for about 16 hours. The treated part provides a yield strength of at least about 110 ksi at room temperature and exhibits relatively low notch brittleness and high stress failure resistance. Thus, parts manufactured by forging Waspaloy and heat treated in accordance with AMS 5707 are suitable for gas turbine engine cases, flanges, seals, blades and vanes as well as other desired applications. Preferably used. However, forged articles can contain significant amounts of coarse carbides and other inclusions, with the problem that the amount varies between products. Forged articles tend to be difficult to machine and inspect. Furthermore, forging does not always produce a product with the same dimension between parts, so an accurate duplication capability is required. After inspection, many parts require rework. Generally, in a forged product, about 20% of the time is expected to be spent on waste or rework.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
Therefore, in order to manufacture parts with better reproducibility and to reduce manufacturing costs, we spray-formed test samples using Waspaloy. A part subjected to thermal spray molding and HIP treatment has a predetermined strength, but shows a high crack growth rate and a low stress fracture resistance. In order to obtain the desired characteristics in such a part, for example, forging It seems that thermomechanical processing such as ring rolls is necessary. Such an additional processing step is not preferable because the manufacturing cost increases.
[0010]
As described above, standard and general heat treatment for Waspalloy forged products is performed based on AMS5707. And while we perform HIP treatment on spray-formed Waspalloy and products manufactured by heat treatment based on AMS5707 or other general heat treatment, yield strength and tensile strength equivalent to forging can be obtained. In addition to crack growth rate and stress failure resistance, the present invention has found that other undesirable characteristics such as the inability to use a part in a desired application are relatively suppressed due to the existence of the characteristics, and the present invention has been conceived. It came to do.
[0011]
The basic object of the present invention is to provide a thermally spray-formed metal article (spray-formed product) having the same characteristics as a forged product.
[0012]
A further object of the present invention is to provide a thermal spray molded article having a balanced stress resistance fracture resistance, crack growth rate and strength equivalent to those of a forged product.
[0013]
Another object of the present invention is to provide a thermal spray molded article having a low crack growth rate and high stress breakage resistance.
[0014]
Still another object of the present invention is to provide a heat treatment for producing a molded article containing Waspaloy to be spray-formed, which gives the same properties as the corresponding Waspaloy forged product.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention, the thermal spray molded product is processed to give high strength, stress breakage resistance and crack growth resistance.
[0016]
In one embodiment of the present invention, the metal article is represented as including a nickel-based superalloy, formed by stacked metal droplets, and by way of example, spray formed. Thereafter, the thermal sprayed molded product is heat-treated to obtain a metal article having the same stress damage resistance and crack growth rate as the forged product heat-treated based on AMS5707. This metal article is basically characterized by having an isotropic microstructure, but has a flow line to the extent that the spray-formed product is used as a preform, ie, spray-forming and thermomechanical treatment. It is characterized by what it can do.
[0017]
As another aspect of the present invention, a method for increasing the stress failure resistance and crack growth rate of a thermal spray molded article containing a nickel-based superalloy is shown. The method includes the step of thermal spraying a molded article, the thermal spray molded article is characterized by a porosity of up to about 3 percent by volume, and the step of heat treating the thermal spray molded article. Thus, the porosity is sufficiently reduced, and a metal article having a stress fracture resistance and crack growth rate equivalent to those of a forged product heat-treated according to AMS5707 is obtained.
[0018]
To summarize the present invention, it has been found that heat-treated metal articles exhibit similar stress failure resistance and crack growth rate as the corresponding forgings. A metal article is first formed by laminating molten metal droplets such as a superalloy on a base material before molding, and this superalloy has a weight percentage as a blend with respect to nickel as a main component. About 18-20 (w / o) Cr, 3.5-5 w / o Mo, 12-15 w / o Co, 2.75-3.25 w / o Ti, 1.2-1.6 w / O Al, 0.01-0.08 w / o Zr, 0.003-0.010 w / o B. This molded product is subjected to a heat treatment after the HIP treatment, and the heat treatment includes a solution treatment, a stabilization treatment, and a precipitation heat treatment. In the final metal article, a good average particle size equivalent to that of a material subjected to forging and general heat treatment is obtained, and yield strength and tensile strength equivalent to those of the forging material are obtained. Moreover, as an important point, in this metal article, for example, stress fracture resistance and low crack growth rate equivalent to those of a forged product are shown, and an isotropic microstructure is obtained. This metal article can be used in place of a forged product.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Referring to FIG. 1 again, first, in the thermal spray molding, HIP molding and heat-treated metal article according to the present invention, first, thermal spray molding is performed by a conventionally known technique. U.S. Pat. No. 4,515,864 to "Singer", "Metal article with spattered particles", and 31,767 (No. 3,909,921) to Brooks The "Method and Apparatus for Forming Metal Articles from Spattered Metals or Metal Alloys". Suitable materials for use in the present invention include approximately 18-21 Cr, 3.5-5 Mo, 12-15 Co, in approximate composition (weight percent) relative to the basic Ni. , 2.75 to 3.25 Ti, 1.2 to 1.6 Al, 0.01 to 0.08 Zr, 0.003 to 0.010 B, and more preferably About 19.5 Cr, 4.3 Mo, 13.5 Co, 3.0 Ti, 1.4 Al, 0.05 Zr, .006 B is included (this material is sometimes referred to as “Wasparoy” and is also used herein). Also, the material preferably includes from about 0.04 to 0.075 C, up to about 0.15 Mn, up to about 0.175 Si, up to about 0.01 S, up to about 0.02. P, iron up to about 2.25, Cu up to about 0.15, Pb up to about 0.00075, Bi up to about 0.000035, Ag up to about 0.0005, O up to about 0.01. , Up to about 0.01 N. In short, the metal article according to the present invention is spray-formed, HIP-treated, and heat-treated as described later. The final metal article has the same properties as a forged product, that is, yield strength and tensile strength at room temperature and high temperature (eg, at least about 1300 ° F. (about 704 ° C.)), low crack growth rate, and high stress failure resistance. In addition, these characteristics can be obtained at a sufficiently low cost, waste, labor, and a sufficiently short period compared to forging.
[0020]
As described above, the metal used for thermal spray molding is obtained, for example, by melting the mixed material in a mold, obtained by melting the waste material again, or obtained by another method. The material is melted in a crucible 12, which is preferably placed in a vacuum melting chamber 14 in a low pressure and / or inert environment. Molten metal 16 passes through sprayer 20 after being transferred to sump 18. In the sprayer 20, metal splashes are sprayed using an inert carrier gas such as argon. The atomized material 22 is sprayed towards the surface of the cooler shaft as a substrate 24 disposed in the spray chamber 26, preferably at a low pressure and / or inactive state. . In the case of forming an annular part, the shaft is preferably made cylindrical and rotated, and the flow of the splash metal and the shaft is opposite to each other. The metal is deposited upon impact with the substrate and is rapidly solidified. In this way, a precise particle size is obtained compared to forging. Then, the metal layers solidified as described above are stacked to form a molded product having a desired shape. In addition, although the metal article manufactured from Wasproy has been described, it can be thermally sprayed, heat-processed, HIP-processed, and heat-treated in the same manner, even with metal articles manufactured from other materials, Those skilled in the art will readily understand. In addition, even if the molten or semi-molten droplet material is deposited on the substrate by other methods, such as plasma spraying under low pressure or vacuum environment applied to form metal articles, the same Those skilled in the art can easily understand that the effect is obtained.
[0021]
Values (parameters) relating to thermal spray molding to be described later do not indicate the criticality of the present invention, but droplets are preferably larger and smaller, more preferably about 10 to 10,000 microns in diameter. Also, the temperature applied to the splash is preferably lower than high. That is, this temperature is preferably not hot so that it does not remain in a semi-molten state on the material or substrate already deposited in the event of collision, but does not substantially solidify before collision. It needs to be hot to the extent. The speed of the splash is set so fast that the spray can be jetted in a molten state, while it is set so slow that the splash can adhere to the already deposited splash or the substrate. The distance between the thermal spray nozzle and the substrate is appropriately adjusted according to the rate at which the material is deposited.
[0022]
The molded article formed by thermal spraying generally has a characteristic that a porosity of about 1 to 3 percent exists in a volume percentage (v / o; vol%) in a state immediately after molding. On the other hand, the forged product has substantially no void. When the porosity increases, the strength of the molded product tends to decrease. Therefore, processing for densifying the material is performed on the thermal spray molded product. Referring to FIG. 2, the coarse molded product formed by thermal spray molding is preferably first densified first by HIP processing. Appropriate parameter values (temperature, pressure, time, etc.) in HIP processing vary depending on the material to be HIP processed and the amount of reduction in porosity, but in the case of spray-formed wasploy, preferably about 1,800-2, The HIP treatment is performed at 000 ° F. (about 982 to 1093 ° C.) and 15,000 to 25,000 psi for about 4 hours, more preferably in an inert environment such as argon. To maintain good HIP processing, the pressure and temperature are monitored, for example, at least every 5 minutes. In FIG. 2, it is illustrated that predetermined post-processing and machining are performed after the heat treatment, but the final machining of the molded product can be performed at any time after the HIP processing.
[0023]
Thermal spray molded products have considerably lower stress breakage resistance and crack growth rate than forged products. These properties are not completely improved by subjecting such a thermal spray molded product to HIP treatment. The thermal spray molded product is further subjected to a heat treatment generally used in the forging field, such as AMS5707 for Waspalloy, for example, so that these characteristics are equivalent to the forging level. That is, an intermediate molded product that has only been subjected to thermal spray molding and HIP processing cannot be applied to required applications such as a gas turbine engine.
[0024]
Therefore, in the present invention, in order to obtain a low crack growth rate, high stress damage resistance and strength in a well-balanced manner, heat treatment is performed on the intermediate molded product that has been subjected to thermal spray molding and HIP treatment. Thereby, a metal article suitable for at least the above-mentioned required application can be obtained. As will be described later, the heat treatment preferably includes a solution heat treatment 32, a stabilization heat treatment 34, and a precipitation heat treatment 36. Parameter values such as temperature, period, and cooling rate, which will be described later, vary depending on the material to be processed. A suitable heat treatment provides a microstructure that is significantly more precise and more uniform than that of conventional forging materials for thermally sprayed intermediate molded articles. See the microstructures of FIGS. A finishing process 38 (FIG. 2) such as machining is performed on the above-described molded product as necessary. The finishing process performed after the HIP process is not necessarily required.
[0025]
The solution heat treatment 32 constitutes the first stage of the heat treatment, and its temperature, duration, etc. vary depending on the material to be treated. FIG. 3 is a photomicrograph showing the microstructure of the metal article after the heat treatment according to the present invention is performed. For a general composition of Waspalloy material as described in AMS 5707, it is preferably about 1925-2025 ° F. (about 1052-1107 ° C.), particularly preferably about 1975 ° F. (about 1079 ° C.). After heat treatment for 2 hours, oil cooling or water cooling is performed. The period and temperature in the solution heat treatment 32 are set shorter than the temperature and period at which the particle diameter of the material suddenly increases so as not to have a large particle diameter at which desired characteristics cannot be obtained. We have found that the thermal spray molding material suppresses the growth of the particle size at a higher heat treatment temperature than the forging material. Accordingly, the solution heat treatment is preferably performed at a higher temperature than the solution heat treatment of AMS 5707 for forged products.
[0026]
After the solution heat treatment, a stabilization heat treatment 34 is performed on the compact, and the temperature, period, and the like vary depending on the material to be processed. For molded articles made from wasploy, stable for about 4 hours while maintaining a temperature of about 1500-1600 ° F. (preferably about 816-871 ° C.), preferably about 1550 ° F. (about 843 ° C.) After the heat treatment is performed, cooling is performed at a rate equal to or faster than air cooling.
[0027]
After the stabilization heat treatment and cooling treatment, a precipitation heat treatment 36 is performed on the compact, and its temperature, duration, and the like vary depending on the material to be treated. In the case of Wasploy, precipitation heat treatment is performed at a temperature of about 1350-1450 ° F. (preferably about 732-788 ° C.), preferably about 1400 ° F. (about 760 ° C.) for at least about 16 hours, and then equivalent or faster than air cooling. Cooled at a rate.
[0028]
According to the illustrated embodiment of the present invention described above, the final metal article obtained from the thermal spray molded product not only provides sufficient strength, but also has other characteristics that are equal or superior to forgings, For example, a low crack growth rate and high stress failure resistance can be obtained. Tests for measuring yield strength and maximum tensile strength were performed on the samples according to the present invention, which were spray-formed, heat-treated, and heat-treated on Waspaloy, in the same manner as ductility. For tensile properties, the test was conducted both at room temperature (about 68 ° F. or about 20 ° C.) and at a high temperature (about 1200 ° F. or about 649 ° C.) for a period of time prior to testing. went. The sample was also given a yield strength (approximately 110 ksi at room temperature and 93.5 ksi at 1200 ° F.) resulting in a strain rate between 0.005 in./in./minute. The characteristics obtained are shown in the following table.
[0029]
[Table 1]

The minimum value (min) of the above characteristics is appropriately increased or decreased depending on the application application of the product. The above values are in accordance with the above-described gas turbine engine case, flange, seal member, and the like. The above characteristics are set for specific parts such as an engine case and a ring.
[0030]
The above-described characteristics are equivalent to the characteristics of the forged material subjected to the heat treatment of AMS5707, and the characteristics are shown in the following table.
[0031]
[Table 2]

As described in AMS 5705, the properties of the forged material are equivalent to the test content of the above samples, regardless of the longitudinal or transverse direction.
[0032]
In addition, a test piece (including a material manufactured by the method according to the present invention) for testing the stress breakability of the standard smooth portion and the notch portion was tested based on, for example, ASTM_E292. The specimen is maintained at 1350 ° F. (about 732 ° C.) and is always loaded after applying an initial axial pressure of about 75 ksi. The test specimen broke after at least 23 hours. The above values for Wasproy treated according to the present invention are equivalent to forged materials heat treated according to AMS5707.
[0033]
An example of the post-processing described above is ring rolling. Briefly, ring rolling is typically performed on an annular member such as an engine case and a seal member that heats the molded article and repeatedly passes between a series of rolls. Thus, the molded product is extended so as to have a required shape. FIGS. 5 and 6 (each at a magnification of about 100 times and the grain roughness of FIG. 6 is ASTM 8) show micrographs of a thermally sprayed metal article according to the present invention, each with moderate deformation. And it is ring-rolled to obtain a large deformation.
[0034]
We have found that spray-formed (and ring-rolled) wasploy articles in accordance with the present invention generally provide the same microstructure as a forged wasploy article, while finishing compared to a forged wasploy article. It has been found that the amount of polishing in processing is significantly reduced. Furthermore, spray-formed and ring-rolled Wasproy articles exhibit excellent strength at room temperature and high temperature conditions. At room temperature, spray-formed and ring-rolled Wasproy articles according to the present invention provide a 0.2% yield strength of at least about 140 ksi, preferably about 155 ksi or greater, and at least about 180, more preferably at least about 200 ksi. The maximum tensile stress is obtained. Even at high temperatures (about 1200 F), the article provides a 0.2% yield strength of at least about 90 ksi, particularly preferably greater than about 93 ksi, and a maximum tensile stress of at least about 135, particularly preferably at least about 140 ksi. It is done.
[0035]
As shown in FIGS. 7 and 8, 0.5% creep for various temperatures and pressures (dashed line in FIG. 7) and yield strength for various temperatures and pressures (see FIG. 7) for forged Wasproy treated according to AMS5707. The test which measures 8 broken lines) was done. Tests were also made on samples of Wasploy according to the present invention, which basically gave significantly better results than forged Wasploy tested under the same temperature and pressure conditions. It was.
[0036]
In addition, it has been found that samples that have been subjected to HIP treatment and heat treatment on wasploys that have been spray-molded in accordance with the present invention have relatively small particle sizes. The measurement based on the specification of ASTM_E112 results in a particle size of about ASTM3, particularly preferably about ASTM5 or higher, and is equivalent to the corresponding forging material that has been heat-treated based on AMS5707. Also, the microstructure of the finished material generally provides more uniform and uniform properties than those forged. The microstructure also has the characteristic of less component separation (as compared to forging) unless the material is subsequently plastically deformed, and therefore generally in the cross section of the material The flow line indicating the direction of plastic flow is suppressed. Furthermore, in the finished material, in addition to suppressing the porosity, the crack growth rate is reduced and the stress breakage resistance is improved.
[0037]
The heat treatment according to the present invention cannot generally be replaced by a standard heat treatment such as AMS5707. As described above, when a standard heat treatment for Wasploy such as AMS5707 is applied to a thermal spray molded product, the expected result cannot be obtained. For example, the solution heat treatment based on AMS5707 is performed at a considerably lower temperature than in the case of the present invention, and cooling is performed by air cooling rather than rapid cooling. When a thermal sprayed molded product is heat-treated based on AMS5707, its creep resistance is reduced to the same extent as the corresponding forged product treated based on AMS5707.
[0038]
In short, the present invention can provide other important characteristics over forged products. In general, the present invention is utilized in the direct production of thermally sprayed metal articles having properties equivalent to forgings. The metal article manufactured according to the present invention has a more uniform microstructure and has a very wide range of applications. In each metal article, an isotropic microstructure is obtained except when heat treatment is performed later by ring rolling or the like. In particular, this metal article has the characteristic that separation in the microstructure is suppressed to the same extent as forgings. Moreover, the metal article manufactured based on this invention has the characteristic that the machining and inspection are further facilitated.
[0039]
Furthermore, in the present invention, the need to obtain a billet of particularly suitable material is suppressed, and the procurement time required to obtain the billet is suppressed, and as a result, the procurement time is minimized. Or become unnecessary. According to the present invention, a bulk material can be easily processed and can be directly used as a component by being deformed. Thus, substantial working time, cost and waste compared to forging are sufficiently reduced or eliminated.
[0040]
The thermal spray molded product (metal article) according to the present invention not only provides the same strength as a general forged product, but also provides at least a crack growth rate and stress breakage resistance equivalent to that of the forged product. Furthermore, in the metal article according to the present invention, the manufacturing time and cost are significantly reduced. From a microstructural point of view, thermal spray molded products are more uniform and generally finer than the forged products, and more importantly, between the products compared to the corresponding forged products. The characteristics are obtained in a narrower range, and variations between products are remarkably suppressed.
[0041]
Although specific examples of the present invention have been described in detail as described above, various modifications and changes can be made without departing from the spirit and scope of the present invention. That is, although the present invention has been described with reference to the illustrated embodiment, the present invention is not limited to this.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partially broken schematic view showing an apparatus for spray-molding a molded product.
FIG. 2 is a flowchart showing heat treatment of a molded product according to the present invention.
FIG. 3 is a photomicrograph of a thermal spray molded product that has been heat-treated according to the present invention.
FIG. 4 is a photomicrograph showing the microstructure of a forged product after heat treatment according to a conventional example.
FIG. 5 is a photomicrograph showing the microstructure of a thermal spray molded article (metal article) that has been heat-processed after thermal spray molding and heat treatment.
6 is a photomicrograph showing the microstructure of a thermal spray-molded product that has been heat-processed after thermal spray molding and heat treatment as in FIG.
FIG. 7 is a graph showing a 0.5% creep line with respect to applied stress and temperature in a metal article according to the present invention.
FIG. 8 is a graph showing stress breakability at various temperatures in a metal article according to the present invention.
[Explanation of symbols]
32 ... Solution heat treatment
34. Stabilization heat treatment
36 ... Precipitation heat treatment
38 ... Finishing treatment

Claims

0.2% yield strength of at least 100 ksi (0.68 GPa) at room temperature (20 ° C.) ;
A 0.2% yield strength of at least 85 ksi (0.58 GPa) at 1200 ° F. (649 ° C.) ;
A maximum tensile strength of at least 150 ksi (1.02 GPa) at room temperature (20 ° C.) ;
A maximum tensile strength of at least 130 ksi (0.89 GPa) at 1200 ° F. (649 ° C.) ;
A method of manufacturing a nickel-based superalloy metal part having
Deposit metal splashes to form metal articles, said metal splashes in weight percent,
18-21 Cr, 3.5-5 Mo, 12-15 Co, 2.75-3.25 Ti, 1.2-1.6 Al, 0.04-0.075 C, 0.01 to 0.08 Zr and 0.003 to 0.010 B;
Mn of 0.15 or less, Si of 0.175 or less, S of 0.01 or less, P of 0.02 or less, iron of 2.25 or less, Cu of 0.15 or less, Pb of 0.00075 or less, 0 At least one of Bi of 0.00003 or less and Ag of 0.0005 or less;
The remaining Ni,
With inevitable impurities,
Densify the metal article,
And heat-treating the metal article, this heat treatment,
Solution heat treatment that is oil-cooled or water-cooled after heat treatment for 2 hours at a temperature of 1925 to 2025 ° F. (1052 to 1107 ° C.) with respect to the metal article,
A stabilizing heat treatment that is cooled at a rate equal to or faster than that of air cooling after heat treatment for 4 hours at a temperature of 1500 to 1600 ° F. (816 to 871 ° C.);
And a precipitation heat treatment for at least 16 hours at a temperature of 1350-1450 ° F. (732-788 ° C.) .

The method according to claim 1, wherein the diameter of the metal splash is 10 to 10,000 μm .

The method according to claim 1 or 2, characterized in that to the metal article by the heat treatment, is given microstructure characterized by measuring at ASTM3 or more to the precise particle size based on ASTM _ E129.

The method according to claim 3, characterized in that to the metal article by the heat treatment, microstructure characterized by particle size smaller than ASTM5 measured based on ASTM _ E129 is given.

The metal article is any one of claims 1-4, characterized in that it is densified by HIP for 4 hours at 1800~2000 ° F (982~1093 ℃) and 15000~25000psi (103~172GPa) The method described in 1.

6. The method of claim 5, wherein the metal article is HIP treated under an argon atmosphere .

7. A method according to any preceding claim, wherein the metal droplets are deposited to form a metal article having an annular shape .

8. The method according to claim 1, wherein the heat treatment provides an isotropic microstructure to the metal article .

The method of any of claims 1-8, characterized in that it comprises a step of heat processing at a later metal article in order to obtain the required shape.

The method according to claim 1, wherein the metal part is a component of a gas turbine engine .

11. The method of claim 10, wherein the metal part is selected from the group consisting of an engine case, an engine flange, and an engine seal member .

The method according to claim 1, wherein the metal article is ring-rolled .