JP6690790B2 - 合金材、該合金材の製造方法、該合金材を用いた製造物、および該製造物を有する流体機械 - Google Patents
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Description
Co、Cr、Fe、Ni、Tiの各元素をそれぞれ5原子%以上35原子%以下の範囲で含み、Moを0原子%超8原子%未満の範囲で含み、残部が不可避不純物からなり、
前記母相結晶粒の中に、平均粒径100 nm以下の極小粒子および平均粒径100 nm以下の酸化物粒子が分散析出していることを特徴とする合金材を提供する。
(i)前記金属組成は、Y(イットリウム)、Nb(ニオブ)、AlおよびVのうちの一種を0原子%超4原子%以下の範囲で更に含み、前記Y、Nb、AlおよびVのうちの一種と前記Moとの合計が8原子%以下である。
(ii)前記酸化物粒子は、前記金属組成に含まれる元素の酸化物の粒子であり、Fe3O4(四酸化三鉄)の25℃における標準生成ギブズエネルギーよりも負数が大きい標準生成ギブズエネルギーを有する酸化物の粒子である。
(iii)前記金属組成は、前記Coを20原子%以上35原子%以下で、前記Crを10原子%以上25原子%以下で、前記Feを10原子%以上25原子%以下で、前記Niを15原子%以上30原子%以下で、前記Tiを5原子%以上15原子%以下で含む。
(iv)前記極小粒子は、前記Ni成分と前記Ti成分とが前記母相結晶粒よりも濃化している結晶性粒子である。
(v)前記母相結晶粒は、その結晶構造が面心立方晶である、または面心立方晶と単純立方晶との混合である。
前記合金材の原料を混合・溶解して溶湯を形成する原料混合溶解工程と、
前記溶湯から合金粉末を形成するアトマイズ工程と、
前記合金粉末と酸素原子供給源酸化物の粉末とを混合した混合粉末を用意する混合粉末用意工程と、
前記混合粉末を用いて積層造形法により所望形状を有する合金造形体を形成する積層造形工程と、
前記合金造形体に対して1000℃以上1250℃以下の温度範囲で擬溶体化処理を施す擬溶体化熱処理工程とを有することを特徴とする合金材の製造方法を提供する。
(vi)前記酸素原子供給源酸化物は、Fe2O3、Fe3O4およびNiOのいずれか一種以上である。
(vii)前記擬溶体化熱処理工程は、前記温度範囲で保持した後、空冷、ガス冷または水冷する工程である。
(viii)前記流体機械は、圧縮機またはポンプである。
本発明者等は、HEAが有する高い耐腐食性を犠牲にすることなく、従来よりも更に高い機械的特性を示す合金材および該合金材を用いた製造物の開発を目指すにあたって、酸化物粒子分散強化に着目した。
図1は、本発明に係る合金材を製造する方法の一例を示す工程図である。図1に示したように、本発明の合金材を製造する方法は、原料混合溶解工程(S1)とアトマイズ工程(S2)と混合粉末用意工程(S3)と積層造形工程(S4)と擬溶体化熱処理工程(S5)とを有する。以下、各工程をより具体的に説明する。
原料混合溶解工程S1では、後の混合粉末用意工程S3で混合する酸素原子供給源酸化物に含まれる金属成分の量(例えばFe成分量)を考慮した上で、所望の金属組成となるように原料を混合し、溶解して溶湯10を形成する。原料の混合方法や溶解方法に特段の限定はなく、従前の方法を利用できる。
アトマイズ工程S2では、溶湯10から合金粉末20を形成する。アトマイズ方法に特段の限定はなく、従前の方法を利用できる。例えば、ガスアトマイズ法や遠心力アトマイズ法を好ましく用いることができる。
混合粉末用意工程S3では、合金粉末20と酸素原子供給源酸化物の粉末(図1では、Fe2O3粉末を例示)とを混合して混合粉末30を用意する。粉末混合方法に特段の限定はなく、従前の方法を利用できる。酸素原子供給源酸化物の混合量は、基本的に、分散析出させようとする酸化物粒子の量から逆算して決めればよい。例えば、合金粉末20の総量を100質量部としたときに、酸素原子供給源酸化物を1質量部以上10質量部以下の範囲で混合することが好ましい。当然のことながら、混合される酸素原子供給源酸化物からの金属成分の量を考慮した上で、合金粉末20の組成は調整される。
積層造形工程S4では、上記で用意した混合粉末30を用いた積層造形法(AM法)により、所望形状を有する合金AM体40を形成する。焼結ではなく局所溶融急速凝固によってニアネットシェイプの金属材を得る積層造形法の適用により、鍛造材と同程度以上の機械的特性とともに、複雑形状を有する三次元部材を直接的に作製することができる。積層造形方法に特段の限定はなく、従前の方法を利用できるが、例えば、組織制御に重要な凝固速度が比較的大きく、得られる合金AM体30の表面粗さを比較的小さくできる選択的レーザ溶融(SLM)法を用いることが好ましい。
擬溶体化熱処理工程S5では、上記の合金AM体40に対して、析出した金属間化合物相をほぼ完全に溶体化する擬溶体化熱処理を行う。本工程S5の後で得られる合金造形物45が、本発明の合金材の一形態である。なお、本発明の合金材には、現段階で相平衡状態図のような知見が存在せず、析出相の固溶温度が不明であることから、完全に溶体化する温度を正確に規定することができない。そのため、本工程の熱処理を擬溶体化と称している。
図2は、本発明に係る合金材を用いた製造物の一例であり、流体機械のインペラを示す写真である。本発明の製造物は、積層造形法により製造すると、図2に示したような複雑形状物でも容易に造形することができる。また、本発明の合金材を用いたインペラは、高い機械的特性と高い耐食性とを兼ね備えることから、厳しい稼働環境下においても優れた耐久性を示すことができる。本発明に係る製造物としては、インペラの他に、配管部品や掘削部品なども好適である。
図3は、本発明に係る製造物を有する流体機械の一例であり、本発明のインペラが組み込まれた遠心圧縮機を示す断面模式図である。厳しい稼働環境下でも優れた耐久性を示す本発明のインペラを使用することにより、遠心圧縮機の長期信頼性の向上に寄与することができる。
(合金粉末P1〜P5の作製)
表2に示す名目組成で原料を混合し、高周波溶解炉により溶解して溶湯を形成する原料混合溶解工程を行った。次に、ガスアトマイズ法により、溶湯から合金粉末を形成するアトマイズ工程を行った。次に、得られた合金粉末に対して、ふるいによる分級を行って粒径20〜45μmに選別して合金粉末P1〜P5を用意した。レーザ回折式粒度分布測定装置を用いて、合金粉末P1〜P5の粒度分布を測定したところ、それぞれの平均粒径は約30μmであった。
上記で用意した合金粉末P2〜P5に対して、平均粒径約15μmに造粒したFe2O3粉末を混合した。Fe2O3粉末の混合量は、合金粉末20の総量を100質量部として、表3に示した比率とした。なお、合金粉末P1にはFe2O3粉末を混合せず、本発明に対する基準試料とした。
(合金造形物FA1〜FA5の作製)
実験1で用意した合金粉末P1および混合粉末MP2〜MP5に対し、積層造形装置(EOS GmbH製、型式:EOSINT M290)を用いて、前述した積層造形工程に沿ってSLM法による合金AM体(縦25 mm×横25 mm×高さ70 mmの角柱材、高さ方向が積層方向)を造形した。SLM条件としては、合金粉末床の厚さhを0.04 mmとし、体積エネルギー密度Eが40〜100 J/mm3となるように、レーザ光の出力Pとレーザ光の走査速度Sとレーザ光の走査間隔Lとを制御した。
(合金造形物の微細組織観察)
実験2で作製した各合金造形物から微細組織観察用の試験片を採取し、走査型電子顕微鏡(SEM)、走査透過型電子顕微鏡−エネルギー分散型X線分析装置(STEM-EDX)、およびX線回折(XRD)装置を用いて、微細組織を評価した。
(合金造形物の機械的特性および耐腐食性の測定)
実験2で作製した各合金造形物から試験片を採取し、機械的特性および耐腐食性の測定を行った。機械的特性としては、ビッカース硬度計(株式会社島津製作所、マイクロビッカース硬度計、HMV)を用い、10点測定のうちの最大値と最小値とを除いた8点測定の平均値としてビッカース硬さを測定した。また、得られたビッカース硬さの平均値から、近似換算式「引張強さ(単位:MPa)=3.12×ビッカース硬さ(単位:Hv)+16」を用いて引張強さを求めた。結果を表4に示す。
Claims (12)
- 母相結晶粒が平均粒径150μm以下の等軸晶からなる合金材であって、
前記合金材の金属組成は、
Co、Cr、Fe、Ni、Tiの各元素をそれぞれ5原子%以上35原子%以下の範囲で含み、
Moを0原子%超8原子%未満の範囲で含み、
残部が不可避不純物からなり、
前記母相結晶粒の中に、平均粒径100 nm以下の極小粒子および平均粒径100 nm以下の酸化物粒子が分散析出していることを特徴とする合金材。 - 請求項1に記載の合金材において、
前記金属組成は、Y、Nb、AlおよびVのうちの一種を0原子%超4原子%以下の範囲で更に含み、
前記Y、Nb、AlおよびVのうちの一種と前記Moとの合計が8原子%以下であることを特徴とする合金材。 - 請求項1または請求項2に記載の合金材において、
前記酸化物粒子は、前記金属組成に含まれる元素の酸化物の粒子であり、Fe3O4の25℃における標準生成ギブズエネルギーよりも負数が大きい標準生成ギブズエネルギーを有する酸化物の粒子であることを特徴とする合金材。 - 請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の合金材において、
前記金属組成は、前記Coを20原子%以上35原子%以下で、前記Crを10原子%以上25原子%以下で、前記Feを10原子%以上25原子%以下で、前記Niを15原子%以上30原子%以下で、前記Tiを5原子%以上15原子%以下で含むことを特徴とする合金材。 - 請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の合金材において、
前記極小粒子は、前記Ni成分と前記Ti成分とが前記母相結晶粒よりも濃化している結晶性粒子であることを特徴とする合金材。 - 請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の合金材において、
前記母相結晶粒は、その結晶構造が面心立方晶である、または面心立方晶と単純立方晶との混合であることを特徴とする合金材。 - 請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の合金材の製造方法であって、
前記合金材の原料を混合し、溶解して溶湯を形成する原料混合溶解工程と、
前記溶湯から合金粉末を形成するアトマイズ工程と、
前記合金粉末と酸素原子供給源酸化物の粉末とを混合した混合粉末を用意する混合粉末用意工程と、
前記混合粉末を用いて積層造形法により所望形状を有する合金造形体を形成する積層造形工程と、
前記合金造形体に対して1000℃以上1250℃以下の温度範囲で擬溶体化処理を施す擬溶体化熱処理工程と、を有することを特徴とする合金材の製造方法。 - 請求項7に記載の合金材の製造方法であって、
前記酸素原子供給源酸化物は、Fe2O3、Fe3O4およびNiOのいずれか一種以上であることを特徴とする合金材の製造方法。 - 請求項7または請求項8に記載の合金材の製造方法であって、
前記擬溶体化熱処理工程は、前記温度範囲で保持した後、空冷、ガス冷または水冷する工程であることを特徴とする合金材の製造方法。 - 合金材を用いた製造物であって、
前記合金材が請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の合金材であり、
前記製造物がインペラであることを特徴とする合金材を用いた製造物。 - 請求項10に記載の前記インペラを組み込んでいることを特徴とする流体機械。
- 請求項11に記載の流体機械において、
前記流体機械は、圧縮機またはポンプであることを特徴とする流体機械。
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