JP6924874B2 - Cobalt-based alloy material - Google Patents

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本発明は、機械的特性に優れたコバルト基合金材に関し、特に、当該コバルト基合金材を得るための合金材料に関するものである。 The present invention relates to a cobalt-based alloy material having excellent mechanical properties, and more particularly to an alloy material for obtaining the cobalt-based alloy material.

コバルト(Co)基合金材は、ニッケル(Ni)基合金材とともに代表的な耐熱合金材料であり、超合金とも称されてタービン(例えば、ガスタービン、蒸気タービン)の高温部材に広く用いられている。Co基合金材は、Ni基合金材と比べて材料コストは高いものの耐食性や耐摩耗性が優れており、固溶強化し易いことから、タービン静翼や燃焼器部材として用いられてきた。 Cobalt (Co) -based alloy material is a typical heat-resistant alloy material together with nickel (Ni) -based alloy material, and is also called a superalloy, and is widely used for high-temperature members of turbines (for example, gas turbines and steam turbines). There is. Co-based alloy materials have been used as turbine stationary blades and combustor members because they have higher material cost than Ni-based alloy materials, but have excellent corrosion resistance and wear resistance, and are easily solid-solved and strengthened.

耐熱合金材料において、現在までに行われてきた種々の合金組成の改良および製造プロセスの改良によって、Ni基合金材では、γ’相(例えばNi3(Al,Ti)相)の析出による強化が開発され現在主流になっている。一方、Co基合金材においては、Ni基合金材のγ’相のような機械的特性向上に大きく寄与する金属間化合物相が析出しづらいことから、炭化物相による析出強化が研究されてきた。 Due to various alloy composition improvements and manufacturing process improvements that have been made to date in heat-resistant alloy materials, Ni-based alloy materials are strengthened by precipitation of the γ'phase (for example, Ni 3 (Al, Ti) phase). It was developed and is now mainstream. On the other hand, in the Co-based alloy material, since it is difficult to precipitate an intermetallic compound phase such as the γ'phase of the Ni-based alloy material, which greatly contributes to the improvement of mechanical properties, precipitation strengthening by the carbide phase has been studied.

例えば、特許文献1(特開昭61-243143)には、結晶粒径が10μm以下であるコバルト基合金の基地に、粒径が0.5から10μmである塊状及び粒状の炭化物を析出させてなることを特徴とするCo基超塑性合金が開示されている。また、前記コバルト基合金は、重量比でC:0.15〜1%、Cr:15〜40%、W及び又はMo:3〜15%、B:1%以下、Ni:0〜20%、Nb:0〜1.0%、Zr:0〜1.0%、Ta:0〜1.0%、Ti:0〜3%、Al:0〜3%、及び残部Coからなること、が開示されている。特許文献1によると、低い温度領域(例えば、950℃)でも超塑性を示して70%以上の伸び率を有し、かつ鍛造加工等の塑性加工により複雑形状物を作製しえるCo基超塑性合金を提供できる、とされている。 For example, in Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 61-243143), massive and granular carbides having a particle size of 0.5 to 10 μm are precipitated on a base of a cobalt-based alloy having a crystal particle size of 10 μm or less. A Co-based superplastic alloy characterized by the above is disclosed. The cobalt-based alloy has a weight ratio of C: 0.15 to 1%, Cr: 15 to 40%, W and / or Mo: 3 to 15%, B: 1% or less, Ni: 0 to 20%, Nb: It is disclosed that it consists of 0 to 1.0%, Zr: 0 to 1.0%, Ta: 0 to 1.0%, Ti: 0 to 3%, Al: 0 to 3%, and the balance Co. According to Patent Document 1, Co-based superplasticity that exhibits superplasticity even in a low temperature region (for example, 950 ° C.), has an elongation rate of 70% or more, and can produce a complicated shape by plastic working such as forging. It is said that it can provide alloys.

特許文献2(特開平7-179967)には、重量%にて、Cr:21〜29%、Mo:15〜24%、B:0.5〜2%、Si:0.1%以上で0.5%未満、C:1%を越えて2%以下、Fe:2%以下、Ni:2%以下及び残部実質的にCoからなる、耐食性、耐摩耗性及び高温強度にすぐれるCo基合金が開示されている。特許文献2によると、当該Co基合金は、Co、Cr、Mo、Siの4元系合金相にモリブデン硼化物及びクロム炭化物が比較的微細に分散した複合組織を有し、良好な耐食性及び耐摩耗性、並びに高い強度を備える、とされている。 According to Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 7-179967), in% by weight, Cr: 21 to 29%, Mo: 15 to 24%, B: 0.5 to 2%, Si: 0.1% or more and less than 0.5%, C : A Co-based alloy having excellent corrosion resistance, wear resistance, and high-temperature strength, which is more than 1% and 2% or less, Fe: 2% or less, Ni: 2% or less, and the balance substantially Co, is disclosed. According to Patent Document 2, the Co-based alloy has a composite structure in which molybdenum boride and chromium carbide are relatively finely dispersed in a quaternary alloy phase of Co, Cr, Mo, and Si, and has good corrosion resistance and resistance. It is said to have abrasion resistance and high strength.

ところで、近年、複雑形状を有する最終製品をニアネットシェイプで製造する技術として、積層造形法(Additive Manufacturing、AM法)などの3次元造形技術(いわゆる3Dプリンティング)が注目され、該3次元造形技術を耐熱合金部材へ適用する研究開発が活発に行われている。 By the way, in recent years, three-dimensional modeling technology (so-called 3D printing) such as additive manufacturing (AM method) has attracted attention as a technology for manufacturing a final product having a complicated shape by a near net shape, and the three-dimensional modeling technology has been attracting attention. Is being actively researched and developed to apply the above to heat-resistant alloy members.

例えば、特許文献3(特表2016-535169)には、以下のステップを含む層形成方法:a)20%未満の空隙率を有する粉体状または懸濁液状の顆粒状複合材料の原料を供給するステップ、b)前記複合材料の第一部分を、目標物表面に堆積するステップ、c)前記第一部分の前記複合材料にエネルギーを供給して、前記第一部分の前記複合材料を焼結、融合または融解して第一層を形成するステップ、d)前記第一層の上に前記複合材料の第二部分を堆積するステップ、e)前記第二部分の前記複合材料にエネルギーを供給して、前記第二部分の前記複合材料を焼結、融合または融解して第二層を形成するステップ、であり、前記エネルギーがレーザにより供給される方法、が開示されている。 For example, Patent Document 3 (Japanese Patent Laid-Open No. 2016-535169) provides a layer forming method including the following steps: a) a raw material for a powdery or suspension-like granular composite material having a void ratio of less than 20%. Steps to b) deposit the first part of the composite on the surface of the target, c) supply energy to the composite in the first part to sinter, fuse or blend the composite in the first part. The step of melting to form the first layer, d) the step of depositing the second portion of the composite material on the first layer, e) supplying energy to the composite material of the second part, said Disclosed is a step of sintering, fusing or melting the composite material in a second portion to form a second layer, wherein the energy is supplied by a laser.

特許文献3(特表2016-535169)によると、選択的レーザ融解法(SLM法)または直接金属レーザ融解法(DMLM法)は、一般に、1種の材料(純チタンやTi-6Al-4Vのような単一合金)に対し有益とのことである。対照的に、複数材料、合金、または合金とプラスチック、セラミック、ポリマー、炭化物、ガラスなどのその他材料の組み合わせの場合は、選択的レーザ焼結法(SLS法)または直接金属レーザ焼結法(DMLS法)を適用するのが一般的とのことである。なお、焼結は、融解とは別の技術概念であり、焼結プロセスは、材料粉末を完全には融解しないが、該粉末が分子レベルで共に融合することができる点まで加熱するプロセスとのことである。 According to Patent Document 3 (Special Table 2016-535169), selective laser melting (SLM) or direct metal laser melting (DMLM) generally involves one type of material (pure titanium or Ti-6Al-4V). It is said to be beneficial for such single alloys). In contrast, for multiple materials, alloys, or combinations of alloys with other materials such as plastics, ceramics, polymers, carbides, and glass, selective laser sintering (SLS) or direct metal laser sintering (DMLS). The law) is generally applied. Sintering is a technical concept different from melting, and the sintering process is a process in which the material powder is not completely melted, but is heated to the point where the powder can be fused together at the molecular level. That is.

特開昭61−243143号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 61-243143 特開平7−179967号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 7-179967 特表2016−535169号公報Special Table 2016-535169

3Dプリンティングによるタービン高温部材の製造は、複雑形状を有する部材であっても直接的に造形できることから、製造ワークタイムの短縮や製造歩留まりの向上の観点(すなわち、製造コストの低減の観点)で大変魅力的な技術である。 Manufacture of turbine high-temperature members by 3D printing is very difficult from the viewpoint of shortening the manufacturing work time and improving the manufacturing yield (that is, from the viewpoint of reducing manufacturing costs) because even members with complicated shapes can be directly modeled. It's an attractive technology.

特許文献1〜2に記載されたようなCo基合金材は、それら以前のCo基合金材に比して高い機械的特性を有すると考えられるが、近年の析出強化Ni基合金材と比較すると、残念ながら十分な機械的特性を有しているとは言えない。そのため、現在のところ、タービン高温部材用途の積層造形体(AM体)の研究は、析出強化Ni基合金材を対象としているものが多い。 Co-based alloy materials as described in Patent Documents 1 and 2 are considered to have higher mechanical properties than the previous Co-based alloy materials, but are compared with recent precipitation-strengthened Ni-based alloy materials. Unfortunately, it cannot be said that it has sufficient mechanical properties. Therefore, at present, most of the research on laminated molded bodies (AM bodies) for turbine high-temperature members is targeted at precipitation-strengthened Ni-based alloy materials.

しかしながら、析出強化Ni基合金のAM体では、機械的特性の要となるγ’相の生成が阻害されたり製造物中に内部欠陥を生じさせたりする不具合が発生し易く、結果として期待される機械的特性が十分に得られないという問題が生じている。これは、タービン高温部材として利用される現在の析出強化Ni基合金材は、高真空中での溶解・鋳造プロセスを前提として最適化されているため、AM法用の合金粉末を用意する段階やAM法の段階において、γ’相を構成するAl成分およびTi成分の酸化や窒化が起こり易いためと考えられている。 However, in the AM body of the precipitation-strengthened Ni-based alloy, problems such as inhibition of the formation of the γ'phase, which is the key to mechanical properties, and internal defects in the product are likely to occur, which is expected as a result. There is a problem that sufficient mechanical properties cannot be obtained. This is because the current precipitation-hardened Ni-based alloy material used as a high-temperature member for turbines is optimized on the premise of melting and casting processes in high vacuum, so it is necessary to prepare alloy powder for the AM method. It is considered that oxidation and nitriding of the Al component and Ti component constituting the γ'phase are likely to occur at the stage of the AM method.

一方、特許文献1〜2に記載されたようなCo基合金材は、Ni基合金材のγ’相のような金属間化合物相の析出を前提としないことから、酸化し易いAlやTiを多く含有させておらず、大気中での溶解・鋳造プロセスが利用可能である。そのため、AM法用の合金粉末の作製やAM体の作製に有利であると考えられる。また、Co基合金材は、Ni基合金材と同等以上の耐食性や耐摩耗性を有する利点がある。 On the other hand, the Co-based alloy material as described in Patent Documents 1 and 2 does not presuppose the precipitation of an intermetallic compound phase such as the γ'phase of the Ni-based alloy material, and therefore easily oxidizes Al and Ti. It does not contain much and can be used for melting and casting processes in the air. Therefore, it is considered to be advantageous for the production of alloy powders for the AM method and the production of AM bodies. Further, the Co-based alloy material has an advantage of having corrosion resistance and wear resistance equal to or higher than that of the Ni-based alloy material.

しかしながら、前述したように、従来のCo基合金材は、γ’相析出強化Ni基合金材に比して機械的特性が低いという弱点を有する。言い換えると、γ’相析出強化Ni基合金材と同等以上の機械的特性(例えば、58 MPaで10万時間のクリープ耐用温度が875℃以上、室温の引張耐力が500 MPa以上)を達成することができれば、Co基合金AM体は、大変魅力的なタービン高温部材となりうる。 However, as described above, the conventional Co-based alloy material has a weakness that the mechanical properties are lower than those of the γ'phase precipitation strengthened Ni-based alloy material. In other words, achieve mechanical properties equal to or higher than those of the γ'phase precipitation strengthened Ni-based alloy material (for example, a creep withstand temperature of 875 ° C or higher for 100,000 hours at 58 MPa and a tensile strength at room temperature of 500 MPa or higher). If possible, the Co-based alloy AM body can be a very attractive turbine high temperature member.

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、析出強化Ni基合金材と同等以上の機械的特性を有するCo基合金材を実現するために、所定の微細組織を有するCo基合金積層造形体の製造に好適なCo基合金材料を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to realize a Co-based alloy material having mechanical properties equal to or higher than those of a precipitation-strengthened Ni-based alloy material. An object of the present invention is to provide a Co-based alloy material suitable for producing a Co-based alloy laminated model having a structure.

(I)本発明の一態様は、Co基合金材料であって、
0.08質量%以上0.25質量%以下の炭素(C)と、
0.1質量%以下のホウ素(B)と、
10質量%以上30質量%以下のクロム(Cr)とを含み、
鉄(Fe)を5質量%以下でニッケル(Ni)を30質量%以下で含み、前記Feおよび前記Niの合計が30質量%以下であり、
タングステン(W)および/またはモリブデン(Mo)を含み、前記Wおよび前記Moの合計が5質量%以上12質量%以下であり、
チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)およびタンタル(Ta)を含み、前記Ti、前記Zr、前記Nbおよび前記Taの合計が0.5質量%以上2質量%以下であり、
0.5質量%以下のケイ素(Si)と、
0.5質量%以下のマンガン(Mn)と、
0.003質量%以上0.04質量%以下の窒素(N)とを含み、
残部がCoと不純物とからなる化学組成を有し、
前記不純物として、0.04質量%以下の酸素(O)を含む、
ことを特徴とするコバルト基合金材料を提供するものである。
(I) One aspect of the present invention is a Co-based alloy material.
With carbon (C) of 0.08% by mass or more and 0.25% by mass or less,
Boron (B) of 0.1% by mass or less and
Contains 10% by mass or more and 30% by mass or less of chromium (Cr)
It contains 5% by mass or less of iron (Fe) and 30% by mass or less of nickel (Ni), and the total of Fe and Ni is 30% by mass or less.
It contains tungsten (W) and / or molybdenum (Mo), and the total of the W and the Mo is 5% by mass or more and 12% by mass or less.
It contains titanium (Ti), zirconium (Zr), niobium (Nb) and tantalum (Ta), and the total of the Ti, the Zr, the Nb and the Ta is 0.5% by mass or more and 2% by mass or less.
With 0.5% by mass or less of silicon (Si),
With 0.5% by mass or less of manganese (Mn),
Containing with nitrogen (N) of 0.003% by mass or more and 0.04% by mass or less,
The balance has a chemical composition consisting of Co and impurities,
The impurities include 0.04% by mass or less of oxygen (O).
It provides a cobalt-based alloy material characterized by the above.

本発明は、上記のCo基合金材料(I)において、以下のような改良や変更を加えることができる。
(i)前記化学組成は、
前記Tiが0.01質量%以上1質量%以下であり、
前記Zrが0.05質量%以上1.5質量%以下であり、
前記Nbが0.02質量%以上1質量%以下であり、
前記Taが0.05質量%以上1.5質量%以下である。
(ii)前記化学組成は、前記不純物として、0.5質量%以下のアルミニウム(Al)を更に含む。
(iii)前記化学組成は、2質量%以下のレニウム(Re)を更に含み、
前記W、前記Moおよび前記Reの合計が5質量%以上12質量%以下である。
(iv)前記Co基合金材料は所定の選択的レーザ溶融法用の合金粉末である。
(v)前記合金粉末の粒径が5μm以上100μm以下である。
The present invention can make the following improvements and modifications to the above-mentioned Co-based alloy material (I).
(I) The chemical composition is
The Ti is 0.01% by mass or more and 1% by mass or less.
The Zr is 0.05% by mass or more and 1.5% by mass or less.
The Nb is 0.02% by mass or more and 1% by mass or less.
The Ta is 0.05% by mass or more and 1.5% by mass or less.
(Ii) The chemical composition further contains 0.5% by mass or less of aluminum (Al) as the impurities.
(Iii) The chemical composition further contains rhenium (Re) of 2% by mass or less.
The total of the W, the Mo and the Re is 5% by mass or more and 12% by mass or less.
(Iv) The Co-based alloy material is an alloy powder for a predetermined selective laser melting method.
(V) The particle size of the alloy powder is 5 μm or more and 100 μm or less.

本発明によれば、析出強化Ni基合金材と同等以上の機械的特性を有するCo基合金材を実現するための、所定の微細組織を有するCo基合金積層造形体の製造に好適なCo基合金材料を提供することができる。 According to the present invention, a Co group suitable for producing a Co-based alloy laminated model having a predetermined fine structure for realizing a Co-based alloy material having mechanical properties equal to or higher than that of a precipitation-strengthened Ni-based alloy material. Alloy materials can be provided.

本発明に係るCo基合金製造物の製造方法の工程例を示すフロー図である。It is a flow chart which shows the process example of the manufacturing method of the Co-based alloy product which concerns on this invention. 本発明に係るCo基合金AM体の微細組織の一例を示す走査型電子顕微鏡(SEM)観察像である。It is a scanning electron microscope (SEM) observation image which shows an example of the microstructure of the Co-based alloy AM body which concerns on this invention. 本発明に係るCo基合金製造物の一例であり、タービン高温部材としてのタービン静翼を示す斜視模式図である。It is an example of the Co-based alloy product which concerns on this invention, and is the perspective schematic diagram which shows the turbine vane as a turbine high temperature member. 本発明に係るCo基合金製造物を装備するガスタービンの一例を示す断面模式図である。It is sectional drawing which shows an example of the gas turbine equipped with the Co-based alloy product which concerns on this invention. レーザ金属堆積法(LMD法)により形成したCo基合金AM体の微細組織の一例を示すSEM観察像である。It is an SEM observation image which shows an example of the microstructure of the Co-based alloy AM body formed by the laser metal deposition method (LMD method). 精密鋳造法により形成したCo基合金鋳造体の微細組織の一例を示すSEM観察像である。It is an SEM observation image which shows an example of the microstructure of a Co-based alloy cast body formed by a precision casting method. Co基合金AM体における偏析セルの平均サイズとCo基合金製造物における0.2%耐力との関係例を示すグラフである。It is a graph which shows the relation example of the average size of the segregation cell in a Co-based alloy AM body, and 0.2% proof stress in a Co-based alloy product. 本発明に係るCo基合金AM体を得るためのSLM条件例であり、合金粉末床の厚さと局所入熱量との関係を示すグラフである。It is an example of SLM condition for obtaining a Co-based alloy AM body which concerns on this invention, and is a graph which shows the relationship between the thickness of an alloy powder bed, and the amount of local heat input.

[本発明の基本思想]
前述したように、Co基合金材では、炭化物相の析出による強化が種々研究開発されてきた。析出強化に寄与する炭化物相としては、例えば、Ti、Zr、Nb、TaのMC型炭化物相、およびそれら金属元素の複合炭化物相が挙げられる。
[Basic Thought of the Present Invention]
As described above, in the Co-based alloy material, various research and development have been carried out for strengthening by precipitation of the carbide phase. Examples of the carbide phase that contributes to precipitation strengthening include MC-type carbide phases of Ti, Zr, Nb, and Ta, and composite carbide phases of these metal elements.

Ti、Zr、Nb、Taの各成分と炭化物相を形成する上で不可欠なC成分とは、Co基合金の溶融凝固の際に、最終凝固部(例えば、デンドライト境界や結晶粒界)に著しく偏析する性状がある。そのため、従来のCo基合金材では、当該炭化物相粒子は、母相のデンドライト境界や結晶粒界に沿って析出する。例えば、Co基合金の普通鋳造材では、通常、デンドライト境界の平均間隔や平均結晶粒径が101〜102μmオーダになるため、炭化物相粒子の平均間隔も101〜102μmオーダになる。また、レーザ溶接などの凝固速度が比較的速いプロセスであっても、凝固部における炭化物相粒子の平均間隔は5μm程度である。 The C component, which is indispensable for forming the carbide phase with each component of Ti, Zr, Nb, and Ta, is remarkably located in the final solidified part (for example, the dendrite boundary and the grain boundary) during melt solidification of the Co-based alloy. Has the property of segregating. Therefore, in the conventional Co-based alloy material, the carbide phase particles are precipitated along the dendrite boundary of the matrix phase and the grain boundary. For example, in ordinary castings of Co-based alloys, the average spacing and average crystal grain size of dendrite boundaries are usually on the order of 10 1 to 10 2 μm, so the average spacing of carbide phase particles is also on the order of 10 1 to 10 2 μm. Become. Further, even in a process such as laser welding in which the solidification rate is relatively high, the average spacing of the carbide phase particles in the solidification portion is about 5 μm.

合金における析出強化は、析出物同士の平均間隔に反比例することが一般的に知られており、析出強化が有効になるのは、析出物同士の平均間隔が2μm程度以下の場合と言われている。しかしながら、上述した従来技術では、析出物同士の平均間隔がそのレベルに達しておらず、十分な析出強化の作用効果が得られない。言い換えると、従来技術では、合金強化に寄与する炭化物相粒子を微細分散析出させることが難しかった。これが、析出強化Ni基合金材に比して、Co基合金材は機械的特性が不十分と言われてきた主な要因である。 It is generally known that precipitation strengthening in alloys is inversely proportional to the average spacing between precipitates, and it is said that precipitation strengthening is effective when the average spacing between precipitates is about 2 μm or less. There is. However, in the above-mentioned conventional technique, the average spacing between the precipitates does not reach that level, and a sufficient effect of precipitation strengthening cannot be obtained. In other words, in the prior art, it was difficult to finely disperse and precipitate carbide phase particles that contribute to alloy strengthening. This is the main reason why Co-based alloy materials have been said to have insufficient mechanical properties compared to precipitation-strengthened Ni-based alloy materials.

なお、Co基合金において析出しうる他の炭化物相として、Cr炭化物相がある。Cr成分はCo基合金母相への固溶性が高く偏析しづらいことから、Cr炭化物相は母相結晶粒内に分散析出させることが可能である。しかしながら、Cr炭化物相は、Co基合金母相結晶との格子整合性が低く、析出強化相としてはそれほど有効でないことが知られている。 As another carbide phase that can be precipitated in the Co-based alloy, there is a Cr carbide phase. Since the Cr component has high solid solubility in the Co-based alloy matrix and is difficult to segregate, the Cr carbide phase can be dispersed and precipitated in the matrix crystal grains. However, it is known that the Cr carbide phase has low lattice consistency with the Co-based alloy matrix crystal and is not so effective as a precipitation strengthening phase.

本発明者等は、Co基合金材において、析出強化に寄与する炭化物相粒子を母相結晶粒内に分散析出させることができれば、Co基合金材の機械的特性を飛躍的に向上させることができると考えた。また、Co基合金材が元々有する良好な耐食性や耐摩耗性と併せると、析出強化Ni基合金材を凌駕する耐熱合金材を提供できると考えた。 The present inventors can dramatically improve the mechanical properties of the Co-based alloy material if the carbide phase particles that contribute to precipitation strengthening can be dispersed and precipitated in the parent phase crystal grains in the Co-based alloy material. I thought I could do it. In addition, it was considered that a heat-resistant alloy material superior to the precipitation-strengthened Ni-based alloy material could be provided in combination with the good corrosion resistance and wear resistance originally possessed by the Co-based alloy material.

そこで、本発明者等は、そのようなCo基合金材を得るための合金組成および製造方法について鋭意研究した。その結果、合金組成を最適化するとともに、AM法(特に、選択的レーザ溶融法)を利用した製造において、局所溶融・急冷凝固のための入熱量を所定の範囲に制御することにより、Co基合金材の母相結晶粒内に合金強化に寄与する炭化物相粒子を分散析出させられることを見出した。本発明は、当該知見に基づいて完成されたものである。 Therefore, the present inventors have diligently studied the alloy composition and the manufacturing method for obtaining such a Co-based alloy material. As a result, in addition to optimizing the alloy composition, in the production using the AM method (particularly, the selective laser melting method), the Co group is controlled by controlling the amount of heat input for local melting and quenching solidification within a predetermined range. It has been found that carbide phase particles that contribute to alloy strengthening can be dispersed and precipitated in the matrix crystal grains of the alloy material. The present invention has been completed based on this finding.

以下、図面を参照しながら、本発明に係る実施形態を製造手順に沿って説明する。ただし、本発明はここで取り上げた実施形態に限定されることはなく、発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、公知技術と適宜組み合わせたり公知技術に基づいて改良したりすることが可能である。 Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described with reference to the drawings along with manufacturing procedures. However, the present invention is not limited to the embodiments taken up here, and can be appropriately combined with a known technique or improved based on the known technique without departing from the technical idea of the invention. ..

[Co基合金積層造形体/Co基合金製造物の製造方法]
図1は、本発明に係るCo基合金製造物の製造方法の工程例を示すフロー図である。図1に示したように、本発明に係るCo基合金製造物の製造方法は、概略的に、Co基合金粉末を用意する合金粉末用意工程(S1)と、用意したCo基合金粉末を用いて所望形状のAM体を形成する選択的レーザ溶融工程(S2)と、形成したAM体に対して溶体化処理を施す溶体化熱処理工程(S3)と、溶体化処理を施したAM体に対して時効処理を施す時効熱処理工程(S4)と、を有する。なお、選択的レーザ溶融工程S2によって得られるAM体が、本発明に係るCo基合金積層造形体となる。
[Manufacturing method of Co-based alloy laminated model / Co-based alloy product]
FIG. 1 is a flow chart showing a process example of a method for producing a Co-based alloy product according to the present invention. As shown in FIG. 1, the method for producing a Co-based alloy product according to the present invention generally uses an alloy powder preparation step (S1) for preparing a Co-based alloy powder and the prepared Co-based alloy powder. A selective laser melting step (S2) for forming an AM alloy having a desired shape, a solution heat treatment step (S3) for subjecting the formed AM alloy to a solution treatment, and an AM alloy having a solution treatment. It has an aging heat treatment step (S4) of performing an aging treatment. The AM body obtained by the selective laser melting step S2 is the Co-based alloy laminated model according to the present invention.

以下、各工程をより詳細に説明する。 Hereinafter, each step will be described in more detail.

(合金粉末用意工程)
本工程S1は、所定の化学組成を有するCo基合金粉末を用意する工程である。該化学組成は、0.08質量%以上0.25質量%以下のCと、0.1質量%以下のBと、10質量%以上30質量%以下のCrと、Feが5質量%以下で合計が30質量%以下のFeおよびNiと、合計が5質量%以上12質量%以下のWおよび/またはMoと、合計が0.5質量%以上2質量%以下のTi、Zr、NbおよびTaと、0.5質量%以下のSiと、0.5質量%以下のMnと、0.003質量%以上0.04質量%以下のNとを含み、残部がCoと不純物とからなることが好ましい。
(Alloy powder preparation process)
This step S1 is a step of preparing a Co-based alloy powder having a predetermined chemical composition. The chemical composition consists of C of 0.08% by mass or more and 0.25% by mass or less, B of 0.1% by mass or less, Cr of 10% by mass or more and 30% by mass or less, and Fe of 5% by mass or less and a total of 30% by mass or less. Fe and Ni, W and / or Mo with a total of 5% by mass or more and 12% by mass or less, Ti, Zr, Nb and Ta with a total of 0.5% by mass or more and 2% by mass or less, and Si with a total of 0.5% by mass or less. It is preferable that Mn of 0.5% by mass or less and N of 0.003% by mass or more and 0.04% by mass or less are contained, and the balance is composed of Co and impurities.

C:0.08質量%以上0.25質量%以下
C成分は、析出強化相となるMC型炭化物相(Ti、Zr、Nbおよび/またはTaの炭化物相、強化炭化物相と称する場合がある)を構成する重要な成分である。C成分の含有率は、0.08質量%以上0.25質量%以下が好ましく、0.1質量%以上0.2質量%以下がより好ましく、0.12質量%以上0.18質量%以下が更に好ましい。C含有率が0.08質量%未満になると、強化炭化物相の析出量が不足し、機械的特性向上の作用効果が十分に得られない。一方、C含有率が0.25質量%超になると、過度に硬化することで、合金材の延性や靱性が低下する。
C: 0.08% by mass or more and 0.25% by mass or less
The C component is an important component constituting the MC-type carbide phase (which may be referred to as a carbide phase of Ti, Zr, Nb and / or Ta, or a strengthened carbide phase) to be a precipitation strengthening phase. The content of the C component is preferably 0.08% by mass or more and 0.25% by mass or less, more preferably 0.1% by mass or more and 0.2% by mass or less, and further preferably 0.12% by mass or more and 0.18% by mass or less. If the C content is less than 0.08% by mass, the amount of the reinforced carbide phase precipitated is insufficient, and the effect of improving the mechanical properties cannot be sufficiently obtained. On the other hand, when the C content exceeds 0.25% by mass, the alloy material is excessively hardened, and the ductility and toughness of the alloy material are lowered.

B:0.1質量%以下
B成分は、結晶粒界の接合性の向上(いわゆる粒界強化)に寄与する成分である。B成分は必須成分ではないが、含有させる場合、0.1質量%以下が好ましく、0.005質量%以上0.05質量%以下がより好ましい。B含有率が0.1質量%超になると、AM体形成時に割れ(例えば、凝固割れ)が発生し易くなる。
B: 0.1% by mass or less
The B component is a component that contributes to the improvement of the bondability of the crystal grain boundaries (so-called grain boundary strengthening). The component B is not an essential component, but when it is contained, it is preferably 0.1% by mass or less, more preferably 0.005% by mass or more and 0.05% by mass or less. When the B content exceeds 0.1% by mass, cracks (for example, solidification cracks) are likely to occur during the formation of the AM body.

Cr:10質量%以上30質量%以下
Cr成分は、耐食性や耐酸化性の向上に寄与する成分である。Cr成分の含有率は、10質量%以上30質量%以下が好ましく、10質量%以上25質量%以下がより好ましい。Co基合金製造物の最表面に耐食性被覆層を別途設けるような場合は、Cr成分の含有率は、10質量%以上18質量%以下が更に好ましい。Cr含有率が10質量%未満になると、耐食性や耐酸化性が不十分になる。一方、Cr含有率が30質量%超になると、脆性のσ相が生成したりCr炭化物相が生成したりして機械的特性(靱性、延性、強さ)が低下する。
Cr: 10% by mass or more and 30% by mass or less
The Cr component is a component that contributes to the improvement of corrosion resistance and oxidation resistance. The content of the Cr component is preferably 10% by mass or more and 30% by mass or less, and more preferably 10% by mass or more and 25% by mass or less. When a corrosion-resistant coating layer is separately provided on the outermost surface of the Co-based alloy product, the content of the Cr component is more preferably 10% by mass or more and 18% by mass or less. If the Cr content is less than 10% by mass, the corrosion resistance and oxidation resistance become insufficient. On the other hand, when the Cr content exceeds 30% by mass, a brittle σ phase is formed or a Cr carbide phase is formed, and the mechanical properties (toughness, ductility, strength) are lowered.

Ni:30質量%以下
Ni成分は、Co成分と類似した特性を有しかつCoに比して安価なことから、Co成分の一部を置き換えるかたちで含有させることができる成分である。Ni成分は必須成分ではないが、含有させる場合、30質量%以下が好ましく、20質量%以下がより好ましく、5質量%以上15質量%以下が更に好ましい。Ni含有率が30質量%超になると、Co基合金の特徴である耐摩耗性や局所応力への耐性が低下する。これは、Coの積層欠陥エネルギーとNiのそれとの差異に起因すると考えられる。
Ni: 30% by mass or less
Since the Ni component has properties similar to those of the Co component and is cheaper than the Co component, it is a component that can be contained in a form that replaces a part of the Co component. The Ni component is not an essential component, but when it is contained, it is preferably 30% by mass or less, more preferably 20% by mass or less, and further preferably 5% by mass or more and 15% by mass or less. When the Ni content exceeds 30% by mass, the wear resistance and resistance to local stress, which are the characteristics of Co-based alloys, decrease. This is considered to be due to the difference between the stacking defect energy of Co and that of Ni.

Fe:5質量%以下
Fe成分は、Niよりもはるかに安価でありかつNi成分と類似した性状を有することから、Ni成分の一部を置き換えるかたちで含有させることができる成分である。すなわち、FeおよびNiの合計含有率は30質量%以下が好ましく、20質量%以下がより好ましく、5質量%以上15質量%以下が更に好ましい。Fe成分は必須成分ではないが、含有させる場合、Ni含有率よりも少ない範囲で5質量%以下が好ましく、3質量%以下がより好ましい。Fe含有率が5質量%超になると、耐食性や機械的特性の低下要因になる。
Fe: 5% by mass or less
Since the Fe component is much cheaper than the Ni component and has properties similar to those of the Ni component, it is a component that can be contained in a form that replaces a part of the Ni component. That is, the total content of Fe and Ni is preferably 30% by mass or less, more preferably 20% by mass or less, and further preferably 5% by mass or more and 15% by mass or less. The Fe component is not an essential component, but when it is contained, it is preferably 5% by mass or less, more preferably 3% by mass or less in a range smaller than the Ni content. When the Fe content exceeds 5% by mass, it becomes a factor of deterioration of corrosion resistance and mechanical properties.

Wおよび/またはMo:合計5質量%以上12質量%以下
W成分およびMo成分は、母相の固溶強化に寄与する成分である。W成分および/またはMo成分の含有率は、合計で5質量%以上12質量%以下が好ましく、7質量%以上10質量%以下がより好ましい。W成分とMo成分との合計含有率が5質量%未満になると、母相の固溶強化が不十分になる。一方、W成分とMo成分との合計含有率が12質量%超になると、脆性のσ相が生成し易くなって機械的特性(靱性、延性)が低下する。
W and / or Mo: Total 5% by mass or more and 12% by mass or less
The W component and the Mo component are components that contribute to the solid solution strengthening of the matrix. The total content of the W component and / or the Mo component is preferably 5% by mass or more and 12% by mass or less, and more preferably 7% by mass or more and 10% by mass or less. When the total content of the W component and the Mo component is less than 5% by mass, the solid solution strengthening of the matrix phase becomes insufficient. On the other hand, when the total content of the W component and the Mo component exceeds 12% by mass, the brittle σ phase is likely to be generated and the mechanical properties (toughness, ductility) are lowered.

Re:2質量%以下
Re成分は、母相の固溶強化に寄与すると共に、耐食性の向上に寄与する成分である。Re成分は必須成分ではないが、含有させる場合、W成分またはMo成分の一部を置き換えるかたちで2質量%以下が好ましく、0.5質量%以上1.5質量%以下がより好ましい。Re含有率が2質量%超になると、Re成分の作用効果が飽和するのに加えて、材料コストの増加がデメリットになる。
Re: 2% by mass or less
The Re component is a component that contributes to the strengthening of the solid solution of the matrix and the improvement of corrosion resistance. The Re component is not an essential component, but when it is contained, it is preferably 2% by mass or less in the form of replacing a part of the W component or the Mo component, and more preferably 0.5% by mass or more and 1.5% by mass or less. When the Re content exceeds 2% by mass, the action and effect of the Re component is saturated, and the increase in material cost becomes a demerit.

Ti、Zr、NbおよびTa:合計0.5質量%以上2質量%以下
Ti成分、Zr成分、Nb成分およびTa成分は、強化炭化物相(MC型炭化物相)を構成する重要な成分である。Ti、Zr、NbおよびTa成分の含有率は、合計0.5質量%以上2質量%以下が好ましく、合計0.5質量%以上1.8質量%以下がより好ましい。合計含有率が0.5質量%未満になると、強化炭化物相の析出量が不足し、機械的特性向上の作用効果が十分に得られない。一方、当該合計含有率が2質量%超になると、強化炭化物相粒子が粗大化したり脆性相(例えばσ相)の生成を促進したり析出強化に寄与しない酸化物相粒子を生成したりして機械的特性が低下する。
Ti, Zr, Nb and Ta: Total 0.5% by mass or more and 2% by mass or less
The Ti component, Zr component, Nb component and Ta component are important components constituting the reinforced carbide phase (MC type carbide phase). The total content of the Ti, Zr, Nb and Ta components is preferably 0.5% by mass or more and 2% by mass or less, and more preferably 0.5% by mass or more and 1.8% by mass or less in total. If the total content is less than 0.5% by mass, the amount of the reinforced carbide phase precipitated is insufficient, and the effect of improving the mechanical properties cannot be sufficiently obtained. On the other hand, when the total content exceeds 2% by mass, the strengthened carbide phase particles are coarsened, the formation of brittle phase (for example, σ phase) is promoted, and oxide phase particles that do not contribute to precipitation strengthening are generated. Mechanical properties are reduced.

より具体的には、Ti含有率は、0.01質量%以上1質量%以下が好ましく、0.05質量%以上0.8質量%以下がより好ましい。Zr含有率は、0.05質量%以上1.5質量%以下が好ましく、0.1質量%以上1.2質量%以下がより好ましい。Nb含有率は、0.02質量%以上1質量%以下が好ましく、0.05質量%以上0.8質量%以下がより好ましい。Ta含有率は、0.05質量%以上1.5質量%以下が好ましく、0.1質量%以上1.2質量%以下がより好ましい。 More specifically, the Ti content is preferably 0.01% by mass or more and 1% by mass or less, and more preferably 0.05% by mass or more and 0.8% by mass or less. The Zr content is preferably 0.05% by mass or more and 1.5% by mass or less, and more preferably 0.1% by mass or more and 1.2% by mass or less. The Nb content is preferably 0.02% by mass or more and 1% by mass or less, and more preferably 0.05% by mass or more and 0.8% by mass or less. The Ta content is preferably 0.05% by mass or more and 1.5% by mass or less, and more preferably 0.1% by mass or more and 1.2% by mass or less.

Si:0.5質量%以下
Si成分は、脱酸素の役割を担って機械的特性の向上に寄与する成分である。Si成分は必須成分ではないが、含有させる場合、0.5質量%以下が好ましく、0.01質量%以上0.3質量%以下がより好ましい。Si含有率が0.5質量%超になると、酸化物(例えばSiO2)の粗大粒子を形成して機械的特性の低下要因になる。
Si: 0.5% by mass or less
The Si component is a component that plays a role of deoxidizing and contributes to the improvement of mechanical properties. The Si component is not an essential component, but when it is contained, it is preferably 0.5% by mass or less, and more preferably 0.01% by mass or more and 0.3% by mass or less. When the Si content exceeds 0.5% by mass , coarse particles of oxide (for example, SiO 2 ) are formed, which causes deterioration of mechanical properties.

Mn:0.5質量%以下
Mn成分は、脱酸素・脱硫の役割を担って機械的特性の向上や耐腐食性の向上に寄与する成分である。Mn成分は必須成分ではないが、含有させる場合、0.5質量%以下が好ましく、0.01質量%以上0.3質量%以下がより好ましい。Mn含有率が0.5質量%超になると、硫化物(例えばMnS)の粗大粒子を形成して機械的特性や耐食性の低下要因になる。
Mn: 0.5% by mass or less
The Mn component is a component that plays a role of deoxidation and desulfurization and contributes to improvement of mechanical properties and corrosion resistance. The Mn component is not an essential component, but when it is contained, it is preferably 0.5% by mass or less, more preferably 0.01% by mass or more and 0.3% by mass or less. When the Mn content exceeds 0.5% by mass, coarse particles of sulfide (for example, MnS) are formed, which causes deterioration of mechanical properties and corrosion resistance.

N:0.003質量%以上0.04質量%以下
N成分は、強化炭化物相の安定生成に寄与する成分である。N成分の含有率は、0.003質量%以上0.04質量%以下が好ましく、0.005質量%以上0.03質量%以下がより好ましく、0.007質量%以上0.025質量%以下が更に好ましい。N含有率が0.003質量%未満になると、N成分の作用効果が十分に得られない。一方、N含有率が0.04質量%超になると、窒化物(例えばCr窒化物)の粗大粒子を形成して機械的特性の低下要因になる。
N: 0.003% by mass or more and 0.04% by mass or less
The N component is a component that contributes to the stable formation of the strengthened carbide phase. The content of the N component is preferably 0.003% by mass or more and 0.04% by mass or less, more preferably 0.005% by mass or more and 0.03% by mass or less, and further preferably 0.007% by mass or more and 0.025% by mass or less. If the N content is less than 0.003% by mass, the action and effect of the N component cannot be sufficiently obtained. On the other hand, when the N content exceeds 0.04% by mass, coarse particles of nitride (for example, Cr nitride) are formed, which causes a decrease in mechanical properties.

残部:Co成分+不純物
Co成分は、本合金の主要成分の一つであり、最大含有率の成分である。前述したように、Co基合金材は、Ni基合金材と同等以上の耐食性や耐摩耗性を有する利点がある。
Remaining: Co component + impurities
The Co component is one of the main components of this alloy and is the component having the maximum content. As described above, the Co-based alloy material has an advantage of having corrosion resistance and wear resistance equal to or higher than that of the Ni-based alloy material.

Al成分は、本合金の不純物の一つであり、意図的に含有させる成分ではない。ただし、0.3質量%以下のAl含有率であれば、Co基合金製造物の機械的特性に大きな悪影響を及ぼさないことから許容される。Al含有率が0.3質量%超になると、酸化物や窒化物(例えばAl2O3やAlN)の粗大粒子を形成して機械的特性の低下要因になる。 The Al component is one of the impurities of this alloy and is not a component intentionally contained. However, if the Al content is 0.3% by mass or less, it is acceptable because it does not significantly adversely affect the mechanical properties of the Co-based alloy product. When the Al content exceeds 0.3% by mass , coarse particles of oxides and nitrides (for example, Al 2 O 3 and Al N) are formed, which causes deterioration of mechanical properties.

O成分も、本合金の不純物の一つであり、意図的に含有させる成分ではない。ただし、0.04質量%以下のO含有率であれば、Co基合金製造物の機械的特性に大きな悪影響を及ぼさないことから許容される。O含有率が0.04質量%超になると、各種酸化物(例えば、Ti酸化物、Zr酸化物、Al酸化物、Fe酸化物、Si酸化物)の粗大粒子を形成して機械的特性の低下要因になる。 The O component is also one of the impurities of this alloy and is not a component intentionally contained. However, an O content of 0.04% by mass or less is acceptable because it does not significantly adversely affect the mechanical properties of the Co-based alloy product. When the O content exceeds 0.04% by mass, coarse particles of various oxides (for example, Ti oxide, Zr oxide, Al oxide, Fe oxide, Si oxide) are formed, which causes deterioration of mechanical properties. become.

本工程S1において、Co基合金粉末を用意する方法・手法に特段の限定はなく、従前の方法・手法を利用できる。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(S1a)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(S1b)とを行えばよい。また、アトマイズ方法にも特段の限定はなく、従前の方法・手法を利用できる。例えば、高純度・均質組成・球形状粒子が得られる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。 In this step S1, there is no particular limitation on the method / method for preparing the Co-based alloy powder, and the conventional method / method can be used. For example, a mother alloy ingot production element step (S1a) for producing a mother alloy ingot (master ingot) by mixing, melting, and casting raw materials so as to have a desired chemical composition, and forming an alloy powder from the mother alloy ingot. The atomizing elementary process (S1b) may be performed. In addition, there are no particular restrictions on the atomizing method, and conventional methods and methods can be used. For example, a gas atomizing method or a centrifugal atomizing method that can obtain high-purity, homogeneous composition, and spherical particles can be preferably used.

合金粉末の粒径は、次工程の選択的レーザ溶融工程S2におけるハンドリング性や合金粉末床の充填性の観点から、5μm以上100μm以下が好ましく、10μm以上70μm以下がより好ましく、10μm以上50μm以下が更に好ましい。合金粉末の粒径が5μm未満になると、次工程S2において合金粉末の流動性が低下し(合金粉末床の形成性が低下し)、AM体の形状精度が低下する要因となる。一方、合金粉末の粒径が100μm超になると、次工程S2において合金粉末床の局所溶融・急冷凝固の制御が難しくなり、合金粉末の溶融が不十分になったりAM体の表面粗さが増加したりする要因となる。 The particle size of the alloy powder is preferably 5 μm or more and 100 μm or less, more preferably 10 μm or more and 70 μm or less, and 10 μm or more and 50 μm or less from the viewpoint of handleability and filling property of the alloy powder bed in the selective laser melting step S2 of the next step. More preferred. If the particle size of the alloy powder is less than 5 μm, the fluidity of the alloy powder decreases in the next step S2 (the formability of the alloy powder bed decreases), which causes the shape accuracy of the AM body to decrease. On the other hand, when the particle size of the alloy powder exceeds 100 μm, it becomes difficult to control the local melting and quenching solidification of the alloy powder bed in the next step S2, the melting of the alloy powder becomes insufficient, and the surface roughness of the AM body increases. It becomes a factor to do.

上記のことから、合金粉末の粒径を5μm以上100μm以下の範囲に分級する合金粉末分級素工程(S1c)を行うことは、好ましい。なお、本発明においては、アトマイズ素工程S1bで作製した合金粉末の粒径分布を測定した結果、所望の範囲内にあることを確認した場合も、本素工程S1cを行ったものと見なす。 From the above, it is preferable to carry out the alloy powder classifying step (S1c) for classifying the particle size of the alloy powder into the range of 5 μm or more and 100 μm or less. In the present invention, even if it is confirmed that the particle size distribution of the alloy powder produced in the atomizing elementary step S1b is within a desired range as a result of measuring the particle size distribution, it is considered that the present elementary step S1c has been performed.

(選択的レーザ溶融工程)
本工程S2は、用意したCo基合金粉末を用いて選択的レーザ溶融(SLM)法により所望形状のAM体を形成する工程である。具体的には、Co基合金粉末を敷き詰めて所定厚さの合金粉末床を用意する合金粉末床用意素工程(S2a)と、合金粉末床の所定の領域にレーザ光を照射して該領域のCo基合金粉末を局所溶融・急冷凝固させるレーザ溶融凝固素工程(S2b)と、を繰り返してAM体を形成する工程である。
(Selective laser melting process)
This step S2 is a step of forming an AM body having a desired shape by a selective laser melting (SLM) method using the prepared Co-based alloy powder. Specifically, an alloy powder bed preparation step (S2a) in which a Co-based alloy powder is spread to prepare an alloy powder bed having a predetermined thickness, and a predetermined region of the alloy powder bed is irradiated with laser light to prepare the alloy powder bed in the region. This is a process of forming an AM body by repeating the laser melt coagulant step (S2b) in which the Co-based alloy powder is locally melted and rapidly cooled and solidified.

本工程S2においては、最終的なCo基合金製造物で望ましい微細組織(母相結晶粒内に強化炭化物相粒子が分散析出した微細組織)を得るために、該製造物の前駆体となるAM体の微細組織を制御する。そして、該AM体の微細組織を制御するために、合金粉末床の局所溶融・急冷凝固を制御する。 In this step S2, in order to obtain a desired microstructure (microstructure in which reinforced carbide phase particles are dispersed and precipitated in the parent phase crystal grains) in the final Co-based alloy product, AM which is a precursor of the product is used. Controls the microstructure of the body. Then, in order to control the microstructure of the AM body, local melting / quenching solidification of the alloy powder bed is controlled.

より具体的には、合金粉末床の厚さh(単位:μm)とレーザ光の出力P(単位:W)とレーザ光の走査速度S(単位:mm/s)との関係において、「15 <h< 150」かつ「67(P/S)−3.5 <h< 2222(P/S)+13」を満たすように、合金粉末床の厚さhとレーザ光出力Pとレーザ光走査速度Sとを制御することが好ましい。当該制御条件を外れると、望ましい微細組織を有するAM体が得られない。本工程S2により、本発明に係るCo基合金AM体が得られる。 More specifically, in relation to the thickness h (unit: μm) of the alloy powder bed, the output P (unit: W) of the laser beam, and the scanning speed S (unit: mm / s) of the laser beam, “15 The thickness h of the alloy powder bed, the laser light output P, and the laser light scanning speed S so as to satisfy <h <150 "and" 67 (P / S) -3.5 <h <2222 (P / S) +13 ". It is preferable to control. If the control conditions are not met, an AM body having a desired microstructure cannot be obtained. By this step S2, the Co-based alloy AM body according to the present invention is obtained.

なお、レーザ光の出力Pおよびレーザ光の走査速度Sは、基本的にレーザ装置の構成に依存するが、例えば「10 ≦P≦ 1000」および「10 ≦S≦ 7000」の範囲内で選定すればよい。 The output P of the laser beam and the scanning speed S of the laser beam basically depend on the configuration of the laser device, but should be selected within the range of "10 ≤ P ≤ 1000" and "10 ≤ S ≤ 7000", for example. Just do it.

(Co基合金積層造形体)
図2は、本発明に係るCo基合金AM体の微細組織の一例を示す走査型電子顕微鏡(SEM)観察像である。図2に示したように、本発明のCo基合金AM体は、今までに見たことのないような極めて特異的な微細組織を有している。
(Co-based alloy laminated model)
FIG. 2 is a scanning electron microscope (SEM) observation image showing an example of the microstructure of the Co-based alloy AM body according to the present invention. As shown in FIG. 2, the Co-based alloy AM body of the present invention has an extremely specific microstructure that has never been seen before.

該AM体は、平均結晶粒径が10μm以上100μm以下の多結晶体であり、該多結晶体の結晶粒内には、平均サイズが0.15μm以上1.5μm以下の偏析セルが形成している。また、0.15μm以上1.5μm以下の平均間隔で強化炭化物相の粒子が析出している。なお、本発明において、偏析セルのサイズとは、長径と短径との平均と定義する。 The AM body is a polycrystal having an average crystal grain size of 10 μm or more and 100 μm or less, and segregated cells having an average size of 0.15 μm or more and 1.5 μm or less are formed in the crystal grains of the polycrystal. In addition, particles of the reinforced carbide phase are precipitated at an average interval of 0.15 μm or more and 1.5 μm or less. In the present invention, the size of the segregated cell is defined as the average of the major axis and the minor axis.

透過型電子顕微鏡−エネルギー分散型X線分光法(TEM-EDX)を用いて、さらに詳細に微細組織観察を行ったところ、当該偏析セルは、微小セル間の境界領域(微小セルの外周領域、細胞壁のような領域)に強化炭化物相を形成する成分(Ti、Zr、Nb、Ta、C)が偏析していることが確認された。また、偏析セルの境界領域の三重点/四重点の一部に、強化炭化物相の粒子が析出していることが確認された。 Further detailed microstructure observation was performed using a transmission electron microscope-energy dispersive X-ray spectroscopy (TEM-EDX). It was confirmed that the components (Ti, Zr, Nb, Ta, C) forming the strengthened carbide phase were segregated in the cell wall-like region. In addition, it was confirmed that particles of the reinforced carbide phase were precipitated at a part of the triple point / four emphasis in the boundary region of the segregation cell.

(溶体化熱処理工程)
本工程S3は、形成したCo基合金AM体に対して溶体化処理を施す工程である。溶体化処理条件としては、1100℃以上1200℃以下の温度範囲で0.5時間以上10時間以下の保持時間の熱処理が好ましい。熱処理後の冷却方法に特段の限定はなく、水冷、油冷、空冷、炉冷のいずれでも構わない。
(Solution heat treatment process)
This step S3 is a step of subjecting the formed Co-based alloy AM body to a solution treatment. As the solution treatment conditions, heat treatment with a holding time of 0.5 hours or more and 10 hours or less in a temperature range of 1100 ° C. or higher and 1200 ° C. or lower is preferable. The cooling method after the heat treatment is not particularly limited, and any of water cooling, oil cooling, air cooling, and furnace cooling may be used.

溶体化処理を施すことにより、AM体内で母相結晶粒の再結晶が生じ、急冷凝固の際に生じたAM体の内部ひずみを緩和することができる。また、再結晶により、母相結晶粒の平均結晶粒径を20μm以上145μm以下の範囲に粗大化制御することが好ましい。該平均結晶粒径が20μm未満または145μm超であると、最終的なCo基合金製造物で十分なクリープ特性が得られない。 By performing the solution treatment, recrystallization of the matrix crystal grains occurs in the AM body, and the internal strain of the AM body generated at the time of quenching solidification can be relaxed. Further, it is preferable to control the coarseness of the average crystal grain size of the matrix crystal grains in the range of 20 μm or more and 145 μm or less by recrystallization. If the average crystal grain size is less than 20 μm or more than 145 μm, sufficient creep characteristics cannot be obtained in the final Co-based alloy product.

加えて、大変興味深いことに、母相結晶粒の再結晶の際に、先の偏析セルの境界領域に偏析していた成分が凝集して強化炭化物相を形成し始め、その結果、偏析セルが消失することが分かった(より正確に言うと、SEM観察で偏析セルを確認できなくなる)。強化炭化物相を形成し始める凝集点は、元偏析セル境界の三重点/四重点の位置と考えられ、母相結晶粒の全体(結晶粒内および結晶粒界上)に微細に分布した状態になる。 In addition, very interestingly, during the recrystallization of the parent phase grains, the components segregated in the boundary region of the segregated cell earlier began to aggregate to form a strengthened carbide phase, resulting in the segregated cell. It was found to disappear (more accurately, the segregated cells could not be confirmed by SEM observation). The agglomeration points at which the strengthened carbide phase begins to form are considered to be the triple points / four-focused positions of the boundary of the original segregation cell, and are finely distributed throughout the parent phase crystal grains (inside the crystal grains and on the grain boundaries). Become.

なお、溶体化熱処理の温度条件・保持時間条件をうまく制御すれば、形成し始めた強化炭化物相を凝集粗大化させることなく粒子の形態まで成長させることができる。その場合、本工程S3をもってCo基合金製造物の完成としてもよい。ただし、母相結晶粒の粗大化制御の観点(言い換えると、製造安定性や製造歩留まりの観点)からは、次の時効熱処理工程S4を行うことがより好ましい。 If the temperature conditions and holding time conditions of the solution heat treatment are well controlled, the strengthened carbide phase that has begun to be formed can be grown to the form of particles without coagulation and coarsening. In that case, the Co-based alloy product may be completed by this step S3. However, from the viewpoint of controlling the coarsening of the matrix crystal grains (in other words, from the viewpoint of production stability and production yield), it is more preferable to perform the following aging heat treatment step S4.

(時効熱処理工程)
本工程S4は、溶体化処理を施したCo基合金AM体に対して時効処理を施す工程である。時効処理条件としては、750℃以上1000℃以下の温度範囲で0.5時間以上10時間以下の保持時間の熱処理が好ましい。熱処理後の冷却方法に特段の限定はなく、水冷、油冷、空冷、炉冷のいずれでも構わない。
(Aging heat treatment process)
This step S4 is a step of aging the Co-based alloy AM body that has been solution-treated. As the aging treatment conditions, heat treatment with a holding time of 0.5 hours or more and 10 hours or less in a temperature range of 750 ° C. or more and 1000 ° C. or less is preferable. The cooling method after the heat treatment is not particularly limited, and any of water cooling, oil cooling, air cooling, and furnace cooling may be used.

時効処理を施すことにより、母相結晶粒の過剰粗大化を抑制しながら、溶体化熱処理工程S3で形成し始めた強化炭化物相を粒子の形態まで成長させることができる。その結果、母相結晶粒の平均結晶粒径が20μm以上145μm以下であり、各結晶粒内に強化炭化物相粒子が微細分散析出しており、該強化炭化物相粒子の平均粒子間距離が0.15μm以上1.5μm以下であるCo基合金製造物を得ることができる。なお、本発明のCo基合金製造物は、当然のことながら、母相結晶粒の粒界上にも強化炭化物相粒子が分散析出している。 By applying the aging treatment, the strengthened carbide phase that has begun to be formed in the solution heat treatment step S3 can be grown to the particle form while suppressing the excessive coarsening of the parent phase crystal grains. As a result, the average crystal grain size of the parent phase crystal grains is 20 μm or more and 145 μm or less, the reinforced carbide phase particles are finely dispersed and precipitated in each crystal grain, and the average interparticle distance of the reinforced carbide phase particles is 0.15 μm. A Co-based alloy product having a size of 1.5 μm or more can be obtained. As a matter of course, in the Co-based alloy product of the present invention, the reinforced carbide phase particles are dispersed and precipitated on the grain boundaries of the parent phase crystal grains.

(仕上工程)
図1には図示していないが、溶体化熱処理工程S3や時効熱処理工程S4によって得られたCo基合金製造物に対して、必要に応じて、耐食性被覆層を形成する工程や表面仕上げの工程を更に行ってもよい。
(Finishing process)
Although not shown in FIG. 1, a step of forming a corrosion-resistant coating layer and a surface finishing step of the Co-based alloy product obtained by the solution heat treatment step S3 and the aging heat treatment step S4, if necessary. May be further performed.

[Co基合金製造物]
図3は、本発明に係るCo基合金製造物の一例であり、タービン高温部材としてのタービン静翼を示す斜視模式図である。図3に示したように、タービン静翼100は、概略的に、内輪側エンドウォール101と翼部102と外輪側エンドウォール103とから構成される。翼部の内部には、しばしば冷却構造が形成される。このように、タービン静翼100は非常に複雑な形状・構造を有することから、ニアネットシェイプで形成されるAM体および該AM体を基にした合金製造物の技術的意義は大きい。
[Co-based alloy product]
FIG. 3 is an example of a Co-based alloy product according to the present invention, and is a schematic perspective view showing a turbine vane as a turbine high temperature member. As shown in FIG. 3, the turbine stationary blade 100 is roughly composed of an inner ring side end wall 101, a blade portion 102, and an outer ring side end wall 103. A cooling structure is often formed inside the wing. As described above, since the turbine vane 100 has a very complicated shape and structure, the technical significance of the AM body formed by the near net shape and the alloy product based on the AM body is great.

なお、例えば、出力30 MW級の発電用ガスタービンの場合、タービン静翼の翼部の長さ(両エンドウォールの間の距離)は170 mm程度である。 For example, in the case of a gas turbine for power generation with an output of 30 MW class, the length of the blade of the turbine stationary blade (distance between both end walls) is about 170 mm.

図4は、本発明に係るCo基合金製造物を装備するガスタービンの一例を示す断面模式図である。図4に示したように、ガスタービン200は、概略的に、吸気を圧縮する圧縮機部210と燃料の燃焼ガスをタービン翼に吹き付けて回転動力を得るタービン部220とから構成される。本発明のタービン高温部材は、タービン部220内のタービンノズル221やタービン静翼100として好適に用いることができる。当然のことながら、本発明のタービン高温部材は、ガスタービン用途に限定されるものではなく、他のタービン用途(例えば、蒸気タービン用途)であってもよい。 FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing an example of a gas turbine equipped with the Co-based alloy product according to the present invention. As shown in FIG. 4, the gas turbine 200 is roughly composed of a compressor unit 210 that compresses intake air and a turbine unit 220 that blows fuel combustion gas onto turbine blades to obtain rotational power. The turbine high temperature member of the present invention can be suitably used as a turbine nozzle 221 or a turbine stationary blade 100 in the turbine section 220. As a matter of course, the turbine high temperature member of the present invention is not limited to gas turbine applications, and may be used for other turbine applications (for example, steam turbine applications).

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。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples. The present invention is not limited to these examples.

[実験1]
(合金粉末IA-1〜IA-5およびCA-1〜CA-5の用意)
表1に示す化学組成を有するCo基合金粉末を用意した(合金粉末用意工程S1)。より具体的には、まず、原料を混合した後、真空高周波誘導溶解法により溶解・鋳造して母合金塊(質量:約2 kg)を作製する母合金塊作製素工程S1aを行った。次に、該母合金塊を再溶解して、アルゴンガス雰囲気中のガスアトマイズ法により合金粉末を形成するアトマイズ素工程S1bを行った。
[Experiment 1]
(Preparation of alloy powders IA-1 to IA-5 and CA-1 to CA-5)
A Co-based alloy powder having the chemical composition shown in Table 1 was prepared (alloy powder preparation step S1). More specifically, first, the raw materials were mixed, and then melted and cast by a vacuum high-frequency induction melting method to prepare a mother alloy ingot (mass: about 2 kg). Next, the atomizing element step S1b was performed in which the mother alloy ingot was redissolved to form an alloy powder by a gas atomizing method in an argon gas atmosphere.

次に、得られた各合金粉末に対して、粒径を制御するための合金粉末分級素工程S1cを行った。このとき、粉末粒径を10〜25μmの範囲に分級した合金粉末(粒度S)と、100〜150μmの範囲に分級した合金粉末(粒度L)とを用意した。 Next, the alloy powder classifying step S1c for controlling the particle size was performed on each of the obtained alloy powders. At this time, an alloy powder having a powder particle size in the range of 10 to 25 μm (particle size S) and an alloy powder having a powder particle size in the range of 100 to 150 μm (particle size L) were prepared.

Figure 0006924874
Figure 0006924874

表1に示したように、合金粉末IA-1〜IA-5は、本発明の規定を満たす化学組成を有する合金粉末である。一方、合金粉末CA-1は、C含有率とCr含有率とが本発明の規定を外れている。合金粉末CA-2は、C含有率とNi含有率と「Ti+Zr+Nb+Ta」の合計含有率とが本発明の規定を外れている。合金粉末CA-3は、N含有率と「Ti+Zr+Nb+Ta」の合計含有率とが本発明の規定を外れている。合金粉末CA-4は、「Ti+Zr+Nb+Ta」の合計含有率が本発明の規定を外れている。合金粉末CA-5は、W含有率と「Ti+Zr+Nb+Ta」の合計含有率とが本発明の規定を外れている。 As shown in Table 1, the alloy powders IA-1 to IA-5 are alloy powders having a chemical composition satisfying the provisions of the present invention. On the other hand, the alloy powder CA-1 has a C content and a Cr content outside the provisions of the present invention. In the alloy powder CA-2, the C content, the Ni content, and the total content of "Ti + Zr + Nb + Ta" are out of the scope of the present invention. In the alloy powder CA-3, the N content and the total content of "Ti + Zr + Nb + Ta" are out of the provisions of the present invention. The total content of "Ti + Zr + Nb + Ta" of the alloy powder CA-4 is out of the specification of the present invention. In the alloy powder CA-5, the W content and the total content of "Ti + Zr + Nb + Ta" are out of the provisions of the present invention.

[実験2]
(IA-2粉末を用いたSLM合金製造物、およびCA-5粉末を用いたSLM合金製造物の作製)
実験1で用意したIA-2およびCA-5の粒度Sの合金粉末を用いてSLM法によりAM体(直径8 mm×高さ10 mm)を形成した(選択的レーザ溶融工程S2)。SLM条件は、合金粉末床の厚さhを100μmとし、レーザ光の出力Pを100 Wとし、レーザ光の走査速度S(mm/s)を種々変更することによって局所入熱量P/S(単位:W・s/mm=J/mm)を制御した。局所入熱量の制御は、冷却速度の制御に相当する。
[Experiment 2]
(Preparation of SLM alloy products using IA-2 powder and SLM alloy products using CA-5 powder)
Using the alloy powder of IA-2 and CA-5 particle size S prepared in Experiment 1, an AM body (diameter 8 mm × height 10 mm) was formed by the SLM method (selective laser melting step S2). The SLM conditions are that the thickness h of the alloy powder bed is 100 μm, the output P of the laser beam is 100 W, and the scanning speed S (mm / s) of the laser beam is variously changed to obtain the local heat input P / S (unit). : W · s / mm = J / mm) was controlled. Controlling the amount of local heat input corresponds to controlling the cooling rate.

上記で作製した各AM体に対して、1150℃で4時間保持する熱処理を行った(溶体化熱処理工程S3)。次に、溶体化処理を施した各AM体に対して、900℃で4時間保持する熱処理を行って(時効熱処理工程S4)、IA-2粉末を用いたSLM合金製造物およびCA-5粉末を用いたSLM合金製造物を作製した。 Each AM body prepared above was heat-treated by holding it at 1150 ° C. for 4 hours (solution heat treatment step S3). Next, each AM body that had been solution-treated was heat-treated at 900 ° C. for 4 hours (aging heat treatment step S4), and the SLM alloy product using IA-2 powder and CA-5 powder were used. An SLM alloy product was prepared using the above.

(IA-2粉末を用いたLMD合金製造物、およびCA-5粉末を用いたLMD合金製造物の作製)
実験1で用意したIA-2およびCA-5の粒度Lの合金粉末を用いてレーザ金属堆積法(LMD法)によりAM体を形成し、上記と同様の溶体化熱処理工程S3と時効熱処理工程S4とを行って、IA-2粉末を用いたLMD合金製造物およびCA-5粉末を用いたLMD合金製造物を作製した。LMD条件は、レーザ光の出力Pを800 Wとし、レーザ光の走査速度Sを15 mm/sとした。
(Preparation of LMD alloy products using IA-2 powder and LMD alloy products using CA-5 powder)
AM bodies are formed by the laser metal deposition method (LMD method) using alloy powders of IA-2 and CA-5 particle size L prepared in Experiment 1, and solution heat treatment steps S3 and aging heat treatment steps S4 similar to the above. To prepare an LMD alloy product using IA-2 powder and an LMD alloy product using CA-5 powder. The LMD conditions were that the output P of the laser beam was 800 W and the scanning speed S of the laser beam was 15 mm / s.

なお、LMD法とは、AM法の一種であり、合金粉末投入とレーザ照射とを同時に行って積層造形する手法である。LMD法の局所入熱量は、一般的にSLM法の局所入熱量よりも大きい。言い換えると、LMD法での冷却速度は、SLM法の冷却速度よりも遅くなる。 The LMD method is a kind of AM method, and is a method of laminating and forming by simultaneously performing alloy powder injection and laser irradiation. The amount of local heat input by the LMD method is generally larger than the amount of local heat input by the SLM method. In other words, the cooling rate in the LMD method is slower than the cooling rate in the SLM method.

(IA-2粉末を用いた鋳造合金製造物、およびCA-5粉末を用いた鋳造合金製造物の作製)
実験1で用意したIA-2およびCA-5の粒度Lの合金粉末を用いて精密鋳造法により鋳造体(直径8 mm×高さ10 mm)を形成し、上記と同様の溶体化熱処理工程S3と時効熱処理工程S4とを行って、IA-2粉末を用いた鋳造合金製造物およびCA-5粉末を用いた鋳造合金製造物を作製した。
(Manufacturing of cast alloy products using IA-2 powder and cast alloy products using CA-5 powder)
A cast body (diameter 8 mm x height 10 mm) was formed by a precision casting method using the alloy powder of IA-2 and CA-5 particle size L prepared in Experiment 1, and the same solution heat treatment step S3 as described above. And the aging heat treatment step S4 were carried out to prepare a cast alloy product using IA-2 powder and a cast alloy product using CA-5 powder.

(微細組織観察および機械的特性試験)
上記で作製したAM体、鋳造体、および製造物から、微細組織観察用および機械的特性試験用の試験片をそれぞれ採取し、微細組織観察および機械的特性試験を行った。
(Microstructure observation and mechanical property test)
From the AM body, the cast body, and the product prepared above, test pieces for microstructure observation and mechanical property test were collected, respectively, and microstructure observation and mechanical property test were performed.

微細組織観察はSEMにより行った。また、得られたSEM観察像に対して画像処理ソフトウェア(ImageJ、National Institutes of Health(NIH)開発のパブリックドメインソフトウェア)を用いた画像解析により、偏析セルの平均サイズ、ミクロ偏析の平均間隔、および炭化物相粒子の平均粒子間距離を測定した。 Microstructure observation was performed by SEM. In addition, by image analysis of the obtained SEM observation image using image processing software (ImageJ, public domain software developed by the National Institutes of Health (NIH)), the average size of segregated cells, the average interval of microsegregation, and the average interval of microsegregation, and The average interparticle distance of the carbide phase particles was measured.

機械的特性試験としては、室温環境(約23℃)において引張試験を行い、0.2%耐力を測定した。 As a mechanical property test, a tensile test was conducted in a room temperature environment (about 23 ° C.), and 0.2% proof stress was measured.

図5は、LMD法により形成したCo基合金AM体の微細組織の一例を示すSEM観察像であり、図6は、精密鋳造法により形成したCo基合金鋳造体の微細組織の一例を示すSEM観察像である。また、先に示した図2は、SLM法により形成したCo基合金AM体の微細組織の一例を示すSEM観察像である。図2、5〜6の試料は、いずれも合金粉末としてIA-2を用いたものである。 FIG. 5 is an SEM observation image showing an example of the fine structure of the Co-based alloy AM body formed by the LMD method, and FIG. 6 is an SEM showing an example of the fine structure of the Co-based alloy cast body formed by the precision casting method. It is an observation image. Further, FIG. 2 shown above is an SEM observation image showing an example of the fine structure of the Co-based alloy AM body formed by the SLM method. The samples in FIGS. 2 to 6 all use IA-2 as the alloy powder.

前述したように、SLM法により形成したAM体(図2参照)は、多結晶体の結晶粒内に約1μmサイズの偏析セルが形成している。これに対し、LMD法により形成したAM体(図5参照)は、多結晶体の各結晶粒が約5〜20μmのサイズの偏析セルから構成されている。精密鋳造法により形成した鋳造体(図6参照)では、デンドライト境界に沿ったミクロ偏析が認められ、該ミクロ偏析の間隔は約100〜300μmである。 As described above, in the AM body (see FIG. 2) formed by the SLM method, segregated cells having a size of about 1 μm are formed in the crystal grains of the polycrystalline body. On the other hand, in the AM body (see FIG. 5) formed by the LMD method, each crystal grain of the polycrystalline body is composed of segregated cells having a size of about 5 to 20 μm. In the cast body formed by the precision casting method (see FIG. 6), microsegregation along the dendrite boundary is observed, and the interval between the microsegregations is about 100 to 300 μm.

これらAM体および鋳造体に溶体化・時効処理を施して作製した製造物の微細組織を観察し、炭化物相粒子の平均粒子間距離を測定したところ、該平均粒子間距離は、それぞれ偏析セルの平均サイズやミクロ偏析の平均間隔とほぼ一致することが分かった(微細組織の図示は省略する)。また、偏析セルの平均サイズが非常に小さい場合(例えば、平均サイズが約0.1μm以下の場合)、溶体化・時効処理によって近接の炭化物相同士が合体して大きな粒子を形成する(その結果、炭化物相粒子の平均粒子間距離が拡大する)ことが分かった。 When the microstructure of the product produced by dissolving and aging these AM bodies and cast bodies was observed and the average interparticle distance of the carbide phase particles was measured, the average interparticle distance was determined by the segregation cell. It was found that the average size and the average interval of microsegregation were almost the same (the illustration of the microstructure is omitted). In addition, when the average size of the segregation cell is very small (for example, when the average size is about 0.1 μm or less), the nearby carbide phases are coalesced by solution heat treatment and aging treatment to form large particles (as a result). The average interparticle distance of the carbide phase particles increases).

微細組織が大きく異なる製造物が得られたことから、偏析セルの平均サイズと機械的特性との関係を調査した。図7は、Co基合金AM体における偏析セルの平均サイズとCo基合金製造物における0.2%耐力との関係例を示すグラフである。なお、図7には、比較として鋳造体および鋳造合金製造物のデータも示した。鋳造体においては、ミクロ偏析の平均間隔で偏析セルの平均サイズを代用した。 Since products with significantly different microstructures were obtained, the relationship between the average size of segregated cells and mechanical properties was investigated. FIG. 7 is a graph showing an example of the relationship between the average size of segregated cells in the Co-based alloy AM body and the 0.2% proof stress in the Co-based alloy product. Note that FIG. 7 also shows data on the cast body and the cast alloy product for comparison. In the cast, the average size of the segregation cells was substituted by the average interval of microsegregation.

図7に示したように、CA-5粉末を用いて作製したCo基合金製造物は、偏析セルの平均サイズに影響されず、ほとんど一定の0.2%耐力を示した。一方、IA-2粉末を用いて作製したCo基合金製造物は、偏析セルの平均サイズによって0.2%耐力が大きく変化した。 As shown in FIG. 7, the Co-based alloy product prepared using the CA-5 powder showed an almost constant 0.2% proof stress regardless of the average size of the segregated cells. On the other hand, the Co-based alloy product prepared using the IA-2 powder had a large change in 0.2% proof stress depending on the average size of the segregated cells.

CA-5粉末は、「Ti+Zr+Nb+Ta」の合計含有率が過少である(ほとんど含まれていない)。そのため、CA-5粉末を用いた製造物では、強化炭化物相は析出せずにCr炭化物粒子が析出した微細組織を有していた。この結果から、Cr炭化物粒子は、析出強化粒子としてはそれほど有効でないことが確認される。これに対し、IA-2粉末を用いた製造物は、強化炭化物相粒子が析出した微細組織を有していた。そのため、偏析セルの平均サイズ(その結果としての炭化物相粒子の平均粒子間距離)によって0.2%耐力が大きく変化したと考えられる。 The total content of "Ti + Zr + Nb + Ta" in CA-5 powder is too low (almost not contained). Therefore, in the product using CA-5 powder, the reinforced carbide phase had a fine structure in which Cr carbide particles were precipitated without precipitation. From this result, it is confirmed that the Cr carbide particles are not so effective as the precipitation strengthening particles. On the other hand, the product using the IA-2 powder had a fine structure in which the strengthened carbide phase particles were precipitated. Therefore, it is considered that the 0.2% proof stress changed significantly depending on the average size of the segregated cells (the resulting average interparticle distance of the carbide phase particles).

また、本発明が対象とするタービン高温部材に対する要求特性を勘案すると、0.2%耐力は500 MPa以上が必要とされている。そこで、500 MPa以上の0.2%耐力を「合格」と判定し、500 MPa未満を「不合格」と判定すると、偏析セルの平均サイズ(その結果としての炭化物相粒子の平均粒子間距離)が0.15〜1.5μmの範囲において「合格」となる機械的特性が得られることが確認された。言い換えると、従来の炭化物相析出Co基合金材において十分な機械的特性が得られなかった要因の一つは、強化炭化物相粒子の平均粒子間距離を望ましい範囲に制御できなかったためと考えられる。 Further, considering the required characteristics for the turbine high temperature member targeted by the present invention, a 0.2% proof stress of 500 MPa or more is required. Therefore, if 0.2% proof stress of 500 MPa or more is judged as "pass" and less than 500 MPa is judged as "fail", the average size of the segregated cells (the resulting average interparticle distance of the carbide phase particles) is 0.15. It was confirmed that mechanical properties that were "passed" were obtained in the range of ~ 1.5 μm. In other words, one of the reasons why sufficient mechanical properties could not be obtained in the conventional carbide phase-precipitated Co-based alloy material is considered to be that the average interparticle distance of the reinforced carbide phase particles could not be controlled within a desirable range.

[実験3]
(IA-1〜IA-5粉末を用いたSLM合金製造物IP-1-1〜IP-5-1、およびCA-1〜CA-5粉末を用いたSLM合金製造物CP-1-1〜CP-5-1の作製)
実験1で用意したIA-1〜IA-5およびCA-1〜CA-5の粒度Sの合金粉末を用いてSLM法によりAM体(直径8 mm×高さ10 mm)を形成した(選択的レーザ溶融工程S2)。SLM条件としては、実験2の結果を受けて、炭化物相粒子の平均粒子間距離が0.15〜1.5μmの範囲となるように制御した。
[Experiment 3]
(SLM alloy products using IA-1 to IA-5 powder IP-1-1 to IP-5-1 and SLM alloy products using CA-1 to CA-5 powder CP-1-1 to Preparation of CP-5-1)
AM bodies (diameter 8 mm x height 10 mm) were formed by the SLM method using alloy powders of IA-1 to IA-5 and CA-1 to CA-5 particle size S prepared in Experiment 1 (selective). Laser melting process S2). As the SLM condition, based on the result of Experiment 2, the average interparticle distance of the carbide phase particles was controlled to be in the range of 0.15 to 1.5 μm.

上記で作製した各AM体に対して、1150℃で4時間時間保持する熱処理を行った(溶体化熱処理工程S3)。次に、溶体化処理を施した各AM体に対して、750〜1000℃で0.5〜10時間保持する熱処理を行って(時効熱処理工程S4)、IA-1〜IA-5粉末を用いたSLM合金製造物IP-1-1〜IP-5-1、およびCA-1〜CA-5粉末を用いたSLM合金製造物CP-1-1〜CP-5-1を作製した。 Each AM body prepared above was heat-treated at 1150 ° C. for 4 hours (solution heat treatment step S3). Next, each AM alloy that has been solution-treated is heat-treated at 750 to 1000 ° C. for 0.5 to 10 hours (aging heat treatment step S4), and SLM using IA-1 to IA-5 powders is used. SLM alloy products CP-1-1 to CP-5-1 were prepared using alloy products IP-1-1 to IP-5-1 and CA-1 to CA-5 powders.

(微細組織観察および機械的特性試験)
上記で作製したSLM合金製造物IP-1-1〜IP-5-1およびCP-1-1〜CP-5-1から、微細組織観察用および機械的特性試験用の試験片をそれぞれ採取し、微細組織観察および機械的特性試験を行った。
(Microstructure observation and mechanical property test)
From the SLM alloy products IP-1-1 to IP-5-1 and CP-1-1 to CP-5-1 prepared above, test pieces for microstructure observation and mechanical property test were collected, respectively. , Microstructure observation and mechanical property test were performed.

微細組織観察は、実験2と同様のSEM観察像に対する画像解析を行って、母相結晶粒の平均粒径および炭化物相粒子の平均粒子間距離を測定した。 For microstructure observation, the same image analysis as in Experiment 2 was performed on the SEM observation image, and the average particle size of the matrix crystal grains and the average interparticle distance of the carbide phase particles were measured.

機械的特性試験としては、温度900℃、応力98 MPaの条件下でクリープ試験を行い、クリープ破断時間を測定した。本発明が対象とするタービン高温部材に対する要求特性から、クリープ破断時間が1100時間以上を「合格」と判定し、1100時間未満を「不合格」と判定した。合格となるクリープ特性は、応力58 MPaでクリープ破断時間が10万時間となる温度が875℃以上であることを意味する。このクリープ特性は、Ni基合金材と同等のクリープ特性と言える。 As a mechanical property test, a creep test was performed under the conditions of a temperature of 900 ° C. and a stress of 98 MPa, and the creep rupture time was measured. From the required characteristics for the turbine high temperature member targeted by the present invention, a creep rupture time of 1100 hours or more was determined as "pass", and a creep rupture time of less than 1100 hours was determined as "fail". A passing creep property means that the temperature at which the creep rupture time is 100,000 hours at a stress of 58 MPa is 875 ° C or higher. This creep characteristic can be said to be the same creep characteristic as the Ni-based alloy material.

実験3の結果を表2に示す。 The results of Experiment 3 are shown in Table 2.

Figure 0006924874
Figure 0006924874

表2に示したように、SLM合金製造物IP-1-1〜IP-5-1は、全ての試料でクリープ試験が合格であった。これは、母相結晶粒の平均粒径が適切な範囲にあることに加えて、強化炭化物相粒子(Ti、Zr、Nbおよび/またはTaのMC型炭化物相粒子)の平均粒子間距離が十分に小さい(すなわち、該強化炭化物相粒子が微細分散析出している)ことに起因すると考えられる。 As shown in Table 2, all the samples of the SLM alloy products IP-1-1 to IP-5-1 passed the creep test. This is because the average particle size of the matrix crystal grains is in an appropriate range, and the average particle distance of the strengthened carbide phase particles (MC type carbide phase particles of Ti, Zr, Nb and / or Ta) is sufficient. It is considered that this is due to the small size (that is, the strengthened carbide phase particles are finely dispersed and precipitated).

一方、SLM合金製造物CP-1-1〜CP-5-1では、母相結晶粒の平均粒径は適切な範囲にあるが、全ての試料でクリープ試験が不合格であった。個別に見ると、CP-1-1は、C含有率とCr含有率とが過多であることから、Cr炭化物粒子が優勢析出していたことに起因すると考えられる。CP-2-1は、C含有率と「Ti+Zr+Nb+Ta」の合計含有率とが過多であることから、強化炭化物相粒子が粗大化した結果、平均粒子間距離が拡大したことに起因すると考えられる。CP-3-1は、C含有率が過多であり「Ti+Zr+Nb+Ta」の合計含有率が過少であることから、Cr炭化物粒子が優勢析出していたことに起因すると考えられる。CP-1-1およびCP-3-1の結果から、Cr炭化物粒子は、析出強化粒子としてはそれほど有効でないことが確認される。CP-4-1およびCP-5-1は、「Ti+Zr+Nb+Ta」の合計含有率が過少であることから(ほとんど含まれていないことから)、強化炭化物相自体が析出しなかったことに起因すると考えられる。 On the other hand, in the SLM alloy products CP-1-1 to CP-5-1, the average particle size of the parent phase crystal grains was in an appropriate range, but the creep test failed in all the samples. When viewed individually, CP-1-1 is considered to be due to the predominant precipitation of Cr carbide particles because the C content and Cr content are excessive. Since the C content and the total content of "Ti + Zr + Nb + Ta" are excessive in CP-2-1, it is considered that the average particle distance is increased as a result of the coarsening of the strengthened carbide phase particles. Since the C content of CP-3-1 is excessive and the total content of "Ti + Zr + Nb + Ta" is too small, it is considered that the Cr carbide particles were predominantly precipitated. From the results of CP-1-1 and CP-3-1, it is confirmed that Cr carbide particles are not so effective as precipitation strengthening particles. CP-4-1 and CP-5-1 are considered to be due to the fact that the strengthened carbide phase itself did not precipitate because the total content of "Ti + Zr + Nb + Ta" was too low (because it was hardly contained). Be done.

実験3の結果から、SLM合金製造物の出発粉末として、本発明で規定した化学組成を有するIA-1〜IA-5が好ましいことが確認された。また、強化炭化物相粒子の平均粒子間距離を0.15〜1.5μmの範囲に制御することにより、クリープ特性を向上できることが確認された。 From the results of Experiment 3, it was confirmed that IA-1 to IA-5 having the chemical composition specified in the present invention are preferable as the starting powder of the SLM alloy product. It was also confirmed that the creep characteristics can be improved by controlling the average interparticle distance of the strengthened carbide phase particles in the range of 0.15 to 1.5 μm.

[実験4]
(SLM合金製造物IP-1-2〜IP-1-7およびIP-2-2〜IP-2-7の作製)
実験1で用意したIA-1およびIA-2の粒度Sの合金粉末を用いてSLM法によりAM体(直径8 mm×高さ10 mm)を作製した(選択的レーザ溶融工程S2)。SLM条件としては、実験2の結果を受けて、炭化物相粒子の平均粒子間距離が0.15〜1.5μmの範囲となるように制御した。
[Experiment 4]
(Preparation of SLM alloy products IP-1-2 to IP-1-7 and IP-2-2 to IP-2-7)
Using the alloy powder of IA-1 and IA-2 particle size S prepared in Experiment 1, an AM body (diameter 8 mm × height 10 mm) was prepared by the SLM method (selective laser melting step S2). As the SLM condition, based on the result of Experiment 2, the average interparticle distance of the carbide phase particles was controlled to be in the range of 0.15 to 1.5 μm.

上記で作製した各AM体に対して、溶体化処理・時効処理を施した。このとき、溶体化処理の温度範囲(1000〜1300℃)および保持時間範囲(0.5〜10時間)を種々変更することによって、母相結晶粒の平均粒径が異なるSLM合金製造物IP-1-2〜IP-1-7およびIP-2-2〜IP-2-7を作製した。時効処理条件は、実験3と同様にした。 Each AM body prepared above was subjected to solution heat treatment and aging treatment. At this time, by variously changing the temperature range (1000 to 1300 ° C.) and the holding time range (0.5 to 10 hours) of the solution treatment, the average particle size of the parent phase crystal grains is different, and the SLM alloy product IP-1- 2-IP-1-7 and IP-2-2 to IP-2-7 were prepared. The aging treatment conditions were the same as in Experiment 3.

(微細組織観察および機械的特性試験)
上記で作製したSLM合金製造物IP-1-2〜IP-1-7およびIP-2-2〜IP-2-7から、微細組織観察用および機械的特性試験用の試験片をそれぞれ採取し、微細組織観察および機械的特性試験を行った。
(Microstructure observation and mechanical property test)
From the SLM alloy products IP-1-2 to IP-1-7 and IP-2-2 to IP-2-7 prepared above, test pieces for microstructure observation and mechanical property test were collected, respectively. , Microstructure observation and mechanical property test were performed.

微細組織観察は、実験2と同様のSEM観察像に対する画像解析を行って、母相結晶粒の平均粒径を測定した。また、機械的特性試験としては、実験2と同様のクリープ試験を行い、実験2と同じ判定基準で「合格/不合格」を判定した。実験4の結果を表3に示す。 For microstructure observation, image analysis was performed on the SEM observation image similar to Experiment 2, and the average particle size of the matrix crystal grains was measured. As the mechanical property test, the same creep test as in Experiment 2 was performed, and "pass / fail" was determined based on the same criteria as in Experiment 2. The results of Experiment 4 are shown in Table 3.

Figure 0006924874
Figure 0006924874

表3に示したように、母相結晶粒の平均粒径は、20〜145μmが好ましいことが確認された。また、実験4の結果から、溶体化処理は、1100〜1200℃の温度範囲で0.5〜10時間保持する熱処理が好ましいことが確認された。 As shown in Table 3, it was confirmed that the average particle size of the matrix crystal grains is preferably 20 to 145 μm. Further, from the results of Experiment 4, it was confirmed that the solution treatment is preferably a heat treatment in which the solution treatment is maintained in a temperature range of 1100 to 1200 ° C. for 0.5 to 10 hours.

[実験5]
(選択的レーザ溶融工程におけるSLM条件の検討)
実験1で用意したIA-4の粒度Sの合金粉末を用いてSLM法によりAM体(直径8 mm×高さ10 mm)を形成した(選択的レーザ溶融工程S2)。SLM条件は、レーザ光の出力Pを85 Wとし、合金粉末床の厚さhおよびレーザ光の走査速度S(mm/s)を種々変更することによって局所入熱量P/S(単位:W・s/mm=J/mm)を制御した。
[Experiment 5]
(Examination of SLM conditions in selective laser melting process)
An AM body (diameter 8 mm × height 10 mm) was formed by the SLM method using the IA-4 particle size S alloy powder prepared in Experiment 1 (selective laser melting step S2). The SLM condition is that the output P of the laser beam is 85 W, and the local heat input P / S (unit: W. s / mm = J / mm) was controlled.

上記で作製した各AM体に対して、微細組織観察を行って偏析セルの平均サイズを測定した。微細組織観察・測定方法は、実験2と同様にSEMおよび画像処理ソフトウェア(ImageJ)を用いた。 The average size of the segregated cells was measured by observing the microstructure of each AM body prepared above. As the microstructure observation / measurement method, SEM and image processing software (ImageJ) were used as in Experiment 2.

図8は、本発明に係るCo基合金AM体を得るためのSLM条件例であり、合金粉末床の厚さと局所入熱量との関係を示すグラフである。図8において、AM体の微細組織観察の結果、偏析セルの平均サイズが0.15〜1.5μmの範囲にあるものを「合格」と判定して図中に「○」で示し、それ以外のものを「不合格」と判定して図中に「×」で示した。 FIG. 8 is an example of SLM conditions for obtaining a Co-based alloy AM body according to the present invention, and is a graph showing the relationship between the thickness of the alloy powder bed and the amount of local heat input. In FIG. 8, as a result of observing the microstructure of the AM body, those having an average size of segregated cells in the range of 0.15 to 1.5 μm are judged as “passed” and indicated by “◯” in the figure, and other cells are indicated by “○”. It was judged as "failed" and indicated by "x" in the figure.

実験5の結果から、選択的レーザ溶融工程S2におけるSLM条件は、合金粉末床の厚さh(単位:μm)とレーザ光の出力P(単位:W)とレーザ光の走査速度S(単位:mm/s)との関係が「15 <h< 150」かつ「67(P/S)−3.5 <h< 2222(P/S)+13」を満たすように制御することが好ましいことが確認される。すなわち、ハッチングの領域が合格判定の領域である。 From the results of Experiment 5, the SLM conditions in the selective laser melting step S2 are the thickness h (unit: μm) of the alloy powder bed, the laser light output P (unit: W), and the laser light scanning speed S (unit: unit:). It is confirmed that it is preferable to control the relationship with mm / s) so as to satisfy "15 <h <150" and "67 (P / S) -3.5 <h <2222 (P / S) +13". .. That is, the hatched area is the pass determination area.

上述した実施形態や実験例は、本発明の理解を助けるために説明したものであり、本発明は、記載した具体的な構成のみに限定されるものではない。例えば、実施形態の構成の一部を当業者の技術常識の構成に置き換えることが可能であり、また、実施形態の構成に当業者の技術常識の構成を加えることも可能である。すなわち、本発明は、本明細書の実施形態や実験例の構成の一部について、発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、削除・他の構成に置換・他の構成の追加をすることが可能である。 The above-described embodiments and experimental examples have been described for the purpose of assisting the understanding of the present invention, and the present invention is not limited to the specific configurations described. For example, it is possible to replace a part of the configuration of the embodiment with the configuration of the common general technical knowledge of those skilled in the art, and it is also possible to add the configuration of the common general technical knowledge of the person skilled in the art to the configuration of the embodiment. That is, the present invention may delete, replace with another configuration, or add another configuration to a part of the configurations of the embodiments and experimental examples of the present specification without departing from the technical idea of the invention. It is possible.

100・・・タービン静翼、
101・・・内輪側エンドウォール、102・・・翼部、103・・・外輪側エンドウォール、
200・・・ガスタービン、210・・・圧縮機部、220・・・タービン部、
221・・・タービンノズル。
100 ... Turbine stationary blade,
101 ・ ・ ・ Inner ring side end wall, 102 ・ ・ ・ Wing part, 103 ・ ・ ・ Outer ring side end wall,
200 ・ ・ ・ Gas turbine, 210 ・ ・ ・ Compressor part, 220 ・ ・ ・ Turbine part,
221 ・ ・ ・ Turbine nozzle.

Claims (6)

金属積層造形用のコバルト基合金材料であって、
0.08質量%以上0.25質量%以下の炭素と、
0.1質量%以下のホウ素と、
10質量%以上30質量%以下のクロムとを含み、
鉄を5質量%以下でニッケルを30質量%以下で含み、前記鉄および前記ニッケルの合計が30質量%以下であり、
タングステンおよび/またはモリブデンを含み、前記タングステンおよび前記モリブデンの合計が5質量%以上12質量%以下であり、
チタン、ジルコニウム、ニオブおよびタンタルを含み、前記チタン、前記ジルコニウム、前記ニオブおよび前記タンタルの合計が0.5質量%以上2質量%以下であり、
0.5質量%以下のケイ素と、
0.5質量%以下のマンガンと、
0.003質量%以上0.04質量%以下の窒素とを含み、
残部がコバルトと不純物とからなる化学組成を有し、
前記不純物として、0.04質量%以下の酸素を含む、
ことを特徴とするコバルト基合金材料。
A cobalt-based alloy material for metal lamination molding
With carbon of 0.08% by mass or more and 0.25% by mass or less,
Boron of 0.1% by mass or less and
Contains 10% by mass or more and 30% by mass or less of chromium
It contains 5% by mass or less of iron and 30% by mass or less of nickel, and the total of the iron and the nickel is 30% by mass or less.
It contains tungsten and / or molybdenum, and the total of the tungsten and the molybdenum is 5% by mass or more and 12% by mass or less.
It contains titanium, zirconium, niobium and tantalum, and the total of the titanium, the zirconium, the niobium and the tantalum is 0.5% by mass or more and 2% by mass or less.
With 0.5% by mass or less of silicon,
With 0.5% by mass or less of manganese,
Contains 0.003% by mass or more and 0.04% by mass or less of nitrogen.
The balance has a chemical composition of cobalt and impurities,
The impurities include 0.04% by mass or less of oxygen.
A cobalt-based alloy material characterized by that.
請求項1に記載のコバルト基合金材料において、
前記化学組成は、
前記チタンが0.01質量%以上1質量%以下であり、
前記ジルコニウムが0.05質量%以上1.5質量%以下であり、
前記ニオブが0.02質量%以上1質量%以下であり、
前記タンタルが0.05質量%以上1.5質量%以下である、
ことを特徴とするコバルト基合金材料。
In the cobalt-based alloy material according to claim 1,
The chemical composition is
The titanium content is 0.01% by mass or more and 1% by mass or less.
The zirconium is 0.05% by mass or more and 1.5% by mass or less.
The niobium is 0.02% by mass or more and 1% by mass or less.
The tantalum is 0.05% by mass or more and 1.5% by mass or less.
A cobalt-based alloy material characterized by that.
請求項1又は請求項2に記載のコバルト基合金材料において、
前記化学組成は、前記不純物として、0.5質量%以下のアルミニウムを更に含む、
ことを特徴とするコバルト基合金材料。
In the cobalt-based alloy material according to claim 1 or 2.
The chemical composition further contains 0.5% by mass or less of aluminum as the impurities.
A cobalt-based alloy material characterized by that.
請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載のコバルト基合金材料において、
前記化学組成は、2質量%以下のレニウムを更に含み、
前記タングステン、前記モリブデンおよび前記レニウムの合計が5質量%以上12質量%以下である、
ことを特徴とするコバルト基合金材料。
The cobalt-based alloy material according to any one of claims 1 to 3.
The chemical composition further comprises 2% by weight or less of rhenium.
The total of the tungsten, the molybdenum and the rhenium is 5% by mass or more and 12% by mass or less.
A cobalt-based alloy material characterized by that.
請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載のコバルト基合金材料において、
前記コバルト基合金材料は、選択的レーザ溶融法用の合金粉末であることを特徴とするコバルト基合金材料。
The cobalt-based alloy material according to any one of claims 1 to 4.
The cobalt-based alloy material, cobalt-based alloy material, characterized in that an alloy powder for selection択的laser melting method.
請求項5に記載のコバルト基合金材料において、
前記合金粉末の粒径が5μm以上100μm以下であることを特徴とするコバルト基合金材料。
In the cobalt-based alloy material according to claim 5,
A cobalt-based alloy material having a particle size of 5 μm or more and 100 μm or less of the alloy powder.
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