JP6937491B2 - 合金部材、該合金部材の製造方法、および該合金部材を用いた製造物 - Google Patents
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Co(コバルト)、Cr(クロム)、Fe(鉄)、Ni(ニッケル)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、Ti(チタン)およびAl(アルミ)をそれぞれ1原子%以上10原子%以下の範囲で含み、かつMo(モリブデン)を5原子%以下の範囲で含み、残部が不可避不純物からなる化学組成を有し、
母相の結晶中に平均粒径500 nm以下の面心立方晶(FCC)の析出相が分散していることを特徴とする合金部材を提供する。
前記合金の原料を混合・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、
前記合金粉末を用いた金属粉末積層造形法により所望形状を有する合金積層造形体を形成する積層造形工程を有することを特徴とする合金部材の製造方法を提供する。
前記製造物が、流体機械のインペラであることを特徴とする合金部材を用いた製造物を提供する。
(i)前記母相の組織は、平均粒径100μm以下の柱状晶が林立した局所急冷凝固組織である。
(ii)前記析出相は、前記Ni成分、前記Ti成分および前記Al成分が前記母相の結晶よりも濃化している結晶性粒子である。
(iii)前記化学組成は、前記Coを20原子%以上30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20原子%以上30原子%以下で、前記Tiを2原子%以上10原子%以下で、前記Alを2原子%以上10原子%以下で含み、残部が前記不可避不純物からなる。
(iv)前記化学組成は、前記Coを25原子%以上30原子%以下で、前記Crを15原子%以上23原子%以下で、前記Feを15原子%以上23原子%以下で、前記Niを25原子%以上30原子%以下で、前記Tiを1原子%以上5原子%以下で、前記Alが1原子%以上10原子%以下で、前記Moを1原子%以上3原子%以下で含み、残部が前記不可避不純物からなる。
(v)引張強さが1000 MPa以上であり、破断伸びが5%以上である。
(vi)前記母相の結晶構造が単純立方晶(SC)である。
(vii)前記製造物は、前記インペラを組み込んだ遠心圧縮機である。
前述したように、ハイエントロピー合金(HEA)は、従来合金では得られない魅力的な特徴(例えば、高硬度、焼き戻し軟化抵抗性)を有しているが、難加工性であり、所望形状部材を作製することが難しいという問題があった。
図1は、本発明に係る合金部材の製造方法の一例を示す工程図である。図1に示したように、本発明の製造方法は、原料混合溶解工程とアトマイズ工程と積層造形工程と取出工程を有する。以下、本発明の実施形態をより具体的に説明する。
まず、所望のHEA組成(Co-Cr-Fe-Ni-Ti-Al-(Mo))となるように原料を混合・溶解して溶湯10を形成する原料混合溶解工程を行う。原料の混合方法や溶解方法に特段の限定はなく、高強度・高耐食性合金の製造における従前の方法を利用できる。例えば、溶解方法として真空溶解を好適に利用できる。また、真空炭素脱酸法などを併用して、溶湯10を精錬することが好ましい。
次に、溶湯10から合金粉末20を形成するアトマイズ工程を行う。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、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。
次に、上記で用意した合金粉末20を用いた金属粉末積層造形法により、所望形状を有する合金積層造形体230を形成する積層造形工程を行う。焼結ではなく溶融・凝固によってニアネットシェイプの金属部材を造形する金属粉末積層造形法の適用により、鋳造材と同等以上の機械的強度が得られると共に、複雑形状を有する三次元部材を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。例えば、電子ビーム溶融(Electron Beam Melting:EBM)法や選択的レーザ溶融(Selective Laser Melting:SLM)法を用いた金属粉末積層造形法を好適に利用できる。
上記工程で造形した合金積層造形体230は仮焼結体中に埋没しているため、次に、合金積層造形体230を取り出す取出工程を行う。合金積層造形体230の取り出し方法(合金積層造形体230と仮焼結体との分離方法、合金積層造形体230とベースプレート122との分離方法)に特段の限定はなく、従前の方法を利用できる。例えば、合金粉末20を用いたサンドブラストを好ましく用いることができる。合金粉末20を用いたサンドブラストは、除去した仮焼結体を吹き付けた合金粉末20と共に解砕することで、合金粉末20として再利用することができる利点がある。
取出工程の後、合金積層造形体230から微細組織観察用の試料を採取し、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて、該試料の微細組織を観察した。図3Aは、本発明における合金積層造形体の縦断面(積層方向に沿った面、積層方向に垂直な法線を有する面)の微細組織例を示すSEM観察像であり、図3Bは、当該合金積層造形体の横断面(積層方向に垂直の面、積層方向が法線となる面)の微細組織例を示すSEM観察像である。
図6は、本発明に係る合金部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。本発明の合金製造物は金属粉末積層造形法により製造されることから、図6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、本発明の合金部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、厳しい応力・腐食環境下でも優れた耐久性を示すことができる。
(HEA粉末P-1〜P-6の用意)
表1に示す名目組成で原料を混合し、真空溶解法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45〜105μmに選別してHEA粉末P-1〜P-6を用意した。レーザ回折式粒度分布測定装置を用いて、P-1〜P-6の粒度分布を測定したところ、それぞれの平均粒径は約70μmであった。
(積層造形による合金部材AM-1〜AM-6の作製)
実験1で用意したHEA粉末P-1〜P-6に対し、図2に示したような粉末積層造形装置(Arcam AB社製、型式:A2X)を用いて、積層造形工程の手順に沿ってEBM法による合金積層造形体(直径14 mm×高さ85 mmの円柱材、高さ方向が積層方向)を造形した。粉末床の仮焼温度は850〜980℃とした。
(熱間鍛造による合金部材FM-1〜FM-6の作製)
実験1で用意したHEA粉末P-1〜P-6に対し、銅製の水冷鋳型を用いたアーク溶解法により、鋳造材(幅14 mm×長さ80 mm×高さ15 mmの角柱材)を用意した。次に、該鋳造材に対して、大気中で加熱(1160℃×15分間保持)した後にプレス加工(圧下率:30%、圧下速度:30 mm/s)を行う熱間鍛造工程を2回繰り返して、熱間鍛造材を用意した。
(合金部材の微細組織観察)
上記で作製した各合金部材から微細組織観察用の試験片を採取し、各種電子顕微鏡(SEM、STEM-EDX)およびX線回折(XRD)装置を用いて、微細組織観察を行った。各合金部材の作製仕様と共に、微細組織観察結果を表2、図8、図3A〜図3Bに示す。
(合金部材の機械的特性および耐食性の測定)
上記で作製した各合金部材から引張試験用の試験片(平行部直径:4 mm、平行部長さ:20 mm)を採取した。なお、積層造形による合金部材は、試験片長手方向が積層造形方向と一致するように採取した。
(合金部材を用いた製造物の作製・検査)
積層造形による合金部材AM-2の製造方法と同様の手順により、図7に示したインペラを作製した。得られたインペラに対して、X線CTスキャンによる内部欠陥検査と、寸法測定とを行った。その結果、機械的特性に悪影響を及ぼすような内部欠陥は認められず、設計寸法に対する変形も認められなかった。本実験から、本発明の有効性が確認された。
100…EBM粉末積層造形装置、110…電子ビーム制御部、120…粉末制御部、
111…タングステンフィラメント、112…アノ−ド、113…電子ビーム、
114…非点補正装置、115…フォーカスコイル、116…偏向コイル、
121…ステージ、122…ベースプレート、123…パウダーホッパー、
124…レーキアーム、
210…粉末床、220…凝固層、230…合金積層造形体。
Claims (7)
- 合金部材であって、
Coを20原子%以上30原子%以下で、Crを10原子%以上25原子%以下で、Feを10原子%以上25原子%以下で、Niを20原子%以上30原子%以下で、TiおよびAlをそれぞれ1原子%以上10原子%以下で、かつMoを1原子%以上5原子%以下で含み、残部が不可避不純物からなる化学組成を有し、
母相の結晶中に平均粒径500nm以下の面心立方晶の析出相が分散しており、
前記母相の組織は、平均粒径100μm以下の柱状晶が林立した急冷凝固組織であり、
前記析出相は、前記Ni成分と前記Ti成分と前記Al成分とが前記母相の結晶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部材。 - 請求項1に記載の合金部材において、
前記化学組成は、前記Coを25原子%以上30原子%以下で、前記Crを15原子%以上23原子%以下で、前記Feを15原子%以上23原子%以下で、前記Niを25原子%以上30原子%以下で、前記Tiを1原子%以上5原子%以下で、前記Alを1原子%以上10原子%以下で、前記Moを1原子%以上3原子%以下で含み、残部が前記不可避不純物からなることを特徴とする合金部材。 - 請求項1又は請求項2に記載の合金部材において、
引張強さが1000MPa以上であり、破断伸びが5%以上であることを特徴とする合金部材。 - 請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の合金部材において、
前記母相の結晶構造が単純立方晶であることを特徴とする合金部材。 - 請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載の合金部材の製造方法であって、
前記合金の原料を混合・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、
前記合金粉末を用いた金属粉末積層造形法により所望形状を有する合金積層造形体を形成する積層造形工程を有することを特徴とする合金部材の製造方法。 - 合金部材を用いた製造物であって、
前記合金部材が、請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載の合金部材であり、
前記製造物が、流体機械のインペラであることを特徴とする合金部材を用いた製造物。 - 請求項6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遠心圧縮機。
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