JP7160694B2 - 流体接触部材及び流体接触部材の製造方法 - Google Patents

流体接触部材及び流体接触部材の製造方法 Download PDF

Info

Publication number
JP7160694B2
JP7160694B2 JP2019001434A JP2019001434A JP7160694B2 JP 7160694 B2 JP7160694 B2 JP 7160694B2 JP 2019001434 A JP2019001434 A JP 2019001434A JP 2019001434 A JP2019001434 A JP 2019001434A JP 7160694 B2 JP7160694 B2 JP 7160694B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fluid contact
contact member
mass
base material
manufacturing
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2019001434A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2020111768A (ja
JP2020111768A5 (ja
Inventor
啓嗣 川中
芳久 清時
聖 平野
大助 平澤
潤也 金田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Original Assignee
Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi GE Nuclear Energy Ltd filed Critical Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Priority to JP2019001434A priority Critical patent/JP7160694B2/ja
Priority to US17/311,726 priority patent/US11946554B2/en
Priority to PCT/JP2019/043433 priority patent/WO2020144924A1/ja
Priority to EP19909009.3A priority patent/EP3909705A4/en
Publication of JP2020111768A publication Critical patent/JP2020111768A/ja
Publication of JP2020111768A5 publication Critical patent/JP2020111768A5/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP7160694B2 publication Critical patent/JP7160694B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C19/00Alloys based on nickel or cobalt
    • C22C19/07Alloys based on nickel or cobalt based on cobalt
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16KVALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K25/00Details relating to contact between valve members and seat
    • F16K25/04Arrangements for preventing erosion, not otherwise provided for
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/20Direct sintering or melting
    • B22F10/25Direct deposition of metal particles, e.g. direct metal deposition [DMD] or laser engineered net shaping [LENS]
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/30Process control
    • B22F10/36Process control of energy beam parameters
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/60Treatment of workpieces or articles after build-up
    • B22F10/64Treatment of workpieces or articles after build-up by thermal means
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/14Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor
    • B23K26/144Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor the fluid stream containing particles, e.g. powder
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/14Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor
    • B23K26/1462Nozzles; Features related to nozzles
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/14Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor
    • B23K26/1462Nozzles; Features related to nozzles
    • B23K26/1464Supply to, or discharge from, nozzles of media, e.g. gas, powder, wire
    • B23K26/147Features outside the nozzle for feeding the fluid stream towards the workpiece
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/14Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor
    • B23K26/1462Nozzles; Features related to nozzles
    • B23K26/1464Supply to, or discharge from, nozzles of media, e.g. gas, powder, wire
    • B23K26/1476Features inside the nozzle for feeding the fluid stream through the nozzle
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/34Laser welding for purposes other than joining
    • B23K26/342Build-up welding
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/70Auxiliary operations or equipment
    • B23K26/702Auxiliary equipment
    • B23K26/703Cooling arrangements
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33YADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y40/00Auxiliary operations or equipment, e.g. for material handling
    • B33Y40/20Post-treatment, e.g. curing, coating or polishing
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33YADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y80/00Products made by additive manufacturing
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C1/00Making non-ferrous alloys
    • C22C1/04Making non-ferrous alloys by powder metallurgy
    • C22C1/0433Nickel- or cobalt-based alloys
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22FCHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/10Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of nickel or cobalt or alloys based thereon
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16KVALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K25/00Details relating to contact between valve members and seat
    • F16K25/005Particular materials for seats or closure elements
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/20Direct sintering or melting
    • B22F10/28Powder bed fusion, e.g. selective laser melting [SLM] or electron beam melting [EBM]
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2301/00Metallic composition of the powder or its coating
    • B22F2301/15Nickel or cobalt
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2998/00Supplementary information concerning processes or compositions relating to powder metallurgy
    • B22F2998/10Processes characterised by the sequence of their steps
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33YADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00Processes of additive manufacturing
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16KVALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K3/00Gate valves or sliding valves, i.e. cut-off apparatus with closing members having a sliding movement along the seat for opening and closing
    • F16K3/30Details
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25Process efficiency

Description

本発明は、流体接触部材及び流体接触部材の製造方法に関する。
発電設備等で使用される弁は、弁座等の摺動部位を備える。弁座は、実運転中に発生する衝撃への高い耐久性を有することが好ましい。例えば、弁座は、高流速、キャビテーション、液滴等の衝撃に対して高い耐久性を有することが好ましい。また、安定した設備運転の観点から、弁座は高温環境下における高い耐食性を有することも好ましい。
弁は、例えば、炭素鋼、ステンレス等の母材に対し、硬材質な溶着金属の肉盛により製造される。具体的には例えば、耐食性及び耐摩耗性に優れたコバルト基合金、ニッケル基合金、鉄基合金等の溶着金属を高温で溶融し、弁箱、弁体等の母材に対してアーク溶接、プラズマ溶接法等によって肉盛を行うことで製造される。
しかし、溶着金属を高温溶融により肉盛した場合、溶着金属の肉盛を行った弁座の金属組織は、鋳造により製造した金属材料の金属組織と同様な組織形態を呈する。そのため、溶融状態から固体状態への冷却時にデンドライト(基地部)が晶出する。また、デンドライトの間隙(デンドライト間隙)には、共晶炭化物、共晶ホウ化物等の化合物相が形成される。そして、デンドライト間隙に晶出した化合物相の耐久性及び耐摩耗性は、デンドライトの耐久性及び耐摩耗性よりも劣る。従って、デンドライト間隙に晶出した化合物相の特性上、溶着金属への流体接触による化合物相での選択的腐食、及びエロージョン等により生じる溶着金属表面での腐食進行が進行し易い。このため、頻繁な点検補修作業が行われ、メンテナンス作業の手間が大きい。
そこで、化合物相での選択的腐食、及び溶着金属表面での腐食進行抑制のものとしては、特許文献1に記載の技術が知られている。特許文献1には、鋳造組織基地部と共晶炭化物とを有する合金中の前記共晶炭化物を複数の粒状又は複数の球状に集合形成して、前記共晶炭化物を非連続分布とした耐食耐摩耗合金が記載されている(請求項1参照)。この耐食耐摩耗合金により、共晶炭化物部分の腐食損傷に伴う全体の耐食耐摩耗性能の劣化が少なくなると記載されている(段落0044参照)。
特開2000-273573号公報
本発明が解決しようとする課題は、特に耐食性を従来よりもさらに向上させた流体接触部材及び流体接触部材の製造方法を提供することである。
本発明は、流体と接触する流体接触部を備え、前記流体接触部は、デンドライトを有するコバルト基合金相と、前記デンドライトの間隙に形成されるとともに炭化クロムを含む化合物相とを有し、前記流体接触部は、炭素を0.9質量%以上、クロムを26質量%以上32質量%以下、タングステンを0質量%以上6質量%以下、ニッケルを0質量%以上1質量%以下、鉄を0質量%以上1質量%以下、モリブデンを0質量%以上1質量%以下、及び、残部としてコバルト、及び不可避的不純物からなり、前記デンドライトを構成する1つの1次アームから延びる複数の2次アームのうち、隣接する前記2次アームの平均間隔が5μm以下になっていることを特徴とする、流体接触部材に関する。その他の解決手段は発明を実施するための形態において後記する。
本発明によれば、特に耐食性を従来よりもさらに流体接触部材及び流体接触部材の製造方法を提供できる。
実施例の流体接触部を構成する金属組織の断面光学顕微鏡写真である。 図1の拡大図である。 図1の拡大図であり、図2よりもさらに倍率の高い写真である。 図1の拡大図であって図2よりもさらに倍率の高い写真であるとともに、図1において図3とは異なる部分を拡大する写真である。 実施例の流体接触部の金属組織でのデンドライトにおける2次アームを示す斜視図である。 実施例の流体接触部の金属組織でのデンドライトにおける2次アームを示す断面図である。 ガスアセチレン溶接により形成した流体接触部(比較例)の金属組織の断面光学顕微鏡写真である。 TIG溶接により形成した流体接触部(比較例)の金属組織の断面光学顕微鏡写真である。 比較例の流体接触部の金属組織でのデンドライトにおける2次アームを示す斜視図である。 比較例の流体接触部の金属組織でのデンドライトにおける2次アームを示す断面図である。 実施例の流体接触部材としての弁体及び弁座を備える弁の断面図である。 図9のF部拡大図である。 実施例に係る流体接触部材の製造方法を示すフローチャートである。 流体接触部材の製造装置を示す図である。 流体接触部材の別の製造装置を示す図である。 実施例1で使用した製造装置を示す図である。 実施例1での造形パスを示す図である。 実施例1での造形パスを示す図である。 実施例2で使用した別の製造装置を示す図である。 実施例2での流体接触部が形成された母材の斜視図である。 図17AにおけるG部拡大図である。
以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら説明する。ただし、本発明は以下の例に何ら制限されず、本発明の要旨を損なわない範囲で任意に変形して実施できる。また、各実施形態は任意に組み合わせて実施できる。また、同じ装置及び系統については同じ符号を付すものとし、重複する説明は省略する。
本発明に係る流体接触部材10は、流体と接触する流体接触部1を備える。流体接触部材10は、具体的には例えば、弁20(図9等参照)における弁体83及び弁座86(いずれも図9等参照)に相当する。即ち、流体接触部10は、弁体83及び弁座86のうちの少なくとも一方を含む。また、流体接触部1は、例えば弁体83及び弁座86における接触部84,87(いずれも図9等参照)に相当する。流体接触部1は、例えば、流体接触部材10を構成する母材(例えば図9等に示す弁座本体部85及び弁体本体部88)の表面に形成される。
図1は、実施例の流体接触部1を構成する金属組織の断面光学顕微鏡写真である。流体接触部1は、デンドライトを有するコバルト基合金相2と、デンドライト間隙に形成されるとともに炭化クロムを含む化合物相3とを有する。図1において白くなっている部分がコバルト基合金相2である。また、図1において黒くなっている部分が化合物相3である。なお、デンドライトとは、枝分かれした樹枝状の結晶をいう。
流体接触部1の金属組織は、細かな目を有する網目状に構成される。具体的には、流体接触部1は、上下左右斜め方向に筋状に延在するコバルト基合金相2の隙間に、微細な化合物相3を散点的に有する。従って、化合物相3は、コバルト基合金相2のデンドライト間隙に不連続的に形成される。化合物相3がデンドライト間隙に不連続的に形成されることで、流体との接触部分に位置する化合物相3で浸食が生じた場合でも、浸食が進行し難くなる。これにより、浸食の進行に起因する金属組織での空隙の増大が抑制され、コバルト基合金相2の脱落を抑制できる。
図2は、図1の拡大図である。コバルト基合金相2は、幹(図示しない)と、幹から側方に延在する1次アーム4と、1次アーム4から側方に延在する2次アーム5とを備える。幹、1次アーム4及び2次アーム5は、いずれもデンドライトを構成する。デンドライトを構成する1つの1次アーム4からは、複数の2次アーム5が延びる。2次アーム5の中心線L1(破線)は、2次アーム5の先端から1次アーム4の中心線L2に向かう垂線を表す。そして、図2において破線で示す2次アーム5の中心線L2同士の間隔、即ち、隣接する2次アーム5の平均間隔は詳細は後記するが5μm以下になっており、具体的には図2の例では2.7μmになっている。
図3は、図1の拡大図であり、図2よりもさらに倍率の高い写真である。図3には、コバルト基合金相2の間隙に形成される化合物相3のうち、特に、隣接する2次アーム5の間隙に形成される化合物相3が示されている。上記のように、化合物相3は、コバルト基合金相2のデンドライト間隙に不連続的に形成される。具体的には、図3に示すように、隣接する2次アーム5の間には、ある程度の大きさを有する扁平形状の化合物相3が存在するのではなく、コバルト基合金相2が化合物相3に食い込んだような形状の化合物相3が形成される。また、化合物相3は、コバルト基合金相2によって微細な大きさに区切られている。
特に、隣接する2次アーム5の平均間隔が5μm以下であることで、化合物相3が微細になる。これにより、微細な化合物相3を不連続的に配置でき、浸食が仮に進行したとしても、浸食の進行に起因する金属組織での空隙の過度の増大を抑制できる。この結果、浸食が進行しても金属組織の強度への影響が生じにくく、コバルト基合金相2の脱落を抑制できる。
図4は、図1の拡大図であって図2よりもさらに倍率の高い写真であるとともに、図1において図3とは異なる部分を拡大する写真である。図4には、コバルト基合金相2の間隙に形成される化合物相3のうち、特に、対向する2次アーム5の間隙に形成される化合物相3が示されている。図4においても、2次アーム5の間隙に微細な化合物相3が不連続的に形成されている。ただし、本明細書でいう不連続的とは、図4のA部に示すように化合物相3の一部が繋がっているが、それぞれの化合物相3が概ね不連続のようになっているものを含む概念とする。
図5Aは、実施例の流体接触部の金属組織でのデンドライトにおける2次アーム5を示す斜視図である。1つの1次アーム4の側方に延びる複数の2次アーム5は、図5Aにおいて紙面上下方向に伸びるほか、紙面前後方向にも延びる。そこで、本明細書において2次アーム5の間隔λとは、1つの2次アーム5の中心線L1、及び当該1つの2次アーム5の起点となる1次アームの中心線L2を含む断面視において、隣接する2次アーム5同士の間隔λを表す。
図5Bは、実施例の流体接触部の金属組織でのデンドライトにおける2次アームを示す断面図である。図5Bに示す断面図は、1つの2次アーム5の中心線L1、及び当該1つの2次アーム5の起点となる1次アーム4の中心線L2を含むものである。この断面図において、隣接する2次アーム5同士の間隔λ1、λ2・・・λnである。ここで、本明細書におけるデンドライトにおける2次アーム5の平均間隔の定義を説明する。
隣接する2次アーム5同士の間隔λ1、λ2・・・λnにおいて、nは例えば10以上15以下の整数とする。従って、まず、任意の1つの断面において、隣接する10~15本の2次アーム5が選択される。そして、選択された2次アーム5同士の間隔λを測定し、算術平均により平均値が測定される。これらの作業を、異なる断面において合計3回繰り返し、3回の断面視での間隔の平均値を算出することで、2次アーム5の平均間隔が算出される。
このようにして算出した2次アーム5の平均間隔は5μm以下である。2次アーム5の平均間隔を5μm以下にすることで、隣接する2次アーム5の間に形成される化合物相3を微細にできる。これにより、化合物相3に流体が接触し難くなり、化合物相3の腐食を抑制できる。また、仮に化合物相3の腐食が進行しても、流体接触部1の例えば耐食性に影響を及ぼすようなダメージ、具体的には例えばエロージョン損傷等によるコバルト基合金相2の脱落を抑制できる。この結果、流体接触部1において、特に耐食性を向上できる。
2次アーム5の平均間隔は3μm以下であることが好ましい。2次アーム5の平均間隔を3μm以下にすることで、隣接する2次アーム5の間に形成される化合物相3をさらに微細にできる。これにより、化合物相3に流体がより接触し難くなり、化合物相3の腐食をより十分に抑制できる。また、仮に化合物相3の腐食が進行しても、流体接触部1の例えば耐食性に影響を及ぼすようなダメージ、具体的には例えばエロージョン損傷等によるコバルト基合金相2の脱落をより十分に抑制できる。この結果、流体接触部1において、特に耐食性を十分に向上できる。
2次アーム5の平均間隔は特に制限されないが、通常は例えば1μm以上である。
上記の図1~図5に示す金属組織を構成する組成は、コバルト、クロム及び炭素を含む組成であれば、特に制限されない。コバルト、クロム及び炭素を含む組成であれば、原子同士の結合のし易さにより、コバルト基合金相2と、炭化クロムを含む化合物相3とを有する流体接触部1が得られる。
流体接触部1を構成する金属組織において、炭素の含有量は0.9質量%以上5質量%以下(好ましくは3質量%以下)が好ましい。クロムの含有量は26質量%以上32質量%以下が好ましい。タングステンの含有量としては0質量%以上6質量%以下が好ましい。ニッケルの含有量は0質量%以上1質量%以下が好ましい。鉄の含有量は0質量%以上1質量%以下が好ましい。モリブデンの含有量は0質量%以上1質量%以下が好ましい。従って、流体接触部1は、炭素を0.9質量%以上、クロムを26質量%以上32質量%以下、タングステンを0質量%以上6質量%以下、ニッケルを0質量%以上1質量%以下、鉄を0質量%以上1質量%以下、モリブデンを0質量%以上1質量%以下、及び、残部としてコバルト、及び不可避的不純物を含むものであることが好ましい。
ただし、タングステンの含有量は3質量%以上6質量%以下であることが好ましい。タングステンの含有量がこの範囲であることで、流体接触部1の硬度を高めることができ、例えば耐摩耗性をさらに向上できる。
流体接触部1を構成する金属組織に含まれる金属としては、例えばステライト(登録商標)等が挙げられる。
図6は、ガスアセチレン溶接により形成した流体接触部(比較例)の金属組織の断面光学顕微鏡写真である。図6に示す流体接触部11を構成する金属と、上記の図1に示す流体接触部10を構成する金属とは同じ組成である。流体接触部11は、上記の流体接触部1と同様に、デンドライトを有するコバルト基合金相21と、デンドライト間隙に形成されるとともに炭化クロムを含む化合物相31とを有する。図6において白くなっている部分がコバルト基合金相21である。また、図1において黒くなっている部分が化合物相31である。ガスアセチレン溶接により形成した金属組織では、図示はしないが、5μm以下の間隔になる2次アームも一部確認された。しかし、上記の方法により算出された2次アームの平均間隔は5μmを大きく超えており、具体的には17μm以上であった。
図7は、TIG溶接により形成した流体接触部111(比較例)の金属組織の断面光学顕微鏡写真である。コバルト基合金相21は、幹(図示しない)と、幹から側方に延在する1次アーム41と、1次アーム41から側方に延在する2次アーム51とを備える。破線及び一点鎖線でそれぞれ示す中心線L1,L2は、それぞれ、2次アーム51及び1次アーム41の中心線を表す。図7に示す光学顕微鏡写真と、上記の図2に示す光学顕微鏡写真とは、同じ倍率を示す。図7に示す比較例での2次アーム51の間隔は、上記図2に示す実施例での2次アーム5の間隔よりも広くなっている。具体的には、図7に示す流体接触部111では、5μm以下の間隔(中心線L1同士の間隔)になる2次アーム51も一部確認された。しかし、図7に示す流体接触部111では、上記の図6に示す金属組織と同様に、2次アーム51の平均間隔は5μmを超えていた。具体的には、図7に示す例では、2次アーム5の平均間隔は9.95μm以上であった。
図8Aは、比較例の流体接触部111の金属組織でのデンドライトにおける2次アーム51を示す斜視図である。1次アーム41の側方に延びる2次アーム51は、上記の流体接触部1と同様に(図5A参照)、図8Aにおいて紙面上下方向に伸びるほか、紙面前後方向にも延びる。
図8Bは、比較例の流体接触部111の金属組織でのデンドライトにおける2次アーム51を示す断面図である。図8Bに示す断面図は、上記の図5Bに示す断面図と同様に、1つの2次アーム51の中心線L1、及び当該1つの2次アーム51の起点となる1次アーム41の中心線L2を含むものである。
中心線L1同士の間隔をλ1、λ2・・・λnとすると、λ1~λnで示される中心線L1同士の間隔、即ち2次アーム51の間隔は、いずれも、上記の図2等に示す流体接触部10での間隔よりも長くなっている。具体的には、図8B示す比較例では、2次アーム51の平均間隔は5μmを超えている。このため、2次アーム51の間に形成される化合物相31(図7参照)も大きくなり、化合物相3の浸食が発生すると、浸食進行により流体接触部11の機械的影響が大きくなる。これにより、エロージョン損傷等によるコバルト基合金相21の脱落が生じ易くなり、耐食性が低下する。
図9は、実施例の流体接触部材10としての弁体83及び弁座86を備える弁20の断面図である。流体接触部材10は、例えば原子力設備用の流体接触部材10を含む。例えば、弁20及びそれに備えられる弁体83及び弁座86は、例えば原子力設備での配管、ダクト等に備えられる例えば仕切り弁及びその構成部材として使用可能である。当該配管には、気体(空気等)、液体(水等)、気液混合流体等の流体が流れる。弁20には流体が流れることから、弁20は特に耐食性に優れることが好ましい。従って、特に耐食性に優れる流体接触部1(図1等参照)を備える流体接触部材10は、例えば弁体83及び弁座86として好適である。
弁20は、弁棒81と、弁箱82と、弁体83と、弁座86とを備える。弁箱82には、弁棒81及び弁体83が収容される。弁棒81は弁体83に接続される。弁体83は、弁棒81との接続側とは反対側に向かって窄まる円錐台形状を有する。弁座86は、流体が流れる断面円形状の流路90を囲うような円形状平板(即ち円環状)に形成される。弁座86は例えば溶接、嵌め込み等により弁箱82に固定される。
図10は、図9のF部拡大図である。弁体83(流体接触部材10)は、弁体83が最下端に位置したときに弁座86と接触(圧接)する位置に形成された接触部87と、接触部87が表面に形成された弁体本体部88とを備える。接触部87(流体接触部1)は、例えば弁体本体部88を母材とする肉盛(例えば積層造形)により弁体本体部88に形成される。
また、弁箱82に固定された弁座86(流体接触部材10)は、上記弁体83が最下端に位置したときに弁体83の接触部87と接触(圧接)する位置に形成された接触部84と、接触部84が表面に形成された弁座本体部85とを備える。接触部84(流体接触部1)は、例えば弁座本体部85を母材とする肉盛(積層造形)により弁座本体部85に形成される。
弁棒81及び弁体83は、シリンダ等の駆動装置(図示しない)により上下方向に移動可能である。弁棒81及び弁体83の下方への移動の際、弁体83の接触部87が弁座86の接触部84に摺動しながら、弁棒81及び弁体83が下方に移動する。そして、弁体83の最下端への移動により弁体83が流路90を閉塞し、流路90での流体流れが遮断される。
弁体83のうちの接触部87は、上記の図1等を参照しながら説明した金属組織を有する。また、弁座86のうちの接触部84も、上記の図1等を参照しながら説明した金属組織を有する。そのため接触部84,87では連続的な腐食が生じにくく、特に耐食性に優れる。そのため、弁20の開閉により接触部84,87同士の摺動が繰り返されても、エロージョン損傷が抑制される。これにより、化合物相3に流体が接触し難くなり、化合物相3の腐食を抑制できる。また、仮に化合物相3の腐食が進行しても、流体接触部1の例えば耐食性に影響を及ぼすようなダメージ、具体的には例えばエロージョン損傷等によるコバルト基合金相2の脱落を抑制できる。この結果、流体接触部1において、特に耐食性を向上できる。
特に、弁20は、例えば原子力設備での配管等に使用できる。このため、コバルト基合金のデンドライトの脱落抑制により、弁20を構成するコバルト基合金相2に含まれる例えばコバルトが意図せず放射性同位体に変化することを抑制できる。
また、流体接触部材10は、上記の仕切り弁以外にも、弁箱及び弁体を備え、両者が摺動する面にそれぞれ弁座を有する他の弁にも適用できる。さらには、流体接触部材10は、弁20以外にも、流体と接触する流体接触部1を備えるものであれば適用できる。
即ち、上記のように、摺動により摩耗し易いのは勿論のこと、例えば配管の内壁など、長期的な流体との接触により、特段の摺動が無くても摩耗の恐れがある。また、例えば配管の内壁についていえば、メンテナンス等により内壁にメンテナンス治具が接触することで、配管内壁が損傷する恐れもある。しかし、例えば配管(流体接触部材10)の内壁に流体接触部1を形成することで、配管内壁の特に耐食性を向上できる。これにより、流体との接触による摩耗抑制は勿論のこと、メンテナンス治具等により意図しない損傷を抑制して、保守性能に優れた流体接触部材10を製造できる。
図11は、実施例に係る流体接触部材の製造方法(以下、本発明の製造方法という)を示すフローチャートである。本発明の製造方法は、セッティング工程S1と、施工軌跡設定工程S2と、予熱工程S3と、原料供給工程S4と、溶融工程S5と、冷却工程S7と、温度監視工程S6と、熱処理工程S8と、仕上げ加工工程S9と、検査工程S10とを含む。本発明の製造方法について、図12をさらに参照しながら説明する。
図12は、流体接触部材10の製造装置100を示す図である。製造装置100は、原料108の溶融により流体接触部1(例えば接触部84,87)を備える流体接触部材10(例えば弁体83及び弁座86)を製造するための装置である。本発明の製造方法での原料108の溶融は、炭素鋼、ステンレス等の母材101に対し、原料108を含む粉末を用いた付加製造技術によって行う。付加製造技術を用いた溶融により、所望の形状を有する流体接触部材10を製造し易くできる。
ここでいう付加製造技術は、国際標準化機構による用語定義(ISO52900)では3Dモデルデータから部材を製造するために材料を結合するプロセスと定義され、以下の7つのカテゴリーに分類されている。即ち、Binder jetting(結合剤噴射)、Directed Energy Deposition(指向性エネルギ堆積)、Materials Extrusion(材料押出)、Material jetting(材料噴射),Powder Bed Fusion(粉末床溶融結合)、Sheet Lamination(シート積層)、Vat Photo-Polymerization(液槽光重合)に分類されている。
付加製造技術は指向性エネルギ堆積法及び粉末床溶融結合法を含み、どの技術が使用されてもよい。ただし、三次元形状の部品上への造形が容易で、造形効率が良い(造形速度が速い)という観点からは、指向性エネルギ堆積法が好ましい。そこで、以下の説明においては、一例として指向性エネルギ堆積装置(例えばレーザ光照射装置)による積層造形を挙げる。
まず、母材101が製造装置100の施工台(図示しない)にセッティングされる(セッティング工程)。なお、母材101は、例えば上記の弁座本体部85及び弁体本体部88に相当する。次に、レーザ光照射の位置決めにより、母材101への施工軌跡が設定される(施工軌跡設定工程S2)。そして、図示しない予熱装置により母材101の予熱が行われる(予熱工程S3)。予熱は、後記する溶融工程S5での溶融温度と同程度の温度に加熱することができ、例えば200℃以上700℃以下にできる。予熱後、母材101上への原料108の供給が開始される(原料供給工程S4)。原料108としては、上記の流体接触部1を構成する金属材料(コバルト、クロム及び炭素を含む)の粉末が用いられる。
母材101上では、供給された原料の溶融が行われる(溶融工程S5)。即ち、溶融工程S5は、コバルト、クロム及び炭素を含む原料の母材への供給位置の移動を行いながら母材上での原料の溶融を行う工程である。原料108の溶融により、母材101上に形成された流体接触部1が得られる。
図12に示す方法では、内ノズル105及び外ノズル106を備える二重構造のノズル115が使用される。内ノズル105及び外ノズル106は、母材101に向かって窄まるように形成される。また、内ノズル105及び外ノズル106は、母材101上の原料108に照射されるレーザ光107を中心とした同心円状に配置される。レーザ光107は母材101の表面に所定のレーザ照射径が形成されるように照射される。また、レーザ光107を照射するためのレーザヘッド(図示しない)とノズル115とは一体に構成される。そして、ノズル115は、所定のレーザ照射径となる位置に配置される。
内ノズル105の内側には、太実線矢印で示すように、母材101に向かってシールドガス(例えばアルゴン)が流れる。内ノズル105と外ノズル106との間には、細線で示すように粉末状の原料108が流れる。また、内ノズル105と外ノズル106との間には、太い破線矢印で示すように、母材101に向かって粉末供給ガス(例えばアルゴン)が流れる。従って、粉末供給ガスの流れにより、原料108が母材101に吹き付けられる。
ただし、図12に示す例では、粉末状の原料108を内ノズル105と外ノズル106との間であって、同心円の全周囲に流すようにしたが、粉末状の原料108を、前記同心円の周囲の一部(一カ所のみでの2カ所以上でもよい)から流すようにしてもよい。また、原料108は、母材101上に敷き詰められるようにしてもよい。
母材101に吹き付けられた原料108は、レーザ光107のエネルギにより溶融する。そして、原料108を溶融しながら、ノズル115が母材101の上面に沿った方向(例えば図10では白抜き矢印方向)に移動される。即ち、原料108の母材101への供給位置の移動を行いながら母材101上での原料108の溶融を行う溶融工程が行われる。ここでいう供給位置とは、ノズル115の母材101に沿った位置である。ノズル115の移動により、ノズル115と一体構成されたレーザヘッドも移動する。このため、レーザ光107による溶融金属へのエネルギ供給が停止され、溶融金属が凝固する。溶融金属の凝固により、流体接触部1を備える流体接触部材10が製造される。
流体接触部1は、例えば、2度以上のレーザ光107の照射による積層構造での造形(積層造形)により製造される。積層造形により製造する場合、上記溶融工程S5では、パス間温度を200℃以上700℃以下の状態で積層造形が行われる。従って、1パス施工後、温度監視工程S6において母材101の温度監視が行われ、パス間温度管理が行われる。パス間温度をこの範囲に制御することで、積層造形中、炭素に起因する流体接触部1の割れを抑制できる。
パス間温度の制御は、例えば母材101の予熱により行うことができる。母材101の予熱は図示しない加熱装置により行うことができる。加熱装置としては、ヒータ、バーナ等の直接加熱装置のほか、高周波誘導加熱装置(例えば高周波加熱コイル)等が挙げられ、製造装置の周辺環境を適宜考慮して選択すればよい。
ただし、積層造形の際、パス間温度の制御に代えて、又は、パス間温度の制御とともに、母材101の温度制御を行うようにしてもよい。即ち、上記溶融工程は、母材101の温度及びパス間温度のうちの少なくとも一方の温度を200℃以上700℃以下の状態で積層造形を行うようにしてもよい。母材101の温度をこの範囲に制御することで、積層造形中、炭素に起因する流体接触部1の割れを抑制できる。
レーザ光107の照射条件(例えばレーザ出力)、及び、ノズル115及びレーザ光107の走査速度(移動速度)は特に制限されない。ただし、本発明では、溶融工程S5での原料108の溶融は、移動の距離あたり原料108への入熱量をQ(kJ/cm)、移動の距離あたりの母材101への原料108の供給量(g/cm)をW(kJ/g)とすると、Q≦12kJ/cm、かつ、2kJ/g≦Q/W≦60kJ/gになるように行う。
ここでいう「移動の距離あたり」とは、母材101に対するノズル115及びレーザ光107の移動距離をいう。従って、入熱量Qは、図12に示す例では、レーザ光107の出力(レーザ出力。単位はkW)を、ノズル115及びレーザ光107の走査速度(cm/秒)で除することで得られる値である。
入熱量Qは、上記のように12kJ/cmであるが、好ましくは10kJ/cm以下、より好ましくは7kJ/cm以下、特に好ましくは5kJ/cm以下である。入熱量が小さいほど十分に冷えるまでの時間を短くでき、炭化物等の化合物相3が析出する温度域での化合物相3の析出を抑制できる。一方で、入熱量Qの下限は、例えば1kJ/cm以上、好ましくは3kJ/cm以上である。入熱量Qがこれらの数値以上であることで、原料108の溶融を十分に行うことができる。
また、Q/Wの値(以下、Qpという)は、上記のように2kJ/g以上60kJ/gであるが、その下限値として、好ましくは5kJ/g以上、また、その上限値として、好ましくは40kJ/g以下である。Qpがこの範囲にあることで、所望の組織形態を得ながら、施工効率(造形効率)が良好な施工が可能になる。
入熱量Q及びQpを上記範囲にすることで、製造される流体接触部1の金属組織において、デンドライトにおける2次アーム5の平均間隔を5μm以下にできる。即ち、デンドライトの2次アーム5の間隔において化合物相3を小さい微細組織で形成できる。これにより、共晶炭化物等の化合物相3をより微細分散できる。また、入熱量Q及びQpの上記範囲の中でも、入熱量Qを大きく、かつ、Qpは小さくすることが好ましい。このようにすることで、1パスでの造形体積を大きくでき、流体接触部1の体積を大きくする場合に少ない積層回数で流体接触部1を製造できる。
また、積層造形の際、入熱量Q及びQpを同じにして造形を繰り返してもよく、少なくとも一部を変えて造形を繰り返してもよい。入熱量Q及びQpを異なる条件にすることで、デンドライトの2次アーム5の間隔が異なる傾斜組織を形成できる。これにより、流体に接触する面については例えば入熱量Qを小さくかつQpを大きくして特に耐食性に優れつつ、その面以外では造形効率の良い条件で製造することで、製造効率を高めることができる。
以上の製造装置100によれば、コバルト基合金相2でのデンドライトにおける2次アーム5の平均間隔を5μm以下にできる。これにより、特に耐食性に優れた流体接触部1を備える流体接触部材10を製造できる。
図11に戻って、冷却工程S7は、溶融工程S5での施工が全て終わった後に、母材101から外部への放熱速度が自然冷却速度よりも遅い速度での冷却を行う工程である。冷却は、母材101の温度が例えば室温(25℃)程度になるまで行うことができる。自然冷却速度よりも遅い速度での冷却を行う冷却工程S7により、冷却中、流体接触部1の割れを抑制できる。
自然冷却速度よりも遅い速度での冷却は、例えば流体接触部材10の雰囲気温度を制御するほか、母材101から外部への放熱を抑制するための放熱抑制部材を母材101に接触させて行うことができる。放熱抑制部材の接触による冷却を行うことで、流体接触部1の大きさによらず、簡便な方法で冷却することができる。放熱抑制部材は例えば断熱材、保温材等である。接触の形態としては、例えば、放熱抑制部材を母材101に巻くようにすることができる。
上記の溶融工程S5において、母材101の温度及びパス間温度のうちの少なくとも一方の温度を制御した場合には、制御に使用した加熱装置(例えば後記のリボンヒータ440)を用いた冷却速度制御を行ってもよい。具体的には例えば、加熱装置は通常加熱を促進するために保温材を備える。そこで、このような保温材を備える加熱装置を母材101に接触させることで上記温度を制御した場合、当該保温材を接触させたままで冷却を行うことで、母材101の冷却速度を自然冷却速度以下にできる。
熱処理工程S8は、溶融工程S5後、200℃以上700℃以下の温度で熱処理を行う工程である。製造された流体接触部1では、コバルト基合金相2でのデンドライト間隙に形成される化合物相3の耐食性及び耐摩耗性は、コバルト基合金相2でのデンドライト間隙の耐食性及び耐摩耗性よりも低い。特に、積層造形により残留応力が残り易くなり、低い耐食性及び耐摩耗性に起因する性能低下が生じ易くなる。そこで、熱処理工程S8により、残留応力の緩和が行われる。残留応力の緩和により、流体接触部材10の使用中における割れ発生の可能性を抑制できる。
熱処理工程S8による残留応力緩和後、例えば摺り合わせ等の仕上げ加工が行われる(仕上げ加工工程S9)。そして、流体接触部1の欠陥が無いことを例えば非破壊検査で確認し(検査工程S10)、流体接触部材10が得られる。
本発明の製造方法によれば、コバルト基合金相2でのデンドライトにおける2次アーム5の平均間隔を5μm以下にできる。これにより、特に耐食性に優れた流体接触部1を備える流体接触部材10を製造できる。
図13は、流体接触部材10の別の製造装置200を示す図である。上記の製造装置100では、溶融工程S5における溶融は、原料108を含む粉末を用いた付加製造技術により行った。しかし、製造装置200では、溶融工程S5における溶融は、原料108を含む線材を用いた付加製造技術によって行うようにしている。なお、原料108は、粉末状のものと線材との双方を含む原料108を用いてもよい。即ち、溶融は、原料108を含む粉末及び原料108を含む線材のうちの少なくとも一方の原料を用いた付加製造技術によって行うことができる。
製造装置200は、母材101に向かって窄まる形状を有するシールドノズル125を備える。シールドノズル125は、レーザ光107の同心円状に配置される。シールドノズル125の内部には、シールドガス(例えばアルゴン)が母材101に向かって流れる。
また、製造装置200は、原料108を含む線材を、レーザ光107により形成されたレーザ照射径内に供給するための原料供給ノズル126を備える。原料供給ノズル126を介した原料108を含む線材の供給により、母材101状に流体接触部1が形成される。なお、原料供給ノズル126からは、原料108を含む線材に代えて、又は原料108を含む線材とともに粉末の原料108が供給されるようにしてもよい。
以上の製造装置200によれば、コバルト基合金相2でのデンドライトにおける2次アーム5の平均間隔を5μm以下にできる。これにより、特に耐食性に優れた流体接触部1を備える流体接触部材10を製造できる。
以下、実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明する。流体接触部材を作製し、耐食性を含む性能を評価した。
<実施例1>
はじめに、実施例1として、上記の弁体83(図9等参照)を模した流体接触部材10を図14に示す製造装置300を用いて作製し、作製した流体接触部材10の性能評価を行った。
図14は、実施例1で使用した製造装置300を示す図である。施工対象となる母材101を高周波加熱コイル340上に配置した。母材101は直径200mm、厚さ80mmの円柱状であり、炭素鋼により構成されたものを用いた。そして、上記の製造装置100(図12参照)を用い、母材101の上でリング状の流体接触部1を積層造形した。流体接触部1の積層造形により、流体接触部1を備える流体接触部材10が製造された。
製造装置100への原料108(粉末)の供給は、アルゴンガスとともに、粉末供給機360からホース361を通じて行った。流体接触部1を形成するための原料108の組成としては、炭素を1.09質量%、クロムを29.0質量%、タングステンを4.42質量%、ニッケルを0.98質量%、鉄を0.46質量%、モリブデンを0.18質量%、及び、残部としてコバルト、及び不可避的不純物を含むようにした。
製造装置100から照射されるレーザ光107(図12参照)は、レーザ発振器330から、プロセスファイバ331を通じて、製造装置100のレーザヘッド(図示しない)に導光した。導光したレーザ光107は、製造装置100のコリメーションレンズ及び集光レンズ(いずれも図示しない)を介して、母材101表面の原料108に照射した。
ノズル115、及びレーザ光107を照射するためのレーザヘッドは、3軸のNC加工機に取り付けられ、座標及び走査速度を制御した。パス間温度は放射温度計で母材101の温度を測定しながらフィードバックし、高周波電源341による出力を制御した。パス管温度は300℃~350℃に管理した。レーザ光107の照射条件として、上記入熱量Qが3.6kJ/cm、上記Qp(=Q/W)が10.0kJ/gになるようにレーザ光出力及び走査速度を制御した。
積層造形は、図15A及び図15Bに示す造形パスにより行った。造形パスについて図15A及び図15Bを参照して説明する。
図15Aは、実施例1での造形パスを示す図である。X軸及びY軸からなる直交座標系において、X軸の負方向を起点として、原点を中心に360°反時計回りに円形に連続してレーザ光107を照射した。レーザ光107の照射は、径方向に等間隔で8カ所行った。X軸の負方向に照射したレーザ光107は、レーザヘッド(図示しない)の移動により、円形に行った。具体的には、X軸の負方向を起点とするレーザ光107の照射は、Y軸の負方向、X軸の正方向、Y軸の正方向を横切って、再度X軸の負方向上の起点に至る。
図15Bは、実施例1での造形パスを示す図である。上記の図15Aにおいて、レーザ光107の照射位置が再度X軸の負方向に至ると、いったんレーザ光107の照射が停止される。そして、レーザ光107を照射するためのレーザヘッド(図示しない)がX軸の正方向に移動した後、X軸の正方向を起点としたレーザ光107の照射が開始される。レーザ光107の照射方向は、上記の図15Aとは同様に、原点を中心に360°反時計回りに円形に連続してレーザ光107を照射した。レーザ光107の照射は、上記図15Aでの照射位置をなぞるように、径方向に等間隔で8カ所行った。
そして、図15A及び図15Bに示す造形パスを1セットとして、合計で8セット繰り返すことで積層造形を行い、リング状の流体接触部1を備える流体接触部材10を作製した。
流体接触部材10の製造後、室温まで冷却した後、650℃で2時間の熱処理を行うことで、上記の熱処理工程S8を行った。熱処理工程S8の後、再度室温まで自然冷却を行った。
また、比較例1として、実施例1と同じ原料108を用い、アセチレンを用いたガス溶接を用いて流体接触部材を作製した。さらに、比較例2として、実施例1と同じ原料108を用い、TIG溶接により流体接触部材を作製した。なお、比較例1及び2では、入熱量及びQpのいずれも、上記「本発明の製造方法」の説明において記載した数値範囲から外れるものである。
形成した実施例1、比較例1及び比較例2の流体接触部の外観を目視及び光学顕微鏡により観察したところ、実施例1では、ピンホール、ボイド等の欠陥は認められなかった。また、実施例1の流体接触部1について超音波探傷試験による内部欠陥検査を行ったところ、欠陥の指示は確認されなかった。一方で、比較例1及び2の流体接触部について、実施例1と同様にして超音波探傷試験を行ったところ、粗大な化合物相の影響によりエコーが乱れ、超音波探傷が不可能であった。
形成した実施例1、比較例1及び比較例2の流体接触部の断面組織を光学顕微鏡により観察した。光学顕微鏡により観察した実施例1の断面が上記の図1~図4、比較例1の断面が上記の図6であり、比較例2の断面が上記の図7である。実施例1では、2次アーム5の平均間隔は2.7μmであった。一方で、比較例1では、2次アーム5の平均間隔は非常に大きく、17μm以上であった。さらに、比較的入熱量が小さいTIG溶接により作製した比較例2でも、2次アーム5の平均間隔は9.95μm以上であった。従って、本発明の製造方法に係る実施例1によれば、コバルト基合金相2でのデンドライトの2次アーム5の平均間隔を5μm以下にすることができた。
また、形成した実施例1、比較例1及び比較例2の流体接触部のそれぞれについて、JIS Z 2244:2009に基づいてビッカース硬さを測定した。測定は、作製した流体接触部材を用い、母材上に形成された流体接触部について行った。この結果、実施例1ではビッカース硬さは510HVであった。一方で、比較例1ではビッカース硬さは425HV、比較例2ではビッカース硬さは435HVであった。従って、デンドライトの2次アーム5の平均間隔が5μm以下の本発明によれば、比較例1及び2よりもビッカース硬さを向上できた。従って、本発明によれば、耐摩耗性に優れた流体接触部材を製造することができる。
さらに、形成した実施例1、比較例1及び比較例2の流体接触部のそれぞれについて、JIS Z 2242:2005に基づくシャルピー衝撃試験(ノッチあり)を行った。測定は、作製した流体接触部材を用い、母材上に形成された流体接触部について行った。シャルピー衝撃試験は室温(25℃)で3回ずつ行った。この結果、実施例1では3回の平均値として11.5J/cmであった。一方で、比較例1及び比較例2では3.6J/cmであった。
また、ノッチ無しの試験片を用いたこと以外は同様にしてシャルピー衝撃試験を行った。この結果、実施例1では3回の平均値として60J/cmであった。一方で、比較例1では11.8J/cmであった。また、比較例2での試験は行っていないが、ノッチありの試験において比較例1と比較例2とが同じ結果であったことから、ノッチ無しの試験片を用いた場合であっても、比較例1の結果(11.8J/cm)と同程度になると考えられる。
従って、コバルト基合金相2でのデンドライトの2次アーム5の平均間隔が5μm以下の本発明によれば、比較例1及び2よりもシャルピー衝撃強度を向上できた。従って、本発明によれば、耐衝撃性に優れた流体接触部材を製造することができる。特に、ノッチありの実施例1と、ノッチ無しの比較例1とはほぼ同じ数値であったことから、仮に流体接触部1の表面に傷がついて衝撃性が低下した場合であっても、傷が無い従来品と少なくとも同程度の耐衝撃性を備えることができる。
そして、作製した実施例1、比較例1及び比較例2の流体接触部材のそれぞれについて、耐食性を評価した。即ち、それぞれの流体接触部材を288℃の高温水に1500時間浸し、腐食試験を行った。1500時間経過後の各流体接触部材を高温水から取り出し、各金属組織の断面を光学顕微鏡により観察した。
観察の結果、実施例1の流体接触部における最大浸食深さは約5μmであった。一方で、比較例1の流体接触部における最大浸食深さは約60μm、比較例2の流体接触部における最大浸食深さは約25μmであった。従って、コバルト基合金相2でのデンドライトの2次アーム5の平均間隔が5μm以下の本発明によれば、比較例1及び2よりも最大浸食深さを低減できた。従って、本発明によれば、耐食性に優れた流体接触部材10を製造することができる。
また、作製した実施例1、比較例1及び比較例2の流体接触部のそれぞれについて一部を採取して、それぞれの縮小破壊靭性試験片を作製した。作製したそれぞれの縮小破壊靭性試験片を用いて、JIS G 0564:1999に基づく破壊靭性試験を行った。試験の結果、実施例1でのK1Cは41.5MPa・m1/2であった。一方で、比較例1でのK1Cは11MPa・m1/2であった。また、比較例2での試験は行っていないが、ビッカース硬さ、シャルピー衝撃試験において比較例1と比較例2とは同じような結果が得られたことから、比較例2の破壊靭性は比較例1と同程度であると考えられる。従って、コバルト基合金相2でのデンドライトの2次アーム5の平均間隔が5μm以下の本発明によれば、比較例1及び2よりも破壊靭性を向上できた。従って、本発明によれば、大きな負荷が加わった場合でも破壊し難くなり、信頼性に優れた流体接触部材10を製造することができる。
<実施例1のまとめ>
以上のように、実施例1では、耐食性を含む様々な性能に優れた流体接触部材10を製造できた。従って、2次アーム5の平均間隔を5μm以下にすることで、特に耐食性に優れた流体接触部1を備える流体接触部材10を製造できた。
<実施例2>
熱処理工程S8の有無による残留応力緩和効果について、図16に示す製造装置400を用いて実施例2の流体接触部材10を製造して評価した。
図16は、実施例2で使用した製造装置400を示す図である。製造装置400は上記の高周波加熱コイル340及び高周波電源341(いずれも図14参照)を備えない代わりに、母材101の側面を覆うリボンヒータ440と、リボンヒータ440用の電源441とを備える。リボンヒータ440は母材101の全周を覆うように配置される。パス間温度は、図示しない熱電対で母材101の温度を測定しながらフィードバックし、電源441の出力を制御した。パス間温度は上記の実施例1と同じにした。そして、上記の実施例1と同様にして溶融工程S5及び熱処理工程S8を行い、流体接触部1を備えるリング状の流体接触部材10を作製した。
図17Aは、実施例2での流体接触部1が形成された母材101の斜視図である。熱処理工程S8後の流体接触部1に対し、周方向に等間隔で8つのひずみゲージ70を張り付けた。ひずみゲージ70により、流体接触部1の引張残留応力を測定した。ひずみゲージ70について図17Bを参照しながら説明する。
図17Bは、図17AにおけるG部拡大図である。ひずみゲージ70は3軸ロゼット解析可能なものであり、第1軸と、第1軸に垂直な方向に延びる第2軸と、第1軸に対して45°の角度を有する第3軸とにより構成される3方向のひずみ(抵抗変化)を測定可能なものである。
引張残留応力は、8つのひずみゲージ70を用いた切断解放によって測定した。この結果、流体接触部1の径方向及び周方向のいずれにおいても、残留応力は200MPa以下であった。一方で、熱処理工程S8を行わないこと以外は実施例2と同様にして作製した流体接触部材10での流体接触部1の残留応力は、径方向及び周方向のいずれにおいても、引張残留応力は約750MPa~800MPaであった。従って、熱処理工程S8により引張残留応力を大幅に低減できた。
1 流体接触部
10 流体接触部材
100 製造装置
101 母材
105 内ノズル
106 外ノズル
107 レーザ光
108 原料
111 流体接触部
115 ノズル
125 シールドノズル
126 原料供給ノズル
2 コバルト基合金相
20 弁
200 製造装置
21 コバルト基合金相
3 化合物相
300 製造装置
330 レーザ発振器
331 プロセスファイバ
340 高周波加熱コイル
341 高周波電源
360 粉末供給機
361 ホース
4 1次アーム
400 製造装置
440 リボンヒータ
441 電源
5 2次アーム
70 ひずみゲージ
81 弁棒
82 弁箱
83 弁体(流体接触部材)
84 接触部(流体接触部)
85 弁座本体部(母材)
86 弁座(流体接触部材)
87 接触部(流体接触部)
88 弁体本体部(母材)
L1 中心線
L2 中心線

Claims (12)

  1. 流体と接触する流体接触部を備え、
    前記流体接触部は、デンドライトを有するコバルト基合金相と、前記デンドライトの間隙に形成されるとともに炭化クロムを含む化合物相とを有し、
    前記流体接触部は、
    炭素を0.9質量%以上、
    クロムを26質量%以上32質量%以下、
    タングステンを0質量%以上6質量%以下、
    ニッケルを0質量%以上1質量%以下、
    鉄を0質量%以上1質量%以下、
    モリブデンを0質量%以上1質量%以下、及び、
    残部としてコバルト、及び不可避的不純物からなり、
    前記デンドライトを構成する1つの1次アームから延びる複数の2次アームのうち、隣接する前記2次アームの平均間隔が5μm以下になっている
    ことを特徴とする、流体接触部材。
  2. 前記平均間隔は3μm以下である
    ことを特徴とする、請求項1に記載の流体接触部材。
  3. 前記化合物相は前記デンドライトの間隙に不連続的に形成される
    ことを特徴とする、請求項1又は2に記載の流体接触部材。
  4. 前記流体接触部は、3質量%以上6質量%以下の割合でタングステンを含む
    ことを特徴とする、請求項1~の何れか1項に記載の流体接触部材。
  5. 原子力設備用の流体接触部材を含む
    ことを特徴とする、請求項1~の何れか1項に記載の流体接触部材。
  6. 弁体及び弁座のうちの少なくとも一方を含む
    ことを特徴とする、請求項1~の何れか1項に記載の流体接触部材。
  7. 請求項1~6の何れか1項に記載の流体接触部材を製造する方法であって、
    コバルト、クロム及び炭素を含む原料の母材への供給位置の移動を行いながら前記母材上での前記原料の溶融を行う溶融工程を含み、
    前記溶融工程における前記溶融は、前記移動の距離あたり前記原料への入熱量をQ(kJ/cm)、前記移動の距離あたりの前記母材への前記原料の供給量(g/cm)をW(kJ/g)とすると、
    Q≦12kJ/cm、かつ、
    2kJ/g≦Q/W≦60kJ/g
    になるように行う
    ことを特徴とする、流体接触部材の製造方法。
  8. 前記溶融工程における溶融は、前記原料を含む粉末及び前記原料を含む線材のうちの少なくとも一方の原料を用いた付加製造技術によって行う
    ことを特徴とする、請求項に記載の流体接触部材の製造方法。
  9. 前記溶融工程は、前記母材の温度及びパス間温度のうちの少なくとも一方の温度を200℃以上700℃以下の状態で積層造形を行う
    ことを特徴とする、請求項又はに記載の流体接触部材の製造方法。
  10. 前記溶融工程後、前記母材から外部への放熱速度が自然冷却速度よりも遅い速度での冷却を行う冷却工程を含む
    ことを特徴とする、請求項の何れか1項に記載の流体接触部材の製造方法。
  11. 前記冷却工程における冷却は、前記母材から外部への放熱を抑制するための放熱抑制部材を前記母材に接触させて行う
    ことを特徴とする、請求項10に記載の流体接触部材の製造方法。
  12. 前記溶融工程後、200℃以上700℃以下の温度で熱処理を行う熱処理工程を含む
    ことを特徴とする、請求項11の何れか1項に記載の流体接触部材の製造方法。
JP2019001434A 2019-01-08 2019-01-08 流体接触部材及び流体接触部材の製造方法 Active JP7160694B2 (ja)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019001434A JP7160694B2 (ja) 2019-01-08 2019-01-08 流体接触部材及び流体接触部材の製造方法
US17/311,726 US11946554B2 (en) 2019-01-08 2019-11-06 Fluid contact member and method of manufacturing fluid contact member
PCT/JP2019/043433 WO2020144924A1 (ja) 2019-01-08 2019-11-06 流体接触部材及び流体接触部材の製造方法
EP19909009.3A EP3909705A4 (en) 2019-01-08 2019-11-06 FLUID CONTACT ELEMENT AND METHOD OF MAKING A FLUID CONTACT ELEMENT

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019001434A JP7160694B2 (ja) 2019-01-08 2019-01-08 流体接触部材及び流体接触部材の製造方法

Publications (3)

Publication Number Publication Date
JP2020111768A JP2020111768A (ja) 2020-07-27
JP2020111768A5 JP2020111768A5 (ja) 2021-12-02
JP7160694B2 true JP7160694B2 (ja) 2022-10-25

Family

ID=71520693

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2019001434A Active JP7160694B2 (ja) 2019-01-08 2019-01-08 流体接触部材及び流体接触部材の製造方法

Country Status (4)

Country Link
US (1) US11946554B2 (ja)
EP (1) EP3909705A4 (ja)
JP (1) JP7160694B2 (ja)
WO (1) WO2020144924A1 (ja)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003207059A (ja) 2002-01-11 2003-07-25 Hitachi Ltd 弁及びその製造方法
WO2013058339A1 (ja) 2011-10-21 2013-04-25 京セラメディカル株式会社 生体用Co-Cr-Mo合金

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS60100642A (ja) * 1983-11-07 1985-06-04 Agency Of Ind Science & Technol 高近性高温高強度コバルト基合金の製造法
JPS61296979A (ja) * 1985-06-25 1986-12-27 Toyota Motor Corp 内燃機関用バルブ
US4814236A (en) * 1987-06-22 1989-03-21 Westinghouse Electric Corp. Hardsurfaced power-generating turbine components and method of hardsurfacing metal substrates using a buttering layer
JPH08215842A (ja) * 1995-02-15 1996-08-27 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 高温摺動部材
JPH08283894A (ja) * 1995-04-17 1996-10-29 Toshiba Corp 耐摺動摩耗材料およびこの材料を用いた摺動部品,封水装置
JP2000273573A (ja) 1999-03-26 2000-10-03 Hitachi Ltd 耐蝕・耐摩耗合金とその合金を用いた機器
JP5917312B2 (ja) * 2012-06-20 2016-05-11 株式会社東芝 蒸気弁装置およびその製造方法
CN109937387B (zh) * 2012-11-08 2022-08-23 Ddm系统有限责任公司 金属部件的增材制造及维修
CA2903994C (en) 2013-03-15 2017-08-22 Philip S. Low Synthesis and composition of amino acid linking groups conjugated to compounds used for the targeted imaging of tumors
JP6509290B2 (ja) * 2017-09-08 2019-05-08 三菱日立パワーシステムズ株式会社 コバルト基合金積層造形体、コバルト基合金製造物、およびそれらの製造方法
CN107876762B (zh) * 2017-11-05 2019-07-16 湖南大学 一种实现镍基功能零件局部凝固组织定制的激光金属3d打印方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003207059A (ja) 2002-01-11 2003-07-25 Hitachi Ltd 弁及びその製造方法
WO2013058339A1 (ja) 2011-10-21 2013-04-25 京セラメディカル株式会社 生体用Co-Cr-Mo合金

Also Published As

Publication number Publication date
EP3909705A1 (en) 2021-11-17
JP2020111768A (ja) 2020-07-27
US20220025984A1 (en) 2022-01-27
EP3909705A4 (en) 2022-08-24
WO2020144924A1 (ja) 2020-07-16
US11946554B2 (en) 2024-04-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Singh et al. A review on process planning strategies and challenges of WAAM
Jhavar et al. Development of micro-plasma transferred arc (μ-PTA) wire deposition process for additive layer manufacturing applications
Guo et al. Additive manufacturing of Ni-based superalloys: Residual stress, mechanisms of crack formation and strategies for crack inhibition
Ye et al. Study of hybrid additive manufacturing based on pulse laser wire depositing and milling
Yang et al. Additive/subtractive hybrid manufacturing of 316L stainless steel powder: Densification, microhardness and residual stress
Lee et al. Repair of damaged parts using wire arc additive manufacturing in machine tools
JP7287916B2 (ja) 積層造形物の製造方法、及び積層造形物
Li et al. Microstructure evolution and mechanical properties of 308L stainless steel coatings fabricated by laser hot wire cladding
Rojas et al. Preliminary geometrical and microstructural characterization of WC-reinforced NiCrBSi matrix composites fabricated by plasma transferred arc additive manufacturing through Taguchi-based experimentation
Jhavar Wire arc additive manufacturing: approaches and future prospects
Kim et al. Plasma-assisted machining characteristics of wire arc additive manufactured stainless steel with different deposition directions
Gao et al. Microstructure and mechanical properties of 9Cr martensitic heat-resistant steel fabricated by wire and arc additive manufacture technology
Sharma et al. Processing techniques, microstructural and mechanical properties of wire arc additive manufactured stainless steel: a review
Kong et al. High-rate laser metal deposition of Inconel 718 component using low heat-input approach
CN105088220A (zh) 一种激光熔敷用复合碳化物碳氮化物合金
McNutt An investigation of cracking in laser metal deposited nickel superalloy CM247LC
JP7160694B2 (ja) 流体接触部材及び流体接触部材の製造方法
Saleh et al. Fundamentals and advances of wire arc additive manufacturing: materials, process parameters, potential applications, and future trends
Miyake et al. Microstructure and mechanical properties of additively manufactured CoCrW alloy using laser metal deposition
Huser et al. Study of the elaboration of high entropy material from powder by laser additive manufacturing
Naksuk et al. Experimental investigation of hot-wire laser deposition for the additive manufacturing of titanium parts
JP2018009551A (ja) 蒸気タービン翼の製造方法
Zhong et al. Laser rapid manufacturing of special pattern Inco 718 nickel-based alloy component
Karşi et al. Optimization of Laser Cladding Process Parameters of a Martensitic Stainless Steel Coating on GGG70L Ductile Cast Iron.
Chen et al. Wire Arc Additive Manufacturing: Systems, Microstructure, Defects, Quality Control, and Modelling

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20211020

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20211020

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20220816

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20220916

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20221004

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20221013

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7160694

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150