JPH0240637B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、制御された結晶方位を有する単結晶
材料を製造する方法に係り、更に詳細には単結晶
物品を固相状態にて製造する方法であつて、同一
の結晶方位を有する単結晶超合金物品を繰返し製
造する方法に係る。

当技術分野に於ては何年も前から金属単結晶が
知られている。1960年代までは単結晶は実験的に
のみ得られる珍しいものまたは金属の挙動原則を
研究するための手段としてしか考えられていなか
つた。1960年代の初期に、幾つかの高温用途に対
し金属単結晶は優れた機械的性質の可能性を与え
るものであることが認識されるようになつてき
た。この頃までに金属単結晶を固相状態にて製造
する種々の実験的方法が開発された。これらの方
法には再結晶化及び／又は結晶成長が含まれてお
り、これらの方法は1963年にWiley Publishing
Companyより出版された「The Art and
Science of Growing Crystals」（J.J.Gilman著）
に記載されている。

しかしその当時制御された結晶方位を有する同
一の単結晶超合金材料を多量に製造する方法に対
する必要性があつたかどうかは解らない。近年に
至り航空機用エンジンのための単結晶タービンブ
レードの製造との関連で上述の如き必要性が生
じ、その当時は単結晶を微細結晶の他の物品（そ
の内部にて単結晶を成長させんとする物品）に接
合することにより単結晶を種として使用する試み
がなされた。この方法は極く限られた場合を除き
満足し得るものではなく、極く限られた場合にし
か成功しない理由は解つていない。単結晶と微細
結晶部分との間の境界、即ち界面の性質はその境
界の移動性にとつて重要であり、また一般には単
結晶の種を他の物品に接合しても移動可能な境界
を発生させることができない。従つて同一方向に
結晶方位が配向された多量の単結晶材料を得るこ
とができるよう単結晶を再製造する方法が必要と
されていたことは明らかである。

本発明の目的は、制御された結晶方位を有する
単結晶材料を繰返し多量に製造することのできる
方法を提供することである。

本発明によれば、単結晶物品と単結晶物品製造
プロセスを繰り返すために種として使用され得る
他の物品とを同時に固相状態にて製造する方法に
より、同一の多数の単結晶物品が製造される。本
発明の方法は単結晶部分と微細結晶部分とを有す
る種物品を用いて開始される。この物品の微細結
晶部分は全体が微細結晶材料よりなる他の物品に
接合される。次いでその接合された物品が温度勾
配を与える手段に通されることにより単結晶が成
長せしめられ、単結晶は微細結晶材料及び接合部
を消費して成長する。単結晶の成長は微細結晶材
料よりなる物品の全体が単結晶に転換される前に
停止される。次いで微細結晶部分を含む物品が切
断されて、全体が単結晶である物品と単結晶の部
分と微細結晶の部分とよりなる他の物品とに分離
される。後者の物品（他の物品）は単結晶製造プ
ロセスを繰返すために使用されて良い。またこの
プロセスは同一の結晶方位を有する多数の単結晶
物品を製造すべく繰返されて良い。

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施例
について詳細に説明する。

本発明の方法は、一般に、広範囲のニツケル基
超合金、即ちガンマプライム（Ni₃、AlTi）によ
り強化されたニツケルをベースとする合金に対し
適用可能なものである。かかる合金の代表的な広
い組成範囲は２〜９％Al、０〜６％Ti、０〜16
％Mo、０〜12％Ca、０〜12％Ｗ、０〜４％Nb、
０〜20％Cr、０〜20％Co、０〜0.3％Ｃ、０〜１
％Ｙ、０〜0.3％Ｂ、０〜0.3％Zr、０〜２％Ｖ、
０〜５％Re、０〜３％Hf、残部実質的にNiであ
る。

原料としての超合金材料は加工可能な形態にて
用意されなければならない。一つの方法は焼結さ
れた粉末を使用することであり、他の一つの方法
は鋳造物品、好ましくは結晶を微細化された鋳造
物品を用いることである。以下の説明は本発明を
実施するための出発原料を用意する好ましい方法
に関するものである。この材料はガンマプライム
ソルバス温度に近いがそれ以下の温度にて熱間加
工される。この段階で行われる熱間加工は十分な
加工性を確保すべく約50％以上の圧下量にて行わ
れることが好ましい。次いでかくして熱間加工さ
れた材料は約65％にて冷間圧延される。この冷間
圧延工程は以下の如く行われる。先ず材料が冷間
圧延され、次いでクロスロール方向に、即ち最初
の冷間圧延方向に対し90゜の方向に第二の冷間圧
延が行われる。最初の冷間圧延工程に於ける厚さ
低減量と第二の冷間圧延工程に於ける厚さ低減量
との比は約75：25である。冷間圧延工程中及び熱
間圧延工程中には材料の割れを防止すべく必要に
応じて中間焼きなましが行われる。かくして処理
された物品は強力な（110）＜112＞シート状組織
を有している。

次いでかくして処理された材料は制御された方
位の単結晶を発生するよう一方向に再結晶化され
る。（110）＜112＞組織は再結晶により生じる結晶
の方位に大きく影響する。一方向再結晶化のパラ
メータを変化させることにより、使用可能な結晶
方位の組合せが選定される。

良好に結晶を一方向に成長させるに必要とされ
る必須条件の一つは、新たな結晶の核生成ではな
く既存の結晶の結晶成長を優先させる条件を確立
することである。上述の如き条件を発生させる微
細組織及び方法が米国特許第3975219号に記載さ
れている。これらの方法によれば、超合金物品内
に所望の条件を確立することができる。本発明の
方法が良好に実施されるためには、上述の如き二
つの物品が互いに接合され、その接合部の性質は
接合界面に於て新たな結晶の核生成が生じること
がなく結晶成長が接合部を容易に通過し得るもの
であることが必要である。かくして接合部の性質
は本発明の方法が良好に実施される上で重要であ
る。最適の接合部は少くとも約100倍に拡大して
視覚的に観察しても見ることのできないものであ
り、ベース材料より接合部領域に至るまで組成ま
たは微細組織に大きな変化のないものである。か
かる接合部は拡散接合によつて最も良好に得られ
る。拡散接合法に於ては、接合させるべき二つの
物品が浄化され、接合されるべき面が互いに対向
して当接した状態に配置され、圧力を加えつつガ
ンマプライムソルバス温度に近いがそれよりも低
い温度にまで加熱される。適正な温度、圧力、時
間の条件の下に於ては、拡散は一方の物品より他
方の物品へ界面を経て横切つて発生し、これによ
り二つの物品が接合する。かかる拡散効果を発生
させるためには、物品の接合されるべき面の平坦
度及び表面仕上げ度はそれらの接触面積が最大に
なるよう高いものでなければならず、また接合さ
れるべき表面は非常に高度に浄化されなければな
らない。表面仕上げの要件には、表面粗さが15マ
イクロインチRMS（381μRMS）以下であり、表
面平坦度が0.0002インチ（0.0005mm）以下である
ことが含まれている。所要の表面仕上げ特性は二
重デイスク研磨、表面研磨、ラツピング、または
これらの方法の組合せによつて得られる。本願発
明者等は実際には冷間加工された部分のない清浄
な表面を形成すべく最終表面仕上げ法として電解
研磨を使用した。電解研磨により表面より約
0.0001インチ（0.0003mm）の部分が除去されるこ
とが好ましい。拡散接合法は真空中にて最も良好
に行われるが、不活性雰囲気も使用されて良い。
真空が採用される場合には、10 トール以下程度
の真空レベルが必要である。超合金に対し拡散接
合が行われる場合の温度範囲は約1038〜1204℃
（約1900〜2200〓）であり、ガンマプライムソル
バス温度より83〜222℃（150〜400〓）低い範囲
であることが好ましい。また圧力は拡散接合中に
全体で１〜８％の（約２％が好ましい）の変形が
生じるに必要な圧力でなければならない。かかる
圧力は真空ホツトプレス装置、即ち接合されるべ
き材料の抵抗加熱を利用する装置、及び典型的に
はモリブデンよりなり超合金の低熱膨張係数を有
する工具を用いて超合金が保持され工具により保
持された超合金の相対膨張により圧力が発生され
る所謂デルタ−アルフア工具を用いることにより
発生されて良い。拡散接合の時間は、接合圧力及
び接合温度を発生させるべく使用される方法に応
じて、約１分〜約３時間の範囲である。

本発明は添付の図面を参照することによりより
良好に理解される。第１Ａ図、第１Ｂ図、第１Ｃ
図、第１Ｄ図は本発明の方法の四つの工程を示し
ている。第１Ａ図は二つの要素１０及び２０を示
している。要素１０は境界１３により互いに分離
された単結晶１２と微細結晶材料１４とよりなる
種部分である。要素２０はその全体が要素１０の
微細結晶材料１４と同様の微細結晶材料よりなつ
ており且一般には要素１０の微細結晶材料と同一
である。

第１Ｂ図は本発明の方法に於ける次の工程を示
している。第１Ｂ図に於ては、元の要素１０及び
２０は互いに拡散接合されて物品３０に形成され
ている。部分３２は単結晶部分であり、部分３３
は境界であり、部分３４及び３６は微細結晶部分
であり、部分３５は元の要素１０及び２０間の拡
散接合部である。

第１Ｃ図は単結晶を成長させ、これにより単結
晶部分と微細結晶部分との間の境界を元の要素１
０及び２０の間の接合部３０を経て物品に沿つて
下方へ移動させ、微細結晶材料の大部分が消費さ
れて種単結晶１２の結晶方位と厳密に同一の結晶
方位を有する単結晶材料に転換すべく、一方向結
晶成長処理が行われた後に於ける物品の形態を示
している。

第１Ｄ図は第１Ｃ図に示された物品が二つの要
素に切断された後に於ける物品を示してる。要素
４０は本発明の方法の産物としての単結晶材料で
あり、要素５０は境界部５３により互いに分離さ
れた単結晶部分５２と微細結晶部分５４とよりな
つており、第１Ａ図に示された出発原料としての
要素１０と同一である。かくして本発明の方法は
何回も繰返されて良く、本発明の方法に於て迫加
供給される物品は結晶成長せしめられる微細結晶
材料であり、製造される物品は結晶方位が注意深
く制御された単結晶物品である。本発明の方法に
より製造される物品の結晶方位に対する制御は使
用される工具の機械的精度によつてのみ制限され
る。

第１Ａ図、第１Ｂ図、第１Ｃ図、第１Ｄ図は、
本発明の方法が棒状物品の製造に対し適用された
場合の各工程を示している。しかし本発明の方法
により製造される単結晶材料が有用性を発揮する
物品の中には、厚さが0.010〜0.200インチ（0.025
〜0.508cm）程度のシートまたは板状体の形態に
て単結晶材料が製造されることを要するものがあ
る。かかる材料の製造方法が第１Ｂ図に類似する
第２図に示されている。第２図は要素１２０に接
合された要素１１０よりなる互いに接合されたシ
ート原料物品を示してる。要素１１０は境界１１
３により互いに分離された単結晶部分１１２と微
細結晶部分１１４とよりなつている。要素１２０
はその全体が一方向結晶成長に従順な微細結晶材
料よりなつている。この材料は、単結晶部分１１
２の単結晶が要素１２０の方向へ互いに接合され
た物品の長さ方向に沿つて成長するよう、後に説
明する要領にて温度勾配を与える手段に通され
る。本発明のこの実施例に於ける特異且必須の局
面は、単結晶が重ね継手の部分を横切つて成長し
要素１２０の部分にまでその成長が進行するとい
うことである。この段階に於ける境界は例えば第
２図に於て符号１１３′にて示されている如き位
置にある。この段階に於ては、物品の条件は第１
Ｃ図の場合の条件と同様であり、単結晶部分は接
合された物品の主要部を占めている。この物品は
第１Ｄ図の場合と同様に切断されて、処理前には
要素１２０であつた単結晶物品と、境界１１３′
により互いに分離された種単結晶と次の工程に於
て結晶成長せしめられる微細結晶部分よりなる新
たな種要素とに分離される。かくして形成された
単結晶物品は例えば米国特許第3827563号に記載
されている如く、ガスタービンエンジンに於て特
に有用な高強度物品の製造に使用される。他方の
要素、（新たな種要素）１２６は上述のプロセス
を繰返すために使用される。第２図に於て仮想線
にて示されている如く、要素１１０及び１２０は
その接合端部近傍に於て混合または面取りされて
いる。このことによりこの接合部が温度勾配を与
える手段に通された時新たな結晶の核生成が生じ
ることが低減される。

第１Ａ図、第１Ｂ図、第１Ｃ図、第１Ｄ図に示
された方法及び第２図を参照しつつ説明した方法
は、単結晶物品及び本発明の方法を継続すべくそ
の後使用される新たな種部分を製造するためにプ
ロセス開始種要素が使用される代表的な方法であ
る。この場合如何にプロセス開始種要素を形成す
るかという疑問が生じる。この疑問に対する答え
が第３Ａ図、第３Ｂ図、第３Ｃ図に示されてい
る。第３Ａ図に於ては、大部分が結晶成長せしめ
られる微細結晶材料２１４よりなるシート材料２
１０が示されている。シート材料２１０の一端に
は複数個の歯が形成されている。このシート材料
がその歯の部分が最初に温度勾配に入るよう温度
勾配に通されると、各歯の先端またはその近傍に
於て単結晶の核が発生し、シート材料が温度勾配
内を進行するにつれて該シート材料の歯を設けら
れた側とは反対の側の端部へ向けて単結晶が成長
する。この場合単結晶の核生成及びその方位は幾
分かランダムなものであり、微細結晶材料２１４
を適正に形成することにより結晶方位をかなり制
御することができるが、複数個の単結晶を発生さ
せ次いでＸ線法を用いて結晶の方位を測定し、更
に所望の方位に最も近い単結晶を選定する必要が
ある。かくして所望の単結晶が選定されると、好
ましくない他の歯が切取られ、そのシート材料が
炉内に戻され、選定された単結晶が第３Ｂ図に示
されている如くシート材料に沿つて伝播成長せし
められる。第３Ｂ図に於ては、シート材料２１０
は微細結晶材料よりなる非単結晶部分２１４と、
境界２１３により微細結晶部分２１４より分離さ
れた単結晶部分２１２とよりなつている。シート
材料が温度勾配中を移動するにつれて、単結晶部
分と微細結晶部分とを分離する境界２１３は第３
Ｂ図に於て符号２１３′，２１３″にて示されてい
如くシート材料内を連続的に移動する。これと同
様の手続が1963年にJohn Wiley and Sonsより
出版され、J.J.Gilmanにより著わされた「The
Art and Science of Growing Crystals」の第
454頁に記載されている。かくして形成された物
品（第３Ｃ図）は第２図との関連で上述した方法
に於て使用されるに適したものである。

第４図は良好な拡散接合部の好ましい特徴を示
す顕微鏡写真である。この第４図に於て明らかな
最も重要な特徴は、接合部を光学的に分析するこ
とができないということである。接合部の光学的
に（約100倍）分析することができないという特
徴は、拡散接合部を経て単結晶が良好に伝播成長
する上で十分な条件であるもと考えられる。第５
図は帯状材料の二つの部分間の重ね継手を経て単
結晶が伝播成長した後に於ける組織を約４倍にて
示す顕微鏡写真である。この第５図に於て、材料
の上方部分は種物品であり、境界により互いに分
離された単結晶部分と微細結晶部分とよりなつて
いた。かかる上方部分が全体が微細結晶材料より
なる下方部分に接合された後、境界が重ね継手部
分を経て下方部分内へ移動するような熱処理条件
が採用された。また第５図はリーデイングエツジ
が温度勾配中を通過する際に新たな結晶が発生す
る虞れを低減すべく角が面取りされたリーデイン
グエツジを使用することをも示している。

第６図は角が面取りされたリーデイングエツジ
が使用されていない場合に於ける重ね継手部を示
す顕微鏡写真であり、この第６図よりリーデイン
グエツジの急峻な段部またはその近傍に二次また
は擬似結晶の核が発生しており、この二次結晶は
或る距離範囲に亙り伝播成長しているが、所望の
結晶方位を有する結晶により伝播成長が停止せし
められていることが解る。

この二次又は疑似結晶の核の発生は、第６図の
写真が示す継手部分のうち濃度が変化している部
分として示されている。

これより本発明をその理解を容易ならしめる一
つの例について説明する。

例 Ａ 材料の準備 １ 組成（wt％）：14.4Mo、6.25W、６〜8Al、
0.04C、残部Ni ２ 粒径：0.177mm ３ 稠密化方法：温度2250〓（1232℃）圧力
1103.5MPa時間２時間によるホツトアイソス
タテイツクプレス（HIP） ４ 熱間加工：温度1204℃（2200〓）、圧化率
60％による圧延 ５ 冷間圧延：全圧化率65％ ａ 長手方向冷間圧延 ｂ 横断方向冷間圧延 横断方向冷間圧延の悪化量に対する長手方
向冷間圧延の圧化量の比＝75：25、1204℃
（2200〓）に於ける中間焼きなまし ６ 得られた組織：単結晶（110）＜1127倍ラン
ダム Ｂ 種結晶の準備 第３Ａ図、第３Ｂ図、第３Ｃ図との関連で説
明した通り。結晶方位は長手方向に軸線軸線に
対し（100）＜110＞。

Ｃ 接合 １ 二重デイスク研磨による表面仕上げにより
６インチ当り0.0002インチ以内（15.24cm当
り0.0005cm以内）の平担度及び15μｍ以下の
表面粗さにて仕上げられた表面を当接。

２ 各表面より約0.0001インチ（0.0003cm）の
金属を除去すべく７％の過塩素酸を含有する
酢酸溶液中に浸漬し、温度室温、電圧25V、
時間60秒にて電解研磨することにより浄化さ
れた表面を当接。

３ ３時間に約２％の変形が生じるようデルタ
−アルフア（モリブテン）工具を用いて温度
1121℃（2050〓）（合金のガンマプライムソ
ルバス温度は1268℃（2315〓））にて接合。

Ｄ 一方向再結晶化 １ 温度勾配：ガンマプライムソルバス温度に
於て測定して39℃／cm（180〓／in） ２ 温度勾配を通過する際の接合された部材の
運動：長手方向冷間圧延の方向に平行、
0.125〜2in／hr（0.318〜5.08cm／hr）。（100）
＜１ 10＞単結晶が接合部を伝播成長。

３ 一方向再結晶化が停止され、再使用に適し
た単結晶／境界／微細結晶部分の物品が得ら
れた。

以上に於ては本発明を特定の実施例について詳
細に説明したが、本発明はかかる実施例に限定さ
れるものではなく、本発明の範囲内にて種々の実
施例が可能であることは当業者にとつて明らかで
あろう。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図、第１Ｂ図、第１Ｃ図、第１Ｄ図はそ
れぞれ本発明による単結晶材料製造方法の各工程
を示している。第２図はシート原料に対し適用さ
れた本発明による製造方法の一つの工程を示す解
図である。第３Ａ図、第３Ｂ図、第３Ｃ図は本発
明との関連で最初に使用される単結晶材料の製造
工程を示す解図である。第４図は本発明の方法に
於ける良好な接合部を示す顕微鏡写真である。第
５図は単結晶が接合部を経て成長した状態を示す
顕微鏡写真である。第６図は異質の結晶が発生し
ている接合部を示す顕微鏡写真である。 １０……要素、１２……単結晶、１３……境
界、１４……微細結晶材料、２０……要素、３０
……物品、３２……単結晶部分、３３……境界、
３４……微細結晶部分、３５……拡散接合部、３
６……微細結晶部分、４０……、５０……要素、
５２……単結晶部分、５３……境界部、５４……
微細結晶部分、１１０……要素、１１２……単結
晶部分、１１３……境界、１１４……微細結晶部
分、１２０……要素、２１０……シート材料、２
１２……単結晶部分、２１３……境界、２１４…
…微細結晶材料。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 制御された結晶方位を有する単結晶材料の製
   造方法にして、 単結晶部分と結晶成長を受入れる多結晶部分と
   を含み前記二つの部分は所定の温度勾配下を通る
   ことによつて前記多結晶部分内へ移動することが
   できる境界によつて分けられている出発物質であ
   る第一の物品を用意することと、 結晶成長を受入れる多結晶材料よりなる第二の
   物品を用意することと、 前記多結晶材料に結晶成長が受入れられること
   に対して悪影響を及ぼすことなく且前記境界が通
   過することを妨害しない接合部を形成する方法に
   よつて、前記第一の物品の多結晶部分が前記第二
   の物品に接合されるように前記第一の物品と前記
   第二の物品とを接合させることと、 前記単結晶部分が前記境界を経て前記第二の物
   品の多結晶材料内へ成長するように前記接合され
   た物品を温度勾配下にて処理することと、 を含むことを特徴とする方法。 ２ 特許請求の範囲第１項に記載された単結晶材
   料の製造方法にして、前記温度勾配下にて処理す
   る行程は単結晶の成長を前記多結晶材料が残つて
   いる時に停止させ前記接合された物品のうち単結
   晶部分と前記境界と前記多結晶部分とを含む部分
   を切離して前記製造方法を繰返すための出発物質
   を準備することを含むことを特徴とする方法。 ３ 特許請求の範囲第１項に記載された単結晶材
   料の製造方法にして、前記第一の物品と第二の物
   品に含まれる多結晶材料は前記単結晶部分と実質
   的に同一の結晶方向を有する単結晶の成長に特に
   適した所定の組織を有することを特徴とする方
   法。 ４ 特許請求の範囲第１項に記載された単結晶材
   料の製造方法にして、前記第一の物品と第二の物
   品はニツケル基超合金よりなり、該ニツケル基超
   合金のガンマプライムソルバス温度より83℃〜
   222℃（150〓〜400〓）低い範囲の温度にて行わ
   れる拡散接合法によつて接合されていることを特
   徴とする方法。 ５ 特許請求の範囲第１項に記載された単結晶材
   料の製造方法にして、前記第一の物品及び第二の
   物品は薄板形状をしており且互いに重ね継手によ
   つて接合され、前記第一の物品の単結晶部分に最
   も近い継手の段部即ちリーデイングエツジは継手
   の角部を滑らかにするために面取り加工されてい
   ることを特徴とする方法。