JPH04337011A - 傾斜組成材料の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】〔発明の目的〕

【０００２】

【産業上の利用分野】本発明は傾斜組成材料の製造方法
に係り、特に組織が緻密な傾斜組成材料を得ることがで
きる傾斜組成材料の製造方法に関する。

【０００３】

【従来の技術】例えば宇宙機器や核融合炉等に適用され
る壁材等には、一側面側に超耐熱性、他側面側に高機械
的強度等が求められる。このような壁材等には従来、コ
ーティングまたは異種材料の接合構造等が多用されてい
たが、加工時の残留応力の影響で剥離や割れが生じる場
合がある。

【０００４】そこで近年、新素材が種々開発され、その
一つに傾斜組成材料がある。傾斜組成材料は、機能の異
なる２以上の異種材料を組成比率を次第に変化させて複
合したもので、組成が変化する方向において特性が傾斜
状に変化するものである。したがって、一般的な均質材
料では得られない特性、例えば同一部材の一側面に超耐
熱性、他側面に高機械的強度を有する等の特性が発揮さ
れる。

【０００５】このような傾斜組成材料を製造する方法と
して、これまで粉末を傾斜状に積層して所定形状に成形
して焼結する焼結法、基材に傾斜組成となる溶射を行う
溶射法、基材に傾斜組成となる蒸着を行うＣＶＤ法また
はＰＶＤ法等が提案されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上述した従
来の方法で製造された傾斜組成材料では、組織の大きさ
が不均一となったり、気孔が発生する場合がある。この
ため、材料特性上のばらつきが大きく、例えば大形部材
への適用や、長尺部材等への適用が困難である等の問題
があった。

【０００７】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
もので、組織が緻密で、気孔が存在せず、材料特性のば
らつきが小さく、大形部材や長尺部材への適用に有効な
傾斜組成材料を得ることができる傾斜組成材料の製造方
法を提供することを目的とする。 〔発明の構成〕

【０００８】

【課題を解決するための手段および作用】傾斜組成材料
の形状や寸法、組成や気孔の設定等は、焼結法、溶射法
、気相法等によって比較的容易に行える。例えば焼結法
によって傾斜組成材料を製造する場合には、混合比や粒
度が異なる原料粉末を種々積層して大きさや形状が設定
でき、その後一体焼結することにより、組成や気孔を変
化させることができる。

【０００９】ただ、このようにして製作した傾斜組成材
料では、マクロ的には組成が連続的に変化しているが、
ミクロ的には、異種材料界面および気孔が存在する多層
積層体であり、このままでは傾斜組成化の効果が必ずし
も十分に発揮されず、前述した問題点が残る。

【００１０】そこで発明者においては、予め傾斜組成材
料の大きさや形状を設定した予備成形体を製作しておき
、その後、予備成形体に組成の変化する方向に沿って組
成歪みを与えれば、組織の緻密化および気孔消滅等が図
れるとの知見を得た。

【００１１】請求項１の発明はこのような知見に基づき
、２以上の異種材料粉末の複合・成形、または２以上の
異種材料板の重合により、組成比率が次第に変化する予
備成形体を作製し、この予備成形体を焼結または圧接に
より固化させてブロック状とした後、この予備成形体の
組成が変化する方向に加圧力を作用させて鍛造、圧延、
引抜きその他の塑性加工を施して傾斜組成材料を得るこ
とを特徴とする。

【００１２】すなわち、原料として２以上の異種材料粉
末を使用する場合には、まず材料粉末を組成比率が次第
に変化するよう複合させて所定形状の予備成形体を作製
し、この予備成形体を焼結してブロック状とする。また
、原料として２以上の異種材料板を使用する場合には、
材料板の重合により組成比率が次第に変化する予備成形
体を作製し、この予備成形体を圧接させてブロック状と
する。

【００１３】そして、傾斜組成材料製品が板状である場
合には、予備成形体に塑性加工として鍛造または圧延加
工等を施し、またパイプ状あるいは丸棒状等である場合
には、引抜き加工等を施すものである。

【００１４】本発明では、例えばオーステナイト系ステ
ンレスとフェライト系ステンレスとを構成素材とする傾
斜組成材料の如く、延性を有する材料の組合せが好適で
ある。

【００１５】また、本発明が適用可能な材料としては、
ステンレス鋼、低合金鋼、炭素鋼、またはＴｉ，Ａｌ，
Ｎｉ，Ｃｏ，Ｔａ，Ｗ，Ｍｏ，Ｖ，Ｂｅ，Ｃｕあるいは
それらを主成分とした合金等が挙げられる。

【００１６】このような本発明の製造方法によれば、焼
結または圧接によりブロック状に製作した予備成形体に
、組成が変化する方向の加圧力で塑性歪を生じさせるの
で、ミクロ的視点からしても異種材料界面が存在しない
緻密な組織が得られ、しかも気孔も消滅する。したがっ
て、得られる傾斜塑性材料は、特性および品質が安定し
、ばらつきが小さく高強度かつ高耐食性となり、大形部
材または長尺部材として容易に適用できるものとなる。

【００１７】また、請求項２の発明は、２以上の異種材
料粉末を組成比率が連続的に変化するよう積層して成形
し、その後焼結その他の手段で加熱固化することにより
、機能が連続的に変化する傾斜組成金属を得ることを特
徴とする。

【００１８】本発明によって製造される傾斜組成材料で
は、組成比率が連続的に変化することにより、異種材料
界面が表われない。したがって、熱膨張係数等の物性値
が連続的に変化するため、高温加熱時の熱応力を従来に
比して低減することができる。すなわち、割れ発生まで
の熱サイクル数を向上させ、材料寿命の大幅な向上が図
れるようになる。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。

【００２０】図１〜図６に一実施例を示している。本実
施例では、上述した金属の中から選択される２以上の異
種材料粉末を、組成比率が次第に変化するよう複合させ
て成形し、これにより予備成形体を作製し、この予備成
形体を焼結により固化させてブロック状とした後、この
予備成形体の組成が変化する方向に加圧力を作用させて
鍛造および圧延等の塑性加工を施し、これにより板状の
傾斜組成材料を得るものである。

【００２１】図１は本実施例における手順を示す工程図
である。すなわち、本実施例の方法は、異種材料粉末を
組成割合を変化させて積層する傾斜積層工程ａと、積層
した材料粉末を所定形状の予備成形体として成形する傾
斜成形工程ｂと、予備成形体を焼結してブロック状にす
る焼結工程ｃと、予備成形体を圧延可能な寸法まで減厚
する熱間鍛造工程ｄと、減厚した予備成形体を圧延ロー
ルにかけ、大型の平板状の傾斜組成材料を得る熱間圧延
工程ｅとからなる。

【００２２】傾斜積層工程ａでは、例えば図２に側面構
成を示す積層用装置が使用される。

【００２３】すなわち、積層用装置は図２に示すように
、上方に並列に配置された複数の原料粉末用槽１ａ，１
ｂ，１ｃと、その下方に配置された一つの混合槽２と、
さらに最下方に配置されたベルトコンベア等の粉末受け
台３等によって構成されている。

【００２４】各原料粉末用槽１ａ，１ｂ，１ｃは、それ
ぞれ重量測定用の天秤４ａ，４ｂ，４ｃを備えたホッパ
状のもので、下部にガス供給口５ａ，５ｂ，５ｃおよび
原料粉末供給ノズル６ａ，６ｂ，６ｃを有している。

【００２５】混合槽２は、混合粉末用天秤７を備えた大
形ホッパ状のもので、その上面受け口に、各原料粉末用
槽１ａ，１ｂ，１ｃの原料粉末供給ノズル６ａ，６ｂ，
６ｃが臨んでいる。この混合槽２は、内部に混合用羽根
８を有し、下部に混合粉末用ノズル９を有している。混
合粉末用ノズル９の下部には、混合粉末を下方に向って
末広がり状に放出ガイドする粉末供給板１０が設けられ
、放出される混合粉末は、移動する粉末受け台３上に、
シート状の積層充填粉末Ａとして堆積されるようになっ
ている。なお、粉末供給板１０は、図示しない駆動機構
によって任意の方向に移動可能とされ、これにより粉末
供給状態を変化させることが可能とされ、かつ粉末受け
台３上の隙間も調節可能とされている。

【００２６】しかして、工程ａで材料粉末の傾斜積層を
行う場合には、各原料粉末用槽１ａ，１ｂ，１ｃから、
原料粉末を連続的または階段状に組成割合を変化させな
がら混合槽２に供給し、混合槽２では羽根８を回転させ
て原料粉末を均一に混合し、混合粉末を粉末供給板１０
を介して粉末受け台３上に供給し、シート状の積層充填
粉末Ａを形成する。

【００２７】なお、原料粉末用槽１ａ，１ｂ，１ｃから
の原料粉末の供給量は、槽下部のノズル径や粉末供給ガ
ス圧を変えることにより調節する。また、混合槽２では
、粉末重量の変化に基づいて粉末供給量を調節する。 これにより、積層充填粉末Ａの組成形態を連続的または
階段状に変化させる。これらの調節および羽根８の回転
速度等は、コンピュータにより制御する。

【００２８】コンピュータの系統構成を図３に示す。す
なわち、天秤４ａ，４ｂ，４ｃ，７からの重量情報がＣ
ＰＵ１１に入力され、ＣＰＵ１１での演算により粉末混
合割合が求められる。この求められた粉末混合割合に基
づいて、ガス圧コントローラ１２ａ，１２ｂ，１２ｃが
駆動され、原料粉末用槽１ａ，１ｂ，１ｃからの原料粉
末の供給量が制御される。同様に、羽根回転速度コント
ローラ１３、ガス圧コントローラ１４および粉末供給板
速度コントローラ１５が駆動され、これらにより粉末混
合制御、混合粉末供給ガス制御および粉末積層速度制御
が行われる。

【００２９】このようにして積層された傾斜組成の積層
充填粉末Ａを、傾斜成形工程ｂで予備成形体Ａ１として
の所定形状に成形した後、焼結工程ｃで焼結し、これに
より予備成形体Ａ１をブロック状にする。

【００３０】次に、熱間鍛造工程ｄで予備成形体Ａ１を
圧延可能な寸法まで減厚し、その後、熱間圧延工程ｅで
平板状の傾斜組成材料Ａ２とする。

【００３１】熱間圧延工程ｅでの作用を、図４に示す。 すなわち、前記工程で減厚したブロック状の予備成形体
Ａ１を、一対の圧延ロール１６ａ，１６ｂ間に供給して
圧延し、これにより予備成形体Ａ１の組成が変化する方
向の加圧力によって塑性歪を生じさせ、傾斜組成材料Ａ
２とする。

【００３２】図５は、本実施例の方法で製造された傾斜
組成材料Ａ２の組成を、従来技術によるものと比較して
、模式的に示したものである（白抜き部分が一の材料、
小円部分が他の材料である）。

【００３３】図５（Ａ）に示すように、従来技術による
傾斜組成材料Ａ０では、異種材料界面Ｂが形成されてい
たが、図５（Ｂ）に示すように、本実施例の場合にはミ
クロ的視点からしても異種材料界面が存在しない緻密な
組織となり、しかも気孔も消滅する。

【００３４】また、図６は、本実施例および従来例によ
り製造される傾斜組成材料に、５００°Ｃおよび１００
０°Ｃの温度差を与えた場合の、割れ発生までの熱サイ
クル数を示したものである。同図に示すように、本実施
例により製造される傾斜組成材料は、熱膨張率等の物性
値が連続的に変化するため、高温加熱時の熱応力が従来
の材料に比べて低減できる。したがって、割れ発生まで
の熱サイクル数（熱サイクルの試験における寿命）を大
幅に向上させることができる。

【００３５】以上のように、本実施例によって製造され
る傾斜塑性材料Ａ２は、特性および品質が安定し、ばら
つきが小さく、高強度かつ高耐食性となり、大形部材ま
たは長尺部材として容易に適用できるものとなる。また
、細い針金のようなものとしても好適である。従来方法
で製造した傾斜組成材料と比べた場合、残留応力が顕著
に低下し、材料の曲り変形低減、強度寿命の向上、応力
除去熱処理の省略が可能となる。さらに、本実施例では
材料に加工歪を与えることから、傾斜塑性材料Ａ２の靱
性を保ちつつ、強度の向上を図ることができる。このよ
うな傾斜塑性材料Ａ２の用途としては、例えば原子炉圧
力容器、ボイラ、原子炉貯槽等の壁材等が挙げられる。

【００３６】本実施例によれば、傾斜組成材料の組織の
緻密化等により熱応力の緩和が可能となり、熱サイクル
による材料の剥離、割れに関する寿命が改善され、大形
板、長尺板の製作が可能となり、さらに焼結法あるいは
溶射法ＣＶＤ、ＰＶＤ法等では困難であった高密度材料
の製作が可能となる等の効果が奏される。

【００３７】図７は本発明の他の実施例を示している。

【００３８】本実施例は、傾斜組成材料Ａ２を丸棒状と
する場合についてのものである。

【００３９】本実施例では図７に示すように、予備成形
体Ａ１を円柱状に形成し、塑性加工として引抜き加工を
行う点が前記一実施例と異なる。すなわち、円柱状の予
備成形体Ａ１は、径方向において組成が次第に変化する
傾斜組成とする。そして、引抜き工具としてダイ１７を
用い、予備成形体Ａ１の径方向寸法全体を均等に縮小す
るよう、所定の引抜き力で引抜き加工を行い、長尺な円
柱状の傾斜組成材料Ａ２を製造する。なお、他の工程に
ついては、前記一実施例の方法と特に変わりがないので
、説明を省略する。

【００４０】本実施例によっても、傾斜組成材料Ａ２の
組織の緻密化等により熱応力の緩和が可能となり、熱サ
イクルによる材料の剥離、割れに関する寿命が改善され
、大形板、長尺板の製作が可能となる等の効果が奏され
る。

【００４１】図８は本発明のさらに他の実施例を示して
いる。

【００４２】本実施例は、複数枚の異種材料板１８ａ〜
１８ｄを素材として予備成形体Ａ１を作製し、これに組
成加工を施して傾斜組成材料Ａ２を得る方法である。

【００４３】すなわち本実施例では、異種材料板１８ａ
〜１８ｄとして、材料組成は少しずつ異なるが、個々の
材料板自体の組成は均一なものを用意する。そして各異
種材料板１８ａ〜１８ｄを重合させ、これにより組成比
率が次第に変化する予備成形体Ａ１とする。なお、各材
料板１８ａ〜１８ｄは、例えば焼結等によって固化させ
たものを適用する。

【００４４】そして、予備成形体Ａ１を、図８に矢印Ｃ
で示すように圧接し、これによりブロック状とした後、
この予備成形体Ａ１の組成が変化する方向（板厚方向）
に加圧力が作用するよう、一対の圧延ロール１６ａ，１
６ｂ間に供給して圧延し、傾斜組成材料Ａ２を得る。

【００４５】本実施例によれば、組成が段階状に変化す
る傾斜組成材料Ａ２が、前記一実施例と同様に緻密組織
として得られるので、熱応力の緩和が可能となり、熱サ
イクルによる材料の剥離、割れに関する寿命が改善され
、大形板、長尺板の製作が可能となる等の効果が奏され
る。

【００４６】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、傾斜組
成の予備成形体に塑性加工を施すことにより、また傾斜
組成を連続的に組成変化させることにより、組織が緻密
で、気孔が存在せず、材料特性のばらつきが小さく、大
形部材や長尺部材への適用に有効な傾斜組成材料を得る
ことができる等の優れた効果が奏される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す工程図。

【図２】前記実施例に使用する材料粉末の積層用装置を
示す構成図。

【図３】図２に示す装置を制御するコンピュータを示す
系統図。

【図４】前記実施例における圧延工程を示す図。

【図５】前記実施例による製品状態を従来例と比較して
示す図で、（Ａ）は前記実施例例によって製造した場合
の模式図、（Ｂ）は従来例によって製造した場合の模式
図。

【図６】前記実施例による効果を従来例との比較で示す
特性図。

【図７】本発明の他の実施例を示す引抜き工程図。

【図８】本発明のさらに他の実施例を示す圧延工程図。

【符号の説明】

Ａ　　材料粉末 Ａ１　　予備成形体 Ａ２　　傾斜組成材料 １８ａ〜１８ｄ　　材料板

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　２以上の異種材料粉末の複合・成形、
   または２以上の異種材料板の重合により、組成比率が次
   第に変化する予備成形体を作製し、この予備成形体を焼
   結または圧接により固化させてブロック状とした後、こ
   の予備成形体の組成が変化する方向に加圧力を作用させ
   て鍛造、圧延、引抜きその他の塑性加工を施して傾斜組
   成材料を得ることを特徴とする傾斜組成材料の製造方法
   。
2. 【請求項２】　　２以上の異種材料粉末を組成比率が連
   続的に変化するよう積層して成形し、その後焼結その他
   の手段で加熱固化することにより、機能が連続的に変化
   する傾斜組成金属を得ることを特徴とする傾斜組成材料
   の製造方法。