JPS58223688A - 制御された結晶方位を有する単結晶材料の製造方法 - 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】 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Ｃあって、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だめの手
段としてしか考えられていなかった。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
うになってきた。この頃までに金属単結晶を固相状態に
で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Ｃおり、こ
れらの方法は１９６３年にＷｉｌｅｙＰ０旧ｉｓｌ山１
（Ｉ　Ｃｏｍｐａｎｙより出版されＩｊｒＴＭＡｒｔ　
　ａｎｄ　５ｃｉｅｎｃｅ　ｏｆ　Ｑｒｏｗｉｒ＋ｇ　
　Ｃｒｙｓｔａｌｓ　Ｊ（Ｊ３、〕、Ｑｉ１ｍａｎ著）
に記載されテイル。

しかしその当時制御された結晶方位を有づる同一の単結
晶超合金材料を多量に製造する方法に対づる必要性があ
ったかど°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づる物品
）に接合することにより単結晶を種として使用づ−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１りるものではなく、極く限られた場合にしか成功し
ない理由は解っていない。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って重
要であり、また一般には単結晶の種を伯の物品に接合し
ても移動可能な境界を発生させることができない。従っ
て同一方向に結晶方位が配向された多聞の単結晶材料を
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右する単結晶材
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
時に同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Ｏｔ？スを繰返づために使用されて良い。またこのプ
［１セスは同一の結晶方位を有する多数の単結晶物品を
製造づ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、広範囲のニッケル基超合金、
即ちがンマプライム（Ｎｉ　９　、　ＡＩ　Ｔｉ　＞に
Ｊこり強化され１＝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％ＡＩ、０〜６％Ｔｉ、０”−１６％ＭＯ
１０〜１２％Ｃａ、０〜１２％Ｗ１０〜４％Ｎｂ　、０
−２０％Ｃｒ、０〜２０％Ｃｏ、０〜・０．３％Ｃ１０
〜１％Ｙ、０〜０．３％Ｂ１０＝０．３％Ｚｒ、０〜２
％ｖ、０〜５％Ｒｅ、０−３％１−１ｆ、残部実質的に
ｌ”Ｊｉ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
づることであり、他の−っの方法は鋳造物品、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
ダ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％以上の間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ｔ５ｍ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■稈に於
ける厚さ低減量と第二の冷間圧延工程に於番〕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市ずべく必要に
応じて中間焼きなましが行われる。か（して処理された
物品は強力な（１１０）＜１１２ンシ一ト状組織を有し
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要
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覆ることである。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
３，９７５，２１９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１ｊ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１りるもの（・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Ｖ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っ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、店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、拡りは一
方の物品にり他方の物品へ界面を経て横切って発生し、
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（３８１
μＲＭＳ）以下であり、表面平坦度が０．０００２イン
チ（０，０００５ｃｍ）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ィスク研磨、表面研磨
、ラッピング、またはこれらの方法の相合せによつＣ得
られる。本願発明者等は実際には冷間加１ニされた部分
のない清浄な表面を形成寸べく最終表面仕上げ法として
電解研磨を使用した。

電解研磨ににり表面より約０．０００１インチ（０，０
００３ｃｍ）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
　トール以下程疫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１９００〜
２２００下（約１０３８〜１２０４℃）であり、ガンマ
プライムソルバス温度より１５０〜４００下（６６・〜
２０４℃）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％がりｆ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
る圧力は真空ホットプレス装置、叩も接合されるべき材
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−アルファ工具を
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１さぜ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１
３により互いに分離された単結晶１２と微細結晶材料１
４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っ
ており且一般には要素１０の微細結晶月利と同一である
。

第１Ｂ図は本発明の方法に於番ノ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１０及び２００間
の接合部３５を経て物品に沿って下方へ移動させ、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右づ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番ノる物品の
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とよりなっＣ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
方法はい 何回も繰返されて良く、本発明の方法に於て追加供給さ
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っ
てのみ制限される。

第１八図、第１Ｂ図、第１Ｃ図、第１０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づる物品の中には、厚さが０．Ｑ
１０〜０．２００インチ（０，０２５〜０．５０８ｃｍ
）程度のシー［−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づるものがある。かかる月利の製
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１１３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とよりなっている。要
素１２０はそ、の全体が一方向結晶成長に従順な微細結
晶材料よりなっている。この材料は、単結晶部分１１２
の単梢晶が要１１２０の方向へ互いに接合された物品の
長さ方向に沿って成長刃るよう、後に説明する要領にて
温疫勾配を与える手段に通される。本発明のこの実施例
に於１）る特異且必須の局面は、単結晶が重ね継手の部
分を横切って成長し要素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ＧＪ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１Ｃ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１２０ｒあった単結
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１程に於て結晶成長「しめられる微細結晶部分
よりなる新／ｊ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３゜８２７．５６
３号に記載されている如く、ガスタービン１ンジンに於
τ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Ｊのプロセスを繰返り
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／ｅ時新たな結晶
の核生成が生じることが低減される。

第１八図、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サベくイ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
要素を形成づるかという疑問が生じる。この疑問に対づ
る答えが％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［−材料２１０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１〜材ＩＩ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−Ｃ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ｍを
設けられた側とは反対の側の端部へ向りて単結晶が成長
する。

この場合１１１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１３１．２１４を適正に
形成することにより結晶方位をかなり制御づることがで
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
晶を選定り−る必要がある。

か＜　Ｌ　Ｔ所望の単結晶が選定されると、好ましくな
い伯の歯が切取られ、イ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
材わＩに沿っ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とよりなっている。シー
ト材料が温度勾配中を移動づるにつれて、単結晶部分と
微、１１１ 細結晶部分とを分離する境界２１３は第３Ｂ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！Ｉｌｌする。これと同様の手続が１
９６３年にＪＯｈｎ　Ｗｔｌｅｙ　　ａｎｄ　５ｏｎｓ
より出版され、Ｊ、　Ｊ、　Ｇｔｌｍａｎにより著わさ
れたｒＴｂｅ　　Ａｒｔ　　ａｎｄ　５ｃｉｅｎｃｅ　
　ｏｆ　　Ｇｒｏｗｉｎｇ　　Ｃｒｙｓｔａ＋ｓ　Ｊ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承り顕微鏡
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づることかできないというこ
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っていた。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杼で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図はリーディングエ
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１べく混合されたリーディングエツジを使用
づることをも示し−（いる。

第６図は混合されたリーディングエツジが使用されＣい
ない場合に於（〕る重ね継手部を示す顕微鏡写真ぐあり
、この第６図よりリーディ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でおり、
この二次結晶は成る距離範囲に亙り伝播成長しているが
、所望の結晶方位を右する結晶により伝播成長が停止せ
しめられでいることが解る。

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　％　ン　　：　　１４．　４Ｍ
ｏ　　、　　６．　　２５Ｗ、６〜８Ａ＋　、０．０４
．Ｃ１残部Ｎｉ２、粒径：０．１７７ｗ＋ｍ ３、稠密化方法：温度２２５０下（１２３２℃）圧力１
１０３．５ＭＰａ時間２時間によるホットアイソスタテ
ィックプレス（ＬＩ　Ｉ　ｌ）　＞４、熱間加工：温度
２２００下（１２０４°Ｃ）、正比率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 １）、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
圧化聞の比−７５：　２５．２２００下（１２０４℃）
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 ８０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く１００）＜１
１０＞。

Ｃ１接合 １、二重ディ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（１５，２４０ｍ当りＯ，
０００５ｃｍ以内）の平担度及び１５μｍ以下の表面粗
さにて仕−Ｌげられた表面を当接。

２、各表面より約ｏ、ｏｏｏ−＋インヂ（０，０００３
Ｃｍ）の金属を除去すべく７％の過塩素酸を含有りる酢
酸溶液中に浸漬し、湿反室温、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
ファ（モリブテン）■具を用いて温度２０５０下（１１
２１℃）　（合金のガンマプライムソルバス温度は２３
１５下（１２６８℃））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１８０下／１ｎ（８２℃／ｃｍ）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゜０８０１１１／ｈｒ）　　。　（１００）　〈１１
０：・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
は当業者にとって明らかであろう。

【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１顕微
鏡写真ぐある。 第５図は単結晶が接合部を経て成長した状態を示づ顕微
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づ顕微鏡
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、３６・・・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、２１２・
・・単結晶部分、２１３・・・境界、２１４・・・微細
結晶′＋Ａ１”１特許出願人　　ユナイテッド・チクノ
ロシーズ・コーポレイション 代　　理　　人　　　　弁　　理　　士　　　　明　　
石　　昌　　毅４

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 制御された結晶方位を有づる単結晶材料を製造づる方法
   にして、 単結晶部分と結晶成長せしめられる多結晶部分とよりな
   り前記二つの部分は適正な条件下に於て前記多結晶部分
   内へ移動することのできる境界により分離されＣいる如
   き第一の物品を用意覆ることと、 結晶成長せしめられる多結晶材料よりなる第二の物品を
   用意覆ることと、 前記第一の物品の前記多結晶部分が前記第二の物品に接
   合されるよ−う、前記多結晶材料の結晶成長に対りる受
   容性に対し悪−影響を与えず且前記境界が通過層ること
   を妨害しない接合部を形成する方法により、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、 前記単結晶が前記境界を経て前記第二の物品の前記多結
   晶材料内へ成長するよう接合されｌ〔物品を温度勾配中
   にて処理づることと、 を含んでいることを特徴とする方法。