JPS5824505B2 - ニッケル基超合金表面の加工方法及び食刻剤 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はニッケル基超合金加工片の表面を加工する方法
及び食刻剤に係る。

超合金の加工は、放電電荷やレーザーを使用する方法の
如き熱影響によって金属を除去する方法（以下熱影響法
という）と化学研磨との組合せによって実施される。

ある一つの種類の材料としてガスタービンエンジンのエ
ーロフオイルの製造に使用される超合金は、金属を小さ
な切削片に転換するバイト等を使用する従来の金属切削
法により機械加工することが非常に困難なものである。

特に二つの型式の機械加工、即ち中空エーロフオイルの
壁面を貫通して微小な孔を穿孔すること、及びあるパタ
ーンの溝の如く複雑な外形をした三次元的な表面形状を
形成することが困難である。

従って過去数十年来、連続的又は間歇的な放電電荷、レ
ーザー、電子ビーム、電気化学的または化学的腐食等を
使用する方法の如き新たな方法が開発されてきた。

しかしこれら新たに開発された方法の多くは幾つかの欠
点を有している。

例えば、電気化学的または化学的腐食法は、多くのガス
ターピッエンジン構成要素に於ては少なくとも高い精度
が必要とされるのに対し、その加工の正確さに欠ける。

また大抵の鋳造用及び鋳造用エーロフオイル材料はある
程度冶金学的に不均一な部分や組成の異なる多数の相を
有している。

その結果化学的腐食に対する抵抗が局部的に異なり、こ
のことによって不規則な表面仕上げとなったり、最悪の
場合には結晶粒界の如きある領域が優先的に且過剰に腐
食され、その結果疲労割れの生じ易い不適当な表面とな
ることがある。

従って、特に超合金の優れた耐食性が強力な食刻剤にて
克服されなければならない化学研磨の場合には、食刻剤
や電解質の選定に関し充分な注意が払われなければなら
ない。

高密度ビームエネルギまたは放電電荷を使用する方法は
非常に密度の高い溶融及び蒸発化によって金属を除去す
るものであり、従って非常に高精度にて金属を加工し得
るものであるが、金属加工片に悪影響を与えることが多
い。

一例としてレーザーオたは電子ビーム穿孔法により孔を
形成する場合に於ける問題をより詳細に説明する。

ビームはそれが鋳造エーロフオイル加工片を貫通するま
で該加工片表面上に高密度にて衝突せしめられる。

かかる方法に於ては、金属は強力なビームエネルギによ
り溶融され且蒸発化され、これにより孔が形成される。

かかる方法に於けるビームの強度は、溶融され且蒸発化
された金属が形成される孔より放出される程のものであ
り１かかる効果は加工片の出口側表面に蒸発可能な轟て
材を使用することによって増大される。

しかし、一般には孔の周縁またはその長さ方向に沿う幾
つかの点に少量の溶融金属が残存する。

ビームエネルギの照射が停止されると、かかる溶融金属
層は非常に迅速に凝固する。

かくして形成される再鋳造層の冶金的組織は、制御可能
に鋳造され且緩慢に冷却されたエーロフオイル自体の冶
金的組織とは異なっており、かかる再凝固和才たは再鋳
造層には収縮により小さな割れが発生することが多い。

かくして再鋳造層が形成された孔を有するエーロフオイ
ルが使用されると、その不完全な再鋳造層は、孔に異常
な冶金的組織がない場合にエーロフオイルが有するであ
ろう耐疲労性に比べ、疲労によってエーロフオイルの割
れを早期に発生させる傾向がある。

従ってこれまでビームエネルギ穿孔法を１−正して再鋳
造層を排除せんとする多大の努力が払われてきたが、再
鋳造層を完全に排除するには至っていない。

他の一つの例として、あるパターンの深さが変化する溝
や窪みを加工片の表面に形成することがある。

放電加工は、かかる表面形状を成形する方法としては、
三次元的ダイシンキング（形彫り）と同程度に好ましい
方法である。

放電加工に於ては、予め成形された電極が加工片に近接
して配置され、その電極と加工片との間に発生された電
安スパーク電荷により加工片の表面より周囲の絶繻流体
中へ加工片の材料が蒸発化され且放出されＺ電荷により
加工した表面を観察すると、加工片Ｃ表面は一時的に溶
融され且その表面に付着した力１工片材料よりなる再鋳
造層を有していることがＵめられる。

更に放電加工面は一般に放電電荷の折数性により惹起こ
されたある程度の粗さを有しており、放電加工により形
成し得る表面よりもより平滑な表面を形成することが必
要とされること力づ多い。

勿論、放電加工面を平滑化すべく研削の如き一般的な二
次的機械加工工程が採用される場合には、放電加工法に
よる高精度が失われたり、コストが増大したりする。

従って、効率良く材料を除去し、しかも従来の鋳造面す
たけ機械加工された表面の表面仕上げにほぼ匹敵する表
面仕上げを達成する方法を得ることが非常に必要とされ
ている。

本発明の目的は、再鋳造層や他の不完全な表面を残すこ
となく熱影響法を用いて超合金を機械加工するための方
法及び食刻剤を提供することである。

本発明によれば、再鋳造層は、４０〜６０ｖ１％の硝酸
と、５〜２０ｖ１％の塩酸と、２０〜５５ｖ１％の水と
、０．００８〜０．０２５ｍｏｌ／＃の塩化第二鉄と、
少なくとも０．０１６ｍｏｌ／ｌの硫酸銅とよりなる組
成を有する食刻剤を用いて化学研磨により選択的に除去
される。

食刻剤は５０ｖ１％の硝酸と、１０ｖ１％の塩酸と、４
０ｖ１％の水と、１．３ｆ！／ｌの塩化第二鉄と、２．
６ｇ／１３の硫酸銅とよりなっているのが好ましい。

塩化第二鉄は材料の除去速度を改善するが、奸才しくな
いピッチングや粒間腐食を生じる傾向がある。

かかる傾向は硫酸銅を添加することによって防止され、
硫酸銅と塩化第二鉄とのモル比は２：１であるのが好ま
しい。

塩化第二鉄と硫酸銅との有益な組合せは他の食刻剤に於
ても採用可能である。

食刻剤は非常に特異な自己制限的な特徴を有している。

再鋳造層のみが除去され、再鋳造されていない金属は殆
ど除去されない。

食刻剤による材料の除去（好ましくは４０〜８０℃にて
実施された場合）中にはガスが発生し、ガス発生の終了
はイ騨研磨プロセスの完了は示す指標と考えられてよい
。

本発明は、熱影響法が非常に迅速であり、また化学研磨
が非常に選択的なものであり且迅速なものであるので、
超合金よりその一部の材料を除去するための一つの迅速
な方法である。

本発明による化学研磨法によれば、好ましくない冶金的
特徴のない機械加工された超合金表面を得ることができ
る。

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を好ましい実施例
について詳細に説明する。

これより本発明を、ニッケル基超合金ＭＡＲＭ−２００
＋Ｈｆ、即ち１０ｗｔ％Ｃｏ、９ｗｔ％Ｃｒ、２ｗｔ％
Ｔｉ、５ｗｔ％ＡＩ、１２ｗｔ％Ｗ１１ｗｔ％Ｎｂ、２
ｗｔ％Ｈｆ、０．１５ｗｔ％Ｃ１０，０１５ｗｔ％Ｂ、
０．０５ｗｔ％Ｚｒ、残部Ｎｉなる組成を有するニッケ
ル基合金に対し適用する場合について説明する。

限られた実験ではあるが、それらの実験により、本発明
による方法は、他のニッケル合金、特にｌＮ−１００、
ｌＮ−７１８゜Ａｓ ｔ ｒｏｌｏｙの如き超合金にも
有用であることが解っている。

本発明による加工方法の好ましい実施例に於ては、本発
明による加工方法はエーロフォイル壁面に品質の優れた
孔を形成したり、超合金物品の表面を所定形状に形成す
る場合に使用された。

まず穿孔について説明する。

約２．５ｍｍの厚さを有する中空エーロフオイル壁加工
片の鋳放し状態の表面に、直径０．７〜１，３龍の１０
個の孔が穿孔された。

各孔はエーロフオイルの壁面に対し種々の傾斜角をなし
ており、その長さは２．５〜５朋の範囲であった。

ネオジウムレーザーにて発生された波長１．０６μのパ
ルス光線が、約１０７Ｗ／ｃ１１ｔの強度にて加工片の
入口表面に照射された。

１パルスの継続時間は約６６０μｓｅｃであり、パルス
密度は０．３〜１パルス／ ｓｅｃであった。

加工片の光線出口側には、その加工片が貫通された場合
のエネル。

ギを吸収し、他の表面に対する損傷を防止し、更には穿
孔された孔より溶融された金属が排出されるのを補助す
べく、エポキシ樹脂よりなる当て材が取付けられた。

電子ビーム穿孔に奸才しい当て材の一般的な機能及び特
徴が、本願出願人と同一の出願人の出願に係る米国特許
出願第９６８゜５９４号に記載されており、電子ビーム
穿孔はレーザー穿孔と似ているので、当て材の詳細につ
いては前述の米国特許出願を参照されたい。

第１ａ図は加工片の表面１６に穿孔された孔の入口を拡
大して示す顕微鏡写真である。

レーザービームは、孔が第１図で見て下向き左方へ傾斜
するよう、加工片の表面に衝突せしめられた。

孔の入口の周囲には、顕著な割れ１２及び他の割れを含
む再鋳造層１０が観察される。

また、溶融された材料の他の再鋳造層の一部が孔の周面
の表面上に存在していることが解る。

第２ａ図は第１ａ図に示された孔と同一の孔を貫通する
長手方向断面１の一部を拡大して示す顕微鏡写真である
。

この標本は、その微細組織及び孔より除去された母材金
層１８のより特徴的な鋳造組織に比べ明るい色を呈して
おり且特徴の少ない再鋳造層１０を明瞭にすべく、腐食
されたものである。

再鋳造層１０は不均一であり、その厚さは約０．０８〜
０゜８朋の範囲に変化している。

第１ｂ図及び第２ｂ図は、これ以降詳細に説明する化学
研磨後に於ける加工片を示すそれぞれ第１ａ図及び第２
ａ図に対応する顕微鏡写真である。

一般に、従来の放電加工法は、深さが２．４〜２．９朋
であり、幅が１．５〜１．８ｍｍである成るパターンの
溝を形成するのに使用される。

しかし本発明をより明瞭に説明するため、一方の表面に
約１．６１ｃｒ７ｔの放電加工面を有する直方体試験片
が製造された。

放電加工条件は公称で電圧８０ｖ（直流）、電流３Ａ、
パルス周波数３キロサイクル、容量１マイクロフアラツ
ドであり、炭素電極、２７℃の鉱物質シール絶縁流体（
アメリカ合衆国テキサス州、ヒユーストン所在のエクソ
ン・コーポレイションより販売されているＥｘｘｏｎ
Ｍｅｎｔｏｒ屑２８）が使用された。

上述の放電加工条件は、加工片の表面を僅かに粗く加工
する加工モードに使用される条件である。

溝を有する物品を製造するためには、適当な形状をなす
電極が用意され、放電加工の当業者によく知られた要領
にて放電加工のパラメータが面積及び他のパラメータに
応じて調整される。

放電加工の表面仕上げ（粗面計にて測定した場合の表面
仕上げ）は約２．０〜３．０（ＲＭＳ）門であった。

勿論放電加工に於てもより優れた表面仕上げを得ること
ができるが、その場合材料除去速度は非常に緩慢なもの
となる。

放電加工表面の一部の表面性状が第３ａ図に於ては平面
図として、第４ａ図に於ては断面図として示されている
。

第４２図に於ては、図に於て明るい色を呈する再鋳造層
２０は、レーザーにより穿孔された孔の外観と同様、熱
影響を受けていない母材金属２２とは対照的である。

再鋳造層２０の厚さは０．０８〜０、８ ｍｍの範囲で
変化していた。

レーザーまたは放電加工による材料の除去は本明細書に
於ては熱影響法と称されている。

この熱影響法は金属がその融点以上に加熱されることに
よって除去され、加工片の表面に残留再鋳造層が形成さ
れる方法を意味する。

従って本発明の概念に於ては、熱影響法は本明細書の従
来技術の説明に於て上述した種々の加工法（但しこれら
に限定されるものではない）を含む他の熱影響法を含ん
でいる。

レーザーにて穿孔された孔を有する加工片及び放電加工
面を有する加工片がそれぞれ別個に化学食刻剤中に浸漬
された。

使用された食刻剤の組成は以下の如くである。

濃硝酸（濃度６９〜７１％） １８９２ｍ１（５０ｖ
１％）濃塩酸（濃度３２．５〜３８％） ３７５ｍ
１（１０ｖ１％）水 １
５００ｍｌ（４０ｖ１％）塩化第二鉄 １．３
ｇ／ｉｔ （０，００８ｍｏｌＡ）硫酸銅
２．６ ｇ／１１ （０，０１６ｍｏ１μ）レーザー
にて穿孔された孔を有する加工片は７７℃の食刻剤中に
浸漬され、浸漬直後に於けるガスの発生が終了した後そ
の加工片は食刻剤より取出され、検査された。

第１ｂ図及び第２ｂ図に示されている如く、再鋳造層は
穿孔された孔の部分より完全に除去されていた。

第１ｂ図及び第２ｂ図より解る如く、加工片の再鋳造層
以外の領域が僅かに全体的に腐食されており、試験の結
果６．５５．！ｉ＋の加工片は約０．１１８．！７のみ
、即ち元の重量の１．８ ％を喪失したにすぎなかった
。

かくして化学研磨の実質的な効果は再鋳造層に対しての
みであり、より一様でより平滑で割れのない孔を得るこ
とができた。

放電加工部分を有する加工片は６６℃の電解質中に浸漬
され、放電加工領域より激しくガスが放出されることが
認められた。

約５分間経過した後ガスの放出は実質的に停止し、電解
質より加工片が取出された。

比較試験の結果下記の表１に示すデータが得られた。

基本的には再鋳造層のみが除去され、試験片の他の部分
は影響を受けていなかった。

加工片の一端に於ては一つの放電加工面により郭定され
他端に於ては通常の機械加工された表面により郭定され
る高さは、再鋳造層の除去及び平滑化を示す変化を有し
ている。

他の寸法、即ち長さ及び幅は放電加工されていない表面
に対する本発明による加工方法の実質的な影響がないこ
とを示している。

加工片の表面を電子マイクロプローブにより測定したと
ころ、タングステンの濃度が僅かに増大しており、クロ
ムの濃度が僅かに減少している（それぞれの変化は約２
０％である）ことが認められた。

このことは軽微な効果であり、従って主要な効果とは見
做されない。

本発明の一つの非常に際立った特徴は、本発明による加
工方法の化学研磨部分が自己制限的な特徴を有している
ということである。

ガス（水素）の発生は実質的に金属が除去されているこ
とを示すものであり、従ってガスの発生が実質的に終了
すると、単位時間当りに溶解される金属の量は実質的に
低下する。

本願発明者等は充分に詳細な実験を行なった訳ではない
が、加工片がそれ以上溶液中に維持され、その食刻剤の
腐蝕性が持続したとしても、加工片材料の溶解は緩慢で
あり全体的であるものと考えられる。

しかし、実際的な観点からは、本発明による加工力法は
自己制限的なものであり、ガスの発生の終了は望ましく
ない再鋳造層材料の除去が完了したことを示すものであ
る。

本願発明者等はガス発生の減少を検出するのに視覚的観
察法を採用したが、最高の効率にて前述の軽微な腐食効
果を回避しつつ食刻剤により加工片の材料を除去するこ
とを信号化しまたは自動的に行なうべく、物理的または
化学的ガス検出装置が使用されてもよい。

本発明による加工方法の他の一つの奸才しい特徴は、加
工片の表面仕上げが改善され、また再鋳造されていない
領域に於ける加工片の腐食が最小限に抑えられるという
ことである。

自己制限的特徴を有する化学研磨を与える正確なメカニ
ズムは明らかではない。

しかし、本願出願人と同一の出願人により本願と同日付
にて出願された特願昭５６−１５４７１６号に記載され
た化学研磨食刻剤（この特許出願に開示された発明が解
決せんとしているものは通常の要領にて鋳造されたＭＡ
ＲＭ−２００母材金属中に発生したタングステン偏析で
あり、かかるタングステン偏析は急速焼入れされた再鋳
造層には発生しない）の如く、上述の自己制限的特徴を
有しない一見類似の電解質が多数存在するので、自己制
限的特徴が生じるか否かはその成分次第である。

再鋳造層と熱影響を受けていない加工片基質との化学的
差異は、化学研磨の自己制限的特徴を生じる。

か否かに影響することはするが、さほど大きなものでは
ない。

他の一つの考慮すべき点は、熱影響を受けた層の冷却速
度が大きいことにより、より緩慢に冷却され恐らくはよ
り平衡化された加工片組織に比べ、その組織の故に腐食
を受は易い冶金的組織が形成されるということである。

本願発明者等が行なった実験によれば、電解質の成分が
、４０〜６０ｖ１％の硝酸と、５〜２０ｖ１％の塩酸と
、０．０１６〜０．０８３ｍｏｌ／１３の硫酸銅と、０
．００８〜０．０２５ ｍｂｌ／ｌの塩化第二鉄と、残
部としての水（酸は濃度６９〜７１％の硝酸及び濃度３
６．５〜３８％の塩酸である）の範囲内で変化されてよ
い。

本発明による食刻剤には、材料の除去速度を迅速化すべ
く追加の腐食剤として塩化第二鉄が含まれている。

しかし、酸それ自身または塩化第二鉄との組合わせにて
酸を使用すれば、除去されるべき材料にピッチングや不
均等な腐食が生じ、特に結晶粒界が腐食される。

上述の最少量以上の硫酸銅を添加することにより、かか
る好ましくない腐食が防止される。

上述の如く、本発明による食刻剤は母材金属をごく僅か
しか腐食しない。

しかし１硫酸銅が添加されない場合には、母材金属に対
する僅かな腐食が結晶粒界に於て優先的に進行すること
が認められた。

少なくとも０．０３ ｍｏ ｌ／ｌの硫酸銅が添加され
、硫酸銅：塩化第二鉄のモル比は２：１であるのが好ま
しい。

塩化第二鉄は硫酸銅の量に拘らず上述の範囲以上に添加
されてはならない。

何故ならば、硫酸鋼のインヒビタとしての作用が充分で
はなくなるからである。

他方硫酸銅の量はその作用が穏やかであるので、上述の
範囲以上に増大されてもよい。

上述の如く塩化第二鉄と硫酸鋼とを組合せることは超合
金を化学的に除去する技術分野に於て新規であり、また
有意義なものであると考えられる。

本発明による加工方法を実施する温度は６６℃であるの
が最も好ましいが、反応速度を増大させるためには適度
に温度が上昇されるのが好ましい１本発明による加工方
法は４０〜８０℃の範囲に於て実施可能であり、特に６
０〜７０℃の範囲にて実施されるのが好ましいものと考
えられる。

よ述の如く、本発明はレーザーまたは放電加工を非常に
特徴的な化学研磨と組合わせるものである。

一般的には、本発明は熱影響法を特殊な食刻剤を使用す
る化学研磨と組合わせるものである。

本発明による加工方法は、その量も適した用途に於ては
、ニッケル合金に関し正確な加工や高品質の表面性状を
与えるが、本発明による加工方法は１再鋳造層が好まし
くないニッケル合金材料の処理であって熱影響法を使用
する他のニッケル合金材料の処理にも適用可能なもので
ある。

化学研磨は上述の如く研磨されるべき物品を食刻剤中に
浸漬することによって実施されるのが好ましいが、他の
要領にて食刻剤が適用されてもよい。

更に湿潤剤、シックナー等が必要に応じて本発明による
化学研磨食刻剤に添加されてよい。

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図は割れが発生した再鋳造層を示すべくレーザー
が斜めに照射されることによって穿孔された孔の入口部
分を拡大して示す顕微鏡写真である。 第１ｂ図は化学研磨されることにより再鋳造層が除去さ
れた状態にて孔の入口部分を示す第１ａ図と同様の顕微
鏡写真である。 第２ａ図は孔の壁面を示す第１ａ図に示された孔を長手
方向に切断してその入口部分を拡大して示す顕微鏡写真
である。 第２ｂ図は化学研磨後に於ける孔の壁面を拡大して示す
第２ａ図と同様の顕微鏡写真である。 第３ａ図は粗雑な再鋳造層が形成されていることを示す
べく放電加工面を拡大して示す顕微鏡写真である。 第３ｂ図は化学研磨後に於ける放電加工面を拡大して示
す第３ａ図と同様の顕微鏡写真である。 第４ａ図は第３ａ図に示された放電加工面の断面を示す
顕微鏡写真である。 第４ｂ図は第３ｂ図の放電加工面を断面にて示す第４ａ
図と同様の顕微鏡写真である。 １０・・・再鋳造層、１２・・・割れ、１４・・・再鋳
造層、１６・・・加工片の表面、１８・・・母材金属、
２０・・・再鋳造層、２２・・・熱影響を受けていない
母材金属。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ニッケル基超合金加工片の表面を加工する方法に於
   て、 金属を溶融し且蒸発化し、これにより前記加工片の表面
   上に再鋳造層を残す熱影響法を用いて加工片材料を除去
   することと、 材料が除去された表面を、４０〜６０ｖ１％の硝酸と、
   ５〜２０ｖ１％の塩酸と、２０〜５５ｖ１％の水と、少
   なくとも０．０１６ｍｏｌ／ｌの硫酸銅と、０．００８
   〜０．０２５ ｍｏ １／Ａの塩化第二鉄とよりなる食
   刻剤と接触させ、これにより他の加工片表面材料を実質
   的に除去することなく前記再鋳造層を化学的に溶解させ
   ることと、 を含んでいることを特徴とする方法。 ２ ニッケル基超合金の再鋳造層を化学研磨する方法を
   実施するための食刻剤に於て、４０〜６０ｖ１％の硝酸
   と、５〜２０ ｖ１％の塩酸と、２０〜５５ｖ１％の水
   とを含み、少なくとも０．０１６ｍｏｌ／Ａ’の硫酸鋼
   と、０．０ Ｏ８−０，０２５ｍｏ ｌ／ｌの塩化第二
   鉄とを含んでいることを特徴とする食刻剤。