WO2017029856A1

WO2017029856A1 - Ｎｉ基超合金部品のリサイクル方法

Info

Publication number: WO2017029856A1
Application number: PCT/JP2016/065901
Authority: WO
Inventors: 原田　広史; 京子川岸; 敏治小林; 忠晴横川; 真人大澤; 道也湯山; 進補鈴木; 裕一朗城; 悟志宇多田
Original assignee: 国立研究開発法人物質・材料研究機構
Priority date: 2015-08-18
Filing date: 2016-05-30
Publication date: 2017-02-23
Also published as: JPWO2017029856A1; US20190010594A1; US10689741B2

Abstract

Ｎｉ基単結晶／一方向凝固超合金基材の表面に少なくともセラミックを含む遮熱コーティングを設けてなるＮｉ基単結晶／一方向凝固超合金部品のリサイクル方法であって、Ｎｉ基単結晶／一方向凝固超合金の融点以上であってセラミックの融点未満の温度で、Ｎｉ基単結晶／一方向凝固超合金部品を溶解し脱硫処理する工程と、リサイクルＮｉ基単結晶／一方向凝固超合金部品用鋳型の温度をＮｉ基単結晶／一方向凝固超合金の溶解温度以上に加熱する工程と、鋳型に脱硫処理済みの溶解したＮｉ基単結晶／一方向凝固超合金を注湯して、メルティングストックを製造する若しくはＮｉ基単結晶／一方向凝固超合金を成長させる工程と、鋳型からメルティングストック若しくはリサイクルＮｉ基単結晶／一方向凝固超合金部品を取り外す工程とを含む。

Description

Ｎｉ基超合金部品のリサイクル方法

　本発明は、一旦使用したＮｉ基単結晶超合金部品又はＮｉ基一方向凝固超合金部品の廃材を用いて、超合金を精製して合金元素を回収することなく、再びＮｉ基超合金としてジェットエンジンやガスタービンなどのタービン動翼やタービンベーンなどに使用する場合に用いて好適な、Ｎｉ基単結晶超合金部品及びＮｉ基一方向凝固超合金部品のリサイクル方法に関する。

　Ｎｉ基超合金には、鋳造法に応じて多結晶、一方向凝固、単結晶の三種類が知られている。このうち強度については、Ｎｉ基単結晶超合金がもっとも強度が高く、次いでＮｉ基一方向凝固超合金、Ｎｉ基多結晶超合金の順になっている。

　また、これらを用いたＮｉ基超合金部品は、例えばジェットエンジンやガスタービンなどのタービン動翼やタービンベーンとして利用されている。例えばジェットエンジンでは、タービン入口ガス温度が１０００℃から１７００℃と、ニッケルの融点１４５３℃や鉄の融点１５３５℃に相当する高い温度となっている。一般にタービン入口ガス温度が高いほどエネルギー効率が高まり、燃料価格の上昇をエンジン効率の向上で相殺している。

　他方で、タービン入口ガス温度はニッケルの融点温度よりも高い場合が多いので、熱遮蔽コーティングをしている場合でさえ、タービン動翼やタービンベーンは消耗品として扱われている。例えばジェット機の離陸時に、砂塵などでジェットエンジン部品の熱遮蔽コーティングが剥離すると、タービン動翼やタービンベーンは飛行途中に損傷が進行する。損傷したタービン動翼やタービンベーンは、定期検査時に交換される。交換したタービン動翼やタービンベーンは、損傷が軽度であれば修理（後述する特許文献１、２、３、４で述べられているような再生処理を含む場合もある）し、損傷が重度であれば廃棄している。繰り返し修理はせいぜい数回程度が限度であるため、現在ではすべてのタービン動翼やタービンベーンが最終的には廃棄されている。

　そこで、特許文献１では、クリープ損傷を受けた鋳造多結晶Ｎｉ基超合金製タービン動翼やタービンベーンの再生方法が提案されている。（以降、部品修理を目的として行われる処理を再生、修理不能となった部品を再度部品化することを目的として行われる処理をリサイクルと呼ぶ）また、特許文献２では、高温使用により強度が劣化した場合に、Ｎｉ基超合金材料に対して完全溶体化熱処理と時効熱処理を行うことで、単結晶材料の余寿命を延長することが提案されている。

　特許文献１、２の再生方法は、Ｎｉ基超合金材料に対して、再生熱処理によって金属組織を再生する方法である。再生熱処理は、劣化した金属ミクロ組織を熱処理のみで元に戻す方法で、溶体化処理によって、劣化した組織をいったん消滅させた後、時効処理によって、再度健全な微細析出組織を再生する。このため、タービン動翼やタービンベーンの損傷の程度が大きい場合には再生熱処理では対処不可能となり、廃棄するしかなかった。

　さらに、特許文献３では、Ｎｉ基超合金部品が高温使用により強度劣化した場合に、若返り処理・再生処理・補修を行うに際して、一旦耐熱性の保護層を除去して、腐食層・酸化層・腐食生成物・酸化生成物の除去が行われると共に、耐熱性保護層のクラックも修理される。その後、耐熱性の保護層の再被覆を行なうことが提案されている。

　そして、Ｎｉ基超合金部品では、合金基材の磨耗やクラックに対して、例えば特許文献４に示す方法で、単結晶を維持しながら、磨耗やクラックの補修が行われている。しかし、最終的に製品寿命が尽きて使用済み廃材になると、特許文献１、２、３、４に提案されたような再生処理では再生不能であり、例えば特許文献５に示す方法で、部品素材から高いコストをかけて一部の高価な元素のみ精製している。

　一般にＮｉ基超合金部品は、不純物元素の混入に対する感受性が高いことが知られている（例えば、非特許文献１参照）。実際、従来の鋳造多結晶タービン動翼やタービンベーンなどでは、再溶解によりリサイクルされた超合金のクリープ特性、熱疲労特性、耐環境特性を保証できなかった。このため、一旦使用したＮｉ基超合金部品の再溶解による、超合金の組成をほぼ維持したままのリサイクルは、製品であるジェットエンジンやガスタービンを所有する航空会社や発電事業者においては、全く行われてこなかった。

　他方で、Ｎｉ基超合金部品は、ハフニウム、レニウム等の高価で希少なレアメタルを含有している場合がある。レアメタルは、価格面の問題ばかりでなく、資源国が偏在しているため、供給先を安定的に確保することが困難な場合がある。このため、新しく製品を製造しようとする場合には、レアメタルの価格変動と供給リスクの影響を受けて、顧客との約定価格で契約した納品時期に当該製品を提供するのが困難な事態がしばしば発生しており(例えば、２００７年のカザフスタンのレニウム輸出停止措置、非特許文献２参照)、価格安定化および安定供給が強く求められている。

　そこで、本発明者らは、特許文献６で、一旦使用したＮｉ基超合金部品の再溶解による、超合金の組成をほぼ維持したままのリサイクル品の製造工程を提案している。しかし、現在の段階では、航空会社や発電事業者によるリサイクル品の使用には至っていない。

特開昭６１－１１９６６１号公報特許第３０６９５８０号公報特表２０１０－５２０８１４号公報米国特許第６０２４７９２号公報特表平１０－５０８６５７号公報特開２０１４－７０２３１号公報

High Temperature Alloys for Gas Turbines and Other Applications 1986 (D. Reidel Publishing Company) D.p.787 レアメタルシリーズ2011　レニウムの需要・供給及び価格の動向　金属資源レポート　国立研究開発法人石油天然ガス・金属鉱物資源機構　2011/11/30

　本発明は上記課題を解決するもので、Ｎｉ基超合金部品のリサイクルコストの大幅削減とＮｉ基超合金部品を使用した高効率ガスタービン機関のライフタイムコストの大幅な削減が可能であると共に、新造品と同程度の高温強度と耐酸化性を有するＮｉ基超合金部品のリサイクル方法を提供することを目的とする。

　すなわち、本発明者らは鋭意研究を行ない、Ｎｉ基超合金において、不純物元素の混入によりタービン動翼やタービンベーンなどに要求されるクリープ特性、熱疲労特性、耐環境特性が維持できなかった理由を考察した。Ｎｉ基超合金では、これら不純物元素の結晶粒界への偏析が結晶粒界の弱化を招き合金強度を低下させることが、タービン動翼やタービンベーンなどに要求されるクリープ特性を維持できない原因である。そこで、本発明者らはさらに鋭意研究を行い、不純物元素の中でも特に硫黄が強度や耐酸化性に悪影響を与えることを明らかにするとともに、溶解時に脱硫を行い、脱硫他の理由により変動した組成を純正材同等に補正することにより、純正材と同等にクリープ破断寿命と耐酸化性を回復させる技術を開発した。この結果、ジェットエンジン部品やガスタービン部品を、直接再溶解により、純正材同等のクリープ破断寿命と耐酸化性を有する形でリサイクルする方法を発明した。

　第１の発明のＮｉ基単結晶超合金部品のリサイクル方法は、例えば図２に示すように、セラミックを含む遮熱コーティングで被覆されたＮｉ基単結晶超合金部品において、遮熱コーティングの被覆層が損壊し、又はＮｉ基単結晶超合金基材に損傷が発生した場合の当該Ｎｉ基単結晶超合金部品のリサイクル方法であって、Ｎｉ基単結晶超合金の融点以上であってセラミックの融点未満の温度で、Ｎｉ基単結晶超合金部品を溶解し脱硫処理する工程（Ｓ１０４）と、リサイクルＮｉ基単結晶超合金部品用鋳型の温度をＮｉ基単結晶超合金の溶解温度以上に加熱する工程（Ｓ１０６）と、メルティングストック用鋳型またはリサイクルＮｉ基単結晶超合金部品用鋳型に脱硫処理済みの溶解したＮｉ基単結晶超合金を注湯して、鋳造原材料として用いる合金インゴット（以後メルティングストックと呼ぶ）を製造する工程またはＮｉ基単結晶超合金を成長させる工程（Ｓ１０８、Ｓ１１０）と、メルティングストック用鋳型またはリサイクルＮｉ基単結晶超合金部品用鋳型からメルティングストックまたはリサイクルＮｉ基単結晶超合金部品を取り外す工程（Ｓ１１２）と、を含む。

　このように構成された第１の発明のＮｉ基単結晶超合金部品のリサイクル方法では、回収したＮｉ基単結晶超合金部品は損傷しているため、その表面に不純物が存在する可能性があり、好ましくは洗浄を行う。ここで、遮熱コーティングの被覆層に生じる損壊には、剥がれ、浮き、欠損、焼結、溶融がある。Ｎｉ基単結晶超合金基材に生じる損傷には、クラック、変形、欠損、腐食、酸化層の生成、腐食生成物の付着、酸化生成物の付着、金属組織劣化、溶融の類型がある。

　次に、Ｎｉ基単結晶超合金部品を溶解し脱硫処理するが、溶解温度はＮｉ基単結晶超合金の融点以上であってセラミックの融点未満の温度とする。溶解温度の下限値は、Ｎｉ基単結晶超合金の融点である１３５０℃付近よりも高い必要があり、溶解速度が実用的に得られる温度、例えば１５００℃～１６００℃とする。溶解温度の上限値は、セラミックがアルミナの場合の融点２０５０℃やジルコニアの融点２７２０℃よりも低い必要があり、他方で溶解温度を上げ過ぎると合金元素の蒸発が激しくなり組成制御が困難になるため、２０００℃以下が好ましい。溶解温度は、Ｎｉ基単結晶超合金部品の溶解速度が遅すぎないで、かつ、合金元素の蒸発が少なく組成制御が容易な範囲として、１４００℃から１７００℃の範囲がよく、特に好ましくは１５００℃から１６００℃の範囲である。

　脱硫処理は、硫黄成分がＮｉ基単結晶超合金部品に与える悪影響を除くために行う。Ｎｉ基単結晶超合金部品は長期間の使用や飛行によって、燃料に含まれる硫黄成分や大気中の亜硫酸ガスの影響を受けて、硫黄成分がＮｉ基単結晶超合金部品の内部に侵入する。そして、硫黄成分がＮｉ基単結晶超合金部品の内部に侵入した状態で、リサイクル品の再溶解を行うと高温強度の低下を招く。脱硫処理には、リサイクル対象のＮｉ基単結晶超合金部品の再溶解の際に、例えばカルシア（ＣａＯ）るつぼを使用して行う。

　鋳型は、メルティングストック用またはリサイクルＮｉ基単結晶超合金部品を鋳造するための形状を有する鋳型であって、単結晶部品鋳造にあたっては、Ｎｉ基単結晶超合金の溶解温度以上に加熱しておく。単結晶部品用鋳型温度は、Ｎｉ基単結晶超合金を成長させるのに適した温度がよく、温度が高すぎると凝固の制御が困難になるから、Ｎｉ基単結晶超合金の融点と比較して若干高い程度がよく、例えば１４００℃から１６００℃の範囲とし、特に好ましくは１４５０℃から１５００℃の範囲とする。

　そして、鋳型に脱硫処理済みの溶解したＮｉ基単結晶超合金を注湯して、メルティングストックとするか、あるいは単結晶部品とする。Ｎｉ基単結晶超合金は、母相であるγ相（Ｎｉ固溶体）中に、好ましくは６０～７０ｖｏｌ％のγ’相（Ｎｉ_３Ａｌを基本組成とするＬ１_２規則相）が整合析出したミクロ組織を有し、整合界面に形成される界面転位網が転位の移動を抑止することにより強化している。続いて、鋳型からメルティングストックまたはリサイクルＮｉ基単結晶超合金部品を取り外す。

　第２の発明のＮｉ基単結晶超合金部品のリサイクル方法は、例えば図３に示すように、第１の発明のＮｉ基単結晶超合金部品のリサイクル方法であって、さらに、Ｎｉ基単結晶超合金部品の遮熱コーティングを剥離する工程（Ｓ２０２）を含むとよい。

　好ましくは、第２の発明のリサイクル方法では、Ｎｉ基単結晶超合金部品のボンドコーティングを除く遮熱コーティングを剥離しても、ボンドコーティングを含む遮熱コーティングを剥離してもよい。

　このように構成された第２の発明のＮｉ基単結晶超合金部品のリサイクル方法では、リサイクルに使用するＮｉ基単結晶超合金部品について、遮熱コーティングが残留している場合は、これを剥離することで、遮熱コーティングに含まれるセラミックス又は金属元素の影響を低減している。

　第３の発明のＮｉ基単結晶超合金部品のリサイクル方法は、耐酸化コーティングで被覆されたＮｉ基単結晶超合金部品またはコーティングされていないＮｉ基単結晶超合金部品において、耐酸化コーティングの被覆層が損壊し、又はＮｉ基単結晶超合金基材に損傷が発生した場合の当該Ｎｉ基単結晶超合金部品のリサイクル方法であって、Ｎｉ基単結晶超合金の融点以上でＮｉ基単結晶超合金部品を溶解し脱硫処理する工程と、リサイクルＮｉ基単結晶超合金部品用鋳型の温度をＮｉ基単結晶超合金の溶解温度以上に加熱する工程と、メルティングストック用鋳型またはリサイクルＮｉ基単結晶超合金部品用鋳型に脱硫処理済みの溶解したＮｉ基単結晶超合金を注湯して、メルティングストックを製造させ、またはＮｉ基単結晶超合金を成長させる工程と、メルティングストック用鋳型またはリサイクルＮｉ基単結晶超合金部品用鋳型からメルティングストックまたはリサイクルＮｉ基単結晶超合金部品を取り外す工程とを含む。

　第４の発明のＮｉ基単結晶超合金部品のリサイクル方法は、第３の発明のＮｉ基単結晶超合金部品のリサイクル方法であって、さらに、耐酸化コーティングで被覆されたＮｉ基単結晶超合金部品の耐酸化コーティングを剥離する工程を含むとよい。

　好ましくは、第５の発明のＮｉ基単結晶超合金部品のリサイクル方法は、Ｎｉ基単結晶超合金部品を脱硫処理する工程が、当該Ｎｉ基単結晶超合金部品の硫黄成分が３ＰＰＭ以下となるように脱硫処理するとよく、さらに好ましくは２ＰＰＭ以下とするとよい。Ｎｉ基単結晶超合金部品の硫黄成分が３ＰＰＭを超えると、純正材と比較して高温強度が不足する。Ｎｉ基単結晶超合金部品の硫黄成分が２ＰＰＭ以下であれば、純正材と同じ程度まで高温強度が回復する。

　好ましくは、第６の発明のＮｉ基単結晶超合金部品のリサイクル方法は第１乃至第５の発明のＮｉ基単結晶超合金部品のリサイクル方法であって、さらに、リサイクルＮｉ基単結晶超合金の合金組成が、当該Ｎｉ基単結晶超合金部品の純正材に許容される組成範囲に入るように、欠乏する元素について添加して、組成調整を行う工程（Ｓ１０５、Ｓ２０７）を含むとよい。

　好ましくは、第７の発明のリサイクルＮｉ基単結晶超合金部品は、Ｎｉ基単結晶超合金の成長工程に、一方向凝固によって単結晶とする工程を含み、さらに、Ｎｉ基単結晶超合金部品の溶体化処理と時効析出処理を行う工程（Ｓ１２２、Ｓ１２４）を含むとよい。溶体化処理は、合金の強化相であるγ’相が、好ましくは完全に固溶体に溶解する温度以上に加熱して、十分な時間保持し均質化を行うと共に、急冷して粗大なγ’相の析出を阻止する熱処理をいう。溶体化処理では、例えば、１２５０℃～１３８０℃で０．５時間乃至４時間の熱処理後空冷する。時効析出処理は、硬さ、強さ又は耐食性などを増進させるために適切な温度で、溶体化処理（固溶化熱処理）済の製品を均熱保持する熱処理をいう。時効処理として、例えば、１０５０℃～１１５０℃で５時間乃至１０時間程度保持し、空冷した後、さらに８５０℃～９００℃で２０時間保持した後空冷の２段階熱処理を施す。

　好ましくは、第８の発明のＮｉ基単結晶超合金部品のリサイクル方法は、さらに、リサイクルＮｉ基単結晶超合金部品を、ボンドコーティングおよびセラミックを含む遮熱コーティングで被覆する工程または耐酸化コーティングで被覆する工程（Ｓ１２６）を含むとよい。遮熱コーティングは、熱伝導率の低いセラミックスのトップコートと、基材の酸化を防止するボンドコーティングよりなる。ボンドコーティングには、Ａｌを多く含む金属コーティングや、耐酸化性と基材に対する拡散を抑制した平衡コーティング等が用いられる。

　好ましくは、第９の発明のＮｉ基単結晶超合金部品のリサイクル方法は、Ｎｉ基単結晶超合金のタービン動翼、タービンベーン、燃焼器ライナー、スプラッシュプレート、ダクトセグメント、又はタービンディスクの少なくとも一種類に用いるとよい。

　主応力方向に結晶粒界を有さない一方向凝固材についても、脱硫により純正材と同等のクリープ強度と耐酸化性を得ることが可能であり、本発明のリサイクル方法が適用可能である。

　第１０の発明のＮｉ基一方向凝固超合金部品のリサイクル方法は、例えば図９に示すように、セラミックを含む遮熱コーティングで被覆されたＮｉ基一方向凝固超合金部品において、遮熱コーティングの被覆層が損壊し、又はＮｉ基一方向凝固超合金基材に損傷が発生した場合の当該Ｎｉ基一方向凝固超合金部品のリサイクル方法であって、Ｎｉ基一方向凝固超合金の融点以上であってセラミックの融点未満の温度で、Ｎｉ基一方向凝固超合金部品を溶解し脱硫処理する工程（Ｓ３０４）と、リサイクルＮｉ基一方向凝固超合金部品用鋳型の温度をＮｉ基一方向凝固超合金の溶解温度以上に加熱する工程（Ｓ３０６）と、メルティングストック用鋳型またはリサイクルＮｉ基一方向凝固超合金部品用鋳型に脱硫処理済みの溶解したＮｉ基超合金を注湯して、メルティングストックを製造させ、またはＮｉ基一方向凝固超合金を成長させる工程（Ｓ３０８、Ｓ３１０）と、メルティングストック用鋳型またはリサイクルＮｉ基一方向凝固超合金部品用鋳型からメルティングストックまたはリサイクルＮｉ基一方向凝固超合金部品を取り外す工程（Ｓ３１２）とを含む。

　好ましくは、第１１の発明のＮｉ基一方向凝固超合金部品のリサイクル方法は、例えば図９に示すように、第１０の発明のＮｉ基一方向凝固超合金部品のリサイクル方法であって、さらに、Ｎｉ基一方向凝固超合金部品のボンドコーティングを除く遮熱コーティング、またはボンドコーティングを含む遮熱コーティングを剥離する工程（Ｓ４０２）を含むとよい。

　第１２の発明のＮｉ基一方向凝固超合金部品のリサイクル方法は、耐酸化コーティングで被覆されたＮｉ基一方向凝固超合金部品またはコーティングされていないＮｉ基一方向凝固超合金部品において、耐酸化コーティングの被覆層が損壊し、又はＮｉ基一方向凝固超合金基材に損傷が発生した場合の当該Ｎｉ基一方向凝固超合金部品のリサイクル方法であって、Ｎｉ基一方向凝固超合金の融点以上でＮｉ基一方向凝固超合金部品を溶解し脱硫処理する工程と、リサイクルＮｉ基一方向凝固超合金部品用鋳型の温度をＮｉ基一方向凝固超合金の溶解温度以上に加熱する工程と、メルティングストック用鋳型またはリサイクルＮｉ基一方向凝固超合金部品用鋳型に脱硫処理済みの溶解したＮｉ基超合金を注湯して、メルティングストックを製造させ、またはＮｉ基一方向凝固超合金を成長させる工程と、メルティングストック用鋳型またはリサイクルＮｉ基一方向凝固超合金部品用鋳型からメルティングストックまたはリサイクルＮｉ基一方向凝固超合金部品を取り外す工程とを含む。

　好ましくは、第１３の発明のＮｉ基一方向凝固超合金部品のリサイクル方法は、第１２の発明のＮｉ基一方向凝固超合金部品のリサイクル方法であって、さらに、耐酸化コーティングで被覆されたＮｉ基一方向凝固超合金部品の耐酸化コーティングを剥離する工程を含むとよい。

　好ましくは、第１４の発明のＮｉ基一方向凝固超合金部品のリサイクル方法は、Ｎｉ基一方向凝固超合金部品を脱硫処理する工程が、当該Ｎｉ基一方向凝固超合金部品の硫黄成分が３ＰＰＭ以下となるように脱硫処理するとよく、さらに好ましくは２ＰＰＭ以下とするとよい。Ｎｉ基一方向凝固超合金部品の硫黄成分が３ＰＰＭを超えると、純正材と比較して高温強度が不足する。Ｎｉ基一方向凝固超合金部品の硫黄成分が２ＰＰＭ以下であれば、純正材と同じ程度まで高温強度が回復する。

　好ましくは、第１５の発明のＮｉ基一方向凝固超合金部品のリサイクル方法は第１０乃至第１４の発明のＮｉ基一方向凝固超合金部品のリサイクル方法であって、リサイクルＮｉ基一方向凝固超合金の合金組成が、当該Ｎｉ基一方向凝固超合金部品の純正材に許容される組成範囲に入るように、欠乏する元素について添加して、組成調整を行う工程（Ｓ３０５、Ｓ４０７）を含むとよい。

　好ましくは、第１６の発明のＮｉ基一方向凝固超合金部品のリサイクル方法は、さらに、リサイクルＮｉ基一方向凝固超合金部品の溶体化処理と時効析出処理を行う工程（Ｓ３２２、Ｓ３２４）を含むとよい。

　好ましくは、第１７の発明のＮｉ基一方向凝固超合金部品のリサイクル方法は、さらに、リサイクルＮｉ基超合金部品を、ボンドコーティングおよびセラミックを含む遮熱コーティングで被覆する工程または耐酸化コーティングで被覆する工程を含むとよい。

　好ましくは、第１８の発明のＮｉ基一方向凝固超合金部品のリサイクル方法は、Ｎｉ基一方向凝固超合金のタービン動翼、タービンベーン、燃焼器ライナー、スプラッシュプレート、ダクトセグメント、又はタービンディスクの少なくとも一種類に用いるとよい。

　本発明のＮｉ基単結晶超合金部品又はＮｉ基一方向凝固超合金部品の直接再溶解によるリサイクル方法によれば、長期間の使用や飛行によって、燃料に含まれる硫黄成分や大気中の亜硫酸ガスの影響を受けて、硫黄成分がＮｉ基単結晶超合金部品又はＮｉ基一方向凝固超合金部品の内部に侵入していても、硫黄成分が除去されるため、Ｎｉ基単結晶超合金部品又はＮｉ基一方向凝固超合金部品の硫黄組成が純正材と同程度に低下して、高温強度が純正材のＮｉ基単結晶超合金部品又はＮｉ基一方向凝固超合金部品と同程度のリサイクル品が得られる。

　また、既に製造済みのＮｉ基単結晶超合金部品又はＮｉ基一方向凝固超合金部品が、レアメタルの損耗なくリサイクルできるので、レアメタルの供給先確保の問題が緩和されると共に、超合金を精製して合金元素を回収する場合に多量に発生する産業廃棄物処理の問題も緩和される利点がある。さらに、本発明のＮｉ基単結晶超合金部品又はＮｉ基一方向凝固超合金部品のリサイクル方法の普及によって、レアメタル需要と価格が安定するため、ガスタービンの高効率化に必須のＮｉ基単結晶超合金部品又はＮｉ基一方向凝固超合金部品の普及が促進される。

図１は、セラミックコーティング剥離後の使用済み航空機エンジン高温高圧タービン動翼の全体斜視図で、図面代用写真である。図２は、真空高周波溶解装置の概略構成図である。図３は、本発明のＮｉ基超合金部品のリサイクル方法を説明する流れ図で、単結晶合金の場合を示している。図４は、１１００℃、１３７ＭＰａにおけるクリープ試験結果である。図５は、１１００℃、１時間保持後に室温１時間保持の条件で行った繰り返し酸化試験の結果である。図６は、Ｎｉ基単結晶超合金のクリープ破断寿命と硫黄組成量の関係を説明する図である。図７は、Ｎｉ基単結晶超合金のクリープ破断寿命と硫黄組成量の関係を説明する図である。図８は、純正材（比較材１）と本発明方法によるリサイクル材（実施例１）の高サイクル疲労試験結果の比較を示すグラフである。図９は、本発明のＮｉ基超合金部品のリサイクル方法を説明する流れ図で、一方向凝固合金の場合を示している。

　以下、図面を用いて本発明を説明する。

　図２は、真空高周波溶解装置の概略構成図である。図において、真空高周波溶解装置は、溶湯るつぼ１０、鋳型加熱炉２０、鋳型３０、鋳型昇降機構（図示せず）、及び真空容器５０を有している。

　溶湯るつぼ１０は、Ｎｉ基超合金部品を溶解し脱硫処理するためのるつぼで、例えばカルシア（ＣａＯ）るつぼが使用される。溶湯るつぼ１０は、例えば注ぎ口を有するコップ形状をしており、外周部に加熱用の高周波コイル１２が設けられている。誘導加熱は、交流電源につながれたコイルの中に，導体を挿入すると、コイルと導体は非接触にもかかわらず、導体が表面から加熱される現象を用いる加熱方法で、うず電流と導体の電気抵抗で発生するジュール熱を用いている。

　鋳型加熱炉２０は、溶湯受け口２１、蓋部断熱部２２、蓋部発熱部２３、周壁高周波コイル２４、周壁断熱部２５、周壁発熱部２６、底周縁発熱部２７、底周縁断熱部２８、底面断熱部２９を有している。溶湯受け口２１は、溶湯るつぼ１０から注がれる溶湯を、鋳型３０に注ぎ込むための案内部である。蓋部発熱部２３、周壁発熱部２６、底周縁発熱部２７は、鋳型加熱炉２０の炉内温度を溶湯が維持される温度に加熱するための発熱体で、周壁高周波コイル２４による誘導加熱を用いている。蓋部断熱部２２、周壁断熱部２５、底周縁断熱部２８、底面断熱部２９は、鋳型加熱炉２０の炉内に設置される鋳型３０をＮｉ基単結晶超合金の溶解温度に保持するために用いる。

　鋳型３０は、メルティングストック又はリサイクルＮｉ基単結晶超合金部品を鋳造するための形状を有する鋳型であって、単結晶部品用鋳型はＮｉ基単結晶超合金の溶解温度以上に加熱しておく。メルティングストック用の場合は、鋳型３０は通常の砂型でよいが、精密鋳造法やロストワックス法を用いてもよい。タービン動翼やタービンベーン用の場合では、出来上がった製品に格段に寸法精度、表面粗さが要求されるために、鋳型３０は例えばロストワックス法のような精密鋳造法を用いて製作される。精密鋳造法は鋳型に金型を用いない方法で、鋳型材料を流動性のよいスラリーとすることで、模型の複雑な形状を鋳造できる。ロストワックス法は、模型にろうを用い、模型を複数の耐火物層で包んだ後、模型のろうを溶出又は焼却して鋳型を作る方法である。

　セレクタ部３２は、直径数ｍｍ程度の細長い管で、鋳型３０とチルプレート（冷却板）３８の間に設けられており、一つの結晶方位だけを選択して成長させて、Ｎｉ基超合金の単結晶とする。鋳型内溶湯部３４は、鋳型３０内のＮｉ基超合金の溶湯である。基部凝固部３６は、チルプレート３８によって凝固したリサイクルＮｉ基単結晶超合金部品の基部である。チルプレート３８は、例えば水冷銅盤を用いる。

　鋳型昇降機構は、チルプレート３８に乗った鋳型３０を昇降する。単結晶凝固したリサイクルＮｉ基単結晶超合金部品は、鋳型加熱炉から鋳型を下方に引出し、ふく射放熱で冷却し、下部から上方に向かって凝固させる改良ブリッジマン法で製造される。冷却には、気体または液体と接触させることによる伝導冷却を併用してもよい。真空容器５０は、溶湯るつぼ１０、鋳型加熱炉２０、鋳型３０、鋳型昇降機構を収容する密閉容器で、リサイクルＮｉ基単結晶超合金部品の鋳造を全て真空中で行なうことができる。

　リサイクルＮｉ基単結晶超合金部品の凝固組織は、固液界面の温度勾配と凝固速度の組み合わせに影響される。健全な単結晶組織を経済的に実現させるためには高速凝固法を採用する。この組み合わせを適正にすることで、粒界割れや等軸晶が発生せず、デンドライト間隔が細かい組織を得る。

　リサイクルＮｉ基単結晶超合金部品の鋳造では、温度勾配が小さいと、異結晶やフレッケル等の欠陥が発生するため、凝固界面での温度勾配をできるだけ大きくして、単結晶を安定して成長させる。

　このように構成された真空高周波溶解装置を用いて、リサイクルＮｉ基単結晶超合金部品を製造する方法を次に説明する。

　図３は、本発明のＮｉ基単結晶超合金部品のリサイクル方法を説明する流れ図で、図２の装置を用いる場合を示している。まず、リサイクル対象となるＮｉ基単結晶超合金部品を用意する（Ｓ１００）。このリサイクル対象部品は、以下の類型のものである。
（ｉ）セラミックを含む遮熱コーティングで被覆されたＮｉ基単結晶超合金部品において、遮熱コーティングの被覆層が損壊し、又はＮｉ基単結晶超合金基材に損傷が発生したもの（遮熱コーティングとしては、例えば、アルミナ、ジルコニア等のセラミックを用いることができる）、
（ｉｉ）耐酸化コーティングが被覆されたＮｉ基単結晶超合金部品において、耐酸化コーティングの被覆層が損壊し、またはＮｉ基単結晶超合金基材に損傷が発生したもの、
（ｉｉｉ）コーティングされていないＮｉ基単結晶超合金部品において、Ｎｉ基単結晶超合金基材に損傷が発生したもの、
（ｉｖ）上記（ｉ）～（ｉｉｉ）に該当するものであって、ガスタービンでの継続使用が技術的・経済的に困難なもの、または修理するよりも本特許に示されているリサイクル方法を用いる方が経済的に優位であると判断されるものである。

　まず、リサイクル対象部品であるＮｉ基単結晶超合金部品の表面を好ましくは洗浄する（Ｓ１０２）。そしてリサイクル対象部品を乾燥させる。次に、リサイクル対象部品を溶湯るつぼ１０に投入して、Ｎｉ基単結晶超合金の融点以上であってセラミックの融点未満の温度で、Ｎｉ基単結晶超合金部品を溶解し脱硫処理する（Ｓ１０４）。なお、脱硫処理はカルシア（ＣａＯ）るつぼに限定されるものではなく、次の態様がある。
（ａ）カルシア（ＣａＯ）を固体又は粉末で溶湯るつぼに投入して、脱硫処理が通常完了する程度の時間経過後に溶融金属と分離する類型。ここで、溶湯るつぼはアルミナ、ジルコニア等のセラミックを素材とするるつぼである。
（ｂ）カルシア（ＣａＯ）に代えて、ＣａＦ_２を用いてもよい。
（ｃ）カルシア（ＣａＯ）に代えて、ＭｇＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、Ｒａ_ｍＯ_ｎ（Ra：ランタノイド）、もしくはこれらを混合したものを用いてもよい。
（ｄ）カルシア（ＣａＯ）に代えて、ＭｇＦ_２、ＳｒＦ_２、ＢａＦ_２、Ｒａ_ｍＦ_ｎ（Ra：ランタノイド）もしくはこれらを混合したものを用いてもよい。

　Ｎｉ基単結晶超合金部品溶解・脱硫処理の際に副反応として起きる、Ａｌ等の減量を補填する工程として、純正材組成との乖離を調整する工程を設けてもよい（Ｓ１０５）。Ｎｉ基単結晶超合金部品のボンドコーティングは金属被覆層を含んでいるため、金属被覆層を完璧に剥離しないでＮｉ基単結晶超合金部品を再溶解させると、純正材と比較して元素組成比率が変動する。また、Ｎｉ基単結晶超合金部品は長期間の使用や飛行によって、燃料に含まれる硫黄成分や大気中の亜硫酸ガスの影響を受けて硫化物が生成して剥離するため、硫化物を生成しやすいＡｌが失われやすい。そこで、残存金属被覆層や亜硫酸ガスの影響で、純正材と比較して失われた元素を添加して、純正材と大略同一の元素組成比率に回復させる組成比率回復処理も行うとよい（Ｓ１０５）。大略同一とは、純正材の組成比率として許容範囲に含まれる範囲のものをいう。

　他方で、メルティングストック用鋳型またはリサイクルＮｉ基単結晶超合金部品用鋳型３０を鋳型加熱炉２０内に置き、鋳型加熱炉２０によって鋳型３０の温度をＮｉ基単結晶超合金の溶解温度以上に加熱する（Ｓ１０６）。そして、溶湯るつぼ１０の溶解したＮｉ基単結晶超合金を鋳型３０に注湯する（Ｓ１０８）。鋳型昇降機構とチルプレート３８を用いて、鋳型３０内でＮｉ基単結晶超合金を成長させる（Ｓ１１０）。そして、鋳型３０からリサイクルＮｉ基単結晶超合金部品を取り外す（Ｓ１１２）。メルティングストックへとリサイクルする場合は、上記鋳型加熱工程（Ｓ１０６）と単結晶成長工程（Ｓ１１０）を省略し、凝固したメルティングストックを取り出す（Ｓ１１２）ことができる。

　なお、リサイクル対象部品を前処理してもよい。すなわち、リサイクル対象部品の遮熱コーティングを剥離し（Ｓ２０２）、次にリサイクル対象部品の表面を洗浄する（Ｓ２０４）。続いて、上述のＳ１０４～Ｓ１１２と同様の処理を続ける。即ち、リサイクル対象部品を溶湯るつぼ１０に投入して、Ｎｉ基単結晶超合金の融点以上でＮｉ基単結晶超合金部品を溶解し脱硫処理する（Ｓ２０６）。Ｎｉ基単結晶超合金部品の溶解・脱硫処理の際に副反応として起きるＡｌ等の減量を補填する工程として、純正材組成との乖離を調整する工程を設けてもよい（Ｓ２０７）。

　他方で、メルティングストック用鋳型またはリサイクルＮｉ基単結晶超合金部品用鋳型３０を鋳型加熱炉２０内に置き、鋳型加熱炉２０によって鋳型３０の温度をＮｉ基単結晶超合金の溶解温度以上に加熱する（Ｓ２０８）。そして、溶湯るつぼ１０の溶解したＮｉ基単結晶超合金を鋳型３０に注湯する（Ｓ２１０）。鋳型昇降機構とチルプレート３８を用いて、鋳型３０内でＮｉ基単結晶超合金を成長させる（Ｓ２１２）。そして、鋳型３０からリサイクルＮｉ基単結晶超合金部品を取り外す（Ｓ２１４）。メルティングストックへとリサイクルする場合は、上記鋳型加熱工程（Ｓ２０８）と単結晶成長工程（Ｓ２１２）を省略し、凝固したメルティングストックを取り出す（Ｓ２１４）ことができる。

　このようにすると、リサイクル対象部品の遮熱コーティングの材質が、メルティングストックまたはリサイクルＮｉ基単結晶超合金部品の性質に悪影響を与える場合でも、当該影響を少なくできる。このリサイクル方法では、ボンドコーティングを除く遮熱コーティングもしくはボンドコーティングを含む遮熱コーティングを剥離しても良く、また、耐酸化コーティングのみを施してあるＮｉ基単結晶超合金部品にそのまま、もしくは耐酸化コーティングを剥離して適用しても良く、コーティングされていないＮｉ基単結晶超合金部品にそのまま適用してもよい。

　メルティングストックへとリサイクルする場合には、Ｓ１１２やＳ２１４で出来上がったメルティングストックを貯蔵する（Ｓ１１４、Ｓ２１６）。メルティングストックよりリサイクルＮｉ基単結晶超合金部品を製造するには、目的とするタービン動翼やタービンベーンなどの形状に対応した鋳型を準備して、真空高周波溶解装置を用いて、再度溶湯るつぼ１０で溶解して（Ｓ１２０）、一方向凝固させて単結晶とする。

　リサイクルＮｉ基単結晶超合金部品が、Ｎｉ基単結晶超合金のタービン動翼やタービンベーンなどの場合には、リサイクルＮｉ基単結晶超合金部品の溶体化処理を行ない（Ｓ１２２）、次に時効析出処理（Ｓ１２４）を行う。この溶体化処理と時効析出処理により、強化相（γ′相）が適切なサイズ・形状になる。続いて、リサイクルＮｉ基単結晶超合金部品を、必要に応じて、セラミックを含む遮熱コーティングもしくは耐酸化コーティングで被覆する（Ｓ１２６）。

　Ｎｉ基単結晶超合金の実施例１として、ＰＷＡ１４８４（商標）材製のジェットエンジン使用済みＨＰＴ（high pressure turbine）動翼を真空中で直接高周波溶解し、カルシア（ＣａＯ）るつぼを用いて脱硫処理した後に、単結晶試験片を鋳造した（以後組成補正脱硫処理材と呼称する）。比較材１として、Ｎｉ基単結晶超合金ＰＷＡ１４８４（商標）材の純正メルティングストックを用いて単結晶試験片を鋳造した（以後純正材と呼称する）。比較材２として、ＰＷＡ１４８４（商標）材製のジェットエンジン使用済みＨＰＴ動翼を、組成成分の調整をすることなく、そのまま真空中で直接高周波溶解し、単結晶試験片を鋳造した（以後単純リサイクル材と呼称する）。比較材３として、ＰＷＡ１４８４（商標）材製のジェットエンジン使用済みＨＰＴ動翼を、純正材と同視できる程度に組成成分の調整をして、アルミナ、ジルコニア等のセラミックを素材とする溶融るつぼを用いて真空中で直接高周波溶解し、単結晶試験片を鋳造した（以後合金組成補正材と呼称する）。表１に、各供試材の元素組成を示す。

　これらを用いて、高温強度比較のためクリープ試験と典型的条件での高温耐酸化試験を行った。図４は、１１００℃、１３７ＭＰａにおけるクリープ試験結果を示す図である。組成調整および脱硫を行った試験片は、正規材と同等のクリープ破断寿命を示した。具体的な数値については、表２の正規材とリサイクル材の１１００℃、１３７ＭＰａのクリープ試験結果に示す。

　表２のクリープ試験では、実施例１の組成補正脱硫処理材が、純正材と同一又は僅かに大きなクリープ寿命を示した。また、実施例１の組成補正脱硫処理材の伸びは実用上十分な値を示している。これらの結果から、本発明のＮｉ基単結晶超合金部品のリサイクル方法が有効であることが確認された。これに対して、比較例２の単純リサイクル材では、クリープ寿命が純正材よりも４０％程度短いが、伸びは純正材よりも大きな値を示している。比較例３の合金組成補正材では、クリープ寿命が純正材よりも３０％程度短いが、伸びは純正材よりも大きな値を示している。

　図５は、１１００℃、１時間保持後に室温１時間保持の条件で行った繰り返し酸化試験の結果を示す図である。実施例１の組成補正脱硫処理材は、４５サイクルでの重量増加は、＋０．００３［ｍｇ／ｍｍ^２］であって、引続き重量増加を示していることから、Ｎｉ基超合金部品からの酸化物の剥離は生じておらず、正規材と同等以上の耐酸化性を示した。これに対して、比較例２の単純リサイクル材では、４５サイクルでの重量減少は、－０．００１［ｍｇ／ｍｍ^２］と大きな減少値を示している。比較例３の合金組成補正材では、４５サイクルでの重量増加は、＋０．００１［ｍｇ／ｍｍ^２］であり、極大値である＋０．００２５［ｍｇ／ｍｍ^２］から減少した値を示している。これらの結果は、比較例２、比較例３のリサイクル方法では、耐酸化性が比較例１の純正材より低下することを示している。
以上より、繰り返し酸化試験の結果、本発明により、タービン部品の重要な要求特性である耐酸化性を劣化させることなく部品をリサイクルできることが示された。

　図６は、Ｎｉ基単結晶超合金のクリープ破断寿命と硫黄組成量の関係を説明する図で、硫黄組成量が０ｐｐｍ、１０ｐｐｍ、２０ｐｐｍ、１００ｐｐｍの場合を示している。Ｎｉ基単結晶超合金の硫黄組成量が１００ｐｐｍの場合には、０ｐｐｍと比較して、クリープ破断寿命が半分になる。

　図７は、Ｎｉ基単結晶超合金のクリープ破断寿命と硫黄組成量の関係を説明する図で、本発明の比較材１～３と実施例１を対している。組成補正脱硫処理材の硫黄組成量は２ｐｐｍであり、純正材と同一になっている。これに対して、単純リサイクル材では１０ｐｐｍ、合金組成補正材では６ｐｐｍ程度になっている。カルシア（ＣａＯ）るつぼを用いて脱硫処理場合には、次の化学反応式に従って、適切量のＡｌが存在することによって、例えば５分乃至１０分程度の溶融処理で、硫黄組成量は単純リサイクル材の１０ｐｐｍから組成補正脱硫処理材の２ｐｐｍに減少する。
［化１］
　６ＣａＯ＋２Ａｌ＝３Ｃａ＋３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３
　ＣａＯ＋２／３・Ａｌ＋Ｓ＝ＣａＳ＋１／３・Ａｌ_２Ｏ_３
　図８は、本発明がＮｉ基単結晶超合金の高サイクル疲労寿命に及ぼす影響を、比較材１と実施例１によって示したものである。試験条件は、１０００℃、最大応力６００メガパスカル、６０ヘルツ正弦波であり、実施例１の硫黄組成量は比較材１と同一の２ｐｐｍである。

　実施例１の高サイクル疲労寿命は１，２２０，０００～１，７８０，０００サイクルであり、純正材である比較材１の４１０，０００～８０７，０００サイクルと同等以上となっている。以上の結果は、本発明により、タービン部品の重要な要求特性である高サイクル疲労寿命を劣化させることなく部品をリサイクルできることを示している。

　続いて、本発明の実施の形態として、リサイクルＮｉ基一方向凝固超合金部品を製造する方法を次に説明する。リサイクルＮｉ基一方向凝固超合金部品は、図２に示した真空高周波溶解装置を用いて製造する。なお、前述の真空高周波溶解装置の説明において、その性質に反しない限り、Ｎｉ基単結晶超合金とあるのをＮｉ基一方向凝固超合金と読み替える。即ち、リサイクルＮｉ基一方向凝固超合金部品用鋳型の形状は、リサイクルＮｉ基単結晶超合金部品用鋳造と比較して、セレクタ部３２の設けられていない点を除いて、同じである。

　図９は、本発明のＮｉ基一方向凝固超合金部品のリサイクル方法を説明する流れ図で、図１の装置を用いる場合を示している。まず、リサイクル対象となるＮｉ基一方向凝固超合金部品を用意する（Ｓ３００）。

　まず、リサイクル対象部品であるＮｉ基一方向凝固超合金部品の表面を好ましくは洗浄する（Ｓ３０２）。そしてリサイクル対象部品を乾燥させる。次に、リサイクル対象部品を溶湯るつぼ１０に投入して、Ｎｉ基一方向凝固超合金の融点以上であってセラミックの融点未満の温度で、Ｎｉ基一方向凝固超合金部品を溶解し脱硫処理する（Ｓ３０４）。Ｎｉ基一方向凝固超合金部品の溶解・脱硫処理の際に副反応として起きるＡｌ等の減量を補填する工程として、純正材組成との乖離を調整する工程を設けてもよい（Ｓ３０５）。

　他方で、メルティングストック用鋳型またはリサイクルＮｉ基一方向凝固超合金部品用鋳型３０を鋳型加熱炉２０内に置き、鋳型加熱炉２０によって鋳型３０の温度をＮｉ基一方向凝固超合金の溶解温度以上に加熱する（Ｓ３０６）。そして、溶湯るつぼ１０の溶解したＮｉ基超合金を鋳型３０に注湯する（Ｓ３０８）。鋳型昇降機構とチルプレート３８を用いて、鋳型３０内でＮｉ基一方向凝固超合金を成長させる（Ｓ３１０）。そして、鋳型３０からリサイクルＮｉ基一方向凝固超合金部品を取り外す（Ｓ３１２）。メルティングストックへとリサイクルする場合は、上記鋳型加熱工程（Ｓ３０６）と単結晶成長工程（Ｓ３１０）を省略し、凝固したメルティングストックを取り出す（Ｓ３１２）ことができる。

　なお、リサイクル対象部品を前処理してもよい。すなわち、リサイクル対象部品の遮熱コーティングを剥離し（Ｓ４０２）、次にリサイクル対象部品の表面を洗浄する（Ｓ４０４）。続いて、上述のＳ３０４～Ｓ３１２と同様の処理を続ける。即ち、リサイクル対象部品を溶湯るつぼ１０に投入して、Ｎｉ基一方向凝固超合金の融点以上でＮｉ基一方向凝固超合金部品を溶解し脱硫処理する（Ｓ４０６）。Ｎｉ基一方向凝固超合金部品の溶解・脱硫処理の際に副反応として起きるＡｌ等の減量を補填する工程として、純正材組成との乖離を調整する工程を設けてもよい（Ｓ４０７）。

　他方で、メルティングストック用鋳型またはリサイクルＮｉ基一方向凝固超合金部品用鋳型３０を鋳型加熱炉２０内に置き、鋳型加熱炉２０によって鋳型３０の温度をＮｉ基一方向凝固超合金の溶解温度以上に加熱する（Ｓ４０８）。そして、溶湯るつぼ１０の溶解したＮｉ基超合金を鋳型３０に注湯する（Ｓ４１０）。鋳型昇降機構とチルプレート３８を用いて、鋳型３０内でＮｉ基一方向凝固超合金を成長させる（Ｓ４１２）。そして、鋳型３０からリサイクルＮｉ基一方向凝固超合金部品を取り外す（Ｓ４１４）。メルティングストックへとリサイクルする場合は、上記鋳型加熱工程（Ｓ４０８）と単結晶成長工程（Ｓ４１２）を省略し、凝固したメルティングストックを取り出す（Ｓ４１４）ことができる。

　このようにすると、リサイクル対象部品の遮熱コーティングの材質が、メルティングストックまたはリサイクルＮｉ基一方向凝固超合金部品の性質に悪影響を与える場合でも、当該影響を少なくできる。このリサイクル方法では、ボンドコーティングを除く遮熱コーティングもしくはボンドコーティングを含む遮熱コーティングを剥離しても良く、また、耐酸化コーティングのみを施してあるＮｉ基一方向凝固超合金部品にそのまま、もしくは耐酸化コーティングを剥離して適用しても良く、コーティングされていないＮｉ基一方向凝固超合金部品にそのまま適用してもよい。

　メルティングストックへとリサイクルする場合には、Ｓ３１２やＳ４１４で出来上がったメルティングストックを貯蔵する（Ｓ３１４、Ｓ４１６）。メルティングストックよりリサイクルＮｉ基一方向凝固超合金部品を製造するには、目的とするタービン動翼やタービンベーンなどの形状に対応した鋳型を準備して、真空高周波溶解装置を用いて、再度溶湯るつぼ１０で溶解して（Ｓ３２０）、一方向凝固させて一方向凝固部品とする。

　リサイクルＮｉ基一方向凝固超合金部品が、Ｎｉ基一方向凝固超合金のタービン動翼やタービンベーンなどの場合には、リサイクルＮｉ基一方向凝固超合金部品の溶体化処理を行ない（Ｓ３２２）、次に時効析出処理（Ｓ３２４）を行う。この溶体化処理と時効析出処理により、強化相（γ′相）が適切なサイズ・形状になる。続いて、必要に応じて、セラミックを含む遮熱コーティングもしくは耐酸化コーティングで被覆する（Ｓ３２６）。

　また、上記実施の形態においては、メルティングストックへのリサイクル並びに、リサイクルＮｉ基単結晶超合金部品としてタービン動翼又はタービンベーンの場合を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、燃焼器ライナー、スプラッシュプレート、又はタービンディスク等の、タービン動翼やタービンベーン、又はダクトセグメント等に比較して大型な部品であっても、真空高周波溶解装置を用いて単結晶部品や一方向凝固部品とすることで、適用可能である。

　本発明のＮｉ基単結晶超合金部品のリサイクル方法によれば、長期間の使用や飛行によって、燃料に含まれる硫黄成分や大気中の亜硫酸ガスの影響を受けて、硫黄成分がＮｉ基単結晶超合金部品の内部に侵入していても、脱硫処理によってＮｉ基単結晶超合金部品の硫黄組成を純正材と同程度に低下させることができる。そこで、初期の製造コストが普通鋳造合金や一方向凝固合金と比較して高くても、保守維持費に係るリサイクルコストが低廉であるため、Ｎｉ基単結晶超合金部品のライフタイムコストが低下し、Ｎｉ基単結晶超合金部品の普及が促進される。

　また、既に製造済みのＮｉ基単結晶超合金部品が、レアメタルの損耗なくリサイクルできるので、レアメタルの供給先確保の問題が緩和されると共に、超合金を精製して合金元素を回収する場合に多量に発生する産業廃棄物処理の問題も緩和される利点がある。

　さらに、本発明のＮｉ基単結晶超合金部品の直接再溶解によるリサイクル方法は、Ｎｉ基一方向凝固超合金部品にも同様に適用される。

１０　溶湯るつぼ（カルシアるつぼ）
２０　鋳型加熱炉
３０　鋳型
５０　真空容器

Claims

　Ｎｉ基単結晶超合金基材の表面に少なくともセラミックを含む遮熱コーティングを設けてなるＮｉ基単結晶超合金部品のリサイクル方法であって、
　前記Ｎｉ基単結晶超合金の融点以上であって前記セラミックの融点未満の温度で、前記Ｎｉ基単結晶超合金部品を溶解し脱硫処理して、脱硫処理したＮｉ基単結晶超合金を調製する工程と、
　前記Ｎｉ基単結晶超合金を用いて、リサイクルＮｉ基単結晶超合金部品またはメルティングストックを形成する工程を含み、
　前記リサイクルＮｉ基単結晶超合金部品を直接形成する場合には、
　リサイクルＮｉ基単結晶超合金部品用鋳型の温度を前記Ｎｉ基単結晶超合金の溶解温度以上に加熱する工程と、
　前記リサイクルＮｉ基単結晶超合金部品用鋳型に前記溶解したＮｉ基単結晶超合金を注湯して、Ｎｉ基単結晶超合金を成長させる工程と、
　前記リサイクルＮｉ基単結晶超合金部品用鋳型からリサイクルＮｉ基単結晶超合金部品を取り外す工程と、を含み、
　メルティングストックからリサイクルＮｉ基単結晶超合金部品を形成する場合には、
　メルティングストック用鋳型に、前記溶解したＮｉ基単結晶超合金を注湯して、メルティングストックを形成する工程と、
　前記メルティングストック用鋳型からメルティングストックを取り外す工程と、
　前記メルティングストックからＮｉ基単結晶超合金部品を製造する工程と、
　を含むことを特徴とするＮｉ基単結晶超合金部品のリサイクル方法。
　前記Ｎｉ基単結晶超合金部品のボンドコーティングを除く遮熱コーティング、またはボンドコーティングを含む遮熱コーティングを剥離する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載のＮｉ基単結晶超合金部品のリサイクル方法。
　Ｎｉ基単結晶超合金基材の表面に耐酸化コーティングを設けてなるＮｉ基単結晶超合金部品、または表面に耐酸化コーティングを設けないＮｉ基単結晶超合金部品のリサイクル方法であって、
　前記Ｎｉ基単結晶超合金の融点以上で前記Ｎｉ基単結晶超合金部品を溶解し脱硫処理して、脱硫処理したＮｉ基単結晶超合金を調製する工程と、
　前記Ｎｉ基単結晶超合金を用いて、リサイクルＮｉ基単結晶超合金部品またはメルティングストックを形成する工程を含み、
　前記リサイクルＮｉ基単結晶超合金部品を直接形成する場合には、
　リサイクルＮｉ基単結晶超合金部品用鋳型の温度を前記Ｎｉ基単結晶超合金の溶解温度以上に加熱する工程と、
　前記リサイクルＮｉ基単結晶超合金部品用鋳型に前記溶解したＮｉ基単結晶超合金を注湯して、Ｎｉ基単結晶超合金を成長させる工程と、
　前記リサイクルＮｉ基単結晶超合金部品用鋳型からリサイクルＮｉ基単結晶超合金部品を取り外す工程とを含み、
　メルティングストックからリサイクルＮｉ基単結晶超合金部品を形成する場合には、
　メルティングストック用鋳型に、前記溶解したＮｉ基単結晶超合金を注湯して、メルティングストックを形成する工程と、
　前記メルティングストック用鋳型からメルティングストックを取り外す工程と、
　前記メルティングストックからＮｉ基単結晶超合金部品を製造する工程と、
　を含むことを特徴とするＮｉ基単結晶超合金部品のリサイクル方法。
　前記耐酸化コーティングで被覆されたＮｉ基単結晶超合金部品の耐酸化コーティングを剥離する工程を含むことを特徴とする請求項３に記載のＮｉ基単結晶超合金部品のリサイクル方法。
　前記Ｎｉ基単結晶超合金部品を脱硫処理する工程は、当該Ｎｉ基単結晶超合金部品の硫黄成分が３ＰＰＭ以下となるように脱硫処理することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載のＮｉ基単結晶超合金部品のリサイクル方法。
　前記リサイクルＮｉ基単結晶超合金の合金組成が、当該Ｎｉ基単結晶超合金部品の純正材に許容される組成範囲に入るように、欠乏する元素について添加して、組成調整を行う工程を含むことを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載のＮｉ基単結晶超合金部品のリサイクル方法。
　前記リサイクルＮｉ基単結晶超合金の成長工程は、一方向凝固によって単結晶とする工程と、
　前記リサイクルＮｉ基単結晶超合金部品の溶体化処理と時効析出処理を行う工程を含むことを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載のＮｉ基単結晶超合金部品のリサイクル方法。
　前記リサイクルＮｉ基単結晶超合金部品を、ボンドコーティングおよびセラミックを含む遮熱コーティングで被覆する工程または耐酸化コーティングで被覆する工程を含むことを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載のＮｉ基単結晶超合金部品のリサイクル方法。
　前記リサイクルＮｉ基単結晶超合金部品は、Ｎｉ基単結晶超合金のタービン動翼、タービンベーン、燃焼器ライナー、スプラッシュプレート、ダクトセグメント、又はタービンディスクの少なくとも一種類であることを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載のＮｉ基単結晶超合金部品のリサイクル方法。
　Ｎｉ基一方向凝固超合金基材の表面に少なくともセラミックを含む遮熱コーティングを設けてなるＮｉ基一方向凝固超合金部品のリサイクル方法であって、
　前記Ｎｉ基一方向凝固超合金の融点以上であって前記セラミックの融点未満の温度で、前記Ｎｉ基一方向凝固超合金部品を溶解し脱硫処理して、脱硫処理したＮｉ基超合金を調製する工程と、
　前記Ｎｉ基一方向凝固超合金を用いて、リサイクルＮｉ基一方向凝固超合金部品またはメルティングストックを形成する工程を含み、
　前記リサイクルＮｉ基一方向凝固超合金部品を直接形成する場合には、
　リサイクルＮｉ基一方向凝固超合金部品用鋳型の温度を前記Ｎｉ基一方向凝固超合金の溶解温度以上に加熱する工程と、
　前記リサイクルＮｉ基一方向凝固超合金部品用鋳型に前記溶解したＮｉ基超合金を注湯して、Ｎｉ基一方向凝固超合金を成長させる工程と、
　前記リサイクルＮｉ基一方向凝固超合金部品用鋳型からリサイクルＮｉ基一方向凝固超合金部品を取り外す工程と、を含み、
　メルティングストックからリサイクルＮｉ一方向凝固超合金部品を形成する場合には、
　メルティングストック用鋳型に、前記溶解したＮｉ基一方向凝固超合金を注湯して、メルティングストックを形成する工程と、
　前記メルティングストック用鋳型からメルティングストックを取り外す工程と、
　前記メルティングストックからＮｉ基一方向凝固超合金を製造する工程と、
　を含むことを特徴とするＮｉ基一方向凝固超合金部品のリサイクル方法。
　前記Ｎｉ基一方向凝固超合金部品のボンドコーティングを除く遮熱コーティング、またはボンドコーティングを含む遮熱コーティングを剥離する工程を含むことを特徴とする請求項１０に記載のＮｉ基一方向凝固超合金部品のリサイクル方法。
　Ｎｉ基一方向凝固超合金基材の表面に耐酸化コーティングを設けてなるＮｉ基一方向凝固超合金部品、または表面に耐酸化コーティングを設けないＮｉ基一方向凝固超合金部品のリサイクル方法であって、
　前記Ｎｉ基一方向凝固超合金の融点以上であって前記セラミックの融点未満の温度で、前記Ｎｉ基一方向凝固超合金部品を溶解し脱硫処理して、脱硫処理したＮｉ基超合金を調製する工程と、
　前記Ｎｉ基一方向凝固超合金を用いて、リサイクルＮｉ基一方向凝固超合金部品またはメルティングストックを形成する工程を含み、
　前記リサイクルＮｉ基一方向凝固超合金部品を直接形成する場合には、
　リサイクルＮｉ基一方向凝固超合金部品用鋳型の温度を前記Ｎｉ基一方向凝固超合金の溶解温度以上に加熱する工程と、
　前記リサイクルＮｉ基一方向凝固超合金部品用鋳型に前記溶解したＮｉ基超合金を注湯して、Ｎｉ基一方向凝固超合金を成長させる工程と、
　前記リサイクルＮｉ基一方向凝固超合金部品用鋳型からリサイクルＮｉ基一方向凝固超合金部品を取り外す工程と、を含み、
　メルティングストックからリサイクルＮｉ一方向凝固超合金部品を形成する場合には、
　メルティングストック用鋳型に、前記溶解したＮｉ基一方向凝固超合金を注湯して、メルティングストックを形成する工程と、
　前記メルティングストック用鋳型からメルティングストックを取り外す工程と、
　前記メルティングストックからＮｉ基一方向凝固超合金を製造する工程と、
　を含むことを特徴とするＮｉ基一方向凝固超合金部品のリサイクル方法。
　前記耐酸化コーティングで被覆されたＮｉ基一方向凝固超合金部品の耐酸化コーティングを剥離する工程を含むことを特徴とする請求項１２に記載のＮｉ基一方向凝固超合金部品のリサイクル方法。
　前記Ｎｉ基一方向凝固超合金部品を脱硫処理する工程は、当該Ｎｉ基一方向凝固超合金部品の硫黄成分が３ＰＰＭ以下となるように脱硫処理することを特徴とする請求項１０乃至１３の何れか１項に記載のＮｉ基一方向凝固超合金部品のリサイクル方法。
　前記リサイクルＮｉ基一方向凝固超合金の合金組成が、当該Ｎｉ基一方向凝固超合金部品の純正材に許容される組成範囲に入るように、欠乏する元素について添加して、組成調整を行う工程を含むことを特徴とする請求項１０乃至１４の何れか１項に記載のＮｉ基一方向凝固超合金部品のリサイクル方法。
　前記リサイクルＮｉ基一方向凝固超合金部品の溶体化処理と時効析出処理を行う工程を含むことを特徴とする請求項１０乃至１５の何れか１項に記載のＮｉ基一方向凝固超合金部品のリサイクル方法。
　前記リサイクルＮｉ基一方向凝固超合金部品を、ボンドコーティングおよびセラミックを含む遮熱コーティングで被覆する工程または耐酸化コーティングで被覆する工程を含むことを特徴とする請求項１０乃至１６の何れか１項に記載のＮｉ基一方向凝固超合金部品のリサイクル方法。
　前記リサイクルＮｉ基一方向凝固超合金部品は、Ｎｉ基一方向凝固超合金のタービン動翼、タービンベーン、燃焼器ライナー、スプラッシュプレート、ダクトセグメント、又はタービンディスクの少なくとも一種類であることを特徴とする請求項１０乃至１７の何れか１項に記載のＮｉ基一方向凝固超合金部品のリサイクル方法。