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Reが添加されたNi基2重複相金属間化合物合金及びその製造方法 コモンズ 新技術説明会

国内特許コード P150011180
掲載日 2015年1月26日
出願番号 特願2012-534955
登録番号 特許第5757507号
出願日 平成23年7月20日(2011.7.20)
登録日 平成27年6月12日(2015.6.12)
国際出願番号 JP2011066466
国際公開番号 WO2012039189
国際出願日 平成23年7月20日(2011.7.20)
国際公開日 平成24年3月29日(2012.3.29)
優先権データ
  • 特願2010-213768 (2010.9.24) JP
発明者
  • 高杉 隆幸
  • 金野 泰幸
出願人
  • 公立大学法人大阪府立大学
発明の名称 Reが添加されたNi基2重複相金属間化合物合金及びその製造方法 コモンズ 新技術説明会
発明の概要 優れた硬さを示すNi基金属間化合物合金を提供する。本発明によれば、Niを主成分とし、かつAl:5~12原子%、V:11~17原子%、Re:1~5原子%を含み、初析L12相と(L12+D022)共析組織との2重複相組織を有するNi基2重複相金属間化合物合金が提供される。
従来技術、競合技術の概要



環境破壊が問題となり、省エネルギーやCO2削減に関する技術が、近年注目されている。このため、内燃機関の燃焼効率のさらなる向上が望まれ、より高温特性の優れた材料の開発が求められている。





このような要望に対し、高温特性の優れた材料として、(1)Ni基超合金と(2)Ni基2重複相金属間化合物合金の開発が進められている。





上記(1)のNi基超合金は、母相であるγ相(Ni固溶体相)と、この母相中に分散析出したγ’相とを有し、γ’相がNi3Alを基本組成とする金属間化合物(L12相)であり、構成相中の約60~70vol%がγ’相で構成される。





この合金は、普通鋳造合金、一方向凝固合金、単結晶合金へと開発が進められ、単結晶合金では、第1世代合金、Reを約3重量%含有する第2世代合金、Reを5~6重量%含有する第3世代合金、Ruなどの貴金属を2~3重量%含有する第4世代合金、貴金属を5~6重量%含有する第5世代合金へと開発が進められている。





例えば、一方向凝固材用Ni基超合金として、C,B,Hf,Co,Ta,Cr,W,Al,Reを含有し、残部がNi及び不可避の不純物からなる一方向凝固用Ni基超合金が知られている(例えば、特許文献1参照)。

この合金は、Ti,Nb,V,Zr等を任意の成分とし、母相のγ相と析出相のγ’相とを構成する元素の添加量と、結晶粒界を強化する元素の添加量を調整することにより、凝固方向の強度と結晶粒界の強度を改善する。





また、実用面において高温強度と高温における耐酸化性の両面においてバランスの取れたNi基単結晶超合金として、Al,Ta,W,Re,Cr及びRuを主添加元素とするNi基単結晶超合金が知られている(例えば、特許文献2参照)。

この合金は、その元素の組成比を最適な範囲に設定することにより、母相(γ相)の格子定数と析出相(γ’相)の格子定数とを最適な値に制御して優れた高温強度(クリープ強度)を実現する。





これらのNi基超合金は、ジェットエンジン等のタービン翼を主な用途とするため、高温強度や鋳造の観点から開発され、これらの観点から好ましい元素がその組成に添加されている。Ni基超合金は、上記で説明したように母相のγ相と析出相のγ’相からなるが、Reはγ相(固溶体相)に固溶してクリープ強度を向上させると説明されている(例えば、特許文献1及び2参照)。また、Taは、W等とともにγ相に固溶するとともにその一部がγ’相に固溶してクリープ強度を向上させると説明されている(例えば、特許文献2参照)。さらに、Vは、高温強度が低下するので、1重量%以下が好ましいと説明されている(例えば、特許文献1及び2参照)。





しかし、Ni基超合金は、構成相の約30~40vol%以上が金属相のγ相であるために融点や高温クリープ強度に限界があるといえる。また、高温強度の観点での開発は進んでいるものの、硬さの観点での開発は進んでいない。





一方、このような課題を解決する合金として、上記(2)のNi基2重複相金属間化合物合金の開発が期待されている。このNi基2重複相金属間化合物合金は、最密充填(Geometrically Closed Packed)結晶構造に属するNi3X型金属間化合物を整合良く組み合わせた複相合金であり、例えば、上記γ’相のNi3Alの金属間化合物相と、Ni3Vの金属間化合物相とで構成される。





図17に、このNi基2重複相金属間化合物合金の組織を説明するための図を示す。図17において、(1)がNi基2重複相金属間化合物合金の組織を説明するためのSEM写真の一例(Ni75Al814.5Nb2.5)であり、(2)がNi基2重複相金属間化合物合金の組織を構成する結晶構造(Ni3Al,Ni3V)の模式図である。





図17に示すように、このNi基2重複相金属間化合物合金は、整合性よく形成されたミクロ組織と、その間に形成されたナノ組織とで構成され(図17(1)参照)、前者のミクロ組織が初析L12相(図17(2)で示すNi3Al)で構成され、後者のナノ組織がL12相とD022相(図17(2)で示すNi3Al及びNi3V)とからなる共析組織で構成されている。





このNi基2重複相金属間化合物合金は、共析温度よりも高い温度の熱処理で、A1相(Ni固溶体相)に初析L12相が析出した上部複相組織が形成され、その後の共析温度以下の熱処理で、A1相がL12相とD022相の2相に共析変態し下部複相組織が形成されて構成されている。





このように、Ni基2重複相金属間化合物合金は、優れた特性を有するNi3X型金属間化合物が複相化されて形成されている。このため、このNi基2重複相金属間化合物合金は、単一の金属間化合物相で構成された合金よりもさらに優れた特性を示し、かつ幅広い組織制御の可能性がある合金として期待されている(特許文献3参照)。例えば、高温強度のほか、硬さの観点でも開発が進められている。





具体的な例を挙げると、常温のみならず高温でも優れた硬さを示すNi基2重複相金属間化合物合金として、Niを主成分とし、Al,V,Ta及び/又はW,Nb,Co,Cr,Bを含む(Nb,Co,Crは任意の成分)合金が知られている(特許文献4参照)。





また、表面の硬さが高められたNi基2重複相金属間化合物合金として、Niを主成分とし、Al,V,Nb,Ti,Co,Cr,Bを含む(Nb,Ti,Co,Crは任意の成分)合金を母材とし、この母材が窒化処理と浸炭処理の少なくとも一方によって表面処理されているNi基2重複相金属間化合物合金が知られている(特許文献5参照)。

産業上の利用分野



本発明は、Reが添加されたNi基2重複相金属間化合物合金及びその製造方法に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
Niを主成分とし、かつ
Al:5~12原子%、V:11~17原子%、Re:1~5原子%を含み、残部が不可避不純物からなる成分組成を有し
初析L12相と(L12+D022)共析組織との2重複相組織を有するNi基2重複相金属間化合物合金。

【請求項2】
Niを主成分とし、かつ
Al:8~12原子%、V:13~17原子%、Re:1~5原子%を含む請求項1に記載のNi基2重複相金属間化合物合金。

【請求項3】
Niを主成分とし、かつ
Al:5~9原子%、V:11~15原子%、Ta:3~7原子%、Re:1~5原子%を含む請求項1に記載のNi基2重複相金属間化合物合金。

【請求項4】
前記含有量のNi、Al、V及びRe又は、前記含有量のNi、Al、V、Re及びTaを含む合計100原子%の組成の合計質量に対して10~1000質量ppmのBをさらに含む請求項1~3のいずれか1つに記載のNi基2重複相金属間化合物合金。

【請求項5】
Niを主成分とし、かつ
Al:5~12原子%、V:11~17原子%、Re:1~5原子%を含み、残部が不可避不純物からなる成分組成を有する溶湯を徐冷して鋳造する工程を含む、
初析L12相と(L12+D022)共析組織との2重複相組織を有するNi基2重複相金属間化合物合金の製造方法。

【請求項6】
鋳造後、1503~1603Kの溶体化熱処理を行う請求項5に記載のNi基2重複相金属間化合物合金の製造方法。

【請求項7】
溶体化熱処理後、1073~1273Kの時効熱処理を行う請求項6に記載のNi基2重複相金属間化合物合金の製造方法。

【請求項8】
前記溶湯が、Niを主成分とし、かつ
Al:8~12原子%、V:13~17原子%、Re:1~5原子%を含む請求項5~7のいずれか1つに記載のNi基2重複相金属間化合物合金の製造方法。

【請求項9】
前記溶湯が、Niを主成分とし、かつ
Al:5~9原子%、V:11~15原子%、Ta:3~7原子%、Re:1~5原子%を含む請求項5~7のいずれか1つに記載のNi基2重複相金属間化合物合金の製造方法。

【請求項10】
前記溶湯が、前記含有量のNi、Al、V及びRe又は、前記含有量のNi、Al、V、Re及びTa、を含む合計100原子%の組成の合計質量に対して10~1000質量ppmのBをさらに含む請求項5~9のいずれか1つに記載のNi基2重複相金属間化合物合金の製造方法。
産業区分
  • 合金
  • 冶金、熱処理
  • 鋳造
国際特許分類(IPC)
画像

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出願権利状態 登録
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