特開 2023-32514 ニッケル基超合金及びその粉末、並びにニッケル基超合金造形体の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023032514

(43)【公開日】2023-03-09

(54)【発明の名称】ニッケル基超合金及びその粉末、並びにニッケル基超合金造形体の製造方法

(51)【国際特許分類】

   C22C 19/05 20060101AFI20230302BHJP

   B22F 3/105 20060101ALI20230302BHJP

   B22F 3/16 20060101ALI20230302BHJP

   B22F 10/28 20210101ALI20230302BHJP

   B22F 3/24 20060101ALI20230302BHJP

   C22F 1/10 20060101ALI20230302BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20230302BHJP

   B33Y 70/00 20200101ALI20230302BHJP

   C22F 1/00 20060101ALN20230302BHJP

【ＦＩ】

C22C19/05 C

B22F3/105

B22F3/16

B22F10/28

B22F3/24 C

C22F1/10 H

B33Y10/00

B33Y70/00

C22F1/00 621

C22F1/00 628

C22F1/00 630K

C22F1/00 640B

C22F1/00 650A

C22F1/00 651B

C22F1/00 687

C22F1/00 691B

C22F1/00 691C

C22F1/00 692A

C22F1/00 692B

C22F1/00 693A

C22F1/00 693B

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021138686

(22)【出願日】2021-08-27

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成３０年度、内閣府総合科学技術・イノベーション会議の戦略的イノベーション創造プログラム（ＳＩＰ）「統合型材料開発システムによるマテリアル革命」委託研究（管理法人：ＪＳＴ）、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】301023238

【氏名又は名称】国立研究開発法人物質・材料研究機構

(71)【出願人】

【識別番号】000000974

【氏名又は名称】川崎重工業株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】504176911

【氏名又は名称】国立大学法人大阪大学

(74)【代理人】

【識別番号】100206829

【弁理士】

【氏名又は名称】相田 悟

(74)【代理人】

【識別番号】100127513

【弁理士】

【氏名又は名称】松本 悟

(72)【発明者】

【氏名】北嶋 具教

(72)【発明者】

【氏名】平賀 知輝

(72)【発明者】

【氏名】草野 正大

(72)【発明者】

【氏名】北野 萌一

(72)【発明者】

【氏名】皆川 和己

(72)【発明者】

【氏名】源 聡

(72)【発明者】

【氏名】川岸 京子

(72)【発明者】

【氏名】渡邊 誠

(72)【発明者】

【氏名】出村 雅彦

(72)【発明者】

【氏名】井頭 賢一郎

(72)【発明者】

【氏名】東 誠

(72)【発明者】

【氏名】日比野 真也

(72)【発明者】

【氏名】藤光 利茂

(72)【発明者】

【氏名】中野 貴由

【テーマコード（参考）】

4K018

【Ｆターム（参考）】

4K018AA09

4K018BA04

4K018CA44

4K018EA51

4K018EA60

4K018FA08

4K018KA07

4K018KA12

(57)【要約】      （修正有）

【課題】Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）７３８ＬＣと同程度の体積割合のγ’相を析出可能であり、かつ急速溶融急速凝固プロセスで発生するクラックが少ないニッケル基超合金を提供する。
【解決手段】質量百分率で、４．８％以上５．１％以下のＡｌ、１．４％以上１．７％以下のＴｉ、１４．２％以上１９．２％以下のＣｒ、４．５％以上１２．４％以下のＣｏ、０．７％以上１．５％以下のＴａ、２．８％以上５．３％以下のＷ、０％以上４．１％以下のＭｏ、０％以上０．０４％以下のＺｒ、０．０２４％以上０．１５％以下のＣ並びに残部Ｎｉ及び不可避不純物からなるニッケル基超合金とする。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

質量百分率で、
４．８％以上５．１％以下のＡｌ、
１．４％以上１．７％以下のＴｉ、
１４．２％以上１９．２％以下のＣｒ、
４．５％以上１２．４％以下のＣｏ、
０．７％以上１．５％以下のＴａ、
２．８％以上５．３％以下のＷ、
０％以上４．１％以下のＭｏ、
０％以上０．０４％以下のＺｒ、
０．０２４％以上０．１５％以下のＣ、並びに
残部Ｎｉ及び不可避不純物からなる
ニッケル基超合金。

【請求項2】

請求項１に記載のニッケル基超合金の粒子で構成される、ニッケル基超合金粉末。

【請求項3】

（１）請求項２に記載のニッケル基超合金粉末を層状に敷き詰めること、
（２）前記層状に敷き詰めたニッケル基超合金粉末に、所期のパターンで高エネルギー線を照射して溶融・凝固させ、造形層を形成すること、
（３）前記造形層上に、請求項２に記載のニッケル基超合金粉末を層状に敷き詰めること、
（４）前記層状に敷き詰めたニッケル基超合金粉末に、所期のパターンで高エネルギー線を照射して溶融・凝固させ、新たな造形層を形成すること、並びに
（５）前記（３）及び（４）を繰り返して造形体の外形を形成すること
を含む、ニッケル基超合金造形体の製造方法。

【請求項4】

前記（５）にて外形を形成した造形体を、１１００℃以上１２００℃以下の温度にて１時間以上５時間以内保持した後、９００℃以下まで空冷し、次いで８００℃以上９００℃以下の温度にて、１２時間以上４８時間以内保持した後、室温まで空冷する、請求項３に記載のニッケル基超合金造形体の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ニッケル基超合金及びその粉末、並びにニッケル基超合金造形体の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

ニッケル基超合金は、高温で優れた強度と耐酸化性を有することが知られている。このため、航空機のエンジンや火力発電所で使用されるタービン等の、高温・酸化性環境下で高応力が負荷される部材に使用されている。中でも、Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）７３８ＬＣは、γ’相の析出強化により、優れた高温強度を有する合金として知られている。

【0003】

しかし、Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）７３８ＬＣは、溶接時に微小割れを生じやすいため、溶接が極めて困難であることが知られている。また、金属製部材の製造方法として近年盛んに開発が行われている積層造形法、すなわち金属粉末の層にレーザや電子ビーム等を照射して、局所的に溶融・凝固させることで造形層を形成し、これを繰り返して積層することで造形体を得る方法、においても、Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）７３８ＬＣの微小割れが報告されている（特許文献１、２）。

【0004】

こうした背景から、優れた高温強度を有しつつ、溶接や積層造形等のプロセスにおいて微小割れが発生しにくい合金組成が種々提案されている。
例えば、特許文献２では、Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）７３８ＬＣよりもＺｒ及びＳｉを減量した組成の合金は、余熱を行わない選択的レーザ溶融（ＳＬＭ）により、ほぼクラックのない部品を製造することができるとしている。
また、特許文献３では、Ｎｉ基超合金のＳを０．００２％以下に制御するか、Ｎを０．１０％以下に制御することにより、積層造形法などの急速溶融急速凝固プロセスで焼結を行っても割れが抑制できるとしている。
さらに、特許文献４では、ＴｉとＡｌの合計を１０．０質量％以下に抑えつつ、Ｚｒ、Ｙ及びＨｆの少なくとも１種以上を、Ｚｒ：０．１％以上２．０％以下、Ｙ：０．２％以上２．０％以下、Ｈｆ：０．１％以上２．０％以下に制御することにより、積層造形時の割れを抑制しつつ、良好な高温特性が得られるとしている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１５－２２４３９４号公報

【特許文献2】特開２０１７－５０８８７７号公報

【特許文献3】特開２０１７－３６４８５号公報

【特許文献4】特開２０１９－４４２０９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献２、３では、合金粉末を積層造形した際に発生するクラックが減少したことを確認しているが、高温強度又はこれに影響を及ぼす析出相の確認は行っていない。また、特許文献４では、合金粉末を積層造形した造形体について、高温での引張強さ、０．２％耐力及び伸びの低下が小さいことを確認しているが、この結果を、Ｚｒ、Ｙ、Ｈｆの添加により生成した熱的に安定な酸化物粒子、介在物粒子のピン止め効果に起因するものとしており、造形体中に含まれるγ’相の割合は不明である。

【0007】

このように、Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）７３８ＬＣと同程度の量のγ’相を析出することで優れた高温強度を発現しつつ、溶接や積層造形等の急速溶融急速凝固プロセスにおけるクラックの発生を抑制可能なニッケル基超合金組成については、これまでのところ報告されていない。そこで、本発明は、Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）７３８ＬＣと同程度の体積割合のγ’相を析出可能であり、かつ急速溶融急速凝固プロセスで発生するクラックが少ないニッケル基超合金を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明者は、前記課題を解決するための検討の過程で、ニッケル基超合金における凝固脆性温度域（Ｂｒｉｔｔｌｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｒａｎｇｅ、ＢＴＲ）の広狭が、急速溶融急速凝固プロセスでのクラックの発生に及ぼす影響に着目した。そして、ＢＴＲの決定因子である、急冷凝固時の液相線温度と固相線温度との差が小さくなり、かつ１０００℃平衡状態のγ’相の体積割合がＩｎｃｏｎｅｌ（登録商標）７３８ＬＣと同程度となるように、ニッケル基超合金の組成を調整することで、前記課題を解決できることを見出し、この知見に基づいて本発明を完成するに至った。

【0009】

すなわち、本発明の一側面は、質量百分率で、４．８％以上５．１％以下のＡｌ、１．４％以上１．７％以下のＴｉ、１４．２％以上１９．２％以下のＣｒ、４．５％以上１２．４％以下のＣｏ、０．７％以上１．５％以下のＴａ、２．８％以上５．３％以下のＷ、０％以上４．１％以下のＭｏ、０％以上０．０４％以下のＺｒ、０．０２４％以上０．１５％以下のＣ、並びに残部Ｎｉ及び不可避不純物からなるニッケル基超合金である。

【0010】

また、本発明の他の側面は、前記ニッケル基超合金の粒子で構成されるニッケル基超合金粉末であり、さらに別の側面は、（１）前記ニッケル基超合金粉末を層状に敷き詰めること、（２）前記層状に敷き詰めたニッケル基超合金粉末に、所期のパターンで高エネルギー線を照射して溶融・凝固させ、造形層を形成すること、（３）前記造形層上に、前記ニッケル基超合金粉末を層状に敷き詰めること、（４）前記層状に敷き詰めたニッケル基超合金粉末に、所期のパターンで高エネルギー線を照射して溶融・凝固させ、新たな造形層を形成すること、並びに（５）前記（３）及び（４）を繰り返して造形体の外形を形成することを含む、ニッケル基超合金造形体の製造方法である。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）７３８ＬＣと同程度の体積割合のγ’相を析出可能であり、かつ急速溶融急速凝固プロセスで発生するクラックが少ないニッケル基超合金を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の一側面に係るニッケル基超合金造形体の製造方法に使用可能な積層造形装置の構造及び該装置の動作を示す模式図

【図2】実施例１及び比較例１に係る造形体の形状（左側）、並びに電子顕微鏡観察を行った造形体の断面（右側）を示す模式図

【図3】実施例１に係るニッケル基超合金造形体断面のＳＥＭ像

【図4】比較例１に係るニッケル基超合金造形体断面のＳＥＭ像

【図5】実施例１及び比較例１に係るニッケル基超合金造形体に熱処理を施した後の、断面のＳＥＭ像（（ａ）:実施例１、（ｂ）:比較例１）

【発明を実施するための形態】

【0013】

［ニッケル基超合金］
本発明の一側面に係るニッケル基超合金（以下、単に「第１側面」と記載することがある）は、質量百分率で、４．８％以上５．１％以下のＡｌ、１．４％以上１．７％以下のＴｉ、１４．２％以上１９．２％以下のＣｒ、４．５％以上１２．４％以下のＣｏ、０．７％以上１．５％以下のＴａ、２．８％以上５．３％以下のＷ、０％以上４．１％以下のＭｏ、０％以上０．０４％以下のＺｒ、０．０２４％以上０．１５％以下のＣ、並びに残部Ｎｉ及び不可避不純物からなる。このことにより、Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）７３８ＬＣと同程度の体積割合のγ’相を析出可能としつつ、急速溶融急速凝固プロセスで発生するクラックが少ないニッケル基超合金が得られる。前記各成分の量の特定理由は、以下のとおりである。なお、以下の説明では、特に断らない限り、「％」は「質量％」を、「γ’相の体積割合」は「１０００℃平衡状態のγ’相の体積割合」をそれぞれ意味する。

【0014】

Ａｌは、４．８％以上５．１％以下とする。上述の組成を有するニッケル基超合金では、Ａｌは、γ’相の形成作用を有し、その含有量の増加に伴いγ’相の体積割合も増加する。このため、Ａｌの含有量を前述の範囲とすることで、γ’相の体積割合を所期の範囲内とすることができる。

【0015】

Ｔｉは、１．４％以上１．７％以下とする。Ｔｉも、Ａｌと同様に、上述の組成を有するニッケル基超合金においてγ’相の形成作用を有する。このため、Ｔｉを１．４％以上とすることで、γ’相の体積割合を高めることができる。他方、Ｔｉは、僅かではあるものの、ＢＴＲを広げる作用を有する。このため、Ｔｉを１．７％以下とすることで、ＢＴＲが広くなりすぎることを防止できる。

【0016】

Ｃｒは、１４．２％以上１９．２％以下とする。上述の組成を有するニッケル基超合金では、Ｃｒは、耐酸化性を向上させる作用、及びニッケル固溶体相の固溶強化作用を有する。このため、Ｃｒを１４．２％以上とすることで、ニッケル基超合金を耐酸化性及び機械的強度に優れるものとすることができる。他方、Ｃｒは、僅かではあるものの、γ’相の体積割合を低減する作用、及びＢＴＲを広げる作用を有する。このため、Ｃｒを１９．２％以下とすることで、γ’相の体積割合を高めつつ、ＢＴＲが広くなりすぎることを防止できる。

【0017】

Ｃｏは、４．５％以上１２．４％以下とする。上述の組成を有するニッケル基超合金では、Ｃｏは、ニッケル固溶体相の固溶強化作用を有する。このため、Ｃｏを４．５％以上とすることで、ニッケル基超合金の機械的強度を十分なものとすることができる。他方、Ｃｏは、Ｃｒと同様、僅かではあるものの、γ’相の体積割合を低減する作用、及びＢＴＲを広げる作用を有する。このため、Ｃｏを１２．４％以下とすることで、γ’相の体積割合を高めつつ、ＢＴＲが広くなりすぎることを防止できる。

【0018】

Ｔａは、０．７％以上１．５％以下とする。上述の組成を有するニッケル基超合金では、Ｔａは、γ’相の固溶強化作用を有し、その含有量の増加に伴いγ’相の体積割合も増加する。このため、Ｔａの含有量を前述の範囲とすることで、γ’相の体積割合を所期の範囲内とすることができる。

【0019】

Ｗは、２．８％以上５．３％以下とする。上述の組成を有するニッケル基超合金では、Ｗは、ニッケル固溶体相の固溶強化作用を有する。このため、Ｗを２．８％以上とすることで、ニッケル基超合金を機械的強度に優れるものとすることができる。他方、Ｗは、γ’相の体積割合を高める作用、及び僅かではあるもののＢＴＲを広げる作用を有する。このため、Ｗを５．３％以下とすることで、γ’相の体積割合を所期の範囲内としつつ、ＢＴＲが広くなりすぎることを防止できる。

【0020】

Ｍｏは、０％以上４．１％以下とする。上述の組成を有するニッケル基超合金では、Ｍｏは、ニッケル固溶体相の固溶強化作用を有する。このため、Ｍｏを含有することで、ニッケル基超合金を機械的強度に優れるものとすることができる。他方、Ｍｏは、γ’相の体積割合を高める作用を有する。このため、Ｍｏを４．１％以下とすることで、γ’相の体積割合を所期の範囲内とすることができる。

【0021】

Ｚｒは、０％以上０．０４％以下とする。上述の組成を有するニッケル基超合金では、Ｚｒは、ＢＴＲを広げる作用を有する。このため、Ｚｒを０．０４％以下とすることで、ＢＴＲが広くなりすぎることを防止できる。

【0022】

Ｃは、０．０２４％以上０．１５％以下とする。上述の組成を有するニッケル基超合金では、Ｃは、ＢＴＲを狭める作用を有する。このため、Ｃを０．０２４％以上とすることで、ＢＴＲが狭く、急冷凝固時のクラックの発生が抑制されたニッケル基超合金が得られる。他方、Ｃは、他の金属元素と反応して粒界に炭化物を生成し、耐食性及び靭性の低下を引き起こすことがある。このため、Ｃを０．１５％以下とすることで、粒界での炭化物の生成を抑制することができる。

【0023】

ニッケル基超合金が上述の組成を有することは、エネルギー分散型エックス線分光（ＥＤＸ）法、波長分散型エックス線分光（ＷＤＳ）法、蛍光エックス線分析法（ＸＲＦ）、高周波誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）発光分光分析法、燃焼赤外線吸収法、加熱融解赤外線吸収法、又は湿式化学分析法のいずれかにより確認することができる。

【0024】

［ニッケル基超合金粉末］
本発明の他の側面に係るニッケル基超合金粉末（以下、単に「第２側面」と記載することがある）は、第１側面に係るニッケル基超合金の粒子で構成される。この粉末は、積層造形法に適用した際に、造形体中のクラックの発生を抑制できる。

【0025】

第２側面では、粉末の粒径及びこれを構成する粒子の形状は特に限定されない。粒径については、例えば、ＪＩＳ Ｚ ８８０１－１（２０１９）で規定される、公称目開き１０６μｍの篩を通過するものとすることができ、公称目開き７５μｍの篩を通過するものとすることが好ましい。粒径の下限については、１μｍ以上とすることができ、５μｍ以上とすることが好ましい。また、粒子の形状については、例えば、球形とすることができる。

【0026】

第２側面の製造方法は特に限定されず、公知の金属粉末の製法の中から所期の粒径・粒子形状の粉末が得られるものを適宜選択すればよい。一例として、溶融金属に高圧のガスを吹きつけて冷却し、金属粒子を得るガスアトマイズ法が挙げられる。ガスアトマイズ法は、金属の酸化を抑制しつつ、球形の粒子が得られる利点を有する。得られたニッケル基超合金粉末は、そのまま造形体の製造に供してもよく、篩等により分級して粒度を揃えた後、造形体の製造に供してもよい。

【0027】

［ニッケル基超合金造形体の製造方法］
本発明のさらに別の側面に係るニッケル基超合金造形体の製造方法（以下、単に「第３側面」と記載することがある）は、（１）第２側面のニッケル基超合金粉末を層状に敷き詰めること、（２）前記層状に敷き詰めたニッケル基超合金粉末に、所期のパターンで高エネルギー線を照射して溶融・凝固させ、造形層を形成すること、（３）前記造形層上に、第２側面のニッケル基超合金粉末を層状に敷き詰めること、（４）前記層状に敷き詰めたニッケル基超合金粉末に、所期のパターンで高エネルギー線を照射して溶融・凝固させ、新たな造形層を形成すること、並びに（５）前記（３）及び（４）を繰り返して造形体の外形を形成することを含む。このことにより、クラックの少ない造形体を得ることができる。

【0028】

第３側面で用いる造形装置は特に限定されず、公知の金属用積層造形装置から適宜選択すればよい。図１に、使用可能な造形装置の構造及び該装置の動作を模式的に示す。この装置は、前記（１）から（４）の操作に対応して、以下のように動作する。（１）粉体貯留槽１中に設けられた粉体供給ピストン１１が上昇し、内部のニッケル基超合金粉末Ｐを所定の高さだけ押し上げる。その後、押し上げられたニッケル基超合金粉末Ｐを、リコータ２にて造形室３へと供給し、造形ピストン３１上に層状に敷き詰める。（２）レーザ光源４から発生したレーザビーム４１を、層状に敷き詰められたニッケル基超合金粉末Ｐに対して所期のパターンで照射する。これにより、前記パターン上のニッケル基超合金粉末が溶融・凝固して造形層となる。（３）造形ピストン３１が所期の高さだけ下降すると共に、粉体供給ピストン１１が所期の高さだけ上昇する。その後、粉体供給ピストン１１で押し上げられたニッケル基超合金粉末Ｐを、リコータ２にて造形室３へと供給し、造形層及び未造形のニッケル基超合金粉末Ｐで形成される層の上に、層状に敷き詰める。（４）レーザ光源４から発生したレーザビーム４１を、層状に敷き詰められたニッケル基超合金粉末Ｐに対して所期のパターンで照射する。これにより、前記パターン上のニッケル基超合金粉末が溶融・凝固して新たな造形層となる。

【0029】

第３側面では、前述の方法で外形を形成した造形体に熱処理を行ってもよい。造形体に行う熱処理としては、溶体化処理及び時効処理が挙げられる。溶体化処理の条件としては、１１００℃以上１２００℃以下の温度にて１時間以上５時間以内保持した後、９００℃以下の温度まで空冷するものが例示される。また、時効処理の条件としては、８００℃以上９００℃以下の温度にて、１２時間以上４８時間以内保持した後、空冷するものが例示される。溶体化処理及び時効処理のいずれについても、熱処理雰囲気は特に限定されない。このため、ニッケル基超合金造形体の製造コストを抑える点からは、熱処理雰囲気は空気とすることが好ましい。前述した溶体化処理と時効処理とは、異なる熱処理装置を用いて別々に行ってもよく、同一の熱処理装置を用いて連続的に行ってもよい。溶体化処理と時効処理とを連続して行う場合には、溶体化処理における冷却を、その後の時効処理温度に達するまでとしてもよい。

【実施例0030】

以下、本実施形態を実施例により詳細に説明するが、本実施形態はこれらに限定されるものではない。

【0031】

［実施例１］
＜ニッケル基超合金粉末の作製＞
合金組成が、５％のＡｌ、１．５％のＴｉ、１７．５％のＣｒ、８．５％のＣｏ、１％のＴａ、４％のＷ、１．９％のＭｏ、０．０３％のＺｒ、０．１％のＣ並びに残部Ｎｉ及び不可避不純物からなるものとなるように、原料を秤量し、溶解してインゴットを作製した。得られたインゴットから、ガスアトマイズ法によりニッケル基超合金粉末を作製し、ＪＩＳ Ｚ ８８０１－１（２０１９）で規定される、公称目開き５３μｍの篩を通過させて、実施例に係るニッケル基超合金粉末を得た。

【0032】

＜ニッケル基超合金粉末の組成分析＞
得られたニッケル基超合金粉末の組成を、炭素について燃焼赤外線吸収法、その他の元素について湿式化学分析法を用いて分析した。得られた結果を表１に示す。この結果から、実施例に係るニッケル基超合金粉末は、ほぼ設計値どおりの組成を有するものといえる。

【0033】

＜ニッケル基超合金造形体の作製＞
実施例に係るニッケル基超合金粉末を、積層造形装置（ＳＬＭ Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ社製、ＳＬＭ２８０）に装填し、レーザ出力３００Ｗ、走査速度１１００ｍｍ／ｓ、走査ピッチ１００μｍ、積層厚３０μｍの条件で造形体を作製した。造形体の形状は、直径１０ｍｍ、高さ５ｍｍの円柱状とし、直径１０ｍｍ、厚さ２ｍｍのサポート上に造形を行った。

【0034】

＜造形体の熱処理＞
得られたニッケル基超合金造形体を熱処理炉内に配置し、空気中、１１７０℃で２時間の溶体化処理を行った後、室温まで空冷した。次いで、ニッケル基超合金造形体を熱処理炉内に配置し、空気中、８４０℃で２４時間の時効処理を行った後、室温まで空冷した。

【0035】

＜造形体の断面観察及び組成分析＞
積層造形後、熱処理前のニッケル基超合金造形体、及び熱処理後のニッケル基超合金造形体のそれぞれについて、図２に示すように、底面及び上面を構成する各円の中心付近を通る平面で切断し、その断面を走査型電気顕微鏡（ＳＥＭ）（日本電子株式会社製、ＪＳＭ－７２００Ｆ）にて観察した。熱処理前のニッケル基超合金造形体の断面のＳＥＭ像を図３に、熱処理後のニッケル基超合金造形体の断面のＳＥＭ像を図５に（ａ）として、それぞれ示す。また、炭素について燃焼赤外線吸収法、その他の元素について湿式化学分析法を用いて、造形体の組成分析を行った。得られた結果を表１に示す。この結果から、実施例に係るニッケル基超合金造形体は、ほぼ設計値どおりの組成を有するものといえる。

【0036】

【表1】

【0037】

＜熱処理後の造形体におけるγ’相の割合の算出＞
熱処理後のニッケル基超合金造形体の断面のＳＥＭ像を、画像解析ソフトウェア（Ｉｍａｇｅ－Ｊ）により解析し、ＳＥＭ像中で白っぽく（明るく）見えるγ’相の面積割合を算出した。得られた面積割合は４９．４±１．９％であった。

【0038】

［比較例１］
ニッケル基超合金粉末として、市販のＩｎｃｏｎｅｌ（登録商標）７３８ＬＣ粉末を用いた以外は実施例１と同様の方法で、比較例１に係るニッケル基超合金造形体を得た。なお、Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）７３８ＬＣの組成は、３．２０％以上３．７０％以下のＡｌ、３．２０％以上３．７０％以下のＴｉ、１５．７０％以上１６．３０％以下のＣｒ、３．００％以上９．００％以下のＣｏ、１．５０％以上２．００％以下のＴａ、２．４０％以上２．８０％以下のＷ、１．５０％以上２．００％以下のＭｏ、０．０３％以上０．０８％以下のＺｒ、０．１５％以上０．２０％以下のＣ、０．０９％以上０．１３％以下のＮｂ、０．００７％以上０．０１２％以下のＢ、並びに残部Ｎｉ及び不可避不純物からなるものである。

【0039】

得られたニッケル基超合金造形体について、実施例１と同様の方法で、断面観察を行った。熱処理前のニッケル基超合金造形体の断面のＳＥＭ像を図４に、熱処理後のニッケル基超合金造形体の断面のＳＥＭ像を図５に（ｂ）として、それぞれ示す。また、熱処理後のニッケル基超合金造形体の断面のＳＥＭ像から、実施例１と同様の方法でγ’相の面積割合を算出した。得られた面積割合は５０．２±２．２％であった。

【0040】

図３と図４との対比から、４．８％以上５．１％以下のＡｌ、１．４％以上１．７％以下のＴｉ、１４．２％以上１９．２％以下のＣｒ、４．５％以上１２．４％以下のＣｏ、０．７％以上１．５％以下のＴａ、２．８％以上５．３％以下のＷ、０％以上４．１％以下のＭｏ、０％以上０．０４％以下のＺｒ、０．０２４％以上０．１５％以下のＣ、並びに残部Ｎｉ及び不可避不純物からなる組成のニッケル基超合金で形成された実施例１に係るニッケル基超合金造形体は、積層造形法により形成されたものであるにも関わらず、内部にクラックは確認されなかったのに対し、前記組成を有さないニッケル基超合金で形成された比較例１に係るニッケル基超合金造形体は、図４中に矢印で示す複数のクラックが内部に存在することが判る。この結果から、前記組成を有するニッケル基超合金は、積層造形法による造形や、溶接による接合等の急速溶融急速凝固プロセスにおけるクラックの発生が抑制されるものといえる。

【0041】

また、熱処理後のニッケル基超合金造形体におけるγ’相の面積割合からは、前述の組成を有する実施例１に係るニッケル基超合金造形体は、比較例１と同条件の熱処理により、該熱処理条件に応じた、比較例１と同程度の体積割合のγ’相を生成するものといえる。そして、図５の（ａ）と（ｂ）との対比から、このとき生成するγ’相は、実施例１の方が微細で、大きさのばらつきが小さく、均一に分布していることも判る。こうしたγ’相の形態から見て、熱処理後の実施例１に係るニッケル基超合金造形体は、機械的特性に優れるものであることが推定される。

【0042】

［実施例２］
本実施例及び後述する実施例３、並びに後述する比較例２から比較例４では、積層造形の条件の相違によるクラック発生の有無を確認すると共に、クラックが確認された例については、その多寡を単位面積あたりのクラック長として定量し、比較した。

【0043】

＜ニッケル基超合金粉末及び造形体の作製＞
上述した実施例１と同様の手順でニッケル基超合金粉末を作製した。次いで、得られたニッケル基超合金粉末を、積層造形装置に装填し、レーザ出力３００Ｗ、走査速度６００ｍｍ／ｓの条件で、造形体を作製した。造形体の形状は、直径１０ｍｍ、高さ５ｍｍの円柱状とした。

【0044】

＜造形体の断面観察＞
積層造形後、熱処理前のニッケル基超合金造形体について、実施例１と同様の方法で断面観察を行った。その結果、断面にクラックは確認されなかった。

【0045】

［実施例３］
造形体を作製する際のレーザ出力を１８０Ｗとした以外は実施例２と同様の方法で、造形体を作製した。積層造形後、熱処理前のニッケル基超合金造形体について、実施例１と同様の方法で断面観察を行った。その結果、断面にクラックは確認されなかった。

【0046】

［比較例２及び比較例３］
＜造形体の作製及びその断面観察＞
ニッケル基超合金粉末として、市販のＩｎｃｏｎｅｌ（登録商標）７３８ＬＣ粉末を用いた以外は実施例２及び実施例３と同様の方法で、比較例２及び比較例３の各造形体を作製した。積層造形後、熱処理前の造形体について、実施例１と同様の方法で断面観察を行った。その結果、各造形体の断面にクラックが確認された。

【0047】

＜単位面積あたりのクラック長の測定・算出＞
観察を行った造形体断面のうち、造形体の側面近傍（図２中のｘ軸方向の端部近傍）の部分のＳＥＭ像について、画像解析により二値化処理を行った後、アスペクト比の大きな黒色部分をクラックとして抽出した。次いで、クラックとして抽出した各部分のフェレー径を測定し、各クラックの長さとした。次いで、各クラックの長さの合計（μｍ）を、ＳＥＭ像を得た領域の面積（ｍｍ^２）で割った商を、単位面積あたりのクラック長（μｍ／ｍｍ^２）とした。得られた単位面積あたりのクラック長は、比較例２で１８５．７μｍ／ｍｍ^２、比較例３で７９３．２μｍ／ｍｍ^２であった。

【0048】

［比較例４］
造形体を作製する際の走査速度を１２００ｍｍ／ｓとした以外は比較例２と同様の方法で、造形体を作製した。積層造形後、実施例１と同様の方法で断面観察を行ったところ、造形体の断面にクラックが確認された。比較例２と同様の方法で単位面積あたりのクラック長を測定・算出したところ、単位面積あたりのクラック長は、７０．９μｍ／ｍｍ^２であった。

【0049】

実施例２及び実施例３、並びに比較例２から比較例４の結果から、４．８％以上５．１％以下のＡｌ、１．４％以上１．７％以下のＴｉ、１４．２％以上１９．２％以下のＣｒ、４．５％以上１２．４％以下のＣｏ、０．７％以上１．５％以下のＴａ、２．８％以上５．３％以下のＷ、０％以上４．１％以下のＭｏ、０％以上０．０４％以下のＺｒ、０．０２４％以上０．１５％以下のＣ、並びに残部Ｎｉ及び不可避不純物からなる組成のニッケル基超合金で形成された粉末は、積層造形条件によらずクラックのない造形体が得られるものであるのに対し、前記組成を有さないニッケル基超合金で形成された粉末は、積層造形によるクラックの発生を避けることが困難なものであり、かつ、発生するクラックの量が、積層造形条件によって大きく変動するものであることが判る。

【産業上の利用可能性】

【0050】

本発明に係るニッケル基超合金によれば、積層造形法による造形や、溶接による接合等の急速溶融急速凝固プロセスにおけるクラックの発生が抑制される。このため、前記プロセスの適用が容易となる点で、本発明は有用である。また、本発明に係るニッケル基超合金は、熱処理によりＩｎｃｏｎｅｌ（登録商標）７３８ＬＣと同程度の量のγ’相を析出するものである。このため、本発明は、高温での強度が高い部材が得られる点で有用である。

【符号の説明】

【0051】

１ 粉体貯留槽
１１ 粉体供給ピストン
２ リコータ
３ 造形室
３１ 造形ピストン
４ レーザ光源
４１ レーザビーム
Ｐ ニッケル基超合金粉末

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】