JP2017222929A - Ni基超合金組成物、及びかかるNi基超合金組成物をSLM加工するための方法 - Google Patents

Ni基超合金組成物、及びかかるNi基超合金組成物をSLM加工するための方法 Download PDF

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Abstract

【課題】Ni基超合金組成物を提供する。
【解決手段】本発明は、選択的レーザ溶融(SLM)又は電子ビーム溶融(EBM)などの粉末ベースの付加製造(AM)技術に使用されるNi基超合金組成物に関する。
AMプロセス中の割れ感受性は、低融点共晶を形成する元素、特にHfの量を制御することにより、大幅に低減される。
【選択図】図4

Description

本発明は、Ni基超合金に関する。本発明は、請求項1のプリアンブルによるNi基超合金組成物に関する。本発明はさらに、かかるNi基超合金組成物をSLM加工するための方法に関する。
γ’(ガンマプライム)Ni3(Al,Ti)硬化Ni基超合金は高温割れが非常に起こりやすいため、この選択的レーザ溶融は困難である。
特に、MarM247、CM247LC、CMSX486、Rene80、Rene108又はMD2など、γ−マトリックス中のγ’(ガンマプライム)相の含有量が高い合金は、選択的レーザ溶融(SLM)中に広範な高温割れを生じる。
例えば、CM247LCの公称化学組成は、重量%で、9.5W、9.2Co、8.1Cr、5.6Al、3.2Ta、1.4Hf、0.7Ti、0.5Mo、0.075C、0.015Zr、0.015B及び残部のNi(米国特許出願公開第2014/034626(A1)号明細書参照)であり、MarM247の公称化学組成は、重量%で、10.0W、10.0Co、8.4Cr、5.5Al、3.0Ta、1.5Hf、1.0Ti、0.7Mo、0.15C、0.05Zr、0,015B及び残部のNiである。
この高い高温割れ感受性は、高温用途、特にガスタービン産業において強く求められるであろうこの合金クラスのSLMの工業化を妨げる。
この種の超合金における高温割れを減らすために、様々な手法が提案されている。
・欧州特許出願公開第2886225(A1)号明細書は、選択的レーザ溶融(SLM)又は電子ビーム溶融(EBM)などのパウダーベッド式付加製造によって三次元物品を製造する技術に関する。特に、この文書は、化学組成を改変したIN738LCに基づくNi基超合金粉末を含む高耐酸化性及び高ガンマプライム(γ’)析出物に関する。このような粉末は、重量%で、15.7〜16.3Cr、8.0〜9.0Co、1.5〜2.0Mo、2.4〜2.8W、1.5〜2.0Ta、3.2〜3.7Al、2.2〜3.7Ti、0.6〜1.1Nb、0.09〜0.13C、0.007〜0.012B、0.004<Zr<0.03、0.001<Si<0.03、残りの部分はNi及び避けられない残部分の元素である化学組成を有し、加えて、10〜100μmの間の粉末粒度分布及び球状形態を有する。利点として、より生産的なプロセスパラメータを用いて、付加製造プロセス(例えば、予熱)及び/又は後加工(例えば、熱間静水圧プレスHIP)の複雑で時間のかかる変形を伴わずに、ほとんど割れがない三次元物品を製造することができる。
しかし、高温割れを強く促すことが明らかになった、IN738LCと類似の合金中の微量元素、特にSi及びZr(上述の欧州特許出願公開第2886225(A1)号明細書参照)を低減及び制御しても、さらなる高γ’(ガンマプライム)含有合金における高温割れを完全に回避することはできない。
・部品の既存の高温割れを閉じるための、SLM後の熱間静水圧プレス(HIP)の適用。
広範な割れについては、これは、以前の高温割れ部位における酸化物生成により、機械的特性を低下させる恐れがある;さらに、これは、表面に開いた割れを閉じることができない。一連のコーティングステップ及び熱間静水圧プレスステップにより、この問題を解決するプロセスが開示されている(米国特許第8506836号明細書参照)が、これは費用がかかり、したがって経済的ではない。
・SLMにより約1200℃の非常に高温でγ’(ガンマプライム)強化合金MarM247を加工すると、全く割れのない部品が得られることが示されている(Y.C.Hagedorn,J.Risse,W.Meiners,N.Pirch,K.Wissenbach,and R.Poprawe,「Processing of nickel based superalloy MAR M−247 by means of High Temperature−Selective Laser Melting(HT−SLM)」,in High Value Manufacturing:Advanced Research in Virtual and Rapid Prototyping:Proceedings of the 6th International Conference on Advanced Research in Virtual and Rapid Prototyping,Leiria,Portugal,1−5 October,2013,2013,p.291参照)。
現在の構成では、基材のみが加熱され、したがって、積層高さ(build height)が高くなると、基材からの距離が増すため、加工温度が低くなる。したがって、このプロセスは現在、小さな部品に限定される。プロセスが工業化される場合、SLM装置を完全に再設計する必要があり、これは、高温が伴うため困難である。さらに、かかる高温では粉末の強い焼結が予想される。焼結されているが未溶融の粉末の除去には時間がかかるさらに、焼結粉末を除去することはほとんどできないため、冷却孔など、薄い内部構造を作ることはおそらく不可能である。したがって、かかるプロセスでは、表面品質、精度及び幾何学的自由度が低下する可能性がある。別の欠点は、加工中の粉末の強い酸化があり得る。これはリサイクル性の妨げになる恐れがあり、したがって材料コストを増大させる。
・電子ビーム溶融(EBM)の使用は、高温割れのないこのような合金の加工を可能にすることが明らかになっている。
このプロセスは高温でも行われるため、前述と同様の制限がある(ただし、このプロセスは真空下で行われ、したがって粉末酸化は低減される)。しかし、部分的に焼結された粉末が、内部空洞からほとんど除去できないため、EBMは精度がさらに低く、表面品質がはるかに低くなり、SLMほど小さなフィーチャを生成することができない。
結果として、既存の解決策は問題を解決しないか、又は非常に非経済的であり、したがって、γ’(ガンマプライム)硬化超合金のためのSLMプロセスの工業化を妨げる。
したがって、本発明の目的は、熱処理後にγ/γ’−ミクロ組織を構築する能力を有していて、かかるγ/γ’−ミクロ組織を有する三次元物品を製造するための、選択的レーザ溶融(SLM)、電子ビーム溶融(EBM)、レーザ金属フォーミング(LMF;laser metal forming)、レーザ加工ネットシェイプ(LENS;laser engineered net shape)又は直接金属溶着(DMD;direct metal deposition)などの付加製造(AM)プロセス中の合金の割れ感受性を大幅に低減するNi基超合金組成物を提供することである。
かかるNi基超合金組成物をSLM加工するための方法を教示することが本発明の別の目的である。
これらの目的は、請求項1に記載の合金組成物及び請求項13に記載の方法によって達成される。
本発明によれば、Ni基超合金組成物は、低融点共晶を形成する元素の量の制御によって、AMプロセスにおける割れ感受性が大幅に低減していることを特徴とする。
本発明の実施形態では、超合金組成物は、パウダーベッド式付加製造(SLM、EBM)のために特に提供され、析出物中に結合していない第1の元素を含んでいて、第1の元素が低融点共晶を形成する。第1の元素の量は、標準的な組成に対して増加している。標準的な組成という用語は、従前市販されているNi基超合金の化学組成をいう。
特に、第1の元素はハフニウム(Hf)を含む。第1の元素はZr又はBを含んでいてもよい。
具体的には、第1の元素は、1.2重量%<Hf<5重量%のHf含有量のHfを含んでいてもよい。
さらに具体的には、第1の元素は、1.6重量%<Hf<3.5重量%のHf含有量のHfを含んでいてもよい。
さらにより具体的には、第1の元素は、1.7重量%<Hf<2.8重量%のHf含有量のHfを含んでいてもよい。
超合金組成物は、>1.2重量%の最小限のHfを含んでいてもよく、CはHf[原子%]/C[原子%]比>1.55で存在する。
具体的には、Cは、Hf[原子%]/C[原子%]比>1.91で存在する。
いずれの場合も、Cは、粒界強化のためにC>0.01重量%で存在してもよい。
特に、Cは、0.01重量%<C<0.2重量%で存在してもよい。
合金中の前述の元素の量の制御及び調節は、本発明の利点をもたらす。開示されているHf[原子%]/C[原子%]比を実現することにより、Hfは炭化物析出物中に全く結合されておらず、「遊離」Hfが低融点共晶を形成することができる。
本発明の別の実施形態では、Ni基超合金は、重量%で、9.5W、9.2Co、8.1Cr、5.6Al、3.2Ta、1.4Hf、0.7Ti、0.5Mo、0.075C、0.015Zr、0.015B及び残部のNiの公称組成を有するCM247LCの(より多くの量の2.4重量%のHfを含む)改変版である。Hf[原子%]/C[原子%]比は、本発明による改変版については2.2、公称組成を有する合金については1.3である。
本発明の別の実施形態では、Ni基超合金は、重量%で、10.0W、10.0Co、8.4Cr、5.5Al、3.0Ta、1.5Hf、1.0Ti、0.7Mo、0.15C、0.05Zr、0.015B及び残部のNiの公称組成を有するMarM247の(特により多くの量のHfを含む)改変版である。Hf[原子%]/C[原子%]比は、公称組成を有するMarM247合金については、わずか0.67である。
本発明によるNi基超合金組成物をSLM加工するための方法は、酸化物中の遊離Hfの結合を防ぐために、SLMプロセスが、O2<1%の保護雰囲気下で、粉末中のO2含有量は<800ppmで実施されることを特徴とする。
具体的には、SLMプロセスは、O2<0.6%の保護雰囲気下で、粉末中のO2含有量は<500ppmで実施される。
さらに具体的には、SLMプロセスは、O2<0.4%の保護雰囲気下で、粉末中のO2含有量は<300ppmで実施される。
ここで本発明を、様々な実施形態により、添付図面を参照して、さらに詳しく説明する。
(a)標準的なMarM247に関連する、(b)標準的なCM247LCに関連する、及び(c)本発明の実施形態による改善された合金組成物に関連する、(同じ加工パラメータ及び条件を使用した)積層された状態(as-built state)の3つの異なるSLM加工した合金の検鏡試片の比較を示す図である。 Hfに富む溶融物による割れのバックフィル(backfilling)の証拠を示す、本発明の実施形態による合金のSEM顕微鏡写真及びEDXマップを示す図である。 (a)標準的なCM247LC、及び(b)本発明の実施形態による最適化された合金(いずれのサンプルも等しい条件下で加工される。)から製造されたSLM加工部品の側面の顕微鏡写真を示す図である。標準的な組成(a)は、表面に開いた多くの割れを生じるが、最適化された合金組成(b)では、割れのない表面が得られる。 標準的な合金と比較して、本発明による最適化された合金組成物による高温割れ(割れ密度)の減少を示す図である。 合金のHf/C比の上昇に伴う高温割れの減少を示す図である。
本発明は特に、選択的レーザ溶融(SLM)又は電子ビーム溶融(EBM)などのパウダーベッド式付加製造(AM)技術に使用されるNi基超合金組成物に関する。しかし、特許請求の範囲に記載のNi基超合金は、レーザ金属溶着(LMD)又はレーザ金属フォーミング(LMF)(粉末送給法(blown powder method))などの他のAM技術における溶接性を改善することもできる。
通常、本発明によれば、AMプロセス中の割れ感受性は、低融点共晶を形成する元素の量を制御することによって大幅に低減することができる。
凝固及び熱ひずみによって引き起こされる2つの凝固前面の間の体積収縮が、主要な溶融プールからの流体の流れによって補うことができないときに高温割れは起こる。この流体の流れ(「バックフィル」)は、最終段階の凝固挙動に影響される、樹枝状晶のネットワークの透過性に強く依存する。
本発明は、このバックフィルプロセスのための合金の能力を高め、したがって、AM/SLM加工中の高温割れの量を減らすことを意図している。
本発明は、低融点共晶を形成する「遊離」(すなわち、析出物中に結合していない)元素、特にHfの量を増やすことによってこれを実現する。これは、凝固の最終段階まで、存在する液体の体積分率を大きくし、したがって、さらに大きな樹枝状晶の分離及びより高い透過性をもたらす。
したがって、Zrなどの必須の元素の存在により生成し始める可能性のある高温割れは、凝固中にバックフィルして、直接閉じることができる。
Hfは、非常に強い炭化物及び酸化物生成物質(former)である。Hf炭化物及び酸化物は、凝固のごく初期に溶融物から生成され、したがって、凝固の極めて重要な段階の前に、多くのHfが炭化物/酸化物中に固定される。
したがって、高温割れを減らすために、最少量の1.2重量%のHfを含み、Cを含んでいて、Hf[at%]/C[at%]比>1.55を有する合金組成物が提案される。
特に、合金組成物は、より高いHf含有量(1.4重量%の代わりに2.4重量%)を有する、市販されているCM247LC合金(公称組成重量%で、9.5W、9.2Co、8.1Cr、5.6Al、3.2Ta、1.4Hf、0.7Ti、0.5Mo、0.075C、0.015Zr、0.015B及び残部のNi)の改変版である。その公称化学組成のHf[at%]/C[at%]比は1.3であり、改変された組成については、その比は2.2である。
本発明の別の実施形態では、Ni基超合金は、重量%で、10.0W、10.0Co、8.4Cr、5.5Al、3.0Ta、1.5Hf、1.0Ti、0.7Mo、0.15C、0.05Zr、0.015B及び残部のNiの公称組成を有するMarM247の(特により多くの量のHfを含む)改変版である。Hf[原子%]/C[原子%]比は、公称組成を有するMarM247合金については、わずか0.67である。
これらの要件を満たす合金は、生じる高温割れのバックフィルを可能にするのに十分な体積の末端の液体(terminal liquid)を示し、したがって、SLM加工中に非常に低い高温割れ感受性を示す。
酸化物中の遊離Hfの結合を防ぐために、SLMプロセスは、O2<1%、好ましくは<0.6%、さらに好ましくは0,4%の保護雰囲気下で追加的に実施されなければならず、粉末中のO2含有量は、<800ppm、好ましくは<500ppm、さらに好ましくは<300ppmでなければならない。粒界強化のために、C含有量は>0.01重量%でなければならない。
図1は、SLMにより加工された異なる合金からの3つの検鏡試片を示す。2つの標準的な合金(a)及び(b)は高温割れが非常に起こりやすいが、本発明の実施形態による実験に基づく合金は、高温割れを全く示さない。3つすべての合金は、同一のプロセスパラメータ/条件を用いて製造された。
図2は、Hfに富む末端の液体による、生じる高温割れのバックフィルに由来するHfに富む粒界領域を示す走査電子顕微鏡画像及びEDXマップの挿入図を示す。
図3は、(a)標準的なCM247LC、及び(b)本発明の実施形態による最適化された合金(いずれのサンプルも等しい条件下で加工される。)から製造されたSLM加工部品の側面の顕微鏡写真を示す。見て分かる通り、本発明による合金からのSLM加工部品(b)は、表面に開いた割れを示さない。これらの割れは特に除去が困難であり、疲労特性を低下させる恐れがあるため、これは重要である。一方、標準的なCM247LC合金(a)は、同じ条件下で加工したときに、多くの表面割れを示す。
図4は、同一の条件を用いたSLMにより加工された異なる合金の定量的な割れ解析による結果を示す。本発明による最適化された合金組成物を、2つの標準的な合金と比較している。本発明による実験に基づく(最適化された)合金は、著しく低下した高温割れ感受性を示す。
図5は、ゼロから2.2までの比の範囲のHf/C比の上昇に伴う高温割れ感受性の低下を示し、割れ密度はほぼゼロになる。
Hfを鋳造合金に添加して鋳造性を改善することは最先端技術である。しかし、鋳造材料においては、Hfの添加には厳しい制限がいくつかある:第1に、Hfは凝固中に著しく偏析し、凝固温度が非常に低い共晶組織を形成する。これは、その後の熱処理中の初期溶融の可能性を著しく高める。第2に、Hfは非常に反応性が高く、インベストメント鋳造に使用される鋳型と強く反応する可能性がある。
したがって、Hf含有量は通常、鋳造合金において〜1.5%に制限される。しかし、これらの制限はSLMプロセスには存在しない。なぜなら、起こる急速凝固が、Hf偏析及び低融点共晶組織のサイズを制限するからである。数百nmより小さいサイズのこれらの非常に小さい偏析は、加熱中に既に均質化されているため、初期溶融は問題ではない。溶融物中のHfの高い反応性は、SLMによる粉末床による部品の直接的な生成により、問題ではない。

Claims (15)

  1. 熱処理後にγ/γ’−ミクロ組織を構築する能力を有していて、γ/γ’−ミクロ組織を有する三次元物品の、選択的レーザ溶融(SLM)、電子ビーム溶融(EBM)、レーザ金属フォーミング(LMF)、レーザ加工ネットシェイプ(LENS)又は直接金属溶着(DMD)などの付加製造(AM)に使用されるNi基超合金組成物であって、低融点共晶を形成する元素の量の制御によって、AMプロセスにおける割れ感受性が大幅に低減していることを特徴とするNi基超合金組成物。
  2. パウダーベッド式付加製造(SLM、EBM)技術のために特に提供され、析出物中に結合していない第1の元素を含んでいて、第1の元素が低融点共晶を形成し、第1の元素の量が、標準的な組成に対して増加している、請求項1に記載のNi基超合金組成物。
  3. 第1の元素がHfを含む、請求項2に記載のNi基超合金組成物。
  4. 第1の元素が、1.2重量%<Hf<5重量%のHf含有量のHfを含む、請求項3に記載のNi基超合金組成物。
  5. 第1の元素が、1.6重量%<Hf<3.5重量%のHf含有量のHfを含む、請求項4に記載のNi基超合金組成物。
  6. 第1の元素が、1.7重量%<Hf<2.8重量%のHf含有量のHfを含む、請求項5に記載のNi基超合金組成物。
  7. >1.2重量%の最小限のHfを含んでいて、Cが、Hf[原子%]/C[原子%]比>1.55で存在する、請求項3に記載のNi基超合金組成物。
  8. CがHf[原子%]/C[原子%]比>1.91で存在する、請求項7に記載のNi基超合金組成物。
  9. Cが粒界強化のためにC>0.01重量%で存在する、請求項7又は8に記載のNi基超合金組成物。
  10. Cが0.01重量%<C<0.2重量%で存在する、請求項9に記載のNi基超合金組成物。
  11. Ni基超合金が、重量%で、9.5W、9.2Co、8.1Cr、5.6Al、3.2Ta、2.4Hf、0.7Ti、0.5Mo、0.075C、0.015Zr、0.015B及び残部のNiの化学組成を有するCM247LCの改変版である、請求項1乃至請求項10のいずれか1項に記載のNi基超合金組成物。
  12. Ni基超合金が、重量%で、10.0W、10.0Co、8.4Cr、5.5Al、3.0Ta、2.4Hf、1.0Ti、0.7Mo、0.15C、0.05Zr、0.015B及び残部のNiの化学組成を有するMarM247の改変版である、請求項1乃至請求項10のいずれか1項に記載のNi基超合金組成物。
  13. 酸化物中の遊離Hfの結合を防ぐために、SLMプロセスが、O2<1%の保護雰囲気下で、粉末中のO2含有量は<800ppmで実施される、請求項3に記載のNi基超合金組成物をSLM加工するための方法。
  14. SLMプロセスが、O2<0.6%の保護雰囲気下で、粉末中のO2含有量は<500ppmで実施される、請求項13に記載の方法。
  15. SLMプロセスが、O2<0.4%の保護雰囲気下で、粉末中のO2含有量は<300ppmで実施される、請求項14に記載の方法。
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