JP2021521341A - 付加製造のための粉末組成物 - Google Patents

Abstract

７３８ＬＣ組成はＮｉベース超合金ファミリーに属する。この合金は、タービンエンジンのホットセクションに使用される。ブレード、ベーン、およびヒートシールドは、７００〜８５０℃の使用温度に耐えられる合金で作られている。選択的レーザー溶融またはＰＢＦ−Ｌのような付加製造プロセスは、クラックの問題のために合金粉末を使用することに成功していない。また、７３８ＬＣは、ガンマプライム相の含有量が多いため、非溶接合金のカテゴリーに入ることが知られている。本発明の組成物は、ガンマプライム相の濃度、形態およびサイズ分布が異なる標準的な７３８ＬＣの外にある。本発明は、ＡＭレーザーをベースとした加工において、クラックの問題を解消することを示す。観察された室温引張特性は、鋳造品７３８ＬＣの特性よりもはるかに優れる。【選択図】図１

Description

本発明は、７３８ＬＣ合金粉末の印刷性を目的とする。この合金粉末は、レーザーベースの粉末ベッドプロセス時にその非印刷性とクラックの形成があることが知られている。現在、付加製造（ＡＭ）ユーザーは、熱間等方圧プレス（ＨＩＰ）プロセスを使用して、一定量のクラックを軽減している。しかしながら、プロセスの性質上、プロセス中に生じたすべてのクラックおよび不完全性をＨＩＰによって治癒することができるわけではない。

本発明は、特定のＡＭプロセスのためのより好適な組成物を開示することを目的とする。本発明は、より信頼性の高い解決策をＡＭコミュニティに提供することができる。本発明の新規な合金粉末の１つの重要な用途は、高温部材のための新規な設計を開発するために使用することができるので、ランドベースのタービン産業向けであろう。

上述した目的は、最小からゼロのクラックで印刷することができる非標準のＮｉベース合金組成物で満たされる。本明細書では、標準７３８ＬＣ合金は、図１に記載されているような組成を有するものとする。標準７３８ＬＣのように、ガンマプライム相は、定量的にも定性的にも改質されている。新しい合金の１つのガンマプライム相は、それがバイモーダルおよび角形態である先行技術の標準組成物と比較して、より微細であり、非モーダルである。第２の新しい合金では、ガンマプライム相はそのバイモーダル分布を保持しているが、形態は比較的滑らかなエッジを有する。これにより得られる室温引張特性は、標準的な７３８ＬＣ組成物よりも高い。上述したように、標準的な７３８ＬＣ組成物は、レーザーベースの粉末床融合プロセス中にクラックが発生しやすい。いくつかのメカニズムがこのような合金のマイクロクラックを引き起こす可能性があり、それは、内部残留応力を発生させるガンマプライム相の析出または、大きい内部応力を発生させることが知られている特定のタイプの粒界の偏析または形成による低融点相の形成による凝固クラックが原因であり得、これは、元素の偏析と組み合わせてホットクラックを引き起こし得る。このような応力を緩和し、合金の印刷性を高めるために、ガンマプライム含有量を低減し、粒界特性を改善するアプローチを行った。しかし、ガンマプライム相も高温強度および安定性に寄与することが知られているため、この相の低減は他の強化技術で補う必要がある。この要求は、耐高温性および原子サイズを有する固溶強化剤を増加させることで達成された。

以下、実施例を挙げて本発明を詳細に説明する。

標準７３８ＬＣ粉末の組成を示す表である。 本発明の第１実施形態の組成を示す表である。 本発明の第２実施形態の組成を示す表である。 標準鋳造品および熱処理された７３８ＬＣ合金と比較した室温特性を示す。 以下の改質されたガンマプライム相を示す。 ａ）７３８−Ｍｏｄ１および ｂ）以下と比較した７３８−Ｍｏｄ２ ｃ）鋳造品＆ＨＴ 標準および非標準の７３８ＬＣ合金粉末組成物の材料特性を示す図である。 部材の水平方向および垂直方向の微細構造を示す図である。

図２から分かるように、第１実施形態によれば、ホウ素含有量は経済的に可能な限り低く抑えられているが、０．００７ｗｔ％未満、好ましくは０．００５ｗｔ％未満、より好ましくは０．００１ｗｔ％未満に抑えられている（標準粉体の０．００７ｗｔ％および０．０１２ｗｔ％の間と比べて）。これに加えて、鉄は、３．５ｗｔ％および１０ｗｔ％の間、好ましくは３．５ｗｔ％の間４ｗｔ％（標準粉体中に鉄が含まれていない場合と比較して、または多くても０．０５ｗｔ％）の量で導入される。窒素の含有量は、０．０８ｗｔ％まで、好ましくは０．０６ｗｔ％まで含有してもよい。

本発明の第２実施形態によれば、図３から分かるように、アルミニウムおよびチタンの含有量は３ｗｔ％未満、好ましくは２ｗｔ％未満に減少されている。８．５ｗｔ％超、好ましくは８ｗｔ％および９ｗｔ％の間になるようにモリブデンの含有量を増加させる。

図４は、室温でＸ、Ｙ、およびＺ方向に付加的に製造された標準および非標準７３８ＬＣ合金粉末組成物の材料特性を示す。

ＩＤは合金粉末の略である。方向とは、部屋の方向を指す。

ＵＴＳとは、究極の引張強度を意味する。究極の引張強度（ＵＴＳ）は、しばしば引張強度（ＴＳ）、究極の強度、または方程式内のＦｔｕと短縮され、サイズを小さくする傾向がある荷重に耐える圧縮強度とは対照的に、伸びる傾向がある荷重に耐える材料または構造の容量である。言い換えれば、引張強度は張力に抵抗する（引き離される）のに対し、圧縮強度は圧縮に抵抗する（押し合わされる）。究極の引張強度とは、材料が破断する前に引き伸ばされたりまたは引っ張られたりしている間に耐えられる最大の応力によって測定される。材料の強度の研究では、引張強度、圧縮強度、およびせん断強度を独立して解析することができる。一部の材料は、脆性破壊と呼ばれるもので、塑性変形せずに非常に鋭利に破壊する。その他にも、ほとんどの金属を含む、より延性のあるものは、破壊の前にいくつかの塑性変形および可能性のあるネッキングを経験する。ＵＴＳは通常、引張試験を実施し、工学的応力対ひずみを記録することで発見される。応力−ひずみ曲線の最高点はＵＴＳである。それは集中的な特性であり、したがって、その価値は試験片の大きさに依存しない。しかし、それは、試験片の準備、表面欠陥の有無、ならびに試験環境および材料の温度などの他の要因に依存する。

一般的にはＵＴＳを測定する測定方法がよく知られており、その試験は、一定の断面積を持つ小さな試料を採取し、次いで一定のひずみ（ゲージ長の変化量を初期ゲージ長で割った値）で試料が破断するまでテンソメーターでそれを引っ張ることを含む。一部の金属を試験する場合、インデンテーション硬度は引張強度と直線的に相関する。この重要な関係により、ハンドヘルドロックウェル硬度試験機のような軽量で持ち運び可能な装置を使用して、バルク金属の納入品の経済的に重要な非破壊試験を行い得る。この実用的な相関関係は、金属加工産業における品質保証を、実験室および万能試験機をはるかに超えて拡張するのに役立つ。

ＹＳは降伏強度を意味する。降伏点とは、応力−ひずみ曲線上の点で、弾性的な挙動の限界と塑性的な挙動の始まりを示す。降伏強度または降伏応力は、材料が塑性変形を始める応力として定義される材料特性であり、降伏点は非線形（弾性＋塑性）変形が始まる点である。降伏点前の材料は弾性的に変形し、加えられた応力が除去されると元の形状に戻る。降伏点を超えると、変形の一部は永続的で元に戻せなくなるであろう。降伏点は、永続変形なしに加えることができる力の上限を表すため、機械部材の性能の限界を決定する。構造工学では、座屈を加速させない限り、これは通常、破局破壊または究極の破壊を起こさない軟弱な破壊モードである。降伏強度は、材料加工の多くの基本的な技術で利用されている重要な材料特性である：（鍛造、圧延、プレス、曲げ、押し出し、またはハイドロフォーミングなどの）圧力で材料を再成形したり、切断（機械加工など）または剪断によって材料を分離したり、ファスナーで部材を強固に結合したりすること。降伏荷重は、その葉をまっすぐにするためにキャリッジスプリングの中心にかかる荷重として取られ得る。オフセット降伏点（またはプルーフ応力）は、０．２％の塑性変形が発生する応力である。

ＹＳの測定方法はよく知られている。これは、例えば、固定された断面積を有する小さな試料を取り、その後、試料が形状を変えるかまたは壊れるまで、制御された、徐々に増加する力でそれを引っ張ることによって行い得る。これを引張試験という。縦方向および／または横方向のひずみは、機械的または光学的な伸縮計を使用して記録される。特に巨視的な降伏が研究対象の材料の微細構造によって支配される場合には、降伏挙動を仮想試験（材料のコンピュータモデル上で）を使用してシミュレーションすることもできる。インデンテーション硬度は、ほとんどの鋼の引張強度とほぼ直線的な相関があり、ある材料の測定値を別の材料の強度を測定する尺度として使用することはできない。したがって、硬度試験は、引張試験の経済的な代用になるだけでなく、例えば溶接または成形作業による降伏強度の局所的な変動を提供し得る。しかし、重要な状況では、引張試験は曖昧さを排除するために行われる。

Ｅｌは伸長を意味し、ＡＳＴＭ Ｅ１３９（Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｃｒｅｅｐ， Ｃｒｅｅｐ−Ｒｕｐｔｕｒｅ， ａｎｄ Ｓｔｒｅｓｓ−Ｒｕｐｔｕｒｅ Ｔｅｓｔｓ ｏｆ Ｍｅｔａｌｌｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）に従って測定され、測定原理は「Ｕｎｄｅｒ ｌｏａｄ ａｆｔｅｒ ｂｒｅａｋ」（ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ａｓｔｍ．ｏｒｇ／Ｓｔａｎｄａｒｄｓ／Ｅ１３９．ｈｔｍ）である。

図５に見られるように、本発明はガンマプライム相を定量的にも定性的にも改質することに関与する。したがって、高温特性を調査する必要があった。実施形態の図６は、図２および図３で説明したような非標準組成物の両方についての高温特性を示す。

改質の両方において、特性は、鋳造品およびＨＴ標準７３８ＬＣ合金に匹敵する。ＡＭ材料のための非最適化熱処理の使用のために、１つのケースでは、伸長は、鋳造材料のために得られるものよりも低いことが示されていることに留意されたい。これは、非標準組成物の図６に見られるようなエッチングされた微細構造によって証明される。図７から、付加製造時に発生するエピタキシャル粒成長により、エージング処理後（組み立て方向に垂直な方向）であっても、結晶粒構造の形態が伸長していることがわかる。これは、以下の工程を含む、ＡＭＳ ５４１０の標準的な熱処理サイクルに基づいて、最大の材料特性を得るために、結晶粒構造の再結晶が発生していないことを観察することにつながる：
２時間の保持時間のための２０５０°Ｆ＋／−１０°Ｆの温度での溶液アニーリング
２４時間の１５５０°Ｆ＋／−１０°Ｆの温度をエージング

改質された７３８ＬＣ合金粉末に対応する組成物を有するＮｉベース合金粉末が開示された。組成物は、低減されたクラック、好ましくは最小化されたクラック、最も好ましくはゼロのクラック密度を有する部品を製造するために、例えば、標準の７３８ＬＣ合金と比較して、レーザーまたは電子ビームベースの粉末床融合プロセスまたは直接金属蒸着プロセスのような付加製造において使用することができるように、標準の７３８ＬＣ合金粉末とは異なる。

Ｎｉベース合金粉末は、７３８ＬＣ合金粉末と比較して、定量的および／または定性的に改質されたガンマプライム相を有し得る。

一実施形態によるＮｉベース合金粉末は、最大で０．００７ｗｔ％、このましくはそれ未満のホウ素を含み、それは３．５〜１０ｗｔ％、より好ましくは３．５〜４ｗｔ％の間の鉄を含む。

Ｎｉベース合金粉末はまた、３ｗｔ％未満のアルミニウム含有量と、８．５ｗｔ％超、好ましくは９ｗｔ％に等しい量のモリブデン含有量とを含み得る。

定性的に改質されたガンマプライム相は、クラック密度が少なくとも１０％、好ましくは少なくとも２５％、特に好ましくは少なくとも５０％、特に同じプロセスパラメータで低減なければならないように好ましく改質される。

上述したようなＮｉベース合金粉末による材料組成物を含む、３Ｄプリント部材が開示された。

３Ｄプリント部材は、本質的に細長い結晶粒構造の形態を有し得る。

図５−ａ）７３８−Ｍｏｄ１およびｂ）７３８−Ｍｏｄ２とｃ）鋳造品＆ＨＴ、ＳＥＭ画像（２００００倍拡大）を比較した場合の改質されたガンマプライム相

図７−水平および垂直方向の微細構造

Claims (7)

1. 改質された７３８ＬＣ合金粉末に対応する組成物を有するＮｉベース合金粉末であって、前記組成物は、標準的な７３８ＬＣ合金と比較して減少したクラック、好ましくは最小化されたクラック、最も好ましくはクラックがゼロになるように、例えば層別３Ｄ印刷などの付加製造に使用することができるように、前記標準的な７３８ＬＣ合金粉末とは異なることを特徴とする、Ｎｉベース合金粉末。
2. ７３８ＬＣ合金粉末と比較して、ガンマプライム相は、定量的および／または定性的に改質されていることを特徴とする、請求項１に記載のＮｉベース合金粉末。
3. 前記粉末は、最大で０．００７ｗｔ％、好ましくはそれ未満のホウ素を含むことを特徴とする、請求項１または２に記載のＮｉベース合金粉末。
4. ３．５〜１０ｗｔ％、好ましくは３．５〜４ｗｔ％の鉄を含むことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のＮｉベース合金粉末。
5. 前記粉末は、３ｗｔ％未満のアルミニウム含有量を含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のＮｉベース合金粉末。
6. 前記粉末は、８．５ｗｔ％超、好ましくは９ｗｔ％に等しいモリブデン含有量を含むことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載のＮｉベース合金粉末。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の粉体による材料組成物を含む３Ｄプリント部材。

Images