JP4647604B2 - ニッケル系合金を含む部品の製造方法、ならびにその方法により製造された部品 - Google Patents

Description

発明の分野

本発明は、ニッケル系合金を含む部品の製造方法、ならびにその方法により製造された部品に関する。この解決策により、非常に様々な形状を有し、様々な立体的な幾何学的構造にある部品を製造することができる。このようにして製造された部品は、多孔質構造を呈するか、またはそのような多孔質構造を含んでなることもできる。

無論、それ自体公知であるニッケル系合金で様々な部品を製造することができ、これは主として公知の成形方法により達成することができる。例えば、そのような部品は、鋳造した部品として製造し、これを続いて冷間加工するか、または場合により、再度熱間加工することができる。

しかし、特にそのような切断成形処理の際に、そのようなニッケル系合金の機械的特性のために問題が生じる。

さらに、ニッケル製の部品を、焼結方法を使用して変形することが提案されており、その際、そのような部品の特性を改良するために、固溶体の形成または金属間化合物相（好ましくはＮｉＡｌの）の形成を、焼結により達成すべきである。しかし、特にこの形態で、そのような部品の熱的特性だけは改良できようが、結果的に、機械的特性は望ましい形態で改良されていない。

発明の具体的説明

従って、非常に様々な形状の、機械的特性が改良された部品をニッケル系合金で製造することができる方法を提供することが、本発明の目的である。

本発明により、この目的は、請求項１に記載の特徴を含んでなる方法により達成される。このようにして製造された部品は、請求項１７および１８に記載の特徴を有する。

本発明の有利な実施態様および改良は、従属請求項に記載の特徴により達成することができる。

ニッケル系合金で部品を製造するには、本発明の手順を、純粋なニッケルまたはニッケル系合金からなる基材コアに、少なくともある区域で、表面被覆が施されるように行う。この表面被覆は、結合剤ならびに金属粉末から形成される。本発明により使用する金属粉末は、少なくとも２０重量％のニッケル含有量に加えて、以下に説明する追加の合金形成元素を含む。

ニッケル系合金からなる基材コアは、少なくとも２０重量％のニッケルを含むべきである。

本発明により使用する金属粉末は、それぞれのニッケル系合金の粉末でもよいが、それぞれの合金形成元素とニッケルの、好ましくは高エネルギー粉砕にかけた粉末混合物でもよい。

本発明により、表面被覆を施した基材コアを、続いて段階的な熱処理にかける。その際、第一工程で、結合剤を基材コアから追い出す。結合剤を追い出した後、金属粉末の焼結を達成する。焼結の際、ニッケル系合金から形成された、ニッケル基材コアおよび／または固体表面被覆の焼結−融解が進行する。

ニッケル系合金製の基材コアが半製品として使用されている場合、金属粉末に含まれるニッケルの量は、基材コア材料中のニッケル含有量よりも少なくすべきである。

しかし、熱処理、少なくともそのような焼結、は、１０００℃を超える温度で、還元性または不活性雰囲気中で、好ましくは水素雰囲気中で行うべきである。

基材コアとしては、形状の最終的な再機械的加工を全く行わなくて済むか、または最少限度の再機械的加工だけが必要になるように、最終的に製造すべき部品の幾何学的形態を実質的にすでに有する基材コアを使用することができる。

しかし、本発明の解決策では、基材コアを、好ましくは、発泡体とも呼ばれることがある多孔質構造を有する多孔質半製品の形態で使用することもできる。

特に、そのような多孔質発泡体構造の製造では、場合により結合剤、金属粉末および追加の溶剤から製造された、または液体から製造された懸濁液／分散液で、表面被覆を形成すべきである。

無論、そのような懸濁液／分散液を非多孔質構造の基材コア上に堆積させることも可能である。

多孔質構造を有するそのような基材コアは、そのような懸濁液／分散液の中に完全に浸漬し、続いて懸濁液／分散液で充填されたそのような基材コアを圧縮して懸濁液／分散液を細孔から除去し、ウェブだけが濡れているようにすることができる。

続いて、段階的な熱処理を行うことができる。

しかし、多孔質発泡体の形態にある部品を製造する際、場合により溶剤を使用して適切な粘度を有する結合剤を使用し、そのような基材コアの多孔質構造の表面を濡らすこともでき、その際、細孔から過剰の結合剤を除去するために、グラウト処理をここで行うこともできる。

続いて、この濡れた表面上にそれぞれの金属粉末を堆積させるが、その際、振動により、金属粉末をより一様に分布させることができる。これに続いて、段階的な熱処理を再び行う。

表面被覆を形成した後、段階的な熱処理の前に、基材コア、好ましくは多孔質構造を有する基材コア、を変形させることもできる。

例えば、決められた最小曲げ半径に従って、曲げを行うことができる。例えば、中空円筒形の部品またはらせん形の部品でも製造することができる。

しかし、本発明の解決策により、複合材料部材を容易に製造することもできる。その場合、基材コアの少なくとも一表面区域に上記の表面被覆を施すことができる。

次いで、この表面区域を少なくとも一つの別の基材コアと接触させ、その場合、結合剤の接着効果を有利に使用することができる。これに続いて、熱処理を行うが、その際、それぞれの基材コアの接着力型の接続による仕切り(closure)が形成される。

しかし、接着力による仕切りで一つに接続すべき２個以上の基材コアの表面区域に表面被覆を施し、これらを接触させ、次いで熱処理により、接着力により仕切りと接続することもできる。

このようにして、例えば下側切り取り部やキャビティを含んでなる複雑な幾何学的構造を有する複合材料部材を、その後の成形を行う必要無しに製造することができる。

しかし、緻密な構造を有する基材コアおよび多孔質構造を有する基材コアから形成された複合材料部材を製造することもできる。

本発明で使用する金属粉末は、最低含有量２０重量％のニッケルに加えて、好ましくは少なくとも５０重量％の炭素、モリブデン、鉄、コバルト、ニオブ、チタン、アルミニウム、ホウ素、ジルコニウム、マンガン、ケイ素および／またはランタンも含むことができる。

しかし、本発明により製造される部品の特性は、それぞれの粉末組成物に加えて、基材コアの限定された表面区域上に表面被覆を様々な形態で形成することによっても、変えることができる。

これは、一方で、異なった形態で繰り返し塗布することによっても行える表面被覆のそれぞれの厚さに関連し、他方、金属粉末の含有量、金属粉末の組成および金属粉末の粒度が異なっている表面被覆の局所的に異なったコンシステンシーを与えることもできる。

その結果、本発明により製造されるそのような部品上に局所的に異なった特性を達成することができる。

本発明の解決策により、表面から出発して合金組成が次第に変化する部品を製造することができる。例えば、純粋なニッケルから製造された基材コアを使用し、焼結後に純粋ニッケルのコア区域をなお有し、追加の合金元素の含有量がそれぞれの表面に向かって次第に変化／増加する部品を製造することができる。

すでに述べたような複合材料部材の製造により、接着力型の接続による仕切りを使用することにより形成されている接合区域で、合金組成を次第に変化させることもできる。

本発明により製造された部品は、ニッケルのみから製造された部品と比較して、延性、クリープ耐性および強度が高く、この状況は、ニッケルアルミナイドとの比較にも当てはまる。

ニッケル部品と比較した酸化傾向も下げることができる。

これらの部品は、１０００℃までの熱的安定性を達成し、本発明により製造された、特に多孔質構造を有する部品は、例えば脆さのためにニッケルアルミナイドのフォームを使用できない用途にも使用できる。

本発明により製造された部品は、特に、より高い動的負荷で使用できる。

以下に、本発明を例として説明する。

実施態様１
ニッケルから製造された、大きさが３００ｍｍｘ１５０ｍｍｘ１．９ｍｍであり、気孔率が９４％である基材コアを、ポリビニルピロリドン１％水溶液５０ｍｌに浸漬した。続いて、吸収材パッド上でプレスし、細孔のキャビティから結合剤を除去し、多孔質構造のウェブだけが濡れているようにした。

これに続いて、結合剤で濡れている多孔質基材コアを振動装置中で定着させ、金属粉末を散布した。振動の結果、結合剤で濡れている基材コアの表面上で金属粉末の一様な分布が達成され、その際、構造の開いた多孔度が維持されている。

金属粉末の組成は、炭素０．１重量％、クロム２２．４重量％、モリブデン１０．０重量％、鉄４．８重量％、コバルト０．３重量％、ニオブ３．８重量％およびニッケル５８．６重量％を含んでなる。そのような金属粉末は、「Inconel 625」の商品名で市販されている。

金属粉末および結合剤で被覆された基材コア表面を円筒形状の物体に圧延した。その際、金属粉末の密着性は、結合剤により確保されている。

これに続いて、段階的な熱処理を行ったが、その際、第一工程で、乾燥炉中、水雰囲気中で作業した。加熱速度５Ｋ／分を維持しながら、温度を増加した。結合剤の排除は、約３００℃で開始し、６００℃で完了した。結合剤を完全に放出するために、保留時間約３０分間を確保すべきである。

続いて、焼結を温度１１５０℃〜１２５０℃で、保留時間約３０分間で行った。

このようにして製造された部品は、ニッケル系合金からなり、その表面における組成は、使用した金属粉末の組成と少なくともほぼ等しい。気孔率は９１％である。空気中で、この部品は、温度１０００℃まで耐酸化性であり、高い強度、クリープ耐性および靱性も有していた。焼結後、この多孔質発泡体構造は、特別な最小曲げ半径を考慮すれば、限られた変形がなお可能であった。

実施態様２
純粋なニッケルの、大きさ２００ｍｍｘ２００ｍｍｘ０．１５ｍｍの波形シートを基材コアとして使用した。

この基材コアの表面被覆は、ポリビニルピロリドンの６％水溶液１８ミリリットル、および組成が、実施態様１で使用した金属粉末と同等である金属粉末から形成した。

金属粉末および結合剤から製造した懸濁液を、強く攪拌した後、圧縮空気により基材コア上に両側から噴霧した。表面被覆は、厚さが１５０μｍであった。１分間乾燥させた後、層は、十分に大きな未焼成強度を有していたので、段階的な熱処理を実施態様１と同様に、行うことができた。

最終的な部品は、ニッケル系合金からなり、その表面における合金組成は、使用した金属粉末の合金組成とほぼ等しかつた。空気中で、この部品は、温度１０００℃まで耐酸化性であった。純粋なニッケルから製造された基材コアと比較して、高い強度、クリープ耐性および靱性が増加した。

Claims (13)

1. ニッケル系合金を含む部品の製造方法であって、
   ニッケルから製造された多孔質発泡体の基材コア上に、結合剤、ならびに炭素、クロム、モリブデン、鉄、コバルト、ニオブ、チタン、アルミニウム、ホウ素、ジルコニウム、マンガン、ケイ素および／またはランタンを含み、残部が少なくとも２０重量％のニッケルである合金粉末で表面被覆を堆積させ、その際、前記発泡体を前記結合剤で被覆し、前記被覆された発泡体をプレスして前記結合剤を前記発泡体の細孔から除去し、前記結合剤で濡れた前記発泡体上に前記合金粉末を堆積させ、前記合金粉末を堆積させる際および／または後で、前記発泡体を振動させ、
   前記被覆された基材コアまたは前記発泡体を変形させた後、
   前記被覆された基材コアを段階的な熱処理にかけ、ここで、該段階的な熱処理が、前記結合剤を追い出す熱処理と、これに続いて前記合金粉末の焼結を行う熱処理とを含み、それによって、前記ニッケル系合金から形成された、前記ニッケル基材コアおよび／または固体表面被覆の合金化が進行する、方法。
2. 前記ニッケルの含有量が、前記ニッケル系合金から形成された基材コア中の前記ニッケル含有量よりも低い合金粉末を使用する、請求項１に記載の方法。
3. 前記発泡体を、前記結合剤および前記合金粉末から形成された懸濁液／分散液で被覆し、続いて前記段階的な熱処理を行う、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記被覆された発泡体をプレスし、前記懸濁液／分散液を前記発泡体の細孔から除去する、請求項３に記載の方法。
5. 少なくとも前記一つの基材コアの表面を懸濁液／分散液で被覆し、前記被覆された表面を、少なくとも前記一つの第二の基材コアの表面と接触させ、前記熱処理により、前記基材コアの接着力型接続を形成する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記第二または別の基材コアの前記それぞれの表面も被覆する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記基材コアの前記表面上に複数の被覆を行う、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記基材コアの区域が、異なった形態で被覆される、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記被覆が、異なったコンシステンシーの、および／または異なった層厚の、前記懸濁液／分散液で行われる、請求項５または６に記載の方法。
10. 前記ニッケルおよび別の合金形成元素の粉末を含み、高エネルギー粉砕にかけた粉末混合物を使用する、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
11. 焼結が、１０００℃を超える温度で、還元性または不活性雰囲気中で行われる、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記表面から出発して次第に変化する合金組成物が形成される、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 接着力型の接続による仕切りの接合区域の少なくとも内側で、次第に変化する合金組成物が形成される、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。