レーザーデポジションを用いた次世代タービン翼用ニッケル基単結晶超合金の作製

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本研究期間に行った内容は下記の通りであるが、主たる研究結果について報告する。1.単結晶合金の凝固時の微細析出構造の解析 2.CALPHARDシミュレーション(JMATProTM 5.1.1)による微細析出構造の解析 3.単結晶タービンブレードとベーン締結部のレーザー蒸着 4.TEMによる微細析出構造の観察 5.レーザー蒸着層の熱処理 6.FE-SEMとEBSDによる微細構造の解析 7.X線による逆格子空間マッピング解析 8.押し込みによるクリープテストの準備 9.蒸着部断面における押し込みクリープテスト変形抵抗の計算 10.押し込みクリープ試験後の微細構造の解析 11.タービンブレードとベーン締結部の修復基材であるTMS138AはNIMSで製作されたものである。鋳型により、直径40mm-長さ300mmの試験片が作製され、1340℃10時間の均質化熱処理が行われた。析出処理温度は11OO℃4時間・870℃20時間である。粉末材料は英国LPW technologiesで製造されたものである。レーザー蒸着は東京の愛知産業(株)で行われた。(001)方位の基材上において(100)方向に蒸着した層の横断面を光学観察した結果、蒸着層は基材に完全に接合されており、き裂や空孔は観察されないこと、小さな固液界面(PFS)の領域は蒸着部と基材の間に観察されるが、蒸着層全体にわたりデンドライトな微細構造となっていることがわかった。その蒸着部と基材の間に観察される平面的な凝固部は大きな温度勾配(G)と低い凝固率(R)により形成されたものである。平面的な固液界面は、凝固が進むにしたがいデンドライトとして急速に成長する。これは、固相/液相界面前方領域内で連続的に起こる過冷却によるG/R比の急激な減少によるものである。EBSDによる観察結果から、基材と蒸着層の異方性が1度以内に収まっており、これらに殆ど差異はみられない。このサンプルに対し、NanoTest Vantage(マイクロマテリアル社製)機を用いて、高温での押し込み試験を行った。この装置には、試験片と圧子の加熱を分離し、かつドリフトを最小化する仕組みが備わっている。硬さ、弾性率、クリープ特性を測定したが、その実験条件は、300秒750℃である。ダイヤモンド圧子は酸化してしまうため、500度以上では、サファイヤの圧子を用いた。その実験条件は、最大荷重200mNに対し、20秒加圧-300秒保持-10秒除荷である。熱によるドリフトのため、90%除荷時にデータを取得した。クリープ指数の評価には最大荷重保持時における{時間×荷重}の値を応力とひずみに変換したものを用いた。テストを行った範囲においては、ほとんど硬さに変化は見られなかった。より長い保持時間にして実験を行ったところ、基材部分と蒸着部の底部・中央部では、変形機構は同じであり、そのクリープ指数は3.5から7.0の範囲であった。また、レーザーの条件を100Wと低くして作製した蒸着サンプルでは低くなった。クリープ指数は、蒸着部の先端で変化することが多く、これは、長時間保持試験でさえ、初期クリープが大きく影響していることを示している。より高い200Wで試料を作成すると、クリープ指数は先端が最も高くなる。これは、長い保持時間であっても初期クリープが大きな影響を及ぼすことを示しているが、蒸着部の先端では、単結晶性が失われているためである。