修 士 学 位 論 文
レ ー ザv-・
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走 査 方 法 が 積 層 造 形Ni基
超 合 金
の 組 織 と機 械 特 性 に 及 ぼ す 影 響
指 導 教授 覧 幸 次 准 教授 平 成29年1月19日 提 出 首都 大 学東 京 大 学 院 理 工学研 究科 機械 工学 専攻 学 修 番 号15883320 氏 名 堀川 将 大学位 論 文 要 旨(修 士(工 学))
論文著者名 堀川 将大 論文題名:レーザー走査方法が積層造形Ni基 超合金 の組織 と機械特性 に及ぼす影響 航 空機 エ ン ジ ンや 発 電 用 ガ ス ター ビン に代 表 され るガ ス ター ビン機 関 は,運 用 コ ス ト削減 や 耐 環 境 性 な どのテ ーマ を 中 心 に研 究 開発 が進 め られ て い る.燃 焼 効 率 向 上 に は,燃 焼 温 度 の 高 温 化 が有 効 で あ り,コ ス ト ・環 境 性 に対 して優 位 で あ る. そ こで,高 温 の使 用 環境 に 耐 え うる材 料 が要 求 され る.超 合 金 は,高 温 にお け る良 好 な強度,耐 酸 化 性,耐 腐食 性 を有 す るた め,ガ ス ター ビン部材 の主 要合 金 の1っ と な って お り,実 績 と信 頼 を得 て い る.な か で も,析 出強 化 型Ni基 超 合 金 のInconel 718(IN718)は,溶 接 割 れ な どが 問題 と され るNi基 超 合金 の 中 で も溶 接 性 が 良 く, デ ィ ス ク や シ ャ フ ト材 料 と し て 多 用 され て い る.B777機 に 搭 載 され て い る pw4000エ ンジ ンで は,使 用Ni合 金 の約6割 を 占め る主 要材 料 で あ るが,部 品の加 工 に お いて,熱 伝 導 率 が鋼 の約1/4と 低 く,加 工 中の ひず み硬 化 に よ り難 削材 と して知 られ,工 具寿 命 の低 下 や 工賃 の高 コス ト化 が問題 とな って い る.そ こで 注 目され て い る技術 が 積 層 造 形 技 術 で あ る.積 層 造 形 技 術 は,従 来 の 削 り出す 加 工 に 対 して, 付 け加 え る こ とに特徴 が あ る.CADで 作製 した部 品形 状 をそ の ま ま造形 で き,従 来 の手 法 で は製 作 不 可 能 な 中空形 状 や複 雑 形 状 が 製 作 可能 で あ る.ま た,ニ アネ ッ ト シ ェイ プ に よる歩 留 ま りの 向上,試 作 段 階 の金 型 を必 要 とせ ず 設 計 開発 か ら製 品 化 す るま で の リー ドタイ ム を削減 で き るな ど多 くの利 点 が見 込 まれ,部 品 の軽 量化 や サ ー ビス タイ ム の 向上,コ ス トの削 減 な どが期 待 され て い る.金 属 を対 象 に した積 層 造 形 方 法 に は,大 き く2つ の方 法 が 知 られ てお り,粉末床 溶 融 結 合 法 と指 向エネ ル ギ ー堆 積 法 で あ る.特 に,粉 末 床 溶 融 結合 法 はオ ーバ ー ハ ン グ形 状 に 関 して 指 向エ ネ ル ギー 堆積 法 よ りも優 位 で あ り,中 で も熱源 に レー ザ ー ビー ム を使 用 す る選 択 的 レー ザ ー溶 融 法 は電 子 ビー ム に比 べ て表 面粗 さが 良 く,使 用 可能 な合 金 の種 類 が 多 いた め注 目され て い る.し か し,積層 造形 され たNi基 超 合金IN718は 組織 の異 方性 を有 す る こ とや 局 所 的 な 入熱 お よび 冷 却 に よ り導 入 され る高 い 残 留 応 力 で部 品形 状 が 変形 す るな どの問題 が あ る.部 品 を造 形 す るに あ た り,レ ー ザ ー 出力 や 走 査 速 度,ハ ッ チ 間 隔,1層 の 積 層 厚 さ な ど多 く の パ ラ メ ー タ が 存 在 し,こ れ らの 違 い に よ って微 視組 織 や 残 留応 力,機 械 的 特性 が異 な る.重 要 なパ ラ メー タ の1つ に,レ ー ザ ー 走 査 方 法 が あ り ,残 留 応 力 の低 減 や密 度 の 向上 な どに影 響 す る と され て い る が,レー ザ ー 走 査 方 法 が組 織 や 強 度 に与 え る影 響 にっ い て注 目 した報 告 は少 な い.そ こで本研 究 で は,2種 類 の レー ザ ー走 査 方法 で製 作 され たNi基 超 合 金IN718を 用 い, 組 織 と強度 につ い て従 来材 で あ る溶 解 鍛 造IN718と 比較,検 討 す る こ とを 目的 と し た. 本稿 は6章 構 成 で あ る. 第1章 は緒 言 と し,研 究背 景 お よび本研 究 の 目的 を記 した. 第2章 は研 究 に関す る基本 事 項 の解 説 と し,本 研 究 で用 いたrN718合 金 の化 学 組 成 や 主 な析 出相 と熱 処理,積 層 造形 技 術 の基 本 事項 につ い て記 した. 第3章 で は実 験方 法 を記 した.本 研 究 で用 い た合 金 の詳 細,積 層 造 形試 料 の作 製 条件,強 度試 験 お よび組 織観 察 に供 す る試 料 の作 製 方 法,引 張 お よび ク リー プ試 験,組 織 観 察 に用 いた 各種 顕 微鏡,解 析 方法 につ い て記 した. 第4章 は 実験 結 果 で あ る.ま ず,積 層 造形 に よっ て作製 したIN718合 金 の熱 処 理 を施 さない積 層 ま ま材,標 準熱 処 理 を施 した標 準熱 処 理材,溶 体 化 処理 を行 な わ ず 時効 処 理 の み を行 った 直接 時 効材 を用 意 した.そ れ ぞれ べ 一 ス プ レー トに対 し て垂 直 な 面,水 平 な面 につ い て顕微 鏡 を用 い て組織 観 察 を行 っ た.そ の結 果,光 学 顕 微 鏡 観 察 で は,レ ー ザ ー 走 査 方 法 に関 わ らず どち らの面 にお い て も積 層 ま ま材 で はデ ン ドライ ト組 織 が観 察 され た.走 査 型 電 子顕 微 鏡 観 察 か ら,垂 直 面 で は熱 履歴 の影 響 を受 けて形 成 され た と考 え られ る柱状 結 晶が み られ た.特 に レー ザー 走 査 方 向が 各層90。 変 化 す る材 料 では,一 定 間隔 で ビー ム方 向 に平行 に伸 長 した [001]方 位 を有 す る結 晶粒 が観 察 され た.透 過 型 電 子 顕 微鏡 組 織観 察 で は,0.2μm ほ どの微 細 なNbお よびMoが 濃化 した析 出物 が存在 して い た.引 張試 験 で は室 温 にお い て各試 料 と も垂 直材,水 平材 で顕 著 な 差 は見 られ な か った が,650。Cに お け る高 温試 験 で は,熱 処 理 を施 した水 平材 の延性 低 下が 顕著 で あ り,異 方 性 が 見 ら れ た.ク リー プ試 験 で は,積 層材 は熱 処 理 の有 無 に関 わ らず溶 解 鍛 造 材 よ りも低 い ク リー プ延 性 ・寿 命 とな っ た.標 準 熱 処 理 を施 した材 料 は ク リー プ 特 性 が,積 層 ま ま材 よ りも劣 った. 第5章 は,レ ー ザ ー 走査 方法 に主 眼 を置 き,第4章 で行 った組 織 観 察 お よび 強度 試 験 結 果 に対す る考 察 を行 った.レ ー ザ ー 走査 方 法 に よ る熱 履歴 の違 い に よ って 影 響 され る組 織 変化,な らび に 引張 ・ク リー プ特性 へ の影響 を考 察 した. 第6章 は結 言 と し,本 研 究 で得 られ た 結果 お よび知 見 を ま とめ た.さ らに本 稿 を作成 す る にあ た って 用 いた 参 考文 献,謝 辞 を記 した.
目次
第1章 1.1研 究 背 景 及 び 目 的 第2章 2.lInconel718(IN718) 2.1.1γ う本目 2.1.2γ 亦目 2.1.4 2.1.5 2.2 2.2.1 2.2.2 2.3凝 固 l l (∠ ( ∠ 〆 0 月1 Laves相 炭 化 物,窒 化 物 積 層 造 形 技 術(付 加 造 形 技 術,additivemanufacturing) 残留応力 ス キ ャ ン ス トラ テ ジ ー 2.4EBSD(electronbackscatterdiffraction)法 2.4.1ス テ レ オ 投 影 法(極 点 図 に 関 連 し て) 2.4.2 2.4.3 2.5 第3章 実 験 方 法 3.1供 試 材 3.2試 料 製 作 3.2.1 3.2.2熱 処 理 3.2.3試 料 研 磨 3.3組 織 観 察 3.4強 度 試 験 3.4.1引 張 試 験 逆 極 点 図(inversepolefigure;IPF) む KAMマ ッ フ ク リー プ速 度,活 性 化 エ ネル ギー 試 料 切 出 し ・埋 込 み 2 4 6 9 0 3 6 7 8 9 0 2 2 3 3 6 8 9 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 3 3 4 43.4.2 第4章 実 験 結 果 4.1組 織 観 察 4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4 4.1.5 4.1.6 4.1.7 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.2.5 4.2.6 第5章 考 察 ク リー プ試 験 光 学 顕微 鏡 像(670走 査材) 光 学顕 微 鏡 像(90。 走 査材) 試 料切 り出 し場所 に よ る組 織 の違 い(67。 走 査材) 熱 処理 後 の組織(67。 走査 材) 試 料切 り出 し場 所 に よ る組 織 の違 い(90。 走 査材) 熱 処理 後 の組 織(goo走 査材) TEMに よ る 組 織 観 察(as-built材) 67。走 査 材 の 引 張 特 性(240C) 67。走 査 材 の 引 張 特 性(650。C) 67。走 査 材 の ク リv-一一・プ 特 性(6500C,550MPa) goo走 査 材 の 引 張 特 性(240C) 90。走 査 材 の 引 張 特 性(650。C) 2 3 3 3 6 9 7 2 0 4 7 3 9 7 4 4 4 4 4 4 5 6 7 7 7 8 8 9 5.1 5.2 5.3 5.4 55 5.6 5.7 670走 査 材 の ク リ ー プ 特 性(650。C,550MPa) レー ザ ー ビー ム の溶 け込み 深 さの検 討 MPBs界 面 と柱 状結 晶 の形成 90。走 査材 の一 定 間隔 に存在 す る伸 長柱 状 結 晶形 成 組 織 が ク リー プ特 性 に与 え る影 響 高 温試 験 後 の破 面 形 状(デ ン ドライ トお よびMPBs界 面 に よ る割 れ)...131 Laves相 の形成 と熱 処理 に よ る δ相 析 出 の検 討134 積 層 造 形 バル クのエ ッジ部(部 位A)の 細粒 結 晶 と伸 長 結 晶 の局 所 ひ ず み 140 106 114 119 119 121 124 129 第6章 結言 参考文献 142 143
第1章 1.1研 究 背 景 及 び 目的 本 稿 で使 用 す るNi基 合 金 のInconel718(rN718)は,溶 接 割 れ な どが 問題 と さ れ るNi基 耐 熱 合 金 の 中で も溶 接 性 が 良 く,ガ ス ター ビ ンのデ ィス クや シ ャ フ ト の材 料 と して使 用 され てい る[1].B777機 に搭 載 され て い るPW4000エ ン ジ ン で は,使 用Ni合 金 の約6割 を 占め る主要 材 料 とな って い る[2].し か し,熱 伝 導 率 が 鋼 の約1/4と 低 く,加 工 中の ひ ず み 硬 化 に よ り,難 削材 と して 知 られ て い る[3]. そ こで 注 目 され て い る技術 の一 つ が積 層 造 形 技 術(additivemanufacturing)で あ る.積 層 造 形 技 術 は,従 来 の 削 り出す(substructive)加 工 に 対 して,付 け加 え る(additive)こ とに特 徴 が あ る.CADで 作 製 した 部 品 形 状 をそ の ま ま造 形 で き, 従 来 の 手 法 で は製 作 不 可能 な 中空 形 状 や 複 雑 形 状 が製 作 可能 で,ニ アネ ッ トシ ェ イ プ に よ る歩 留 ま りの 向 上,試 作 段 階 で金 型 を必 要 とせ ず 設 計 開 発 か ら製 品化 す る ま で の リー ドタイ ム を 削減 で き るな ど多 くの利 点 が見 込 まれ,部 品 の軽 量 化 や サ ー ビス タイ ム の 向上,コ ス トの削 減 な どが期 待 され て い る[4,5,6].金 属 を対 象 に した積 層 造 形 方 法 に は,大 き く分 け て 二 つ の 方 法 が よ く知 られ て お り,粉 末 床 溶 融 結 合 法(powderbedfUsion)と 指 向 エ ネ ル ギ ー 堆 積 法(directmetal deposition)で あ る.特 に,粉 末 床 溶 融 結 合 法 は オ ー バ ー ハ ン グ形 状 に 関 して 直 接 金 属 溶 融 法 よ りも優 位 で あ り,中 で も熱 源 に レー ザ ー ビー ム を使 用 す る選 択 的 レー ザ ー 溶 融 法(Selectivelasermelting)は 電 子 ビー ム に比 べ て表 面粗 さが 良 く, 使 用 で き る合 金 の種 類 が 多 い た め注 目 され て い る[7]. しか し,積 層 造 形 され たNi合 金 は組 織 の異 方 性 を有 す る こ とや 局 所 的 な入 熱 と冷 却 を繰 り返 す の で,高 い残 留 応 力 に よる部 品形 状 の変 形 な どの 問題 が あ る. 部 品 を造 形 す る に あ た り,レ ー ザ ー 出力 や 走査 速度,ハ ッチ 間 隔,1層 の積 層 厚 さ な ど多 くの パ ラ メ ー タが 存 在 し,こ れ らの違 い に よ っ て微 視 組 織 や 残 留 応 力,機 械 的特 性 が 異 な る こ とが 報 告 され て い る[8,9].重 要 なパ ラ メー タ の一 つ に,レ ー ザ ー 走 査 方 法(scanstrategy)が あ り ,残 留応 力 の 低 減 や 密 度 の 向 上 な ど に影 響 す る と され て い る が[10],レ ー ザ ー 走査 方 法 が組 織 や 強度 に与 え る影 響 につ い て 注 目 した報 告 は少 な い.そ こで 本 研 究 で は,2種 類 の レー ザ ー 走 査 方 法 で製 作 され たNi基 超 合 金 で あ るIN718を 用 い て,組 織 と強 度 に与 え る影 響 を調 査 した.
第2章 2.11nconel718(IN718) Inconel合 金 はSpecialMetalsCorporation社 の 商 標 で あ る.600番 台 は 固 溶 強 化 型 合 金,700番 台 は 析 出 強 化 型 合 金 で あ り,Inconel718も 析 出 強 化 型 の1つ で あ る [1].Table2.1に 化 学 成 分 規 格 を 示 す[11].Incone1718は 一250-700。Cま で の 広 範 囲 で 優 れ た 機 械 特 性 を 示 し,析 出 強 化 型 合 金 の 中 で は 耐 溶 接 割 れ 性 が 優 れ た 材 料 で あ り,溶 接 分 野 で は 基 幹 材 料 と な っ て い る.高 温 で は500-700。Cの 範 囲 で 使 用 さ れ,時 効 状 態 で 一1120Cま で 非 磁 性 で あ る た め 近 年 は 極 低 温 の 超 電 導 装 置 用 材 料 と し て も 用 い られ る.航 空 機 ガ ス タ ー ビ ン のPW4000(Pratt&Whitney社 製)で は, 39%をNi基 超 合 金 が 占 め そ の う ち の57%がInconel718で あ る[12].タ ー ビ ン デ ィ ス ク や ロ ー タ シ ャ フ ト,ケ ー シ ン グ な ど に 使 用 さ れ る.そ の 他 に も,天 然 ガ ス プ ラ ン トや 産 業 機 器,自 動 車 の 分 野 に 耐 熱 ボ ル トや ば ね 材,バ ル ブ 材 と し て 使 用 さ れ て い る. 溶 体 化 熱 処 理 は 析 出相 を 固溶 させ る 目的 で,900-1000。Cの 温 度 域 か ら急 冷 さ せ る熱 処 理 で あ り,析 出強 化 型 のNi基 超 合 金 で は,時 効 処 理 に先 駆 け て行 わ れ る. 所 定 の 温 度 に加 熱 して一 定 時 間保 持 す る時効 処 理 で 強化 相 で あ る γ'相及 び γ"相 を析 出 させ るが,そ の他 の相 も析 出す る た め(Table2.2[13],2.3[14-22]),加 熱 温 度 及 び 時 間 に よ っ て合 金 の機 械 的性 質 が 変 化 す るの で 熱 処 理 条 件 管 理 が重 要 と な る. これ ら の相 は金 属 間化 合 物(intermetalliccompound)で あ る.金 属 問化 合 物 は異 種 の金 属 元 素 が規 則 正 しく配 列 して結 晶構 造 を とっ て混 合 して い る もの で, 合 金 が 一般 に ラ ン ダ ム に混 合 して い るの と区別 す る.規 則 配 列 した結 晶 構 造 の 金 属 間化 合 物 は,温 度 上 昇 に伴 い塑 性流 動 応 力(flowstress)が 急 激 に増 加 す る. 一 般 に金 属 間化 合 物 の 多結 晶 体 は引 張 りに弱 く ,圧 縮 に 強 い.Ni3Al,NiAlは 在 来 の耐 熱 合 金 に比 べ 耐 ク リー プ性 が 小 さい が,Hf,Zr添 加 で改 善 可 能 で あ る.ま た, す べ り系 の数 が少 な く交 差 す べ り(crossslip)を 起 こ しに くい こ とか ら,疲 労 ク ラ ッ ク核 の 生 成 の確 率 が小 さ く,高 サ イ クル 疲 労 に強 い と され る. rN718に お け る 熱 処 理 はFig.2.1に 示 す よ う にAMS(aerospacematerial speci丘cation)規 格 に お い て2種 類 存 在 す る.図 中 の(A)は 標 準 的 な熱 処 理 で, 高温 で の 高 ク リー プ 特性 が 得 られ,常 温 にお い て も優 れ た 引 張特 性,疲 労 特 性 が 得 られ る.(B)の 熱 処 理 で は(A)に 比 べ 固溶 化 熱 処 理,時 効 処 理 の いず れ も 温 度 がや や 高 く,高 温 で の ク リー プ 特性 は低 くな るが 靱 性 が改 善 され るた め低 温 で の 使 用 部 材 に 有 効 で あ る.本 研 究 で は(A)の 熱 処 理 規 格ASM5662を 用 い た. なお,固 溶 化 熱 処 理 は982。Cで あ る. IN718の 添加 元 素 の主 な役 割 を記 載 す る.γ'相 強 化 元 素 で あ るAlとTiは ク リ ー プ ラ プ チ ャー 強 度 を 高 め る が ,Tiが 多 い と熱 間 鍛 造 性 に悪 影 響 を与 え る.Al 2
は 耐 酸 化 性 を 良 くす る が,高 温 割 れ に敏 感 とな る.Crは 固 溶 強 化 と耐 酸 化 性 の 向 上 に寄 与 す る が,含 有 量 が 多 い と高 温 加 工性 が 悪 くな る.Ni合 金 の 鋳 造 材 で は,Cr添 加 量 を抑 えてMoやWな どの 固溶 体 強化 元 素 を増 や す傾 向 に あ る.し か し多 量 に 添加 す る と η相 や σ相 な どの脆 化 相 を形 成 す る.Coは γ'相のNi固 溶 体 に対 す る溶 解 度 を増 加 させ,高 温 延 性 や 溶 接 性 を改 善 す る.Nb,Ta,VはMC カ ー バ イ ドを形 成 す る.γ'相 のAlに 置 換 して γ'相を強化 す る.B,Zrは 微 量 添 加 され,結 晶粒 界 に偏 析 す る粒 界 強 化 元 素 と して働 き,ク リー プ特 性 を 向上 させ る.多 量 に添 加 す る とM3B2も し くはM4B3な どの ホ ウ化 物 を 作 り局 部 溶 解 に よ る高 温 割 れ の原 因 に な る と され る.ZrはNiと 低 融 点 の共 晶 を生 成 して 高 温 割 れ を起 こす こ とが あ る[23]. Ni基 超 合 金 の溶 接 に 関 して,ひ ず み 時 効 割 れ が 問題 とな る こ とが あ る.多 く は溶 融 境 界 で あ るHAZ部 で起 こる が多 層 溶 接 の 再加 熱 で はそ の 可能 性 は小 さい. ま た,IN718の 主要 強化 相 で あ る γ"相 は,一 般 的 なNi合 金 の 強 化 相 で あ る γ'相よ りも析 出速 度 が 遅 い.ひ ず み 時 効 割 れ は 局 所 的 な ひ ず み と時 効 に よっ て誘 発 さ れ るた め,γ'相の 主 要 元 素 で あ るAl,Ti量 が 少 ないIN718は ひ ず み 時 効 割 れ は少 な く(Fig.2.2[24]),こ れ がNi基 超 合 金 の 中 で も溶 接 性 が 良 い と呼 ばれ る所 以 で あ る.本 研 究 で使 用 したIN718バ ル ク材 に割 れ は生 じて お らずFig.2.3のNot craked範 囲 に あ っ た こ とが 考 え られ る[25]. 718合 金 は先 述 の通 りデ ィス ク材 な どに使 用 され,優 れ た 強度 特 性 を有 して い るが,鋳 造 時 に凝 固 中 に発 生 す る溶 融 密 度 差(△ ρ)が 負 側 に大 き く(NbやMo), 沈 殿 型 の 重 力 偏 析 が 問題 とな る(浮 上 型 はAl,Tiな ど)[26].積 層 造 形 で は,重 力 偏 析 が 起 こ る前 に凝 固 が進 む た め,有 意 で あ る と考 え られ る. Table2.1ChemicalcompositionofIncone1718(Wt.%).[11] Ni CrFe 17.00-21.00Bal. Nb,TaMoTi 4.75-2.80-0.65-5.503.301.15 Al Co 50.00-55.00 0.20-0.80 ≦1.00 C Mn si P S B Cu ≦0.08 ≦0.35 <0.35<0.015<0.015<0.006<0 .30
Table2.2ChemicalcompositionsofeachphaseinrN718.[13] Phase S㎞ 睡c㈱ A烈a嚢ys垂s,at.% Nb Al τi Fe Cr Mo S垂 γ A垂 嚢.97 0.74 052 23.8 22.0 2.41 0.64 γ L韮2 置③.2 8.00 9.40 2.15 050 0,490 0.35 y' DO22 25.塞 0.44 4.92 0.86 0.76 LO5 0.0震 δ DOa 20.4 0.80 3.00 5.30 3.40 2.20 0.聾0 Laves C雇4 嚢8.8 0.10 0.60 15.0 15.3 】0.2 450 MC8 B肇 14.6 0.】0 80.0 0.90 L90 050 L90
蔀M3yco漁in面 抽og瓠 ,a嚢goah韮ghniobiumfbrmhasbeenidentifiedwith84a愈.%Nb,7at.%Tl andsma1嚢 ㎝ou燃sofFe,Ni節dα. Table2.3ParametersofeachphasesinM718.[14-22] γ FCC Nμ
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le38"-lee6℃ 700℃ 藁 っ ヨ 賃 獅 朔 く り 9 り 蓼 晶 お 望 ∼5 Fig.2.1HeattreatmentsfbrrN718. 7 6 s 4 3 2 象 ④ ◆ 慧N7墓「c 蓄 ◆ ●MxM2" 鋤 ● 脳 醸π}● "=' 1、＼画
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7 Fig.2.2EffectofAlandTicontentonsusceptibilitytostrain-agecrackinginNi-basesuperalloys[24] 9 v 。9 羅 芭 § ト 1200 tloo 100e goo 働 700 GOO O.t 壌 了lme,鱗in io 璽◎o 2tg2 20t2 i832 摯 2 1632214疇
1292 1tl2 Fig.2.3Schematicillustrationoftheeffectofheatingrateandprecipitationbehavioron susceptibilitytostrain-agecracking.[25]2.1.1γ'木 目 一 般 的 な 析 出 強 化 型Ni基 超 合 金 の 強 化 相 は γ'相(Ni3(Al ,Ti))で あ り,結 晶 構 造 はFig.2.1.1.1に 示 す よ う なfcc(face-centeredcubic)型 のL12構 造 を 取 る. γ'相は γ 母 相 内 に 析 出 す る こ と で,γ'粒 子 の 界 面 が 転 位 運 動 の 妨 げ と な る.さ ら に こ の 機 構 は γ'粒子 サ イ ズ に よ っ て よ り効 果 的 に す る こ と が で き,Ni基 超 合 金 で は10-50㎜ が 最 適 な サ イ ズ と な る[27].ま た,γ'相 を せ ん 断 す る 際 に,超 格 子 転 位 対 に よ りAPB(AntiPhaseBoundary)を 形 成 し て す べ り 面 が 変 わ り,転 位 が 固 着 さ れ る.そ の た め 温 度 が 上 昇 す る に つ れ て,強 度 が 増 加 す る と い う 逆 温 度 依 存 性 の 性 質 を 持 つ.さ ら に γ'相は デ ィ ス ク 状(ア ス ペ ク ト比 は5-6)に 析 出 し [28],γ 母 相 に 対 し て 整 合 析 出 す る.
ONi
●Al
Fig2.1.1.1UnitcelloftheL12structure(γ'phase-Ni3Al)openandfilledcircles renresentnickelandaluminumatomsresnectivelv. 62.1.2γ"木 目
Inconel718の 主 な 強 化 相 は γ"相(Ni3Nb)で あ り,結 晶 構 造
はbct(body-cneteredtetragonal)型 のDO22構 造 で あ る.そ の 結 晶 構 造 をFig.2.1.2.1に 示 す.
格 子 定 数 はa=0.3624㎜,c=0.7406㎜ で あ り,軸 比 がc/a=2。04と ほ ぼ2倍1こ な り, 整 合 ひ ず み が 約2.86%と 他 のNi基 超 合 金 よ り 大 き い こ と に よ り,γ"相 の 析 出 強 化 の 一 因 と な っ て い る.母 相 と の 析 出 に は,(100)Y"//{100}γ;[001]y"//<001>γ の 析 出 関 係 が あ る[29].γ"相 は γ'相 と ほ ぼ 同 じ機 構 に よ っ て 析 出 強 化 し て い る が, す べ り 面 に お け る す べ り方 向 の バ ー ガ ー ス ベ ク トル が 異 な る.Fig.2.1.2.2に γ' 相 お よ び γ"相 の す べ り面 上 の 原 子 配 列 を 示 す.γ'相 で は3つ の す べ り方 向<110> に 対 し て2個 のa/2<110>転 位 が 移 動 す る こ と で そ の 規 則 性 を 回 復 す る こ と が で き る.一 方,γ"相 で は3つ の す べ り 方 向 の う ち2個 のa/2<110>転 位 に よ り 規 則 性 が 回 復 で き る の は 一 方 向 の み で,他 の2方 向 に は4個 のa/2<110>転 位 が 必 要 と な る.こ の よ う な γ"相 内 の す べ り の 制 約 に よ り,Inconel718で 高 い 強 度 が 得 ら れ る.ま た,γ`相 を γ'`相が 挟 む レ ン ズ 構 造 を と る デ ィ ス ク 状 に 析 出 す る こ と も あ り,(001)γ"//{100}γ'の 関 係 が あ る.こ れ は2段 階 時 効 処 理 に よ っ て 形 成 さ れ る(Fig.2.1.2.3)[30].し か し,大 き な 整 合 ひ ず み に よ り,650。c以 上 で は γ"相 の 急 速 な 粗 大 か お よ び 安 定 相 で あ る δ相 へ の 変 態 が 生 じ る.
ONi
■Nb
[100] あ A B C A B C A Fig2.1.2.1.UnitcelloftheDO22structure(γ"phase-Ni3Nb)openandfilledcircles representnickelandniobiumatomsrespectively.(a)γ'phase
ONi
●Al
(b)γ"phaseONi
●Nb
Fig2.1.2.2.Arrangementofatomsonthe(111)slipplaneillustratingorderinginthe principalslipdirectionfbr;(a)fccγ'and(b)bctγ". -﹂ ﹃ 幅 一 ー 巳∼ , 髪 雛 謬○
●
●
輔
ALTi.Nb
Nも,嶺 一 凶い駒 砂函 凶.逼.殉、悔亀 墓 警 γ驚1黒
魑 § ジ ∼}棚';3 {)こ}く:} ひ で◎く㊦
誰_鰹
(}o・ ト●囎9
くo麟Pγ Fig2.1.2.3.Schematicdiagramoftheoverlayedγ ラーγ"co-precipitate.[30] 82.1.3δ 相
δ相(Ni3Nb)は,γ"相 と 同 じ 化 学 組 成 で あ る が,熱 力 学 的 に 準 安 定 の γ"相 か ら
の 変 態 に よ っ て 安 定 な 形 状 へ と 変 態 す る.γ 母 相 に 対 し て 非 整 合 析 出 し,Fig.
2.1.3.1に 示 す よ う に 結 晶 構 造 は 斜 方 晶(Orthorhombic)のDO。 構 造 で あ
る.T-T-T図(Fig.2.1.3.2)か ら 析 出 温 度 範 囲 は6500c-980。c,solvus温 度
はlooooc-10300Cと さ れ て い る.そ し て,時 効 温 度9000C以 下 に お い て は 常 に γ"相 が 析 出 し た 後 δ相 が 析 出 す る.特 に,7000C-885。Cの 範 囲 に お い て は γ"相 の 急 速 な 粗 大 化 に 伴 っ て δ相 が 形 成 さ れ る.ま た,900。C以 上 に お い て 直 接 δ相 が 析 出 す る [31].一 般 的 に,結 晶 粒 界 に お い て 析 出 の 核 形 成 が 生 じ た 後,細 く 針 状 に な っ て 粒 界 へ と 拡 張 し て い く.ま た,結 晶 粒 内 で は,γ"粒 子 が 存 在 し て い る 場 所 で 核 形 成 が 生 じ る.準 安 定 相 で あ る γ"相 は 過 時 効 状 態 で は δ 相 へ の 変 態 に 対 し て 非 常 に 敏 感 と な り,一 般 に γ"相 か ら δ相 へ の 変 態 は,γ"相 の(111)に お い てa/6<112> 転 位 の 運 動 に よ り 積 層 欠 陥 が 生 じ,積 層 がAIBICIA2B2C2か らABABに 変 化 す る こ と で 成 立 す る(Fig.2.1.3.3).ま た,δ 相 の 最 密 原 子 面 は(010)で あ り,原 子 配 列 は γ"相 の(112)Y"と 一 致 す る.さ ら に,γ 母 相 と の 析 出 に は,(010) δ//{111}γ;[100]♂/<110>γ の 析 出 関 係 が あ り,格 子 定 数 をTable2.1.3.1に 示 す[32]δ 相 は 構 成 元 素 が γ"相 と 同 じ で あ る た め,成 長 す る と 強 化 相 で あ る γ"が減 少 す る こ と,さ ら に そ の 形 状 か らInconel718の 強 化 に は ほ と ん ど 寄 与 し な い と 考 え ら れ て い る.し か し,結 晶 粒 界 に 析 出 す る こ と か らMC系 炭 化 物 と 同 様 に 結 晶 粒 成 長 を 抑 え る 役 割 が あ る.と く に 球 状 δ 相 は 粒 内 に 析 出 す る と 応 力 を 緩 和 す る 働 き が あ る.針 状 に 析 出 す る と 応 力 が 集 中 し ク ラ ッ ク が 生 じ や す く な る こ と が し ら れ て い る[33].
○
●
Ni
Nb
[001] [OlO] A B A B A Fig2.1.3.1UnitcelloftheDOastnlcture(δphase-Ni3Nb)openandfilledcircles representnickelandniobiumatomsrespectively. 灘◎93 -geeNec● 捕紬7 1taVES納6C 1 871G《 細願A翰 揃 ε 《●ing1 17●mダ℃ 760Y・
こ一
649 538 427 0.10.4り26104080200600 鯛 マ1備 偶oo鴨l Fig2.1.3.2T-T-TcurveofInconel718. 10γ"phaseδphase OT・p o◎ oMiddl oBottom
→
■レ
[12i] ◎ ○ ◎↓
、
[ll2][Ol1] Fig2.1.3.3Movementofatomswithphasetransformationfromthe(112)planeofγ" phasetothe(OlO)planeofδphase・ Table2.1.3.1.LatticeparametersofYandδphase.[33]Phase
Latticeparameter(nm)
γmatr1X δ(Ni3Nb)a=0.5141,
a=0.3616
b=0.4231,
c=0.4534
*agedat1173Kfbrll4hours2.1.4Laves相
A2B型 の 結 晶 構 造 で 六 法 最 密 格 子(hexagonalcrystalstructure)を と る.IN718
はFCC構 造 で あ り,(111)fc、//(0001)h、p,[110]f、 ♂/[1120]h、pの関 係 が あ る[34].A
に はNi,Fe,Cr,Coを と り,Bに はNb,Ti,Si,Moを と る.バ ル ク 中 のLaves相 は 元 素
の 偏 り が あ り,Ni,Cr,Fe,Tiは 多 く 配 向 さ れ ず,高 融 点 元 素 で あ るNbに つ づ きMo が 濃 化 す る.Fig.2.1.4.1[35]に 示 す よ う に,凝 固 の 際 に はL→ γ+Lavesの 前 に は 必 ず,L→ γ+NbCの 反 応 が 存 在 す る.Cを 多 く 含 有 す る と,L→ γ+Lavesの 反 応 温 度 が 低 下 す る.し か し,Cを 多 く 含 む625合 金 で は,Laves相 は 析 出 せ ず,Cが 極 度 に 低 い と909合 金 で はL→ γ+Nbの 反 応 が 起 こ ら な い.NbC,Laves相 は 溶 融 部 でNbとC の 偏 析 に よ っ て 析 出 す る. Knorovskyら は 溶 接718合 金 に 対 し て,微 視 的 組 織 の 観 察 を 行 っ た[36].718合 金 で は,L→ γ+Laves相 の 共 晶 反 応 が 主 で あ り,γ∠NbCの 形 成 は 小 さ い た め,こ の 反 応 を 無 視 し て 模 擬 的 に 溶 媒 を γ,溶 質 をNbと す る 二 元 系 凝 固 図 を 示 し た(Fig. 2.1.4.2).Point1と2は 通 常 の 合 金 か ら 得 ら れ た 固 相 線 と 液 相 線 で あ る.Point3 は 液 相 線 温 度 と セ ル コ ア の 組 成 で あ る.Point5と6は γ相 とLaves相 の 組 成 で あ り, γ/Lavesの 構 成 で あ る.な お,Point5は γ相 中 に 固 溶 で き る 最 大 量 で あ る(9.3 wt.%).Point7は718合 金 の マ ト リ ッ ク ス 中 に 固 溶 で き る 最 大 のNb量 で あ り, Eiselsteinら の 報 告 に よ る[37].こ の 凝 固 図 は 実 験 と よ い 一 致 が 示 さ れ て い る. L→ γ+NbCの 反 応 がL→ γ+Lavesに な る に は,γ相 の8つ の 元 素(Ni,Fe,Cr,Mo,Al, Ti,Nb,C)が 単 一 の 構 成 元 素 で あ る と し た 場 合 の 計 算 で は,19.1wt.%Nbと0.03 wt.%Cと な る[38】.こ の 結 果 は,19.1wt.%Nbと0.04wt.%Cと す るDupontら[39, 40]の 報 告 と 近 い 値 で あ る.
IN718合 金 で は,HAZ部 にLaves相 と 共 にNbCや δ相 が 存 在 す る こ と が 報 告 さ れ
て い る.入 熱 に よ っ て γ相 と の 共 晶 温 度 が 高 いNbCは 溶 解 せ ず,粒 界 な ど を 伝 わ
っ てLaves相 が 溶 解 し,液 化 割 れ が 生 じ る こ と が あ る[41】.
LSTε ρ1:しiquidussur奮a◎epi◎rced,prl麟aryYde"dr碇es
L
CfystalltZe,liqukienrichesinNbandC・γ ◇LSTEP二 ∼:タoma価 ◎嚇o響oo劇 の11m触r癒創醜 γ!縄bC
lo"細 髄識羅c響 ◎「m喝虞溢on● lfe・en繭r纏e轟t 嚢o葦1喚u罎i麟Nb. lSマ 粧P4二 ・顎舗na肇 ;γ ◆Lgol鶉 彌c8魎on lO轍 ℃Oγ/しaVO$ 1織 。醐 》瀕 繍 霧e轄 鱒C師C . 毒 1」備 嚇 一 一 一"齢一一 一 一 一 一 糊 轍 一 一{γ ◇u膨 ●●} 1崩r就 総勘 糾伽Pの 愉 ●纏豊●6輔6 Fig.2.1.4.1Solidificationpathofalloy718・[35] 糊O ﹄ O ﹂ 寡 口 δ α ε 0 ト 絡00 鱒。。l I3
叫
t200 1100 tOOO O鐙2030 WeigktporcentNb Fig.2.1.4.2Pseudobinarysolidificationdiagramfbralloy718・[36]2.1.5炭 化 物,窒 化 物 IN718に 析 出 す る炭 化 物 お よび窒 化 物 は,Nbc,Tic,M6c,TiN,M23c6な どが 知 られ て い る.Laves相 と異 な り,こ れ らは 不 活 性 で あ る.Siが 濃 化 す る と,M6C が形 成 され 特 性 が 悪化 す るが,現 在 は製 造 過 程 が制 御 され て い るた め 問題 に は な らな い.IN718の 場 合 はM6Cよ りもMCカ ー バ イ ドの方 が析 出 す る こ とが知 ら れ て い る.鋳 造材 で は,炭 素 が濃 化 す る と厚 い 結 晶粒 界 を 生 じ,と く に溶 接 に よ って 吸 熱 され るHAZ部 で破 壊 す るが,適 切 な熱 処 理 に よっ て 回避 で き る こ とが 知 られ て い る[41]. 形 状 は イ レ ギ ュ ラ ー で あ り,時 効 処 理 中 に γ相 粒 界 で 炭 化 物 が 析 出 す る こ と が あ る が,650。C/168h,700。C/90hの 条 件 で は 粒 界 析 出 は 起 こ ら な い と い う報 告 が あ る[42].こ の と き,形 状 や サ イ ズ,分 布 に 大 き な 変 化 は な い.析 出 サ イ トは 粒 界 や 転 位 が 堆 積 し て い る 場 所 で あ る.し か し,800。Cに な る とNbCが δ相 と 共 晶 す る が,900。Cで は δ相 の み が 析 出 す る.NbCやM23C6は 立 方 晶 で あ る.NbCで は, 強 化 相 の γ"相 の 主 要 元 素 で あ るNbを 有 し て お り,炭 化 物 周 り で は 無 析 出 物 帯 (precipitatefreezone:PFZ)が 形 成 さ れ る 。 γ'相の 主 な 構 成 元 素 はAl,Tiで あ り, NbC周 り にPFZは 形 成 さ れ る も の の,γ'相 が 形 成 さ れ,γ`'相 も 一 部 形 成 さ れ る が, 析 出 時 間 が 長 い こ と やNb欠 乏 に よ り,γ`相 よ り も 離 れ た と こ ろ で 形 成 さ れ る. 粒 界 に析 出 した炭 化 物 に変 形 帯 が衝 突 し,粒 界破 壊 の起 点 に な る こ とが あ る こ とが あ る.転 位 が炭 化 物 の界 面 にパ イル ア ップ し,一 部 は応 力 の緩 和 が され るが せ ん 断応 力 が 炭 化 物(介 在 物)の 端 に集 中 し,PFZに 沿 って 粒 界破 壊 に つ な が る こ とが知 られ て い る. 積 層 造 形 に 関 して,デ ポ ジ シ ョン タイ プ を用 い た報 告 で は,デ ン ドライ ト間 に
Laves相 と共 にNbC,TiCが 観 察 され てい る.熱 処 理 に よっ て,M23C(M:Cr,Fe,
TiandMo)に 変 化 す る場 合 もあ る[43].共 晶NbCの 固溶 温度 は約1250。C前 後 で あ り,共 晶Lavesよ りも30。Cほ ど高温 で あ る[44].247LC合 金 を使 用 した積 層 造 形 材 で は,デ ン ドライ ト間 に炭 化 物 が生 じ,熱 処 理 を施 す と強化 相 の γ'相と同 様 に成 長 す る.熱 処 理 に よっ て母 相 が 再 結 晶 化 され て も炭 化 物 は存 在 して お り, 再結 晶 と炭 化 物 の挙 動 は独 立 で あ る と され る[45]. ま た,ク ロ ム 炭 化 物 と し て,IN600系 合 金 を 用 い た 実 験 か ら,Cr7C3(正 斜 方 晶) とCr23C6(面 心 立 方 格 子)が 報 告 さ れ て い る[46].rN718の ク ロ ム 炭 化 物 析 出 挙 動 は600系 合 金 と ほ ぼ 同 様 で あ る と さ れ る が,Al,Ti,Nbな ど が 多 く 含 有 さ れ る た め,低 温 域 で はM23C6(M:Cr,Ti,Nbな ど)と と も に,γ'相,γ"相,Ti(C,N) も 析 出 す る.ク ロ ム 炭 化 物 の 析 出 に お い て,炭 素 拡 散 律 速,ク ロ ム 拡 散 補 給 律 速, 炭 化 物 生 成 反 応 律 速 の3つ が あ る が6000C程 度 で は,ク ロ ム 拡 散 補 給 が 律 速 で あ る.高Cr炭 素 鋼 で は (Cr,Fe)3C→(Cr,Fe)7C3→(Cr,Fe)23C6 14
が 順 次 現 れ,Cr7C3は 準安 定炭 化 物 で あ り,高 温 長 時 間保 持 に よっ てCr23C6に な る.Cr23C6炭 化 物 の核 生 成 サ イ トはオv-一…ス テ ナ イ ト粒 界,非 整 合 双 晶 界,整 合 双 晶 界,オ ー ス テ ナ イ ト母 相 中 の転 位,空 孔 で あ る.Cr23C6炭 化 物 と母 相 の 界 面 は {111}面 で 接 して 互 い に 平 行 で あ る こ とが 界 面 の 自 由エ ネ ル ギー一・…を最 小 にす る. そ の た め,{111}c,23c6//{111}γ・<110>c,23c6//<110>γの 関係 が あ る.粒 界 で は,一 方 の 母 相 に整 合 す る場 合 と,隣 り合 う両 母 相 に整 合 す る場 合 が あ るが,前 者 の方 が 多 い.Cr7C3,Mn7C3,Fe7C3の 三 種 類 が 知 られ て い る.正 斜 方 晶 で非 整 合析 出す る. 前 者 二 つ は,安 定 な 炭 化 物 と して 古 くか ら知 られ て い る. 特 に粒 界 の 応 力 腐 食 割 れ に対 して は,化 学 的 作 用 と して,① ク ロム炭 化 物 の難 溶 性 に よ るSCC進 展 の抑 制,② 粒 界 偏 析 元 素 の 取 り込 み に よ る粒 界 清 浄 化,③ ク ロ ム炭 化 物 とNi基 合 金 接 触 に よ る電 気 化 学 的 防食 作用,④ ク ロム 炭化 物 溶 解 に よ るCrO2一 イ オ ンに よ る防 食 皮 膜 形 成,力 学 的 作 用 と して,① 半 連 続 的 な 析 出 に よ るひ ず み の分 散 ② 粒 界 交 互 整 合 析 出 に よ る粒 界 強 化 が あ げ られ て い る.
2.2積 層 造 形 技 術(付 加 造 形 技 術,additivemanufacturing) 一 般 に3Dプ リ ン タ と 呼 ば れ る 造 形 技 術 は ,積 層 造 形 技 術 と し て 知 ら れ る.以 前 は,RapidprototypingやRapidmanufacturing,Additivefabricationな ど と 呼 ば れ て い た が,2009年 のASTMF42委 員 会 に お い て 付 加 造 形 技 術(additive manufacturing;AM)と 呼 ば れ る に よ う に な っ た.従 来 の 切 削(substructive)加 工 で は 実 現 で き な い 複 雑 形 状 や 内 部 構 造 を 作 製 で き る.コ ン ピ ュ ー タ 用 い た ト ポ ロ ジ ー 最 適 化 法 やCT(computedtomography)技 術 な ど が 注 目 さ れ て い る.ま た,ス テ ン レ ス 鋼 や64Ti合 金 な ど はAsTMやIsoに よ る 規 格 化 も 一 部 行 わ れ て い る が,網 羅 は さ れ て お ら ずJIS規 格 も 進 ん で い る と は 言 え な い 状 況 で あ る[47]. 積 層 造 形 技 術 は7つ の方 法 に分類 され て お り,こ れ をTable2.2.1[48]に 示 す. と くに金 属 材 料 の 造 形 に 当 って,粉 末 積 層 溶 融 と溶 融堆 積 法 が使 用 され る こ とが 多 い た め,こ れ ら二 つ につ い て 簡 単 に記 述 す る. Table2.2.1Additivemanufacturingcategories.[48] Category Description LiquidbondingagentselectivelydepositedtojoinBi nderJetting powder materialJettingdropletsofbuildmaterialsselectivelydeposited PowderBedFusionThermalenergyselectivelyfUsedresionsofpowderbed DirectedEnergyF ocusedthermalenergymetltsmaterialsasdepositedD eposition SheetLaminationSheetofmaterialbondedtogether VatPotopolymerizationLiquidphotopolymerselectivelycuredbylightactivation MaterialExtrusionMaterialselectivelydispondedthroughnozzleororifice ◆ 粉 末 積 層 溶 融 法(powderbedfUsion) は じめ にCADモ デ ル を コ ン ピ ュ ー タ で 作 製 し,STL(standardtriangulated language)フ ァイ ル な どに 変 換 して,造 形 を始 め る.金 属 粉 末 や 金 属 粉 末 とバ イ ン ダー の混 合 粉 末 を使 用 す る.は じめ に,粉 末 を薄 く敷 き詰 めて,熱 源 で あ る レ ー ザ ー ビー ム を照 射 し ,選 択 的 に粉 末 を焼 結,溶 融 させ る.次 に,一 層 分 ベ ー ス プ レー トが 下 が り,再 度 粉 末 を敷 き詰 め る.順 次 こ の操 作 を繰 り返 す こ とで,部 品 を製 作 す る.バ イ ン ダー を含 む粉 末 は,後 ほ ど高 温 で蒸 発 させ るな どの 後 処 理 が 必 要 で あ る. 使 用 粉 末 は 現在 の とこ ろ,ガ ス ア トマ イ ズ粉 末 が 一 般 的 で あ り,平 均 粒 径 は数 十 μmと され て い る.ガ ス ア トマ イ ズ法 に よる粉 末 は,清 浄 度 が 良 く球 状形 状 を 有 して い る が,高 価 で あ る.そ こで,水 ア トマ イ ズ法 や リサ イ クル 粉 末 な どに よ っ て 作 製 され た 粉 末 を 用 い た 造 形 法 な らび に造 形 物 の評 価 に 関す る研 究 も進 ん 16
で い る.し か し,チ タ ン合 金 は 酸 化 しや す い 問題 や,リ サ イ クルNi合 金 粉 末 で は 合 金 元 素 のAlが 一部 の 粉 末 に濃 化 して割 れ が発 生 して しま うな どの 問題 が 報 告 され て い る[49].清 浄 度 に 関 して,PREP粉 末 を 用 い て 積 層 造 形 を行 う研 究 もお こな わ れ て い る.一 般 にPREP粉 末 はガ ス ア トマ イ ズ 粉 末 に比 べ て 粒 径 が大 き い が,従 来 材 よ りも良 い特 性 が報 告 され て い る[50]. 熱 源 の違 い か ら,粉 末 積 層 溶 融 法 は レー ザ ー ビー ム積 層 造形 法 と電 子 ビー ム積 層 造 形 法 の 二 つ に大 き く分 け られ る こ とが あ る.電 子 ビー ム は 真 空 雰 囲 気 で な い と使 用 で き な い が,レ ー ザ ー ビ・一・・…LムはArやN2な どの不 活 性 ガ ス 雰 囲 気 で 造 形 を行 う.被 造 形 材 は 高 出力 熱 源 の た め に,急 速 な加 熱 お よび冷 却 を受 け る.こ の 過 程 が,材 料 特 性(組 織 や 強度 な ど)に 影 響 を 与 え る が,真 空 雰 囲気 と不 活 性 ガ ス 雰 囲気 で は 熱 伝 達 率 が 異 な る こ とか ら,熱 源 の違 い で は な く,雰 囲気 に違 い で 区別 す る方 が 良 い との 指 摘 も あ る. レ ー ザ ー ビ ー ム で は,従 来 はCO2レY-・ 一…ザ ー な ど が 使 用 さ れ て い た が,現 在 はYb レ ー ザ ー な ど の 高 出 力 化 に よ っ て 大 き く 進 歩 し て き た.使 用 粉 末 が 電 子 ビ ー ム ほ ど 大 き く な い の で,表 面 粗 さ が 良 く,内 部 構 造 を 作 製 し た 際 の 粉 抜 け が 良 い と さ れ て い る.装 置 メ ー カ ー も 複 数 存 在 し,現 在 で は1000Wの 出 力 を 超 え る も の や,レ ー ザ ー 熱 源 が 複 数 設 置 さ れ て い る も の も あ る.代 表 的 な メ ー カ ー と し て, SLMSolutions社(独),EOS社(独),ConceptLaser社(独),Renishow社 (英),Phoenix社(仏,現 在3Dsystems社(米))が あ り,日 本 で は,松 浦 機 械 製 作 所 社 やSodic社 な ど が あ げ ら れ る. 電 子 ビー ム を 熱 源 に 扱 う造 形 機 はARCAM社(瑞)の 一 社 で あ る.Pre-heatingと 呼 ば れ る,ビ ー ム 走 査 に よ る溶 融 が 始 ま る前 に チ ャー ジ ア ップ を 防 ぐ た め に,あ らか じめ 粉 末 を熱 す る作 業 が あ る.熱 処 理 が 重 要 な要 素 とな る合 金 な どで は有 効 で あ る.ま た,雰 囲気 が真 空 で あ る の で,入 熱 お よび 冷 却 速 度 は レー ザ ー ビー ム に よ る造 形 法 に比 べ て 速 くな く,チ タ ン合 金 な ど酸 化 が 問題 とな る材 料 に対 して有 効 で あ る.磁 場 を用 い て ビー ム を 走査 す る た め に 走査 速 度 が速 く, 出力 も大 きい.そ の 分,粉 末 同士 が仮 焼 結 に よ っ てネ ッキ ン グす る た め,表 面粗 さは粗 くな り,粉 抜 け も レー ザ ー ビー ム に比 べ て 良 くな い こ とが 知 られ て い る. 造 形 後 は ブ ラス ト処 理 に よ っ て,付 着 した粉 末 を取 り除 く必 要 が あ る.
◆溶融堆積法
Fraunhofer研 究 所(独)で 開 発 さ れ た レ ー ザ ー 金 属 体 積(lasermetaldeposition; LMD)やSandia国 立 研 究 所(米)のLENS(laserengineerednetshaping)法 な ど が 知 ら れ て い る.金 属 粉 末 や ワ イ ヤ ー 材 を レ ー ザ ー ビ ー ム や 電 子 ビ ー ム に よ っ て 形 成 し た 溶 融 池 に 直 接 供 給 し て い く 方 法 で あ る.シ ー ル ドガ ス と し て 不 活 性 ガ ス のArな ど が 用 い られ る.レ ー ザ ー ビ ー ム に よ る 粉 末 床 積 層 溶 融 法 よ り も 使 用 す る エ ネ ル ギ ー が 比 較 的 大 き く,造 形 速 度 が 速 い.オ ー バ ー ハ ン グ 形 状 は 造 形しに くい.し か し,複 層 構 造 や ア スペ ク ト比 が 大 き な部 品 が製 作 可 能 で あ る. DMG森 精 機 社 や ヤ マ ザ キ マ ザ ッ ク社 が,表 面粗 さの 対 策 と して切 削 と溶 融 堆 積 法 を合 わ せ た 装 置 を扱 っ て い る. 金 属 に よ る積 層 造 形 技 術 は,材 料 で あ る合 金 粉 末 が高 価 で あ り,造 形 に は 時 間 が か か りマ シ ン タイ ム の 関係 か ら,多 品種 ・小 ロ ッ トで あ り,か つ 付 加 価 値 の 高 い 分 野 へ の適 用 が 現 在 見 込 まれ て い る.金 属 材 料 の使 用 例 と して,航 空 宇 宙,自 動 車 産 業機 器 部 品,イ ン プ ラ ン トな どの 医 療 分 野 が あ げ られ る.GE社(米)で は,Boeing777-200ERに 搭 載 され るGE94B用 の コ ン プ レ ッサv-一・・温 度 セ ンサ ー の ハ ウジ ン グやLEAPエ ン ジ ンに しよ うされ る燃 料 噴 射 ノ ズル に適 用 して い る. Rolls-Royce社(英)で も,TrentXWB-97に 搭 載 され る15mほ どの フ ロ ン トベ ア リン グハ ウジ ン グ部 品 に積 層 造 形 チ タ ン合 金 を使 用 して い る[51].医 療 分 野 で は,ラ テ ィス構 造 を 有す るチ タ ン合 金 製 の人 工 股 関節 をナ カ シマ メデ ィカ ル 社 が 開 発 した[52].樹 脂 で は,日 用 品 を は じめ 自動 車 や 航 空 宇 宙 分 野 で の試 作 品,医 療 分 野 にお け るモ デ ル,イ ンテ リアや 宝 飾 品 な ど幅 広 く適 用 され て い る.航 空 宇 宙 分 野 に 関 して は,A350XWBに1000点 以 上 の 部 品 を3Dプ リン タ で製 造 して い る[53]. 2020年 にお け る付 加 製 造 技 術 の経 済 波及 効 果 は総 額 で 約21.8兆 円,装 置 ・材 料 等 の 直 接 市 場 は約1.0兆 円 と も見 積 も られ て お り,世 界 各 国 で 開発 が進 め られ て い る.米 国 のNAMII(NationalAdditiveManufacturinglnnovationlnstitute)(現 在 の ㎜ericamakes)な どが有 名 で あ る.日 本 で は,2013年 に 三 次 元 造 形 技 術 を 核 と した もの づ く り革 命 プ ロ グ ラ ム(次 世 代 型 産 業 用3Dプ リン タ等 技 術 開 発) と称 して,技 術 研 究 組 合 次 世 代3D積 層 造 形 技 術 総 合 開発 機 構(trafam)(三 次 元積 層 造 形 兼 レー ザ ー ビー ム方 式 プ ロ ジ ェ ク トリー ダ:京 極 秀 樹(近 畿 大 学), 電 子 ビー ム方 式 プ ロジ ェ ク トリー ダ:千 葉 晶 彦(東 北 大 学),超 精 密 プ ロ ジ ェ ク トリー ダ:岡 根 利 光(山 号技 術 総 合 研 究所))が 設 置 され た.6年 間 で約167億 円 の予 算 で 実 施 され る.精 密 な も のづ く りに よ る高 付 加 価 値 化 とも のづ く りの 裾 野 拡 大 とい う付 加 価 値 を基 に,産 学 が 連 携 して 高 出力,高 速,大 型 造 形 機 を製 造 ・販 売 を 目指 す.装 置 本 体,金 属 粉 末 の製 造,制 御 ソ フ トウェ ア な どが 開発 対 象 で あ る[54].ま た,2014年 に は戦 略 的イ ノベ ー シ ョン創 造 プ ロ グ ラ ム(SIP)/ 革 新 的 設 計 生 産 技 術 「三 次 元 異 方 性 カ ス タマ イ ズ化 設 計 ・付 加 製 造 拠 点 の 構 築 と地 域 実 証 」(大 阪 大 学,パ ナ ソニ ッ ク社,大 阪府 立 産 業 技 術 研 究 所 な ど)が 採 択 され た.最 長5年 の 計 画 で あ り,「 デ ライ トな もの づ く り」 を掲 げ,異 方 性 や カ ス タ ム化 とい った 概 念 の 下,医 療 や 航 空 宇 宙,エ ネ ル ギー 分 野 へ 適 用 ・新 市 場 の 構 築 を 目指 し て い る[55]. 18
2.2.1残 留 応 力 積 層 造 形 技術 で は,金 属 粉 末 を敷 き詰 め造 形 領 域 を溶 融 凝 固 させ て形 状 を作 製 す る.こ の 時,粉 末 を敷 い た 状 態 で は粉 の 間 に は 隙 間 が 存 在 す る.こ れ を溶 融 凝 固す るた め,100%の 密 度 の製 品 を作製 す る と嵩密 度 分 縮 小 す る.積 層 で は,層 を 積 み 重 ね て 造 形 して い くた め,上 の 層 の造 形 で縮 小 が 起 こ る.さ らに 上 層 を溶 融 ・凝 固す る と き,既 に造 形 が 終 了 して い る下 層 は凝 固状 態 で あ る.す な わ ち, 下 層 は温 度 が 低 下 して お り,そ の上 で融 点 ま で 昇 温 してい る こ とに な る.融 点 か らは凝 固過 程 で 降 温 して い くた め線 膨 張係 数 に応 じた収 縮 が 起 こ る.熱 プ ロセ ス に お い て も上 層 が 収 縮 とい う応 力 の発 生 が 生 じる.プ ロセ ス 上 必 ず 後 か ら作 る層 が収 縮 を起 こす た め,下 に 凸 の そ りを発 生 させ る.通 常 造 形 後 に熱 処 理 を実 施 して応 力 緩 和 を 図 る こ とが 必 要 とな る一 方,応 力 を緩 和 す る造 形 が 求 め られ る こ とも確 か で あ る.嵩 密 度 の 収 縮 熱 収 縮 と もに,面 積 が 拡 大 す れ ば 全 体 の収 縮 量 が 大 き くな り,特 に 形 状 の外 側 で の応 力 が 高 ま る.必 要 以 上 に 面積 を生 じ る よ うな構 造,造 形 長 さが長 くな る よ うな 構 造 は 向 か ず,で き る だ け小 さ く分 離 され て い る よ うな構 造 が 応 力 の 緩 和 に は有 効 で あ る[56].電 子 ピー・一・・ム を 用 い た積 層 造 形 法 で は,粉 末 床 を余 熱 で き るた め,残 留応 力 の発 生 を抑 え る こ とが で き る. しか し,レ ー ザ ー ビー ム で は,室 温 で レー ザ ー を照 射 す るた め,残 留応 力 の発 生 が 十 分 に抑 え られ ず,ひ ず み の 発 生 が 問題 とな る[57]. Nimonic263合 金 で は,TEM観 察 で も高 転位 密 度 が存 在 して お り,と くに材 料 底 部 の 周 辺 部 近 傍 に 高 い 引 張 残 留応 力 が 生 じる こ とが 報 告 され て い る[58].サ ポ ー ト構 造 よ りもべ 一 ス プ レー トは密 な の で,幾 何 学 的 拘 束 に よっ て 導 入 され る と 考 え られ る.し か し熱 処 理 を施 す こ とで,大 き く残 留 応 力 は緩 和 され る.718合 金 の残 留応 力 に 関す る報 告 で は[59】,レ ー ザ ー積 層 溶 融 で は材 料 側 面 に 引 張 残 留 応 力 が 導 入 され,Nimonic263と 同様 で あ るが,電 子 ビー ム の場 合,べ 一一・・一ス プ レー ト近 傍 で は圧 縮 残 留 応 力 が 導入 され る.熱 源 と造 形 雰 囲 気 が 異 な り,サ ポ ー ト構 造 も異 な る こ とが 考 え られ るた め,体 系 的 な理 解 が必 要 とされ る.
2.2.2ス キ ャ ン ス トラテ ジー レー ザ ー 走 査方 法 は,一 般 に ス キ ャ ンス トラテ ジー と呼 ばれ る.造 形 装 置 メー カ ー に よっ て推 奨 され る方 法 が あ る が,ユ ー ザ ー が 設 定 で き る場 合 が 多 い.ス キ ャ ン ス トラテ ジ ー は,レ ー ザ ー パ ワーや 走査 速度 に大 き く影 響 す る重 要 な パ ラ メ ー タ で あ る . Fig.2.2.2.1に 代 表 的 な ス キ ャ ンス トラテ ジ ー を示 す.(a)と(b)は 基 本 的 な 方 法 で あ り,デ ポ ジ シ ョン タイ プ に も使 用 され る.(c)は アイ ラ ン ド走 査 の チ ェス ボー ド型 と よばれ,コ ンセ プ トレー ザ ー社 に代 表 され る.区 切 られ た場 所 ご とに 走 査 す るた め 入 熱 ・冷 却 が 分 散 して 残 留 応 力 を 低 減 され る と され る[60]. レー ザ ー ビー ム で は(f)の よ うに コ ンター 走査 と呼 ばれ る縁 取 り走 査 を行 うこ とで 表 面 粗 さを整 え るが,電 子 ビー ム の場 合 は 出力 が強 す ぎ るた め に,ネ ッキ ン グ(仮 焼 結)が 生 じて か え っ て表 面 が粗 くな るの で 用 い な い. 《a)
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︾ 噺 { Fig.2.2.2.1ScansstrategiesusedtodetermineheatsourcepathinmetalAmas seenintheX-Yplane(perpendiculartothebuilddirection):(a)midirectionalor concurrentfill,(b)bi-directional,snaking,orcountercurrentfi11,(c)island scanning,(d)spotmelting,(e)spotmeltingcontourswithsnakingfn1,and(f)line meltingcontourswithsnakingfi11.[60] 20そ の 他 に も,Fig.2.2.2.2に 示 す よ うな レー ザ ー 走 査 方 法 が 知 られ て い る. LENsプ ロセ ス(デ ポ ジ シ ョン タイ プ)で 走 査 したAlsiloMg合 金 で は,極 点 図 に 示 され て い る よ うに,強 度 の ピー クが 二 つ 出 る よ うに な る こ と もあ る[61].先 述 の ア イ ラ ン ド走 査 で は 残 留 応 力 低 減 の他 に,密 度 の 向 上 が 期 待 され て い る. 247LC合 金 で この方 法 と一 般 的 な方 法 を比 較 した結 果,前 者 の方 が 導入 され る ポ ロシ テ ィが 多 く,ス キ ャ ンス トラテ ジー 以 外 は 同 一 条件 で あ っ た こ とが 報 告 され た(Fig.2.2.2.3)[62].ま た,レ ・一一ザー 走 査 方 法 が 異 な る に も関 わ らず,残 留応 力 に 関 して違 い が 見 られ な い とい った 報 告 も あ る[63]. (A) A B
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Fig.2.2.2.3(a)Schematicimageofislandtypescanstrategyand(b) microCTdatashowscracks(red)andvoids(yellow).[62] 222.3凝 固 液 体及 び 固体 にお け る温 度 勾 配 が 正 で あれ ば凝 固 で発 生 した 潜 熱 は 固 体 を通 して消 散 す る.こ の よ うな温 度 場 は方 向性 凝 固 で,凝 固組 織 は柱 状 晶 帯 とな る. 一 方 ,結 晶 の周 りを過 冷 液 体 が 囲む と固液 界 面 で は,液 体 中 に負 の 温 度 勾 配 が 生 じ る こ とに な り,凝 固組 織 は 等 軸 晶 帯 とな る.Fig.2.3.1[64]に 方 向性 成 長 と等 方 性 成 長 の場 合 を示 す.柱 状 晶 は熱 流 束qの 方 向 と反 対 に 内部 に 向 か う速 度vで 成 長 す る.よ っ て,液 体 が最 高 温 度 で あ り,デ ン ドライ トの 先 端 は液 相 線 温 度 で あ る. デ ン ドライ トで 作 られ る結 晶粒 界 は,デ ン ドライ トの主 軸 に 平行 に固 体 の長 さ に沿 っ て連 結 す る.各 デ ン ドライ トは 隣 り合 うデ ン ドライ トと低 角 粒 界 を形 成 し,枝 分 かれ の繰 り返 しで 作 られ た多 くの 主軸 が 一 緒 にな って1つ の 結 晶 粒 を形 成 す る.こ れ らの デ ン ドライ トは互 い に 平行 に 並 び,そ の 間 隔 は1次 デ ン ドライ トア ー ム スペ ー シ ン グ λ1,枝分 かれ した板 同 士 の 間 隔 は2次 デ ン ドライ トア ー ム ス ペ ー シ ン グ λ2と呼 ばれ る. 純金属 の場合,固 液界面 にある振 幅の摂 動が発 生す る と固体側 の温度 勾配は減 少 す るが,液 体側 は増加 す る.熱 流束 は温度 勾配 に比例す るので熱流束 は摂 動の 先 端 に流れやす くな り,固体へ の流速 は小 さくな り摂動液体 は元 に戻 って固液 界 面が安定す る.そ のた め,方 向性成長す る純金属 は平 らな界面 で成長す る.等 方 性成 長 の場合 は,固 体で発生 した凝 固潜熱 は液体 を通 るので,結 晶部分 が最 高温 度 とな り熱流束qは 放射状 に放 散 して,結 晶は熱流方 向 に成長す る.純 金属 では, 球状 晶 に発 生 した摂動 は さ らに深 くなって先端 は さ らに熱 を放 散す るた め固液 界 面は常 に不安定 とな ってデ ン ドライ ト状結晶 が熱 流方 向に放 射線 状 に成長す る. 合 金 の デ ン ドライ トの 成 長 は不 安 定 な 固液 界 面 で 起 こ る.摂 動 は先 端 と くぼ み の成 長 の 差 が 大 き くな る ま で拡 大 す る.先 端 で は横 方 向 に も溶 質 を排 出す る の で,先 端 か ら排 出 され る溶 質 が 蓄 積 す る くぼ み よ りも早 く成 長 し,セ ル が 形 成 され る.セ ル は 一 方 向凝 固 の場 合 のみ 成 長 出 来 るが,熱 流 に平 行 して熱 流 方 向 と 反 対 方 向 に成 長 す る.そ の 間,セ ル の表 面 に摂 動 が 起 き る と枝 分 かれ が 生 じて さ らにデ ン ドライ トの 形 成 が進 む.セ ル は熱 流 に 平 行 して そ の 反 対 方 向 に成 長 し て,そ の ま ま終 わ る と固液 界 面 で の組 成 的過 冷 限 界 に近 い 条 件 で成 長 す る.セ ル の 固液 界 面 の安 定 度 が 組 成 的 過 冷 か ら離 れ る と界 面 は不 安 定 とな っ て セ ル か ら デ ン ドライ ト結 晶 に成 長 す る(Fig.2.3.2).こ の 時,結 晶 は優 先 結 晶方 位 に従 っ て 成 長 す る(FCC,BCCの 場 合 は[001]方 向).セ ル は 結 晶 方 位 に 関 係 な く熱 流 に 平 行 に成 長 す るが,デ ン ドラ イ ト主 軸 の成 長 方 向 は 結 晶 の優 先 方 位 で あ り,熱 流 方 向 に 近 い 優 先 方 位 の 結 晶 の成 長 が継 続 され る こ とに な る.2次 デ ン ドライ トア ー ム も優 先 方 向 は 同 じで あ る.優 先 方位 が異 な る結 晶 の 多 くが 一 定 方 向 の
熱流 があ る環境 で兆時間保 持 され る と,熱流方 向 と優先方位 の差が大 きいデ ン ド ライ トは消滅 して柱状 晶 を形成 す る. デ ン ドライ トの2次 ア ー ム は1次 ア ー ム の先 端 付 近 か ら形 成 され る が,は じめ は 表 面 で の摂 動 か ら始 ま る.平 らな 固 液 界 面 と同様 に摂 動 は成 長 して セ ル 状 に な り,デ ン ドライ トの 主 軸 に直 角 に形 成 され る.こ れ らは順 次,3次,4次 の 高 次 の ア ー ム を形 成 す る一 方 でお 互 い に 消滅 させ な が ら1次 ア ー ム ス ペ ー シ ン グの 半分 ま で成 長 す る. 2次 ア ー ム の大 き さお よび数 が変 化 す る過 程 をみ る と,高 温 状 態 で も時 間経 過 と とも に小 さい2次 ア ー ムが 消 滅 して大 き な2次 ア ー ム が 粗 大 化 し,Fig.2.3.3の よ うに2次 ア ー ム ス ペ ー シ ン グが 増加 して い く. 凝 固 速度 を上 げ る と,デ ン ドライ ト間 隔 が 細 か くな る こ とが実 験 で確 か め られ て い る[66].大 き な温 度 勾 配 に よ って 界 面 近 傍 で塑 性 的過 冷 客 が大 き くな り,界 面 の 不 安 定 背 が増 す た め で あ る と直 感 的 に理 解 で き る(厳 密 な 取 り扱 い は複 雑 で あ り,現 在 は フ ェー ズ フ ィー ル ド法 に依 る視 覚 化 が進 ん で い る). Fig.2.3.4は 単 相 の 凝 固 条 件 と 得 ら れ る 組 織 の 対 応 を 示 し て い る[65].1方 向 凝 固 の 場 合,冷 却 速 度 は, T=-GV とあ らわせ る.Vは 成 長 速 度,Gは 温 度 勾 配 で あ り,凝 固速 度 丁を制 御 す る こ とで 単 結 晶や セ ル 組 織 柱 状 デ ン ドライ ト,粒 径 を 考 慮 した等 軸 デ ン ドライ トが得 ら れ る.
→
↑
z→2→
Fig.2.3.1Schematicimageofalloydendritesgrowth(S:solid,1:liquid,Tl:liquidus andTs:solidus).[64] 24Fig.2.3.2Cel1,dendriticcell,and dendrite.[64] ..一.ミi、 {n) {い Fig.2.3.3Schematicimageofsecondary dendritearmgrowth.(a)smalldendrite ㎜sgrowbyripeningassho㎜(b).[64] le2 1 ( の 、 ε ε ︾ ﹀
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leS Fig.2.3.4Solidificationconditionandmicrostructuresof singlephasematerial.[65]2.4EBSI)(electronbackscatterdiffraction)法 金 属 や セ ラ ミ ッ ク ス を は じ め と す る 結 晶 性 材 料 は,原 子 や 分 子 が 三 次 元 空 間 内 に 規 則 的 に 配 列 し て 構 成 さ れ て い る.EBSD(ElectronBackScatterDiffraction) 法 と は,こ の 結 晶 方 位 に 基 づ い た 組 織 観 察 法 で,SEM内 で 試 料 表 面 の1点 に 電 子 線 を 入 射 さ せ て 生 じ る 反 射 電 子 解 析 模 様,す な わ ちEBSP(ElectronBack ScatteringPattern)と 呼 ば れ るKikuchi線 の 一 種 を 用 い て,サ ブ ミ ク ロ ン レ ベ ル の 結 晶 粒 の 結 晶 方 位 や 相 同 定 を す る 方 法 で あ る. SEMに よ る試 料 表 面 観 察 や 試 料 全 体 の 平均 的 な配 向 を調 べ るX線 解 析 等 よ り も多 くの情 報 が得 られ る.Kikuchi線 解 析 図 形 を用 い る こ とで,最 小o.1。 程 度 の 正 確 な方 位 測 定 が で き るの で,材 料 の ミク ロ組 織 を再 現 で き,さ らに,注 目 した い 局 所 領 域 の結 晶方 位 を正 確 に得 られ る利 点 が あ る.ま た,強 加 工 を施 され た ひず み が 散 在 す る材 料 や,多 数 の 格 子欠 陥 を含 む 材 料 で も,適 用 が 可能 で あ る. SEM中 で試 料 を約70。 傾 斜 させ 電 子 線 を 走査 す る.照 射 電 子 は試 料 中の 結 晶 格 子 で 回 折 現 象 が 起 き,試 料 表 面 か ら ド・一一一・・ム状 にEBSPが ひ ろが る.EBSPと は, 反 射 解 析 に よ って 得 られ るKikuchi線 の こ とで あ る.こ れ を蛍 光 ス ク リー ン に 投 影 ・可視 化 し画 像 と して取 り込 み,ブ ラ ックの 式 を利 用 して処 理 す る.こ れ を Hough変 換 法 に よ りバ ン ドの検 出 を行 い,バ ン ド間 の 角 度 とあ らか じめ結 晶 デ ー タ と して 与 え て お い た結 晶 面 間 の角 度 を比 較 し検 出 したバ ン ドの ミラー 指 数 付 け を決 定 す る.バ ン ドの 指 数 に基 づ い て結 晶方 位 を算 出 す る. なお,EBSPは 試 料 表 面 近 傍 で 回 折 され た電 子 線 で,試 料 や加 速 電 圧 に も よ るが, そ の深 さは15kVの 加 速 電 圧 で20-30㎜ に過 ぎ ない.そ の た め,試 料 表 面 の状 態 に非 常 に敏 感 で あ り,表 面 の ダ メー ジ(結 晶 の乱 れ)や コ ン タ ミネ ー シ ョン等 に
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ld}!一 ∵ 、 て 一 巴'覧ゆ ＼
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、 の」 ノ Fig.2.4.1CalculationgrainorientationffomEBSPpattern.(a)EBSPdataisimportedand(b)detected bandpatternbyHoughtransformation,then(c)eachgrainindexisholdand(d)grainorientations aredecided「671. 対 し て 注 意 が 必 要 で あ る. 262.4.1ス テ レ オ 投 影 法(極 点 図 に 関 連 し て) 三 次 元 の 結 晶 面 を 平 面 上 に 示 す 方 法 が ス テ レ オ 投 影 法(stereographic pr()jection)で あ る.Fig.2.4.1.1に 示 す よ う に,結 晶 を 一 つ の 球 で 囲 み,結 晶 の 中 心 と 球 の 中 心 を 一 致 さ せ る.こ の 球 を 投 影 球 と い い,投 影 面 と 反 対 側 の 頂 点 を 投 影 点 と 呼 ぶ.結 晶 の 中 心 か ら 注 目 し た 結 晶 面 の 法 線 が 投 影 球 と 交 わ る 点(極 点, pole)を 求 め る.投 影 点 と 極 点 を 結 ぶ 直 線 が 投 影 面 と 交 わ る 点 で 結 晶 面 を 代 表 さ せ て,結 晶 の 下 半 分 側 の 面 を 平 面 上 の 点 と し て あ ら わ す.と く に,立 方 晶 で は [hkl]は(hkl)に 垂 直 で,投 影 点hklは(hk1),{hkl}に も 対 応 す る. 結 晶 学 的 に 重 要 な 低 指 数 面 で あ る(100),(110),(111)の 格 子 面 の 極 を 投 影 し た も の を 標 準 投 影(standardprojection)と い い,本 研 究 で は こ れ を 用 い た. Fig.2.4.1.2に 立 方 晶 の(oo1),(110)標 準 投 影 を 示 す.こ れ ら の 利 用 に よ り, 結 晶 内 の 面 の 相 対 関 係 が 分 か り よ く 用 い られ る. 標 準 ス テ レオ 投 影 は極 点 図 の 代 表 と して 考 え られ る.極 点 図 で は 用 い る結 晶 面 が任 意 で あ り,そ れ に 伴 う極 に よ る分 布 密 度 を表 示 して 集 合 組 織 を示 す.実 際 に は,Laue法 に よ る試 料 に連 続X線 を照 射 し,ブ ラ ッ ク条件 を満 たす 角 度 を 求 め, wulff環 を も ちい て投 影 面 に プ ロ ッ トす る.入 射 角 を順 次 変 え て い き,Debye環 を作 製 しそ の 強 度 分布 か ら,結 晶粒 の 分布 を求 め る[68], Proiectionspot /ク
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【2隠{珍 2 1) 1!0 2レ11 1ユ0 3霊0 100 310 OIO }10 Fig.2.4.1.2Standardprojectionfbr Cubic(001)and(110)2.4.2逆 極 点 図(inversepolefigure;IPF) 試 料 座 標 系 の 特 定 方 向 に 注 目 し,結 晶 面 の 法 線 方 位 の そ の 方 向 に 対 す る 配 向 度 合 い を 示 し た 図 で あ る. 対 象 の試 料 方 向 を法 線 とす る結 晶 面 の ミラー指 数 を求 め,標 準 ス テ レオ 投影 図 に プ ロ ッ トす る.こ の ステ レオ投 影 図 は24個 の 等価 な三 角 形 が含 まれ て い るた め,最 小 範 囲 の1つ を取 り出 して 表 示 す る.こ れ を標 準 ス テ レオ 三 角 形(Fig. 2.4.2.1)と 呼 ぶ.立 方 晶 で は 結 晶 面 と同 じ ミラー 指 数 を持 つ 結 晶 方 位 は そ の結 晶 面 の法 線 に な っ て い るの で 意 識 的 に識 別 す る必 要 は な い が,立 方 晶 以 外 で は こ の 関係 が成 り立 た な い.ま た,六 方 晶 の よ うに試 料 の結 晶 系 に応 じて 逆 極 点 図 は 表 現 に必 要 な標 準 ス テ レオ 三角 形 の範 囲 が 異 な る ので 注 意 を要 す る. 極 点 図 と 同 様 に,1つ の 逆 極 点 図 で は 結 晶 の 方 位 を 完 全 に 表 現 す る こ と は で き な い.例 え ば,Fig.2.4.2.2(a)に 示 す よ う に2つ の 結 晶 格 子 の 方 位 の 違 い を 考 え る と,こ れ ら は い ず れ も,ND(紙 面 に 垂 直,Z)方 向 に は(111)面 方 位 が 向 い て お り,そ の<111>軸 周 り に 回 転 し て い る 関 係 で あ る.こ れ をND逆 極 点 図 上 に プ ロ ッ トす る と,Fig.2.4.2.2(b)のND逆 極 点 図 の よ う に ど ち ら も(111)と し て 同 じ 方 位 を 示 す こ と に な る.し か し,RD方 向 の 逆 極 点 図 で 示 す こ と で,こ れ ら の 格 子 の 方 位 が 異 な る こ と が 確 認 で き る. (a) ユ篇 LOO5103工02105901ユO Fig.2.4.2.1Standard stereograPhicProiection. (b)
A
(oo1》 {1-11)B
(01り 》(OO1) {111) (Ol1) Fig.2.4.2.2Schematicimageofinversepole figures;(a)and(b)cubesorientdifferent direction,howevertherearenodifferenceinND IPF.Thenanother(RD)IPFisrequiredto distinguishthem. 282.4.3KAMマ ッ プ EBSDを 用 い た 測 定 に よ っ て 得 られ た 結 晶 方 位 の 局 所 的 な 変 化 は,以 下 の 式 で 定 義 さ れ るKAM(kemelaveragemisorientation)で 表 す こ と が で き る. Σ先 、αごノ KAM= η
こ こで,αi1は測 定 点iとjの 間 の 結 晶 方 位 差 を示 す.具 体 的 な方 位 差 の 計 算 をFig.
2.4.3.1に 示 す.KAM値 の算 出 に は測 定 点iと 隣接 す る測 定 点jの 間 の各 ピ クセ ル の方 位 差 を用 い る.図 中の 測 定 点4に 着 目す る と,方 位 差 の 計 算 対 象 は測 定 点 1,2,3,5,6,7と な る.た だ し,測 定 点1,3,6の よ うに 同 じ結 晶粒 内 に な い測 定 点 は計 算 か ら除 外 す る.し た が って,nは この 場 合6で あ るが,図 の測 定 点4に お け るKAM値 を算 出す る場 合 はn=4と な る[69].こ れ らを繰 り返 して マ ッ ピン グ し た もの がKAMマ ップ で あ る.KAMマ ップ は測 定 点 周 りの局 所 ひず み で あ る の で,例 え ば結 晶 粒 界 近 傍 の ひ ず み の評 価 な どに は有 効 だ が,結 晶 同士 の ひ ず み を 評 価 す るの に は 不 向 き で あ る. 〔1])ExcludedforKAMcalculation ● 一 …M一 Fig.2.4.3.lSchematicimagehowtocalculationofKAM.
2.5ク リー プ 速 度,活 性 化 エ ネ ル ギー ク リー プ 速 度 εは,簡 単 にべ き乗 に 比 例 す る とき,以 下 に示 す よ うな べ き乗 測 ク リー プ(高 温 で は高 温 べ き乗 ク リー プ,低 温 で は低 温 べ き乗 ク リー プ と呼 ばれ る こ と もあ る), S=Aσn の 式 で 表 せ る こ とが 多 い.Aは 定 数 で あ り,nは 応 力 指数 と呼 ばれ る.純 金 属 で は 一般 的 に高 温,低 応 力 の 時,nは 約1程 度,中 程 度 の温 度 域 で は5前 後 の値 を と り,固 溶 体 合 金 な どは低 応 力 領 域 のn・1か ら,n=5の 領 域 に移 りn=3と な り,再 び n=5に な る こ とが知 られ て い る(例 え ばAl-2.2%Mg合 金)[70】. n=1付 近 で は,拡 散 ク リー プ で あ り,個 々 の原 子 の拡 散 が律 速 し,自 己拡 散 で あれ ば格 子 拡 散 ク リー プ,や や 温度 が 下 が る と結 晶 粒 界 を伝 わ る原 子 の移 動 で あ る粒 界 拡 散 ク リー プ と呼 ばれ る.格 子 拡 散 ク リー プ の活 性 化 エ ネ ル ギ ー は 自己 拡 散 の活 性 化 エ ネ ル ギ ー で あ る こ とは 説 明 を 要 しな い.粒 界 拡 散 ク リー プ で は る粒 界 拡 散 の活 性 化 エ ネ ル ギー に等 しくな り,自 己拡 散 の活 性 化 エ ネ ル ギー よ り も小 さい こ とが知 られ て い る.n=5前 後 で は,変 形 は転 位 に依 るた め 転位 ク リー プ と呼 ばれ る.高 温 ク リー プ で の転 位 の運 動 は,例 え ば,転 位 の 上 昇 運 動 な ど原 子 の 拡 散 に 関 与す る過 程 に律 速 され る た め,こ の ク リー プ 活 性 化 エネ ル ギ ー は 自 己拡 散 の活 性 化 エ ネル ギー に ほ ぼ等 し くな る.固 溶 体 合 金 のn=3で は,運 動 転位 の 周 りに 引 き付 け られ た溶 質 原 子 を運 動 転 位 が 引 きず っ て 動 く過 程 に 対 応 す る. この 時 の活 性 化 エ ネ ル ギ ー は溶 質 原 子 の溶 媒 中 の拡 散,つ ま り溶 質 原 子 の 固有 拡 散 の活 性 化 エ ネ ル ギー に等 しくな る. Fig.2.5.1に 結 晶 粒 径10μmのNiの 変 形 機 構 図 を示 す[70].本 研 究 で 使 用 す る IN718合 金 は,析 出型 強 化 合 金 で あ り,こ の 図 は参 考 程 度 で あ るが,ク リー プ で使 用 した応 力 と文 献 か らの合 金 の融 点 を考 え る と,低 温 べ き乗 測 ク リー プ に対 応 す る.よ って,拡 散 ク リー プ が 主 で あ り,活 性 化 エ ネ ル ギ ー は 自己拡 散 も し くは格 子 拡 散 の活 性 化 エ ネ ル ギー が律 速 す る と考 え られ る. IN718合 金 に 含 ま れ る 元 素 の 活 性 化 エ ネ ル ギ ー は,草 開 ら の 報 告 に よ る と, Table2.5.1の よ う に な っ て い る[71].よ っ て,Nbの 活 性 化 エ ネ ル ギ ー が 一 番 大 き く,律 速 す る の はNbで あ る 可 能 性 が 高 い. 30
き い 瑳 3 ぞ o 銭 言 ℃ 。 N 鷺 § ︻8 馨 窃 葱 。 誘 Temperature。C -200020040G60080010001200憲400 1 10一 暑104 10310-2 10'3102 1σ4103 10-5i 10弔10鯛1 10.710'2 10翰8三 〇.3 0123456789ユO TemperatUrenormalizedbyTmT/Tm Fig.2.5.1DeformationmechanismdiagramofNi((hainsizeニ10pm). Table2.5.1ActivationenergiesfbrelementsinrN718.[71] ru冨1冨 、 … と
