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つとなっており,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Inconel718(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IN718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℃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.首都大学東京, 2017-03-25, 修士（工学）首都大学東