選択的レーザ溶融法を用いて作製した固溶強化型Ni基超合金IN625のクリープ特性と組織

Inconel625（IN625）は,Ni-Cr母相中にMoおよびNbを含む耐熱性元素を添加した,固溶強化型のNi基超合金である.IN625が有する優れた溶接性,ならびに高温強度と耐食性は,航空宇宙,海洋,原子力,化学,石油化学など様々な分野において活用されている.しかし,IN625を用いた部品の精巧な形状加工は,この材料が,高い硬度および良好な高温強度,鋼の1/4程度の低い熱拡散率を特徴としているため,従来の除去加工では非常に困難である.加えてNi基超合金は高価であるため,加工時の歩留まりは大きい方が望ましい.そこで現在,付加製造技術の1つである「積層造形法」が注目されている.この方法はCADで作製した部品形状をそのまま造形することでき,除去加工なしに中空形状や複雑形状を製造することが可能である.そのため,トポロジー最適化による部品の軽量化,金型を用いない試作による製品化までのリードタイムの削減,切削不要による歩留まりの向上やコストの低減など,従来の加工法に関する障害や問題を克服することが見込まれている.Ni基超合金の部品造形に用いられる技術の中でも,粉末床溶融結合法の1つであり熱源にレーザビームを使用する選択的レーザ溶融法（SelectiveLaserMelting:SLM）が,良好な表面粗さと造形可能な合金の種類の多さのため特に注目されている.SLMは,均一な厚さに敷いた金属粉末を,レーザビームによって局所的に溶融,凝固させることで,任意の形状の部品を製造する方法である.このとき金属粉末は,従来の製造方法とは異なり,大きな温度勾配を伴う急速な溶融と凝固,また位置に依存する局部的な再溶融といった独自の熱履歴を経ることから,非常に微細な樹枝状組織を有する微視組織や,積層方向に対して[001]方位を向けた柱状粒を形成することが知られている.また従来の鋳造材や溶解鍛造材と比較して,より高いレベルの引張強度と,より低いレベルの延性をもたらす.一方で,急速凝固中に形成される樹枝状組織は,MoやNbが偏析するため,使用中の特性に影響を及ぼすγ〞相,δ相,Laves相,および炭化物などの様々な金属間相の析出の可能性を高めることが示唆されている.また,局所的な入熱により導入される高い熱残留応力や,方向性を持った冷却に起因する組織の異方性は,高温用途においては望ましくない.そのため,望ましい相析出の促進,残留応力の低減,元素の偏析の除去などを見込んだ,異なる条件に適した微視組織および機械的特性を得るための「後熱処理」を行う必要がある.過去の研究においては,プロセスパラメータの最適化による部品の微視組織変化や緻密さ向上に関する調査が多くを占めており,SLM部品に異なる熱処理を施した場合の強度変化および組織変化にはほとんど注意が払われていない.そのため現在,IN625のSLMの研究では,熱処理による強度・組織変化についての包括的な知見が必要とされている.そこで本研究では,SLMを用いて製造したIN625に関して,熱処理が強度と組織に与える影響を明らかにすることを目的とした.熱処理は,従来のIN625で用いられてきた溶体化熱処理だけでなく,残留応力を取り除くための応力除去熱処理や,IN718にて用いる時効熱処理も施した.本稿は5章構成である.第1章は緒言とし,IN625およびSLM積層造形法の利点と問題点を取り上げた上で,本研究の目的を示した.その後,供試材として用いたIN625合金の化学組成や主な相析出と熱処理,加えて積層造形の基本事項などを記した.第2章では実験方法として,供試材の造形方法とパラメータ,強度試験および組織観察に供する試料の作製方法,および各実験に用いた条件や装置について記した.第3章では,各種実験の結果を記した.種々の熱処理を施した試料における高温引張試験とクリープ試験に加えて,クリープ試験前と試験後の組織観察を行った.クリープ試験結果は,熱処理の有無やその条件によって差異が見られ,垂直材内ではDA材とSR870材においてクリープ特性の向上が確認された.一方,SR970材とSTA材では特性低下が見られ,また水平材においては著しいクリープ寿命の低下が見られた.組織観察の結果,As-built材は各溶融池,およびその内部でデンドライトの成長方向が変化する特徴的な組織を形成しており,かつ積層方向に対して[001]方位を向けた柱状粒と[101]方位を向けた柱状粒の混粒組織を有していることが分かった.また熱処理によって組織に大きな変化が生じており,DA材における新たなLaves相の析出や,SR870材のデンドライト間および粒界における多量のδ相の析出が見られた.一方SR970材ではデンドライト組織は消失しており,またSTA材では再結晶化と粒界におけるδ相の形成が確認された.クリープ後は,試料によらず粒界にて脆性的な破壊が見られたが,DA材とSR870材の破面は,粒界析出物の量および大きさに比例した延性的な様相を示した.第4章では,以上の結果に基づき考察を行った.エピタキシャル成長の観点から考えたAs-built材の特徴的な組織の形成および破壊に関する考察,SLM材のSR熱処理におけるδ相の形成と従来材との相違点に関する考察,クリープ特性に影響した粒界延性破壊機構と析出物の関係に関する考察の3点を示した.第5章は結言とし,本研究で得られた知見をまとめた.さらに本稿を作成するにあたって用いた参考文献,および謝辞を記した.首都大学東京, 2019-03-25, 修士（工学）首都大学東