(57)【要約】【課題】Ｎｉ基合金によって構成される積層造形物における結晶の異方性を抑制する。【解決手段】一実施形態に係る積層造形用合金粉末は、ニッケル基合金により構成される積層造形用合金粉末であって、０．０質量％以上４．０質量％未満のコバルトと、１２質量％以上２５質量％以下のクロムと、１．０質量％以上５．５質量％以下のアルミニウムと、０．０質量％以上４．０質量％以下のチタンと、０．０質量％以上３．０質量％以下のタンタルと、１．５質量％未満のニオブと、を含む。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ニッケル基合金により構成される積層造形用合金粉末であって、
０．０質量％以上４．０質量％未満のコバルトと、
１２質量％以上２５質量％以下のクロムと、
１．０質量％以上５．５質量％以下のアルミニウムと、
０．０質量％以上４．０質量％以下のチタンと、
０．０質量％以上３．０質量％以下のタンタルと、
１．５質量％未満のニオブと、
を含む
積層造形用合金粉末。
【請求項２】
０．０質量％以上１．０質量％未満のコバルト
を含む
請求項１に記載の積層造形用合金粉末。
【請求項３】
０．０質量％以上２．０質量％以下のチタン
を含む
請求項１又は２に記載の積層造形用合金粉末。
【請求項４】
０．０質量％以上１．０質量％未満のニオブ
を含む
請求項１乃至３の何れか一項に記載の積層造形用合金粉末。
【請求項５】
レニウムの含有量が検出限界以下である
請求項１乃至４の何れか一項に記載の積層造形用合金粉末。
【請求項６】
ルテニウムの含有量が検出限界以下である
請求項１乃至５の何れか一項に記載の積層造形用合金粉末。
【請求項７】
チタンの含有量についてのパラメータをＴｉ質量％とし、
タンタルの含有量についてのパラメータをＴａ質量％とし、
ニオブの含有量についてのパラメータをＮｂ質量％とし、
コバルトの含有量についてのパラメータをＣｏ質量％とし、
クロムの含有量についてのパラメータをＣｒ質量％とし、
第１パラメータＰ１を次式（Ａ）：
Ｐ１＝０．０８×Ｔｉ＋０．１５×Ｔａ＋０．１９×Ｎｂ・・・（Ａ）
とし、
第２パラメータＰ２を次式（Ｂ）：
Ｐ２＝０．０４×Ｃｏ−０．０３×Ｃｒ・・・（Ｂ）
とした場合に、
前記第１パラメータＰ１及び前記第２パラメータＰ２は、次式（Ｃ）：
Ｐ１＜−１．２４×Ｐ２−０．２７・・・（Ｃ）
で表される関係式を満たす
請求項１乃至６の何れか一項に記載の積層造形用合金粉末。
【請求項８】
請求項１乃至７の何れか一項に記載の積層造形用合金粉末を用いて積層造形された積層造形物の応力を除去するための第１熱処理工程と、
前記第１熱処理工程を行った後の前記積層造形物の結晶粒を粗大化させるための、１２５０℃未満の温度で熱処理する第２熱処理工程と、
を備える積層造形方法。
【請求項９】
前記第２熱処理工程は、前記積層造形物を１２３０℃以下の温度で熱処理する
請求項８に記載の積層造形方法。
【請求項１０】
ニッケル基合金からなる積層造形物であって、
０．０質量％以上４．０質量％未満のコバルトと、
１２質量％以上２５質量％以下のクロムと、
１．０質量％以上５．５質量％以下のアルミニウムと、
０．０質量％以上４．０質量％以下のチタンと、
０．０質量％以上３．０質量％以下のタンタルと、
１．５質量％未満のニオブと、
を含む
積層造形物。
【請求項１１】
０．０質量％以上１．０質量％未満のコバルト
を含む
請求項１０に記載の積層造形物。
【請求項１２】
０．０質量％以上２．０質量％以下のチタン
を含む
請求項１０又は１１に記載の積層造形物。
【請求項１３】
０．０質量％以上１．０質量％未満のニオブ
を含む
請求項１０乃至１２の何れか一項に記載の積層造形物。
【請求項１４】
レニウムの含有量が検出限界以下である
請求項１０乃至１３の何れか一項に記載の積層造形物。
【請求項１５】
ルテニウムの含有量が検出限界以下である
請求項１０乃至１４の何れか一項に記載の積層造形物。
【請求項１６】
チタンの含有量についてのパラメータをＴｉ質量％とし、
タンタルの含有量についてのパラメータをＴａ質量％とし、
ニオブの含有量についてのパラメータをＮｂ質量％とし、
コバルトの含有量についてのパラメータをＣｏ質量％とし、
クロムの含有量についてのパラメータをＣｒ質量％とし、
第１パラメータＰ１を次式（Ａ）：
Ｐ１＝０．０８×Ｔｉ＋０．１５×Ｔａ＋０．１９×Ｎｂ・・・（Ａ）
とし、
第２パラメータＰ２を次式（Ｂ）：
Ｐ２＝０．０４×Ｃｏ−０．０３×Ｃｒ・・・（Ｂ）
とした場合に、
前記第１パラメータＰ１及び前記第２パラメータＰ２は、次式（Ｃ）：
Ｐ１＜−１．２４×Ｐ２−０．２７・・・（Ｃ）
で表される関係式を満たす
請求項１０乃至１５の何れか一項に記載の積層造形物。
【請求項１７】
前記積層造形物における結晶粒は、結晶径のアスペクト比が１以上３未満である
請求項１０乃至１６の何れか一項に記載の積層造形物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、積層造形用合金粉末、積層造形物及び積層造形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、金属を積層造形して三次元形状物を得る積層造形法が種々の金属製品の製造方法として利用されている。例えば、パウダーベッド法による積層造形法では、層状に敷設された金属粉末にレーザービームや電子ビーム等のエネルギービームを照射することによって、溶融固化を繰り返し積層することにより三次元形状物を形成する。
エネルギービームが照射される領域内では、金属粉末が急速に溶融され、その後、急速に冷却・凝固されることで、金属凝固層が形成される。このような過程が繰り返されることによって、立体的に造形された積層造形物が形成される。
【０００３】
一方、Ｎｉを主成分とするＮｉ基合金は、耐熱性が高く、高温強度が大きいことが知られており、鋳造法によるＮｉ基合金からなる部材は、従来からガスタービン用のタービン部材等、高温強度が要求される耐熱部材の用途に広く使用されている。
【０００４】
そして最近では、例えばタービン翼のような複雑形状のＮｉ基合金からなる部品の製造方法として、複雑な製造工程を経ずに直接造形が可能な積層造形法を適用する試みがなされている（例えば特許文献１等）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１８−１６８４００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
積層造形法で製造したＮｉ基合金の積層造形物では、エネルギービーム照射後の急速凝固のため、結晶粒が微細となり、且つ、積層方向に長く伸びた形態を有する。そのため、該積層造形物において、結晶の異方性のために強度等の物性値が方向によって異なってしまう。そこで、結晶の異方性を抑制するために該積層造形物を熱処理することで結晶粒を粗大化させて、等方的な形態に近づけることが考えられる。
鋳造によって製造したＮｉ基合金の従来の製品では、粒界の移動を阻害するＭＣ型炭化物が比較的大きな形態で結晶粒界に点在している。しかし、積層造形法で製造したＮｉ基合金の積層造形物では、エネルギービーム照射後の急速凝固のため、微細なＭＣ型炭化物が結晶粒界や結晶粒内に分散して析出する。そのため、熱処理による粒界の移動が微細な形態で分散しているＭＣ型炭化物によって阻害され、結晶粒を粗大化させて等方的な形態に近づけることが困難である。
【０００７】
積層造形法で製造したＮｉ基合金の積層造形物であっても、融点に近い高温での熱処理を行うことで、結晶粒を粗大化させて等方的な形態に近づけることができる。しかし、複雑な形状を有する部品の場合、融点に近い高温での熱処理を行うことで、変形してしまうおそれがあるため、より低い温度で熱処理を行うことが望ましい。
【０００８】
上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、Ｎｉ基合金によって構成される積層造形物における結晶の異方性を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る積層造形用合金粉末は、
ニッケル基合金により構成される積層造形用合金粉末であって、
０．０質量％以上４．０質量％未満のコバルトと、
１２質量％以上２５質量％以下のクロムと、
１．０質量％以上５．５質量％以下のアルミニウムと、
０．０質量％以上４．０質量％以下のチタンと、
０．０質量％以上３．０質量％以下のタンタルと、
１．５質量％未満のニオブと、
を含む。
【００１０】
発明者らが鋭意検討した結果、積層造形することで得られるニッケル基合金製の積層造形物においてＭＣ型炭化物の析出を抑制するためには、積層造形用合金粉末において、チタン、タンタル、及びニオブの含有量を減らすとよいこと、及び、コバルトの含有量を減らすとよいことが判明した。また、発明者らが鋭意検討した結果、積層造形物における強度確保のためにγ’相を構成する元素を確保するためには、積層造形用合金粉末において、アルミニウム及びタンタルの含有量を増やすとよいことが判明した。
これらの点を踏まえ、発明者らが鋭意検討した結果、ニッケル基合金により構成される積層造形用合金粉末において、各元素の組成を上記（１）のようにすると積層造形物におけるＭＣ型炭化物の析出を効果的に抑制できることが判明した。
これにより、上記（１）の構成による積層造形用合金粉末を用いて積層造形することで得られた積層造形物において、ＭＣ型炭化物の析出が効果的に抑制できる。そのため、積層造形物において、熱処理による粒界の移動がＭＣ型炭化物によって阻害され難くなり、結晶粒を粗大化させて等方的な形態に近づけることが容易となる。したがって、積層造形物の熱処理温度を抑制でき、熱処理による積層造形物の変形を抑制できる。
【００１１】
（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、０．０質量％以上１．０質量％未満のコバルトを含む。
【００１２】
発明者らが鋭意検討した結果、積層造形することで得られるニッケル基合金製の積層造形物においてＭＣ型炭化物の析出を抑制するためには、積層造形用合金粉末において、コバルトの含有量を１．０質量％未満とするとさらによいということが判明した。
その点、上記（２）の構成によれば、コバルトの含有量が０．０質量％以上１．０質量％未満であるので、積層造形物におけるＭＣ型炭化物の析出をより効果的に抑制できる。
【００１３】
（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）の構成において、０．０質量％以上２．０質量％以下のチタンを含む。
【００１４】
発明者らが鋭意検討した結果、積層造形することで得られるニッケル基合金製の積層造形物においてＭＣ型炭化物の析出を抑制するためには、積層造形用合金粉末において、チタンの含有量を０．０質量％以上２．０質量％以下とするとさらによいということが判明した。
その点、上記（３）の構成によれば、チタンの含有量が０．０質量％以上２．０質量％以下であるので、積層造形物におけるＭＣ型炭化物の析出をより効果的に抑制できる。
【００１５】
（４）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（３）の何れかの構成において、０．０質量％以上１．０質量％未満のニオブを含む。
【００１６】
発明者らが鋭意検討した結果、積層造形することで得られるニッケル基合金製の積層造形物においてＭＣ型炭化物の析出を抑制するためには、積層造形用合金粉末において、ニオブの含有量を１．０質量％未満とするとさらによいということが判明した。
その点、上記（４）の構成によれば、ニオブの含有量が０．０質量％以上１．０質量％未満であるので、積層造形物におけるＭＣ型炭化物の析出をより効果的に抑制できる。
【００１７】
（５）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（４）の何れかの構成において、レニウムの含有量が検出限界以下である。
【００１８】
発明者らが鋭意検討した結果、積層造形することで得られるニッケル基合金製の積層造形物においてＭＣ型炭化物の析出を抑制するためには、積層造形用合金粉末において、レニウムを添加しなくてもよいことが判明した。
したがって、上記（５）の構成によれば、高価なレアメタルの一種であるレニウムを添加しなくてもよいので、積層造形用合金粉末のコストを抑制できる。
【００１９】
（６）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（５）の何れかの構成において、ルテニウムの含有量が検出限界以下である。
【００２０】
発明者らが鋭意検討した結果、積層造形することで得られるニッケル基合金製の積層造形物においてＭＣ型炭化物の析出を抑制するためには、積層造形用合金粉末において、ルテニウムを添加しなくてもよいことが判明した。
したがって、上記（６）の構成によれば、高価なレアメタルの一種であるルテニウムを添加しなくてもよいので、積層造形用合金粉末のコストを抑制できる。
【００２１】
（７）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（６）の何れかの構成において、
チタンの含有量についてのパラメータをＴｉ質量％とし、
タンタルの含有量についてのパラメータをＴａ質量％とし、
ニオブの含有量についてのパラメータをＮｂ質量％とし、
コバルトの含有量についてのパラメータをＣｏ質量％とし、
クロムの含有量についてのパラメータをＣｒ質量％とし、
第１パラメータＰ１を次式（Ａ）：
Ｐ１＝０．０８×Ｔｉ＋０．１５×Ｔａ＋０．１９×Ｎｂ・・・（Ａ）
とし、
第２パラメータＰ２を次式（Ｂ）：
Ｐ２＝０．０４×Ｃｏ−０．０３×Ｃｒ・・・（Ｂ）
とした場合に、
前記第１パラメータＰ１及び前記第２パラメータＰ２は、次式（Ｃ）：
Ｐ１＜−１．２４×Ｐ２−０．２７・・・（Ｃ）
で表される関係式を満たす。
【００２２】
ＭＣ型炭化物の析出に対して各元素が及ぼす影響について、ＭＣ型炭化物の直接の構成元素と、母相に固溶する元素であってＭＣ型炭化物の析出に影響を与える元素とに分類して、発明者らが鋭意検討した結果、次のことが判明した。すなわち、ＭＣ型炭化物の直接の構成元素であるチタン、タンタル、及び、ニオブについての上記第１パラメータＰ１と、母相に固溶する元素であってＭＣ型炭化物の析出に影響を与えるコバルト、及び、クロムについての上記第２パラメータＰ２とが、上述した式（Ｃ）で表される関係式を満たすと、ＭＣ型炭化物の析出を効果的に抑制できることが判明した。
したがって、上記（７）の構成によれば、積層造形物におけるＭＣ型炭化物の析出を効果的に抑制できる。
【００２３】
（８）本発明の少なくとも一実施形態に係る積層造形方法は、
上記（１）乃至（７）の何れかの構成の積層造形用合金粉末を用いて積層造形された積層造形物の応力を除去するための第１熱処理工程と、
前記第１熱処理工程を行った後の前記積層造形物の結晶粒を粗大化させるための、１２５０℃未満の温度で熱処理する第２熱処理工程と、
を備える。
【００２４】
上記（８）の方法によれば、記（１）乃至（７）の何れかの構成の積層造形用合金粉末を用いることで、積層造形物の熱処理温度を１２５０℃未満としても結晶粒を粗大化させて等方的な形態に近づけることが可能であることが判明した。
したがって、上記（８）の方法によれば、Ｎｉ基合金によって構成される積層造形物における変形を抑制しつつ、結晶の異方性を抑制できる。
【００２５】
（９）幾つかの実施形態では、上記（８）の方法において、前記第２熱処理工程は、前記積層造形物を１２３０℃以下の温度で熱処理する。
【００２６】
上記（９）の方法によれば、Ｎｉ基合金によって構成される積層造形物における変形をより効果的に抑制しつつ、結晶の異方性を抑制できる。
【００２７】
（１０）本発明の少なくとも一実施形態に係る積層造形物は、
ニッケル基合金からなる積層造形物であって、
０．０質量％以上４．０質量％未満のコバルトと、
１２質量％以上２５質量％以下のクロムと、
１．０質量％以上５．５質量％以下のアルミニウムと、
０．０質量％以上４．０質量％以下のチタンと、
０．０質量％以上３．０質量％以下のタンタルと、
１．５質量％未満のニオブと、
を含む。
【００２８】
発明者らが鋭意検討した結果、ニッケル基合金からなる積層造形物において、各元素の組成を上記（１０）のようにすると、ＭＣ型炭化物の析出を効果的に抑制できることが判明した。
これにより、上記（１０）の構成にれば、熱処理による粒界の移動がＭＣ型炭化物によって阻害され難くなり、結晶粒を粗大化させて等方的な形態に近づけることが容易となる。したがって、積層造形物の熱処理温度を抑制でき、熱処理による積層造形物の変形を抑制できる。
【００２９】
（１１）幾つかの実施形態では、上記（１０）の構成において、０．０質量％以上１．０質量％未満のコバルトを含む。
【００３０】
発明者らが鋭意検討した結果、ニッケル基合金からなる積層造形物において、コバルトの含有量を０．０質量％以上１．０質量％未満とすると、ＭＣ型炭化物の析出をより効果的に抑制できることが判明した。
その点、上記（１１）の構成によれば、ＭＣ型炭化物の析出をより効果的に抑制できる。
【００３１】
（１２）幾つかの実施形態では、上記（１０）又は（１１）の構成において、０．０質量％以上２．０質量％以下のチタンを含む。
【００３２】
発明者らが鋭意検討した結果、ニッケル基合金からなる積層造形物において、チタンの含有量を０．０質量％以上２．０質量％以下とすると、ＭＣ型炭化物の析出をより効果的に抑制できることが判明した。
その点、上記（１２）の構成によれば、ＭＣ型炭化物の析出をより効果的に抑制できる。
【００３３】
（１３）幾つかの実施形態では、上記（１０）乃至（１２）の何れかの構成において、０．０質量％以上１．０質量％未満のニオブを含む。
【００３４】
発明者らが鋭意検討した結果、ニッケル基合金からなる積層造形物において、ニオブの含有量を０．０質量％以上１．０質量％未満とすると、ＭＣ型炭化物の析出をより効果的に抑制できることが判明した。
その点、上記（１３）の構成によれば、ＭＣ型炭化物の析出をより効果的に抑制できる。
【００３５】
（１４）幾つかの実施形態では、上記（１０）乃至（１３）の何れかの構成において、レニウムの含有量が検出限界以下である。
【００３６】
発明者らが鋭意検討した結果、ＭＣ型炭化物の析出を抑制するためには、ニッケル基合金からなる積層造形物において、レニウムを添加しなくてもよいことが判明した。
したがって、上記（１４）の構成によれば、高価なレアメタルの一種であるレニウムを添加しなくてもよいので、積層造形物のコストを抑制できる。
【００３７】
（１５）幾つかの実施形態では、上記（１０）乃至（１４）の何れかの構成において、ルテニウムの含有量が検出限界以下である。
【００３８】
発明者らが鋭意検討した結果、ＭＣ型炭化物の析出を抑制するためには、ニッケル基合金からなる積層造形物において、ルテニウムを添加しなくてもよいことが判明した。
したがって、上記（１５）の構成によれば、高価なレアメタルの一種であるルテニウムを添加しなくてもよいので、積層造形物のコストを抑制できる。
【００３９】
（１６）幾つかの実施形態では、上記（１０）乃至（１５）の何れかの構成において、
チタンの含有量についてのパラメータをＴｉ質量％とし、
タンタルの含有量についてのパラメータをＴａ質量％とし、
ニオブの含有量についてのパラメータをＮｂ質量％とし、
コバルトの含有量についてのパラメータをＣｏ質量％とし、
クロムの含有量についてのパラメータをＣｒ質量％とし、
第１パラメータＰ１を次式（Ａ）：
Ｐ１＝０．０８×Ｔｉ＋０．１５×Ｔａ＋０．１９×Ｎｂ・・・（Ａ）
とし、
第２パラメータＰ２を次式（Ｂ）：
Ｐ２＝０．０４×Ｃｏ−０．０３×Ｃｒ・・・（Ｂ）
とした場合に、
前記第１パラメータＰ１及び前記第２パラメータＰ２は、次式（Ｃ）：
Ｐ１＜−１．２４×Ｐ２−０．２７・・・（Ｃ）
で表される関係式を満たす。
【００４０】
上述したように、上記第１パラメータＰ１と上記第２パラメータＰ２とが、上述した式（Ｃ）で表される関係式を満たすと、ＭＣ型炭化物の析出を効果的に抑制できることが判明した。
したがって、上記（１６）の構成によれば、ＭＣ型炭化物の析出を効果的に抑制できる。
【００４１】
（１７）幾つかの実施形態では、上記（１０）乃至（１６）の何れかの構成において、前記積層造形物における結晶粒は、結晶径のアスペクト比が１以上３未満である。
【００４２】
上記（１０）乃至（１６）の何れかの構成を備える積層造形物では、ＭＣ型炭化物の析出が効果的に抑制されているので、熱処理による粒界の移動がＭＣ型炭化物によって阻害され難くなる。これにより、結晶粒を粗大化させて、結晶径のアスペクト比が１以上３未満とすることが容易となる。
上記（１７）の構成によれば、結晶径のアスペクト比が１以上３未満であるので、積層造形物において強度等の物性値が方向によって異なることを抑制できる。
【発明の効果】
【００４３】
本発明の少なくとも一実施形態によれば、Ｎｉ基合金によって構成される積層造形物における結晶の異方性を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】鋳造によって製造されたニッケル基合金製の従来の鋳造物の組織、及び、積層造形法によって製造されたニッケル基合金製の積層造形物の組織を模式的に示した図である。
【図２】従来の積層造形用合金粉末による積層造形物の組織、及び、幾つかの実施形態に係る積層造形用合金粉末による積層造形物の組織を模式的に示した図である。
【図３】幾つかの実施形態に係る積層造形用合金粉末の組成を示す表である。
【図４】幾つかの実施形態に係る積層造形用合金粉末を用いて積層造形を行った積層造形物についての熱処理前後の組織の一例を模式的に示した図である。
【図５】従来の積層造形用合金粉末による積層造形物についての、熱処理後の組織を示した図である。
【図６】幾つかの実施形態に係る積層造形用合金粉末による積層造形物についての、熱処理後の組織を示した図である。
【図７】幾つかの実施形態に係る積層造形用合金粉末に含まれる各元素に関して、第１パラメータと第２パラメータとの関係を表すグラフである。
【図８】図７における各プロットにおける成分及び組成を表す表である。
【図９】幾つかの実施形態に係る積層造形用合金粉末を用いて積層造形された積層造形物の熱処理についてのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
【００４６】
図１は、鋳造によって製造されたニッケル基合金製の従来の鋳造物の組織、及び、積層造形法によって製造されたニッケル基合金製の積層造形物の組織を模式的に示した図である。
積層造形法で製造したニッケル基合金の積層造形物２０では、エネルギービーム照射後の急速凝固のため、結晶粒２１が微細となり、且つ、積層方向に長く伸びた形態を有する。そのため、該積層造形物２０において、結晶の異方性のために強度等の物性値が方向によって異なってしまう。そこで、結晶の異方性を抑制するために該積層造形物２０を熱処理することで結晶粒を粗大化させて、等方的な形態に近づけることが考えられる。
【００４７】
一方、鋳造によって製造したニッケル基合金の従来の鋳造物１０では、結晶粒１１は、比較的大きな粒径を有し、粒界の移動を阻害するＭＣ型炭化物３１は、比較的大きな形態で結晶粒界に点在している。しかし、積層造形法で製造したニッケル基合金の積層造形物２０では、エネルギービーム照射後の急速凝固のため、微細なＭＣ型炭化物３３が結晶粒界や結晶粒内に分散して析出する。そのため、熱処理による粒界の移動が微細な形態で分散しているＭＣ型炭化物３３によって阻害され、結晶粒を粗大化させて等方的な形態に近づけることが困難である。すなわち、ニッケル基合金の積層造形物２０に対して、１２５０℃未満の温度による熱処理を施しても、結晶粒の形状に大きな変化は見られない。
【００４８】
積層造形法で製造したニッケル基合金の積層造形物２０であっても、融点に近い高温での熱処理を行うことで、結晶粒を粗大化させて等方的な形態に近づけることができる。しかし、積層造形物２０が複雑な形状を有する部品の場合、融点に近い高温での熱処理を行うことで、積層造形物２０が変形してしまうおそれがあるため、より低い温度で熱処理を行うことが望ましい。
【００４９】
発明者らが鋭意検討した結果、積層造形することで得られるニッケル基合金製の積層造形物２０においてＭＣ型炭化物の析出を抑制するためには、積層造形用合金粉末において、チタン、タンタル、及びニオブの含有量を減らすとよいこと、及び、コバルトの含有量を減らすとよいことが判明した。また、発明者らが鋭意検討した結果、積層造形物２０における強度確保のためにγ’相を構成する元素を確保するためには、積層造形用合金粉末において、アルミニウム及びタンタルの含有量を増やすとよいことが判明した。
【００５０】
これらの点を踏まえ、発明者らが鋭意検討した結果、ニッケル基合金により構成される積層造形用合金粉末において、各元素の組成を以下の組成にすると積層造形物２０におけるＭＣ型炭化物の析出を効果的に抑制できることが判明した。
具体的には、ニッケル基合金により構成される積層造形用合金粉末において、４．０質量％未満のコバルトと、１．０質量％以上５．５質量％のアルミニウムと、０．０質量％以上４．０質量％以下のチタンと、０．０質量％以上３．０質量％以下のタンタルと、１．５質量％未満のニオブとを含むとよいことが判明した。
図２は、従来の積層造形用合金粉末による積層造形物２０の組織、及び、幾つかの実施形態に係る積層造形用合金粉末による積層造形物４０の組織を模式的に示した図である。図２に示すように、上述した幾つかの実施形態に係る積層造形用合金粉末による積層造形物４０では、従来の積層造形用合金粉末による積層造形物２０と比べて、ＭＣ型炭化物の析出量を抑制できる。
【００５１】
このように、上記組成による積層造形用合金粉末を用いて積層造形することで得られた積層造形物４０において、ＭＣ型炭化物３３の析出が効果的に抑制できる。そのため、積層造形物４０において、熱処理による粒界の移動がＭＣ型炭化物によって阻害され難くなり、結晶粒を粗大化させて等方的な形態に近づけることが容易となる。したがって、積層造形物４０の熱処理温度を抑制でき、熱処理による積層造形物４０の変形を抑制できる。
【００５２】
図３は、幾つかの実施形態に係る積層造形用合金粉末の組成を示す表である。以下、図３を参照して、ニッケル基合金における析出物、及び、幾つかの実施形態に係る積層造形用合金粉末の各成分の組成について説明する。
【００５３】
（γ’相について）
γ’相は、主にＮｉ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｔａから構成される析出物である。γ’相は、熱処理時に結晶粒内に微細分散析出することで，材料の強化に寄与する。
【００５４】
（ＭＣ型炭化物について）
ＭＣ型炭化物におけるＭは、主にＴｉ、Ｔａ、Ｎｂで構成される。ＭＣ型炭化物は、積層造形後に析出する。
上述したように、ＭＣ型炭化物は、従来の鋳造材では粗大な析出物としてまばらに析出するが、積層造形物では急冷凝固のため，微細なＭＣ型炭化物が結晶粒内に分散して析出する。
上述したように、微細なＭＣ型炭化物が結晶粒内に分散して析出すると、後の熱処理で結晶粒界が移動できず異方性の強い結晶形態が解消できない。そのため、ＭＣ型炭化物の析出をできるだけ低減する必要がある。
但し，Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂはマトリクスの強化相であるγ’相の構成元素でもあるため、一定量の添加が必要である。
【００５５】
（Ｍ２３Ｃ６型炭化物について）
Ｍ２３Ｃ６型炭化物におけるＭは、主にＣｒ、Ｎｉ、Ｗで構成される。
Ｍ２３Ｃ６型炭化物は、時効熱処理後に結晶粒界に析出することで粒界強度を高め、クリープ変形時において粒界破壊を抑制するため、応力集中に対し強く切欠強化特性を示すことができる。
【００５６】
以下の説明では、各元素の含有量を百分率で表す場合、特に断りがない場合には、質量％で表されているものとする。
【００５７】
（Ｃｏ：０．０％以上４．０％未満）
Ｃｏは、Ｔｉ、Ａｌ等を高温でマトリックスに固溶させる限度（固溶限）を大きくさせる効果を有するため，一定量の添加が効果的である。一方、Ｃｏの添加量が多くなるほどＭＣ型炭化物の析出量が多くなる傾向を見出した。特に、Ｃｏが４％より多くなるとその傾向が強くなるため、幾つかの実施形態では、Ｃｏの含有量は０．０％以上４％未満とした。なお、Ｃｏの含有量は、上記範囲内でも、特に、１．０％未満が望ましい。
【００５８】
（Ｃｒ：１２％以上２５％以下）
Ｃｒは、高温での耐酸化性を向上させるために有効な元素であるが、１２％未満では、Ｃｒの添加による高温耐酸化性の向上が充分に図れなくなる。またＣｒの含有量が多くなるほどＭＣ型炭化物の析出量が少なくなる傾向を見出したことから１２％以上の添加が効果的である。一方，Ｃｒ量が２５％を越えれば、有害相の析出を招き、強度低下、延性低下を引き起こすため好ましくない。そこでＣｒの含有量は、１２％以上２５％以下の範囲内とした。
【００５９】
（Ｗ：４％以上１０％以下）
Ｗは、マトリックスであるγ相に固溶して、固溶強化による強度向上に効果がある。またＷは、Ｍ２３Ｃ６型炭化物の構成元素であるが、拡散が遅い元素であるため、Ｍ２３Ｃ６型炭化物の粗大化を抑制する効果がある。これらの効果を発揮させるためには、４％以上のＷの添加が必要である。但しＷ量が１０％より多ければ、有害相が析出して強度低下、延性低下を引き起こす。そこでＷの含有量は、４％以上１０％の範囲内とした。
【００６０】
（Ｍｏ：０．０％以上３．５％以下）
Ｍｏは、Ｗと同様に、マトリックスであるγ相に固溶して、固溶強化による強度向上に効果がある。但しＭｏ量が３．５％より多ければ有害相が析出して強度低下、延性低下を引き起こす。そこでＭｏを添加する場合のＭｏの添加量は、０．０％以上３．５％以下の範囲内とした。
【００６１】
（Ａｌ：１．０％以上５．５％以下）
Ａｌは、γ’相を生成する元素であり、γ’相析出粒子による析出強化によって合金の高温強度、とりわけ高温クリープ強度を高めるとともに、高温での耐酸化性、耐食性向上にも効果がある。Ａｌ量が１．０％未満では、γ’相の析出量が少なくなって、析出物粒子による析出強化が充分に図れなくなる。但しＡｌ量が５．５％を越えれば、溶接性が低下し、積層造形時に割れが多発する。そこでＡｌの含有量は、１．０％以上５．５％以下の範囲内とした。
【００６２】
（Ｔｉ：０．０％以上４．０％以下）
Ｔｉは、γ’相を生成する元素であり、γ’相析出粒子による析出強化によって合金の高温強度、とりわけ高温クリープ強度を高めるとともに、高温での耐酸化性、耐食性向上にも効果がある。Ｔｉ量が４．０％を越えれば、溶接性が低下し、積層造形時に割れが多発するおそれが生じ、さらにはＭＣ型炭化物の析出量が多くなり熱処理時の結晶粒粗大化の阻害要因となるため、４．０％以下に抑制する必要がある。そこでＴｉの添加量は、０．０％以上４．０％以下の範囲内とした。なお、Ｔｉの含有量は、上記範囲内でも、特に、０．０％以上２．０％以下が望ましい。
【００６３】
（Ｔａ：０．０％以上３．０％以下）
Ｔａも、γ’相を生成する元素であり、γ’相析出粒子による析出強化によって合金の高温強度、とりわけ高温クリープ強度を高める。Ｔａは高温で安定なＭＣ型炭化物を結晶粒内に生成する元素であり、３．０％以上添加すれば、ＭＣ型炭化物の析出量が多くなり熱処理時の結晶粒粗大化の阻害要因となる。そこで、Ｔａの添加量は、０．０％以上３．０％以下の範囲内とした。
【００６４】
（Ｎｂ：０．０％以上１．５％未満）
Ｎｂも、γ’相を生成する元素であり、γ’相析出粒子による析出強化によって合金の高温強度、とりわけ高温クリープ強度を高める。Ｎｂは高温で安定なＭＣ型炭化物を結晶粒内に生成する元素であり、１．５％以上添加すれば、ＭＣ型炭化物の析出量が多くなり熱処理時の結晶粒粗大化の阻害要因となる。そこで、Ｎｂの添加量は、０．０％以上１．５％未満とした。なお、Ｎｂの含有量は、上記範囲内でも、特に、１．０％未満が望ましい。
【００６５】
（Ｃ：０．０４％以上０．２％以下）
Ｃは、Ｍ２３Ｃ６型炭化物、ＭＣ型炭化物で代表される炭化物を生成し、適切な熱処理によって特にＭ２３Ｃ６型炭化物を粒界に析出させることにより、粒界強化をもたらすことができる。Ｃの含有量が０．０４％よりも少なければ、炭化物が少なくなりすぎて、強化効果が期待できない。一方、Ｃが０．２％よりも多ければ、結晶粒内に析出するＭＣ型炭化物が多くなり、ＭＣ型炭化物の析出量が多くなり熱処理時の結晶粒粗大化の阻害要因となる。そこで、Ｃの含有量は、０．０４％以上０．２％以下の範囲内とした。
【００６６】
（Ｂ：０．００１％以上０．０２％以下）
Ｂは、結晶粒界に存在することによって粒界を強化し、高温クリープ強度向上および切欠き弱化改善に効果があり、そのためには０．００１％以上のＢ添加が必要である。ただし、Ｂ量が０．０２％を越えれば、ホウ化物を生成し延性が低下するおそれがある。そこでＢ含有量は、０．００１％以上０．０２％以下の範囲内とした。
【００６７】
（Ｚｒ：０．０％以上０．１％未満）
Ｚｒは、結晶粒界に存在することによって粒界を強化して高温クリープ強度向上および切欠弱化改善に効果がある。Ｚｒ量が０．１％を越えれば、結晶粒界部の局所的な融点を下げて強度低下を引き起こすおそれがある。そこでＺｒの添加量は、０．０％以上０．１％未満とした。
【００６８】
（Ｒｅ：０．０％以上１０％以下）
Ｒｅは、マトリックスであるγ相に固溶して、固溶強化による強度向上に効果がある。但し高価なレアメタルであるため添加すると素材費用が大幅に上昇し，また添加しなくとも他の元素の効果により十分な材料特性を確保できるため積極的に添加する必要はない。Ｒｅは、不可避的不純物として含まれることは許容される。
したがって、Ｒｅは、含有することが許容されるが、検出限界以下であってもよい。例えば、Ｒｅの含有量は、０．０％以上１０％以下であってもよい。なお、Ｒｅの含有量が検出限界以下であるということは、例えば試料中のＸ線光電子分光スペクトルに明瞭なＲｅのピークが存在しないことを意味する。
幾つかの実施形態に係る積層造形用合金粉末、及び、該粉末による積層造形物によれば、高価なレアメタルの一種であるレニウムを添加しなくてもよいので、積層造形用合金粉末及び積層造形物のコストを抑制できる。
【００６９】
（Ｒｕ：０．０％以上１０％以下）
Ｒｕは、有害な析出物の生成を抑制するため，添加することでより多くのＲｅを添加することが可能となる。但しＲｕおよびＲｅともに高価なレアメタルであるため添加すると素材費用が大幅に上昇し，また添加しなくとも他の元素の効果により十分な材料特性を確保できるため積極的に添加する必要はない。Ｒｕは、不可避的不純物として含まれることは許容される。
したがって、Ｒｕは、含有することが許容されるが、検出限界以下であってもよい。例えば、Ｒｕの含有量は、０．０％以上１０％以下であってもよい。なお、Ｒｕの含有量が検出限界以下であるということは、例えば試料中のＸ線光電子分光スペクトルに明瞭なＲｕのピークが存在しないことを意味する。
幾つかの実施形態に係る積層造形用合金粉末、及び、該粉末による積層造形物によれば、高価なレアメタルの一種であるルテニウムを添加しなくてもよいので、積層造形用合金粉末及び積層造形物のコストを抑制できる。
【００７０】
以上の各元素の残部は、Ｎｉ及び不可避的不純物とする。なお、この種のＮｉ基合金には不可避的不純物として、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｐ、Ｓ、Ｎ等が含まれることがあるが、これらは、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｕについてはそれぞれ０．５％以下、Ｐ、Ｓ、Ｎについてはそれぞれ０．０１％以下とすることが望ましい。
【００７１】
図４は、上述した幾つかの実施形態に係る積層造形用合金粉末を用いて積層造形を行った積層造形物４０についての熱処理前後の組織の一例を模式的に示した図である。図５は、従来の積層造形用合金粉末による積層造形物２０についての、熱処理後の組織を示した図である。図６は、幾つかの実施形態に係る積層造形用合金粉末による積層造形物４０についての、熱処理後の組織を示した図である。なお、図５及び図６に示した各積層造形物２０、４０における熱処理温度は、１２３０℃である。また、図５及び図６では、説明の便宜上、結晶粒の形状を明確に表すために、幾つかの結晶粒の輪郭をなぞって強調している。
【００７２】
図４に示すように、熱処理前の積層造形物４０Ａは、積層方向の長さが積層方向に直交する方向に比べて長い、例えばアスペクト比で３を超えるような異方性の強い結晶粒４１を有する。このような積層造形物４０Ａを、例えば後述するように１２３０℃で熱処理を行うことで、図４に示した熱処理後の積層造形物４０Ｂが得られる。熱処理後の積層造形物４０Ｂは、結晶粒４１が粗大化し、長さの異方性が抑制されて等方的な形態に近づく。熱処理後の積層造形物４０Ｂでは、例えば結晶径のアスペクト比が１以上３未満となる。
なお、本稿においてアスペクト比とは、各結晶粒において、最も長さが長くなる方向における長さを、該方向と直交する方向の長さで除した無次元数である。すなわち、結晶径のアスペクト比とは、結晶粒の長軸長さを短軸長さで除した値である。たとえば、結晶径のアスペクト比が１より大きくなるほど細長い結晶粒となることを表す。
【００７３】
例えば、図５に示すように、従来の積層造形用合金粉末による熱処理後の積層造形物２０Ｂでは、図５において不図示である熱処理前の積層造形物２０Ａと比べて結晶粒２１の長さの異方性があまり抑制されていない。例えば、図５に示した、従来の積層造形用合金粉末による熱処理後の積層造形物２０Ｂでは、アスペクト比は５．８である。
これに対し、例えば、図６に示すように、幾つかの実施形態に係る積層造形用合金粉末による熱処理後の積層造形物４０Ｂでは、図６において不図示である熱処理前の積層造形物４０Ａと比べて結晶粒４１が粗大化し、長さの異方性が抑制されて等方的な形態に近づいている。例えば、図６に示した、幾つかの実施形態に係る積層造形用合金粉末による熱処理後の積層造形物４０Ｂでは、アスペクト比は１．８である。
【００７４】
このように、幾つかの実施形態に係る積層造形用合金粉末による積層造形物４０では、後述する熱処理を施すことによって、結晶径のアスペクト比を１以上３未満とすることができる。すなわち、幾つかの実施形態に係る積層造形用合金粉末による積層造形物４０では、ＭＣ型炭化物の析出が効果的に抑制されているので、熱処理による粒界の移動がＭＣ型炭化物によって阻害され難くなる。これにより、比較的低い熱処理温度であっても、結晶粒を粗大化させて、結晶径のアスペクト比が１以上３未満とすることが容易となる。
これにより、結晶径のアスペクト比が１以上３未満であるので、積層造形物において強度等の物性値が方向によって異なることを抑制できる。
【００７５】
図７は、幾つかの実施形態に係る積層造形用合金粉末に含まれる各元素に関して、以下で説明する第１パラメータＰ１と第２パラメータＰ２との関係を表すグラフである。図８は、図７における各プロットにおける成分及び組成を表す表である。
以下、主に図７を参照して、幾つかの実施形態に係る積層造形用合金粉末に含まれる各元素の構成比について説明する。
【００７６】
ＭＣ型炭化物の析出に対して各元素が及ぼす影響について、ＭＣ型炭化物の直接の構成元素と、母相に固溶する元素であってＭＣ型炭化物の析出に影響を与える元素とに分類して、発明者らが鋭意検討した結果、次のことが判明した。
ＭＣ型炭化物の直接の構成元素であるチタン、タンタル、及び、ニオブに関する第１パラメータＰ１を次式（Ａ）で表すこととする。
Ｐ１＝０．０８×Ｔｉ＋０．１５×Ｔａ＋０．１９×Ｎｂ・・・（Ａ）
なお、式（Ａ）において、「Ｔｉ」、「Ｔａ」及び「Ｎｂ」は、それぞれ、積層造形用合金粉末におけるチタン、タンタル、及び、ニオブの含有量についてのパラメータであり、質量％の値で表される。
【００７７】
また、母相に固溶する元素であってＭＣ型炭化物の析出に影響を与えるコバルト、及び、クロムに第２パラメータＰ２を次式（Ｂ）で表すこととする。
Ｐ２＝０．０４×Ｃｏ−０．０３×Ｃｒ・・・（Ｂ）
なお、式（Ｂ）において、「Ｃｏ」及び「Ｃｒ」は、それぞれ、積層造形用合金粉末におけるコバルト、及び、クロムの含有量についてのパラメータであり、質量％の値で表される。
【００７８】
上記第１パラメータＰ１と上記第２パラメータＰ２とが、次式（Ｃ）で表される関係式を満たすと、ＭＣ型炭化物の析出を効果的に抑制できることが判明した。
Ｐ１＜−１．２３５×Ｐ２−０．２６５８・・・（Ｃ）
【００７９】
図７は、第１パラメータＰ１を縦軸にとり、第２パラメータＰ２を横軸にとったグラフである。図７において示した直線は、上述した式（Ｃ）の不等号を等号に置き換えた式、すなわち、次式（Ｄ）によって表される直線である。
ｙ＝−１．２３５×ｘ−０．２６５８・・・（Ｄ）
なお、式（Ｃ）を「Ｐ１＜−１．２４×Ｐ２−０．２７」とした場合でも、ＭＣ型炭化物の析出を効果的に抑制でき、この場合式（Ｄ）は、「ｙ＝−１．２４×ｘ−０．２７」と表される。
【００８０】
図７において、白抜き丸のプロットは、ＭＣ型炭化物の析出がほとんど認められなかった積層造形物を表し、黒菱型のプロットは、多くのＭＣ型炭化物の析出が認められた積層造形物を表す。なお、図７において、ＭＣ型炭化物の析出がほとんど認められなかった積層造形物に係る白抜き丸のプロットは、図８における実施例１〜７のプロットであり、いずれも次式（Ｃ）で表される関係式を満たしている。また、図７において、多くのＭＣ型炭化物の析出が認められた積層造形物に係る黒菱型のプロットは、図８における比較例１〜６のプロットであり、いずれも次式（Ｃ）で表される関係式を満たしていない。
すなわち、図７及び図８から明らかなように、幾つかの実施形態に係る積層造形用合金粉末が上述した式（Ｃ）で表される関係式を満たすことで、積層造形物４０ＢにおけるＭＣ型炭化物の析出を効果的に抑制できる。
【００８１】
（熱処理について）
図９は、幾つかの実施形態に係る積層造形用合金粉末を用いて積層造形された積層造形物４０Ａの熱処理についてのフローチャートである。
幾つかの実施形態に係る熱処理は、幾つかの実施形態に係る積層造形用合金粉末を用いて積層造形された積層造形物４０Ａを１２５０℃未満の温度で熱処理する熱処理工程Ｓ１０を備える。
上述したように、幾つかの実施形態に係る積層造形用合金粉末を用いることで、積層造形物４０Ａの熱処理温度を１２５０℃未満としても結晶粒を粗大化させて等方的な形態に近づけることが可能であることが判明した。
したがって、幾つかの実施形態によれば、ニッケル基合金によって構成される積層造形物４０における変形を抑制しつつ、結晶の異方性を抑制できる。また、幾つかの実施形態によれば、熱処理温度を１２５０℃未満に抑制できるので、積層造形物４０における変形を効果的に抑制しつつ、結晶の異方性を抑制できる。
【００８２】
幾つかの実施形態に係る熱処理工程Ｓ１０は、第１熱処理工程Ｓ１１と、第２熱処理工程Ｓ１２とを含む。
幾つかの実施形態に係る第１熱処理工程Ｓ１１は、幾つかの実施形態に係る積層造形用合金粉末を用いて積層造形された積層造形物４０Ａが造形時の残留応力で変形しないよう、応力を除去するための熱処理工程である。幾つかの実施形態に係る第１熱処理工程Ｓ１１では、積層造形物４０Ａを例えば１２００℃の温度で熱処理を行う。
【００８３】
幾つかの実施形態に係る第２熱処理工程Ｓ１２は、第１熱処理工程Ｓ１１を行った後の積層造形物４０Ａを均質化及び結晶粒粗大化のための熱処理工程である。幾つかの実施形態に係る第２熱処理工程Ｓ１２では、積層造形物４０Ａを１２５０℃未満の温度で熱処理を行う。なお、幾つかの実施形態に係る第２熱処理工程Ｓ１２では、積層造形物４０Ａを１２３０℃の温度で熱処理を行うとよい。
【００８４】
特に、幾つかの実施形態に係る熱処理によれば、図４及び図６を参照して説明したように、熱処理工程Ｓ１０（第２熱処理工程Ｓ１２）は、積層造形物４０Ａを１２３０℃以下の温度で熱処理する。
これにより、積層造形物４０における変形をより効果的に抑制しつつ、結晶の異方性を抑制できる。
【００８５】
本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
【符号の説明】
【００８６】
１０  鋳造物
１１  結晶粒
２０  積層造形物（従来の積層造形用合金粉末による積層造形物）
２１  結晶粒
３１、３３  ＭＣ型炭化物
４０  積層造形物（幾つかの実施形態に係る積層造形用合金粉末による積層造形物）
４０Ａ  積層造形物（熱処理前の積層造形物）
４０Ｂ  積層造形物（熱処理後の積層造形物）
４１  結晶粒
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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