(57)【要約】【課題】基材と、ニッケル基金属間化合物合金を炭化物等のセラミックス粒子の結合相として利用したセラミックス／金属間化合物複合クラッド層とを備えた、高温での優れた硬さ特性を有する金属部材およびクラッド層の製造方法を提供することを課題とする。【解決手段】基材とそれを被覆するクラッド層とを備え、クラッド層が、金属間化合物合金からなるマトリックスとその中に分散されたセラミックス粒子とから構成され、マトリックスが、65〜80at％のNiと、4〜15at％のAlと、4〜15at％のVと、0〜8at％の、Nb、Ta、Mo、Co、Cr、Si、W及びTiからなる群より選択される１種以上の第４元素と、Ni、Al、V及び第４元素の合計重量に対して10〜1000重量ppmのBと、不可避不純物と、0〜10at％の基材からの混入不純物と、0〜5at％のセラミックス粒子からの混入不純物とからなる合計100％の合金組成を有する金属間化合物合金である金属部材により、上記の課題を解決する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材と、該基材を被覆するクラッド層とを備え、
前記クラッド層が、金属間化合物合金からなるマトリックスと、該マトリックス中に分散されたセラミックス粒子とから構成され、
前記マトリックスが、６５ａｔ％以上８０ａｔ％以下のＮｉと、４ａｔ％以上１５ａｔ％以下のＡｌと、４ａｔ％以上１５ａｔ％以下のＶと、０ａｔ％以上８ａｔ％以下の、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｗ及びＴｉからなる群より選択される１種以上の第４元素と、Ｎｉ、Ａｌ、Ｖ及び第４元素の合計重量に対して１０重量ｐｐｍ以上１０００重量ｐｐｍ以下のＢ（ホウ素）と、不可避不純物と、０ａｔ％以上１０ａｔ％以下の、前記基材からの混入不純物と、０ａｔ％以上５ａｔ％以下の、前記セラミックス粒子からの混入不純物とからなる合計１００％の合金組成を有する金属間化合物合金であることを特徴とする金属部材。
【請求項２】
前記セラミックス粒子が、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ及びＹからなる群より選択される１種以上の元素の炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物、珪化物または硼化物を含む粒子である請求項１に記載の金属部材。
【請求項３】
前記セラミックス粒子が、前記マトリックスを構成する元素の炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物、珪化物または硼化物を含む粒子である請求項１又は２に記載の金属部材。
【請求項４】
前記セラミックス粒子が、Ｖ、Ｎｂ及びＷからからなる群より選択される１種以上の元素の炭化物である請求項１〜３のいずれか１つに記載の金属部材。
【請求項５】
前記セラミックス粒子が、１μｍ以上１５０μｍ以下の粒子径を有する請求項１〜４のいずれか１つに記載の金属部材。
【請求項６】
前記マトリックスが、初析Ｌ１2相と、該Ｌ１2相及びＤ０22相の共析組織とからなる２重複相組織を有する請求項１〜５のいずれか１つに記載の金属部材。
【請求項７】
前記マトリックスが、８００℃以上の温度での熱処理により、初析Ｌ１2相と、該Ｌ１2相及びＤ０22相の共析組織とからなる２重複相組織、またはＬ１2相及びＤ０22相の共析組織を形成するような合金組成を有する請求項１〜５のいずれか１つに記載の金属部材。
【請求項８】
前記基材が、ステンレス鋼、合金工具鋼、一般構造用圧延鋼、機械構造用炭素鋼及び機械構造用合金鋼からなる群より選択される鉄系合金またはニッケル、コバルト及びチタン並びにそれらの合金からなる群より選択される非鉄系合金である請求項１〜７のいずれか１つに記載の金属部材。
【請求項９】
６５ａｔ％以上８０ａｔ％以下のＮｉと、４ａｔ％以上１５ａｔ％以下のＡｌと、４ａｔ％以上１５ａｔ％以下のＶと、０ａｔ％以上８ａｔ％以下の、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｗ及びＴｉからなる群より選択される１種以上の第４元素と、Ｎｉ、Ａｌ、Ｖ及び第４元素の合計重量に対して１０重量ｐｐｍ以上１０００重量ｐｐｍ以下のＢ（ホウ素）と、不可避不純物とからなる合計１００％の合金組成を有する金属間化合物合金粉末と、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ及びＹからなる群より選択される１種以上の元素の炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物、珪化物または硼化物を含むセラミックス粒子とを、キャリアガスと共に基材に噴射しながら基材に熱源光を照射することによりクラッド層を形成する工程を含み、
前記金属間化合物合金粉末が、前記熱源光を受光することにより少なくとも一部が溶融して、前記セラミックス粒子と共に前記基材上に堆積することを特徴とするクラッド層の製造方法。
【請求項１０】
前記クラッド層を形成する工程が、前記金属間化合物合金粉末及び前記セラミックス粒子をキャリアガスと共に基材に噴射しながら前記基材に熱源光を照射することを複数回重ねて多層のクラッド層を形成する工程である請求項９に記載の製造方法。
【請求項１１】
前記クラッド層を８００℃以上１３２０℃以下の温度で熱処理する工程をさらに含む請求項９又は１０に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属部材及びクラッド層の製造方法に関する。さらに詳しくは、本発明は、大型部品の表面においても、室温から高温まで幅広い使用温度範囲において優れた耐摩耗性を有する金属部材を提供し得るクラッド層を備えた金属部材及びクラッド層の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車分野をはじめ、エネルギー、製鋼、航空宇宙分野など多岐に渡る分野において高温特性に優れた材料が求められている。
耐摩耗材料として超硬合金（ＷＣ−Ｃｏ）の性能は絶大であるが、結合相であるＣｏが温度上昇と共に軟化し、またＷＣが酸化するため、７００℃以上の高温域においては使用できない。
そこで、発明者らはこれまでに高温においても硬さの低下が少なく、８００℃以上の温度域において超硬合金を上回る硬さを備えた、２重複相組織を有するＮｉ3Ａｌ基金属間化合物合金の鋳造材を提案した（特許第５１４６９３５号公報：特許文献１参照）。
【０００３】
しかしながら、耐熱部材をＮｉ（ニッケル）基合金の鋳造材により形成すると、部材全体の主成分をＮｉとする必要があるため、部材を鉄系合金で形成する場合に比べて製造コストが高くなるという問題がある。そこで、高温になると硬さが低下する鉄系合金からなる基材上に高い硬さ及び高温耐摩耗性を有するニッケル基合金のコーティング膜を形成することにより、製造コストを低減して耐熱部材を製造することが可能である。
ニッケル基合金のコーティング膜を形成する方法として、Ｎｉ3Ａｌ基金属間化合物合金を溶射しコーティングする方法が知られている（例えば、特開２０１５−６３７５２号公報：特許文献２参照）。また、プローブ本体を、２重複相組織を有するニッケル基合金でコーティングした摩擦攪拌接合用ツールが知られている（特開２０１４−１０５３７９号公報：特許文献３及び特開２０１４−１０５３８１号公報：特許文献４参照）。
【０００４】
しかしながら、基材上に溶射によりニッケル基合金の溶射皮膜を形成すると膜表面から基材まで貫通した空隙が存在して、基材の腐食や酸化が生じるおそれがあり、耐熱部材の耐熱特性や寿命特性が低くなる。また、溶射皮膜はアンカー効果によって物理的に基材と接合されているものの、基材と溶射皮膜との密着強度が十分高いとは言えず、厳しい条件で使用されると溶射皮膜が基材から剥離し易いという問題もある。さらに、溶射では薄い皮膜（通常３００μｍ程度）を形成するには適しているが、上記の通り、溶射皮膜は密着強度が高くないため、厚い皮膜を形成すると剥離を生じ易く、厚膜の形成が難しいという問題がある。
被覆アーク溶接により基材上にニッケル基合金のコーティング膜を形成する場合、基材成分がコーティング膜に混入するため、コーティング膜の高温硬さ特性が低下するという問題がある。
また、上記の特許文献３及び４に記載の技術では、基材上に形成するコーティング層の材料として、Ｔａを含むニッケル基金属間化合物合金が用いられているが、このようなコーティング層を形成する上で、その製造（素材）コストをできるだけ低く抑えることが望まれる。
【０００５】
また、ニッケル基金属間化合物合金の室温硬さは４００〜６００ＨＶであり、超硬合金（１４００ＨＶ）はもとより、工具鋼(約８００ＨＶ)よりも劣っている。
そこで、このような背景をもとに発明者らは、室温から高温までの幅広い温度範囲で優れた耐摩耗性を発揮できる材料として、炭化物等のセラミックス粒子の結合相としてニッケル基金属間化合物合金を用いた、粉末冶金法により製造する複合材料を提案した(特許第６０１１９４６号公報：特許文献５参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第５１４６９３５号公報
【特許文献２】特開２０１５−６３７５２号公報
【特許文献３】特開２０１４−１０５３７９号公報
【特許文献４】特開２０１４−１０５３８１号公報
【特許文献５】特許第６０１１９４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
粉末冶金法は，金型に原料粉末を充填して成形し、高温で焼き固めることによって製品を製造する手法であるが、製造可能なサイズは金型により制約されるため限度がある。その一方で、高温で耐摩耗性が要求される製品には大型のものも多く、これらを粉末冶金法で製造することは不可能である。
大型製品の耐摩耗性向上には、肉盛溶接により硬質な材料で被覆する方法が行われるが、従来の材料では高温の耐摩耗性は十分とはいえない。また、プラズマ粉体肉盛法などにより金属と炭化物粒子を複合化させる手法があるが、肉盛層内において炭化物粒子の偏りが生じることや高温の金属液体中への炭化物粒子の溶解が起こるなどの問題がある。
また、結合相中に炭化物が溶解すると、結合相の組成が本来のものから外れてしまう。このため、金属間化合物のように特定の組成においてのみその機能を発揮し得る材料を結合相とした場合、炭化物の溶解による組成変化によりその機能を失うことになる。
このようなことから肉盛溶接法でニッケル基金属間化合物合金を結合相としたセラミックス粒子分散複合体の作製は困難であると考えられていた。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、基材と、ニッケル基金属間化合物合金を炭化物等のセラミックス粒子の結合相として利用したセラミックス／金属間化合物複合クラッド層とを備えた、低コストで製造することができ、高温での優れた硬さ特性を有する金属部材およびこのようなクラッド層をレーザメタルデポジション（ＬＭＤ）法等により基材上に形成するクラッド層の製造方法を提供することを課題とする。
上記の「結合相」は「バインダー相」ともいい、本発明では「マトリックス」ともいう。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、基材と、それを被覆する、特定組成のニッケル基金属間化合物であるマトリックスとそれに分散されたセラミックス粒子とから構成されるクラッド層とを備えた金属部材が、上記の課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに到った。
【００１０】
かくして、本発明によれば、基材と、該基材を被覆するクラッド層とを備え、
前記クラッド層が、金属間化合物合金からなるマトリックスと、該マトリックス中に分散されたセラミックス粒子とから構成され、
前記マトリックスが、６５ａｔ％以上８０ａｔ％以下のＮｉと、４ａｔ％以上１５ａｔ％以下のＡｌと、４ａｔ％以上１５ａｔ％以下のＶと、０ａｔ％以上８ａｔ％以下の、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｗ及びＴｉからなる群より選択される１種以上の第４元素と、Ｎｉ、Ａｌ、Ｖ及び第４元素の合計重量に対して１０重量ｐｐｍ以上１０００重量ｐｐｍ以下のＢ（ホウ素）と、不可避不純物と、０ａｔ％以上１０ａｔ％以下の、前記基材からの混入不純物と、０ａｔ％以上５ａｔ％以下の、前記セラミックス粒子からの混入不純物とからなる合計１００％の合金組成を有する金属間化合物合金であることを特徴とする金属部材が提供される。
【００１１】
また、本発明によれば、６５ａｔ％以上８０ａｔ％以下のＮｉと、４ａｔ％以上１５ａｔ％以下のＡｌと、４ａｔ％以上１５ａｔ％以下のＶと、０ａｔ％以上８ａｔ％以下の、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｗ及びＴｉからなる群より選択される１種以上の第４元素と、Ｎｉ、Ａｌ、Ｖ及び第４元素の合計重量に対して１０重量ｐｐｍ以上１０００重量ｐｐｍ以下のＢ（ホウ素）と、不可避不純物とからなる合計１００％の合金組成を有する金属間化合物合金粉末と、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ及びＹからなる群より選択される１種以上の元素の炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物、珪化物または硼化物を含むセラミックス粒子とを、キャリアガスと共に基材に噴射しながら基材に熱源光を照射することによりクラッド層を形成する工程を含み、
前記金属間化合物合金粉末が、前記熱源光を受光することにより少なくとも一部が溶融して、前記セラミックス粒子と共に前記基材上に堆積することを特徴とするクラッド層の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、基材と、ニッケル基金属間化合物合金を炭化物等のセラミックス粒子の結合相として利用したセラミックス／金属間化合物複合クラッド層とを備えた、低コストで製造することができ、高温での優れた硬さ特性を有する金属部材およびこのようなクラッド層をレーザメタルデポジション法等により基材上に形成するクラッド層の製造方法を提供することができる。
すなわち、本発明によれば、これまで適用が困難であった大型部品の表面においても、室温から高温まで幅広い使用温度範囲において耐摩耗性に優れた部材を提供することができるので、本発明の金属部材は、高温で耐摩耗・強度・耐食・耐酸化性を必要とする製品部材として、自動車、航空機、エネルギー・発電、化学プラント、鉄鋼メーカー等の幅広い産業分野での活用が期待できる。
また、本発明では、クラッド層が高い高温硬さ及び高温耐摩耗性を発揮し、基材には鉄系など用いることができるので、比較的安価な金属部材を提供することができる。また、クラッド層を設けることにより、金属部材の補修や再生が可能になる。
【００１３】
本発明の金属部材は、少なくとも次のいずれか１つの要件を満足する場合に、上記の効果をさらに発揮する。
（１）セラミックス粒子が、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ及びＹからなる群より選択される１種以上の元素の炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物、珪化物または硼化物を含む粒子である。
（２）セラミックス粒子が、マトリックスを構成する元素の炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物、珪化物または硼化物を含む粒子である。
（３）セラミックス粒子が、Ｖ、Ｎｂ及びＷからからなる群より選択される１種以上の元素の炭化物である。
（４）セラミックス粒子が、１μｍ以上１５０μｍ以下の粒子径を有する。
（５）マトリックスが、初析Ｌ１2相と、該Ｌ１2相及びＤ０22相の共析組織とからなる２重複相組織を有する。
（６）マトリックスが、８００℃以上の温度での熱処理により、初析Ｌ１2相と、該Ｌ１2相及びＤ０22相の共析組織とからなる２重複相組織、またはＬ１2相及びＤ０22相の共析組織を形成するような合金組成を有する。
（７）基材が、ステンレス鋼、合金工具鋼、一般構造用圧延鋼、機械構造用炭素鋼及び機械構造用合金鋼からなる群より選択される鉄系合金またはニッケル、コバルト及びチタン並びにそれらの合金からなる群より選択される非鉄系合金である。
【００１４】
また、本発明のクラッド層の製造方法は、少なくとも次のいずれか１つの要件を満足する場合に、上記の効果をさらに発揮する。
（８）クラッド層を形成する工程が、金属間化合物合金粉末及びセラミックス粒子をキャリアガスと共に基材に噴射しながら基材に熱源光を照射することを複数回重ねて多層のクラッド層を形成する工程である。
（９）クラッド層を８００℃以上１３２０℃以下の温度で熱処理する工程をさらに含む。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態のクラッド層の製造方法の説明図である。
【図２】本発明の金属部材のクラッド層の外観写真である
【図３】本発明の熱処理前後の金属部材のクラッド層のマトリックスの断面（堆積領域）のＳＥＭ写真である。
【図４】本発明の金属部材ＷＣの熱処理後のクラッド層のマトリックス部分についての各元素のＥＰＭＡマップである。
【図５】本発明の金属部材ＶＣの熱処理後のクラッド層のマトリックス部分についての各元素のＥＰＭＡマップである。
【図６】本発明の金属部材ＮｂＣの熱処理後のクラッド層のマトリックス部分についての各元素のＥＰＭＡマップである。
【図７】本発明の金属部材ＷＣ、金属部材ＶＣ及び金属部材ＮｂＣの熱処理前後のクラッド層のＸ線回折図である。
【図８】金属部材ＷＣ、金属部材ＶＣ及び金属部材ＮｂＣの熱処理前後のクラッド層の表面近傍のビッカース硬さ分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
（１）金属部材
本発明の金属部材は、基材と、該基材を被覆するクラッド層とを備え、
前記クラッド層が、金属間化合物合金からなるマトリックスと、該マトリックス中に分散されたセラミックス粒子とから構成され、
前記マトリックスが、６５ａｔ％以上８０ａｔ％以下のＮｉと、４ａｔ％以上１５ａｔ％以下のＡｌと、４ａｔ％以上１５ａｔ％以下のＶと、０ａｔ％以上８ａｔ％以下の、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｗ及びＴｉからなる群より選択される１種以上の第４元素と、Ｎｉ、Ａｌ、Ｖ及び第４元素の合計重量に対して１０重量ｐｐｍ以上１０００重量ｐｐｍ以下のＢ（ホウ素）と、不可避不純物と、０ａｔ％以上１０ａｔ％以下の、前記基材からの混入不純物と、０ａｔ％以上５ａｔ％以下の、前記セラミックス粒子からの混入不純物とからなる合計１００％の合金組成を有する金属間化合物合金（「ニッケル基金属間化合物合金」ともいう）であることを特徴とする。
ここで、「ニッケル基」とは、金属間化合物合金に含有されるそれぞれの元素の中でニッケルの量が最も多いことを意味し、その含有量は、少なくとも５０ａｔ％以上であり、本発明においては、好ましくは６５ａｔ％以上である。
【００１７】
［クラッド層］
クラッド層は、金属間化合物合金からなるマトリックスと、該マトリックス中に分散されたセラミックス粒子とから構成される。
クラッド層の厚さは、特に限定されず、その目的や用途に応じて適宜設定すればよい。
例えば、０．８ｍｍ以上５ｍｍ以下とすることができ、また１ｍｍ以上４ｍｍ以下とすることもでき、５ｍｍ以上にしてもよい。
クラッド層は、複数回重ねて形成された多層構造であってもよい。その形成方法については、製造方法において説明する。
【００１８】
［マトリックス］
マトリックスは、６５ａｔ％以上８０ａｔ％以下のＮｉと、４ａｔ％以上１５ａｔ％以下のＡｌと、４ａｔ％以上１５ａｔ％以下のＶと、０ａｔ％以上８ａｔ％以下の、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｗ及びＴｉからなる群より選択される１種以上の第４元素と、Ｎｉ、Ａｌ、Ｖ及び第４元素の合計重量に対して１０重量ｐｐｍ以上１０００重量ｐｐｍ以下のＢ（ホウ素）と、不可避不純物と、０ａｔ％以上１０ａｔ％以下の、前記基材からの混入不純物と、０ａｔ％以上５ａｔ％以下の、前記セラミックス粒子からの混入不純物とからなる合計１００％の合金組成を有する金属間化合物合金である。
【００１９】
合金組成におけるＮｉ含有量は、６５ａｔ％以上８０ａｔ％以下である。
Ｎｉ含有量が６５ａｔ％未満では、Ｎｉ3ＡｌやＮｉ3Ｖ等の３：１組成の金属間化合物相が形成されないことがある。一方、Ｎｉ含有量が８０ａｔ％を超えると、Ｎｉ固溶体相となることがある。
より具体的には、Ｎｉ含有量（ａｔ％）は、６５、６５．５、６６、６６．５、６７、６７．５、６８、６８．５、６９、６９．５、７０、７０．５、７１、７１．５、７２、７２．５、７３、７３．５、７４、７４．５、７５、７５．５、７６、７６．５、７７、７７．５、７８、７８．５、７９、７９．５、８０のいずれか２つの数値の間の範囲であってもよく、好ましくは６７ａｔ％以上７７ａｔ％以下である。
【００２０】
合金組成におけるＡｌ（アルミニウム）含有量は、４ａｔ％以上１５ａｔ％以下である。
Ａｌ含有量が４ａｔ％未満では、Ｎｉ3Ａｌ相が形成されないことがある。一方、Ａｌ含有量が１５ａｔ％を超えると、Ｎｉ5Ａｌ3などの脆い金属間化合物相が出現することがある。
より具体的には、Ａｌ含有量（ａｔ％）は、４、４．５、５、５．５、６、６．５、７、７．５、８、８．５、９、９．５、１０、１０．５、１１、１１．５、１２、１２．５、１３、１３．５、１４、１４．５、１５のいずれか２つの数値の間の範囲であってもよく、好ましくは５ａｔ％以上１０ａｔ％以下である。
【００２１】
合金組成におけるＶ（バナジウム）含有量は、４ａｔ％以上１５ａｔ％以下である。
Ｖ含有量が４ａｔ％未満では、Ｎｉ3Ｖ相が形成されないことがある。一方、Ｖ含有量が１５ａｔ％を超えると、耐酸化性が低下することがある。
より具体的には、Ｖ含有量（ａｔ％）は、４、４．５、５、５．５、６、６．５、７、７．５、８、８．５、９、９．５、１０、１０．５、１１、１１．５、１２、１２．５、１３、１３．５、１４、１４．５、１５のいずれか２つの数値の間の範囲であってもよく、好ましくは７ａｔ％以上１４ａｔ％以下である。
【００２２】
合金組成における第４元素の含有量は、０ａｔ％以上８ａｔ％以下である。すなわち、第４元素は任意成分であって含有しなくてもよく、また８ａｔ％以下の量を含有してもよい第４元素の含有量が８ａｔ％を超えると、Ｎｉ3Ａｌ、Ｎｉ3Ｖ以外の金属間化合物相が形成されることがある。
より具体的には、第４元素の含有量（ａｔ％）は、０、０．５、１、１．５、２、２．５、３、３．５、４、４．５、５、５．５、６、６．５、７、７．５、８のいずれか２つの数値の間の範囲であってもよく、好ましくは０ａｔ％以上６ａｔ％以下である。
【００２３】
合金組成におけるＢ（ホウ素）含有量は、Ｎｉ、Ａｌ、Ｖ及び第４元素の合計重量に対して１０重量ｐｐｍ以上１０００重量ｐｐｍ以下である。
Ｂ含有量が１０重量ｐｐｍ未満では、粒界割れ抑制の効果が得られないことがある。一方、Ｂ含有量が１０００重量ｐｐｍを超えると、低融点相が形成されることがある。
より具体的には、Ｂ含有量（重量ｐｐｍ）は、１０、２０、３０、４０、５０、７０、１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００、９００、１０００重量ｐｐｍのいずれか２つの数値の間の範囲であってもよく、好ましくは２０重量ｐｐｍ以上５００重量ｐｐｍ以下である。
【００２４】
第４元素は、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｗ及びＴｉからなる群より選択される１種以上であり、これらの中でも、強度向上効果の点でＮｂが好ましく、硬さ向上効果の点でＷが好ましい。
Ｎｂ（ニオブ）の強度向上効果は、その含有量が５ａｔ％まではニオブの増加と共に増加し、５ａｔ％を超えるとその効果が飽和し、Ｎｉ3Ｎｂ相などの金属間化合物相の粗大化や多出現が考えられことから、ニオブの含有量は５ａｔ％以下（含有しない場合も含む）が好ましい。
また、Ｗ（タングステン）の硬さ向上効果は、その含有量が０．５ａｔ％未満では限定的であり、８ａｔ％を超えるとその効果が飽和する場合があると考えられることから、タングステンの含有量は０．５ａｔ％以上８ａｔ％以下が好ましい。
【００２５】
Ｔａ（タンタル）は、固溶強化（硬化）に有効な元素であると考えられる。その効果は、タンタルの含有量が０．５ａｔ％未満では限定的であり、８ａｔ％を超えるとその効果が飽和する場合があると考えられることから、タンタルの含有量は０．５ａｔ％以上８ａｔ％以下が好ましい。
【００２６】
Ｍｏ（モリブデン）は、固溶強化（硬化）と析出強化（硬化）に有効な元素であると考えられる。その効果は、モリブデンの含有量が０．５ａｔ％未満では限定的であり、５ａｔ％を超えるとその効果が飽和する場合があると考えられることから、モリブデンの含有量は１ａｔ％以上５ａｔ％以下が好ましい。
【００２７】
Ｃｏ（コバルト）は、耐酸化性向上効果を有すると考えられる。その効果は、コバルト含有量が６ａｔ％まではコバルトの増加と共に顕著となり、６ａｔ％を超えると飽和する場合があると考えられることから、コバルトの含有量は０．５ａｔ％以上６ａｔ％以下が好ましい。
Ｃｒ（クロム）は、耐酸化性向上と軽量化（低密度化）という効果を有すると考えられる。その効果は、クロム含有量が７ａｔ％まではクロム含有量の増加と共に顕著となり、７ａｔ％を超えるとその効果が飽和する場合があると考えられることから、クロムの含有量は０．５ａｔ％以上７ａｔ％以下が好ましい。
【００２８】
Ｓｉ（ケイ素）は、固溶強化（硬化）、軽量化（低密度化）、耐酸化性向上に有効な元素であると考えられる。その効果は、ケイ素含有量が０．１ａｔ％未満では限定的であり、３ａｔ％を超えるとその効果が飽和する場合があると考えられることから、ケイ素含有量は０．１ａｔ％以上３ａｔ％以下が好ましい。
Ｔｉ（チタン）は、強度向上効果を有すると考えられる。その効果は、チタン含有量が５ａｔ％まではチタン含有量の増加と共に顕著となり、５ａｔ％を超えるとその効果が飽和する場合があると考えられることから、チタン含有量は０ａｔ％以上５ａｔ％以下が好ましい。
【００２９】
不可避不純物は、金属間化合物合金に不可避的に含まれる不純物であり、金属間化合物合金の製造に用いる材料に不可避的に含まれる不純物が含まれる。
基材からの混入不純物は、クラッド層の製造中に基材から金属間化合物合金に混入する不純物であり、その含有量は、０ａｔ％以上１０ａｔ％以下である。
基材からの混入不純物の含有量が１０ａｔ％を超えると、金属間化合物合金の物性に悪影響を与えることがあり、０ａｔ％である（含有しない）ことが好ましいが、製造工程において混入を避けることは難しく、その含有量は６ａｔ％以下であることが好ましい。
セラミックス粒子からの混入不純物は、クラッド層の製造中にセラミックス粒子から金属間化合物合金に混入する不純物であり、その含有量は、０ａｔ％以上５ａｔ％以下である。
セラミックス粒子からの混入不純物の含有量が５ａｔ％を超えると、金属間化合物合金の物性に悪影響を与えることがあり、０ａｔ％である（含有しない）ことが好ましいが、製造工程において混入を避けることは難しく、その含有量は４ａｔ％以下であることが好ましい。
【００３０】
マトリックスは、初析Ｌ１2相と、該Ｌ１2相及びＤ０22相の共析組織とからなる２重複相組織、すなわちＮｉ3ＡｌとＮｉ3Ｖとを含んでなる２重複相組織、またはＬ１2相及びＤ０22相の共析組織を有していてもよい。
後述するＬＭＤ法により形成された金属間化合物合金のクラッド層は、通常、上記の２重複相組織の微細構造を有さない、所謂、２重複相組織の前駆体である。このような前駆体を後述する熱処理に付すことにより、２重複相組織の微細構造を有する金属間化合物合金のクラッド層を形成することができる。
すなわち、マトリックスは、８００℃以上の温度での熱処理により、初析Ｌ１2相と、該Ｌ１2相及びＤ０22相の共析組織とからなる２重複相組織、または、Ｌ１2相及びＤ０22相の共析組織を形成するような合金組成を有していてもよい。
【００３１】
［セラミックス粒子］
セラミックス粒子（「硬質粒子」ともいう）は、クラッド層を構成するマトリックス中に分散され、金属部材のクラッド層の強度（硬度）の向上に寄与する。
従来の溶解鋳造法等では，セラミックス粒子を金属・合金中に均一に分散させることは困難であったが、本発明では、後述するようなＬＭＤ法を用いていることから、マトリクスである金属間化合物合金中にセラミックス粒子を均質に分散させることができる。
セラミックス粒子としては、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ及びＹからなる群より選択される１種以上の元素の炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物、珪化物または硼化物を含む粒子が挙げられる。これらの中でも、マトリクスの合金組成中に、侵入型元素の炭素または窒素を供給できるという観点では、炭化物、窒化物および炭窒化物が好ましい。
【００３２】
また、マトリックスの金属間化合物合金に含まれている元素の炭化物などをセラミックス粒子として選択することで、セラミックス粒子の成分がマトリックスに混入しても金属間化合物相の合金特性を低下させることがないことから、セラミックス粒子が、マトリックスを構成する元素の炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物、珪化物または硼化物を含む粒子であるのが好ましく、Ｖ、Ｎｂ及びＷからからなる群より選択される１種以上の元素の炭化物であるのが好ましい
【００３３】
セラミックス粒子は、１μｍ以上１５０μｍ以下の粒子径を有するのが好ましい。
クラッド層に含まれるセラミックス粒子は、製造工程の熱履歴に伴う溶解や再晶出等によりその粒径が後述する原料粒子よりも小さくなることがある。
セラミックス粒子の粒子径が１μｍ未満では、摩耗を受けた際にマトリックスと共にセラミックス粒子が脱落し、耐摩耗性の向上に寄与しないことがある。一方、１５０μｍを超えるとクラッド層の靭性が大きく低下することがある。
セラミックス粒子の粒子径は、公知の方法、例えば、光学顕微鏡や電子顕微鏡によるクラッド層の断面画像の解析結果から測定することができる。
【００３４】
［マトリックス（金属間化合物合金）とセラミック粒子との配合比］
金属間化合物合金とセラミック粒子との配合比は、得ようとする金属部材の特性に合わせて適宜設定すればよい。
例えば、クラッド層（すなわち、金属間化合物合金とセラミック粒子との合計）に対して、セラミック粒子が１０〜６０体積％である。
セラミック粒子がクラッド層に対して１０体積％未満では、クラッド層の十分な強化効果が得られないことがある。一方、セラミック粒子がクラッド層に対して６０体積％を超えると、クラッド層の形状が不安定になり，剥離や割れを生じることがある。
【００３５】
［基材］
基材は、クラッド層により被覆（コーティング）される対象部材であり、例えば、鉄系合金などで形成された部材が挙げられる。一般に鉄系合金などは、高温になると強度・硬さが極端に低下するが、クラッド層により被覆されることにより、クラッド層が高温での摩耗から基材を保護するので、高温における耐摩耗性、強度、耐食性、耐酸化性に優れた金属部材を提供することができる。
基材としては、クラッド層と組み合わせて本発明の効果を発揮し得る金属材料であれば特に限定されず、例えば、ステンレス鋼（例えば、ＪＩＳ  Ｇ４３１５：２０１３）、合金工具鋼（例えば、ＪＩＳ  Ｇ４４０４：２００６）、一般構造用圧延鋼（例えば、ＪＩＳ  Ｇ３１０１：２０１５）、機械構造用炭素鋼（例えば、ＪＩＳ  Ｇ４０５１：２００９）及び機械構造用合金鋼（例えば、ＪＩＳ  Ｇ４０５３：２００８）からなる群より選択される鉄系合金またはニッケル、コバルト及びチタン並びにそれらの合金からなる群より選択される非鉄系合金が挙げられる。
より具体的には、実施例において用いている、オーステナイト系冷間圧造用ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）及び機械構造用合金鋼の熱間金型用合金工具鋼（ＳＫＤ６１）が挙げられる。
【００３６】
［金属部材の用途］
本発明は、例えば従来、タングステンカーバイト・コバルト（ＷＣ−Ｃｏ）のような、超硬合金が用いられていた用途において、より高い高温強度（硬さ）を有する合金（金属部材）を提供することができる。
また、本発明は、例えば従来、ダイス鋼、ＷＣ−Ｃｏ系超硬合金、インコネルのような、工具用材料・耐熱材料が用いられていた用途において、より高い耐酸化性および耐食性を有する合金（金属部材）を提供することができる。
【００３７】
（２）クラッド層の製造方法
本発明のクラッド層の製造方法は、６５ａｔ％以上８０ａｔ％以下のＮｉと、４ａｔ％以上１５ａｔ％以下のＡｌと、４ａｔ％以上１５ａｔ％以下のＶと、０ａｔ％以上８ａｔ％以下の、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｗ及びＴｉからなる群より選択される１種以上の第４元素と、Ｎｉ、Ａｌ、Ｖ及び第４元素の合計重量に対して１０重量ｐｐｍ以上１０００重量ｐｐｍ以下のＢ（ホウ素）と、不可避不純物とからなる合計１００％の合金組成を有する金属間化合物合金粉末と、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ及びＹからなる群より選択される１種以上の元素の炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物、珪化物または硼化物を含むセラミックス粒子とを、キャリアガスと共に基材に噴射しながら基材に熱源光を照射することによりクラッド層を形成する工程を含み、
前記金属間化合物合金粉末が、前記熱源光を受光することにより少なくとも一部が溶融して、前記セラミックス粒子と共に前記基材上に堆積することを特徴とする。
【００３８】
［金属間化合物合金粉末］
本発明の製造方法に用いる金属間化合物合金粉末は、６５ａｔ％以上８０ａｔ％以下のＮｉと、４ａｔ％以上１５ａｔ％以下のＡｌと、４ａｔ％以上１５ａｔ％以下のＶと、０ａｔ％以上８ａｔ％以下の、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｗ及びＴｉからなる群より選択される１種以上の第４元素と、Ｎｉ、Ａｌ、Ｖ及び第４元素の合計重量に対して１０重量ｐｐｍ以上１０００重量ｐｐｍ以下のＢ（ホウ素）と、不可避不純物とからなる。このような粉末は、例えば、アトマイズ法により製造することができる。また、金属間化合物合金粉末の平均粒径は、１２５μｍ以下であってもよい。
【００３９】
金属間化合物合金粉末は、例えば、ニッケル粉末、アルミニウム粉末、バナジウム粉末、ニオブ粉末およびボロン粉末等の元素粉末を原料粉末とする所定の組成を有する溶湯（溶融合金）をアトマイズする等により得た合金粉末であってよい。さらには、元素粉末と合金粉末とを混合した混合粉末であってもよい。
これらの中でも、より確実に金属間化合物合金が得られると共に、得られた複合材料の硬さを溶製材と同等レベルまで高くすることができることから、アトマイズ粉末が好ましい。
【００４０】
［セラミックス粒子］
本発明の製造方法に用いるセラミックス粒子としては、前述のセラミックス粒子が挙げられる。
クラッド層の製造においては、セラミックス粒子を、金属間化合物合金粉末と共に基材に噴射する。これらを別々に噴射してもよいが、予めセラミックス粒子と金属間化合物合金粉末とを混合粉末を噴射してもよい。
【００４１】
本発明の製造方法に用いるセラミックス粒子（原料粒子）は、２０μｍ以上１５０μｍ以下の粒子径を有するのが好ましい。
原料粒子の粒子径が２０μｍ未満では、製造工程において粉末が凝集し流動性が低下することによりレーザ光等の熱源光照射部への供給が不安定になることがある。一方、１５０μｍを超えると粉末噴射ノズルが目詰まりを起こすことがある。
セラミックス粒子の粒子径は、公知の方法、例えば、フィッシャーサブシーブサイザーによる方法により測定することができる。
【００４２】
［クラッド層の製造］
以下、図面を用いて本発明のクラッド層の製造方法について説明する。図面や以下の記述中で示す構成は例示であり、これらにより本発明の範囲は限定されない。
合金粉末の溶融のための熱源光（エネルギー源）としては、特に限定されないが、レーザ光、アーク光（ＴＩＧ、ＭＩＧなど）などが挙げられ、ここでは、レーザ光を使用する例について説明する。
図１は、本発明の一実施形態のクラッド層の製造方法の説明図である。
この製造方法は、レーザメタルデポジション（ＬＭＤ）装置１１を用いた方法である。
具体的には、噴射ノズル５から金属間化合物合金粉末６とセラミックス粒子７とを、キャリアガスと共に基材２に噴射しながら、基材２に光学レンズ９を介してレーザ光８を照射し、噴射ノズル５を噴射ノズル移動方向１０に移動させることにより、クラッド層３を形成し、基材２とそれを被覆するクラッド層３とを備えた金属部材１を得る。
【００４３】
すなわち、噴射ノズル移動方向１０に一定速度で移動する噴射ノズル５の中心部から基材２に向けてレーザ光８が照射され、その照射ポイントに向けて金属間化合物合金粉末６とセラミックス粒子７がキャリアガスと共に噴射され、レーザ光８を受光した金属間化合物合金粉末６が溶融して殆ど溶融しないセラミックス粒子７を分散した溶融プール４を基材２上に形成する。形成された溶融プール４が噴射ノズル７の移動に伴って急冷され、固化してクラッド層３を形成する。
【００４４】
キャリアガスは、金属間化合物合金粉末及びセラミックス粒子の搬送媒体（ガス）として機能するだけでなく、原料成分及び形成されたクラッド層の大気による酸化を抑制するシールドガスとしても機能する。このことから、キャリアガスとしては、アルゴン（Ａｒ）ガス、窒素（Ｎ）ガスなどの不活性ガスを用いることができる。
【００４５】
金属間化合物合金粉末及びセラミックス粒子の供給速度、レーザ出力などのクラッド層３の形成条件は、使用する装置の仕様、得ようとするクラッド層の物性、すなわち用いる原料成分などにより適宜設定すればよい。レーザ出力が低過ぎると、原料成分の溶融が不十分になるが、逆にレーザ出力が高過ぎるとクラッド層に基材成分が混入して、基材成分が実質的に混入していない堆積領域が得られず、クラッド層の所望の物性が得られないおそれがある。
基材とクラッド層との界面には、両者の構成成分が混入し合った希釈領域が形成されるのが好ましい。すなわち、希釈領域は、クラッド層側から基材側に近づくほど基材成分の濃度が高くなり、基材側からクラッド層側に近づくほど金属間化合物合金の成分の濃度が高くなる領域である。この希釈領域は、基材とクラッド層との接合を強固にし、金属部材に耐剥離性を付与する。
【００４６】
例えば、レーザ出力を１ｋＷ以上１．６ｋＷ以下とし、金属間化合物合金粉末の供給速度を５ｇ／ｍｉｎ以上２５ｇ／ｍｉｎ以下とし、金属間化合物合金粉末に対して０〜６０体積％のセラミックス粒子を供給することができる。
より具体的には、１．６ｋＷのレーザ出力では、金属間化合物合金粉末の供給速度を２０ｇ／ｍｉｎ以上２５ｇ／ｍｉｎ以下に、１．２ｋＷのレーザ出力では、金属間化合物合金粉末の供給速度を１５ｇ／ｍｉｎ以上１９ｇ／ｍｉｎ以下に、１．０ｋＷのレーザ出力では、粉末供給速度を６ｇ／ｍｉｎ以上１２ｇ／ｍｉｎ以下にすることができ、金属間化合物合金粉末に対して１０〜６０体積％のセラミックス粒子を供給することができる。
【００４７】
上記のＬＭＤ装置は、粉末材料の供給量およびレーザ照射による投入エネルギーを精密に制御することができ、セラミックス粒子のマトリックス中への溶解を極力抑え、かつ基材成分の混入を制御しつつクラッド層を形成することができるので、本発明のクラッド層の製造方法に好適である。
【００４８】
［多層クラッド層の形成］
クラッド層を形成する工程は、金属間化合物合金粉末及び前記セラミックス粒子をキャリアガスと共に基材に噴射しながら基材にレーザ光等の熱源光を照射することを複数回重ねて多層のクラッド層を形成する工程であってもよい。
例えば、上記の方法により基材上にクラッド層を形成した後、形成されたクラッド層上にさらに上記の方法によりクラッド層３を重ねて形成することができる。これにより、重ねて形成したクラッド層が一体化して、厚いクラッド層を形成することができる。
これにより、基材成分がクラッド層に混入することを抑制することができ、長期間の摩耗による減肉に耐え得るクラッド層を形成することができ、高温耐摩耗性に優れた金属部材を提供することができる。
【００４９】
［熱処理］
本発明のクラッド層の製造方法は、クラッド層を８００℃以上１３２０℃以下の温度で熱処理する工程をさらに含んでいてもよい。
上記のクラッド層の製造方法では、通常、初析Ｌ１2相と該Ｌ１2相及びＤ０22相の共析組織とからなる２重複相組織、すなわちＮｉ3ＡｌとＮｉ3Ｖとを含んでなる２重複相組織が形成されない。このようなクラッド層を熱処理に付すことにより、クラッド層の少なくとも一部を２重複相組織、あるいはＮｉ3ＡｌとＮｉ3Ｖの共析組織にすることができ、クラッド層を均質化することができる。
【００５０】
熱処理は、公知の装置及び方法を用いて行うことができる。
熱処理温度は、例えば、クラッド層を構成するマトリックスの金属間化合物合金が液相に相転移しない１３２０℃以下、好ましくは１３００℃以下である。
具体的には、ニッケル固溶体単相領域に加熱され、その後の冷却過程でＮｉ3ＡｌとＮｉ3Ｖとを含んでなる２重複相組織、あるいはＮｉ3ＡｌとＮｉ3Ｖからなる共析組織をより確実に得られることから、熱処理温度は８００℃以上１３２０℃以下であるのが好ましい。
熱処理時間（保持時間）は、例えば、０．５時間〜２４時間であるのが好ましい。
また、熱処理雰囲気は、クラッド層の大気による酸化を抑制するために、真空、またはアルゴンガスなどの不活性ガス雰囲気であるのが好ましい。
【実施例】
【００５１】
本発明を以下の実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。
実施例では、レーザメタルデポジション（ＬＭＤ）法により、基材上にクラッド層（肉盛層）を形成して金属部材の試料を得、さらに熱処理を施し、それらの熱処理前後の試料について観察及び評価を行った。
【００５２】
［試料の作製］
下記の基材、金属間化合物合金粉末及びセラミックス粒子を用い、図１に示すようなＬＭＤにより、下記の条件で基材上に、長さ＝約６０ｍｍ、幅＝約５ｍｍ、高さ＝約１〜２．５ｍｍ（単層）のクラッド層を形成して３種の金属部材ＷＣ、金属部材ＶＣ及び金属部材ＮｂＣの試料を得た。
（金属間化合物合金粉末）
７５．０ａｔ％Ｎｉ、９．０ａｔ％Ａｌ、１３．０ａｔ％Ｖ、３．０ａｔ％Ｎｂ、０．００５ｗｔ％Ｂの合金組成になるように調製した金属原料を、アトマイズ法により粉末化し、１２５μｍ以下の粒径に分級することにより、バインダーとしての金属間化合物合金粉末（ＮＡＶ−３Ｎｂ）を得た。
【００５３】
（セラミックス粒子）
ＷＣ粒子（粒径５３〜１５０μｍ）
ＶＣ粒子（粒径７５〜１５０μｍ）
ＮｂＣ粒子（粒径〜１２５μｍ）
【００５４】
（基材）
材質：ＳＵＳ３０４（１８〜２０質量％Ｃｒ、８〜１０．５質量％Ｎｉ、残Ｆｅ）
寸法：長さ＝６０ｍｍ、幅＝２０ｍｍ、厚さ：１０ｍｍ
【００５５】
（ＬＭＤ条件）
レーザ出力：１．６ｋＷ
レーザ操作速度：５ｍｍ／ｓｅｃ
レーザビーム径：５×５ｍｍ
キャリアガス：アルゴン（Ａｒ）ガス、約５Ｌ／ｍｉｎで噴射ノズルから噴射
粉末及び粒子の供給速度：ＮＡＶ−３Ｎｂ  １７．４ｇ／ｍｉｎ
ＷＣ            ２０．４ｇ／ｍｉｎ
ＶＣ              ９．６ｇ／ｍｉｎ
ＮｂＣ          １２．０ｇ／ｍｉｎ
使用粉末及び粒子：金属部材ＷＣ（ＮＡＶ−３Ｎｂ＋ＷＣ）
金属部材ＶＣ（ＮＡＶ−３Ｎｂ＋ＶＣ）
金属部材ＮｂＣ（ＮＡＶ−３Ｎｂ＋ＮｂＣ）
【００５６】
［試料の熱処理］
また、各金属部材の試料を下記の条件で熱処理した。
処理温度：１２８０℃
処理時間：５ｈｒ
雰囲気：真空
冷却：炉冷（炉内にて自然冷却）
【００５７】
［クラッド層の外観観察］
図２は、各金属部材のクラッド層の外観写真であり、上図がクラッド層の形成方向に垂直な方向から見た図であり、下図がクラッド層の断面図である。
図２によれば、いずれも表面欠陥や内部ボイドなどのない良好なクラッド層が形成されていることがわかる。また、金属部材ＶＣ及び金属部材ＮｂＣでは、それぞれセラミックス粒子のＶＣ粒子及びＮｂＣ粒子がマトリックスのＮＡＶ−３Ｎｂ中に均質に分散していることがわかる。一方、金属部材ＷＣでは、マトリックスのＮＡＶ−３Ｎｂとセラミックス粒子のＷＣ粒子との密度差が大きいためか、クラッド層の下層（基材側）にＷＣ粒子が重量偏析していることがわかる。
【００５８】
［クラッド層の断面ＳＥＭ観察］
図３は、熱処理前後の各金属部材のクラッド層のマトリックスの断面（堆積領域）のＳＥＭ写真であり、上段が熱処理前であり、下段が熱処理後であり、各写真の右上の写真が各写真の拡大写真である。但し、外観観察で重量偏析が観察された金属部材ＷＣのみ、熱処理後の写真の上部領域と中心から下部領域の拡大写真を示す。
図３によれば、熱処理後の金属部材ＶＣ及びＮｂＣでは、クラッド層に矩形状の組織が観察され、熱処理により２重複相組織（初析Ｌ１2相と、Ｌ１2相及びＤ０22相の共析組織とからなる微細組織）が形成されていることがわかる。
一方、熱処理後の金属部材ＷＣでは、ＷＣ粒子が少ないクラッド層の上部に２重複相組織様が観察される一方、ＷＣ粒子が高密度に存在するクラッド層の下部に丸みを帯びた初析相が観察され、重量偏析により熱処理によっても２重複相組織が形成され難いことがわかる。
このように実験結果によれば、セラミックス粒子がＶＣ、ＮｂＣの場合には、ＷＣの場合と比べて２重複相組織を形成し易く、セラミックス粒子がマトリックスを構成する元素（Ｎｂ、Ｖ）を含む元素の炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物または硼化物を含む粒子であれば、加熱処理によって２重複相組織が形成され易いことがわかる。
【００５９】
［クラッド層のＥＰＭＡ組成分析］
電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）を用いて、熱処理前後の各金属部材のクラッド層のマトリックス部分の元素分析を行った。但し、外観観察で重量偏析が観察された金属部材ＷＣのみ、上部領域と中心から下部領域に分けて分析した。
得られた結果を表１に示す。
【００６０】
【表１】
2018135585.tif 000003
【００６１】
表１によれば、各金属部材のクラッド層のマトリックス部分には、金属間化合物合金粉末としての供試材に含まれない、基材のＳＵＳ３０４及びセラミックス粒子由来の元素が混入していることがわかる。また、Ｃｒ及びＮｉに関しては、熱処理前後で含有量に殆ど違いがない。すなわち、クラッド層の形成時に基材の一部が溶融してクラッド層に混入した基材成分のＣｒ及びＮｉは、固体状態になった後は熱処理によっても含有量に殆ど変化がない。つまり、Ｃｒ及びＮｉの混入量はクラッド層の形成条件により決定されるものと考えられる。
【００６２】
また、同様にして、ＥＰＭＡを用いて、熱処理後の各金属部材のクラッド層のセラミックス粒子部分の元素分析を行った。
得られた結果を表２に示す。
【００６３】
【表２】
2018135585.tif 000004
【００６４】
表２によれば、各金属部材のクラッド層のセラミックス粒子部分には、セラミックス粒子に含まれない、基材のＳＵＳ３０４及び金属間化合物合金粉末としての供試材由来の元素が混入していることがわかる。表２は、熱処理後の分析結果であるが、マトリックス部分と同様に、熱意処理前後で含有量に殆ど違いがないものと考えられる。
【００６５】
［クラッド層のＥＰＭＡマッピング］
ＥＰＭＡを用いて、熱処理後の各金属部材のクラッド層のマトリックス部分について各元素のマッピングを行った。分析対象元素は、Ｎｉ、Ａｌ、Ｖ、Ｎｂ、Ｆｅ、Ｃｒ及びＣ、金属部材ＷＣについてのみＷとした。
図４〜６は、それぞれ金属部材ＷＣ、金属部材ＶＣ及び金属部材ＮｂＣの熱処理後のクラッド層のマトリックス部分についての各元素のＥＰＭＡマッピングである。図中、「ＳＥＩ」は二次電子像を、「ＣＯＭＰＯ」は反射電子組成像を示す。
図４によれば、金属部材ＷＣのクラッド層には２重複相組織が確認されず、炭化物を構成する元素がＣ、Ｖ、ＷとＮｂであることがわかる。
図５及び図６によれば、金属部材ＶＣ及び金属部材ＮｂＣには２重複相組織の形成が確認され、Ａｌは初析に、Ｖはチャンネルに存在していることがわかる。また、基材から混入したＦｅとＣｒは共に、チャンネルに存在していることがわかる。
【００６６】
［Ｘ線回折による相同定］
Ｘ線回折を用いて、熱処理後の各金属部材のクラッド層の相同定を行った。
図７は、金属部材ＷＣ、金属部材ＶＣ及び金属部材ＮｂＣの熱処理前後のクラッド層のＸ線回折図である。
金属部材ＷＣのクラッド層では、熱処理前にＮｉ固溶体相（Ｎｉs.s.）が、熱処理後にＮｉ固溶体相及びＮｉ3Ａｌ相（Ｎｉ3Ａｌ）が存在していることがわかる。金属部材ＷＣのクラッド層には２重複相組織が確認されない。
金属部材ＶＣのクラッド層では、熱処理前にＮｉ固溶体相及びＮｉ3Ａｌ相が存在していることがわかる。金属部材ＶＣには２重複相組織の形成が確認される。
金属部材ＮｂＣのクラッド層では、熱処理後にＮｉ3Ａｌ相及びＮｉ3Ｖ相（Ｎｉ3Ｖ）存在していることがわかる。金属部材ＮｂＣには２重複相組織の形成が確認される。
【００６７】
［硬さ分布］
ビッカース硬さ試験機を用いて、熱処理後の各金属部材のクラッド層の形成表面近傍から２．５ｍｍ付近までのビッカース硬さを測定した。ビッカース硬さ試験は、クラッド層の断面が現れるように試料を放電加工により切断しバフ研磨又は電解研磨した後、クラッド層の断面に圧子を押し付けることにより測定した。
図８は、金属部材ＷＣ、金属部材ＶＣ及び金属部材ＮｂＣの熱処理前後のクラッド層の表面近傍のビッカース硬さ分布を示す図である。
図８によれば、いずれの金属部材のクラッド層でも、熱処理前で４５０ＨＶ前後の硬さを有することがわかる。また、熱処理により若干硬さが上昇するが、熱処理前後で硬さ分布に大差がないことがわかる。
【符号の説明】
【００６８】
１：金属部材
２：基材
３：クラッド層
４：溶融プール
５：噴射ノズル
６：金属間化合物合金粉末
７：セラミックス粒子
８：レーザ光
９：光学レンズ
１０：噴射ノズル移動方向
１１：レーザメタルデポジション装置
【図１】
2018135585.tif 000005
【図２】
2018135585.tif 000006
【図３】
2018135585.tif 000007
【図４】
2018135585.tif 000008
【図５】
2018135585.tif 000009
【図６】
2018135585.tif 000010
【図７】
2018135585.tif 000011
【図８】
2018135585.tif 000012