(57)【要約】【課題】超合金のミクロ構造中に分離した第２相粒子を形成することを含む、ＩＮ７０６部品などの超合金部品の製作方法を提供する。【解決手段】ニッケル基超合金のインゴットを変形させて中間物品を形成することと、中間物品中に実質的に均質に分散したラーベス相析出物を形成することとを含む、物品を製作する方法であって、ラーベス相析出物が少なくとも約０．０５体積％の濃度で存在し、析出物が１ミクロン未満の平均直径を有する、方法が提供される。また、実質的に均質に分散したラーベス相析出物を含み、ラーベス相の粒間および粒内析出物が少なくとも約０．１体積％の濃度で存在し、析出物が１ミクロン未満の平均直径を有する、ニッケル基超合金が提供される。ラーベス相析出は、熱機械加工中にミクロ構造を制御することができ、結晶粒径が細粒化された超合金を生成することができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
物品を製作する方法（２００）であって、
ニッケル基超合金を含むインゴットを変形（２１０）させて中間物品を形成することと、
前記中間物品中に実質的に均質に分散したラーベス相析出物（３００）を形成すること（２４０）とを含み、前記ラーベス相析出物（３００）が少なくとも約０．０５体積％の濃度で前記中間物品中に存在し、前記析出物（３００）が１ミクロン未満の平均直径を有する、
方法（２００）。
【請求項２】
前記ラーベス相析出物（３００）は、少なくとも約０．０７５体積％の濃度で前記中間物品中に存在する、請求項１に記載の方法（２００）。
【請求項３】
前記ラーベス相析出物（３００）は、少なくとも約０．１体積％の濃度で前記中間物品中に存在する、請求項２に記載の方法（２００）。
【請求項４】
形成すること（２４０）は、前記中間物品が露出（２３０）される温度範囲を少なくとも１時間にわたって７００℃と１０００℃の間に維持することを含む、請求項１に記載の方法（２００）。
【請求項５】
形成すること（２４０）は、前記中間物品が少なくとも１時間にわたって１０００℃と７００℃の間の温度範囲に露出（２３０）されるような冷却速度またはそれよりも遅い速度で前記中間物品を冷却すること（２２０）を含む、請求項１に記載の方法（２００）。
【請求項６】
前記中間物品を冷却速度またはそれよりも遅い速度で冷却すること（２２０）は、鋳造中に前記インゴットの表面を断熱材料と接触させること、鋳造後に前記インゴットを断熱材料と接触させること、鋳造後に前記インゴットを固体粒状の断熱材料で覆うこと、鋳造後に前記インゴットを加熱された物質と接触させること、または鋳造後に前記中間物品を前記温度範囲内に加熱された環境に露出すること（２３０）を含む、請求項５に記載の方法（２００）。
【請求項７】
形成すること（２４０）は、前記中間物品を少なくとも２時間にわたって前記温度範囲に露出すること（２３０）を含む、請求項３に記載の方法（２００）。
【請求項８】
前記中間物品を冷却速度またはそれよりも遅い速度で冷却すること（２２０）は、鋳造後に前記中間物品を前記温度範囲内まで加熱された環境に露出すること（２３０）を含む、請求項７に記載の方法（２００）。
【請求項９】
形成すること（２４０）は、前記中間物品を少なくとも６時間にわたって前記温度範囲に露出すること（２３０）を含む、請求項７に記載の方法（２００）。
【請求項１０】
形成すること（２４０）は、前記中間物品を１０時間以下にわたって前記温度範囲に露出すること（２３０）を含む、請求項４に記載の方法（２００）。
【請求項１１】
変形させること（２１０）は、鋳造、押出、圧延、または延伸を含む、請求項１に記載の方法（２００）。
【請求項１２】
前記ニッケル基超合金は、少なくとも２０重量パーセントの鉄、３．０重量パーセントと３．５重量パーセントの間のニオブ、０．２０重量パーセント未満のケイ素、０．０２重量パーセント未満の炭素、４０重量パーセントと４３重量パーセントの間のニッケル、１５．５重量パーセントと１６．５重量パーセントの間のクロム、１．５重量パーセントと１．８重量パーセントの間のチタン、および０．１重量パーセントと０．３重量パーセントの間のアルミニウムを含む組成を有する、請求項１に記載の方法（２００）。
【請求項１３】
前記ニッケル基超合金は、少なくとも５２重量パーセントのニッケル、４．９重量パーセントと５．５５重量パーセントの間のニオブ、０．３５重量パーセント未満のケイ素、０．０２重量パーセント未満の炭素、１７．０重量パーセントと１９．０重量パーセントの間のクロム、１６．０重量パーセントと２０．０重量パーセントの間の鉄、０．７５重量パーセントと１．１５重量パーセントの間のチタン、および２．８重量パーセントと３．３重量パーセントの間のモリブデンを含む組成を有する、請求項１に記載の方法（２００）。
【請求項１４】
変形させること（２１０）は、凡そ１０１０℃未満の温度への前記インゴットの露出（２３０）を含む鋳造を含む、請求項１２に記載の方法（２００）。
【請求項１５】
変形させること（２１０）は、凡そ１０１０℃超の温度への前記インゴットの露出（２３０）を含む押出を含む、請求項１２に記載の方法（２００）。
【請求項１６】
実質的に均質に分散したラーベス相の粒間および粒内析出物を含むニッケル基超合金を含む物品であって、ラーベス相の前記粒間および粒内析出物が前記物品の任意の部分に少なくとも約０．１体積％の濃度で存在し、前記析出物が１ミクロン未満の平均直径を有する、物品。
【請求項１７】
前記ニッケル基超合金は、少なくとも２０重量パーセントの鉄、３．０重量パーセントと３．５重量パーセントの間のニオブ、０．２０重量パーセント未満のケイ素、０．０２重量パーセント未満の炭素、４０重量パーセントと４３重量パーセントの間のニッケル、１５．５重量パーセントと１６．５重量パーセントの間のクロム、１．５重量パーセントと１．８重量パーセントの間のチタン、および０．１重量パーセントと０．３重量パーセントの間のアルミニウムを含む組成を有する、請求項１６に記載の物品。
【請求項１８】
前記ニッケル基超合金は、少なくとも５２重量パーセントのニッケル、４．９重量パーセントと５．５５重量パーセントの間のニオブ、０．３５重量パーセント未満のケイ素、０．０２重量パーセント未満の炭素、１７．０重量パーセントと１９．０重量パーセントの間のクロム、１６．０重量パーセントと２０．０重量パーセントの間の鉄、０．７５重量パーセントと１．１５重量パーセントの間のチタン、および２．８重量パーセントと３．３重量パーセントの間のモリブデンを含む組成を有する、請求項１６に記載の物品。
【請求項１９】
ガスタービンエンジン用のパーツを備える、請求項１６に記載の物品。
【請求項２０】
前記パーツはタービンディスクを備える、請求項１９に記載の物品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、極端な温度および物理的応力の用途に用いる、寿命が向上した、高効率ガスタービンエンジンなどの物品を作製するための合金と、当該方法により作製された物品とに関する。
【背景技術】
【０００２】
産業用ガスタービンエンジンを含む加工パーツの変わらぬ長期性能は、高効率な構造および部品の改良を伴う高まる要求を受ける。例えば、数ある部品の中でも、ガスタービンエンジンのシャフト、ディスク、および大型ホイールのライフサイクルは、特に、高温時の長期の機能性および効率に関して、多くの事例で低サイクル疲労により制限されることがある。ニッケル基合金およびニッケル基超合金は、一般に、各種の理由から、高熱への露出および極端な温度変化などの極端な条件下で、長期間にわたって高い性能が要求される機械の部品を製作するための魅力的な構成要素である。超微細な結晶粒径を有する合金は、疲労特性および強度特性を大きく向上させることができる。一部の合金の場合、結晶粒径は、再結晶化前および／または結晶粒界移動前における特定の金属間ピンニング相の析出により実質的に抑制することができる。
【０００３】
また、結晶粒界のピンニング相が存在しないＮｉ基超合金の大型鋳造品では、要求される機械的特性にとって望ましいサイズに至る、結晶粒の分解および再結晶化を実現するために、特定の温度、歪み、および歪速度が要求される。産業用ガスタービンホイールなどの非常に大型の部品では、これらの重要な加工条件は、要求されるパーツのサイズ／形状によっては必ずしも可能とはならない。現在の産業用ガスタービンホイールは、この問題を経験しており、厚い部品では、要求される加工条件を達成しうる薄い断面の部品よりも結晶粒径が粗いため、低サイクル疲労寿命が抑制されている。ピンニング相の導入は、熱機械加工のみに依存することを必要とせずに、結晶粒径を制御するのに役立つ。このことは、結晶粒の細粒化および再結晶化を推進する一様な高い歪みを実現できない非常に大型のパーツにとって特に望ましい。低サイクル疲労の改良によって、産業用ガスタービンホイールなどの厚い断面の部品を、微細な結晶粒径で加工し、部品寿命を向上させることが可能となりうる。
【０００４】
ニッケル基超合金は、他のいずれの元素よりも高い割合のニッケルを有し、多数の合金元素が添加される、第ＶＩＩＩ群元素（ニッケル、コバルト、または鉄）をベースとする合金である。超合金は、高温時の比較的高い機械的強度と表面安定性との組合せを示すことを特徴とする。インコネル合金７０６（ＩＮ７０６）は、多くのガスタービン部品および同様の極端な温度および他の過酷な条件に露出される他の部品に用いられる、当業者に知られたニッケル基超合金の一例である。使用中の機械的特性は、化学組成など合金固有の性質と、パーツのミクロ構造、特に結晶粒径との両方に依存する。結晶粒径は、低サイクル疲労、強度、およびクリープなどの性質を支配しうる。従来、ＩＮ７０６は、鋳造パーツの溶解後における結晶粒の平均直径が通常６０μｍよりも大きい、比較的粗い結晶粒を有する。これは、従来、ＩＮ７０６の加工によって、結晶粒界のピンニングメカニズムによるなど、最終熱処理中の結晶粒成長を制御できる第２相粒子の析出が生じないためである。比較すると、第２相粒子の形成を達成しうる微細に結晶粒化された合金では、第２相粒子は、結晶粒界を固定するように機能し、それにより鋳造中および溶解熱処理中の結晶粒界移動を抑制する。
【０００５】
よって、超合金のミクロ構造中に分離した第２相粒子を形成することを含む、ＩＮ７０６部品などの超合金部品の製作方法が必要とされる。そのような方法は、従来の方法で達成されるよりも微細かつ均質な結晶粒構造を有利に生じさせることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第８５１２４８８号明細書
【発明の概要】
【０００７】
一態様では、ニッケル基超合金のインゴットを変形させて中間物品を形成することと、中間物品中に実質的に均質に分散したラーベス相析出物を形成することとを含み、ラーベス相析出物が少なくとも約０．０５体積％の濃度で中間物品中に存在し、析出物が１ミクロン未満の平均直径を有する、物品を製作する方法が提供される。
【０００８】
また、実質的に均質に分散したラーベス相析出物を含み、ラーベス相の粒間および粒内析出物が少なくとも約０．１体積％の濃度で存在し、析出物が１ミクロン未満の平均直径を有する、ニッケル基超合金が提供される。
【０００９】
本発明のこれらおよび他の特徴、態様および利点は、添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むと、より良く理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ＩＮ７０６合金のＮｂ含有量と、同合金で製造された物品の低サイクル疲労との関係をプロットしたグラフである。
【図２】本発明による物品を製作する方法の例を示している。
【図３】本開示によるラーベス相析出物を有するＩＮ７０６超合金の走査型電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）を、透過型電子顕微鏡写真（ＴＥＭ）の挿入図と共に示している。
【図４】ＩＮ７０６超合金中に析出したラーベス相と関連付けられる回折パターンであり、本開示による六方晶結晶学的構造を明らかにしている。
【図５Ａ】比較的多量のＮｂと、微細なラーベス相粒子と、比較的小さい結晶粒径とを有する、本開示によるＩＮ７０６超合金のＳＥＭである。
【図５Ｂ】図５Ａに示すＩＮ７０６超合金よりも少量のＮｂを有し、微細なラーベス相粒子が存在せず、図５Ａに示すＩＮ７０６超合金よりも比較的大きい結晶粒径を有する、ＩＮ７０６超合金のＳＥＭである。
【図６Ａ】鋳造し毎分６℃で冷却した後に比較的多量のＮｂを有し、微細なラーベス相粒子および比較的小さい結晶粒径を生じさせる、本開示によるＩＮ７０６超合金のＳＥＭである。
【図６Ｂ】鋳造し毎分＜６℃で冷却した後に、図６Ａに示すＩＮ７０６超合金と同じく比較的多量のＮｂを有し、図６Ａに示すＩＮ７０６超合金に見られるよりも微細なラーベス相粒子および比較的小さい結晶粒径を生じさせる、本開示によるＩＮ７０６超合金のＳＥＭである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
ある態様では、ニッケル基超合金のインゴットを変形させて中間物品を形成することと、中間物品中に実質的に均質に分散したラーベス相析出物を形成することとを含み、ラーベス相析出物が少なくとも約０．０５体積％の濃度で中間物品中に存在し、析出物が１ミクロン未満の平均直径を有する、物品を製作する方法が提供される。
【００１２】
ある例では、ラーベス相析出物は、少なくとも約０．０７５体積％の濃度で中間物品中に存在してもよい。別の例では、ラーベス相析出物は、少なくとも約０．１体積％の濃度で中間物品中に存在してもよい。
【００１３】
また別の例では、実質的に均質に分散したラーベス相析出物を形成することは、中間物品が露出される温度範囲を少なくとも１時間にわたって、例えば、７００℃と１０００℃の間の温度範囲に維持することを含んでもよい。中間物品は、２時間以上にわたって温度範囲に露出されてもよい。ある実施形態では、中間物品は、中間物品が、少なくとも１時間にわたって、一部の例では２時間以上にわたって、例えば、１０００℃と７００℃の間の温度範囲に露出されるような冷却速度またはそれよりも遅い速度で冷却されてもよい。
【００１４】
中間物品を冷却速度またはそれよりも遅い速度で冷却することは、例えば、鋳造中にインゴットの表面を断熱材料と接触させること、鋳造後にインゴットを断熱材料と接触させること、鋳造後にインゴットを固体粒状の断熱材料で覆うこと、鋳造後にインゴットを加熱された物質と接触させること、または鋳造後に中間物品を温度範囲内に加熱された環境に露出することにより達成されてもよい。例えば、中間物品を冷却速度またはそれよりも遅い速度で冷却することは、鋳造後に中間物品を所望の温度範囲内に加熱された環境に露出することを含んでもよい。
【００１５】
一部の例では、形成することは、中間物品を少なくとも６時間にわたって所望の温度範囲に露出することを含んでもよい一方、一部の例では、中間物品を１０時間以下にわたって所望の温度範囲に露出することを含んでもよい。
【００１６】
また他の例では、インゴットを変形させることは、鋳造、押出、圧延または延伸を含んでもよい。例えば、変形は、凡そ１０１０℃未満の温度へのインゴットの露出を含む鋳造を含んでもよく、または凡そ１０１０℃超の温度へのインゴットの露出を含む押出を含んでもよい。
【００１７】
また他の例では、ニッケル基超合金は、少なくとも２０重量パーセントの鉄、３．０重量パーセントと３．５重量パーセントの間のニオブ、０．２０重量パーセント未満のケイ素、０．０２重量パーセント未満の炭素、４０重量パーセントと４３重量パーセントの間のニッケル、１５．５重量パーセントと１６．５重量パーセントの間のクロム、１．５重量パーセントと１．８重量パーセントの間のチタン、および０．１重量パーセントと０．３重量パーセントの間のアルミニウムを含む組成を有してもよい。
【００１８】
さらなる例では、ニッケル基超合金は、少なくとも５２重量パーセントのニッケル、４．９重量パーセントと５．５５重量パーセントの間のニオブ、０．３５重量パーセント未満のケイ素、０．０２重量パーセント未満の炭素、１７．０重量パーセントと１９．０重量パーセントの間のクロム、１６．０重量パーセントと２０．０重量パーセントの間の鉄、０．７５重量パーセントと１．１５重量パーセントの間のチタン、および２．８重量パーセントと３．３重量パーセントの間のモリブデンを含む組成を有してもよい。
【００１９】
別の態様では、実質的に均質に分散したラーベス相析出物を有するニッケル基超合金を含み、ラーベス相の粒間および粒内析出物が少なくとも約０．１体積％の濃度で存在し、析出物が１ミクロン未満の平均直径を有する、物品が提供される。
【００２０】
一部の例では、ニッケル基超合金は、少なくとも２０重量パーセントの鉄、３．０重量パーセントと３．５重量パーセントの間のニオブ、０．２０重量パーセント未満のケイ素、０．０２重量パーセント未満の炭素、４０重量パーセントと４３重量パーセントの間のニッケル、１５．５重量パーセントと１６．５重量パーセントの間のクロム、１．５重量パーセントと１．８重量パーセントの間のチタン、および０．１重量パーセントと０．３重量パーセントの間のアルミニウムを含む組成を有してもよい。
【００２１】
さらなる例では、ニッケル基超合金は、少なくとも５２重量パーセントのニッケル、４．９重量パーセントと５．５５重量パーセントの間のニオブ、０．３５重量パーセント未満のケイ素、０．０２重量パーセント未満の炭素、１７．０重量パーセントと１９．０重量パーセントの間のクロム、１６．０重量パーセントと２０．０重量パーセントの間の鉄、０．７５重量パーセントと１．１５重量パーセントの間のチタン、および２．８重量パーセントと３．３重量パーセントの間のモリブデンを含む組成を有してもよい。
【００２２】
一部の例では、物品は、タービンディスクまたは他のパーツなどのガスタービンエンジン用のパーツを含んでもよい。
【００２３】
以下に提示する各実施形態は、本開示の特定の態様の説明を容易にするものであり、本開示の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。また、本明細書および請求項の全体を通してここで使用するような近似を表す文言は、それが関連する基本的な機能を変更することなく許容範囲内で異なりうる、任意の定量的な表現の修飾に適用することができる。したがって、「約」などの１または複数の用語により修飾された値は、指定された正確な値に限定されるものではない。場合により、近似を表す文言は、値を測定する機器の精度に対応することもある。各種の実施形態の要素を導入するときに、冠詞「１つの（ａ、ａｎ）」、「その（ｔｈｅ）」および「前記（ｓａｉｄ）」は、その要素の１つまたは複数の存在を意味することを意図している。用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」および「有する（ｈａｖｉｎｇ）」は、包含することを意図しており、列挙した要素以外の追加要素が存在しうることを意味している。本明細書では、用語「してもよい（ｍａｙ）」および「されてもよい（ｍａｙ  ｂｅ）」は、一定の状況内の発生可能性、指定された特性、性質もしくは機能を有することを示しており、および／または、修飾される動詞と関連する能力、性能もしくは可能性のうちの１つ以上を表すことにより別の動詞を修飾している。したがって、「してもよい」および「されてもよい」の使用は、修飾された用語が、一部の状況では、適当でなく、可能でなく、または適してないことが往々にしてあることを考慮しつつ、示された能力、機能または使用にとって明らかに適当であり、可能であり、または適していることを示している。動作パラメータのいかなる例も、開示する実施形態の他のパラメータを除外するものではない。特定の任意の実施形態に関して本明細書で説明し、例示し、そうでなければ開示する構成要素、態様、特徴、構成、配置、使用その他を、本明細書で開示する他の任意の実施形態に同様に適用することができる。
【００２４】
本開示は、超合金のミクロ構造中に球状の微細な（＜１μｍ）分離したラーベス相粒子を導入することによって、ガスタービンエンジン用などの機械パーツの製作中における粗い結晶粒の出現を制限することを可能にする、ニッケル基超合金の製作方法を提供する。微細なラーベス相粒子を得るために、許容可能な化学窓を抑制してもよい。ニオブが３重量パーセントに等しいか、それよりも多く存在してもよい。ケイ素が０．２重量パーセント未満で存在してもよい。例えば、ケイ素は、０．０１と０．２重量パーセントの間、０．０３と０．２重量パーセントの間、または０．０５と０．２重量パーセントの間で存在してもよい。他の例では、ケイ素は、０．３５重量パーセント未満で存在してもよい。炭素レベルが、０．０２重量パーセント未満に保たれてもよい。一部の例では、ニッケル基インゴットが１０１０℃未満の温度で鋳造されるが、インゴットを変形させる、押出、圧延または延伸などの他の周知のプロセスを用いてもよい。また、インゴットの変形後の冷却速度を遅くし、ラーベス相析出物の形成を可能にしてもよい。冷却速度は、例えば、１０℃／分未満でもよい。それによって製造されたニッケル基超合金物品は、抑制された結晶粒径を有する。
【００２５】
一例として、ＩＮ７０６は、産業用ガスタービンを含む高効率ガスタービンおよび他の機械での使用のために望ましい性質を有する手頃な、当業者に周知のニッケル基超合金である。Ｓｃｈｉｌｋｅ  ＆  Ｓｃｈｗａｎｔ（１９９４）による、Ａｌｌｏｙ  ７０６  Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ  ａｎｄ  Ｔｕｒｂｉｎｅ  Ｗｈｅｅｌ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ｉｎ  Ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙｓ  ７１８，６２５，７０６  ａｎｄ  Ｖａｒｉｏｕｓ  Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ，Ｌｏｒｉａ，Ｅｄ．，Ｔｈｅ  Ｍｉｎｅｒａｌｓ，Ｍｅｔａｌｓ  ＆  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｓｏｃｉｅｔｙ，１−１２頁、米国特許第３，６６３，２１３号を参照されたい。ＩＮ７０６合金は、ＩＮ７０６の性質とみなされる、ある濃度範囲内の各種の化学成分を有してもよい。例えば、ＩＮ７０６は、従来、数ある成分の中でも、凡そ少なくとも２０重量パーセントの鉄、２．８重量パーセントと３．５重量パーセントの間のニオブ、０．１重量パーセント未満のケイ素、０．０２重量パーセント未満の炭素、４０重量パーセントと４３重量パーセントの間のニッケル、１５．５重量パーセントと１６．５重量パーセントの間のクロム、および１．５重量パーセントと１．８重量パーセントの間のチタンを含むことができる。当業者に周知の、インコネル合金６００、７１８、および６２５などの関連する合金も、これらの構成元素のうちの一部または全てを含むが、１つ以上がＩＮ７０６中の重量比とは異なる重量比であり、以下で説明するような合金の性質および加工工程を有する、それらの修正形態が本開示に含まれる。
【００２６】
一部の金属合金中および超合金中の第２相析出物は、結晶粒界移動および対応する結晶粒径を制約することが示されており、それによって作製された物品の、特に、大型のパーツおよび長期にわたり強力な遠心力を受けるパーツの、例えば、亀裂抵抗性、高温応力および他の物理的応力への反復的な露出に関連する品質を向上させる。しかし、ＩＮ７０６合金中の第２相粒子を用いて結晶粒径を抑制する従来の試みは、従来の治金プロセスでは困難であることがよく知られている。従来、ＩＮ７０６中および一部の他の関連する合金中のラーベス相形成は、往々にして偏析と称され、ためらわれ、ラーベス相析出物は、欠陥とみなされ、ＩＮ７０６合金などの得られた合金に不利な特性を与えるとみなされてきた。従来、そのようなラーベス相析出物は、粗く（＞１μｍ）、直線エッジを伴う立方形状を有する。それらは、不均一に分布し、主に結晶粒界に局在する傾向もある。結晶粒界に沿って不均一に分布した、それらの従来の粗く（＞１μｍ）、ブロック状、球体状、立方体状または非湾曲状のラーベス相粒子は、不利であり、材料を脆弱化させ、よって延性を低下させ亀裂を生じやすくする。Ｔｈａｍｂｏｏ（１９９４）による、Ｍｅｌｔ  Ｒｅｌａｔｅｄ  Ｄｅｆｅｃｔｓ  Ｉｎ  Ａｌｌｏｙ  ７０６  Ａｎｄ  Ｔｈｅｉｒ  Ｅｆｆｅｃｔｓ  ｏｎ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ｉｎ  Ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙｓ  ７１８，６２５，７０６  ａｎｄ  Ｖａｒｉｏｕｓ  Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ，Ｌｏｒｉａ，Ｅｄ．，Ｔｈｅ  Ｍｉｎｅｒａｌｓ，Ｍｅｔａｌｓ  ＆  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｓｏｃｉｅｔｙ，１３７−１５２頁を参照されたい。ラーベス相析出物は、合金の強度に著しく寄与せず、実際、硬化性ガンマダブルプライム析出を形成する元素と競合する。このため、従来の文献は、ラーベス相形成を回避すべきであるという結論を支持している。
【００２７】
本明細書には、ＩＮ７０６などのタイプの合金と、結晶粒径が望ましく抑制され、合金のミクロ構造中のラーベス相析出物を含む析出物を伴う物品を製造する、それらの熱機械加工法と、当該方法により製造された部品とを開示している。本開示によると、有利なラーベス相析出物は、均質に分布することができ、粒間および粒内に分布することができ、それらの形状は、より球状であり湾曲エッジを有することができ、それらは、従来の析出よりも微細なサイズ（＜１μｍ）であることができる。本開示による一部の例では、ラーベス相粒子は、１ミクロン未満の平均直径を有してもよい。例えば、ラーベス相粒子は、６５０ｎｍ±２００ｎｍ平均標準誤差（ＳＥＭ）または６５０ｎｍ±５００ｎｍＳＥＭの平均直径を有してもよい。本開示により形成されたラーベス相析出の有益な効果は、その形成が不利であるという従来の教示と、ＩＮ７０６などの一部の超合金中の結晶粒界移動および結晶粒径を制約することの広く知られた困難性とを考慮すると、特に驚くべきである。
【００２８】
ＩＮ７０６合金中または他の合金中に存在しうる様々な構成元素の濃度の範囲を想定するに、ＩＮ７０６合金および同合金により作製された物品の化学的性質には、一般に、所与の供給元またはロットに応じた変動性がある。このことに対応して、様々な合金の弾力性には、亀裂抵抗性または低サイクル疲労の差などの差があることもある。図１には、ＩＮ７０６合金の様々なサンプルから製造された物品の低サイクル疲労を比較して示している。Ｙ軸は、物品に亀裂が現れる前に加えられた応力のサイクル数を示している。亀裂までのサイクル数が少ないほど、物品のライフサイクルが短いことを示す。様々なサンプルの間には、亀裂形成までに凡そ３，０００から１６，０００サイクルまでの変動性があることが見て取れる。
【００２９】
図１について続けると、Ｘ軸は、各サンプル中のＮｂの重量濃度を示している。見て取れるように、サンプル間のＮｂの成分重量比には、凡そ２．９１％から凡そ３．０３％までの範囲がある。（円形プロットと正方形プロットは、異なる供給元から入手したサンプルを表している。）  見て取れるように、Ｎｂの高い成分重量比は、高い亀裂抵抗性に概ね対応している。他の実験（データを示していない）では、ＩＮ７０６合金中のＮｂの高い濃度は、厚いサンプル中の亀裂抵抗性（すなわち、低サイクル疲労）の増加にも概ね対応する。亀裂抵抗性および向上した低サイクル疲労は、一般に望ましい。これは、高温に耐えうる部品、および部品の長い耐用年数に対応して、長い時間にわたり幾度となく繰り返される長期の大きな遠心力などの他の物理的応力に耐えうる部品を創り出すことと、サービスプロファイルが向上した効率的なエンジンおよびそれらの部品を手頃に構築することとを可能にするためである。Ｎｂの高い濃度により達成されるそのような望ましい効果に加えて、Ｓｉの高い重量比も、そのような効果に対応する。一部の非限定的な例では、凡そ０．０５％と０．１％の間のＳｉの重量比は、低サイクル疲労の向上に対応する。
【００３０】
ニオブは、炭素およびニッケルと自然に結びついて、ＩＮ７０６中に炭化物およびガンマダブルプライムを形成する。しかし、これら２つの相により溶解可能なＮｂの量を超えると、ガンママトリックスは、Ｎｂで過飽和状態となり、このことはラーベス相形成に有利である。Ｎｂは、結晶粒界で分離する傾向もあり、このことは回復運動（ｒｅｃｏｖｅｒｙ  ｋｉｎｅｔｉｃｓ）を減少させる。結果として、ここで低サイクル疲労を向上させるために示される濃度などの高いＮｂ濃度では、高温加工中に蓄積する高いエネルギーによって、微細球状のラーベス相形成が加速される。本明細書に開示するように、特定の条件下では、高いＮｂ濃度によって、微細球状のラーベス相析出物が促進される結果として、微細な結晶粒径の形成が促進されることがある。同様に、Ｓｉも微細球状のラーベス相析出を促進する。このことは、ガンマ中のＮｂの可溶性、したがって微細球状のラーベス相析出の標準自由エネルギーを低下させる。これらの理由から、微細な結晶粒径の促進は、本開示による、典型的な範囲のＩＮ７０６および関連する合金を有する、高レベルのＮｂおよびＳｉから生じることがある。炭素濃度も、低く保たれ、微細球状のラーベス相析出および微細な結晶粒径も促進しうる。
【００３１】
本明細書に開示するように、ＩＮ７０６の結晶粒径の細粒化の達成に関してよく知られた困難性と、ラーベス相析出が不利であるという広く信じられた確信とを考慮すると意外なことに、再結晶化前の微細球状のラーベス相析出および／または高温加工中の結晶粒界移動によって、結晶粒径の細粒化を実現することができる。ＩＮ７０６中のラーベス相は、典型的に１０１０℃未満の温度での長時間の露出後に析出しうる六方晶（Ｆｅ，Ｎｉ，Ｓｉ）2（Ｎｂ，Ｔｉ）相である。例えば、鋳造中、インゴットを７００℃と１０１０℃の間の温度に露出してもよい。８００℃と１０００℃の間、または８５０℃と９５０℃の間の温度を用いてもよい。一部の例では、８７１℃と９２７℃の間の温度を用いてもよい。ラーベス相は、溶解温度（凡そ９５０℃と１０００℃の間など）で安定を保つので、変形後の結晶粒界の移動を抑制することにより、結晶粒径の（動的および静的な）再結晶化を抑制するために用いることができる。
【００３２】
本明細書に開示するように、微細球状のラーベス相は、本明細書に開示するような元素構成で高温加工中に析出される場合、マトリックス全体に一様に分散して生成され、０．５〜１ミクロンサイズの概ね球形の粒子として金属組織的に現れうる。微細球形のラーベス相が一様に分散した状態で合金が再結晶化する場合、新たに形成された結晶粒界は、ラーベス相を取り込み、結晶粒成長を効果的に阻止する。結果は、従来の加工により実現されるよりも、非常に微細かつ一様な結晶粒径となる。
【００３３】
また、本開示によると、前述した鋳造条件および合金の化学的性質の下で、ラーベス相析出は、熱機械加工後に冷却速度を遅くすることにより生じる。本明細書に開示するように、鋳造中および鋳造後に、または単純に鋳造後に、インゴットの表面を断熱材料（パラアラミド繊維ブランケットまたは他の熱保護カバーなど）に接触させるか、またはインゴットを断熱材料でカバーすること、鋳造後にインゴットを固体粒状の断熱材料で覆うこと、鋳造後にインゴットを加熱素子などの加熱された物質と接触させること、または、制御された温度、そうでなければ上昇した温度で所望の期間にわたって炉もしくは他の加熱環境などの加熱環境中にインゴットを保持することなどによって、冷却を遅らせることは、ラーベス相形成を有利に促進する。熱機械加工（例えば、鋳造、押出、圧延、延伸、または超合金の高温加工に用いる温度条件下での他の変形手段）の後に、７００℃と１０００℃の間の温度に物品を露出すること、または高温加工後の長期間にわたってそのような範囲内の温度に露出したままにするように物品の冷却を遅らせることは、ラーベス相形成を有利に促進する。例えば、そのような温度を維持するか、または冷却速度を遅くすることによって、１時間以上、２時間以上、３時間以上、４時間以上、５時間以上、６時間以上、７時間以上、８時間以上、９時間以上、または１０時間以上にわたって、そのような範囲の温度に物品を露出し、それにより、本開示による微細球状のラーベス相析出を有利に促進してもよい。
【００３４】
高温加工後における冷却の遅延期間中または高温加工後における上昇した温度への長期の露出期間中、冷却速度を６℃／分未満まで遅くしてもよい。例えば、冷却速度を毎分１℃未満、２℃未満、３℃未満、４℃未満、５℃未満、または６℃未満まで遅くしてもよい。冷却速度を遅くすることは、本明細書に開示する、微細球状のラーベス相形成を促進する方法の一例である。毎分７℃よりも遅い、８℃よりも遅い、９℃よりも遅い、１０℃よりも遅いなど、より速いが依然として抑制された冷却速度を用いてもよい。本明細書に開示する非限定的な例に従って、上昇した温度（上で開示した範囲内にある上記の周囲温度または室温を意味する）を維持すること、および／または冷却温度を遅くして、上昇した温度を維持することは、目下説明する実施形態の様々な変形例を表す。
【００３５】
図２には、本開示による方法の例を示している。方法２００の非限定的な例が示されている。方法２００は、鋳造、押出、圧延、および延伸を含む熱機械加工法など、中間物品を形成するためのインゴットの変形２１０を含む。物品は、３と３．５重量％の間のＮｂレベルおよび０．０５〜０．１重量％のＳｉを有する、ＩＮ７０６を含むニッケル含有超合金でもよい。一例では、変形２１０は、凡そ１０１０℃未満の温度へのインゴットの露出を含む鋳造、または凡そ１０１０℃超の温度へのインゴットの露出を含む押出を含んでもよい。変形２１０の後、方法２００は、例えば、中間物品の冷却２２０を含んでもよい。冷却２２０は、一般に、物品の変形２１０時の温度よりも低い温度に物品を露出する任意の方法を意味する。例えば、冷却２２０は、変形２１０が行われたときの温度よりも低い温度の周辺環境へ物品からの熱が喪失することにより生じることができる。冷却２２０は、温度範囲への中間物品の露出２３０を含んでもよく、または露出の前に行われてもよい。そのような露出２３０中の温度範囲は、一般に、ラーベス相の形成２４０を促進するための、上で開示した範囲内であってもよい。一部の例では、温度範囲への露出２３０は、物品の最初の冷却２２０を伴わずに行われてもよい。例えば、物品は、最初にいくらかの短い時間にわたって、変形２１０中に物品が露出された温度で維持されてもよい。または、冷却２２０は、交互する期間の間に断続的に、または物品が冷却されずにある範囲内の所与の温度に維持される期間を伴って交互に行われてもよい。冷却２２０は、上で説明した冷却速度の範囲などの遅い速度で行われてもよく、ある温度への露出２３０は、上で説明した温度範囲内および時間内で行われてもよい。
【００３６】
図３には、本開示による方法においてＩＮ７０６合金で作製された物品の例を示している。図３は、鋳造および熱処理後にＩＮ７０６のミクロ構造中にランダムに分散した微細球状のラーベス相を示すＳＥＭ画像である。ＴＥＭ画像（挿入図）は、ラーベス相析出物３００のサイズが凡そ０．５〜１μｍであることを示している。図４には、析出物３００の回折パターンを示しており、ラーベス相と関連付けられることが知られた回折パターンを明らかにし、六方晶結晶学的構造（ｃ／ａ比＝１．５８）を明らかにしている。
【００３７】
図５Ａおよび図５Ｂは、本発明によるＮｂレベル（図５Ａ、＞３重量％のＮｂ）を有するＩＮ７０６物品中の結晶粒径と、低いＮｂレベル（図５Ｂ、＜３重量％のＮｂ）を有するＩＮ７０６物品中の結晶粒径との差を示している。この例における高いＮｂレベルおよびラーベス相析出は、ラーベス相析出物が観察されなかった（平均結晶粒直径１２５μｍ）低いＮｂレベルの場合よりも小さい結晶粒径（平均直径５３μｍ）をもたらす。つまり、この例では、本発明によるラーベス相析出は、５５％よりも高い結晶粒径の減少と関連付けられた。
【００３８】
図６Ａと図６Ｂの比較によって、変形／熱機械加工後に冷却速度を遅らせることにより、本開示による結晶粒径を有する効果が得られることが明らかになる。両方の図は、高いＮｂレベルおよび中程度〜低いＳｉレベルのＩＮ７０６合金（３．２重量％のＮｂ、０．０８重量％のＳｉおよび０．００５重量％のＣ）を示している。図６Ａでは、熱機械加工後に、６℃／分の速度で物品を冷却した。溶解処理（９８２℃／１時間）後に、得られた平均結晶粒径は直径７８μｍであった。図６Ｂに示すように冷却速度が６℃／分よりも遅くされると、溶解中の結晶粒成長が抑制され、４３μｍの平均結晶粒径がもたらされた。微細球状のラーベス相は、熱機械処理中に析出される場合、マトリックス全体に一様に分散して生成され、０．５〜１ミクロンサイズの概ね球形の粒子として金属組織的に出現することがある。微細球状のラーベス相析出物は、物品全体に均質または実質的に均質に形成することもできる。例えば、微細球状のラーベス相析出物は、物品の一部分における他よりも少ないラーベス相および大きな結晶粒径を抑制するのではなく、テストされる物品の任意の部分の少なくとも約０．０５体積％を構成し、その物理構造全体における部品の性質の一様性を高める。他の例では、微細球状のラーベス相析出物は、テストされる物品の任意の部分の少なくとも約０．０７５体積％、またはテストされる物品の任意の部分の少なくとも約０．１体積％を構成してもよい。
【００３９】
本明細書には、前述の方法により作製された物品も開示している。実質的に均質に分散したラーベス相の粒間および粒内析出物を含むニッケル基超合金であって、ラーベス相の粒間および粒内析出物が少なくとも約０．１体積％の濃度で存在し、析出物が１ミクロン未満の平均直径（非限定的な例として、６５０ｎｍ±２００ｎｍＳＥＭの平均直径または６５０ｎｍ±５００ｎｍＳＥＭの平均直径が挙げられる）を有する、ニッケル基超合金を形成することができる。ニッケル基超合金は、少なくとも２０重量パーセントの鉄、３重量パーセントと３．５重量パーセントの間のニオブ、０．２重量パーセント未満のケイ素（非限定的な例として、少なくとも０．０１、０．０３、または０．０５重量パーセント、かつ最大０．１または０．２重量パーセントのケイ素が挙げられる）、０．０２重量パーセント未満の炭素、４０重量パーセントと４３重量パーセントの間のニッケル、１５．５重量パーセントと１６．５重量パーセントの間のクロム、１．５重量パーセントと１．８重量パーセントの間のチタンを含む組成を有することができる。
【００４０】
物品は、例えば、少なくとも５３重量パーセントのニッケル、４．９重量パーセントと５．２重量パーセントの間のニオブ、０．０１重量パーセントと０．１重量パーセントの間のケイ素、０．２重量パーセント未満の炭素を含む組成を有するニッケル基超合金でもよい。一部の例では、物品はガスタービンエンジン用のパーツである。さらなる例では、物品はタービンブレードでもよい。
【００４１】
上記の説明が制限ではなく例示を意図していることを理解されたい。以下の請求項およびその等価物によって定義されるような本発明の一般的な趣旨および範囲を逸脱することなく、当業者は本明細書において多くの変更および修正を行うことができる。例えば、上記の実施形態（および／またはその態様）は、互いに組み合わせて使用されてもよい。加えて、特定の状況または材料を各種の実施形態の教示に適応させるために、それらの範囲から逸脱せずに多くの修正を行ってもよい。本明細書で説明した材料の寸法および種類は、各種の実施形態のパラメータを規定することを意図しており、決して限定ではなく、単なる例示である。他の多くの実施形態は、上記の説明を検討する際に当業者にとって明らかになるであろう。したがって、各種の実施形態の範囲は、添付の請求項を参照して、そのような請求項が権利を与える均等物の十分な範囲と共に決定されるべきである。添付の請求項において、用語「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」および「それには（ｉｎ  ｗｈｉｃｈ）」を用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」および「そこでは（ｗｈｅｒｅｉｎ）」のそれぞれの平易な英語の同義語として用いている。さらに、以下の請求項において、「第１」、「第２」および「第３」などの用語は単に符号として使用され、それらの対象物に数値的な要件を課すことを意図しない。また、結合する、接続する、接合する、シールするその他の用語と併用する用語「動作可能に（ｏｐｅｒａｂｌｙ）」は、直接もしくは間接的に結合される分離した別個の構成要素により生じる接続と、一体形成される（すなわち、一片の、一体の、またはモノリシックな）構成要素との両方を指して、本明細書で用いられる。さらに、以下の請求項の限定事項は、ミーンズプラスファンクション形式で書かれておらず、そのような請求項の限定事項が、さらなる構造を欠いた機能の文言が続く、「〜する手段（ｍｅａｎｓ  ｆｏｒ）」というフレーズを明示的に用いない限りおよび用いるまでは、米国特許法第１１２条第６パラグラフに基づいて解釈されることを意図してはいない。特定の任意の実施形態によって、このような前述された目的または利点の全てが必ずしも達成されない場合があることが理解されるべきである。よって、例えば、当業者は、本明細書で説明するシステムおよび技術が、本明細書に教示されるような１つの利点または一群の利点を達成または最適化する方法で、本明細書に教示または示唆されうる他の目的または利点を必ずしも達成せずに、具現化または実施されうることを認識するであろう。
【００４２】
本発明は、限られた数の実施形態に関して詳細に説明してきたが、本発明は、このような開示された実施形態に限定されないことは容易に理解されよう。むしろ、本発明は、これまでに説明していないが、本発明の趣旨および範囲に相応する、任意の数の変形、変更、置換または等価な構成を組み込むように修正されてもよい。加えて、本発明の各種の実施形態を説明してきたが、説明した実施形態の一部のみを本開示の態様が含んでもよいことを理解されたい。したがって、本発明は、前述の説明によって限定されるとみなされるべきではなく、添付の請求項によってのみ限定される。
【００４３】
この明細書は、ベストモードを含めて、本発明を開示するために、ならびに、任意の装置もしくはシステムの製作および使用、組み込まれた任意の方法の実施を含めて、当業者が本発明を実践することも可能にするために例示を用いている。本発明の特許可能な範囲は、請求項により規定されており、当業者が思い付く他の例を含みうる。このような他の例が請求項の文字通りの言葉と異ならない構造要素を有する場合、または、それらが請求項の文字通りの言葉と実質的な差異のない等価な構造要素を含む場合には、このような他の例は請求項内であることを意図している。
【符号の説明】
【００４４】
２００  方法
２１０  インゴットの変形
２２０  中間物品の冷却
２３０  中間物品の露出
２４０  ラーベス相の形成
３００  ラーベス相析出物
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【外国語明細書】
2018059184000001.pdf