(57)【要約】【課題】高率タービンシャフトおよび高率円柱状物品を製作するためのプロセスパラメータが記載されるように、これらのシャフトおよび円柱状物品が提供される。【解決手段】シャフト／物品は、シャフト／物品の長手軸線に沿って高率＜１１１＞結晶組織を有する結果として、高ヤング率を有する。制限された再結晶プロセスを合金の再結晶温度より低い温度で実行する前に軸対称熱間加工される、方向性凝固シーディング処理＜１１１＞単結晶円柱からシャフトを製作する。開示のプロセスは、強度の単一＜１１１＞組織を製作し、従来のニッケルまたは鉄合金または従来の鋼のヤング率よりも少なくとも４０％大きなヤング率を有するシャフトまたは円柱状物品を生じる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
合金の単結晶円柱であって、単結晶円柱が長手軸線を有し、高率＜１１１＞方向が長手軸線に少なくとも実質的に平行になるようにシーディング処理される、合金の単結晶円柱を提供し、
円柱の所望の大きさを実現するように円柱を熱間加工し、
合金の再結晶温度より低い温度で円柱を熱処理する、
ことを含むことを特徴とする、合金から高弾性率シャフトを製作する方法。
【請求項２】
前記合金はニッケル基合金であることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記合金は鉄基合金であることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記合金は鋼であることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記の熱間加工は円柱を軸対称に熱間加工することを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記の熱処理は直接時効熱処理であることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項７】
＜１１１＞方向のヤング率が約３７Ｍｐｓｉ（２５５ＧＰａ）より大きいことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項８】
＜１１１＞方向のヤング率が約３７〜約４５Ｍｐｓｉ（約２５５〜約３１０ＧＰａ）の範囲にあることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項９】
前記円柱は中実であることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１０】
前記円柱は中空であることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１１】
長手軸線を有する単結晶円柱であって、高率＜１１１＞方向が円柱の長手軸線に少なくとも実質的に平行になるようにシーディング処理される単結晶円柱を合金から鋳造し、
円柱の所望の大きさを実現するように合金の再結晶温度より低い温度で円柱を軸対称に熱間加工し、
合金の再結晶温度より低い温度で円柱を熱処理する、
ことを含むことを特徴とする、合金から高弾性率シャフトを製作する方法。
【請求項１２】
前記合金はニッケル基合金であることを特徴とする請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記合金は鉄基合金であることを特徴とする請求項１１記載の方法。
【請求項１４】
前記合金は鋼であることを特徴とする請求項１１記載の方法。
【請求項１５】
前記の熱処理は直接時効熱処理であることを特徴とする請求項１１記載の方法。
【請求項１６】
＜１１１＞方向のヤング率が約３７Ｍｐｓｉ（２５５ＧＰａ）より大きいことを特徴とする請求項１１記載の方法。
【請求項１７】
＜１１１＞方向のヤング率が約３７〜約４５Ｍｐｓｉ（約２５５〜約３１０ＧＰａ）の範囲にあることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１８】
高率シャフトであって、
シャフトが長手軸線を有し、
シャフトが、シャフトの長手軸線に少なくとも実質的に平行な高率＜１１１＞方向を有する、合金の熱間加工され、制限された再結晶化単結晶から成ることを特徴とする高率シャフト。
【請求項１９】
シャフトの＜１１１＞方向のヤング率が約３７Ｍｐｓｉ（２５５ＧＰａ）より大きいことを特徴とする請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
シャフトの＜１１１＞方向のヤング率が約３７〜約４５Ｍｐｓｉ（約２５５〜約３１０ＧＰａ）の範囲にあることを特徴とする請求項１８記載の方法。
【請求項２１】
合金の単結晶円柱であって、単結晶円柱が長手軸線を有し、高率＜１１１＞方向が長手軸線に少なくとも実質的に平行になるようにシーディング処理される、合金の単結晶円柱を提供し、
円柱の所望の大きさを実現するように円柱を熱間加工し、
強度を最大化するように合金の再結晶温度より低い温度または高い温度で円柱を熱処理する、
ことを含むことを特徴とする、合金から高強度およびまたは高トルク耐性シャフトを製作する方法。
【請求項２２】
前記合金は鉄基合金であることを特徴とする請求項２１記載の方法。
【請求項２３】
前記合金は鋼であり、この鋼は、フェライト、オーステナイト、マルテンサイト、または析出強化されたものとすることができ、全ての鍛錬および鋳造構造用途に一般に使用されることができることを特徴とする請求項２１記載の方法。
【請求項２４】
前記の熱間加工は円柱を軸対称に熱間加工することを含むことを特徴とする請求項２１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は高弾性率シャフトおよびその他の円柱状物品に関する。より詳細には所望の結晶方位で単結晶インベストメント鋳造物をシーディング処理し、鋳造することを含み、さらに、結晶粒組織を保持しかつ再結晶を制限しながら単結晶インベストメント鋳造物を熱間加工する方法を含む、高弾性率シャフトおよびその他の円柱状物品を作成する方法が開示される。ある条件における方法では、異常に高い引張り強さおよびねじり強さの材料が生じることもできる。
【背景技術】
【０００２】
金属材料は一般に結晶形を有する。材料の個々の原子は、特定の結晶または結晶粒の全体にわたって繰り返し延在する、それら個々の原子に隣接する原子に対して予測できる関係を有する。このような結晶の性質は方位によって大幅に変化する。
【０００３】
たいていの金属物品は数千もの個々の結晶または結晶粒からなる。特定の方向での金属物品の性質は、物品を構成する個々の結晶の平均方位に依存する。結晶粒または結晶がランダムな方位を有する場合、物品の性質は等方性、すなわち全ての方向に等しいものとなる。これはめったにない例であり、その理由は、たいていの鋳造、変形、および再結晶プロセスによって少なくとも多少の方位または組織が生じるからである。
【０００４】
結晶は、特定の間隔を有する原子面からなる。これらの面は、（１１１）、（１１０）、（１００）などの形態のミラー指数によって特定される。Ｘ線測定を行うことができ、組織強度を、１Ｘ、５Ｘランダムなどと特徴付けることができ、５Ｘランダムは、例えば２Ｘランダムより強度の高い組織を示す。
【０００５】
ターボファン、補助発電機や、産業用ガスタービンなどの回転機械では、駆動シャフトは通常長く、回転タービンブレードにより生成された動力を、空気を圧縮するために圧縮機ブレードやエンジンの前部にある大きなファンに伝達する。ヘリコプターエンジンでは、駆動シャフトはプロペラを駆動する。
【０００６】
これらの用途や同様の用途では、駆動シャフトは、軸受間で懸架されるか、または、１つの軸受から延在して、１つの回転ビーム、または片持ち梁のように作動する。シャフトの撓みは材料の軸方向剛性またはヤング率に反比例する。ヤング率は振動の固有振動数を制限し、結果としてシャフトの最大回転速度を制限する。この観点から、シャフトの軸方向剛性、従ってヤング率を増大させることは、シャフトの回転速度を大きくできるので望ましい。
【０００７】
剛性のあるシャフトはタービンエンジン内のブレードおよびディスクの不均衡な回転荷重に対する許容性が向上する。剛性のあるシャフトによってまた、外側ケーシングとのブレード先端の接触が低減し、それによって、漏れが低減し、効率が向上する。あるいは、剛性を増大させることで、シャフトを長くすることができ、または支持する軸受間の間隔を大きくすることができる。軸受アッセンブリを減らすことで、重量を削減できるばかりでなく、軸受アッセンブリの干渉なしに収容するタービン段数を増やせるという設計上の柔軟性が得られる。潤滑剤を軸受アッセンブリに供給する配管も減らすことができる。剛性の向上したシャフトの他の用途は、当業者には明らかであろう。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
駆動シャフトの破損を許容できないとすれば、シャフトは通常、過剰設計されるか、または予測寿命に基づく。さらに、高い延性および靭性を有する、金属以外の任意の他の材料から駆動シャフトを作成することは、ありそうにない。その結果、撓みを最小限に抑えるために可能な最大のヤング率を有するシャフト材料を用いるのが望ましい。金属の中では非常に高密度のタングステンおよびレニウムを除くと、最も一般的な多結晶鋼およびニッケル基合金の弾性のヤング率は室温でおよそ３０Ｍｐｓｉ（２０７ＧＰａ）である。６０Ｍｐｓｉ（４１４ＧＰａ）を超えて室温ヤング率を増大させることは、酸化物および炭化物などのセラミック材料では可能な場合があるが、これらの材料はその脆い性質によって、回転機械のシャフトには不適当である。別の方法は、例えばアルミナまたはＳｉＣからなる高強度繊維で金属母材複合材を製作することである。しかしながら、この方法は粗くかつ制御されない繊維構造に関連する一貫性のない機械的性質によってリスクが高いとも考えられる。
【０００９】
従って、現在入手できるものより高いヤング率を有するシャフトおよび他の物品を製作する、単結晶鋳造、大きな単結晶鋳造、インベストメント鋳造、単結晶鋳造物の熱間加工などのプロセスが必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明はタービン用の駆動シャフトまたは他の円柱状構造などの回転機械用の金属構成要素に関する。シャフトまたは円柱の軸線方向すなわち主方向に鉄またはニッケル基合金の高率（ｈｉｇｈ  ｍｏｄｕｌｕｓ）方位＜１１１＞が配列されたシャフトまたは円柱が形成される。合金が六方結晶構造のコバルト基の場合は高率方向は、＜０００１＞または結晶のｃ軸となり、合金がモリブデン基の場合は高率方向は、＜１００＞となることが理解される。
【００１１】
実施例では合金から高弾性率シャフトを製作する方法が開示される。方法は合金の単結晶円柱を提供することを含む。単結晶円柱は長手軸線を有する。単結晶円柱はまた、高率＜１１１＞方向が長手軸線に少なくとも実質的に平行になるようにシーディング処理される。方法はまた、円柱の所望の大きさを実現するように円柱を熱間加工し、合金の再結晶温度より低い温度で円柱を熱処理することを含む。
【００１２】
合金から高弾性率シャフトを製作する別の方法が開示される。方法は合金から単結晶円柱を鋳造することを含む。単結晶円柱は長手軸線を有する。単結晶円柱は、高率＜１１１＞方向が円柱の長手軸線に少なくとも実質的に平行になるようにシーディング処理される。方法はまた、合金の再結晶温度より低い温度で円柱の所望の大きさを実現するように円柱を軸対称に熱間加工することを含む。さらに方法は合金の再結晶温度より低い温度で円柱を熱処理することを含む。
【００１３】
長手軸線を備える高率シャフトも開示される。シャフトは、シャフトの長手軸線に少なくとも実質的に平行な高率＜１１１＞方向を有する、合金の熱間加工され、制限された再結晶化単結晶から成る。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】面心、体心、単純立方、またはＢ２などの若干の規則的変形物とすることができる立方構造を有する単結晶内のニッケルおよび鉄基合金についての典型的な室温ヤング率面を示す図。
【図２】標準立体三角形に関連して表示された典型的な複合ニッケル基合金における結晶方向によってどのように室温ヤング率が変化するかを示す図。
【図３】結晶粒の大部分が高率＜１１１＞方向に沿って配置された高度に組織化された多結晶材料を概略的に示す図。
【図４】従来技術のランダム結晶粒組織および従来技術の高率＜１１１＞結晶粒組織のシャフトの製造プロセスを概略的に示す図。
【図５】＜１１１＞方位単結晶の軸対称熱間加工に基づいて高率＜１１１＞結晶粒組織シャフトを製作する開示の方法を概略的に示す図。
【図６】直径の６１％低減で成功裏にスエージ加工され、高率＜１１１＞の保持が確認された、高率＜１１１＞方位単結晶を示す図。
【図７】直径の５０％低減で成功裏に押し出し加工され、従来の多結晶材料に対して率の３０％向上を示すことが確認された、高率＜１１１＞方位ＩＮ７１８単結晶インゴットを示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
インベストメント鋳造は最も古くから知られた金属形成技術のうちの１つである。当初はインベストメント鋳造物を形成するために蜜蝋を用いた。今日では先端技術のワックス、耐熱材料、および特殊合金をインベストメント鋳造物に用いることで、さまざまな金属および高性能合金に対して、精度、再現性、汎用性、および完全性が得られている。
【００１６】
ターボファンは一種のジェットエンジンであり、航空機の推進に幅広く使用されている。ターボファンは基本的に２つのエンジンの組み合わせ、すなわち従来のガスタービンエンジンであるターボ部分と、ダクト内に囲まれたプロペラ状のファンとの組み合わせである。エンジンは協力して作動するこれらの２つの部分の組み合わせによって推力を生じる。大多数のターボファンは、エンジンの前部に大きなファンまたは圧縮機と、大きなファンの後に比較的小さなタービンまたはジェットエンジンとを有する基本設計に従う。しかしながら、これらのテーマに関しては、エンジンの前部にある２つの圧縮機およびエンジンの後部にある２つのタービンを含め、多数の変形物がある。他の変形物には、既存のジェットエンジンに容易に追加できる後部取り付けファン、または、１つの後部取り付けユニットとして低圧タービンとファンステージとを組み合わせる設計が含まれる。
【００１７】
ターボファンエンジンの効率には移動部品と静止部品の間の最小クリアランスの維持が不可欠である。タービン駆動シャフトは回転のためにディスクおよびブレードに結合され、エンジンのタービンセクションから圧縮機セクションへ動力を伝達する。効率的な作動にはケーシングに対するブレードの正確な配置が必要となる。従って、タービン駆動シャフトに剛性があり、比較的撓みや振動がないことが最も重要であるが、多少の振動や撓みは避けられない。駆動シャフトの撓みや振動を生じる応力は、エンジン作動から生じ、また、航空機の動きによって生じる外的に掛けられる荷重から生じる。
【００１８】
ニッケルおよび鉄基合金単結晶において高弾性異方性を利用することで、ヤング率を一方向に選択的に向上させることができる。図１の概略的なヤング率面によって示すように、単結晶内で結晶方向＜１１１＞に沿って４４Ｍｐｓｉ（３０４ＧＰａ）に近い室温弾性率を実現できる。図２を参照すると、立体射影三角形に関連して提示されたプロットによって、全ての結晶方向によるヤング率の変化が記載される。図１、図２から、ヤング率が結晶＜１００＞方向における約１８Ｍｐｓｉ（１２４ＧＰａ）という低い値から結晶＜１１１＞方向における約４４Ｍｐｓｉ（３０４ＧＰａ）へと、少なくとも２倍に変化することが明らかである。この変化は、熱機械疲労の改善に低弾性率が有利であり、高サイクル疲労が関心事である振動環境で高弾性率が有利である、鋳造単結晶から作成されたブレードおよびベーンなどの構成要素に利用される。
【００１９】
ヤング率を向上させるためにシャフト軸線に平行な＜１１１＞方向を有する鋳造単結晶からシャフトを作成することが実際的でない場合がある。経験に基づくと靭性および疲労寿命の観点から鋳造材料より等方性微結晶粒鍛錬材料が優れていると一般に仮定される。しかしながら、この効果を利用できる場合もあり、それは大部分の結晶粒が＜１１１＞方向に配置されるように高度に組織化された多結晶微結晶粒材料を製作できる場合である。このような材料はシャフトの軸線方向における＜１１１＞結晶粒組織の程度に依存して、米国特許第４，７０２，７８２号に記載されているように平均して室温において３５〜４０Ｍｐｓｉ（２４１〜２７６ＧＰａ）のヤング率となるであろう。図３にこの概念を概略的に示す。
【００２０】
図４を参照すると、微結晶粒鍛錬構造を実現するために、適切な組成の粉末の高温圧密化により作成または鋳造され大きな結晶粒径２２を有する円柱インゴット２１から開始することで、従来のシャフト１９、２０を作成する。工程２３において、中実形態のまたは中空円柱としてのこのようなインゴット２１を、スエージ加工、押し出し加工、または回転鍛造などの軸対称方法のいずれかを用いて熱間加工して、最終の長さおよび直径と、いくぶん小さな結晶粒径とを実現する。次いで工程２５または２６において、最終のシャフト２０を適切に熱処理して微結晶粒を再結晶させ、所望の微細構造２７を実現する。
【００２１】
図４のプロセスは一般に、ランダム結晶粒組織２７を有し約３０Ｍｐｓｉ（２０７ＧＰａ）の等方性ヤング率を有する最終製品１９または２０を生成する。いくつかの従来技術のプロセスは、再結晶化された結晶粒組織がランダムでなく好ましくは強力な＜１１１＞組織を形成する特定のニッケル合金組成に限定される。一般にこのようなニッケル合金組成が有する積層欠陥エネルギーはより高いものとなる。積層欠陥エネルギーは容易に定量化できるパラメータではなく、図４の従来技術のプロセスは、高モリブデン含有ニッケル基合金またはＮｉ3Ｓｉの析出に基づく合金などの強力な高率＜１１１＞組織を提供するように経験的に観察される合金に限定される。
【００２２】
開示のプロセスはランダム結晶粒組織のシャフト１９または高率＜１１１＞結晶粒組織を有するシャフト２０を提供する図４の従来のプロセスとは異なる。図５に概略的に示すように開示のプロセスは高率＜１１１＞方向に平行な軸線３１を有する特別に鋳造された単結晶円柱３０を始める。これはニッケルまたは鉄基合金インゴット３０の方向性凝固によって実現することができ、方向性凝固は円柱３０の軸線３１である凝固方向に、＜１１１＞方位シードからまたは＜１１１＞方向を得るように適切に傾斜した任意の他の単結晶シード２９から始まる。次いで工程３２において、鋳造円柱３０を適切に熱処理して材料を軟化させ、中間製品３３によって示すように適切な低減へと円柱３０を熱間加工する。強い熱間加工が再結晶を引き起こすことができる温度未満で熱間加工工程３２を実施するのが好ましい。
【００２３】
結果として、大量の下部構造を有し、軸線３１に沿った高率＜１１１＞方位の維持を損なわずに、準単結晶３４を有する、強く熱間加工された円柱３３が得られる。円柱３３は、鋳造単結晶の場合に生じるような、結晶の対称性を反映する、認識可能なＸ線または電子線回折パターンを生じることができない。それにもかかわらず、Ｘ線回折強度対ブラッグ角走査を行うことで、円柱３３の結晶学的性質を確認することができ、音速または機械的手段によって弾性様式を測定することができる。
【００２４】
次いで、工程３６において、円柱３３を、制限された再結晶プロセスおよび直接時効熱処理に掛けて、約３７〜約４０Ｍｐｓｉ（約２５５〜約２７６ＧＰａ）の範囲にある＜１１１＞方位のヤング率を有する棒または円柱３７を製作する。また、合金の再結晶温度より低い温度で工程３６のプロセスを行う。
【００２５】
下位規模レベルで軸対称スエージ加工を用いる図５に示した方法の実行可能性を図６に示す。同様に、押し出し加工などの下位規模製作方法におけるプロセスの実行可能性を図７に示す。材料を軟化させる予熱処理とスエージ加工温度の調節を必要とする、いくつかの合金のために作用する図５のプロセスを実際に行った。ニッケルおよび鉄基合金に精通する者は、これらの温度を、任意の与えられた合金についての液相線、固相線、およびソルバス温度の示差熱分析（ＤＴＡ）に基づいて容易に選択することができる。次いで、熱間加工された高率単結晶を、工学的性質の最適な均衡を回復するように再結晶を最小限に抑える制御された仕方で、引き続き熱処理することができる。
【００２６】
特定の合金組成に依存して、たまたま＜１１１＞組織が保持される場合は、後熱間加工熱処理によって、結晶粒構造を完全に再結晶させることが可能であることが理解される。しかしながら、この方法は、限られた種類の合金に実施することができるだけである。開示の一方法は、大量の転位下部構造および高転位密度を有する準単結晶として高率＜１１１＞組織が主に保持されるように再結晶を制限することになる。多くのニッケル基超合金および鉄基合金または鋼における低温析出と結合された高転位密度を有する強く加工された構造は、引張り強さ、疲労寿命などの他の工学的性質の均衡を達成するのに十分となる。ＩＮ７１８の直接時効は、ジェットエンジンのディスク、シャフトなどの構造構成要素を作成する技術に精通した者によく知られた、そのような性質の一例である。
【００２７】
以下の表に示すいくつかのスエージ加工合金の予備的１０００°Ｆ引張り試験結果は、そのような仮説が正しいという事実ばかりでなく、単結晶の熱間加工が引張り強さ、そして結果としてねじり能力を向上させるよりいっそう大きな可能性を保持するという事実を裏付ける。典型的な鍛錬合金に比較して、ＹＳおよびＵＴＳ強さのほぼ３０％の増加が実現された。従来、極限ねじり強さは、ＵＴＳの７０％であると仮定されており、それに基づくと、結果は、ねじり強さもまた向上させる可能性を反映する。
【００２８】
【表１】
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【００２９】
単結晶の熱間加工は、多結晶材料では避けられない結晶粒間の弾塑性の不適合性を除去することで、材料の本体全体に亘って均一に熱間加工を行き渡らせるという付加的な利点を与える。多結晶材料では、いくつかの結晶粒が、それらの望ましくない方位と、隣接する結晶粒との不適合性とに起因して、熱間加工に反応せず、それによって、加工硬化による平均的な強度向上が低減されることを示唆する多くの実験証拠がある。この状況は、開始結晶粒径が粗いほど、最悪になる。単結晶の場合、この状況は、よく選択された熱間加工戦略によって、制限されたすべりシステムに沿った制御されない剪断が可能でないとすれば解消する。
【００３０】
さらに、＜１１１＞方位単結晶を熱間加工することで、同じレベルの強化が単結晶合金ＰＷＡ１４８４および典型的な鍛錬合金Ｕｄｉｍｅｔ７２０ＬＩで達成されたという事実は、強度向上が加工硬化または均一な転位密度の増加に純粋に起因することを明らかに示唆する。
【００３１】
当業技術に精通する者は、提案された方法を、Ｈａｓｔｅａｌｏｙ−Ｘなどの析出構造を含有しない固溶体強化合金の強度をさらに向上させるのに使用できるであろうこと、そしてそのような方法が、延性の損失なしに強度を向上させるより良好な機会を与えることができることを、ただちに理解するであろう。
【００３２】
また、高率の保持が必要とされないならば、析出硬化合金の場合、材料を再結晶させ、析出硬化および微結晶粒強化を追加することで、付加的な強度向上を実現することができる。
【００３３】
＜１１１＞方位単結晶円柱３０を有する高度に配列された高率（約４０〜４４Ｍｐｓｉ；  約２７６〜３０４ＧＰａ）方向で開始することによって、ランダム結晶粒組織を形成する傾向のある合金を含む合金について高率を保持するかなりの自由が得られる。これは、開始の円柱２１が中間レベルの弾性率（約３０Ｍｐｓｉ；  約２０７ＧＰａ）を有し、特定の合金組成だけに作用するランダム組織の再結晶化が続く（図４の工程２５、２６参照）、従来技術の方法とは明確に異なる。
【００３４】
いくつかの特定の合金では、再結晶組織が  最終的に強力な＜１１１＞組織になる場合は、＜１１０＞、＜１１２＞、＜１００＞または＜１２３＞などのさまざまな方位の単結晶から、または柱状結晶粒材料さえからも開始することがより有利となり得ることが理解される。開示のプロセスは、鋳造または圧密粒子インゴット２１から開始して高率シャフトを作成する従来の方法とは異なり、方向性凝固単結晶３０または柱状結晶粒材料３０から開始する新規な方法を示唆する。大部分の種類のニッケルおよび鉄基合金では、＜１１１＞方位単結晶が実際的な方法となり得る。
【００３５】
この文脈では、強度がマルテンサイト変態、最後の方位または結晶粒組織から由来し得たいくつかの鉄基合金および鋼は、親相と結果として生じるマルテンサイト相との癖面関係に起因して開始方位から規則正しく移動することができることも理解される。このような状況では、所望の強度および率の組み合わせに依存して、＜１１１＞方位からのずれが望ましいものとなり得る。
【００３６】
ねじり押し出し加工、および等溝角押し出し加工などの従来と異なった熱間加工プロセスが、強度を向上させるために使用されることもできること、そして、開始単結晶方位を選択することによって付加的な利点を提供することができることも理解される。例えば、そのような技術の組み合わせは、＜１００＞方位の開始単結晶を高率＜１１１＞組織材料に変換することができ、＜１００＞が自然な成長方向なので、シードの必要を解消することで鋳造段階における製造の利点を与える。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
開示のプロセスは、プロセス工程の組み合わせである。第１に、所望の結晶方位を生成するように単結晶鋳造物をシーディング処理することができる。従来のインベストメント鋳造または帯域溶融法によって直径１フィートおよび高さ数フィートに近い大きな単結晶鋳造物を鋳造することができる。さらに、セラミックまたは耐熱金属コアを用いて中空単結晶円柱も鋳造することもできる。選択された方位の単結晶鋳造を軸対称に熱間加工し、その後に、所望の結晶粒組織を実現するようにさまざまな技術を用いて、制限された再結晶または直接時効処理を続けることができる。全ての工程における最適な処理パラメータは、合金ごとに異なる可能性があるが、いずれのプロセスも特定の組成のニッケルまたは鉄基合金に制限されることは根本的に予想されない。
【００３８】
ニッケル基および鉄基（鋼）シャフトは通常、高い靭性および高い延性を有する。これらの種類の材料において高弾性率を実現することによって、高率シャフト材料としてのそれらの用途のリスクが高率複合材シャフトよりかなり低くなる。結晶粒組織を変えることは、材料の塑性に二次的な影響を有するだけである。
【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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【手続補正書】
【提出日】平成30年9月20日(2018.9.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄基合金の単結晶円柱であって、単結晶円柱が長手軸線を有し、高弾性率＜１１１＞方向が長手軸線に少なくとも実質的に平行になるようにシーディング処理される、鉄基合金の単結晶円柱を提供し、
円柱の所望の大きさを実現するように円柱を熱間加工し、
鉄基合金の再結晶温度より低い温度で円柱を熱処理する、
ことを含むことを特徴とする、鉄基合金から高弾性率シャフトを製作する方法。
【請求項２】
前記合金は鋼であることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記の熱間加工は円柱を軸対称に熱間加工することを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記の熱処理は直接時効処理であることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項５】
＜１１１＞方向のヤング率が３７Ｍｐｓｉ（２５５ＧＰａ）より大きいことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項６】
＜１１１＞方向のヤング率が３７〜４５Ｍｐｓｉ（２５５〜３１０ＧＰａ）の範囲にあることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記円柱は中実であることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項８】
前記円柱は中空であることを特徴とする請求項１〜６に記載の方法。
【請求項９】
長手軸線を有する単結晶円柱であって、高弾性率＜１１１＞方向が円柱の長手軸線に少なくとも実質的に平行になるようにシーディング処理される単結晶円柱を鉄基合金から鋳造し、
円柱の所望の大きさを実現するように鉄基合金の再結晶温度より低い温度で円柱を軸対称に熱間加工し、
鉄基合金の再結晶温度より低い温度で円柱を熱処理する、
ことを含むことを特徴とする、鉄基合金から高弾性率シャフトを製作する方法。
【請求項１０】
前記合金は鋼であることを特徴とする請求項９記載の方法。
【請求項１１】
前記の熱処理は直接時効処理であることを特徴とする請求項９記載の方法。
【請求項１２】
＜１１１＞方向のヤング率が３７Ｍｐｓｉ（２５５ＧＰａ）より大きいことを特徴とする請求項９記載の方法。
【請求項１３】
＜１１１＞方向のヤング率が３７〜４５Ｍｐｓｉ（２５５〜３１０ＧＰａ）の範囲にあることを特徴とする請求項９記載の方法。
【請求項１４】
高弾性率シャフトであって、
シャフトが長手軸線を有し、
シャフトが、シャフトの長手軸線に少なくとも実質的に平行な高弾性率＜１１１＞方向を有する、鉄基合金の熱間加工され、制限された再結晶化単結晶から成ることを特徴とする高弾性率シャフト。
【請求項１５】
シャフトの＜１１１＞方向のヤング率が３７Ｍｐｓｉ（２５５ＧＰａ）より大きいことを特徴とする請求項１４記載のシャフト。
【請求項１６】
シャフトの＜１１１＞方向のヤング率が３７〜４５Ｍｐｓｉ（２５５〜３１０ＧＰａ）の範囲にあることを特徴とする請求項１４記載のシャフト。
【請求項１７】
鉄基合金の単結晶円柱であって、単結晶円柱が長手軸線を有し、高弾性率＜１１１＞方向が長手軸線に少なくとも実質的に平行になるようにシーディング処理される、鉄基合金の単結晶円柱を提供し、
円柱の所望の大きさを実現するように円柱を熱間加工し、
強度を最大化するように鉄基合金の再結晶温度より低い温度または高い温度で円柱を熱処理する、
ことを含むことを特徴とする、鉄基合金から高強度およびまたは高トルク耐性シャフトを製作する方法。
【請求項１８】
前記合金は鋼であることを特徴とする請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
前記の熱間加工は円柱を軸対称に熱間加工することを含むことを特徴とする請求項１７記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３８】
ニッケル基および鉄基（鋼）シャフトは通常、高い靭性および高い延性を有する。これらの種類の材料において高弾性率を実現することによって、高率シャフト材料としてのそれらの用途のリスクが高率複合材シャフトよりかなり低くなる。結晶粒組織を変えることは、材料の塑性に二次的な影響を有するだけである。
なお、好ましい、合金から高弾性率シャフトを製作する方法について、以下に記載する。
好ましい、合金から高弾性率シャフトを製作する方法は、
合金の単結晶円柱であって、単結晶円柱が長手軸線を有し、高率＜１１１＞方向が長手軸線に少なくとも実質的に平行になるようにシーディング処理される、合金の単結晶円柱を提供し、
円柱の所望の大きさを実現するように円柱を熱間加工し、
合金の再結晶温度より低い温度で円柱を熱処理する、
ことを含む。
前記合金は好ましくは、ニッケル基合金である。
前記合金は好ましくは、鉄基合金である。
前記合金は好ましくは、鋼である。
前記の熱間加工は好ましくは、円柱を軸対称に熱間加工することを含む。
前記の熱処理は好ましくは、直接時効熱処理である。
前記の方法は好ましくは、＜１１１＞方向のヤング率が約３７Ｍｐｓｉ（２５５ＧＰａ）より大きい。
前記の方法は好ましくは、＜１１１＞方向のヤング率が約３７〜約４５Ｍｐｓｉ（約２５５〜約３１０ＧＰａ）の範囲にある。
前記円柱は好ましくは、中実である。
前記円柱は好ましくは、中空である。
また、好ましい、合金から高弾性率シャフトを製作する方法について、以下に記載する。
好ましい、合金から高弾性率シャフトを製作する方法は、
長手軸線を有する単結晶円柱であって、高率＜１１１＞方向が円柱の長手軸線に少なくとも実質的に平行になるようにシーディング処理される単結晶円柱を合金から鋳造し、
円柱の所望の大きさを実現するように合金の再結晶温度より低い温度で円柱を軸対称に熱間加工し、
合金の再結晶温度より低い温度で円柱を熱処理する、
ことを含む。
前記合金は好ましくは、ニッケル基合金である。
前記合金は好ましくは、鉄基合金である。
前記合金は好ましくは、鋼である。
前記の熱処理は好ましくは、直接時効熱処理である。
前記の方法は好ましくは、＜１１１＞方向のヤング率が約３７Ｍｐｓｉ（２５５ＧＰａ）より大きい。
前記の方法は好ましくは、＜１１１＞方向のヤング率が約３７〜約４５Ｍｐｓｉ（約２５５〜約３１０ＧＰａ）の範囲にある。
また、好ましい高率シャフトについて、以下に記載する。
好ましい高率シャフトは、
シャフトが長手軸線を有し、
シャフトが、シャフトの長手軸線に少なくとも実質的に平行な高率＜１１１＞方向を有する、合金の熱間加工され、制限された再結晶化単結晶から成る。
前記シャフトは好ましくは、シャフトの＜１１１＞方向のヤング率が約３７Ｍｐｓｉ（２５５ＧＰａ）より大きい。
前記シャフトは好ましくは、シャフトの＜１１１＞方向のヤング率が約３７〜約４５Ｍｐｓｉ（約２５５〜約３１０ＧＰａ）の範囲にある。
また、好ましい、合金から高強度およびまたは高トルク耐性シャフトを製作する方法について、以下に記載する。
好ましい、合金から高強度およびまたは高トルク耐性シャフトを製作する方法は、
合金の単結晶円柱であって、単結晶円柱が長手軸線を有し、高率＜１１１＞方向が長手軸線に少なくとも実質的に平行になるようにシーディング処理される、合金の単結晶円柱を提供し、
円柱の所望の大きさを実現するように円柱を熱間加工し、
強度を最大化するように合金の再結晶温度より低い温度または高い温度で円柱を熱処理する、
ことを含む。
前記合金は好ましくは、鉄基合金である。
前記合金は好ましくは、鋼であり、この鋼は、フェライト、オーステナイト、マルテンサイト、または析出強化されたものとすることができ、全ての鍛錬および鋳造構造用途に一般に使用されることができる。
前記の熱間加工は好ましくは、円柱を軸対称に熱間加工することを含む。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
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