(57)【要約】【課題】自然欠陥に模擬した欠陥を有する超音波深傷試験用ブロック素材の製造方法を提供する。【解決手段】基地の中に、自然欠陥に模擬した欠陥が人工的に作成されている超音波深傷試験用ブロック素材を製造する方法であって、基地になる金属材料と、金属材料よりも高融点材料である欠陥源とをプラズマ積層凝固炉に装入して溶解処理を行ってインゴットを製造し、ついで、そのインゴットに対して真空アーク再溶解炉で再溶解処理を行ったのち冷却して、基地の中に欠陥源の未溶解残渣を形成する超音波深傷試験用ブロック素材の製造方法。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基地の中に、自然欠陥に模擬した欠陥が人工的に作成されている超音波深傷試験用ブロック素材を製造する方法であって、
前記基地になる金属材料と、前記金属材料よりも高融点材料である欠陥源とをプラズマ積層凝固炉に装入して溶解処理を行ってインゴットを製造し、
ついで、前記インゴットに対して真空アーク再溶解炉で再溶解処理を行ったのち冷却して、前記基地の中に前記欠陥源の未溶解残渣を形成することを特徴とする超音波深傷試験用ブロック素材の製造方法。
【請求項２】
前記金属材料がＴｉであり、前記欠陥源がＮｂ，ＭｏおよびＴｉＮである請求項１の超音波深傷試験用ブロック素材の製造方法。
【請求項３】
Ｎｂ，Ｍｏの大きさは０．１〜１０ｍｍであり、これらは、プラズマ積層凝固炉への装入に際してはＡｌ箔で被包されて装入される請求項２の超音波深傷試験用ブロック素材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波深傷試験用ブロック素材の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、航空機のブレード用素材にはＴｉ系合金が用いられている。このＴｉ系合金は、Ｎｂ，Ｍｏなどの高融点金属を必須の合金成分として含んでいるが、その製造過程で、これらの高融点材料が完全に溶解せず、未溶解状態でＴｉ系基地の中に残存している場合がある。
【０００３】
なお、基地材料であるＴｉの場合も表面が窒化してＴｉＮになっていると、そのＴｉＮも高融点であるため、形成されたＴｉ系基地の中に介在することがある。
このような未溶解物や介在物はＴｉ系合金の内部欠陥であって、これら欠陥が存在しているＴｉ系合金は、その強度特性が設計値との対比で劣化しているので、実使用することには危険性が伴う。
【０００４】
したがって、製造したＴｉ系合金に対しては、その実使用に先立ち、上記した内部欠陥の有無、分布状態などを検査して、製品化が可能なものとそうでないものとを選別することが必要である。
この検査のためには、通常、超音波深傷試験法が適用されている。その試験法について次に説明する。
【０００５】
検査対象のＴｉ系合金の欠陥を実測するに先立ち、まず、次のような比較試料を作成する。
すなわち、Ｔｉ系合金の基地組成と同じ組成のＴｉ系合金のブロック（または片）を製造し、このブロックの中に、想定される欠陥の大きさの穴を穿設したり、または想定される欠陥の大きさと同等の大きさをしたＮｂ粒やＭｏ粒を適宜に分散させた状態で埋め込んで、基地内に上記したＮｂ粒やＭｏ粒からなる模擬欠陥を有する比較試料とする。
【０００６】
ついで、この比較試料に対して超音波深傷試験を行い、模擬欠陥からのエコーを検出し、その検出信号に基づいて、この比較試料における模擬欠陥の位置や分布や大きさを把握する。
そして、検査対象のＴｉ系合金の欠陥の有無を実測する。
すなわち、比較試料の超音波深傷試験時に採用した超音波の場合と同じ周波数の超音波を用いてエコーの有無を測定する。そして、測定されたエコーと比較試料で得られたエコーを比較することにより、実測したＴｉ系合金内の欠陥の位置や大きさを決定する。
【０００７】
例えば、比較試料のある種類のエコーと同じ種類のエコーが測定されたとするならば、その位置に、比較試料に埋め込んだ模擬欠陥と同種類で同じ大きさの未溶解物や介在物が残存していると判断する（特許文献１を参照）。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１１−２９５２７６号公報の図２
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した検査方法は必ずしも高精度で実測対象のＴｉ系合金の内部欠陥を検知できないという問題がある。その理由は以下のとおりである。
まず、実測対象のＴｉ系合金における欠陥（以後、それは未溶解物であるとして説明する）は、高融点材料が完全溶融する途中にある未溶解物である。したがって、その未溶解物は、中心部は未溶解状態にあるが、Ｔｉ系基地との界面では部分溶融していたり、または拡散した状態で欠陥になっている。このような欠陥は、通常、自然欠陥と呼ばれている。
【００１０】
したがって、この自然欠陥の場合、未溶解物とＴｉ系基地との界面はぼやけた界面になっており、そのため、ここに照射された超音波のエコーは非常に不明瞭なエコーとして観測される。
一方、前記した人工的に模擬欠陥を形成した比較試料の場合、当該模擬欠陥とそれを埋め込む基地との界面は画然とした状態にある。
【００１１】
したがって、ここに超音波が照射されると、そのエコーは極めて明瞭な信号として観測される。
そして、この明瞭なエコー信号を基準にして、実測対象のＴｉ系合金の前記した不明瞭なエコー信号の意味を読むわけであるから、得られる結果が、実際の欠陥を正確に表示しないことになり、検査精度に誤差が発生する。
【００１２】
このような問題は、比較試料における模擬欠陥と基地との界面が自然欠陥の界面を模擬していないことを原因として発生する。
本発明は上記した問題を解決し、模擬欠陥と基地との界面が自然欠陥の状態になっている超音波深傷試験用ブロック素材を製造する方法の提供を目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明においては、基地の中に、自然欠陥に模擬した欠陥が人工的に作成されている超音波深傷試験用ブロック素材を製造する方法であって、
前記基地になる金属材料と、前記金属材料よりも高融点材料である欠陥源とをプラズマ積層凝固炉に装入して溶解処理を行ってインゴットを製造し、
ついで、前記インゴットに対して真空アーク再溶解炉で再溶解処理を行ったのち冷却して、前記基地の中に前記欠陥源の未溶解残渣を形成することを特徴とする超音波深傷試験用ブロック素材の製造方法が提供される。
【００１４】
とくに、前記金属材料がＴｉであり、前記欠陥源がＮｂ，ＭｏおよびＴｉＮである超音波深傷試験用ブロック素材の製造方法が提供される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明は、超音波深傷試験用の比較試料を製造する際に、基地の中に自然欠陥を人工的に作成する方法である。
本発明では、最初に、所定組成の基地を形成するための例えばＴｉ，Ａｌ，Ｚｒなどの金属材料と、それら金属材料よりも高融点材料である例えばＮｂ，Ｍｏのような金属材料を、図１で示したプラズマ積層凝固炉に装入して溶解処理を行う。ここで、高融点材料が自然欠陥を作成するための材料であり、以後、欠陥源という。
【００１６】
まず、ベルトコンベア式のフィーダーの上に上記した金属材料に欠陥源を混入させた材料を配置し、フィーダーを運転してその上の材料を順次ホッパーに投入する。材料は、シュートパイプを通って、炉内の水冷るつぼ（モールド）に落下する。
そして、モールド内の落下材料に対しては、プラズマトーチから例えばＡｒを作動ガスとするプラズマアークが照射されて溶解処理が行われ、装入された材料の上部には溶融プールが形成される。
【００１７】
このとき、高融点の欠陥源が集積することを防止するために、上記溶融プールに対しては、電磁誘導を利用した撹拌処理を実施することが好ましい。
溶融プールはモールドで冷却されており、順次、下の方から凝固していくので、連続的にフィーダーから装入されてくる材料の溶解の進行に伴って炉底部のスタブを引き下げていき、所定長さの１次インゴットを製造する。
【００１８】
このインゴットは、欠陥源は完全溶解することなく未溶解物として内部に残存した状態になっている。
次に、スタブを切除してインゴットのみを取り出し、この１次インゴットを、図２で示した真空アーク再溶解炉に消耗電極としてセットし、再溶解処理を行う。
【００１９】
すなわち、前記した１次インゴットをスタブを介して昇降装置に取り付け、炉体内を真空状態にしてアーク放電を行う。１次インゴットはその下面から順次再溶解して消耗する。
そして、水冷るつぼ内には、融液が順次凝固して２次インゴット（ブロック素材）が成長し、その上部に溶解プールが形成される。
【００２０】
１次インゴットの再溶解が終了したのち、融液の凝固が終了した２次インゴットを取り出して目的とする超音波深傷試験用のブロック素材が得られる。
この過程で、欠陥源は、プラズマ積層凝固炉による溶解処理時にはほとんど溶解せず、装入時の大きさと変わらないが、真空アーク再溶解炉による再溶解処理時には若干溶解して少し小さくなる。
【００２１】
ところで、実際の製品における自然欠陥の大きさは様々である。その欠陥の有無を正確に検査するためには、小さな模擬欠陥が分布する比較試料を本発明方法で製造することが必要となる。
そのためには、最初の溶解処理時に、小さな欠陥源をプラズマ積層凝固炉に装入すれば可能であると考えられる。
【００２２】
しかしながら、そのような小さい欠陥源は極めて軽量であるため、装入時にプラズマトーチのガス気流で吹き飛んでしまい、実際には、１次インゴット上部の溶解プールに落下しない場合がほとんどである。
そこで、本発明においては、小さい欠陥源をプラズマ積層凝固炉に装入する場合には、これら欠陥源の複数個（例えば５〜１０個）を低融点の例えばＡｌ箔で包み、それを他の金属材料と一緒にフィーダーから炉内に装入することが好ましい。
【００２３】
なお、Ｔｉ系合金の比較試料を製造する場合、ＮｂやＭｏなどの欠陥源は０．３ｍｍ以下の大きさでＴｉ系基地内に分布しているのがよい。そのためには、０．１〜１０ｍｍ程度の大きさのＮｂやＭｏ、ＴｉＮの場合は１０ｍｍ程度の大きさのものを欠陥源とすればよいが、前記した装入時の吹き飛びのことを考慮して、これらはその複数個をＡｌ箔で包んだ状態で装入することが好ましい。
【００２４】
本発明方法で製造されたブロック素材は、それを適当な厚みに切断し、例えば据込み鍛造を行って超音波深傷試験に供すればよい。
【００２５】
【実施例】
以下、Ｔｉ系合金の超音波深傷試験用のブロック素材の製造方法を例にして本発明方法を詳細に説明する。
（１）使用材料
下記の材料をＴｉ系基地用に選定した。
【００２６】
Ａｌ：５〜１０  ｍｍの粒状Ａｌ、５．８質量％相当量、Ｓｎ：２〜５  ｍｍの粒状Ｓｎ、４．０質量％相当量、Ｚｒ：１０〜２０ｍｍの金属Ｚｒ、３．５質量％相当量、Ｃ：５〜１０  ｍｍの粒状黒鉛、０．０６質量％相当量、Ｓｉ：Ｓｉウェハ、０．３５質量％相当量、Ｎｂ：ＡｌＮｂ合金粉（Ｎｂ６０％）、０．７質量％相当量（Ｎｂ換算）、Ｍｏ：ＡｌＭｏ合金粉（Ｍｏ５０％）、２．８質量％相当量（Ｍｏ換算）、残部はスポンジＴｉ。
【００２７】
一方、欠陥源としては次の２種類を用意した。
欠陥源（１）：直径０．５ｍｍのＮｂ線を長さ１ｍｍに切断したＮｂ粒（純度９９．９％）
欠陥源（２）：直径１ｍｍのＭｏ線を長さ１ｍｍに切断したＭｏ粒（純度９９．５％）
（２）ブロック素材の製造
基地用の材料をフィーダーの上に配置し、また、欠陥源（１）と欠陥源（２）は各５個ずつＡｌ箔で包んだ状態でフィーダーの上に配置した。欠陥源（１）と欠陥源（２）の配置状態は、製造される１次インゴットの体積５０ｃｍ３につき１個の割合となるように配置した。
【００２８】
フィーダーからプラズマ積層凝固炉内に順次材料を装入しながら、当該炉を溶解速度０．６ｋｇ／ｍｉｎとなる条件で運転して１次インゴットを製造した。
ついで、この１次インゴットを消耗電極とし、真空度７〜９×１０−３Ｔｏｒｒ、溶解速度４．２ｋｇ／ｍｉｎで真空アーク再溶解炉を運転してブロック素材を製造した。
（３）欠陥の調査
得られたブロック素材に超音波深傷試験を行い、エコーが確認された箇所の部分を切り出し、樹脂埋め込みを行い、断面の研磨を行って各欠陥源の未溶解物を表出させた。
【００２９】
ついで、ＳＥＭ（２次電子像）を観察し、またエネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ）で成分分析を行った。
欠陥源（１）の場合の結果を図３と図４に示し、欠陥源（２）の場合の結果を図５と図６に示した。
図３と図４から明らかなように、欠陥源（１）の未溶解物はＮｂが主体となっており、しかも基地との界面はぼやけた界面になっていて、実際の自然欠陥と非常によく模擬した状態になっている。
【００３０】
また、図５と図６からも明らかなように、欠陥源（２）の未溶解物はＭｏを主体とし、同じく自然欠陥によく模擬している。
【００３１】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明方法によれば、実際の自然欠陥に模擬した欠陥が人工的に作成されている超音波深傷試験用ブロック素材を製造することができる。
したがって、本発明方法で製造された比較試料を用いれば、例えばＴｉ系合金の超音波深傷試験を高い精度で行うことができ、その工業的価値は大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】プラズマ積層凝固炉を示す概略図である。
【図２】真空アーク再溶解炉を示す概略図である。
【図３】Ｎｂを主体とする欠陥源（１）の未溶解物のＳＥＭ（２次電子像）撮影写真である。
【図４】欠陥源（１）の未溶解物に対するＥＤＸ分析の結果を示すチャート図である。
【図５】Ｍｏを主体とする欠陥源（２）の未溶解物のＳＥＭ（２次電子像）撮影写真である。
【図６】欠陥源（２）の未溶解物に対するＥＤＸ分析の結果を示すチャート図である。
【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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