(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
耐キャビテーションエロージョン部品を設計及び製造するためのプロセスであって、
キャビテーションエロージョンを受けやすい環境で使用するための材料を選択し、
前記選択された材料の試料において単軸負荷試験を行い、
前記試験試料の表面上で原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）トポグラフィを行い、
前記ＡＦＭトポグラフィの結果を用いて前記試験試料の表面の表面ひずみ分析を行い、  前記選択材料の単軸負荷の結晶塑性有限要素モデリング（ＣＰＦＥＭ）を行い、その単軸負荷ＣＰＦＥＭから表面ひずみ特性化を得、
前記ＡＦＭトポグラフィ表面ひずみ分析と前記ＣＰＦＥＭ表面ひずみ特性化とを比較して、比較が予め定められた許容差内に入るか否かを判定し、
比較が予め定められた許容差内に入る場合は、前記選択材料についてのミクロ構造パラメータ値のある範囲にわたって前記選択材料のＣＰＦＥＭナノインデンテーションを行い、この選択材料のＣＰＦＥＭナノインデンテーションはミクロ構造パラメータ値の前記範囲の関数として複数の硬度及び延性値を提供し、
前記複数の硬度及び延性値のサブセット、並びに複数の硬度及び延性値の前記サブセットを生成した対応するミクロ構造パラメータ値のサブレンジを選択し、
前記選択材料から部品を製造し、この部品はミクロ構造パラメータ値の前記選択された対応するサブレンジ内のミクロ構造パラメータを有するミクロ構造を有し、前記製造された部品は、前記選択材料から作製され前記ミクロ構造パラメータ値の前記選択された対応するサブレンジ外のミクロ構造パラメータを有するミクロ構造を有する別の部品と比較して、改善されたキャビテーションエロージョン耐性を有する、
ことを含む、プロセス。
【請求項２】
キャビテーションエロージョンを受けやすい環境で使用するための材料が、高圧ポンプにおいて使用される材料である、請求項１に記載のプロセス。
【請求項３】
請求項２に記載のプロセスであって、前記単軸負荷ＣＰＦＥＭは複数の粒子を有する引張試料をシミュレートし、前記複数の粒子の各々についての単結晶格子パラメータを使用する、プロセス。
【請求項４】
請求項３に記載のプロセスであって、前記少なくとも１つのミクロ構造パラメータは、粒径分布、粒子配向分布、第二相析出物の存在、第二相析出物の種類、第二相析出物のサイズ分布、及び第二相析出物の形状分布のうちの少なくとも１つから選択される、プロセス。
【請求項５】
請求項４に記載のプロセスであって、材料試料の単軸負荷後に中性子回折法を行って、前記選択材料上での単結晶剛性データを得ることをさらに含む、プロセス。
【請求項６】
請求項５に記載のプロセスであって、単軸負荷の前記ＣＰＦＥＭが前記単結晶剛性データを使用する、プロセス。
【請求項７】
耐キャビテーションエロージョン部品を設計及び製造するためのプロセスであって、
キャビテーションエロージョンを受けやすい所与の産業用途において使用される液体環境を決定し、
前記液体環境で使用するための材料を選択し、
前記選択された材料から作製された引張試験試料を提供し、
前記引張試験試料において単軸負荷引張試験を行い、
前記引張試験試料の表面上で原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）トポグラフィを行って、このＡＦＭトポグラフィから前記引張試験試料の表面ひずみを決定し、
前記選択材料の引張試験試料のコンピュータモデルを作成し、
前記コンピュータモデル引張試験試料の単軸負荷の結晶塑性有限要素モデリング（ＣＰＦＥＭ）を行って、ＣＰＦＥＭ表面ひずみを決定し、
前記引張試験試料の表面ひずみを前記ＣＰＦＥＭ表面ひずみと比較し、
少なくとも１つのミクロ構造パラメータについての値のある範囲にわたり、前記選択材料のナノインデンテーション試料のコンピュータモデル上でナノインデンテーションのＣＰＦＥＭを行い、前記ナノインデンテーションＣＰＦＥＭは、前記少なくとも１つのミクロ構造パラメータについての値の前記範囲の関数として複数の硬度及び延性値を提供し、  前記複数の硬度及び延性値のサブセットに対応する前記少なくとも１つのミクロ構造パラメータについての値のサブレンジを選択し、前記複数の硬度及び延性値の前記サブセットは改善されたキャビテーションエロージョン耐性に対応し、
前記少なくとも１つのミクロ構造パラメータについての値の前記サブレンジ内の前記少なくとも１つのミクロ構造パラメータの値を有するミクロ構造を有する前記選択材料を製造し、前記製造された部品は、前記選択材料から作製され前記少なくとも１つのミクロ構造パラメータについての値の前記選択された対応するサブレンジ外の前記少なくとも１つのミクロ構造パラメータについての値を有するミクロ構造を有する別の部品と比較して、改善されたキャビテーションエロージョン耐性を有する、
ことを含む、プロセス。
【請求項８】
請求項７に記載のプロセスであって、前記少なくとも１つのミクロ構造パラメータは、平均粒径、平均粒子配向、第二相析出物の存在、第二相析出物の種類、第二相析出物の平均サイズ、第二相析出物の平均形状、及び第二相析出物の平均粒子数密度のうちの少なくとも１つから選択される、プロセス。
【請求項９】
請求項８に記載のプロセスであって、材料試料の単軸負荷後に中性子回折法を行い、前記選択材料に関する単結晶剛性データを得ることをさらに含む、プロセス。
【請求項１０】
請求項９に記載のプロセスであって、単軸負荷の前記ＣＰＦＥＭは前記結晶剛性データを使用する、プロセス。
【請求項１１】
請求項１０に記載のプロセスであって、前記少なくとも１つのミクロ構造パラメータは、前記選択材料についての平均粒径であり、且つ前記少なくとも１つのミクロ構造パラメータについての値の前記範囲は、前記選択材料についての平均粒径の範囲である、プロセス。
【請求項１２】
請求項８に記載のプロセスであって、前記少なくとも１つのミクロ構造パラメータは、平均粒径、平均粒子配向、第二相析出物の存在、第二相析出物の種類、第二相析出物の平均サイズ、第二相析出物の平均形状、及び第二相析出物の平均粒子数密度から選択される少なくとも２つのミクロ構造パラメータである、プロセス。
【請求項１３】
請求項１２に記載のプロセスであって、前記少なくとも２つのミクロ構造パラメータは、前記選択材料の第二相析出物の前記平均粒径及び前記平均粒子数密度である、プロセス。
【請求項１４】
請求項１３に記載のプロセスであって、前記少なくとも２つのミクロ構造パラメータについての値の前記範囲は、前記選択材料についての平均粒径の範囲及び前記選択材料についての第二相析出物の平均粒子数密度の範囲である、プロセス。
【請求項１５】
請求項７に記載のプロセスであって、前記所与の産業用途は高圧ポンプである、プロセス。
【請求項１６】
請求項７に記載のプロセスであって、前記単軸負荷ＣＰＦＥＭは複数の粒子を有する引張試料をシミュレートし、且つ前記複数の粒子の各々についての単結晶格子パラメータを使用する、プロセス。
【請求項１７】
耐キャビテーションエロージョン部品を設計及び製造するためのプロセスであって、
キャビテーションエロージョンを受けやすい環境において使用するための材料を選択し、
前記選択材料の試料において単軸負荷試験を行い、
前記試験試料の表面上で原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）トポグラフィを行い、
前記ＡＦＭトポグラフィからの結果を用いて前記試験試料の表面の表面ひずみ分析を行い、
材料試料のその場短軸負荷中に中性子回折法を行って、前記選択材料上での単結晶剛性データを得、
得られた前記単結晶剛性データを用いて前記選択材料の限界要素モデルの短軸負荷の結晶塑性有限要素モデリング（ＣＰＦＥＭ）を行って、前記単軸負荷ＣＰＦＥＭから表面ひずみ特性化を得、
前記ＡＦＭトポグラフィ表面ひずみ分析と前記ＣＰＦＥＭ表面ひずみ特性化とを比較して、前記比較があらかじめ定められた許容差内に入るか否かを判定し、
前記比較があらかじめ定められた許容差内に入る場合には、前記選択材料の平均粒径の繰り返しにわたって前記選択材料のＣＰＦＥＭナノインデンテーションを行い、前記選択材料のＣＰＦＥＭナノインデンテーションは平均粒径の関数として複数の硬度及び延性値を提供し、
前記複数の硬度及び延性値のサブセット及び前記複数の硬度及び延性値のサブセットを生成した対応する平均粒径を選択し、
前記選択材料から部品を製造し、前記部品は、前記対応する平均粒径内の平均粒径を有するミクロ構造を有し、前記製造された部品は、前記選択材料から作製され前記対応する平均粒径外の平均粒径を有するミクロ構造を有する別の部品と比較して、改善されたキャビテーションエロージョン耐性を有する
ことを含む、プロセス。
【請求項１８】
請求項１７に記載のプロセスであって、
前記選択材料についての第二相析出物についての平均粒子数密度の繰り返しにわたる前記選択材料のＣＰＦＥＭナノインデンテーションを行い、前記選択材料のＣＰＦＥＭナノインデンテーションは第二相析出物についての平均粒径及び平均粒子数密度の関数として複数の硬度及び延性値を提供し、
前記複数の硬度及び延性値のサブセット並びに複数の硬度及び延性値の前記サブセットを生成した第二相析出物についての対応する平均粒径及び平均粒子数密度を選択し、
前記選択材料から部品を製造し、前記部品は、第二相析出物についての前記対応する平均粒径及び平均粒子数密度以内の第二相析出物についての平均粒径及び平均粒子数密度を有するミクロ構造を有し、前記製造された部品は、前記選択材料から作製され前記対応する平均粒径外の平均粒径及び第二相析出物についての前記対応する平均粒子数密度外の第二相析出物についての平均粒子数密度を有するミクロ構造を有する別の部品と比較して、改善されたキャビテーションエロージョン耐性を有する、
ことをさらに含む、プロセス。
【請求項１９】
請求項１８に記載のプロセスであって、
前記選択材料についての第二相析出物の平均形状の繰り返しにわたって前記選択材料のＣＰＦＥＭナノインデンテーションを行い、前記選択材料のＣＰＦＥＭナノインデンテーションは第二相析出物についての平均粒径、平均粒子数密度及び第二相析出物の平均形状の関数として複数の硬度及び延性値を提供し、
前記複数の硬度及び延性値のサブセット、並びに複数の硬度及び延性値の前記サブセットを生成した対応する、第二相析出物についての平均粒径、平均粒子数密度及び第二相析出物の平均形状を選択し、
前記選択材料から部品を製造し、前記部品は、それぞれ前記対応する、第二相析出物についての平均粒径、平均粒子数密度及び第二相析出物の平均形状内の第二相析出物についての平均粒径、平均粒子数密度、及び第二相析出物の平均形状を有するミクロ構造を有し、前記製造された部品は、前記選択材料から作製され、前記対応する平均粒径外の平均粒径、第二相析出物についての前記対応する平均粒子数密度外の第二相析出物についての平均粒子数密度、及び第二相析出物の前記対応する平均形状外の第二相析出物の平均形状を有するミクロ構造を有する別の部品と比較して、改善されたキャビテーションエロージョン耐性を有する
ことをさらに含む、プロセス。
【請求項２０】
請求項１９に記載のプロセスであって、第二相析出物の平均形状の前記繰り返しは、球形、円筒形、楕円体形、立方体形、及び針様の針状形のうちの２つ以上から選択される、プロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、キャビテーションエロージョンに耐性を有する部品を設計及び製造するためのプロセスに関し、詳細には、結晶塑性有限要素モデリングを用いて耐キャビテーションエロージョン部品を設計及び製造するためのプロセスに関する。
【背景技術】
【０００２】
キャビテーションエロージョン（ＣＥ）は、金属部品表面近傍の液体中の蒸気泡の形成及び崩壊により引き起こされる。例えば、図１はキャビテーションエロージョンの機構が示された一連の図である。図１ａにおいて、マトリクス材料「ｍ」の表面上に存在する外部薄膜「ｆ」上に蒸気泡「ｂ」が形成される。図１ｂに図示された蒸気泡ｂの崩壊時に、薄膜ｆは局部破損又は開口「ｏ」を経験する。さらに、図１ｃに示されるように、マトリクス材料「ｍ」内に小欠陥「ｄ」が形成され得るが、欠陥部位「ｄ」上には薄膜「ｆ」が形成される場合もあり形成されない場合もある。欠陥部位「ｄ」はさらなる蒸気泡「ｂ」として作用することができ、又はさらなる蒸気泡「ｂ」の形成を引き起こしやすい（図１ｄ）。この泡「ｂ」が崩壊すると（図１ｅ）表面薄膜「ｆ」内に別の開口「ｏ」が生成され、欠陥部位「ｄ」を介してマトリクス材料「ｍ」にさらなる損傷が起こる（図１ｆ）。一旦こうした欠陥部位「ｄ」が形成されると、こうした場所では孔食攻撃も発生し得る。
【０００３】
ＣＥは高圧の液体を加工し、使用し、及び／又はこのような液体に供される装置において起こり得ると理解される。加えて、自動車産業等の様々な産業において使用される高圧油圧ポンプは、圧力要件の漸増に伴い、ＣＥに対する感受性の増加を経験してきた。そのため、改善されたＣＥ耐性を提供する材料に対する需要は増え続けている。
【０００４】
ＣＥを受けやすい環境においては高い硬度を有し第二相析出物の少ない金属材料が有用であることが見出されてきたことが実証的研究により知られている。しかしながら、第二相析出物の存在は材料の硬度を向上させることができ、従ってＣＥ耐性の増加をもたらす可能性があることもまた知られている。しかしどの第二相析出物が実際にＣＥ耐性を改善できるのか又はできないのかを実験的に判定するためには、第二相析出物を有する金属材料の各組み合わせについてのＣＥ試験を行う必要がある。粒径、粒子配向等の他のミクロ構造的特徴がＣＥ耐性の向上を提供できるかどうかについても同じことが言える。しかしそうした試験には時間がかかり、また費用がかかるおそれがある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、広範なミクロ構造的特徴にわたる実験的試験を要することなく、ＣＥ耐性のための金属材料を設計するためのプロセスが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
耐キャビテーションエロージョン（ＣＥ）部品を設計及び製造するためのプロセスが提供される。本プロセスはＣＥを受けやすい環境で使用するためのベース金属材料を選択することを含む。加えて、本プロセスは選択された材料の試料において単軸負荷試験を行い、次いでその試験試料の表面において原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）トポグラフィを行うことを含む。ＡＦＭトポグラフィは試験試料の表面の表面ひずみ分析を提供する。
【０００７】
本プロセスはまた、選択材料についてのＦＥＭ試料の単軸負荷の結晶塑性有限要素モデリング（ＣＰＦＥＭ）を行い、このＣＰＦＥＭを使用して表面ひずみ特性化を得ることを含む。ＡＦＭトポグラフィ表面ひずみ分析をＣＰＦＥＭ表面ひずみ特性化と比較し、その比較が予め定められた許容差内に入るか否かについての判定を行う。比較が予め定められた許容差内に入らない場合は、ＣＰＦＥＭ表面ひずみ特性化が予め定められた許容差内でＡＦＭトポグラフィ表面ひずみ分析と一致するまで追加のＣＰＦＥＭを行う。加えて、選択材料上での格子ひずみ履歴及び単結晶剛性（ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ）データを提供するために、プロセスには任意で、その場単軸負荷中に選択材料の中性子回折法が含まれていてもよい。このような追加のデータは選択材料の単軸負荷のＣＰＦＥＭにおいて、より正確な表面ひずみ特性化を提供するために使用することができる。
【０００８】
ＡＦＭトポグラフィ表面ひずみ分析及びＣＰＦＥＭ表面ひずみ特性化が予め定められた許容差内で一致した場合、プロセスは、少なくとも１つのミクロ構造パラメータについての値のある範囲にわたり、選択材料のＦＥＭ試料上でのナノインデンテーションのＣＰＦＥＭを行う。少なくとも１つのミクロ構造パラメータについての値の範囲にわたるナノインデンテーションＣＰＦＥＭは、少なくとも１つのミクロ構造パラメータについての値の範囲の関数として、複数の硬度値を与え、他の材料物性値を与える可能性もある。複数の硬度値を調べて、改善されたＣＥ耐性に対応するサブセットを選択する。加えて、硬度値のサブセットに対応する、少なくとも１つのミクロ構造パラメータについての値のサブレンジも選択される。少なくとも１つのミクロ構造パラメータのサブレンジが選択され及び／又は特定されたなら、選択材料を使用して部品を製造する。さらに、この部品は、値の選択されたサブレンジ内に入る少なくとも１つのミクロ構造パラメータの平均値を有するミクロ構造を有する。
【０００９】
少なくとも１つのミクロ構造パラメータは平均粒径、平均粒子配向、第二相析出物の存在、第二相析出物の種類、複数の第二相析出物の平均サイズ、複数の第二相析出物の平均形状、及び複数の第二相析出物の平均粒子数密度であり得る。幾つかの場合においては、ナノインデンテーションＣＰＦＥＭは少なくとも２つのミクロ構造パラメータの範囲又は繰り返しにわたって行われ、任意で少なくとも３つのミクロ構造パラメータの範囲にわたって行われる。このように、選択材料についての基本的な機械的特性のデータが、単軸負荷試験及びＡＦＭトポグラフィ分析を用いて作成され、こうした特性データをＣＰＦＥＭナノインデンテーションにおいて用いて、ＣＥ耐性に関する最適なミクロ構造を得る。さらに、前述したように、選択材料の中性子回折法を用いてＣＰＦＥＭにデータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】（ａ）キャビテーションエロージョン（ＣＥ）プロセスの一部として、部品の表面上の蒸気泡の形成を示す概略図である。  （ｂ）ＣＥプロセスの一部として、部品の表面上の図１ａに示された蒸気泡の破壊を示す概略図である。  （ｃ）ＣＥプロセスの一部として、図１ａに示された部品の表面上の欠陥部位の形成を示す概略図である。  （ｄ）ＣＥプロセスの一部として、図１ｃに示された欠陥部位における部品の表面上の別の蒸気泡の形成を示す概略図である。  （ｅ）ＣＥプロセスの一部として、部品の表面上の図１ｄに示された蒸気泡の破壊を示す概略図である。  （ｆ）ＣＥプロセスの一部として、図１ｄに示された欠陥部位の深化を示す概略図である。
【図２】等軸粒子を有する選択材料のミクロ構造の概略図である。
【図３】組織化粒子を有する選択材料のミクロ構造の概略図である。
【図４】（ａ）第二相析出物が存在しない等軸粒子を有する選択材料のミクロ構造の概略図である。  （ｂ）等軸粒子を有し、かつ第二相析出物の均一分布を有する、選択材料についてのミクロ構造の概略図である。  （ｃ）等軸粒子内に第二相析出物を有し、かつ粒界に沿った析出物を有する、選択材料についてのミクロ構造の概略図である。  （ｄ）等軸粒子及び針状の第二相析出物を有する選択材料についてのミクロ構造の概略図である。
【図５】本発明の一実施形態によるプロセスのフローチャートである。
【図６】単軸負荷試験試料の表面ひずみ分析を得る目的で原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）トポグラフィを用いて分析される、該試験試料についての表面の概略図である。
【図７】試料表面上のせん断応力の概略図である。
【図８】ＣＰＦＥＭによりシミュレートされる引張負荷試料のモデル構成である。
【図９】単軸負荷ＣＰＦＥＭに供された又は供するための有限要素モデリング（ＦＥＭ）試料の概略図である。
【図１０】（ａ）試料の単軸負荷について実験及びＣＰＦＥＭにより得られた、負荷応力対工学歪みのグラフィカルプロットである。  （ｂ）実験的に及びＣＰＦＥＭにより得られた、負荷応力対ｈｋｌ格子ひずみのグラフィカルプロットである。；
【図１１】ナノインデンテーションを通して得られた、インデンテーション荷重対変位の概略図である。
【図１２】接触幾何学を特徴付けるパラメータを用いたナノインデンテーション中の除荷プロセスの概略図である。
【図１３】（ａ）ＣＰＦＥＭシミュレーションにより計算された、全すべり系にわたる累積せん断ひずみΣαγαのひずみマップである。  （ｂ）４００個（２０×２０）の分析点を用いたＡＦＭトポグラフィ分析を用いて得られた、全すべり系にわたる累積せん断ひずみΣαγαのひずみマップである。
【図１４】本明細書に開示されたプロセスの種々の工程を行うためのコンピュータの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
耐キャビテーション（ＣＥ）部品を設計及び製造するためのプロセスが提供される。本プロセスは、キャビテーションエロージョン耐性に関する材料設計に対し実質的な改善をもたらし、高圧ポンプ等の耐キャビテーションエロージョン装置の設計及び製造に関する時間及び費用を低減する。
【００１２】
本プロセスは、キャビテーションエロージョンを受けやすい所与の産業用途における操作条件を決定することを含み得る。かかる操作条件は、所与の液体環境、該液体環境の圧力、該液体環境の可能な流速等を含み得る。プロセスはまた、該液体環境において使用されてもされなくてもよい材料を選択することも含み、こうした材料の典型例として、鋼、ステンレス鋼、ニッケル合金、アルミニウム合金、チタン合金、銅合金等が挙げられる。所与の材料又は合金が選択されたら、選択材料の試料、例えば引張試料を単軸負荷に供して、試料の表面が表面ひずみに供されるようにする。明確なすべり跡を与えるが過度な粒子変形を与えないためには、例えば３〜７％の合計ひずみまで到達させる。その後、該試験試料の表面の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）トポグラフィを行い、このＡＦＭトポグラフィからの結果を用いて該表面の表面ひずみ分析が生成される。
【００１３】
選択材料の単軸負荷のコンピュータモデリングを行い、コンピュータモデリングされた単軸負荷から表面ひずみ特性化を生成する。幾つかの場合には、コンピュータモデリングは、当業者には公知であるような結晶塑性有限要素モデリング（ＣＰＦＥＭ）である。ＣＰＦＥＭには単軸負荷試験試料、例えば引張試料の有限要素モデル（ＦＥＭ）が含まれることが理解される。
【００１４】
選択材料の単軸負荷のＣＰＦＥＭにより生成される表面ひずみ特性化を生成した後、これを選択材料試料上の実際の単軸負荷試験から生成されたＡＦＭトポグラフィ表面ひずみ分析と比較する。この比較が予め定められた許容差内に入る場合には、即ちＡＦＭトポグラフィ表面ひずみ分析とＣＰＦＥＭ表面ひずみ特性化との望ましい一致があった場合には、選択材料のナノインデンテーションのＣＰＦＥＭを行う。予め定められた許容差は、１０％以下の２つの手法間の差であることが理解される。
【００１５】
ＣＰＦＥＭナノインデンテーションは選択材料についてのミクロ構造パラメータ値のある範囲にわたって行われる。言い方を変えれば、予め定められ選択されたミクロ構造パラメータ値のある範囲内にある単一のミクロ構造パラメータ値について単一のＣＰＦＥＭナノインデンテーションが行われる。このようにして、複数のミクロ構造パラメータ値に関して複数のＣＰＦＥＭナノインデンテーションシミュレーションを行う。例えば、例示の目的だけのために言うと、選択材料のＣＰＦＥＭナノインデンテーションを１０ミクロンの平均粒径を有する材料に関して行い、次いで別のＣＰＦＥＭナノインデンテーションを１５ミクロンの平均粒径に関して行う、等を、該ＣＰＦＥＭナノインデンテーションに関して平均粒径の全範囲が調査されシミュレートされるまで行う。
【００１６】
複数のＣＰＦＥＭナノインデンテーションシミュレーションから、選択材料の機械特性データの範囲がミクロ構造パラメータ値の範囲の関数として得られる。幾つかの場合には、機械特性データの範囲は、ミクロ構造パラメータ値の範囲の関数として得られる複数の硬度値、延性値、等である。
【００１７】
機械特性データのサブセットを、その機械特性データのサブセットを生成するミクロ構造パラメータ値の対応するサブレンジと共に選択する。この機械特性データのサブセットは改善されたＣＥ耐性を表わす、又はそれと関連づけることができ、従ってミクロ構造パラメータ値の対応するサブレンジは、ＣＥに耐性である選択材料についての望ましいミクロ構造を提供する、ということが理解される。
【００１８】
ミクロ構造パラメータ値のサブレンジが選択されたなら、その選択材料から部品が製造され、その部品はミクロ構造パラメータ値のサブレンジに特徴的なミクロ構造を有する。別の言い方をすれば、その選択材料から作製された部品のミクロ構造は、ミクロ構造パラメータ値の選択された対応するサブレンジ内に入る、平均的なミクロ構造パラメータ、例えば平均粒径を有する。このようにして、製造される部品は、同じ選択材料製であるがミクロ構造パラメータ値が選択された対応するサブレンジに入らないミクロ構造を有する同様の又は同等の部品と比較して、改善されたＣＥ耐性を有する。
【００１９】
幾つかの場合には、選択材料からの実際の材料試料のその場単軸負荷時に中性子回折法を行い、この中性子回折法は、選択材料上の単結晶剛性データを得ることを可能にする。加えて、中性子回折法により得られる単結晶剛性データは、単軸負荷のＣＰＰＥＭ及び／又はナノインデンテーションシミュレーションにおいて使用することができる。
【００２０】
これらのことを考慮すると、ミクロ機械モデリング及びそれと組み合わされたナノインデンテーション試験モデリングにより、ＣＥ環境のための最適化された材料設計及び部品製造のためのプロセスが提供されることが理解される。
【００２１】
装置設計や、より高いエロージョン耐性を有する材料の使用等を通して、ＣＥを低減することができることが理解される。さらに、材料の硬度を増大させることでそのキャビテーションエロージョン耐性を向上させることができるが、しかし、そうした硬度の増大は製造性の減少を伴う場合がある。したがって、本開示は、材料のキャビテーションエロージョン耐性を向上させるために選択材料のミクロ構造を最適化するためのプロセスを提供する。
【００２２】
ここで図２〜４を参照すると、選択材料についての一連の例示的なミクロ構造が示されている。例えば図２は、選択材料についての等軸粒構造を参照番号１０で示している。このような等軸構造は種々の平均粒径、例えば０．１〜５０ミクロン（μｍ）の粒径範囲について、選択材料内に存在し得ることが理解される。あるいは図３には、組織化されたミクロ構造が参照番号２０で示されている。図示されているように、細長い粒子が存在し、これらは選択材料の特定の圧延技術を用いて製造することができ、かつ一定範囲のサイズ及び／又はアスペクト比を有する。
【００２３】
図４ａでは、複数の粒子３２及びそれらの間の粒界３４を有する等軸粒ミクロ構造３０ａが提供される。図４ａから、粒子３２内又は粒界３４には第二相析出物は存在しないことが理解される。あるいは図４ｂでは、複数の粒子３２と、粒界３４とを有し、粒子３２内の第二相析出物３６が追加されたミクロ構造３０ｂが提供される。第二相析出物３６は球体、立方体等の形状を有し得る。
【００２４】
図４ｃは、粒子３２がそれらの間に第二相析出物３８を有し、粒界に第二相析出物３４ｂを有するミクロ構造３０ｃを示している。第二相析出物３８は円筒形、楕円体形等であることができ、粒界における析出物３４ｂは析出物３８と同じタイプの析出物であっても同じタイプでなくてもよい。最後に図４ｄは、粒子３２がそれらの内部に針状又は針様形状の第二相析出物３９を有するミクロ構造３０ｄを示している。こうした第二相析出物の形成、形状、数密度等が、合金添加、所与の合金の熱機械加工、材料へのコーティングの適用等を通して制御できることが、当業者には理解される。
【００２５】
ここで図５を参照すると、本明細書に開示された１つ以上の実施形態によるプロセスが全体として参照番号４０で示されている。プロセス４０は、工程４００において材料を選択することを含む。材料は典型的に、液体環境が存在しＣＥがその材料の摩耗機構である可能性が知られている所与の産業用途のために選択される。材料は典型的には鋼合金、ステンレス鋼合金、ニッケル合金、コバルト合金、チタン合金、アルミニウム合金、マグネシウム合金、銅合金等の金属材料である。
【００２６】
工程４０２において、単軸負荷試料、例えば引張試料が選択材料から作製される。工程４０４において試料は単軸負荷に供され、例えば、試料を１％〜１０％のひずみに供する。幾つかの場合には、試料はおよそ３％のひずみに供される。さらに、負荷前の試料表面ミクロ構造を視認するために、試料表面を、非常に高度な表面解像度（ｓｕｒｆａｃｅ  ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ）又は平滑度となるまで（例えば５０ｎｍまで）研磨してから、化学的にエッチングしてもよいし、しなくてもよい。試料を単軸負荷に供した後、工程４０６において試料表面の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）トポグラフィを行い、工程４０８においてこのＡＦＭトポグラフィの結果を用いて表面ひずみ分析を行う。例えば、図６には、試料の表面上の粒子に沿ったＡＦＭによって測定した表面トポグラフィのセクション分析の例が提供される。また、図７には、双晶形成に起因し「ｘ」方向におけるＡＦＭラインセクショントポグラフィにより決定又は測定される表面変位「ｈ」を有するこのような粒子の双晶形成部分を通る断面の概略図が提供されている。ｔｘ及びｔｔｒｕｅはそれぞれ、ｘ方向における双晶幅、すなわち投影双晶幅、及び双晶面法線方向に沿った双晶厚さである。
図７に示された概略図から、変位した双晶面の数「Ｎ」は、測定された表面段差「ｈ」及び該表面に対する法線ｅｚ上に投影された双晶バーガーズベクトル「ｂ」から次の関係によって得られる。 
【００２７】
【数１】
0006320468.tif 000002
【００２８】
この変位双晶面の数Ｎは、次の関係による、投影双晶厚さｔｘ、双晶面法線ｎ、及び面間距離ｄに基づく別法による導出と比較することができる。
【００２９】
【数２】
0006320468.tif 000003
【００３０】
ｈ＜＜ｔｘならば、真の投影双晶厚さｔｘは、見かけの、即ち測定された投影双晶厚さｔｘとおおよそ等しいということが理解される。このように、ＡＦＭセクショントポグラフィデータを利用して、別法により導出された２つのＮの値が決定され、それら２つの間の差を求めることができる。例えば、それら２つの別々に導出された変位双晶面の数Ｎの差は、１０％以内、好ましくは５％以内、より好ましくは２％以内であり得る。このように、ＡＦＭ測定プロセスは堅牢であり、このプロセスを使用して、工程４０４において単軸負荷に供された試料についての粒子中に存在する一連の平行すべり帯の原因となるすべり転位の数を算出することが可能である。
【００３１】
ＡＦＭトポグラフィはまた、図８に図示されているように所与のＡＦＭセクションラインに沿った個々の表面段差を用いて所与の変形系についてのせん断を計算するためにも使用できる。所与の長さ（例えばＸｍｎ）の所与のＡＦＭセクションラインに沿った各表面段差に関して所与の変形系（例えばａ）を特定し、変形系当たりの全体の高さ変化を累積することによって、セクションラインＸｍｎに沿って起こる個々の変位の数を上記の式１により計算することができる。さらに、Ｘｍｎにわたる全体の表面高さ変化が長さＸｍｎと比較して小さいことを条件として、以下の関係によって変形系当たりの平均せん断（γ）が与えられる。
【００３２】
【数３】
0006320468.tif 000004
【００３３】
図６に図示されるように、所与のミクロ構造エリアにおける変形系によって引き起こされる表面高さ変化は、ＡＦＭトポグラフィによって走査し又は決定することができることが理解される。また、ラインセクション分析を試験すべき表面エリア全体で行った後、サブエリアの所与の数に均等に分割することもできる。例えば、各サブエリアは予め定義された寸法、例えば２．５μｍ×２．５μｍを有し得る。このようにして、上記の関係によるせん断ひずみを各サブエリアについて計算しそれを用いてエリア全体のひずみマップを作成することができる。このようなせん断ひずみマップは、以下に記載するようにＣＰＦＥＭ結果と比較することができる。
【００３４】
必須ではないが幾つかの場合には、工程４１０において、試験試料のその場単軸負荷の際に中性子回折法を行うことができる。あるいは、試料の中性子回折法を行う別の単軸負荷走査又は試験を行うこともできる。中性子回折法が行われるこのような場合には、当業者には周知であるように、中性子回折法の結果から単結晶剛性データを導出することができる。
【００３５】
工程４１２において、図９に示される単軸負荷シミュレーションのための有限要素モデリング（ＦＥＭ）試料の実例により、選択材料の単軸負荷のＣＰＦＥＭを行う。ＣＰＦＥＭを利用して（ｈｋｌ）格子ひずみの弾塑性応答を応力の関数としてシミュレートする。用語法又は命名法（ｈｋｌ）とは、当業者には周知であるように、選択材料の結晶構造のミラー指数をいうことが理解される。ＣＰＦＥＭは、粒界の配向依存性の降伏シーケンス及び幾何学的不適合性に起因する粒子間ひずみの進化を予言する。ＣＰＦＥＭは、個々の相における異なる臨界分解せん断応力に起因する相間ひずみもまた予言する。各対応するすべり方向とすべり面法線とのテンソル積によって適切に重み付けされた全すべり系にわたるすべり速度のシミュレーションにより、塑性ひずみ速度が決定される。所与のすべり系について、すべり速度は、想定される流れ則、例えばべき法則形式及び伝統的なＰｅｉｒｃｅ−Ａｓａｒｏ−Ｎｅｅｄｌｅｍａｎモデルによる分解せん断応力に関連づけられる。最終的には、すべり強度は、全すべり系についてのすべりひずみに依存する場合もしない場合もある硬化の等式によって支配される。
【００３６】
工程４１４において、選択材料についての単軸負荷のＣＰＦＥＭからの表面ひずみ特性化が行われる。次いで工程４２０において、工程４１４における表面ひずみ特性化の結果を工程４０８におけるＡＦＭトポロジーからの表面ひずみ分析と比較する。この比較が予め定められた許容差内に入らない場合には、プロセスは工程４１２に戻り、更新され変更されたモデルパラメータを用いてＣＰＦＥＭ単軸負荷が行われる。こうしたモデルパラメータとしては、境界条件、メッシュサイズ等のシミュレーションパラメータ並びに／又は弾性剛性、硬化パラメータ、すべり強度及び／若しくは応力指数等のＣＰＦＥＭパラメータが挙げられる。このサイクルは工程４１４におけるＣＰＦＥＭからの表面ひずみ特性化が工程４０８において行われたＡＦＭトポグラフィからの表面ひずみ分析と予め定められた許容差内で一致したなら完了され、この時点でプロセスは工程４２７に進む。
【００３７】
工程４２２において、ミクロ構造パラメータ値が選択され、工程４２４において、選択されたミクロ構造パラメータ値を有する選択材料のナノインデンテーションのＣＰＦＥＭが行われる。工程４２４では、負荷及び除荷の１サイクル中に得られたインデンテーション荷重−変位データを用いて所与のミクロ構造を有する選択材料についての硬度、弾性率、延性等の機械特性データを得るために、ナノインデンテーションをシミュレートすることができる。
【００３８】
ＣＰＦＥＭシミュレーション中に得られる典型的な荷重対変位曲線の概略図を図１０に示す。図中、パラメータ「Ｐ」は荷重を示し、「ｈ」は初期の未変形表面に対する変位を示す。負荷中の変形は、硬度の痕跡が形成されるため、弾性及び塑性の両方であると推定される。除荷の間は、弾性の変位のみが回復されると推定されるが、ＣＰＦＥＭナノインデンテーション分析を容易にするのは、この除荷曲線の弾性の性質である。このように、ＣＰＦＥＭナノインデンテーションは、除荷中に塑性が逆行する材料には当てはまらないということが理解される。
【００３９】
図１１に示されるように、グラフによって、最大荷重Ｐｍａｘ、最大変位ｈｍａｘ、及び除荷の初期段階中の除荷曲線の上部の傾きとして定義される弾性除荷剛性Ｓ＝ｄＰ／ｄｈが与えられる。もう１つの重要な量は、最終深さｈｆであり、これは圧子が完全に除荷されるようにモデリングされ材料の弾性変形が回復された後の侵入の永続的な深さである。
【００４０】
硬度Ｈ及び弾性率Ｅを測定するために使用される手順は、図１２に模式的に示されている除荷プロセスに基づく。量すなわち変数ｈｓは以下の関係により与えられる。
【００４１】
【数４】
0006320468.tif 000005
式中、εは圧子の幾何形状に依存する定数であり、例えば円錐形のパンチについてはε＝０．７２、深さの小さいところでは球面に近似される旋回のパラボロイドについてはε＝０．７５、及び平坦なパンチについてはε＝１．００である。
【００４２】
接触周囲の垂直変位を近似するための上記の関係を用いて、図１２に示された幾何形状から、圧子と被検査物との間の接触が行われる深さｈｃ＝ｈｍａｘ−ｈｓが以下の関係と等しいということがわかる。
【００４３】
【数５】
0006320468.tif 000006
Ｆ（ｄ）をその先端からの距離ｄにおける圧子の投影面積すなわち断面積を表わす「面積関数」とすると、以下の関係により接触面積が得られる。
【００４４】
【数６】
0006320468.tif 000007
この面積関数はまた圧子形状関数としても知られ、非理想圧子形状からの逸脱が考慮されるように、独立の測定によって注意深く較正される必要がある。
【００４５】
接触面積が決定されたら、以下の関係から硬度が概算される。
【００４６】
【数７】
0006320468.tif 000008
【００４７】
これと、接触面積及び測定された除荷剛性（Ｓ）との関係から、以下の関係により弾性率が得られる。
【００４８】
【数８】
0006320468.tif 000009
【００４９】
式中、Ｅｅｆｆは有効弾性率であり、以下により定義される。
【００５０】
【数９】
0006320468.tif 000010
【００５１】
有効弾性率は、被検査物及び圧子の両方に起こる弾性変位を考慮に入れたものであることが理解される。
【００５２】
工程４２６において、１つの選択されたミクロ構造パラメータ値についてのＣＰＦＥＭナノインデンテーションについて硬度、弾性率、及び／又は延性が得られる。工程４２８において、プロセスは、ナノインデンテーションのＣＰＦＥＭがミクロ構造パラメータ値の十分な範囲について完了され又はシミュレートされたか否かを判定する。ＣＰＦＥＭナノインデンテーションが選択されたミクロ構造パラメータ値の十分な範囲について完了すると、プロセスは工程４３０に進み、硬度、弾性、及び／又は延性値の所望のサブセットに対応するミクロ構造パラメータ値の所望のサブレンジが選択されデータベースに保存される。最後に、工程４３２において、選択材料から部品が製造され、この部品は工程４３０で選択されたミクロ構造パラメータ値の所望のサブレンジ内に入るミクロ構造パラメータを有するミクロ構造を有する。
【００５３】
幾つかの場合においては、ＣＰＦＥＭナノインデンテーションは、２種以上のミクロ構造パラメータ値について行われる。例えば、ＣＰＦＥＭナノインデンテーションシミュレーションは、選択材料についての平均粒径の範囲、平均粒子配向分布の範囲、ミクロ構造内に１種以上の第二相析出物が存在するか否か、存在しうる第二相析出物の種類、存在しうる第二相析出物の平均サイズ分布、第二相析出物の平均形状分布、第二相析出物の平均粒子数密度等について行われ得る。このような種々のミクロ構造パラメータの範囲についてのＣＰＦＥＭナノインデンテーションのシミュレーションによって、ミクロ構造の異なる選択材料の実験的試験の必要性を限定することができ、又は排除できる可能性もあることが理解される。別の言い方をすれば、本明細書に開示したプロセスは、キャビテーションエロージョンを受けやすい環境において使用される部品の設計及び製造を大幅に改善する。
【００５４】
本開示の教示をよりよく例示するために、本明細書に開示されたプロセスの１つ以上の実施例を以下に示すが、その範囲をなんら制限するものではない。
【００５５】
試験及びモデリングのために３１６ステンレス鋼合金を選択した。３１６合金の冷延板の初期ミクロ構造は、電子後方散乱回折（ＥＢＳＤ）インバースポーリングによって得た。冷延板の平均粒径はおよそ１０ミクロンであり、引張試料のゲージ中心内の試験の対象エリアを、４つのミクロインデンテーションマークを用いて設定又は特定した。試料においておよそ３％の合計ひずみの範囲まで単軸負荷を行い、倍率２０００倍の顕微鏡を使用するとすべり帯が鮮明に現れ観察された。
【００５６】
ＡＦＭ表面トポグラフィ及びラインセクション分析を行って、図６に示したプロファイルから表面高さ変化を求めた。結晶すべりに起因する表面高さ変化は、１０ミクロン以内であった。変位すべりの数Ｎを上述した式（１）を用いて求め、これはＡＦＭトポグラフィ分析の精度を調べるためにも使用した。さらに、図７及び８を参照し上述したプロセスを用いて試料表面上のせん断ひずみを求めた。
【００５７】
３１６合金は、＜１１０＞｛１１１｝すべり群に１２のすべり系を有する面心立法（ＦＣＣ）結晶構造を有することが既知である。３１６合金についての格子パラメータは、ａ＝０．３６５ナノメータであり、バーガーベクトルｂ＝（ａ／２）√（ｈ２＋ｋ２＋１２）＝０．２５８ナノメータである。この系を、長さＸｍｎのＡＦＭセクションラインに沿った各表面段差に関して特定し、系についての全体の高さ変化を累積することによって、ラインＸｍｎに沿って生ずる個々の変位の数を関係（１）によって算出した。上述したように、このラインセクション分析を表面エリア全体について行い、この表面エリアを、各々が２．５μｍ×２．５μｍの寸法を有する１００のサブエリアに均等に分割した。各サブエリアについて、式（３）によるせん断ひずみを計算し、次にこれを使用してエリア全体のひずみマップを形成した。
【００５８】
また、３１６合金のＣＰＦＥＭ単軸負荷を、図９に図示されるＦＥＭ試料を用いて行い、ＣＰＦＥＭシミュレーションについての負荷方向に沿ったせん断ひずみ及び応力のマップを得た。図９に示したＦＥＭ試料を、中央ゲージセクションにおよそ５００個のランダムテクスチャの立方体粒子を含有し、各粒子中に２×２×２格子又は等価の８つの要素を有する、多結晶集合体の系としてモデリングした。各粒子内の要素は現実合金系における粒子のｃｕｂｅ−ｏｎ−ｃｕｂｅ配向を模倣した結晶学的配向を有するものと仮定した。ゲージセクションの両側の領域はＶｏｎ  Ｍｉｓｅｓの塑性法則によって制御し、計算コストを節約した。
【００５９】
算出された（ｈｋｌ）格子ひずみは、その（ｈｋｌ）平面法線が回折ベクトルＱと平行である粒子のサブセットにおける投影弾性ひずみの体積平均であった。ＣＰＦＥＭ単軸負荷シミュレーションの統計値を改善するために、粒子配向を各＜ｈｋｌ＞方向に対して５度以内の差に指定し、各＜ｈｋｌ＞方向について全５００粒子のうちの１〜２％が確実に選択され得るようにした。ＣＰＦＥＭのために入力される材料パラメータには、立方体材料についての単結晶の弾性定数であるＣ１１、Ｃ１２、及びＣ４４についての剛性値が含まれた。加えて、応力指数「ｎ」、初期硬化係数ｈ０、初期すべり強度τ０、飽和すべり強度τｓ、及び潜在硬化パラメータｑもまた与えられた。
【００６０】
すべり強度τ０はテーラー係数による多結晶のマクロ的降伏強度であることが理解され、ＦＣＣ材料については約３である。ＣＰＦＥＭ単軸負荷は、室温でおよそ１５０メガパスカル（ＭＰａ）の臨界分解せん断応力を予測した。シミュレーションはまた、潜在的な硬化挙動が粒子間ひずみの進化において重要な役割を果たすことを実証した。しかしながら、３１６合金については実質的な硬化は起こらないことが既知であることを勘案して、図１２ａ及び１２ｂに示される実験データに合致するようにその他の塑性パラメータを選択した。塑性パラメータの群を以下の表１に示す。
【００６１】
【表１】
0006320468.tif 000011
【００６２】
引張負荷後のＳＵＳ３１６についての表面変形挙動をとらえてＡＦＭに基づく方法から算出された表面ひずみと比較するために、ＥＢＳＤ測定から得たミクロ構造に基づく疑似３Ｄメッシュによる別の引張モデルを使用した。このメッシュは、まっすぐな粒界跡に沿って節を分布し、包囲された粒子の平面状表面網目を形成し、第３次元に１０ミクロン拡張することによって展開した。この第３次元を１０個の要素に均等に分割した。このようにして、すべての粒界は近似／シミュレーションにおいて表面と直角をなしていた。
【００６３】
バルク材料における拘束を再現するために、模擬ミクロ構造を、直方体のペン状容器内に配置した。上述したように、計算効率を向上させるためにこの容器はＶｏｎ  Ｍｉｓｅｓ塑性モデルを用いてシミュレートした。ＥＢＳＤ測定に従い局部の材料座標を特定することによって、結晶学的配向を模擬ミクロ構造パッチに割り当てた。引張荷重をミクロ構造パッチの片側に負荷した。
【００６４】
ＣＰＦＥＭシミュレーション及びＡＦＭトポグラフィ分析によって算出された全すべり系にわたる累積せん断ひずみΣαγαを図１３ａ及び１３ｂにおいて比較した。図１３ａ中で０．２８、及び図１３ｂ中では０．３３及び０．２８と標識された強調セクションは、過酷なひずみ集中のエリアを示し、またＣＰＦＥＭシミュレーションが実験結果と一致していることを示している。図１３ｂでは、ＡＦＭによって変形後にすべり跡がはっきり観察されなかった粒子内においてはひずみ分布をマッピングしなかった。ミクロ構造パッチ境界に達する場合には、シミュレーションにおけるバルク材料からの境界効果がこれらの２つの方法の間の一致の悪さの原因となり得る。
【００６５】
比較がシミュレーションと実験との間で一致を示した後、ミクロ構造の範囲について選択材料のＣＰＦＥＭナノインデンテーションを行った。ＣＰＦＥＭナノインデンテーションシミュレーションは、異なるミクロ構造パラメータ及びパラメータ値の関数として、複数の硬度、弾性、及び／又は延性値を与え、これらが次にはキャビテーションエロージョン耐性の向上を提供することが既知の、硬度、弾性、及び延性値の所望のサブセットの選択を可能にした。硬度、弾性、及び／又は延性値のサブセットの選択とともに、ミクロ構造パラメータ値の対応するサブレンジもまた選択された。別の言い方をすれば、３１６合金の独自のミクロ構造パラメータのセット又はサブレンジが決定された。この部品は、ＣＰＦＥＭナノインデンテーションシミュレーションによって決定されたミクロ構造パラメータのサブレンジ外のミクロ構造を有する３１６合金から作製された部品と比較して、向上されたＣＥ耐性を有し得ることが理解される。
【００６６】
本シミュレーションに関し、ＣＰＦＥＭは、図１４に図示したようにコンピュータ上で行った。コンピュータの概略図を全体として参照番号５０で示し、コンピュータ５０は処理部５００を有する。処理部５００はメモリ５０２、ソフトウェアモジュール５０４、永久メモリ５０６、及びＲＡＭメモリ５０８を含み得る。コンピュータ５０はＣＰＦＥＭシミュレーションを行い、本明細書に開示されたそれらのグラフ表示を表示することができることが理解される。
【００６７】
上述した実施形態及び実施例は例示のみを目的とし発明の範囲をなんら限定するものではないことが理解される。変更、修正等が当業者には明らかであるが、本発明の範囲内であろう。したがって、発明の範囲を規定するものは、請求項及びその等価物である。
【００６８】
以下の特許を請求する。
【符号の説明】
【００６９】
１０  等軸粒ミクロ構造
２０  組織化ミクロ構造
３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ  ミクロ構造
３２  粒子
３４  粒界
３６，３８，３９  第二析出物
５０  コンピュータ
【図１】
0006320468.tif 000012
【図２】
0006320468.tif 000013
【図３】
0006320468.tif 000014
【図４】
0006320468.tif 000015
【図５】
0006320468.tif 000016
【図６】
0006320468.tif 000017
【図７】
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【図８】
0006320468.tif 000019
【図９】
0006320468.tif 000020
【図１０】
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【図１１】
0006320468.tif 000022
【図１２】
0006320468.tif 000023
【図１３】
0006320468.tif 000024
【図１４】
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