(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１５〜２５重量％のＣｒ、２．５〜３．５重量％のＭｏ、５．０〜５．７５重量％の（Ｃｂ＋Ｔａ）、０．５〜１．２５重量％のＴｉ、０．２５〜１．０重量％のＡｌ、２１重量％までのＦｅ、残部実質的にＮｉの組成を有するニッケル基超合金材料を供給するステップと、
上記超合金材料を溶融し、その溶融温度より３８〜９３℃高い温度まで過熱するステップと、
上記超合金材料を所望の部材に鋳造するステップと、
上記部材を、その気孔率を取り除くために、９８２〜１０９３℃の温度で、最低４時間の間、１０５〜１７５ＭＰａの圧力でＨＩＰに供するステップと、
を含むことを特徴とする、ダイキャスト部材の製造方法。
【請求項２】
前記部材は、流れ線を含まないミクロ構造を有し、かつＡＭＳ５６６３に規定の強度、亀裂進展速度、及び応力破断耐性を有することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記部材は、ガスタービンエンジン部材を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記部材は、コンプレッサ部材であることを特徴とする請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記部材は、タービン部材であることを特徴とする請求項３記載の方法。
【請求項６】
前記部材の平均粒度がＡＳＴＭ３よりも小さいことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記部材は、室温で少なくとも１８０ｋｓｉ（１．２６ＧＰａ）の最大引張強度と少なくとも１４５ｋｓｉ（１．０２ＧＰａ）の０．２％降伏強度とを有することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項８】
前記部材は、１２００°Ｆ（６５０℃）で少なくとも１５０ｋｓｉ（１．０５ＧＰａ）の最大引張強度と少なくとも１２５ｋｓｉ（８７５ＭＰａ）の０．２％降伏強度とを有することを特徴とする請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記部材は、流れ線を含まないミクロ構造を有し、かつＡＭＳ５６６３に規定の強度、亀裂進展速度、及び応力破断耐性を有することを特徴とする請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記部材は、室温で少なくとも１２０ｋｓｉ（８４０ＭＰａ）の最大引張強度と少なくとも１０５ｋｓｉ（７３５ＭＰａ）の０．２％降伏強度とを有することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１１】
１５〜２５重量％のＣｒ、２．５〜３．５重量％のＭｏ、５．０〜５．７５重量％の（Ｃｂ＋Ｔａ）、０．５〜１．２５重量％のＴｉ、０．２５〜１．０重量％のＡｌ、２１重量％までのＦｅ、残部実質的にＮｉの組成を有するニッケル基超合金材料を供給するステップと、
上記超合金材料を溶融し、その溶融温度より３８〜９３℃高い温度まで過熱するステップと、
上記超合金材料を所望のガスタービンエンジンダイキャスト部材に鋳造するステップと、
上記部材を、その気孔率を取り除くために、９８２〜１０９３℃の温度で、最低４時間の間、１０５〜１７５ＭＰａの圧力でＨＩＰに供するステップと、
を含むことを特徴とする、ガスタービンエンジンダイキャスト部材の製造方法。
【請求項１２】
流れ線を含まないミクロ構造を有することを特徴とする請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記部材は、室温及び１２００°Ｆ（６５０℃）の両方において、ＡＭＳ５６６３に規定の強度及び応力破断耐性を有することを特徴とする請求項１１記載の方法。
【請求項１４】
前記部材は、コンプレッサ部材であることを特徴とする請求項１１記載のガスタービンエンジンダイキャスト部材。
【請求項１５】
前記部材は、タービン部材であることを特徴とする請求項１１記載の方法。
【請求項１６】
平均粒度がＡＳＴＭ３よりも小さいことを特徴とする請求項２０記載の方法。
【請求項１７】
前記部材は、室温で少なくとも１８０ｋｓｉ（１．２６ＧＰａ）の最大引張強度及び少なくとも１４５ｋｓｉ（１．０２ＧＰａ）の０．２％降伏強度を有することを特徴とする請求項１１記載の方法。
【請求項１８】
前記部材は、１２００°Ｆ（６５０℃）で少なくとも１５０ｋｓｉ（１．０５ＧＰａ）の最大引張強度と少なくとも１２５ｋｓｉ（８７５ＭＰａ）の０．２％降伏強度とを有することを特徴とする請求項１１記載の方法。
【請求項１９】
前記部材は、室温及び１２００°Ｆ（６５０℃）の両方において、ＡＭＳ５３８３に規定の強度及び応力破断耐性を有することを特徴とする請求項１１記載の方法。
【請求項２０】
前記部材は、室温で少なくとも１２０ｋｓｉ（８４０ＭＰａ）の最大引張強度と少なくとも１０５ｋｓｉ（７３５ＭＰａ）の０．２％降伏強度とを有することを特徴とする請求項１９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超合金材料から形成される部材に関し、特にニッケルベースの超合金から形成される部材及びこのような合金を熱処理する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
このような合金は、通常、１２６０〜１３７１℃／２３００〜２５００°Ｆを超える高い溶融温度を有する。ニッケルベースの超合金は、高い強度−重量比率、耐食性、及び、例えば、約１０９３℃／２０００°Ｆ以上の比較的高温での使用が要求される用途で使用される。
【０００３】
これらの超合金は、例えば、ガスタービンエンジンでは、一般にタービンセクションに使用され、ブレードやベーンなどのエアフォイルを含むエンジンのコンプレッサセクションの後段や中間ケース、及びコンプレッサケース、コンプレッサディスク、タービンケース、タービンディスクなどの固定部材や構成部材で使用されることもある。ガスタービンエンジンで使用される一般的なニッケルベースの超合金には、インコネル７１８（ＩＮ７１８）があり、その組成を広く示すと、炭素（Ｃ）約０．０１〜０．０５重量％、クロム（Ｃｒ）１３〜２５重量％、モリブデン（Ｍｏ）２．５〜３．５重量％、［コロンビウム（Ｃｂ）（ニオブ（Ｎｂ）とも呼ばれる）＋タンタル（Ｔａ）］５．０〜５．７５重量％、チタン（Ｔｉ）０．７〜１．２重量％、アルミニウム（Ａｌ）０．３〜０．９重量％、約２１重量％までの鉄（Ｆｅ）、残部実質的にニッケル（Ｎｉ）となる。
【０００４】
ガスタービンエンジン産業では、ブレードやベーンなどの複雑な三次元形状を有する部材の形成に鍛造が用いられる。ニッケルベースの超合金で微細な平均結晶粒度を有するとともに、高強度、低重量、及び高くて良好なサイクル疲労耐性をバランス良く有する部材を形成するために、これまで精密鍛造が用いられてきた。このような部材が適切に形成された場合には、高強度、低重量、及び耐久性をバランス良く有する。
【０００５】
簡単に言うと、ベーンのブレードなどの部材を鍛造するには、最終部材の所望の組成に対応する組成を有する材料のインゴッドを用意する。このインゴッドを、ブレードやベーンの場合は通常円筒形であるビレット状に加工し、続いて、徐々に所望の形状に近い形状となった加熱可能な金型及びハンマの間で、何度も加熱やスタンピングを行うことなどによって加工熱処理を行い、材料を塑性変形させて所望の部材形状とする。各部材は、通常、硬化／強化、応力除去、亀裂発生に対する耐性、及び特定レベルのＨＣＦ耐性などの所望の特性を得るように熱処理されるとともに、必要に応じて、機械加工、ケミカルミリング、もしくは研磨剤仕上げなどの仕上げ加工によって正確な形状、寸法もしくは特性となるように加工される。
【０００６】
鍛造による部材の製造は、費用が高く、かつ時間がかかるので、通常、室温及び高温の両方において高強度、低重量、及び耐性などの特定の特性バランスを必要とする部材のみに対して用いられる。鍛造の材料は、材料によっては、数ヶ月単位の長いリードタイムを要することもある。鍛造は、通常、一連の作業を含み、各作業は、それぞれ別個の金型や関連する装置を必要とする。また、ブレードの根部を加工して適切な表面仕上げを与えるといった鍛造後の仕上げ作業は、鍛造部材の全製造コストの大きな部分を占め、スクラップとなる部材部分も多く含まれる。
【０００７】
部材の鍛造中には、元の材料の（約８５％もの）多くの部分が取り除かれて処理廃棄物などとなり、完成部材の一部とはならない。製造部材の形状が複雑になると、部材製造の労力や費用が単に増加してしまうので、特に複雑な形状を有するガスタービンエンジン部材では、更に重大な問題となる。また、ＩＮ７１８などのニッケルベースの超合金は、スプリングバックも大きく、即ち材料が弾性を有するので、鍛造中にこのようなスプリングバックを考慮する必要がある。つまり、通常、部材を“過度に鍛造”しなければならない。更に、上述したように、完成部材に多数の鍛造後処理を行うことが必要となり得る。また、空気力学的に更に効率的なエアフォイル形状を分析して得るために、コンピュータ流体力学を適用するコンピュータソフトウェアが使用されているので、このように得られたエアフォイルや部材の三次元形状が更に複雑になっている。多くの材料が示す僅かに弾性的な特性のためもあり、これに応じて、このような進んだより複雑な形状に超合金を正確に鍛造することがより困難もしくは不可能となっている。材料の弾性的な特性によって、部材のコストが増加するとともに、エンジン技術における特定の進歩を適用することや、部材によっては特定の合金を使用することが、経済的に不可能となるくらいに部材のコストが押し上げられてしまうおそれがある。
【０００８】
鍛造部材は、多くの場合、介在物や炭化物を含む高いレベルの欠陥を示し、欠陥のレベルは、部材ごとに大きく異なる。また、ＩＮ７１８などコロンビウム含有量が多い部材では、元素偏析が生じやすく、かつラーベス相や位相幾何学的に最密構造の位相が形成されやすい。これらの欠陥とその程度によって、特に高温における機械的特性に有害な影響が及ぼされる。これらの欠陥の程度は、通常、材料の組成、及び鍛造中に部材が高温にさらされる時間によって決まってくる。従って、これらの欠陥を減少させるかもしくは取り除くために、部材に行われる処理ステップに加えて別個のステップとして均質化熱処理などの熱処理が行われる。この熱処理は、一般的に、部材を約１０９３℃／２０００°Ｆなどの比較的高温に数時間ほどさらすことを含む。この温度は、偏析を減少させるのに充分に高いが、大きな結晶成長が起ってしまう温度よりも低く、かつ時間的にも短い。
【０００９】
比較的最終形状に近い部材を製造するのには、鋳造が広く使用されてきた。このような部材の製造には、鋳造部材の形状のキャビティを有するセラミック製シェルに溶融金属を流し入れるインベストメント鋳造を使用することもできる。しかし、インベストメント鋳造では、（鍛造によって得ることができる小さい平均結晶粒度に比べて）非常に大きい結晶を有する部材が形成され、場合によっては、部材全体が単一の結晶から構成されることもある。結晶度は、更に、許容できない程度の元素偏析を生じさせてしまい、試験結果として（部材間の変動である）分散が大きくなるおそれがあるとともに、特性の低下をも引き起こす脆弱相を生じさせるおそれがある。また、各部材用に個々の金型を製造するために、処理費用が高く、かつ部材間寸法の非常に正確な再現性を達成することは難しい。更に、溶融材料を空気もしくは他の気体内で融解して、流し入れ、凝固させた場合には、特に反応性成分を含む材料で、介在物や気孔などの望ましくない特性を有する部材が形成されるおそれがある。気孔は、例えば、部材を加熱するとともに部材に圧力を加えることによって取り除く必要がある。ＩＮ７１８製の部材に関しては、９８２〜１０２４℃／１８００〜１８７５°Ｆの温度及び１０５〜１５４ＭＰａ／１５〜２２ｋｓｉの圧力で数時間にわたって、ホットアイソスタティック成形（ＨＩＰ）を通常行う。セラミック製シェルのスポーリングも、鋳造部材に介在物や不純物が含まれることの一因となる。
【００１０】
複数の部材を含む再使用可能な型に溶融材料を流し入れ、溶融材料を引力のみによって型内に流し入れる永久型鋳造も、部材を鋳造するのに一般に使用されてきた。例えば、コルヴィンに付与された米国特許第５，５０５，２４６号などを参照されたい。しかし永久型鋳造は、いくつもの難点がある。エアフォイルなどの薄い部材の鋳造では、薄い部分へ材料を流し入れるのに引力だけでは不充分であるおそれがある。これは、特に、材料の融点が高く、かつ過熱が低い場合において顕著であり、この場合には型を一定に満たすことができず、部材がスクラップとなってしまう。従って、許容寸法を比較的大きくする必要が生じ、これに応じて鋳造後の作業が多くなるために困難となる。永久型鋳造は、また、表面仕上げが比較的おそまつであり、このことによっても鋳造後の作業が増加してしまう。
【００１１】
再利用可能な型に加圧下で溶融材料を注入するダイキャストは、例えば、約１０９３℃／２０００°Ｆよりも低い、比較的低い溶融温度を有する材料から上記のような部材を形成するために好適に使用されてきた。
【００１２】
ダイキャスト機械の１つが、米国特許第３，７９１，４４０号に開示されている。この特許では、上記機械は、固定された型要素１１と移動可能な型要素１２とを含む。簡単にいうと、溶融金属を、ポアスパウト２２とスプルーを通して型キャビティ１５と連通する注入シリンダ３０へと流し入れる。注入シリンダ３０とスプルー２１の一部を満たすように充分な溶融材料が流し入れられ、これにより、注入シリンダから空気が排気される。例えば、第６欄第６〜１７行目を参照されたい。注入プランジャ３８によって、シリンダ３０から型キャビティ１５へと材料が注入される。スプルー固定シリンダと関連するプランジャ３８とによってスプルー２１が注入時などに密閉される。注入シリンダ３０が型プラテンの１つに埋め込まれており、高い溶融温度の溶融材料が注入シリンダに流し入れられる場合にシリンダの変形が防がれる。このクロスタイプの機械は、真空環境を用いずに、シリンダを完全に満たすことで型へ空気が注入されるのを防止する。
【００１３】
このような機械は費用が高く、かつ供給が少ないので、必要に応じて改修や修理を行うコストが高い。例えば、スリーブがプラテン内に埋め込まれていることで容易にアクセスすることができないために、機械に真空装置を取り付けることができても困難でかつ費用が高くなる。また、真空環境内で溶融材料を溶融ユニットからポアスパウト２２まで移動することができたとしても困難である。型の温度制御も困難であり、これは、プラテンとプラテン内に埋め込まれた型の組み合わせの物理的な寸法だけでなく、このような組み合わせにおける熱集中による。機械の構成によっても、真空環境における部材の取り外しが難しくなる。
【００１４】
ダイキャスト機械の別の種類には、“コールドチャンバ”タイプのものがある。上述のように、例えば、米国特許第２，９３２，８６５号、第３，１０６，００２号、第３，５３２，５６１号、及び第３，６４６，９９０号では、従来型のコールドチャンバダイキャスト機械は、複数部材を含む型の（通常固定された）プラテンの１つに固定されたショットスリーブを含み、このような複数部材を含む型には、共同で型キャビティを画定する固定及び移動可能なプラテンを含む二部材の型などがある。このショットスリーブは、水平、垂直、または垂直と水平の間で傾斜して配置することができる。このスリーブは、型のランナと連通しているとともに、溶融材料を流し入れる開口部３５を頂部に含む。スリーブ内で移動するようにプランジャが配置されており、このプランジャによってスリーブ内の溶融金属が型に押し込まれる。“コールドタイプ”の機械では、ショットスリーブは、水平に配置されるとともに過熱されない。鋳造は、通常、大気条件で行われ、即ち、装置は、真空チャンバなどの非活性空間には配置されない。
【００１５】
このような機械の難点は、特に、ニッケルベース、コバルトベース及び鉄ベースの超合金など、融点が（約１０９３℃／２０００°Ｆより高い）比較的高い材料を鋳造するために使用することができないことであり、これに関しては、米国特許第３，６４６，９９０号で説明している。従来型のコールドチャンバ機械では、ショットスリーブが排気されないために空気がプランジャによって型に注入されてしまい、ダイキャスト部材に望ましくなくかつ許容できない気孔が生じてしまう。従って、溶融材料への気泡の注入を防止するために、ショットスリーブをできる限り完全に満たすか、もしくはショットスリーブを傾けることで溶融材料内の空気が注入前に型から離れるようにする必要がある。
【００１６】
更に、ショットスリーブが過熱されないので、溶融金属のスキン即ち“筒”がショットスリーブの内側に凝固し、溶融材料を型内に挿入するためにプランジャをスリーブ内で移動するためは、プランジャがスリーブからスキンを削り取る即ち“筒”をつぶす必要がある。しかし、“筒”が、例えばスリーブに支持されるシリンダ形状である強度の高い部材を形成してしまった場合には、プランジャもしくはプランジャを移動するための関連する構造が損傷もしくは破壊されるおそれがある。スリーブが熱によって変形してしまってプランジャ形状に一致しなくなるか、プランジャが変形してスリーブ形状に一致しなくなると、プランジャを通してプランジャとスリーブとの間から金属が流出（逆流）してしまうか、プランジャとスリーブとの間にガスが捕捉されてしまうおそれがあり、これらは全て完成部材の質に有害な影響を与える。パーランチ等に付与された米国特許第３，５３３，４６４号も参照されたい。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
長期にわたる研究にも拘わらず、従来型の“コールドチャンバ”ダイキャスト装置を使用して、ニッケルベースの超合金などの高い溶融温度を有する材料で構成される部材を製造することに成功していない。超合金のように溶融温度の高い材料のダイキャストに関するこれまでの試みでは、ダイキャスト機械が故障したり、不純物、過度の気孔や偏析、比較的低い強度、及びハイアンドローサイクル疲労特性などを有する、質の悪い部材が形成された。
【００１８】
本発明は、主な目的は、ニッケルベースの超合金などの溶融温度が高い材料で形成されるダイキャスト部材を提供することである。
【００１９】
本発明の他の目的は、対応する鍛造部材に匹敵する特性を有する超合金ダイキャスト部材を提供することである。
【００２０】
本発明のより具体的な目的は、対応する超合金鍛造部材に匹敵する強度、耐久性、及び疲労耐性を有する超合金部材を提供することである。
【００２１】
本発明のまた他の目的は、鍛造で製造可能であっても製造が困難な、複雑な三次元形状を有する部材を提供することである。
【００２２】
本発明の更に他の全体的な目的は、超合金ダイキャスト部材の元素偏析を減少させるかもしくは取り除くことである。
【００２３】
本発明の更に具体的な目的は、ＩＮ７１８製のダイキャスト部材における元素偏析やＴＣＰ相を減少させるかもしくは取り除くことである。
【００２４】
本発明のまた他の目的は、残る気孔を減少させるかもしくは取り除くために、適切なＨＩＰパラメータを組み込むこともできる熱処理を提供することである。
【００２５】
他の目的は、以下の実施形態及び図面に基づいて当業者にとって明らかとなる。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
本発明の１つの形態では、ＩＮ７１８などのニッケルベースの超合金によって構成されるダイキャスト部材が開示されている。これらの部材は、例えば、ＡＭＳ５６６３やＡＭＳ５３８３に記載された、対応する鍛造部材の強度、低い亀裂進展速度、及び応力破断耐性を少なくとも満たすことが望ましい。これらの部材は、例えば、ガスタービンエンジン用のブレードやベーンを含む。各部材は、鍛造材料と同様のミクロ構造を有するとともに、より均一な粒子を有し、かつおおよそ（アメリカ材料試験協会  Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｆｏｒ  Ｔｅｓｔｉｎｇ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓの規格である）ＡＳＴＭ３よりも小さく、更に望ましくは、ＡＳＴＭ５もしくはそれよりも小さい微細な平均結晶粒度を有することを特徴とする。このミクロ構造は、更に流れ線（ｆｌｏｗ  ｌｉｎｅ）を含まないことを特徴とすることが望ましい。ガスタービンエンジンのブレードなどの回転部材では、所望の平均結晶粒度は更に小さく、例えば、望ましくはＡＳＴＭ５もしくはそれよりも小さく、更に望ましくはＡＳＴＭ６もしくはそれよりも小さい。
【００２７】
本発明の他の形態では、鋳造した状態で気孔及び元素偏析を有する超合金ダイキャスト部材を熱処理する方法が開示されている。この方法では、約９８２〜１１２１℃／１８００〜２０５０°Ｆ、望ましくは、約９８２〜１０２３℃／１８００〜１８７５°Ｆの温度で約１〜２４時間にわたって加熱して偏析を減少させることを含む。更に、加熱ステップにわたって部材を約１０５〜１５４ＭＰａ／１５〜２５ｋｓｉの圧力にさらして、同時に気孔を実質的に取り除くことが望ましい。
【００２８】
これらの部材は、室温及び高温の両方で同じ材料で形成された鍛造部材に匹敵する降伏強度及び最大引張強度を有するとともに、同様のハイアンドローサイクル疲労特性を有する。
【００２９】
本発明の利点は、ダイキャストでは、特別に調整したビレット状材料やセラミックインベストメントシェルを用意する必要がなく、かつ実質的に単一のステップで行うことができるために、多数の処理を要する鍛造処理やシェルの前処理に比べてインゴッドから最終部材までの部材製造時間がかなり減少することである。更に、ダイキャストでは、一度の鋳造で複数の部材を製造することができる。また、ダイキャストによって、より複雑な三次元形状を有する部材を製造することができ、鍛造に比べて空気力学的に効率の高いエアフォイルや他の部材の製造が可能となる。本発明によって、複雑な形状を有する部材の製造を、そのような形状に鋳造するのが困難もしくは不可能である材料を利用して行うことが可能となる。更に、ダイキャスト部材は、鍛造もしくはインベストメント鋳造よりも再現性が高く、最終形状により近い形状に製造することができ、かつ表面仕上げが優れているために製造後の仕上げ処理が最小で済む。また、これらの要因は全て、このような部材の製造コストをも減少させる。他の利点は、以下の詳細な説明及び添付図面により明らかとなる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
図１を参照すると、本発明のニッケルベースの超合金ダイキャスト部材は、符号１０として示されている。図示された実施例では、部材は、ガスタービンエンジンで使用されるＩＮ７１８製のブレード１０を有する。この部材は、エアフォイル１２、プラットフォーム１４、及び根部１６を含む。本発明は、種々の用途に広く適用することができ、特定の部材やガスタービンエンジンでの使用に限定することを意図するものではない。（他の用途のダイキャスト部材と比べて）ガスタービンエンジンで使用するダイキャスト部材は、ペンシルベニア州、ワレンデール（Ｗａｒｒｅｎｄａｌｅ，ＰＡ）所在のＳＡＥインターナショナル（ＳＡＥ  Ｉｎｔ’ｌ）発行の（対応する鍛造部材に関する）米国航空宇宙材料仕様ＡＭＳ５６６３（改訂Ｊ，１９９７年９月発行）、もしくは（対応するインベストメント鋳造−ＡＭＳ５６６３の低強度用途に関する）ＡＭＳ５３８３（改訂Ｄ，１９９３年４月発行）に記載された強度、低い亀裂進展速度、及び高い応力破断耐性を有することが望ましい。
【００３１】
上述したように、ガスタービンエンジンで通常使用されるニッケルベースの超合金は、インコネル７１８（ＩＮ７１８）であり、この超合金は、約１９重量％のＣｒ、約３．１重量％のＭｏ、５．３重量％の（Ｃｂ＋Ｔａ）、０．９重量％のＴｉ、０．６重量％のＡｌ、１９％のＦｅ、残部Ｎｉの公称組成を有する。また、ＩＮ７１８の組成をより広く示すと、約０．０１〜０．０５重量％の炭素（Ｃ）、約０．４重量％までのマンガン（Ｍｎ）、約０．２重量％までのケイ素（Ｓｉ）、１３〜２５重量％のクロム（Ｃｒ）、約１．５重量％までのコバルト（Ｃｏ）、２．５〜３．５重量％のモリブデン（Ｍｏ）、５．０〜５．７５重量％の［コロンビウム（Ｃｂ）＋タンタル（Ｔａ）］、０．７〜１．２重量％のチタン（Ｔｉ）、０．３〜０．９重量％のアルミニウム（Ａｌ）、約２１重量％までの鉄（Ｆｅ）、残部実質的にニッケル（Ｎｉ）となる。更に、ＩＮ７１８は、約０．０２〜０．０４重量％のＣ、約０．３５重量％までのＭｎ、約０．１５重量％までのＳｉ、１７〜２１重量％のＣｒ、約１重量％のＣｏ、２．８〜３．３重量％の（Ｍｏ＋Ｗ＋Ｒｅ）、５．１５〜５．５重量％の（Ｃｂ＋Ｔａ）、０．７５〜１．１５重量％の（Ｔｉ＋Ｖ＋Ｈｆ）、０．４〜０．７重量％のＡｌ、約１９重量％までのＦｅ、残部実質的にＮｉ及び極微量の他の元素の組成を有することが望ましい。
【００３２】
強度及び能力を向上させるために、ＩＮ７１８の組成を変更することもでき、例えば、鋳造材料のＮｂや他の強度を増す要素の含有量を増加することができる。
【００３３】
共にクロスに付与された米国特許第３，７９１，４４０号、第３，８１０，５０５号に開示及び説明されたダイキャスト機械を使用して、ダイキャスト部材を製造してきた。また、上述の米国特許第３，７９１，４４０号にも記載されているように、通常非加熱のショットスリーブを有する“コールドチャンバタイプ”のダイキャスト機械も使用してこのような部材を製造してきた。本発明に関しては、比較的費用が安く、供給量が多く、高い溶融温度の材料などをダイキャストする必要に応じて改修することができ、かつ必要に応じて修理する費用が全体として安いために、“コールドチャンバ”機械を使用し、この機械の方が好ましいと考える。
【００３４】
簡単にいうと、本発明では、溶融装置もしくは材料の１つもしくはそれ以上の元素の反応により、少なくとも１回の供給量の材料を汚染を最小に抑える方法で溶融する。従って、この合金は、例えば、望ましくは１００μｍより低く、より望ましくは５０μｍよりも低い圧力に保たれた、不活性の望ましくは真空の非反応性環境で加熱及び溶融される。この合金は、制御されるとともに制限された過熱温度、例えば、通常合金の溶融温度より３８〜９３℃／１００〜２００°Ｆ、より望ましくは、１０〜３８℃／５０〜１００°Ｆ高い温度まで加熱され、この加熱は、非汚染の溶融装置を用いて行うことが望ましい。インダクト−スカル溶融ユニットなどのセラミックを含まない溶融装置の使用が望ましい。材料は、型に注入する時点まで溶融状態を保つように充分に過熱する必要があるが、注入後に溶融材料が急速に凝固するのを妨げる程度には過熱しない。続いて、溶融合金を、望ましくは真空環境に配置された機械の水平なショットスリーブに移し、溶融材料を再使用可能な型に圧力下で注入する。溶融材料を移して注入する処理は、非加熱のショットスリーブを有するダイキャスト機械では、数秒を超えてはならず、注入は、１、２秒で行う必要がある。
【００３５】
部材は、所望であれば、鋳造後に熱機械処理することができる。つまり、部材は、ダイキャスト後に鍛造することができ、即ち、ダイキャスト部材を鍛造処理で用いる予形成部材として使用することができる。鋳造後の作業及びこれに関連する費用を最小にするために、ダイキャスト部材をニアネットシェイプに鋳造することが望ましい。
【００３６】
本発明によって形成された部材は、特に鋳造後に、微細で、均一な平均結晶粒度を有するミクロ構造を有するとともに流れ線を含まないことを特徴とする。ダイキャストによるＩＮ７１８製のテストバーとエアフォイルとをそれぞれ示した図２，図３と、従来の鍛造によるＩＮ７１８製のエアフォイルを示す図５と、を参照されたい。図２では、平均結晶粒度がおおよそＡＳＴＭ６である。図５では、平均結晶粒度がおおよそＡＳＴＭ１０である。
【００３７】
これらの部材は、平均結晶粒度が小さいことを特徴とし、例えば、ケースやシールなどの非回転のガスタービンエンジン部材では平均結晶粒度はＡＳＴＭ３もしくはそれよりも小さく、より望ましくはＡＳＴＭ５もしくはそれよりも小さい。ガスタービンエンジンのブレードなどの回転部材の場合には、所望の平均結晶粒度はより小さく、例えば、ＡＳＴＭ５もしくはそれよりも小さく、より望ましくはＡＳＴＭ６もしくはそれよりも小さい。所望の平均結晶粒度及び最大許容結晶粒度は、部材の用途によって異なり、即ち、部材がガスタービンエンジンで使用されるのか他の用途で使用されるのか、回転か非回転か、低温環境で動作するのか高温環境で動作するのかによって決まってくる。このような部材は、鍛造材料を含む対応部材に匹敵する特性、望ましくは少なくとも同等の特性を有する。
【００３８】
ダイキャストによるＩＮ７１８などのダイキャスト部材を検査したところ、驚くことに、元素偏析とともに少なくともいくつかのラーベス相や他のＴＣＰ相の存在が確認された。溶融材料を型に挿入した後の（インベストメント鋳造に比べて）比較的速い冷却速度を考えると、このような欠陥が存在することは驚くべきことである。上述したように、このような欠陥によって部材の機械的性質が損なわれる。部材の用途によって、このような欠陥を減少させるかもしくはなくす必要がある。このような欠陥を減少させるかもしくはなくすための例示的な熱処理に関して、図１２〜図１４を参照して説明する。
【００３９】
上述のように、本発明によって、好適な強度を有するのみでなく、対応する鍛造部材に匹敵するもしくは鍛造部材よりも優れた他の特性、例えば、低い亀裂進展速度や高い応力破断耐性などを有する部材のダイキャストが可能となる。本発明によるＩＮ７１８製ダイキャストのサンプルに関して、降伏強度や最大引張強度、及び延性や衝撃強さを測定する試験を行った。引張特性については、ＩＮ７１８製ダイキャストを試験する前に一定時間室温（約７０°Ｆ）に保った場合と、例えば約６５０℃／１２００°Ｆの高温に保った場合との両方に関して試験を行った。引張強度試験では、これらのサンプルに、０．０７６〜０．１７８ｍｍ．／ｍｍ．／分即ちｉｎ．／ｉｎ．／分の歪み速度を与え、この速度を約１分後に破断が起きる程度に増加した。図６，図７に示されるように、ダイキャスト部材は、室温及び高温の両方において鍛造に匹敵する０．２％降伏強度、最大引張強度、破断時の伸び、及び衝撃強さを有する。
【００４０】
より詳細には、ブレードやベーンなどの回転部材では、ダイキャスト部材は、対応する鍛造部材が示す強度特性や衝突特性と少なくとも同程度のものが要求される。ＩＮ７１８製のベーン、ブレード、及び回転部材は、室温で少なくとも１ＭＰａ／１４０ｋｓｉ、更に望ましくは、少なくとも１．０５ＭＰａ／１５０ｋｓｉ、最も望ましくは、少なくとも１．１２Ｍｐａ／１６０ｋｓｉの０．２％降伏強度を有し、６５０℃／１２００°Ｆで少なくとも８０５ｋＰａ／１１５ｋｓｉ、更に望ましくは、８７５ｋＰａ／１２５ｋｓｉ、最も望ましくは少なくとも９４５ｋＰａ／１３５ｋｓｉの降伏強度を有することが望ましい。このような部材は、室温で少なくとも１．２３Ｍｐａ／１７５ｋｓｉ、更に望ましくは、少なくとも１．３Ｍｐａ／１８５ｋｓｉ、最も望ましくは、少なくとも１．３７Ｍｐａ／１９５ｋｓｉの最大引張強度を有し、６５０℃／１２００°Ｆで１ＭＰａ／１４０ｋｓｉ、更に望ましくは、１．０５ＭＰａ／１５０ｋｓｉ、最も望ましくは、少なくとも１．１２Ｍｐａ／１６０ｋｓｉの最大引張強度を有することが望ましい。
【００４１】
更に、例えば、ＡＳＴＭ  Ｅ２９２に一致する（本発明に従って製造した材料を含む）応力破断試験用の標準的な滑らかな試験片とノッチ付の試験片との組み合わせに対して試験を行った。これらの試験片を、６５０℃／１２００°Ｆに保ちながら、約７３５〜７７０ＭＰａ／１０５〜１１０ｋｓｉの軸方向初期応力を加えた後に引き続き負荷を加えた。ブレードやベーンに使用する材料の場合には、試験片は、少なくとも２３時間後に初めて破断した。この値は、上述のＡＭＳ５６６３に記載された値に匹敵する。
【００４２】
上記と同様の例えば、ＡＳＴＭ  Ｅ２９２に一致する（本発明に基づいて製造される材料を含む）応力破断試験用の標準的な滑らかな試験片とノッチ付の試験片との組み合わせに対して、約７０４℃／１３００°Ｆでも試験を行った。これらの試験片に対して、約４２０〜４５５ＭＰａ／６０〜６５ｋｓｉの軸方向初期応力を加えた後に引き続き負荷を加えた。ブレードやベーンに使用する材料の場合には、試験片は、少なくとも４０時間後に初めて破断した。
【００４３】
クリープ特性に関しても、約６５０℃／１２００°Ｆで評価を行った。試験片を、約６５０℃／１２００°Ｆに保って、少なくとも約５６０ＭＰａ／８０ｋｓｉの軸方向応力が加わるまで負荷を加えた。０．１％の塑性変形が生じる時間を測定した。ブレードやベーンに使用する材料の場合には、この時間は、１５時間を超える必要がある。ここでも、部材の特定の用途によって、詳細な要求値が異なってくる。
【００４４】
ケース、フランジ、及び、例えばリングであるシールなどの非回転部材では、上述の値は、要求値を上回ることになる。より詳細には、ＩＮ７１８製のリングやシールなどの非回転部材は、室温で少なくとも９１０ＭＰａ／１３０ｋｓｉ、更に望ましくは、少なくとも１ＧＰａ／１４０ｋｓｉ、最も望ましくは、少なくとも１．０５ＧＰａ／１５０ｋｓｉの０．２％降伏強度を有し、６５０℃／１２００°Ｆで少なくとも７３５ＭＰａ／１０５ｋｓｉ、更に望ましくは、８０５ＭＰａ／１１５ｋｓｉ、最も望ましくは、少なくとも８７５ＭＰａ／１２５ｋｓｉの降伏強度を有する。このような部材は、室温で少なくとも１．１６Ｇｐａ／１６５ｋｓｉ、更に望ましくは、少なくとも１．２３Ｇｐａ／１７５ｋｓｉ、最も望ましくは、少なくとも１．３Ｇｐａ／１８５ｋｓｉの最大引張強度を有し、６５０℃／１２００°Ｆで８７５ＭＰａ／１２５ｋｓｉ、更に望ましくは、９４５ＭＰａ／１３５ｋｓｉ、最も望ましくは、少なくとも１．０２Ｇｐａ／１４５ｋｓｉの最大引張強度を有する。
【００４５】
更に、例えば、ＡＳＴＭ  Ｅ２９２に一致する（本発明に従って製造される材料を含む）応力破断試験用の標準的な滑らかな試験片とノッチ付の試験片との組み合わせに対して試験を行った。これらの試験片を、６５０℃／１２００°Ｆに保ちながら、約７３５〜７７０ＭＰａ／１０５〜１１０ｋｓｉの軸方向初期応力を加えた後に引き続き負荷を加えた。ブレードやベーンに使用する材料の場合には、試験片は、少なくとも２３時間後に初めて破断し、伸び率は約６％であった。
【００４６】
上記と同様の例えば、ＡＳＴＭ  Ｅ２９２に一致する（本発明に従って製造される材料を含む）応力破断試験用の標準的な滑らかな試験片とノッチ付の試験片との組み合わせに対して、約７０４℃／１３００°Ｆでも試験を行った。これらの試験片に対して、約４２０〜４５５ＭＰａ／６０〜６５ｋｓｉの軸方向初期応力を加えた後に引き続き負荷を加えた。ブレードやベーンに使用する材料の場合には、試験片は、少なくとも８５時間後に初めて破断した。
【００４７】
クリープ特性に関しても、約６５０℃／１２００°Ｆで評価を行った。試験片を、約６５０℃／１２００°Ｆに保って、少なくとも約５６０ＭＰａ／８０ｋｓｉの軸方向応力が加わるまで負荷を加えた。０．１％の塑性変形が生じる時間を測定した。ブレードやベーンに使用する材料の場合には、この時間は、約１５時間を超える必要がある。ここでも、部材の特定の用途によって、詳細な要求値が異なってくる。
【００４８】
ＡＭＳ５６６３では、以下の特性が必要となる。
【００４９】
【表１】
0004125462.tif 000002
【００５０】
ＡＭＳ５３８３では、以下の特性が必要となる。
【００５１】
【表２】
0004125462.tif 000003
ＡＭＳ５６６３に記載されているように、鍛造材料の特性は、試験片を長手方向もしくは横方向のいずれの方向で試験したかによって異なる。即ちこれらの特性は、等方性ではなく、横方向で試験を行った場合により低い値が出る。
【００５２】
更に、例えば、ＡＳＴＭＥ２９２に一致する（本発明に従って製造される材料を含む）応力破断試験用の標準的な滑らかな試験片とノッチ付の試験片との組み合わせに対して試験を行った。これらの試験片を、６５０℃／１２００°Ｆに保ちながら、約７３５〜７７０ＭＰａ／１０５〜１１０ｋｓｉの軸方向初期応力を加えた後に引き続き負荷を加えた。試験片は、少なくとも２３時間後に初めて破断した。これらの値は、ＡＭＳ５６６３に記載された必要条件と一致する。
【００５３】
ＡＭＳ５３８３の必要条件を満たす比較的強度が低い部材については、応力破断試験用の標準的な滑らかな試験片とノッチ付の試験片との組み合わせに対して試験を行った。これらの試験片を、７０４℃／１３００°Ｆに保ちながら、約４６２ＭＰａ／６５ｋｓｉの軸方向初期応力を加えた後に引き続き負荷を加えた。これらの試験片は、少なくとも２３時間後に初めて破断した。
【００５４】
図８，図９，及び図１０を参照すると、ＩＮ７１８などのニッケルベースの超合金は、望ましくは溶融されるとともに、不活性ガスもしくは更に望ましくは真空環境などの非反応性の環境で鋳造される。部材のダイキャストの所望の方法は、本出願と同日に米国に出願され、共に継続中の出願である「溶融温度が高いかもしくは反応性の材料からダイキャスト部材を形成する方法」及び「高い溶融温度を有する材料用のダイキャスト装置」に記載されている。望ましくは、一回の供給量即ち（４．５ｋｇ／１０ポンドより少ない）少量の材料が用意される（図１０−ステップ４４参照）。この供給量は、材料を汚染することなく素早く溶融するように溶融される。次に、溶融材料は、コールドチャンバタイプのダイキャスト装置の、望ましくは同様に真空排気された水平なショットスリーブを部分的に満たすようにこのショットスリーブへと流し入れられる。溶融材料は、続いて、望ましくは加熱されていない型に注入され、ここで所望の部材を形成するように凝固される。
【００５５】
まず、ダイキャスト用の材料を図８及び図９に示した装置１８で溶融する（図１０−ステップ４６）。反応性成分を含む超合金などの反応性材料を鋳造する場合には、形成される部材の質に有害な影響を及ぼし得る反応、汚染、もしくは他の状態を防止するために、材料を非活性環境で溶融することが重要である。溶融環境内のガスは、どのようなものであっても溶融材料内に捕捉されてダイキャスト部材の過剰な気孔の原因となるおそれがあるので、アルゴンなどの不活性環境よりも真空環境で材料を溶融することが望ましい。更に望ましいのは、真空供給源２２と連結され、１００μｍよりも小さい圧力、望ましくは５０μｍよりも小さい圧力に保たれた溶融チャンバ２０内で材料を溶融することである。
【００５６】
例えば、約２５ポンドまでの１回分の鋳造用の供給材料を迅速でかつ完全に溶融することができる、ニュージャージー州、ランコカス（Ｒａｎｃｏｃａｓ，ＮＪ）所在のコンサルクコーポレイション（Ｃｏｎｓａｒｃ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）製造の、るつぼ２４などで、ＩＮ７１８などのニッケルベースの超合金をインダクションスカル再溶融（ＩＳＲ）や溶融によって溶融することが望ましい。ＩＳＲでは、互いに隣り合う位置に固定された（通常は銅である）複数の金属フィンガによって画定されるるつぼ２４内で材料が溶融される。このるつぼ２４は、電源供給源２６に連結された誘導コイルによって囲まれている。これらのフィンガは、フィンガが溶融するのを防止するように水供給源（図示省略）からの冷却水循環用の流路を含む。コイルによって発生する電界は、るつぼ２４を通って、るつぼ２４に配置された材料を加熱して溶融する。この電界は、溶融金属を撹拌即ち混ぜる役目も果たす。材料の薄膜がるつぼ２４の壁に硬化してスカルを形成し、溶融材料がるつぼ２４に破壊的な化学作用を及ぼすおそれを最小とする。るつぼ２４、コイル、及びコイルに与える出力レベルと周波数を適切に選択することによって、溶融材料をるつぼ２４から離れて浮揚させることができる。
【００５７】
材料の溶融と溶融材料の型への注入との間には、いくらかの時間経過が生じるので、材料は、過熱した状態で溶融される。この過熱は、注入する時点まで材料の少なくとも一部が実質的に溶融状態であるように充分に高く、かつ、注入時に急速に凝固して、例えば、微細な結晶が形成されるように、充分低い温度に制限される。超合金に関しては、過熱を溶融点よりも９３℃／２００°Ｆだけ高い温度以内に、更に望ましくは、３８℃／１００°Ｆだけ高い温度に、最も望ましくは１０℃／５０°Ｆだけ高い温度に制限することが望ましい。
【００５８】
材料の一回分の供給量をＩＳＲユニットを用いて溶融することが望ましいが、真空誘導溶融（ＶＩＭ）、電子ビーム溶融、抵抗溶融、もしくはプラズマアークなどの他の方法で材料を溶融することもできる。更に、バルク状の材料、例えば、数回分の材料を一度に真空環境で溶融してから、１回分の溶融材料を型に注入するためにショットスリーブに移動することも除外するわけではない。しかし、材料を真空で溶融するので、溶融材料の移動に使用する装置は、通常、高温に耐え得るとともに真空チャンバ内に配置可能である必要があり、従って、チャンバが比較的大きいことが必要となる。このような装置が必要となることで、コストが増加するとともに、大きい真空チャンバに伴って排気に必要な時間が長くなってしまい、サイクル時間に悪影響が及ぼされる。
【００５９】
溶融材料を装置１８のるつぼ２４からショットスリーブ３０へと移すために（図１０−ステップ４８）、るつぼ２４は、（図９の矢印３８に沿って）並進するようにかつ（図８の矢印３３のように）ピボット移動するように流し入れ軸（図示省略）を中心に取り付けられている。また、ショットスリーブ３０の流し入れ孔３５を通して、ポアキャップもしくは漏斗がスリーブに取り付けられた状態もしくはこのような手段がない状態で溶融材料を流し入れるために、更に、モータ（図示省略）に取り付けられている。上記並進は、材料を溶融する溶融チャンバ２０と、ショットスリーブが位置する別個の真空チャンバ３４と、の間で起こる。流し入れチャンバ３４も、非活性環境に保たれ、望ましくは１００μｍ、更に望ましくは、５０μｍより低い圧力の真空環境に保たれる。溶融チャンバ２０と流し入れチャンバ３４とは、ゲートバルブや他の適切な手段（図示省略）によって分離されており、例えば、特定のチャンバ内の部材にアクセスするために一方のチャンバが大気にさらされた場合であっても、真空状態の損失が最小で済むようになっている。
【００６０】
上述したように、溶融材料は、るつぼ２４から流し入れ孔３５を通してショットスリーブ３０に移される。ショットスリーブ３０は、型キャビティ３８を画定する複数部材の再使用可能な型３６と連結している。１つもしくは１つ以上の部材を含む型キャビティを満たすのに充分な量の溶融材料が、ショットスリーブに流し入れられる。例えば、１２のキャビティを有する型を用いて、最大１２の部材を一回の注入で鋳造することに成功している。
【００６１】
図示の型３６は、例えば、ガスタービンエンジン用のコンプレッサエアフォイルの形状である型キャビティ３８を共同で画定する２つの部分３６ａ，３６ｂを含む。この型３６は、溶融金属の注入前に型を真空排気することができるように真空供給源にも連結されており、別個の真空チャンバに格納することもできる。型３６の２つの部分３６ａ，３６ｂのうちの一方は、固定されており、他方の部分は、例えば、油圧装置など（図示省略）によって、他方に対して移動可能となっている。この型３６は、凝固した材料を型から容易に取り外すことができるように、エジェクタピンを含むことが望ましい。
【００６２】
型３６は、種々の材料で構成することができ、良好な熱伝導性、及び溶融材料の注入による侵食や化学的な破壊作用に対して相対的に耐性を有する必要がある。使用可能な材料の包括的なリストは、かなり長く、金属、セラミック、グラファイト、及び金属マトリクス複合材などを含む。型材料には、Ｈ１３やＶ５７などの工具鋼、ＴＺＭやアンビロイなどのモリブデンやタングステンベースの材料、銅ベリリウム合金“モールドマックス”−ハイハードネスなどの銅ベースの材料、Ｆ７５やＬ６０５などのコバルトベースの合金、ＩＮ１００やＲｅｎｅ９５などのニッケルベースの合金、鉄ベースの超合金、及び１０１８などの軟炭素鋼を使用して成功してきた。型材料の選択は、経済的な部材製造のために重要であり、鋳造される部材の複雑さ及び量とともに現時点での部材コストによって決定される。
【００６３】
各型材料は、それぞれ異なる用途において望まれる特性を有する。低コストの型材料には、型の機械加工及び製造が比較的容易であることにより、軟炭素鋼や銅ベリリウム合金が好適である。タングステンやモリブデンなどの耐熱性金属ベースの材料は、高温において好適な強度を有するので、比較的コストが高く、かつ量が多い用途に適している。コバルト及びニッケルベースの合金や、より多くの金属を含む合金である工具鋼は、上述の２つのグループの中間物を提供する。コーティングや表面処理を使用して、装置の性能や製造される部材の質を高めることもできる。また、水などの冷却剤供給源もしくは油（図示省略）などの熱供給源に型を接続して、作業中の型温度を熱的に管理することができる。更に、型潤滑剤を型及びダイキャスト装置の１つもしくはそれ以上の選択された部材に用いることもできる。どのような潤滑剤を使用してもよいが、鋳造される部材の質を全体的に向上させるとともに、注入材料を汚染しないように熱的な破壊に耐性を有する必要がある。
【００６４】
続いて、溶融金属をるつぼ２４からショットスリーブ３０へと移す。型キャビティとともに関連するランナ、ビスケット、及び他のキャビティを満たすように充分な量の溶融金属をショットスリーブ３０に流し入れる。ＩＮ７１８は、チタン合金と同程度に“筒”状とはならないので、ショットスリーブを充填することができる。しかし、スリーブの充填が５０％、４０％、及び３０％より少ない場合でも良質な鋳物を製造することが可能である。
【００６５】
プランジャ４０などの注入装置は、ショットスリーブ３０と協働して、実線で示した位置から点線で示した位置まで油圧や他の適切な装置（図示省略）によって矢印４２の方向に駆動され、これにより、溶融材料がスリーブ３０から型キャビティ３８内に注入される（図１０−ステップ５０）。実線で示した位置では、プランジャとスリーブとは、注入される溶融材料の量よりも実質的に大きい容積を定める。この容積は、注入材料の量の少なくとも２倍であることが望ましく、少なくとも約３倍であることが更に望ましい。従って、この量が、るつぼからスリーブに移される溶融材料の量である。スリーブが部分的にしか充填されない場合には、スリーブに凝固する材料即ちスキンによって、例えば、開いた弓形面などの部分的な円筒のみしか形成されず、金属の注入中により容易に削りとられるかもしくはつぶされて溶融金属に再度混合される。
【００６６】
注入時には、約０．７７ｍ／ｓ（３０インチ／秒（ｉｐｓ））〜７．７ｍ／ｓ（３００ｉｐｓ）の間のプランジャ速度を用いたことがあり、また、現時点では、約１．３〜４．５ｍ／ｓ（５０〜１７５インチ／秒（ｉｐｓ））を使用することが望ましい。プランジャは、少なくとも８．４ＭＰａ／１２００ｐｓｉの圧力で移動し、少なくとも１０．５ＭＰａ／１５００ｐｓｉで移動することが更に望ましい。プランジャのストロークの最後近くになると、型キャビティが満たされて、プランジャによって金属に圧力が伝達される。続いて、型キャビティが完全に充填されるように、金属に加わる圧力が、望ましくは少なくとも３．５ＭＰａ／５００ｐｓｉ、更に望ましくは少なくとも約１０．５ＭＰａ／１５００ｐｓｉに増加される。圧力の増加は、気孔率を最小とし、冷却中に生じる材料収縮を減少させるかもしくはなくすためにも行われる。型材料が確実に凝固する充分な時間が経過した後に、型から部材を取り外すためにエジェクタピン（図示省略）が作動される（図１０−ステップ５２）。
【００６７】
従来技術で周知のように、一般に鋳造された部材、特にダイキャストされた部材は、通常、数パーセントまでの気孔率を有する傾向がある。従って、ガスタービンエンジン用のコンプレッサエアフォイルなどの、要求がより厳しい用途でこのような部材を使用する場合には、気孔率を減少させ、望ましくは気孔を取り除く必要があり、即ち必要に応じて処理する必要がある（図１０−ステップ５４）。従って、鋳造したこれらの部材の気孔率を減少させるとともに実質的に取り除くように、上述したホットアイソスタティック成形（ＨＩＰ）を行う。ＩＮ７１８などのニッケルベースの超合金では、約９８２〜１０９３℃／１８００〜２０００°Ｆの温度、更に望ましくは、約９８２〜１０２３℃／１８００〜１８７５°Ｆの温度で、最低限約４時間の間、約１０５〜１７５ＭＰａ／１５〜２５ｋｓｉの圧力でＨＩＰを行うことが望ましい。
【００６８】
所望であれば、続いて各部材に熱処理を行うこともできる。ＩＮ７１８製ダイキャストで構成されたエアフォイルに関しては、この熱処理は、ＡＭＳ５６６３に記載されているような標準的で商業的に実施されている処理を含む。
【００６９】
実際の熱処理及びＨＩＰのパラメータは、所望の特性や部材の用途、及び処理の目標サイクル時間によって変更することができるが、ＨＩＰにおいて使用される圧力及び時間は、実質的に全ての気孔を除去するとともに鋳物の偏析を均質化するのに充分であり、かつ大きな結晶成長が生じない程度である必要がある。
【００７０】
これらの部材は、例えば、蛍光浸透探傷検査（ＦＰＩ）、放射線、目視などの従来の検査技術を使用して検査され（図１０−ステップ５６）、検査後に使用することができ、もしくは、必要に応じて更に処理／再処理することができる（図１０−ステップ５８）。
【００７１】
熱処理に関しては、従来の部材と比較してかなり低い温度で偏析やＴＣＰ相を減少させるかもしくは実質的に取り除くことができ、よって、ＨＩＰと同様のパラメータ内で元素偏析に対処することができることを確認した。熱処理は、約９８２〜１１２１℃／１８００〜２０５０°Ｆの温度で、約１〜２４時間、約１０５〜１７５ＭＰａ／１５〜２５ｋｓｉの圧力で材料を加熱して気孔を取り除くことを含む。この処理は、アルゴンなどの不活性環境で行われることが望ましい。実際のパラメータは、部材の所望の用途、及び処理の目標サイクル時間によって変更することができるが、圧力及び時間は、鋳造した部材（図１２参照）の実質的に全ての気孔を除去するとともに偏析を均質化するのに充分であり、かつ大きな結晶成長が生じない程度である必要がある。図１３には、加圧することなく、約１０１０℃／１８５０°Ｆで２時間加熱した材料を示しており、この図では、偏析が減少した様子が示されている。適切なＨＩＰ圧力をこの時間にわたって加えることで、気孔も取り除くことができる。
【００７２】
結果的に形成される部材の結晶粒度は、温度及び時間の影響を受ける。例えば、図１１を参照すると、ＩＮ７１８製ダイキャスト部材は、約ＡＳＴＭ９の平均結晶粒度、及び約３０％の偏析を有した（左側の写真参照）。このサンプルに対して約９５４〜１１２１℃／１７５０〜２０５０°Ｆの温度で熱処理を行ったところ、処理部材は、温度の増加とともに偏析が減少するとともに平均結晶粒度が増加した。平均結晶粒度の増加は、特に高温において、処理時間が長くなるほど顕著となる。図１１で示した曲線は、ＩＮ７１８製ダイキャストに関するものであるが、他の材料も同様の特性を示し得る。例えば、共に継続中である米国特許出願、名称「超合金ダイキャスト部材」を参照されたい。
【００７３】
ニッケルベースの超合金に関する研究の結果、良質の鋳物の製造において種々の条件が重要であると考えられる。特に反応性の材料に関して、材料の溶融、流し入れ、及び注入は、非活性の環境で行われる必要があり、望ましくは１００μｍより低い圧力、更に望ましくは、５０μｍより低い圧力に保たれた真空環境で行うことが望ましい。過熱の程度は、材料を流し入れた時点から注入する時点まで、材料が実質的かつ完全に溶融状態に保たれるように充分であることが必要であるが、注入後に、急速に冷却して微小な結晶を形成することができる程度である必要もある。過熱が比較的低いので、金属が凝固する前に溶融金属の移動及び注入を素早く行う必要がある。結果として生じる結晶粒度などのミクロ構造は、型材料、及び過熱とともに、鋳造する部材の部分的な厚みにも対応するようであり、即ち比較的薄いセクションは、比較的小さい結晶を含む傾向があり、比較的厚いセクション（特に比較的厚いセクションの内側部分）は、比較的大きい結晶を含む傾向がある。型材料の熱伝導性が比較的高い場合や過熱が低い場合には、部材の結晶が比較的小さくなる。これは、これらのセクションにおける相対的な冷却速度によると考えられる。プランジャの移動速度、即ち材料の鋳型への注入速度は、鋳造部材の表面仕上げに影響を与えるようであり、またゲート設計や型材料も注入速度と組み合わさって影響を与え得る。ダイキャストの比較的微細なミクロ構造が有する利点を完全に得るためには、鋳造後の熱処理を注意深く制御することが必要である。
【００７４】
ダイキャストは、鍛造に比べて他にも大きな利点を有する。特別に調整したビレット状材料を用意する必要がなく、かつ多数の処理を要する鍛造に比べて実質的に単一のステップで鋳造が行われるので、インゴッドから最終部材となるまで部材を製造するのに要する時間は、大きく減少する。ダイキャストでは、一度の鋳造で複数の部材を製造することができる。また、ダイキャストによって、より複雑な三次元形状を有する部材を製造することができ、ガスタービンエンジンなどの分野で新しいソフトウェア設計技術を活用することが可能となるとともに、より効率的なエアフォイルや他の部材の製造が可能となる。ダイキャストによって、複雑な形状を有する部材の製造を、このような複雑な形状に鋳造するのが困難もしくは不可能である材料を利用して行うことが可能となる。更に、ダイキャスト部材は、鍛造部材もしくはインベストメント鋳造部材よりも再現性が高く、最終形状により近い形状に製造することができ、かつ表面仕上げが優れているので、製造後の仕上げ処理が最小で済む。また、これらの要因は全て、このような部材の製造コストをも減少させる。
【００７５】
本発明の熱処理は、利点を提供する。熱処理によって、気孔、ラーベス偏析、及び他の望ましくないＴＣＰ相などの鋳造の悪い影響が取り除かれるとともに、優れた機械的特性を提供する微細な結晶粒度を維持する。更に、この処理は、上述の悪影響を全て１つのステップで取り除くことができ、これにより、コスト、時間、及び取扱いを少なくすることができる。
【００７６】
本発明を詳細に説明してきたが、本発明の趣旨及び請求の範囲から離れずに種々の変更及び代用を行うことができる。従って、本発明を実施例に基づいて説明しており、限定的に説明したものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るＩＮ７１８製ダイキャスト部材の説明図である。
【図２】本発明に係るＩＮ７１８製ダイキャストの試験片のミクロ構造を示す顕微鏡写真である。
【図３】本発明に係るＩＮ７１８製エアフォイルのミクロ構造を示す顕微鏡写真である。
【図４】ホットアイソスタティック成形した後の図３のエアフォイルのミクロ構造を示す顕微鏡写真である。
【図５】ＩＮ７１８製の鍛造エアフォイルのミクロ構造を示す顕微鏡写真である。
【図６】本発明に係るＩＮ７１８製ダイキャスト部材と対応する鍛造部材との特性を示すグラフである。
【図７】本発明に係るＩＮ７１８製ダイキャスト部材と対応する鍛造部材との特性を示すグラフである。
【図８】ＩＮ７１８製の部材の製造に使用するダイキャスト機械の概略図である。
【図９】ＩＮ７１８製の部材の製造に使用するダイキャスト機械の概略図である。
【図１０】本発明に係るＩＮ７１８製ダイキャストの処理を示したフローチャートである。
【図１１】熱処理温度に対する本発明に係るＩＮ７１８製ダイキャスト部材の平均結晶粒度と偏析割合とを示すグラフである。
【図１２】元素偏析を含むＩＮ７１８製ダイキャスト部材のミクロ構造を示す顕微鏡写真である。
【図１３】本発明に係るホットアイソスタティック成形及び熱処理後の偏析が減少した様子を示す顕微鏡写真である。
【符号の説明】
１８…装置
２４…るつぼ
３０…ショットスリーブ
３５…開口部
３６…型
３６ａ，３６ｂ…型の一部
３８…型キャビティ
４０…プランジャ
【図１】
0004125462.tif 000004
【図２】
0004125462.tif 000005
【図３】
0004125462.tif 000006
【図４】
0004125462.tif 000007
【図５】
0004125462.tif 000008
【図６】
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【図７】
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【図８】
0004125462.tif 000011
【図９】
0004125462.tif 000012
【図１０】
0004125462.tif 000013
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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