Ni
Co 基多結晶超合金の粒成長制御

ジェットエンジンや発電用ガスタービンの燃焼効率を改善

長田俊郎

谷横川忠

晴原月田

峰広史

れる(6)(8)．

し，排出される CO2 量を削減するためには，タービン翼だr
R G＝ b m
fV

けではなくタービンディスクの耐用温度向上が必要不可欠で(1)ある．タービンディスクとはタービン翼を装着する回転部材

ここで， g 及び m は無次元定数である．この様に，平均結で，クリープ強度や引張強度，低サイクル疲労特性などが求晶粒半径 RG を分散粒子(又は析出物)の平均粒子半径 r と体められる．筆者らの研究グループでは， 2007 ～ 2008 年度積率， fV で表わすことができる．図に RG と r / fV の関係

NEDO エネルギー使用合理化技術戦略的開発プロジェクトが母相中にを示す．ただし，ここでは Zener らと同様に g ′において，ディスク用鍛造超合金としては世界最高の耐用温ランダムに分布していると仮定し，m＝1 と決定した(7)．図度を有する Ni Co 基超合金の開発に成功している(1) ．これに示すように，本合金の結晶粒半径は熱処理温度や時間によは， Ni 基超合金と Co 基超合金を融合するという新しいコらず，g/g′二相域の条件ならば，ZenerSmith のモデルに従ンセプトで設計された合金であり，鍛造超合金の開発においい，非常に良い比例関係を示すことが明らかとなった．従って大きな障壁であった“強度と鍛造性の両立”を実現していて，その線形近似直線の傾きから求められる，本合金の bる(2)．一方で，この様な合金組成の持つ優れた特性を最大限値は g ＝ 0.630 であると結論づけられる．また，これら結果に引き出すためは，ミクロ組織を最適化することが重要であは，本合金における粒成長が g ′相の固溶と粗大化に律速しる．特に，結晶粒については，粒径が大きいほどクリープ強ていることを示唆している．一方で，得られた関係は同じ

度が，小さいほど引張強度が改善されると言われている(3)．

二相組織を有する RR1000 (粉末冶金)や U720Li (鋳鍛g/g′

このため，鍛造後の熱処理によって結晶粒径を任意のサイズ造)とも良い一致を示した(9)．これは，粒成長は合金組成等に最終調整することが必要とされる．特に，ディスクにさらされる温度・応力は一様ではないため，部位ごとにそれぞれ最適な結晶粒径に調整し，これら特性をバランス良く発現させることが必要とされている(5)．しかしながら，現状では，その粒成長機構は十分理解されておらず，最適な熱処理温度・時間等の条件を決定することができない．特に，ディスク用超合金は g / g ′の二相域で熱処理を施すため(4)(5) ，一般的な単相域での粒成長速度式を適用できないという問題がある．本稿では， g/ g′二相組織を有する Ni 基超合金の粒成長モデルを構築するとともに，熱処理条件の決定に必要不可欠な二相域での粒成長速度式を提案する．なお，合金組成や熱処理条件等の詳細は前報(6)(7)を参照していただきたい．
相によりピン止めされNi 基超合金の g 結晶粒の成長は g ′るという報告が多数されている(5)．しかしながら，現状ではNi 基超合金中のピン止め挙動の定量的な評価が全く行われていない．従って，まず，本合金の粒成長挙動を Zener Smith のモデルを用い整理を行った．分散粒子によるピン止め挙動は Zener Smith の一般式として下式のように表わさ

図1

NiCo 鍛造超合金のピン止め挙動．

物質・材料研究機構超耐熱材料センター(連絡先〒3050047 つくば市千現 121)
Grain Growth Control in a Polycrystalline NiCo Base Superalloy; Toshio Osada, Gu Yuefeng, Tadaharu Yokokawa, Hiroshi Harada(National Institute for Materials Science, Tsukuba)
Keywords: NiCo base superalloy, turbine disk, grain growth kinetics, Zener equation, Ostwald ripening
2010年 8 月20日受理

ま て り あ 第49巻 第11号(2010)Materia Japanの違いによらず Zener Smith のモデルに従うことを示唆し相が平衡状態にある熱処理条件において，Zener
デルは，g′ている．

粒 子 の Ostwald 成 長 に よ り 説 明 さ れSmith の モ デ ル と g ′次に ，粒 成長速 度を 決定 してい る g ′相の 粗大 化速 度をOstwald 成長に当てはめ評価した．一般的に，Ostwald 成長段階における球状粒子の粗大化は LifshitzSlyozovWagner(LSW)の法則(10)(11)に従い下式のように表わされる．
d3－d3o＝K′t＝K′oexpT(－RTE )tA(2)

る．従って，式( 1 )に式( 2 )を代入することで，粒成長速度を式( 4 )で表すことが可能である．
33E( ) ( ) (KT′) exp (－RT)tdo( 2R G ) 3－ b mfV＝bfm
V0A(4)

ここで，本合金における b， m， K ′o，及び EA は本研究により既知である．また，任意の温度における平衡時の fV はここで， do 及び d はそれぞれ t ＝ 0 及び t 時間後の粒子の平Thermo Calc. 等の熱力学計算ソフトウエアで計算可能であは粗大化速度定数，K ′均粒子径である．K ′o は温度依存性の粒子の初期粒子径，る．従って，熱処理前のディスク中の g′ない定数， EA は拡散の活性化エネルギー， R は気体定数及do を測定することにより，任意の温度，T 及び任意の時間，び T は絶対温度である．本合金の d 3 と t 関係をプロットすt で熱処理した時の結晶粒半径，RG を予測することが可能とると， d 3 の値は時間の増加とともに増大することが明らかなる．となった．また，温度 1100 1150 °C において，式( 2 )に従

この様に，本研究で得られた結果は，タービンディスク開の良い比例関係が成立した．従って， 1 次 g ′粒い，傾き K ′発及びそれに伴う熱処理条件の決定に大きく寄与するものと子の成長は Ostwald 成長に従った拡散律速による成長であ期待できる．更に，二相域での粒成長速度式として，様々なると結論づけられる．更に，式( 2 )は以下のように変形で合金に適用できるものと予想される．しかしながら，新規組きる．

成の合金を対象とする場合， Thermo calc. で計算される fV＝ln K′
ln TK′o－EA
RT(3)の精度が低いことが本速度式を活用する際の課題である．幸いにも，当研究グループでは，多元系 Ni 基超合金を対象と従って，ln TK′と 1/T の関係から本合金の K ′o と EA を見積した合金設計プログラム(14) や Phase Field 法による g ′相のと 1 / T の関係を示したもることができる．図に ln TK ′析出予測(15)など多岐にわたる研究に取り組んでいる．今後はArrhenius プロットを示す．全ての温度において，ln TK′はこれら研究と協力し，多くの実用ディスク超合金において1 / T に対し非常に良い比例関係を示すことが明らかになっ適用可能な結晶粒径予測式の構築に努めたいと考えている．

た．また，得られた線形近似直線の傾き及び切片より算出さまた，本研究で使用した供試材は三菱マテリアル株式会社に－1 )及び 7.54 × 1013
れた EA 及び K ′o は，それぞれ 303 ( kJmolて製作したディスク模擬形状品(鍛造パンケーキ)を使用致し(Kmm3h－1)であった．一方，この Eました．ここに記して感謝の意を表します．

相安定化元素であA は g′

る Al(12)及び Ti(13)の Ni 中の体積拡散の活性化エネルギーに相の粗大化は Al や Ti 等の近い値を示していた．従って，g′

文献拡散に律速していると予想される．の二相組織を有する Ni Co 多結晶超合金の粒成長モ
g/g′

図2
と 1/T の関係を示す Arrhenius プロット．
ln TK′( 1 ) 横川忠晴，谷月峰，崔傳勇，小泉 裕，藤岡順三，原田広史，福田 正，三橋 章日本金属学会誌， 74 ( 2010 ) , 221 
225.
( 2 ) Y. F. Gu, H. Harada, C. Cui, D. Ping, A. Sato and J. Fujioka:
Scripta Mater., 55(2006), 815818.
( 3 ) J. C. Williams and E. A. Starke, Jr.: Acta Mater, 51(2003),57755799.
( 4 ) T. P. Gabb, J. Gayda and P. Kantzos: NASA/TM2007
214912 (2007).
( 5 ) M. P. Jackson and R. C. Reed: Mater. Sci. Eng., 259A(1999),
8597.
( 6 ) 長田俊郎，谷月峰，横川忠晴，原田広史日本金属学会誌，
74(2010), 279284.
( 7 ) 長田俊郎，谷月峰，袁勇，横川忠晴，原田広史日本金属学会誌，74(2010), 688696.
( 8 ) C. S. Smith: Trans. AIME, 175(1948), 15
51.
( 9 ) H. T. Ping and P. A. S. Reed: Int. J. Fatigue, 25(2003), 1089
1099.
(10) M. Lifshitz and V. V. Slyozov: J. Phys. Chem. Solids, 19(1961), 35
50.
(11) C. Wagner: Z. Electrochem., 65(1961), 581591.
(12) H. Mehrer: Diffusion in Solid Metals And Alloy, Landolt
Bornstein New Series III/26(1990), 134.
(13) S. B. Jung, T. Yamane, Y. Minamino, K. Hirao, H. Araki andS. Saji: J. Mater. Sci. Lett., 11(1992), 13331337.
( 14 ) 横川忠晴，大沢真人，小泉 裕，小林敏治，原田広史日本
金属学会誌，68(2004), 577581.
(15) T. Kitashima and H. Harada: Acta Mater., 57(2009), 2020
2028.

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