成果報告書詳細
管理番号20160000000327
タイトル平成27年度成果報告書 高強度・高耐熱部材に適用可能な三次元金属積層技術の研究開発に関する検討
公開日2016/8/5
報告書年度2015 - 2015
委託先名三菱日立パワーシステムズ株式会社
プロジェクト番号P12004
部署名省エネルギー部
和文要約海外のガスタービンメーカでは、更なる高効率化、低コスト化を図るために、高温部品に三次元金属積層造形技術を適用しつつある。高温部品には、従来鋳造や鍛造で製造されたNi基合金が使用されているが、Ni基合金の粉末を用いた三次元金属積層造形材は、鋳造/鍛造材よりも酸素や窒素が多く含まれるため、高温での強度特性に悪影響を及ぼす懸念がある。一方、欧州では、すでにレース用自動車部材や生体材料に三次元金属積層造形が実用化されているが、高温特性(特にクリープ特性)に関する報告は皆無に等しい。
そこで本調査では、欧米における三次元金属積層(以下、AM)技術や素材となる粉末製造技術について、現状を正確に把握するため海外の有力メーカを調査し、有望メーカにおいて粉末及びAM材を試作し、試作品の強度特性を評価した。これらの調査結果より、新規材料によるAM材の強度・使用温度向上に向けた研究課題を整理することを目的とした。
本調査研究は、メーカ調査と、有望メーカにおける試作及び破壊調査から成る。メーカ調査では、粉末メーカとAM外注メーカ(装置メーカ含む)について、まずインターネット等による公開情報を元に有望と思われる数社に対して訪問調査を行なった。粉末メーカについては、欧州の3社を訪問し、製造実績のある粉末鋼種やスペック(特に酸素や窒素といった不純物)、設備(製造、分級、分析等)、納期や価格等についてヒアリング、比較を行なった。調査の結果、不純物量が最も少なく、コスト、納期の観点でも最も優れたA社にて、試作を行うこととした。AM外注メーカについても欧州内3社を訪問し、所有設備、製造実績や品質保証などについて調査した。その結果、多数のメーカのAM装置を所有し、実製品適用実績も多いF社にて試作を実施することとした。
A社において製造した粉末を用いて、F社にてNi基合金及びCo基合金の試験片及び実機模擬部品を試作した。試作に用いた粉末の酸素・窒素は、分析の結果100ppmを超えており現状の鍛造材を大きく上回っていた。試作材の組織観察では、鍛造材ではあまり見られない析出形態や結晶粒組織が見られた。強度試験では、鍛造材と比較して、Ni基合金では高温引張延性やクリープ強度で大幅な低下が見られ、Co基合金でも、引張延性の低下が見られた。
本調査結果より、AM材を耐熱部材に適用するに当たっての課題を整理した。Ni基合金では、Ti,Alが強化元素となるが、これらが製造時に酸化し高温特性の劣化を招いている可能性がある。したがって、現状のNi基合金のAM適用は低温部に限られ、高温部材に適用するには材料強度面で課題がある。Co基合金は、比較的高い高温延性や疲労特性が得られた。これはTiやAlが添加されていないためと考えられる。しかし、もともとの強度レベルがNi基合金と比べると低く、応力の低い静止部材への適用に限定される。また、Co基合金は施工性にも課題がある。上記の課題を考えると、新しい材料開発の指針としては、Ni基合金では、製造時にAl、Tiを低減し、酸化しにくい強化元素による合金設計が、Co基合金については、AMプロセスを前提とした成分の最適化で強度向上を狙った合金設計が有効と考えられる。さらに、AM材のクリープ損傷メカニズムの解明も重要な課題と考えられ、大学などの当該分野の基礎研究を行なう研究機関と連携した開発が研究開発全体に効果的、且つ必要と判断される。
英文要約In order to achieve higher efficiency and cost reduction, some overseas gas turbine manufacturers have been applying additive manufacturing (hereafter, AM) technologies to heat resistant components of gas turbines. Currently, cast and wrought Ni based superalloys have been used for high temperature components. However, there is concerned that AM parts made from Ni based superalloy powder show poor mechanical properties at high temperature due to its higher level of contaminations such as oxygen and nitrogen than that of casting and wrought alloys. In the European countries, AM parts have already been used in automotive parts (such as Formula 1 racing) and biomedical equipment. However, there are few reports mentioned about mechanical properties (especially creep) of AM parts at high temperature.
Therefore the objectives of this research are to organize subjects relate to high temperature strength of AM conventional parts. In this research, AM job-shops and powder manufacturers in Europe and U.S. were surveyed, thereafter some trial productions have been made by the selected powder manufacturer and the job-shop to evaluate mechanical properties of AM materials.
Three powder manufacturers were selected based on the prior survey results from the internet and some public information, then we interviewed their experiences, specifications, manufacturing facilities, delivery term, cost and so on. As a result, we chose Company A because both contamination level and cost of Company A powder was the lowest among the three companies. We also chose three AM job-shops in Europe to investigate their capabilities in terms of facilities, experiences, quality control of productions and so on. As a result, Company F was chosen because they have variety of kinds of AM machines and experiences that has already used in many markets.
The powder was manufactured by Company A, and some test pieces and prototype component were manufactured with the Co-base and Ni-base powder by Company F. The contaminations of these powders were over 100 ppm. The AM material showed unique microstructure compared with wrought alloys. Tensile ductility and creep strength of AM materials decreased compared with that of wrought alloys.
From these results, some subjects of AM heat resistant alloy have been found as followings: Although Al and Ti are strengthening elements for Ni-based alloys, they are easy to oxidize during powder manufacturing and AM process and the contaminations results in degradation of high temperature strength. Therefore it is difficult to apply Ni-base alloy to hot parts. Co-based alloy showed good high temperature ductility, however, to apply high stress parts such as turbine blades, its lower strength need to be improved. Moreover there are fundamental studies that have to be done for elucidation of creep deformation mechanism through business-academia cooperation.
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