報告書番号

EX21006

タイトル（和文）

ニッケル基合金Alloy 718積層造形材の低サイクル疲労特性

タイトル（英文）

Low cycle fatigue properties of nickel-based Alloy 718 fabricated through additive manufacturing

概要 （図表や脚注は「報告書全文」に掲載しております）

背　　景
金属積層造形（AM注1））技術は近年急速に進歩しており、ガスタービンや蒸気タービン等の回転機器や原子力発電プラントの耐圧部への適用が検討されている。特にAlloy 718は高温強度特性と延性のバランスが良く、ガスタービンディスクをはじめとして多くの発電機器に適用されており、AMによる造形も容易であることから、他の材料に先立って発電機器への実用化が見込まれる。耐圧部品や回転部品等には高い強度と信頼性が要求されるが、AM材の長期間の供用による劣化特性（疲労、クリープ、腐食、脆化等）や、従来の設計や寿命管理手法がAM材に適用可能かについては明確になっておらず、AM技術をこれらの部位へ適用する上での課題となっている。ガスタービンディスク等の起動・停止や負荷変動による熱応力を受ける機器では上記の劣化特性のなかでも低サイクル疲労特性の評価が重要となる。
目　　的
LPBF法注2）で製造したAlloy 718の金属組織や引張特性を明らかにする。また、室温及び600 ℃での低サイクル疲労試験を実施し、AM材の低サイクル疲労特性を明らかにする。さらに、AM特有の内在欠陥の除去に使用が検討されているHIP注3）処理がこれらの特性に及ぼす影響についても明らかにする。
主な成果
1. LPBF法で製造したAlloy 718 AM材の金属組織
LPBF法で製造したAlloy 718に溶体化と2段階熱時効を施した材料（Solution Treatment and Aging: STA）は、積層方向に伸長した結晶粒が確認でき、微細なセル状の下部組織を有していた（図1 a）。1180 ℃で4時間のHIP処理後に溶体化と2段階熱時効した材料（HIP+STA）では再結晶組織が認められ、STAでみられたAM材特有の微細な下部組織は消失していた（図1 b）。
2. LPBFで製造したAlloy 718 AM材の引張特性
STAの0.2%耐力及び引張強さは鋳造材よりも高く、圧延材や鍛造材と同等かそれ以上であり（図2）、延性は従来製法材のばらつきの範囲内であった（図3）。HIP+STAでは再結晶により0.2%耐力と引張強さはSTAよりも低下し（図2）、延性は上昇した（図3）。
3. LPBFで製造したAlloy 718 AM材の低サイクル疲労特性
全ひずみ範囲と疲労寿命の関係において、STA及びHIP+STAはともに、圧延材と同等以上の低サイクル疲労寿命特性を示した（図4）。疲労寿命の整理に寿命中期の応力範囲をその材料の引張強さで規格化したパラメータを使用することで、HIPの有無によらず、AM材と圧延材の低サイクル疲労寿命を統一的に評価できた（図5）。

概要 （英文）

Microstructure and mechanical properties of Alloy 718 manufactured by laser powder bed fusion (LPBF) process, which is one of the typical additive manufacturing (AM) technologies, were compared with Alloy 718 manufactured by traditional methods. Microstructural observations, tensile tests, and strain-controlled low-cycle fatigue tests were performed on the Alloy 718 which was subjected to solution treatment and double aging after manufacturing by LPBF process (STA). In addition, these observations and tests were also performed on the Alloy 718 which was subjected to hot isostatic pressing (HIP) treatment, solution treatment and double aging after LPBF manufacturing (HIP+STA) in order to investigate the effect of HIP treatment on the microstructure and mechanical properties. 0.2% proof stress and tensile strength of STA were equal to or higher than those of hot-rolled or forged materials, and ductility was within the range of variation in the materials manufactured by traditional processes. 0.2% proof stress and tensile strength of HIP+STA were lower than those of STA due to recrystallization, and ductility increased. In the relationship between the total strain range and the low-cycle fatigue life, both STA and HIP+STA showed longer fatigue life than those of the hot-rolled material. In the study, stress range at the middle life normalized by tensile strength determined the low-cycle fatigue life of the Alloy 718s.

報告者

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