Interfacial control of Co-based superalloy for new forging process

• Project/Area Number: 18H01742
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 26050:Material processing and microstructure control-related
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 及川 勝成 東北大学, 工学研究科, 教授 (70356608)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 上島 伸文 東北大学, 工学研究科, 助教 (10733131)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥17,810,000 (Direct Cost: ¥13,700,000、Indirect Cost: ¥4,110,000); Fiscal Year 2022: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2021: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2020: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2019: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2018: ¥11,050,000 (Direct Cost: ¥8,500,000、Indirect Cost: ¥2,550,000)
• Keywords: 超合金 / 鍛造 / ミクロ組織 / 再結晶 / 析出 / Co -Al-W / 析出強化 / 熱間鍛造 / 組織制御 / シミュレーション / 粒成長 / Co基合金 / 塑性加工 / ミクロ組織制御 / Co基超合金

Outline of Annual Research Achievements

Co-Al-W系超合金のγ母相中γ’整合析出物の高温における動的再結晶挙動にともなう非整合化挙動に関する実験的な検討を行った．Co-9Al-8W合金を高周波溶解で作製し，溶体化後，50%の冷間圧延を行い，更に1150℃で熱処理を施し，静的再結晶を生じさせ，100ミクロン程度の粒径の板を作製した．板から円柱状試料を切り出し，970~980℃で様々な時効を施し，γ’を整合析出させた後，THERMECMASTERで900~980℃の間で熱間鍛造を行い，ミクロ組織の観察をおこなった．
970℃において，圧縮試験した結果，応力ーひずみ曲線には動的再結晶が生じた際にみられる加工軟化の挙動がみられ，更にミクロ組織を観察した結果，再結晶した部分が１０ミクロン以下に微細化されていることが確認された．一方で，未再結晶粒の大きさは５０ミクロン以上であった．加工前の時効時間が短いほうが再結晶率も高くなることがあきらかとなった．このことは，ミクロ組織の形態が動的再結晶挙動に影響することを示唆している．γ’析出物の分布を確認した結果，加工前では，ほぼ粒内に整合析出しており，時効時間が長くなるとその粒径が増加する傾向がある．一方，圧縮加工後は，結晶粒界に存在するものが増加し，非整合化していることが明らかとなった．さらに，γ’析出物の粒径も急速に増加していることが明らかとなった．以上のことから，γ’粒径が小さい方が，動的再結晶の促進し，γ’析出物の非整合化にも有利なことが明らかとなった．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究はCo基超合金中でのγ’相の析出状態制御することで，その熱間加工性の制御を行うことを目標としている．本年度の成果により，γ’相の析出量が同じでも，そのサイズの変化でも動的再結晶挙動が変化することが明らかとなった．γ’相と母相粒径を制御することで再結晶がほぼ全面で生じることが明らかとなった．

Strategy for Future Research Activity

Co基超合金の基本合金系であるCo-Al-W系でγ’相のサイズ，および加工速度が流動応力および再結晶挙動に及ぼす影響を明らかにすることができた．本年度は，実用合金に近い，Co-Ni-Al-W-Ti系において，動的再結晶挙動とγ’相非整合化に及ぼすγ’相分布と母相粒径の影響を定量的に明らかにする．また，数式モデルを用いて，γ’相の非整合化に必要なパラメータを明確にする．

Research Products

• [Journal Article] Phase equilibria, martensitic transformations and deformation behaviors of the subsystem of Cantor alloy?low-cost Fe-Mn-Cr alloys (2021)
  • Author(s): Ruan Jingjing、Ueshima Nobufumi、Li Haoge、Oikawa Katsunari
  • Journal Title: Materialia Volume: 20 Pages: 101231-101231
  • DOI: 10.1016/j.mtla.2021.101231
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Investigation on the σ-phase-related equilibria in Cr-Mn-Co system (2021)
  • Author(s): Li Haoge、Ruan Jingjing、Ueshima Nobufumi、Oikawa Katsunari
  • Journal Title: Journal of Alloys and Compounds Volume: 867 Pages: 159024-159024
  • DOI: 10.1016/j.jallcom.2021.159024
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Experimental investigations of fcc/bcc phase equilibria in the Cr-Mn-Ni ternary system (2020)
  • Author(s): Li Haoge、Ruan Jingjing、Ueshima Nobufumi、Oikawa Katsunari
  • Journal Title: Intermetallics Volume: 127 Pages: 106994-106994
  • DOI: 10.1016/j.intermet.2020.106994
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Generation and Progress Behavior of Strain-Induced Abnormally Large Grains in Superalloy 718 (2020)
  • Author(s): Aoki Chuya、Date Masayoshi、Ueno Tomonori、Ohno Takehiro、Oikawa Katsunari
  • Journal Title: Metallurgical and Materials Transactions A Volume: 51 Pages: 4022-4032
  • DOI: 10.1007/s11661-020-05838-6
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Growth behavior of the δ-Ni3Nb phase in superalloy 718 and modified KJMA modeling for the transformation-time-temperature diagram (2020)
  • Author(s): Ruan J.J.、Ueshima N.、Oikawa K.
  • Journal Title: Journal of Alloys and Compounds Volume: 814 Pages: 152289-152289
  • DOI: 10.1016/j.jallcom.2019.152289
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Determination of Mobility parameters in FCC Co-Fe-Mn Ternary System (2022)
  • Author(s): P. S. Pragna, N. Ueshima, K. Oikawa, T. Koyama, Y. Tsukada
  • Organizer: 日本金属学会2022年春期(第170回)講演大会
• [Presentation] Cr-MnおよびCr-Mn-Co系の熱力学的解析 (2022)
  • Author(s): 李 浩歌、上島伸文、〇及川 勝成、韓 光植、阿部 太一、大沼 郁雄
  • Organizer: 日本金属学会2022年春期(第170回)講演大会
• [Presentation] Phase equilibria and Diffusion kinetics in Fe-Co-Mn ternary system (2021)
  • Author(s): S.P. Pendem, N. Ueshima, K. Oikawa
  • Organizer: MRM2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Phase equilibria of the subsystem of Cantor alloy－Cr-Co-Mn alloys (2021)
  • Author(s): H.G. Li, N. Ueshima, K. Oikawa
  • Organizer: MRM2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of a prediction model and process-microstructure-property database on forging and heat treatment of superalloy 720Li (2021)
  • Author(s): N.Ueshima, C. Aoki, T. Osada, S. Horikoshi, A. Yanagida, H. Murakami, T. Ishida, Y. Yamabe-Mitarai, K. Oikawa, N. Yukawa, J. Yanagimoto
  • Organizer: The 14th International Symposium on Superalloys (Superalloys 2021)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Grain growth behavior and dissolution behavior of δ-phase near solvus temperature of superalloy 718 (2021)
  • Author(s): K. Oikawa, N. Ueshima, J. J. Ruan
  • Organizer: Thermec’2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Interdiffusion in Co-Fe-Mn alloys (2021)
  • Author(s): スリ プラグナ ペンデム、上島伸文、及川勝成
  • Organizer: 粉体粉末冶金協会2021年度秋季大会（第128回講演大会）
• [Presentation] Alloy 720Liの熱間圧縮における動的再結晶と流動応力の内部変数モデルの構築 (2021)
  • Author(s): 中村丞、上島伸文、及川勝成
  • Organizer: 第72回塑性加工連合講演会
• [Presentation] Cr-Mn系とCr-Mn-Co系状態図の熱力学アセスメント (2021)
  • Author(s): 李浩歌、上島伸文、及川勝成
  • Organizer: 日本金属学会2021年秋期(第169回)講演大会
• [Presentation] γ'相の影響を考慮したAlloy720Liの流動応力モデリング (2021)
  • Author(s): 中村丞、上島伸文、及川勝成
  • Organizer: 日本金属学会2021年秋期(第169回)講演大会
• [Presentation] Diffusion Kinetics in Ternary Co-Fe-Mn Alloy (2021)
  • Author(s): スリ プラグナ ペンデム、上島伸文、及川勝成
  • Organizer: 日本金属学会2021年秋期(第169回)講演大会
• [Presentation] Ni-Nb二元系及びNi-Cr-Nb三元系合金の実験状態図 (2021)
  • Author(s): 三川陸、荻野勇人、上島伸文、及川勝成
  • Organizer: 日本金属学会2021年秋期(第169回)講演大会
• [Presentation] Experimental investigations on Cr-Co-Mn ternary phase diagram (2020)
  • Author(s): H. G. Li, N. Ueshima, K. Oikawa,
  • Organizer: 日本金属学会2020年秋期(第167回)講演大会
• [Presentation] Phase equilibria in Mn rich corner in Mn Fe Cr ternary system (2020)
  • Author(s): J. J. Ruan, N. Ueshima, K. Oikawa
  • Organizer: 日本金属学会2020年秋期(第167回)講演大会
• [Presentation] Internal State Variablesモデルを用いたAlloy 720Liの流動応力モデリング (2020)
  • Author(s): 中村丞、 上島 伸文、及川 勝成
  • Organizer: 日本鉄鋼協会第180回秋季講演大会
• [Presentation] 転位密度ベースモデルを用いたAlloy 720Liの流動応力モデリング (2020)
  • Author(s): 中村丞、上島伸文、及川勝成
  • Organizer: 日本塑性加工学会第71回塑性加工連合講演会
• [Presentation] Co基超合金の熱間鍛造によるγ’相の析出形態への影響 (2020)
  • Author(s): 廣川大樹, 上島伸文, 及川勝成
  • Organizer: 第19回 日本金属学会東北支部研究発表大会
• [Presentation] Phase Equilibria in Ternary Fe-Co-Mn System at 900℃ (2020)
  • Author(s): Sri Pragna Pendem, N. Ueshima, K. Oikawa
  • Organizer: 第19回 日本金属学会東北支部研究発表大会
• [Presentation] Investigation and thermodynamic assessment on the σ-phase-related equilibria in Cr-Mn-Co system (2020)
  • Author(s): H. G. Li, N. Ueshima、K. Oikawa
  • Organizer: 日本金属学会2021年春期(第168回)講演大会
• [Presentation] Phase equilibria and diffusion kinetics in Fe-Co-Mn ternary system (2020)
  • Author(s): S. P. Pendem, N. Ueshima、K. Oikawa
  • Organizer: 日本金属学会2021年春期(第168回)講演大会
• [Presentation] Microstructure evolution during dynamic recrystallization and meta-dynamic recrystallization in superalloy718 (2019)
  • Author(s): N. Ueshima, D.X. Wen, J.J. Ruan, K. Oikawa
  • Organizer: FiMPART'19
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Ni基超合金の加工組織モデリングと予測 (2019)
  • Author(s): 上島伸文，J.J. Ruan, 温東旭，及川勝成
  • Organizer: 日本金属学会第165回講演大会
• [Presentation] 時効熱処理中のCo-9Al-10Wのγ'相成長挙動 (2019)
  • Author(s): 廣川大樹，上島伸文，及川勝成
  • Organizer: 日本金属学会第165回講演大会