時効処理によりニッケル基合金の引張強度はどのように向上するのか{0}}
析出 - 硬化ニッケル - ベースの合金は、組成中に析出 - 形成元素 (Al、Ti、Nb など) を一定量含むように設計されています。老化プロセスは 2 つの主要な段階に分かれています。
まずは溶体化処理: 合金を高温 (通常 980 ～ 1150 度) に加熱し、一定時間保持します。これにより、析出物 - 形成元素がニッケル - ベースの FCC 格子に均一に溶解し、過飽和固溶体が形成されます。その後、急冷（水冷または空冷）を行い、室温での第二相の析出を抑制し、固溶体の準安定過飽和状態を維持します。
その後の老化処理：過飽和固溶体を中温（通常600～850度）まで加熱し、数時間～十数時間保持します。この温度では、ニッケル中の析出物 - 形成元素の溶解度が急激に減少します。過飽和原子 (Al、Ti、Nb) はマトリックス内で拡散および凝集し、ニッケル原子と反応して生成します。規則的な金属間化合物相(最も一般的なものは、「Ni3(Al,Ti)」相と「Ni3Nb」相です)。これらの相はマトリックス界面と密着または半密着しているため、転位の移動を妨げ、合金の引張強度を向上させることができます。
時効処理による引張強さの向上は、主に次の 3 つの転位 - ブロック効果によって達成されます。
「」相と「」相の格子パラメータは、ニッケル - ベースのマトリックスの格子パラメータとはわずかに異なります。これらの強化相がマトリックス内で析出すると、相の周囲に局所的な弾性ひずみ場が形成されます。転位がマトリックス内を移動するとき、ひずみ場の抵抗に打ち勝つ必要があり、これにより合金の変形抵抗が増加し、引張強度が向上します。強化相の粒子サイズが小さいほど、分布はより均一になり、ひずみ場の効果が強くなります。
強化相粒子のサイズが特定のレベル (通常は 10 ～ 50 nm) に達すると、転位は粒子を突き抜けることができず、粒子を迂回することしかできず、粒子の周囲に転位ループが残ります。これらのループの形成には追加のエネルギーが必要となるため、転位の移動が困難になり、合金の強度がさらに高まります。高温の - 温度のニッケル - ベースの合金の場合、このメカニズムは中程度の - 温度の時効段階で主要な役割を果たします。
時効処理中に、合金中の微量の炭化物元素（C など）も粒界に沿って析出し、微細な炭化物粒子（TiC、NbC など）を形成します。これらの粒子は粒界を固定し、引張プロセス中の粒界の滑りを防ぎ、粒界破壊を回避します。同時に、合金に添加されたBやZrなどの微量元素が粒界に偏析し、粒界の結合強度を向上させ、間接的に引張強さの向上に寄与します。
時効処理が強度に及ぼす影響は単純な線形関係ではなく、温度と保持時間に密接に関係しています。
熟成温度：温度が低すぎると、原子の拡散速度が遅く、強化相の析出が不十分となり、強度が低下する。温度が高すぎると、強化相粒子が急速に成長（粗大化）し、母材との界面密着性が失われ、ひずみ場の効果が弱まり、強度が大幅に低下します。
開催時間：保持時間が長くなると、まず強化相の析出量が増加し、その後飽和する傾向がある。保持時間が長すぎると粒子が粗大化し、強化効果が低下します。
インコネル 718 合金を例にとると、最適な時効システムは通常、ダブル-段階の老化: 720 度まで 8 時間加熱し、55 度/時間の速度で 620 度まで冷却し、8 時間保持します。この処理後、多数の微細な '' 相がマトリックス中に析出し、その引張強さは 1300 MPa 以上に達することがあります。これは、- 焼き入れ状態の 2 ～ 3 倍です。
老化強化は次の場合にのみ有効であることに注意してください。析出 - 硬化ニッケル - ベースの合金降水量 - 形成元素が含まれています。 Al、Ti、Nb を含まない - 溶体化硬化ニッケル - ベースの合金 (ハステロイ C276、合金 600 など) の場合、時効処理では強化相を析出させることができないため、引張強度を向上させることはできません。さらに、時効プロセスにより、合金の強度が向上する一方で、合金の塑性がわずかに低下するため、実際の用途の要件に応じて時効システムを最適化し、強度と可塑性のバランスをとる必要があります。
