JP2000199025A - TiAl系金属間化合物基合金およびその製造方法、タ―ビン部材およびその製造方法 - Google Patents

TiAl系金属間化合物基合金およびその製造方法、タ―ビン部材およびその製造方法

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JP2000199025A
JP2000199025A JP67599A JP67599A JP2000199025A JP 2000199025 A JP2000199025 A JP 2000199025A JP 67599 A JP67599 A JP 67599A JP 67599 A JP67599 A JP 67599A JP 2000199025 A JP2000199025 A JP 2000199025A
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tial
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alloy
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Toshimitsu Tetsui
利光 鉄井
Michio Kyotani
美智男 京谷
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 実用に十分対応しうる耐酸化性、高温強度、
靭・延性を有するTiAl系金属間化合物基合金を提供
する。 【解決手段】 原子%で、Al:44.5〜48.5
%、Nb:5〜9.5%、Cr:0.5〜2%、Si:
0.1〜0.4%、Ni:0.1〜0.4%、残部不可
避的不純物およびTiからなる組成を有し、γ-TiA
l相およびα2-Ti3Al相からなるラメラー組織とγ
相の2相組織、またはラメラー組織、γ-TiAl相お
よびβ相の3相組織を有することを特徴とするTiAl
系金属間化合物基合金。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は乗用車、トラック用
小型過給機のタービンホイールおよび船舶用大型過給
機、ジェットエンジン、産業用ガスタービンプレード等
の回転部品に用いるのに適したTiAl系金属間化合物
基合金に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年の環境問題への関心の高まりから、
乗用車、トラック、船舶などの輸送機械に用いられる過
給機の性能向上が、またジェットエンジン、産業用ガス
タービンなどの効率の向上が求められている。上記製品
の性能、効率を支配する重要な構成要素の一つはタービ
ンであり、近年このタービンに対し、過渡応答特性の向
上、タービン入り口温度の高温化および高速回転化など
が求められている。この3つの要望に対してタービンホ
イール、タービンディスク、タービンプレードなどの回
転部品を構成する材料の改良が望まれるが、タービン入
り口温度の高温化および高速回転化については、前記回
転部材に現在使用されているNi基超合金をベースにす
る場合、クリープ強度を含めた高温強度のさらなる向上
が必要である。しかし、組成的な観点から現状のNi基
超合金の高温強度向上を望むことはほとんど困難であ
り、例えば単結晶化といった特殊プロセスによる高温強
度向上の検討が進められている。この特殊プロセスの採
用は、ジェットエンジンプレードなどの高価な少量生産
品なら上記方策も有効であるが、乗用車用小型過給機な
どの複雑形状の量産品ではコスト的に適用が困難であ
る。また、過渡応答特性については、Ni基超合金の比
重がその組成に拘わらず約8〜9であるため、その向上
を図ることはできない。
【0003】Ni基超合金に替わり以上の3つの性能向
上に有望な材料として金属間化合物TiAlを主相とす
る合金(以下、TiAl系金属間化合物基合金)が注目
を集めている。このTiAl系金属間化合物基合金は、
比重が約4と軽量であることから慣性モーメントが小さ
くなり、過渡応答特性の向上が期待できる。また、回転
体では負荷される応力は比重で除した比強度を考慮すれ
ばよいため、TiAl系金属間化合物基合金の比重がN
i基超合金の約1/2であることから、高温強度がNi
基超合金の1/2以上あれば、タービン入り口温度の高
温化、高速回転化が可能となる。
【0004】しかし、TiAl金属間化合物は常温延性
に乏しく、また700℃以上において強度、耐酸化性が
低下するという問題があった。常温延性についてはVを
添加すること(米国特許4294615号)、あるいは
Mnを添加すること(特公昭62−215号)が提案さ
れているが、高温域における強度および耐酸化性の向上
には至っていない。
【0005】以上の状況に対し、本発明者は先に以下の
提案を行っている。 特開平5−78769号 金属間化合物(Ti,Nb)Alを主相とし、Al:4
0〜55%、Nb:1〜10%、Cr、Si、Ni、Z
r、Y、V、Mn、Ta、Hf、Moよりなる群から選
ばれた1つ以上の金属を0.1〜10%、Ti:25〜
60%からなる組成を有するTiAl系金属間化合物基
合金
【0006】特開平9−176763号 Al45〜48原子%、Moおよび/またはNi:0.
5〜3%、Nb:5〜9%、C:0.1〜0.5%、M
n:1〜2%、残部Tiおよび不可避的不純物からなる
TiAl系金属間化合物基合金 特開平10〜130756号 Al:45〜48原子%、Nb:5〜9%、Cr:1〜
2%、Si:0.2〜0.5%、Ni:0.3〜2%、
Y:0.01〜0.05%、残部Tiおよび不可避的不
純物からなる組成を有し、微細な等軸粒の鋳造組織から
なるTiAl系金属間化合物基合金
【0007】
【発明が解決しようとする課題】上記特開平5-787
69号、特開平9-176763号および特開平10-1
30756号において提案した合金は、TiAl系金属
間化合物基合金の耐酸化性、高温強度向上に有効ではあ
るが、より一層の特性改善が望まれる。そこで本発明
は、実用に十分対応しうる耐酸化性、高温強度、靭・延
性を有するTiAl系金属間化合物基合金の提供を課題
とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明者は上記課題を解
決するために、組成のみならずミクロ組織、およびその
組織をえるための製造プロセスを含めた総合的な検討を
行ったところ、以下の知見を得た。 1)実用に十分対応しうる耐酸化性、高温強度、靭・延
性を確保するための組成としては、原子%で、Al:4
4.5〜48.5%、Nb:5〜9.5%、Cr:0.
5〜2%、Si:0.1〜0.4%、Ni:0.1〜
0.4%、残部不可避的不純物およびTiからなる組成
とすることが必要である。 2)ミクロ組織的には、γ相を呈するTiAl相(γ−
TiAl相、以下γ相)およびα2相を呈するTi3Al
相(α2-Ti3Al相、以下α2相)が板状に積層してい
るラメラー組織を主構成相としつつも、板状ではなく塊
状であるγ相とが複合化している2相組織、またはラメ
ラー組織を主構成相としつつも、γ相およびβ相を呈す
る相(β相)が複合化している3相組織とすることが常
温ならびに高温の材料特性向上に対して有効である。 3)上記のような2相または3相組織のTiAl系金属
間化合物基合金を得るためには、組成を上記の範囲にす
るとともに、熱処理における加熱温度、時間を制御する
必要がある。
【0009】本発明のTiAl系金属間化合物基合金
は、原子%で、Al:44.5〜48.5%、Nb:5
〜9.5%、Cr:0.5〜2%、Si:0.1〜0.
4%、Ni:0.1〜0.4%、残部不可避的不純物お
よびTiからなる組成を有し、γ相およびα2相からな
るラメラー組織とγ相の2相組織、またはラメラー組
織、γ相およびβ相の3相組織を有することを特徴とす
る。
【0010】以上の本発明TiAl系金属間化合物基合
金においては、γ相およびα2相からなるラメラー組織
が主構成相をなすとともに、このラメラー組織において
α2相とγ相が板状に積層した構造を有している。そし
て、ラメラー組織の平均粒径が300μm以下であり、
隣接するα2相の平均間隔が2μm以下であることが望
ましい。
【0011】また、本発明におけるTiAl系金属間化
合物基合金の製造方法は、原子%で、Al:44.5〜
48.5%、Nb:5〜9.5%、Cr:0.5〜2
%、Si:0.1〜0.4%、Ni:0.1〜0.4
%、残部不可避的不純物およびTiからなる合金溶湯を
鋳造して鋳造物を得る工程、前記鋳造物を1300〜1
400℃の温度範囲にて10分以上加熱保持する工程、
加熱保持した後急冷処理を施す工程、とからなることを
特徴とする。
【0012】本発明において、得られた鋳造物に熱間静
水圧プレス処理を施した後に加熱保持することもでき
る。また、加熱保持工程を非酸化性雰囲気下で行い、急
冷処理を不活性ガスの導入、撹拌により行なうことが望
ましい。急冷処理は、加熱保持温度から1000℃まで
を20〜500℃/minの冷却速度で行えばよい。
【0013】以下本発明合金の成分限定理由を説明す
る。 Al:Alは本発明合金の主たる構成元素であり、Ti
とともに金属間化合物を形成する。Alの濃度が44.
5%未満では常温における延性が低下する。一方、4
8.5%を超えると高温強度が低下してしまう。したが
って、本発明では44.5〜48.5%とする。
【0014】Nb:Nbは耐酸化性の向上、さらには高
温強度を向上させる働きを有する。添加量が5%未満で
は800℃以上の高温用途を考えると耐酸化性、高温強
度の向上に効果がなく、一方、9.5%を超えると常温
延性が低下する。したがって、本発明においては、5〜
9.5%とする。なお、6%未満では本発明での対象の
一つである乗用車用小型過給機の使用環境である850
℃程度の温度域においては長時間を想定した場合での耐
酸化性が不十分であり、また、8.5%を超えても添加
量に応じた耐酸化性が得られないとともに比重が増加す
るため、6〜8.5%とすることが望ましい。
【0015】Cr:Crは常温における靭・延性向上を
目的として添加する。0.5%未満では常温における靭
・延性の向上が不十分であり、一方、2%を超えると高
温強度を低下させる。したがって、本発明においては、
0.5〜2%とする。望ましいCrの量は、0.7〜
1.3%である。
【0016】Si:Siは耐酸化性向上とともにクリー
プ強度を向上させる働きがある。添加量が0.1%未満
では添加効果が十分でなく、一方、0.4%を超えると
常温における靭・延性が低下する。したがって、本発明
では0.1〜0.7%とする。望ましいSiの量は0.
15〜0.35%である。
【0017】Ni:Niは耐酸化性および高温強度の向
上を目的として添加させる。添加量が0.1%未満では
添加効果が不十分であり、一方、0.4%を超えると常
温における靭・延性が低下する。したがって、本発明で
は0.1〜0.4%とする。望ましいNiの量は、0.
15〜0.35%である。
【0018】その他:上記構成元素以外は不可避的不純
物およびTiからなるが、不純物元素のうちO(酸素)
が合金中に1000ppmを超えて含まれていると、靭性
を低下させるため、Oは1000ppm以下に規制するこ
とが推奨される。
【0019】次に本発明合金の組織について説明する。
本発明合金は、前述のように、γ相およびα2相からな
るラメラー組織およびγ相の2相組織、またはラメラー
組織、γ相およびβ相の3相組織を有する。TiAl系
金属間化合物基合金ではこのラメラー組織をいかに発達
させるかが良好な機械的特性を得るために重要視されて
きた。このラメラー組織は以下のように形成される。す
なわち、高温状態ではα相であるが、冷却過程でα相か
らγ相が層状に析出し、残るα相が規則変態によりα2
相に変化することで形成される。
【0020】ラメラー組織は、γ相とα2相とが積層し
た形態を有し、積層方向に垂直な方向の断面で捉える
と、γ相とα2相とが交互に存在する。そして、比較的
観察が容易な、隣接するα2相同士の間隔をラメラー間
隔として定義することができる。TiAl系金属間化合
物基合金は、理想的には、粒径の小さい、具体的には3
00μm、望ましくは200μm以下のラメラー組織の
みで構成され、さらにラメラー間隔は2μm以下、望ま
しくは1μm以下の組織を有することが理想である。
【0021】冷却過程において、冷却速度が速すぎると
γ相の析出が追いつかず、いわゆるマッシブ変態が生じ
てラメラー組織とはならず、また、冷却速度が遅すぎる
とγ相の析出が多すぎるため、ラメラー間隔が広くなる
ことから、冷却速度を制御することにより、その組織を
理想的なものにすることが一般的である。なお、冷却速
度として問題となるのは、組織形成が完了する1000
℃までであり、それ以下の温度域における冷却速度は本
質的に問題とはならない。
【0022】TiAl系金属間化合物基合金において、
α相単層領域で熱処理を行うことにより、その組織を全
てラメラーから構成することは可能である。ただし、鍛
造等で可能である高温下における塑性加工を加えないま
ま、単純に高温で保持を行うとラメラー組織は1mm以
上の粒径まで容易に成長してしまい、材料が脆くなる。
したがって、上記のような理想的な組織を得るために
は、鍛造、押出等の熱間加工による塑性加工を加えるこ
とが必須の条件であった。換言すれば、鍛造等の塑性加
工が加えられない精密な鋳造物ではラメラー組織が異常
成長してしまい、理想的な組織を得ることは困難であっ
た。
【0023】そこで本発明ではラメラー組織間に他の相
を導入することにより、ラメラー組織の粗大化を防止す
ることとした。より具体的には、ラメラー組織の間にγ
相、またはγ相およびβ相を残存させ、ラメラー組織の
粗大化を防止しようとするものである。ただし、β相お
よびγ相の存在比率は、ラメラー組織の粗大化防止に必
要な程度の最小限に抑えることが望ましいことは言うま
でもない。一つの指標として、面積率でラメラー組織が
70〜97%存在し、残部がβ相およびγ相であること
が望ましい。一方、ラメラー間隔を狭くするためには、
冷却時の速度を適正な範囲で速くする。つまり、α相間
に少量のγ相、またはγ相およびβ相が存在するような
温度に加熱保持した後に、適正な冷却速度で冷却するこ
とにより、鋳造物においても、粒径の小さいラメラー組
織が組織の主体をなし、かつラメラー間隔の狭いTiA
l系金属間化合物基合金の製造を可能とした。
【0024】以下そのような本発明TiAl系金属間化
合物基合金の製造方法について説明する。本発明におい
ては、原子%で、Al:44.5〜48.5%、Nb:
5〜9.5%、Cr:0.5〜2%、Si:0.1〜
0.4%、Ni:0.1〜0.4%、残部不可避的不純
物およびTiからなる合金を溶解、鋳造する。溶解方
法、鋳造方法については従来公知の方法が適用できる。
例えば、小型過給機のタービンホィールを対象とする場
合には、精密鋳造法であるロストワックス法を適用する
ことができる。
【0025】次に得られた鋳造物に熱間静水圧プレス処
理を施す。この熱間静水圧プレス処理は、鋳造物が比較
的大きい場合には鋳造物中に巣などの鋳造欠陥が存在し
ていることがあり、この鋳造欠陥を消滅させる目的で行
うものである。したがって、本発明において熱間静水圧
プレス処理は任意の工程である。
【0026】熱間静水圧プレス処理の条件は、加熱温
度:1200〜1300℃、圧力:1100〜1300
atm、処理時間:0.5〜3時間とすることが望まし
い。温度が1200℃未満では鋳造欠陥を消滅させるた
めには不十分であり、また、1300℃を超えると表面
酸化による汚染が無視できないためである。なお、むろ
ん熱間静水圧プレス処理はアルゴン等の非酸化雰囲気で
行うが、加圧するためガス中に不純物として存在する酸
素の分圧が高くなり、温度が高くなると表面に若干の酸
化が生じる。この際、対象製品が表面を除去できるもの
であれば問題ないが、小型過給機のタービンホィールな
どの鋳物の表面をそのまま使用し、しかも翼が非常に薄
いものではこの酸化は望ましくない。圧力が1100at
m未満では鋳造欠陥を消滅させるためには不十分であ
り、また、1300atmを超えると効果が飽和する反
面、これが可能な熱間静水圧プレスの装置が限られるな
どの制約があるためである。処理時間は、0.5時間未
満では鋳造欠陥を消滅させるためには不十分であり、ま
た、3時間を超えても効果が飽和する反面処理コストが
かかるためである。
【0027】熱間静水圧プレス処理を施さない場合には
鋳造後、また、熱間静水圧プレス処理を施す場合には熱
間静水圧プレス処理後に、1300〜1400℃の温度
範囲で、10分以上加熱保持する。加熱温度を1300
〜1400℃とするのは、この温度範囲で本発明の組
織、γ相およびα2相からなるラメラー組織およびγ相
の2相組織、またはラメラー組織、γ相およびβ相の3
相組織が安定して得られるからである。なお、この2相
組織と3相組織の違いは組成、および熱処理温度のわず
かな差異に起因して生じる。ただし、いずれの組織にお
いても本発明の狙いであるラメラー組織の粗大化防止は
可能となるため、2相組織と3相組織を敢えて区別する
必要はなく、この2種類の組織のいずれかが得られる成
分と熱処理範囲を規定すればよい。
【0028】1300℃未満ではγ相およびβ相の微細
な2相組織からなる低強度な組織、1400℃を超える
とラメラー単独の粗大な結晶粒からなる低延性の組織と
なる傾向が強い。したがって、加熱温度は1340〜1
380℃とすることが望ましい。さらに、加熱保持時間
が10分未満では加熱温度が本発明範囲内であっても所
望の組織を得ることができず、また、所望の組織を得る
ためには100分程度の保持で十分であり、それを超え
る保持はエネルギーの浪費となるため、加熱保持時間は
10〜100分がよい。より望ましい加熱保持時間は1
5〜70分である。
【0029】なお、以上の加熱保持において、材料の酸
化防止のためにその雰囲気を非酸化性とすることができ
る。特に、小寸法品を対象とする場合には、酸化の影響
が大きくなるので非酸化性雰囲気とすることが推奨され
る。ここで、非酸化性雰囲気とは、真空またはAr等の
不活性ガス雰囲気をいう。
【0030】以上の加熱保持の後に、急冷処理する。こ
の急冷処理により、ラメラー間隔を2μm以下と狭く、
より望ましくは1μm以下とする。冷却速度は、20〜
500℃/minとすることが望ましい。20℃/mi
n未満ではγ相の析出が多すぎるため、ラメラー間隔が
広くなり、また、500℃/minを超えるとγ相の析
出が追いつかず、いわゆるマッシブ変態によってラメラ
ー組織が形成されないためである。この急冷処理は、加
熱保持が真空または不活性ガス雰囲気下で行われている
場合、所定の加熱時間経過後に加熱を解除するととも
に、真空下で加熱保持していた場合には加熱炉中に不活
性ガスを導入するとともにそのガスを撹拌させるか、不
活性ガス雰囲気下で加熱保持していた場合には加熱炉中
の不活性ガスを撹拌するかあるいは新たに加熱炉中に不
活性ガスを導入するとともそのガスを撹拌すればよい。
このような熱処理を実行することが可能な熱処理炉とし
て、真空ガスファンクーリング熱処理炉(以下、GFC
と称す)がある。但し本発明の急冷処理はこれら態様に
限るものではなく、所定の加熱保持後に熱処理炉から取
り出して空冷する、あるいは他のチャンバー内に移動さ
せた後にこのチャンバー内に不活性ガスを導入、吹付け
る等の手段であっても本発明を実施することができる。
【0031】
【発明の実施の形態】以下本発明を具体的実施例に基づ
き説明する。 (実施例1)高周波スカル溶解を用いて表1に示す組成
の100mmφ×150mmlのサイズのインゴットを
作成した。このインゴットを1350〜1370℃の温
度域、真空下で20分加熱保持し、その後空冷した。こ
のインゴットから機械加工により平行部の直径:5m
m、標点間距離:22mmの引張り試験片、クリープ試
験片を採取した。また、20mm×20mm×2mmt
の酸化試験片も採取した。以上の引張り試験片のミクロ
組織観察を行ったところ、何れの材料もγ相およびα2
相からなるラメラー組織およびγ相の2相組織、または
ラメラー組織、γ相およびβ相の3相組織であることが
確認された。また、何れの材料も酸素含有量は1000
ppm 以下であった。
【0032】常温延性は室温の引張り試験での伸びによ
って評価した。引張り試験の初期ひずみ速度は3.8×
10-4/sである。高温強度は800℃のクリープ破断
試験での破断時間によって評価した。負荷応力は20K
gf/mm2である。また、耐酸化性は800℃で50
0時間保持した後の酸化増量によって評価した。その結
果を表1に併せて示す。
【0033】
【表1】
【0034】No.1〜5はAl含有量の影響を確認す
るための材料であり、No.1は本発明範囲よりAl量
が少ない例、またNo.5は本発明範囲よりAl量が多
い例、No.2〜4は本発明範囲内のものである。Al
量が増加するにしたがって、室温伸びは向上し、クリー
プ破断時間は減少する傾向にある。そして、本発明範囲
内にあるNo.2〜4は室温伸びが1.1%以上、クリ
ープ破断時間が650時間以上、酸化増量が2.3mg
/cm2以下という特性を得ているのに対し、Al量が
少ないNo.1は室温伸びが0.6%と不足し、また、
Al量が多いNo.5はクリープ破断時間が458時間
と劣る結果となった。以上の結果により、本発明におい
ては、Al量を44.5〜48.5%の範囲とする。室
温伸び、クリープ破断時間、酸化増量をバランスよく得
るには、Al量を45.5〜46.5%の範囲とするこ
とが望ましい。
【0035】No.6〜10はNb含有量の影響を確認
するための材料であり、No.6は本発明範囲よりNb
量が少ない例、またNo.10は本発明範囲よりNb量
が多い例、No.7〜9は本発明範囲内のものである。
Nb量が増加するにしたがってクリープ破断時間及び酸
化増量は良好になるが、室温伸びは低下する傾向にあ
る。そして、本発明範囲内にあるNo.7〜9は室温伸
びが1.2%以上、クリープ破断時間が560時間以
上、酸化増量が3.3mg/cm2以下という特性を得
ているのに対し、Nb量が少ないNo.6は酸化増量が
6.83mg/cm2と劣り、また、Nb量が多いNo.
10は室温伸びが0.8%と劣る結果となった。以上の
結果により、本発明においてはNb量を5〜9.5%の
範囲、望ましくは6〜8.5%とする。
【0036】No.11〜16はCr含有量の影響を確
認するための材料であり、No.11は本発明範囲より
Cr量が少ない例、またNo.16は本発明範囲よりC
r量が多い例、No.12〜15は本発明範囲内のもの
である。Cr量が増加するにしたがって室温伸びは向上
するが、クリープ破断時間及び酸化増量は低下する傾向
にある。そして、本発明範囲内にあるNo.12〜15
は室温伸びが1.0%以上、クリープ破断時間が630
時間以上、酸化増量が2.3mg/cm2以下という特
性を得ているのに対し、Cr量が少ないNo.11は室
温伸びが0.4%と劣り、また、Cr量が多いNo.1
6はクリープ破断時間が508時間と劣る結果となっ
た。以上の結果により、本発明においてはCr量を0.
5〜2.0%の範囲、望ましくは0.7〜1.3%とす
る。
【0037】No.17〜21はSi含有量の影響を確
認するための材料であり、No.17は本発明範囲より
Si量が少ない例、またNo.21は本発明範囲よりS
i量が多い例、No.18〜20は本発明範囲内のもの
である。Si量が増加するにしたがってクリープ破断時
間及び酸化増量は向上するが、室温伸びは低下する傾向
にある。そして、本発明範囲内にあるNo.18〜20
は室温伸びが1.1%以上、クリープ破断時間が655
時間以上、酸化増量が2.1mg/cm2以下という特
性を得ているのに対し、Si量が少ないNo.17はク
リープ破断時間が468時間と劣り、また、Si量が多
いNo.21は室温伸びが0.6%と劣る結果となっ
た。以上の結果により、本発明においてはSi量を0.
1〜0.4%の範囲、望ましくは0.15〜0.35%
とする。
【0038】No.22〜25はNi含有量の影響を確
認するための材料であり、No.22は本発明範囲より
Ni量が少ない例、またNo.25は本発明範囲よりN
i量が多い例、No.23〜24は本発明範囲内のもの
である。Ni量が増加するにしたがってクリープ破断時
間及び酸化増量は向上するが、室温伸びは低下する傾向
にある。そして、本発明範囲内にあるNo.23〜24
は室温伸びが1.2%以上、クリープ破断時間が654
時間以上、酸化増量が2.1mg/cm2以下という特
性を得ているのに対し、Ni量が少ないNo.22はク
リープ破断時間が515時間と劣り、また、Ni量が多
いNo.24は室温伸びが0.8%と劣る結果となっ
た。以上の結果により、本発明においてはNi量を0.
2〜0.4%の範囲、望ましくは0.15〜0.35%
とする。
【0039】(実施例2)実施例1のNo.9の組成を
採用し、ロストワックス法により図1に示すような構造
の小型過給機用のタービンホイール1を得た。得られた
タービンホイル1を1200℃、1200atmで2時
間の熱間静水圧プレス処理を施した。熱間静水圧プレス
処理後にミクロ組織観察を行ったところ、ラメラー組織
のないγ相およびβ相の2相組織であった。熱間静水圧
プレス処理を施した他のタービンホイールについて、G
FC熱処理炉を用い、真空下で次の2条件の熱処理を行
った。熱処理条件1は1360℃、30分保持後、Ar
ガスを導入するとともに、炉内のファンを回して強制的
に冷却を行う熱処理であり、熱処理条件2は1430
℃、30分保持後、同条件の冷却方法の熱処理である。
熱処理後にミクロ組織観察を行ったところ、熱処理条件
1ではラメラー組織、γ相およびβ相の3相組織であ
り、γ相およびβ相の合計が面積率で8%、残部が実質
的にラメラー組織であることが確認された。このラメラ
ー組織の平均粒径は180μm、ラメラー間隔は0.7
μmであった。また、熱処理条件2では全体がラメラー
組織のみからなることが確認された。このラメラー組織
の平均粒径は2500μm、ラメラー間隔は0.8μm
であった。
【0040】熱間静水圧プレス処理後にミクロ組織観察
を行ったタービンホイール及び2条件の熱処理後にミク
ロ組織観察を行ったタービンホイールから、平行部の直
径:5mm、標点間距離:22mmの引張り試験片、ク
リープ試験片を採取し、実施例1と同様に、引張り試験
及びクリープ破断試験を実施した。その結果、熱間静水
圧プレス処理後にミクロ組織観察を行ったタービンホイ
ールから採取した試験片では室温伸び0.6%、クリー
プ破断時間378時間の特性を示した。熱処理条件1の
熱処理後にミクロ組織観察を行ったタービンホイールか
ら採取した試験片では室温伸び1.5%、クリープ破断
時間810時間の特性を示した。また熱処理条件2の熱
処理後にミクロ組織観察を行ったタービンホイールから
採取した試験片では室温伸び0.3%、クリープ破断時
間840時間の特性を示した。この結果から、合金組織
をラメラー組織を主体としつつも、γ相またはβ相の導
入によって、ラメラー組織の粗大化を防止すると同時
に、冷却速度を速くすることでラメラー間隔を狭くした
組織が、具体的にはラメラー組織の粒径を300μm、
望ましくは200μm以下、ラメラー間隔を3μm以
下、望ましくは1μm以下とすることが常温靭・延性及
び高温強度確保のために有効であることが確認された。
【0041】(実施例3)実施例2において、GFCに
おける熱処理条件を表2に示すように変動させ、その条
件がミクロ組織に及ぼす影響を観察した。評価内容はミ
クロ組織観察によるラメラー組織の面積比率、ラメラー
組織の粒径およびラメラー間隔である。結果を表2に併
せて示す。
【0042】
【表2】
【0043】熱処理Aは、冷却方法が炉冷である以外実
施例2の熱処理条件1と同様の条件の熱処理であるが、
その組織はラメラー間隔が4μmと広くなった。これ
は、炉冷のため冷却速度が遅いことが原因と推測され
る。次に、熱処理Bは、熱処理時間及び冷却方法が実施
例2と同様であるが、熱処理温度が1250℃と低いた
め、ラメラー組織は発達しなかった。また、熱処理温度
が1460℃と高い熱処理Cは、実施例2の熱処理条件
2と同様に粗大なラメラー組織となった。
【0044】また、熱処理時間が2分と短い熱処理Dは
ラメラー組織の比率が少なかったが、これは熱間静水圧
プレス処理で形成されたγ相とβ相の2相組織が変態
し、ラメラー組織の基となるα相が十分に形成されるに
は時間が足りなかったためと考えられる。また、熱処理
時間が15分の熱処理Eと90分と長い熱処理Fは同様
の望ましい組織となった。熱処理Gは、被熱処理物を炉
から取り出して水冷したものであるが、この場合は冷却
速度が速すぎ、ラメラー組織が形成されにくくなったた
め、ラメラー組織の比率は少なくなった。
【0045】
【発明の効果】以上説明のように、本発明のTiAl系
金属間化合物基合金は、原子%で、Al:44.5〜4
8.5%、Nb:5〜9.5%、Cr:0.5〜2%、
Si:0.1〜0.4%、Ni:0.1〜0.4%、残
部不可避的不純物およびTiからなる鋳造物を得た後、
1300〜1400℃の温度範囲で10分以上加熱保持
した後急冷することにより、その組織をγ相およびα2
相からなるラメラー組織とγ相の2相組織、またはラメ
ラー組織、γ相およびβ相の3相組織とすることによ
り、常温靭・延性、高温強度、耐酸化性に優れたTiA
l系金属間化合基合金が得られる。
【0046】また、以上の本発明合金を用いたタービン
部材は、高温強度、耐酸化性に優れるから、タービン入
り口温度の高温化、高速回転化に対応できることは勿
論、TiAl合金としては室温での温靭・延性に優れて
いることから、製造工程において、機械加工等の製造性
が良好であると同時に、脆い材料の場合発生が懸念され
る加工時の割れ等の問題が回避できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 実施の形態で作成したタービンホイールの構
造を示す図である。
【符号の説明】
1 タービンホイール
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) C22F 1/00 691 C22F 1/00 691B 691C 692 692A

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 原子%で、Al:44.5〜48.5
    %、Nb:5〜9.5%、Cr:0.5〜2%、Si:
    0.1〜0.4%、Ni:0.1〜0.4%、残部不可
    避的不純物およびTiからなる組成を有し、γ-TiA
    l相およびα2-Ti3Al相からなるラメラー組織とγ
    相の2相組織、またはラメラー組織、γ-TiAl相お
    よびβ相の3相組織を有することを特徴とするTiAl
    系金属間化合物基合金。
  2. 【請求項2】 γ-TiAl相およびα2-Ti3Al相か
    らなるラメラー組織で主に形成される請求項1に記載の
    TiAl系金属間化合物基合金。
  3. 【請求項3】 γ-TiAl相およびα2-Ti3Al相か
    らなるラメラー組織の平均粒径が300μm以下であ
    り、隣接するα2-Ti3Al相の間隔の平均が2μm以
    下である請求項2に記載のTiAl系金属間化合物基合
    金。
  4. 【請求項4】 不純物としての酸素含有量が1000pp
    m以下である請求項1〜3のいずれかに記載のTiAl
    系金属間化合物基合金。
  5. 【請求項5】 TiAl系金属間化合物基合金が鋳造合
    金である請求項1〜4のいずれかに記載のTiAl系金
    属間化合物基合金。
  6. 【請求項6】 原子%で、Al:44.5〜48.5
    %、Nb:5〜9.5%、Cr:0.5〜2%、Si:
    0.1〜0.4%、Ni:0.1〜0.4%、残部不可
    避的不純物およびTiからなる合金溶湯を鋳造して鋳造
    物を得る工程、前記鋳造物を1300〜1400℃の温
    度範囲にて10分以上加熱保持する工程、加熱保持した
    後急冷処理を施す工程、とからなることを特徴とするT
    iAl系金属間化合物基合金の製造方法。
  7. 【請求項7】 得られた鋳造物に熱間静水圧プレス処理
    を施した後に加熱保持する請求項6に記載のTiAl系
    金属間化合物基合金の製造方法。
  8. 【請求項8】 加熱保持工程を非酸化性雰囲気下で行
    い、急冷処理を不活性ガスの導入、撹拌により行なう請
    求項6又は7に記載のTiAl系金属間化合物基合金の
    製造方法。
  9. 【請求項9】 急冷処理は、加熱保持温度から1000
    ℃までを20〜500℃/minの冷却速度で行う請求
    項6〜8のいずれかに記載のTiAl系金属間化合物基
    合金の製造方法。
  10. 【請求項10】 原子%で、Al:44.5〜48.5
    %、Nb:5〜9.5%、Cr:0.5〜2%、Si:
    0.1〜0.4%、Ni:0.1〜0.4%、残部不可
    避的不純物およびTiからなる組成を有し、γ-TiA
    l相およびα2-Ti3Al相からなるラメラー組織とγ-
    TiAl相の2相組織、またはラメラー組織、γ-Ti
    Al相およびβ相の3相組織を有することを特徴とする
    TiAl系金属間化合物基合金から構成されることを特
    徴とするタービン部材。
  11. 【請求項11】 γ-TiAl相およびα2-Ti3Al相
    からなるラメラー組織で主に構成される請求項10に記
    載のタービン部材。
  12. 【請求項12】 原子%で、Al:44.5〜48.5
    %、Nb:5〜9.5%、Cr:0.5〜2%、Si:
    0.1〜0.4%、Ni:0.1〜0.4%、残部不可
    避的不純物およびTiからなる合金溶湯を鋳造してター
    ビンホイール素材を得る工程、前記タービンホイール素
    材を1300〜1400℃の温度範囲で10分以上加熱
    保持する工程、加熱保持した後急冷処理を施す工程、と
    からなることを特徴とするタービン部材の製造方法。
  13. 【請求項13】 得られたタービンホイール素材に熱間
    静水圧プレス処理を施した後に加熱保持する請求項12
    に記載のタービン部材の製造方法。
  14. 【請求項14】 加熱保持工程を非酸化性雰囲気下で行
    い、急冷処理を不活性ガスの導入、撹拌により行なう請
    求項12又は13に記載のタービン部材の製造方法。
  15. 【請求項15】 急冷処理は、加熱保持温度から100
    0℃までを20〜500℃/minの冷却速度で行う請
    求項12〜14のいずれかに記載のタービン部材の製造
    方法。
  16. 【請求項16】 γ-TiAl相およびα2-Ti3Al相
    からなるラメラー組織とγ-TiAl相の2相組織、ま
    たはラメラー組織、γ-TiAl相およびβ相の3相組
    織で、主相をなす前記ラメラー組織の平均粒径が300
    μm以下であり、このラメラー組織において隣接するα
    2-Ti3Al相の平均間隔が2μm以下であることを特
    徴とするTiAl系金属間化合物基鋳造合金。
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