JP2001279303A - Ti−Al金属間化合物部材の製造方法 - Google Patents
Ti−Al金属間化合物部材の製造方法Info
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Abstract
造する。 【解決手段】 下鍛造プレート8及び上鍛造プレート9
の温度は焼結後のブランク材の温度と等しくなるようコ
ントロールされている。具体的には900〜1100℃の範囲
となっている。この範囲はTi−Al金属間化合物の超塑
性領域、即ち、異常に大きな延びを示す現象が起こる領
域であり、この温度領域内で恒温鍛造、即ち、金型温度
を加工する材料の超塑性温度と同一の温度にして行う鍛
造で複雑な形状の部材を得ることができる。
Description
物からなる部材の製造方法に関する。
付近)での強度及び耐食性に優れ、比較的軽量であるた
め、航空機、ロケットまたは自動車のエンジン部品等の
材料として、インコネルに代表されるNi系耐熱合金に
代るものとして注目されている。
は、特開平5−271823号公報、特開平5−117
716号公報及び特開平11−172351号公報等が
提案されている。
る内容は、Ti粉末とAl粉末とを混合して加圧すること
で成形体を形成し、この成形体をTiまたはTi合金製の
容器(カプセル)に封入し、容器ごと熱間静水圧処理
(HIP)するようにしたもので、容器にTiまたはTi
合金を用いることで、これらを酸素及び窒素のゲッター
として作用せしめ、品質安定化を図っている。
ニカルアロイング法やメカニカルグライディング法によ
って2種以上の金属微粉末混合体を製造し、この金属微
粉末混合体をプラズマ焼結法により焼結することが開示
され、特に金属粉末として、Ti及びAlが挙げられてい
る。
は、TiとAlとをモル比で1:1に配合し、これをボー
ルミルを用いて混合粉末とし、この混合粉末を上下の電
極(パンチ)間で圧縮しながらパルス通電して焼結せし
める方法が提案されている。
Ti粉末及びAl粉末からTi−Al金属間化合物を製作す
るまでの提案であり、いずれもTi−Al金属間化合物の
形状は丸棒状であり、この丸棒素材から複雑形状の部材
をどのように製造するかについては解決されていない。
度及び耐食性に優れる反面、常温では極めて脆く、塑性
加工や機械加工での形状付与が困難であるため、実用化
の障害になっている。そこで、溶解鋳造法も考えられて
いるが、この鋳造法には真空プラズマスカル溶解装置な
どの極めて高価な装置が必要で、鋳型は潮解性のあるカ
ルシア(CaO)を用いるため、取り扱いが面倒で、更
に鋳造欠陥を生じやすいため、鋳造後にHIP処理が必
要となり、このHIP処理中に変形する不利もある。し
たがって、溶解鋳造法も実際には使用することができな
い。
発明に係るTi−Al金属間化合物部材の製造方法は、T
i粉末とAl粉末またはAl合金粉末を混合し、この混合
粉末を型内に充填した後、パンチ間で圧粉しつつ混合粉
末に通電し、その際に発生する熱により焼結せしめてT
i−Al金属間化合物を作製し、次いで焼結の際の熱を利
用し連続してTi−Al金属間化合物に恒温鍛造を施すよ
うにした。
く、形状の付与が困難であるが、通電焼結の際に発生す
る熱をそのまま利用し、成形型の温度をTi−Al金属間
化合物の温度と略等しくした恒温鍛造(900℃〜11
00℃)にてTi−Al金属間化合物を成形することで、
Ti−Al金属間化合物は超塑性を示し、タービンブレー
ドなどの複雑形状部材を簡単に製造することができる。
尚、一旦冷えてからTi−Al金属間化合物を再加熱して
鍛造すると、結晶粒が粗大化し強度低下を招き、成形時
に割れも生じやすくなる。
をAlまたはAl合金とするのが好ましい。これはTiを
50%以下にすると、TiAl相の他に、脆く部材を脆化
させやすいAl比率の高いTiAl2相やTiAl3相が生成
されるため、Tiを51〜52%とする。この組成にす
ることでTi3Al相が微量ながら含まれるが、延性を阻
害することはない。
tm%〜0.8atm%のMnを含有せしめることが可能であ
る。このMnをAl合金の形態で供給する場合には、Mn
を1.0atm%〜1.6atm%含有する形で供給すればよい。M
nを含有せしめることで、Ti−Al金属間化合物の延性
を向上せしめることができる。ただし、0.5atm%未満で
は添加の効果が少なく、また0.8atm%を超えるとTiAl
相中にMnが固溶しきれず、Mnが単体で析出してしま
う。したがって上記範囲が好ましい。
ニカルアロイング法により合金化しておくことも可能で
ある。このように合金化しておくと、通電焼結によって
5μm以下の結晶粒が現れ、組織が緻密化して強度が更
に向上する。
しては、タービンブレード等が考えられるが、これ以外
の薄肉耐熱用部材に本発明は広く適用される。
図面に基づいて説明する。ここで、図1は加圧パターン
を示すグラフ、図2〜図8は焼結から成形までの工程を
説明した図である。
mのTi粉末(純度99.99%以上)と平均粒径15
〜40μmのAl粉末(純度99.99%以上)を用意
し、Ti:Al=51:49(atm%)となるようにArガ
ス中で混合する。Arガス中で行うのは、Ti粉末および
Al粉末とも非常に反応性に富むためである。
合金化せしめた。尚、合金化せずに次工程に進んでもよ
いが、合金化することにより、組織の緻密化が図れるの
で、実施例ではアトライタを用いて合金化した。
に、再度5〜20%の窒素ガスを含むArガスを導入す
る。窒素ガスを添加することで、焼結後のTiAlの収率
を向上せしめることができる。
行った。混合時間を30時間未満とした場合には、合金
化が十分に図れず、一方100時間を超えて混合すれば
アモルファス化した合金が得られるが、アモルファス化
する必要はないので、混合時間は30〜100時間とす
る。
示す焼結装置を用いて焼結せしめる。焼結装置は2分割
された半円環状のグラファイトダイス1,1をシリンダ
ユニット2,2で進退可能とし、前進位置にあるグラフ
ァイトダイス1,1で形成される空間に下方から下パン
チ3を臨ませ、グラファイトダイス1,1内面と下パン
チ3上面との間で形成される凹部に前記混合粉末を充填
した。
下パンチ3により混合粉末を圧粉する。加圧パターンは
図1に示した通りである。また、上パンチ4と下パンチ
3とも電極としての機能を有しており、これら上パンチ
4と下パンチ3を介して混合粉末を圧粉しつつ通電する
ことで混合粉末からなる成形体を焼結する。焼結の条件
は50℃/minで950℃まで昇温し、5分間保持すると同時
に、上下のパンチにより49MPa(0.5ton/cm2)で加圧し
焼結した。以上の操作により図3、図4に示すような円
柱状のブランク材が得られる。
℃/minが好ましい。20℃/min未満で行うと、粒径が粗大
化し、逆に80℃/minを超えると、昇温速度に反応が追従
せず、未反応の部分が残留してしまうためである。
が好ましい。900℃未満では焼結を促進する液層が生成
されず、焼結時間が非常に長くなってしまい、逆に1100
℃を超えた温度では、再溶融してしまう。
〜0.7ton/cm2)で行うことが好ましい。29MPa未満では
成形後に密度の向上が十分に図れず、68.6MPaを超える
とダイスに働く応力が増大してダイスの寿命が低下す
る。
(a)及び(b)に示すような、20μm程度の粒径と
50μm程度の粒径が混ざり合った結晶組織が得られ
る。20μm程度の結晶粒は後述する恒温鍛造による超
塑性加工に有効であり、50μm程度の結晶粒は靱性を
向上する効果がある。
結することでTi−Al金属間化合物からなるブランク材
を得たならば、図5に示すようにグラファイトダイス
1,1が後退するとともに下パンチ3内に軸方向に挿入
されていたノックアウトピン5によってブランク材を下
パンチ3から持ち上げる。
6がダイス1,1とは90°異なる方向から前進し、ブ
ランク材を円環状に囲むとともに下パンチ3の外側面に
沿って下サブパンチ7が下パンチ3の上面と面一になる
まで上昇する。そして、この下サブパンチ7とブランク
材との間に下鍛造プレート8を挿入する。この下鍛造プ
レート8の上面は複雑形状をなす成形面になっている。
また、下鍛造プレート8の挿入方法はブランク材を持ち
上げた状態で下パンチ3と下サブパンチ7の上に下鍛造
プレート8をセットするか、ブランク材をそのままにし
て側方から下鍛造プレート8を滑り込ませる方法のいず
れでもよい。
なす成形面となった上鍛造プレート9をセットし、一
方、上パンチ4の外側面に沿って下降する上サブパンチ
10を設け、これら上パンチ4及び上サブパンチ10の
下面を上鍛造プレート9の上面に当接せしめ、上パンチ
4及び上サブパンチ10を図8に示すように下降せしめ
る。
プレート9の温度は焼結後のブランク材の温度と等しく
なるようコントロールされている。具体的には900〜110
0℃の範囲となっている。この範囲はTi−Al金属間化
合物の超塑性領域、即ち、異常に大きな延びを示す現象
が起こる領域であり、この温度領域内で恒温鍛造(金型
温度を加工する材料の超塑性温度と同一の温度にして行
う鍛造)することにより、図9に示すタービンブレード
のような複雑な形状の部材を得ることができる。
微細で緻密な組織を持ち高温での強度及び耐食性に優れ
るTi−Al金属間化合物に、複雑形状を付与できるの
で、高効率、低騒音、高出力という相反する特性が同時
に要求される航空機のジェットエンジンや発電用ガスタ
ービンエンジンのブレード等の製造方法として極めて有
用である。
示す図
式図、(b)は(a)の一部の拡大図
置にセットした状態を示す図
示す図
ビンブレードを示す図
下パンチ、4…上パンチ、5…ノックアウトピン、6…
ダイス、7…下サブパンチ、8…下鍛造プレート、9…
上鍛造プレート、10…上サブパンチ。
Claims (4)
- 【請求項1】 Ti粉末とAl粉末またはAl合金粉末を
混合し、この混合粉末を型内に充填した後、パンチ間で
圧粉しつつ混合粉末に通電し、その際に発生する熱によ
り焼結せしめてTi−Al金属間化合物を作製し、次いで
焼結の際の熱を利用し連続してTi−Al金属間化合物に
恒温鍛造を施すことを特徴とするTi−Al金属間化合物
部材の製造方法。 - 【請求項2】 請求項1に記載のTi−Al金属間化合物
部材の製造方法において、前記Ti−Al金属間化合物
は、0.5atm%〜0.8atm%のMnを含有することを特徴と
するTi−Al金属間化合物部材の製造方法。 - 【請求項3】 請求項1に記載のTi−Al金属間化合物
部材の製造方法において、前記混合粉末をメカニカルア
ロイング法により合金化し、この合金をパンチ間で圧粉
しつつ通電してTi−Al金属間化合物を作製することを
特徴とするTi−Al金属間化合物部材の製造方法。 - 【請求項4】 請求項1乃至請求項4の何れかに記載の
Ti−Al金属間化合物部材の製造方法において、前記T
i−Al金属間化合物部材は薄肉耐熱用部材であることを
特徴とするTi−Al金属間化合物部材の製造方法。
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JP2014514447A (ja) * | 2011-03-31 | 2014-06-19 | サントル ナショナル ドゥ ラ ルシェルシュ シアンティフィク | フラッシュ焼結によって複雑な形状を有する部品を製造するための方法、およびそのような方法を実施するための装置 |
CN103966535A (zh) * | 2014-05-06 | 2014-08-06 | 西北工业大学 | 一种高损伤容限型钛合金TC4-DT的一种β相区近等温锻造 |
CN111593278A (zh) * | 2020-04-29 | 2020-08-28 | 西北工业大学 | 一种TiAl合金近等温锻造方法 |
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