JP2002069545A - 積層圧延によるTiAl系金属間化合物の製造方法 - Google Patents

積層圧延によるTiAl系金属間化合物の製造方法

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Masahiro Sasaki
雅啓 佐々木
Daisuke Imai
大輔 今井
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    • B32BLAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B15/00Layered products comprising a layer of metal
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    • B32B15/017Layered products comprising a layer of metal all layers being exclusively metallic one layer being formed of aluminium or an aluminium alloy, another layer being formed of an alloy based on a non ferrous metal other than aluminium
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C21/00Alloys based on aluminium
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    • C22C21/12Alloys based on aluminium with copper as the next major constituent

Abstract

(57)【要約】 【課題】 成形用の特殊な装置を必要とせ
ず、また特殊な加工条件を必要とすることなく、市販の
TiとAlの薄板を素材として用い、所望の耐熱性を具
備し、構造用軽量耐熱材料として適したTiとAlの金
属間化合物の製造方法、及び該製造方法により得られる
TiとAlの金属間化合物を提供する。 【解決手段】 Ti板とAl板を合計10層以上
交互に重ねて一体化した後これを熱間圧延圧着して各層
を金属的に接合し多層構造とした金属板、あるいは該金
属板をさらに10層以上交互に重ねて一体化した後これ
を熱間圧延圧着して各層を金属的に接合し多層構造とし
た金属板を、そのままあるいは冷間圧延後、Alの融点
(659℃)以下の温度で熱処理を行いTi層とAl層
の層間にTiとAlの金属間化合物を生成させ、あるい
はさらに該熱処理後の材料をTiとAlの金属間化合物
の融点(1400℃)以下の温度で熱処理を行い、材料
全体にTiとAlの金属間化合物を生成させることを特
徴とする金属間化合物の製造方法、及び該製造方法によ
り得られる金属間化合物。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、TiとAlの薄板
を素材として得られる金属間化合物の製造方法、及び該
製造方法により得られた金属間化合物に関する。
【0002】
【従来の技術】TiとAlの金属間化合物は軽量で高温
強度に優れており、新しい構造用軽量耐熱材料として注
目されている。しかしながら、この金属間化合物は常温
付近の延性や靭性に乏しい、難加工材料であり形状付与
が難しい、さらに価格が高い等の理由によりまだ実用化
されていない。特に難加工性質が実用化への阻害要因に
なっている。TiとAlの金属間化合物の形状付与法に
は精密鋳造、恒温鍛造、恒温圧延、超塑性加工、反応焼
結などがあり、複雑形状部品や板材への成形が検討され
ている。最も一般的な形状付与法は精密鋳造法である。
しかしこの方法では鋳造品の信頼性確保のためにHIP
処理(静水圧プレス)を必要とする場合が多い。鍛造、
圧延、超塑性加工などの場合には、成形用の特殊な加工
装置を必要としたり、加工条件が狭い等の問題があり、
研究開発の段階に留まっている。したがって、最終製品
を製造するまでには多くの加工工程を経る必要があり、
製品価格を大幅に押し上げる要因となっていた。特に、
圧延工程により薄板を製造する際には焼鈍工程−圧延工
程を繰り返して所定の厚さの薄板材とする必要があり、
コストを上昇させる要因となっていた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】本発明は成形用の特殊
な装置を必要とせず、また特殊な加工条件を必要とする
ことなく、市販のTiとAlの薄板を素材として用い、
所望の耐熱性を具備し、構造用軽量耐熱材料として適し
たTiとAlの金属間化合物の製造方法、及び該製造方
法により得られるTiとAlの金属間化合物の提供を目
的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明は、Ti板とAl
板を合計10層以上交互に重ねて一体化した後これを熱
間圧延圧着して各層を金属的に接合し多層構造とした金
属板、あるいは該金属板をさらに10層以上交互に重ね
て一体化した後これを熱間圧延圧着して各層を金属的に
接合し多層構造として金属板を、そのままあるいは冷間
圧延後Alの融点(659℃)以下の温度で熱処理を行
いTi層とAl層の層間にTiとAlの金属間化合物を
生成させ、あるいはさらに該熱処理後の材料をTiとA
lの金属間化合物の融点(1400℃)以下の温度で熱
処理を行い、材料全体にTiとAlの金属間化合物を生
成させることを特徴とする金属間化合物の製造方法を提
供する。本発明において一体化は、Ti板とAl板の積
層物の周囲を溶接するあるいはTi製又はAl製の箱に
積層物を封入して行うのが好適である。さらに本発明
は、上記製造方法により得られた金属間化合物を提供す
る。
【0005】
【発明の実施の形態】本発明者らは、従来技術である溶
製・造塊・鍛造・圧延・焼鈍における問題点に鑑みて鋭
意研究を重ねた結果、市販のTiとAlの薄板を素材と
して用い、これらの材料を交互に積層し、熱間圧延ある
いは熱間・冷間圧延により、Ti層とAl層からなる所
定厚さの多層構造とした金属板を作製し、この金属板を
さらに熱処理することによりTiとAlの金属間化合物
を製造する方法を見いだした。
【0006】本発明で使用されるTi板及びAl板とし
ては、市販のTi板、Al板、Al合金板の薄板を用い
ることができる。これらの薄板は、それぞれ厚さ0.1
〜10mmであり、入手し易さ、重ね合わせるときの作業
性等を考慮すると、1〜5mmのものが好ましく使用され
る。Ti板とAl板を交互に重ねる枚数は10層以上で
ある。10層以上とすることにより、多層構造とした金
属板を所定厚さとしたときの各層の厚さを小さくするこ
とができる。各層の厚さを小さくすることにより、金属
間化合物の組成とするための、最終圧延材に熱処理を施
す際の熱処理時間を短くすることができる。熱間圧延圧
着した多層構造の金属板をさらに10層以上積層一体化
した後、熱間圧延圧着した多層構造の金属板を使用する
こともできる。各層の厚さをより一層小さくして、熱処
理時間をさらに短くすることができる。
【0007】多層構造とした金属板に、そのままあるい
は冷間圧延後に行う最初の熱処理の温度はAlの融点
(659℃)以下である。これは熱処理の際、TiとA
lが反応する前にAlが溶融するのを防止するためであ
る。この熱処理によりAl中にTiを拡散させ、Tiと
Alの層間に反応相(TiとAlの金属間化合物)を生
成させる。材料全体にわたる金属間化合物を作製するた
めには、より高温で再度の熱処理を行う。その温度は、
反応相の融点(1400℃)以下の温度である。この熱
処理により材料全体がTiとAlの金属間化合物からな
る合金が作製される。またこの合金板の板厚方向でTi
とAlの組成を変化させた材料も作製することができ
る。すなわち、TiとAlの薄板を交互に積層する際
に、積層方向に合金化する場合のTiとAlの組成量を
あらかじめ計算し、それに適合した板厚のTiとAlの
薄板を積層すればよい。従来の溶製法ではこのような複
合化は困難である。しかし本発明によれば、任意にTi
とAlの組成を板厚方向で変化させた材料を得ることが
できる。
【0008】Ti板とAl板を交互に積層して圧延する
場合、機械的な強度の差があるため、Al板のみが伸び
てTi板が材料内部で破断する現象が生じ易い。この現
象を防止するためには、各板の厚さを薄くして、圧延量
を少なくする必要がある。このような塑性不安定現象を
ひき起こす圧延ひずみ量εnは、εn1n1/(σ12)で
表わされる(外村和幸ら、Journal of the JSTP, vol.2
9, 1988, P.965)。ここでσ1は硬質層(Ti)の降伏
強さ、σ2は軟質層(Al)の降伏強さ、n1は硬質層の
加工効果指数である。Ti板として純Ti板を使用する
場合には、その降伏強さや加工効果指数を変化させるこ
とはできない。したがって、塑性不安定現象を起こさず
にTiとAlの積層体を圧延するためには、TiとAl
の降伏強さの差を小さくする必要がある。純Tiの降伏
強さは一定であるため、Alの降伏強さを変化させる必
要がある。そのためには、純Alに代えてより強度の高
いAl合金の使用が有効である。特に冷間圧延により加
工硬化し易いAl−Mg系(Al5000番系)合金の
使用が望ましい。より限定的にはAl5083の使用が
望ましい。この合金は時効処理をすることなく加工硬化
により硬度を高めることができるという特性を有してお
り、圧延温度を高くしても、過時効による材料強度の低
下を防止できる。また、Ti板とAl板を交互に重ねて
一体化した積層体の厚さはかなり厚くなる。このため、
該積層体の圧延圧着を冷間圧延で行うには、圧延荷重を
高くする必要がある。この場合大型の圧延機を用いる必
要がある。しかし、温度を上げて圧延することにより、
圧延機や圧延方法を簡素化することができる。その意味
から、Ti板とAl板の積層体の圧延圧着は、熱間圧延
で行うことが望ましく、さらにAlの融点以下の範囲で
より高い温度で行うことが望ましい。しかし600℃程
度の高温ではAlの降伏強さが著しく低下するため、塑
性不安定の歪み量が小さくなる。このため、熱間圧延圧
着は400℃以下の温度で行うことが望ましい。
【0009】
【実施例】以下実施例に基づき本発明をより具体的に説
明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるも
のではない。
【0010】実施例1 板厚1.0mm×幅70mm×長さ140mmの純チタン板
と、該チタン板と同一寸法の純アルミニウム板とを交互
に合計31層重ね、これを外寸で高さ30mm×幅80mm
×長さ170mmのアルミニウム製の箱に挿入し、上下に
板厚3mm×幅80mm×長さ150mmのアルミニウム板を
当てて溶接封入し、315℃に加熱した後に圧延を行
い、板厚3mmの重ね合わせ材とした。この材料を真空中
(10-4torr)で590℃で12時間加熱した。その結
果、Ti層とAl層の界面にTiAlの金属間化合物
(TiAl2)の生成を確認した。さらに1000℃で
48時間再加熱することにより、試料全体にわたってT
iとAlの金属間化合物の生成を確認した。
【0011】実施例2 板厚1.0mm×幅70mm×長さ140mmの純チタン板
と、該チタン板と同一寸法のアルミニウム合金板とを交
互に合計31層重ね、これを外寸で高さ30mm×幅80
mm×長さ170mmのアルミニウム製の箱に挿入し、上下
に板厚3mm×幅80mm×長さ150mmのアルミニウム板
を当てて溶接封入し、315℃に加熱した後に圧延を行
い、板厚3mmの重ね合わせ材とした。この方法により、
TiAl1100、TiAl2024、TiAl505
2、TiAl5083、TiAl6061、TiAl7
075の6種類のTiとAlの合金の重ね合わせ材を作
製した。この重ね圧延材の断面を観察すると、一部にう
ねりや破断が生じていることが確認された。これはTi
層とAl層の強度差によって塑性不安定現象を生じたた
めである。また、破断している層はTi層であり、圧延
過程で軟質層であるAl層のみが圧延され、硬質層であ
るTiが破断したためである。そこで、圧延した材料の
断面における材料間の「うねり現象」を測定した。うね
りの数値化にあたっては「うねり」指数を定義し、うね
り指数S=(n/31)(L/t)とした。ここで、nは積層圧延
材の圧延方向断面で観察されるTi層とAl層の合計積
層数、Lは積層圧延材の圧延方向断面で観察されるTi
の長さ、tは積層圧延材の圧延方向断面で観察されるT
iの厚さとした。なお、31はTiとAlの合計積層数
である。「うねり」指数が大きいほどうねり現象の程度
が小さいことを示している。なお、うねりとは2つの層
の強度差によって塑性不安定現象を生じ、このため各層
が波打ち状に変形する現象をいい、破断の前段階の現象
である。表1に各材料の組み合わせで測定された「うね
り」指数の結果を示す。この結果から、TiAl508
3の組み合わせの積層材のうねりが最も小さかった。
【0012】
【表1】
【0013】この積層圧延材を真空中(10-4torr)で
590℃で0.5時間から24時間加熱した。その結
果、Ti層とAl層の界面に表2に示す金属間化合物が
生成した。
【0014】
【表2】
【0015】次に、上記熱処理材の内、590℃で24
時間熱処理した材料をさらに1000℃で48時間再加
熱することにより、試料全体にわたってTiAl金属間
化合物の生成を確認した。
【0016】
【発明の効果】本発明によれば、所望の耐熱効果を具備
したTiAl系金属間化合物が簡単に得られ、その効果
は顕著なものがある。
───────────────────────────────────────────────────── 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 1/18 C22F 1/18 H // B23K 103:10 B23K 103:10 103:14 103:14

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 Ti板とAl板を合計10層以上交互に
    重ねて一体化した後これを熱間圧延圧着して各層を金属
    的に接合し多層構造とした金属板、あるいは該金属板を
    さらに10層以上交互に重ねて一体化した後これを熱間
    圧延圧着して各層を金属的に接合し多層構造とした金属
    板を、そのままあるいは冷間圧延後、Alの融点(65
    9℃)以下の温度で熱処理を行いTi層とAl層の層間
    にTiとAlの金属間化合物を生成させ、あるいはさら
    に該熱処理後の材料をTiとAlの金属間化合物の融点
    (1400℃)以下の温度で熱処理を行い、材料全体に
    TiとAlの金属間化合物を生成させることを特徴とす
    る金属間化合物の製造方法。
  2. 【請求項2】 一体化が、Ti板とAl板の積層物の周
    囲を溶接するあるいはTi製又はAl製の箱に該積層物
    を封入して行われることを特徴とする請求項1記載の金
    属間化合物の製造方法。
  3. 【請求項3】 Ti板とAl板が、それぞれ厚さ10mm
    以下であることを特徴とする請求項1又は2記載の金属
    間化合物の製造方法。
  4. 【請求項4】 Al板が、Al合金板であることを特徴
    とする請求項1、2又は3記載の金属間化合物の製造方
    法。
  5. 【請求項5】 請求項1、2、3又は4記載の製造方法
    により製造されたことを特徴とする金属間化合物。
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