JP2002241965A - 耐高温酸化性に優れた耐熱性Ｔｉ合金部材とその製造方法 - Google Patents
耐高温酸化性に優れた耐熱性Ｔｉ合金部材とその製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【課題】 耐酸化性、耐摩耗性に優れた耐熱性Ｔｉ合金
部材表面の皮膜構造の開発。 【構成】 耐熱性Ｔｉ合金部材の表面に部材との加熱反
応により形成された炭化チタン（ＴｉＣ）、硼化チタン
（ＴｉＢ）、炭硼化チタン（ＴｉＢＣ）の群からなる少
なくとも１種の不活性皮膜層（層Ｉ）を介して、高温酸
化性環境中でアルミナ層またはクロミヤ層を形成、再生
するＡｌまたはＣｒの供給層（層ＩＩ）が形成されてな
る耐高温酸化性に優れた耐熱性Ｔｉ合金部材。例えば、
耐熱性Ｔｉ合金部材の表面に硼素（Ｂ）および／または
炭素（Ｃ）を含有するＮｉまたはＣｒ皮膜を形成し、次
いで、加熱により耐熱性Ｔｉ合金部材と硼素（Ｂ）およ
び／または炭素（Ｃ）含有皮膜を反応させることにより
不活性皮膜層（層Ｉ）を形成することができる。Ａｌま
たはＣｒの供給層（層ＩＩ）はＡｌまたはＣｒの蒸発拡
散処理により行うことができる。
部材表面の皮膜構造の開発。 【構成】 耐熱性Ｔｉ合金部材の表面に部材との加熱反
応により形成された炭化チタン（ＴｉＣ）、硼化チタン
（ＴｉＢ）、炭硼化チタン（ＴｉＢＣ）の群からなる少
なくとも１種の不活性皮膜層（層Ｉ）を介して、高温酸
化性環境中でアルミナ層またはクロミヤ層を形成、再生
するＡｌまたはＣｒの供給層（層ＩＩ）が形成されてな
る耐高温酸化性に優れた耐熱性Ｔｉ合金部材。例えば、
耐熱性Ｔｉ合金部材の表面に硼素（Ｂ）および／または
炭素（Ｃ）を含有するＮｉまたはＣｒ皮膜を形成し、次
いで、加熱により耐熱性Ｔｉ合金部材と硼素（Ｂ）およ
び／または炭素（Ｃ）含有皮膜を反応させることにより
不活性皮膜層（層Ｉ）を形成することができる。Ａｌま
たはＣｒの供給層（層ＩＩ）はＡｌまたはＣｒの蒸発拡
散処理により行うことができる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、高温酸化性環境中
でアルミナ層またはクロミヤ層を形成、再生するＡｌま
たはＣｒの供給層が表面に形成されてなる耐高温酸化
性、または耐高温酸化性と高温耐摩耗性に優れた耐熱性
Ｔｉ合金部材とその製造方法に関する。
でアルミナ層またはクロミヤ層を形成、再生するＡｌま
たはＣｒの供給層が表面に形成されてなる耐高温酸化
性、または耐高温酸化性と高温耐摩耗性に優れた耐熱性
Ｔｉ合金部材とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】ジェットエンジン、ガスタービンのブレ
ードは高温で強度を有することの他に使用条件下で耐酸
化性、耐食性、耐磨耗性が求められる。これらの部材と
してはＮｉ基超合金が主に用いられているが、自動車の
ターボチャージャー等の汎用品には耐熱Ｔｉ合金、Ｔｉ
Ａｌ金属間化合物等の耐熱性Ｔｉ合金部材の使用が検討
されている。
ードは高温で強度を有することの他に使用条件下で耐酸
化性、耐食性、耐磨耗性が求められる。これらの部材と
してはＮｉ基超合金が主に用いられているが、自動車の
ターボチャージャー等の汎用品には耐熱Ｔｉ合金、Ｔｉ
Ａｌ金属間化合物等の耐熱性Ｔｉ合金部材の使用が検討
されている。
【０００３】耐熱性Ｔｉ合金部材は、一般の金属材料に
比べると靭性に劣るものの、セラミックスに比べると一
桁高い靭性値を有する。更に、比重が小さいこと、高温
での強度に優れることから、主として、高温、高速で回
転するガスタービン、ターボチャージャ等のタービン材
を始めとして高温構造材料として極めて有望である。し
かし、耐熱性Ｔｉ合金部材は、耐酸化性、耐食性、耐磨
耗性に難があり、高温で使用したときに酸化層が厚く生
成し、高温の大気中では実用に耐えないので、部材表面
に皮膜を付け、これらの特性を改善する研究が行われて
いる。
比べると靭性に劣るものの、セラミックスに比べると一
桁高い靭性値を有する。更に、比重が小さいこと、高温
での強度に優れることから、主として、高温、高速で回
転するガスタービン、ターボチャージャ等のタービン材
を始めとして高温構造材料として極めて有望である。し
かし、耐熱性Ｔｉ合金部材は、耐酸化性、耐食性、耐磨
耗性に難があり、高温で使用したときに酸化層が厚く生
成し、高温の大気中では実用に耐えないので、部材表面
に皮膜を付け、これらの特性を改善する研究が行われて
いる。
【０００４】一般に、金属材料は酸化雰囲気中で用いた
場合、表面に酸化物層が生成する。多くの場合、この酸
化物層が時間と共に成長し、母材を侵食する。すなわ
ち、酸化腐食である。ところが、場合によっては、表面
に薄い酸化物層が生成してこれが保護皮膜として作用
し、母材の耐酸化性を高めることがある。
場合、表面に酸化物層が生成する。多くの場合、この酸
化物層が時間と共に成長し、母材を侵食する。すなわ
ち、酸化腐食である。ところが、場合によっては、表面
に薄い酸化物層が生成してこれが保護皮膜として作用
し、母材の耐酸化性を高めることがある。
【０００５】保護皮膜として作用するものは、例えば、
Ｎｉを母材に含有する場合のＮｉＯ、Ａｌを母材に含有
する場合のＡｌ2 Ｏ3 等である。Ｔｉ−Ａｌ合金部材の
場合、酸化雰囲気中にあっては、部材表面にＴｉＯ
2 （ルチル）層が生成し、その後ＴｉＯ2 ＋Ａｌ2 Ｏ3
混合層が生成されることが知られている。このルチル層
は保護皮膜としては作用しないため、Ｔｉ−Ａｌ合金部
材の耐酸化性を低下させる原因となっていた。
Ｎｉを母材に含有する場合のＮｉＯ、Ａｌを母材に含有
する場合のＡｌ2 Ｏ3 等である。Ｔｉ−Ａｌ合金部材の
場合、酸化雰囲気中にあっては、部材表面にＴｉＯ
2 （ルチル）層が生成し、その後ＴｉＯ2 ＋Ａｌ2 Ｏ3
混合層が生成されることが知られている。このルチル層
は保護皮膜としては作用しないため、Ｔｉ−Ａｌ合金部
材の耐酸化性を低下させる原因となっていた。
【０００６】Ｔｉ−Ａｌ合金部材は耐酸化性に劣るた
め、近年、表層に耐酸化性の優れた皮膜を形成する種々
の方法が開発されている。例えば、表層に耐酸化性の優
れたＭＣｒ型またはＭＣｒＡｌＹ（ＭはＮｉ，Ｃｏ，Ｆ
ｅ）被覆を形成する方法（日本金属学会誌、第５７巻、
第７号、７８１〜７８９頁、１９９３年）、ＴｉＡｌ3
層を被覆する方法（特開平１−１１１８５８号公報）、
ＴｉＡｌＣｒＴａ層を形成する方法（特公平７−７４４
０７号公報）、ＰｔＡｌ2 拡散層上にＰｔメッキ−アル
ミナイジング層を形成する方法（特開平９−２６８３６
６号公報）、母材の表面に表面から深さ方向にＭｏやＷ
の濃化層を設ける方法（特開平５−７８８１７号公
報）、Ｃｒ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｗの少なくとも１種以上から
なる酸化物皮膜等を形成する方法（ＷＯ９７／３７０５
０）等が開発されている。
め、近年、表層に耐酸化性の優れた皮膜を形成する種々
の方法が開発されている。例えば、表層に耐酸化性の優
れたＭＣｒ型またはＭＣｒＡｌＹ（ＭはＮｉ，Ｃｏ，Ｆ
ｅ）被覆を形成する方法（日本金属学会誌、第５７巻、
第７号、７８１〜７８９頁、１９９３年）、ＴｉＡｌ3
層を被覆する方法（特開平１−１１１８５８号公報）、
ＴｉＡｌＣｒＴａ層を形成する方法（特公平７−７４４
０７号公報）、ＰｔＡｌ2 拡散層上にＰｔメッキ−アル
ミナイジング層を形成する方法（特開平９−２６８３６
６号公報）、母材の表面に表面から深さ方向にＭｏやＷ
の濃化層を設ける方法（特開平５−７８８１７号公
報）、Ｃｒ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｗの少なくとも１種以上から
なる酸化物皮膜等を形成する方法（ＷＯ９７／３７０５
０）等が開発されている。
【０００７】さらに、これらの皮膜形成製品において酸
化性ガス雰囲気の酸素が母材に拡散し有害な酸化物を形
成しないようにＮｂ，Ｔａ，Ｖ，Ｗ，Ｈｆ等の高融点金
属からなる厚さ５〜１０μｍ程度の拡散バリヤー層を設
け、その上に銅等の高融点金属と相溶性の金属の層と、
その上の中間の耐酸化性皮膜層と、その上の被酸化性金
属の外側の耐酸化性皮膜層からなるコーティング膜を設
けたもの（特開平４−２６８０８２号公報、特許第３０
７９１１６号）や拡散バリヤー層としてＰｔＡｌ2 、Ｔ
ｉＡｌ等の厚さ０．１〜１０μｍ程度の金属間化合物層
を用いたもの（特表平８−５０６３８３号公報）も知ら
れている。
化性ガス雰囲気の酸素が母材に拡散し有害な酸化物を形
成しないようにＮｂ，Ｔａ，Ｖ，Ｗ，Ｈｆ等の高融点金
属からなる厚さ５〜１０μｍ程度の拡散バリヤー層を設
け、その上に銅等の高融点金属と相溶性の金属の層と、
その上の中間の耐酸化性皮膜層と、その上の被酸化性金
属の外側の耐酸化性皮膜層からなるコーティング膜を設
けたもの（特開平４−２６８０８２号公報、特許第３０
７９１１６号）や拡散バリヤー層としてＰｔＡｌ2 、Ｔ
ｉＡｌ等の厚さ０．１〜１０μｍ程度の金属間化合物層
を用いたもの（特表平８−５０６３８３号公報）も知ら
れている。
【０００８】なお、Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆｅの１種以上を主成
分とする耐熱合金にＭＣｒＡｌＹ（Ｍ＝Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆ
ｅ）の耐酸化性皮膜を被覆する際に酸素や窒素を固溶す
る耐熱金属層を拡散バリヤ層として用いることも知られ
ている（特開平９−１０４９８７号公報）。
分とする耐熱合金にＭＣｒＡｌＹ（Ｍ＝Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆ
ｅ）の耐酸化性皮膜を被覆する際に酸素や窒素を固溶す
る耐熱金属層を拡散バリヤ層として用いることも知られ
ている（特開平９−１０４９８７号公報）。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】耐熱Ｔｉ合金やＴｉＡ
ｌ金属間化合物は軽量で高温強度、クリープ強度が優れ
ており、耐熱材料としての実用化が進められている。し
かし、一般にＴｉ合金は酸化性雰囲気中では５００℃以
下の温度では酸素の拡散侵入による脆化の問題があり、
より高温では酸化反応が進行して脆いＴｉＯ2 が形成さ
れ耐酸化性が著しく低下してしまう問題がある。
ｌ金属間化合物は軽量で高温強度、クリープ強度が優れ
ており、耐熱材料としての実用化が進められている。し
かし、一般にＴｉ合金は酸化性雰囲気中では５００℃以
下の温度では酸素の拡散侵入による脆化の問題があり、
より高温では酸化反応が進行して脆いＴｉＯ2 が形成さ
れ耐酸化性が著しく低下してしまう問題がある。
【００１０】耐熱性Ｔｉ合金、特に、ＴｉＡｌ金属間化
合物部材の実用化が期待されているジェットエンジン、
自動車用ターボチャージャー翼は、起動−停止の繰り返
しによる過酷な熱サイクル下で使用され、耐久性はもと
より、高温の燃焼ガスによる高温腐食と微粒子衝突によ
る摩耗対策が重要な課題となっている。このため、耐熱
Ｔｉ合金の母材組成の改良や、耐熱Ｔｉ合金やＴｉＡｌ
金属間化合物部材への各種の皮膜の形成等の耐酸化性改
善手段が開発されている。
合物部材の実用化が期待されているジェットエンジン、
自動車用ターボチャージャー翼は、起動−停止の繰り返
しによる過酷な熱サイクル下で使用され、耐久性はもと
より、高温の燃焼ガスによる高温腐食と微粒子衝突によ
る摩耗対策が重要な課題となっている。このため、耐熱
Ｔｉ合金の母材組成の改良や、耐熱Ｔｉ合金やＴｉＡｌ
金属間化合物部材への各種の皮膜の形成等の耐酸化性改
善手段が開発されている。
【００１１】しかし、上記の特開平４−２６８０８２号
公報記載の発明では、相溶性皮膜層は高温（８００℃、
長時間では７００℃）では隣り合う層との反応により合
金化が進行してその機能を失う。特表平８−５０６３８
３号公報記載の発明では、拡散バリヤ層が金属や合金で
あるため、安定な暴露条件は、７００℃で１００時間、
１１５０℃で４０分程度と大変レベルの低いものであ
る。特開平９−１０４９８７号公報記載の発明では、熱
応力の軽減を狙ってバリヤ層を多孔質にすることを必須
要件としており、比較的耐酸化性に優れたＮｉ基超合金
には有効であるが、本質的に耐酸化性に乏しい耐熱性Ｔ
ｉ合金部材には適用できない。
公報記載の発明では、相溶性皮膜層は高温（８００℃、
長時間では７００℃）では隣り合う層との反応により合
金化が進行してその機能を失う。特表平８−５０６３８
３号公報記載の発明では、拡散バリヤ層が金属や合金で
あるため、安定な暴露条件は、７００℃で１００時間、
１１５０℃で４０分程度と大変レベルの低いものであ
る。特開平９−１０４９８７号公報記載の発明では、熱
応力の軽減を狙ってバリヤ層を多孔質にすることを必須
要件としており、比較的耐酸化性に優れたＮｉ基超合金
には有効であるが、本質的に耐酸化性に乏しい耐熱性Ｔ
ｉ合金部材には適用できない。
【００１２】上記の通り、従来の拡散バリヤ層はいずれ
も金属系であり、高温では、母材と表面層がバリヤ層も
含めて互いに拡散して、合金化してしまうから長時間に
亘ってバリヤ特性を維持することができず、皮膜の組成
が変化し、耐酸化性に優れたアルミナまたはクロミヤ層
の再生、維持が困難であるという欠点を有する。さら
に、摩耗を伴う環境下では全く使用できない。
も金属系であり、高温では、母材と表面層がバリヤ層も
含めて互いに拡散して、合金化してしまうから長時間に
亘ってバリヤ特性を維持することができず、皮膜の組成
が変化し、耐酸化性に優れたアルミナまたはクロミヤ層
の再生、維持が困難であるという欠点を有する。さら
に、摩耗を伴う環境下では全く使用できない。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記のような
課題を解決し、耐熱性Ｔｉ合金部材が使用される過酷な
環境に耐える新規な皮膜構造を有する耐熱性Ｔｉ合金部
材を提供するものである。
課題を解決し、耐熱性Ｔｉ合金部材が使用される過酷な
環境に耐える新規な皮膜構造を有する耐熱性Ｔｉ合金部
材を提供するものである。
【００１４】すなわち、本発明は、耐熱性Ｔｉ合金部材
の表面に部材との加熱反応により形成された炭化チタン
（ＴｉＣ）、硼化チタン（ＴｉＢ）、炭硼化チタン（Ｔ
ｉＢＣ）の群からなる少なくとも１種の不活性皮膜層
（層Ｉ）を介して、高温酸化性環境中でアルミナ層また
はクロミヤ層を形成、再生するＡｌまたはＣｒの供給層
（層ＩＩ）が形成されてなることを特徴とする耐高温酸
化性に優れた耐熱性Ｔｉ合金部材である。
の表面に部材との加熱反応により形成された炭化チタン
（ＴｉＣ）、硼化チタン（ＴｉＢ）、炭硼化チタン（Ｔ
ｉＢＣ）の群からなる少なくとも１種の不活性皮膜層
（層Ｉ）を介して、高温酸化性環境中でアルミナ層また
はクロミヤ層を形成、再生するＡｌまたはＣｒの供給層
（層ＩＩ）が形成されてなることを特徴とする耐高温酸
化性に優れた耐熱性Ｔｉ合金部材である。
【００１５】また、本発明は、ＡｌまたはＣｒの供給層
（層ＩＩ）は、Ｎｉ−Ａｌ合金、Ｎｉ−Ｃｒ合金、Ｆｅ
−Ａｌ合金、Ｆｅ−Ｃｒ合金、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金、
ＭＣｒＡｌＹ（Ｍ＝Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆｅ）合金の群からな
る１種であることを特徴とする上記の耐高温酸化性に優
れた耐熱性Ｔｉ合金部材である。また、本発明は、不活
性皮膜層（層Ｉ）の厚みが０．１〜５μｍであることを
特徴とする上記の耐高温酸化性に優れた耐熱性Ｔｉ合金
部材である。また、本発明は、耐熱性Ｔｉ合金が耐熱Ｔ
ｉ合金またはＴｉＡｌ金属間化合物であることを特徴と
する上記の耐高温酸化性に優れた耐熱性Ｔｉ合金部材で
ある。
（層ＩＩ）は、Ｎｉ−Ａｌ合金、Ｎｉ−Ｃｒ合金、Ｆｅ
−Ａｌ合金、Ｆｅ−Ｃｒ合金、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金、
ＭＣｒＡｌＹ（Ｍ＝Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆｅ）合金の群からな
る１種であることを特徴とする上記の耐高温酸化性に優
れた耐熱性Ｔｉ合金部材である。また、本発明は、不活
性皮膜層（層Ｉ）の厚みが０．１〜５μｍであることを
特徴とする上記の耐高温酸化性に優れた耐熱性Ｔｉ合金
部材である。また、本発明は、耐熱性Ｔｉ合金が耐熱Ｔ
ｉ合金またはＴｉＡｌ金属間化合物であることを特徴と
する上記の耐高温酸化性に優れた耐熱性Ｔｉ合金部材で
ある。
【００１６】また、本発明は、ＡｌまたはＣｒの供給層
（層ＩＩ）は、Ｗ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｖの群からなる
少なくとも１種の高融点金属またはその合金の硬質粒子
および／または炭化物、硼化物、炭硼化物の群からなる
少なくとも１種の硬質粒子を含有する粒子分散合金から
なることを特徴とする上記の耐高温酸化性に優れた耐熱
性Ｔｉ合金部材である。
（層ＩＩ）は、Ｗ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｖの群からなる
少なくとも１種の高融点金属またはその合金の硬質粒子
および／または炭化物、硼化物、炭硼化物の群からなる
少なくとも１種の硬質粒子を含有する粒子分散合金から
なることを特徴とする上記の耐高温酸化性に優れた耐熱
性Ｔｉ合金部材である。
【００１７】また、本発明は、耐熱性Ｔｉ合金部材の表
面に応力緩和層（層ＩＩＩ）を介して不活性皮膜層（層
Ｉ）が形成されてなることを特徴とする上記の耐熱性Ｔ
ｉ合金部材である。また、本発明は、応力緩和層（層Ｉ
ＩＩ）は、耐熱性Ｔｉ合金部材と不活性皮膜層（層Ｉ）
およびＡｌまたはＣｒの供給層（層ＩＩ）の中間の熱膨
張係数を有する合金、軟質系の金属または合金、または
耐熱性Ｔｉ合金部材と不活性皮膜層（層Ｉ）との複合材
料からなることを特徴とする上記の耐熱性Ｔｉ合金部材
である。
面に応力緩和層（層ＩＩＩ）を介して不活性皮膜層（層
Ｉ）が形成されてなることを特徴とする上記の耐熱性Ｔ
ｉ合金部材である。また、本発明は、応力緩和層（層Ｉ
ＩＩ）は、耐熱性Ｔｉ合金部材と不活性皮膜層（層Ｉ）
およびＡｌまたはＣｒの供給層（層ＩＩ）の中間の熱膨
張係数を有する合金、軟質系の金属または合金、または
耐熱性Ｔｉ合金部材と不活性皮膜層（層Ｉ）との複合材
料からなることを特徴とする上記の耐熱性Ｔｉ合金部材
である。
【００１８】また、本発明は、耐熱性Ｔｉ合金部材の表
面に硼素（Ｂ）および／または炭素（Ｃ）を含有するＮ
ｉまたはＣｒ皮膜を形成し、次いで、加熱により耐熱性
Ｔｉ合金部材と硼素（Ｂ）および／または炭素（Ｃ）含
有皮膜を反応させることにより不活性皮膜層（層Ｉ）を
形成することを特徴とする上記の耐高温酸化性に優れた
耐熱性Ｔｉ合金部材の製造方法である。また、本発明
は、ＡｌまたはＣｒの供給層（層ＩＩ）をＡｌまたはＣ
ｒの蒸発拡散処理により行うことを特徴とする上記の耐
高温酸化性に優れた耐熱性Ｔｉ合金部材の製造方法であ
る。また、本発明は、不活性皮膜層（層Ｉ）を形成する
ための加熱はＡｌまたはＣｒの蒸発拡散処理により行わ
れることを特徴とする上記の耐高温酸化性に優れた耐熱
性Ｔｉ合金部材の製造方法である。
面に硼素（Ｂ）および／または炭素（Ｃ）を含有するＮ
ｉまたはＣｒ皮膜を形成し、次いで、加熱により耐熱性
Ｔｉ合金部材と硼素（Ｂ）および／または炭素（Ｃ）含
有皮膜を反応させることにより不活性皮膜層（層Ｉ）を
形成することを特徴とする上記の耐高温酸化性に優れた
耐熱性Ｔｉ合金部材の製造方法である。また、本発明
は、ＡｌまたはＣｒの供給層（層ＩＩ）をＡｌまたはＣ
ｒの蒸発拡散処理により行うことを特徴とする上記の耐
高温酸化性に優れた耐熱性Ｔｉ合金部材の製造方法であ
る。また、本発明は、不活性皮膜層（層Ｉ）を形成する
ための加熱はＡｌまたはＣｒの蒸発拡散処理により行わ
れることを特徴とする上記の耐高温酸化性に優れた耐熱
性Ｔｉ合金部材の製造方法である。
【００１９】
【作用】本発明の耐熱性Ｔｉ合金部材の層構造におい
て、ＡｌまたはＣｒの供給層（層ＩＩ）は保護的アルミ
ナ層またはクロミヤ層を形成、再生、維持する能力を与
えるものであり、耐熱性Ｔｉ合金部材の表面層にこのよ
うな保護的アルミナ層またはクロミヤ層を用いる手段自
体は公知のことである。
て、ＡｌまたはＣｒの供給層（層ＩＩ）は保護的アルミ
ナ層またはクロミヤ層を形成、再生、維持する能力を与
えるものであり、耐熱性Ｔｉ合金部材の表面層にこのよ
うな保護的アルミナ層またはクロミヤ層を用いる手段自
体は公知のことである。
【００２０】このような層構造において基材との拡散バ
リヤとして高融点金属等の層を用いた場合は、短時間で
あれば拡散防止の効果があるものの、この拡散バリヤと
隣り合う層との反応性が大きく、長時間の拡散防止効果
が得られない。
リヤとして高融点金属等の層を用いた場合は、短時間で
あれば拡散防止の効果があるものの、この拡散バリヤと
隣り合う層との反応性が大きく、長時間の拡散防止効果
が得られない。
【００２１】本発明の耐熱性Ｔｉ合金部材の層構造にお
いて、特徴的な事項は、不活性皮膜（層Ｉ）を介在させ
ることである。本発明の耐熱性Ｔｉ合金部材の層構造に
おいては、ＡｌまたはＣｒの供給層（層ＩＩ）と耐熱性
Ｔｉ合金部材との間に両者を構成する元素の相互拡散を
抑制する機能を有するのみならず、かつ隣り合う層と反
応せずに層自体の安定性を保つ機能が大きい皮膜を介在
させる。本発明で「不活性皮膜」とは、このような機能
を有する皮膜を言う。
いて、特徴的な事項は、不活性皮膜（層Ｉ）を介在させ
ることである。本発明の耐熱性Ｔｉ合金部材の層構造に
おいては、ＡｌまたはＣｒの供給層（層ＩＩ）と耐熱性
Ｔｉ合金部材との間に両者を構成する元素の相互拡散を
抑制する機能を有するのみならず、かつ隣り合う層と反
応せずに層自体の安定性を保つ機能が大きい皮膜を介在
させる。本発明で「不活性皮膜」とは、このような機能
を有する皮膜を言う。
【００２２】不活性皮膜のこのような機能は、耐熱性Ｔ
ｉ合金部材の主成分であるＴｉと炭素（Ｃ）および／ま
たは硼素（Ｂ）との無機化合物であるＴｉＣ、ＴｉＢ、
またはＴｉＢＣによって奏される。ＴｉＡｌ金属間化合
物やその他のＴｉ−Ａｌ合金部材の場合は、その成分で
あるＡｌと硼素（Ｂ）との無機化合物であるＡｌＢも同
様の作用を呈する。
ｉ合金部材の主成分であるＴｉと炭素（Ｃ）および／ま
たは硼素（Ｂ）との無機化合物であるＴｉＣ、ＴｉＢ、
またはＴｉＢＣによって奏される。ＴｉＡｌ金属間化合
物やその他のＴｉ−Ａｌ合金部材の場合は、その成分で
あるＡｌと硼素（Ｂ）との無機化合物であるＡｌＢも同
様の作用を呈する。
【００２３】これらの無機化合物の緻密な不活性皮膜
（層Ｉ）は、表層のＡｌまたはＣｒの供給層（層Ｉ
Ｉ）、好ましくは、Ｎｉ−Ａｌ，Ｎｉ−Ｃｒ−Ａｌ，Ｆ
ｅ−Ａｌ，Ｆｅ−Ｃｒ，Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ，ＭＣｒＡｌ
Ｙ（Ｍ＝Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆｅ）等と反応しにくく、また、
Ａｌ2 Ｏ3 またはＣｒ2 Ｏ3 との密着性に優れている。
さらに、耐熱性Ｔｉ合金部材とも反応せず、高温におい
ても安定に存在できる。この不活性皮膜（層Ｉ）は、酸
素、窒素等のガス成分も、通常の結晶内拡散として、ま
た、ボイド等の物理的欠陥をガス体として通過するのを
完全に遮断することができる。
（層Ｉ）は、表層のＡｌまたはＣｒの供給層（層Ｉ
Ｉ）、好ましくは、Ｎｉ−Ａｌ，Ｎｉ−Ｃｒ−Ａｌ，Ｆ
ｅ−Ａｌ，Ｆｅ−Ｃｒ，Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ，ＭＣｒＡｌ
Ｙ（Ｍ＝Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆｅ）等と反応しにくく、また、
Ａｌ2 Ｏ3 またはＣｒ2 Ｏ3 との密着性に優れている。
さらに、耐熱性Ｔｉ合金部材とも反応せず、高温におい
ても安定に存在できる。この不活性皮膜（層Ｉ）は、酸
素、窒素等のガス成分も、通常の結晶内拡散として、ま
た、ボイド等の物理的欠陥をガス体として通過するのを
完全に遮断することができる。
【００２４】さらに、ＡｌまたはＣｒの供給層（層Ｉ
Ｉ）を、耐酸化性を付与するＡｌ（ｒｉｃｈ）合金また
はＣｒ富化（ｒｉｃｈ）合金相に耐摩耗性を付与する無
機化合物（炭化物、硼化物、炭硼化物）粒子または高融
点金属またはその合金の硬質微粒子を分散させた層とす
ることによって、高温酸化と飛来粒子による激しい摩耗
が重畳する環境に対して優れた耐高温酸化と耐摩耗性が
得られる。
Ｉ）を、耐酸化性を付与するＡｌ（ｒｉｃｈ）合金また
はＣｒ富化（ｒｉｃｈ）合金相に耐摩耗性を付与する無
機化合物（炭化物、硼化物、炭硼化物）粒子または高融
点金属またはその合金の硬質微粒子を分散させた層とす
ることによって、高温酸化と飛来粒子による激しい摩耗
が重畳する環境に対して優れた耐高温酸化と耐摩耗性が
得られる。
【００２５】応力緩和層（層ＩＩＩ）を耐熱性Ｔｉ合金
部材と不活性皮膜（層Ｉ）との間に必要に応じて介在さ
せることによって、耐熱性Ｔｉ合金部材と層Ｉおよび／
または層ＩＩとの間に発生する応力を低減することがで
きる。
部材と不活性皮膜（層Ｉ）との間に必要に応じて介在さ
せることによって、耐熱性Ｔｉ合金部材と層Ｉおよび／
または層ＩＩとの間に発生する応力を低減することがで
きる。
【００２６】本発明の耐熱性Ｔｉ合金部材としては、
「耐熱チタン合金」の用語で定義される稠密六方晶のα
相と体心立方晶のβ相との混合組織を持ち高温強度の優
れたＴｉ合金であって、軽量高強度の特性も有し、３０
０〜６００℃で使用される航空機のエンジン部材に適す
る合金およびＴｉ3 Ａｌ、ＴｉＡｌ、ＴｉＡｌ2、Ｔｉ
Ａｌ3の何れかで示される２５ａｔ％Ａｌ〜７５ａｔ％
Ａｌの定比組成の合金であるＴｉＡｌ金属間化合物およ
びこれに各種元素を１種以上添加したものを代表的なも
のとして挙げることができるが、これらに限定されず、
主成分としてＴｉを含有する合金、例えば１５ａｔ％Ａ
ｌ〜６７ａｔ％Ａｌ、残部Ｔｉからなる合金等であって
耐熱材料として用いられるものであれば特にその組成は
限定されない。
「耐熱チタン合金」の用語で定義される稠密六方晶のα
相と体心立方晶のβ相との混合組織を持ち高温強度の優
れたＴｉ合金であって、軽量高強度の特性も有し、３０
０〜６００℃で使用される航空機のエンジン部材に適す
る合金およびＴｉ3 Ａｌ、ＴｉＡｌ、ＴｉＡｌ2、Ｔｉ
Ａｌ3の何れかで示される２５ａｔ％Ａｌ〜７５ａｔ％
Ａｌの定比組成の合金であるＴｉＡｌ金属間化合物およ
びこれに各種元素を１種以上添加したものを代表的なも
のとして挙げることができるが、これらに限定されず、
主成分としてＴｉを含有する合金、例えば１５ａｔ％Ａ
ｌ〜６７ａｔ％Ａｌ、残部Ｔｉからなる合金等であって
耐熱材料として用いられるものであれば特にその組成は
限定されない。
【００２７】耐熱チタン合金の代表的なものとしては、
Ｔｉ−５．５％Ａｌ−４％Ｓｎ系合金、Ｔｉ−６％Ａｌ
−４％Ｖ系合金が挙げられる。通常、約５００℃までの
温度領域で使用されている耐熱Ｔｉ合金の場合には、本
発明の皮膜構造を有する部材とすることによって耐酸化
性を８００℃に上昇させることができる。なお、この限
界温度は耐熱Ｔｉ合金自体の強度に由来するもので、耐
酸化性自体は１１００℃に達する。また、ＴｉＡｌ金属
間化合物の場合には、１０００℃〜１１００℃の高温に
おける耐酸化性に優れた部材を提供することができる。
Ｔｉ−５．５％Ａｌ−４％Ｓｎ系合金、Ｔｉ−６％Ａｌ
−４％Ｖ系合金が挙げられる。通常、約５００℃までの
温度領域で使用されている耐熱Ｔｉ合金の場合には、本
発明の皮膜構造を有する部材とすることによって耐酸化
性を８００℃に上昇させることができる。なお、この限
界温度は耐熱Ｔｉ合金自体の強度に由来するもので、耐
酸化性自体は１１００℃に達する。また、ＴｉＡｌ金属
間化合物の場合には、１０００℃〜１１００℃の高温に
おける耐酸化性に優れた部材を提供することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】本発明の耐熱性Ｔｉ合金部材の皮
膜構造は、耐熱性Ｔｉ合金部材の表面に不活性皮膜層
（層Ｉ）を介してアルミナ層またはクロミヤ層を形成、
再生するＡｌまたはＣｒの供給層（層ＩＩ）が形成され
ている積層構造をなしていることを特徴とする。
膜構造は、耐熱性Ｔｉ合金部材の表面に不活性皮膜層
（層Ｉ）を介してアルミナ層またはクロミヤ層を形成、
再生するＡｌまたはＣｒの供給層（層ＩＩ）が形成され
ている積層構造をなしていることを特徴とする。
【００２９】不活性皮膜層（層Ｉ）は、耐熱性Ｔｉ合金
部材とＡｌまたはＣｒの供給層（層ＩＩ）との中間に介
在し、不活性皮膜層（層Ｉ）を構成する元素が耐熱性Ｔ
ｉ合金部材中に、および、耐熱性Ｔｉ合金部材の元素が
不活性皮膜層（層Ｉ）に、それぞれ拡散移動するのを抑
制する機能を有する。不活性皮膜層（層Ｉ）は、小さい
拡散係数を有する無機化合物が適し、特に、ＴｉＣ、Ｔ
ｉＢ、ＡｌＢ、ＴｉＢＣが適する。耐熱性Ｔｉ合金に酸
素と窒素は高温で多量に固溶するので、酸化物と窒化物
は高温では不安定となり、分解するので不適当である。
部材とＡｌまたはＣｒの供給層（層ＩＩ）との中間に介
在し、不活性皮膜層（層Ｉ）を構成する元素が耐熱性Ｔ
ｉ合金部材中に、および、耐熱性Ｔｉ合金部材の元素が
不活性皮膜層（層Ｉ）に、それぞれ拡散移動するのを抑
制する機能を有する。不活性皮膜層（層Ｉ）は、小さい
拡散係数を有する無機化合物が適し、特に、ＴｉＣ、Ｔ
ｉＢ、ＡｌＢ、ＴｉＢＣが適する。耐熱性Ｔｉ合金に酸
素と窒素は高温で多量に固溶するので、酸化物と窒化物
は高温では不安定となり、分解するので不適当である。
【００３０】不活性皮膜層（層Ｉ）は、スパッタリン
グ、ＣＶＤ、ＰＶＤ、ＭＥＢＰＶＤ等公知の汎用的方法
を採用して形成することができる。皮膜を形成する前に
耐熱性Ｔｉ合金部材表面を機械的研磨または化学研磨液
で前処理して清浄にする。
グ、ＣＶＤ、ＰＶＤ、ＭＥＢＰＶＤ等公知の汎用的方法
を採用して形成することができる。皮膜を形成する前に
耐熱性Ｔｉ合金部材表面を機械的研磨または化学研磨液
で前処理して清浄にする。
【００３１】これらの方法で形成した皮膜は、通常、耐
熱性Ｔｉ合金部材への密着性が悪いが、本発明では耐熱
性Ｔｉ合金部材の表面にＢおよび／またはＣ含有のＮｉ
またはＣｒ皮膜を形成し、次いで、加熱により耐熱性Ｔ
ｉ合金部材とＢおよび／またはＣ含有皮膜を反応させる
ことにより密着性に優れた皮膜を形成することができ
る。また、加熱はＡｌまたはＣｒの蒸発拡散処理により
行うことができる。
熱性Ｔｉ合金部材への密着性が悪いが、本発明では耐熱
性Ｔｉ合金部材の表面にＢおよび／またはＣ含有のＮｉ
またはＣｒ皮膜を形成し、次いで、加熱により耐熱性Ｔ
ｉ合金部材とＢおよび／またはＣ含有皮膜を反応させる
ことにより密着性に優れた皮膜を形成することができ
る。また、加熱はＡｌまたはＣｒの蒸発拡散処理により
行うことができる。
【００３２】例えば、硼化物の皮膜は、耐熱性Ｔｉ合金
部材表面にＮｉ−Ｂを無電解メッキし、Ｂを０．５〜１
０体積％程度含有するＮｉ皮膜を形成し、その後Ｎｉ皮
膜の上からＡｌまたはＣｒ拡散処理し、この際の加熱反
応によってＢはＴｉ合金部材のＴｉまたはＴｉ＋Ａｌと
反応して硼化物の皮膜を形成することができる。炭化物
は、Ｎｉ電気メッキ液に炭素の微粉末を懸濁させて炭素
微粉末を１〜１０体積％程度含有するＮｉ複合メッキ皮
膜を形成し、その後Ｎｉ複合メッキ皮膜の上から高温で
ＡｌまたはＣｒを蒸発拡散処理し、この際の加熱反応に
よってＣをＴｉ合金部材のＴｉまたはＴｉ＋Ａｌと反応
させて炭化物の皮膜を形成させることができる。炭硼化
物は、Ｎｉ電気メッキ液に炭素と硼素の微粉末を懸濁さ
せて炭素および硼素の微粉末を含むＮｉ複合メッキ皮膜
を形成する方法によって、同様に形成することができ
る。
部材表面にＮｉ−Ｂを無電解メッキし、Ｂを０．５〜１
０体積％程度含有するＮｉ皮膜を形成し、その後Ｎｉ皮
膜の上からＡｌまたはＣｒ拡散処理し、この際の加熱反
応によってＢはＴｉ合金部材のＴｉまたはＴｉ＋Ａｌと
反応して硼化物の皮膜を形成することができる。炭化物
は、Ｎｉ電気メッキ液に炭素の微粉末を懸濁させて炭素
微粉末を１〜１０体積％程度含有するＮｉ複合メッキ皮
膜を形成し、その後Ｎｉ複合メッキ皮膜の上から高温で
ＡｌまたはＣｒを蒸発拡散処理し、この際の加熱反応に
よってＣをＴｉ合金部材のＴｉまたはＴｉ＋Ａｌと反応
させて炭化物の皮膜を形成させることができる。炭硼化
物は、Ｎｉ電気メッキ液に炭素と硼素の微粉末を懸濁さ
せて炭素および硼素の微粉末を含むＮｉ複合メッキ皮膜
を形成する方法によって、同様に形成することができ
る。
【００３３】不活性皮膜層（層Ｉ）の厚みの好ましい範
囲は０．１μｍ〜５μｍであり、特に、連続層でかつ薄
いほどよい。厚いと剥離しやすくなるので、密着性の観
点からは、さらに好ましくは０．１μｍ〜２μｍであ
る。
囲は０．１μｍ〜５μｍであり、特に、連続層でかつ薄
いほどよい。厚いと剥離しやすくなるので、密着性の観
点からは、さらに好ましくは０．１μｍ〜２μｍであ
る。
【００３４】ＡｌまたはＣｒの供給層（層ＩＩ）は、ア
ルミナ層またはクロミヤ層を形成、再生して耐酸化性を
長期間に亘って維持する機能を有する材料組成であれば
よく、ＡｌまたはＣｒを比較的多く含む合金、例えば、
Ａｌ含有量が３〜３０重量％のＮｉ−Ａｌ合金やＦｅ−
Ａｌ合金、Ｃｒ含有量が１５〜５０重量％のＮｉ−Ｃｒ
合金やＦｅ−Ｃｒ合金またはＭＣｒＡｌＹ（Ｍ＝Ｎｉ，
Ｃｏ，Ｆｅ）合金が適する。
ルミナ層またはクロミヤ層を形成、再生して耐酸化性を
長期間に亘って維持する機能を有する材料組成であれば
よく、ＡｌまたはＣｒを比較的多く含む合金、例えば、
Ａｌ含有量が３〜３０重量％のＮｉ−Ａｌ合金やＦｅ−
Ａｌ合金、Ｃｒ含有量が１５〜５０重量％のＮｉ−Ｃｒ
合金やＦｅ−Ｃｒ合金またはＭＣｒＡｌＹ（Ｍ＝Ｎｉ，
Ｃｏ，Ｆｅ）合金が適する。
【００３５】ＡｌまたはＣｒの供給層（層ＩＩ）は、ス
パッタリング、ＣＶＤ、ＰＶＤ、ＭＥＢＰＶＤ等公知の
汎用的方法を採用して形成することができる。また、Ｎ
ｉ−ＡｌまたはＮｉ−Ｃｒを溶融塩から合金メッキした
後高温で熱処理することにより形成することもできる。
上記の方法により不活性皮膜層（層Ｉ）の上に、前処理
することなく直接皮膜を形成することができる。
パッタリング、ＣＶＤ、ＰＶＤ、ＭＥＢＰＶＤ等公知の
汎用的方法を採用して形成することができる。また、Ｎ
ｉ−ＡｌまたはＮｉ−Ｃｒを溶融塩から合金メッキした
後高温で熱処理することにより形成することもできる。
上記の方法により不活性皮膜層（層Ｉ）の上に、前処理
することなく直接皮膜を形成することができる。
【００３６】また、予めＮｉの皮膜を形成し、この皮膜
の上からＡｌまたはＣｒ蒸気拡散を行うことによって形
成することもできる。例えば、Ｎｉ−Ａｌ合金は、水溶
液から電気メッキによりＮｉ皮膜を形成した後、Ｎｉ皮
膜の上から高温でＡｌ蒸気拡散を行うことにより形成す
ることができる。Ｎｉ−Ｃｒ合金は、水溶液から電気メ
ッキによりＮｉ皮膜を形成した後、Ｎｉ皮膜の上から高
温でＣｒ蒸気拡散を行うを行うことにより形成すること
ができる。
の上からＡｌまたはＣｒ蒸気拡散を行うことによって形
成することもできる。例えば、Ｎｉ−Ａｌ合金は、水溶
液から電気メッキによりＮｉ皮膜を形成した後、Ｎｉ皮
膜の上から高温でＡｌ蒸気拡散を行うことにより形成す
ることができる。Ｎｉ−Ｃｒ合金は、水溶液から電気メ
ッキによりＮｉ皮膜を形成した後、Ｎｉ皮膜の上から高
温でＣｒ蒸気拡散を行うを行うことにより形成すること
ができる。
【００３７】ＡｌまたはＣｒ蒸気拡散処理自体は公知の
手段を採用できる。Ａｌ蒸気拡散処理は、例えば、Ａｌ
粉末またはＮｉ−Ａｌ合金粉末＋ＮＨ4Ｃｌ粉末＋Ａｌ
Ｏ3粉末中で水素またはアルゴンなどの不活性ガス雰囲
気中で、８００〜１０００℃で２〜５時間加熱する。同
様に、Ｃｒ蒸気拡散処理も粉末をＡｌ系からＣｒまたは
Ｎｉ−Ｃｒ合金の粉末に変更することによって形成でき
る。Ａｌ蒸気拡散処理は、例えば、塩化アルミニウムガ
ス（ＡｌＣｌ3 ）＋水素ガス（Ｈ2 ）の雰囲気中で、８
００〜１０００℃で２〜５時間加熱することによって行
うことがもきる。
手段を採用できる。Ａｌ蒸気拡散処理は、例えば、Ａｌ
粉末またはＮｉ−Ａｌ合金粉末＋ＮＨ4Ｃｌ粉末＋Ａｌ
Ｏ3粉末中で水素またはアルゴンなどの不活性ガス雰囲
気中で、８００〜１０００℃で２〜５時間加熱する。同
様に、Ｃｒ蒸気拡散処理も粉末をＡｌ系からＣｒまたは
Ｎｉ−Ｃｒ合金の粉末に変更することによって形成でき
る。Ａｌ蒸気拡散処理は、例えば、塩化アルミニウムガ
ス（ＡｌＣｌ3 ）＋水素ガス（Ｈ2 ）の雰囲気中で、８
００〜１０００℃で２〜５時間加熱することによって行
うことがもきる。
【００３８】ＡｌまたはＣｒの供給層（層ＩＩ）の厚み
の好ましい範囲は５μｍ〜３０μｍである。厚みは３０
μｍ程度あれば十分であり、皮膜層は強度的に弱いので
薄い方が有利であるが、５μｍより薄いと、不活性皮膜
層が直接雰囲気にさらされる危険性がある。
の好ましい範囲は５μｍ〜３０μｍである。厚みは３０
μｍ程度あれば十分であり、皮膜層は強度的に弱いので
薄い方が有利であるが、５μｍより薄いと、不活性皮膜
層が直接雰囲気にさらされる危険性がある。
【００３９】ＡｌまたはＣｒの供給層（層ＩＩ）をＡｌ
またはＣｒを比較的多く含む合金と硬質の粒子分散皮膜
とすることにより耐摩耗性を付与することができる。硬
質の粒子としては、高融点金属（Ｗ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｔ
ａ，Ｖ）またはその合金の粒子または、炭化物（Ｔｉ
Ｃ）、硼化物（ＡｌＢ，ＴｉＢ）、炭硼化物（ＴｉＢ
Ｃ）等の無機化合物の粒子が挙げられる。
またはＣｒを比較的多く含む合金と硬質の粒子分散皮膜
とすることにより耐摩耗性を付与することができる。硬
質の粒子としては、高融点金属（Ｗ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｔ
ａ，Ｖ）またはその合金の粒子または、炭化物（Ｔｉ
Ｃ）、硼化物（ＡｌＢ，ＴｉＢ）、炭硼化物（ＴｉＢ
Ｃ）等の無機化合物の粒子が挙げられる。
【００４０】粒子分散皮膜は、例えば、電気メッキ液に
これらの微粒子を懸濁させて複合メッキすることにより
形成することができる。粒子分散皮膜の厚みの好ましい
範囲は１０〜５０μｍである。厚みは５０μｍ程度あれ
ば十分であり、皮膜層は強度的に弱いので薄い方が有利
であるが、１０μｍより薄いと、不活性皮膜層が直接雰
囲気にさらされる危険性がある。
これらの微粒子を懸濁させて複合メッキすることにより
形成することができる。粒子分散皮膜の厚みの好ましい
範囲は１０〜５０μｍである。厚みは５０μｍ程度あれ
ば十分であり、皮膜層は強度的に弱いので薄い方が有利
であるが、１０μｍより薄いと、不活性皮膜層が直接雰
囲気にさらされる危険性がある。
【００４１】さらに、耐熱性Ｔｉ合金部材の表面に応力
緩和層（層ＩＩＩ）を介して不活性皮膜層を形成しても
よい。応力緩和層は、不活性皮膜層（層Ｉ）および／ま
たはＡｌまたはＣｒの供給層（層ＩＩ）とＴｉ合金部材
との間に発生する応力を緩和させる機能を有する。応力
緩和層は、Ｔｉ合金部材と不活性皮膜層（層Ｉ）および
ＡｌまたはＣｒの供給層（層ＩＩ）の中間の熱膨張係数
を有する合金、例えば、ＴｉＡｌＣｒのβ相、ラーベス
相、または軟質系の金属、合金、例えば、高温で強度を
失って大変軟らかくなるＮｉ、Ｆｅ、またはＦｅ−Ｎｉ
合金、耐熱性Ｔｉ合金部材と不活性皮膜層（層Ｉ）との
複合材料、例えば、ＴｉＡｌ＋無機化合物粒子が望まし
い。
緩和層（層ＩＩＩ）を介して不活性皮膜層を形成しても
よい。応力緩和層は、不活性皮膜層（層Ｉ）および／ま
たはＡｌまたはＣｒの供給層（層ＩＩ）とＴｉ合金部材
との間に発生する応力を緩和させる機能を有する。応力
緩和層は、Ｔｉ合金部材と不活性皮膜層（層Ｉ）および
ＡｌまたはＣｒの供給層（層ＩＩ）の中間の熱膨張係数
を有する合金、例えば、ＴｉＡｌＣｒのβ相、ラーベス
相、または軟質系の金属、合金、例えば、高温で強度を
失って大変軟らかくなるＮｉ、Ｆｅ、またはＦｅ−Ｎｉ
合金、耐熱性Ｔｉ合金部材と不活性皮膜層（層Ｉ）との
複合材料、例えば、ＴｉＡｌ＋無機化合物粒子が望まし
い。
【００４２】応力緩和層（層ＩＩＩ）は、スパッタリン
グ、ＣＶＤ、ＰＶＤ、ＭＥＢＰＶＤ等公知の汎用的方法
を採用して形成することができる。さらに、ＴｉＡｌＣ
ｒのβ相、ラーベス相は溶融塩からの合金メッキにより
形成することもできる。Ｎｉ、Ｆｅ、またはＦｅ−Ｎｉ
合金は水溶液からの電気メッキにより形成することもで
きる。耐熱性Ｔｉ合金部材と不活性皮膜層（層Ｉ）との
複合材料は、加熱反応により形成される不活性皮膜層と
同時にその下地層として形成することもできる。
グ、ＣＶＤ、ＰＶＤ、ＭＥＢＰＶＤ等公知の汎用的方法
を採用して形成することができる。さらに、ＴｉＡｌＣ
ｒのβ相、ラーベス相は溶融塩からの合金メッキにより
形成することもできる。Ｎｉ、Ｆｅ、またはＦｅ−Ｎｉ
合金は水溶液からの電気メッキにより形成することもで
きる。耐熱性Ｔｉ合金部材と不活性皮膜層（層Ｉ）との
複合材料は、加熱反応により形成される不活性皮膜層と
同時にその下地層として形成することもできる。
【００４３】ＴｉＡｌ＋無機化合物粒子の層は、無機化
合物の微粉末を懸濁させた溶融塩中でメッキすることに
より形成することもできる。応力緩和層（層ＩＩＩ）の
厚みの好ましい範囲は１〜１０μｍ程度である。１μｍ
より薄いと、不活性皮膜層としての性能を十分発揮でき
ない。厚すぎると発生する熱応力が大きくなり、皮膜の
剥離、亀裂発生に有害である。応力緩和層（層ＩＩＩ）
を設けた場合は、不活性皮膜層（層Ｉ）は、応力緩和層
（層ＩＩＩ）を構成する元素が拡散移動するのを抑制す
る機能も有する。
合物の微粉末を懸濁させた溶融塩中でメッキすることに
より形成することもできる。応力緩和層（層ＩＩＩ）の
厚みの好ましい範囲は１〜１０μｍ程度である。１μｍ
より薄いと、不活性皮膜層としての性能を十分発揮でき
ない。厚すぎると発生する熱応力が大きくなり、皮膜の
剥離、亀裂発生に有害である。応力緩和層（層ＩＩＩ）
を設けた場合は、不活性皮膜層（層Ｉ）は、応力緩和層
（層ＩＩＩ）を構成する元素が拡散移動するのを抑制す
る機能も有する。
【００４４】
【実施例】実施例１ 鋳造により製造したＴｉＡｌ金属間化合物板材（２ｃｍ
×２ｃｍ×０．５ｃｍ）からなる基板の表面をフッ酸で
化学研磨して清浄にした後、マグネトロンスパッタリン
グ装置にセットしＢ粉末とＴｉ粉末を混合して作成した
焼結体をターゲットとしてスパッタリングし、板材表面
に約４μｍのＴｉＢ皮膜を形成した。合金板材を取り出
し、約１５μｍのＮｉ皮膜を電気メッキし、真空蒸気拡
散装置を用いてＡｌ蒸気拡散を１０００℃、４時間、真
空中で行った。これにより、基板表面に基板側からＴｉ
ＡｌとＴｉＢの混合層からなる応力緩和層（層ＩＩＩ、
約５μｍ）とＴｉＢからなる不活性皮膜層（層Ｉ、約３
μｍ）とＮｉＡｌからなるＡｌの供給層（層ＩＩ、約２
０μｍ）が形成された。
×２ｃｍ×０．５ｃｍ）からなる基板の表面をフッ酸で
化学研磨して清浄にした後、マグネトロンスパッタリン
グ装置にセットしＢ粉末とＴｉ粉末を混合して作成した
焼結体をターゲットとしてスパッタリングし、板材表面
に約４μｍのＴｉＢ皮膜を形成した。合金板材を取り出
し、約１５μｍのＮｉ皮膜を電気メッキし、真空蒸気拡
散装置を用いてＡｌ蒸気拡散を１０００℃、４時間、真
空中で行った。これにより、基板表面に基板側からＴｉ
ＡｌとＴｉＢの混合層からなる応力緩和層（層ＩＩＩ、
約５μｍ）とＴｉＢからなる不活性皮膜層（層Ｉ、約３
μｍ）とＮｉＡｌからなるＡｌの供給層（層ＩＩ、約２
０μｍ）が形成された。
【００４５】ＴｉＡｌとＴｉＢの混合層からなる応力緩
和層は、ＴｉＡｌの母相の中に径約３μｍ程度のＴｉＢ
粒子が体積％で１０％程度分散したものであり、ＮｉＡ
ｌからなるＡｌの供給層は、Ａｌを約２５重量％含有す
る合金であった。
和層は、ＴｉＡｌの母相の中に径約３μｍ程度のＴｉＢ
粒子が体積％で１０％程度分散したものであり、ＮｉＡ
ｌからなるＡｌの供給層は、Ａｌを約２５重量％含有す
る合金であった。
【００４６】皮膜を形成した後、自記式熱天秤装置を用
いて、空気中、１００時間、温度９００℃で酸化試験を
した。表面にはＡｌ2 Ｏ3 層が形成された。酸化腐食量
は、１ｍｇ／ｃｍ2 であった。比較例として、不活性皮
膜層を形成していないＴｉＡｌ金属間化合物部材を用い
た場合は、表面にはＴｉＯ2 とＡｌ2 Ｏ3 の混合層が形
成され、酸化腐食量は１００ｍｇ／ｃｍ2 であった。
いて、空気中、１００時間、温度９００℃で酸化試験を
した。表面にはＡｌ2 Ｏ3 層が形成された。酸化腐食量
は、１ｍｇ／ｃｍ2 であった。比較例として、不活性皮
膜層を形成していないＴｉＡｌ金属間化合物部材を用い
た場合は、表面にはＴｉＯ2 とＡｌ2 Ｏ3 の混合層が形
成され、酸化腐食量は１００ｍｇ／ｃｍ2 であった。
【００４７】実施例２ Ａｌ拡散処理に代えてＣｒ蒸気拡散を９００℃、５時
間、真空中で行ってＣｒの供給層としてＮｉ−Ｃｒ層
（２０μｍ）を形成した他は、実施例１と同様の皮膜構
造を形成した。実施例１と同様の酸化試験により、表面
にはＣｒ2 Ｏ3 層が形成された。酸化腐食量は、２〜３
ｍｇ／ｃｍ2 であった。比較例として、不活性皮膜層を
形成していないＴｉＡｌ金属間化合物部材を用いた場合
は、表面にはＴｉＯ2 とＣｒ2Ｏ3 の混合層が形成さ
れ、酸化腐食量は１００ｍｇ／ｃｍ2 であった。
間、真空中で行ってＣｒの供給層としてＮｉ−Ｃｒ層
（２０μｍ）を形成した他は、実施例１と同様の皮膜構
造を形成した。実施例１と同様の酸化試験により、表面
にはＣｒ2 Ｏ3 層が形成された。酸化腐食量は、２〜３
ｍｇ／ｃｍ2 であった。比較例として、不活性皮膜層を
形成していないＴｉＡｌ金属間化合物部材を用いた場合
は、表面にはＴｉＯ2 とＣｒ2Ｏ3 の混合層が形成さ
れ、酸化腐食量は１００ｍｇ／ｃｍ2 であった。
【００４８】実施例３ 実施例１のＮｉメッキに代えて、Ｎｉメッキ液に粒径１
〜５μｍのＴｉＣ微粉末２５ｇ／ｌを懸濁させて電気メ
ッキすることによって複合Ｎｉ−ＴｉＣ（ＴｉＣ：２０
体積％）皮膜を形成した。次いで、真空中、９００℃、
４時間、Ａｌ蒸気拡散処理を行った。これにより、Ａｌ
の供給層としてＮｉＡｌにＴｉＣを約１０ｖｏｌ％分散
させた層（４０μｍ）とした他は、実施例１と同様の皮
膜構造を形成した。
〜５μｍのＴｉＣ微粉末２５ｇ／ｌを懸濁させて電気メ
ッキすることによって複合Ｎｉ−ＴｉＣ（ＴｉＣ：２０
体積％）皮膜を形成した。次いで、真空中、９００℃、
４時間、Ａｌ蒸気拡散処理を行った。これにより、Ａｌ
の供給層としてＮｉＡｌにＴｉＣを約１０ｖｏｌ％分散
させた層（４０μｍ）とした他は、実施例１と同様の皮
膜構造を形成した。
【００４９】皮膜を形成した後、尾越式摩擦試験機を用
いて、室温、無潤滑、相手部材ＳＫＤ１１Ｒｃ５８−６
２、荷重１．５ｋｇ／ｃｍ2 、周速度：０．５ｍ／ｓｅ
ｃでピンディスク摩耗試験をした。実施例１のものにつ
いても同様に摩耗試験を行った。結果を下記に示す。実
施例１に比べて摩耗量は大幅に低下した。
いて、室温、無潤滑、相手部材ＳＫＤ１１Ｒｃ５８−６
２、荷重１．５ｋｇ／ｃｍ2 、周速度：０．５ｍ／ｓｅ
ｃでピンディスク摩耗試験をした。実施例１のものにつ
いても同様に摩耗試験を行った。結果を下記に示す。実
施例１に比べて摩耗量は大幅に低下した。
【００５０】
【００５１】また、皮膜を形成した後、試験片を７００
℃と９００℃に加熱した電気炉中に４５度の傾斜で設置
し、平均粒サイズ０．５ｍｍの砂を１．５ｍの高さから
５分間自由落下させて、高温酸化環境での摩耗試験を行
った。結果を下記に示す。実施例１に比べて摩耗量は大
幅に低下した。
℃と９００℃に加熱した電気炉中に４５度の傾斜で設置
し、平均粒サイズ０．５ｍｍの砂を１．５ｍの高さから
５分間自由落下させて、高温酸化環境での摩耗試験を行
った。結果を下記に示す。実施例１に比べて摩耗量は大
幅に低下した。
【００５２】
【００５３】実施例４ 実施例１のマグネトロンスパッタリングによるＴｉＢの
形成に代えて、約１μｍのＴｉＣ皮膜を形成した後、約
１０μｍのＮｉ皮膜を電気メッキし、９００℃、３時
間、真空中でＡｌ蒸気拡散処理した。この試料と比較の
ため無処理のＴｉＡｌ金属間化合物部材について、自記
式熱天秤で酸化温度１０００℃、酸化時間１００時間、
大気中の条件で酸化腐食量を測定した。
形成に代えて、約１μｍのＴｉＣ皮膜を形成した後、約
１０μｍのＮｉ皮膜を電気メッキし、９００℃、３時
間、真空中でＡｌ蒸気拡散処理した。この試料と比較の
ため無処理のＴｉＡｌ金属間化合物部材について、自記
式熱天秤で酸化温度１０００℃、酸化時間１００時間、
大気中の条件で酸化腐食量を測定した。
【００５４】実施例４では、表面にＡｌ2 Ｏ3 のみの層
が形成され、酸化腐食量は３ｍｇ／ｃｍ2 にすぎなかっ
たが、比較例ではＡｌ2 Ｏ3 とＴｉＯ2 の皮膜が形成さ
れ酸化腐食量は１５０ｍｇ／ｃｍ2 と大きかった。
が形成され、酸化腐食量は３ｍｇ／ｃｍ2 にすぎなかっ
たが、比較例ではＡｌ2 Ｏ3 とＴｉＯ2 の皮膜が形成さ
れ酸化腐食量は１５０ｍｇ／ｃｍ2 と大きかった。
【００５５】
【発明の効果】本発明は、高温腐食、摩耗、熱サイクル
のいずれにも対応できる皮膜構造を提供するものであ
り、耐熱性Ｔｉ合金部材の実用化が革新的に進展するこ
とが期待される。
のいずれにも対応できる皮膜構造を提供するものであ
り、耐熱性Ｔｉ合金部材の実用化が革新的に進展するこ
とが期待される。
Claims (10)
- 【請求項１】 耐熱性Ｔｉ合金部材の表面に部材との加
熱反応により形成された炭化チタン（ＴｉＣ）、硼化チ
タン（ＴｉＢ）、炭硼化チタン（ＴｉＢＣ）の群からな
る少なくとも１種の不活性皮膜層（層Ｉ）を介して、高
温酸化性環境中でアルミナ層またはクロミヤ層を形成、
再生するＡｌまたはＣｒの供給層（層ＩＩ）が形成され
てなることを特徴とする耐高温酸化性に優れた耐熱性Ｔ
ｉ合金部材。 - 【請求項２】 ＡｌまたはＣｒの供給層（層ＩＩ）は、
Ｎｉ−Ａｌ合金、Ｎｉ−Ｃｒ合金、Ｆｅ−Ａｌ合金、Ｆ
ｅ−Ｃｒ合金、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金、ＭＣｒＡｌＹ
（Ｍ＝Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆｅ）合金の群からなる１種である
ことを特徴とする請求項１記載の耐高温酸化性に優れた
耐熱性Ｔｉ合金部材。 - 【請求項３】 不活性皮膜層（層Ｉ）の厚みが０．１〜
５μｍであることを特徴とする請求項１または２記載の
耐高温酸化性に優れた耐熱性Ｔｉ合金部材。 - 【請求項４】 耐熱性Ｔｉ合金が耐熱Ｔｉ合金またはＴ
ｉＡｌ金属間化合物であることを特徴とする請求項１乃
至３のいずれかに記載の耐高温酸化性に優れた耐熱性Ｔ
ｉ合金部材。 - 【請求項５】 ＡｌまたはＣｒの供給層（層ＩＩ）は、
Ｗ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｖの群からなる少なくとも１種
の高融点金属またはその合金の硬質粒子および／または
炭化物、硼化物、炭硼化物の群からなる少なくとも１種
の硬質粒子を含有する粒子分散合金からなることを特徴
とする請求項１乃至４のいずれかに記載の耐高温酸化性
に優れた耐熱性Ｔｉ合金部材。 - 【請求項６】 耐熱性Ｔｉ合金部材の表面に応力緩和層
（層ＩＩＩ）を介して不活性皮膜層（層Ｉ）が形成され
てなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記
載の耐熱性Ｔｉ合金部材。 - 【請求項７】 応力緩和層（層ＩＩＩ）は、耐熱性Ｔｉ
合金部材と不活性皮膜層（層Ｉ）およびＡｌまたはＣｒ
の供給層（層Ｉ１）の中間の熱膨張係数を有する合金、
軟質系の金属または合金、または耐熱性Ｔｉ合金部材と
不活性皮膜層（層Ｉ）との複合材料からなることを特徴
とする請求項６に記載の耐熱性Ｔｉ合金部材。 - 【請求項８】 耐熱性Ｔｉ合金部材の表面に硼素（Ｂ）
および／または炭素（Ｃ）を含有するＮｉまたはＣｒ皮
膜を形成し、次いで、加熱により耐熱性Ｔｉ合金部材と
硼素（Ｂ）および／または炭素（Ｃ）含有皮膜を反応さ
せることにより不活性皮膜層（層Ｉ）を形成することを
特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の耐高温酸
化性に優れた耐熱性Ｔｉ合金部材の製造方法。 - 【請求項９】 ＡｌまたはＣｒの供給層（層ＩＩ）をＡ
ｌまたはＣｒの蒸発拡散処理により行うことを特徴とす
る請求項８記載の耐高温酸化性に優れた耐熱性Ｔｉ合金
部材の製造方法。 - 【請求項１０】 不活性皮膜層（層Ｉ）を形成するため
の加熱はＡｌまたはＣｒの蒸発拡散処理により行われる
ことを特徴とする請求項９記載の耐高温酸化性に優れた
耐熱性Ｔｉ合金部材の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001040981A JP3860422B2 (ja) | 2001-02-16 | 2001-02-16 | 耐高温酸化性に優れた耐熱性Ｔｉ合金部材とその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001040981A JP3860422B2 (ja) | 2001-02-16 | 2001-02-16 | 耐高温酸化性に優れた耐熱性Ｔｉ合金部材とその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002241965A true JP2002241965A (ja) | 2002-08-28 |
| JP3860422B2 JP3860422B2 (ja) | 2006-12-20 |
Family
ID=18903485
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001040981A Expired - Fee Related JP3860422B2 (ja) | 2001-02-16 | 2001-02-16 | 耐高温酸化性に優れた耐熱性Ｔｉ合金部材とその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3860422B2 (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007527952A (ja) * | 2004-01-29 | 2007-10-04 | ザ・ナノスティール・カンパニー | 耐摩耗性材料 |
| JP2011501793A (ja) * | 2007-10-09 | 2011-01-13 | マン ターボ アーゲー | 高温ガスを供給されるターボ機関の構成要素 |
| CN114790547A (zh) * | 2022-04-28 | 2022-07-26 | 湘潭大学 | 一种钛合金表面生成TiAl3/弥散Al4C3增强Al2O3层的复合涂层及制备方法 |
-
2001
- 2001-02-16 JP JP2001040981A patent/JP3860422B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007527952A (ja) * | 2004-01-29 | 2007-10-04 | ザ・ナノスティール・カンパニー | 耐摩耗性材料 |
| US8795448B2 (en) | 2004-01-29 | 2014-08-05 | The Nanosteel Company, Inc. | Wear resistant materials |
| JP2011501793A (ja) * | 2007-10-09 | 2011-01-13 | マン ターボ アーゲー | 高温ガスを供給されるターボ機関の構成要素 |
| CN114790547A (zh) * | 2022-04-28 | 2022-07-26 | 湘潭大学 | 一种钛合金表面生成TiAl3/弥散Al4C3增强Al2O3层的复合涂层及制备方法 |
| CN114790547B (zh) * | 2022-04-28 | 2023-10-10 | 湘潭大学 | 一种钛合金表面生成TiAl3/弥散Al4C3增强Al2O3层的复合涂层及制备方法 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3860422B2 (ja) | 2006-12-20 |
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