JP2005097671A - Ｔｉ−Ａｌ系金属間化合物及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 表面酸化を防止し、全体として均一組成を有して高温強度に優れ、金属間化合物の欠点である室温脆性をも改善したＴｉ−Ａｌ系金属間化合物を簡便な方法で提供する。
【解決手段】Ａｌ箔とＴｉ箔を重ねてＴｉ製芯棒に巻き付け、Ａｌ／Ｔｉジェリーロール部を形成し（工程１）、該Ａｌ／Ｔｉジェリーロール部をＣｕパイプに挿入してビレット化し（工程２）、更に、当該ビレット直径１０ｍｍに静水圧押出し加工した後（工程３）、線径１ｍｍまで伸線加工し（工程４）、硝酸により外皮の銅を除去し（工程５）、真空中で７００℃×２０時間拡散熱処理を行った（工程６）。
【選択図】 図１

Description

本発明は、自動車、宇宙、航空分野等において高温雰囲気にさらされるエンジンやタービン等の部品として使用可能な、ＴｉＡｌあるいはＴｉ₃Ａｌ等のＴｉ−Ａｌ系金属間化合物及びその製造方法に関する。

Ｔｉ−Ａｌ系の金属間化合物にはＴｉ₃Ａｌ、ＴｉＡｌ、ＴｉＡｌ₃の３種類が存在し、高温においてＡｌ表面に酸化物が生成し、緻密な保護性被膜の役割を果たすことで、優れた耐酸化性を示すことから耐熱構造材料への応用が期待されている。一部の自動車用ターボチャージャーローターやエンジンバルブなどには実用化されている。加えて、従来から航空機等に使用されているＮｉ基超合金に比べ軽量であることから、次世代航空宇宙材料として注目されている。

しかしながら、Ｔｉ−Ａｌ系の金属間化合物は、加工成型しずらいため、コストが高い。また、通常の合金製造法である溶解・鋳造法により作製したＴｉ−Ａｌ系金属間化合物はＴｉＡｌとＴｉ₃Ａｌの結晶粒が無秩序に並んだ“ラメラ”状の組織となるが、外力に対し、ラメラ組織の結晶の粒界方向が外力の方向と垂直になる部分でクラックが発生しやすく、脆性破壊を起こす。

そこで、結晶組織に配向性を持たせるために、粉末混合体を押出し成型したのち拡散熱処理により押出し方向にＴｉＡｌとＴｉ₃Ａｌからなるラメラ組織を形成させることや、温度勾配下において１方向性凝固プロセスによりラメラ組織を１方向に配向させる方法が提案されている。
特開２０００−１７３６０号公報

しかしながら、ＴｉとＡｌの粉末混合体を押出し成型後に拡散熱処理する方法は、出発原料粉末のＴｉやＡｌ表面が酸化し易く、粉末であるがゆえに表面積が多いので酸化膜の比率が多くなり、配向性ラメラ組織の形成や機械的特性に影響を及ぼす可能性がある。また、十分に混合しても局所的には混合組成からずれた部分が存在する可能性があり、組織全体にわたって均一組成にすることが困難である。

一方、１方向性凝固プロセスは、特殊な高温熱処理炉と厳密な温度管理、および種結晶等が必要で、熱処理後の形状は丸棒やケークのようなインゴット状となり、その後の加工成型が必要となる。

従って、本発明の目的は、表面酸化を防止し、全体として均一組成を有して高温強度に優れ、金属間化合物の欠点である室温脆性をも改善したＴｉ−Ａｌ系金属間化合物を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、簡便な方法で上記Ｔｉ−Ａｌ系金属間化合物を製造できる製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明のＴｉ−Ａｌ系金属間化合物は、ＴｉＡｌ、Ｔｉ₃Ａｌ、及びＴｉＡｌ₃の複合体からなり、複合体全体におけるＴｉとＡｌのモル比（＝Ｔｉ／Ａｌ）が０．６〜３．２であり、伸線方向あるいは圧延方向に配向したラメラ組織を有することを特徴とする。

また、上記Ｔｉ−Ａｌ系金属間化合物は、棒状、線状、板状、シート状、またはテープ状に加工したものとすることができる。

更に、上記Ｔｉ−Ａｌ系金属間化合物をバネ、シャフト、タービン用翼、バルブとして使用することができる。

上記目的を達成するため、本発明のＴｉ−Ａｌ系金属間化合物の製造方法は、金属あるいは合金製の芯棒に、ＴｉあるいはＴｉを主成分とするＴｉ合金シートと、ＡｌシートあるいはＡｌを主成分とするＡｌ合金シートとを重ねて巻回して外形が丸棒状のＴｉ／Ａｌの多層構造体とし、該多層構造体を金属パイプ内に挿入した後、塑性加工により細線化又はシート化し、更に熱処理を施してＴｉ−Ａｌ系の金属間化合物を生成させたことを特徴とする。

また、本発明のＴｉ−Ａｌ系金属間化合物の製造方法は、金属あるいは合金製の箱の中に、ＴｉあるいはＴｉを主成分とするＴｉ合金シートと、ＡｌシートあるいはＡｌを主成分とするＡｌ合金シートとを交互に重ねたシート積層体を充填し、金属あるいは合金製の蓋をして密閉した後、前記箱を圧延加工して板状又はシート状に加工し、更に熱処理を施してＴｉ−Ａｌ系の金属間化合物を生成させたことを特徴とする。

前記ＴｉシートあるいはＴｉ合金シートと、ＡｌあるいはＡｌ合金シートのモル比（＝Ｔｉ／Ａｌ）が０．６〜３．２とすることが好ましい。

前記熱処理前のＴｉあるいはＡｌ層の厚さが５μｍ以下であることが好ましい。

前記熱処理の温度は６００℃以上であることが好ましい。

前記金属パイプ又は前記箱を前記熱処理前に酸又はアルカリ溶液によるエッチングにより除去することができる。

本発明のＴｉ−Ａｌ系金属間化合物は、ＴｉとＡｌのモル比（＝Ｔｉ／Ａｌ）が０．６〜３．２であるので、性質の異なるＴｉＡｌ、Ｔｉ₃Ａｌ、及びＴｉＡｌ₃が好適な比率で複合体化され、かつ伸線方向あるいは圧延方向に配向したラメラ組織を有するので、軽量性、延性、耐酸化性、高温強度等に優れたものとなる。このため、棒状、線状、板状、シート状、またはテープ状に加工することにより、５００〜１０００℃の高温雰囲気中でのバネや、吊り下げ・支持構造材の強度や耐久性を向上させることが出来る。特に軽量のため、自動車、宇宙、航空関係の高温雰囲気環境にさらされるエンジンやタービン等の部品として使用することでその性能を発揮できる。

また、本発明のＴｉ−Ａｌ系金属間化合物の製造方法は、ＴｉシートあるいはＴｉ合金シートと、ＡｌあるいはＡｌ合金シートを用いているので、粉末法による欠点であるＴｉ−Ａｌの酸化物による影響や局所的な組成のずれを防止することができる。また、１方向凝固プロセス等の高温で厳密な温度管理も不要で、１０００℃以下の温度で配向したラメラ組織を形成することが可能となる。

本発明では、ＴｉシートあるいはＴｉ合金シートと、ＡｌあるいはＡｌ合金シートを交互に重ね合わせて丸棒状あるいは板状にした出発材料を、押出し・伸線や圧延等の機械加工により細く・薄くして、各Ｔｉ、Ａｌ層の厚さをμｍオーダー以下にまでしたのち、拡散熱処理することで、伸線あるいは圧延方向に配向したラメラ組織を有するＴｉ‐Ａｌ系金属間化合物を作製するものである。以下、本発明のＴｉ−Ａｌ系金属間化合物を製造する際に、特徴となる部分について更に詳しく説明する。
（ＴｉとＡｌのモル比）
前述のようにＴｉ−Ａｌ系金属間化合物にはＴｉ₃Ａｌ、ＴｉＡｌ、ＴｉＡｌ₃の３種類が存在する。ＴｉＡｌは軽量高温材料として優れているが、高温での塑性加工が困難で、室温付近で非常に脆く、延性に乏しい。また、Ｔｉ₃Ａｌは高温塑性加工が容易であるが、このことは高温での強度が低下することを意味している。ＴｉＡｌ₃は軽量性と耐酸化性に優れているが、延性に乏しい。このため、ＴｉＡｌ、Ｔｉ₃Ａｌ、ＴｉＡｌ₃との複合体とすることで、各々の欠点を補った構造材料とする必要がある。本発明では、シート材のＴｉとＡｌのモル比を０．６〜３．２の範囲内としている。ＴｉとＡｌのモル比が０．６より低くなると主成分はＴｉＡｌ₃がほとんどを占めるため、延性が極端に低下してしまう。一方、ＴｉとＡｌのモル比が３．２より高くなるとＴｉ₃Ａｌと残存のＴｉとなり、高温における機械的特性が極端に低下してしまう。使用される温度にもよるが、軽量性、延性、耐酸化性、高温強度等を複合的に考慮すると、ＴｉとＡｌのモル比は０．６〜３．２となる。
（熱処理前のＴｉ層及びＡｌ層の厚さ）
金属間化合物Ｔｉ−Ａｌ系線材、板材あるいはシートにおいて、最終加工後のＴｉあるいはＡｌ層の厚さが５μｍ以下であることが好ましい。最終加工後の熱処理は拡散熱処理であるため、融点の高いＴｉ層の厚さは５μｍ以下が望ましい。また、配向した結晶組織を得るためにはＴｉ、Ａｌ層両方とも薄いほうが望ましい。層が５μｍより厚くなると拡散熱処理レベルの温度では配向組織が乱れて、機械的特性が低下してしまう。
（熱処理温度）
伸線あるいは圧延加工して細線・薄肉化した後に施す熱処理は、６００℃以上の温度で行うことができる。これは、ＴｉとＡｌ層をサブμｍオーダー以下まで加工することにより、６００℃以上の温度であればＴｉ−Ａｌ系金属間化合物を生成することが可能となるためである。

図１に、本実施例におけるＴｉ−Ａｌ系金属間化合物の線材作製工程図を示す。

まず、厚さ３５μｍ、幅１２５ｍｍのＡｌ箔と、厚さ５０μｍ、幅１２５mmのＴｉ箔を重ねて、直径５ｍｍのＴｉ製芯棒に寿司巻き状に巻き付け、図２に示すように、Ｔｉ芯棒１／Ａｌ箔２／Ｔｉ箔３多層構造からなるＡｌ／Ｔｉジェリーロール部５を形成した（工程１）。

次に、外径が２２．７ｍｍになるまで巻き付けたＡｌ／Ｔｉジェリーロール部５を、図３に示すように、内径２３．０ｍｍ−外径２８．０ｍｍのＣｕパイプ７に挿入し、前端にＣｕプラグ、後端に鉄プラグを取り付けてビレット化した（工程２）。

更に、当該ビレット（外径２８ｍｍ）を３００℃に加熱した状態で直径１０ｍｍに静水圧押出し加工した（工程３）。その後、押出し材を伸線加工して細線化し、線径１ｍｍまで加工した（工程４）のち、硝酸により外皮の銅を除去し（工程５）、最後に真空中で７００℃×２０時間の拡散熱処理を行った（工程６）。

このようにして得られた直径が約０．８ｍｍのＴｉ−Ａｌ系金属間化合物の線材の高温での機械特性を調査するため、大気中、室温から７５０℃までの温度で高温引張試験装置により引張り試験を実施した。図４に引張り強度の温度依存性を示す。

図４の結果より、本実施例のＴｉ−Ａｌ系金属間化合物線材では、７５０℃の温度においても室温の８１％に相当する引張強度を保持しており、約７００℃以上ではＳＵＳ３０４を上回る強度であった。しかも、室温における延び特性においても約８％の延びを示し、金属間化合物の欠点である室温脆性を解決することができた。

図５に、本実施例におけるＴｉ−Ａｌ系金属間化合物の板材作製工程図を示す。

まず、厚さ３５μｍ、幅１２５ｍｍ、長さ３００ｍｍのＡｌ箔と、厚さ５０μｍ、幅１２５ｍｍ、長さ３００mmのＴｉ箔を交互に３４０枚重ね、図６に示すようにシート積層体１３とし、該シート積層体１３を、肉厚が５ｍｍで内側のサイズが幅１２５．５ｍｍ、長さ３０１ｍｍ、深さ３０ｍｍのＣｕ製の箱１１へセットした（工程１）。

次に、上から錘を乗せてシート積層体１３を圧縮した後、厚さ５ｍｍのＣｕ製蓋１５をして真空中で電子ビーム溶接して密閉状態とした（工程２）。

更に、この複合材を３００℃に加熱した状態で幅拘束圧延加工を繰り返して厚さ２ｍｍの板とした（工程３）のち、硝酸で外皮のＣｕを除去し（工程４）、真空中８００℃×２０ｈの拡散熱処理を行った（工程５）。

このようにして得られたＴｉ−Ａｌ系金属間化合物板材においても、実施例１と同様に、高温での引張強度及び室温での延性が良好であった。

実施例１におけるＴｉ−Ａｌ系金属間化合物線材の作製工程図である。 実施例１において製造途中で得られるジェリーロール部を示す斜視図である。 実施例１において製造途中で得られる押出し用ビレットを示す斜視図である。 実施例１のＴｉ−Ａｌ系金属間化合物線材の引張り強度の温度依存性を示すグラフである。 実施例２におけるＴｉ−Ａｌ系金属間化合物板材の作製工程図である。 実施例２の製造工程を説明する斜視図である。

符号の説明

１ Ｔｉ芯棒
２ Ａｌ箔
３ Ｔｉ箔
５ Ａｌ／Ｔｉジェリーロール部
７ Ｃｕパイプ
１１ Ｃｕ製箱
１３ シート積層体
１５ Ｃｕ製蓋

Claims (9)

1. ＴｉＡｌ、Ｔｉ₃Ａｌ、及びＴｉＡｌ₃の複合体からなり、複合体全体におけるＴｉとＡｌのモル比（＝Ｔｉ／Ａｌ）が０．６〜３．２であり、伸線方向あるいは圧延方向に配向したラメラ組織を有することを特徴とするＴｉ−Ａｌ系金属間化合物。
2. 棒状、線状、板状、シート状、またはテープ状に加工されたことを特徴とする請求項１記載のＴｉ−Ａｌ系金属間化合物。
3. バネ、シャフト、タービン用翼、バルブとして使用されることを特徴とする請求項１又は２記載のＴｉ−Ａｌ系金属間化合物。
4. 金属あるいは合金製の芯棒に、ＴｉあるいはＴｉを主成分とするＴｉ合金シートと、ＡｌシートあるいはＡｌを主成分とするＡｌ合金シートとを重ねて巻回して外形が丸棒状のＴｉ／Ａｌの多層構造体とし、該多層構造体を金属パイプ内に挿入した後、塑性加工により細線化又はシート化し、更に熱処理を施してＴｉ−Ａｌ系の金属間化合物を生成させたことを特徴とするＴｉ−Ａｌ系金属間化合物の製造方法。
5. 金属あるいは合金製の箱の中に、ＴｉあるいはＴｉを主成分とするＴｉ合金シートと、ＡｌシートあるいはＡｌを主成分とするＡｌ合金シートとを交互に重ねたシート積層体を充填し、金属あるいは合金製の蓋をして密閉した後、前記箱を圧延加工して板状又はシート状に加工し、更に熱処理を施してＴｉ−Ａｌ系の金属間化合物を生成させたことを特徴とするＴｉ−Ａｌ系金属間化合物の製造方法。
6. 前記ＴｉシートあるいはＴｉ合金シートと、ＡｌあるいはＡｌ合金シートのモル比（＝Ｔｉ／Ａｌ）が０．６〜３．２であることを特徴とする請求項４又は請求項５記載のＴｉ−Ａｌ系金属間化合物の製造方法。
7. 前記熱処理前のＴｉあるいはＡｌ層の厚さが５μｍ以下であることを特徴とする請求項４乃至請求項６のいずれか１項記載のＴｉ−Ａｌ系金属間化合物の製造方法。
8. 前記熱処理の温度は６００℃以上であることを特徴とする請求項４乃至請求項７のいずれか１項記載のＴｉ−Ａｌ系金属間化合物の製造方法。
9. 前記金属パイプ又は前記箱を前記熱処理前に酸又はアルカリ溶液によるエッチングにより除去したことを特徴とする請求項４乃至請求項８のいずれか１項記載のＴｉ−Ａｌ系金属間化合物の製造方法。
   
   

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