JP2014227601A

JP2014227601A - 常温で延性を有するチタン−アルミニウム系合金インゴット

Info

Publication number: JP2014227601A
Application number: JP2013247496A
Authority: JP
Inventors: ソンウォンキム; Seon Won Kim; スンオンキム; Seung Eon Kim; ヨンサンナ; Young Sang Na; ジョンテクヨム; Jong Taek Yeom
Original assignee: Korea Institute of Machinery and Materials
Current assignee: Korea Institute of Machinery and Materials
Priority date: 2013-05-20
Filing date: 2013-11-29
Publication date: 2014-12-08
Anticipated expiration: 2033-11-29
Also published as: US9790577B2; KR101342169B1; JP5902142B2; US20140341775A1

Abstract

【課題】
本発明による常温で延性を有するチタン−アルミニウム系合金インゴットは、α_２相とγ相が規則的に順次配列されたラメラ構造を有し、α_２相とγ相の厚さ比γ／α_２が２以上であることを特徴とする。
【解決手段】
本発明による常温で延性を有するチタン−アルミニウム系合金インゴットは、α_２相とγ相が規則的に順次配列されたラメラ構造を有し、γ相は１００〜２００ｎｍの厚さを有し、α_２相は１００ｎｍ以下の厚さを有することを特徴とする。
【選択図】図６

Description

本発明は、常温で高い延性を有するチタン−アルミニウム系合金インゴットに関し、特にα_２相とγ相が規則的に順次配列されたラメラ構造を有し、α_２相の幅、γ相の幅、及びα_２／γの比を制御することにより、後続熱処理などを施さない鋳造状態で常温で延性を有するようにした、常温で高い延性を有するチタン−アルミニウム系合金インゴットに関する。

チタン−アルミニウム系合金は、次世代の軽量耐熱材料として注目されている金属間化合物（intermetallic compound）の一種であり、Ｔｉ_３Ａｌを約１０％含む２相（two−phase）合金である。

通常の溶解凝固法で製造すると、ＴｉＡｌ（γ）＋Ｔｉ_３Ａｌ（α_２）の２相からなる層状組織（lamellar structure）のインゴット（ingot）が得られる。

ＴｉＡｌの層状組織は破壊靱性、疲労強度、クリープ強度に優れるので、ＴｉＡｌを軽量高温材料として実用化する上で有用な特性を提供することが知られているが、常温での延性不足が鋳造材として用いる上での最大の障害要因として知られている。

このような延性不足の最も大きな原因は、層状境界面（lamellar boundary）の垂直方向に応力が作用すると境界面に剥離現象（delamination）が発生するからであることが知られている。

よって、結晶粒サイズを小さくして層状組織に比べて相対的に延性に優れたβ相及びγ相を含ませることにより、高温特性だけでなく、強度及び延性を向上させようとする努力がなされている。

β相及びγ相を含む層状組織ＴｉＡｌ合金を製造するための従来技術としては、Ｔｉ−（４１〜４５）Ａｌ−（３〜５）Ｎｂ−（Ｍｏ，Ｖ）−（Ｂ，Ｃ）合金系を用いることが報告されている（非特許文献１及び非特許文献２）。

また、特許文献１ではγ−ＴｉＡｌベースにバナジウム（Ｖ）を添加して延性を改善しようとしており、特許文献２ではボロン（Ｂ）を添加して強度と延性を増加させようとしている。

特許文献３及び特許文献４は、それぞれクロム（Ｃｒ）を添加して延性改善を試みたものと、クロムとニオブを同時に添加して延性と耐酸化性の向上を図ったものである。

しかし、前述した従来技術は、延性を向上させるために熱間鍛造、急冷凝固、熱間押出などの熱間加工処理を施しているので、その結果から単純な鋳造体の特性が向上するか否かを予測することは容易でない。

また、機械的特性についても、高温測定や曲げ試験などを用いているので、常温における引張性質を把握することは容易でない。

米国特許第４２９４６１５号明細書米国特許第４８４２８２０号明細書米国特許第４８４２８１９号明細書米国特許第４８７９０９２号明細書特開平１０−２２０２３６号公報特開平１０−１９３０８７号公報韓国登録特許第１０−１２６１８８５号公報

H. Z. Niu et al, Intermetallics 21 (2012) 97 T. Sawatzky, Y. W. Kim et al., Mat. Sci. Forum 654-656 (2010) 500

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、鋳造状態で常温で延性を有するチタン−アルミニウム系合金インゴットを提供することを目的とする。

また、本発明は、α_２相とγ相が規則的に順次配列されたラメラ構造を有し、α_２相の幅、γ相の幅、及びα_２／γの比を制御することにより、後続熱処理などを施さない鋳造状態で常温で延性を有するようにした、常温で延性を有するチタン−アルミニウム系合金インゴットを提供することを目的とする。

さらに、本発明は、常温特性だけでなく、高温特性をも向上させた、常温で延性を有するチタン−アルミニウム系合金インゴットを提供することを目的とする。

本発明による常温で延性を有するチタン−アルミニウム系合金インゴットは、α_２相とγ相が規則的に順次配列されたラメラ構造を有し、α_２相とγ相の厚さ比γ／α_２が２以上であることを特徴とする。

本発明による常温で延性を有するチタン−アルミニウム系合金インゴットは、α_２相とγ相が規則的に順次配列されたラメラ構造を有し、γ相は１００〜２００ｎｍの厚さを有し、α_２相は１００ｎｍ以下の厚さを有することを特徴とする。

前記チタン−アルミニウム系合金インゴットは、４４〜４６ａｔ％のアルミニウム（Ａｌ）と、６ａｔ％のニオブ（Ｎｂ）と、１．０ａｔ％のクリープ性向上剤と、１．０ａｔ％の耐軟化性向上剤と、残部のチタンとを含むことを特徴とする。

前記クリープ性向上剤は、炭素（Ｃ）及びケイ素（Ｓｉ）であることを特徴とする。

前記耐軟化性向上剤は、タングステン（Ｗ）及びクロム（Ｃｒ）であることを特徴とする。

前記チタン−アルミニウム系合金インゴットは、６４０ＭＰａ以上の引張強度を有することを特徴とする。

本発明は、鋳造状態で常温で延性を有するチタン−アルミニウム系合金インゴットに関し、α_２相とγ相が規則的に順次配列されたラメラ構造を有するように構成される。

また、α_２相の幅、γ相の幅、及びα_２／γの比を制御することにより、後続熱処理などを施さない鋳造状態で常温で延性を有するという利点がある。

さらに、常温特性だけでなく、高温特性も向上するという利点がある。

本発明による常温で延性を有するチタン−アルミニウム系合金インゴットの外観を示す実物写真である。本発明による常温で延性を有するチタン−アルミニウム系合金インゴット及び比較例の組成を示す表である。本発明による常温で延性を有するチタン−アルミニウム系合金インゴット及び比較例２の光学顕微鏡写真である。本発明による常温で延性を有するチタン−アルミニウム系合金インゴット及び比較例２の透過型電子顕微鏡写真の暗視野像（dark field image）である。本発明による常温で延性を有するチタン−アルミニウム系合金インゴット及び比較例２の透過型電子顕微鏡写真の明視野像（bright field image）である。本発明による常温で延性を有するチタン−アルミニウム系合金インゴット及び比較例２の高倍率透過型電子顕微鏡写真の明視野像（bright field image）である。比較例１の光学顕微鏡写真及び透過型電子顕微鏡写真である。比較例１及び比較例２の応力−ひずみ線図である。本発明による常温で延性を有するチタン−アルミニウム系合金インゴットの試料写真及び応力−ひずみ線図である。本発明による常温で延性を有するチタン−アルミニウム系合金インゴットの試料写真及び応力−ひずみ線図である。本発明による常温で延性を有するチタン−アルミニウム系合金インゴットの実施例と比較例の等温酸化試験の結果を示すグラフ及び表である。本発明による常温で延性を有するチタン−アルミニウム系合金インゴットの実施例と比較例の微細組織の主要因子を比較した表である。

以下、図１及び図２を参照して本発明による常温で延性を有するチタン−アルミニウム系合金インゴットについて説明する。

これに先立ち、本明細書及び特許請求の範囲に用いる用語や単語は、通常の辞書的な意味で解釈してはならず、発明者は自らの発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適宜定義できるという原則に基づき、本発明の技術思想に合致する意味や概念で解釈すべきである。

よって、本明細書に示す実施例と図面に示す構成は本発明の好ましい一実施例にすぎず、本発明の技術思想の全てを代弁するものではないので、本出願時点でこれらを代替する様々な均等物や変形例があり得ることを理解すべきである。

図１は本発明による常温で延性を有するチタン−アルミニウム系合金インゴットの外観を示す実物写真であり、図２は本発明による常温で延性を有するチタン−アルミニウム系合金インゴット及び比較例の組成を示す表である。

同図に示すように、本発明による常温で延性を有するチタン−アルミニウム系合金インゴット（以下、チタン−アルミニウム合金１０という）は、図２に実施例１及び実施例２として示す成分をその原子比で含む組成を凝固鋳造法で製造して形成したものであり、熱処理、熱間静水圧、ローリング、鍛造などの後工程を全く施していない状態である。

より具体的に説明すると、チタン−アルミニウム合金１０に熱処理などの後工程を施すと、硬度、耐軟化性、クリープ性などの機械的特性が向上することは自明であるが、本発明の実施例においては、凝固鋳造法で製造された直径６０ｍｍの大きさのボタン（Botton）状の実施例を対象に硬度及び引張試験を行って比較例と比較した。

ここで、比較例１は日本国の大同特殊鋼株式会社により出願された特許文献５と特許文献６に開示されたＴｉＡｌ耐熱合金組成に基づいて製造したものであり、比較例２は特許文献７に開示されたＴｉＡｌ合金組成に基づいて製造したものである。

本発明の実施例は、アルミニウム（Ａｌ）の含有量に多少の差がある実施例１及び実施例２に分類することができる。

すなわち、実施例は、６ａｔ％のニオブ（Ｎｂ）と、１．０ａｔ％の耐軟化性向上剤と、１．０ａｔ％のクリープ性向上剤と、残部のチタン（Ｔｉ）とを含むが、アルミニウム（Ａｌ）の含有量が４４ａｔ％又は４６ａｔ％と多少の差がある。

ここで、前記クリープ性向上剤は炭素（Ｃ）及びケイ素（Ｓｉ）から構成され、前記耐軟化性向上剤はタングステン（Ｗ）及びクロム（Ｃｒ）から構成され、熱処理などの後工程を全く施していない状態で６４０ＭＰａ以上の引張強度を有する。

以下、図３〜図７を参照して本発明の実施例１と比較例１、２の微細組織を比較する。

図３は本発明による常温で延性を有するチタン−アルミニウム系合金インゴット及び比較例２の光学顕微鏡写真であり、図４〜図６は実施例１及び比較例２の透過型電子顕微鏡写真の暗視野像（dark field image）及び明視野像（bright field image）であり、図７は比較例１の光学顕微鏡写真及び透過型電子顕微鏡写真である。

まず、図３に示すように、本願発明の実施例は比較例２より粗大な結晶粒を有することが確認され、比較例１と比較例２は実施例に比べて緻密な結晶粒を有することが確認される。

また、図４〜図６に示すように、実施例１はα_２相とγ相が規則的に順次配列されたラメラ構造を有するのに対して、比較例はラメラ構造の境界が不明確なことが確認される。

また、実施例１においては、ラメラ構造を有すると共に、α_２相とγ相の厚さ比γ／α_２が２以上を示し、α_２相の厚さがγ相の厚さより薄いことが確認される。

すなわち、α_２相は１００ｎｍ以下の厚さを有するのに対して、γ相は１００〜２００ｎｍの厚さを有し、α_２相がγ相より相対的に薄く、α_２相とγ相が交互に層状構造を示すことが確認される。

それに対して、図７に示すように、比較例１は比較例２と同様に２００ｎｍ以上の厚さを有するγ相が存在し、α_２相は１２０ｎｍの厚さを示す。

また、図７の下の写真に示すように、比較例１においては層状組織でないβ結晶粒とγ結晶粒も多数観察された。

図８は比較例１及び比較例２の応力−ひずみ線を示す図であり、３００〜５００ＭＰａの引張強度と０．５％未満のひずみを示す図である。

図９及び図１０を図８と比較して実施例と比較例の特性を対比すると、本発明の実施例１は６４０ＭＰａ以上の最大引張強度を示し、５９０ＭＰａ以上の降伏点と０．３８４％以上の塑性ひずみ（最大引っ張り応力を負荷し、除荷した後に得られる塑性ひずみ）を示す。

よって、本発明の実施例１は、比較例と比較して引張強度の面ではるかに向上したことが確認される。また、本発明の実施例１は、比較例と比較して延性の面でもはるかに向上したことが確認される。

前述した実験結果は、図２に示す組成を含むチタン−アルミニウム合金を凝固鋳造法で製造した実施例１についてのものであり、熱処理、塑性加工などの後工程を全く施していない状態で測定されたものである。

よって、前述した特性は後工程を追加して施すとさらに向上させ得るものと期待されるので、図１１に示すように９００℃で等温酸化試験を行って確認した。

図１１は本発明による常温で延性を有するチタン−アルミニウム系合金インゴットの実施例と比較例の等温酸化試験の結果を示すグラフ及び表である。

図１１に示すように、実施例１及び実施例２は、９００℃で１６８時間の等温酸化試験を行った結果、比較例１及び比較例２に比べて著しく低い酸化量を示した。

よって、実施例は、比較例と比較して高い耐酸化性を有し、高温特性が向上したことが確認される。

前述した実験結果から、実施例は比較例より常温特性だけでなく、高温特性もはるかに高いことが分かり、図１２に示すように、実施例と比較例を対象に微細組織の主要因子について測定して比較した。

図１２に示すように、実施例は、比較例より著しく大きなグレインサイズを示すにもかかわらず前述した特性を示すが、より詳細には、本願発明の実施例の合金はα_２相とγ相の厚さ比γ／α_２が２以上を示すのに対して、比較例は１．７９以下を示し、明確な差がある。

また、本発明の合金は、α_２相とγ相が規則的に順次配列されたラメラ構造を有すると共に、γ相は１００〜２００ｎｍの厚さを有し、α_２相は１００ｎｍ以下の厚さを有する。

それに対して、比較例は、α_２相とγ相が不規則的なだけでなく、γ相は２１５ｎｍ又は７０．６ｎｍの厚さを有し、本願発明の好ましいγ相の厚さである１００〜２００ｎｍの厚さ範囲を外れることが確認される。

また、α_２相とγ相の厚さ比γ／α_２も比較例は１．７９以下を示し、本願発明のα_２相とγ相の厚さ比γ／α_２より小さい数値であるが、前述した特性を発現する条件としては２以上が好ましい。

本発明の範囲は前述した実施例に限定されるものではなく、当該技術分野における通常の技術者であれば本発明に基づいて様々な変形が可能であろう。

１０チタン−アルミニウム合金

Claims

α_２相とγ相が規則的に順次配列されたラメラ構造を有し、α_２相とγ相の厚さ比γ／α_２が２以上であることを特徴とする常温で延性を有するチタン−アルミニウム系合金インゴット。
α_２相とγ相が規則的に順次配列されたラメラ構造を有し、γ相は１００〜２００ｎｍの厚さを有し、α_２相は１００ｎｍ以下の厚さを有することを特徴とする常温で延性を有するチタン−アルミニウム系合金インゴット。
前記チタン−アルミニウム系合金インゴットは、
４４〜４６ａｔ％のアルミニウム（Ａｌ）と、６ａｔ％のニオブ（Ｎｂ）と、１．０ａｔ％のクリープ性向上剤と、１．０ａｔ％の耐軟化性向上剤と、残部のチタンとを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の常温で延性を有するチタン−アルミニウム系合金インゴット。
前記クリープ性向上剤は炭素（Ｃ）及びケイ素（Ｓｉ）であることを特徴とする請求項３に記載の常温で延性を有するチタン−アルミニウム系合金インゴット。
前記耐軟化性向上剤はタングステン（Ｗ）及びクロム（Ｃｒ）であることを特徴とする請求項４に記載の常温で延性を有するチタン−アルミニウム系合金インゴット。
前記チタン−アルミニウム系合金インゴットは、６４０ＭＰａ以上の引張強度を有することを特徴とする請求項５に記載の常温で延性を有するチタン−アルミニウム系合金インゴット。