JP2019002050A - 高温形状記憶合金およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
(1)45〜55原子%のPd、および残部がTiと不可避不純物からなるTiPd系高温形状記憶合金であって、前記Tiの一部がZrとVで、全体組成に対して0.1〜15原子%の範囲で置換されているTiPd系高温形状記憶合金。
(2)45〜55原子%のPd、および残部がTiと不可避不純物からなるTiPd系高温形状記憶合金であって、前記Tiの一部がZrで、全体組成に対して8〜15原子%の範囲で置換されているTiPd系高温形状記憶合金。
(3)(1)又は(2)に記載のTiPd系高温形状記憶合金において、50MPa以上かつ800MPa以下の応力下で3回以上加圧・熱サイクル試験(トレーニング)を行うことにより永久歪みが0%であるTiPd系高温形状記憶合金。
(4)(1)乃至(3)のいずれか一項に記載のTiPd系高温形状記憶合金において、マルテンサイト変態温度が300℃〜600℃であるTiPd系高温形状記憶合金。
(5)(1)乃至(4)のいずれか一項に記載のTiPd系高温形状記憶合金において、永久歪みが0%であるTiPd系高温形状記憶合金。
(6)(1)乃至(5)のいずれか一項に記載のTiPd系高温形状記憶合金を用いて作製されたTiPd系高温形状記憶合金アクチュエイター。
(7)(6)のTiPd系高温形状記憶合金アクチュエイターを用いたジェットエンジン、自動車用エンジン、船舶用エンジン、又は飛翔体用エンジン。
(8)上記いずれかのTiPd系高温形状記憶合金の製造方法であって、溶製した前記形状記憶合金の原料を、マルテンサイト変態温度以上のB2型立方晶領域の温度から前記形状記憶合金の液相を生じる温度より100℃を下回る温度までの範囲内で、40%以上の圧縮変形をさせ、空冷したTiPd系高温形状記憶合金の製造方法。
本発明のTiPd系高温形状記憶合金は、TiPd化合物を基本的な構成としている。Ti、Pdの二元系状態図によると、Pdの割合が45〜55原子%の組成範囲でTiPd化合物が安定に存在することが確認でき、Pdの好ましい組成範囲は45〜55原子%であることがわかる。以上のことを前提として、以下に本発明のTiPd系高温形状記憶合金の実施形態についてさらに詳細に説明する。
Zrは、TiPd化合物の高温強度を向上させるのに有効な元素である。また、Zrは、Tiと似た性質を持つ、周期律表の4族の元素であり、Tiの一部を置換しても、結晶中に大きな欠陥は生成しない。
Vは、TiPd化合物の高温強度を向上させるのに有効な元素である。また、Vは、Tiと似た性質を持つ、周期律表の6族の元素であり、Tiの一部を置換しても、結晶中に大きな欠陥は生成しない。
本発明のTiPd系高温形状記憶合金は、マルテンサイト変態終了温度が300℃〜600℃であることが好ましい。また、本発明のTiPd系高温形状記憶合金は、300℃〜600℃でのマルテンサイト変態温度近傍で変形、形状回復を繰り返した場合であっても、永久歪みが0%であるの繰り返し特性を有することが好ましい。
本発明のTiPd系高温形状記憶合金は、製造時に40%以上の圧縮変形を施すことにより、転位が導入され、これが安定的に配置することにより形状回復の安定性を保つ。本発明のTiPd系高温形状記憶合金に対する製造時の圧縮変形範囲は、さらに好ましくは、20〜90%であり、好ましくは40〜80%である。
以下に、本発明の高温形状記憶合金の製造工程の一実施形態について説明する
Ti-50Pd-7Zr、Ti-50Pd-10Zr、Ti-50Pd-4Zr-1V、Ti-50Pd-2.5Zr-2.5V、Ti-50Pd-1Zr-4V合金(原子%)の各合金組成の高純度元素を真空状態でアーク溶解法により溶解し、ボタン状の合金20gを溶製した。
次に、この溶製した合金を1000℃の試験機に設置し、20分均質化処理後、厚さ方向に40%の圧縮を施し、その後、空冷した。
<マルテンサイト変態温度の測定>
各合金試料の試験片を、大気中で、1分間に10℃の昇温降温速度の条件でDSC(示差走査型熱分析装置)により示差熱分析を行い、マルテンサイト変態温度を測定した。
各合金試料の試験片について、一定の応力下でマルテンサイト相が安定な温度からオーステナイト相に変態が終了する温度以上の温度に上昇させた後、マルテンサイト相が安定な温度に降温させた(永久歪み測定試験)結果から温度−歪み曲線を作成し、試験前後の歪みの差(%)を測定した。なお、加圧・熱サイクルの結果からも同様の温度−歪み曲線を作成することができる。
各合金試料の試験片について、上記の永久歪み測定試験の結果から温度−歪み曲線を作成し、昇温時のマルテンサイト変態開始温度における歪みと、昇温時のマルテンサイト変態終了温度における歪みとの差を算出し、変態歪み(%)を測定した。この変態歪み(%)に対して、負荷した応力(MPa)を乗算することにより、単位面積当たりの仕事量(J/cm3)を算出した。
図1に本発明の比較例を示すTi-50Pd-7Zr合金に対する温度−歪み曲線で、(A)は所定の応力下で永久歪み測定試験を行った結果の温度−歪み曲線、(B)は加圧・熱サイクル試験を複数回施した後、完全に回復する最大応力も示している。永久歪み測定試験は、所定の応力として15、50、100、150および200MPaの応力下で行われた。Ti-50Pd-7Zrでは、50MPaまでは永久ひずみが0であり、完全に回復した。加圧・熱サイクル試験を複数回施した場合でも、50MPaまでは永久ひずみが0であり、永久歪み測定試験に差異は生じなかった。
図2に、本発明の一実施例を示すTi-50Pd-10Zr合金に対する温度−歪み曲線で、(A)は所定の応力下で永久歪み測定試験を行った結果、(B)は加圧・熱サイクル試験を複数回施した後、完全に回復する最大応力も示している。永久歪み測定試験は、所定の応力として15、50、100、150および200MPaの応力下で行われた点は、上記の比較例2や他の実施例2−5でも同様である。Ti-50Pd-10Zrでは、100MPaまでは永久ひずみが0であり、完全に回復した。加圧・熱サイクル試験を複数回施した後、完全に回復する最大応力については、Ti-50Pd-10Zrの完全回復する最大応力は、200MPaであった。加圧・熱サイクル試験のない場合と比較すると、Ti-50Pd-10Zr合金では、加圧・熱サイクル試験により完全回復する応力が向上した。なお、各実施例1−5において、合金の歪みが完全に回復するための、加圧・熱サイクル試験数は、形状記憶合金を機能させる荷重を負荷し、30回程度必要である。
図3に、本発明の一実施例を示すTi-50Pd-4Zr-1V合金に対する温度−歪み曲線で、(A)は所定の応力下で永久歪み測定試験を行った結果、(B)は加圧・熱サイクル試験を複数回施した後、完全に回復する最大応力とその時の温度−歪み曲線を示している。Ti-50Pd-4Zr-1Vでは15MPaまで完全に回復したが、15MPa以上では、永久ひずみが導入された。加圧・熱サイクル試験を複数回施した後、完全に回復する最大応力については、Ti-50Pd-4Zr-1Vの完全回復する最大応力は、50MPaであった。加圧・熱サイクル試験のない場合と比較すると、Ti-50Pd-4Zr-1V合金では、加圧・熱サイクル試験により完全回復する応力が向上した。
図4に、本発明の一実施例を示すTi-50Pd-2.5Zr-2.5V合金に対する温度−歪み曲線で、(A)は所定の応力下で永久歪み測定試験を行った結果、(B)は加圧・熱サイクル試験を複数回施した後、完全に回復する最大応力も示している。Ti-50Pd-2.5Zr-2.5Vでは50MPaまで完全に回復したが、50MPa以上では、永久ひずみが導入された。加圧・熱サイクル試験を複数回施した後、完全に回復する最大応力については、65MPaであった。加圧・熱サイクル試験のない場合と比較すると、Ti-50Pd-2.5Zr-2.5V合金では、加圧・熱サイクル試験により完全回復する応力が向上した。
図5に、本発明の一実施例を示すTi-50Pd-1Zr-4V合金(原子%)合金に対する温度−歪み曲線で、(A)は所定の応力下で永久歪み測定試験を行った結果、(B)は加圧・熱サイクル試験を複数回施した後、完全に回復する最大応力も示している。Ti-50Pd-1Zr-4Vでは100MPaまで、完全に回復したが、100MPa以上では、永久ひずみが導入された。加圧・熱サイクル試験を複数回施した後、完全に回復する最大応力については、150MPaであった。加圧・熱サイクル試験のない場合と比較すると、Ti-50Pd-1Zr-4V合金では、加圧・熱サイクル試験により完全回復する応力が向上した。
Claims (8)
- 45〜55原子%のPd、および残部がTiと不可避不純物からなるTiPd系高温形状記憶合金であって、前記Tiの一部がZrとVで、全体組成に対して0.1〜15原子%の範囲で置換されているTiPd系高温形状記憶合金。
- 45〜55原子%のPd、および残部がTiと不可避不純物からなるTiPd系高温形状記憶合金であって、前記Tiの一部がZrで、全体組成に対して6〜15原子%の範囲で置換されているTiPd系高温形状記憶合金。
- 上記TiPd系高温形状記憶合金において、50MPa以上かつ800MPa以下の応力下で3回以上加圧・熱サイクル試験(トレーニング)を行うことにより永久歪みが0%である請求項1又は2に記載のTiPd系高温形状記憶合金。
- 請求項1乃至3のいずれか1項に記載のTiPd系高温形状記憶合金において、マルテンサイト変態温度が300℃〜600℃であるTiPd系高温形状記憶合金。
- 請求項1乃至4のいずれか1項に記載のTiPd系高温形状記憶合金において、永久歪みが0%であるTiPd系高温形状記憶合金。
- 請求項1乃至5のいずれか1項に記載のTiPd系高温形状記憶合金を用いて作製されたTiPd系高温形状記憶合金アクチュエイター。
- 請求項6に記載のTiPd系高温形状記憶合金アクチュエイターを用いたジェットエンジン、自動車用エンジン、船舶用エンジン、又は飛翔体用エンジン。
- 請求項1乃至5のいずれか1項に記載のTiPd系高温形状記憶合金の製造方法であって、溶製した前記形状記憶合金の原料を、マルテンサイト変態温度以上のB2型立方晶領域の温度から前記形状記憶合金の液相を生じる温度より100℃を下回る温度までの範囲内で、40%以上の圧縮変形をさせ、空冷したTiPd系高温形状記憶合金の製造方法。
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佐藤 広崇、外3名: "「TiPd‐(Zr,V)の温度サイクル試験による組織変化と形状記憶特性」", 日本金属学会講演概要集(CD−ROM), vol. 2017年(第160回)春期講演大会, JPN6020041891, 1 March 2017 (2017-03-01), pages 84, ISSN: 0004454482 * |
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