JP2543982B2

JP2543982B2 - マンガンとニオブで改良されたチタン―アルミニウム合金

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Application number: JP1139412A
Authority: JP
Inventors: シーチン・ファン
Original assignee: General Electric Co
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Priority date: 1988-10-03
Filing date: 1989-06-02
Publication date: 1996-10-16
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Description

【発明の詳細な説明】発明の背景本発明は、一般にチタンとアルミニウムの合金に係
り、さらに特定的には、化学量論比に関して、かつマン
ガンとニオブの添加について改良されているチタン−ア
ルミニウム合金に係る。

アルミニウムをチタン金属に添加する際に添加量を次
第に多くしていくと得られるチタン−アルミニウム組成
物の結晶形態が変わることが知られている。少量のアル
ミニウムはチタンと固溶体を形成し、その結晶形態はα
チタンの構造のままである。アルミニウムの量が多くな
る（たとえば約25〜35原子％）と金属間化合物Ti₃Alが
形成される。このTi₃Alは、α−２といわれる秩序をも
った六方晶形を有している。さらにアルミニウム濃度が
高くなる（たとえば50〜60原子％範囲のアルミニウム）
と、γと呼ばれる秩序をもった正方晶形を有する別の金
属間化合物TiAlが形成される。

γ結晶形を有し化学量論比がおよそ１であるチタンと
アルミニウムの合金は、高モジュラス、低密度、高い熱
伝導率、良好な耐酸化性および良好な耐クリープ性を有
する金属間化合物である。TiAl化合物、その他のチタン
合金およびニッケル基超合金に対するモジュラスと温度
の関係を第１図に示す。図から明らかなように、TiAlは
あらゆるチタン合金のうちでモジュラスが最良である。
TiAlのモジュラスは任意の温度で他のチタン合金より高
いばかりでなく、温度の上昇によるそのモジュラスの減
少速度も他のチタン合金よりTiAlの方が低い。さらにま
た、TiAlは他のチタン合金が使えなくなる温度より高い
温度でも有用なモジュラスを保持する。TiAl金属間化合
物を基にする合金は、高温で高モジュラスが必要とさ
れ、しかも周囲環境からの保護が良好であることも要求
される用途で魅力のある軽量材料である。

そのような用途にTiAlを実際に応用するのを制限する
特性のひとつは、室温で起こることが分かっている脆性
である。また、TiAl金属間化合物を構造要素用途に利用
することができるようにするためにはこの金属間化合物
の室温での強度を改良する必要がある。このTiAl金属間
化合物の室温での延性および／または強度を改良して高
めることは、このような組成物が適している高めの温度
でそれらの使用を可能にするために極めて望ましいこと
である。

軽量かつ高温での使用により考えられる利益に伴っ
て、使用されることになるTiAl組成物に最も望まれるも
のは、室温での強度および／または延性の組合せであ
る。金属組成物の用途には最低で１％程度の延性で許容
できるものもあるが、それより高い延性がある方がずっ
と望ましい。ある組成物が有用であるための最低の強度
は約50kpsiすなわち約350MPaである。しかし、この程度
の強度をもつ材料は有用性に限界があり、ある種の応用
にはもっと高い強度が好ましいことが多い。

TiAl化合物の化学量論比は、結晶構造を変化させるこ
となくある範囲に亘って変えることができる。アルミニ
ウム含量は約50〜約60原子％で変えることができる。Ti
Al組成物の性質は、チタン成分とアルミニウム成分の化
学量論比が１％またはそれ以上の程度に比較的小さく変
化しただけでも非常に大きく変わり易い。また、それら
の性質は、同程度に少量の第三元素を添加しても同様な
影響を受ける。

この度、本発明者は、γ‐TiAl金属間化合物にある組
合せの添加元素を配合してこの組成物が第三添加元素ば
かりでなく第四の添加元素も含有するようにすることに
よって、この金属間化合物をさらに改良することができ
るということを発見した。

さらに、本発明者は、この第四添加元素を含む組成物
が、望ましい高延性と価値のある耐酸化性とを含めて極
めて望ましい性質を組合せてもつことを発見した。

従来技術上記のTi₃Al金属間化合物、TiAl金属間化合物およびT
i₃Al金属間化合物を始めとするチタン−アルミニウム組
成物に関しては膨大な数の文献がある。「TiAl型のチタ
ン合金（Titanium Alloys of the TiAl Type）」と題す
る米国特許第4,294,615号（Ａ特許）は、TiAl金属間化
合物を始めとするアルミニウム化チタンタイプ合金につ
いて詳細に論じている。Ａはこの特許の第１欄の第50行
目以降で、Ti₃Alと比較してTiAlの利点と欠点を論じて
おり、次のように指摘している。

『TiAl γ合金系が、それがアルミニウムを多く含んで
いればそれだけ軽くなる可能性を有することは明らかで
あった。1950年代の実験室における研究は、アルミニウ
ム化チタン合金がおよそ1000℃までの高温で使用できる
可能性をもっていることを示唆していた。しかし、この
ような合金を用いたその後の工学的経験によると、これ
らの合金は要求される高温強度をもってはいたが、室温
や中程度の温度すなわち20〜550℃でほとんどあるいは
まったく延性を示さなかった。脆過ぎる材料は容易に製
造することができず、また時々しかないが避けられない
ちょっとした使用上のダメージに対して、亀裂を起こし
てその後破壊することなく耐えることができない。その
ような材料は、他の金属を基とする合金を代替するのに
有用な工学材料ではない。』基本的にTiAlもTi₃Alも、秩序をもって配列したチタ
ン−アルミニウム金属間化合物ではあるが、TiAl合金系
がTi₃Al（およびTiの固溶体合金）とは実質的に異なっ
ていることは公知である。これは、上記の米国特許第4,
294,615号の第１欄の底部にも指摘されている。

『これら２種の秩序をもった相間には実質的な違いがあ
ることが熟練者間では認識されている。Ti₃Alとチタン
は、六方晶構造が非常に良く似ているため、その合金化
および変態の挙動が似通っている。しかし、TiAl化合物
は原子が正方晶形に配列されており、したがって合金化
の特性がかなり違っている。このような違いは以前の文
献では認識されていないことが多い。』前記米国特許第4,294,615号は、TiAlをバナジウムお
よび炭素と共に合金化して、得られる合金の性質のいく
つかを改良することについて記載している。

米国特許第4,294,615号は、ニオブを含有するTi-45Al
-5.0Nbという組成の組成物を開示している。

チタン−アルミニウム化合物およびこれらの化合物の
特性に関する技術文献のいくつかは次のものである。

1.バンプ（E.S.Bumps）、ケスラー（H.D.Kessler）およ
びハンセン（M.Hansen）著「チタン−アルミニウム系
（Titanium-Aluminum System）」、金属雑誌（Journal
of Metals）、AIME会報（TRANSACTIONS AIME）、第194
巻（1952年６月）第609〜614頁。

2.オグデン（H.R.Ogden）、メイカス（D.J.Maykuth）、
フィンレイ（W.L.Finlay）およびジァフィー（R.I.Jaff
ee）著「高純度Ti-Al合金の機械的性質（Mechanical Pr
operties of High Purity Ti-Al Alloys）」、金属雑誌
（Journal of Metals）、AIME会報（TRANSACTIONS AIM
E）、第197巻（1953年２月）第267〜272頁。

さらに別のふたつの論文には、ニオブで改良されたTi
Al基合金の機械的挙動に関する情報が含まれている。こ
れらの論文は以下の通り。

3.マックアンドリュー（Joseph B.McAndrew）およびケ
スラー（H.D.Kessler）著「高温合金用のベースとして
のTi-36％Al（Ti-36 Pct Al as a Base F or High Temp
erature Alloys）」、金属雑誌（Journal of Metal
s）、AIME会報（TRANSACTIONS AIME）、（1956年10月）
第1348〜1353頁。

4.サストリー（S.M.L.Sastry）およびリプシット（H.A.
Lipsitt）著「TiAlとTi₃Alの塑性変形（Plastic Deform
ation of TiAl andTi₃Al）」、チタン80（Titanium80）
［米国ペンシルベニア州、ワレンデール（Warrendale）
のアメリカ金属学会（American Society for Metals）
発行］、第２巻（1980年）第1231頁。

上の論文３には、「Ti-35％Al-5％Nbの試料は室温で
の極限引張強さが62,360psiであり、Ti-35％Al-7％Nbの
試料は75,800psiで糸にはできなかった。」と述べられ
ている。ここで述べられている２種の合金の概略の組成
は原子％で表わすとそれぞれTi₄₈Al₅₀Nb₂とTi₄₇Al₅₀Nb₃
である。

上の論文４ではTiAlへのニオブ添加の影響に関してあ
る結論が出されているが、その結論を支持する特別なデ
ータは示されていない。その結論とは、「ニオブをTiAl
に添加したときの主たる影響は、双晶形成が変態の重要
なモードになる温度の低下、したがってTiAlの延性−脆
性転移温度の低下である」。特性やその他の実際のデー
タを示すことなく挙げられている唯一のニオブ含有チタ
ン−アルミニウム合金はTi-36Al-4Nbである。これは原
子％で表わすとTi_47.5Al₅₁Nb_1.5に相当し、この組成は
以下でさらに明らかになるように本出願人が教示しかつ
特許請求する組成とは全然異なるものである。

米国特許第4,661,316号には、マンガンを含有するア
ルミニウム化チタン組成物ならびにマンガンとたとえば
ニオブなどの他の成分とを含有するアルミニウム化チタ
ン組成物が開示されている。

さらに、アルミニウム化チタンに関する別の論文がふ
たつある。

5.冶金学会報Ａ（Metallurgical Transactions A）刊行
のマーチン（Patrick L.Martin）、メンディラッタ（Na
dow G.Mendiratta）およびリプシット（Harry A.Lipsit
t）著、「TiAl合金およびTiAl＋Ｗ合金のクリープ変形
（Creep Deformation of TiAl and TiAl＋W Alloys）」
第14A巻（1983年10月）第2170〜2174頁。

6.マーチン（P.L.Martin）、リプシット（H.A.Lipsit
t）、ヌーファ（N.T.Nuhfer）およびウィリアムス（J.
C.Williams）著、「Ti₃AlおよびTiAlのミクロ組織およ
び特性に及ぼす合金化の効果（The Effects of Alloyin
g on the Microstructure and Properties of Ti₃Aland
TiAl）」、チタン80（Titanium80）、［米国ペンシル
ベニア州、ワレンデール（Warrendale）のアメリカ金属
学会（American Society for Metals）発行］、第２
巻、第1245〜1254頁。

発明の簡単な説明本発明のひとつの目的は、室温での延性とそれに関連
する性質が改良されたチタン−アルミニウム金属間化合
物の製造方法を提供することである。別の目的は、低温
と中間の温度でのチタン−アルミニウム金属間化合物の
性質を改良することである。

さらに別の目的は、低温と中間の温度で改良された性
質と加工性を有するチタンとアルミニウムの合金を提供
することである。

別の目的は、TiAlを基とする組成物の延性と耐酸化性
の組合せを改良することである。

さらに別の目的は、TiAl組成物の耐酸化性を改良する
ことである。

また、さらに別の目的は、強度、延性および耐酸化性
の一組の性質を改良することである。

その他の目的は、一部は以下の記載から明らかであ
り、一部は以下で指摘する。

本発明の広範な局面のひとつにおいて、本発明の目的
は、化学量論を外れるTiAl基合金を調製し、この化学量
論を外れる組成物に比較的低濃度のマンガンと低濃度の
ニオブを添加することによって達成される。添加後、こ
のマンガンとニオブを含有し化学量論を外れるTiAl金属
間化合物を急速に凝固させることができる。約１〜３原
子％程度のマンガンと１〜５原子％の程度のニオブとを
添加することが考えられる。

この急速凝固した組成物は静水圧プレスおよび押出に
よって圧密化することができ、本発明の固体組成物が形
成される。

本発明の場合は、Ti_52-42Al_46-50Nb_1-5Mn_1-3の原子比
を有するチタン、アルミニウム、ニオブおよびマンガン
から成る、ニオブとマンガンで改良されたチタン−アル
ミニウム合金製品であって、上記合金の融解物が、急速
に凝固され、かつ圧密化および焼なましされて、延性が
少なくとも２％である。

発明の詳細な説明参考例１〜３ TiAlの化学量論比に近いいろいろな化学量論比でチタ
ンとアルミニウムを含有する３種の別々の融解物（メル
ト）を調製した。これらの組成、焼きなまし（アニーリ
ング）温度、およびこれらの組成物に対して実施した試
験の結果を表Ｉに挙げる。

それぞれの参考例および実施例で、合金は最初アーク
融解によってインゴットに製造し、このインゴットをア
ルゴン分圧中でメルトスピニングによりリボンに加工し
た。融解の両方の段階で、望ましくない融解物と容器の
反応を避けるために、水冷した銅炉床を融解物の容器と
して使用した。また、チタンは酸素に対する親和力が強
いため、熱融解物が酸素にさらされないように注意し
た。

この急速凝固したリボンを排気した鋼製の缶に詰めた
後密封した。次のこの缶を圧力207MPa（30kpsi）、950
℃（1740°Ｆ）で３時間熱間静水圧プレス（HIP）にか
けた。このHIPにかけた缶を機械加工して圧密化された
リボンプラグを得た。こうしてHIPにかけたサンプル
は、直径が約１インチで長さが7.6cm（３インチ）のプ
ラグであった。

このプラグをビレットの中央の口から軸方向に入れて
封入した。このビレットを975℃（1787°Ｆ）に加熱
し、圧延比が約7:1のダイを通して押出した。押出した
プラグをビレットから取出し熱処理した。

押出したサンプルを、次に、表Ｉに示した温度で２時
間焼きなました。この焼きなましの後1000℃で２時間時
効化した。機械加工して、室温での４点曲げ試験用に1.
5×３×25.4mm（0.060×0.120×1.0インチ）の寸法の試
料とした。曲げ試験は、内側スパンが10mm（0.4イン
チ）で外側スパンが20mm（0.8インチ）の４点曲げ試験
機で実施した。負荷−クロスヘッド変位曲線を記録し
た。得られた曲線に基づいて次の特性が定義される。

1.降伏強さ（耐力）は、クロスヘッド変位が25.4μｍ
（1/1000インチ）での流れ応力である。このクロスヘッ
ド変位量は、塑性変形の最初の証拠であって弾性変形か
ら塑性変形への遷移と考えられる。通常の圧縮法または
引張法による降伏強さおよび／または破壊強度の測定で
は、本明細書中で述べる測定で実施した４点曲げ試験で
得られる結果より低い結果が得られる傾向がある。この
４点曲げ試験測定の結果が通常の圧縮または引張法の結
果より高いということはこれらの値を比較する際に充分
留意しなければならないことである。しかし、本明細書
中の実施例で行なう測定結果の比較は測定したすべての
サンプルについて４点曲げ試験の結果を用いたので、組
成または組成物の加工上の違いによって起こる強度特性
の相違を確かめるのに充分有効である。

2.破壊強度は破壊時の応力である。

3.外側繊維歪みは、試料片の厚み（インチ）をｈとし、
破壊時のクロスヘッド変位（インチ）をｄとした場合の
9.71hdの値である。冶金学では、この計算値は破壊時に
曲げ試験片の外側の表面が受ける塑性変形の量を表わ
す。

結果を次の表Ｉに揚げた。表Ｉは1300℃で焼きなまし
たサンプルの性質に関するデータを示し、さらにこれら
のサンプルのデータの一例を第２図に示した。

この表のデータから、参考例２の合金12は最良の組合
せの性質を示したことが明らかである。これによって、
TiAl組成物の性質がTi/Al原子比および使用する熱処理
に対して非常に感受性が高いことが確認される。合金12
を、以下に記載するように実施した別の実験に基づいて
さらに性質を改良するためにベースの合金として選択し
た。

また、1250℃から1350℃の間の温度で焼きなましをす
ると、望ましい程度の降伏強さ、破壊強度および外側繊
維歪みを有する試験片が得られることも明らかである。
しかしながら、1400℃で焼きなましをすると、1350℃で
焼きなました試験片と比べてかなり低い降伏強さ（約20
％低い）、低い破壊強度（約30％低い）および低い延性
（約78％低い）を有する試験片が得られる。特性の急激
な変化はミクロ組織の劇的な変化が原因であり、このミ
クロ組織の変化の原因は1350℃よりかなり高い温度で広
範囲のβ変態が起こるためである。

参考例４〜13 さらに、チタンとアルミニウムを表示した原子比で含
有すると共に比較的小さい原子％で添加物を含む別の融
解物を調製した。

各サンプルは参考例１〜３に関して上に記載したよう
にして調製した。

組成、焼きなまし温度および組成物に対して行なった
試験の結果を、比較用のベース金属である合金12と比較
して表IIに示した。

1200℃で熱処理した参考列４と５では、降伏強さは測
定できず、延性はほとんどゼロであることが分かった。
1300℃で焼きなました実施例５の試験片では、延性は増
大したがやはり望ましくない位に低かった。

参考例６でも、1250℃で焼きなました試験片では上と
同じであった。1300℃と1350℃で焼きなました参考例６
の試験片では延性は充分だが降伏強さが低かった。

その他の参考例の試験片ではいずれも意味のある程度
の延性はみられなかった。

表IIに挙げた結果から明らかなように、試験用の組成
物を製造するのに用いたパラメーターの組合せは極めて
複雑で相互に関連をもっている。ひとつのパラメーター
はチタンとアルミニウムの原子比である。第２図にプロ
ットしたデータから、化学量論比または非化学量論比が
いろいろな組成で形成された組成物の試験結果に強い影
響を及ぼすことが明らかである。

もう一組のパラメーターはベースのTiAl組成物に混入
するのに選択した添加元素である。この組の第一のパラ
メーターは、ある種の添加元素がチタンまたはアルミニ
ウムを置換できるかどうかということである。ある特定
の金属はどちらの機能も果たし得、ある添加元素がいか
なる役割を果たすかどうかを決定できる簡単な規則はな
い。このパラメーターの意義は、添加元素Ｘをある原子
％で添加してみると明らかである。

もしＸがチタンの置換物として働くのであれば、組成
物Ti₄₈Al₄₈X₄は有効アルミニウム濃度が48原子％で有効
チタン濃度が52原子％となる。

反対に、添加元素Ｘがアルミニウムを置換するのであ
れば、得られる組成物は有効アルミニウム濃度が52％で
有効チタン濃度が48原子％となる。

したがって、この置換物の性質は非常に重要であるが
まったく予言できないものである。

この組の別のパラメーターは添加元素の濃度である。

表IIから明らかなさらに別のパラメーターは焼きなま
し温度である。ある添加元素に対して最良の強さを示す
焼きなまし温度は異なる添加元素でさまざまであること
が分かる。これは、参考例６の結果を参考例７の結果と
比べてみると分かる。

さらに、添加元素の濃度と焼きなましの組合せには、
もし特性の増強効果がみられるならばその場合の最適の
効果が、それより高いかまたは低い濃度および／または
焼きなまし温度では所望の特性の改良を得るのに効果が
低くなるような組合せの添加元素濃度と焼きなまし温度
で得られるようになっている組合せが存在し得る。

表IIの結果から明らかなように、非化学量論的なTiAl
組成物に第三元素を添加して得ることができる結果は極
めて予期し難いものであり、ほとんどの試験結果は延性
もしくは強度またはその両者に関して望ましくない。

参考例14〜17 添加元素を含むアルミニウム化チタン合金のさらに別
のパラメーターは、添加元素の組合せが、同じ添加元素
を個別に添加して得られるそれぞれの利点を足し合わせ
て示すとは限らないということである。

さらに、参考例１〜３に関して上に記載したのと同様
にして、表IIIに示したバナジウム、ニオブおよびタン
タルを添加元素として含有する４つのTiAl基サンプルを
調製した。これらの組成物はそれぞれ同時係属中の米国
特許出願第138,476号、第138,408号および第138,485号
で最適の組成物とされたものである。

４番目の組成物は、バナジウム、ニオブおよびタンタ
ルをひとつの合金中で組合せた、表IIIに合金48と表示
してある組成物である。

表IIIから明らかなように、バナジウム、ニオブおよ
びタンタルを個別に添加すると、参考例14、15および16
の別々の基準で、それぞれベースのTiAl合金にかなりの
改良をもたらすことができる。しかし、これらの同じ添
加元素をひとつの合金中に組合せても、個々の改良を加
えた形で組合せて示す組成物にはならない。この場合は
まったく逆である。

まず、個別の合金を焼きなますのに使用した温度の13
50℃で焼きなました合金48では、試験片を製造するため
に機械加工している間に破壊してしまうほど脆い材料が
生成することが判明した。

次に、1250℃で焼きなました、添加元素を組合せて含
む合金で得られる結果は、それぞれの添加元素を含有す
る個別の合金で得られる結果よりずっと劣る。

特に、延性に関しては、バナジウムが参考例14の合金
14で延性を大幅に改良するのに極めて有効であったこと
が明らかである。しかし、参考例17の合金48でバナジウ
ムを他の添加元素と組合せると、得られると思われた延
性の改良がまったく達成されない。実際、このベースの
合金の延性は0.1の値に低下する。

さらに、ニオブを添加した合金40の耐酸化性は、ベー
スの合金の重量損失が31mg/cm²であるのに合金40の重量
損失が4mg/cm²であることから分かるように大幅に改善
されている。この酸化の試験および耐酸化性の補足試験
では、試験すべきサンプルを982℃の温度で48時間加熱
する。サンプルを冷却した後酸化物のスケールを掻き取
る。加熱と掻き取りの前後でサンプルの重量を測ること
によって重量の差を決定することができる。全重量損失
（グラム）を試験片の表面積（平方センチメートル）で
割ることによって重量損失（mg/cm²）を決定する。この
酸化試験は、本明細書中に述べた酸化または耐酸化性の
測定のすべてで用いたものである。

タンタルを添加した合金60の場合、1325℃で焼きなま
したサンプルの重量損失は2mg/cm²と決定された。これ
もまたベース合金の31mg/cm²という重量損失と比べて優
れている。言い換えると、個別の添加基準では、添加元
素のニオブもタンタルもベース合金の耐酸化性を改良す
るのに極めて有効であった。

しかしながら、これらの添加元素バナジウム、ニオブ
およびタンタルの３つをすべて組合せて含有する参考例
17の合金48について表IIIに挙げた結果から明らかなよ
うに、この合金の酸化はベースの合金のほぼ二倍に増大
する。これは上記のニオブを添加した合金40の７倍であ
り、またタンタルのみを添加した合金60のおよそ15倍も
大きい。

個々の添加元素を使用して得られる個別の利点と欠点
は、これらの添加を別々になんども使用するときに信頼
性良く繰返される。しかし、添加元素を組合せて使用す
る場合、ベースの合金中で組合せた添加元素の結果は、
これらを同じベースの合金中で個別に使用した場合の添
加元素の効果とまったく異なり得る。たとえば、バナジ
ウムの添加はチタン−アルミニウム組成物の延性に対し
て有益な効果をもつことはすでに発見されていて、同時
係属中の米国特許出願第138,476号に開示され議論され
ている。さらに、TiAlベース合金の強度に有益に作用す
ることが分かっていてすでに論じた1987年12月28日付け
で出願された同時係属中の米国特許出願第138,408号に
記載されている添加元素のひとつは添加元素のニオブで
ある。また、上で議論したマックアンドリュー（MaAndr
ew）の論文に示されているように、TiAlベース合金にニ
オブを個別に添加すると耐酸化性を改良することができ
る。同様に、タンタルを個別に添加すると耐酸化性を改
良する役に立つことがマックアンドリュー（MaAndrew）
によって教示されている。さらに、同時係属中の米国特
許出願第138,485号には、タンタルの添加が延性を改良
することが開示されている。

換言すると、バナジウムが個別に用いるとチタン−ア
ルミニウム化合物に対して延性を改良するという有利な
寄与をし得ることと、タンタルを個別に使用すると延性
と耐酸化性を改良し得るということはすでに分かってい
る。これとは別に、ニオブを添加するとチタン−アルミ
ニウムの強度と耐酸化性に対して有利に作用し得ること
が判明している。しかし、この参考例17から示されるよ
うに本出願人は、バナジウム、タンタルおよびニオブを
一緒に使用して合金組成中に添加元素として組合せる
と、その合金組成物はこれらの添加元素によって改良さ
れず、むしろニオブ、タンタルおよびバナジウムを添加
元素として含有するTiAlの特性は低下するかまたは損わ
れることを発見した。このことは表IIIから明らかであ
る。

これから明らかなように、２種以上の添加元素がTiAl
を個別に改良するならばそれらを一緒にするとTiAlをさ
らに改良するはずだと思われるのにもかかわらず、その
ような添加効果は極めて予期し難いことであり、実際バ
ナジウム、ニオブおよびタンタルの組合せの場合、これ
らの添加元素を組合せて用いると全体的な特性が多少改
良されるにしても現実には特性が損われることが判明す
る。

しかしながら、上の表IIIから明らかなように、バナ
ジウム、ニオブおよびタンタルを組合せて含有する合金
は参考例２のベースのTiAl 12合金より耐酸化性がずっ
と劣る。ここでもまた、個別に使用すれば特性を改良す
る添加元素を組合せてふくませると、この添加元素を個
別に添加した場合に改良されるその特性が正味で損われ
ることが判明した。

参考例18〜21 参考例１〜３に関して記載したようにして、それぞれ
表IVに挙げた組成を有するマンガンで改良されたアルミ
ニウム化チタンを含有する別の４つのサンプルを調製し
た。

表IVは、標準の合金と改良された合金の両者について
関連すると思われるさまざまな熱処理条件下で実施した
曲げ試験の結果をまとめて示す。

表IVの結果から明らかなように、４点曲げ試験による
と、添加元素のマンガンは、得られる合金の強度と延性
にある影響を及ぼす。合金37では、1250℃で焼きなます
と、強度を損うことなく延性が顕著に（60％）改善され
る。

ほとんどの場合、表IVの一連の試験で他の合金の強度
と延性の値はベースのTi₅₂Al₄₈合金より低い。

上記のサンプルは参考例１〜３に記載したようにして
調製した。また、参考例１〜21のサンプルは４点曲げ試
験で検査した。

参考例22および実施例上記参考例１〜３に記載したようにして、実施例の合
金69と参考例22の合金78を調製した。

３種の合金に対して、高温加熱で加熱したサンプルの
引張特性と重量損失のデータを決定した。サンプルの試
験は通常の方法で、通常の試験片を形成し、これらの試
験片を、前の参考例で使用した４点曲げ試験とは異なる
通常の引張試験機で試験した。得られたデータを下記表
Ｖに示す。表Ｖには、参考例２と19のデータも合わせて
示した。そのデータはそれぞれ表ＩとIVに挙げてあるも
のか、または合金12と54について測定した４点曲げ試験
の結果である。表Ｖには、通常の引張試験片を用いて通
常の引張試験に基づいて２種の合金12と54およびその他
の合金78と69の特性を示してある。さらに、表Ｖは、合
金試料の表面の酸化による重量損失に関するデータも示
してある。

参考例２で引張試験片に使用した焼きなまし温度は13
00℃であった。参考例19の合金54の３つのサンプルの場
合、サンプルは表Ｖに記載した３種の温度、すなわち12
50℃、1275℃および1300℃でそれぞれ別々に焼きなまし
た。この焼きなまし処理をおよそ２時間続けた後、サン
プルを通常の引張試験にかけた。３つの別個に処理した
引張試験片について得られた結果も表Ｖに示した。

一般の冶金学上の慣習によると、引張試験片の伸びに
よって決定される降伏強さは工学目的に対してより一般
的に受入れられる尺度であることが分かるであろう。４
点曲げ試験で得られたデータと通常の引張試験棒の試験
で得られた結果との間の密接な関係は、1988年６月３日
に出願された同時係属中の米国特許出願第201,984号に
記載されているようにこの種の合金で確立されている。

ここで表Ｖのデータを考慮すると、実施例の合金69で
は、強度または延性を実質的に失うことなく耐酸化性が
非常に独特で顕著に改良されることが明らかである。

これらの試験結果を詳細に検討すると、ベースの合金
12は有利な延性と組合せて高い降伏強さと引張強さをも
っているが、このベース合金は試験を行なった980℃と
いう高温では酸化に対する抵抗性に劣ることが明らかで
ある。このベースの合金の重量損失は980℃の温度で48
時間加熱した後に31mg/cm²である。

２原子％のニオブを含有する合金78の耐酸化性を測定
したところ約7mg/cm²であり、これは４倍以上の改良に
相当する。

２原子％のマンガンを含有する参考例19の合金54は比
較のために示してある。これは大きな強度と延性を示す
が、高温での耐酸化性が非常に低い。酸化による重量損
失はベースの合金と比べてほとんど60％高いことが判明
した。

しかしながら、極めて顕著であると思われた発見は、
マンガンとニオブを添加元素として両方とも含有する合
金の引張試験と酸化試験とで得られた結果である。この
合金はベースの合金に極めて近い強度と延性の値をもっ
ている。これらの値は２原子％のマンガンを含有する合
金54の値に良く一致している。

しかし、最も驚くべきことは、高温での加熱による重
量損失が低いことである。その重量損失値は、ベースの
合金の1/5未満で、マンガンを含有する合金の1/8未満で
ある。

上記表IIIの参考例17から分かるように、個別に用い
るとTiAl組成物のいろいろな特性を改良するかまたはそ
の改良に寄与するのに有効である添加元素を１つより多
く添加すると、その結果は、所望の全体的特性が増大す
るより低下するという点で本質的にかんばしくない。し
たがって、非常に驚くべきことに、２種の元素、特定的
にはマンガンとニオブをTiAlの４原子％の濃度まで添加
し、作用の異なる２種の添加元素を組合せて使用するこ
とによって、このTiAl組成物の合金の望ましい全体的特
性が実質的にさらに増大することが見出されたのであ
る。実際、本明細書中で調製した材料に対するすべての
試験で達成された最も低い重量損失と組合せられた最良
の引張特性の組合せがマンガンとニオブを組合せて使用
することによって達成される。

酸化試験の結果を第４図にプロットした。

この酸化試験は試験すべき物品を988℃に48時間加熱
することによって実施する。冷却後、この物品の表面か
ら剥がれ易い酸化物皮膜を掻き取る。掻き取った皮膜の
重量をミリグラムで測定し、その重量を物品の表面積
（平方センチメートル）で割って平方センチメートル当
たりの酸化物量（ミリグラム）を決定する。

表IVの強度および延性試験結果を第５図と第６図にそ
れぞれプロットした。

本発明の合金は、高温で高強度を示すジェットエンジ
ンその他のガスタービンの要素などの部品として使用す
るのに適している。そのような部品はたとえば渦巻きの
ない排気部品、LPTブレードまたは羽根、コンポーネン
ト羽根またはダクトでよい。

本発明は、ガスタービンの部品などを作成するTiAl合
金に耐酸化性添加元素を配合することによって、そのよ
うな部品の耐酸化性を改良する方法も含む。この添加元
素は本明細書中で教示したようにマンガンとニオブであ
る。したがって、この方法は、TiAl中に本明細書中に教
示したようにマンガンとニオブを少量ではあるが有効量
で含ませることによって、高温の大気中で使用されるTi
Al構造部材の酸化性を低下させることである。

また本発明の合金は、1987年２月４日に出願され本出
願と同じ譲受人に譲渡されている同時係属中の米国特許
出願第010,882号（この出願の明細書は援用して本明細
書中に含まれるものとする）に実質的に記載されている
ような強化複合構造体に使用することもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、各種合金のモジュラスと温度との関係を示す
グラフである。第２図は、さまざまな化学量論のTiAl組成物の４点曲げ
試験による負荷（ポンド）とクロスヘッド変位（ミル）
との関係を示すグラフである。第３図は、Ti₅₂Al₄₆Mn₂
に対して第２図の関係を示す第２図のグラフと似たグラ
フである。第４図は、耐酸化性を比較して示すグラフで
ある。第５図は、所与のサンプルのいろいろな熱処理における
強度MPa（kpsi）を示す棒グラフである。第６図は、熱
処理の温度に対する延性を示す類似のグラフである。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】Ti_52-42Al_46-50Nb_1-5Mn_1-3 の原子比を有するチタン、アルミニウム、ニオブおよび
マンガンから成る、ニオブとマンガンで改良されたチタ
ン−アルミニウム合金製品であって、上記合金の融解物
が、急速に凝固され、かつ圧密化および焼なましされ
て、延性が少なくとも２％である合金製品。
【請求項２】Ti_51-45Al_46-50Nb₂Mn_1-3 の原子比を有するチタン、アルミニウム、ニオブおよび
マンガンから成る、ニオブとマンガンで改良されたチタ
ン−アルミニウム合金製品であって、上記合金の融解物
が、急速に凝固され、かつ圧密化および焼なましされ
て、延性が少なくとも２％である合金製品。
【請求項３】Ti_51-43Al_46-50Nb_1-5Mn₂ の原子比を有するチタン、アルミニウム、ニオブおよび
マンガンから成る、ニオブとマンガンで改良されたチタ
ン−アルミニウム合金製品であって、上記合金の融解物
が、急速に凝固され、かつ圧密化および焼なましされ
て、延性が少なくとも２％である合金製品。
【請求項４】Ti_50-46Al_46-50Nb₂Mn₂ の原子比を有するチタン、アルミニウム、ニオブおよび
マンガンから成る、ニオブとマンガンで改良されたチタ
ン−アルミニウム合金製品であって、上記合金の融解物
が、急速に凝固され、かつ圧密化および焼なましされ
て、延性が少なくとも２％である合金製品。
【請求項５】Ti_49-47Al_47-49Nb₂Mn₂ の原子比を有するチタン、アルミニウム、ニオブおよび
マンガンから成る、ニオブとマンガンで改良されたチタ
ン−アルミニウム合金製品であって、上記合金の融解物
が、急速に凝固され、かつ圧密化および焼なましされ
て、延性が少なくとも２％である合金製品。
【請求項６】原子％で表した次の構成、 Ti_50-46Al_46-50Nb₂Mn₂ を有する合金から形成された構造部材であって、上記合
金の融解物が、急速に凝固され、かつ圧密化および焼な
ましされて、延性が少なくとも２％である構造部材。