JP2568332B2 - 少なくとも一部が金属間化合物からなる複合材の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、少なくとも一部が例え
ばＴｉ−Ａｌ系などの金属間化合物からなる複合材の製
造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】金属間化合物は耐熱性，耐酸化性，耐摩
耗性等に優れしかも軽量に構成でき、また、超電導等の
機能性を有するなどの優れた性質をもつため、各種用途
に使われる素材としてきわめて有望視されている。

【０００３】金属間化合物の例として、Ｔｉ−Ａｌ系，
Ｎｉ−Ａｌ系，Ｎｉ−Ｔｉ系，Ｃｏ−Ｔｉ系，Ｆｅ−Ａ
ｌ系，Ｍｏ−Ａｌ系，Ｍｏ−Ｓｉ系，Ｎｂ−Ａｌ系，Ｔ
ｉ−Ｓｉ系等の２元系や、Ｆｅ−Ａｌ−Ｓｉ系，Ａｌ−
Ｇａ−Ａｓ系等の多元系が知られている。具体的には、
構造材として、ＴｉＡｌ，Ｔｉ₃ Ａｌ，Ａｌ₃ Ｔｉ，Ｃ
ｏ₃ Ｔｉ，Ｎｉ₃ Ａｌ，ＮｉＡｌ，ＦｅＡｌ，Ｍｏ₃ Ａ
ｌ₈ ，ＭｏＳｉ₂ ，Ｎｂ₃ Ａｌ，Ｔｉ₅ Ｓｉ₃ 等が知ら
れている。また形状記憶効果を有するＴｉＮｉ，ＣｕＺ
ｎ等や、超電導材料としてＮｂ₃ Ｓｎ，Ｖ₃ Ｇａ，Ｎｂ
₃ Ｇａ，Ｎｂ₃Ｇｅ等、磁性材料としてＦｅ₃ （ＡｌＳ
ｉ）、ＳｍＣｏ₅ 、半導体及びその他の機能性材料とし
てＩｎＳｂ，ＧａＡｓ，Ｂｉ₂ Ｔｅ₃ ，ＺｎＳｅ等、そ
の他にも多くのものがある。

【０００４】金属間化合物を利用する製品例としては、
高温で使用される外壁材や、タ−ビン部材、ピストンや
バルブシステム等のエンジン部品、弾性部材、あるいは
超電導等の各種金属間化合物に固有の優れた性質を生か
した機能部品などが考えられる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】金属間化合物は上記の
ように優れた性質を有する反面、接合に困難を伴う。例
えば、電子ビ−ム溶接法によって接合を行なう場合、溶
接部において結晶粒の粗大化を生じたり、実用上無視で
きない程大きな欠陥が生じることがある。ろう付けや接
着剤による接合も考えられるが、接合部の耐熱性や機械
的性質や固有の機能性等が母材よりも劣る。

【０００６】また、接合部を加圧しつつ加熱することに
よって高温下で接合させることも考えられるが、接合部
が軟化する温度まで加熱されると所定の形状を維持する
ことが困難となる。なお特開平２−１３３５５０号公報
に記載されているように、金属間化合物を形成する異種
金属板を交互に積層し、熱間プレスや熱間静水圧加圧等
によって異種金属板を固相接合したのち、液相が出現し
ない温度以下に加熱することによって反応の進行を制限
しつつ固相反応熱処理を緩やかに行うといった製造方法
が提案されている。しかしながらこのような先行技術
は、液相の発生を防いだり反応の進行を抑制するのに特
別な制御が必要であり、そのための加熱温度条件等に困
難を伴うだけでなく反応に長時間を要するなどの問題が
ある。

【０００７】従って本発明の目的は、少なくとも一部が
金属間化合物からなる複合材を高品質に製造でき、接合
部が母材に劣らない性能を発揮できるように接合部の組
織，欠陥等の制御がなされた複合材の製造方法を提供す
ることにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を果たすために
開発された本発明は、Ａｌ系の金属間化合物を形成可能
な組成の混合体からなるインサート層としての第１の部
材を、母材としての第２の部材と第３の部材との間に配
置し接合することにより少なくとも一部が金属間化合物
からなる複合材を製造する方法であって、上記第１の部
材と第２の部材との接合界面および上記第１の部材と第
３の部材との接合界面に、それぞれ、上記第１の部材の
金属間化合物の１つの成分であるＡｌを主とする層を第
１の部材の一部として配置した状態でこれらを互いに接
触させかつ母材との接触面にＡｌリッチ層が生じる温度
に加熱するとともに金属間化合物が形成される温度に加
熱し、この加熱による金属間化合物形成時の反応に伴う
自己発熱を上記接合界面に作用させて接合を行うことを
特徴とする製造方法である。

【０００９】第１の部材は、金属間化合物を形成可能な
組成比で混合された複数元素からなる箔などの混合体で
ある。第１の部材に使われる原料は、少なくとも一部が
金属間化合物形成前の金属材料から構成されている必要
があるが、一部に金属間化合物を含んでいてもよい。

【００１０】また、接合後の複合材の諸特性を改善する
目的、あるいは所望の部品形状への成形の容易化を図る
目的で、適宜の元素や酸化物，窒化物，炭化物等の化合
物が含まれていてもよい。上記原料は純金属の塊である
必要はなく、固溶体であってもよいし、めっき等によっ
てつくられた複合体であってもよい。

【００１１】このように第１の部材の混合体は種々の形
態が考えられるが、いずれの場合においても、第１の部
材と第２の部材との接合界面および第１の部材と第３の
部材との接合界面に、上記金属間化合物の１つの成分
（Ａｌ）を主とする均一な箔などの層が配置される。こ
の層は、第１の部材あるいは第２，第３の部材の接合界
面に、めっきや溶射、蒸着等によって被着させてあって
もよい。第２，第３の部材は、金属間化合物や合金ある
いは高融点金属，半導体，セラミックスのように耐熱性
や機能性を有するものからなる。

【００１２】金属間化合物が形成される温度に加熱する
熱処理において、ホットプレス（ＨＰ），等方圧プレス
加工（ＨＩＰ）等の適宜の方法で加圧するとよい場合が
ある。その際に一軸プレスあるいは二軸プレス等によっ
て接合部を特定の方向から部材の自重以上に加圧するこ
とにより、金属間化合物形成時の接合部に剪断応力を伴
う流動を生じさせると、更に好ましい結果が得られるこ
とがある。

【００１３】

【作用】上記構成の第１の部材（インサート層）と第２
の部材（母材）および第３の部材（母材）はその接合界
面において箔等の均一なＡｌ層を介して重合され、母材
との接触面にＡｌリッチ層が生じる温度に加熱されると
ともに、金属間化合物が形成される温度まで加熱され
る。この熱処理によって拡散または自己燃焼焼結を生
じ、金属間化合物が形成されると同時に、金属間化合物
形成時の発熱もしくは自己燃焼反応熱により、第２の部
材と第３の部材が接合される。本発明に使われるインサ
ート層は、母材に対して箔等の単一成分のＡｌ層が接し
ており、接合の過程で融点の比較的低いＡｌが液相化し
Ａｌリッチ層が形成されることによって母材表面の凹凸
が埋まるとともに母材との接合界面が良好に反応するな
どの理由から、欠陥の少ない良好な接合界面が形成さ
れ、接合界面での変形や密着および拡散や反応が均一と
なる。

【００１４】

【実施例】以下に本発明の一実施例について、図１ない
し図５を参照して説明する。図１に示されるように、本
実施例では、金属間化合物を形成可能な成分組成比の混
合体からなる第１の部材１１と、金属間化合物からなる
第２の部材１２と、同じく金属間化合物からなる第３の
部材１３とを用いることによって、図２に示されるよう
な複合材Ａを製造する。製造工程の一例が図３に示され
ている。

【００１５】第１の部材１１を構成する混合体は、Ｔｉ
箔１５と、このＴｉ箔１５の表裏両面にそれぞれ配され
るＡｌ箔１６，１７とからなる。Ｔｉ箔１５の厚さの一
例は、５μｍないし７μｍ、Ａｌ箔１６，１７の厚さの
一例は３μｍである。

【００１６】母材としての第２の部材１２と第３の部材
１３は、それぞれ、金属間化合物（ＴｉＡｌ＋Ｔｉ₃ Ａ
ｌ）からなる。第２の部材１２と第３の部材１３を製造
するには、以下の製造方法を採用することができる。

【００１７】ガスアトマイズ法により作製した 350メッ
シュ以下のＡｌ粉末と 350メッシュ以下のスポンジＴｉ
粉末を、重量分率でＴｉ：Ａｌ＝６８．４％：３１．６
％の割合で、Ａｒガス置換された乾式ボ−ルミルを用い
て混合する。そののち、金型プレスあるいはパイプに詰
めてスェ−ジング加工するなどして、所望形状の混合圧
着体を得る。この混合圧着体を熱処理することで、金属
間化合物（ＴｉＡｌ＋Ｔｉ₃ Ａｌ）からなる第２の部材
１２および第３の部材１３が得られる。

【００１８】上記工程を経て得られた第２の部材１３と
第３の部材１３との間に、第１の部材１１を位置させ、
加圧接合工程２１を実施する。この場合、各部材１１，
１２，１３を互いに密接させた状態で仮止めするとよい
場合がある。仮止め方法としては、線材で縛ったり、凹
凸嵌合、圧接、摩擦圧接、接着剤、ろう付け、ボルト止
め等が採用される。

【００１９】上記部材１１，１２，１３は、加圧接合工
程２１において、図示しない加熱装置によって、例えば
真空雰囲気中で７５０℃・１hourの条件で加熱するとと
もに、例えば５kg／mm² の圧力で加圧を行う。

【００２０】図４に上記加圧接合工程２１によって得ら
れた組織の一例を示す。図４において、図示左側に位置
する第２の部材１２と図示右側に位置する第３の部材１
３との間に、前記Ｔｉ箔１５からなるＴｉリッチ層１
５′と、前記Ａｌ箔１６，１７からなるＡｌリッチ層１
６′，１７′が存在する。Ａｌリッチ層１６′，１７′
は主にＡｌ_３Ｔｉからなる。これらのＴｉリッチ層１
５′とＡｌリッチ層１６′，１７′は、第２の部材１２
と第３の部材１３を接合する際のインサート層２５とし
て機能する。図４の顕微鏡写真において、Ａｌリッチ層
１６′，１７′はそれぞれ約５ｍｍであり、使用したＡ
ｌ箔の厚さ（３ｍｍ）よりも明らかに厚みが増加してい
る。

【００２１】上記加圧接合工程２１によってインサート
層２５を介して接合された第２の部材１２と第３の部材
１３を、熱処理工程３０において、アルゴンガスフロー
雰囲気中で、金属間化合物が形成される温度（例えば１
２００℃）まで加熱する。この熱処理工程３０によっ
て、インサ−ト層２５が金属間化合物を形成すると同時
に発熱し、第２の部材１２と第３の部材１３との接合界
面において拡散結合することなどにより一体化する。

【００２２】図５は上記熱処理後の接合部を示す顕微鏡
写真である。図５において中央部付近が第１の部材１１
が設けられていた箇所であり、この箇所を含む接合部は
実質的に母材としての第２の部材１２および第３の部材
１３と連続している。この接合部は全て金属間化合物か
らなり、Ａｌ（金属）あるいはＴｉ（金属）は残ってい
ない。従って母材および接合部は共に優れた耐熱性と耐
酸化性を発揮し、しかも接合強度がきわめて大きい。

【００２３】なお、上記熱処理工程３０における加熱温
度は、Ｔｉ箔１５とＡｌ箔１６，１７の厚さ等の条件に
応じて変化するので、実施例に限らない。また、場合に
よっては、熱処理工程３０を実施しなくとも、加圧接合
工程２１における加熱のみで、金属間化合物を形成する
ことができることがある。

【００２４】Ｔｉ−Ａｌ系の場合の熱処理温度は４００
℃以上がよい。４００℃以下では、処理時間が長くかか
る。また、Ｔｉ−Ａｌ系の場合の雰囲気は、高強度な複
合材を得るためには、真空中で行なうのが特によい。大
気中で行なうと酸化が進行し、強度が低下する場合があ
る。

【００２５】ＴｉＡｌの標準生成熱はΔＨ₂₉₈ ＝−７５
KJ／mol であり、金属間化合物形成時に発生する熱量が
外部に逃げない場合の温度はＴｉＡｌの融点以上にな
り、十分な発熱が得られる。なおΔＨ₂₉₈ は、−４０KJ
／mol 以下であると効果が大きい。

【００２６】加熱は、炉を用いて全体を加熱してもよい
が、接合部を局部的に加熱する方が簡便であり、母材と
しての第２の部材１２と第３の部材１３の変形を抑制す
る上でも有利である。局部的な加熱方法としては、燃焼
ガスあるいはヒ−タ等による外部の熱源を用いる方法
や、ア−ク、電気抵抗加熱、高周波誘導加熱、摩擦発熱
等のように部材自身を発熱させる方法もある。金属間化
合物を形成する第１の部材１１は、その端部を加熱する
だけで自己燃焼焼結が伝播する場合があるので、その時
の自己発熱を利用することもできる。

【００２７】加圧接合工程２１および熱処理工程３０
は、大気中で行ってもよいが、前記実施例で述べたよう
に不活性ガスあるいは真空雰囲気や酸化還元雰囲気等の
ガス中で行えば更に好ましい結果が得られることがあ
る。また、これらの雰囲気を組合わせてもよい。特に局
部的に加熱する場合は、ガスア−ク，金属被覆ア−ク溶
接等の通常の溶接に用いられる雰囲気制御が有効であ
る。また、ろう付け等に用いられる溶剤やフラックス等
を用いてもよい。

【００２８】なお、必要があれば熱処理工程３０の終了
後に、鍛造等の適宜の加工工程３１を実施することによ
り、母材と接合部の欠陥、偏析の改善、不純物の分散等
を図ってもよい。

【００２９】また、熱処理工程３０によって金属間化合
物の形成と接合がなされた後、必要に応じて上記雰囲気
を維持した状態で例えば１１００℃に保持し、３時間の
仕上げ熱処理工程３２を行う。処理温度は、金属間化合
物の固相線以下の温度域が望ましい。特に、Ｔｉ−Ａｌ
系の場合は７００℃以上が望ましい。これ以下の温度で
は、十分な拡散が進行しない。この仕上げ熱処理工程３
２は、大気中で行ってもよいが、不活性ガスあるいは酸
化還元雰囲気等のガス中で行えば更に好ましい結果が得
られることがある。また、材料によっては加圧しない状
態でこの熱処理工程３２を実施してもよい。

【００３０】必要に応じて仕上げ熱処理工程３２を行う
ことによって、複合材Ａに含まれる空孔を更に減少させ
ることができるとともに、組織の均一化が促進され、接
合歪の除去、更には不純物の拡散もしくは不純物の除去
が図れる。この熱処理工程３２の実施によって、結晶粒
の大きさや金属間化合物組織または析出物の調整をする
ことも可能である。

【００３１】上記一連の工程によって、第１の部材１１
と第２の部材１２および第３の部材１３が一体化された
複合材Ａが得られた。この複合材Ａは、母材および接合
部がいずれも金属間化合物（ＴｉＡｌ＋Ｔｉ₃ Ａｌ）か
らなる。

【００３２】図６は、前記加圧接合工程２１と熱処理工
程３０を経て製造された複合材Ａを、室温４点曲げ強度
試験を行い、比較例と強度を比べた結果である。比較例
は、前記実施例で述べた第２の部材１２と第３の部材１
３と同様の材質からなる２つの部材を、金属間化合物
（ＴｉＡｌ＋Ｔｉ₃ Ａｌ）を形成可能な組成からなる混
合圧粉体を介して熱処理し、両部材を接合したものであ
る。

【００３３】図６に示されるように、上記比較例は接合
部において６４kgｆ／mm² で破損し、母材強度の約８５
％の強度しか得られなかった。これに対し本実施例で
は、接合部以外の箇所で破損し、接合部が母材強度と同
等であることが確認された。

【００３４】なお、仕上げ熱処理工程３２の終了後に仕
上げ加工３５を行ってもよい。例えばバレル加工等によ
って複合材Ａの表面を滑らかなものにする。あるいは機
械加工等によって表面の研磨を行うとか、表面傷，表面
層等の除去あるいは切断，研削加工等により形状の修
正、追加を行ったり、前記インサ−ト層２５のはみ出し
た箇所を除去する。また、ショットピ−ニング等を行う
ことにより、複合材Ａの表層部に圧縮残留応力を生じさ
せれば、複合材Ａの耐久性を更に高めることができる。

【００３５】図７は、Ｔｉ箔とＡｌ箔の厚みを種々変化
させることによってＴｉとＡｌの組成比を変えたサンプ
ルのＴｉ・Ａｌ組成比と強度との関係を示している。サ
ンプルは、いずれも、母材／Ａｌ箔／Ｔｉ箔／Ａｌ箔／
母材に、前記実施例と同様の加熱接合と熱処理を行った
ものである。母材は全て（ＴｉＡｌ＋Ｔｉ₃ Ａｌ）であ
る。上記サンプルにおいて、Ａｌ箔３μｍ／Ｔｉ箔５μ
ｍ／Ａｌ箔３μｍならば、Ｔｉ−５５．８at％Ａｌとな
る。Ａｌ箔３μｍ／Ｔｉ箔７μｍ／Ａｌ箔３μｍなら
ば、Ｔｉ−４７．４at％Ａｌである。

【００３６】図７からわかるように、金属間化合物がＴ
ｉ−Ａｌ系の場合に、Ａｌの組成が２５at％以上で高い
接合強度が得られ、さらに好ましくはＡｌの組成が４０
at％ないし６０at％の間で、より高く安定した接合強度
が得られる。

【００３７】前記実施例における第２の部材１２と、第
３の部材１３は、いずれも、Ｎｉ，Ｎｉ合金，インコネ
ル等のＮｉ基耐熱合金，Ｔｉ，Ｔｉ合金，Ａｌ，Ａｌ合
金、Ｎｂ，Ｔａ等の高融点金属、Ｓｉ等の半金属、ある
いは前記実施例以外の金属間化合物（Ａｌ₃ Ｔｉ等）、
アルミナ，窒化けい素，炭化けい素等のセラミックス等
の無機材料でもよいし、耐熱プラスチック等の有機材料
でも適用できる場合がある。第１の部材１１と第２の部
材１２および第３の部材１３に、１つ以上の共通元素が
含まれていればなおよい。

【００３８】なお、第３の部材１３を用いずに、第１の
部材１１と第２の部材１２のみからなる複合材を製造す
ることもできる。また本発明は、前記実施例で示したも
のに限らず、Ｔｉ−Ａｌ系の他の組成についても適用で
きる。また本発明は、他の金属間化合物を形成する系に
ついても適用できる。

【００３９】

【発明の効果】本発明によれば、Ａｌ系の金属間化合物
を形成する第１の部材を用いて第２の部材と第３の部材
を強固に接合させることができ、欠陥の少ない良好な接
合界面が形成され、母材と同等の強度をもつ良好な接合
部が得られる。この場合、接合温度が低いにもかかわら
ず接合部は母材と同等以上の耐熱性や機能性を発揮でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法に使用する部材を模式的に示す側面
図。

【図２】本発明方法によって製造された複合材を模式的
に示す側面図。

【図３】本発明方法の一実施例を示す工程説明図。

【図４】本発明の一実施例方法によって製造される複合
材の熱処理前の金属組織を２０００倍に拡大して示す顕
微鏡写真。

【図５】本発明の一実施例方法によって製造された複合
材の接合部付近の金属組織を５００倍に拡大して示す顕
微鏡写真。

【図６】本発明の一実施例方法によって製造された複合
材の強度と比較例の強度を比べた強度試験の結果を示す
図。

【図７】金属間化合物を形成するＴｉとＡｌの組成比と
強度との関係を示す図。

【符号の説明】

１１…第１の部材、１２…第２の部材、１３…第３の部
材、１５…Ｔｉ箔、１６，１７…Ａｌ箔。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−69159（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−118182（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−133550（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−161165（ＪＰ，Ａ)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】Ａｌ系の金属間化合物を形成可能な組成の
   混合体からなるインサート層としての第１の部材を、母
   材としての第２の部材と第３の部材との間に配置し接合
   することにより少なくとも一部が金属間化合物からなる
   複合材を製造する方法であって、 上記第１の部材と第２の部材との接合界面および上記第
   １の部材と第３の部材との接合界面に、それぞれ、上記
   第１の部材の金属間化合物の１つの成分であるＡｌを主
   とする層を第１の部材の一部として配置した状態でこれ
   らを互いに接触させかつ母材との接触面にＡｌリッチ層
   が生じる温度に加熱するとともに金属間化合物が形成さ
   れる温度に加熱し、この加熱による金属間化合物形成時
   の反応に伴う自己発熱を上記接合界面に作用させて接合
   を行うことを特徴とする少なくとも一部が金属間化合物
   からなる複合材の製造方法。
2. 【請求項２】上記第１の部材が、Ｔｉ−Ａｌ系の金属間
   化合物を形成可能なＴｉ箔と、このＴｉ箔の両面にそれ
   ぞれ重ねた第１の部材の一部としてのＡｌ箔とからなる
   混合体であり、この混合体を介して、Ｔｉ−Ａｌ系の金
   属間化合物からなる第２の部材とＴｉ−Ａｌ系の金属間
   化合物からなる第３の部材とを互いに接合するようにし
   た請求項１記載の複合材の製造方法。
3. 【請求項３】上記第１の部材の組成比が４０〜６０ａｔ
   ％（Ａｌ）となるようにＴｉ箔とＡｌ箔を交互に重ねた
   ことを特徴とする請求項２記載の複合材の製造方法。