JP2711558B2

JP2711558B2 - ＴｉＡ▲ｌ▼金属間化合物とその製造方法

Info

Publication number: JP2711558B2
Application number: JP63317687A
Authority: JP
Inventors: 年裕花村; 龍治植森; 満谷野; 仁一高村
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1988-12-16
Filing date: 1988-12-16
Publication date: 1998-02-10
Anticipated expiration: 2013-02-10
Also published as: JPH02163333A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は航空機用タービンエンジン、発電用ガスター
ビン、自動車用エンジン、高速回転体などの高温耐熱強
度材に用いるのに適した常温延性、高温耐酸化性を向上
したTiAl金属間化合物及びその製造方法に関するもので
ある。

〔従来の技術〕

TiAl金属間化合物は金属材料としてはほぼ最高の高温
比強度を持ち、しかも耐食性に優れ、軽量の材料であ
る。Metallurgical Transaction,Vol.6A（1975）p.1991
には、800℃で40kg/mm²の高温強度が得られたことが報
告されている。そこで、これらの特性を利用して、TiAl
金属間化合物はガスタービン部品，自動車用エンジンの
バルブ，ピストンへの適用、高温用ダイスや軸受部品な
どへの適用が好適と考えられてきた。

TiAl金属間化合物は状態図上で組成幅を持ちTi40〜52
原子％、Al60〜48原子％の組成範囲で熱平衡状態におい
てL1₀型構造（基本的には面心正方構造であるが〔001〕
方向にTiの層、Alの層が交互に並ぶ構造）を形成する。
このため、単結晶状態では温度の上昇と共に強度が増加
する異常強化現象が発見され、多結晶体でも高温で強度
が低下しないことが知られている。しかしながら多結晶
体のTiAl金属間化合物の欠点は常温から700℃付近まで
延性が低いことであり、室温で圧縮率が0.4％、700℃で
1.1％程度であった（特公昭59−581号公報）。

実用材料としてのTiAl金属間化合物の開発上の困難は
常温延性を如何に確保するかであったが、Mn添加が効果
があることが確かめられている（特開昭61−41740号公
報）。しかし、Mn添加には高温耐酸化性が劣化するとい
う欠点があることが報告されている（鶴見ら、日本金属
学会シンポジウム−規則合金・金属間化合物の塑性変形
−1988年７月16日、p.13）。

〔発明が解決しようとする課題〕

TiAl金属間化合物は、軽量で、耐熱温度が高く、耐食
性も優れているため、高温で使用するタービンブレード
などに好適であるが、常温での延性が小さい（圧縮率0.
4％）ので、圧延、鋳造などによる成形が困難であり、
さらに常温での安全面における信頼性に劣り、実用化が
阻まれていた。また、実用材として設計できるためには
ある程度の常温延性が必要である。

本発明は常温圧縮率で30％以上のもので、さらに高温
耐酸化性を向上させたTiAl金属間化合物材料を提供する
ことを課題とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明者らはTiAl金属間化合物の延性を向上させる研
究を行ったところ、P,As,Sb（V b族）,Se,Te（VI b族）
の元素の少なくとも一つを添加したTiAl金属間化合物
は、常温で30％近くの、また600℃で60％近くの圧縮率
を有し、常温から700℃付近までの低延性を著しく改善
できることを知見した。これは第三元素無添加TiAl金属
間化合物が常温で0.4％の圧縮率、700℃で1.1％の圧縮
率しか示さない（特開昭62−215号公報）ことを考える
と顕著な性能の向上が得られたものと考えられる。さら
に高温耐酸化性についても第三元素添加のTiAl金属間化
合物及びMn添加TiAl金属間化合物と比べて顕著な向上が
見られることを知見した。

即ち、本発明は、Ti40〜52原子％、Al60〜48原子％か
ら成り、P,As,Sb（V b族）,Se,Te（VI b族）の元素の少
なくとも一種を10〜1000原子ppm含有し、マトリックス
の結晶構造がL1₀型規則構造があり、常温圧縮率が高く
なおかつ高温耐酸化性を失わないTiAl金属間化合物を提
供すること、及び上記組成の原料を不活性ガス雰囲気中
で溶融、凝固した後、規則化焼鈍を行うことを特徴とす
るTiAl金属間化合物材料の製造方法を提供するものであ
る。

次に本発明について詳細に説明する。

Ti量を40〜52原子％の範囲としたのは、TiAl金属間化
合物の単一相もしくは一部Ti₃Alを第二相として含む組
成域とするためである。これ以外の組成では他の第二相
の混在があるため好ましくない。即ち、Ti量が40原子％
未満では第二相としてAl₂TiもしくはAl₃Tiが混在し、こ
れらの化合物は脆性であるため好ましくない。また、Ti
量が52原子％を越えると第二相としてのTi₃Alの量が増
大する。Ti₃Alは高温強度がTiAlより低く、かつ低延性
のTi₃Alの構成割合が高いことは延性向上の点から好ま
しくない。

P,As,Sb,およびTeの元素を10原子ppm以上添加するの
はこれによって積層欠陥エネルギーを低下させ、塑性変
形時の双晶変形機構を活発にして常温延性を向上させる
と共に、Ti酸化物の成長を抑制し、高温耐酸化性を向上
させるためである。10原子ppm未満では上記目的が達成
されない。

また、P,As,Sb,Se,Teの添加元素は、1000原子ppm以下
である必要がある。その理由はこれを越える組成になる
と材料の加工性の劣化をもたらすためである。

本発明のV b族（P,As,Sb）またはVI b族（Se,Te）元
素を添加したTiAl金属間化合物の製造方法は、Ti40〜52
原子％、Al60〜48原子％に、P,As,Sb,Se,Teの元素の何
れか一種以上を10〜1000原子ppm添加したものを一旦真
空（10^-6torr以上）にしArガス雰囲気に置換した環境下
で溶融点以上かつ坩堝との反応を避けるために1400〜15
00℃に加熱し、溶融、凝固する。この際、添加元素量は
高温耐酸化性と常温延性の両特性を高く維持する点から
は20〜200原子ppmが望ましい。as−cast状態のままでは
均一の組織が得られないため、前記と同様の不活性ガス
雰囲気中において規則化焼鈍を行う。これはL1₀型の結
晶構造を得るためにはTiとAlを高温で拡散させねばなら
ないからである。規則化焼鈍の温度は800℃以上でTiAl
金属間化合物の融点以下の単一相域であれば目的を達成
することができるが、添加元素の均一拡散を達成するた
めに、900〜1100℃の温度範囲が必要である。また、加
熱時間は、規則化のための原子拡散に時間が必要である
ため、高温では短時間となるが、完全に規則化させるた
めには24時間以上とすることが望ましい。処理後の本発
明TiAl金属間化合物が規則化していることは、Ｘ線ディ
フラクトメーターにより、各ピークがTiAl金属間化合物
のL1₀型構造に相当することを確認すればよい。

こうして得られたV b族（P,As,Sb）およびVI b族（S
e,Te）元素を微量添加したTiAl金属間化合物は常温で30
％近くの、また600℃で60％近くの圧縮率を有し、常温
から700℃付近までの低延性を改善できる。これは第三
元素無添加TiAl金属間化合物が常温で0.4％の圧縮率、7
00℃で1.1％の圧縮率しか示さない（特開昭62−215号公
報）ことと比較して、性能の向上が得られたと考えられ
る。さらに高温耐酸化性についても第三元素無添加のTi
Al金属間化合物及びMn添加TiAl金属間化合物と比べて顕
著な向上が見られる。

次に本発明のP,As,Sb,Se,およびTe元素添加TiAl金属
間化合物の常温圧縮率の向上及び高温耐酸化性向上の理
由について説明する。常温圧縮率の向上はV b族（P,As,
Sb）またはVI b族（Se,Te）元素などの第三元素の添加
により、TiAl金属間化合物の積層欠陥エネルギーが低下
することによるものと考えられる。それは変形機構にお
いて双晶変形、とくに双晶の交叉が活発になることによ
るものであり、電子顕微鏡観察、超高圧電子顕微鏡内そ
の場観察等により、第三元素無添加のTiAl金属間化合物
では双晶変形を伴わないのに対し、本発明の第三元素無
添加のTiAl金属間化合物では双晶変形が容易になり、塑
性変形が進行することを確かめることにより確認した。
また、電子顕微鏡によるコントラスト実験により塑性変
形進行中においてこの双晶の交叉は双晶境界上に転位を
集積させずに逆に転位反応により可動転位を形成し延性
能を高めていることが確認された。

高温耐酸化性は材料表面にできた酸化皮膜が酸素の透
過を防ぐことにより向上する。TiAl金属間化合物の場合
には試料表面上にできたTiO_2-Xの酸素イオン空孔を通し
て酸素が拡散することにより酸化が進行すると考えられ
るため、高温耐酸化性を向上させるには酸素イオン空孔
の濃度を低減し、酸素の内方拡散の速度を抑制する必要
がある。

本発明の合金で高温耐酸化性が向上する理由は、V b
族（P,As,Sb）またはVI b族（Se,Te）の元素がTiの価電
子数の４より大きな５価または６価をもつため、表面に
生成されたTiO_2-X層中の酸素イオン空孔の濃度を減少さ
せ、酸素の内方拡散を抑制し、高温酸化雰囲気でTiAl金
属間化合物にできる酸化層TiO_2-Xの成長速度を低減する
ためと考えられる。

〔実施例〕

次に本発明の実施例を示す。

スポンジ状の純Ti50原子％、純Al50原子％にそれぞれ
Se94atppm（100wtppm）Te58atppm（100wtppm）を添加し
たものを真空溶解炉を用い、一旦真空（10^-6torr以上）
にし、Arガス雰囲気に置換した環境下で1500℃に加熱
し、溶融、凝固させた後、規則化のため、前記と同様の
不活性ガス雰囲気中において規則化焼鈍を行った。規則
化焼鈍は1000℃で行った。また、加熱時間は72時間とし
た。得られた第三元素添加TiAl金属間化合物が規則化し
ていることは、Ｘ線ディフラクトメーターにより、各ピ
ークがTiAl金属間化合物のL1₀型構造に相当することを
もって確認した。

これらの試料は、第三元素無添加のTiAl金属間化合物
と比較して、顕著な圧縮変形での降伏応力および常温圧
縮率の向上が認められた。2wt％Mn添加材と比較しても
降伏応力、常温圧縮率はほぼ同程度の性能を示した〔第
１図〕。耐酸化性についてはMn添加によって耐酸化性、
特に酸化による重量増加が第三元素無添加TiAl金属間化
合物と比較して低下するのに対し、Se及びTe添加材では
酸化による増量が低い値を示し、耐酸化性が向上してい
るのが顕著に認められた〔第２図〕。

〔発明の効果〕

本発明に従い、TiAl金属間化合物に微量（10〜1000at
ppm）のV b族（P,As,Sb）およびVI b族（Se,Te）の元素
を添加することにより、TiAl金属間化合物の高温耐酸化
性および常温延性を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はTiAl金属間化合物と第三元素添加TiAl金属間化
合物の常温〜高温の圧縮における耐力及び延性を示す
図、第２図は第三元素添加TiAl金属間化合物及びTiAl金
属間化合物の高温耐酸化性試験結果（酸化増量）を示す
図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｃ２２Ｆ 1/00 ６５１ 8719−4ＫＣ２２Ｆ 1/00 ６５１Ｂ６８２ 8719−4Ｋ６８２６９１ 8719−4Ｋ６９１Ｂ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】Ti40〜52原子％、Al60〜48原子％から成
り、P,As,Sb（V b族）、Se,Te（VI b族）の元素の一種
または二種以上を10〜1000原子ppm含有し、マトリック
スの結晶構造がL1₀型規則構造であることを特徴とする
常温延性と高温耐酸化性に優れたTiAl金属間化合物。
【請求項２】Ti40〜52原子％、Al60〜48原子％にP,As,S
b（V b族）、Se,Te（VI b族）の元素の一種または二種
以上を10〜1000原子ppm添加して溶融、凝固した後、900
〜1000℃で規則化焼鈍を行うことを特徴とする高温強度
材料用TiAl金属間化合物の製造方法。