JP2857291B2 - チタン、アルミニウム、ニオブ、クロムおよびケイ素からなるチタン・アルミニウム合金の鋳造品およびその製法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、広くチタンとアルミニ
ウムの合金一般に係る。特に、本発明は、化学量論比に
関して、及びケイ素、クロムおよびニオブの添加に関し
て改良されたチタンとアルミニウムのガンマ合金に係
る。

【０００２】

【発明の背景】アルミニウムをチタン金属に添加する際
アルミニウムの割合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が変化することが
知られている。アルミニウムの割合が小さいとアルミニ
ウムがチタンに固溶した固溶体となり、結晶形はαチタ
ンの結晶形のままである。アルミニウムの濃度が高くな
ると（たとえば、約２５〜３５原子％）、金属間化合物
Ｔｉ₃ Ａｌが形成される。このＴｉ₃ Ａｌはα−２とい
われる規則的な六方晶の結晶形をもっている。さらにア
ルミニウム濃度が高くなると（たとえば、アルミニウム
が５０〜６０原子％の範囲）、γといわれる規則的な正
方晶の結晶形を有する別の金属間化合物ＴｉＡｌが形成
される。このγ化合物の改良型が本発明の主題である。

【０００３】γ結晶形と約１という化学量論比を有する
チタン・アルミニウム合金は、高いモジュラス（弾性
率）、低い密度、高い熱伝導率、有利な耐酸化性および
良好な耐クリープ性を有する金属間化合物である。Ｔｉ
Ａｌ化合物および他のチタン合金ならびにニッケル基超
合金のモジュラスと温度の関係を図３に示す。図から明
らかなように、ＴｉＡｌはチタン合金の中で最高のモジ
ュラスをもっている。ＴｉＡｌはそのモジュラスが高温
で他のチタン合金より高いばかりでなく、温度の上昇に
よるモジュラスの低下率はＴｉＡｌの方が他のチタン合
金より小さい。さらに、ＴｉＡｌは、他のチタン合金が
有用でなくなるような温度より高い温度でも有用なモジ
ュラスを保持している。ＴｉＡｌ金属間化合物を基材と
する合金は、高温で高いモジュラスが必要とされ、かつ
環境に対する良好な保護も要求される用途に対して重要
な軽量材料である。

【０００４】ＴｉＡｌの特性のうち、上記のような用途
に実際に応用する際の制限となるのは、室温で見られる
脆性である。また、このＴｉＡｌ金属間化合物がある種
の構造部材用途に利用できるようになるには、この金属
間化合物の室温での強度を改善する必要もある。すなわ
ち、γＴｉＡｌ金属間化合物が適している高温で使用で
きるようになるには、この金属間化合物を改良してその
延性および／または室温での強度を高めることが極めて
望ましい。

【０００５】軽量で、しかも高温で使用できる可能性と
共に、使用しようとするＴｉＡｌ組成物に最も望まれる
ものは室温での強度と延性の組合せである。金属組成物
の用途によっては１％程度の最小の延性でも許容できる
が、より高い延性がずっと望ましい。また、組成物が有
用であるための最低の強度は約５０ｋｓｉすなわち約３
５０ＭＰａである。しかし、この程度の強度を有する材
料はある種の用途に対しては充分であるとはいえず、用
途によってはより高い強度が好ましいことが多い。

【０００６】γＴｉＡｌ化合物の化学量論比は結晶構造
を変えることなくある範囲に渡って変化させることがで
きる。すなわち、アルミニウム含量は約５０原子％から
約６０原子％まで変えることができる。しかし、チタン
とアルミニウム成分の化学量論比が比較的少しだけ（１
％またはそれ以上）変化してもγＴｉＡｌ組成物の性質
は非常に大きく変化し易い。また、これらの性質は、同
様に比較的少量の第三元素、第四元素およびその他の元
素を添加しても同じように大きな影響を受ける。

【０００７】本発明者は、このたび、鋳造した形態の組
成物に望ましい特性を付与するために添加元素を一定に
組合せて、特にクロム、ニオブおよびケイ素を組合せて
γＴｉＡｌ金属間化合物に配合することによって、この
金属間化合物をさらに改良することが可能であることを
発見した。

【０００８】さらにまた、本発明者は、そのような添加
元素を含む組成物が、実質的に改善された強度および鋳
造状態で望ましく高い延性を含めて独特の望ましい組合
せの特性を有することを発見した。

【０００９】

【従来の技術】Ｔｉ₃ Ａｌ金属間化合物、ＴｉＡｌ金属
間化合物およびＴｉＡｌ₃ 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する文献は豊富である。
「ＴｉＡｌ型チタン合金(TITANIUM ALLOYS OF THE TiAl
TYPE)」と題する米国特許第４，２９４，６１５号で
は、ＴｉＡｌ金属間化合物を始めとするアルミ化チタン
型合金が包括的に論じられている。この特許の第１欄の
第５０行以降には、Ｔｉ₃Ａｌと比較してＴｉＡｌの利
点と欠点を論じる際に、次のように指摘されている。

【００１０】「ＴｉＡｌγ合金系はアルミニウムを多く
含有しているのであるから、より軽い可能性があること
は明らかである。１９５０年代の実験研究により、アル
ミ化チタン合金は約１０００℃までの高温で使用できる
可能性があることが示された。しかし、これらの合金を
用いてその後得られた工学的経験・知識によると、これ
らの合金は充分な高温強度をもってはいたが、室温およ
び中程度の温度、すなわち２０〜５５０℃で延性がほと
んどまたはまったくなかった。脆性に過ぎる材料は容易
に製造することができないし、めったにないことだが避
けることのできない使用中のちょっとした損傷をうけた
際に、亀裂を起こしてその後機能を停止してしまうこと
なくもちこたえることもできない。したがってそのよう
な材料は他のベース合金の代替となる有用な工学材料と
はならない。」

【００１１】基本的に、合金系ＴｉＡｌもＴｉ₃ Ａｌも
規則的なチタン・アルミニウム金属間化合物ではある
が、ＴｉＡｌは（Ｔｉの固溶体合金とはもちろん）Ｔｉ
₃ Ａｌとは実質的に異なっているということは公知であ
る。前記の米国特許第４，２９４，６１５号の第１欄で
は次のような指摘がなされている。

【００１２】「充分な知識をもっている当業者には、こ
れら２種の規則相の間に実質的な違いがあることが分か
っている。Ｔｉ₃ Ａｌとチタンの六方晶の結晶構造は極
めてよく似ているので、それらの合金化および変態の様
子は似ている。しかし、化合物ＴｉＡｌは原子が正方晶
の配列をとっており、したがって合金化特性もかなり違
っている。このような違いは先行文献では認識されてな
いことが多い。」

【００１３】この米国特許第４，２９４，６１５号に
は、得られる合金の性質を改良するためにＴｉＡｌをバ
ナジウムおよび炭素と合金化することが記載されてい
る。

【００１４】しかしこの米国特許第４，２９４，６１５
号には、ＴｉＡｌをケイ素もしくはクロムまたはケイ素
とクロムの組合せと合金化することが開示されていない
し、特にケイ素、クロムおよびニオブの組合せが開示さ
れていない。

【００１５】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をいくつか以下に挙げ
る。

【００１６】１．バンプス(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-Alminum System) 」、金属
雑誌(Journal of Metals) 、１９５２年６月、第６０９
〜６１４頁、米国機械学会誌(TRANSACTIONS AIME) 、第
１９４巻。

【００１７】２．オグデン(H.R. Ogden)、メイカス(D.
J. Maykuth)、フィンレイ(W.L. Finlay) およびジャフ
ィー(R.I. Jaffee) 著、「高純度Ｔｉ−Ａｌ合金の機械
的性質(Mechanical Properties of High Purity Ti-Al
Alloys) 」、金属雑誌(Journalof Metals) 、１９５３
年２月、第２６７〜２７２頁、米国機械学会誌(TRANSAC
TIONS AIME) 、第１９７巻。

【００１８】３．マカンドリュー(Joseph B. McAndrew)
およびケスラー(H.D. Kessler)著、「高温合金基材とし
てのＴｉ−３６％Ａｌ(Ti-36 Pct Al as a Base for Hi
gh Temperature Alloys)」、金属雑誌(Journal of Meta
ls) 、１９５６年１０月、第１３４８〜１３５３頁、米
国機械学会誌(TRANSACTIONS AIME) 、第２０６巻。

【００１９】４．マーチン(Patrick L. Martin) 、メン
ディラッタ(Madan G. Mendiratta)およびリスピット(Ha
rry A. Lispitt)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) 」、金属学会誌Ａ(Metallurgical T
ransactions A)、第１４Ａ巻（１９８３年１０月）第２
１７１〜２１７４頁。

【００２０】５．マーチン(P.L. Martin) 、リスピット
(H.A. Lispitt)、ヌーファ(N.T. Nuhfer) およびウィリ
アムズ(J.C. Williams) 著、「Ｔｉ₃ ＡｌとＴｉＡｌの
ミクロ組織と性質に対する合金化の効果(The Effects o
f Alloying on the Microstructure and Properties of
Ti ₃ Al and TiAl)」、チタン(Titanium)８０、米国金
属学会(American Society of Metals)刊、ウォーレンデ
ール(Warrendale)、ペンシルベニア州、第２巻、第１２
４５〜１２５４頁。

【００２１】６．パーキンス(R.A. Perkins)、チャン
(K.T. Chiang) およびマイヤー(G.H.Meyer)著、「Ｔｉ
−Ａｌ合金上でのアルミナの定式化(Formulation of Al
uminaon Ti-Al Alloys)」、スクリプタ・メタリュール
ジカ(Scripta METALLURGICA)、第２１巻（１９８７年）
第１５０５〜１５１０頁。

【００２２】酸化の影響および酸化に対する添加元素
（たとえばタンタル）の効果は、金属雑誌(Journal of
Metals) 、１９５６年１０月、米国機械学会誌(TRANSAC
TIONSAIME) の１３５０頁以降で議論されている。

【００２３】７．バリニョフ(S.M. Barinov)、ナルトバ
(T.T. Nartova)、クラシュリン(YuL. Krasulin)および
モグトバ(T.V. Mogutova) 著、「チタン・アルミニウム
の強度と破壊靭性の温度依存性(Temperature Dependenc
e of the Strength and Fracture Toughness of Titani
um Aluminum)」、ソビエト連邦科学アカデミー会報(Iz
v. Akad. Nauk SSSR)、金属(Met.)、第５巻（１９８３
年）第１７０頁。

【００２４】この文献７の表Ｉには、チタン−３６アル
ミニウム−０．０１ホウ素の組成物が報告されており、
この組成物は改良された延性をもっているとされてい
る。この組成物は原子％ではＴｉ₅₀Ａｌ_49.97 Ｂ_0.03に
相当する。

【００２５】８．サストリー(S.M.L. Sastry) およびリ
スピット(H.A. Lispitt)著、「ＴｉＡｌとＴｉ₃ Ａｌの
塑性変形(Plastic Deformation of TiAl and Ti ₃ Al)
」、チタン(Titanium)８０、米国金属学会(American S
ociety of Metals)刊、ウォーレンデール(Warrendal
e)、ペンシルベニア州、第２巻（１９８０年）第１２３
１頁。

【００２６】９．ツジモト(Tokuzo Tsujimoto)著、「Ｔ
ｉＡｌ金属間化合物合金の研究、開発および展望(Resea
rch, Development, and Prospects of TiAl Intermetal
licCompound Alloys)」、チタンとジルコニウム(Titani
um and Zirconium)、第３３巻、第３，１５９号（１９
８５年７月）第１〜１３頁。

【００２７】１０．リスピット(H.A. Lispitt)著、「ア
ルミ化チタン−概観(Titanium Aluminides - An Overvi
ew) 」、材料研究学会シンポジウム記録(Mat. Res. So
c. Symposium Proc.)、材料研究学会(Materials Resear
ch Society)、第３９巻（１９８５年）第３５１〜３６
４頁。

【００２８】１１．ワング(S.H. Whang)他著、「Ｌｌ_o
ＴｉＡｌ化合物合金における急速凝固の効果(Effect of
Rapid Solidification in Ll _o TiAl Compound Alloy
s) 」、急速凝固による構造用金属の性質向上に関する
米国金属学会シンポジウム記録(ASM Symposium Proceed
ings on Enhanced Properties in Struc. Metals Via R
apid Solidification)、マテリアルズ・ウィーク(Mater
ials Week)、（１９８６年１０月）第１〜７頁。

【００２９】１２．ソビエト連邦科学アカデミー会報(I
zvestiya Akademii Nauk SSSR)、金属(Metally.)、第３
号（１９８４年）第１６４〜１６８頁。

【００３０】１３．ラーセン(D.E. Larsen) 、アダムズ
(M.L. Adams)、カンペ(S.L. Kampe)、クリストドゥルー
(L. Christodoulou)およびブライアント(J.D. Bryant)
著、「不連続に強化されたＸＤ^TMアルミ化チタン複合材
における破壊靭性に対するマトリックス相形態学の影響
(Influence of Matrix Phase Morphology on Fracture
Toughness in a Discontinuously Reinforced XD^TM Tit
anium Aluminide Composite)」、スクリプタ・メタリュ
ールジカ・エ・マテリアリア(Scripta Metallurgica et
Materialia)、第２４巻（１９９０年）第８５１〜８５
６頁。

【００３１】１４．ウクライナ共和国科学アカデミー(A
kademii Nauk Ukrain SSR)、金属(Metallofiyikay)第５
０号（１９７４年）。

【００３２】１５．ブライアント(J.D. Bryant) 、クリ
ストドン(L. Christodon) およびメイサノ(J.R. Maisan
o)著、「近γアルミ化チタンのコロニーサイズに対する
ＴｉＢ₂ 添加の効果(Effect of TiB₂ Additions on th
e Colony Size of Near Gamma Titanium Aluminide
s)」、スクリプタ・メタリュールジカ・エ・マテリアリ
ア(Scripta Metallurgica et Materialia)、第２４巻
（１９９０年）第３３〜３８頁。

【００３３】ジャフィー(Jaffee)の米国特許第３，２０
３，７９４号には、ケイ素を含有するＴｉＡｌ組成物
と、クロムを含有する別のＴｉＡｌ組成物が開示されて
いる。

【００３４】同様に、ジャフィー(Jaffee)のカナダ特許
第６２１８８４号には、その表１に、クロムを含有する
ＴｉＡｌ組成物と、ケイ素を含有する別のＴｉＡｌ組成
物が開示されている。

【００３５】これらジャフィー(Jaffee)の特許には、ク
ロムとケイ素を組合せて含有するＴｉＡｌ組成物、特に
クロム、ケイ素およびニオブを組合せて含有するＴｉＡ
ｌ組成物に関する暗示も示唆もない。

【００３６】ハシモト(Hashimoto) の米国特許第４，６
６１，３１６号には、ＴｉＡｌに０．１〜５．０重量％
のマンガンをドープすること、ならびにマンガンと他の
元素を組合せてＴｉＡｌにドープすることが教示されて
いる。このハシモト(Hashimoto) の特許には、ＴｉＡｌ
にクロムをドープすること、またはクロムを始めとする
元素の組合せをドープすることは教示されていないし、
特にクロムとケイ素およびニオブの組合せをドープする
ことは教示されていない。

【００３７】ジャフィー(Jaffee)のカナダ特許第６２，
８８４号には、その表１に、ＴｉＡｌ中にクロムを含有
している組成物が開示されている。また、ジャフィー(J
affee)は、表１に、ＴｉＡｌ中にタンタルを含有する別
の組成物、およびＴｉＡｌ中に各種添加剤を含有してい
る約２６種の他のＴｉＡｌ組成物も開示している。しか
し、このジャフィー(Jaffee)のカナダ特許には、クロム
と他の元素の組合せまたはニオブと他の元素との組合せ
を含有するＴｉＡｌ組成物は開示されていない。特に、
クロム、ケイ素およびニオブを組合せて含有するＴｉＡ
ｌ組成物に関する開示はもちろん暗示も示唆もない。

【００３８】本出願人の所有するたくさんの特許がアル
ミ化チタンおよびそのようなアルミ化物の性質を改良す
るための方法と組成物に関わっている。これらの特許の
中には、米国特許第４，８３６，９８３号、第４，８４
２，８１９号、第４，８４２，８２０号、第４，８５
７，２６８号、第４，８７９，０９２号、第４，８９
７，１２７号、第４，９０２，４７４号、第４，９１
６，０２８号、第４，９２３，５３４号、第５，０３
２，３５７号、第５，０４５，４０６号、ならびにホワ
ン(S.C. Huang)およびジグリオッチ(M.F.X. Gigliotti)
の米国特許第４，８４２，８１７号がある。さらに、本
出願人所有の米国特許第５，０２８，４９１号では、ク
ロムとニオブの添加によってアルミ化チタンを改良する
ことが教示されている。これらの特許の明細書はここで
引用したことにより本明細書に含まれているものとす
る。

【００３９】他の多くの特許もＴｉＡｌ組成物に関連し
ている。たとえば、ジャフィー(Jaffee)の米国特許第
３，２０３，７９４号はさまざまなＴｉＡｌ組成物を開
示している。

【００４０】サストリー(Sastry)の米国特許第４，６３
９，２８１号は、Ｔｉ−Ａｌを始めとするチタン基合金
に、ホウ素、炭素、窒素およびこれらの混合物またはこ
れらとケイ素との混合物からなる繊維状分散質を含ませ
ることを教示している。

【００４１】ナグル(Nagle) の米国特許第４，７７４，
０５２号は、アルミ化チタンを始めとするマトリックス
材料に第二相物質を分与するためにホウ素化物を始めと
するセラミックを発熱反応によってマトリックス中に配
合する方法に係る。特開平１−２９８１２７号（１９８
９年）は、アルミ化チタンに対する他の添加剤のうち、
ニオブとホウ素を添加剤として使用すること、またクロ
ムとホウ素を添加剤として使用することを開示してい
る。

【００４２】

【発明の概要】本発明の広い局面のひとつにおいて、本
発明の目的は、非化学量論のＴｉＡｌベース合金を準備
し、その非化学量論組成物に比較的低濃度のクロム、低
濃度のケイ素および適当な濃度のニオブを添加すること
によって達成される。２原子％程度のクロム、２〜６原
子％程度のニオブ、および１〜４原子％程度までのケイ
素を添加することが考えられる。

【００４３】本発明の合金は、特に鋳造形態で製造する
のに適しており、インゴット冶金法によりＨＩＰその他
の加工処理にかけることができる。また、添加の後、ク
ロムを含有する非化学量論性ＴｉＡｌ金属間化合物を急
速凝固してもよい。

【００４４】

【詳細な説明】以下に述べる発明の詳細な説明は、添付
の図面を参照すると、より明瞭に理解できる。

【００４５】ケイ素、ニオブおよびクロムを組合せてγ
ＴｉＡｌに添加するという本発明の基礎となった発見に
至ることになった本発明者の一連の研究と従来の研究の
結果を示す。

【００４６】（参考例１〜３） ＴｉＡｌの化学量論に近いさまざまな化学量論比でチタ
ンとアルミニウムを含有する３つのメルトをそれぞれ調
製した。これらの組成物の組成、焼きなまし温度、およ
び行なった試験の結果を表Ｉに示す。

【００４７】各参考例とも、まず最初にアーク融解によ
って合金からインゴットを作成した。このインゴットを
アルゴン分圧下のメルトスピニングによってリボンに加
工した。この融解の両方の段階で、望ましくないメルト
と容器との反応を避けるために、銅製の水冷式炉をメル
トの容器として使用した。また、チタンは酸素に対する
親和性が強いため、熱い金属が酸素にさらされるのを避
けるように注意した。

【００４８】こうして急速に凝固させたリボンをスチー
ル製の缶に詰めて排気した後密封した。次に、缶を３０
ｋｓｉの圧力下９５０℃（１７４０°Ｆ）で３時間熱間
静水圧プレスした。ＨＩＰ用の缶を機械加工して除き、
固まったリボンプラグを得た。このＨＩＰ処理したサン
プルは、直径が約１インチで長さが３インチのプラグで
あった。

【００４９】このプラグを、ビレットの中央開口部の軸
方向に入れて密封した。このビレットを９７５℃（１７
８７°Ｆ）に加熱し、圧延比が約７対１のダイを通して
押出した。こうして押出したプラグをビレットから取り
出して熱処理した。

【００５０】次に、この押出したサンプルを表Ｉに示す
温度で２時間焼きなました。焼きなましの後、１０００
℃で２時間時効化処理した。室温での４点曲げ試験用の
試験片は１．５×３×２５．４ｍｍ（０．０６０×０．
１２０×１．０インチ）の寸法に機械加工した。曲げ試
験は、内側間隔が１０ｍｍ（０．４インチ）で外側間隔
が２０ｍｍ（０．８インチ）の４点曲げ試験用固定具を
用いて実施した。荷重−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性質が定められる。

【００５１】（１）耐力（降伏強さ）はクロスヘッド変
位が１／１０００インチのときの流れ応力である。この
値のクロスヘッド変位は、塑性変形の最初の徴候および
弾性変形から塑性変形への遷移と考えられる。通常の圧
縮法や引張り法で耐力および／または破壊強度を測定す
ると、本明細書中の測定値をとるのに行なった４点曲げ
試験で得られる結果より低くなる傾向がある。４点曲げ
試験の測定結果の方が高いということは、これらの値を
通常の圧縮法または引張り法で得られた値と比較する場
合注意すべきである。しかし、本明細書中の合金の多く
で行なった測定結果の比較は４点曲げ試験のもの同士で
あり、この技術で測定したすべてのサンプルでこのよう
な比較は組成の違いまたは組成物の加工・処理の違いに
基づく強度特性の違いを立証するのに極めて効果的であ
る。

【００５２】（２）破壊強度は破壊に至る応力である。

【００５３】（３）外側繊維歪みは９．７１ｈｄで表わ
される量であり、「ｈ」は試験片の厚み（インチ）、
「ｄ」は破壊時のクロスヘッド変位（インチ）である。
こうして計算される値は、冶金学的に、曲げ試験片の外
側表面が破壊時に受ける塑性変形の量を表わす。

【００５４】結果を次の表Ｉに示す。表Ｉは１３００℃
で焼きなましたサンプルの特性に関するデータを示して
いる。また、これらのサンプルの別のデータを特に図２
に示す。

【００５５】

【表１】 表 Ｉ 破 壊 外側繊参考 例 γ合金 組 成 焼きなまし 耐 力 強 度 維歪み番 号 番 号 （原子％） 温度（℃） (ksi) (ksi) （％） １ ８３ Ｔｉ₅₄Ａｌ₄₆ １２５０ １３１ １３２ ０．１ １３００ １１１ １２０ ０．１ １３５０ ＊ ５８ ０ ２ １２ Ｔｉ₅₂Ａｌ₄₈ １２５０ １３０ １８０ １．１ １３００ ９８ １２８ ０．９ １３５０ ８８ １２２ ０．９ １４００ ７０ ８５ ０．２ ３ ８５ Ｔｉ₅₀Ａｌ₅₀ １２５０ ８３ ９２ ０．３ １３００ ９３ ９７ ０．３ １３５０ ７８ ８８ ０．４ ＊−サンプルが測定に耐えるだけの充分な延性をもって
いなかったので測定値は得られなかった。

【００５６】この表のデータから明らかなように、参考
例２の合金１２が最も良好な組合せの性質を示した。こ
れにより、Ｔｉ−Ａｌ組成物の性質がＴｉ／Ａｌ原子比
および適用した熱処理に対して非常に敏感であることが
確認される。以下に記載するようにして実施したその後
の実験に基づいて、さらに特性を改良するためのベース
合金として合金１２を選択した。

【００５７】また、１２５０〜１３５０℃の温度で焼き
なますと、望ましいレベルの耐力、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、１４００℃で焼きなますと、１３５０℃で
焼きなました試験片よりかなり低い耐力（約２０％低
い）、より低い破壊強度（約３０％低い）およびより低
い延性（約７８％低い）を有する試験片が得られる。こ
れらの性質の急激な低下はミクロ組織の大きな変化に起
因しており、このミクロ組織の変化自体は１３５０℃よ
りかなり高い温度で広範に起こるβ変態によるものであ
る。

【００５８】（参考例４〜１３） 表示した原子比のチタンとアルミニウムを含有し、比較
的少ない原子パーセントの添加元素を含む別の１０種の
メルトをそれぞれ調製した。

【００５９】各サンプルは参考例１〜３に関して上記し
たようにして調製した。

【００６０】これらの組成物の組成、焼きなまし温度、
および試験結果を、ベース合金としての合金１２と比較
して表IIに示す。

【００６１】

【表２】 表 II 破 壊 外側繊参考 例 γ合金 焼きなまし 耐 力 強度 維歪み番 号 番 号 組 成（原子％） 温度（℃） (ksi) (ksi) （％） ２ １２ Ｔｉ₅₂Ａｌ₄₈ １２５０ １３０ １８０ １．１ １３００ ９８ １２８ ０．９ １３５０ ８８ １２２ ０．９ ４ ２２ Ｔｉ₅₀Ａｌ₄₇Ｎｉ₃ １２００ ＊ １３１ ０ ５ ２４ Ｔｉ₅₂Ａｌ₄₆Ａｇ₂ １２００ ＊ １１４ ０ １３００ ９２ １１７ ０．５ ６ ２５ Ｔｉ₅₀Ａｌ₄₈Ｃｕ₂ １２５０ ＊ ８３ ０ １３００ ８０ １０７ ０．８ １３５０ ７０ １０２ ０．９ ７ ３２ Ｔｉ₅₄Ａｌ₄₅Ｈｆ₁ １２５０ １３０ １３６ ０．１ １３００ ７２ ７７ ０．２ ８ ４１ Ｔｉ₅₂Ａｌ₄₄Ｐｔ₄ １２５０ １３２ １５０ ０．３ ９ ４５ Ｔｉ₅₁Ａｌ₄₇Ｃ₂ １３００ １３６ １４９ ０．１ １０ ５７ Ｔｉ₅₀Ａｌ₄₈Ｆｅ₂ １２５０ ＊ ８９ ０ １３００ ＊ ８１ ０ １３５０ ８６ １１１ ０．５ １１ ８２ Ｔｉ₅₀Ａｌ₄₈Ｍｏ₂ １２５０ １２８ １４０ ０．２ １３００ １１０ １３６ ０．５ １３５０ ８０ ９５ ０．１ １２ ３９ Ｔｉ₅₀Ａｌ₄₆Ｍｏ₄ １２００ ＊ １４３ ０ １２５０ １３５ １５４ ０．３ １３００ １３１ １４９ ０．２ １３ ２０ Ｔｉ_49.5Ａｌ_49.5Ｅｒ₁ ＋ ＋ ＋ ＋ ＊−表Ｉ脚注参照。 ＋−試験片製造のための機械加工中に材料破壊。

【００６２】参考例４と５の１２００℃で熱処理したも
のは延性がほとんどゼロであることが判明したので耐力
は測定できなかった。参考例５の１３００℃で焼きなま
したものは延性が増大したがそれでも低くて望ましくな
かった。

【００６３】参考例６の１２５０℃で焼きなました試験
片も同様であった。参考例６の１３００℃と１３５０℃
で焼きなました試験片では、延性は充分であったが耐力
は低かった。

【００６４】他の参考例の試験片はいずれも意味のある
程度の延性をもっていないことが判明した。

【００６５】表IIに挙げた結果から明らかなように、試
験用組成物の製造に関与するパラメーターは極めて複雑
であり相互に関連している。ひとつのパラメーターはア
ルミニウムの原子比に対するチタンの原子比である。図
３にプロットしたデータから明らかなように、化学量論
比または非化学量論比はいろいろな組成物で得られた試
験特性に対して強い影響を示す。

【００６６】別のパラメーターはベースのＴｉＡｌ組成
物中に含ませるために選択した添加元素である。この種
のパラメーターのうちで第一のものは、特定の添加元素
がチタンとアルミニウムのいずれの置換元素として作用
するかということに関する。ある特定の金属はいずれの
様式でも作用し得、ある添加元素が果たす役割を決定す
ることができる簡単な規則はない。このパラメーターの
重要性は、添加元素Ｘをある原子パーセントで添加した
場合を考えれば明らかである。

【００６７】もしＸがチタンの置換元素として作用する
のであれば、組成物Ｔｉ₄₈Ａｌ₄₈Ｘ₄ の有効アルミニウ
ム濃度は４８原子％であり、有効チタン濃度は５２原子
％となる。

【００６８】逆に、添加元素Ｘがアルミニウムの置換元
素として作用するならば、得られる組成物の有効アルミ
ニウム濃度は５２原子％で、有効チタン濃度は４８原子
％となる。

【００６９】したがって、生起する置換の種類は非常に
重要であるが、その予測は極めて困難である。

【００７０】これと同様な種類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。ある添加元素で最
も良好な強度特性を生ずる焼きなまし温度は別の添加元
素の場合と違っていることが分かる。これは、参考例６
の結果を参考例７の結果と比較するとよく分かる。

【００７１】さらに、添加元素に対して濃度と焼きなま
しが結合した効果があることがある。すなわち、なんら
かの向上が見られる場合、添加元素の濃度と焼きなまし
温度のある一定の組合せで最適な特性向上が生じ、それ
より高い濃度および低い濃度および／またはそれより高
い焼きなまし温度および低い焼きなまし温度では所望の
特性改良を得る上で効果が薄くなる可能性がある。

【００７２】表IIの結果を見ると、非化学量論のＴｉＡ
ｌ組成物に第三元素を添加して得ることができる結果は
極めて予測が難しいこと、および、ほとんどの試験結果
は延性もしくは強度またはその両方の点で満足できない
ことが明らかである。

【００７３】（参考例１４〜１７） 添加元素を含むγアルミ化チタン合金のさらに別のパラ
メーターは、添加元素を組合せても、同じ添加元素をそ
れぞれ別個に含ませて得られるそれぞれの効果の加法的
組合せになるとは限らないということである。

【００７４】参考例１〜３に関して上記したようにし
て、表III に挙げるバナジウム、ニオブおよびタンタル
をそれぞれ別個に添加したＴｉＡｌベースのサンプルを
さらに４種類調製した。これらの組成物は、本出願人所
有の米国特許第４，８４２，８１７号および第４，８５
７，２６８号に報告されている最適な組成物である。

【００７５】４番目の組成物は、表III で合金４８と表
示してある単一の合金中にバナジウム、ニオブおよびタ
ンタルを組合せて含む組成物である。

【００７６】表III から明らかなように、参考例１４、
１５および１６でバナジウム、ニオブおよびタンタルを
個別に添加すると、それぞれ、ベースのＴｉＡｌ合金を
かなり改良することができる。しかし、これらの添加元
素を組合せて単一の合金組成物にしても、個々の改良が
単に加え合されるようにはならない。事実はまったく逆
である。

【００７７】まず最初に、個々の合金を焼きなます際に
使用した１３５０℃という温度で焼きなました合金４８
からは、試験片を製造するための機械加工中に破断する
ような脆い材料が得られることが判明した。

【００７８】次に、添加元素を組合せて含み１２５０℃
で焼きなました合金で得られる結果は、個々の添加元素
を含有する別の合金で得られる結果よりひどく劣ってい
る。

【００７９】特に、延性に関して、参考例１４の合金１
４において延性を大きく改良するのにバナジウムが極め
て有効であったことが明らかである。しかし、参考例１
７の合金４８においてバナジウムを他の添加元素と組合
せると、達成されると思われた延性の改良はまったく得
られない。事実、ベース合金の延性は０．１にまで低下
する。

【００８０】さらに、耐酸化性に関して、合金４０の添
加元素であるニオブは、ベース合金の重量損失が３１ｍ
ｇ／ｃｍ² であるのに対して合金４０の重量損失が４ｍ
ｇ／ｃｍ² であり、極めて大きな改良を明確に示してい
る。この酸化試験、すなわち耐酸化性の補足試験では、
試験しようとするサンプルを４８時間９８２℃に加熱す
る。サンプルを冷却後酸化物スケールを掻き取る。この
加熱・掻き取りの前後にサンプルを秤量することによっ
て重量差を決定することができる。重量損失（ｇ／ｃｍ
² ）は、合計の重量損失（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決定され
る。この酸化試験は、本出願で示した酸化または耐酸化
性の測定すべてに用いたものである。

【００８１】タンタルを添加した合金６０の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。これを再びベース合金の重量損失３１ｍｇ
／ｃｍ² と比較する。言い換えると、個別の添加では、
添加元素のニオブとタンタルのどちらも、ベース合金の
耐酸化性を改良する際に極めて有効であった。

【００８２】しかしながら、表III に挙げた結果から明
らかなように、３種の添加元素バナジウム、ニオブおよ
びタンタルをすべて組合せて含有する参考例１７の合金
４８では、酸化量がベース合金の約２倍に増大してい
る。このベース合金の酸化量は、添加元素としてニオブ
だけを含有する合金４０より７倍大きく、添加元素とし
てタンタルだけを含有する合金６０より約１５倍大き
い。

【００８３】

【表３】 表 III 参考 γ 焼き 破壊 外側繊 98℃48時間 例 合金 組 成 なまし 耐力 強度 維歪み 後重量損失番号 番号 （原子％） 温度(℃) (ksi) (ksi) （％） (mg/cm ² ) 2 12 Ti₅₂Al₄₈ 1250 130 180 1.1 * 1300 98 128 0.9 * 1350 88 122 0.9 31 14 14 Ti₄₉Al₄₈V₃ 1300 94 145 1.6 27 1350 84 136 1.5 * 15 40 Ti₅₀Al₄₆Nb₄ 1250 136 167 0.5 * 1300 124 176 1.0 4 1350 86 100 0.1 * 16 60 Ti₄₈Al₄₈Ta₄ 1250 120 147 1.1 * 1300 106 141 1.3 * 1325 * * * * 1325 * * * 2 1350 97 137 1.5 * 1400 72 92 0.2 * 17 48 Ti₄₉Al₄₅V₂Nb₂Ta₂ 1250 106 107 0.1 60 1350 + + + * * 測定せず。 + 材料は試験片製造のための機械加工中に破断。

【００８４】個別に添加元素を使用して得られるそれぞ
れの利点または欠点は、これらの添加元素をそれぞれ何
度も繰返して使用したとき信頼性良く再現される。しか
し、添加元素を組合せて使用したとき、その組合せの中
のある添加元素がベース合金中で示す効果は、その添加
元素をそれぞれ単独で同じベース合金に使用したときの
その添加元素の効果と全然異なることがある。たとえば
バナジウムの添加がチタン・アルミニウム組成物の延性
に対して有益であることはすでに発見されており、本出
願人所有の米国特許第４，８５７，２６８号に開示さ
れ、考察されている。また、ＴｉＡｌベースの強度に対
して有益であることが判明している添加元素のひとつが
ニオブである。加えて、すでにのべたマカンドリュー(M
cAndrew)の論文に示されているように、添加元素として
ニオブを単独でＴｉＡｌベース合金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
添加しても、耐酸化性の改良に効果があることがマカン
ドリュー(McAndrew)によって教示されている。さらに、
本出願人所有の米国特許第４，８４２，８１７号には、
タンタルを添加すると延性が改良されることが開示され
ている。

【００８５】言い直すと、バナジウムが単独でγチタン
・アルミニウム化合物の延性を改良するのに有利である
こと、および、タンタルが単独で延性と耐酸化性を改良
する可能性があるということは分かっている。別に、添
加元素のニオブはチタン・アルミニウムの強度特性と耐
酸化特性に有益に寄与する可能性があるということが分
かっている。しかし、この参考例１７に示されているよ
うに、バナジウム、タンタルおよびニオブを一緒に使用
して合金組成物中で添加元素として組合せると、その合
金組成物は添加によって改善されることなく、むしろこ
のニオブ、タンタルおよびバナジウム添加元素を含有す
るＴｉＡｌの特性は逆に低下したり損なわれたりする。
これは表III のデータから明らかである。

【００８６】このことから明らかなように、２種以上の
添加元素が個別にＴｉＡｌを改良する場合、それらを一
緒に使用すればＴｉＡｌをさらに改良するように思われ
るかもしれないが、それにもかかわらずそのような添加
は極めて予測し難く、事実、添加元素バナジウム、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
一緒に使用すると、全体としての性質がいくらかでも向
上することなく、最終的に性質が損なわれることが分か
る。

【００８７】しかしながら、上記表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の添加元素を
組合せて含有する合金は、耐酸化性が参考例２のＴｉＡ
ｌベース合金１２よりはるかに劣っている。ここでも、
別々に使用すればある性質を改良する添加元素を組合せ
て含ませると、それらの添加元素を個別に含ませること
によって改良された性質が逆に損なわれることが判明し
た。

【００８８】（参考例１８〜２３）参考 例１〜３に関して上記したようにして、表IVに挙げ
る組成を有するクロム変性アルミ化チタンを含むサンプ
ルをさらに６つ調製した。

【００８９】表IVは、いろいろな熱処理条件下で標準合
金と変性合金のすべてについて行なった曲げ試験の結果
をまとめたものである。

【００９０】

【表４】 表 IV 焼きな 破壊 外側繊参考 例 γ合金 組 成 まし温 耐力 強度 維歪み番 号 番 号 （原子％） 度(℃) (ksi) (ksi) （％） 2 12 Ti₅₂Al₄₈ 1250 130 180 1.1 1300 98 128 0.9 1350 88 122 0.9 18 38 Ti₅₂Al₄₆Cr₂ 1250 113 170 1.6 1300 91 123 0.4 1350 71 89 0.2 19 80 Ti₅₀Al₄₈Cr₂ 1250 97 131 1.2 1300 89 135 1.5 1350 93 108 0.2 20 87 Ti₄₈Al₅₀Cr₂ 1250 108 122 0.4 1300 106 121 0.3 1350 100 125 0.7 21 49 Ti₅₀Al₄₆Cr₄ 1250 104 107 0.1 1300 90 116 0.3 22 79 Ti₄₈Al₄₈Cr₄ 1250 122 142 0.3 1300 111 135 0.4 1350 61 74 0.2 23 88 Ti₄₆Al₅₀Cr₄ 1250 128 139 0.2 1300 122 133 0.2 1350 113 131 0.3

【００９１】表IVに挙げた結果もまた、合金化添加元素
またはドープ元素がベース合金に付与される特性に及ぼ
す効果を決定する際の要因の臨界性を証明している。た
とえば、２原子％のクロムを添加した合金８０は一組の
良好な性質を示している。このことから、さらにクロム
を添加すればさらに改良されると期待されるかもしれな
い。しかし、３種の異なるＴｉＡｌ原子比を有する合金
に４原子％のクロムを添加した参考例で立証されたよう
に、低い濃度で有益であることが判明したある添加元素
の濃度を増大させても、あるものが良好な場合それを増
やせばさらに良くなるという単純な理論には従わない。
実際、添加元素のクロムではまったく逆であり、あるも
のが良好な場合それを増やせば悪くなることが立証され
た。表IVから明らかなように、「より多く」（４原子
％）のクロムを含有する合金４９、７９および８８はい
ずれも、ベース合金と比べて強度が劣っており、さらに
外側繊維歪み（延性）も劣っている。

【００９２】対照的に、参考例１８の合金３８は２原子
％の添加元素を含有しており、延性は大幅に改善されて
いるが強度は少しだけ低下している。また、合金３８の
測定された外側繊維歪みの値は熱処理条件に応じて大き
く変化していることが分かる。外側繊維歪みが顕著に増
大したのは１２５０℃で焼きなました場合である。それ
より高い温度で焼きなましたときに観察された歪みは減
少していた。また、添加元素を同じく２原子％しか含ま
ない合金８０でも同様な改良が観察されたが、最高の延
性は１３００℃の焼きなまし温度で得られた。

【００９３】参考例２０の合金８７では、２原子％のク
ロムを使用しているが、アルミニウムの濃度が５０原子
％に増大している。アルミニウム濃度が高いと、アルミ
ニウムが４６〜４８原子％の範囲でクロムが２原子％の
組成物で測定された延性と比べてやや延性が低下する。
合金８７の場合最適の熱処理温度は約１３５０℃である
ことが判明した。

【００９４】各々２原子％の添加元素を含有している参
考例１８、１９および２０から、最適焼きなまし温度は
アルミニウム濃度の増大と共に高くなることが観察され
た。

【００９５】このデータから、１２５０℃で熱処理した
合金３８が最も良好な室温特性の組合せをもっているこ
とが決定された。アルミニウムが４６原子％の合金３８
で最適な焼きなまし温度は１２５０℃であったが、４８
原子％のアルミニウムを含む合金８０の最適焼きなまし
温度は１３００℃であったことに注意されたい。合金８
０に関して得られたデータをベース合金のデータと共に
図２にプロットした。

【００９６】このような合金３８と８０の延性がそれぞ
れ１２５０℃と１３００℃の熱処理で顕著に増大するこ
とは、本出願人所有の米国特許第４，８４２，８１９号
で説明されているように予期されなかった。

【００９７】表IVに挙げたデータから明らかなことは、
ＴｉＡｌ組成物の特性を改良するためのこの組成物の変
性は極めて複雑で予測困難な仕事であるということであ
る。たとえば、明らかに、ＴｉＡｌの原子比が適当な範
囲内にあって組成物の焼きなまし温度がクロム添加に対
して適当な範囲であれば、２原子％レベルのクロムが組
成物の延性を大幅に増大させる。また、添加元素のレベ
ルを増大することによって特性改良の効果が大きくなる
と期待されるかもしれないが、２原子％レベルで達成さ
れる延性の増大はクロムを４原子％レベルまで挙げたと
きに逆に失われるのであるから、事実はまったく逆であ
ることも表IVのデータから明らかである。さらに、４％
レベルでは、チタンとアルミニウムの原子比を広範囲に
変えるにしても、また高濃度の添加元素の添加に付随す
る特性の変化を試験・研究する際に充分広範囲の焼きな
まし温度を使用するにしても、ＴｉＡｌの特性改良に有
効ではないことが明らかである。

【００９８】（参考例２４） 次の組成 Ｔｉ₅₂Ａｌ₄₆Ｃｒ₂ をもつ合金サンプルを調製した。

【００９９】この合金のテストサンプルを２つの異なる
製法で製造し、各サンプルの特性を引張り試験で測定し
た。使用した方法と得られた結果を下記表Ｖに示す。

【０１００】

【表５】 表 Ｖ 焼きな 引張 塑性参考 例 合金 組 成 まし温 耐力 強さ 伸び番 号 番号 （原子％） 加工法 度(℃) (ksi) (ksi) (％) 18' 38 Ti₅₂Al₄₆Cr₂ 急速凝固法 1250 93 108 1.5 24 38 Ti₅₂Al₄₆Cr₂ 鋳造・鍛造 1225 77 99 3.5 インゴット 1250 74 99 3.8 冶金法 1275 74 97 2.6

【０１０１】表Ｖには、２つの参考例１８′と２４に従
ってそれぞれの合金を形成するために異なる２つの合金
製造法を使用して調製した合金サンプル３８に対する結
果を挙げた。さらに、参考例１８′の合金３８から調製
した金属試験片、またこれとは別に参考例２４の合金３
８から調製した金属試験片については、前の参考例の試
験片に対して使用した試験法とは異なる試験法を使用し
た。

【０１０２】さて、最初に参考例１８′について、この
合金は参考例１〜３に関して上記した方法によって調製
した。これは急速凝固および圧密法である。さらに、参
考例１８′では、すでに挙げた表に記載した他のデー
タ、特に上記表IVの参考例１８のデータをとる際に使用
した４点曲げ試験も実施しなかった。代わりに使用した
試験法は、より一般的な引張り試験であった。この方法
では、金属サンプルを引張り試験棒として調製し、引張
り試験機にかけ、金属が伸びて最終的に破断するまで試
験棒を引張る。たとえば、再び表Ｖの参考例１８′を例
にとると、合金３８を引張り試験棒に製造し、この試験
棒を引張ったところ９３ｋｓｉで降伏した、すなわち伸
びきった。

【０１０３】引張り試験棒で測定した表Ｖの参考例１
８′の降伏強さ（耐力）（ｋｓｉ）は、４点曲げ試験で
測定した表IVの参考例１８の耐力（ｋｓｉ）に匹敵して
いる。一般に、冶金分野の習慣では、引張り試験棒で決
定した耐力の方が工学目的により普通に使用され、より
広く受入れられている尺度である。

【０１０４】同様に、１０８ｋｓｉの引張り強さは表Ｖ
の参考例１８′の試験棒を引張った結果これが破断した
ときの強さを表わしている。この値は、表IVの参考例１
８の破壊強度（ｋｓｉ）と参照される。２つの異なる試
験によって、すべてのデータに対して２つの異なる測定
値が得られることは明らかである。

【０１０５】次に、塑性伸びに関しても、参考例１８に
対して上記表IVに挙げたような４点曲げ試験で決定され
る結果と、参考例１８′に対して表Ｖの一番右側の欄に
挙げた塑性伸び（％）との間に、ある相関が存在する。

【０１０６】ここで再び表Ｖを参照すると、参考例２４
は、「加工法」の欄に、鋳造・鍛造インゴット冶金法に
よって調製したと示してある。本明細書で使用するこの
「鋳造・鍛造インゴット冶金法」では、表Ｖに示した参
考例１８′に対する割合に正確に対応する割合で合金３
８の成分を融解させる。別の言い方をすると、参考例１
８′と参考例２４の合金３８の組成は互いに同一であ
る。２つの参考例の違いは、参考例１８′の合金が急速
凝固法で調製され、参考例２４の合金が鋳造・鍛造イン
ゴット冶金法で調製されたということである。繰返す
が、鋳造・鍛造インゴット冶金法では、成分を融解さ
せ、その成分をインゴットに凝固させた後鍛造する。急
速凝固法では、メルトスピニング（溶融紡糸）法によっ
てリボンを形成した後そのリボンを圧密化して充分に緻
密で一体となった金属サンプルにする。

【０１０７】参考例２４の鋳造・鍛造インゴット融解法
では、直径が約２″で厚みが約１／２″のほぼホッケー
パックの形をしたインゴットを製造する。このホッケー
パック状のインゴットを融解・凝固させた後、インゴッ
トを壁厚が約１／２″で高さがホッケーパック状インゴ
ットの厚さに等しいスチール環体内に封入した。このホ
ッケーパック状インゴットは、保持リング内に封入する
前に１２５０℃に２時間加熱して均質化した。このホッ
ケーパックと収容リングとを一体にして約９７５℃の温
度に加熱した。加熱したサンプルと収容リングを鍛造し
て元の厚みのほぼ半分の厚みにした。この手順を本明細
書では鋳造・鍛造プロセスという。

【０１０８】試験片の鍛造と冷却の後、参考例１８′で
製造した引張り試験片に相当する引張り試験片を製造し
た。これらの引張り試験片を参考例１８′で使用したの
と同じ通常の引張り試験にかけ、得られた耐力、引張り
強さおよび塑性伸びの測定値を表Ｖに参考例２４として
挙げた。表Ｖの結果から明らかなように、個々のテスト
サンプルは実際の引張り試験に先だっていろいろな焼き
なまし温度で処理した。

【０１０９】表Ｖの参考例１８′で引張り試験片に対し
て使用した焼きなまし温度は１２５０℃である。表Ｖの
参考例２４で合金３８の３つのサンプルは、それぞれ表
Ｖに示した３つの異なる温度、すなわち、１２２５℃、
１２５０℃および１２７５℃で焼きなました。この焼き
なまし処理をほぼ２時間行なった後、サンプルを通常の
引張り試験にかけた。結果は表Ｖで３つの別々に処理し
た引張り試験片に対して示した。

【０１１０】ここで再び表Ｖに挙げた試験結果をみると
明らかなように、急速凝固した合金の耐力は、鋳造・鍛
造インゴット法で処理した金属試験片の耐力より少し高
い。また、一般に、鋳造・鍛造インゴット冶金法で調製
したサンプルは塑性伸びが高いことから、急速凝固法で
調製したサンプルより高い延性をもつということも明ら
かである。参考例２４の結果が立証しているように、耐
力の測定値は参考例１８′より多少低いとはいっても参
考例２４のサンプルは航空機エンジンやその他多くの産
業用途には充分に適している。しかし、表Ｖに示した延
性の測定結果によると、鋳造・鍛造インゴット冶金法で
調製した合金３８は延性が改善されるので、より高い延
性を必要とする用途に極めて望ましいユニークな合金で
ある。

【０１１１】一般的に、鋳造・鍛造インゴット冶金法に
よる加工は、費用のかかるメルトスピニングステップそ
のものを必要としないし、メルトスピニングに続く圧密
化ステップも必要としないので、メルトスピニングまた
は急速凝固による加工よりずっと安価であることはよく
知られている。

【０１１２】（参考例２５） 本質的に参考例２４に記載した鋳造・鍛造インゴット冶
金法によって合金のサンプルを調製した。このメルトの
成分は次式に合致していた。 Ｔｉ₄₈Ａｌ₄₈Ｃｒ₂ Ｓｉ₂

【０１１３】これらの成分からメルトを形成し、そのメ
ルトを鋳造してインゴットにした。

【０１１４】このインゴットの寸法は直径が約２イン
チ、厚さが約１／２インチであった。

【０１１５】インゴットを２時間１２５０℃に加熱して
均質化した。

【０１１６】ほぼホッケーパックの形をしているこのイ
ンゴットの側面を、壁厚が約１／２インチで高さがホッ
ケーパックインゴットの高さと同じ環状のスチールバン
ドで包んだ。

【０１１７】このホッケーパックインゴットと環状保持
リングの全体を約９７５℃の温度に加熱した後、この温
度で鍛造した。鍛造の結果、ホッケーパックインゴット
と環状の保持リングの厚さは元の厚さの半分になった。

【０１１８】鍛造したインゴットを冷却した後、インゴ
ットの機械加工により３つの異なる熱処理用に３つのピ
ンを作成した。この３つの異なるピンを、それぞれ下記
表VIに示す３つの異なる温度で２時間焼きなました。こ
の焼きなましの後３つのピンを１０００℃で２時間時効
処理した。

【０１１９】焼きなましと時効の後、各ピンを機械加工
して普通の引張り試験棒を作成し、得られた３つの試験
棒に対して通常の引張り試験を実施した。引張り試験の
結果を表VIに示す。

【０１２０】

【表６】 表 VI 合金の引張り特性と耐酸化性 室温引張り試験 参考 γ 焼きな 破 壊 塑 性 例 合金 組 成 まし温 耐力 強 度 伸 び番号 番号 （原子％） 度(℃) (ksi) (ksi) （％） 2A^* 12A Ti₅₂Al₄₈ 1300 54 73 2.6 1325 50 71 2.3 1350 53 72 1.6 25 156 Ti₅₂Al₄₄Cr₂Si₂ 1300 79 98 1.7 1325 74 101 2.6 1350 80 107 2.6^* 参考 例２Ａは使用した合金の組成の点では前記参考例
２に相当する。しかし、参考例２Ａの合金１２Ａは、参
考例２の合金１２の場合の急速凝固法ではなく、鋳造・
鍛造インゴット冶金法で調製した。引張り特性と伸び特
性は、参考例２の合金１２に対して使用した４点曲げ試
験ではなく、引張り試験棒法で試験した。

【０１２１】表から明らかなように、合金１５６の３つ
のサンプルは、３つの異なる温度、すなわち１３００
℃、１３２５℃および１３５０℃でそれぞれ別個に焼き
なました。これらのサンプルの耐力はベース合金１２よ
り大幅に改善された。たとえば、１３２５℃で焼きなま
したサンプルは耐力が約４８％向上し、破壊強度が約４
２％向上した。この強度の向上に伴って延性が失われる
ことはなく、実際には約１３％向上もした。

【０１２２】大きく改良された強度と適度に改良された
延性を考え合わせるとこのγアルミ化チタン組成物は極
めてユニークである。この組成物は本出願人の米国特許
第５，０４５，４０６号の主題である。

【０１２３】（参考例２５Ｂ） 上記参考例２５では鋳造・鍛造法によって合金を調製し
た。このグループの合金例の合金は別の加工法、すなわ
ち鋳造・ＨＩＰ法によって調製した。すなわち、各合金
を銅製の炉床内で電気アークによって別々に融解させ、
炉床内で凝固させた。得られたインゴットを切断してバ
ーにし、これらのバーを４５ｋｓｉの圧力下１０５０℃
で３時間それぞれＨＩＰ（熱間静水圧プレス）した。次
に、これらのバーをそれぞれ、１２００〜１４００℃の
範囲の温度で２時間のいろいろな熱処理にかけた。こう
して熱処理したバーから引張り試験片を作成し、耐力、
破壊強度および塑性伸びを測定した。この参考例の合金
の組成と通常の引張り試験で決定した性質を下記表VII
に示す。

【０１２４】

【表７】 表 VII 鋳造・ＨＩＰ加工法によって形成した合金の組成と特性 焼きな 破 壊 塑 性参考 例 γ合金 組 成 まし温 耐力 強 度 伸 び番 号 番 号 （原子％） 度(℃) (Ksi) (ksi) （％） 2B^* 12 Ti-48 Al 1250 54 72 2.0 1275 51 66 1.5 1300 56 68 1.3 1325 53 72 2.1 1350 58 70 1.0 25B 156 Ti-44 Al-2Cr-2Si 1300 83 93 0.7 1325 92 103 1.1 1350 97 114 1.7^* 参考 例２Ｂと２５Ｂは使用した合金の組成の点では前
記参考例２Ａと２５に相当する。しかし、鋳造および鍛
造によって加工した前記参考例と異なり、この参考例で
は鋳造したインゴットを鍛造することなくＨＩＰによっ
て加工した。

【０１２５】表VII は、鋳造・ＨＩＰ加工法によって調
製した二組の合金に対するデータを含んでいる。参考例
２Ｂは、前記表Ｉに示してあるように、二元合金Ｔｉ−
４８Ａｌである合金１２に関するものである。これは前
記の表で示した基準合金である。表VII の参考例２Ｂを
表VIの参考例２Ａと比較すると明らかなように、参考例
２Ｂの合金１２は表VIの参考例２Ａとほぼ同じ耐力を示
しており、また延性が低下している。

【０１２６】参考例２５Ｂも表VIの参考例２５と比較で
きる。この比較から明らかなように、参考例２５Ｂは強
度が増大しているが延性が低下している。

【０１２７】参考例２Ｂに対する表VII のデータを参考
例２５Ｂと対照してさらに比較すると明らかなように、
参考例２５Ｂの合金はケイ素が存在するため強度が増大
しているがアルミ化チタン合金の延性は保持されてい
る。

【０１２８】（参考例２６〜２９） 鋳造・ＨＩＰ加工法によってさらに４つのサンプルを調
製した。これらの参考例の合金の組成と測定した特性を
下記表VIIIに示す。

【０１２９】

【表８】 表 VIII 鋳造・ＨＩＰ加工法によって調製した合金の組成と特性 焼きなま 破 壊 塑 性参考 例 合金 組 成 し温度 耐力 強 度 伸 び番 号 番号 （原子％） （℃） (ksi) (ksi) （％） 26 302 Ti-43Al-2Cr-2Si 1275 84 91 0.4 1300 79 86 0.4 1325 78 81 0.3 25B 156 Ti-44Al-2Cr-2Si 1300 83 93 0.7 1325 92 103 1.1 1350 97 114 1.7 27 303 Ti-45Al-2Cr-2Si 1300 68 78 0.7 1325 66 82 1.3 1350 50 54 0.4 28 236 Ti-42Al-2Cr-4Si 1300 95 115 1.1 1325 96 112 0.7 1350 98 107 0.5 29 302 Ti-43Al-2Cr-4Si 1275 70 78 0.5 1300 72 87 0.9 1325 66 71 0.4 1350 71 82 0.7

【０１３０】表VIIIの参考例２６〜２９と２５Ｂの合金
は、参考例２５Ｂに関して前記した鋳造・ＨＩＰ加工法
によって調製した。この参考例のデータは、これらの合
金の特性がアルミニウム濃度に対して敏感であることを
示している。すなわち、表VIIIの最初の３つの参考例で
は、アルミ化チタン中のクロムが２原子％、ケイ素が２
原子％であり、アルミニウム濃度が参考例２６で４３原
子％、参考例２５Ｂで４４原子％、そして参考例２７で
は４５原子％である。これらの３つの組成物に対して測
定した強度と延性の比較から明白なように、アルミニウ
ム濃度が参考例２６の４３原子％から参考例２５Ｂの４
４原子％に増えると、強度が大きく増大すると共に延性
も増大する。

【０１３１】また、アルミニウム濃度が参考例２５Ｂの
４４原子％から参考例２７の４５原子％になると強度が
低下することも明らかである。さらに、この変化と共に
延性も明らかに低下することがある。このデータは、こ
れらの合金におけるアルミニウム濃度に対する極めて鋭
い感受性を立証している。

【０１３２】さらに、ケイ素を２原子％含む最初の３つ
の組成物で得られた結果と、ケイ素を４原子％含む後の
２つの参考例２８と２９で得られた結果およびデータと
を比較すると明らかなように、ケイ素を４原子％含む組
成物は、全体的な意味で、ケイ素を２原子％含む組成物
と比べて優れているとはいえない。

【０１３３】さらにまた、参考例２８と２９に対して挙
げたデータから明らかなように、参 考例２９の合金は参
考例２８の合金より強度が低く延性も低いので、参考例
２８の組成物は参考例２９の組成物より優れている。

【０１３４】以上のことから、参考例２５Ｂの合金１５
６と参考例２８の合金２３６は表VIIIに挙げたデータの
中で最も良好な合金であることが明らかである。さら
に、最良の組成物は、アルミニウム成分とケイ素成分の
原子％の合計が４６原子％である組成物である。これら
の組成物は本出願人の米国特許第５，０４５，４０６号
の主題である。

【０１３５】（実施例１〜４および参考例３４） 鋳造・ＨＩＰ加工法によってさらに５つのサンプルを調
製し、これらの合金の強度と延性の特性を通常の引張り
試験によって決定した。これらの試験の結果を下記表IX
に示す。実施例１〜３が本願第１発明に属し、実施例４
が本願第２発明に属する。

【０１３６】

【表９】 表 IX 鋳造・ＨＩＰ加工法によって調製した合金の組成と特性 焼きな 破 壊 塑 性実施 例 合金 組 成 まし温 耐力 強 度 伸 び番 号 番号 （原子％） 度(℃) (ksi) (ksi) （％） １ 251 Ti-44Al-2Cr 1225 82 89 0.4 -4Nb-2Si 1250 84 87 0.2 1275 74 88 0.7 1300 72 82 0.5 ２ 351 Ti-45Al-2Cr 1225 87 100 0.8 -2Si-4Nb 1250 86 106 1.6 1275 76 92 1.0 1300 71 89 1.1 ３ 288 Ti-42Al-2Cr 1275 74 75 0.2 -4Si-4Nb 1300 68 80 0.5 1325 69 82 0.6 ４ 267 Ti-45Al-2Cr 1250 83 94 0.7 -2Si-4Nb-0.1C 1275 79 92 1.0 1300 82 97 1.3 1325 82 91 0.7 参考例 34 239 Ti-44Al-2Cr 1250 70 74 0.3 -2Si-3Ta 1300 - 75 0.2 1350 - 86 0.1 1400 72 86 0.6

【０１３７】これらの実施例１〜３、実施例４および参
考例３４の合金はすべて、参考例２５Ｂに関して上記し
た鋳造・ＨＩＰ加工法によって調製した。この組のベー
ス合金は、クロムとケイ素の添加元素を含むアルミ化チ
タンである。この組の合金と前記の合金との違いは、添
加元素としてさらにニオブ、またはニオブと炭素、また
はタンタルを添加したことである。ニオブとタンタルの
添加元素は耐酸化性を改良することが知られている。添
加元素のタンタルはまた耐クリープ性も改良することが
知られている。これらの知見は本出願人の米国特許第
４，８７９，０９２号および第５，０２８，４９１号に
記載されている。

【０１３８】しかし、表IXに挙げたデータから分かるよ
うに、これらの合金の機械的性質は、アルミニウム濃度
に対して、また添加元素のケイ素およびタンタルの存在
に対して極めて敏感である。

【０１３９】表IXに示したデータから明らかなように、
実施例２および実施例４の合金のみが良好な機械的性質
をもっていた。これらの性質としては、極めて高い強度
と適度な延性の組合せがある。４４原子％のアルミニウ
ムと添加元素のクロム、ニオブおよびケイ素を含む実施
例１の合金２５１は延性の値が低い。実施例３の合金２
８８と参考例３４の合金２３９はアルミニウム含量が低
く、合金２８８は４２原子％のアルミニウムと共に添加
元素のクロム、ケイ素およびニオブを組合せて有し、合
金２３９は４４原子％のアルミニウムと共に添加元素の
クロム、ケイ素およびタンタルを組合せて有しており、
これらの合金の各々は延性が許容できないほど低い。し
かし、４５原子％のアルミニウムと共に添加元素のクロ
ム、ケイ素およびニオブを組合せて含む実施例２の合金
３５１は極めて高い強度と許容できる適度な延性をもっ
ている。

【０１４０】表IXのデータに立証されているように、ア
ルミニウムの濃度は合金の性質に非常に強い影響を示す
が、約４２〜４６原子％のアルミニウム濃度で望ましい
性質の組を達成することができる。

【０１４１】また、表IXに挙げたデータから、参考例３
４の合金２３９は、実施例２、３および実施例４の合金
より通常劣ったデータ値を示すことも分かる。特に、１
３００℃と１３５０℃で焼きなました合金２３９の耐力
は非常に低く、サンプルの耐力を得ることはできなかっ
た。対照的に、実施例２、３の合金は、塑性伸びのデー
タが良好であるばかりでなく、通常高めの強度値をもっ
ていた。その結果、強度特性と延性特性の望ましい組合
せを追及する場合、組成物中のニオブの存在を重要視
し、組成物中のタンタル成分の存在を重視しないのが一
般に望ましい。

【０１４２】また、実施例４の合金２６７は４５原子％
のアルミニウムと添加元素のクロム、ケイ素、ニオブお
よび炭素を組合せて有しており、大きな強度と許容でき
る程度の延性とを組合せて有している。すなわち、実施
例２、３と同様に、実施例４のの合金は、塑性伸びのデ
ータが良好であるばかりでなく、通常高めの強度値をも
っていた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の新規な合金組成物と基準合金の比較デ
ータを示す棒グラフである。

【図２】４点曲げ試験にかけた異なる化学量論のＴｉＡ
ｌ組成物とＴｉ₅₀Ａｌ₄₈Ｃｒ₂に対する荷重（ポンド）
とクロスヘッド変位（ミル）の関係を示すグラフであ
る。

【図３】一群の合金に対してモジュラスと温度の関係を
示すグラフである。

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C22C 14/00 C22F 1/18

Claims (11)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 次の原子比： Ｔｉ−Ａｌ_42-46 Ｃｒ₂ Ｓｉ_1-4 Ｎｂ_2-6 のチタン、アルミニウム、ニオブ、クロムおよびケイ素
   から本質的になるチタン・アルミニウム合金の鋳造品。
2. 【請求項２】 次の原子比： Ｔｉ−Ａｌ_42-46 Ｃｒ₂ Ｓｉ₂ Ｎｂ₄ のチタン、アルミニウム、ニオブ、クロムおよびケイ素
   から本質的になるチタン・アルミニウム合金の鋳造品。
3. 【請求項３】 Ｔｉ−Ａｌ_42-46 Ｃｒ ₂ Ｓｉ_1-4 Ｎｂ
   _2-6 の原子比で本質的になるチタン・アルミニウム合金
   を鋳造し、次いで熱間静水圧プレスを行うことからなる
   チタン・アルミニウム合金鋳造品の製法。
4. 【請求項４】 熱間静水圧プレスの後で、１２５０〜１
   ３５０℃の熱処理を行う請求項３記載の製法。
5. 【請求項５】 次の原子比： Ｔｉ−Ａｌ_42-46 Ｃｒ₂ Ｓｉ₂ Ｎｂ_2-6 のチタン、アルミニウム、ニオブ、クロムおよびケイ素
   から本質的になるチタン・アルミニウム合金から形成さ
   れた、高温・高強度で使用する構造部材。
6. 【請求項６】 ジェットエンジンの構造部品である、請
   求項５記載の構造部材。
7. 【請求項７】 次の原子比： Ｔｉ−Ａｌ ₄₅ Ｃｒ ₂ Ｓｉ ₂ Ｎｂ ₄ Ｃ _0.1 のチタン、アルミニウム、ニオブ、クロム、ケイ素およ
   び炭素から本質的になるチタン・アルミニウム合金の鋳
   造品。
8. 【請求項８】 Ｔｉ−Ａｌ ₄₅ Ｃｒ ₂ Ｓｉ ₂ Ｎｂ ₄ Ｃ _0.1
   の原子比で本質的になるチタン・アルミニウム合金を鋳
   造し、次いで熱間静水圧プレスを行うことか らなるチタ
   ン・アルミニウム合金鋳造品の製法。
9. 【請求項９】 熱間静水圧プレスの後で、１２５０〜１
   ３５０℃の熱処理を行う請求項８記載の製法。
10. 【請求項１０】 次の原子比： Ｔｉ−Ａｌ ₄₅ Ｃｒ ₂ Ｓｉ ₂ Ｎｂ ₄ Ｃ _0.1 のチタン、アルミニウム、ニオブ、クロム、ケイ素およ
    び炭素から本質的になるチタン・アルミニウム合金から
    形成された、高温・高強度で使用する構造部材。
11. 【請求項１１】 ジェットエンジンの構造部品である、
    請求項１０記載の構造部材。