JP2958792B2 - TiA1金属間化合物薄板の製造方法 - Google Patents

TiA1金属間化合物薄板の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は均質なTiAl金属間化合物の連続した薄板の製
造方法に関する。
〔従来の技術〕
TiAl金属間化合物は、一般にTiAl合金と呼ばれてお
り、金属材料としては極めて高い高温強度を持ち、しか
も耐食性が高く、軽量の材料である。Metallurgical Tr
ansaction,Vol.6A(1975),p.1991には、800℃で40kg/m
m2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合金は、ガス・タービン
部品、自動車用エンジンのバルブやピストンへの適用、
高温用ディスクや軸受け部品、航空機用のフレーム、超
高速旅客機の機体外板等への適用が好適と考えられる。
TiAl合金は軽量で耐熱温度が高く、耐食性も高いた
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、室温での延性が小さいため圧延・鍛造などによる成
形が困難である。
また、特にTiAl金属間化合物の薄板は、上記適用例の
うち超高速旅客機の機体外板部分への適用が考えられる
が、この場合、厚さ約1mmで30cm×30cm程度の薄板の製
造法確立が必須となる。
従来TiAl金属間化合物の薄板は、インゴットからの切
り出し、あるいは特開昭61−213361号公報に示されてい
るようにシース加工などによって製造されているが、長
尺の薄板は得られていない。また、インゴットからの切
り出しでは歩留まりが悪く、重力偏析などによって均一
な組成が得られにくいという問題がある。従来の高温塑
性加工には、シース加工、静水圧押し出し、恒温鍛造、
熱間押し出し等の方法がある。しかし、これら加工法の
適用は難しく、TiAl金属間化合物の場合は高温強度が大
きくて(1050℃で200MPa)、歪速度依存性が高いという
問題を克服しなければならなかった。すなわち、前述し
た特開昭61−213361号公報では、シース加工を用い、S
−816 Co基超合金シース材を使って1100℃、1.5m/minの
圧延速度が必要であるとしている。また、日本金属学会
シンポジウム予稿、9月21日、(1988),p.24では恒温
鍛造において、950〜1000℃の温度で、10-2〜10-3sec-1
の歪速度が必要であるとしている。したがって、温度制
御が難しく、生産速度が遅いという問題があった。
以上の観点から厚さ約1mmで30cm×30cm程度の薄板
は、前述の従来法によってインゴット等の鋳塊から製造
することは生産速度や設備的な面からも実質的に不可能
と考えられる。
さらに上記従来技術による薄板の製造方法では、得ら
れる薄板の寸法が例えば、長さ20mm、幅10mm、厚さ10mm
程度と小さいうえに、工程が複雑で、多大の労力や多く
の設備を必要とするという問題があった。
TiAl金属間化合物に急冷法を用いた従来の技術として
は、特開昭62−256902号公報に示されているように、単
ロール法や双ロール法などの急速凝固プロセスを用いて
溶融金属を104℃/sec以上の冷却速度で急冷凝固させ
て、フレーク状凝固物を得る方法があるが、連続した薄
板を得たという報告はない。
〔発明が解決しようとする課題〕
前記したように、従来技術では、TiAl金属間化合物
の、厚さ約1mmで30cm×30cm程度の薄板製造は不可能で
あったが、本発明はそれを解決し、連続したTiAl金属間
化合物の薄板を提供すること、及び同薄板の容易かつ効
率的な製造方法を提供することを目的とするものであ
る。
〔課題を解決するための手段〕
双ロール法は厚さ数mm×幅数10cmの薄板を数m/secの
速度で連続的に製造する方法として一般的に知られてお
り、前述した薄板の寸法の観点からTiAl金属間化合物薄
板製造の理想的プロセスとして考えられる。また、従来
技術と比較して、薄板の製造までの工程が非常に簡単で
あり、省工程、省設備および労力の削減など付随的な効
果も考えられる。
溶融金属から薄板を直接鋳造する他のプロセスとし
て、双ベルト法、単ベルト法や単ロール法等の方法があ
る。しかしながら、ベルトを使用した方法では、得られ
る薄板の厚さが数cmであり、最終製品の厚さに対して厚
過ぎるため、後工程において従来法で費やす労力と大差
ない。一方、単ロール法の場合、得られる薄板の厚さが
数100μmと薄く、シェル強度が弱いため連続した薄板
になりにくい。また、単ロール法の宿命ともいえる片側
冷却のため、不均一凝固になり易く、後述するように割
れが発生し易い。
以上から双ロール法でのみ厚さ数mmの連続した薄板を
製造することが可能であるものと考えられる。
本発明の要旨とするところは、Al35〜44wt%と残部Ti
とを不活性雰囲気中で加熱・溶解して得られた溶融合金
を、引き続き不活性雰囲気中で、ロール周速0.1〜10m/s
ecで回転する一対の冷却ロール間にスリット状の注湯ノ
ズルを用いて連続して供給し、スプリングによる一定の
ロール支持力下で、102〜105℃/secの冷却速度で凝固さ
せることを特徴とする鋳造ままの凝固組織が薄板の両表
面から板厚中心部に向う柱状晶のみか、あるいは前記柱
状晶と板厚中心付近に存在する等軸晶との混合組織から
なる板厚0.2〜3mmの連続したTiAl金属間化合物薄板の製
造方法にある。
なお、双ロール法として、垂直型、傾斜型、異径型等
の鋳造形式が異なるものがあるが、本発明はいずれも適
用可能である。
〔作 用〕
以下に本発明を作用とともに詳細に説明する。
Alの組成範囲を35〜44wt%に限定する理由は、この範
囲でのみTiAl金属間化合物及び少量の他相(例えばTi3A
l)との混合相からなり、マイクロビッカース硬度350Hv
程度の均質なTiAlが得られ易いためである。
板厚を0.2〜3mmに限定した理由は、0.2mmより薄い場
合、薄板の強度や材料の変形能不足によって、鋳造時お
よびその後の搬送時に薄板が破断し易いためであり、連
続した薄板を安定して得るためには、板厚は0.2mm以上
の場合でも、より厚くする方が好ましい。また、3mmよ
り厚い場合には内部に空隙が形成され易くなる。
本発明によって得られた薄板の鋳造方向における断面
組織を第1図に示す。鋳造ままの凝固組織は薄板の両表
面から板厚中心部に向かう柱状晶のみか、あるいは前記
柱状晶と板厚中心付近に存在する等軸晶との混合組織か
ら構成される。
本発明によって得られた薄板のミクロ組織を第3図
(A)に示す。同図において、ミクロ組織はTiAlと微量
のTi3AlおよびAl2Tiの3相からなるが、組成を変えるこ
とによってTiAl単相に近いものを得ることも可能であ
る。また、比較のためにアークメルト法によって得られ
たインゴットのミクロ組織を第3図(B)に示す。な
お、本発明によって得られた薄板の平均結晶粒度は約10
0μmである。
金属,1月号,(1989),p.49では、急冷法によるラメ
ラー組織の絶対量の増加、ラメラー間隔の減少によっ
て、延性、強度などの機械的性質の向上が期待されるこ
とが報告されている。したがって、双ロール法は機械的
性質の向上においても非常に有効な手段と考えられる。
次に上記薄板の製造方法を説明する。
AlとTiを組成が35〜44wt%Alになるように配合して、
不活性ガス雰囲気中で1500〜1600℃に加熱・溶融し、14
00〜1500℃に降温・調整する。その後、該溶融合金をロ
ール周速0.1〜10m/secで回転する一対の冷却ロール間に
連続して供給し、一定のロール支持力下で、102〜105
/secで凝固させ、連続したTiAl金属間化合物薄板を製造
する。なお、ここでは、AlとTiとの金属間化合物を形成
する反応を促進させ、均一溶融状態を得るため、溶解温
度は1500〜1600℃に高めることが好ましい。
板厚を0.2〜3mmにするためには、ロール周速は10〜0.
1m/secが必要であり、そのときの鋳片の冷却速度は105
〜102℃/secに相当する。したがって、ロール周速を0.1
〜10m/secに、並びに冷却速度を102〜105℃/secに限定
した。
TiAl金属間化合物の最大の問題点は材料の延性が小さ
いことである。これは双ロール法においても、凝固・冷
却中の鋳片の割れと関連する非常に重要な問題である。
延性の不足に伴う割れの主原因として幅方向の不均一冷
却・凝固が考えられる。したがって、鋳片の割れを軽減
するためには不均一凝固の原因となる注湯流の不均一性
やメニスカス表面における酸化膜等のロール/メタル間
の伝熱抵抗を極力除去する必要がある。注湯流の均一化
のためにはスリット状の注湯ノズルを用いることが望ま
しい。また、メニスカス表面における酸化膜の生成を抑
制するためには、不活性ガス中での溶解・鋳造が必要で
ある。不活性ガスはAr,Heなどのいずれでもよい。
鋳片の割れを低減するための方法として、ロール最近
接点における鋳片中心部の未凝固部分をなるべく少なく
した鋳造が望ましい。そのためには、CAMP−ISIJ,1(19
88),p.186に記されているように、ロールの支持にスプ
リングを用い、ロールを固定せず、一定の力で凝固シェ
ルを押し付け、シェルの成長とともにロールが自然に開
くような構造にする必要がある。
凝固の不均一性を改善する以外の着眼点として、幅方
向への凝固シェル収縮時に拘束の原因となる鋳片端部の
鋳バリを皆無にする必要があるが、一般的にサイド堰と
ロール側面の間への溶融金属の差し込みを軽減するため
には、サイド堰の押し付け力をコントロールしなければ
ならない。
第2図は、本発明の方法に使用する装置の概略を示す
もので、1は金属間化合物TiAlを溶解・供給するための
るつぼである。ロール間への供給を幅方向で均一にする
ため、溶融金属は耐火物製のタンディッシュ2を通り、
回転する一対のロール3,3′間に供給される。4は耐火
物製のサイド堰であり、ロール間に溶融金属の湯溜りを
形成させるためのものである。5は不活性ガスにより保
護雰囲気とする雰囲気制御容器である。6は製造された
薄板である。7は容器5への不活性ガス導入機構、8は
排気機構である。
〔実施例〕
以下に本発明の実施例を示す。
アルミニウム地金とスポンジチタンをAl36wt%、Ti64
wt%の組成を得るように配合したもの8kgをるつぼに投
入し、これをAr雰囲気中で1600℃まで加熱溶解して合金
化した。次に、一旦1500℃に温度を調整した後、該溶融
合金を幅4mm、長さ95mmの開口部を持つタンディッシュ
を通し、種々のロール周速で回転する直径300mm、幅100
mmの一対の銅合金製のロールの間に供給し、一定のロー
ル支持力下で、102〜105℃/secの冷却速度で凝固させ
て、第1表に示す厚さの連続薄板を得た。薄板の長さは
約3mから10mであった。なお、ロール間に形成される溶
鋼の湯だまり部の高さは約80mmであった。
得られた薄板の鋳造方向における断面組織の一例を第
1図に示す。鋳造ままの凝固組織は薄板の両表面から板
厚中心部に向かう柱状晶のみか、あるいは前記柱状晶と
板厚中心付近に存在する等軸晶との混合組織から構成さ
れる。
上述した通り、双ロール法で得られた薄板のミクロ組
織第3図(A)は、TiAlと微量のTi3AlおよびAl2Tiの3
相からなるが、組成を変えることによってTiAl単相に近
いものを得ることも可能である。なお、このときの平均
結晶粒度は双ロール法の場合約100μmでアークメルト
法と比較して1/5程度であった。
さらに、鋳造ままのマイクロビッカース硬度は薄板の
測定箇所に依らず350Hvとインゴット法等で得られる値
とほぼ同等であった。
〔発明の効果〕 本発明の製造方法を用いることにより、0.2〜3mm厚さ
の連続した金属間化合物TiAlの薄板の製造が容易にな
る。従って、通常の粉末冶金法、インゴットからの切り
出し、あるいは高温塑性加工法と異なり、工程の複雑さ
に伴う労力、設備負担等を大幅に低減することができる
など、金属間化合物TiAlの薄板を均質にかつ安価に量産
する上で極めて効果が大きい。
【図面の簡単な説明】 第1図は本発明によって得られた薄板の鋳造方向におけ
る断面金属組織を示す写真図、第2図は本発明を実施す
る装置の概略を示す説明図、第3図(A)、(B)は各
々双ロール法およびアークメルト法によって得られた薄
板の鋳造ままの金属組織を示す顕微鏡写真図である。 1……るつぼ、2……タンディッシュ、3,3′……ロー
ル、4……サイド堰、5……雰囲気制御容器、6……薄
板、7……不活性ガス導入機構、8……排気機構。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 正橋 直哉 神奈川県川崎市中原区井田1618番地 新 日本製鐵株式會社第1技術研究所内 (56)参考文献 特開 昭62−256902(JP,A) 特開 昭62−54551(JP,A) 特開 昭62−133037(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) B22D 11/06 C22C 14/00 C22C 1/02

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】Al35〜44wt%と残部Tiとを不活性雰囲気中
    で加熱・溶解して得られた溶融合金を、引き続き不活性
    雰囲気中で、ロール周速0.1〜10m/secで回転する一対の
    冷却ロール間にスリット状の注湯ノズルを用いて連続し
    て供給し、スプリングによる一定のロール支持力下で、
    102〜105℃/secの冷却速度で凝固させることを特徴とす
    る鋳造ままの凝固組織が薄板の両表面から板厚中心部に
    向う柱状晶のみか、あるいは前記柱状晶と板厚中心付近
    に存在する等軸晶との混合組織からなる板厚0.2〜3mmの
    連続したTiAl金属間化合物薄板の製造方法。
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