JP3188904B2 - アルミニウム拡散被覆を有する金属間化合物からなる構造部材 - Google Patents

アルミニウム拡散被覆を有する金属間化合物からなる構造部材

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、基材としてチタン及びアルミニウムの金属
間化合物または該金属間化合物と合金添加物との合金か
らなり、該基材のアルミニウム拡散被覆を有する構造部
材に関するものである。
該基材は発動機構成用に興味のある特性を有してい
る。該基材は低比重において慣用のチタン合金と比肩し
うる特性を有しているが、かなり高い操作温度で使用さ
れる。しかしながら、該基材の室温での延性は小さく、
DE 30 24 645から公知のように熱処理法及び合金元素に
より改良されなければならない。
慣用のチタン合金においては、酸化雰囲気中で550℃
の温度から酸素脆化が現れるが、チタン及びアルミニウ
ムの金属間化合物ではこの温度は700℃である。この酸
素脆化は、セラミック構造部材から知られているよう
に、室温での小さな拡散をさらに悪化させ、そして脆化
へ導くという不利な結果を生じさせる。
殊に発動機のタービンおよびコンプレッサ領域におけ
る構造部材において生ずるような700℃の操作温度に曝
される構造部材用の基材を用いるためには、高温が負荷
される構造部材表面に、欠陥のないアルミニウム拡散被
覆が必要である。
基材からなる構造部材上の慣用のアルミニウム拡散被
覆の適用において、前記アルミニウム拡散被覆は達成さ
れていない。すなわち、前記被覆には欠点がある。例え
ば、溝形状のような不均一な形状を対象にした場合、溝
の底部に被覆がなされない。非常に厚い被覆の場合に
は、この溝はアルミニウムで覆い隠すことができる。し
かし、不都合なことに、構造部材の負荷の際にこの領域
が裂け、そしてアルミニウム被覆が剥がれてしまう。
本発明の課題は、被覆欠陥がなく且つ700℃の操作温
度において使用することができる、ある種の構造部材お
よびその製造法を提供することにある。
上記課題は、構造部材が基材とアルミニウム拡散被覆
との間に、再結晶組織を有する、表面近くに領域を有す
るという、本発明により解決される。
広範な開発活動により確認されるように、基材として
のチタン及びアルミニウムからなる金属間化合物または
合金添加物を有する、もしくは有しない該金属間化合物
の合金からなる上記再結晶組織の上を、アルミニウム拡
散被覆が中断されず且つ均一に覆っている。本発明の利
点は、この種の基材の使用範囲が非常に広げられ、前記
構造部材を製造するための量産に適した慣用の技術およ
び方法に使用できることである。
本発明の好ましい態様においては、金属間化合物はTi
Alである。この基材においては、積層欠陥密度の高い微
結晶が結晶学的双晶面（kristallographischen Zwillin
gsebenen）の形態で微結晶中に現れることが確認され
る。この微結晶は、慣用のチタン合金において今まで観
察されていないような、プレート構造（Plattenstruktu
r）を示す。慣用のアルミニウム拡散被覆においては、
双晶面が被覆されずに残っている。まず、再結晶組織を
有する表面近くの領域を形成させた後、アルミニウム拡
散表面を有する基材からなる構造部材が製造される。
50〜95容量％のTiAl部分および５〜50容量％のTi3Al
部分を有する金属間化合物の合金からなる基材は結晶性
プレート構造における特に高い密度を示す。TiAlとして
Tiの部分が多く、そのために強い酸素脆化傾向のある結
晶性基材からなる構造部材においては、本発明による表
面近くの、再結晶組織からなる領域により、好ましい均
一な厚さのアルミニウム拡散被覆を実現することができ
る。
金属間化合物からなる構造部材の延性を改良するため
に、ニオブ、モリブデン、タンタル、タングステン又は
バナジウム、あるいはこれらの混合からなる合金添加物
を４％まで構造部材中に含有することが好ましい。
再結晶組織を有する表面近くの領域の深さは、少なく
とも0.1μｍである。再結晶組織の深さは表面近くの常
温成形により調製することがコスト的に好ましいので、
該深さは実際的には１〜10μｍである。0.1〜１μｍの
再結晶組織深さは、表面近くのレーザ溶融および再結晶
化により実行することが好ましい。再結晶組織深さが10
0μｍを越える場合は、再結晶の際にプレート構造を有
する大容量の微結晶が形成され、且つアルミニウム拡散
被覆が妨害される危険性が増加する。
本発明の構造部材の製造法についての課題は、次記の
プロセス工程により解決される。構造部材を表面近くの
領域において常温成形又は熔融し、その後再結晶化温度
で灼熱し、最後に再結晶した領域上にアルミニウム拡散
被覆が設けられる。この方法は量産に適した方法として
コスト的に良好であるという利点を有しているので、価
格が改善された構造部材は発動機の構成に使用し得る。
表面の常温成形のためには、構造部材の再結晶化させ
る表面領域をボール射出強化（Kugelstrahlen）又は機
械的処理することが好ましい。ボール射出強化の場合
は、Al2O3からなるセラミックボール、ガラスボール又
はスチールボールにより構造部材が表面的に曝されるこ
とが好ましい。その際、基材の結晶構造が妨害され、そ
して内部ストレスが基材表面に生ずる。最後の再結晶化
灼熱の際に、材料の熔融温度以下において微結晶の再結
晶組織が形成され、その上にアルミニウム拡散被覆が邪
魔されずに成長することができる。被覆されるべきでな
い表面領域については、ボール射出強化の際にマスクよ
る保護処置を講じなければならない。
機械的処理及び表面近くの常温成形のためには、加圧
ロール、プレス、ロール衝撃機又は加圧粉砕機を使用す
ることができる。
また、最後にアルミニウムで被覆されるべき領域にお
ける構造部材の表面を少なくともレーザーによりけが
き、熔融させることにより、再結晶組織を形成させるこ
とが好ましい。該再結晶組織は、0.1〜１μｍという特
に小さな再結晶組織深さを実現することができ、且つ表
面領域を付加的な熔融手段なしに幾何学的に正確にけが
き、熔融し、そして再結晶化することができる利点を有
する。
本発明方法の好ましい態様においては、熱サイクルに
より再結晶およびアルミニウム拡散被覆を行い、その際
少なくとも、表面常温成形し又は表面溶融し、そして凝
固した構造部材を加熱し、ついで再結晶後にアルミニウ
ム拡散被覆のための温度に設定し、同時にアルミニウム
含有供与ガスを供給する。
本発明方法のこの態様では、技術的現状におけるアル
ミニウム拡散被覆用装置が十分に利用される。なぜなら
ば、この種の装置においては構造部材を被覆手法に依存
することなく加熱できるからである。さらに、汚染の危
険性が減少され、従って再結晶の成長と被覆との間の拡
張および改造が節約され、また同時に製造コストが低減
される。
構造部材は再結晶中は減圧又は保護ガス雰囲気に曝す
ことが好ましいので、減圧又は保護ガス下に、熱サイク
ルはアルミニウム含有供与ガスの供給まで行われる。こ
れは、不純物および酸化反応に対して構造部材の表面が
保護されるという利点を有する。
粉末充填法（Pulverpackverfahren）は、鉄、ニッケ
ル又はコバルト基合金からなる構造要素のアルミニウム
拡散被覆として知られている。アルミニウム供与ガスの
製造のために、種々のアルミニウムドナーが使用され
る。アルミニウム拡散被覆の好ましい方法として、粉末
充填法が採用され、供与ガスの製造のために３成分合金
Ti/Al/Cのアルミニウムドナーが使用される。その際炭
素部分は、粉末充填物中の残存酸素の濃縮化が一酸化炭
素及び二酸化炭素の形成により解かれ又は相殺される
が、Ti及びAlは基材に対応するので、該基材上へのアル
ミニウム拡散被覆の成長を促進することに働く。
添付図面は、チタン及びアルミニウムの金属間化合物
からなる構造部材のアルミニウム拡散被覆についての具
体例を示すものである。
図１は、再結晶組織を有する、表面に近い領域のない
チタン及びアルミニウムの金属間化合物からなる構造部
材のアルミニウム拡散被覆を示すものである。
図２は、図１のＡ部分の領域の材料による金属（meta
llurgischen Schliffbild）の写真である。
図３は、再結晶組織を有する、表面に近い領域を有す
るチタン及びアルミニウムの金属間化合物からなる構造
部材のアルミニウム拡散被覆を示すものである。
図４は、図２のＢ部分の領域の材料による金属の写真
である。
図１は再結晶組織を有する、表面に近い領域のないチ
タン及びアルミニウムの金属間化合物からなる構造部材
のアルミニウム拡散被覆（１）を示し、その際基材
（２）は大容量微結晶（３〜８）に凝固している。微結
晶（３）の一つは双晶面（９）の形態で積層欠陥を有す
るはっきりしたプレート構造を示している。アルミニウ
ム拡散被覆は表面に沿って、該欠陥の横断線（10）にお
いて、溝状の欠陥を有している。欠陥のない被覆は微結
晶（４、５および８）上にのみ確認され、これらはプレ
ート構造を有していない。図示したＡ部分は金属組織学
的に観察された。その結果を図２に示す。
図２は図１のＡ部分の領域の材料による金属の写真で
ある。TiAlからなる発動機の回転羽を、アルミニウムド
ナーとしてTi/Al/Cの３成分合金を用いて粉末充填装置
中で、該羽の表面を被覆した。アルミニウム拡散被覆
（１）は、はっきりしたプレート構造を有する微結晶
（３）の領域でかなりの欠陥を示している。
図３は、再結晶組織を有する、表面に近い領域（11）
を有するチタン及びアルミニウムの金属間化合物からな
る構造部材のアルミニウム拡散被覆（１）を示すもので
ある。基材（２）は大容量微結晶（12）を示し、プレー
ト構造（13〜15）を示さない。基材（２）は表面近くに
おいて、再結晶組織を有する領域（11）を有し、該領域
はアルミニウムからなる層により欠陥なく均一に覆われ
ている。図示したＢ部分は金属組織学的に観察された。
図４は図２のＢ部分の領域の材料による金属の写真で
ある。60容量％のTiAl及び40容量％のTi3Alからなる発
動機の回転羽を、少なくとも表面的に５μｍの深さま
で、ボール射出強化により常温成形し、ついでアルミニ
ウム粉末充填装置中で再結晶化灼熱し、最後に５μｍ厚
のアルミニウム拡散被覆（１）を行った。金属の写真が
示すように、、アルミニウム粉末充填装置中で基材
（２）にアルミニウム拡散処理を行った場合、完全に均
一なアルミニウム被覆（１）自身がはっきりしたプレー
ト構造を有する微結晶（12）の上に成長している。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヴァルター、ハインリッヒ ドイツ連邦共和国、8904 フリートベル ク ３、ヴァイデヴェーク ２アー (72)発明者 ピルヘーファー、ホルスト ドイツ連邦共和国、8041 レールモー ス、アム・シュテーゲンフェルト ９ア ー (72)発明者 ブルングス、フランク ドイツ連邦共和国、8060 ダッハウ、ヘ ルマン―シュトックマン―ストラーセ 34エー (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C23C 10/02,10/48

Claims (11)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】基材及び該基材のアルミニウム拡散被覆か
    らなる構造部材であって、 該基材は、チタン及びアルミニウムから形成された金属
    間化合物、または該金属間化合物と合金添加物との合金
    からなり、 該構造部材は、該基材と該アルミニウム拡散被覆との間
    の該基材の表面に、再結晶組織を有する領域を有するこ
    とを特徴とする構造部材。
  2. 【請求項２】前記金属間化合物がTiAlである請求項１記
    載の構造部材。
  3. 【請求項３】前記金属間化合物が50〜95容量％のTiAlと
    ５〜50容量％のTi3Alとの合金である請求項１または２
    記載の構造部材。
  4. 【請求項４】前記金属間化合物が４原子％までの合金添
    加物を含有する請求項１〜３のいずれかに記載の構造部
    材。
  5. 【請求項５】前記合金添加物がニオブ、モリブデン、タ
    ンタル、タングステン又はバナジウム、あるいはこれら
    の混合物である請求項１〜４のいずれかに記載の構造部
    材。
  6. 【請求項６】前記領域の深さが少なくとも0.1μｍであ
    る請求項１〜５のいずれかに記載の構造部材。
  7. 【請求項７】構造部材を表面近くの領域において常温成
    形又は熔融し、その後再結晶化温度で灼熱し、最後に再
    結晶した領域上にアルミニウム拡散被覆が設けられるこ
    とを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の構造部
    材の製造法。
  8. 【請求項８】表面の常温成形のために、構造部材の再結
    晶化させる表面領域をボール射出強化又は機械的処理す
    る請求項７記載の方法。
  9. 【請求項９】熱サイクルにより再結晶およびアルミニウ
    ム拡散被覆を行い、その際少なくとも、表面常温成形さ
    れた構造部材を加熱し、ついで再結晶後にアルミニウム
    拡散温度のための温度に設定し、同時にアルミニウム含
    有供与ガスを供給する請求項７または８記載の方法。
  10. 【請求項１０】熱サイクルが、減圧又は保護ガス下に、
    アルミニウム含有供与ガスの供給まで行われる請求項７
    〜９のいずれかに記載の方法。
  11. 【請求項１１】アルミニウム拡散被覆が粉末充填法によ
    り行われ、供与ガス製造のために３成分合金Ti/Al/Cの
    アルミニウムドナーが使用される請求項７〜10のいずれ
    かに記載の方法。
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