JP3190053B2 - Titanium-based composite material and method for producing the same - Google Patents

Titanium-based composite material and method for producing the same

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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明はチタン又はチタン合金か
らなる基材中にセラミックス粒子を分散強化させた高強
度のチタン基複合材及びその製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a high-strength titanium-based composite material in which ceramic particles are dispersed and strengthened in a substrate made of titanium or a titanium alloy, and a method for producing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】チタン基複合材は、理論上高い強度を有
すると共に、耐熱性及び耐食性が優れていることから、
航空宇宙分野及び自動車分野等において構造材として使
用すべく実用化が試みられている。
2. Description of the Related Art Titanium-based composite materials have high strength in theory and excellent heat resistance and corrosion resistance.
Practical applications have been attempted in the aerospace and automotive fields for use as structural materials.

【0003】従来のチタン基複合材の製造方法を以下に
説明する。先ず、チタン又はチタン合金の粉末とセラミ
ックス粒子とを所定の割合で均一に混合し、これを原料
粉末とする。そして、この原料粉末をプレス加工して圧
粉体を得る。次いで、この圧粉体を真空中又はアルゴン
ガス中にて加熱して焼結させる。これにより、チタン基
複合材を得ることができる。
[0003] A conventional method for producing a titanium-based composite material will be described below. First, a titanium or titanium alloy powder and ceramic particles are uniformly mixed at a predetermined ratio to obtain a raw material powder. Then, the raw material powder is pressed to obtain a green compact. Next, the green compact is heated and sintered in a vacuum or argon gas. Thereby, a titanium-based composite material can be obtained.

【0004】また、ホットプレス又は熱間静水圧プレス
装置を使用し、前記原料粉末を加圧すると同時に加熱し
て焼結させることによりチタン基複合材からなる所望の
形状の製品を得ることも試みられている。
It has also been attempted to obtain a titanium-based composite material having a desired shape by using a hot press or a hot isostatic press to simultaneously pressurize and heat and sinter the raw material powder. Have been.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来のチタン基複合材には以下に示す問題点がある。
即ち、従来の製造方法においては、焼結の際に金属チタ
ンの液相部がセラミックス粒子の表面に接触する。そう
すると、液相部の活性なチタンは強化粒子であるセラミ
ックスと激しく反応する。その結果、所望のチタン基複
合材を容易に得ることができないばかりでなく、チタン
とセラミックス粒子との界面に脆い反応生成物が形成さ
れる。このため、従来方法により製造されたチタン基複
合材は、延性が低いと共にその強度が理論強度よりも著
しく低いものとなってしまう。
However, the above-mentioned conventional titanium-based composite material has the following problems.
That is, in the conventional manufacturing method, the liquid phase portion of the metallic titanium contacts the surface of the ceramic particles during sintering. Then, the active titanium in the liquid phase reacts violently with the ceramics as the reinforcing particles. As a result, not only the desired titanium-based composite material cannot be easily obtained, but also a brittle reaction product is formed at the interface between titanium and the ceramic particles. Therefore, the titanium-based composite material manufactured by the conventional method has low ductility and its strength is significantly lower than the theoretical strength.

【0006】下記化学式1及び2は、夫々セラミックス
がSiC及びAl23 の場合のチタンとセラミックス
との反応を示したものである。
The following chemical formulas 1 and 2 show the reaction between titanium and ceramics when the ceramics are SiC and Al 2 O 3 , respectively.

【0007】[0007]

【化1】3Ti+2SiC→TiSi2 +2TiCEmbedded image 3Ti + 2SiC → TiSi 2 + 2TiC

【0008】[0008]

【化2】 13Ti+6Al23 →4TiAl3 +9TiO2 この化学式1,2において、TiSi2 及びTiAl3
はいずれも金属間化合物であり、TiC及びTiO2
夫々チタン炭化物及びチタン酸化物である。これらの反
応生成物は、いずれも極めて脆いという性質を有してい
る。
Embedded image 13Ti + 6Al 2 O 3 → 4TiAl 3 + 9TiO 2 In the chemical formulas 1 and 2, TiSi 2 and TiAl 3
Are all intermetallic compounds, and TiC and TiO 2 are titanium carbide and titanium oxide, respectively. Each of these reaction products has the property of being extremely brittle.

【0009】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、チタン又はチタン合金とセラミックス粒子
との界面に脆い反応生成物が生じることを回避してセラ
ミックス粒子とチタン又はチタン合金との良好な接着性
を確保することにより強度及び延性を著しく高めたチタ
ン基複合材及びその製造方法を提供することを目的とす
る。
The present invention has been made in view of such a problem, and avoids the generation of a brittle reaction product at the interface between titanium or a titanium alloy and ceramic particles to avoid the formation of a ceramic particle and titanium or titanium alloy. It is an object of the present invention to provide a titanium-based composite material having significantly improved strength and ductility by securing good adhesiveness, and a method for producing the same.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】本発明に係るチタン基複
合材は、チタン又はチタン合金からなる基材中に、ホウ
化チタン膜で被覆されたセラミックス粒子が分散されて
おり、前記セラミックス粒子と前記基材との間に両者の
反応生成物が存在しないことを特徴とする。
The titanium-based composite material according to the present invention is obtained by dispersing ceramic particles coated with a titanium boride film in a substrate made of titanium or a titanium alloy.
Between the ceramic particles and the substrate.
It is characterized by the absence of reaction products .

【0011】本発明に係るチタン基複合材の製造方法
は、セラミックス粒子の表面上にホウ化チタン膜を形成
する工程と、このセラミックス粒子とチタン又はチタン
合金粉末とを混合する工程と、この混合粉末を焼結させ
る工程とを有し、前記セラミックス粒子と前記基材との
間に両者の反応生成物が存在しないことを特徴とする。
The method for producing a titanium-based composite material according to the present invention comprises the steps of: forming a titanium boride film on the surface of ceramic particles; mixing the ceramic particles with titanium or a titanium alloy powder; powder possess a step of sintering, and the base material and the ceramic particles
It is characterized in that there is no reaction product between them .

【0012】[0012]

【作用】本願発明者等はチタン又はチタン合金とセラミ
ックス粒子との界面の接着性を高めるべく種々実験研究
を重ねた。その結果、予めセラミックス粒子をホウ化チ
タン膜で被覆し、このセラミックス粒子をチタン又はチ
タン合金中に分散させることにより、高強度且つ高延性
のチタン基複合材を得ることができることが判明した。
本発明はこれらの実験結果に基づいてなされたものであ
る。
The present inventors have conducted various experimental studies to improve the adhesion at the interface between titanium or a titanium alloy and ceramic particles. As a result, it was found that a high-strength and high-ductility titanium-based composite material can be obtained by coating ceramic particles in advance with a titanium boride film and dispersing the ceramic particles in titanium or a titanium alloy.
The present invention has been made based on these experimental results.

【0013】即ち、本発明においては、チタン又はチタ
ン合金からなる基材中にホウ化チタン膜で被覆されたセ
ラミックス粒子が分散されている。これにより、チタン
又はチタン合金とセラミックス粒子との良好な界面接着
性を確保でき、強度及び延性が高いチタン基複合材を得
ることができる。
That is, in the present invention, ceramic particles coated with a titanium boride film are dispersed in a substrate made of titanium or a titanium alloy. Thereby, good interfacial adhesion between titanium or a titanium alloy and ceramic particles can be ensured, and a titanium-based composite material having high strength and ductility can be obtained.

【0014】また、本発明方法においては、先ず、セラ
ミックス粒子の表面上にホウ化チタン膜を形成する。次
いで、このセラミックス粒子とチタン又はチタン合金粉
末とを混合し、この混合粉末を焼結させる。この場合
に、セラミックス粒子はホウ化チタン膜で覆われている
ため、チタンの液相部とセラミックス粒子とが直接接触
することを回避でき、チタン又はチタン合金とセラミッ
クス粒子との界面に脆い反応生成物が生じることを防止
できる。これにより、上述の強度及び延性が高いチタン
基複合材を得ることができる。
Further, in the method of the present invention, first, a titanium boride film is formed on the surface of the ceramic particles. Next, the ceramic particles and titanium or titanium alloy powder are mixed, and the mixed powder is sintered. In this case, since the ceramic particles are covered with the titanium boride film, direct contact between the liquid phase portion of titanium and the ceramic particles can be avoided, and a brittle reaction is generated at the interface between the titanium or titanium alloy and the ceramic particles. Things can be prevented from occurring. As a result, a titanium-based composite material having high strength and high ductility can be obtained.

【0015】[0015]

【実施例】次に、本発明の実施例について、その特許請
求の範囲から外れる比較例と比較して説明する。
EXAMPLES Next, examples of the present invention will be described in comparison with comparative examples outside the scope of the claims.

【0016】先ず、プラズマCVD(化学気相成長)法
により、平均粒径が5μmの炭化ケイ素(SiC)粉末
の粒子の表面上に厚さが1μmのホウ化チタン膜を形成
した。次に、このホウ化チタン膜が設けられた炭化ケイ
素粉末とチタン粉末とを1:9の質量比で均一に混合し
た。そして、この混合粉末を鉄ケースに充填した後、こ
のケースを密閉した。次に、熱間静水圧プレス装置を使
用して、温度が1200℃、圧力が1000気圧の条件
で前記ケース内の混合粉末を焼結させた。次いで、機械
加工により前記鉄ケースを焼結体から剥離した。これに
より、炭化ケイ素を5質量%含有した本実施例のチタン
基複合材を得た。
First, a titanium boride film having a thickness of 1 μm was formed on the surface of silicon carbide (SiC) powder particles having an average particle size of 5 μm by a plasma CVD (chemical vapor deposition) method. Next, the silicon carbide powder provided with the titanium boride film and the titanium powder were uniformly mixed at a mass ratio of 1: 9. Then, after the mixed powder was filled in an iron case, the case was sealed. Next, using a hot isostatic press, the mixed powder in the case was sintered at a temperature of 1200 ° C. and a pressure of 1000 atm. Then, it released sintered body or et peeling the iron case by machining. As a result, a titanium-based composite material of this example containing 5% by mass of silicon carbide was obtained.

【0017】一方、ホウ化チタン膜が設けられていない
炭化ケイ素粉末及び金属チタン粉末を1:9の質量比で
配合しこの混合粉末を上述の実施例と同様の方法により
焼結させて、炭化ケイ素を5質量%含有した比較例のチ
タン基複合材を製造した。
On the other hand, a silicon carbide powder having no titanium boride film and a metal titanium powder are blended in a mass ratio of 1: 9, and this mixed powder is sintered by the same method as in the above-mentioned embodiment to obtain a carbonized powder. A titanium-based composite material of a comparative example containing 5% by mass of silicon was produced.

【0018】このようにして得た実施例及び比較例に係
るチタン基複合材について、引張強度及び伸びを測定し
た。その結果を下記表1に示す。
The tensile strength and elongation of the titanium-based composite materials according to Examples and Comparative Examples thus obtained were measured. The results are shown in Table 1 below.

【0019】[0019]

【表1】 [Table 1]

【0020】この表1から明らかなように、本実施例に
係るチタン基複合材は引張強度及び伸びが夫々852.
6MPa及び11%であり、強度及び延性が共に優れた
ものであった。
As apparent from Table 1, the titanium-based composite material according to the present example has a tensile strength and an elongation of 852.
It was 6 MPa and 11%, and both strength and ductility were excellent.

【0021】一方、チタン粉末とセラミックス粉末とを
混合して焼結させただけの比較例は、引張強度及び伸び
の双方の特性が実施例に比して劣るものであった。
On the other hand, in the comparative example in which only the titanium powder and the ceramic powder were mixed and sintered, both the tensile strength and the elongation were inferior to those of the example.

【0022】なお、本発明において使用可能なセラミッ
クスは、上述のSiCに限定されるものではなく、Cr
23 、TiO2 、ZrO2 、MgO及びY23 等の
酸化物系セラミックス、Si34 、TiN、BN及び
AlN等の窒化物系セラミックス、TiC、B4 C、C
rC2 及びWC等の炭化物系セラミックス、ZrB2
びTiB2 等のホウ化物系セラミックス並びにサイアロ
ン等、種々のものを使用することができる。また、これ
らのセラミックスを2種類以上混合して使用することも
できる。
The ceramics usable in the present invention are not limited to the above-mentioned SiC, but may be Cr.
Oxide ceramics such as 2 O 3 , TiO 2 , ZrO 2 , MgO and Y 2 O 3 , nitride ceramics such as Si 3 N 4 , TiN, BN and AlN, TiC, B 4 C, C
rC 2 and carbide ceramics of WC such as, ZrB 2 and TiB boride-based ceramics and sialon such as 2, may be used various ones. Also, two or more of these ceramics can be used in combination.

【0023】[0023]

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、チ
タン又はチタン合金からなる基材中にホウ化チタン膜で
被覆されたセラミックス粒子が分散されているから、チ
タン又はチタン合金とセラミックス粒子との良好な界面
接着性を確保でき、強度及び延性が優れたチタン基複合
材を得ることができる。
As described above, according to the present invention, since the ceramic particles coated with the titanium boride film are dispersed in the substrate made of titanium or titanium alloy, the titanium or titanium alloy and the ceramic particles are dispersed. And a titanium-based composite material having excellent strength and ductility can be obtained.

【0024】また、本発明方法によれば、セラミックス
粒子の表面上にホウ化チタン膜を形成した後、このセラ
ミックス粒子とチタン又はチタン合金粉末との混合粉末
を焼結させるから、チタン又はチタン合金とセラミック
ス粒子との界面に脆い反応生成物が生成されることを回
避できる。このため、上述の強度及び延性が優れたチタ
ン基複合材を容易に製造することができる。
According to the method of the present invention, a titanium boride film is formed on the surface of the ceramic particles, and then a mixed powder of the ceramic particles and the titanium or titanium alloy powder is sintered. Of brittle reaction products at the interface between the ceramic particles and the ceramic particles can be avoided. Therefore, a titanium-based composite material having excellent strength and ductility can be easily manufactured.

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 チタン又はチタン合金からなる基材中
に、ホウ化チタン膜で被覆されたセラミックス粒子が分
散されており、前記セラミックス粒子と前記基材との間
に両者の反応生成物が存在しないことを特徴とするチタ
ン基複合材。
A ceramic particle covered with a titanium boride film is dispersed in a base material made of titanium or a titanium alloy, and a gap between the ceramic particle and the base material is provided.
A titanium-based composite material characterized in that no reaction product of the two is present .
【請求項2】 セラミックス粒子の表面上にホウ化チタ
ン膜を形成する工程と、このセラミックス粒子とチタン
又はチタン合金粉末とを混合する工程と、この混合粉末
を焼結させる工程とを有し、前記セラミックス粒子と前
記基材との間に両者の反応生成物が存在しないことを特
徴とするチタン基複合材の製造方法。
2. A perforated forming a titanium boride layer on the surface of the ceramic particles, a step of mixing the ceramic particles and titanium or a titanium alloy powder, and a step of sintering the mixed powder, The ceramic particles and the front
A method for producing a titanium-based composite material, wherein no reaction product of the two is present between the substrate and the base material.
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