JP3382273B2 - Ti−Al系金属間化合物 - Google Patents

Ti−Al系金属間化合物

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、各種機器の部品や耐火
構造物あるいは高温用弾性部材などに好適なTi−Al
系金属間化合物に関する。
【0002】
【従来の技術】Ti−Al系金属間化合物は耐熱性,耐
酸化性,耐摩耗性等に優れしかも軽量であるなどの優れ
た性質をもつため、各種用途に使われる素材として有望
視されている。この種の金属間化合物を利用する製品例
としては、高温で使用される外壁材や、タ−ビン部材、
ピストンやバルブシステム等のエンジン部品などが考え
られている。
【0003】従来より、ラメラを有するTi−Al系金
属間化合物が知られている。ラメラは、主としてTiA
l相とTi3 Al相とがおおむね交互に積層した層状組
織であり、ラメラのみからなる金属組織もあるし、ある
いはγ相の中にラメラ粒が分散した金属組織も知られて
いる。γ相は主としてTiAlからなる多結晶粒組織で
あり、γ単相の組織は耐熱性と耐摩耗性および耐酸化性
などに優れている。これに対しラメラを含む金属組織
は、γ単相の組織に比べて強度が高いことが知られてい
る。また、特開平4−63237号公報に記載されてい
るように、Ti−Al系金属間化合物の室温での延性改
善を図ることを目的として、ラメラの体積分率を調整
(体積分率15%以上)することも提案されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上記金属間化合物にお
いて、延性を良くすることと、強度や耐熱性を上げるこ
とは相反する問題である。例えば前述した従来のTi−
Al系金属間化合物は、700℃付近に延性・脆性遷移
温度を有しており、この温度以上の領域では延性により
強度が低下する。特に、900℃あるいは1000℃な
どの高温度域では耐クリープ性に劣るようになるなど、
耐熱性に難があった。
【0005】従って本発明の目的は、耐熱性が高く、特
に高温において優れた特性を有するTi−Al系金属間
化合物を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記目的を果たすために
開発された本発明は、主たる金属組織がγ相とラメラ粒
とからなりかつラメラ粒の体積分率が64体積%以上ま
たはラメラ粒の平均粒径が100μm以上であるか、あ
るいは、主たる金属組織がラメラ粒の集合体からなりか
つラメラ粒の平均粒径が100μm以上のTi−Al系
金属間化合物であり、いずれも加圧下で行われる反応焼
結によって、空隙率0.5体積%以下、空隙の大きさ5
0μm以下、空隙の平均大きさ15μm以下に焼結して
なるTi−Al系金属間化合物である。本発明でいうγ
相とは、ラメラ組織中に存在する主としてTiAlから
なる板状結晶を含まず、ラメラ組織以外の主としてTi
Alからなる組織を意味する。
【0007】上記γ相は主としてTiAlからなる微細
結晶粒の集合体であって、TiAl単相で等軸粒からな
る場合が多いが、Al3 TiあるいはTi3 Alが少量
含まれていてもよい。本発明の金属組織はTiとAlの
反応合成法(反応焼結)によって容易に得られる。
【0008】
【作用】主としてγ相とラメラ粒とからなるTi−Al
系金属間化合物において、ラメラ粒の体積分率を64%
以上、あるいはラメラの粒径を100μm以上とするこ
とにより、900℃以上の温度でも高い耐熱性が示され
る。また、ラメラの体積分率が95%以上であれば更に
高い耐熱性が発揮され、1000℃以上の高温でも高い
耐熱性が示される。このような金属組織の900℃以下
での曲げ強度は、900℃以上の曲げ強度よりも高い。
【0009】なお本発明は、諸特性の改善を図るために
Si,Nb,Mn,Cr,V,Pb等の添加元素や、T
iB2 ,Y2 3 ,Ti5 Si3 のセラミックスあるい
は金属間化合物の微細強化物を加えて改質を行ったもの
も有効である。
【0010】
【実施例】TiとAlの粉末を下記表1に示す4種類
(No.1〜No.7)のAl組成となるように混合
し、これらの混合体を圧粉成形したのち、アルミナ粉末
を圧力媒体とする擬HIPにより加圧しながら同表に示
される3種類の温度(1250℃,1300℃,135
0℃)で2時間保持し、反応焼結によってTi−Al系
金属間化合物からなる部材を得た。反応焼結(自己伝播
高温合成法)は、TiとAlの混合粉末等をその反応温
度以上に加熱することによって混合粉末の一部に反応を
生じさせ、その時に発生する反応熱により次々と反応を
伝播させる方法である。
【0011】本発明のTi−Al系金属間化合物は、例
えば鍛造法や、更には鍛造後に熱処理を行い組織を調整
することによっても得られるものであり、製造方法は問
わない。ただし、上述のように粉末原料を用いる場合に
は、ラメラ粒の体積分率やラメラ粒径を調整することが
容易であり、更には上述の反応焼結を用いることにより
更に容易に製造できる。
【0012】また、上記反応焼結を行う際に加圧するこ
とが空隙体積を減少させる上で効果が大きく、また、加
圧の手段としてアルミナ粉末等を圧力媒体とする擬HI
Pを用いることにより、簡便かつ容易に空隙を減少させ
ることができる。
【0013】各例(No.1〜No.7)の組成からな
る部材を、3×4×37mmの角柱状に研削加工し、表1
に示される2種類の温度(900℃と1000℃)で曲
げ試験を大気中で実施することによって、高温での曲げ
強度を求めた。曲げ試験は図5に示されるようなスパン
30mmの3点曲げ試験機を用いて、JISR1604
(ファインセラミックスの高温曲げ強さ試験方法)に準
拠して行った。ただし、表1の曲げ試験中に試験片は破
壊することがなかったので、荷重をかけ始めてからクロ
スヘッドを2mm移動させた際の最大荷重により曲げ強さ
を求めて曲げ強度とした。なお、試験片の表面粗さはR
max 2.2μm以下とした。
【0014】ラメラ体積分率(体積%)は、上記焼結体
を研磨し、その組織を顕微鏡で観察することによって求
めた。また、ラメラ径はラメラ体積%の場合と同じよう
に組織観察し、ラメラ粒の平均粒径を求めた。
【0015】
【表1】 図3は、表1中の各例(No.1〜No.7)について
ラメラ体積分率(%)と高温曲げ強度との関係をプロッ
トしたものである。図4は、上記各例についてラメラ平
均粒径と高温曲げ強度との関係をプロットしたものであ
る。
【0016】表1中のNo.1とNo.2は、主たる組
織がラメラからなる。図2の写真は表1中のNo.2の
組織(主としてラメラ、一部にγ相を含む組織)であ
る。写真中に縞模様となって表れているのがラメラ粒で
ある。ラメラ体積分率が95体積%以上の組織は実質的
にラメラのみからなる組織と同じである。
【0017】表1中のNo.3〜No.7は、図1に示
されるように母相としてのγ相とこのγ相中に分散した
ラメラ粒とにより構成される複合金属組織である。N
o.3とNo.4のγ相は平均粒径が20〜50μm程
度の微細なTiAl結晶粒の集合した組織であり、これ
らのγ粒が部材全体にわたってつながっている。なお、
図1中のラメラ粒L1 ,L2 ,L3 のように互いにくっ
ついた状態のものも各々を1個の粒として数える。従っ
てこの図示例のラメラ粒L1 ,L2 ,L3 は、合計3個
の粒として数える。
【0018】主としてTiAlからなるγ相は、TiA
l単相である場合や、Ti3 Alを微少量含むことによ
りTiAlとごく薄いTi3 Alとの層状組織を形成す
ることがあるが、Ti3 Alが少量のためにTi3 Al
の層厚さが極端に薄くて顕微鏡観察では判別できない場
合がある。このような組織は、主としてTiAlからな
る相の組成がTiとAlの原子分率において、Alが4
9〜53原子%の時に形成される場合がある。この場合
も、Ti3 Alがごく少量であるため組織全体として見
れば実質的にTiAl単相とみなすことができる。
【0019】図3中に1点鎖線で示される900℃での
高温曲げ試験結果から、ラメラ体積率が63体積%のも
の(No.5)に比べ、ラメラ体積率が69%に増加し
たもの(No.3,4)の強度が大幅に上昇した。すな
わちラメラ体積率が63体積%を越えるようにすること
により、900℃における曲げ強度が47kgf/mm2
越える高い耐熱性を示すことが判った。また、図3中に
破線で示されるように1000℃の高温で行われた曲げ
試験では、ラメラ体積%が95%以上の組織で更に大き
な強度が得られることが判った。これに対し比較例の組
織(No.5〜7)は、高温時の曲げ強度が低かった。
【0020】表1で示したものは空隙率が全て0.5体
積%以下であり、かつ空隙の平均径が15μm以下で空
隙の最大径は50μm以下であった。このように空隙を
微細にしかつ空隙を少なくかつ均一にすることが本発明
の効果を高めることに有効である。
【0021】また、TiとAlの組成比をAlの原子%
が44〜48原子%とすることによって、本発明の金属
組織が容易に得られ、特に44〜47原子%にすること
によって、主たる組織がラメラである部材が容易に得ら
れ、より高温で高い強度が得られることが判った。
【0022】すなわち本実施例の組織は高温においても
高強度化が図れており、耐クリープ性も優れている。ま
た、ラメラ粒径を100μm以上とすることにより高い
耐熱性が得られ、ラメラ粒径が150μm以上で更に高
い曲げ強度が得られている。また1000℃の曲げ試験
結果から、ラメラ粒径を250μm以上にすることによ
って、高い耐熱性が得られている。
【0023】ただし、ラメラ平均粒径を2500μm以
上にすると室温での強度が低下し、使用に支障をきたす
場合もあるので、ラメラ径が2500μmを越えないよ
うにすることが望ましい。更には、1000μm以下に
した時に上記と同様の理由によって好ましい結果が得ら
れる場合もある。特に室温での強度を重要とするなら1
00〜250μm、更には100〜150μmとするこ
とにより、更に好ましい結果が得られる場合がある。ラ
メラ粒径のばらつきに関しては、粗大粒は少ない方が望
ましく、かつ粗大粒の大きさは平均粒径の5倍以下にす
るのがよい。
【0024】前記各実施例は、大気中で実施された90
0℃と1000℃での曲げ試験中に材料の酸化はほとん
ど進行せず、このため酸化による破断を生じることがな
く、良好な耐酸化性を有していた。また、900℃以下
での曲げ強度は900℃での曲げ強度よりも高かった。
なお、前記実施例で示した高温曲げ強度の試験温度は、
耐熱性を評価するために採用した温度の一例に過ぎず、
この金属間化合物の使用温度を限定するものではない。
また本発明は、前記実施例の組成や組織のみに限定され
るものではない。
【0025】
【発明の効果】本発明によれば、優れた耐熱性,耐クリ
ープ性等の特質を発揮でき、特に高温において優れた特
性をもつTi−Al系金属間化合物が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】Ti−Al系金属間化合物の金属組織の一例を
模式的に示す図。
【図2】本発明の一実施例を示す金属間化合物の金属組
織を100倍に拡大して示す顕微鏡写真。
【図3】Ti−Al系金属間化合物のラメラ体積%と曲
げ強度との関係を示す図。
【図4】Ti−Al系金属間化合物のラメラ平均粒径と
曲げ強度との関係を示す図。
【図5】曲げ試験を実施する装置の概略を示す図。
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C22C 14/00 C22C 1/04

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】主たる金属組織がγ相とラメラ粒とからな
    り、かつ上記ラメラ粒の体積分率が64体積%以上であ
    り、空隙率0.5体積%以下、空隙の大きさ50μm以
    下、空隙の平均大きさ15μm以下に焼結してなること
    を特徴とするTi−Al系金属間化合物。
  2. 【請求項2】主たる金属組織がラメラ粒の集合体からな
    り、かつ上記ラメラ粒の平均粒径が100μm以上であ
    り、空隙率0.5体積%以下、空隙の大きさ50μm以
    下、空隙の平均大きさ15μm以下に焼結してなること
    を特徴とするTi−Al系金属間化合物。
  3. 【請求項3】主たる金属組織がγ相とラメラ粒とからな
    り、かつ上記ラメラ粒の平均粒径が100μm以上であ
    り、空隙率0.5体積%以下、空隙の大きさ50μm以
    下、空隙の平均大きさ15μm以下に焼結してなること
    を特徴とするTi−Al系金属間化合物。
  4. 【請求項4】主たる金属組織がγ相とラメラ粒とからな
    り、かつ上記ラメラ粒の体積分率が64体積%以上でし
    かも上記ラメラ粒の平均粒径が100μm以上であり、
    空隙率0.5体積%以下、空隙の大きさ50μm以下、
    空隙の平均大きさ15μm以下に焼結してなることを特
    徴とするTi−Al系金属間化合物。
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