JP3493689B2 - チタンアルミナイド鋳造部品の熱処理方法 - Google Patents
チタンアルミナイド鋳造部品の熱処理方法Info
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Description
されるチタンアルミナイド鋳造部品の製造方法に係り、
特にタービン部品や自動車エンジン部品などの高性能化
を実現できるチタンアルミナイド鋳造部品の熱処理方法
に関する。 【0002】 【従来の技術】近年Ti−Al系金属間化合物であるT
iリッチTiAlが軽量耐熱材料として注目されてい
る。その理由は当該チタンアルミナイドはニッケル基耐
熱合金よりも高温での比強度に優れ、チタン合金よりも
耐熱性、耐酸化性及び耐水素脆化性に優れているためで
ある。これらの特性はタービン部品等への適用に望まし
く、その実用化が待たれている。 【0003】 【発明が解決しようとする課題】しかし、このチタンア
ルミナイドは常温延性が低いこと、また延性が発現され
る700℃以上の高温においても歪速度依存性が大きく
加工性が悪いことから、いまだに実用材料として確立さ
れていない。これらの欠点を解決することができれば、
次世代ジェットエンジン等の実現に大きく貢献すること
ができる。 【0004】そのため多くの学術的研究が活発に行わ
れ、また特願昭61−41740号、特願平1−298
127号、特願平1−96145号、特願平1−335
789号等に粒界強化、双晶変形利用、結晶粒微細化に
よって常温延性を改善する方法が提案されている。 【0005】一方多くの研究者の経験や本発明者らの研
究で、研削や研磨という機械加工に起因する表面硬化層
の存在がチタンアルミナイドの延性低下に大きく影響し
ていることが分かっている。さらに上述の提案等によっ
て優れた材質上の改良を実現できるとしても例えばシュ
ラウド付きタービンブレードのような薄肉複雑形状の部
品を鍛造や研削という方法によって製造することは極め
て困難か不可能なことであり、これらの解決方法も提案
されないとチタンアルミナイド実部品への適用は実現す
ることはできない。 【0006】本出願人は、この点に鑑み、特願平2−2
01373号において、鋳造性に優れたチタンアルミナ
イドを提案した。この出願において提案したチタンアル
ミナイドは、チタンボライドが均一微細に分散されてい
たミクロ組織を有するもので薄肉複雑形状の部品を容易
に鋳造成形できるものであったが、この分散相が疲労破
壊の起点となり得るため、特願平4−69832号にお
いてチタンボライドの分散のない鋳造性に優れたチタン
アルミナイドを提案した。 【0007】しかし鋳造品である以上成分偏析やミクロ
ポロシィの存在という問題があり、また精密鋳造品とは
いえ一部機械加工による寸法制度等の確保の必要があ
り、高い延性を持つ実際の最終形状部品を製造するため
にはなお解決すべき点があった。 そこで、本発明は、
熱処理手段によってこれらを解決できるチタンアルミナ
イド鋳造部品の熱処理方法を提供することにある。 【0008】 【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、重量百分率でAl31.5〜33.5%、
Fe1.5〜2.3%、B0.07〜0.12%を含有
し、さらにV1.5〜2.0%もしくはNb1.5〜
2.0%を含有し、残部がTi及び不可避不純物からな
るTi−Al−Fe−B系チタンアルミナイドにおい
て、下記(1) 式によって 与えられる温度で、15〜20時間均質化処理を施した
鋳造素材に、必要な機械加工を加えて最終形状製品と
し、これに(2) 式によって 与えられる温度で2〜5時間調質処理を施すことを特徴
とするチタンアルミナイド鋳造部品の熱処理方法であ
る。 【0009】 【作用】先ず、Ti−Al−Fe−B系チタンアルミナ
イドの成分は、重量百分率で、Al31.5〜33.5
%、Fe1.5〜2.3%、V1.5〜2.0又は3.
8〜4.8%、B0.07〜0.12%を含有し、残部
がTi及び不可避不純物からなる。またVの代りにNb
を1.5〜2.0重量%加えてもよい。 【0010】これら合金成分を溶融して所望の形状に鋳
造した後、上記(1) 式の温度で所定時間均質処理を施す
ことで常温延性に優れた鋳造品とでき、これを機械加工
し最終形状製品とした後、上記(2) 式の温度で調質する
ことで高性能化されたチタンアルミナイドとすることが
できる。 【0011】以上において、望ましい機械的特性値を与
える成分元素の組合せが鋳造素材全体に均一に実現され
ていない場合は試験片の採取位置によって試験結果が異
なり、また成分元素の偏析がない場合でも例えば鋳造組
織に大きな差異がある場合には、例えば破壊靭性値や疲
労強度といったデータに違いがみられる。 【0012】これら偏析や鋳造組織は、凝固−冷却過程
の自然現象であるため、結晶制御合金製造技術を適用し
ない限り必然的に発生する。従っていわゆる金属工業で
は焼鈍や鍛造・圧延等による鋳造組織の破壊・微細化と
いう手段が一般に採用される。しかしニアネットシェイ
プ成形の精密鋳造では鋳造組織の破壊・微細化というこ
とは採用し得ないことである。 【0013】本発明にかかるTi−AL−Fe−B系チ
タンアルミナイドは、いわゆるγ相、α2 相以外のチタ
ンボライドの晶出分散やβ相の析出分散が核や障壁とな
り、微細で均一な鋳造組織を提供するという鋳造材料と
しては決定的な利点を有するが、成分偏析を皆無にする
ことは不可能である。 【0014】そこで、成分の均質化を目的とする焼鈍
は、再結晶による結晶粒粗大化をもたらす可能性を含む
場合が多い。前述の常温延性改善の提案にもあることか
ら分かるようにチタンアルミナイドでは結晶粒粗大化を
抑制する優れた材料であるが、本発明者等は主としてA
l含有量の異なる試料についてα+γ→αの遷移温度を
特定し、結晶粒粗大化をもたらさず、かつ均質化を確実
に達成できる条件を求めて研究し、(1) 式で与えられる
温度で15〜20時間焼鈍すべきことを把握した。 【0015】この焼鈍後、機械加工を施し(2) 式で調質
を行うことで延性の改善がなされる。 【0016】この(1) 式は、本発明の合金系の均質化処
理温度領域が、以下の条件を満足しなければならないこ
とが種々の実験結果から確かめられ求められたものであ
る。 【0017】すなわち、α単相領域での長時間の熱処理
は、粒成長を促進するため望ましくない。そのため、均
質化処理は、(α+γ)2相領域で行うことが必要であ
る。この場合、組織の均質化は、処理温度、処理時間に
大きく依存するため、図1に示されているα変態線(図
中A−B線)直下の温度で行うことが望ましい。この処
理温度は、Al含有量をパラメータに(1) 式で表される
ことが実験的に求めらた。 【0018】本合金の機械的特性の向上は、調質処理に
より大きく左右される。調質処理の目的は、α2 相、γ
相、β相の各相分率を熱処理により最適化するものであ
り、(2) 式は、各相分率を最適化するための条件として
実験的に求めた。 【0019】本合金では、高硬度のβ相が1200〜1
250℃付近で多量に析出するため、調質処理温度は、
1200℃以下が望まれる。またα2 相の体積率は室温
延性と密接な関係があるため、図1のα変態線(図中A
−B線)とγ変態線(図中C−D線)を用いて冶金学的
手法により、α2 相体積率を10%程度に制御する必要
がある。このα2 相体積率は、Al含有量に依存するた
め、調質温度は、Al含有量をパラメータに(2) 式で表
されることが実験で求められた。 【0020】 【実施例】以下、本発明の一実施例を詳述する。 【0021】先ず上述したTi−Al−Fe−B系チタ
ンアルミナイドの試料として表1の成分の合金を準備し
た。 【0022】 【表1】 この2種の試料を、それぞれ(1) 式で与えられる温度で
表2に示すように焼鈍した。 【0023】 【表2】 表2において、均質化焼鈍処理後の常温引張り試験結果
を示したもので、Aは冷却速度100℃/Hで冷却し、
Bは冷却速度100℃/min で冷却した例を示す。 【0024】表2において、A,Bとも常温伸びが1%
以上と良好であり、機械加工に優れたものとすることが
できる。特に、冷却速度の遅いAは冷却速度の速いBよ
り伸びが良好である。この冷却速度の違いによる強度,
伸びの違いは、冷却過程でのα+γ→(α+γ)+γ→
(α2 +γ)+(γ)+γの変態量とβ相の析出量に原
因している。 【0025】なお、この場合の引張試験片は、機械加工
後化学研磨によって試験片表面を150μm程度除去し
たもので、試験温度は常温,歪み速度は1×10-4s-1
である。 【0026】次に、この表2のAの試験片を採取した材
料から同時に(1) 機械加工で作成した試験片を化学研磨
しない状態で、(2) 機械加工後、900℃×3H真空焼
鈍した状態で、(3) 機械加工後、本発明の調質温度(1
050℃×3H)で調質した状態で、それぞれ表2と同
じ条件で引張試験を行った結果を調質効果として表3に
示した。 【0027】 【表3】 表3より(1) 機械加工で作成した試験片を化学研磨しな
い状態の試験片は、伸びが1%以下と低いが、(2) 機械
加工後、900℃×3H真空焼鈍した場合には、伸びが
1%を越え歪取りはある程度実現されていると見られる
が、(3) の本発明の調質処理(1050℃×3H)によ
る試験片の場合、伸びが2%以上となり、更に延性が改
善されている。これは調質温度がAlの含有量に依存す
るためで、Alの含有量に応じた調質温度にすること
で、γ相とα2 相とを微妙にバランスさせ、α2 相量を
10%前後に制御することができ延性2%以上を改善で
きることに基づく。 【0028】この本発明で得られた試料の破面直下のミ
クロ組織の顕微鏡写真を図2に示した。この試料のα2
体積率は9.77vol%であった。 【0029】尚必要な場合は、均質化焼鈍を、HIP処
理にて成形とを兼ねて実施すればミクロポロシィの弊害
も除去できるし、機械加工以前に調質を行い、機械加工
後化学研磨によって表面層を除去してもよい。 【0030】 【発明の効果】以上要するに本発明によれば、次のよう
な優れた効果を発揮する。 【0031】(1) チタンアルミナイド製の薄肉で複雑形
状の部品を高い延性を付与した状態で最終製品形状で提
供することができ、軽量耐熱新素材であるチタンアルミ
ナイドの実用化に資する。 【0032】(2) 常温延性が低く、難加工材料であった
チタンアルミナイドを比較的低コストで常温延性の改善
された複雑形状部品に成形できる。 【0033】(3) 鋳造素材を機械加工仕上げする以前に
常温伸び1%以上としているため、既存の金属加工設備
工程がそのまま利用できる。
の本合金系の状態図を示す図である。 【図2】本発明で得られたチタンアルミナイド合金試料
の破面直下のミクロ組織の顕微鏡写真を示す。 【符号の説明】 A−B α変態線 C−D γ変態線
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項1】 重量百分率でAl31.5〜33.5
%、Fe1.5〜2.3%、B0.07〜0.12%を
含有し、さらにV1.5〜2.0%もしくはNb1.5
〜2.0%を含有し、残部がTi及び不可避不純物から
なるTi−Al−Fe−B系チタンアルミナイドにおい
て、 下記(1) 式によって 与えられる温度で、15〜20時間均質化処理を施した
鋳造素材に、必要な機械加工を加えて最終形状製品と
し、これに(2) 式によって 与えられる温度で2〜5時間調質処理を施すことを特徴
とするチタンアルミナイド鋳造部品の熱処理方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP18341693A JP3493689B2 (ja) | 1993-06-30 | 1993-06-30 | チタンアルミナイド鋳造部品の熱処理方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP18341693A JP3493689B2 (ja) | 1993-06-30 | 1993-06-30 | チタンアルミナイド鋳造部品の熱処理方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0718392A JPH0718392A (ja) | 1995-01-20 |
JP3493689B2 true JP3493689B2 (ja) | 2004-02-03 |
Family
ID=16135402
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP18341693A Expired - Lifetime JP3493689B2 (ja) | 1993-06-30 | 1993-06-30 | チタンアルミナイド鋳造部品の熱処理方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3493689B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH11193431A (ja) * | 1997-12-26 | 1999-07-21 | Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd | 精密鋳造用チタンアルミナイド及びその製造方法 |
JPH11269584A (ja) | 1998-03-25 | 1999-10-05 | Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd | 精密鋳造用チタンアルミナイド |
-
1993
- 1993-06-30 JP JP18341693A patent/JP3493689B2/ja not_active Expired - Lifetime
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Publication number | Publication date |
---|---|
JPH0718392A (ja) | 1995-01-20 |
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