JP3774758B2

JP3774758B2 - ＴｉＢ粒子強化Ｔｉ２ＡｌＮｂ金属間化合物基複合材料とその製造方法

Info

Publication number: JP3774758B2
Application number: JP2000191898A
Authority: JP
Inventors: 聡江村; 益夫萩原
Original assignee: National Institute for Materials Science
Current assignee: National Institute for Materials Science
Priority date: 2000-06-26
Filing date: 2000-06-26
Publication date: 2006-05-17
Anticipated expiration: 2020-06-26
Also published as: JP2002003977A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、ＴｉＢ粒子強化Ｔｉ₂ＡｌＮｂ金属間化合物基複合材料との製造方法に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、航空機ジェットエンジンのタービンブレードやタービンディスク、あるいは自動車エンジンの排気バルブなどの燃焼部部材に特に有用なＴｉＢ粒子強化Ｔｉ₂ＡｌＮｂ金属間化合物基複合材料とその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
従来より、航空機ジェットエンジンのタービンブレードやタービンディスク、あるいは
自動車エンジンの排気バルブなどの燃焼部部材においては、軽量で、高温でも強度を維持できる部材が必要とされている。このような高温強度特性を有する金属材料として、約１０年前に、Ｔｉ₂ＡｌＮｂ（Ｔｉ−２５ｍｏｌ％Ａｌ−２５％Ｎｂ）（斜方晶の結晶構造を有し、○相（オー相）と名付けられた）であるチタン系の金属間化合物が見出されており、既存のＴｉＡｌ（γ）やＴｉ₃Ａｌ（α₂）金属間化合物と比較して、高温延性、クリープ特性、高温引張強さに優れていることから、新しいタイプの軽量耐熱材料として注目されている。
【０００３】
また、このＴｉ₂ＡｌＮｂ金属間化合物については、高温相であるＢ２相（ＣｓＣｌ型構造）を金属組織中に組み入れ、室温延性や破壊靱性の向上に一定の成果が得られている。たとえば、○相を主体とし、２０％程度のＢ２相を含有したＴｉ−２２ｍｏｌ％Ａｌ−２７ｍｏｌ％Ｎｂの合金が提案されている（R.G.Rowe:Microstructure/Property Relationships in Titanium Aluminides and Alloys, TMS, (1991), pp387-398）。
【０００４】
ただ、このようなＴｉ₂ＡｌＮｂ金属間化合物の実用化においては、室温および高温での引張強さとともに、クリープ特性や剛性（ヤング率）、耐摩耗性といったすべての特性のさらなる向上が必要とされている。
【０００５】
通常のチタン合金やＴｉ₃Ａｌ（α₂）金属間化合物においては、これらの諸特性を向上させるための方法として、耐熱性に優れたセラミック粒子を均一に分散させる方法が知られている。このような粒子強化型の複合材料のための強化粒子としては、特にＴｉＢ粒子は、室温および高温での強度やヤング率が高いこと、チタン基の基質材料との界面における整合性が高く、界面反応相のようなものが生じないことなどの特長を有し、強化粒子としてもっとも有効であるとされている。
【０００６】
これらの通常のチタン合金やＴｉ₃Ａｌ（α₂）金属間化合物からなる粒子強化型の複合材料を製造するためには、強化粒子の均一分散や加工コストの削減を可能とするために、粉末冶金法の一種である素粉末混合法が、一般的に利用されている。この素粉末混合法は原料となる純チタン粉末や添加元素の母合金粉末を混合、成形、焼結等の過程を経て合金化するもので、ＴｉＢ粒子を分散させる場合、原料粉末とともにＴｉＢ₂などのＢを含有した粉末を混合し、その後の焼結においてＴｉ粉末と反応させてＴｉＢ粒子を析出させるという手法が採用されている。この方法で製造された粒子強化型複合材料は基質材料と比較して高い引張強度、高いサイクル疲労強度などを示すことが報告されている（萩原ら、鉄と鋼
83 1997 821-826 、江村ら日本金属学会誌 63 1999 383-390)。
【０００７】
しかしながら、このような従来の粒子強化型の複合材料の知見に沿ってＴｉ₂ＡｌＮｂ金属間化合物をＴｉＢ粒子によって強化して特性向上を図ることはできない。たとえば、従来の素粉末混合法で製造した複合材料では、ＴｉＢ粒子は粗大なものとなり、こうした粗大粒子の分散は、室温での延性や靱性を大きく低下させる。またこうした粗大粒子では転位の運動を抑制することができないため、基質材が軟化するような高温域でのクリープ強度や疲労強度の向上には寄与しないのである。
【０００８】
そこで、この出願の発明は、以上の通りの従来技術の限界を克服し、室温特性を劣化させることなく、高温特性をより一層向上させることのできる、ＴｉＢを微細分散させたＴｉ₂ＡｌＮｂ金属間化合物基複合材料とその製造方法を提供することを課題としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、第１には、斜方晶の規則相である○相を主体とした金属組織を有するＴｉ₂ＡｌＮｂ系金属間化合物基複合材料であって、粒径が１０μｍ以下のＴｉＢ微細粒子が均一に分散されていることを特徴とするＴｉＢ粒子強化Ｔｉ₂ＡｌＮｂ金属間化合物基複合材料を提供する。
【００１０】
また、第２には、組成がＴｉ−ｘＡｌ−ｙＮｂ−ｚＭ（Ｍは添加元素）であって、２０ｍｏｌ％≦ｘ≦２５ｍｏｌ％、１５ｍｏｌ％≦ｙ≦２９ｍｏｌ％、０ｍｏｌ％≦ｚ≦１０ｍｏｌ％）の母相にＴｉＢ粒子が分散されているＴｉＢ粒子強化Ｔｉ₂ＡｌＮｂ金属間化合物基複合材料を、第３には、ＭがＭｏ，Ｖ，またはＷであるＴｉＢ粒子強化Ｔｉ₂ＡｌＮｂ金属間化合物基複合材料を、第４には、ＴｉＢ粒子が１〜２０ｍａｓｓ％の範囲で含有されているＴｉＢ粒子強化Ｔｉ₂ＡｌＮｂ金属間化合物基複合材料を提供する。
【００１１】
また、この出願の発明は、第５には、前記のＴｉＢ微細粒子強化Ｔｉ₂ＡｌＮｂ金属間化合物基複合材料を製造する方法であって、ＴｉＢ粒子があらかじめ分散された合金材をガスアトマイズ法によって急冷凝固して合金粉末を製造し、次いで生成された合金粉末を固化成形することを特徴とするＴｉＢ粒子強化Ｔｉ₂ＡｌＮｂ金属間化合物基複合材料の製造方法を提供し、第６には、ＴｉＢ粒子が１〜２０ｍａｓｓ％の割合であらかじめ分散された合金材をガスアトマイズ法によって急冷凝固して合金粉末を製造する前記方法を、第７には、合金粉末をβ相単相温度域である１１００℃〜１３００℃で熱間静水圧プレス処理し、熱間圧延処理によって固化成形する前記の製造方法を提供する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
この出願の発明は上記のとおりの特徴を有するものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
【００１３】
なによりもこの出願の新規性は、はじめてＴｉＢ粒子を微細分散させたＴｉ₂ＡｌＮｂ系金属間化合物基複合材料を提供したことにある。
【００１４】
この場合のＴｉ₂ＡｌＮｂ系金属間化合物は、斜方晶の規則相である○相を主体とした金属組織を有している。その組成としては、たとえばＴｉ−ｘＡｌ−ｙＮｂ−ｚＭ（Ｍは添加元素を示す）において、２０ｍｏｌ％≦ｘ≦２５ｍｏｌ％、１５ｍｏｌ％≦ｙ≦２９ｍｏｌ％、０ｍｏｌ％≦ｚ≦１０ｍｏｌ％が好適なものとして示される。また、好適な添加元素としては、Ｍｏ，ＶまたはＷが例示される。
【００１５】
そしてこの発明における複合材料では、ＴｉＢ粒子の粒径が１０μｍ以下であることをさらなる特徴としている。
【００１６】
以上のようなこの発明の複合材料は、従来公知のメルトスピニング法、回転電極法、あるいはガスアトマイズ法などの急冷凝固法によってＴｉＢ粒子を含んだ合金粉末を製造し、これを固化成形することにより、室温特性を劣化させることなく、高温特性をより一層向上させることのできるＴｉ₂ＡｌＮｂ金属間化合物基複合材料として提供される。なかでも、固化成形のための原料合金粉末としてはガスアトマイズ法により形成されたものが好ましい。
【００１７】
ガスアトマイズ法は、通常の溶解法によって製造した合金インゴットを再溶解し、アルゴンガス等の不活性ガスを用いてノズルを通して噴霧することで急冷凝固粉末（冷却速度：毎秒約１００〜１０００００℃）を得る方法である。
【００１８】
この発明の方法においては、ＴｉＢ粒子が前記合金インゴット中にあらかじめ混合分散されているものとする。また急冷凝固後の合金粉末の大きさは、好ましくは２００μｍ以下、さらに好ましくは２０〜１６０μｍ，最も好ましくは４５〜１５０μｍの範囲にあるものとする。これによって、含有されるＴｉＢが微細分散された成形固化体としてこの発明の複合材が効果的に製造可能となる。
【００１９】
原料としてガスアトマイズ法によって製造された急冷凝固合金粉末を使用することで、大きさが１０μｍ以下、さらには数μｍ程度以下の極めて微細なＴｉＢ粒子が均一に分散した粒子強化型複合材料を製造することができ、ヤング率、高温引張特性、クリープ特性等を大幅に向上することができる。
【００２０】
すなわち、この発明においては、ＴｉＢの析出は合金粉末製造時の急冷凝固中に生じるため、粒子の成長は抑制され、その結果、粒子が非常に微細に分散した合金粉末が得られ、さらに、Ｂのチタン基の基質中での拡散速度は極めて遅いため、合金粉末中に微細に分散したＴｉＢ粒子は、その後の固化成形プロセスでの加熱中には粗大化しないのである。
【００２１】
さらに、この出願の発明の製造方法においては、ＴｉＢ粒子量が１ｍａｓｓ％以上、２０ｍａｓｓ％未満であることが望ましく、ＴｉＢ粒子量が１ｍａｓｓ％未満では複合化による効果が十分得られないし、逆にＴｉＢ粒子量が２０ｍａｓｓ％以上では、複合材料の延性、靱性等の特性が著しく低下する。
【００２２】
またさらに、この出願の発明の製造方法においては、β相単相温度域である１１００℃以上での熱間静水圧プレス処理および熱間圧延処理を施すことは必須であり、これを行わないと空洞等の欠陥が生じてしまうだけではなく、粉末同士の十分な結合が得られない。また、熱間静水圧プレス処理温度および熱間圧延温度が１３００℃以上では、酸化等の影響による材料の劣化が生じてしまう。
【００２３】
以下実施例を示し、さらにこの発明について詳しく説明する。
【００２４】
【実施例】
＜１＞まず、ＴｉＢ粒子強化Ｔｉ₂ＡｌＮｂ金属間化合物基複合材料を製造した。
【００２５】
すなわち、Ｔｉ₂ＡｌＮｂ金属間化合物（化学組成Ｔｉ−２３．５Ａｌ−２５．３Ｎｂ（ｍｏｌ％））中にＴｉＢ粒子が６．５ｍａｓｓ％の割合で分散するように各元素を配分した材料のインゴットを作成し、それを高周波誘導コイル中で非接触状態で再溶解し、溶融流に高純度アルゴンガスを高速で噴霧することによって真球状の急冷凝固粉末を製造した。
【００２６】
図１は生成された合金の粉末の走査型電子顕微鏡写真であり、（Ａ）は合金粉末の外観、（Ｂ）は合金粉末の内部を示している。この写真から明らかなように、合金粉末はほぼ真球状の外観を呈しており、内部には４μｍ程度以下の微細なＴｉＢ粒子が分散していた。
【００２７】
得られた粒径４５〜１５０μｍの合金粉末をステンレス製の容器に真空封入した後、１１００℃での熱間静水圧プレス処理、および１１５０℃での熱間圧延による固化成形を行った。
【００２８】
さらに、基質の金属組織を○相主体に調整するため、β変態温度以上の単相域である１２５０℃で溶体化処理後、β単相域からの徐冷処理を行った。図２はその金属組織を示した走査型顕微鏡写真である。この図２から明らかなように、一連の製造プロセスの後もＴｉＢ粒子の粗大化は生じず、粉末中に含まれるものと同じ大きさのＴｉＢ粒子が均一微細に分散していた。またβ単相域から毎秒０．０３℃の速度で徐冷処理を行った複合材料の基質の金属組織は○相、β相からなる層状組織（ラメラ組織）を主体とし、若干の等軸状のα₂相を含有した均一なものとなっていた。
＜２＞次に、製造したＴｉＢ粒子強化型複合材料について、ヤング率測定、真空中での引張試験、およびクリープ試験を行った。
【００２９】
比較材として、溶解法で製造し、同様の熱処理を施したＴｉ−２３．５Ａｌ−２５．３Ｎｂ金属間化合物基質材を用いた。
【００３０】
図３はそのヤング率を示したものであり、この発明の複合材料は、室温から７３０℃までの温度範囲において基質材の値を１０〜１５ＧＰａ上回る高い値を示した。
【００３１】
図４は真空中での引張試験の結果であり、この発明の複合材料は室温から８００℃までの温度範囲において、基質材より高い引張強さ、０．２％耐力を示した。延性についても室温で２％程度と比較的高い値を示した。
【００３２】
図５は温度６５０℃、応力３１０ＭＰａのクリープ試験の結果であり、この発明の複合材料は、初期クリープ歪、定常クリープ速度、クリープ破断寿命のいずれも基質材を大きく上回る良好な値を示した。
【００３３】
【発明の効果】
以上詳しく説明したように、この発明により、室温特性を劣化させることなく、高温においても、ヤング率、高温引張特性、クリープ特性に優れた軽量高強度複合材料を提供することを可能とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】ガスアトマイズ法で製造したＴｉ−２３．５Ａｌ−２５．３Ｎｂ／６．５ｍａｓｓ％ＴｉＢ複合材粉末の外観（Ａ）、および粉末内部（Ｂ）の走査型電子顕微鏡写真である。
【図２】固化成形および熱処理を施した後の複合材料の金属組織を示した電子顕微鏡写真である。
【図３】この発明の複合材料と基質材のヤング率を電子顕微鏡比較して示した写真図である。
【図４】この発明の複合材料と基質材の引張試験結果を比較して示した図である。
【図５】この発明の複合材料と基質材のクリープ試験結果を比較して示した図である。

Claims

斜方晶の規則相である○相を主体とした金属組織を有するＴｉ₂ＡｌＮｂ系金属間化合物基複合材料であって、粒径が１０μｍ以下のＴｉＢ微細粒子が均一に分散されていることを特徴とするＴｉＢ粒子強化Ｔｉ₂ＡｌＮｂ金属間化合物基複合材料。
組成がＴｉ−ｘＡｌ−ｙＮｂ−ｚＭ（Ｍは添加元素）であって、２０ｍｏｌ％≦ｘ≦２５ｍｏｌ％、１５ｍｏｌ％≦ｙ≦２９ｍｏｌ％、０ｍｏｌ％≦ｚ≦１０ｍｏｌ％）の母相にＴｉＢ粒子が分散されていることを特徴とする請求項１のＴｉＢ粒子強化Ｔｉ₂ＡｌＮｂ金属間化合物基複合材料。
ＭがＭｏ，Ｖ，またはＷであることを特徴とする請求項２のＴｉＢ粒子強化Ｔｉ₂ＡｌＮｂ金属間化合物基複合材料。
ＴｉＢ粒子が１〜２０ｍａｓｓ％の範囲で含有されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかのＴｉＢ粒子強化Ｔｉ₂ＡｌＮｂ金属間化合物基複合材料。
請求項１ないし４のいずれかのＴｉＢ微細粒子強化Ｔｉ ₂ ＡｌＮｂ金属間化合物基複合材料を製造する方法であって、ＴｉＢ粒子があらかじめ分散された合金材をガスアトマイズ法によって急冷凝固して合金粉末を製造し、次いで生成された合金粉末を固化成形することを特徴とするＴｉＢ粒子強化Ｔｉ ₂ ＡｌＮｂ金属間化合物基複合材料の製造方法。
ＴｉＢ粒子が１〜２０ｍａｓｓ％の割合であらかじめ分散された合金材をガスアトマイズ法によって急冷凝固して合金粉末を製造することを特徴とする請求項５のＴｉＢ粒子強化Ｔｉ₂ＡｌＮｂ金属間化合物基複合材料の製造方法。
合金粉末をβ相単相温度域である１１００℃〜１３００℃で熱間静水圧プレス処理し、熱間圧延処理によって固化成形することを特徴とする請求項５または６のＴｉＢ粒子強化Ｔｉ₂ＡｌＮｂ金属間化合物基複合材料の製造方法。