JP5110199B2 - Titanium aluminide casting and crystal grain refinement method thereof - Google Patents

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本発明は、チタンアルミナイド鋳造品及びその結晶粒微細化方法に係り、特に、トラックのディーゼルエンジン等に搭載されるターボチャージャーや、高温下で連続使用される回転部材等に用いられるチタンアルミナイド鋳造品及びその結晶粒微細化方法に関するものである。   The present invention relates to a titanium aluminide cast product and a method for refining the crystal grain thereof, and in particular, a titanium aluminide cast product used for a turbocharger mounted on a truck diesel engine or the like, a rotating member continuously used at a high temperature, and the like. And a crystal grain refinement method thereof.

AlとTiとの金属間化合物であるチタンアルミナイド(TiAl)は、軽量で、高強度である等といった特性を有していることから、航空機や自動車用エンジンの回転部材等に有望とされている。   Titanium aluminide (TiAl), which is an intermetallic compound of Al and Ti, has characteristics such as light weight and high strength, and is therefore promising for rotating members of aircraft and automobile engines. .

これらの部材にチタンアルミナイドを用いるには、チタンアルミナイドがクリープ強度(特に高温クリープ強度)及び疲労強度を高いレベルで満足すること、即ち、チタンアルミナイドのクリープ特性(特に高温クリープ特性)及び疲労特性が良好であることが要求される。   In order to use titanium aluminide for these members, titanium aluminide satisfies the creep strength (especially high temperature creep strength) and fatigue strength at a high level, that is, the titanium aluminide has creep properties (particularly high temperature creep properties) and fatigue properties. It is required to be good.

チタンアルミナイドの金属組織形態の1つに全面ラメラ組織があるが、この組織のチタンアルミナイドは、クリープ特性に優れていることが知られている。また、β相安定化型元素(W、Nb、Ta、Cr等)を添加したチタンアルミナイドは、クリープ特性に優れたものが多いことが知られている。これは、これらの元素を添加すると、Al成分量との兼ね合いから、初晶がβ相で凝固を開始した場合、結晶粒の粗大化が生じ、即ち、金属組織が粗大組織となるためであり、これによって、クリープ強度が向上する。   One of the metallographic forms of titanium aluminide is a whole surface lamellar structure, and titanium aluminide having this structure is known to have excellent creep characteristics. Further, it is known that many titanium aluminides to which a β-phase stabilizing element (W, Nb, Ta, Cr, etc.) is added have excellent creep characteristics. This is because when these elements are added, from the balance with the amount of Al component, when the primary crystal starts to solidify in the β phase, the crystal grains become coarse, that is, the metal structure becomes a coarse structure. This improves the creep strength.

特開平01−298127号公報JP-A-01-298127 特開昭56−041344号公報JP-A-56-04344 特開平04−088140号公報Japanese Patent Laid-Open No. 04-088140 特開平08−311585号公報Japanese Patent Laid-Open No. 08-311585 特開2000−345260号公報JP 2000-345260 A

ところが、疲労特性の向上という観点では、金属組織の結晶粒はできるだけ微細であることが好ましい。つまり、クリープ特性の向上と疲労特性の向上は相反する要求であり、その両立は困難であった。   However, from the viewpoint of improving fatigue characteristics, it is preferable that the crystal grains of the metal structure be as fine as possible. In other words, improvement in creep characteristics and improvement in fatigue characteristics are contradictory requirements, and it has been difficult to achieve both.

以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、金属組織の結晶粒が微細であり、クリープ特性及び疲労特性がいずれも良好なチタンアルミナイド鋳造品及びその結晶粒微細化方法を提供することにある。   An object of the present invention, which was created in view of the above circumstances, is to provide a titanium aluminide cast product having fine metal structure crystal grains and good creep characteristics and fatigue characteristics, and a method for crystal grain refinement thereof. There is.

上記目的を達成すべく本発明のチタンアルミナイド鋳造品は、Fe及びVの双方を含有するチタンアルミナイド鋳造品において、化学組成が、
Al:46〜50原子%、
Fe、Vの両元素を総量で5原子%以下(但し、Feの含有量は17.5−0.3x原子%以下(x:Alの含有量))、
C:0.1〜0.4原子%、
残部:Ti及び不可避的不純物であり、
金属組織の平均結晶粒径が50〜300μm、金属組織中に析出するC基析出物の平均粒径が1μm以下であるものである。
To achieve the above object, the titanium aluminide cast product of the present invention is a titanium aluminide cast product containing both Fe and V.
Al: 46-50 atomic%,
Fe and V elements in a total amount of 5 atomic% or less (provided that the Fe content is 17.5-0.3x atomic% or less (x: Al content)),
C: 0.1 to 0.4 atomic%,
The balance: Ti and inevitable impurities,
The average crystal grain size of the metal structure is 50 to 300 μm, and the average particle diameter of the C group precipitates precipitated in the metal structure is 1 μm or less.

以上の構成によれば、疲労特性を向上させるべく金属組織の結晶粒の微細化を図っても、クリープ特性の著しい低下のおそれがないチタンアルミナイド鋳造品を得ることができる。   According to the above configuration, it is possible to obtain a titanium aluminide cast product in which there is no fear that the creep characteristics are remarkably lowered even if the metal structure crystal grains are refined to improve the fatigue characteristics.

一方、本発明に係るチタンアルミナイド鋳造品の結晶粒微細化方法は、上記のチタンアルミナイド鋳造品と同じ化学組成の合金溶湯を金型内に鋳込んだ後、その鋳造体を冷却する際に、1500〜1100℃の温度域で、150〜250℃/minの冷却速度で冷却するものである。   On the other hand, the grain refinement method of the titanium aluminide cast product according to the present invention, after casting the molten alloy having the same chemical composition as the above-described titanium aluminide cast product into the mold, when cooling the cast body, In the temperature range of 1500-1100 ° C., cooling is performed at a cooling rate of 150-250 ° C./min.

以上の方法によれば、上記化学組成のチタンアルミナイド鋳造品を、完全2相(α+γ相)の層状組織に、かつ、結晶粒微細に形成することができる。   According to the above method, the titanium aluminide cast product having the above-described chemical composition can be formed into a complete two-phase (α + γ phase) layered structure and fine crystal grains.

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。
(1)疲労特性を向上させるべく金属組織の結晶粒の微細化を図っても、クリープ特性の著しい低下のおそれがないチタンアルミナイド鋳造品を得ることができる。
(2)(1)のチタンアルミナイド鋳造品を、完全2相(α+γ相)の層状組織に、かつ、結晶粒微細に形成することができる。
In short, according to the present invention, the following excellent effects are exhibited.
(1) A titanium aluminide cast product that does not cause a significant decrease in creep characteristics can be obtained even if the metal structure crystal grains are refined in order to improve fatigue characteristics.
(2) The titanium aluminide cast product of (1) can be formed into a complete two-phase (α + γ phase) layered structure and fine crystal grains.

チタンアルミナイド鋳造品(1)の金属組織の光学顕微鏡観察図である。It is an optical microscope observation figure of the metal structure of a titanium aluminide casting (1). 図1の部分拡大図である。It is the elements on larger scale of FIG. チタンアルミナイド鋳造品(2)の金属組織の光学顕微鏡観察図である。It is an optical microscope observation figure of the metal structure of a titanium aluminide casting (2). 図3の部分拡大図である。FIG. 4 is a partially enlarged view of FIG. 3. 金属組織の結晶粒度とクリープ強度及び結晶粒度と疲労強度の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the crystal grain size and creep strength of a metal structure, and a crystal grain size and fatigue strength. クリープ特性とLCF特性の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between a creep characteristic and an LCF characteristic. 高温クリープ特性に優れたチタンアルミナイド鋳造品の金属組織の光学顕微鏡観察図である。It is an optical microscope observation figure of the metal structure of the titanium aluminide cast product excellent in the high temperature creep characteristic. 図7の部分拡大図である。It is the elements on larger scale of FIG. 実施例、比較例、従来例における各鋳造体の化学組成を表1にした図である。It is the figure which made Table 1 the chemical composition of each casting in an Example, a comparative example, and a prior art example. 図9に示した各鋳造体の各評価結果を表2にした図である。It is the figure which made each evaluation result of each casting shown in FIG.

以下、本発明の好適一実施の形態を添付図面に基いて説明する。   DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, a preferred embodiment of the invention will be described with reference to the accompanying drawings.

高温クリープ特性及び鋳造性が良好なチタンアルミナイドとして、本発明者は、Ti−Al−Fe−V系合金又はTi−Al−Fe−V−B系合金(特願平10−95172号(特開平11−269584号公報)参照)、及びTi−Al−Mo−V系合金又はTi−Al−Mo−V−Si系合金(特願平11−161073号(特開2000−345260号公報)参照)を先行出願した。   As titanium aluminide having good high temperature creep characteristics and castability, the present inventor has disclosed a Ti-Al-Fe-V alloy or a Ti-Al-Fe-V-B alloy (Japanese Patent Application No. 10-95172 (Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 10-95172)). 11-269484)), and Ti-Al-Mo-V-based alloys or Ti-Al-Mo-V-Si-based alloys (see Japanese Patent Application No. 11-161073 (Japanese Patent Laid-Open No. 2000-345260)). Filed earlier.

上述したTi−Al−Fe−V系合金又はTi−Al−Fe−V−B系合金は、鋳造のままでも優れた高温クリープ特性を有するチタンアルミナイドである。また、Ti−Al−Mo−V系合金又はTi−Al−Mo−V−Si系合金は、Ti−Al−Fe−V系合金又はTi−Al−Fe−V−B系合金よりもAl含有量を増やすことで、機械的特性の向上、即ち高温クリープ強度の更なる向上を図ったチタンアルミナイドである。一般に、Al含有量が少ないと結晶粒は微細であり、Al含有量が多いと結晶粒は粗大となる。   The Ti-Al-Fe-V-based alloy or Ti-Al-Fe-V-B-based alloy described above is a titanium aluminide having excellent high-temperature creep characteristics even when cast. Moreover, Ti-Al-Mo-V alloy or Ti-Al-Mo-V-Si alloy contains Al more than Ti-Al-Fe-V alloy or Ti-Al-Fe-V-B alloy. By increasing the amount, titanium aluminide is intended to improve mechanical properties, that is, to further improve high-temperature creep strength. In general, when the Al content is low, the crystal grains are fine, and when the Al content is high, the crystal grains are coarse.

先行出願の両チタンアルミナイドは、クリープ特性に主眼をおいたものであったため、その金属組織を、図7,図8に示すように、β凝固による粗大なラメラ組織とすることで、クリープ強度の向上を図っていた。しかし、金属組織の結晶粒が粗大であれば高クリープ強度が得られるものの、疲労特性が低下することから、これらのチタンアルミナイドは、疲労特性についてはあまり十分ではなかった。   Since both titanium aluminides of the prior application focused on the creep characteristics, as shown in FIG. 7 and FIG. I was trying to improve. However, if the crystal grains of the metal structure are coarse, a high creep strength can be obtained, but the fatigue characteristics are lowered. Therefore, these titanium aluminides are not very satisfactory in terms of fatigue characteristics.

そこで、本願発明のチタンアルミナイド鋳造品においては、C又はBを規定範囲内で含有させることで、金属組織の結晶粒の微細化を図り、先行出願の両チタンアルミナイドの良好な高温クリープ特性を維持しつつ、疲労特性の改善を図ったものである。   Therefore, in the titanium aluminide cast product of the present invention, by containing C or B within the specified range, the crystal grains of the metal structure are refined, and the high temperature creep characteristics of both titanium aluminides of the prior application are maintained. However, the fatigue characteristics are improved.

良好な高温クリープ特性を維持しつつ、疲労特性の改善を図ったチタンアルミナイド鋳造品(1)は、Mo、V、Siを含有し、
化学組成が、
Al:46〜50原子%、
Mo、V、及びSiの全元素が総量で5原子%以下(但し、Siの含有量は0.7原子%以下、Moの含有量は17.5−0.3x原子%以下(x:Alの含有量))、
C:0.1〜0.4原子%、より好ましくは0.2〜0.4原子%、
残部:Ti及び不可避的不純物で構成されるチタンアルミナイド鋳造品(1)である。
The titanium aluminide cast product (1) which has improved fatigue properties while maintaining good high temperature creep properties contains Mo, V, Si,
The chemical composition is
Al: 46-50 atomic%,
All elements of Mo, V, and Si are 5 atom% or less in total (however, Si content is 0.7 atom% or less, Mo content is 17.5-0.3x atom% or less (x: Al Content)),
C: 0.1 to 0.4 atomic%, more preferably 0.2 to 0.4 atomic%,
The balance: a titanium aluminide casting (1) composed of Ti and inevitable impurities.

また、他のチタンアルミナイド鋳造品(2)は、Mo、V、及びSiを含有し、
化学組成が、
Al:46〜50原子%、
Mo、V、及びSiの全元素が総量で5原子%以下(但し、Siの含有量は0.7原子%以下、Moの含有量は17.5−0.3x原子%以下(x:Alの含有量))、
B:0.2〜1.20原子%、より好ましくは0.3〜1.20原子%、
残部:Ti及び不可避的不純物で構成されるチタンアルミナイド鋳造品(2)である。
The other titanium aluminide casting (2) contains Mo, V, and Si,
The chemical composition is
Al: 46-50 atomic%,
All elements of Mo, V, and Si are 5 atom% or less in total (however, Si content is 0.7 atom% or less, Mo content is 17.5-0.3x atom% or less (x: Al Content)),
B: 0.2 to 1.20 atomic%, more preferably 0.3 to 1.20 atomic%,
Remainder: Titanium aluminide casting (2) composed of Ti and inevitable impurities.

ここで、上記のチタンアルミナイド鋳造品(1)、(2)において、Vの含有量は、1.8原子%以下の任意の値であるが、好ましくは1原子%以下、特に好ましくは0.5原子%前後である。   Here, in the titanium aluminide castings (1) and (2) described above, the V content is an arbitrary value of 1.8 atomic% or less, preferably 1 atomic% or less, particularly preferably 0.8. About 5 atomic%.

次に、チタンアルミナイド鋳造品(1)、(2)の結晶粒微細化方法を以下に説明する。   Next, the crystal grain refining method of the titanium aluminide castings (1) and (2) will be described below.

先ず、化学組成が、
Al:46〜50原子%、
Mo、V、及びSiの全元素が総量で5原子%以下(但し、Siの含有量は0.7原子%以下、Moの含有量は17.5−0.3x原子%以下(x:Alの含有量))、
C:0.1〜0.4原子%又はB:0.2〜1.20原子%、
残部:Ti及び不可避的不純物となるように金属元素の添加量を調整した後、溶解を行う。
First, the chemical composition is
Al: 46-50 atomic%,
All elements of Mo, V, and Si are 5 atom% or less in total (however, Si content is 0.7 atom% or less, Mo content is 17.5-0.3x atom% or less (x: Al Content)),
C: 0.1 to 0.4 atomic% or B: 0.2 to 1.20 atomic%,
Remainder: After adjusting the addition amount of the metal element so as to become Ti and inevitable impurities, dissolution is performed.

次に、溶解した合金溶湯を金型内に鋳込んで鋳造体を形成する。この鋳造体を冷却する際、1500〜1100℃の温度域で、150〜250℃/minの冷却速度で冷却する。これによって、鋳放し材の金属組織において、γ相の単相が析出することはなく、完全2相(α+γ相)の層状組織が結晶粒微細に形成されると共に、結晶粒界に微細なC基又はB基析出物が析出した本実施の形態に係るチタンアルミナイド鋳造品が得られる。   Next, the molten alloy melt is cast into a mold to form a cast body. When this casting is cooled, it is cooled at a cooling rate of 150 to 250 ° C./min in a temperature range of 1500 to 1100 ° C. As a result, in the metal structure of the as-cast material, a single phase of γ phase does not precipitate, and a complete two-phase (α + γ phase) layered structure is formed with fine grains and fine C at the grain boundaries. The titanium aluminide cast product according to the present embodiment in which the group or B group precipitate is deposited is obtained.

次に、上記のチタンアルミナイド鋳造品(1)、(2)の作用について説明する。   Next, the operation of the above-described titanium aluminide castings (1) and (2) will be described.

上記のチタンアルミナイド鋳造品(1)の金属組織の光学顕微鏡観察図を図1に示し、図1の部分拡大図を図2に示し、チタンアルミナイド鋳造品(2)の金属組織の光学顕微鏡観察図を図3に示し、図3の部分拡大図を図4に示す。   The optical microscope observation figure of the metal structure of said titanium aluminide casting (1) is shown in FIG. 1, the elements on larger scale of FIG. 1 are shown in FIG. 2, and the optical microscope observation figure of the metal structure of titanium aluminide casting (2) 3 is shown in FIG. 3, and a partially enlarged view of FIG. 3 is shown in FIG.

チタンアルミナイド鋳造品の母材中に、Cを0.1〜0.4原子%(又はBを0.2〜1.20原子%)の範囲で含有させることで、最初にマトリックス(α+γ相の完全2相)中にC基(又はB基)析出物が析出し、これらの析出物が核となって結晶粒が微細化し、図1,図2(又は図3,図4)に示すように、図7,図8と比較して金属組織の結晶粒が微細なチタンアルミナイド鋳造品が得られる。   By containing C in the range of 0.1 to 0.4 atomic% (or B in the range of 0.2 to 1.20 atomic%) in the base material of the titanium aluminide casting, the matrix (α + γ phase first) As shown in FIG. 1, FIG. 2 (or FIG. 3, FIG. 4), C group (or B group) precipitates are precipitated in the complete two phases, and these precipitates become nuclei and the crystal grains become finer. In addition, a titanium aluminide cast product having fine metal structure crystal grains as compared with FIGS.

この時、C(又はB)の含有量が規定範囲よりも多いと、C基(又はB基)析出物が過剰に析出すると共に、過剰に析出したこれらの析出物が結晶粒を必要以上に微細化し、クリープ強度の低下を招いてしまう。また、結晶の凝固終了時におけるC基(又はB基)析出物が粗大になってしまい、これらの析出物が後に破壊の起点となってしまう。逆に、C(又はB)の含有量が規定範囲よりも少ないと、結晶粒の微細化に全く寄与しない。よって、結晶粒の凝固終了時におけるC基(又はB基)析出物は、その量はできるだけ少なく、かつ、そのサイズはできるだけ微細であることが好ましいことから、C(又はB)の含有量は上記範囲に規定される。   At this time, if the content of C (or B) is larger than the specified range, the C group (or B group) precipitates are excessively precipitated, and the excessively precipitated these precipitates are more than necessary. Refinement will lead to a decrease in creep strength. In addition, the C group (or B group) precipitates at the end of the solidification of the crystals become coarse, and these precipitates later become the starting point of destruction. On the contrary, if the content of C (or B) is less than the specified range, it does not contribute to the refinement of crystal grains at all. Therefore, since the C group (or B group) precipitate at the end of the solidification of the crystal grains is preferably as small as possible and the size is preferably as fine as possible, the content of C (or B) is It is specified in the above range.

これらのチタンアルミナイド鋳造品(1)、(2)においては、上記規定範囲内でCを添加することで、図2に示すように、結晶粒界に、平均粒径が1μm以下、好ましくは0.5μm以下の粒状のC基析出物が析出する。又は、上記規定範囲内でBを添加することで、図4に示すように、結晶粒界に、平均長さが15μm以下、好ましくは10μm以下のフレーク状のB基析出物(図4中の多数の黒点)が析出する。この微細なC基(又はB基)析出物が結晶核として析出することで、金属組織における結晶粒の平均粒径が50〜300μm、好ましくは50〜150μmに微細化する。   In these titanium aluminide castings (1) and (2), by adding C within the above specified range, as shown in FIG. 2, the average grain size is 1 μm or less, preferably 0, at the crystal grain boundaries. A granular C-group precipitate having a particle size of 5 μm or less is deposited. Alternatively, by adding B within the above specified range, as shown in FIG. 4, flaky B group precipitates having an average length of 15 μm or less, preferably 10 μm or less (see FIG. Many black spots) are deposited. The fine C group (or B group) precipitates are precipitated as crystal nuclei, whereby the average grain size of the crystal grains in the metal structure is reduced to 50 to 300 μm, preferably 50 to 150 μm.

金属組織の結晶粒度とクリープ強度及び結晶粒度と疲労強度の関係を図5に示す。ここで、図5中の、破線A1はC又はB添加無しのチタンアルミナイド鋳造品のクリープ強度特性を、実線A2は本発明に係るチタンアルミナイド鋳造品のクリープ強度特性を、実線Bはチタンアルミナイド鋳造品の疲労強度特性を示している。   FIG. 5 shows the relationship between the crystal grain size and creep strength of the metal structure and the crystal grain size and fatigue strength. Here, the broken line A1 in FIG. 5 is the creep strength characteristic of the titanium aluminide cast product without addition of C or B, the solid line A2 is the creep strength characteristic of the titanium aluminide cast product according to the present invention, and the solid line B is the titanium aluminide cast product. The fatigue strength characteristics of the product are shown.

図5に示すように、一般に、結晶粒の微細化に伴って、クリープ強度は著しく低下し、疲労強度は著しく向上する(破線A1、実線B参照)。これは、金属が変形する時は、結晶粒が微細であると、粒界すべり、結晶拡散クリープ変形が容易となり、その結果、金属の変形が容易となるためである。しかし、チタンアルミナイド鋳造品においては、結晶粒内に析出する微細なC基(又はB基)析出物が結晶粒の微細化に寄与すると共に、転位のピン止めとして作用する(ピン止め効果)。このため、疲労強度は著しく向上し、かつ、クリープ強度は大幅に低下することはなく(実線A2参照)、即ちクリープ強度の著しい低下を防ぐことができ、チタンアルミナイド鋳造品の機械的特性が改善される。尚、析出したC基(又はB基)析出物が粗大であれば、チタンアルミナイド鋳造品の機械的特性改善に寄与しないことは言うまでもない。   As shown in FIG. 5, generally, with the refinement of crystal grains, the creep strength is remarkably lowered and the fatigue strength is remarkably improved (see broken line A1 and solid line B). This is because when the metal is deformed, if the crystal grains are fine, the grain boundary slips and crystal diffusion creep deformation becomes easy, and as a result, the metal is easily deformed. However, in a titanium aluminide cast product, fine C group (or B group) precipitates precipitated in the crystal grains contribute to the refinement of the crystal grains and also act as dislocation pinning (pinning effect). For this reason, the fatigue strength is remarkably improved, and the creep strength is not significantly reduced (see the solid line A2), that is, the creep strength can be prevented from being significantly reduced, and the mechanical properties of the titanium aluminide casting are improved. Is done. Needless to say, if the precipitated C group (or B group) precipitate is coarse, it does not contribute to the improvement of the mechanical properties of the titanium aluminide casting.

ここで、C及びBを両方添加してもよいが、その場合、C,Bの内、特にCの添加量を極微量に制御しなければならなくなる。Cの添加量があまりにも少ないと、合金の溶製時にCが全量揮発してしまうおそれがあり、Cの制御が著しく困難となるので、合金設計上、あまり好ましくない。   Here, both C and B may be added. In this case, however, it is necessary to control the addition amount of C, especially C, to a very small amount. If the amount of C added is too small, the entire amount of C may be volatilized when the alloy is melted, and control of C becomes extremely difficult.

上記のチタンアルミナイド鋳造品(1)、(2)を、自動車やトラックのターボチャージャーや、高温下で連続使用される回転部材等に対して適用した場合、機械的特性、特に高温クリープ特性及び疲労特性に全く問題がなく、また、製造コストも前述した先行出願の両チタンアルミナイドと同等であることから、コストの大幅な上昇のおそれもない。つまり、高性能、高信頼性のターボチャージャー又は高温回転部材を安価に大量生産することが可能となる。   When the above titanium aluminide castings (1) and (2) are applied to automobile and truck turbochargers, rotating members used continuously at high temperatures, etc., mechanical properties, particularly high temperature creep properties and fatigue There is no problem in the characteristics, and the manufacturing cost is equivalent to that of both titanium aluminides of the prior application described above, so there is no risk of a significant increase in cost. That is, it becomes possible to mass-produce high performance, high reliability turbochargers or high temperature rotating members at low cost.

また、これらのチタンアルミナイド鋳造品は、そのまま金属部品として利用することが可能であるが、これらの鋳造品は鋳放し材であるため、鋳造欠陥を有しているおそれもある。このため、必要に応じて、これらの鋳造品に対して、HIP処理や均質化処理等の熱処理を施し、鋳造欠陥を除去するようにしてもよい。この時の熱処理条件は、800〜1100℃の温度範囲又は({1220+25(Al原子%−44)}+10)以上の温度で熱処理を施すと共に、100℃/min以上の速度で冷却する。   These titanium aluminide castings can be used as metal parts as they are, but these castings are as-cast materials and may have casting defects. For this reason, if necessary, these castings may be subjected to heat treatment such as HIP processing or homogenization processing to remove casting defects. As heat treatment conditions at this time, heat treatment is performed at a temperature range of 800 to 1100 ° C. or at a temperature of ({1220 + 25 (Al atom% −44)} + 10) or more, and cooling is performed at a rate of 100 ° C./min or more.

次に、本発明の実施の形態について説明する。   Next, an embodiment of the present invention will be described.

前述したチタンアルミナイド鋳造品(1)、(2)は、Ti−Al−Mo−V系の合金であった。これに対して、本発明の実施の形態に係るチタンアルミナイド鋳造品は、チタンアルミナイド鋳造品(1)、(2)の化学組成の内、Moの少なくとも一部をFeで置き換え、Ti−Al−Fe−V系としたものである。   The titanium aluminide castings (1) and (2) described above were Ti—Al—Mo—V alloys. In contrast, in the titanium aluminide cast product according to the embodiment of the present invention, at least a part of Mo is replaced with Fe in the chemical composition of the titanium aluminide cast product (1) or (2), and Ti—Al— Fe-V type.

具体的には、本発明の実施の形態に係るチタンアルミナイド鋳造品は、Fe及びVを含有し、
化学組成が、
Al:46〜50原子%、
Fe、Vの両元素を総量で5原子%以下(但し、Siの含有量は0.7原子%以下、Feの含有量は17.5−0.3x原子%以下(x:Alの含有量))、
C:0.1〜0.4原子%、より好ましくは0.2〜0.4原子%、
残部:Ti及び不可避的不純物で構成されるTi−Al−Fe−V系合金である。
Specifically, the titanium aluminide casting according to the embodiment of the present invention contains Fe and V,
The chemical composition is
Al: 46-50 atomic%,
The total amount of both Fe and V elements is 5 atomic% or less (however, the Si content is 0.7 atomic% or less, the Fe content is 17.5-0.3x atomic% or less (x: Al content) )),
C: 0.1 to 0.4 atomic%, more preferably 0.2 to 0.4 atomic%,
The balance: Ti—Al—Fe—V alloy composed of Ti and inevitable impurities.

本実施の形態に係るチタンアルミナイド鋳造品は、チタンアルミナイド鋳造品(1)、(2)と同様の効果が得られることは言うまでもない。また、本実施の形態に係るチタンアルミナイド鋳造品は、チタンアルミナイド鋳造品(1)、(2)と比較して、Moを含有していないため、製造コストの低減を図ることができる。   It goes without saying that the titanium aluminide cast product according to the present embodiment can obtain the same effects as the titanium aluminide cast products (1) and (2). Moreover, since the titanium aluminide cast product according to the present embodiment does not contain Mo as compared with the titanium aluminide cast products (1) and (2), the manufacturing cost can be reduced.

以下に、チタンアルミナイド鋳造品(1)、(2)と本発明のチタンアルミナイド鋳造品を、実施例1〜19として、比較例1〜6と先行例1、2と併せて説明する。   Below, titanium aluminide cast products (1) and (2) and the titanium aluminide cast product of the present invention will be described as Examples 1 to 19 together with Comparative Examples 1 to 6 and Prior Examples 1 and 2.

Al、Mo又はFe、V、Si、C又はB、残部Ti+不可避的不純物からなる合金溶湯を溶解製造した後、1500〜1100℃の温度域において150〜250℃/minの冷却速度を保ちながら冷却し、化学組成の異なる28種類の鋳造体を作製した(実施例1〜19、比較例1〜7、先行例1,2)。   After melting and producing a molten alloy consisting of Al, Mo or Fe, V, Si, C or B, the balance Ti + inevitable impurities, cooling while maintaining a cooling rate of 150 to 250 ° C / min in a temperature range of 1500 to 1100 ° C Thus, 28 types of cast bodies having different chemical compositions were produced (Examples 1 to 19, Comparative Examples 1 to 7, and Prior Examples 1 and 2).

各鋳造体の化学組成を図9の表1に示す。   The chemical composition of each casting is shown in Table 1 of FIG.

次に、各鋳造体について、組織観察、クリープ特性、及び疲労特性の評価を行った。また、これらの評価を基に総合評価を行った。各評価結果を図10の表2に示す。
(組織観察)
組織観察方法としては、各鋳造体を切断し、その切断面を光学顕微鏡及び反射電子像によりミクロ組織解析を行い、C基又はB基析出物のサイズ、結晶粒微細化の効果の有無を観察した。ここで、結晶粒微細化の効果が著しかったものは◎、有ったものは○、無かったものは×とした。
(クリープ特性評価)
クリープ特性の評価方法としては、各鋳造体を平行部φ6×30mmの試験片に加工し、大気中で荷重240MPa、温度760℃の条件でクリープラプチャ試験を行い、クリープ破断寿命(hr)を測定した。
(疲労特性評価)
疲労特性の評価方法としては、周波数60Hzの三角波を用い、各鋳造体に対して、室温で、応力振幅R(最小応力/最大応力)が0.1、平均応力が192.5MPaの疲労試験を行い、破断に至るまでのサイクル数(回)を測定した。この時、疲労特性が良好なものを○、先行例1,2と同等又は同等以上のものを△とした。
Next, the structure observation, creep characteristics, and fatigue characteristics of each cast body were evaluated. Moreover, comprehensive evaluation was performed based on these evaluations. Each evaluation result is shown in Table 2 of FIG.
(Tissue observation)
As a structure observation method, each cast body is cut, and the cut surface is subjected to a microstructure analysis by an optical microscope and a backscattered electron image, and the size of the C group or B group precipitate and the presence or absence of the effect of grain refinement are observed. did. Here, the case where the effect of refining the crystal grains was remarkable was marked with 、, the case where it was present with ○, and the case where there was no crystal grain with ×.
(Creep property evaluation)
As a method for evaluating creep characteristics, each cast body is processed into a test piece having a parallel part φ6 × 30 mm, and a creep rupture test is performed in the atmosphere under a load of 240 MPa and a temperature of 760 ° C. to measure a creep rupture life (hr). did.
(Fatigue property evaluation)
As a method for evaluating fatigue characteristics, a triangular wave having a frequency of 60 Hz is used, and a fatigue test is performed on each cast body at room temperature, with a stress amplitude R (minimum stress / maximum stress) of 0.1 and an average stress of 192.5 MPa. And the number of cycles (breaks) until rupture was measured. At this time, those with good fatigue characteristics were marked with ◯, and those with the same or better than the previous examples 1 and 2 were marked with △.

図10の表2に示すように、C又はBの添加の無い先行例1,2の鋳造体においては、クリープ破断寿命は500hr以上と長く、高温クリープ特性に優れているものの、結晶粒が粗大であることから、疲労特性が良好でなかった。これらを踏まえた総合評価が○にとどまった。   As shown in Table 2 of FIG. 10, in the castings of the first and second examples without addition of C or B, the creep rupture life is as long as 500 hours or more, and the high temperature creep characteristics are excellent, but the crystal grains are coarse. Therefore, fatigue characteristics were not good. Overall evaluation based on these was only ○.

これに対して、Cを規定範囲内で添加したチタンアルミナイド鋳造品(1)の実施例1〜4、11〜13、チタンアルミナイド鋳造品(2)の実施例5〜7、14〜16、本発明の実施例5〜7,17〜19鋳造体においては、C基析出物のサイズは微細又はやや大であり、全ての鋳造体で結晶粒の微細化効果が観察され、疲労特性はいずれも良好であった。また、クリープ破断寿命は300〜500hr程度であり、先行例1,2と比較してクリープ破断寿命の著しい低下はなかった。これらを踏まえた総合評価が◎と良好であった。他方、Bを規定範囲内で添加した実施例8〜10,14〜16の鋳造体においては、B基析出物のサイズは粗大であり、全ての鋳造体で結晶粒の微細化効果が観察され、疲労特性はいずれも良好であった。また、クリープ破断寿命は400hr以上であり、先行例1,2と比較してクリープ破断寿命の著しい低下はなかった。これらを踏まえた総合評価が◎と良好であった。ここで、実施例1,11,17又は実施例8,14の鋳造体においては、結晶粒微細化の効果は得られるものの、C又はBの含有量がやや少ないため、疲労特性が先行例1,2と同等又は同等以上の△となり、これらを踏まえた総合評価は○にとどまった。   On the other hand, Examples 1-4, 11-13 of titanium aluminide castings (1) to which C is added within the specified range, Examples 5-7, 14-16 of titanium aluminide castings (2), In Examples 5 to 7 and 17 to 19 of the invention, the size of the C-based precipitates is fine or slightly large, and the effect of refining crystal grains is observed in all castings, and the fatigue characteristics are all It was good. Further, the creep rupture life was about 300 to 500 hr, and the creep rupture life was not significantly reduced as compared with the first and second examples. The overall evaluation based on these was as good as ◎. On the other hand, in the castings of Examples 8 to 10 and 14 to 16 in which B was added within the specified range, the size of the B-based precipitates was coarse, and the effect of refining crystal grains was observed in all castings. The fatigue properties were all good. Further, the creep rupture life was 400 hr or longer, and the creep rupture life was not significantly reduced as compared with the preceding examples 1 and 2. The overall evaluation based on these was as good as ◎. Here, in the casts of Examples 1, 11, 17 or Examples 8 and 14, although the effect of crystal grain refinement is obtained, the content of C or B is slightly less, so the fatigue characteristics are the first example. , 2 equal to or better than △, the overall evaluation based on these was only ○.

尚、B基析出物のサイズが「粗大」であるというのは、C基析出物のサイズと比較してのことであり、B基析出物のサイズ基準では「微細」である。   Note that the size of the B group precipitate is “coarse” compared to the size of the C group precipitate, and is “fine” on the basis of the size of the B group precipitate.

比較例3,7又は比較例2,5,6の鋳造体においては、結晶粒微細化の効果は得られるものの、C又はBの含有量が規定範囲よりも多いため、C又はBの含有量が規定範囲内のものと比較して、C基又はB基析出物のサイズが大きい(大又は極粗大である)ことから、クリープ破断寿命が低下した。これらを踏まえた総合評価は○にとどまった。   In the castings of Comparative Examples 3 and 7, or Comparative Examples 2, 5, and 6, although the effect of crystal grain refinement is obtained, the content of C or B is larger than the specified range, so the content of C or B However, since the size of the C-group or B-group precipitate is large (large or extremely coarse), the creep rupture life is reduced. Overall evaluation based on these was only ○.

比較例1又は比較例4の鋳造体においては、C又はBの添加自体を行っていないため、クリープ特性及び疲労特性は先行例1,2の鋳造体と同程度であり、これらを踏まえた総合評価は○にとどまった。   In the cast body of Comparative Example 1 or Comparative Example 4, since C or B is not added itself, the creep characteristics and fatigue characteristics are the same as those of the cast bodies of the preceding Examples 1 and 2, and based on these, Evaluation remained ○.

次に、クリープ特性と疲労特性の関係を図6に示す。ここで、横軸はクリープ破断寿命(hr〔760℃,240MPa〕)を、縦軸はLCF(Life of Cycles to Failure)特性を示している。   Next, the relationship between creep characteristics and fatigue characteristics is shown in FIG. Here, the horizontal axis represents creep rupture life (hr [760 ° C., 240 MPa]), and the vertical axis represents LCF (Life of Cycles to Failure) characteristics.

図6に示すように、図中△印で示されるTi−Al−Mo−V系合金にSiを添加すると共に、Al含有量を増やすことで、Siによる析出強化及び結晶粒粗大化により、クリープ破断寿命が300hr程度から500hr程度に向上し、即ち高温クリープ特性が改善され、図中□印で示されるTi−Al−Mo−V−Si系合金が得られる。   As shown in FIG. 6, by adding Si to the Ti-Al-Mo-V alloy indicated by Δ in the figure and increasing the Al content, creep strengthens due to precipitation strengthening by Si and grain coarsening. The fracture life is improved from about 300 hr to about 500 hr, that is, the high temperature creep characteristics are improved, and a Ti—Al—Mo—V—Si based alloy indicated by □ in the figure is obtained.

このTi−Al−Mo−V−Si系合金にC又はBを添加することで、結晶粒が微細化してLCF特性が改善され、図中黒丸印で示される本発明に係るチタンアルミナイド鋳造品LCF特性が得られる。この時、C又はBの添加量があまりにも少ないと、図中○印で示すように、結晶粒微細化の効果が無く、LCF特性が改善されることはない。また、C又はBの添加量の多い、少ないによって、析出するC基又はB基析出物のサイズが粗大になったり、微細になったりする。この時、析出したC基又はB基析出物があまりにも粗大であると、高温クリープ特性の著しい低下を防ぐことができない。   By adding C or B to this Ti-Al-Mo-V-Si alloy, the crystal grains are refined and the LCF characteristics are improved, and the titanium aluminide cast product LCF according to the present invention indicated by black circles in the figure. Characteristics are obtained. At this time, if the amount of C or B added is too small, there is no effect of crystal grain refinement and the LCF characteristics will not be improved, as indicated by the circles in the figure. Moreover, when the addition amount of C or B is large or small, the size of the precipitated C group or B group precipitate becomes coarse or fine. At this time, if the precipitated C group or B group precipitate is too coarse, it is impossible to prevent a significant decrease in the high temperature creep characteristics.

以上、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、他にも種々のものが想定されることは言うまでもない。   As mentioned above, it cannot be overemphasized that embodiment of this invention is not limited to embodiment mentioned above, and various things are assumed in addition.

Claims (2)

Fe及びVの双方を含有するチタンアルミナイド鋳造品において、化学組成が、
Al:46〜50原子%、
Fe、Vの両元素を総量で5原子%以下(但し、Feの含有量は17.5−0.3x原子%以下(x:Alの含有量))、
C:0.1〜0.4原子%、
残部:Ti及び不可避的不純物であり、
金属組織の平均結晶粒径が50〜300μm、金属組織中に析出するC基析出物の平均粒径が1μm以下であることを特徴とするチタンアルミナイド鋳造品。
In titanium aluminide castings containing both Fe and V, the chemical composition is
Al: 46-50 atomic%,
Fe and V elements in a total amount of 5 atomic% or less (provided that the Fe content is 17.5-0.3x atomic% or less (x: Al content)),
C: 0.1 to 0.4 atomic%,
The balance: Ti and inevitable impurities,
A titanium aluminide cast product, wherein the average crystal grain size of the metal structure is 50 to 300 μm, and the average grain size of the C group precipitates precipitated in the metal structure is 1 μm or less.
請求項1に記載のチタンアルミナイド鋳造品と同じ化学組成の合金溶湯を金型内に鋳込んだ後、その鋳造体を冷却する際に、1500〜1100℃の温度域で、150〜250℃/minの冷却速度で冷却することを特徴とするチタンアルミナイド鋳造品の結晶粒微細化方法。   When the molten alloy having the same chemical composition as the titanium aluminide cast product according to claim 1 is cast into a mold and then cooled, the cast body is cooled in a temperature range of 1500 to 1100 ° C at 150 to 250 ° C / A method for refining crystal grains of a titanium aluminide cast product, characterized by cooling at a cooling rate of min.
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