JP6416459B2 - チタンアルミナイド金属間組成物 - Google Patents

Description

本発明は一般にチタン及びアルミニウムを含有する組成物並びにその加工に関する。より具体的には、本発明は、許容可能な室温延性を維持しながら耐クリープ性を高めるために炭素の添加が制御された、チタンアルミナイド（ＴｉＡｌ）（ガンマ）金属間化合物をベースとするチタンアルミナイド金属間組成物（ＴｉＡｌインターメタリックス）に関する。

ガスタービンエンジンの設計において重量及び高温強度は主に考慮すべき事項であるため、高温で高い強度を有する比較的軽量な組成物を作り出すために継続した努力がなされている。チタン系合金系は、比較的高温の用途に適した機械的特性を有することが当技術分野において良く知られている。チタン系合金の高温性能は、チタンアルミナイド化合物Ｔｉ₃Ａｌ（アルファ−２（α−２））及びＴｉＡｌ（ガンマ（γ））をベースとするチタン金属間化合物系の使用によって向上してきた。これらのチタンアルミナイド金属間化合物（又は便宜上、ＴｉＡｌ金属間化合物）は一般に、比較的軽量であると特徴づけられるが、しかしながら高温で高い強度、クリープ強度、及び耐疲労性を示すことができることが知られている。しかしＴｉＡｌ金属間化合物から押出成形、鍛造、圧延、及び鋳造によって部材を製造することは、多くの場合、それらの延性が比較的低いために複雑である。

Ｈｕａｎｇの米国特許第４，８７９，０９２号において教示されるように、クロム及びニオブを添加すると、ガンマＴｉＡｌ金属間化合物のある種の特性、例えば耐酸化性、延性、強度などが増進される。Ｈｕａｎｇは近似的な式Ｔｉ₄₆〜₅₀Ａｌ₄₆〜₅₀Ｃｒ₂Ｎｂ₂、又は公称ではおよそＴｉ−４８Ａｌ−２Ｃｒ−２Ｎｂを有する特定のチタンアルミナイド金属間組成物を開示している。この合金（本明細書において４８−２−２合金と呼ぶ）は、ガスタービン用途、例えばガスタービンエンジンの低圧タービン部分において、特に低圧タービン翼（ＬＰＴＢ）の材料としてそれを使用することを可能にする望ましい環境抵抗、室温延性、及び損傷許容性を示すと考えられる。

ある種の特性を増進するために、炭素の添加がＴｉＡｌ金属間化合物において提唱されてきた。例えば、Ｊａｆｆｅｅらの米国特許第３，２０３，７９４号は、３４〜４６原子パーセントのアルミニウムを含有するガンマＴｉＡｌ合金中に１原子パーセント（１０，０００ｐｐｍ）以下の量で炭素を含ませてもよいことを開示している。別の例はＢｌａｃｋｂｕｒｎらの米国特許第４，２９４，６１５号であり、４８〜５０原子パーセントのアルミニウム及び０．１〜３原子パーセントのバナジウムを含有するガンマＴｉＡｌ合金中に０．０５〜０．２５原子パーセント（５００〜２５００ｐｐｍ）の量で炭素を含ませることを開示している。Ｈａｓｈｉｍｏｔｏらの米国特許第４，６６１，３１６は、３０〜３６重量パーセントのアルミニウム及び０．１〜５重量パーセントのマンガンを含有するガンマＴｉＡｌ合金であって、合金中にさらに０．０２〜０．１２重量パーセントの量で炭素を含ませることができるガンマＴｉＡｌ合金を開示する。しかし、Ｊａｆｆｅｅら、Ｂｌａｃｋｂｕｒｎら、及びＨａｓｈｉｍｏｔｏらは、一般に炭素を加えると延性が低下する傾向があることを開示している。一方で、Ｈｕａｎｇの米国特許第４，９１６，０２８号は、炭素を０．０５〜０．３原子パーセント（５００〜３０００ｐｐｍ）加えると、４８−２−２合金をベースとして４６〜５０原子パーセントのアルミニウム、１〜３原子パーセントのクロム及び１〜５原子パーセントのニオブを含有するガンマＴｉＡｌ合金から製造される急速凝固した押出部材の延性を改善できることを開示している。とりわけ、Ｂｌａｃｋｂｕｒｎらは、０．０５〜０．２５原子％（０．０２〜０．１２重量％）の範囲、好ましくは０．１〜０．２原子％（０．０５％〜０．１重量％）の量の炭素濃度が、Ｔｉ−Ａｌ−Ｖ合金において高温特性を改善する利点を有するが、室温延性のある程度の低下を伴うことを教示した。Ｂｌａｃｋｂｕｒｎらは、クロム及びニオブを含有する合金において５００ｐｐｍを下回るレベルの炭素の使用は教示しなかった。したがって、ニオブ及びクロム含有ＴｉＡｌ合金において、クリープ性能を向上させ最低レベルの延性及び疲労亀裂進展耐性を維持することが必要とされている。

４８−２−２合金は約１４００°Ｆ（約７６０℃）までの公称温度性能を有し、約１５００°Ｆ（約８１５℃）までは有用ではあるが性能が低下する。しかし、１５００°Ｆ（約８１５℃）を超える温度で、例えば約１６００°Ｆ（約８７０℃）の温度まで、向上した耐クリープ性を得ることができれば、この合金を低圧タービン及び他の場所でより広範囲に使用することが可能となろう。したがって、この合金系の環境抵抗、室温延性、及び損傷許容性を犠牲にすることなく、４８−２−２合金のクリープ性能を拡大することが望まれている。十分な設計余裕を提供し且つ合金から複雑な形状を有する部材を鋳造及び機械加工する能力を与えるために、ＬＰＴＢ用途における耐クリープ性の許容可能なレベル、１％の公称延性、及び０．５％の最小延性が、必要でないとしても望ましいと考えられる。特に、高濃度の難揮発性元素（ニオブなど）の添加及び典型的に１０００ｐｐｍ以上の炭素含量によって、ガンマＴｉＡｌ金属間組成物において耐クリープ性の向上が実証されているが、米国特許第４，９１６，０２８号を除いて、この濃度での炭素の添加は延性の低下を伴い、多くの場合０．１％以下の公称延性をもたらす。

本発明は、ガンマチタンアルミナイド（ＴｉＡｌ）（ガンマ）金属間化合物をベースとするガンマチタンアルミナイド金属間組成物（ガンマＴｉＡｌインターメタリックス）を提供する。ガンマＴｉＡｌインターメタリックスは、クロム及びニオブ、並びに室温機械的特性と１６００°Ｆ（約８７０℃）に近い温度及び場合によりそれを超える温度での高温クリープ性能との望ましいバランスを実現する制御された量の炭素を含有する。

ＴｉＡｌ金属間組成物は上記の４８−２−２合金をベースとし、４６〜５０原子パーセントのアルミニウム、１〜３原子パーセントのクロム、及び１〜５原子パーセントのニオブを含有するが、さらに炭素を含有し、炭素を約１６０〜５００ｐｐｍ（約０．０１６〜０．０５原子パーセント）の厳密に制御された量で含ませると、組成物の室温延性を許容不可能なまでに低下させることなく組成物の耐クリープ性を増進することができる。

本発明の他の態様及び利点は下記の詳細な説明によりさらに良く理解されるであろう。

本発明のＴｉＡｌ金属間組成物から形成される鋳物を加工する方法を表すフローチャートの図である。 １６０〜５００ｐｐｍの様々な量の炭素を含有する４種の実験用ガンマチタンアルミナイド金属間組成物の耐疲労クリープ性、室温及び高温での伸び、及び亀裂進展閾値（ΔＫ_th）をプロットする４つのグラフを含む図である。

本発明は、室温機械的特性と組成物を高温用途（限定はされないが、ガスタービンエンジンの低圧タービン部分が挙げられる）での使用に適したものにする高温クリープ性能との望ましいバランスを実現する制御された量のクロム、ニオブ、及び炭素を含有するガンマＴｉＡｌ金属間組成物を提供する。

機構的には、炭素は、格子間補強剤として機能することによって、ＴｉＡｌ金属間組成物の強度を高めることが知られている。本発明によれば、厳密に制御された炭素の添加は、４６〜５０原子パーセントのアルミニウム、１〜３原子パーセントのクロム、１〜５原子パーセントのニオブを含有するガンマＴｉＡｌ金属間組成物の室温延性を許容不可能なまでに低下させることなく、耐クリープ性を増進することが可能である。この有利な特性のバランスは、炭素濃度が約１６０〜５００ｐｐｍ（約０．０１６〜０．０５原子パーセント）、より具体的には約１６０〜４７０ｐｐｍ（約０．０１６〜０．０４７原子パーセント）である場合に特に実現され得る。炭素の添加は、ガンマＴｉＡｌ金属間組成物の未使用の又は元に戻した／再生された材料を使用して一次又は二次溶融物を調製する際に行うことができる。

本発明につながる研究の間に、１〜３原子パーセントのクロム及び１〜５原子パーセントのニオブを含有するガンマＴｉＡｌ金属間組成物において、１６０〜５００ｐｐｍの狭い炭素含量の範囲内で、炭素含量と室温延性との間に逆の直線関係が存在することが分かった。付随して、炭素含量をこの範囲にわたって増加させると、そのような組成物の耐クリープ性が改善させることが観察された。これらの関係に基づき、炭素の制御された添加は、例えばガスタービンエンジンの低圧タービン翼を製造するために鋳造及び加工される場合に、そのような組成物から部材を設計及び製造するのを可能にする十分な延性を維持しながら、耐クリープ性の向上をもたらし得ることがさらに分かった。

研究の間に、４つの異なる濃度：１６０、２７０、４２０、及び５００ｐｐｍの炭素を含有する合金を調製した。上記の４８−２−２合金のインゴットを誘導スカル溶解炉中で溶融させ、制御された量の炭素を溶融物に添加し、次いで溶融物を再度鋳造することによって、組成物を製造した。それらの炭素含量の他に、ＴｉＡｌ金属間組成物の公称化学組成は、原子パーセントで約４８％のアルミニウム、約２％のクロム、約１．９％のニオブであり、残りがチタン及び付随的不純物であった。各々の組成物を熱処理し、熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）加工し、機械的特性について試験した。これらの試験の結果を、図２のグラフにプロットする。クリープのプロットにおいて分かるように、耐クリープ性は炭素含量と共に改善することが観察されたが、室温及び１４００°Ｆ（約７６０℃）での伸びは炭素含量と共に低下した。８００°Ｆ（約４２５℃）における亀裂進展閾値（Ｋ_th）は試験した炭素濃度のすべてにおいて許容可能であった。後者の特性は本発明のガンマＴｉＡｌ金属間組成物において重要な考慮すべき事項である。その理由は、これが、ＬＰＴ翼及び同様に亀裂伝播を促進し得る条件下にある他の部材の長期信頼性において懸念される主なパラメーターであるからである。

全体として、研究の結果は、試験された範囲内の炭素含量が１５００°Ｆ（約８１５℃）を超える、おそらく約１６００°Ｆ（約８７０℃）以上の高温性能をもたらすことを示した。０．５％の最小室温延性がＬＰＴＢ用途における要件であることが決定されたので、研究された範囲からの結果は、本発明のガンマＴｉＡｌ金属間組成物における好ましい最大炭素含量が４７０ｐｐｍであることをさらに示した。特に、５００ｐｐｍの炭素濃度を含有する試料は、４８−２−２合金をベースとするガンマＴｉＡｌ金属間組成物をＬＰＴ翼として容易に加工できるようにするには不十分な室温延性を示すことが結論づけられた。１．０％の公称室温延性がＬＰＴＢ用途において望ましいと特定されたので、研究結果は、試験された２７０ｐｐｍ（０．０２７原子パーセント）の炭素濃度が特性の特に望ましいバランスを実現したことを示した。このことから、約３００ｐｐｍ（０．０３原子パーセント）の公称炭素含量がクリープ強度と室温延性との間の最適なバランスを実現する可能性があると考えられる。

本発明のガンマＴｉＡｌ金属間組成物は、図１に表される手順に従って加工できる。非限定的な例として、ガンマＴｉＡｌ金属間組成物の鋳物の製造に続いて、ＨＩＰ前の熱処理を、約１８００〜約２０００°Ｆ（約９８０〜約１０９０℃）の範囲内の温度で約５〜１２時間にわたって行うことができる。その後、鋳物を冷却し、ＨＩＰチャンバーへ移し、次いで約２１６５°Ｆで約３時間にわたって高圧ＨＩＰステップ（例えば２５ｋｓｉ（約１７２０ｂａｒ）以上）に供する。ＨＩＰ加工した鋳物を次いで冷却し、ＨＩＰチャンバーから取り出し、次いで約２２００°Ｆの温度で約２時間にわたってＨＩＰ後の溶液処理に供する。このようなプロセスは許容可能であると考えられるが、より好ましいプロセスは２０１２年３月２３日出願の米国特許出願第６１／６１４，７５１号に開示されていると考えられ、その内容は参照により本明細書に組み込まれている。好ましいプロセスは、鋳物の延性を増進する等軸及び層状形態を含有する望ましい二重微細構造を示す、ガンマチタンアルミナイド金属間組成物で形成される鋳物が得られるように特に適合される。

本発明は特定の実施形態に関して記載されているが、他の形態が当業者によって採用され得ることは明らかである。したがって、本発明の範囲は下記の特許請求の範囲によってのみ限定される。

Claims (7)

1. モルパーセントで、４６％〜５０％のアルミニウム、１％〜３％のクロム、１％〜５％のニオブ、２７０〜４２０ｐｐｍの炭素、残部チタン及び不可避的不純物からなり、ガンマＴｉＡｌ金属間化合物を主相とするチタンアルミナイド組成物。
2. ３００ｐｐｍの炭素を含有する、請求項１記載のチタンアルミナイド組成物。
3. 鋳物の形態であり、等軸及び層状形態を含有する二重の微細構造を有する、請求項１又は２記載のチタンアルミナイド組成物。
4. ０．５％以上の室温延性を示す、請求項１乃至３のいずれか１項記載のチタンアルミナイド組成物。
5. 少なくとも１％の室温延性を示す、請求項１乃至３のいずれか１項記載のチタンアルミナイド組成物。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項記載のチタンアルミナイド組成物から形成された部材。
7. ガスタービンエンジンの低圧タービン翼である、請求項６記載の部材。