JP6883818B2 - 高温形状記憶合金およびその製造方法 - Google Patents
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(1)50原子%のPd、残部がTiと不可避不純物からなるTiPd系高温形状記憶合金であって、前記Tiの一部がZrで、全体組成に対して0.1〜18原子%の範囲で置換され、前記Pdの一部がNiで、全体組成に対して0.1〜15原子%の範囲で置換されているTiPd系高温形状記憶合金。
(2)50原子%のPd、残部がTiと不可避不純物からなるTiPd系高温形状記憶合金であって、前記Tiの一部がZrで、全体組成に対して0.1〜18原子%の範囲で置換され、前記Pdの一部がCoで、全体組成に対して0.1〜22原子%の範囲で置換されているTiPd系高温形状記憶合金。
[上限値]={15x[Ni]+22x[Co]}/{[Ni]+[Co]} (1)
ここで、[Ni]は前記NiとCoの合計量に対するNi成分の組成比率、[Co]は前記NiとCoの合計量に対するCo成分の組成比率である。
即ち、[Ni]が100%の場合は、[上限値]が15原子%となる。[Co]が100%の場合は、[上限値]が22原子%となる。[Ni]と[Co]が混在している場合は、[上限値]が両者の案分比により15原子%から22原子%の間になる。
(4)(1)乃至(3)のいずれか1項に記載のTiPd系高温形状記憶合金において、50MPa以上かつ800MPa以下の応力下で3回以上加圧・熱サイクル試験(トレーニング)を行うことにより永久歪みが0%である機械的特性を有すると共に、前記熱サイクル試験の温度条件は、マルテンサイト相が安定な温度からオーステナイト相に変態が終了する温度以上の温度に上昇させた後、マルテンサイト相が安定な温度に降温させる加圧・熱サイクルである、
TiPd系高温形状記憶合金。
(5)(1)乃至(4)のいずれか1項に記載のTiPd系高温形状記憶合金において、マルテンサイト変態温度(マルテンサイト終了温度Mf)が100℃〜550℃であるTiPd系高温形状記憶合金。
(7)(6)に記載のTiPd系高温形状記憶合金アクチュエイターを用いたジェットエンジン、自動車用エンジン、船舶用エンジン、又は飛翔体用エンジン。
本発明のTiPd系高温形状記憶合金は、TiPd化合物を基本的な構成としている。Ti、Pdの二元系状態図によると、Pdの割合が45〜55原子%の組成範囲でTiPd化合物が安定に存在することが確認でき、Pdの好ましい組成範囲は45〜55原子%であることがわかる。一方、添加元素であるNiやCoもTiと化合物を作り、TiNiやTiCoを生成する。結晶構造はTiPdと同様にB2構造である。この事実はTi-Pd-NiやTi-Pd-Coの三元系状態図を考えた時に、PdとNiやCoが全率固溶する可能性を示している。すなわち、Tiを50原子%に固定し、Pd+Ni=50あるいはPd+Co=50原子%の範囲内であればB2構造を示す。以上のことを前提として、以下に本発明のTiPd系高温形状記憶合金の実施形態についてさらに詳細に説明する。
Zrは、TiPd化合物の高温強度を向上させるのに有効な元素である。また、Zrは、Tiと似た性質を持つ、周期律表の4族の元素であり、Tiの一部を置換しても、結晶中に大きな欠陥は生成しない。
Niは、TiPd化合物の変態温度を低下させるが、Niは形状記憶合金の仕事量に関わる変態歪みを大きくする効果がある。また、Niは、Pdと似た性質を持つ、周期律表の10族の元素であり、Pdの一部を置換しても、結晶中に大きな欠陥は生成しない。Niは変態歪みの制御には必要であるが、変態温度を下げる効果があるため、添加量が大きいと変態温度(マルテンサイト変態終了温度)が100℃以下となり、高温形状記憶合金として機能しなくなる。マルテンサイト変態終了温度を100℃以上にするためには15原子%を超える添加はできない。前記Pdの一部がNiで置換される範囲は、さらに好ましくは、全体組成に対して9〜15原子%であり、最も好ましくは13〜15原子%である。
Coは、TiPd化合物の変態温度を低下させるが、Coは形状記憶合金の仕事量に関わる変態歪みを小さくするが、より高い温度で形状回復を有効にする元素である。また、Coは、Pdと似た性質を持つ、周期律表の9族の元素であり、Pdの一部を置換しても、結晶中に大きな欠陥は生成しない。Coは変態歪みの制御には必要であるが、変態温度を下げる効果があるため、添加量が大きいと変態温度(マルテンサイト変態終了温度)が100℃以下となり、高温形状記憶合金として機能しなくなる。マルテンサイト変態終了温度を100℃以上にするためには22原子%を超える添加はできない。前記Pdの一部がCoで置換される範囲は、さらに好ましくは、全体組成に対して16〜22原子%であり、最も好ましくは20〜22原子%である。
本発明のTiPd系高温形状記憶合金は、マルテンサイト変態終了温度が100℃〜550℃であることが好ましい。また、本発明のTiPd系高温形状記憶合金は、100℃〜550℃でのマルテンサイト変態温度近傍で変形、形状回復を繰り返した場合であっても、永久歪みが0%であるの繰り返し特性を有することが好ましい。
本発明のTiPd系高温形状記憶合金は、最も好ましくは、製造時に40%以上の圧縮変形を施すことにより、転位が導入され、これが安定的に配置することにより形状回復の安定性を保つ。
これは、40%以上の圧縮変形後、B2領域の温度範囲で熱処理を施し、転位構造を回復させると、変態ひずみが明確に見えなくなり、回復しなくなることからも変形による転位構造が形状回復に有効であることを示す。本発明のTiPd系高温形状記憶合金に対する製造時の圧縮変形範囲は、さらに好ましくは、20〜90%であり、好ましくは40〜80%である。
以下に、本発明の高温形状記憶合金の製造工程の一実施形態について説明する。
まず、本発明の高温形状記憶合金の原料を溶解して溶製する。溶解には、一般的なTi材料溶解に用いられる各種溶解法を採用することができ、特に制限されるものではなく、これらの方法としては、例えば、アーク溶解法、電子ビーム溶解法、高周波溶解法等の溶解法を挙げることができる。
次に、溶製した合金を、マルテンサイト変態温度以上のB2型立方晶領域の温度から前記形状記憶合金の液相を生じる温度より100℃を下回る温度までの範囲内で、40%以上の圧縮変形を施す。
次に、この溶製した合金を1000℃の試験機に設置し、20分均質化処理後、厚さ方向に40%の圧縮を施し、その後、空冷した。
<マルテンサイト変態温度の測定>
各合金試料の試験片を、大気中で、1分間に10℃の昇温降温速度の条件でDSC(示差走査型熱分析装置)により示差熱分析を行い、マルテンサイト変態温度を測定した。
各合金試料の試験片について、一定の応力下でマルテンサイト相が安定な温度からオーステナイト相に変態が終了する温度以上の温度に上昇させた後、マルテンサイト相が安定な温度に降温させた(永久歪み測定試験)結果から温度−歪み曲線を作成し、試験前後の歪みの差(%)を測定した。なお、加圧・熱サイクルの結果からも同様の温度−歪み曲線を作成することができる。
各合金試料の試験片について、上記の永久歪み測定試験の結果から温度−歪み曲線を作成し、昇温時のマルテンサイト変態開始温度における歪みと、昇温時のマルテンサイト変態終了温度における歪みとの差を算出し、変態歪み(%)を測定した。この変態歪み(%)に対して、負荷した応力(MPa)を乗算することにより、単位面積当たりの仕事量(J/cm3)を算出した。
ちなみに、マルテンサイト変態温度終了温度が150℃以上になるNi又はCo添加量を計算したところ、Niは13原子%以下、Coは20原子%以下であった。また、マルテンサイト変態温度終了温度が200℃以上になるNi又はCo添加量を計算したところ、Niは9原子%以下、Coは16原子%以下であった。
図1にTi-40Pd-10Ni-5Zr合金に対して、15、50、100、150および200MPaの応力下で永久歪み測定試験を行った結果を示す温度−歪み曲線である。50MPaまでは永久ひずみが入らないが、100MPa以上では永久ひずみが入っている。
Ti-40Pd-10Ni-5Zr合金では、一定荷重で複数回加圧・熱サイクル(トレーニング)する熱加工をしないで永久歪み測定試験を行うと永久歪みが入る。これに対して、図1に示すように一定荷重として200MPaで複数回加圧・熱サイクル(トレーニング)をかけると、Ti-40Pd-10Ni-5Zr合金の永久歪みが0になる。
図2に、200MPaで1、3、17回加圧・熱サイクル試験を施した時の温度−歪み曲線を示す。1回目のサイクルでは0.1%程度永久ひずみが入っているが、3回目の加圧・熱サイクル試験では、永久ひずみが0%となり、完全に回復している。その後も永久ひずみは0のまま安定であり、17回の試験によっても、永久ひずみは導入されなかった。
図3にTi-40Pd-10Co-5Zr合金に対して、15、50、100、150および200MPaの応力下で永久歪み測定試験を行った結果を示す温度−歪み曲線を示す。この合金は200MPa負荷しても永久ひずみが導入されなかった。
[上限値]={15x[Ni]+22x[Co]}/{[Ni]+[Co]} (1)
ここで、[Ni]は前記NiとCoの合計量に対するNi成分の組成比率、[Co]は前記NiとCoの合計量に対するCo成分の組成比率である。
NiとCoを添加することで、TiPd系高温形状記憶合金の強化が期待できると共に、変態ひずみの制御も期待できる。
Claims (8)
- 50原子%のPd、残部がTiと不可避不純物からなるTiPd系高温形状記憶合金であって、
前記Tiの一部がZrで、全体組成に対して0.1〜18原子%の範囲で置換され、
前記Pdの一部がNiで、全体組成に対して0.1〜15原子%の範囲で置換されていると共に、PdとNiの合計含有量が全体組成に対して50原子%であるTiPd系高温形状記憶合金。 - 50原子%のPd、残部がTiと不可避不純物からなるTiPd系高温形状記憶合金であって、
前記Tiの一部がZrで、全体組成に対して0.1〜18原子%の範囲で置換され、
前記Pdの一部がCoで、全体組成に対して0.1〜22原子%の範囲で置換されていると共に、PdとCoの合計含有量が全体組成に対して50原子%であるTiPd系高温形状記憶合金。 - 50原子%のPd、残部がTiと不可避不純物からなるTiPd系高温形状記憶合金であって、
前記Tiの一部がZrで、全体組成に対して0.1〜18原子%の範囲で置換され、
前記Pdの一部がNiとCoの合計量として、全体組成に対して0.1原子%以上、下記の(1)式で示される案分割合で定められる上限値の原子%の範囲で置換されていると共に、PdとNi及びCoの合計含有量が全体組成に対して50原子%であるTiPd系高温形状記憶合金。
[上限値]={15x[Ni]+22x[Co]}/{[Ni]+[Co]} (1)
ここで、[Ni]は前記NiとCoの合計量に対するNi成分の組成比率、[Co]は前記NiとCoの合計量に対するCo成分の組成比率である。 - 上記TiPd系高温形状記憶合金において、
50MPa以上かつ800MPa以下の応力下で3回以上加圧・熱サイクル試験(トレーニング)を行うことにより永久歪みが0%である機械的特性を有すると共に、
前記熱サイクル試験の温度条件は、マルテンサイト相が安定な温度からオーステナイト相に変態が終了する温度以上の温度に上昇させた後、マルテンサイト相が安定な温度に降温させる加圧・熱サイクルである、
請求項1乃至3のいずれか1項に記載のTiPd系高温形状記憶合金。 - 上記TiPd系高温形状記憶合金において、マルテンサイト変態温度(マルテンサイト終了温度Mf)が100℃〜550℃である請求項1乃至4のいずれか1項に記載のTiPd系高温形状記憶合金。
- 請求項1乃至5のいずれか1項に記載のTiPd系高温形状記憶合金を用いて作製されたTiPd系高温形状記憶合金アクチュエイター。
- 請求項6に記載のTiPd系高温形状記憶合金アクチュエイターを用いたジェットエンジン、自動車用エンジン、船舶用エンジン、又は飛翔体用エンジン。
- 請求項1乃至5のいずれか1項に記載のTiPd系高温形状記憶合金の製造方法であって、溶製した前記形状記憶合金の原料を、マルテンサイト変態温度以上のB2型立方晶領域の温度から前記形状記憶合金の液相を生じる温度より100℃を下回る温度までの範囲内で、40%以上の圧縮変形をさせ、空冷したTiPd系高温形状記憶合金の製造方法。
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