JP7457980B2 - Method for producing TiAl-based alloy - Google Patents

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Description

本開示は、TiAl基合金の製造方法に関するものである。 The present disclosure relates to a method for manufacturing a TiAl-based alloy.

精密部材の大量生産に適した製造方法として金属粉末射出成形(MIM)法が知られている。 Metal injection molding (MIM) is known as a manufacturing method suitable for mass production of precision components.

MIM法は、バインダと金属粉末の混錬物を成形型内に射出して成形する方法である。MIM法は、射出成形する工程と、バッチ処理で焼結する工程とを含む。 The MIM method is a method of molding by injecting a mixture of a binder and metal powder into a mold. The MIM method includes injection molding and batch sintering.

特許文献1には、MIM法によりタービンホイールの最終製品と近似した形状を有する焼結体を製造する技術が開示されている。 Patent Document 1 discloses a technique for manufacturing a sintered body having a shape similar to a final product of a turbine wheel using the MIM method.

特開2011-174096号公報Japanese Patent Application Publication No. 2011-174096

TiAl基合金は、他の耐熱合金に比べて鋳造性および鍛造性に劣る。その点において、MIM法は、TiAl基合金の製造方法として有望である。 TiAl-based alloys are inferior to other heat-resistant alloys in terms of castability and forgeability. In that respect, the MIM method is a promising manufacturing method for TiAl-based alloys.

一方、MIM法は焼結工程を含むため、ボイドの除去が課題となる。 On the other hand, since the MIM method includes a sintering process, removal of voids becomes an issue.

他の耐熱合金に比べて、TiAl基合金の焼結温度は融点に近い。融点に近い温度で焼結する場合、TiAl基合金が変形することが懸念される。焼結炉の中に複数の成形体を並べて焼結させると、炉内に温度分布に偏りが生じることがある。炉内温度が均一にならないと、局所的に融点近くまで温度が上がり、変形が生じる可能性が高くなる。 Compared to other heat-resistant alloys, the sintering temperature of TiAl-based alloys is close to the melting point. When sintering at a temperature close to the melting point, there is a concern that the TiAl-based alloy may be deformed. When a plurality of compacts are lined up and sintered in a sintering furnace, the temperature distribution within the furnace may become uneven. If the temperature inside the furnace is not uniform, the temperature locally increases close to the melting point, increasing the possibility that deformation will occur.

焼結温度を下げると、変形は回避できるが、ボイドが残存しやすく(=焼結密度が低く)なる。焼結密度の低いTiAl基合金では、割れが発生しやすい。 If the sintering temperature is lowered, deformation can be avoided, but voids tend to remain (=sintered density becomes lower). TiAl-based alloys with low sintered density tend to crack.

特許文献1では、焼結時に生じた変形をプレス加工により矯正している。 In Patent Document 1, deformations that occur during sintering are corrected by pressing.

このような事情から、TiAl基合金では、焼結密度の高い高品質な焼結体を得ることが難しく、焼結工程における歩留まりが低いことが問題であった。 Under these circumstances, it has been difficult to obtain a high-quality sintered body with a high sintering density using a TiAl-based alloy, and the yield rate in the sintering process is low.

本開示は、このような事情に鑑みてなされたものであって、より安定的に焼結性を高められるTiAl基合金の製造方法を提供することを目的とする。 The present disclosure has been made in view of such circumstances, and an object of the present disclosure is to provide a method for manufacturing a TiAl-based alloy that can more stably improve sinterability.

上記課題を解決するために、本開示のTiAl基合金の製造方法は以下の手段を採用する。 In order to solve the above problems, the method for manufacturing a TiAl-based alloy of the present disclosure employs the following means.

本開示は、金属粉末射出成形法を用いたβ安定化元素を含むTiAl基合金の製造方法であって、前記β安定化元素を含むTiAl基合金の状態図からβ+α/α変態温度を確認し、前記β+α/α変態温度以上のβ相存在温度域の温度で焼結し、前記β安定化元素は、NbおよびCrの少なくとも一方を含むTiAl基合金の製造方法を提供する。 The present disclosure is a method for producing a TiAl-based alloy containing a β-stabilizing element using a metal powder injection molding method, in which the β+α/α transformation temperature is confirmed from a phase diagram of the TiAl-based alloy containing the β-stabilizing element. , the TiAl-based alloy is sintered at a temperature in the β phase existence temperature range equal to or higher than the β+α/α transformation temperature , and the β stabilizing element includes at least one of Nb and Cr .

また本開示の参考態様は、上記製造方法で製造されたTiAl基合金を提供する。 Further, a reference aspect of the present disclosure provides a TiAl-based alloy manufactured by the above manufacturing method.

本開示によれば、β相の体積率が高くなる温度域で焼結を実施することで、安定的に焼結性を高め、高品質の焼結体を得られる。 According to the present disclosure, by performing sintering in a temperature range where the volume fraction of the β phase is high, sinterability can be stably improved and a high-quality sintered body can be obtained.

MIM法の手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure of MIM method. Ti-Al-Nb-Cr四元系の状態図である。This is a phase diagram of the Ti-Al-Nb-Cr quaternary system. Ti-Al-Cr三元系の状態図である。This is a phase diagram of the Ti-Al-Cr ternary system. Ti-Al-Nb三元系の状態図である。This is a phase diagram of the Ti-Al-Nb ternary system. Ti-44Al-4Crにおけるβ相体積率と相対密度との関係を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the relationship between β phase volume fraction and relative density in Ti-44Al-4Cr. Ti-47Al-5Nbにおけるβ相体積率と相対密度との関係を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing the relationship between the β-phase volume fraction and the relative density in Ti-47Al-5Nb. 相対密度と温度との関係を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the relationship between relative density and temperature. 各相におけるTiおよびAlの拡散係数を示す図である。It is a figure showing the diffusion coefficient of Ti and Al in each phase.

本実施形態に係るTiAl基合金の製造方法は、ガスタービンエンジンの低圧タービン動翼、ガスタービンエンジンの高圧コンプレッサー動翼、およびターボチャージャーのタービンホイール等へ適用されうる。 The method for producing a TiAl-based alloy according to the present embodiment can be applied to low-pressure turbine rotor blades of gas turbine engines, high-pressure compressor rotor blades of gas turbine engines, turbine wheels of turbochargers, and the like.

本実施形態では、金属粉末射出成形(MIM)法を用いてTiAl基合金を製造する。図1に、MIM法の手順を示す。MIM法は、(S1)混錬および造粒、(S2)射出成形、(S3)脱脂、(S4)焼結の工程を含む。本実施形態に係るTiAl基合金の製造方法は、上記(S4)焼結の後に、(S5)焼結体を熱処理する工程を含んでもよい。 In this embodiment, the TiAl-based alloy is manufactured using the metal powder injection molding (MIM) method. The procedure of the MIM method is shown in FIG. 1. The MIM method includes the steps of (S1) kneading and granulation, (S2) injection molding, (S3) degreasing, and (S4) sintering. The method for manufacturing the TiAl-based alloy according to this embodiment may include a step of heat treating the sintered body (S5) after the above-mentioned (S4) sintering.

TiAl基合金の製造には、原料として金属粉末およびバインダが用いられる。 Metal powder and a binder are used as raw materials to manufacture TiAl-based alloys.

金属粉末は、Ti粉末およびAl粉末を含む。金属粉末は、第3元素、または第3元素および第4元素としてβ安定化元素の粉末を含んでもよい。β安定化元素としては、V,Nb,Cr,MoおよびMnが挙げられる。 The metal powder includes Ti powder and Al powder. The metal powder may include a powder of a β-stabilizing element as a third element, or as a third and fourth element. Examples of β-stabilizing elements include V, Nb, Cr, Mo, and Mn.

金属粉末は、ガスアトマイズ法、水アトマイズ法、および回転電極法等で製造された粉であってよい。金属粉末は、ガスアトマイズ法で製造された粉であることが好ましい。 The metal powder may be a powder produced by a gas atomization method, a water atomization method, a rotating electrode method, or the like. It is preferable that the metal powder is a powder produced by a gas atomization method.

金属粉末の粒径は、45μm以下、好ましくは30μm以下であるとよい。上限値を超えると、射出成形時における成形素材の流動性が低くなり、充填不良が発生しやすくなる。また、粉末間の空隙が大きくなり焼結体の密度が低下する。 The particle size of the metal powder is preferably 45 μm or less, preferably 30 μm or less. When the upper limit is exceeded, the fluidity of the molding material during injection molding becomes low, and filling defects are likely to occur. In addition, the voids between the powders become larger and the density of the sintered body decreases.

例えば、金属粉末は、ガスアトマイズ法で作製した粉を分級により平均粒径45μm以下に調整された粉を用いることができる。 For example, as the metal powder, a powder prepared by gas atomization and adjusted to have an average particle size of 45 μm or less by classification can be used.

バインダは、原料の粉末同士をつなぎ合わせるものである。バインダは、(S2)射出成形の際に、金型の内部に射出成形材料が完全に充填されるように、射出成形材料に流動性(粘度)を付与できる材料であればよい。バインダは、ポリアセタール、ポリプロピレン、ポリエチレン、エチレン酢酸ビニル、またはアクリル樹脂などの有機材料からなる粉末である。 The binder binds the powdered raw materials together. The binder can be any material that can impart fluidity (viscosity) to the injection molding material so that the inside of the mold is completely filled with the injection molding material during (S2) injection molding. The binder is a powder made of an organic material such as polyacetal, polypropylene, polyethylene, ethylene vinyl acetate, or acrylic resin.

原料には、さらに、ワックスまたは他の潤滑剤等が含まれていてもよい。 The raw material may further include wax or other lubricants and the like.

(S1)混錬および造粒
原料(金属粉末とバインダとを含む)を混錬機に投入し、加圧および加熱しながら混錬する。粘土状の混錬物を造粒機にかけ、ペレット(射出成形材料)を得る。
(S1) Kneading and Granulation Raw materials (including metal powder and binder) are put into a kneader and kneaded while being pressurized and heated. The clay-like kneaded material is passed through a granulator to obtain pellets (injection molding material).

バインダの添加量は、混錬物全体のおおよそ30wt%以上45wt%以下であることが好ましい。バインダの添加量は、射出成形性および焼結性を考慮し、合金成分、製品形状、および量産仕様に合わせて調整する。その際、合金原料、バインダの種類および製造条件により最終製品に含まれる酸素量は変化する。本実施形態では、概ね1000ppm以上の高酸素合金製品が成形される。 The amount of the binder added is preferably approximately 30 wt% or more and 45 wt% or less of the entire kneaded material. The amount of binder added is adjusted in accordance with the alloy composition, product shape, and mass production specifications, taking into account injection moldability and sinterability. At that time, the amount of oxygen contained in the final product varies depending on the alloy raw material, the type of binder, and manufacturing conditions. In this embodiment, a high oxygen alloy product of approximately 1000 ppm or more is molded.

(S2)射出成形
射出成形材料を射出成形機に入れ、可塑化して金型のキャビティ内に射出成形する。これにより所望形状の成形体(グリーン体)が得られる。
(S2) Injection molding The injection molding material is placed in an injection molding machine, plasticized, and injection molded into the cavity of a mold, thereby obtaining a molded body (green body) of the desired shape.

(S3)脱脂
グリーン体を炉に入れ、減圧下およびガス雰囲気で加熱しバインダを揮散させる(加熱脱脂)。炉は、バッチ式または連続式のいずれであってもよい。これにより、バインダが除去されたブラウン体が得られる。ここでガスを使用する場合は、アルゴン、窒素あるいは硝酸ガス等であってよい。
(S3) Debinding The green body is placed in a furnace and heated under reduced pressure and in a gas atmosphere to volatilize the binder (thermal debinding). The furnace may be either a batch type or a continuous type. This results in a brown body from which the binder has been removed. If gas is used here, it may be argon, nitrogen, nitric acid gas, or the like.

加熱脱脂は、金属粉末同士が結合されない程度の温度で実施される。バインダ成分および圧力にもよるが、概ね333K以上873K以下(60℃以上600℃以下)のバインダが揮散する温度で実施されうる。該加熱は、焼結よりも低い温度で実施される。 Thermal degreasing is carried out at a temperature that does not bind the metal powders together. Although it depends on the binder component and the pressure, it can be carried out at a temperature at which the binder volatilizes, which is approximately 333 K or more and 873 K or less (60° C. or more and 600° C. or less). The heating is performed at a lower temperature than sintering.

なお、脱脂は溶媒を用いた公知の脱脂法により実施されてもよく、加熱脱脂と組み合わせても良い。その場合、グリーン体を溶媒に浸漬し、バインダを抽出する(溶媒脱脂)。抽出するバインダ成分によるが、溶媒には有機溶剤または水が使用されうる。実施温度は、室温から溶媒の沸点以下であり得る。 Note that the degreasing may be performed by a known degreasing method using a solvent, or may be combined with heat degreasing. In that case, the green body is immersed in a solvent to extract the binder (solvent degreasing). Depending on the binder component to be extracted, the solvent may be an organic solvent or water. The operating temperature can be from room temperature to below the boiling point of the solvent.

(S4)焼結
ブラウン体を焼結炉に入れ、β+α/α変態温度(Tβ)以上の温度で焼結する。β+α/α変態温度は、予め、TiAl基合金の状態図から確認しておく。所望の合金成分で状態図が不明である場合は、類似合金の状態図からβ+α/α変態温度を推定する。焼結時間は、適宜、焼結試験等により高い相対密度、例えば相対密度95%以上が得られる時間等を設定する。
(S4) Sintering The brown body is placed in a sintering furnace and sintered at a temperature equal to or higher than the β+α/α transformation temperature (T β ). The β+α/α transformation temperature is confirmed in advance from the phase diagram of the TiAl-based alloy. If the phase diagram for the desired alloy component is unknown, estimate the β+α/α transformation temperature from the phase diagram of a similar alloy. The sintering time is appropriately set to a time at which a high relative density, such as a relative density of 95% or more, can be obtained by a sintering test or the like.

β相存在温度域は、β+α相温度域、β単相温度域を含む。焼結は、焼結合金の用途に従い、β+α相温度域あるいはβ単相温度域で実施する。 The β phase existence temperature range includes a β+α phase temperature range and a β single phase temperature range. Sintering is carried out in the β+α phase temperature range or the β single phase temperature range, depending on the use of the sintered alloy.

なお、β相存在温度域で焼結(本焼結)する前に、仮焼結させてもよい。仮焼結では、金属粒子同士が緩やかに結合(ネッキング)される。仮焼結は、脱脂の加熱よりも高い温度であり、かつ、β変態開始温度よりも低い温度で実施される。例えば、仮焼結温度は、1323K以上1523K以下(1050℃以上1250℃以下)で実施されうる。合金成分にもよるが、概ね仮焼結温度が1323K未満であるとネッキングが不十分となり形状が保持できない。焼結温度が1523Kより高いと部分的に焼結が進行し予定外の収縮変形が発生してしまうことが懸念される。仮焼結は、30分以上2時間以下の保持時間で実施され得る。 Note that preliminary sintering may be performed before sintering (main sintering) in the β phase existing temperature range. In pre-sintering, metal particles are loosely bonded together (necked). Preliminary sintering is performed at a temperature higher than the heating for degreasing and lower than the β-transformation start temperature. For example, the preliminary sintering temperature may be 1323 K or higher and 1523 K or lower (1050° C. or higher and 1250° C. or lower). Although it depends on the alloy components, if the preliminary sintering temperature is less than 1323K, necking will be insufficient and the shape will not be retained. If the sintering temperature is higher than 1523K, there is a concern that sintering will proceed partially and unexpected shrinkage deformation will occur. Preliminary sintering may be performed for a holding time of 30 minutes or more and 2 hours or less.

(S5)熱処理
(S4)の後、必要に応じて、焼結体を熱間静水圧プレス(HIP)法により熱処理する。HIP処理は、焼結温度よりも50℃以上200℃以下程度低い温度で100MPa以上180MPa以下程度の高圧で実施するとよい。これにより、ボイド等の内部欠陥が消滅し、より健全な焼結体が得られる。
(S5) Heat treatment After (S4), the sintered body is heat treated by hot isostatic pressing (HIP), if necessary. The HIP treatment is preferably carried out at a temperature lower than the sintering temperature by about 50° C. or more and about 200° C. or less, and at a high pressure of about 100 MPa or more and about 180 MPa or less. This eliminates internal defects such as voids and provides a healthier sintered body.

HIP処理後、焼結体をHIP処理温度またはそれ以下の温度で所定時間保持してもよい。 After the HIP treatment, the sintered body may be held at the HIP treatment temperature or lower for a predetermined period of time.

以下に、本実施形態に係るTiAl基合金の製造方法の作用効果について説明する。 The effects of the method for manufacturing a TiAl-based alloy according to this embodiment will be explained below.

(状態図)
図2~4に、TiAl基合金の状態図を例示する。図2は、Ti-Al-Nb-Cr四元系(44at.%Al)の状態図である。同図において、横軸はNbおよびCrの含有量(at.%)、縦軸は温度(K)である。図3は、Ti-Al-Cr三元系(44at.%Al)の状態図である。同図において、横軸はCrの含有量(at.%)、縦軸は温度(K)である。図4は、Ti-Al-Nb三元系(47at.%Al)の状態図である。同図において、横軸はNbの含有量(at.%)、縦軸は温度(K)である。
(State diagram)
2 to 4 show examples of phase diagrams of TiAl-based alloys. FIG. 2 is a phase diagram of a Ti-Al-Nb-Cr quaternary system (44 at.% Al). In the figure, the horizontal axis indicates the Nb and Cr contents (at.%), and the vertical axis indicates the temperature (K). FIG. 3 is a phase diagram of a Ti-Al-Cr ternary system (44 at.% Al). In the figure, the horizontal axis indicates the Cr content (at.%), and the vertical axis indicates the temperature (K). FIG. 4 is a phase diagram of a Ti-Al-Nb ternary system (47 at.% Al). In the figure, the horizontal axis indicates the Nb content (at.%), and the vertical axis indicates the temperature (K).

いずれの状態図においても最も高い温度域にβ単相域があり、その下に(β+α)2相域があり、さらにその下にα単相域が存在する。β+α/α変態温度はα単相域と(β+α)2相域の境界であり、これらの状態図から合金成分によってその境界の温度を把握することが可能である。 In any of the phase diagrams, there is a β single-phase region in the highest temperature region, a (β+α) two-phase region below it, and an α single-phase region further below that. The β+α/α transformation temperature is the boundary between the α single-phase region and the (β+α) two-phase region, and it is possible to understand the temperature at the boundary from these phase diagrams based on the alloy components.

図2~4において、β+α,βとして示された領域がβ相存在温度領域となる。上記実施形態では、この温度域内の温度で焼結を実施する。より高温で焼結することで、β相の体積率を高くできる。 In FIGS. 2 to 4, the region shown as β+α,β is the temperature region where β phase exists. In the above embodiments, sintering is performed at a temperature within this temperature range. By sintering at a higher temperature, the volume fraction of the β phase can be increased.

NbおよびCrは、β安定化元素であるが、それらの相安定化能は異なる。そのため、図2~4では、含まれるβ安定化元素の相安定化能に応じて、β+α/α変態温度領も異なる。 Although Nb and Cr are β-stabilizing elements, their phase stabilizing abilities are different. Therefore, in FIGS. 2 to 4, the β+α/α transformation temperature range also differs depending on the phase stabilizing ability of the β stabilizing element included.

図2において、NbおよびCrの含有量が6at.%を通る縦軸方向に延びる破線上に示すプロットは一般的な熱処理温度の例示である。〇が高温熱処理、●が中温熱処理、■が低温熱処理を示す。熱処理をβ相存在温度域にある温度で実施することでより焼結密度を効率的に高めることができる。 In FIG. 2, the Nb and Cr contents are 6 at. The plot shown on the dashed line extending along the vertical axis through % is illustrative of typical heat treatment temperatures. 〇 indicates high temperature heat treatment, ● indicates medium temperature heat treatment, and ■ indicates low temperature heat treatment. By performing the heat treatment at a temperature in the β phase existence temperature range, the sintered density can be more efficiently increased.

なお、図2~4は、酸素含有量を考慮していない状態図をベースとしている。本発明者らの鋭意検討の結果、酸素含有量が増えると、変態温度がシフトするという知見が得られている。図2では、酸素含有量1.0at.%であることを考慮した場合の、α単相領域の上側の線を一点鎖線で例示する。 Note that Figures 2 to 4 are based on phase diagrams that do not take into account the oxygen content. As a result of extensive research by the inventors, it has been discovered that the transformation temperature shifts as the oxygen content increases. In Figure 2, the upper line of the α single phase region when an oxygen content of 1.0 at. % is taken into account is shown by a dashed line.

酸素含有量1.0at.%を考慮した場合、酸素含有量を考慮しなかった場合と比較して、α単相領域の上側の線が図の右上方向に+40K程度シフトする。この結果から、NbおよびCrの含有量と温度条件が同じであっても、酸素含有量の有無でβ+α/α変態温度が変化することがわかる。そのため、β+α/α変態温度を確認する際、酸素含有量を考慮することが望ましい。それによって、より確実に焼結時にβ相の体積率を増やすことができる。酸素含有量は、軟X線分光器を用いた軟X線分光法で測定できる。 Oxygen content 1.0 at. %, the upper line of the α single phase region shifts about +40K toward the upper right of the figure, compared to the case where the oxygen content is not considered. This result shows that even if the Nb and Cr contents and temperature conditions are the same, the β+α/α transformation temperature changes depending on the presence or absence of oxygen content. Therefore, when checking the β+α/α transformation temperature, it is desirable to consider the oxygen content. Thereby, the volume fraction of the β phase can be increased more reliably during sintering. Oxygen content can be measured by soft X-ray spectroscopy using a soft X-ray spectrometer.

(β相体積率と相対密度との関係)
図5に、Ti-44Al-4Crにおけるβ相の体積率と相対密度との関係を示す。図5は、Ti-Al-Cr三元系の状態図と焼結試験の結果に基づき作成した。同図において、縦軸は相対密度(%)、横軸はβ相体積率(%)である。
(Relationship between β phase volume fraction and relative density)
FIG. 5 shows the relationship between the volume fraction of the β phase and the relative density in Ti-44Al-4Cr. FIG. 5 was created based on the phase diagram of the Ti-Al-Cr ternary system and the results of the sintering test. In the figure, the vertical axis is relative density (%), and the horizontal axis is β phase volume fraction (%).

図5によれば、β相の体積率が高いほど、相対密度も高くなることが確認された。β相の体積率が56%以上であれば、相対密度95%以上を達成できる。焼結温度が高いほど、TiAl基合金の相対密度も高くなる。β相の体積率および状態図によれば、図5で相対密度95%を達成できる焼結温度は、1631K(1358℃)以上となる。図5によれば、β相体積率が68%(焼結温度1653K)で、98%程度の高い相対密度が得られることが確認できる。 According to FIG. 5, it was confirmed that the higher the volume fraction of the β phase, the higher the relative density. If the volume fraction of the β phase is 56% or more, a relative density of 95% or more can be achieved. The higher the sintering temperature, the higher the relative density of the TiAl-based alloy. According to the volume fraction of the β phase and the phase diagram, the sintering temperature at which the relative density of 95% can be achieved in FIG. 5 is 1631 K (1358° C.) or higher. According to FIG. 5, it can be confirmed that a high relative density of about 98% can be obtained when the β phase volume fraction is 68% (sintering temperature 1653K).

図6に、Ti-47Al-5Nbにおけるβ相の体積率と相対密度との関係を示す。図6は、Ti-Al-Nb三元系の状態図と焼結試験の結果に基づき作成した。同図において、縦軸は相対密度(%)、横軸はβ相体積率(%)である。 FIG. 6 shows the relationship between the volume fraction of the β phase and the relative density in Ti-47Al-5Nb. FIG. 6 was created based on the phase diagram of the Ti-Al-Nb ternary system and the results of the sintering test. In the figure, the vertical axis is relative density (%), and the horizontal axis is β phase volume fraction (%).

図6によれば、図5と同様に、β相の体積率が高いほど、相対密度も高くなることが確認された。β相の体積率が94%以上であれば、相対密度95%以上を達成できる。β相の体積率および状態図によれば、図6で相対密度95%を達成できる焼結温度は、1756K(1483℃)となる。 As seen in Figure 6, as in Figure 5, it was confirmed that the higher the volume fraction of the β phase, the higher the relative density. If the volume fraction of the β phase is 94% or more, a relative density of 95% or more can be achieved. According to the volume fraction of the β phase and the phase diagram, the sintering temperature at which a relative density of 95% can be achieved in Figure 6 is 1756K (1483°C).

(温度と相対密度との関係)
図7に、相対密度と温度との関係を示す。同図において、縦軸が相対密度(%)、横軸(下)は温度の逆数(1/T)(10-4-1)、横軸(上)は温度(K)、■がTi-44Al-4Cr、◆がTi-47Al-5Nbである。
(Relationship between temperature and relative density)
FIG. 7 shows the relationship between relative density and temperature. In the figure, the vertical axis is relative density (%), the horizontal axis (bottom) is the reciprocal of temperature (1/T) (10 −4 K −1 ), the horizontal axis (top) is temperature (K), and ■ is Ti -44Al-4Cr, ◆ is Ti-47Al-5Nb.

図7によれば、Ti-44Al-4CrおよびTi-47Al-5Nbのいずれにおいても、温度が高くなるほど、相対密度も高くなる。 According to Figure 7, for both Ti-44Al-4Cr and Ti-47Al-5Nb, the higher the temperature, the higher the relative density.

図7によれば、Ti-44Al-4Crは、Ti-47Al-5Nbよりも低い焼結温度であっても、Ti-47Al-5Nbと同等の相対密度となりうる。すなわち、同じ温度で焼結を実施する場合、Ti-47Al-5NbよりもTi-44Al-4Crの方がより短い時間で、相対密度を高くできる。 According to FIG. 7, Ti-44Al-4Cr can have the same relative density as Ti-47Al-5Nb even at a lower sintering temperature than Ti-47Al-5Nb. That is, when sintering is performed at the same temperature, the relative density of Ti-44Al-4Cr can be increased in a shorter time than that of Ti-47Al-5Nb.

図7の一点鎖線は、Ti-47Al-5Nbのβ+α/α変態温度である。Ti-47Al-5Nbにおけるβ+α/α変態温度は、1703K付近である(図4参照)。β+α/α変態温度より低い温度で焼結する場合、Ti-47Al-5Nb中にβ相は存在しない。そのため、図7の一点鎖線よりも低温側では、Ti-47Al-5Nbの相対密度が低くなる。一方、β+α/α変態温度を超えると、Ti-47Al-5Nbの相対密度は急激に上がる。この理由は、β相の体積率の増加である。 The dashed line in FIG. 7 is the β+α/α transformation temperature of Ti-47Al-5Nb. The β+α/α transformation temperature in Ti-47Al-5Nb is around 1703 K (see FIG. 4). When sintering at a temperature lower than the β+α/α transformation temperature, there is no β phase in Ti-47Al-5Nb. Therefore, the relative density of Ti-47Al-5Nb is lower on the lower temperature side than the dashed-dotted line in FIG. On the other hand, when the β+α/α transformation temperature is exceeded, the relative density of Ti-47Al-5Nb increases rapidly. The reason for this is an increase in the volume fraction of the β phase.

Crは、Nbよりもβ相安定化能が高く、図3および図4に示す通り、Cr添加合金の方が低温度より多くのβ相が存在し焼結性が向上しやすい。そのため、図7ではTi-44Al-4CrとTi-47Al-5Nbとの間で、同じ相対密度を得るための温度に差がみられるが、β相が多くなることで焼結性が向上するという点では共通した効果が示されている。 Cr has a higher β-phase stabilizing ability than Nb, and as shown in FIGS. 3 and 4, more β-phase exists in the Cr-added alloy at lower temperatures, and the sinterability is more likely to be improved. Therefore, in Figure 7, there is a difference in the temperature required to obtain the same relative density between Ti-44Al-4Cr and Ti-47Al-5Nb, but it is said that the increase in β phase improves sinterability. The points show a common effect.

(各相におけるTiおよびAlの拡散係数)
図8に、各相(α,γ,β)におけるTi原子およびAl原子の拡散係数を示す。同図において、縦軸が拡散係数(m/s)、横軸(下)は温度の逆数(1/T)(10-4-1)、横軸(上)は温度(K)、▲(実線)がα相中でのTi原子の拡散、△(破線)がα相中でのAl原子の拡散、■(実線)がγ相中でのTi原子の拡散、□(破線)がγ相中でのAl原子の拡散、●(破線)がβ相中でのTi原子の拡散、〇(実線)がβ相中でのAl原子の拡散である。
(Diffusion coefficient of Ti and Al in each phase)
FIG. 8 shows the diffusion coefficients of Ti atoms and Al atoms in each phase (α, γ, β). In the figure, the vertical axis is the diffusion coefficient (m 2 /s), the horizontal axis (bottom) is the reciprocal of temperature (1/T) (10 −4 K −1 ), and the horizontal axis (top) is the temperature (K), ▲ (solid line) is the diffusion of Ti atoms in the α phase, △ (broken line) is the diffusion of Al atoms in the α phase, ■ (solid line) is the diffusion of Ti atoms in the γ phase, and □ (broken line) is the diffusion of Ti atoms in the α phase. Diffusion of Al atoms in the γ phase, ● (broken line) is the diffusion of Ti atoms in the β phase, and ○ (solid line) is the diffusion of Al atoms in the β phase.

図8に示す通り、β相中のTi原子およびAl原子の拡散速度は、他の相(α,γ)よりも格段に速い。このことから、β相の体積率を高くして、焼結を行うことで、焼結現象が促進されることがわかる。拡散速度が速ければ、その分、焼結時間を短縮できる。拡散速度を速くすることで焼結密度を向上させられる。 As shown in FIG. 8, the diffusion rate of Ti atoms and Al atoms in the β phase is much faster than in the other phases (α, γ). From this, it can be seen that the sintering phenomenon is promoted by increasing the volume fraction of the β phase and performing sintering. If the diffusion rate is faster, the sintering time can be shortened accordingly. The sintered density can be improved by increasing the diffusion rate.

図8によれば、各相における拡散速度は、温度が低くなるとともに低下する。一方、拡散速度の速いβ相の体積率を高くできれば、焼結温度を下げた場合であっても十分量のTi原子およびAl原子が拡散され、促進された拡散により効率的に焼結が進行する。 According to FIG. 8, the diffusion rate in each phase decreases as the temperature decreases. On the other hand, if the volume fraction of the β phase, which has a fast diffusion rate, can be increased, a sufficient amount of Ti and Al atoms will be diffused even when the sintering temperature is lowered, and sintering will proceed efficiently due to the promoted diffusion. do.

<付記>
以上説明した実施形態に記載のTiAl基合金およびその製造方法は例えば以下のように把握される。
<Additional Notes>
The TiAl-based alloy and the manufacturing method thereof according to the above-described embodiment can be understood, for example, as follows.

本開示に係るTiAl基合金の製造方法では、金属粉末射出成形法を用い、TiAl基合金の状態図からβ+α/α変態温度(Tβ)を確認し、前記β+α/α変態温度以上の温度で焼結する。 In the method for producing a TiAl-based alloy according to the present disclosure, a metal powder injection molding method is used, the β+α/α transformation temperature (T β ) is confirmed from the phase diagram of the TiAl-based alloy, and the temperature is equal to or higher than the β+α/α transformation temperature. Sinter.

β相存在温度域内では、温度が高くになるに従いβ相の体積率が大きくなる。高温域でのTiAl基合金の構成相(α、γ、β)の中でも、β相は拡散係数が大きい。焼結は粒子内部の拡散、および粒界の拡散に依存する。拡散速度が速い方が焼結性は高くなる。すなわち、β相の体積率が高くなる温度域で焼結を実施することで、焼結現象が促進される。これにより、同じ相対密度の焼結体を得ようとした場合、焼結温度を下げる、または、焼結時間を短くすることが可能となる。 Within the temperature range where the β phase exists, the volume fraction of the β phase increases as the temperature increases. Among the constituent phases (α, γ, β) of a TiAl-based alloy in a high temperature range, the β phase has a large diffusion coefficient. Sintering relies on diffusion within the grains and on grain boundaries. The faster the diffusion rate, the higher the sinterability. That is, the sintering phenomenon is promoted by performing sintering in a temperature range where the volume fraction of the β phase becomes high. This makes it possible to lower the sintering temperature or shorten the sintering time when trying to obtain a sintered body with the same relative density.

上記開示の一態様では、β安定化元素を添加することが望ましい。 In one embodiment of the above disclosure, it is desirable to add a β stabilizing element.

β安定化元素を添加すると、β相存在領域が低温側に拡大する。これによって、より低い温度でβの体積率を高くでき、焼結現象を促進させやすくなる。また、焼結温度を下げることで、融点との温度差を広げられるため、焼結時の変形を抑制できる。 When a β stabilizing element is added, the region where the β phase exists expands to the low temperature side. As a result, the volume fraction of β can be increased at a lower temperature, making it easier to promote the sintering phenomenon. Furthermore, by lowering the sintering temperature, the temperature difference between the melting point and the melting point can be widened, so deformation during sintering can be suppressed.

上記開示の一態様では、焼結性のみを考慮すればβ単相温度域内の温度で焼結することが望ましい。焼結合金の用途によって適正な組織を得るためには、(β+α)2相領域内で焼結することもある。 In one aspect of the above disclosure, if only sinterability is considered, it is desirable to sinter at a temperature within the β single phase temperature range. In order to obtain an appropriate structure depending on the use of the sintered alloy, sintering may be performed within the (β+α) two-phase region.

β単相温度域内では、拡散速度の速いβ相のみで構成されるため、β単相温度域内の温度で焼結することで、より焼結性を高めることが可能となる。相対密度95%以上を容易に実現できる。 Within the β single-phase temperature range, it is composed only of the β phase with a fast diffusion rate, so by sintering at a temperature within the β single-phase temperature range, it is possible to further improve the sinterability. A relative density of 95% or more can be easily achieved.

上記開示の一態様では、前記焼結後、焼結温度よりも低く、かつ、前記β+α/α変態温度以上のある温度で焼結体を所定時間保持してもよい。 In one aspect of the above disclosure, after the sintering, the sintered body may be held at a temperature lower than the sintering temperature and higher than the β+α/α transformation temperature for a predetermined period of time.

上記温度で焼結体を保持することで、Ti原子およびAl原子の拡散を促進し、焼結性を高められる。 By holding the sintered body at the above temperature, diffusion of Ti atoms and Al atoms can be promoted and sinterability can be improved.

上記開示に係る製造方法で製造されたTiAl基合金は、焼結密度の高い高品質な焼結体となる。 The TiAl-based alloy manufactured by the manufacturing method according to the above disclosure becomes a high-quality sintered body with high sintering density.

Claims (3)

金属粉末射出成形法を用いたβ安定化元素を含むTiAl基合金の製造方法であって、
前記β安定化元素を含むTiAl基合金の状態図からβ+α/α変態温度を確認し、
前記β+α/α変態温度以上のβ相存在温度域の温度で焼結し、
前記β安定化元素は、NbおよびCrの少なくとも一方を含むTiAl基合金の製造方法。
A method for producing a TiAl-based alloy containing a β-stabilizing element using a metal powder injection molding method, the method comprising:
Confirm the β+α/α transformation temperature from the phase diagram of the TiAl-based alloy containing the β stabilizing element ,
Sintering at a temperature in the β phase existence temperature range that is higher than the β + α / α transformation temperature ,
The method for producing a TiAl-based alloy in which the β stabilizing element includes at least one of Nb and Cr .
β単相存在温度域の温度で焼結する請求項1に記載のTiAl基合金の製造方法。 2. The method for producing a TiAl-based alloy according to claim 1, wherein the sintering is performed at a temperature in a β single phase existence temperature range. 前記焼結後、焼結温度よりも低く、かつ、前記β相存在温度域にある温度で焼結体を所定時間保持する請求項1または請求項2に記載のTiAl基合金の製造方法。 3. The method for producing a TiAl-based alloy according to claim 1, wherein after the sintering, the sintered body is held for a predetermined period of time at a temperature that is lower than the sintering temperature and is in the β phase existence temperature range.
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