JPH02118043A - マンガンとニオブで改良されたチタン‐アルミニウム合金 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は、一般にチタンとアルミニウムの合金に係り、
さらに特定的には、化学量論比に関して、かつマンガン
とニオブの添加について改良されているチタン−アルミ
ニウム合金に係る。

アルミニウムをチタン金属に添加する際に添加量を次第
に多くしていくと得られるチタン−アルミニウム組成物
の結晶形態が変わることが知られている。少量のアルミ
ニウムはチタンと固溶体を形成し、その結晶形態はαチ
タンの構造のままである。アルミニウムの量が多くなる
（たとえば約２５〜３５原子％）と金属間化合物Ｔ　ｉ
ａ　Ａ　ｌが形成される。このＴ　ｉａ　Ａ　１は、α
−２といわれる秩序をもった六方晶形を有している。さ
らにアルミニウム濃度が高くなる（たとえば５０〜６０
原子％範囲のアルミニウム）と、γと呼ばれる秩序をも
った正方晶形を有する別の金属間化合物ＴｉＡ１が形成
される。

γ結晶形を有し化学量論比がおよそ１であるチタンとア
ルミニウムの合金は、高モジュラス、低密度、高い熱伝
導率、良好な耐酸化性および良好な耐クリープ性を有す
る金属間化合物である。

ＴｉＡ１化合物、その他のチタン合金およびニッケル基
超合金に対するモジュラスと温度の関係を第１図に示す
。図から明らかなように、ＴｉＡ１はあらゆるチタン合
金のうちでモジュラスが最良である。ＴｉＡ１のモジュ
ラスは任意の温度で他のチタン合金より高いばかりでな
く、温度の上昇によるそのモジュラスの減少速度も他の
チタン合金よりＴｉＡｌの方が低い。さらにまた、Ｔｉ
Ａｌは他のチタン合金が使えなくなる温度より高い温度
でも有用なモジュラスを保持する。ＴｉＡ１金属間化合
物を基にする合金は、高温で高モジュラスが必要とされ
、しかも周囲環境からの保護が良好であることも要求さ
れる用途で魅力のある軽量材料である。

そのような用途にＴｉＡ１を実際に応用するのを制限す
る特性のひとつは、室温で起こることが分かっている脆
性である。また、ＴｉＡｌ金属間化合物を構造要素用途
に利用することができるようにするためにはこの金属間
化合物の室温での強度を改良する必要がある。このＴｉ
Ａｌ金属間化合物の室温での延性および／または強度を
改良して高めることは、このような組成物が適している
高めの温度でそれらの使用を可能にするために極めて望
ましいことである。

軽量かつ高温での使用により考えられる利益に伴って、
使用されることになるＴｉＡ１組成物に最も望まれるも
のは、室温での強度および／または延性の組合せである
。金属組成物の用途には最低で１％程度の延性で許容で
きるものもあるが、それより高い延性がある方がずっと
望ましい。ある組成物が有用であるための最低の強度は
約５０ｋｓｉすなわち約３５０ＭＰ　ａである。しかし
、この程度の強度をもつ材料は有用性に限界があり、あ
る種の応用にはもっと高い強度が好ましいことが多い。

ＴｉＡｌ化合物の化学は論比は、結晶構造を変化させる
ことなくある範囲に亘って変えることができる。アルミ
ニウムａ　ｍは約５０〜約６０原子％で変えることがで
きる。ＴｉＡ１組成物の性質は、チタン成分とアルミニ
ウム成分の化学量論比が１％またはそれ以−トの程度に
比較的小さく変化しただけでも非常に大きく変わり易い
。また、それらの性質は、同程度に少量の第三元素を添
加しても同様な影響を受ける。

この度、本発明者は、γ−ＴｉＡＩ金属間化合物にある
組合せの添加元素を配合してこの組成物が第三添加元素
ばかりでなく第四の添加元素も含有するようにすること
によって、この金属間化合物をさらに改良することがで
きるということを発見した。

さらに、本発明者は、この第四添加元素を含む組成物が
、望ましい高延性と価値のある耐酸化性とを含めて極め
て望ましい性質を組合せてもっことを発見した。

従来技術 −１−記のＴ　ｓ　ａ　Ａ　ｌ金属間化合物、ＴｉＡ１
金属間化合物およびＴ　ｌ　３　Ａ　ｌ金属間化合物を
始めとするチタン−アルミニウム組成物に関しては膨大
な数の文献がある。ｒＴｉＡｌ型のチタン合金（Ｔｌｔ
ａｎｉｕｉ　Ａ１１ｏｙｓ　ｏｒｔｈｅ　ＴｉＡｌ　Ｔ
ｙｐｅ）　Ｊと題する米国特許第４．２９４．６１５号
（Ａ特許）は、ＴｉＡｌ金属間化合物を始めとするアル
ミニウム化チタンクイブ合金について詳細に論じている
。

Ａはこの特許の第１欄の第５０行目以降で、Ｔ　ｉ３Ａ
　ｌと比較してＴｉＡｌの利点と欠点を論じており、次
のように指摘している。

ｒＴｉＡｌγＴｉＡ１合金系アルミニウムを多く含んで
いればそれだけ軽くなる可能性を何することは明らかで
あった。１９５０年代の実験室におけるｖ１究は、アル
ミニウム化チタン合金がおよそ１０００℃までの高温で
使用できる可能性をもっていることを示唆していた。Ｌ
かし、このような合金を用いたその後の工学的経験によ
ると、これらの合金は要求される高温強度をｔ）っては
いたが、室温や中程度の１Ｒ度すなわち２０〜５５０℃
でほとんどあるいはまったく延性を示さなかった。

脆過ぎる＋Ａ料は容易に製造することができず、また時
々しかないが避けられないちょっとした使用１−のダメ
ージに対して、亀裂を起こしてその後破壊することなく
耐えることができない。そのような材料は、他の金属を
基とする合金を代替するのに何州な工学材料ではない。

」 基本的にＴｉＡｌもＴ　Ｌ　３　Ａ　ｌも、秩序をもっ
て配列したチタン−アルミニウム金属間化合物ではある
が、ＴｉＡ１合金系がＴ　ｉａ　Ａ　１　　（およびＴ
１の固溶体合金）とは実質的に異なっていることは公知
である。これは、上記の米国特許第４゜２９４　６１５
号の第１．　ｌ！！ｌ］の底部にも指摘されている。

「これら２種の秩序をもった相間には実質的な違いがあ
ることが熟練者間では認工されている。Ｔ　１３Ａ　１
とチタンは、六方晶構造が非常に良く似ているため、そ
の合金化および変態の挙動が似通っている。しかし、Ｔ
ｉＡｌ化合物は原子が正方晶形に配列されており、した
がって合金化の特性がかなり違っている。このような違
いは以前の文献では認１瀧されていないことが多い。」 前記米国特許第４，２９４，６１５号は、ＴｉＡｌをバ
ナジウムおよび炭素と共に合金化して、ｊすられる合金
の性質のいくつかを改良することについて記載している
。

米国特許第４，２９４，６１５号は、ニオブを含有する
Ｔｉ−’４５ＡＩ−５，ＯＮｂという組成の組成物を開
示している。

チタン−アルミニウム化合物およびこれらの化合物の特
性に関する技術文献のいくつかは次のものである。

１、バンブ（Ｅ、Ｓ、　Ｂｕｍｐｓ）　、ケスラー（Ｉ
ｌ、Ｄ、　Ｋｅｓｓｌｅｒ）およびハンセン（Ｍ、　ｌ
１ａｎｓｅｎ）著［チタンアルミニウム系（Ｔｉｔａｎ
ｉｕｍ−Ａｌｕｌｎｕｍ　５ｙｓｔｅａ＋）　Ｊ、金属
雑誌（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｍｅｔａｌｓ）　、Ａ　
Ｉ　Ｍ　Ｅ会報（ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ　ＡＩＭＥ
）　、第１９４巻（１９５２年６月）第６０９〜６１４
頁。

２、オグデン（ｔｌ、Ｒ，Ｏｇｄｅｎ）　、メイカス（
Ｄ、Ｊ、　Ｍａｙｋｕｔｈ）　、フィンレイ（Ｗ、Ｌ、
　Ｆｌｎｌａｙ）およびジアノ４　　（Ｒ，１，Ｊａ「
「ｅｅ）著ｒ高純度Ｔｉ　−Ａ１合金の機械的性質（Ｍ
ｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｌ
ｌｌｇｈ　Ｐｕｒｌｔｙ　Ｔｌ−Ａｌ　Ａ１１ｏｙｓ）
　Ｊ　、金属雑誌（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｒＭｅｔａｌｓ
）　、Ａ　Ｉ　Ｍ　Ｅ会報（ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ
　ＡＩＭＥ）、第１９７巻（１９５３年２月）第２６７
〜２７２頁。

さらに別のふたつの論文には、ニオブで改良されたＴｉ
Ａ１基合金の機械的挙動に関する情報が含まれている。

これらの論文は以下の通り。

３、マツクアラドリュ−（Ｊｏｓｃｐｈ　Ｂ、　ＭｃＡ
ｎｄｒｅｖ）およびケスラー（Ｉｌ、Ｄ、　Ｋｃｓｓｌ
ｅｒ）著「高温合金用のベースとしてのＴｉ−３６％Ａ
　Ｉ　（Ｔｉ−３８ＰｅｔＡｌ　ａｓ　ａ　Ｂａ５ｅ　
Ｆｏｒ　ｌｌｉｇｈ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ａ１１
ｏｙｓ）　Ｊ、金属雑誌（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ’　Ｍ
ｅｔａｌｓ）　、Ａ　Ｉ　Ｍ　Ｅ会報（ＴＲＡＮＳＡＣ
ＴＩＯＮＳ　ＡＩＭＥ）、（１９５６年１０月）第１３
４８〜１３５３頁。

４、サストリー（Ｓ、Ｍ、Ｌ、　５ａｓｔｒｙ）および
リブジット（１１，＾、　Ｌｌｐｓｉｔｔ）著ｒＴ　ｉ
　Ａ　ｌとＴ　ｌ　３　Ａ　Ｉの塑性変形（Ｐｌｔｓｔ
ｊｃ　Ｄｃｆ’ｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ’　ＴｉＡ１　
ａｎｄＴ１３Ａ１）」、チタン８０　（Ｔｉｔａｎｉｕ
ｍ　８０）　　［米国ペンシルベニア州、ワレンデール
（Ｗａｒｒｃｎｄａｌｃ）のアメリカ金属学会（Ａａ＋
ｃｒｌｃａｎ　５ｏｃｉｏｔｙ　ｒｏｒ　Ｍｅｔａｌｓ
）発行］、第２巻（１９８０年）第１２３１頁。

上の一文３には、ｒＴｉ−３５％Ａｉ５％ｃｂの試料は
室温での極限引張強さが６２，３６０ｐｓ　ｉであり、
Ｔｉ−３５９６ＡＩ−７％ｃｂの試料は７５，８００ｐ
ｓｉで糸にはできなかった。」と述べられている。ここ
で述べられている２師の合金の概略の組成は原子％で表
わすとそれぞれＴｉ４８Ａ１５ｏＮｂ２とＴ　１４ｙＡ
　１ｓｏＮｂａである。

上の一文４ではＴｉＡ１へのニオブ添加の影響に関しで
ある結論が出されているが、その結論を支持する特別な
データは示されていない。その結論とは、「ニオブをＴ
ｉＡ１に添加したときの主たる影響は、双晶形成が変態
の重要なモードになる温度の低下、したがってＴｉＡ１
の延性−脆性転移温度の低下である」。特性やその他の
実際のデータを示すことなく挙げられている唯一のニオ
ブ含有チタン−アルミニウム合金はＴｉ−３６ＡＩ−４
Ｎｂである。これは原子％で表わすと”　ｉ４７．５Ａ
１５１Ｎｂ１．５に相当し、この組成は以下でさらに明
らかになるように本出願人が教示しかつ特許請求する組
成とは全然異なるものである。

米国特許箱４，６６１．３１６号には、マンガンを含有
するアルミニウム化チタン組成物ならびにマンガンとた
とえばニオブなどの他の成分とを含有するアルミニウム
化チタン組成物が開示されている６ さらに、アルミニウム化チタンに関する別の論文がふた
つある。

５、冶金学会報Ａ　（Ｍｃｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ　Ｔ
ｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓＡ）刊行のマーチン（Ｐａｔｒ
ｌｃｋ　Ｌ、　Ｍａｒｔｉｎ）　、、メンディラッタ（
Ｎａｄｏｗ　Ｇ、　Ｍｃｎｄｌｒａｔｔａ）およびリブ
ジット（Ｈａｒｒｙ　Ａ、　Ｌｌｐｓｌｕ）著、ｒＴｉ
Ａ１合金およびＴｉＡｌ＋Ｗ合金のクリープ変形（Ｃｒ
ｅｅｐ　Ｄｅｆｏｒａ＋ａｔｌｏｎ　ｏｒＴｉＡＩ　ａ
ｎｄ　ＴｉＡｌ　＋　Ｗ　Ａ１１ｏｙｓ）　Ｊ第１４Ａ
巻（１９８３年１０月）第２１７０〜２１７４頁。

６、マーチン（Ｐ、Ｌ、　Ｍａｒｔｉｎ）　、リブジッ
ト（Ｉｌ、Ａ。

Ｌｉｐｓｉｔｔ）　、ヌーフｙ　（Ｎ、Ｔ、　ＮｕＭｃ
ｒ）およびウィリアムス（Ｊ、Ｃ，ν１ｌｌｉａｏ＋ｓ
）著、ｒ　Ｔ　ｔ　ａ　Ａ　ＩおよびＴｉＡｌのミクロ
組織および特性に及ぼす合金化の効果（Ｔｈｅ　Ｅｒｌ
’ｃｃｔｓ　ｏｒＡｌｌｏｙｉｎｇ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｍ
ｌｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｃ　ａｎｄ　Ｐｒｏｐｅｒｔ
ｉｅｓ　ｏｒＴｉ３Ａｌ　ａｎｄ　ＴｉＡ１）」、チタ
ン８０　（Ｔｌｔａｎｉｕａ＋　８０）、［米国ペンシ
ルベニア州、ワレンデール（Ｗａｒｒｅｎｄａｌｃ）の
アメリカ金属学会（Ａｆｆｌｅｒｉｃａｎ　５ｏｃｉｅ
ｔｙ　［’ｏｒ　Ｍｅｔａｌｓ）発行〕、第２巻、第１
２４５〜１２５４頁。

発明の詳細な説明 本発明のひとつの目的は、室温での延性とそれに関連す
る性質が改良されたチタン−アルミニウム金属間化合物
の製造方法を提供することである。

別の目的は、低温と中間の温度でのチタン−アルミニウ
ム金属間化合物の性質を改良することである。

さらに別の目的は、低温と中間の温度で改良された性質
と加工性を有するチタンとアルミニウムの合金を提供す
ることである。

別の目的は、ＴｉＡｌを基とする組成物の延性と耐酸化
性の組合せを改良することである。

さらに別の目的は、ＴｉＡ１組成物の耐酸化性を改良す
ることである。

また、さらに別の目的は、強度、延性および耐酸化性の
一組の性質を改良することである。

その他の目的は、一部は以下の記載から明らかであり、
一部は以下で指摘する。

本発明の広範な局面のひとつにおいて、本発明の目的は
、化学Ｍ論を外れるＴｉＡｌ基合金を調装し、この化学
ニーを外れる組成物に比較的低濃度のマンガンと低濃度
のニオブを添加することによって達成される。添加後、
このマンガンとニオブを含有し化学量論を外れるＴｉＡ
１金属間化合物を急速に凝固させることができる。約１
〜３原子％程度のマンガンと１〜５原子％の程度のニオ
ブとを添加することが考えられる。

この急速凝固した組成物は静水圧プレスおよび押出によ
って圧密化することができ、本発明の固体組成物が形成
される。

本発明の合金は、インゴット形態でも製造することがで
き、インゴット冶金法によって加工することができる。

発明の詳細な説明 実施例１〜３ ＴｉＡｌの化学量論比に近いいろいろな化学は論比でチ
タンとアルミニウムを含有する３種の別々の融解物（メ
ルト）を調製した。これらの組成、焼きなましくアニー
リング）温度、およびこれらの組成物に対して実施した
試験の結果を表１に挙げる。

それぞれの実施例で、合金は最初アーク融解によってイ
ンゴットに製造し、このインゴットをアルゴン分圧中で
メルトスピニングによりリボンに加工した。融解の両方
の段階で、望ましくない融解物と容器の反応を避けるた
めに、水冷した銅炉床を融解物の容器として使用した。

また、チタンは酸素に対する親和力が強いため、熱融解
物が酸素にさらされないように注意した。

この急速凝固したリボンを排気した鋼製の缶に詰めた後
密封した。次のこの缶を圧力３０ｋｓ　ｉ、９５０℃（
１７４０’Ｆ）で３時間熱間静水圧プレス（ＨＩ　Ｐ）
にかけた。このＨＩＰにかけた缶を機械加りして圧密化
されたリボンプラグをｉ！？た。

こうしてＨＩＰにかけたサンプルは、直径が約１インチ
で長さが３インチのプラグであった。

このプラグをビレットの中央の口から軸方向に入れて封
入した。このビレットを９７５℃（１７８７’Ｆ）に加
熱し、圧延比が約７；１のダイを通して押出した。押出
したプラグをビレットから取出し熱処理した。

押出したサンプルを、次に、表Ｉに示した温度で２時間
焼きなました。この焼きなましの後１０００℃で２時間
時効化した。機械加工して、室温での４点曲げ試験用に
１．５Ｘ３Ｘ２５．４＋ｌ１ｍ（０，０６０ＸＯ，１２
０Ｘ１．０インチ）の寸法の試料とした。曲げ試験は、
内側スパンが１０ｍｍ（０，４インチ）で外側スパンが
２０＋＋＋１１（０゜８インチ）の４点曲げ試験機で実
施した。負荷クロスヘツド変位曲線を記録した。得られ
た曲線に括づいて次の特性が定義される。

１、降伏強さ（耐力）は、クロスヘツド変位が１／１０
００インチでの流れ応力である。このクロスヘツド変位
量は、塑性変形の最初の証拠であって弾性変形から塑性
変形への遷移と考えられる。

通常の圧縮法または引張法による降伏強さおよび／また
は破壊強度の測定では、本明細書中で述べるＡＰ＋定で
実施した４点曲げ試験で得られる結果より低い結果がｉ
すられる傾向がある。この４点曲げ試験測定の結果が通
常の圧縮または引張法の結果より高いということはこれ
らの値を比較する際に充分留意しなければならないこと
である。しかし、本明細書中の実施例で行なう１ｌｌｌ
＋定結果の比較はΔ１定したすべてのサンプルについて
４点曲げ試験の結果を用いたので、組成または組成物の
加工上の違いによって起こる強度特性の相違を確かめる
のに充分有効である。

２．破壊強度は破壊時の応力である。

３６外側繊維歪みは、試料片の厚み（インチ）をｈとし
、破壊時のクロスヘツド変位（インチ）をｄとした場合
の９．７１ｈｄの値である。冶金学では、この計算値は
破壊時に曲げ試験片の外側の表面が受ける塑性変形の量
を表わす。

結果を次の表１に掲げた。表Ｉは１３００℃で焼きなま
したサンプルの性質に関するデータを示し、さらにこれ
らのサンプルのデータの一例を第２図に示した。

表　　　　１ 本サンプルが測定をするのに充分な延性をもっていなか
ったのでΔＩＩ定値が得られなかった。

この表のデータから、実施例２の合金１２は最良の組合
せの性質を示したことが明らかである。

これによって、ＴｉＡ１組成物の性質がＴｉ／Ａｌ原子
比および使用する熱処理に対して非常に感受性が高いこ
とが確認される。合金１２を、以下に記載するように実
施した別の実験に基づいてさらに性質を改良するために
ベースの合金とじて選択した。

また、１２５０℃から１３５０℃の間の温度で焼きなま
しをすると、望ましい程度の降伏強さ、破壊強度および
外側繊維歪みを有する試験片が得られることも明らかで
ある。しかしながら、１４００℃で焼きなましをすると
、１３５０℃で焼きなました試験片と比べてかなり低い
降伏強さ（約２０％低い）、低い破壊強度（約３０％低
い）および低い延性（約７８％低い）を釘する試験片が
得られる。特性の急激な変化はミクロ組織の劇的な変化
が原因であり、このミクロ組織の変化の原因は１３５０
℃よりかなり高い温度で広範囲のβ変態が起こるためで
ある。

実施例４〜１３ さらに、チタンとアルミニウムを表示した原子比で含有
すると共に比較的小さい原子％で添加物を含む別の融解
物を調製した。

各サンプルは実施例１〜３に関して上に記載したように
して調製した。

組成、焼きなまし温度および組成物に対して行なった試
験の結果を、比較用のベース金属である合金１２と比較
して表■に示した。

表 ■ ◆試験片製造のための機械加工中に破壊。

１２００℃で熱処理した実施例４と５では、降伏強さは
ｔＰｊ定できず、延性はほとんどゼロであることが分か
った。１３００℃で焼きなました実施例５の試験片では
、延性は増大したがやはり望ましくない位に低かった。

実施例６でも、１２５０℃で焼きなましだ試験片では上
と同じであった。１３００℃と１３５０℃で焼きなまし
た実施例６の試験片では延性は充分だが降伏強さが低か
った。

その他の実施例の試験片ではいずれも意味のある程度の
延性はみられなかった。

表■に挙げた結果から明らかなように、試験用の組成物
を製造するのに用いたパラメーターの組合せは極めて１
夏雑で相互に関連をもっている。ひとつのパラメーター
はチタンとアルミニウムの原子比である。第２図にプロ
ットしたデータから、化学口論比または非化学ご論比が
いろいろな組成で形成された組成物の試験結果に強い影
響を及ぼすことが明らかである。

もう−組のパラメーターはベースのＴｉＡｌ組成物に混
入するのに選択した添加元素である。この組の第一のパ
ラメーターは、ある種の添加元素がチタンまたはアルミ
ニウムを置換できるかどうかという二とである。ある特
定の金属はどちらの機能も果たしｉす、ある添加元素が
いかなる役割を果たすかどうかを決定できる簡１１ｉな
規則はない。

このパラメーターの意義は、添加元素Ｘをある原子０６
で添加してみると明らかである。

もしＸがチタンの置換物として働くのであれば、組成物
Ｔ　ｊ　４ｇＡ　Ｉ　４８Ｘ４はａ効アルミニウム濃反
か４８原子９６で宵効チタン濃度が５２原子％となる。

反対に、添加元素Ｘかアルミニウムを置換するのであれ
ば、得られる組成物は９効アルミニウム濃度が５２％で
釘効チタン濃度が４８原子％となる。

したがって、この置換物の性質は非常に小便であるがま
ったくｒ言できないものである。

この組の別のパラメーターは添加元素の濃度である。

友■から明らかなさらに別のパラメーターは焼きなまし
ｌｕ度である。ある添加元素に対して最良の強さを示す
焼きなまし温度は異なる添加元素でさまざまであること
が分かる。これは、実施例６の結果を実施例７の結果と
比べてみると分かる。

さらに、添加元素の濃度と焼きなましの組合せには、も
し特性の増強効果がみられるならばその場合の最適の効
果が、それより高いかまたは低い濃度および／または焼
きなまし温度では所望の特性の改良を青るのに効果が低
くなるような組合せの添加元素４疫と焼きなまし温度で
得られるようになっている組合せが存在し得る。

表■の結果から明らかなように、非化学量論的なＴｉＡ
１組成物に第三元素を添加してｉりることかできる結果
は極めて予期し難いものであり、はとんどの試験結果は
延性もしくは強度またはその画質に関して９！ましくな
い。

実施例１４〜１７ 添加元素を含むアルミニウム化チタン合金のさらに別の
パラメーターは、添加元素の組合せが、同じ添加元素を
個別に添加して得られるそれぞれの利点を足し合わせて
示すとは限らないということである。

さらに、実施例１〜３に関して上に記載したのと同様に
して、表■に示したバナジウム、ニオブおよびタンタル
を添加元素として含有する４つのＴＥＡ１基サンプルを
調製した。これらの組成物はそれぞれ同時係属中の米国
特許出願筒１３８゜４７６号、第１３８，４０８号およ
び第１３８゜４８５号で最適の組成物とされたものであ
る。

４番目の組成物は、バナジウム、ニオブおよびタンタル
をひとつの合金中で組合せた、表■に合金４８と表示し
である組成物である。

表■から明らかなように、バナジウム、ニオブおよびタ
ンタルを個別に添加すると、実施例１４．１５および１
６の別々の基準で、それぞれベースのＴｉＡ１合金にか
なりの改良をもたらすことができる。しかし、これらの
同じ添加元素をひとつの合金中に組合せても、個々の改
良を加えた形で組合せて示す組成物にはならない。この
場合はまったく逆である。

まず、個別の合金を焼きなますのに使用した７３度の１
３５０℃で焼きなましだ合金４８では、試験片を製造す
るために機械加工している間に破壊してしまうほど脆い
材料が生成することが判明した。

次に、１２５０℃で焼きなましだ、添加元素を組合せて
含む合金で得られる結果は、それぞれの添加元素を含（
−ｉする個別の合金で得られる結果よりすっと劣る。

特に、延性に関しては、バナジウムが実施例１４の合金
１４で延性を大幅に改良するのに極めてａ効であったこ
とが明らかである。しかし、実施例１７の合金４８でバ
ナジウムを他の添加元素と組合せると、得られると思わ
れた延性の改良がまったく達成されない。実際、このベ
ースの合金の延性は０．１の値に低下する。

さらに、ニオブを添加した合金４０の耐酸化性は、ベー
スの合金の重量損失が３１ｍｇ／ｃ−であるのに合金４
０のｉＲＷ損失が４ａｇ／ｃｊであることから分かるよ
うに大幅に改善されている。この酸化の試験および耐酸
化性の補足試験では、試験すべきサンプルを９８２℃の
；３度で４８時間加熱する。

サンプルを冷却した後酸化物のスケールを掻き取る。加
熱と掻き取りの前後でサンプルの重量をＡＭＪることに
よってｆｆ１Ｗの差を決定することができる。

全重量損失（ダラム）を試験片の表面積（平方センナメ
ートル）で割ることによって重量損失（ｍｇ／　ｃｊ　
）を決定する。この酸化試験は、本明細書中に述べた酸
化または耐酸化性の測定のすべてで用いたものである。

タンタルを添加した合金６０の場合、１３２５℃で焼き
なましだサンプルの重量損失は２■／ｃｄと決定された
。これもまたベース合金の３１ｍｇ／ｃｊというｍｍｆ
ｉｌ失と比べて優れている。言い換えると、個別の添加
基準では、添加元素のニオブもタンタルもベース合金の
耐酸化性を改良するのに極めて有効であった。

しかしながら、これらの添加元素バナジウム、ニオブお
よびタンタルの３つをすべて組合せて含有する実施例１
７の合金４８について表■に挙げた結果から明らかなよ
うに、この合金の酸化はベスの合金のほぼ二倍に増大す
る。これは上記のニオブを添加した合金４０の７倍であ
り、またタンタルのみを添加した合金６０のおよそ１５
倍も大きい。

／ 表 ■ 個々の添加元素を使用して得られる個別の利点と欠点は
、これらの添加を別々になんども使用するときに信頼性
良く繰返される。しかし、添加元素を組合せて使用する
場合、ベースの合金中で組合せた添加元素の効果は、こ
れらを同じベースの合金中で個別に使用した場合の添加
元素の効果とまった（異なり得る。たとえば、バナジウ
ムの添加はチタン−アルミニウム組成物の延性に対して
有益な効果をもつことはすでに発見されていて、同時係
属中の米国特許出願第１３８，４７６号に開示され議論
されている。さらに、ＴｉＡｌベース合金の強度に有益
に作用することが分かつていてすてに論じた１９８７年
１２月２８日付けで出願された同時係属中の米国特許出
願第１３８，４０８号に記載されている添加元素のひと
つは添加元素のニオブである。また、上でＪ”Ａしたマ
ツクアラドリュ−（ＭａＡｎｄ　ｒａｗ）の論文に示さ
れているように、ＴｉＡ１ベース合金にニオブを個別に
添加すると耐酸化性を改良することかできる。同様に、
タンタルを個別に添加すると耐酸化性を改良する役にＮ
γつことかマツクアラドリュ−（ＭａＡｎｄｒＣＷ）に
よって教示されている。さらに、同時係属中の米国特許
出願第１３８．４８５号には、タンタルの添加が延性を
改良することが開示されている。

換言すると、バナジウムが個別に用いるとチタン−アル
ミニウム化合物に対して延性を改良するという何列な寄
ｊ）をし得ることと、タンタルを個別に使用すると延性
と耐酸化性を改良し１′４るということはすでに分かっ
ている。これとは別に、ニオブを添加するとチタン−ア
ルミニウムの強度と耐酸化性に対して有利に作用し得る
ことが判明している。しかし、この実施例１７から示さ
れるように本出願人は、バナジウム、タンタルおよびニ
オブを一緒に使用して合金組成中に添加元素として組合
せると、その合金組成物はこれらの添加元素によって改
良されず、むしろニオブ、タンタルおよびバナジウムを
添加元素として食合するＴｉＡｌの特性は低下するかま
たは損われることを発見した。このことは表■から明ら
かである。

これから明らかなように、２種以上の添加元素がＴｉＡ
ｌを個別に改良するならばそれらを一緒にするとＴｊＡ
Ｌをさらに改良するはずだと思われるのにもかかわらず
、そのような添加効果は極めて予期し難いことであり、
実際バナジウム、ニオブおよびタンタルの組合せの場合
、これらの添加元素を組合せて用いると全体的な特性が
多少改良されるにしても現実には特性がＩＨわれること
か’Ｉ’ｌｌ明する。

しかしながら、１−の表■から明らかなように、バナジ
ウム、ニオブおよびタンタルを組合せて金白゛する合金
は実施例２のベースのＴｉＡｌ　１２合金より耐酸化性
がずっと劣る。ここでもまた、個別に使用すれば特性を
改良する添加元素を組合せてふくませると、この添加元
素を個別に添加した場合に改良されるその特性が正味で
Ｊｉわれることか１′１１明した。

実施例１８〜２１ 実施例１〜３に関して記載したようにして、それぞれ！
〈■Ｖに挙げた組成をｑするマンガンで改良されたアル
ミニウム化チタンを食付する別の４つのサンプルを調製
した。

表■は、［、ｆ！■の合金と改良された合金の両者につ
いて関連すると思われるさまざまな熱処理条件下で実施
した曲げ試験の結果をまとめて示す。

表　　　　■ 表■の結果から明らかなように、４点曲げ試験によると
、添加元素のマンガンは、得られる合金の強度と延性に
ある影響を及ぼす。合金３７では、１２５０℃で焼きな
ますと、強度を損うことなく延性が顕著に（６０％）改
善される。

はとんどの場合、表■の一迎の試験で他の合金の強度と
延性の値はベースの７１５２Ａ　１４ｓ合金より低い。

上記のサンプルは実施例１〜３に記載したようにして調
製した。また、実施例１〜２１のサンプルは４点曲げ試
験で検査した。

実施例２２および２３ １−記実施例１〜に記載したようにして、実施例２３の
合金６９と実施例２２の合金７８を調製した。

３種の合金に対して、高温加熱で加熱したサンプルの引
張特性とＬｆＱ損失のデータを決定した。

サンプルの試験は通常の方法で、通常の試験片を形成し
、これらの試験片を、前の実施例で使用した４点曲げ試
験とは異なる通常の引張試験機で試験した。得られたデ
ータを下記表Ｖに示す。表Ｖには、実施例２と１９のデ
ータも合わせて示した。

そのデータはそれぞれ表１と■に挙げであるものか、ま
たは合金１２と５４についてＭ１定した４点曲げ試験の
結果である。表Ｖには、通常の引張試験片を用いて通常
の引張試験に基づいて２種の合金１２と５４およびその
他の合金７８と６９の特性を示しである。さらに、表Ｖ
は、合金試料の表面の酸化によるｍＱ損失に関するデー
タも示しである。

本この表のデータは、上記の表１〜■に示した４点曲げ
試験ではなく通常の引張試験によるものである。

実施例２で引張試験片に使用した焼きなまし温度は１３
００℃であった。実施例１９の合金５４の３つのサンプ
ルの場合、サンプルは表Ｖに記載した３種の温度、すな
わち１２５０℃、１２７５℃および１３００℃でそれぞ
れ別々に焼きなましだ。この焼きなまし処理をおよそ２
時間続けた後、サンプルを通常の引張試験にかけた。３
つの別個に処理した引張試験片について得られた結果も
表Ｖに示した。

一般の冶金学ｔの慣習によると、引張試験片の伸びによ
って決定される降伏強さは工学目的に対してより一般的
に受入れられる尺度であることが分かるであろう。４点
曲げ試験で得られたデータと通常の引張試験棒の試験で
得られた結果との間の密接な関係は、１９８８年６月３
日に出願された同時係属中の米国特許出願第２０１．９
８４号に記載されているようにこの種の合金で確立され
ている。

ここで表Ｖのデータを考慮すると、実施例２３の合金６
９では、強度または延性を実質的に失うことなく耐酸化
性が非常に独特で顕著に改良されることが明らかである
。

これらの試験結果を詳細に検討すると、ベースの合金１
２は有利な延性と組合せて高い降伏強さと引張強さをも
っているが、このベース合金は試験を行なった９８０℃
という高９Ｍでは酸化に対する抵抗性に劣ることが明ら
かである。このベースの合金の重量損失は９８０℃の温
度で４８時間加熱した後に３１ｍｇ／ｃ４である。

２原子％のニオブを含有する合金７８の耐酸化性を′Ａ
−１定したところ約７　ｍｇ　／　ｃｄであり、これは
４倍以上の改良にｔｌＪ当する。

２原子％のマンガンを含有する実施例１９の合金５４は
比較のために示しである。これは大きな強度と延性を示
すが、１′：Ｓ温での耐酸化性が非常に低い。酸化によ
る重量損失はベースの合金と比べてほとんど６０％高い
ことが判明した。

しかしながら、極めて顕著であると思われた発見は、マ
ンガンとニオブを添加元素として両方とも含有する合金
の引張試験と酸化試験とで得られた結果である。この合
金はベースの合金に極めて近い強度と延性の値をもって
いる。これらの値は２原子？６のマンガンを含有する合
金５４の値に良く一致している。

しかし、最も驚くべきことは、高温での加熱によるｉｒ
ｊ　Ｑ　ｔＭ失が低いことである。その重量屓失値は、
ベースの合金の１１５未満で、マンガンを含有する合金
の１７８未満である。

ｌ−記載■の実施例１７から分かるように、個別に用い
るとＴｉＡ１組成物のいろいろな特性を改良するかまた
はその改良に寄与するのにｑ効である添加元素を１つよ
り多く添加すると、その結果は、所望の全体的特性が増
大するより低下するという点で本質的にかんばしくない
。したがって、非、１Ｓに驚くべきことに、２種の元素
、特定的にはマンガンとニオブをＴｉＡｌの４原子％の
濃度まで添加し、作用の異なる２種の添加元素を組合せ
て使用することによって、このＴｉＡ１組成物の合金の
望ましい全体的特性が実質的にさらに増大することが見
出されたのである。実際、本明細書中で調製した祠料に
対するすべての試験で達成された最も低い川口を置火と
組合せられた最良の引張特性の組合せがマンガンとニオ
ブを組合せて使用することによって達成される。

酸化試験の結果を第４図にプロットした。

この酸化試験は試験すべき物品を９８８℃に４８時間加
熱することによって実施する。冷却後、この物品の表面
から剥がれ易い酸化物皮膜を掻き取る。掻き取った皮膜
の重量をミリグラムで測定し、その重量を物品の表面積
（平方センナメートル）で割って（［方センチメートル
当たりの酸化物量（ミリグラム）を決定する。

表■の強度および延性試験結果を第５図と第６図にそれ
ぞれプロットした。

本発明の合金は、高温で高強度を示すジェットエンジン
その他のガスタービンの要素などの部品として使用する
のに適している。そのような部品はたとえば渦巻きのな
い排気部品、ＬＰＴブレードまたは羽根、コンポーネン
ト羽根またはダクトでよい。

本発明は、ガスタービンの部品などを作成するＴｉＡｌ
合金に耐酸化性添加元素を配合することによって、その
ような部品の１ｊＪ酸化性を改良する方法ら含む。この
ｔ蛋加元素は本明細書中で教示したようにマンガンとニ
オブである。したがって、この方法は、ＴｉＡｌ中に本
明細書中に教示したようにマンガンとニオブを少はでは
あるが釘効量て含ませることによって、高温の大気中で
使用されるＴｉＡ１１Ｌｉ２ｉ部材の酸化性を低下させ
ることである。

また本発明の合金は、１９８７年２月４日に出願され本
出願と同じ譲受人に譲渡されている同時係属中の米国時
１；′［出願第０１０．８８２号（この出願の明細書は
援用して本明細書中に含まれるものとする）に実質的に
記載されているような強化１（合購造体に使用すること
もできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、各種合金のモジュラスと温度との関係を示す
グラフである。 第２図は、さまざまな化学ゴ論のＴｉＡ１組成物の４点
曲げ試験による負荷（ポンド）とクロスヘッド変位（ミ
ル）との関係を示すグラフである。 第３図は、Ｔ　１５２Ａ　１４８Ｍ　ｎ　２に対して第
２図の関係を示す第２図のグラフと似たグラフである。 第４図は、耐酸化性を比較して示すグラフである。 第５図は、所与のサンプルのいろいろな熱処理における
強度（ｋｓｉ）を示す棒グラフである。 第６図は、熱処理の温度に対する延性を示す類似のグラ
フである。

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. （１）本質的に、 Ｔｉ＿５＿２＿−＿４＿２Ａｌ＿４＿６＿−＿５＿０Ｎ
   ｂ＿１＿−＿５Ｍｎ＿１＿−＿３の概略原子比を有する
   チタン、アルミニウム、ニオブおよびマンガンから成る
   、ニオブとマンガンで改良されたチタン−アルミニウム
   合金。
2. （２）融解物から急速に凝固され圧密化されている、請
   求項１記載の合金。
3. （３）融解物から急速に凝固された後、圧密化され、１
   ３００℃と１３５０℃の間の温度で熱処理されている、
   請求項１記載の合金。
4. （４）本質的に、 Ｔｉ＿５＿１＿−＿４＿５Ａｌ＿４＿６＿−＿５＿０Ｎ
   ｂ＿２Ｍｎ＿１＿−＿３の概略原子比を有するチタン、
   アルミニウム、ニオブおよびマンガンから成る、ニオブ
   とマンガンで改良されたチタン−アルミニウム合金。
5. （５）融解物から急速に凝固され圧密化されている、請
   求項４記載の合金。
6. （６）融解物から急速に凝固された後、圧密化され、１
   ３００℃と１３５０℃の間の温度で熱処理されている、
   請求項４記載の合金。
7. （７）本質的に、 Ｔｉ＿５＿１＿−＿４＿３Ａｌ＿４＿６＿−＿５＿０Ｎ
   ｂ＿１＿−＿５Ｍｎ＿２の概略原子比を有するチタン、
   アルミニウム、ニオブおよびマンガンから成る、ニオブ
   とマンガンで改良されたチタン−アルミニウム合金。
8. （８）融解物から急速に凝固され圧密化されている、請
   求項７記載の合金。
9. （９）融解物から急速に凝固された後、圧密化され、１
   ３００℃と１３５０℃の間の温度で熱処理されている、
   請求項７記載の合金。
10. （１０）本質的に、 Ｔｉ＿５＿０＿−＿４＿６Ａｌ＿４＿６＿−＿５＿０Ｎ
    ｂ＿２Ｍｎ＿２の概略原子比を有するチタン、アルミニ
    ウム、ニオブおよびマンガンから成る、ニオブとマンガ
    ンで改良されたチタン−アルミニウム合金。
11. （１１）融解物から急速に凝固され圧密化されている、
    請求項１０記載の合金。
12. （１２）融解物から急速に凝固された後、圧密化され、
    １３００℃と１３５０℃の間の温度で熱処理されている
    、請求項１０記載の合金。
13. （１３）本質的に、 Ｔｉ＿４＿９＿−＿４＿７Ａｌ＿４＿７＿−＿４＿９Ｎ
    ｂ＿２Ｍｎ＿２の概略原子比を有するチタン、アルミニ
    ウム、ニオブおよびマンガンから成る、ニオブとマンガ
    ンで改良されたチタン−アルミニウム合金。
14. （１４）融解物から急速に凝固され圧密化されている、
    請求項１３記載の合金。
15. （１５）融解物から急速に凝固された後、圧密化され、
    １３００℃と１３５０℃の間の温度で熱処理されている
    、請求項１３記載の合金。
16. （１６）原子％で表わした次式 Ｔｉ＿５＿０＿−＿４＿６Ａｌ＿４＿６＿−＿５＿０Ｎ
    ｂ＿２Ｍｎ＿２に従って、Ｔｉ対Ａｌの化学量論比を調
    整し、かつ、マンガンおよびニオブをＴｉＡｌから形成
    された構造部材に組み入れることからなる、前記部材の
    耐酸化性の改善方法。
17. （１７）原子％で Ｔｉ＿５＿０＿−＿４＿６Ａｌ＿４＿６＿−＿５＿０Ｎ
    ｂ＿２Ｍｎ＿２の組成を有する合金から形成されている
    構造部材。