JPH02138430A - 常温破壊靭性、耐高温酸化性および高温強度に優れたＴｉＡ▲ｌ▼基耐熱合金 - 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】 ［産業上の利用分野］ この発明は、常温破壊靭性、耐高温酸化性および高温強
度に優れたＴｊ、ＡＱ　　基耐熱合金に関するものであ
る。

〔従来の技術］ 金属間化合物であるＴｉＡ　Ｑ基合金は、次のような特
徴を有している。

（１）軽量である。即ち、ＴｉＡ　Ｑ　Ｊ、’ｓ金合金
比重は、約３．７であり、　ニッケル基超合金の比重の
半分以下である。

（２）優れた高温強度を有している。即ち、ＴｉＡ　Ｑ
基合金は８００℃付近の温度域まで、室温におけると同
程度の降伏強度およびヤング率を有している。

このように、軽量でしかも優れた高温強度を有するＴｉ
Ａ　Ｑ　３合金を１例えば、タービンブレード用材料と
して使用されている、ニッケル基超合金やセラミックス
に代えて実用化するための研究が、近年行なわれている
。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、従来のＴｉＡ　ｎ基合金は、以下に述べ
る理由によって、まだ高温用材料として実用化されてい
ない。

（１）常温破壊靭性が十分でない。即ち、ＴｉＡ　ｎ基
合金の常温破壊靭性値（Ｋ＋ｃ）は、１３ＭＰａｆ石で
あることが、１９８７年に東京で開催された“Ｉｎｔｅ
ｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｇａｓ　Ｔｕｒｂｉｎｅ　Ｃｏｎ
ｇｒｅｓｓ”において、　Ｙ、ＮｉＮ１５ｈｉｙａ氏等
によって報告された。この常温破壊靭性値は、Ｓｉ、　
Ｎ、等の構造用セラミックスの有する常温破壊靭性値５
ＭＰａｖ”ｉに比べて高いものの、更に高い常温破壊靭
性値が望まれている。

（２）耐高温酸化性が十分でない。即ち、ＴｉＡＱ基合
金の耐高温酸化性は、一般のチタン合金と比べて優れて
いるが、ニッケル基超合金と比べると。

必らずしも優れていない、特に、９００℃以上の温度域
において、ＴｉＡ　ｎ基合金の耐高温酸化性が著しく低
下すること、　および、Ｔｉ１Ｑ基合金の耐高温酸化性
は、ニオブを添加することによって、大幅に改善される
ことが知られている。しかしながら、ニオブを添加して
も、Ｔｉ１ｌ基合金の高温強度は高くならない。

（３）高温強度が必ずしも高くない。即ち、ＴｉＡ　ｎ
基合金は、上述したように、８００℃付近の温度域まで
、室温におけると同程度の降伏強度を示すが、この値は
必ずしも高くなく、高々３９０ＭＰａである。７００か
ら１．１００℃の温度範囲内における。引張り強度、圧
縮強度またはクリープ破断強度等の強度特性値を、比重
で除して得た値。

即ち、比強度について、ＴｉＡ　ｎ基合金とインコネル
７１３合金等のニッケル基超合金とを比較してみても、
両者の間に殆んど差がなく、常温における延性および靭
性において、ニッケル基超合金の方が勝る点を勘案する
と、従来のＴｉＡ　ｎ基合金がニッケル基超合金の代り
をする可能性は少ない。

しかしながら、ＴｉＡ　ｎ基合金の高温強度を高めて、
その比強度を増大させれば、ある程度の延性および靭性
が要求される部材の材料として、ニッケル基超合金の代
りにＴＪＡＱ　　基合金が使用される可能性がある。ま
た、ＴｉＡ　ｎ基合金は、セラミックスより延性および
靭性に優れていることを考慮すれば、　７００から１，
０００℃の温度範囲内で使用される構造用セラミックス
の代りに、ＴｉＡＱ基合金が使用される可能性がある。

ＴｉＡ　Ｑ　基合金の高温強度に及ぼす合金元素の効果
について、１９８１年１０月１３日付のアメリカ特許Ｎ
ｎ４，２９４，６１５に、次のような事項が開示されて
いる：即ち、Ｔｉ−３１から３６ｗｔ、％の１ｌ−０，
１から４ｗｔ、％の■系のＴｉＡ　ｎ基合金は、高温強
度および常温延性に優れており、そして、前記ＴｉＡ　
ｎ基合金に０　、１　ｖｔ、％の炭素を添加すると、そ
のクリープ破断強度が向上する（以下、′先行技術″と
いう）。

しかしながら、上述した先行技術のＴｉＡＲ１合金の比
強度は、ニッケル基超合金の比強度とほぼ等しく、不十
分である。

このようなことから、常温破壊靭性が１３ＭＰａ６以上
、８２０℃の温度における１００時間クリープ破断強度
が、従来のＴｉＡ　ｎ基合金よりも高く。

そして、大気中において９００℃の温度に５００時間加
熱後の板厚減少量が１片面当り０　、１　ｎｕ以下の、
常温破壊靭性、耐高温酸化性および高温強度に優れたＴ
ｉＡ　Ｑ　基耐熱合金の開発が強く望まれているが、か
かる特性を有するＴｉＡ　ｎ基合金は、まだ提案されて
いない。

従って、この発明の目的は、常温破壊靭性値が１３ＭＰ
ａｖ’Ｍ以上、　８２０℃の温度における１００時間ク
リープ破断強度が、従来のＴｉＡ　ｎ基合金よりも高く
、そして、大気中において９００℃の温度に５００時間
加熱後の板厚減少量が、片面当り０．１＋ｎ＋＋＋以下
の、常温破壊靭性、耐高温酸化性および高温強度に優れ
たＴｉＡ　Ｑ　　基耐熱合金を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ この発明は。

アルミニウム　：２９から３５すｔ４％、ニオブ　　　
　：０．５から２０すｔ０％、下記からなる群からる選
んだ、少なくとも１つの元素、 シリコン　　：０．１から１．８すｔ０％、および、 ジルコニウム＝０．３から５．５ｖｔ、％、および、 残り、チタンおよび不可避的不純物、 からなることに特徴を有するものである。

我々は、」二連した観点から、常温破壊靭性、耐高温酸
化性および高温強度に優れたＴｉＡ　ｎ　　基耐熱合金
を開発すべく、鋭意、研究を重ねた。その結果、次の知
見を得た。即ち、所定量のニオブと、そして、所定量の
シリコンおよび所定量のジルコニウムのうちの少なくと
も１つとをＴｉＡ　Ｑ　　基合金に添加すれば、常温破
壊靭性、耐高温酸化性および高温強度に優れたＴｉＡＱ
　　基耐熱合金を得ることができる。

この発明は、上述した知見に基づいてなされたものであ
る。

次に、常温破壊靭性、耐高温酸化性および高温強度に優
れたこの発明のＴｉＡＱａ＆耐熱合金の化学成分組成を
、上述した範囲内に限定した理由について、以下に述べ
る。

（１）アルミニウム： アルミニウムは、ＴｉＡ　Ｑ基合金の常温破壊靭性およ
び高温強度を向上させる作用を有している。

しかしながら、アルミニウム含有量が２９ｗｔ、％未満
では、上述した作用に所望の効果が得られない。

一方、アルミニウム含有量が３５ｗｔ、％を超えても。

上述した作用に格別の向上が得られない。常温破壊靭性
および高温強度に劣るＴｉＡ　Ｑ基合金を、構造用材料
として使用するには、信頼性の確保に多大の労力を費や
す必要があるばかりか、　Ｓｉ、Ｎ、等の構造用セラミ
ックスに対する利点が小さく、本発明の目的にそぐわな
い。従って、アルミニウム含有量は、２９から３５ｗｔ
、％の範囲内に限定すべきである。

（２）ニオブ： ニオブは、ＴｉＡＱ基合金の強度を向上させる作用はそ
れほどないが、ＴｉＡ　Ｑ基合金の耐高温酸化性を著し
く向上させる作用を有している。しかしながら、ニオブ
含有量が０　、５　ｗｔＪ未満では、　上述した作用に
所望の効果が得られない。一方、ニオブ含有量が２０ｗ
ｔ、％を超えると、ＴｉＡΩ基合金の比重が大きくなっ
て軽量化が図れず、そして。

ＴｉＡΩ基合金のクリープ破断強度が低下する。従って
、ニオブ含有量は、　０．５から２０ｗｔ、％の範囲内
に限定すべきである。

（３）シリコン： シリコンは、ＴｉＡ　Ｑ　基合金の高温強度を向上させ
る作用を有している。しかしながら、シリコン含有量が
０　、１　ｗｔ、１未満では、上述した作用に所望の効
果が得られない。一方、シリコン含有量が１　、８　ｗ
ｔ、％を超えると、ＴｉＡｌ２基合金の常温破壊靭性が
著しく低下する。従って、シリコン含有量は、０．１か
ら１．８ｗｔ、％の範囲内に限定すべきである。

（４）ジルコニウム： ジルコニウムは、シリコンと同様に、ＴｉＡ　Ｑ基合金
の高温強度を向上させる作用を有している。

しかしながら、ジルコニウム含有量がＱ　、　３　ｗｔ
、％未満では、上述した作用に所望の効果が得られない
。一方、ジルコニウム含有量が５　、５　ｗｔ、％を超
えると、　　ＴｉＡ！１基合金の常温破壊靭性が著しく
低下し、　そして、ＴｉＡｐ基合金の比重が大きくなっ
て軽量化が図れない。従って、ジルコニウム含有量は、
０．３から５．５すｔ、′１の範囲内に限定すべきであ
る。

なお、　この発明においては、ＴｉＡＱ基合金の常温破
壊靭性が低下するのを防止する見地から。

ＴｉＡ　ｎ基合金中の、不可避的不純物としてのｒａ素
、窒素および水素のそれぞれの含有−量を１次のように
限定することが望ましい。

酸素については、０．６ｗｔ、対以下、窒素については
、　０．１ｗｔ、％以下、および、 水素については、０．０５ｗｔ、％以下、次に、常温破
壊靭性、耐高温酸化性および高温強度に優れたこの発明
のＴｉＡ　Ｑ基耐熱合金を、実施例によって、更に詳細
に説明する。

失庭匠 第１１表に示すように、この発明の範囲内の化学成分組
成を有するＴｊＡＱ基合金、および、同じく、第１表に
示すように、この発明の範囲外の化学成分組成を有する
ＴｉＡ　Ｑ基合金を、溶解炉内において溶解し、そして
、次いで、インゴットに鋳造した。次いで、このように
鋳造されたそれぞれのインゴットから“ＡＳＴＭ　　Ｅ
−３９９”に基づく、この発明の範囲内のＴｉＡ　Ｑ基
合金の破壊靭性試験片（以下。

“本発明試験片”という）Ｎα１３から３２．　および
、同様に、”ＡＳＴＭ　　Ｅ−３０９”に基づく、　こ
の発明の範囲外のＴｉＡＱ基合金の破壊靭性試験片　Ｃ
以下、″比較用試験片″という）Ｎα１から１２を切り
出した。

次いで、“ＡＳＴＭ　　Ｅ−３０９”に従って、　これ
等の試験片の各々について、常温破壊靭性を測定した。

この測定の結果のうち１本発明試験片Ｎ（１１３から３
１、ならびに、比較用試験片ＮＱ４．５および７から１
２についての測定結果を第２表に示す５アルミニウム、
ニオブ、シリコンおよびジルコニウムのそれぞれの含有
量が、ＴｉＡＱ　　基合金の常温破壊靭性に及ぼす影響
を明らかにするために、Ｔｉ−ＡＱ−４すｔ０％Ｎｂ−
１すｔ、％Ｓｉ系ＴｉＴｉ法合金である、本発明試験片
Ｎα１３から１７および２０゜ならびに、比較用試験片
Ｎｏ　７から９について、アルミニウム含有量と常温破
壊靭性との間の関係を第１図に示し；　Ｔｉ−３３ｗｔ
、％Ａ　Ｑ　−Ｎｂ−１ｗｔ、ｘＳｉ系ＴｉＡ　Ｑ基合
金である、本発明試験片Ｎα１−５および２７から３１
．ならびに、比較用試験片Ｎα５および１２について、
ニオブ含有量と常温破壊靭性との間の関係を第２図に示
し；　Ｔｉ−３３ｗｔ３Ａ（１−４ｗｔ０％Ｎｂ−８ｉ
系ＴｉＡ　Ｑ基合金である、本発明試験片Ｎα１８から
２０．ならびに、比較用試験片＆４および１０について
、シリコン含有量と常温破壊靭性との間の関係を第３図
に示し；そして、　Ｔｉ−３３ｖｔ、％ＡＱ−２ｗｔ、
％Ｎｂ−Ｚｒ系ＴｉＡ　Ｑ基合金である、本発明試験片
＆２１から２６、ならびに、比較用試験片Ｎａ　４およ
び１１について、ジルコニウム含有量と常温破壊靭性と
の間の関係を第４図に示す。

第　　２　　表 第１図から明らかなように、ＴｉＡ　Ｑ基合金の常温破
壊靭性は、ＡＱ含有量に大きく依存する。即ち、ＡＱ含
有量が２９から３５ｗｔ、％の範囲内においてＴｉＡ　
Ｑ基合金の常温破壊靭性（Ｋ＋ｃ）は、この発明の目標
値である１３ＭＰａｖ”７以上になる。次に、第２図か
ら明らかなように、Ｔｊ、Ａ　Ｑ　Ｗ合金の常温破壊靭
性は、　Ｎｂ含有量によって殆んど影響されない。次に
、第３図から明らかなように、ＴｉＡＱ基合金の常温破
壊靭性は、　　Ｓｉ含有量の増加に伴って低下する。従
って、１．３ＭＰａｒ五以上の常温破壊靭性値を得るた
めには、Ｓｉ含有量を１．．８ｗｔ、％以下に限定する
必要がある。次に、第４図から明らかなように、ＴｉＡ
　Ｑ基合金の常温破壊靭性は、Ｚｒ含有量の増加に伴っ
て低下する。従って。

Ｌ３ＭＰａ６以上の常温破壊靭性値を得るためには、Ｚ
ｒ含有量を５　、５　ｗｔ、％以下に限定する必要があ
る。

次に、第１表に示すように、この発明の範囲内の化学成
分組成を有するＴｊ、ＡＱ基合金、および、同じく、第
１表に示すように、この発明の範囲外の化学成分組成を
有するＴｉＡ　Ｑ基合金を、溶解炉内において溶解し、
そして、次いで、インゴットに鋳造した。次いで、この
ようにｔ４造されたそれぞれのインゴットから、直径６
晴、長さ３０ｍｍの平行部を有する。　この発明の範囲
内のＴｉＡ　Ｑ基合金の試験片（以下、″本発明試験片
″という）Ｎα１３から３２．および、同様に、直径６
ＩＩＩＩ１．長さ３０ＩＩｆＩの平行部を有する、この
発明の範囲外のＴｉＡ　Ｑ基合金の試験片（以下、パ比
較用試験片″という）Ｎα１から１２を切り出した。次
いで、これ等の試験片の各々について、８２０℃におけ
るクリープ破断強度を測定した。第５図に、試験片に加
えた負荷応力とクリープ破断時間との間の関係を示す。

第５図から明らかなように、試験片は、いくつかのグル
ープに分類される。即ち、比較用試験片Ｈａ　１から４
および９は、第５図中量も下のグループに含まれ、１０
０時間経過後に試験片が破断する負荷応力、即ち、１０
０時間クリープ破断強度は、約１５０ＭＰａである。こ
れに対して、本発明試験片Ｎα１４から１６．２０およ
び３２の１００時間クリープ破断強度は、約３５０ＭＰ
ａであり、極めて高い値であることがわかる。

第３表に、Ｔｉ−３３すｔ１％Ａ　Ｑ　−Ｎｂ−１ｗｔ
、％Ｓｊ系ＴｉＡ　Ｑ基合金である、本発明試験片Ｎｏ
、　１．５および２７から３１、ならびに、比較用試験
片Ｎｏ　２　。

５および１２の各々について、　Ｎｂ含有量、８２０℃
の温度における１００時間クリープ破断強度、比重およ
び比強度、即ち、１００時間クリープ破断強度を比重で
除した値を示す。

第３表 第３表から明らかなように、ニオブを添加しても、１０
０時間クリープ破断強度は殆んど変らず。

むしろ低下する傾向にあるが、比重は増加している。ま
た、第３表から明らかなように、先行技術の合金である
。比較用試験片Ｎα２の比強度：１９．５Ｘ１０’ａｍ
を上回るためには、ＴｉＡ　Ｑ基合金のＮｂ含有量を２
０ｗｔ、％以下に限定する必要がある。

第４表に、Ｔｉ−Ａ　Ｑ　−４ｗｔ、％Ｎｂ−１ｗｔ、
％Ｓｉ系ＴｉＡ　Ｑ基合金である１本発明試験片Ｈａ　
１３から１７および２０、ならびに、比較用試験片Ｎａ
　７から９の各々について、ＡＭ含有量と、８２０℃の
温度における１００時間クリープ破断強度とを示し、第
５表に、Ｔｉ−３３ｗｔ、％Ａｌ２−４ｗｔ、％Ｎｂ−
５ｉ系ＴｉＡ　Ｑ基合金である、本発明試験片＆１５お
よび１８から２０．ならびに、比較用試験片Ｎｏ、　４
および１０の各々について、Ｓｉ含有量と、８２０℃の
温度における１００時間クリープ破断強度とを示し、そ
して、第６表に、Ｔｉ−３３ｖｔ、％ＡＱ−２ｗｔ、％
Ｎｂ−Ｚｒ系ＴｉＡ　Ｑ基合金である、本発明試験片Ｎ
ｎ２１から２６、ならびに、比較用試験片Ｎｕ４および
１１の各々について、Ｚｒ含有量と、８２０℃の温度に
おける１００時間クリープ破断強度とを示す。

第 表 第４表、第５表および第６表から明らかなように、ＡＱ
含有量を２９から３５ｗｔ、％の範囲内に限定し、Ｓｉ
含有量の下限値を０　、１　ｗｔ、％に限定し。

そして、Ｚｒ・含有量の下限値を０　、３　ｔｙｔ、％
に限定すれば、ＴｉＡ　Ｑ基合金の高温強度を高くする
ことができる。

次に、第１表に示すように、この発明の範囲内の化学成
分組成を有するＴｉＡ　Ｑ基合金、および。

同じく、第１表に示すように、この発明の範囲外の化学
成分組成を有するＴｉＡ　Ｑ　　基合金を溶解炉内にお
いて溶解し、そして１次いで、インゴットに鋳造した。

次いで、このように鋳造されたそれぞれのインゴットか
ら、縦幅８ｍ＋、横幅ＬＯｎｗｎ、／りさ２ｍの、　こ
の発明の範囲内のＴｉＡ　Ｑ基合金の試験片（以下、″
本発明試験片″という）Ｎα１３がら３２．および、同
様に、縦幅８田、横幅１０＋ｎｍ、厚さ２　ｌＩｎの、
　この発明の範囲外のＴｊＡＱ基合金の試験片（以下、
″比較用試験片″という）Ｎ（１１から１２を切り出し
た。次いで、これ等の試験片の各々について、耐高温酸
化性を調べるために、これ等の試験片を、大気中におい
て、９００℃の温度に１００時間、２００時間および５
００時間加熱し、そして、各時間経過後の酸化による試
験片片面当りの板厚減少量を測定した３この測定結果の
うち、本発明試験片ＮＱ１５，２４および３２゜ならび
に、比較用試験片Ｎα１，２および４から６についての
測定結果を、第７表に示す。

第　　７　　表 第７表から明らかなように、ニオブを添加すると、Ｔｉ
Ａ　Ｑ　　基合金の耐高温酸化性が著しく向上し５一方
、シリコンおよびジルコニウムを添加しても、ＴｉＡ（
ｉ　基合金の耐高温酸化性に大きな影響を与えない。

第８表に、本発明試験片Ｎｏ、　１５および２７から３
１、ならびに比較用試験片Ｎα５および１２の各々につ
いて、Ｎｂ含有量と耐高温酸化性とを示す。

第８表 第８表から明らかなように、Ｎｂを０　、５　ｗｔ、３
以上添加すると、ＴｉＡ　Ｑ基合金の耐高＠酸化性が向
上することがわかる。

以」−の測定結果をまとめて、第６図および第７図に示
す。第６図は、本発明試験３片Ｈａ　］、　３から３２
、ならびに、比較用試験片Ｎａ　１から１２の各々につ
いて、常温破壊靭性と、高温強度、即ち、８２０℃の温
度における１００時間クリープ破断強度との間の関係を
示すグラフである。第６図において、ハツチングで囲ま
れた領域は、優れた常敲破懐強度および高温強度を示す
、この発明の領域である。

第７図は、本発明試験片Ｎｃｉｉ３から３２、ならびに
、比較用試験片Ｎａ　１から１２の各々について、耐高
ｉ！！酸化性、即ち、大気中において９００℃の温度に
５００時間加熱後の、試験片片面当りの板厚減少量と、
そして、高温強度、即ち、８２０°Ｃの温度における１
００時間クリープ破断強度との間の関係を示すグラフで
ある。第７図において、ハツチングで囲まれた領域は、
優れた耐高温酸化性および、高温強度を示す、この発明
の領域である。

第６図および第７図から明らかなように、本発明試験片
ＮＱ１３から３２は、何れも、常温破壊靭性、耐高温酸
化性および、高温強度に優ハている。

これに対して、比較用試験片Ｎ［１１から４．８．９お
よび１２は、高温強度が低い。比較用試験片Ｎａ５から
７，１０および１１は、高温強度は高いものの、比較用
試験片Ｎα７，１０および１１は、常温破壊靭性に劣り
、そして、比較用試験片Ｈａ　５および６は、耐高温酸
化性に劣る。

［発明の効果コ 以上詳述したように、この発明によれば、常温破壊靭性
、耐高温酸化性および高温強度に優れたＴｉＡＱ基合金
を得ることができ、かくして、工業上有用な効果がもた
らされる。

有量と常温破壊靭性との間の関係を示すグラフ。

第３図は、ＴｉＡ　Ｑ基合金における。　シリコン含有
量と常温破壊靭性との間の関係を示すグラフ、第４図は
、ＴｉＡｆｆ基合金における、ジルコニウム含有量と常
温破壊靭性との間の関係を示すグラフ、第５図は、Ｔｉ
Ａ　Ｑ基合金における、負荷応力とクリープ破断時間と
の間の関係を示すグラフ、第６図は、ＴｉＡ　Ｑ基合金
における、常温破壊靭性と１００時ｆｌクリープ破断強
度との間の関係を示すグラフ、第７図は、ＴｉＡ　Ｑ基
合金における、板厚減少量と１００時間クリープ破断強
度との間の関係を示すグラフである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　アルミニウム：２９から３５ｗｔ．％、ニオブ：０
   ．５から２０ｗｔ．％、 下記からなる群から選んだ、少なくとも１ つの元素、 シリコン：０．１から１．８ｗｔ．％、 および、 ジルコニウム：０．３から５．５ｗｔ．％、および、 残り、チタンおよび不可避的不純物 からなることを特徴とする、常温破壊靭性、耐高温酸化
   性および高温強度に優れたＴｉＡｌ基耐熱合金。