JPH03197631A - 金属間化合物ＴｉＡｌ―Ｃｒ基合金 - 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〕 本発明は軽量かつ高温強度に優れた金属間化合物ＴｉＡ
ｎ−Ｃｒ基合金に関し、特に変形特性を改善した金属間
化き物ＴｉΔＮ−Ｃｒ基合金に関するものである。

〔従来の技術〕

耐熱材料として実用化の期待されている金属間化合物Ｔ
ｉＡＮは、展延性に乏しいために加工が難しい。ＴｉＡ
ｊ７の実用化のための最大の障害であるこの低加工性改
善のための手法は、大別して加工プロセスの応用と合金
設計が挙げられる。低加工性とは主として室温における
延性の欠如を指し、ＴｉＡｆは圧延、鍛造といった従来
行なわれている加工法を直接室温で適用することはでき
ない。

加工プロセス適用の場合、粉末加工法に代表されるニア
−・ネット・シェイプ化から従来の圧延、鍛造といった
加工法も含む。これまでにＣｏ基超超合金ｓ−ｓｔｓ）
を用いての高温シース圧延（１１００℃、圧延速度：　
１．５ｍ／＋ｎ１ｎ）による成型（特開昭６１−２１３
３６１号公報）や、８００℃以上、歪速度１０”’５ｅ
ｃ−’以下における恒温鍛造（特開昭６３−１７１８６
２号公報）等による形状付与加工法が報告されている。

こうした加工法の特徴は、ＴｉＡ１の８００℃以上にお
ける延性能の発現を利用したものであり、ＴｉＡ＆の機
械的性質に及ぼす歪速度依存性と併用することにより、
成型加工を可能にしている。但し充分な成型加工を行な
うための加工条件が、１ｏｏｏ℃以上の高温であること
、更に歪速度をできるだけ低減化させなくてはならない
ことから、大型設備の適用が必ずしも容易では無いとい
う欠点を有する。

一方、Ｔｉ　とＡＩの混合、圧粉成型後、高温高圧処理
による成型化が報告されている（特開昭６３１４００４
９号公報）。この方法は上記加工プロセスとは異なり、
成型化と同時に様々な形への形状加工化が可能であるこ
とを長所とする反面、問題点としてＴｉやＡＩといった
活性金属を用いることによる不純物混入が不可避である
という点が指摘される。

これに対して添加元素による室温延性改善の報告は、金
属材料技術研究所によるＭｎ添加（特開昭６１−４１７
４０号公報〉、Ａｇ添加（特開昭５８−１２３８４７号
公報）、そしてＧｅｎｅｒａｌ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｃ
ｏｒｐ、によるＳｉ添加（米国特許：第４８３６９８３
号公報）、Ｔａ添加（米国特許：第４８４２８１７号公
報）、Ｃｒ添加（米国特許：第４８４２８１９号公報）
、Ｂ添加（米国特許：第４８４２８２０号公報）が挙げ
られる。この中でＧｅｎｅｒａ　ＩＥｌｅｃｔｒｉｃ　
Ｃｏｒｐ、によるＳｉ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｂの各合金系の成
分範囲は、四点曲げ試験による延性評価から決定してい
るが、いずれもチタンがアルミニウムと等量、あるいは
アルミニウムよりも高くなっている。また、高温延性改
善のために、０．００５〜０．２重量％Ｂ添加（特開昭
６３−１２５６３４号公報〉、あるいは０．０２〜０．
３重量％Ｂと０．２〜５．０重量％Ｓｉを複合添加（特
開昭６３−１２５６３４号公報）した報告がある。これ
までのところ複合添加による特許例はこの一件のみであ
るが、複数の特性の改善をはかる上で、第４及び第５添
加元素の検討も必要になる。すなわちこれらの添加元素
の効果を利用して活性能改善に加え、耐酸化性の改善や
耐クリープ特性の改善も含めて、幅広い合金成分調整が
行なう必要がある。延性能の目安は室温引張伸び値が３
．０％といわれているが、どの添加元素の選択による成
分設計法によっても未だ達成されておらず、加工プロセ
スとの併用による微細化等の組織制御を通した対応が不
可決と考えられる。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は金属間化合物ＴｉＡ＃基合金の成分設計を行な
うことにより加工プロセスとの併用を考慮しなくても、
実用性の十分高い高延性の合金を提供することを目的と
する。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は上記目的を達成するために、ＴｉＡｆｆｉ−Ｃ
ｒ基き金にボロンを添加したものでこれにより組織を微
細化し、圧縮変形特性及び強度を特段に高めたのである
。

すなわち、本発明は、チタン、アルミニウム、クロム及
びボロンを下記原子分率成分式によって含有せしめて構
成した金属間化合物ＴｉＡ＆基合金からなる。

ＴｉｘＡＬ　−ｔＸ＋２＋ＺＩ　ＣｒｙＢｚ但し、０．
４７≦Ｘ≦０．５１ ０．０１≦ｙ≦０．０４ ０．５０≦ｘ＋ｙ≦０．５４ ０．０００１≦ｚ≦０．０１ 以下、本発明の詳細な説明する。

溶解原料としては、高純度チタン、高純度アルミニウム
、高純度クロム及び高純度ボロンを用い、酸素、窒素等
の気体不純物の混入を回避するために、好ましくはチタ
ンゲッター同時溶解による高真空雰囲気制御可能な多極
式アルゴンアーク溶解法により、ＴｉＡ１基合金を溶製
する。成分元素の偏析による不均質性を防止するために
は、多数回溶解を行なった方が良く、更に１０５０℃で
４８時間程度の均質化熱処理を、Ｉ　Ｘ　ＩＦ　５Ｔｏ
ｒｒ以上の高真空下で行なう。本発明のＴｉＡｌ２基合
金の成分が上記のように限定される理由は以下の通りで
ある。

タン：４７〜５１　　　％ Ｔ’ｒＡＩの単相領域は、チタンが室温において４５．
０〜５１．０原子％で、それよりチタン過剰側ではＴｉ
）Δ！が、アルミニウム過剰側ではＴｉＡｌ２が晶出す
る。

Ｔ　ｉ　−Ａ　に元系における室温圧縮試験によれば、
化学量論組成よりもわずかにチタン過剰側で圧縮特性が
優れている。三元系においてもチタンとアルミニウムの
比がチタン過剰になることが必須である。これらのこと
から、圧縮特性に優れた組成はＴｉ３＾ｌの体積分率が
１０％以下の上記組成とし、さらに高圧縮特性を安定し
て得るためには、チタンは４９．５〜５１原千％が好ま
しい。

ロム＝１〜４　　。

クロム添加は組織の微細化を施す以外に、ＴｉＡ１のＬ
ｌｏ型構造（正方晶）に起因するｃ／ａを、クロム添加
により１に近づけることから、正方晶格子から面心立方
晶格子に近づき、ＴｉＡ１のもつ結晶異方性を低下させ
る効果がある。この効果は４原子％までは保持され、そ
れを越えると第二相の体積分率が著しく増加すると同時
に、微細化の効果も低減する。

一方、１２００℃程度の高温下において、Ｃｒは粒界に
拡散することが最近本発明者により明らかになった。こ
の粒界に集積しなＣｒが高温での変形下に起こる動的再
結晶に伴う粒界移動を助長すると言った意味で、深く関
わっていると推察される。

これらのことから高温変形を起こさせ易くするためにも
、Ｃｒ添加は不可欠である。１原子％未満ではこの効果
は現われない。

ボロン：　０．０１〜１．０　　　％ ボロン添加の効果は、（１）ＴｉＡｆの結晶格子に侵入
型に固溶することによって固溶強化を起こすこと。（２
）固溶限を越えたボロンが第二相として晶出することに
より析出強化をもたらすこと。（３）組織の微細化をひ
きおこすこと。以上の三点が挙げられる。組織の微細化
は強度と変形能の向上をもならし、固溶強化及び析出強
化と併せて微量添加でも大きな強度増加を得られる。０
．０１原子％以上の添加で固溶及び析出強化能が著しく
増大するが、０．３原子％′超では析出物の粗大化が起
り微細化による変形能が損われるため、変形能が低下し
破断強度が下降を始める。そして、１．０原子％を超え
るとボロン無添加の場合より強度が低下する。

従って、破断強度だけを目的とする場合にはボロンの上
限は１．０原子％であり、破断強度と変形能の両方を考
慮した最適上限は０．３原子％となる。

アルミニウム：４６・〜４９４９原 子ルミニウムの成分範囲は上記３成分元素の残部となり
、結果的には４６〜４９原子％の範囲が決まる。しかし
四元系成分表示内では、アルミニウム、の範囲はチタン
原子よりも少ないかあるいはチタン原子量と同程度にな
る。

〔作　用〕

こ）で、本発明におけるクロムとボロンの複合添加につ
いて更に、説明する。

ＴｉＡｆ−Ｃｒ基三元系か金は組織的には等軸晶を発達
し易く、微細化の効果のある合金系である。

即ち、クロム添加により固溶強化と組織微細化による強
化が重畳し、添加量に応じた強度増加が確認される。し
かし変形能の観点からすると微細化にともなう変形能の
増加は３〜４原子％程度で、それを越えると著しい脆化
が起こる。そのなめ強度と変形能の双方を高めるための
添加量が３〜４原子％程度となる。第１図及び第２図に
ＴｉＡ１金属間化合物の強度及び圧縮率に及ぼす、クロ
ムの添加量依存性をそれぞれプロットした。但しベース
としたＴｉＡｌ！は５１原子％Ｔｉ−４９原子％Ａ１で
ある。

なおここでいう圧縮率は（（試験片の初期高さ）（応力
・歪線図で試験片が破断する直前の試験片の高さ））／
（試験片の初期高さ）ｘｌｏｏとする。また圧縮破断強
度は応力・歪線図上で試験片が破断する直前の荷重を初
期断面積で除した値とする。

この図から明らかなように、破壊強度及び圧縮率はＣｒ
添加量３原子％で最大を示し、それ以上の添加量では両
値とも減少する。

一方、ＴｉＡｆｆｉ−Ｃｒ基合金にボロンを添加するこ
とは、ＴｉＡ１−Ｃｒによって構成される結晶格子にボ
ロンが固溶強化をもたらすと同時に、−層の組織の微細
化を引き起こす。それに加えて、ボロンのＴｉＡｊ７−
Ｃｒ基合金への固溶限が極端に低いことから微細な第二
相を晶出しやすくなり、析出強化の効果も発現し、著し
い強度増加がもたらされる。

ところが変形能の観点からすると微細化効果と、微細第
二相の均一分散効果により強度の増加がみられるのにも
関わらず、変形能は上昇する。しかしＴｉＡ１−Ｃｒ基
合金でみられたように、強度の著しい増加のためにやは
り変形能にも上限を有し、０．３原子％を越えるとボロ
ン無添加に比して、更に低下する。こうしたことからＴ
ｉＡ１−Ｃｒ基自金の機械的性質を変形能と強度の両面
から総合的に判断し、ボロンの添加量の最適範囲は０．
０１〜０．３原子％である。第３図及び第４図にＴｉＡ
ｆ−Ｃｒ基合金の強度及び圧縮変形能に及ぼす、ボロン
の添加量依存性をそれぞれプロットした。但しベースと
したＴｉＡ４−Ｃｒ組成は、第１図及び第２図において
破壊強度及び圧縮率の高い値を示した４９原子％Ｔｉ−
４９原子％Ａ１−２原子％Ｃｒ合金の組成とする。この
図から明らかなように、０．２原子％ボロン添加で破壊
強度及び圧縮率は最大を呈示し、特に破壊強度はボロン
無添加の場合と比較して６０％も上昇している点は注目
に値する。ボロンとクロムの複合添加による強度の上昇
はｔｍｍ造材材料して実用する上で望ましく、ＴｉＡ１
−Ｃｒ基合金を凌いでいる点は上述のごとくである。そ
してこうした強度上昇にも関わらず、ボロン添加量が０
．３原子％までは、圧縮率は低下するどころか逆に向上
している点に本発明の有意義性が存在する。即ち、圧縮
率の向上だけを考慮するならば、望ましいボロンの添加
量は０．０１原子％〜０．３原子％ということになり、
圧縮率の低下する組成も含め破断強度の向上だけを考慮
するならば０．０１〜１．０原子％ということになる。

以上をまとめると、ボロンのＴｉ＋Ｗ−１，ｒ基合金へ
の微量添加は、固溶強化及び第二相による析出強化の強
度増加に加え、組織の微細化に伴う強度増加、そしてや
はり微細化に伴う変形能の向上をもならし、上述の添加
量範囲内における強度及び変形能の同時改善が可能とな
る。

〔実施例〕

純度９９．９％の高純度チタン（酸素量４００ｐｐ＋ｎ
以下）４７・〜５２原子％、純度９９．９９％のアルミ
ニウム４６〜４９原子％、純度９９．９９％の高純度ク
ロム１〜４原子％、及び９９％のボロン０．０１〜０．
５原子％からなる溶解原料を、高真空雰囲気制御可能な
多極式アルゴンアーク溶解法により溶製しな。溶解に際
しては成分元素のマクロ偏析を回避するために３回溶解
を行ない、１０５０℃で４８時間の均質化熱処理をＩ　
Ｘ　１０−５Ｔｏｒｒ以上の高真空下で行なった。

溶製インゴットから断面が３１φで高さ４．５ｍｍの圧
縮試験片をワイヤーカット装置で採取し、圧縮面を精密
平行研磨した後に、インストロン型試験機を用いて室温
圧縮試験を行なった。圧縮試験の信頼度を向上させるな
めに試験は５個の試験片の平均値をとり、各機械的特性
値のバラツキ精度は最大、最小値が平均値から１５％以
内とした。

第１表に本発明合金と比較合金の試験試料組成の化分分
析値を示す。比較例く１）はクロム及びボロン無添加の
ＴｉＡｆ二元系のき金であり、比較例（２）はクロムだ
けを添加した合金、比較例（３）はアルミニウムの添加
量が本発明の下限以下であり、比較例（４）はクロムを
添加してない合金である。

なお、比較き金の溶製方法及び試験方法は本発明の実施
例の場合と同様である。

第２表に上記試験試料の圧縮試験の結果を示す。

これにより、本発明合金が比較合金に比較して破断応力
、圧縮率がともに上昇していることが確認された。

第１表 （原子％） 第２表 〔発明の効果〕 本発明は、組織の大幅な微細化がなされ圧縮変形特性を
向上させると同時に、クロム及びボロン添加によるＴｉ
Ａｌの固溶体強化も可能なことから、機械的性質を総じ
て向上させることができ、圧縮応力が支配的な圧延、鍛
造といった加工プロセスへの適用に有利になった。更に
添加元素量は微量であることから、ＴｉＡｌのもつ従来
の軽量性を損なっておらず、航空機部材への適用も可能
になり、工業的効果は甚大である。

【図面の簡単な説明】

第１図はクロム添加量と圧縮０．２％耐力及び破断応力
との関係を示す図であり、 第２図はクロム添加量と圧縮率との関係を示す図であり
、 第３図は本発明合金におけるボロン添加量と圧縮０，２
％耐力及び破断応力との関係を示す図であり、 第４図は本発明合金におけるボロン添加量と圧縮率との
関係を示す図である。 クロム添加量（原子％） 第 図 クロム添加量（Ｍ子％） 第 図 ボロン添加量（原子％） 第 図 第 図 手 続 補 正 書 （１綺） 平成２年 月７ｉ′８日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 チタン、アルミニウム、クロム及びボロンを下記原子分
   率成分式によって含有して成ることを特徴とする圧縮強
   度及び圧縮変形特性に優れた金属間化合物ＴｉＡｌ−Ｃ
   ｒ基合金。Ｔｉ＿ｘＡｌ＿１＿−＿｛＿ｘ＿＋＿ｙ＿＋
   ＿ｚ＿｝ＣｒｙＢｚ但し、０．４７≦ｘ≦０．５１ ０．０１≦ｙ≦０．０４ ０．５０≦ｘ＋ｙ≦０．５４ ０．０００１≦ｚ≦０．０１