JPH03197633A - 酸化物添加金属間化合物ＴｉＡｌ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
ｌ基合金に関し、特に機械的性質を改善した金属間化合
物ＴｉＡｌ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
ｉＡｌは、展延性に乏しいために加工が難しい。ＴｉＡ
ｊ２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、ＴｉＡｌ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・シェイブ化から従来の圧延、鍛造といった
加工法も含む。これまでにＣＯ基超超合金Ｓ−８１６）
を用いての高温シース圧延（１１００℃、圧延速度：　
１．５　ｍ／ｍ１ｎ）による成型（特開昭６１−２１３
３６１号公報）や、８００℃以上、歪速度ＩＱ−”５ｅ
ｃ−’以下における恒温鍛造（特開昭６３−１７１８６
２号公報）等による加工形状付与化が報告されている。

こうした加工法の特徴は、ＴｉＡｌの８００℃以上にお
ける延性能の発現を利用したものであり、ＴｉＡｌ２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、１０００℃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　と八β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６３−１４００
４９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Ｔ１やＡｊ２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
ａｒｐ、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Ｇｅｎｅｒａｌ　Ｅｌｅｃｔｒｉ
ｃ　Ｃｏｒｐ、　ｌごよる５ｌ−ＴａＩＣｒＩＢ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〜Ｑ、２ｗｔ０％Ｂ添
加（特開昭６３−１２５６３４号公報）、あるいは０．
０２〜Ｑ、３ｗｔ、　　％Ｂと０．２〜５、Ｑｗｔ、　
　％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添加元素耐クリープ特性の改善も
含めて、幅広い合金成分副整が行なう必要がある。延性
能の目安は室温弓張伸び値が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欠と考えられる。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は金属間化合物ＴｉＡｆ基合金の成分設計を行う
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〕

上記の目的を達成させるＴｉＡｌ基合金は、二元系Ｔｉ
八へ金属間化合物において化学量論組成よりもチタン過
剰側の合金に、酸化物を微量添加することによって、常
温で４０％近くの圧縮変形能を付与させると同時に、常
温から高温までの強度を向上させることができることを
明らかにした。酸化物の選択は基本的には酸素との親和
力の強いものとし、具体的にはＹ、０３．　Ｃａｎ、　
Ａｆ２０＋等が挙げられる。添加量はこれらの酸化物が
微細に分散する程度に抑えるために、０．０１〜０．５
重量％にとどめる。

即ち、本発明は、チタン６４．０〜６８．４重量％、ア
ルミニウム３１．６〜３６．０重量％を基本とした金属
間化合物に、Ｙ２Ｏ３，Ｃａｎ、　１，０．の少なくと
も一種を添加し、常温強度を損なうことなく常温圧縮率
を向上させ、さらに１０００℃までの高温強度を向上さ
せる金属間化合物ＴｉＡｌ基合金を提供すること、及び
組織の微細化を施した材料を提供するものである。

以下詳細に説明する。

溶解原料としては、高純度チタン、高純度アルミニウム
、酸化物を用い、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、ＴｉＡｆｆ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　１Ｏ−５Ｔｏｒｒより高真空下で行
なう。本発明のＴｉＡｌ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。

チタン＋　６３．５〜６７．９重量％；ＴｉＡｌの単相
領域は、チタンが室温において５９．２〜６４．９重量
％の範囲内であり、それよりチタン過剰側ではＴｉ３Ａ
　Ｒが、アルミニウム過剰側ではＴｉＡｌ３が晶出する
。Ｔｉ　−Ａｌ二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。これらのことから、圧縮特性に優れた組成
は上記組成とし、さらに高圧縮特性を安定して得るため
には、チタンは６４．０〜６５．８重量％が好ましい。

第１図はＴｉ　−Ａｊ！二元系において広範な組成範囲
における圧縮試験結果を、圧縮率についてプロットした
ものである。なおここでいう圧縮率は（（試験片の初期
高さ）−（応力歪線上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）×１００とする。ま
た圧縮破断強度は応力・歪線図上で応力低下を開始する
直前の荷重を初期断面積で除した値とする。同図より、
圧縮率が高い組成が、Ｔｉｉの化学量論組成（６４，０
重量％Ｔｉ　−３６，０重量％Ａｌ）よりもわずかにチ
タン過剰側であることがわかる。

アルミニウムの成分範囲はチタンと酸化物元素の残部と
なり、結果的に３１．３〜３５．８重量％の範囲となる
。

酸化物：　０．０１〜０．８重量％； Ｙ２Ｏ３，Ｃａｎ、　ＡＡ２０．の酸化物を０．０１重
量％以上添加するのは、これらの酸化物が１０−程度に
均一に分散すると同時にマトリックスの微細化ももたら
すことが可能であるからである。このことは、分散微細
酸化物粒子が塑性変形の際の転位の移動度及び発生源と
して影響をあたえることに帰結される。０．０１重量％
以下ではこうした効果を認めることはできない。

凝集化を引き起こし、変形特性及び強度の低下につなが
るからである。第２図及び第３図にＹ２Ｏ３添加材の圧
縮試験結果について破断強度及び圧縮率の添加量依存性
をプロットする。

すなわち、第２図において、Ｙ２Ｏ，を微量（０，０１
重量％）添加することにより急激に破断強度を増加し、
添加量０．４重量％をピークにして破断強度の下降を示
し、添加量１．０重量％で、Ｙ２Ｏ３無添加の場合より
該強度が低下する。

また、第３図においても同様の傾向を示し、従ってＹ２
Ｏ３添加量を０．０１〜０．８重量％の範囲とする。

なお、破断強度、圧縮率における最適範囲は０．１〜０
．５重量％である。また、Ｃａｂ、　ＡＡ、０３の酸化
物についても同様の結果が得られた。

〔作　用〕

こうして製造されたＴｉＡｊ２基合金は、酸化物無添加
組成でみられた粗大粒を微細粒へと変化させ、酸化物自
体も均一に微細分散することが、Ｘ線マイクロアナライ
ザー等によって明らかになった。

さらにチタンやアルミニウムの構成元素も酸化物周辺で
、偏析及び逆偏析を起こすこと無くマトリックスの均一
性も保持されていることが明らかになった。

第４図は酸化物を添加しない場合のＴｉＡｆ基合金（ａ
）と酸化物としてＹ２Ｏ３を０．１８重量％添加したＴ
ｉＡ　ｊ！基合金（ｂ）の光学顕微鏡写真である。

第４図（ｂ）の組織の結晶粒が添加材の均一分散により
微細化していることがわかる。

一方Ｘ線回折実験から、ＴｉＡｊ！及びＴｉ、＾ｌ以外
のピークは見られず、これらの酸化物を最大限０．８重
量％添加したとしても、体積分率としてはＸ線回折実験
の分解能以下であることがわかる。

そして酸化物添加による格子定数変化について詳細に調
べた結果、格子定数変化は非常に小さく、格子歪の導入
は殆ど無いと考えられる。ＴｉＡｌは面心正方晶構造の
金属間化合物として存在し、結晶格子はＣ軸方向に伸び
ており、ｃ　／　ａは１以上であることが知られている
。化学量論組成におけるＣ　／　ａ値は１．０２である
ことが知られているが、酸化物添加によってもこの値に
殆ど変化は見出されなかった。これらのことから、添加
酸化物はＴｉＡｌのマトリックスには殆ど固溶すること
なく、粒界およびマ）　ＩＪフックス別なく均一に分散
すると同時に、ＴｉＡ［の構造変化を何等引き起こして
いないことがわかった。

塑性変形の観点から判新すると、一般に第二相はその剛
性率の違いから転位運動に対するある種の障害となり強
度の上昇を招くが、変形能に関し転位以外に、金属間化
合物特有の超格子転位及び部分転位、モして双晶転位が
挙げられるが、これらの転位の移動度及び、辷りや双晶
をおこす変形転位の活性化が変形のポイントと考えられ
る。本発明の合金系においては、変形特性の向上がみら
れたことから、微細酸化物相がこれらの転位挙動に影響
を与えたと推察される。また１０００℃近傍まで硬度が
無添加材よりも向上しているのは、ＴｉＡｊ！の硬度の
温度依存性が１０００℃近傍まで低下しないことと併せ
て、酸化物による強化はマトリックスの強度変化が起こ
るまでは保持されることがわかった。一般に硬度と強度
は正の相関があることから、１０００℃近傍までの強度
は添加材の方が無添加材に比べて高いと考えられる。以
上のことをまとめると、酸化物添加は微細に均一分散す
ることにより変形能を向上させると同時に、強化機構も
働き、Ｔｉｉ自体の熱的な機械的性質に関わる安定性が
保証される温度範囲まで強度の増加がみいだされること
が、本発明により明らかになった。

〔実施例〕

純度９９．９％の高純度チタン（酸素量４００ｐｐｍ以
下）６３．０〜６８．４重量％、純度９９．９９％のア
ルミニウム３１．０〜３６．０重量％に、純度９９．９
％で粒径的２６−の酸化イツトリウム（ｙ、ｏ、）　０
．０１〜０．８重量％あるい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た。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、また酸化物粉体の飛散を極力回避するために、
添加酸化物粉体は９９．９９％アルミニウム箔（約０．
３ｍｌ１１厚）と層状に積層後、簡易プレス装置で圧加
を課して装入させた。溶製材は１０５０℃で４８時間の
均質化熱処理をＩ　Ｘｌ０−５Ｔｏｒｒ以上の高真空下
で行い、さらに均質化のための熱処理を施した。

溶製インゴットから断面が３暉φで高さ４．５　ｍｍ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
ために試験は５ａ／）ｇｍｓ≠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１
５％以内とした。

第１表に上記試験試料組成の化学分析値を酸化物を添加
しない比較例とともに示す。該比較例の溶製方法及び試
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特性を示す。これにより、
本発明のＴｉＡｆｆｉ基合金の破断特性及び圧縮率が比
較例に比較して著るしく上昇していることが証明された
。

なお、試料Ｎα３の高温硬度を測定した結果を第５図に
示す。この図に示すように、本発明材（×印）は酸化物
無添加材（○印）に比較して、１０００℃近傍まで硬度
が高くなってあり、従って高温強度が高いことを示して
いる。

第 表 （重量％） 第 ２ 表 〔発明の効果〕 本発明は、組織の微細化及び添加酸化物の均一分散化を
もたらすことにより、圧縮変形特性を向上させると同時
に高温まで強化が保持されるものであり、機械的性質を
総じて向上させることが可能である。このことから圧縮
応力が支配的な圧延、鍛造といった加工プロセスへの適
用が可能となり、成型部材の製造に有利となった。また
添加元素歯は微量であることから、Ｔｉｌのもつ従来の
軽量性を損なわず、航空機部材への適用も可能になるな
ど工業的効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図はＴｉｌ基二基台元合金けるチタン濃度と圧縮率
との関係を示す図であり、 第２図は本発明合金におけるＹ２Ｏ，添加量と圧縮０．
２％耐力及び破断強度との関係を示す図であり、第３図
は本発明合金のＹ２Ｏ，添加量と圧縮率との関係を示す
図であり、 第４図は本発明合金と比較合金の顕微鏡組織写真であり
、 第５図は本発明合金と比較合金の温度とビッカース硬度
の関係を示す図である。 チタン濃度（重量％） 第 図 第 図 第 図 （ａ） ５（寡府 手 続 補 正 書く方式） ％式％ 事件の表示 平成１年特許頴第３３５７９６号 ２゜ 発明の名称 酸化物添加金属間化合物ＴｉＡｆ基合金３゜ 補正をする者 事件との関係

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、重量％でチタン：６３．５〜６７．９％、アルミニ
   ウム：３１．３〜３５．８％からなる二元系Ｔｉ−Ａｌ
   合金に酸化物を０．０１〜０．８％添加したことを特徴
   とする圧縮変形特性及び高温硬度に優れた酸化物添加金
   属間化合物ＴｉＡｌ基合金。 ２、酸化物がＹ＿２Ｏ＿３である請求項１記載の金属間
   化合物ＴｉＡｌ基合金。 ３、酸化物がＣａＯである請求項１記載の金属間化合物
   ＴｉＡｌ基合金。 ４、酸化物がＡｌ＿２Ｏ＿３である請求項１記載の金属
   間化合物ＴｉＡｌ基合金。