JPH04501137A - 二硼化チタン／チタン合金金属母材／微小複合体の焼成製品 - 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】 発明の名称 二硼化チタン／チタン合金金属母材／微小複合体発明の分野 本発明は、粉末冶金に関し、特に二硼化チタン／チタン合金金属母材微小複合体 物質および粉末金属クラッドの方法に係わる。

発明の背景 チタン基合金は、強度、硬度、低密度および耐食性を含んで適度に高い温度に耐 える特性の化合物を提示する。近年、チタン基合金は適度に高い温度に対して最 低限作用する化合物中の鉄、ニッケル合金に代わって軽量化であるので航空宇宙 産業応用に広く使用されている。

チタン基合金が利用できる応用範囲を拡張するために、前記チタン基合金の機械 的特性を改善することがなされている。

本出願の譲受人として譲渡されたアブコウィチらの米国特許明細書節４．７３１ ．１１５号は、粉末ＴｉＣをチタン基合金母材を形成するために配置された成分 を有する粉末に機械的に添加することによってＴｉＣが強化材または補則物質と してチタン基合金母材に組み込まれる微小複合体物質を開示している。さらに、 圧縮し、母材中へのＴｉＣの拡散を妨げるように選ばれた温度で焼結されること により、混合物質はチタン基合金母材物質に比べて高硬度、高モジュラス、優れ た耐摩耗性を表わす。

本発明者らは、継続した開発ワークの過程中で、ＴｉＣを強化剤物質としてチタ ン基合金母材に組み込まれた前述した特許に係わる微小複合体物質で示される性 質に比べて性質が予期せずに改善された微小複合体物質を生じるチタン基合金の ための強化材または補則物質を発見した。

よって、本発明の目的は高引っ張り強度、耐摩耗性、高硬度、高モジュラスを含 む機械的特性を改善することである。

本発明の別の目的は、機械的特性が改善された微小複合体物質を用いて微小複合 体構造をクラッドするための方法を提供するものである。

本発明の別の目的および存益さは、後述する説明の部分で示され、前記部分は前 記説明から明らかにされるか、本発明の実施によって学ばれるであろう。本発明 の前記目的および有益さは、添えられた特許請求の範囲に特に位置付けられた手 段および結合によって明らかにされ、かつ達成される。

発明の概要 前述した目的およびここで具現化され、かつ広く述べられた本発明に係わる目的 を達成するために、本発明は二硼化チタン／チタン合金金属母材／微小複合体物 質を提供する。前記金属母材はチタンまたはチタン基で形成される。約１　ｗ　 ｔ％〜約２５ｗｔ％、好ましくは約５ｗｔ％〜２０ｗｔ％のＴＩ　Ｂ　２は、前 記母材に実質的に一様に組み込まれる。好ましくは、ＴｉＢ　は粉末ＴｉＢ２を 前記母材を形成するために配置された粉末金属に混合することによって前記母材 に組み込まれる。前記粉末ＴｌＢ２は、約５μｍ〜約１００μｍの範囲の粒径を 有することが好ましく、前記母材を形成するために配置される粉末金属は約５０ μｍ〜約２５０μｍの範囲の粒径を有することが好ましい。前記混合された粉末 金属は、成形され、それから母材中へのＴｉＢ２の拡散を妨げるように選ばれた 温度、好ましくは２２００〜２２５０°Ｆで焼結され、微小複合体物質を形成す る。ｌＱｗｔ％のＴｉＢ　がＴｉ−６ＡＩ−４Ｖ母材に実質的に一様に組み込ま れる場合、結果として生じる微小複合体物質は１５００００ｐ　ｓ　ｌの室温引 っ張り強度を有する。本発明は、また二硼化チタン／チタン合金金属母材／微小 複合体を用いて微小複合体構造をクラッドするための方法を含む。

図面の簡単な説明 本明細書の部分を組み込み、かつ構成する添付図面は、説明と共に本発明の例を 示し、かつ本発明の詳細な説明する。

図１は、１０ｗｔ％のＴｉＢ２をＴｌ−６ＡＩ−４Ｖ合金母材に実質的に一様に 組み込まれた微小複合体物質における微小組織の１０００倍顕微鏡写真である。

図２は、多層微小複合体物品中の母材物質層と微小複合体物質層間の界面領域の １００倍顕微鏡写真である。

好適な実施例の説明 本発明の提示された好適な実施例、添付図面で示される実施例を詳細に述べる。

本発明によれば、チタンまたはチタン基金属母材物質が供される。前記金属母材 物質は、約５０μｍ〜約２５０μｍの範囲の粒径を有する粉末金属が好ましい。

適切な金属母材用チタン基合金は、Ｔｌ−６ＡＩ−４Ｖ％Ｔｌ−６ＡＩ−６Ｖ− ２５ｎ、ＴＩＴｌ−６ＡＩ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−２，Ｔ　Ｉ　−１ＯＶ−２Ｆｅ− ３ＡＩおよびＴｉ−５ＡＩ＝２．５９ｎを含むが、これらに限定されない。

本発明によれば、約１　ｗ　ｔ％〜約２５　ｗ　ｔ％のＴ　＊　８２が強化材ま たは補則物質として前記金属母材に組み込まれる。

好適な例において、約５ｗｔ％〜’；ｌ　Ｑ　ｗ　ｔ％のＴ　ｉ　Ｂ　２が前記 金属母材に組み込まれる。ＴｉＢ　は、粉末ＴｌＢ２を前記母材を形成するため に配置された粉末金属に混合することによって前記母材に実質的に一様に組み込 まれる。前記粉末Ｔ　ｔ　Ｂ　２は、約５μｍ〜約１００μｍの範囲の粒径を有 することが好ましい。

前記混合された粉末Ｔ　ｓ　Ｂ　２と粉末金属母材の粒子は、モールドに配置さ れ、そして従来の粉末冶金手法を用いてグリーン成形体を形成ために圧縮される 。前記成形体は、それから複合体物質を形成するために焼成される。本発明によ れば、前記成形体は前記母材中へのＴｉ８２の拡散を妨げるように選ばれた温度 で真空焼成される。焼成温度は、約２２００〜約２２５０°Ｆの範囲であること が好ましい。必要に応じて前記微小複合体物質は、更に１５０００〜４００００ ｐｓ　ｔ。

１６５０〜２３００’　Ｆ、１〜４時間の熱間等圧圧縮により強化されてもよい 。

図１は、１０ｗｔ％のＴｉＢ２をＴｉ−６ＡＩ−４Ｖ合金母材に実質的に一様に 組み込まれた微小複合体物質における微小組織の１０００倍顕微鏡写真である。

微小組織の意外な特色は、図１の斜め方向に沿って伸びる繊維様Ｔ　Ｌ　Ｂ　２ 基小片である。これは、前記微小複合体物質が焼成された場合、ＴｌＢ２が短期 間の拡散によってＴＩＢに変化することによるものである。従って、焼成微小組 織は部分的にＴｉＢ２と部分的にＴｉＢである小片を含む。Ｔ　ｔ　Ｂ　２がＴ ＩＢに変化する時、前記強化材小片は寸法が増大し、繊維様形状となる。

図１から観察できるように、繊維様ＴｉＢ２基小片は４以上のアスペクト比を有 する。強化材小片が寸法を増大する結果、焼成微小組織は初期添加の予想に比べ て大量の強化材小片を含有する。

ＴｉＢへのＴ　ｔ　Ｂ　２の変化は、焼成中、もし熱間等圧圧縮温度が焼成温度 と同等である場合、熱間等圧圧縮中、に短期間の拡散によって置き換えられ、そ れはＴｉＢはＴｉＢ　とＴＩが昇温して加熱される時に形成される熱力学的に安 定な化合物であるからである。

Ｔ　ｉ　−６Ａ　ｌ−４Ｖ合金母材中に５ｗｔ％および１０ｗｔ％のＴ　ｔ　Ｂ 　２を含をする微小複合体物質の機械的性質は、下記表ＩにＴｉ−６ＡＩ−４Ｖ 合金母材中に１９ｗｔ％のＴｉＣを含有する微小複合体物質および単一のＴ　ｉ 　−６Ａ　ｌ−４ｖ合金物質の機械的性質と比較される。

表！ Ｔ　ｉ　−６Ａ　Ｉ　室温での極　０．２％オフ　ヤング率−４ｖ合金物質　限 引っ張り　セット降伏への粒子添加量　強度　強さ くｗｔ％）　（ｋ　ｓ　ｉ）　（ｋ　ｓ　＋）　（ＸＩ０６ｐｇｌ）５％ＴｌＢ ２　１２１−２　１１２−４　１９−１００％ＴｔＢ２１５５．８　１５５．３ 　２２．３１Ｏ％ＴｉＢ　１６０．６　１６０．６　２２．４（加熱押出後） １０％ＴｉＣ１１９，０１１８，０１９，２な　し　１３０．０　１２０．０　 １６．９表蓋から明らかなように、Ｔ　Ｉ　Ｂ　２の添加によって形成された微 小複合体物質は、ＴｉＣの添加によって形成された微小複合体物質に比べて強度 およびモジュラスが増加される。

例えば、５ｗｔ％Ｔ　ｉＢ　２で強化された微小複合体物質の強度およびモジュ ラスは、１０ｗｔ％ＴＩＣで強化された微小複合体物質と等しい。１９ｗｔ％Ｔ ｉＢ２で強化された微小複合体物質の性質は、ｌＱｗｔ％ＴｉＣ強化微小複合体 物質のみならず単一のＴＬ−６ＡＩ−４Ｖ合金物質よりも高い。

Ｔ　ｉＢ　２強化微小後合体物質の強度およびモジュラスは、それを加熱押出し を行うことによって改善できる。

本発明は、また微小複合体構造クラッド方法を含む。前記方法は、若干量のチタ ン又はチタン基合金母材物質を圧縮して層とし、それから前記層上で若干量の二 硼化チタン／チタン基合金金属母材微小複合体物質を圧縮して層とすることによ り多層成形体を形成することを含む。前記微小複合体構造を適用しようとすると 、チタン基合金母材物質を二硼化チタン／チタン基合金金属母材微小複合体物質 上で圧縮することが望ましい。

チタン基合金母材物質および二硼化チタン／チタン基合金金属母材微小複合体物 質の層は、従来の粉末冶金技術を用いて圧縮される。これらの層は、約２０００ ０〜６００００ｐｓｉで冷間等圧圧縮されることが望ましい。望ましい層の幾つ かは、二つの層から選択された一つを装填し圧縮する繰り返しによって形成され る。前記層の厚さは、指定される応用に適するように選択される。

必要に応じて、二つの層から選択された一つを装填し、圧縮する繰り返しの代わ りに前記微小複合体構造は前記母材物質と前記微小複合体物質の選択される二つ の層を同時に圧縮することによって形成される。この場合、前記方法は若干量の 前記母材物質と前記微小複合体物質を択一的に配置すること、若干量の前記母材 物質と前記微小複合体物質を同時に圧縮することで層として少なくとも１つの母 材物質の層と少なくとも１つの微小複合体物質の層とを有する多層成形体を形成 することを含む。同時圧縮工程は、約６００００ｐｓ　＋である。

前記微小複合体物質は、たくさん量の母材物質を含むので、多層成形体を形成す る圧縮工程では前記多層成形体の層間で機械的結合を形成するように類似の粉末 を実質的に圧縮する。

従って、前記圧縮工程は前記多層成形体の層間で機械的結合を形成する工程を含 む。

本発明によれば、前記多層成形体はそれから前記母材中へのＴ　＋　８２の拡散 を妨げるように選ばれた温度で焼成される。

焼成は、従来の粉末冶金技術を用いてなされる。前記母材物質がＴｉ−６ＡＩ− ４Ｖである場合、前記多層成形体は約２２００〜約２２５０’　Ｆで焼成される 。この温度範囲において、隣接及び周囲の母材物質へのＴｉＢ２の拡散が実質的 にない。置き換えをなす拡散は、焼成中に不変である前記多層成形体のそれぞれ の層の構成物に残存する前記Ｔ　Ｉ　−６Ａｌ−４ｖ母材物質の拡散である。母 材物質の拡散は、母材物質層と微小複合体物質層の間の段階的な結合の形態とな らず、それら層間の完全に冶金的結合の形態のみを結果的に生じる。

必要に応じて、焼成された多層成形体は更に前述した温度、圧力、時間の熱間等 圧圧縮により強化されてもよい。

図２は、母材物質層と微小複合体物質層間の界面領域の顕微鏡写真である。図２ において、顕微鏡写真の上部は微小複合体物質層であり、下部は母材物質層であ る。図２から明らかなように、明快な境界線は前記母材物質層と前記微小複合体 物質層間に存在し、前記境界領域は実質的に構成物勾配がない。焼成中のみの母 材物質の拡散は、まだ手を付けていない単一のしなやかな母材物質に完全に結合 されたより強固、より硬度、より補則の微小複合体物質を結果的に生じる。

微小複合体構造のクラッド方法は、平板、管を含む多様の形状、断面がＴのよう な複雑形状を形成するために用いられる。管を作るには、母材物質と複合体物質 の層は管状多層成形体を生じるマンドレルで圧縮される。

本発明は、好ましい実施例に関して開示した。本発明は、前記好ましい実施例に 限定されず、かつ添付した特許請求の範囲およびそれらと同等のものに限定され る。

に！ ＨＣ２ 国際調査報告

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．実質的にチタンまたはチタン基合金からなる金属母材と、前記母材に一様に 組み込まれた約１ｗｔ％〜約２５ｗｔ％のＴｉＢ２とを具備したチタン合金基金 属母材微小複合体物質。
2. ２．前記ＴｉＢ２は、粉末ＴｉＢ２を前記母材を形成するために配置された粉末 金属に混合することにより前記母材に組み込まれた請求項１記載の金属母材微小 複合体物質。
3. ３．前記物質は、前記母材中へのＴｉＢ２の拡散を妨げるように選はれた温度で 焼成することにより形成される請求項２記載の金属母材微小複合体物質。
4. ４．前記母材は、実質的にＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ、Ｔｉ−６Ａｌ−６Ｖ−２Ｓｎ、 Ｔｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−２Ｍｏ、Ｔｉ−１０Ｖ−２Ｆｅ−３Ａｌおよび Ｔｉ−５Ａｌ−２．５Ｓｎから選はれるチタン基合金から実質的になる請求項３ 記載の金属母材微小複合体物質。
5. ５．前記粉末ＴｉＢ２は、約５μｍ〜約１００μｍの範囲の粒径を有し、前記母 材を形成するために配置された前記粉末金属は約５０μｍ〜約２５０μｍの範囲 の粒径を有する請求項２記載の金属母材微小複合体物質。
6. ６．前記物質は、前記母材に実質的に一様に組み込まれた約５ｗｔ％〜２０ｗｔ ％のＴｉＢ２を含有する請求項１記載の金属母材微小複合体物質。
7. ７．前記物資の微小粗織は、４以上のアスペクト比を持つ繊維様ＴｉＢ２基小片 を含む請求項１記載の金属母材微小複合体物質。
8. ８．実質的にＴｉ−６Ａｌ−４Ｖからなる金属母材、前記母材に実質的に一様に 組み込まれ１０Ｗｔ％のＴｉＢ２から構成され、１５００００ｐｓｉの室温引っ 張り強度を有するチタン合金基金属母材微小複合体物質。
9. ９．実質的にチタン基合金からなる母材物質、および実質的にチタン基合金から なる金属母材と前記母材に実質的に一様に組み込まれる約１ｗｔ％〜約２５ｗｔ ％ＴｉＢ２とからなる微小複合体物質を供する工程； 前記母材物質と前記微小複合体物質のうちの１つを選択する工程； 前記選択された物質を圧縮して層を形成する工程；残りの物質を前記選択された 物質の層上で圧縮して多層成形体を形成する工程； 前記多層成形体を焼成して、前記成形体の層間に実質的に構成物勾配のない拡散 で前記層間に完全な冶金的結合を形成する工程； を具備した微小複合体構造クラッド方法。
10. １０．前記母材物資と前記微小複合体物質の層は、同時に圧縮される請求項９記 載の方法。