JPH0488140A

JPH0488140A - 精密鋳造用チタンアルミナイド

Info

Publication number: JPH0488140A
Application number: JP20137390A
Authority: JP
Inventors: Kenji Matsuda; 松田　謙治
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1990-07-31
Filing date: 1990-07-31
Publication date: 1992-03-23
Anticipated expiration: 2013-04-02
Also published as: JP2734756B2

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、鋳造素材としての精密鋳造用チタンアルミナ
イト（Ｔｉ−ＡＪ金属間化合物〉に係り、特に、湯流れ
性に優れ、鋳放状態で高強度を有し、薄肉鋳物でも割れ
が発生しずらい精密鋳造用チタンアルミナイトに関する
。

［従来の技術］チタンアルミナイト（Ｔｉ−ＡＪ金属間化合物）は、ニ
ッケル基耐熱合金よりも比強度に優れ、チタン合金より
も耐熱性、耐酸化性に優れた特性を有しているため、近
年、航空機用ジェットエンジンのインペラ、ブレード等
の精密鋳造用ｔｌｌＪ造素材として注目されている。こ
のチタンアルミナイトは、軽く、耐酸化性に優れ、温度
上昇に伴って強度が増加し、さらにクリープ特性が良い
などの長所を有している反面、常温延性に乏しく、靭性
が発現される高温でも加工速度依存性が強いなどの問題
がある。これらの問題点が解決できれば、航空機用エン
ジンの軽量化や高性能化が推進できるため、上記チタン
アルミナイトについて結晶塑性学的、物理冶金学的な研
究が活発に行われている。

具体的には、特願昭６１−４１７４０号２特願平１−２
５５６３２号、特願平１−２８７２４３号、特願平１−
２９８１２７号などにおいて、粒界強化によってチタン
アルミナイトの常温靭性を改善する技術が提案されてい
る。

［発明が解決しようとする課題］これらの技術によれば、米国特許第４２９４６１５号明
細書のものよりも高強度のチタンアルミナイト製品を得
ることができる。しがしながら、その常温強度は４００
ＭＰｇ前後であり、特願平１−２５５６３２号の如く強
度向上成分を添加したものでも　５００Ｍ　Ｐ　ａ以上
の強度は達成されていない。

また、上記チタンアルミナイトは、Ｔ　ｉ　−ＡＪ系の
特徴的なミクロ組織であるラメラ−粗大粒によって、そ
の靭性が悪化させられていると考えられている。この対
策として、Ｔ　１−ＡｊにＢ’ＰＹなどを添加すること
によって、ラメラ−粒界を強化し、靭性の改善を図った
技術が提案されている。

しかしながら、このように粒界を強化したチタンアルミ
ナイトにあっても、これを鋳造素材としてタービンブレ
ード等の薄肉複雑形状品を鋳造しようとすると、上記ラ
メラ−粗大粒が鋳造品に割れを誘発させ、良品歩留りが
悪化してしまう。

上記タービンブレード、インペラ等の薄肉複雑形状品は
、鍛造や切削では成形が困誼もしくは不可能ななめ、一
般に精密鋳造（ロストワックス鋳造）によって製造され
る。このとき、鋳物を歩留り良く作るためには、溶湯の
湯流れ性（鋳型充満性）を良好にすることが必須の要件
となる。しかしながら、上記チタンアルミナイトを鋳造
素材とした場合、その常温靭性を改善するためとはいえ
Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ等の添加剤を多量に添加すると、これに
よって融点が高温化したり、凝固温度範囲が拡大したり
、融解潜熱が小さくなったりすると湯流れ性が悪化し、
良品歩留りが著しく低下してしまう。

また、上記チタンアルミナイトの融点が高温化すると、
その鋳造時に、チタンアルミナイトの主成分である活性
元素Ｔｉと鋳型との反応が促進され、鋳型−溶湯間の反
応が著しくなってしまい健全な鋳物が得られなくなって
しまう。

以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、チタ
ンアルミナイト特有のラメラ−組織の発生を抑えて薄肉
複雑形状鋳造品の割れを防止すると共に、常温強度を５
００ＭＰａ以上とする精密鋳造用チタンアルミナイトを
提供するものである。

［課題を解決するための手段］上記目的を達成するため本発明に係る精密鋳造用チタン
アルミナイトは、その凝固温度範囲をできるだけ拡げる
ことなく融点を低下させる添加元素を探索し、且つラメ
ラ−組織の発生を抑えてＴｉＢ（チタンポライド）が晶
出する条件を探索することによって実現できたものであ
る。

この精密鋳造用チタンアルミナイトは、重量百分率でＡＪ　　　３１〜３４％Ｆｅ　　　１．５〜３．０％Ｖ　　　Ｏ１５＼２．０％Ｂ　　　　０．１８〜０．３５％を含有し、残部がＴｉおよび不可避不純物がら構成され
ている。

また、上記Ｖ　Ｏ０５〜２゜０％の代わりにＭｏ１．０
〜３．０％を含有させてもよい。

また、上記Ｖ　Ｏ４５〜２．０％の代わりにＣｒ０．３
〜１．５％を含有させてもよい。

［作　用１上記組成の合金を溶融した溶湯を用いて精密鋳造すれば
、割れを誘発させるラメラ−組織（第５図に示す）が消
滅し、代わりに第１図に示すようなウィスカー状のＴｉ
Ｂ（チタンポライド）が微細に均一に分散・晶出された
全く新しいチタンアルミナイト合金（Ｔ　１−Ａｊ基Ｔ
ｉＢ分散複合材１！１）が鋳造される。上記ＴｉＢは、
鋳放状態で晶出しており、これにより鋳物の強度が強化
される。

また、上記ウィスカー状のＴｉＢの微細度は、鋳造時の
溶湯の冷却速度を調節することによって、所望の微細度
に制御可能となる。

もし、上記組成元素がそれぞれ規定された範囲を外れる
と以下の欠点が生じる。

Ａｊが３１％より少ない場合、特にＡｊ／Ｔｉが０．４
９よりも小さい場合には、第２図に示すように、晶出す
るＴｉＢが粗大化し、且つラメラ−組織も現われ始め、
靭性が著しく低下する。一方、Ａ１が３４％より多い場
合、特にＡＪ／Ｔｉが０゜５５よりも大きい場合には、
第３図に示すように、上記Ｔ　ｉ　Ｂが凝集し、同様に
靭性が著しく低下する。

また、Ｂが０．１８％より少ないとＴｉＢの晶出が不充
分になり、Ｂが０．３５％より多いと得られるチタンア
ルミナイト合金の硬度が硬くなりすぎて靭性が発現され
にくくなる。

Ｆｅは本発明の重要な元素であり、これが１．５％より
少ないと、湯流れ性の悪化やＴｉＢの粗大化をもたらす
、一方、Ｆｅが３．０％より多い場合には、硬度が硬く
なって脆くなる共に、比重が大きくなって重くなる。さ
らに、この場合、第３図や第４図に示すように、晶出す
るＴｉＢが凝集し、靭性が発現されなくなる。

Ｖ、ＭｏおよびＣｒは、Ｔ　ｉ　Ｂを微細なウィスカー
状とするための重要な元素である。これら元素が、夫々
の下限値よりも少ないとＴｉＢが粗大化して靭性が低下
してしまい、上限値よりも多いと得られる合金を硬く脆
くしてＴｉＢの分散効果が減じられてしまう。

［実施例］以下に本発明の一実施例を添付図面に基づいて説明する
。

まず、本実施例のチタンアルミナイトと比較するために
従来のチタンアルミナイトのミクロ組織を第５図に示す
。

第５図は、従来のＡ１含有量が３２〜３６１１ａＳＳ％
のＴｉ−Ａ１２元系チタンアルミナイトに観察される所
謂ラメラ−粗大粒と称されているミクロ組織（ｘ　４０
０倍）である。このラメラ−組織は、上記２元系チタン
アルミナイトに、０．８〜２．Ｏ１ａｓｓ％のＭｏ、Ｖ
、Ｎｂ若しくはＣｒなど常温靭性を改善する効果がある
とされる第３元素を添加した場合にも観察される。第５
図に示す上記ラメラ−層間の大きさは、Ａｊ／Ｔｉ比が
小さいほど小さくなり、またＢやＹなどの添加によって
粒界の強化がなされることが報告されいる。しかしなが
ら、肉厚が数ミリメートルよりも薄く、且つ複雑な形状
の鋳物（たとえばジェットエンジンのシュラウド付ター
ビンベーン等）を精密鋳造（ロストワックス鋳造）する
場合は、上記ラメラ−組織があるとどうしても割れが発
生しやすく、薄肉複雑形状の鋳物を良品歩留り良く作る
ことができなかった。

これに対し、第１図は、本実施例のチタンアルミナイト
のミツ９組＄１１１（Ｘ４００倍）を示すものである。

このチタンアルミナイトの組成は以下の通りである。

Ａｊ　　　　３２％Ｆｅ　　　　　２．０％ ■　　　　　１．０％Ｂ　　　　　　０．２５％残部がＴｉおよび不可避不純物上記組成の合金を溶融した溶湯を用いて精密鋳造すれば
、鋳放状態で得られる鋳物は、第１因に示すように、鋳
割れを誘発させるチタンアルミナイト特有のラメラ−組
織（第５図に表す）が消滅し、代わりに、ウィスカー状
のＴｉＢ（チタンポライド）が微細に均一に分散・晶出
された全く新しいＴ　１−ＡＪ基ＴｉＢ分散複合材料と
なる。上記Ｔ　ｉ　Ｂは、鋳物の強度を強化する強化材
として機能する。

上記ウィスカー状のＴｉＢは、鋳込み後の冷却速度が速
いほど微細な組織となって、得られる鋳物の強度向上に
大きく貢献することになる。冷却速度を高めるためには
、鋳型の温度を低温にすればよい。具体的には、上記Ｔ
ｉＢのライス・カー長さを第１図に示す如く約２０μｍ
以下のウィスカーとするためには、例えば、幅２５＋ｍ
、長さ７０１、厚さ２ｍ＋程度のタービンブレードをロ
ストワックス鋳造する場合、その鋳型温度を４００℃以
下にして溶湯を注ぐ必要がある。

この場合、上記組成のチタンアルミナイト溶湯は、湯流
れ性が良く且つ融点も低いので、たとえ低温（４００℃
以下）の鋳型であっても充分健全な鋳造品を良品歩留り
良く得ることができる。また、このように鋳型温度を低
温にしておけば、チタンアルミナイト溶湯中の活性元素
Ｔｉと鋳型との反応が抑制され、鋳型−溶湯間が反応す
ることなく健全な鋳物が得られる。

また、鋳造されたタービンブレードの常温強度を測定す
るために、鋳型に一緒に組み込んだφ１２ＩｆｉＩｘｊ
！６０Ｉｆｌ＋の丸棒から引張試験片を機械加工してこ
れを常温で引張試験した結果、以下の値が得られた。

０．２％耐力　　　４６５ＭＰａ抗張力　　　　　　　５１７ＭＰａ伸び　　　　　　　０，５８％ようするに、本実施例のチタンアルミナイトを溶湯とし
て薄肉複雑形状のタービンブレードをロストワックス鋳
造すれば、得られる鋳造品は、ラメラ−組織が生じない
ことからこのラメラ−組織に起因する鋳割れが発生する
ことなく、且つ上記ウィスカー状のＴｉＢによって鋳放
し状態での常温強度が強化され、約５００ＭＰａ以上の
常温強度を得ることができる。

［発明の効果コ以上説明したように本発明の精密鋳造用チタンアルミナ
イトによれば次のごとき優れた効果を発揮することがで
きる。

（１）　Ｔ　１−ＡＪ系特有のラメラ−粗大粒組織が消
滅し、微細なウィスカー状のＴｉＢが均一に分散したミ
クロ組職となるため、薄肉鋳物での割れが発生しずらく
なり、且つ鋳放し状態での常温強度を５００ＭＰａ以上
に高めることができる。

（２）鋳造後の冷却速度を適宜調節することにより、上
記ウィスカー状のＴｉＢの微細度を制御することができ
る。

（３）融点が低められ、多少の靭性も発現するため、薄
肉複雑形状の精密鋳造品を良品歩留り良く製造すること
ができる。

（４）金属合金粉末にＳｉＣウィスカー又はＡ　ｊ　２
０１等を混合して作る合成複合材料とは異なり、本発明
の合金はＩｎ　５ｉｔｕ生成複合材料であるため１合金
の清浄度を保つことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を表す精密鋳造用チタンアル
ミナイトの金属組織を表す図、第２図〜第４図は上記チ
タンアルミナイトの各元素が請求の範囲に規定された範
囲から外れた場合の金属組織を表す図、第５図は従来例
を表す精密ＩＩｉ造用チタンアルミナイトの金属組織を
表す図である。特　許　出　願　人　　石川島播磨重工業株式会社代理
人弁理士　絹谷信雄〈外１名）第１１４第５図第２図

Claims

【特許請求の範囲】１、重量百分率でＡｌ３１〜３４％Ｆｅ１．５〜３．０％Ｖ０．５〜２．０％Ｂ０．１８〜０．３５％を含有し、残部がＴｉおよび不可避不純物から構成され
ることを特徴とする精密鋳造用チタンアルミナイト。２、上記Ｖ０．５〜２．０％の代わりにＭｏ１．０〜３．０％が含有された請求項１記載の精密鋳造用チタンアルミナイト。３、上記Ｖ０．５〜２．０％の代わりにＣｒ０．３〜１．５％が含有された請求項１記載の精密鋳造用チタンアルミナイト。