JPH0499841A - チタンアルミナイド及び精密鋳造方法 - 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、チタンアルミナイトに係り、特に割れのない
精密鋳造品を鋳造することを可能にしたチタンアルミナ
イト及び精密＠遣方法に関するものである。

［従来の技術］ ニッケル基耐熱合金よりも高温での比強度に優れ、かつ
チタン合金よりも耐熱性に優れている金属材料として金
属間化合物’Ｉ’ｉＡｌ基耐熱合金が知られている。

この合金は、軽く、耐酸化性に優れ、温度上昇と共に強
度が増加し、さらにクリープ特性が良い等の特性を有す
る反面、常温延性に乏しく、靭性が発現する高温でも加
工速度依存性が強い等の問題があることも良く知られて
いる。このうち常温靭性を改善する手段として米国特許
第４２９４６１５号明細書や特開平１−２９８１２７号
公報等では第３元素（例えば■）の添加が有効であるこ
とが提案されている。

［発明が解決しようとする課題］ ところで、金属間化合！１！１ＴｉＡｌ基耐熱合金は、
上述のような優れた特性を有するので、薄肉や複雑形状
の精密鋳造品（例えば、ホイールやタービンベーン）の
材料として用いられることか提案されている。しかし、
Ｔｉ−Ａｌ２元系の合金で鋳造される精密＠遺品では、
割れか発生し、鋳物としてはまとまらない。また、第３
元素としてＶを例えば１．５重１％添加した’Ｔ”ｉ　
−Ａｌ　−Ｖ系の合金で鋳造品（例えはタービンベーン
）を鋳造しても、割れが完全にはなくならい。

そこで、本発明は、このような事情を考慮してなされた
ものであり、その目的は、割れのない精密鋳造品を鋳造
することを可能にしたチタンアルミナイト及び精密鋳造
方法を提供することにある。

［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、Ａｌの重量％と
１゛ｉの重量％との比（Ａｌｌ／Ｔｉ）が０．４９〜０
．５４の範囲にある不可避不純物を含むＴｉＡ、ｌｌ　
２元系の合金に、下記式（Ｉ＞を満足する重量％のＶを
添加したものである。

Ｖ＝　（１４，３ｘＡｆＪ／Ｔ　ｉ−６，６９）±０．
２・・・（Ｉ）但し、Ｖ：重量％ Ａｌ：Ｔｉ−Ａｆｆ１２元系でのＡｌの重量％Ｔｉ：Ｔ
ｉ−Ａ、１１２元系でのＴｉの重量％また、上記■を添
加した組成の合金を、約４００〜６００℃に設定された
鋳型に注湯して精密鋳造品を鋳造するようにしたもので
ある。

［作　用］ 本発明者は、精密鋳造に関する知見を基に、常温靭性改
善効果を有するいくつかの添加元素について種々の研究
開発を実施した結果、Ａ、ｌｌ含有量と硬さとの関係、
１．５重量％の■を添加した合金のＡＪ）　／Ｔｉ　（
Ａ、ｌｌ　　（重量％）とＴｉ（重量％）との比）と硬
さとの関係、Ａ、ｌｌ／Ｔｉを変化させた場合の■添加
量と硬さとの関係等について検討し、これらの知見に基
づいてＡｌ含有量の範囲及び第３元素の■の添加量をＡ
ｌ／’Ｉ’ｉを因子とする計算式で特定したものである
。

先ず、Ｔｉ−Ａｌ１２元系の合金についてみると、Ａｌ
の含有量の変化に対応して融点、凝固温度範囲が少し変
化する以外に、第３図に示すように、硬度（ビッカース
硬度（荷重；５ｋｇ））か大きく変化する。これらのこ
とは、インゴットあるいはビレットを焼鈍や恒温鍛造し
た後、各種特性値を調査する場合は顕在化しないのかも
知れないが、鋳造・冷却後すぐに鋳型を破壊して鋳造品
をとりだすプロセスでは極めて大きな影響があり、Ｔｉ
−Ａｌ２元系の合金で鋳造品が鋳造されたとしても割れ
が発生し、鋳物としてはまとまらない。

次に、Ａｌｌ／Ｔｉを第３図と同じように保ちながら靭
性改善元系とされる■を１．５重量％添加した場合につ
いてみると、第４図に示すように、■の添加で硬度は平
行移動しているようにみられる。

尚、第４図中、点線は第３図と同じものを転写しなもの
でる。また、１．５重量％Ｖを添加しなＴｉＡ、０−Ｖ
系の合金で例えはタービンベーンを鋳造しても、割れの
発生は完全にはなくならない。

これらのことから、■か添加されないものよりは、■が
添加されたもののほうか割れの発生がなくなることか分
かる。

そこで、Ａｌｌ／Ｔｉを変化させた場合の■添加量の硬
度に対する影響を調べた。この結果、特定のＡｌ／Ｔｉ
に対し、第１図に示すように、硬度を減少させるＶ添加
量が異っていることと、鋳造品の割れかビッカース硬度
の）Ｉｖ３００以下で防止されることか確かめられ、Ａ
ｌ含有量の範囲及び第３元素のＶの添加量が後述のよう
に特定された。

Ａｌ含有量の範囲については、Ｔｉ−Ａｌ１２元系で約
３３．０〜３５．０％と特定された。換言すれば、Ａ、
ｌｌ／Ｔｉが０．４９〜０．５４の極めて狭い範囲であ
る。

これはひとつには、■の靭性改善効果がこの範囲で顕著
であること、ふたつめは、３３％、ｌより少ない場合、
Ｔｉ３Ａｌの出現量が多すぎて鋳造品に割れが発生しや
すく、また３５％、！より多い場合、鋳造組織が粗大化
しやはり＠遺品に割れが発生しやすいことによる。尚、
Ｔｉ−Ａｌ１２元系の合金では、３４％ＡＩ以上でＶを
添加しなくともＨｖ３００以下であるが、８造品には割
れが発生ずる。

次に、■の添加量については、式 ％式％） Ａ　、Ｑ　：　Ｔ　ｉ−Ａ　Ｌ　２元系てのＡ、ＩＱの
重量％Ｔ　ｉ　：　＝Ｉ″ｉ−Ａ、０２元系での１゛ｊ
の重量％により特定された。これは、各ＡｆＪ／Ｔｉの
最軟化点を結んだ領域てあり、各Ａｌｌ／Ｔｉの最も硬
度か低いところ及びその最も軟化点からＶ（重量％）添
加量−！：　０　、２の範囲内で割れの発生が確実に防
止されることによる。

ここで、−例として’ｒ’１−Ａｌ　−Ｖ系及びＴ’　
ｉＡＱ系の合金の組織を顕微鏡（（ｍ率が２００倍）に
より示された第２図をみる。第２図の（ａ）は、本発明
（７）　範囲内ノ４ｆｌ成（６５，７７ｉ−３３，８人
ｊ−０，５Ｖ）のミクロ組織を示すものであり、結晶粒
が微細化されていると共に、ラメラ−粗大粒と称される
ミクロ組織が分断されている。尚、硬度はＨｖ　２５０
である。（ｂ）は、６５．０’ｒｉ−３５，ＯＡｌの組
成のミクロ組織を示すものであり、ラメラ−粗大粒がみ
られる。

（Ｃ）は、６６．０Ｔｉ−３２，５Ａター１．５Ｖの組
成のミクロ組織を示すものであり、（ｂ）と同じラメラ
−粗大粒がみられる。尚、硬度はｌｌｖ　３７６で３０
０以上の高い硬度となる。

これらから、結晶粒が微細化されてラメラ−粗大粒が分
断されていることか、薄肉鋳物を割れずらくしている要
因と考えられる。ずなわぢ、ラメラ−粗大粒が薄肉の鋳
物に割れを発生させる要因であるからであり、単に■（
例えば１．５重量％のＶ）を添加するたけでは、特に肉
厚１　ｍｍ以下の薄肉鋳物では肉厚方向に結晶粒か数個
しか存在しないので、材質的な脆さと粗大結晶の利金せ
て鋳造品が割れやすくなる。

したがって、−上述の最軟化点を結んだ領域において、
結晶粒の微細化及びラメラ−粗大粒の分断が顕著に現れ
るので、割れのない精密Ｂ遺品を鋳造することができる
。なお、上述のＡ、Ｊ）含有量の範囲内でかつ１−ｒｖ
３００以下である場合には、鋳造品によっては割れが発
生しないことがあるので、鋳造品に応じてトＩｖ３００
以下になるようにＶ添加量を特定するようにしてもよい
。

また、上述の範囲内の組成の合金（チタンアルミナイト
）の溶湯を、約４００〜・６００℃に設定された鋳型に
注ぎ、薄肉や複雑形状の精密鋳造品を鋳造することて、
低い不良品発生率で鋳造品を鋳造することがてきる。

これは、薄肉や複雑形状の精密鋳造品（例えばホイール
やタービンベーン）は、鋳造や切削どういう手段では成
形が困難もしくは不可能であるので、ロストワックス法
精密鋳造で鋳造されることが一般的てあり、鋳込まれる
合金の湯流れ性あるいは鋳型充満性が鋳物の不良品発生
率に影響するからである。

すなわち、本発明に係るチタンアルミナイトの場合も、
常温靭性を改善するとはいえ、融点を上昇させたり、凝
固温度範囲を広げたり融解潜熱を減少させたりする第３
元素が添加されている場合には、丸棒や引張試験片のよ
うな単純形状の鋳物はともかく、不良品発生率が低い状
態で薄肉や複雑形状の鋳物を作ることは難しい。また、
本発明で特定したＡ、Ｇ／Ｔｉの範囲では、第５図に示
すように１．ｌの重量％か５０％以下のＴｉ−Ａｌ２元
系の中では最も凝固温度範囲が広く約５０〜５５℃てあ
り湯流れ性（鋳型充満性）の点では不利であり る。事実、本発明に係るチタンアルミナイトで薄肉の＠
造品を＠造すると、特に翼の厚さか０．８ｍｍ以下等の
薄肉のものは健全な鋳造品を得雑い。

要するに、溶湯を鋳型のずみずみまで充満さぜるには鋳
型温度の下限が存在し、かつチタンアルミナイトも活性
金属である１゛ｉを主体とする材質であるから鋳型反応
の点や鋳造組織の粗大化の点から鋳型温度の上限か存在
する。このなめ、ロストワックス法精密鋳造で坊遣晶を
鋳造する工程での鋳型の温度を４００〜６００℃に設定
することにより、溶湯の湯流れ性か改善されるので、肢
小肉ｙソーが０．３ｍｍ位までの精密鋳造品を低い不良
品発生率で鋳造することかできる。尚、ロストワックス
法精密銚遣工程における鋳型温度以外の鋳造条件は従来
と同じである。

このように従来の提案ではふれられていなかった鋳造品
の割れ、湯流れ性の点から、Ａｌ／Ｔｉ及びＶの添加量
と鋳型温度とを検討し、薄肉や複雑形状の精密鋳造品を
歩留りよく鋳造することかできる有効範囲を見い出した
。尚、りｊ型温度は、特に肉厚が薄い鋳物に対するもの
であって、例えば最小肉厚が１１１ｎ以上の鋳物や単純
形状の鋳物では４００〜６００℃に特定する必要がない
。また、Ｔ　ｉ系の合金の靭性を阻害するいわゆる不純
物元素は本発明によっても排除されることはないので不
純物元素量はできるだけ少ない方が望ましい。

［実施例］ 以下、本発明の詳細な説明する。

第１表に示される組成のＴｉ−Ａｌ−Ｖ系の合金を通常
の溶融炉で溶融調整し、この溶湯をロストワックス法に
よるシェル鋳型に注ぎ、タービンベーンＡ、Ｂを鋳造し
な。これら鋳造品Ａ、Ｂの鋳放し状態での常温強度及び
常温伸びを測定すると共に、鋳造品の割れについて調べ
た結果を第１表に示す。

第１表 第１表に示される結果から本発明の範囲を満たす鋳造品
Ａでは、常温で０．２％耐力を越えるまで不安定破壊す
ることがないと共に、鋳造品には割れが発生しないが、
本発明の範囲から外れた組成の鋳造品Ｂでは、０．２％
耐力を越えるまでに不安定破壊すると共に、鋳造品には
割れが発生することが多い。また、常温での伸びは、鋳
造品Ａの方が鋳造品Ｂの約３倍であり、鋳造品Ａは鋳造
品Ｂに比べて靭性に富んでいる。

したがって、本発明の範囲を満たすチタンアルミナイト
による鋳造品は、割れがなく、しかも常温強度及び常温
靭性を有することになるので、薄肉や複雑形状の精密鋳
造品（例えば、ホイールやタービンベーン）の材料とし
てチタンアルミナイトが適用可能となる。

また、鋳造工程における鋳型の温度を４００〜６００℃
に設定すると、チタンアルミナイトの溶湯の鋳造充満性
が良くなり、薄肉精密鋳造品であるタービンベーンを容
易に鋳造することかできた。

［発明の効果］ 以上要するに本発明によれば、次のような優れた効果を
発揮する。

（１）割れのない精密鋳造品を鋳造できる。

（２）　　４００〜６００℃に鋳型の温度を設定するこ
とで、チタンアルミナイトの溶湯の鋳造充満が確実にさ
れて、薄肉複雑形状の精密鋳造品を低い不良品発生率で
鋳造できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は各種Ａ、Ｉｌ／Ｔ”ｉ（重量比）のＶ添加量に
対する硬さの関係を示す図、第２図は合金の金属組織を
示す図、第３図はＴｉ−ＡＪ系２元系におりるＡｆＪの
含有量と硬さとの関係を示す図、第４図は１．５重量％
Ｖを添加したＡ、ｌｌ／Ｔｉと硬さとの関係を示す図、
第５図はＴｉ八へ２元系の平衡状態を示す図である。 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） ６〜５靭）ｌγゴＹ−＆へコ とことノγ巳″ｆ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、Ａｌの重量％とＴｉの重量％との比（Ａｌ／Ｔｉ）
   が０．４９〜０．５４の範囲にある不可避不純物を含む
   Ｔｉ−Ａｌ２元系の合金に、下記式（ I ）を満足する
   重量％のＶを添加したものからなることを特徴とするチ
   タンアルミナイト。 Ｖ＝（１４．３×Ａｌ／Ｔｉ−６．６９）±０．２（
   I ）但し、Ｖ：重量％ Ａｌ：Ｔｉ−Ａｌ２元系でのＡｌの重量％ Ｔｉ：Ｔｉ−Ａｌ２元系でのＴｉの重量％ ２、上記合金を、約４００〜６００℃に設定された鋳型
   に注湯して精密鋳造品を鋳造するようにしたことを特徴
   とする精密鋳造方法。