JPH05255827A - TiAl金属間化合物基合金の製造方法 - Google Patents

TiAl金属間化合物基合金の製造方法

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JPH05255827A
JPH05255827A JP5548292A JP5548292A JPH05255827A JP H05255827 A JPH05255827 A JP H05255827A JP 5548292 A JP5548292 A JP 5548292A JP 5548292 A JP5548292 A JP 5548292A JP H05255827 A JPH05255827 A JP H05255827A
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temperature
processing
ductility
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phase
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JP5548292A
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Hisashi Maeda
尚志 前田
Minoru Okada
岡田  稔
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Nippon Steel Corp
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Sumitomo Metal Industries Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】TiAl金属間化合物基合金の常温延性と強度をバ
ランスさせた製造法を提供する。 【構成】800 〜1300℃で加工度で50%以上の加工を施
し、次いで、その加工温度より高い温度であって1200℃
以上1400℃以下に加熱・保持後、10℃/s以下の速度で
(加熱温度−100 ) ℃以下の温度まで冷却してから、さ
らに800 〜1250℃の温度で加工度50%以上の加工を施す
多段加工熱処理を行う。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、TiAl金属間化合物基合
金の加工熱処理方法、詳述すれば、軽量耐熱材料として
航空宇宙分野を中心に広い分野において今後利用が予想
されているTiAl金属間化合物基合金の強度−延性のバラ
ンスを改善したTiAl金属間化合物基合金の製造方法に関
する。
【0002】
【従来の技術】TiAl金属間化合物は原子比で1:1のTi
とAlから構成されており、軽量 (比重3.8)でありながら
耐熱性が優れていることから、TiAl金属間化合物を基と
する合金は将来のジェットエンジンや排気バルブ、ター
ボチャジャーの材料として期待されている。しかし、こ
の材料は金属間化合物であるが故に非常に脆い材料であ
り、難加工性の材料である。特に問題となるのは常温延
性である。
【0003】ところで、常温延性はTiAlの化学量論的組
成から若干Ti- 富化側にずらした成分、例えば48 at %
Al前後において得られやすいため、このあたりの成分で
合金設計することが多い。このときTiAl (γ) 相の他に
少量のTi3Al(α)2相が生成し、2相組織となる。現在の
ところ常温延性が優れたTiAl基合金として知られている
ものはこのような2相組織を呈するものがほとんどであ
る。
【0004】一方、このベース成分に延性改善のための
第3元素として数at%のV、Mn、Cr、Mo等の元素を添加
する手法も見られる。また、組織調整については、多結
晶材において全面がラメラ組織の場合、常温延性が得ら
れにくく、加工や熱処理により組織の微細化やラメラ組
織と等軸粒の混合組織が良好であるとされている。以
上、文献1: “Progress in the Understanding of Gam
mma Titanium Aluminide”,J.Metals (August,1991) p.
40. 参照。
【0005】難加工材であるTiAl金属間化合物基合金の
熱間加工は金型と加工物を同時に加熱しながら通常の圧
延や押出よりも数段遅い速度で鍛造する恒温鍛造が有効
である。恒温鍛造中に組織の微細化が起こり、常温にお
ける強度や延性が改善される。しかし、粗大組織を加工
する場合には加工中の動的再結晶が不均質に起こり、不
均質な組織となりやすい。恒温鍛造においては文献1に
も見られるように板厚方向と直角方向に層状組織が生成
される。組織の微細化が起こっても不均質な組織である
ために十分な延性改善に至っていない。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、TiAl
金属間化合物基合金について実用化のために重要な課題
である常温延性の改善を実現すると共に強度も改善し、
強度−延性バランスが優れたTiAl金属間化合物基合金の
製造方法を提供することにある。本発明の具体的な目的
は、常温における引張強さが500MPa以上かつ引張伸びが
2.5 %以上のTiAl金属間化合物基合金の製造方法を提供
することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、かかる課
題を解決すべく種々検討を重ね、多段加工熱処理が組織
の微細均質化に特に有効であり、それによって延性と強
度とのバランスに優れたTiAl金属間化合物基合金が得ら
れることを知り、本発明を完成した。
【0008】ここに、本発明の要旨とするところは、原
子%で、Al: 44〜52%、残部が実質的にTiから成る合
金、あるいはAl: 44〜52%、延性改善のための第三元
素: 合計8%以下: 残部が実質的にTiから成る合金を、
(1) 800 〜1300℃の温度範囲において加工前後の厚さあ
るいは面積の減少率で定義される加工度で50%以上の加
工を施す工程、(2) 続いて工程(1) の加工温度より高い
温度であって1200℃以上1400℃以下、望ましくは1250℃
以上1350℃以下に加熱して任意の時間保持した後に10℃
/s以下の速度で (加熱温度−100)℃以下の温度まで冷却
する工程、(3) 前記工程(1) におけると同様にして800
〜1250℃の温度で50%以上の加工を施す工程、そして
(4) 必要に応じて(2) と(3) の工程を繰り返す工程、以
上の工程から構成される強度、延性に優れたTiAl金属間
化合物基合金部材の製造方法である。
【0009】このように、本発明によれば、加工と熱処
理を組み合わせることにより均質微細な組織を生成さ
せ、特にこれまでの加工材と比較して組織の均質性を向
上させることにより強度−延性バランスを改善すること
ができる。
【0010】
【作用】次に、本発明の作用についてさらに具体的に説
明する。本発明において、上記の加工熱処理によりTiAl
金属間化合物基合金の均質微細な組織が得られる理由は
次の通りである。
【0011】まず、本発明の加工処理の対象合金は、Ti
Al金属間化合物を基とする合金である。Ti−Al2元系に
おいては44〜52 at %において、耐熱性および延性に優
れた金属間化合物が得られる。Alが44 at %よりも少な
い場合にはTi3Al の方がTiAlよりも量が多くなり、優れ
た耐熱性が得られない。また、Alが52 at %超では他の
合金元素を添加しても十分な常温延性が得られない。
【0012】その他、延性改善用としての第三成分を8
at %以下配合してもよい。8%超配合するとα2 、γ
相以外の第3相が生成し、強度、靱性や機械加工ととも
に高温強度の低下を招く恐れがある。かかる第三成分と
しては、これまで知られている多くの元素が考えられる
が、好ましくは、Mo、V 、Mn、Cr、Fe、Nb、Ta、W 、H
f、Zr、B、C、およびSiから成る群から選んだ1種ま
たは2種以上を組み合わせて配合してもよい。
【0013】本発明は、上記合金に多段で施す加工熱処
理に関するものであり、まず第一段階として、工程(1)
で変形前後の面積または高さ( 厚さ) の減少率で定義さ
れる加工度50%以上の加工を施すが、これは素材が粗大
な組織である場合は、加工中の動的再結晶による粗大組
織の破壊と歪の付与を行うためである。加工度50%未満
では、鋳造組織やこれをHIP 処理した後の粗大組織の破
壊が十分行われず、歪み導入も十分達成されない。この
加工度は、好ましくは、60%以上である。
【0014】工程(1) での温度は特に限定しないが、80
0 ℃未満では変形能が乏しく十分な歪を与えるために必
要な加工が行えない場合があるので、一般には800 ℃以
上である。しかし、1300℃を超えると加工後の冷却過程
でラメラ組織が全面にわたって生成し、このラメラ組織
は後の熱処理で消失しないため、目的の等軸微細結晶粒
組織が得られない。なお、加工後、ただちに熱処理温度
に昇温しても加工温度が1300℃超になると熱処理後の冷
却過程でラメラ組織が全面にわたって生成する。したが
って、好ましくは、加工温度は800 〜1300℃に制限す
る。
【0015】次に、第二段階として、工程(2) で1200〜
1400℃、好ましくは1250〜1350℃に加熱保持した後に10
℃/s以下の速度で( 加熱温度−100 ℃) 以下の温度まで
冷却する。加熱の際にはHIP のように圧力をかけた状態
としてもよい。
【0016】このように、第2工程の焼鈍においては第
1工程で導入された歪を利用してγ相の再結晶を促進し
て再結晶組織に変化させる。また、1200〜1400℃におけ
る焼鈍によりα相が生成する。このときα相はγ相の粒
界にも生成するが、α相の一部は粗大なγ相の粒内に結
晶粒を貫くように板状に生成する。粗大なγ相中に生成
したα相は続く10℃/s以下の冷却速度での冷却中に球状
化するために粗大なγ相の分断が起こり、比較的微細で
均質な組織が得られる。しかし、この段階で粒径は20μ
m 前後であり、このままでは十分な常温延性が得られな
い。
【0017】このときの加熱温度が、1200℃未満では上
記加工材の主相となるγ相の再結晶が不均質に起こるた
め粗大な結晶粒と微細な結晶粒の混合組織が得られやす
く、高い常温延性が得られない。一方、1400℃超では多
量のγ相がα相に変態するため冷却後に粗大なラメラ状
の変態組織が生成し、常温延性が著しく低下する。この
熱処理温度は、好ましくは、前段の加工工程での加工温
度より高い温度とする。
【0018】このときの保持時間は特に制限されない
が、加熱温度において十分にα相が生成することが必要
である。一般には30分間以上であればよいが、ほぼ24hr
の保持によって均質化が進むことが確認されている。加
熱後、冷却するのは均質な組織とするためであり、その
ときの冷却速度が10℃/s超であると、粗大なγ粒内に生
成した板状のα相がそのままの形態で残存し、γ粒の微
細化が生じない。
【0019】また、この冷却速度が、10℃/s以下であっ
ても、冷却温度が加熱温度以下100℃未満の温度では、
つまり十分な温度低下が確保されないと、組織変化が小
さく、均質微細な組織が得られない。つまり、冷却に際
しては、少なくとも (加熱温度−100 ℃) 以下にまで冷
却しないと、組織の均質微細化が実現されない。
【0020】冷却速度の下限は特に規定しないが、一般
には0.05℃/s 以上である。これより小さいと、γ相が
冷却中に選択的に成長し、不均質な組織となってしま
う。なお、冷却速度が水冷相当以上では冷却の際に導入
される歪により割れが生じる場合がある。なお、ここで
いう冷却速度とは、600 ℃以上での冷却速度である。
【0021】本発明によれば、第三段階として、上述の
ような熱処理後に、工程(3) で再び変形前後の面積また
は高さの減少率で定義される加工度50%以上の加工を行
う。これは、粒径数μm の均質な等軸微細粒組織を生成
させるためである。
【0022】工程(1) の場合とは異なり前工程までに組
織の均質化と微細化がある程度進んでいるため、加工度
は50%以上で効果があるが、加工度50%未満では結晶粒
の微細化の工程が小さく、また組織が不均質となる。好
ましくは、60%以上の加工度で加工を行う。
【0023】このときの温度も所定の加工度が確保でき
れば特に制限ないが、通常は800 ℃以上、1250℃以下程
度で行えば十分である。800 ℃未満では十分な加工度が
取れない恐れがあり、一方、1250℃超ではα相の量比が
増加して粗大化が起こり、冷却後に等軸微細粒の組織と
ならない場合がある。
【0024】本発明の好適態様によれば、上記工程(2)
と工程(3) とを少なくとも一回繰り返す。これは、更な
る微細均質化を図るためである。一般には1回繰り返す
ことで十分である。また、必要に応じ最終加工によって
生じた歪を除去する目的で、最終加工温度と同等の温度
で30分間程度の焼鈍を行ってもよい。
【0025】本発明における工程(1) および工程(3) に
おける加工方法としては、恒温鍛造や押出が一般的と考
えられるが、圧延等の他の加工方法でも同様の効果が得
られ、加工方法による制限は受けない。以上の工程(1)
〜(3) における各処理条件のいずれか一つでも外れると
組織が不均質になるか、結晶粒の微細化の程度が小さい
ために目的とする特性は得られない。次に、実施例によ
って本発明の作用、効果をさらに詳述する。
【0026】
【実施例】本例では、Ti−48.4 at %Al−0.6 at%Mo、
その他の合金組成を有する表1にに示す各種供試材につ
いて、本発明にしたがって加工熱処理した。すなわち、
真空アーク溶解されたインゴットに1200℃でHIP 処理し
た後に50×50×50mmのブロックを所定数採取した。この
ブロックを各種条件で第1工程の恒温鍛造、第2工程の
熱処理および第3工程の恒温鍛造を施した。
【0027】恒温鍛造は、いずれも950 ℃で歪速度5×
10-4-1で実施した。また、熱処理は高温熱処理炉を用
いてAr雰囲気中で実施した。この後加工材から平行部の
直径が4mm、長さ16mmの丸棒引張試験片を採取し、平行
部を8%硫酸とメタノールの混合液を用いて−35℃で電
解研磨により鏡面仕上げにした。引張試験の歪速度は8.
3 ×10-5-1で実施した。合金組成とともに、加工およ
び熱処理の条件と常温における引張試験の結果を表1お
よび表2にまとめて示す。
【0028】
【表1】
【0029】
【表2】
【0030】
【発明の効果】以上の結果より、本発明の加工熱処理法
を適用することにより従来の方法で作製された材料と比
較して明らかに常温における延性と強度が改善されてい
ることが分かる。したがって、本発明は、TiAl金属間化
合物基合金の問題点である常温延性を改善すると共に強
度も向上させる方法であり、かかる金属間化合物基材料
の工業材料としての利用の可能性を著しく推進させるも
のである。
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成4年3月26日
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0028
【補正方法】変更
【補正内容】
【0028】
【表1】

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 原子%で、Al: 44〜52%、残部が実質的
    にTiから成る合金、あるいはAl: 44〜52%、延性改善の
    ための第三元素: 合計8%以下: 残部が実質的にTiから
    成る合金を、(1) 800 〜1300℃の温度範囲において加工
    前後の厚さあるいは面積の減少率で定義される加工度で
    50%以上の加工を施す工程、(2) 工程(1) で得られた加
    工材を、工程(1) の加工温度より高い温度であって1200
    ℃以上1400℃以下に加熱・保持後、10℃/s以下の速度で
    (加熱温度−100 ) ℃以下の温度まで冷却する工程、
    (3) 工程(2) で冷却された加工材にさらに工程(1) と同
    様にして、800 〜1250℃の温度で加工度50%以上の加工
    を施す工程、の各工程から構成される、強度、延性に優
    れたTiAl金属間化合物基合金の製造方法。
  2. 【請求項2】請求項1記載の方法において、前記工程
    (2)および工程(3)を少なくとも一回繰り返す、TiAl金
    属間化合物基合金の加工熱処理方法。
  3. 【請求項3】前記第三元素が、Mo、V 、Mn、Cr、Fe、N
    b、Ta、W 、Hf、Zr、B、C、およびSiから成る群から
    選んだ1種または2種以上である請求項1または2記載
    の方法。
JP5548292A 1992-03-13 1992-03-13 TiAl金属間化合物基合金の製造方法 Withdrawn JPH05255827A (ja)

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