JPH06108196A - ＮｂＴｉＡｌＣｒＨｆ合金マトリックスとニオブ基金属強化材の複合構造材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 より低い密度、より高い温度でのより高い強
度、室温での良好な延性およびより高い耐酸化性を有す
る構造材の提供。 【構成】 低密度低強度ニオブ基合金内に埋め込まれた
高密度高強度強化用ニオブ基合金を有する複合構造材を
提供する。マトリックスとしては、次式で表わされるニ
オブとチタンをベースとする合金が好ましい。 Ｎｂ−Ｔｉ_27-40.5 −Ａｌ_4.5-10.5−Ｈｆ_1.5-5.5 Ｃｒ
_4.5-8.5 Ｖ_0-6 ここで、この金属／金属複合材の各金属は体心立方晶構
造をもっており、ＴｉとＮｂの濃度比（Ｔｉ／Ｎｂ）は
０．５以上であり、添加元素Ｈｆ＋Ｖ＋Ａｌ＋Ｃｒの最
大濃度は １６．５＋（５×Ｔｉ／Ｎｂ） 以下である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高温での引張り強さが
低めでそして軽めの金属マトリックスが、マトリックス
より低い体積分率で存在するがマトリックスより高い引
張り強さと密度を有する金属のフィラメントによって強
化された金属構造材に係る。本発明はさらに、高めの密
度および高めの強度と共に低めの耐酸化性を有する金属
強化材を用いて、それより密度が低いが高い耐酸化性を
有するニオブ・チタンベースのマトリックスからなる複
合材を強化する技術に係る。

【０００２】また本発明は、マトリックスより低い体積
分率で存在するが高温での引張り強さと密度がマトリッ
クスより高い金属のフィラメントによって強化された金
属マトリックスを有する体心立方晶金属構造材にも係
る。最後に、本発明は、耐酸化性が高く密度が低いニオ
ブ・チタンベースの金属マトリックスが、このマトリッ
クスより密度と強度は高いが耐酸化性が低いニオブベー
スの金属強化用フィラメントによって強化されている金
属‐金属複合構造材に係る。

【０００３】

【従来の技術】ニオブ基合金が、ニッケル基超合金やコ
バルト基超合金が初期融解を示し始める温度範囲で有用
な強度をもっていることは公知である。この初期融解温
度は約２３００〜２４００°Ｆの範囲である。融解温度
が高いこのニオブベースの金属を最新式ジェットエンジ
ンタービンの高温部に用いると、現在使用可能な温度よ
り高い金属温度が許容できるようになるであろう。この
ようにニオブ基合金材料を使用すると、より高い火炎温
度が可能になり、またより大きな出力をより効率良く生
み出すこともできるであろう。そのように高効率で高出
力が得られるようになるのは、少なくとも部分的に、冷
却用空気の必要性が減少するためであろう。

【０００４】市販のニオブ基合金は高い強度と高い密度
をもっているが、１６００〜２４００°Ｆの範囲での耐
酸化性が極めて限られている。２４００°Ｆまでの温度
でそのような合金を多少保護できるケイ化物コーティン
グがあるが、このようなケイ化物コーティングはかなり
脆く、これでコートした部品に大きな応力がかかると早
い時期にコーティングが役に立たなくなることがある。
また市販のニオブ基合金は、比較的純粋なニオブの８．
６ｇ／ｃｍ³ という低い値から最強合金の約１０ｇ／ｃ
ｍ³ という値までの範囲の高い密度をもっている。

【０００５】ニオブ・チタンベースのある種の合金は６
〜７ｇ／ｃｍ³ というずっと低い密度をもっている。こ
れらの合金の一部は本出願人に譲渡されている米国特許
第４，９５６，１４４号、第４，９９０，３０８号、第
５，００６，３０７号、第５，０１９，３３４号および
第５，０２６，５２２号の主題である。このような合金
を利用すると、現在使用されているニッケル基超合金や
コバルト基超合金の重量よりかなり低い重量をもつ部品
を製造することができる。これらニッケル基超合金やコ
バルト基超合金の密度は約８〜約９．３ｇ／ｃｍ³ の範
囲である。

【０００６】また別の米国特許第４，９３１，２５４号
は次の組成（原子％）をもつ合金に関する。 成 分 濃度 範囲 ニオブ 残 部 チタン ４０〜４８％ アルミニウム １２〜２２％ ハフニウム ０．５〜６％ クロム ３〜８％ 本出願人に譲渡されている米国特許第４，９０４，５４
６号に係る合金系では、ニオブ基合金が、酸化その他の
大気の攻撃に対する耐性が高い合金の表面コーティング
によって環境による攻撃から保護されている。

【０００７】航空機エンジンに使用する合金系を開発す
る際、当然ながら合金の密度は、その合金をエンジン用
途に使用するのに最適かどうかを決定することが多い重
要な要因である。ニッケル基超合金とコバルト基超合金
はまた、酸素暴露に対する許容度が市販のニオブ基合金
よりずっと大きい。ニッケル基超合金やコバルト基超合
金の保護コーティングの機能停止は、多くのニオブ基合
金、特に市販のニオブ基合金の保護コーティングの機能
停止より重大性がずっと少ない。本出願人に譲渡されて
いる前記特許のニオブ基合金の耐酸化性は市販のＮｂ基
合金の耐酸化性とＮｉ基超合金またはＣｏ基超合金の耐
酸化性との中間である。

【０００８】本出願人に譲渡されている前記特許のニオ
ブ基合金は高温で鍛練したニッケル基超合金やコバルト
基超合金より強いが、同様な高温で鋳造または方向性凝
固したニッケル基超合金やコバルト基超合金よりずっと
弱い。しかし、多くのエンジン用途では、これらの用途
に適した健全な形態でシート構造材の鋳造品を製造する
ことはできないので鍛練シート製造によって形成された
構造材が使われている。

【０００９】ニオブベースの構造材を使用する利点は、
ニオブ基合金が２１００°Ｆの温度で１０００時間３ｋ
ｓｉの力に耐えることができるという事実から明らかで
ある。対照的に、ニッケル基またはコバルト基の鍛練超
合金が３ｋｓｉの応力に１０００時間耐えることができ
るのは１７００〜１８５０°Ｆまでである。一般に航空
機エンジン用途で極めて望ましいものは、より低い密
度、より高い温度でのより高い強度、室温での良好な延
性、およびより高い耐酸化性を組み合わせて有する構造
材である。本発明者らはそのような特性の組み合わせを
有する金属‐金属複合構造材を開発したのである。

【００１０】耐火性金属を高温用途に使用することにつ
いて記載した論文はたくさんある。そのような文献とし
ては以下に挙げるものがある。 （１）ペトラセク(D.W. Petrasek) とタイトラン(R.H.
Titran) は、ルイスリサーチセンター(Lewis Research
Center) においてニオブ中にタングステンを含む複合構
造材の研究を行ない、１９８８年１月１１日から１４日
まで米国ニューメキシコ州アルブケルケ(Albuquerque)
のニューメキシコ大学(University of NewMexico)で開
催された第５回宇宙原子力システムシンポジウム(Fifth
Symposiumon Space Nuclear Power Systems)用に作成
されたレポート番号第ＤＯＥ／ＮＡＳＡ／１６３１０−
５ ＮＡＳＡ ＴＭ−１００８０４号の「タングステン
／ニオブおよびタングステン／ニオブ‐１％ジルコニウ
ム複合材のクリープ挙動(Creep Behavior of Tungsten/
Niobium and Tungsten/Niobium-1 Percent ZirconiumCo
mposites)」と題するレポートに報告している。このレ
ポートでは、ニオブベースのマトリックスをニオブベー
スの構造材で強化する研究はされていないし、そのよう
な強化によるユニークな利点も教示されていない。 （２）ウロデック(S.T. Wlodek) 著、「Ｃｂ‐Ｔｉ‐Ｗ
合金の特性、第Ｉ部(TheProperties of Cb-Ti-W Alloy
s, Part I)」、酸化コロンビウム冶金(OxidationColumb
ium Metallurgy)、ダグラス(D. Douglass) およびクン
ズ(F.W. Kunz) 編、米国機械学会金属学会会議(AIME Me
tallurgical Society Conferences)、第１０巻、インタ
ーサイエンス・パブリッシャーズ(Interscience Publis
hers) 刊、米国ニューヨーク、（１９６１年）第１７５
〜２０４頁。 （３）ウロデック(S.T. Wlodek) 著、「Ｃｂ‐Ａｌ‐Ｖ
合金の特性、第Ｉ部(TheProperties of Cb-Al-V Alloy
s, Part I)」、同書中第５５３〜５８４頁。 （４）プライスマン(S. Priceman) およびサマ(L. Sam
a) 著、「コロンビウム合金の高温酸化用溶融スラリー
ケイ化物コーティング(Fused Slurry Silicide Coating
s for the Elevated Temperature Oxidation of Columb
ium Alloys) 」、耐火性の金属と合金(Refractory Meta
ls and Alloys)ＩＶ−金属学会会議予稿集(TMS Confere
nce Proceedings)、米国インディアナ州、フレンチ・リ
ック(FrenchLick) 、１９６５年１０月３〜５日、第Ｉ
Ｉ巻、ジァフィー(R.I. Jaffee) 、オールト(G.M. Aul
t) 、マルツ(J. Maltz)およびセムチシェン(M. Semchys
hen) 編、ゴードン・アンド・ブリーチ・サイエンス・
パブリッシャー(Gordon and Breach Science Publishe
r) 刊、米国ニューヨーク（１９６６年）第９５９〜９
８２頁。 （５）ジャクソン(M.R. Jackson)およびジョーンズ(K.
D. Jones)著、「Ｎｂ‐Ｔｉ基合金の機械的挙動(Mechan
ical Behavior of Nb-Ti Base Alloys)」、耐火金属：
抽出、加工および応用(Refractory Metals: Extractio
n, Processing andApplications) 、リデル(K.C. Lidde
ll)、サドウェイ(D.R. Sadoway)およびボーチスタ(R.G.
Bautista) 編、米国金属学会(TMS) 、米国ペンシルベ
ニア州ウォーレンデール(Warrendale)、（１９９０年）
第３１１〜３２０頁。 （６）ジャクソン(M.R. Jackson)、ジョーンズ(K.D. Jo
nes)、ハン(S.C. Huang)およびペルソ(L.A. Peluso)
著、「高温の空気暴露に対するＮｂ‐Ｔｉ合金の応答(R
esponse of Nb-Ti Alloys to High Temperature Air Ex
posure) 」、同書中第３３５〜３４６頁。 （７）ヘブサー(M.G. Hebsur) およびタイトラン(R.H.
Titran) 著、「Ｐ／Ｍ加工したＮｂ基合金、ＷＣ‐３０
０９の引張りおよびクリープ破壊挙動(Tensile and Cre
ep Rupture Behavior of P/M Processed Nb-Base Allo
y, WC-3009)」、耐火金属：１９８８年業界の技術水準
(Refractory Metals: Stare-of-the-Art 1988) 、クマ
ー(P. Kumar)およびエイモン(R.L. Ammon)編、米国金属
学会(TMS) 、米国ペンシルベニア州ウォーレンデール(W
arrendale)、（１９８９年）第３９〜４８頁。 （８）ジャクソン(M.R. Jackson)、シーマーズ(P.A. Si
emers)、ルトコウスキー(S.F. Rutkowski)およびフリン
ド(G. Frind)著、「低圧プラズマ蒸着によって生成した
耐火性金属構造材(Refractory Metal Structures Produ
ced by Low Pressure Plasma Deposition)」、同書中第
１０７〜１１８頁。

【００１１】

【発明の概要】本発明の広い局面のひとつにおいてその
目的は、高温引張り強さが高めで耐酸化性が低めのニオ
ブベースの金属からなる強化用ストランドを、下記組成
（数字は原子％）を有する強さは前記金属より低いが耐
酸化性が前記金属より高いニオブベースのマトリックス
金属中に埋め込むことによって達成することができる。

【００１２】 Ｎｂ−Ｔｉ_27-40.5 −Ａｌ_4.5-10.5−Ｈｆ_1.5-5.5 Ｃｒ_4.5-8.5 Ｖ_0-6 ここで、この金属／金属複合材の各金属は体心立方晶構
造をもっており、ＴｉとＮｂの濃度比（Ｔｉ／Ｎｂ）は
０．５以上であり、添加元素Ｈｆ＋Ｖ＋Ａｌ＋Ｃｒの最
大濃度は １６．５ ＋ ５ × Ｔｉ／Ｎｂ 以下である。

【００１３】本発明の広い局面の別のひとつにおいてそ
の目的は、密度が高めで高温強度が大きめであるが耐酸
化性は低めの体心立方晶形を有するニオブベースの金属
を、前記金属より密度が低く強度が低いが耐酸化性は高
い下記組成を有するニオブ‐チタンベースのマトリック
ス中に埋め込むことによって達成することができる。 Nb−Ti_27-40.5 −Al_4.5-10.5−Hf_1.5-5.5 Cr_4.5-8.5 V_0-6 Zr_0-1 C_0-0.5 ここで、この金属／金属複合材の各金属は体心立方晶構
造をもっており、ＴｉとＮｂの濃度比（Ｔｉ／Ｎｂ）は
０．５以上であり、添加元素Ｈｆ＋Ｖ＋Ａｌ＋Ｃｒの最
大濃度は １６．５ ＋ ５ × Ｔｉ／Ｎｂ 以下である。

【００１４】

【詳細な説明】以下の説明は、添付の図面を参照すると
容易に理解できるであろう。本発明においては、強くて
延性の金属強化要素を延性で低密度の耐酸化性がより高
いマトリックスに組み込んだ複合構造材を形成して、マ
トリックス自体で達成できるより高い高温引張り強さと
破壊強さを達成すると共に強化材の酸化による劣化を回
避する。

【００１５】強化材の組成もマトリックスの組成もいず
れもニオブ金属の含量が高い。さらに、マトリックスと
強化材のどちらも全体として同じ結晶形を有しており、
特に体心立方晶の結晶構造をもっている。こうすると、
強化材とマトリックスがその非相溶性や相互作用により
脆性の金属間化合物やその他の望ましくない副生物を形
成することに関連する問題の多くが回避されると思われ
る。強化材を含有する複合材を長時間高温に加熱して
も、この強化材とマトリックスは相互に可溶であるので
高度の相互拡散が起こっても脆化することはない。しか
し、通常の運用寿命および温度では、マトリックスと強
化材の相互拡散は極めて少なく、その各々の特性の劣化
も極めて少ないと思われる。

【００１６】一般に、このような複合材を生成する製造
技術では、高めの強度、高めの密度をもつ延性のニオブ
基合金を密度と強度がそれより低い延性のニオブ基合金
のマトリックス中に埋め込み、そうして組み合わせた材
料を成形・賦形して複合体にする。こうして、より高温
強度が高くてより密度が高いニオブ合金によって強化さ
れ、しかも強度の弱いマトリックス材料のもつ環境に対
する耐性を付与された複合材を生成することが可能であ
る。

【００１７】以下の実施例により、本発明の複合材を製
造する方法のいくつかと、そのような製造法によって得
られる性質を例示する。実施例１および２ マトリックス合金のメルトを２種類調製し、そのメルト
からインゴットを製造した。これらのインゴットの組成
を下記表Ｉに示す。 表 Ｉ マトリックス合金１０８ ４０Ｎｂ ４０Ｔｉ １０Ａｌ ８Ｃｒ ２Ｈｆ マトリックス合金１２４ ４９Ｎｂ ３４Ｔｉ ８Ａｌ ７Ｃｒ ２Ｈｆ 調製した合金は合金１０８および合金１２４と名付け
た。表Ｉにはこれらの合金の組成を原子％で示した。チ
タン４０原子％とニオブ４０原子％を含有する合金１０
８は酸素抵抗性または酸素耐性が合金１２４より高い。
また、表Ｉに挙げた２種のマトリックス合金材料の中で
は、チタン３４原子％とニオブ４９原子％を含有する合
金１２４とされたマトリックス合金の方が高温で強い。

【００１８】ニオブベース中にハフニウム３０重量％と
タングステン９重量％を含有するワー・チャン(Wah Cha
ng) から市販されているニオブベースの強化用合金を得
た。この合金はＷＣ３００９とした。まず、マトリック
ス合金組成物の各々の鋳造インゴットをシリンダーの形
態に作成した。鋳造マトリックス合金のインゴットの各
々にドリルで７つの穴を開けて強化用材料の７個のシリ
ンダーを入れた。７つの穴は６つの穴が中央の７番目の
穴を取り囲むように配列した。作成した穴に挿入する強
化用シリンダーは各々ＷＣ３００９金属から形成し、直
径が０．０９インチ、長さが２．４インチであった。同
じ寸法の７個のシリンダーを、鋳造したマトリックス合
金サンプルの各々に開けた７つの穴に入れた。次に、そ
れぞれその全体をモリブデン金属製のジャケットに封入
し、８：１の押出し比で処理した。

【００１９】最初の押出しの後、押出した複合ビレット
から３インチの長さを切り出し、これを相当する第二の
モリブデンジャケットに入れ、８：１の比で第二の押出
し操作にかけた。全体の断面積減少比は最初のビレット
の１／６４であった。二回押出したビレットの断面とそ
こに含まれている強化用ストランドの顕微鏡写真を図１
に示す。

【００２０】この二回押出したビレットから７つの断片
を切り取り、各断片をアルゴン中で８１５℃、１０５０
℃、１１００℃、１１５０℃、１２００℃、１３００℃
または１４００℃の温度で４時間熱処理した。押出され
たビレットのこれらの各断片の強化用繊維とマトリック
スの両方の（結晶）粒度を測定した。熱処理前のビレッ
ト断片のマトリックス部分の初期粒度は２０μｍ未満で
あった。この初期粒度は、１１００℃の熱処理で５０〜
１００μｍに、また１４００℃の熱処理で２００〜３０
０μｍに成長した。チタン濃度の高いマトリックスの方
が粒子成長が大きかった。

【００２１】強化用のＷＣ３００９繊維の粒度は、押出
しただけの繊維では光学的に測定することができなかっ
たし、８１５℃の熱処理後の繊維でも測定できなかっ
た。１０５０℃の温度で処理した後のＷＣ３００９繊維
の粒度は約５μｍであった。１４００℃で熱処理した後
のサンプルでは繊維の粒度が２５μｍ未満であった。粒
度と処理温度に関するデータをプロットしたものが図２
である。

【００２２】繊維とマトリックスとの界面および繊維中
の粒界には酸化ハフニウム（ＨｆＯ ₂ ）がひどく析出し
ていた。マトリックス鋳造品内、繊維の表面上、および
マトリックスの機械加工面上にある酸素がＷＣ３００９
繊維中の高濃度のハフニウムと反応したのであろう。二
回押出した複合材を１１００℃、１２００℃または１３
００℃の熱処理温度で熱処理した後機械加工して機械的
試験用のテストバーを作製した。このテストバーの寸法
は直径が０．０８インチであり、マトリックスの外側ゲ
ージ表面は外側の繊維表面から約０．００５インチ離れ
ていた。すなわち、各繊維はマトリックス部材の外側表
面から少なくとも０．００５インチのところにあった。
７つの繊維は密に詰まって配列されており、図１に示し
てあるようにテストバーの軸上にある中央の繊維を６つ
の外側の繊維が取り囲んでいた。繊維はすべて、テスト
バーの０．０８インチというゲージ直径内に含まれてい
た。これらのバーを下記表IIに示したように試験した。 表 II 合金マトリックス中にＷＣ３００９の連続繊維を有する複合材の試験データ 実 試験 0.2% 施 温度 ＹＳ UTS εML εＦ R.A. 例 マトリックス合金 熱処理 ℃ ksi ksi ％ ％ ％ １ マトリックス１０８ 1200℃ RT 128 128 0.2 23 36 760 81 83 0.7 24 50 980 22 24 0.6 40 70 1200 10 11 0.8 39 96 ２ マトリックス１２４ 1200℃ RT 131 131 0.2 22 35 760 83 92 1.8 13 14 980 35 35 0.2 59 76 1200 9 14 1.4 53 95 １ マトリックス１０８ 1100℃ RT 126 127 0.3 26 37 1300℃ RT 降伏 40 0.02 0.2 0 せず ２ マトリックス１２４ 1100℃ RT 134 134 0.2 26 45 1300℃ RT 126 127 0.2 3.4 6.6 表IIに挙げた結果から分かるように、１３００℃で熱処
理したサンプルの延性は、１１００℃または１２００℃
で熱処理して得られた延性値と比較して著しく低下し
た。

【００２３】表IIに挙げた室温での伸びに関するデータ
を熱処理温度に対してプロットしたグラフを図３に示
す。また伸びに対して粒度をプロットしたグラフを図４
に示す。引張り強さは基本的に、繊維とマトリックスの
それぞれの体積分率に対する混合計算則に従っていた。
表IIに示した結果を得るのに試験した材料の体積分率
は、試験に供したテストバー中で各々約０．０１２イン
チの測定直径値を有するＷＣ３００９強化用繊維が約１
５．８容量％であった。１１００℃または１２００℃で
熱処理したサンプルについては、いずれの複合材も約３
５％の面積減少率で約２２％の伸びという室温延性を示
した。これらの延性は、繊維を含まない類似のマトリッ
クス組成物の典型的な値７〜１２％と比較して驚くほど
高いことが観察された。利用できるデータがずっと粒度
の粗い組織の合金に対するものしかないが、一般にＷＣ
３００９合金は、室温でバルクの形態では約５％の範囲
の低い延性をもっていることが知られている。

【００２４】各々の複合材について、耐力に関するデー
タを温度に対してプロットしたグラフが図５であり、伸
び（％）に関するデータを温度に対してプロットしたグ
ラフが図６である。ニオブベースのマトリックス中にＷ
Ｃ３００９連続繊維を有する連続複合材に対して９８５
℃のアルゴン雰囲気中で測定して得た破壊データを下記
表III に示す。 表 III １５．８容量％のＷＣ３００９フィラメントで強化された複合材に対する ９８５℃における破壊寿命データ 連続複合材の 応 力 破壊寿命 実施例 マトリックス 熱処理温度 ｋｓｉ εＦ％ ＲＡ％ （時間） １ １２４ １１００℃ ９ ８１ ８９ ２０．８ １２４ １２００℃ ９ ６３ ６３ １１４．３ １２４ １３００℃ ９ ５６ ７９ ４３．１ ２ １０８ １１００℃ ９ ６４ ８２ ２３．３ １０８ １２００℃ １２ データ データ ０．６ な し な し 比較として、１０８マトリックスに類似の非強化合金の
９８５℃における破壊寿命は６ｋｓｉの応力でも２５時
間未満である。同様に、１２４マトリックスに類似の非
強化合金の寿命は９ｋｓｉで１．８時間であった。

【００２５】本発明によって提供される強化構造体の同
等の応力で最良の複合材試験寿命は、類似の非強化組成
物の破壊寿命の１０倍近く大きかった。これら２種の複
合材の密度は、１０８マトリックスの複合材が約７ｇ／
ｃｍ³であり、１２４マトリックスの複合材が７．２ｇ
／ｃｍ³ である。ニッケル基合金とコバルト基合金の相
当する密度値は８．２〜９．３ｇ／ｃｍ³ である。これ
らの複合材は鍛練したＮｉ基超合金やＣｏ基超合金より
破壊に対してずっと強くなっているが、それでも鋳造し
たγ／γ′超合金よりは弱い。１２４複合材の９８５℃
における１００時間の密度換算応力は１．２５（任意単
位、ｋｓｉ／ｇ／ｃｃ）であり、ルネ(Rene´) ８０
（密度換算応力は１．８４）のような鋳造合金より小さ
く、非強化マトリックス（密度換算応力は０．７５）の
場合の方にずっと近い。

【００２６】他の温度のアルゴン雰囲気中で測定して得
られた破壊データを下記表IVに示す。 表 IV １５．８容量％のＷＣ３００９フィラメントで強化された複合材の 破壊寿命データ 破壊寿命（時間） 連続複合材の ８７１℃ １０９３℃ １０４９℃ 実施例 マトリックス 熱処理温度 １５ ksi ５ ｋｓｉ ３ ｋｓｉ １ １０８ １１００℃ ３４．３ １１．５ ６０．３ ２ １２４ １１００℃ ８１．６ １６．１ ５００．５ １２４ １３００℃ ４６．２ ４２．２ ３７２．１ 典型的な鍛練Ｎｉ超合金とＣｏ超合金が１０００℃、３
ｋｓｉに耐えるのは１００時間未満であろう。温度に関
していうと、ニオブ‐チタンベースのマトリックスを有
する強化された複合材は鍛練されたＮｉ合金またはＣｏ
合金より８０〜２００℃高い温度で同じ時間耐えられる
であろう。

【００２７】上記複合材の応力破壊寿命に関するデータ
を図７のラーソン‐ミラー(Larson-Miller) プロットに
示す。ＷＣ３００９以外に強化用材料として使用するの
に適したニオブ基合金のいくつかを挙げると特に次のも
のがある。 表 式Ｎｂ−Ｔｉ_27-40 −Ａｌ_4.5-10.5−Ｈｆ_1.5-5.5 Ｖ_0-6 Ｃｒ_4.5-8.5 を有するニオブベースのマトリックス金属に対する 強化用要素として有用な市販のニオブ基合金 合金名称 公称合金添加元素（重量％） ＦＳ８０ １Ｚｒ Ｃ１０３ １０Ｈｆ、１Ｔｉ、０．７Ｚｒ ＳＣｂ２９１ １０Ｔａ、１０Ｗ Ｂ６６ ５Ｍｏ、５Ｖ、１Ｚｒ Ｃｂ７５２ １０Ｗ、２．５Ｚｒ Ｃ１２９Ｙ １０Ｗ、１０Ｈｆ、０．１Ｙ ＦＳ８５ ２８Ｔａ、１１Ｗ、０．８Ｚｒ ＳＵ１６ １１Ｗ、３Ｍｏ、２Ｈｆ、０．０８Ｃ Ｂ９９ ２２Ｗ、２Ｈｆ、０．０７Ｃ Ａｓ３０ ２０Ｗ、１Ｚｒ これら市販の合金はいずれも主要合金成分としてニオブ
を含有しており、また体心立方晶の結晶構造をもってい
る。またこれらの合金はいずれも商用供給される合金に
不可避的に存在する通常の種類・濃度の不純物元素を含
有している。

【００２８】これらは、上記したように次式に示す組成
を有するニオブ‐チタンマトリックスを有する複合構造
材中で強化用要素として機能するのに充分な高温強度と
低温延性を有すると思われる合金である。 Ｎｂ−Ｔｉ_27-40.5 −Ａｌ_4.5-10.5−Ｈｆ_1.5-5.5 Ｖ_0-6 Ｃｒ_4.5-8.5 ここで、この金属／金属複合材の各金属は体心立方晶構
造をもっており、ＴｉとＮｂの濃度比（Ｔｉ／Ｎｂ）は
０．５以上であり、添加元素Ｈｆ＋Ｖ＋Ａｌ＋Ｃｒの最
大濃度は １６．５ ＋ ５ × Ｔｉ／Ｎｂ 以下である。

【００２９】強化用合金の繊維またはフィラメントの形
態は、少なくともひとつ小さい寸法があるような形態で
ある。言い換えると、強化用要素は繊維として存在する
ことができ、この場合繊維はひとつの大きい寸法とふた
つの小さい寸法をもつ。あるいは、リボンまたはディス
クまたは小さい板またはホイルとして存在することもで
き、この場合強化用構造材はひとつの小さい寸法とふた
つの大きい寸法をもつ。

【００３０】別のいくつかの実施例で、本発明の複合材
の別の製造法を例示する。実施例３ マトリックス合金と強化用合金の丸棒一束を同時押出し
することによって複合構造材を製造した。生成すべき複
合材のマトリックス（合金６と称する）はこの束のうち
の棒の数の約２／３に当たり、したがって複合材の容積
の２／３に相当していた。このマトリックス金属のチタ
ン／ニオブ比は０．５であった。

【００３１】このマトリックスは２７．５原子％がチタ
ン、５．５原子％がアルミニウム、６原子％がクロム、
３．５原子％がハフニウム、２．５原子％がバナジウム
であり、残部がニオブで、次式に相当していた。 Ｎｂ−Ｔｉ_27.5−Ａｌ_5.5 −Ｃｒ₆ −Ｈｆ_3.5 −Ｖ_2.5 この複合材の強化用成分の棒は、下記式に従って２０重
量％のタングステンと１重量％のジルコニウム（すなわ
ち、１１．２原子％のタングステンと１．１原子％のジ
ルコニウム）を含み残部がニオブであるＡＳ‐３０合金
であった。

【００３２】Ｎｂ‐Ｗ_11.2‐Ｚｒ_1.1 この複合材を形成するには、各々６０ミルの直径を有す
る強化材の棒約７０本とマトリックスの棒１４０本を使
用した。この２１０本の棒をマトリックス金属のスリー
ブ中に入れた。このスリーブとその中身をモリブデン製
の缶の中に封入して押出し用のビレットを形成した。次
いで、こうして組み立てたビレットをその中身と共に押
出し比１０：１で加工した。押出し品の断片を切り出
し、この断片を再び押出し比１０：１で再加工した。こ
うして材料棒の二回押出しを実施した。

【００３３】二回押出した後の各強化用繊維の計算上の
サイズは約１５０μｍであった。図８は、この構造材の
断面の一部の顕微鏡写真である。この顕微鏡写真から明
らかなように、材料の棒は丸棒としての形態を失ってい
た。さらに、複合材内部で材料棒から形成されたストラ
ンドの極めて不規則な形状が示しているように、多くの
場合棒として出発した要素は変形しており、場合によっ
ては他の要素とつながって図８の顕微鏡写真に見られる
ようなマトリックスストランドと強化材ストランドの不
規則なパターンを形成した。

【００３４】この不規則な断面が得られた理由は、伸長
（押出し）中の棒の横方向の動きを抑制するために伸長
した棒の形を整えたり間隙をより小さい直径の棒で埋め
たりといった手段をなんら講じなかったためである。複
合材とマトリックス材料から標準引張り試験棒を製造
し、引張り試験を行なった。その結果を下記表Ｖに示
す。 表 Ｖ 連続繊維で強化された合金とマトリックス合金の引張り試験結果 実 強 度 伸 び 施 温度 耐力 最 大 最大 破断 ＲＡ 例 サンプル 合 金 ℃ ksi ksi ％ ％ ％ 複合材 ３ 91-12/A AS-30/合金６ 70 121.0 121.0 0.2 0.2 1.5 91-12/B AS-30/合金６ 760 78.1 89.3 4.8 20.6 27.0 91-12/C AS-30/合金６ 980 43.7 44.3 3.8 48.5 50.0 91-12/D AS-30/合金６ 1200 22.5 25.4 2.7 65.5 56.0 マトリックス 91-32 合金６ 70 132.4 132.4 0.1 23.5 46.0 91-32 合金６ 760 83.1 92.1 1.7 48.3 64.0 91-32 合金６ 980 42.1 2.7 0.3 95.2 95.0 91-32 合金６ 1200 20.4 20.4 0.2 83.2 57.0 この表の耐力のデータをプロットしたグラフが図９であ
る。

【００３５】表Ｖのデータの比較から明らかなように、
複合材は、低めの温度ではマトリックスより強度が低い
が、高めの温度ではマトリックスより高い強度をもって
いる。複合材の最大強度は、１２００℃の試験温度では
マトリックスの最大強度より約２５％高い。複合材とマ
トリックスに対して別の試験を行なって破壊に対する相
対耐性を決定した。その試験結果を下記表VIに示す。 表 VI 連続繊維で強化された合金とマトリックス合金の破壊試験結果 実施例 サンプル 合 金 温度 ℃ 応力 ksi 寿命 （時間） 複合材 ３ 91-12 AS-30/合金６ ９８０ １２．５０ １２８２．３６ 91-12 AS-30/合金６ １１００ ８．００ １９２８．２０ 〜試験停止 マトリックス 91-32 合金６ ９８０ １２．５０ １．８６ 91-32 合金６ １１００ ８．００ ０．５７ 複合材とマトリックスのデータを比較すると明らかにな
るように、いずれの試験温度でも複合材には極めて顕著
な改良が見られる。高めの１１００℃の試験温度での改
良は数千％のオーダーである。実際、強化材の有益な効
果がすでに充分に示されたので試験を停止した。

【００３６】以上の実施例における強化材の形態は、伸
長した強化用ストランドの観点から検査したとき強化材
とマトリックスが本質的に同じ範囲に渡っているという
点で、基本的に連続である。このような複合材を本明細
書では連続複合材または連続の強化用部材を有する複合
材と呼んでいる。本発明に従って提供される複合構造材
の中には、強化用部材が不連続であるもうひとつ別のグ
ループもある。これらの複合材では、強化用ストランド
がマトリックス自体の全長に渡って伸びていないが、か
なりの長さまで伸びており、また、マトリックス内部で
かなりの幅に渡って伸びていてもよい。しかし、このよ
うな強化材は長さとか幅に対して厚さと呼称されるよう
な小さい寸法を少なくともひとつもっている。したがっ
て、本発明は不連続複合材、すなわち強化材が不連続で
ある複合材を包含する。この場合、強化材は小さいプレ
ート状またはある長さのリボンもしくはストランドまた
はホイルの形態であることができるが、マトリックスの
長い寸法の全長に渡って伸びていることはない。

【００３７】このような不連続強化材を有する複合材
は、本発明に従って、マトリックスと強化用金属の粉末
要素の混合物を作成することによって粉末冶金法で製造
できる。混合物中のマトリックスは強化材より大きい体
積分率でなければならない。マトリックスは任意の形状
と大きさの粉末、フレークまたはその他のマトリックス
要素でよいが、その形状と大きさはマトリックスが複合
材中で充分に相互接続した媒体となることができるもの
でなければならない。強化材は要素の混合物中でマトリ
ックスより小さい体積分率でなければならない。強化材
は粉末、またはフレーク、またはニードル、またはリボ
ンもしくはホイル断片、などでよい。例を挙げると、不
連続強化材を有する複合材は、マトリックス粉末と強化
材粉末を含む粉末混合物から、この粉末混合物を機械的
または熱機械的に加工して、粉末を圧密化すると共にそ
の粉末を少なくともひとつの長い寸法方向に伸長させる
ことによって製造できる。たとえば、マトリックス粉末
と強化材粉末の混合物から複合材を形成し、圧密化され
た粉末に押出しもしくは圧延作用または両者の作用をか
ける場合、マトリックスと強化材は圧延または押出しを
実施する方向に伸長する。このような作用の結果、押出
しまたは圧延の方向に伸長した不連続な強化用要素を有
する複合材が生成する。このような構造材はマトリック
ス材料自身と比較して優れた特性を有することが判明し
た。以下に、不連続な強化材を有する複合材を作成した
実施例をいくつか示す。実施例４〜６ 不連続複合材をいくつか製造した。そのために２組の合
金粉末を作成した。第一の組はマトリックス合金であ
り、第二の組は強化用合金であった。

【００３８】このマトリックス粉末は、チタンとニオブ
の比が０．８５のニオブ基合金の粉末であった。マトリ
ックス合金ＧＡＣと名付けたこの合金は次式で表わされ
る組成をもっていた。 マトリックス合金ＧＡＣ： Ｎｂ−３６．９Ｔｉ−８Ｃｒ−７．９Ａｌ−２Ｈｆ−２．０Ｖ この合金の粉末は、通常の不活性ガスアトマイゼーショ
ン法で製造した。

【００３９】また、ＡＳ−３０合金（組成は前記実施例
３に示した）のサンプルを、水素化‐脱水素化法で粉末
に変換した。この方法では、材料のビレットを９００〜
１，０００℃で水素にさらす。合金は水素を吸収して脆
化する。いったん脆化させたビレットをジョークラッシ
ャーまたはボールミルで粉砕して、ビレットの脆化した
合金から粉末を作成する。

【００４０】ビレットの微粉化後、粉末を９００〜１，
０００℃の温度で真空にして粉末から水素を除去し、金
属の延性を回復する。この方法によりＡＳ−３０合金を
粉末にした。全部で３つのマトリックス粉末のバッチと
強化材として機能させる粉末の３つのバッチを作成し
た。９１−１３、９１−１４および９１−２７と名付け
た粉末ブレンドの押出しによって不連続複合粉末サンプ
ルを作成した。

【００４１】ＧＡＣマトリックス合金粉末単独の押出し
によってマトリックス合金を製造し、その押出し品を９
１−２６とした。ここに記載の３つの実施例ではそれぞ
れ粉末混合物を作成した。第一の粉末混合物９１−１３
は、マトリックス合金が２／３で、水素化‐脱水素化法
で作成したＡｓ−３０金属が１／３であった。

【００４２】第二の粉末ブレンド（９１−１４とした）
では、マトリックス粉末が２／３で、水素化‐脱水素化
法で作成したＷＣ３００９粉末が１／３であった。粉末
の第三のバッチ（９１−２７とする）では、マトリック
ス粉末が２／３で、ＷＣ３００９球状粉末が１／３であ
った。この球状粉末は、ＷＣ３００９合金のビレットを
毎分約１２，０００回の速度で回転させるＰＲＥＰ（プ
ラズマ回転電極法）で調製した。ビレットが回転してい
る間にプラズマ炎中でビレットの端を融解させた。遠心
力により、ビレットが回転するにつれてビレット端部か
ら液体がほとばしり、この端部が融解するときのこの作
用によって金属がアトマイゼーションされて小さい液滴
となり、これがとんでいる間に凝固して球状粒子の微粉
になる。

【００４３】上記混合粉末またはブレンドの３つのバッ
チのそれぞれの粉末ブレンドを脱炭鋼製の缶に、この缶
を機械的に振動させながら注ぎ入れた。各缶への注入が
完了した後缶を排気して密封した。次に、各々の密封し
た缶を厚い壁をもつステンレス鋼製のジャケットに封入
してビレットを形成した。次いでこのビレットを熱間で
最大密度まで押し固めた後圧密化／押出しを組み合わせ
た操作により面積減少率を１０：１として熱間で押出し
た。

【００４４】このような手順により、個々の粉末ブレン
ドを熱と圧力で圧密化した後、圧密化された粉末ブレン
ドを押出して強化用粉末の粒子を変形させて強化用スト
ランドとして機能する細長い粒子とした。この複合材と
マトリックスに対して引張り試験を実施した。これらの
試験の結果を下記表VII に示す。 表 VII 繊維で強化されたマトリックス合金の不連続複合材の引張り試験結果 実 伸 び 伸 び 施 温度 耐 力 最 大 最 大 破 断 ＲＡ 例 サンプル 合 金 ℃ ｋｓｉ ｋｓｉ ％ ％ ％ 複合材 ４ 91-13/1C AS-30/ 70 降伏 92.0 0.002 0.002 1.5 合金GAC せず 91-13/2I AS-30/ 760 83.2 88.2 1.0 1.8 5 合金GAC 91-13/2J AS-30/ 980 38.3 38.7 0.4 15 16 合金GAC 91-13/2F AS-30/ 1200 18.3 19.1 1.1 33 29 合金GAC 複合材 ５ 91-14/2L WC-3009/ 70 136.8 139.3 2.2 14 27 合金GAC 91-14/2K WC-3009/ 760 92.5 100.3 1.9 20 25 合金GAC 91-14/1O WC-3009/ 980 46.3 46.5 0.3 20 15 合金GAC 91-14/2N WC-3009/ 1200 23.7 26.9 1.5 23 16 合金GAC マトリックス 91-26/D 合金ＧＡＣ 70 144.5 144.5 0.1 8 22 91-26/C 合金ＧＡＣ 760 93.1 95.8 0.6 54 69 91-26/B 合金ＧＡＣ 980 29.2 29.2 0.2 112 95 91-26/A 合金ＧＡＣ 1200 10.9 10.9 0.2 207 97 複合材 ６ 91-27/D WC-3009/ 70 134.2 135.6 1.7 16 31 合金GAC 91-27/E WC-3009/ 760 87.9 96.3 1.6 14 18 合金GAC 91-27/H WC-3009/ 980 42.6 42.9 0.4 14 14 合金GAC 91-27/J WC-3009/ 1200 23.0 25.0 1.0 19 11 合金GAC 上の表VII に示したデータから明らかなように、３種い
ずれの複合材のサンプルも室温の耐力はマトリックス自
身の耐力より低い。しかし、９８０℃と１２００℃の試
験データはすべて、これらの複合構造材がマトリックス
材料より高い耐力をもっていることを立証している。さ
らに、表VII に示した結果から明らかなように、最大引
張り強さは、室温の試験条件では実施例４、５、６の方
がマトリックス合金ＧＡＣより低いが、１２００℃の高
温では実施例４、５、６の方がマトリックス合金ＧＡＣ
より高い。

【００４５】複合材とマトリックス構造材について一連
の比較破壊試験も実施した。結果を下記表VIIIに示す。 表 VIII 不連続繊維で強化された合金とマトリックス合金に対する破壊試験結果 例 サンプル 合 金 温度 ℃ 応力ｋｓｉ 寿命（時間） 複 合 材 ４ 91-13 AS-30/合金GAC ９８０ １２．５０ １５．８０ 91-13 AS-30/合金GAC １１００ ８．００ ７．８７ 91-13 AS-30/合金GAC ９８０ １０．００ １０３．７４ 91-13 AS-30/合金GAC １１００ ５．００ ５９４．５５ 複合材 ５ 91-14 WC-3009/合金GAC ９８０ １２．５０ ２０．５２ 91-14 WC-3009/合金GAC １１００ ８．００ １０．６〜 １９．２ 91-14 WC-3009/合金GAC ９８０ １０．００ ３４．０９ 91-14 WC-3009/合金GAC １１００ ５．００ ７３．２９ マトリックス 91-26 合金ＧＡＣ ９８０ １２．５０ １．０５ 91-26 合金ＧＡＣ １１００ ８．００ ０．２５ 複合材 91-27 WC-3009/合金GAC ９８０ １２．５０ ７．９４ 91-27 WC-3009/合金GAC １１００ ８．００ ８．９７ 上の表VIIIに示したデータから明らかなように、９８０
℃と１１００℃の温度での破壊試験値は、実施例４、
５、６の複合構造材の方がマトリックス合金ＧＡＣのサ
ンプルよりかなり高い。

【００４６】したがって、表VII とVIIIのデータから明
らかなように、強度や破壊寿命などの性質をマトリック
スのものと比較して見ると不連続複合材では大幅に改良
されている。一般に、本発明の複合材では、優れた性質
が強化用セグメントの長い方の寸法の方向に配向されて
いる。すでに指摘した通り強化材は、長い寸法をひとつ
と短い寸法をふたつもっているストランドの形態であっ
ても、小さい寸法をひとつとかなり大きめの寸法をふた
つ有するリボンまたは小さいプレートまたはホイルの形
態であってもよい。

【００４７】本発明の複合構造材は、３つの大きな寸法
をもっている強化された物品はもちろん、強化された棒
または強化されたストリップまたは強化されたシートに
形成することができる。本発明の物品を棒に成形する例
として、押出し加工を使用する場合を上に例示した。同
様な方法でストリップまたはシートの物品も形成するこ
とができる。いずれの場合も、強化用金属は、体心立方
晶の結晶形を有する強化用金属として前記表にまとめて
示したようなニオブベースの金属でなければならない。
マトリックスと強化用コアの両方が体心立方晶形を有す
るニオブベースの金属であり、マトリックス金属が次式
に合致する複合物品を形成するのに使用できる方法の中
には、押出し、圧延、スエージ加工がある。

【００４８】 Ｎｂ−Ｔｉ_27-40.5 −Ａｌ_4.5-10.5−Ｈｆ_1.5-5.5 Ｃｒ_4.5-8.5 Ｖ_0-6 ここで、この金属／金属複合材の各金属は体心立方晶構
造をもっており、ＴｉとＮｂの濃度比（Ｔｉ／Ｎｂ）は
０．５以上であり、添加元素Ｈｆ＋Ｖ＋Ａｌ＋Ｃｒの最
大濃度は １６．５ ＋ ５ × Ｔｉ／Ｎｂ 以下である。

【００４９】これらの構造材の強化材は、小さい寸法を
少なくともひとつ有する多くの要素の形態になるように
分配されている。本明細書中ではそのような要素を強化
材のストランドという。このようなストランドは（たと
えば、粉末混合物の圧延や押出しによって得られる）リ
ボンまたはリボンセグメントまたは繊維またはフィラメ
ントまたは小さいプレートまたはホイルまたは糸などの
形態とすることができ、これらはすべて小さい寸法を少
なくともひとつもっており、したがっていずれも本明細
書ではストランドという。

【００５０】そのようなストランドが数多くマトリック
ス中に分配されておりマトリックス材料によって互いに
本質的に分離されていることのひとつの利点は、個々の
ストランドが酸化に暴露された場合、他のマトリックス
材料内部に個別に封入されている他のストランドのすべ
てをそのような酸化に対してさらすことなくそのストラ
ンドだけが酸化されるようにすることができるという点
である。したがって他のストランドの強化機能は保存さ
れる。

【００５１】さらにこの点に関して、本発明の構造材の
本質的な利点は、強化材がうまく分配された状態でマト
リックス内に配合されている点にあることが分かる。た
とえば、実施例１と２で強化用に用いた棒は中心に７番
目の棒がある円形パターンに分配されている。実施例３
では図８に示されているようにそれよりランダムなパタ
ーンに分配されており、実施例４〜６では横方向と縦方
向のいずれにもさらにランダムに強化材が分配されてい
る。一般にこのようにマトリックス中に分配された形態
の強化材はその複合材の性質を高めることが示された。

【００５２】また、一般に強化材は複合物品の使用中強
化材として存続しなければならない。この意味するとこ
ろは、マトリックス中の強化材の寸法が充分に大きく
て、その強化用要素がマトリックス中に拡散して別個の
ニオブ基合金としての存在が分からなくなってしまうよ
うなことがあってはならないということである。拡散の
程度は、もちろん、その目的用途に使用中の複合材の温
度に依存するし、またそのように使用している間複合材
が高温にさらされる時間にも依存する。融点が約１９０
０℃のマトリックスと、融点が約２４７５℃の強化相と
から形成された複合材の場合、通常の計算に基づいて最
初に評価すると、直径すなわち太さが約２０μの強化用
ストランドを有する複合構造材は、１２００℃では１０
００時間以上、１４００℃では１０００時間に近い時
間、実質的な相互拡散に対して安定であろう。

【００５３】したがって、複合材が非常に高い温度にさ
らされることになる場合、相互拡散が起こってもそれに
よって強化用要素がマトリックス中で完全に均質化され
ることのないように、大きめの断面寸法を有する強化用
要素で複合材を形成するのが好ましい。特定の時間と温
度の組み合わせで使用するのに必要とされる強化用要素
の寸法は、二、三の予備実験と通常の拡散計算によって
決定することができる。本明細書中で以上に記載した説
明に基づきそのような試験、近似計算および決定を行な
うのに必要なパラメーターはすべてそれをめざすユーザ
ーにとって入手可能であるからである。たとえば、断面
寸法が５ミクロン程度に小さい強化用要素は、約１００
０℃以下の温度で長時間有効に使用することができる。
しかし、これと同じ強化用要素を１４００℃を越える温
度に同じ時間保って見ると強化材はマトリックス中で均
質化されてしまう。本発明の実施法の特定の例として、
実施例１と２の複合材の強化用要素は直径約１２ミル
（約３００ミクロンに等しい）であったが、このような
強化材は、複合材の改良された性質をあまり損なうこと
なく、マトリックスと強化用要素との界面で多少の相互
拡散が起こるまでの時間高温で使用することができる。

【００５４】一般に、強化用要素は、マトリックスとそ
のマトリックスに含まれる強化用要素との間に比較的大
きな界面面積ができるようにマトリックス内に分配する
のが望ましい。この界面の程度は、基本的に、含まれて
いる強化材の表面積の大きさに依存する。表面積が大き
くなれば、強化材の細分割の程度を高くする必要があ
る。

【００５５】ある複合材のマトリックス内にある強化材
の細分割の程度を記載するのに、便宜上強化比Ｒを使用
する。この強化比Ｒは、強化材の体積（立方センチメー
トル）に対する強化材の表面積（平方センチメートル）
の比である。すなわち、強化比Ｒは次のように表わされ
る。 Ｒ＝（表面積ｃｍ² ）／（体積ｃｍ³ ） この比の使用法の一例として一辺が１ｃｍの中実立方体
の強化材を考える。この強化材の体積は１ｃｍ³ であ
る。比Ｒは、表面積６ｃｍ² を体積すなわち１ｃｃで割
ることによって求められる。したがってこの比Ｒは６と
なる。一辺が２ｃｍの立方体の強化材の場合、６つの面
の表面積はそれぞれ４平方ｃｍであり、合計で２４ｃｍ
² となる。一辺が２ｃｍの立方体の体積は８立方ｃｍで
あるので、一辺２ｃｍの立方体の場合比Ｒは２４／８＝
３である。一辺が３ｃｍの立方体では比Ｒが５４／２７
＝２である。このデータから明らかなように、ある表面
内にある強化材のかさが増大する（そして、細分割の程
度が低下する）につれて比Ｒは減少する。本発明で目指
しているものは、強化材の細分割の程度が低いものでは
なくて細分割の程度が高い複合構造材である。

【００５６】この比の別の一例として、マトリックス中
に埋め込まれており、上記の例のように少ない場合では
なくてたくさん分配されている強化材のスラブを考え
る。このスラブはたとえば長さ４０ｃｍ、幅２０ｃｍ、
厚さ１ｃｍとすることができる。このようなスラブの表
面積は１７２０ｃｍ² 、体積は８００ｃｍ³ である。こ
のスラブの強化比Ｒは１７２０／８００＝２．１５であ
る。このスラブの厚みが半分に減ると比Ｒは１６６０／
４００＝４．１５となる。またスラブの厚みをさらに減
らして１ｍｍにすると比Ｒは１６１２／８０＝２０．１
５になる。

【００５７】前記実施例１と２の強化材の厚み（直径）
は約１２ミルである。１２ミルは約３００ミクロンであ
り、３００ミクロンは０．３ｍｍである。上記例で約
０．３ｍｍの強化材の比Ｒは約１６０４／２４＝約６７
である。しかし、実施例１と２の場合強化材はホイルの
形態ではなくフィラメントの形態で存在していた。一般
に、一列に並んだフィラメントまたはストランドは、ホ
イルより表面積が大きく、またホイルより強化材の体積
が小さい。マトリックス内にひとつの層として一列に配
置された直径０．３ｍｍの円筒フィラメント状強化材は
比Ｒが１００以上になるであろう。

【００５８】前記実施例１と２の場合、フィラメントは
マトリックス中で一列に並んで一層を構成していること
はなく、実際約１６容量％の程度までしか存在していな
かった。にもかかわらず、実施例１と２の強化材は複合
材の性質、特に破壊特性を改良するのに明らかに有効で
あった。強化比Ｒは複合材中に存在する強化材の体積分
率も実際の量も表わすものではなく、そのつもりもない
ことを理解されたい。むしろ、強化比Ｒは存在する強化
材の細分割の程度と状態を定義するものであり、この程
度は強化材の体積に対する強化材の表面積の比で表わさ
れる。強化材の細分割の程度を例示すると分かり易いで
あろう。

【００５９】上述のように、１立方センチメートルの１
個の強化材は表面積が６ｃｍ² 、体積が１ｃｍ³ （１ｃ
ｃ）である。この強化材をその垂直の軸に対して平行に
０．１ｍｍの間隔で９９回垂直に切り分けて厚さが０．
１ｍｍの１００枚の薄い強化材を作成すると、強化材の
表面積は１９８ｃｍ² （一回切る毎に２ｃｍ² ）増加す
るが強化材の体積はまったく増大しない。言い換える
と、強化材の細分割の程度、したがってその表面積は増
大するがその体積は増大しないのである。この例の場
合、強化比Ｒは最初の強化材の６から切断後の強化材の
２０４まで増大するが、強化材の量自体はまったく増え
ていない。

【００６０】本発明では、強化比が低くなくて高くなる
ように細分割された形態の強化材を使用するのが望まし
い。５０を越える強化比Ｒが望ましく、１００を越える
比が好ましい。また、この細分割された強化材はマトリ
ックス内で、改良された性質が望まれる部分すべてに分
配するのが望ましい。多くの複合構造材で、強化材は最
も外側の部分には伸び出さないようにすべきである。こ
れらの部分は大気にさらされるからである。この最も外
側の部分は保護性の高い次のマトリックス合金であるの
が好ましい。

【００６１】 Ｎｂ−Ｔｉ_27-40.5 −Ａｌ_4.5-10.5−Ｈｆ_1.5-5.5 Ｃｒ_4.5-8.5 Ｖ_0-6 ここで、この金属／金属複合材の各金属は体心立方晶構
造をもっており、ＴｉとＮｂの濃度比（Ｔｉ／Ｎｂ）は
０．５以上であり、添加元素Ｈｆ＋Ｖ＋Ａｌ＋Ｃｒの最
大濃度は １６．５ ＋ （５ × Ｔｉ／Ｎｂ） 以下である。

【００６２】さらに、強化材は複合材の半分未満の体積
分率で存在しなければならない。この点重要なことは、
マトリックスは複合材の連続相を構成し、不連続相は構
成しないということである。充分に分配された強化材の
場合、性質の改良は５％以上の体積分率で達成すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の方法によって製造したビレットの断面
の結晶構造の顕微鏡写真である。

【図２】マトリックスと埋め込まれた強化材の粒度を熱
処理温度に対してプロットしたグラフである。

【図３】複合材の室温伸びを熱処理温度に対してプロッ
トしたグラフである。

【図４】複合材の室温伸びを粒度に対してプロットした
グラフである。

【図５】複合材の耐力を試験温度に対してプロットした
グラフである。

【図６】複合材の破壊に至るまでの伸びを試験温度に対
してプロットしたグラフである。

【図７】複合材の応力破壊寿命に関する比較データを挙
げたラーソン‐ミラー(Larson-Miller) グラフである。

【図８】連続複合構造材の断面の結晶構造の顕微鏡写真
である。

【図９】耐力を試験温度に対してプロットしたグラフで
ある。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 メルヴィン・ロバート・ジャクソン アメリカ合衆国、ニューヨーク州、スケネ クタデイ、ニスカユナ・ドライブ、2208番 (72)発明者 ジョン・レイモンド・ヒューズ アメリカ合衆国、ニューヨーク州、スコテ ィア、グレン・テラス、３番

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 １，０００℃を越える温度での使用に適
   した金属‐金属複合構造材であって、 式 Ｎｂ−Ｔｉ_27-40.5 −Ａｌ_4.5-10.5−Ｈｆ_1.5-5.5 Ｃｒ_4.5-8.5 （式中、数字は原子％であり、この金属／金属複合材の
   各金属は体心立方晶構造をもっており、ＴｉとＮｂの濃
   度比（Ｔｉ／Ｎｂ）は０．５以上であり、添加元素Ｈｆ
   ＋Ｖ＋Ａｌ＋Ｃｒの最大濃度は １６．５ ＋ ５ × Ｔｉ／Ｎｂ 以下である）に合致する組成を有するマトリックス合金
   を主体とし、その主体マトリックス中に、体心立方晶の
   結晶形を有するニオブ基金属の延性な強化用ストランド
   構造体が多数分配されていて複合材を形成しており、こ
   の複合材が延性であり、１，０００℃を越える温度でマ
   トリックス合金より高い引張り強さと破壊強さを有して
   いることを特徴とする構造材。
2. 【請求項２】 マトリックス合金が、式 Ｎｂ−Ｔｉ_27-40.5 −Ａｌ_4.5-10.5−Ｈｆ_1.5-5.5 Ｃｒ_4.5-8.5 Ｖ_0-6 （この金属／金属複合材の各金属は体心立方晶構造をも
   っており、ＴｉとＮｂの濃度比（Ｔｉ／Ｎｂ）は０．５
   以上であり、添加元素Ｈｆ＋Ｖ＋Ａｌ＋Ｃｒの最大濃度
   は １６．５ ＋ ５ × Ｔｉ／Ｎｂ 以下である）に合致する、請求項１記載の構造材。
3. 【請求項３】 マトリックス合金が、式 Nb−Ti_27-40.5 −Al_4.5-10.5−Hf_1.5-5.5 Cr_4.5-8.5 V_0-6 Zr_0-1 C_0-0.5 （この金属／金属複合材の各金属は体心立方晶構造をも
   っており、ＴｉとＮｂの濃度比（Ｔｉ／Ｎｂ）は０．５
   以上であり、添加元素Ｈｆ＋Ｖ＋Ａｌ＋Ｃｒの最大濃度
   は １６．５ ＋ ５ × Ｔｉ／Ｎｂ 以下である）に合致する、請求項１記載の構造材。
4. 【請求項４】 強化材が少なくとも５容量％存在する、
   請求項１記載の構造材。
5. 【請求項５】 強化比Ｒが少なくとも５０である、請求
   項１記載の構造材。
6. 【請求項６】 強化比Ｒが少なくとも１００である、請
   求項１記載の構造材。
7. 【請求項７】 複合構造材の最も外側の部分がマトリッ
   クス材料のみである、請求項１記載の構造材。
8. 【請求項８】 ニオブ基強化用合金がＷＣ３００９であ
   る、請求項１記載の構造材。
9. 【請求項９】 ニオブ基強化用構造体がＡＳ−３０であ
   る、請求項１記載の構造材。
10. 【請求項１０】 複合材が１４００℃までの温度で使用
    され、各ストランドが少なくとも２０ミクロンの最小寸
    法をもっている、請求項１記載の構造材。