JPH06264167A - 高温強度に優れたＴｉＡｌ金属間化合物基合金 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 800 ℃における0.2 ％耐力が500MPa以上のTi
Al金属間化合物を提供する。 【構成】 重量％で、Alを28〜38％、Hfを4.5 ％超9.0
％未満含有し、さらに所望により、Ｂ、ＣおよびSiから
成る群から選んだ少なくとも１種合計重量％で0.01〜0.
5 ％、および／または、Nb、Mo、TaおよびＷから成る群
から選んだ少なくとも１種合計原子％で0.1 〜12.0％含
有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、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積極的な利用
の予想されているTiAl金属間化合物基合金、特に、高温
強度に優れたTiAl金属間化合物基合金( 以下、単に「Ti
Al基合金」ともいう) 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、つまりTiAl金属間化合物基合金は将来のジェ
ットエンジンのブレードやベーン、自動車のエンジンの
排気バルブ、ターボチャジャー用の材料として期待され
ている。

【０００３】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、常温延性や破壊靱性に乏し
いという欠点を有している。また、高温における耐酸化
性も改善する必要がある。これまでにこれらの問題点を
改善することを目的に多くの研究が進められており、現
在までに常温延性や耐酸化性を改善するためにこれらの
材料の化学成分や組織制御により調整が試みられてい
る。

【０００４】例えば、常温延性については、TiAl金属間
化合物の化学量論組成から若干Ti-rich 側にずらした成
分、例えば48at％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AlTi
(γ) 相の他に少量のTi₃Al(α₂)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基合金はこ
のような２相組織を呈するものがほとんどである。

【０００５】また、このベース成分に第３元素として数
％までのＶ、Mn、Cr、Mo等の元素を添加する手法も取ら
れる。なお、組織調整については、多結晶材において全
面がラメラ組織では常温延性が得られにくいため、加工
や熱処理により組織の微細化を行うことが提案されてお
り、得られる組織としては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。

【０００６】一方、耐酸化性の改善にはNb、Ta、Ｗ、Mo
の元素の添加が有効と報告されている。以上について
は、文献１: “Progress in the Understanding of Gam
ma Titanium Aluminide", J.Metals (August, 1991) p.
40〜47を参照。

【０００７】一方、TiAl基合金は耐熱材料として期待さ
れているものの、その使用温度は最高800 ℃程度とされ
ている。したがってその耐熱性がさらに向上し、最高使
用温度が向上すれば、軽量性を十分いかしてこの材料の
産業利用分野が大きく拡大することが予想される。

【０００８】しかしながら、現在のところこの材料の開
発は上記のような常温延性や耐酸化性の改善を目的とす
るものがほとんどであり、耐熱性をさらに向上するため
の開発はほとんど行われていないのが実情であるが、重
要な開発課題である。従来にあっても、TiAl基合金に多
くの合金元素を配合することが公知であることはすでに
述べた通りであり、その他の合金元素として、例えば、
Hfについては常温における曲げ強度と曲げ破壊歪みへの
影響について調査されており、Hfの添加により曲げ強度
は向上するが、曲げ破壊歪みは低下することが示されて
いる。(文献２: Parameters for Ductility Improvemen
t in TiAl, Mat. Res. Soc. Symp. Proc., Materials R
esearch Society, (1989), p.329 〜335)。また、この
曲げ強度の上昇はその中で調査されたCrの効果と同等あ
るいはそれ以下であるが、高温強度への効果については
記述されていない。

【０００９】特開平１−255632号公報 (文献３) におい
ては常温靱性 (実際には常温引張伸び) の向上を目的と
したＹとReを主要合金元素とするTiAl基合金において、
Cr、Ta、Zn、Co、Ni、Ｗ、Nb、Ｖ、Mn、Zr、Hf、Mo、Fe
およびHfの少なくとも１種を0.1 〜５重量％添加すると
の記述があるが、これらの元素はすべて強度向上の効果
があるとしているが、主要な合金元素ではなく、必要に
応じて添加するとしており、また、高温強度に対する効
果については記述されていない。

【００１０】また、特開平３−226538号公報 (文献４)
においては常温破壊靱性、高温強度、耐高温酸化特性の
バランスの向上を目的としたNb、Si、Zr、Snを主要合金
元素とする合金において、さらにＶ、Mo、Ｗ、Taと並ん
で0.1 重量％で所定の関係式を満足させるようなHfの添
加について記述があり、常温破壊靱性と高温強度向上の
効果があり、添加量が多くなると高温強度が低下すると
の記述がある。この場合も主要な合金元素ではなく、補
助的に添加されている。

【００１１】特開平３−257130号公報 (文献５) におい
てはクリープ破断強度の向上を目的として (Mn、Cr、F
e、Mo) と (Nb、Ta、Zr、Hf) の各々のグループから１
種または２種以上を0.2 〜４％添加するという記述があ
る。実施例においては各々の添加元素は高々２重量％で
あり、Hfについては0.3 ％である。Mo、Ｂ、Ｃ、Siにつ
いては著者らによる特開平１−298127号公報 (文献６)
において、高温強度を低下させずに常温延性を改善する
のに効果があることが記述されている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本発明の一般的目的
は、TiAl金属間化合物基合金の用途拡大の観点から重要
である常温強度を最大限に高めることのできるTiAl金属
間化合物基合金を提供することである。本発明の具体的
な目的は、800 ℃における0.2 ％耐力が500MPa以上のTi
Al金属間化合物基合金部材を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、かかる目
的達成のために種々検討を重ね、ある限られた範囲のHf
量のTi-Al-Hf系において高温強度が改善され、さらに
Ｂ、ＣおよびSiから成る群から選んだ少なくとも１種お
よび／または、Nb、Mo、TaおよびＷから成る群から選ん
だ少なくとも１種を添加することによりさらに高温強度
が改善されることを知り、本発明を完成した。

【００１４】ここに、本発明の要旨とするところは、重
量％で、Alを28〜38％、Hfを4.5 ％超9.0 ％未満含有
し、さらに所望により、Ｂ、ＣおよびSiから成る群から
選んだ少なくとも１種合計重量％で0.01〜0.5 ％、およ
び／または、Nb、Mo、TaおよびＷから成る群から選んだ
少なくとも１種合計重量％で0.1 〜12.0％をさらに配合
し、残部がTiおよび不可避不純物から成る高温強度に優
れたTiAl金属間化合物基合金である。

【００１５】さらに、本発明の好適態様によれば、本発
明は上記組成のTiAl金属間化合物基合金であって、800
℃における0.2 ％耐力が500MPa以上のTiAl金属間化合物
基合金部材である。

【００１６】したがって、本発明にかかるTiAl基合金
は、最高800 ℃の加熱状況下で使用できることから、別
の面から言えば、本発明は、上記合金組成を有する、80
0 ℃における0.2 ％耐力が500MPa以上である、最高800
℃以上の加熱状況下で使用される、TiAl金属間化合物基
合金部材である。

【００１７】上記部材の好適例としては、本発明にかか
るTiAl金属間化合物基合金は軽量性と耐熱性が優れるこ
とから、本発明は最高で800 ℃以上の加熱状況下で使用
されるジェットエンジン部材や高速航空機の機体等の部
材である。

【００１８】

【作用】次に、本発明において合金組成を上述のように
限定した理由を詳述する。 (a) Al:AlはTiAl基を構成する主元素であり、28重量％
未満ではTi₃Al が大量に生成し、高温強度が低下する。
また、38重量％超ではTiAl相が脆くなり過ぎ、高い高温
強度が得られない。したがってAl含有量は28〜38重量％
とする。

【００１９】(b) Hf:Hfは本発明の特徴をなす元素であ
り、TiAl相と２相状態において存在する場合にはTiAl相
を固溶強化することにより、高温強度を著しく向上させ
る効果がある。添加量は4.5 重量％以下では特に高温強
度に寄与する固溶強化の効果が現れず、9.0 重量％以上
ではTi₃Al 相が大量に生成するようになり、高温強度が
低下する。また、Hfは比重が13.3g/cm² と大きいために
多量の添加はTiAlの軽量性を損なうので好ましくない。
従って、Hf含有量は4.5 ％超、9.0 重量％未満とする。
好ましくは、5.0 〜8.0 重量％である。

【００２０】(c) Nb、Mo、Ta、Ｗ:これらの元素も同様
に固溶強化により高温強度を向上させる効果があるた
め、Hfと複合添加することにより高温強度はさらに向上
する。また、これらの元素は耐酸化性も向上させる作用
があり、耐熱材料のTiAlにとって効果的な添加元素であ
る。添加量はHfに加えて12.0重量％超のこれらの元素の
添加はβ−Ti相が大量に生成するようになり、高温強度
が低下する。また、これらの元素は比重が大きいために
多量の添加はTiAlの軽量性を損なうので好ましくない。
したがってこれらの元素の添加量は0.1 〜12.0重量％と
する。

【００２１】(d) Ｂ、Ｃ、Si:これらの元素は固溶強化
あるいは各々ホウ化物、炭化物やシリサイドの析出硬化
により高温強度の向上に寄与する。これら元素の含有量
が0.01重量％未満では固溶強化が十分起こらず、高温強
度の向上に寄与しない。一方、0.5 重量％超では析出量
が多くなりすぎ、脆化が起こるので避ける必要がある。
したがって、Ｂ、Ｃ、Si少なくとも１種の添加量の合計
は0.01から0.5 重量％とする。

【００２２】なお、本発明による高い高温強度は上記合
金元素の固溶強化あるいは析出効果に起因するものであ
るため、本発明の相対的な効果、つまり他の合金成分か
らの優位性は鋳造法、粉末冶金法や鋳塊−塑性加工等の
製造法には左右されない。次に、実施例によって本発明
の具体的作用効果を説明する。

【００２３】

【実施例】原料として純度99.7％以上のスポンジチタ
ン、純度99.99 ％のアルミニウム、純度99.7％以上のス
ポンジハフニウム、純度99.9％のNb、Ta、Ｗ、Mo−45重
量％Alの母合金、純度99.99 ％の金属シリコン、TiB₂粉
末およびTiＣ粉末を用いて、非消耗電極式Arアーク溶解
により表１に示す化学成分を有する鋳塊 (75×95×12m
m) を溶製した。

【００２４】TiAl基合金部材を鋳造でつくる場合を想定
して、これらの鋳塊より外径４mm、標点間距離が16mmの
ネジ付き丸棒引張試験片を採取した。引張試験の温度は
TiAlの最高耐用温度といわれる800 ℃とし、歪速度は10
^-4ｓ^-1として引張試験を実施した。上記引張試験の結果
を表１および表２に併せて示した。

【００２５】

【表１】

【００２６】

【表２】

【００２７】表１のNo.1〜４に示すように、合金元素を
添加しない場合には800 ℃における0.2％耐力は400MPa
未満であるのに対し、これにHfを添加することで、No.5
〜６に示すように400MPa以上となる。しかし、これでも
まだ不十分であって、No.7〜９に示すようにAl 28 〜38
％、Hf 4.5％超9.0 ％未満の範囲ではじめて800 ℃にお
ける 0.2％耐力が500MPa以上となるのである。特にNo.1
0 〜12と対比するときに本発明で規定する合金組成の臨
界性が明瞭となる。同様にして、他の合金元素との配合
組成割合の臨界性も明瞭である。

【００２８】

【発明の効果】以上に述べたように、結果より本発明合
金は従来の２元系TiAl基合金と比較して著しく高温強度
が増加していることがわかる。本発明によればTiAl金属
間化合物の実用化上の重要な特性である耐熱性を現在80
0 ℃未満、通常は、700 〜750℃といわれる耐用温度を
大きく向上させることが可能であり、本材料の工業材料
としての応用分野の拡大に大きく貢献するものである。

【００２９】特に、ジェットエンジン用部材として使用
される場合、そのすぐれた高温強度が十分に生かされ従
来一般のチタン合金から構成していた場合と比較して軽
量化と同時に耐熱性向上の利益が得られる。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量％で、Alを28〜38％、Hfを4.5 ％超
   9.0 ％未満含有し、残部がTiおよび不可避不純物から成
   る高温強度に優れたTiAl金属間化合物基合金。
2. 【請求項２】 さらに、Ｂ、ＣおよびSiから成る群から
   選んだ少なくとも１種合計重量％で0.01〜0.5 ％、およ
   び／または、Nb、Mo、TaおよびＷから成る群から選んだ
   少なくとも１種合計重量％で0.1 〜12.0％含有する、請
   求項１記載のTiAl金属間化合物基合金。
3. 【請求項３】 請求項１または２の合金組成を有し、80
   0 ℃における0.2 ％耐力が500MPa以上であって、最高80
   0 ℃以上の加熱状況下で使用されるTiAl金属間化合物基
   合金部材。