JPH07242967A - 高温高強度TiAl基合金 - Google Patents

高温高強度TiAl基合金

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JPH07242967A
JPH07242967A JP6054807A JP5480794A JPH07242967A JP H07242967 A JPH07242967 A JP H07242967A JP 6054807 A JP6054807 A JP 6054807A JP 5480794 A JP5480794 A JP 5480794A JP H07242967 A JPH07242967 A JP H07242967A
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健紀 橋本
Minoru Shinki
稔 信木
Morihiko Nakamura
森彦 中村
Haruo Doi
晴夫 土肥
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    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 軽量耐熱材料の常温伸びを十分に確保しつ
つ、高温強度特性を向上させる。 【構成】 Tiを46〜54モル%及びAlを46〜5
2モル%含有させ、さらにSbを0.1〜1モル%添加
するとともに、Hf又はZrのいずれか1種の元素を0
〜3モル%、あるいはHf及びZrを合計で0〜3モル
%添加して、γ相,α2 相及びSb−rich相の3相を共
存させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【産業上の利用分野】この発明は、高温高強度TiAl
基合金に関するものである。さらに詳しくは、この発明
は、十分な常温伸びを有するとともに、高温強度特性に
も優れたTiAl基合金に関するものである。
【従来の技術とその課題】耐熱材料の軽量化は、航空・
宇宙関連機器やエンジン機器などのエネルギー効率の向
上に重要とされている。このため、従来より、Ti−A
l系金属間化合物が候補材料として注目されており、そ
の実用化への検討が精力的になされてきている。そし
て、TiAl系合金については、これまでにその実用化
に際して障害となる常温延性や成形加工性などの諸問題
が克服されつつあり、現在では、より向上させた高温強
度特性の開発が要望されている。このようなTiAl系
合金の高温高強度化に向けて、従来では、C,N,O等
の添加によって微細粒子を析出させたり、あるいはN
b,Ta等の元素を3〜10%固溶させるなどの試みが
行われている。しかしながら、前者の場合には、析出す
る微粒子が1000℃程度の高温において不安定とな
り、高温高強度の実現は達成されていないのが実情であ
り、後者の場合には、一応、高温高強度特性が実現され
てはいるものの、実用化に際しては、製造コスト並びに
軽量化の点において改善される必要がある。この他、T
iB2 の分散強化という手法も提案されているが、実際
には、サブミクロンの微細粒子の分散に成功してはいな
い。この発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたも
のであり、従来のTiAl系合金の欠点を解消し、2%
以上の十分な常温伸びを確保しながらも、高温高強度化
を図ることができ、しかもそれを経済的に実現すること
のできる、高温高強度TiAl基合金を提供することを
目的としている。
【課題を解決するための手段】この発明は、上記の課題
を解決するものとして、Tiが46〜54モル%及びA
lが46〜52モル%含有されたTiAl基合金であっ
て、このTiAl基合金にはSbが0.1〜1モル%添
加されるとともに、Hf又はZrのいずれか1種の元
素、あるいはHf及びZrが合計で0〜3モル%添加さ
れ、γ相,α2 相及びSb−rich相の3相が共存してい
ることを特徴とする高温高強度TiAl基合金を提供す
る。また、この発明の高温高強度TiAl基合金は、常
温延性を確保するために、α2 相及び微細粒のSb−ri
ch相が体積%で、各々、2〜10%の割合でγ相とともに
共存することをその好適な一態様としてもいる。
【作用】上記の通りのこの発明の合金においては、軽量
耐熱材料として従来知られているTi−Al系化合物の
1000〜1100℃における高温強度と比較して、極
めて高い値を示し、通常のアーク溶解法等により製造で
き、しかも常温においてTiAl−γ単相合金より優
れ、実用化に必要となる2%以上の伸びを有する。すな
わち、この合金は、γ相(L10 構造)をベースとし、
α2 相(DO19構造)およびSb−rich相(C16構造)
の3相が共存する組成であるために、この材料の使用温
度範囲(1100℃以下)において組織は極めて安定で
ある。また、1100〜1350℃における熱処理によ
り、サブミクロンの微細粒Sb−rich相の分散と適量の
板状α2 相の生成が容易に形成され、常温延性と高温・
高強度特性を兼備えている。さらに詳しく説明すると、
Tiを46〜54モル%及びAlを46〜52モル%含
有するTiAl基合金において、γ相(L10 構造)を
ベースとして板状のα2 相(Ti3 Al相,DO19
造)が析出するため、常温伸びを2%以上有し、常温延
性を十分に確保することができる。そして、このα2
は、体積%で2〜10%合金中に含まれていることが常
温延性の確保には望ましい。また、0.1〜1モル%と
いう少量のSbの添加により、合金の固溶強化ととも
に、たとえば10〜40nm程度のサブミクロンの微細
なSb−rich相(C16構造)粒子が変形転位を固着させ
るため、1000℃以上における高温強度が向上する。
一方、Sbを1モル%よりも多量に添加してしまうと、
Sb−rich相粒子が粗大化し、変形転位の固着が不可能
となる。さらにまた、上記の通り、Hf又はZrのいず
れか1種、あるいはその両方が合計で0〜3モル%の範
囲で少量添加されることによって、上記のSb−rich相
の分散がより一層微細となる。一方、3モル%よりも多
量に添加すると、α2 相の析出を増大させ、しかもSb
−rich相粒子の粗大をも引き起こし、1000℃以上に
おける高温強度が低下してしまう。なお、高温高強度特
性を確保するためには、微細粒のSb−rich相は、α2
相と同様に、体積%で2〜10%合金中に含有されてい
ることが好ましい。以上のHfとZrは、ともにTiと
同じIVA族に属し、化学的に非常に類似した性質を有
している。このため、いずれか一方、あるいはその内の
一部を他方で置換しても同様の作用効果が得られる。こ
のように、この発明の高温高強度TiAl基合金におい
ては、γ相をベースとしてα2 相及びSb−rich相の3
相が共存し、その結果、たとえば1100℃以下の使用
温度範囲においてもその組織がきわめて安定となる。こ
のようなTiAl基合金については、1100〜135
0℃での熱処理によって、Sb−rich相の分散と適量の
α2 相とが容易に生成する。このため、この発明の高温
高強度TiAl基合金は、その製造が容易でもある。さ
らにこの発明の高温高強度TiAl基合金には、Sn,
Mn及びSiからなる群から選択される少なくとも1種
以上の元素を少量添加することも可能である。すなわ
ち、Sn,Mn又はSiを単独で、あるいはSn及びM
n,Sn及びSi又はMn及びSiの2種元素を混合さ
せて、もしくはSn,Mn及びSiの3種の元素を混合
させて合金に添加することができる。その添加量は、た
とえば0〜3モル%とすることができる。これらの元素
は、α2 相の界面転位密度の増加に寄与することが知ら
れており、その添加によってより大きな常温延性の確保
に有益と考えられる。
【実施例】以下実施例を示し、この発明の高温高強度T
iAl基合金についてさらに詳しく説明する。実施例1 Ti,Al及びSbをモル%として各々50,49.6
及び0.4含有させたアルゴン雰囲気アーク溶解材につ
いて1200℃で3時間の均質化熱処理を加えた。この
合金材の1200℃における平衡状態図での位置は、図
1中に黒丸で示されている。この合金材の組織観察を行
ったところ、図2に示した通り、γ相をベースとして、
体積率で2〜8%程度のα2 相(Ti3 Al)と、2〜
9%程度のSb−rich相とが析出物として含まれている
ことが確認された。また、γ平均結晶粒径は100μm
程度であった。このような合金材は、常温において2.
3%の伸びを示し、1000及び1100℃における高
温強度(耐力)は、それぞれ230MPa及び160M
Paであった。少量のSbの添加により高温強度が向上
するのは固溶強化と、図3の1000℃において変形し
た圧縮試験後の塑性変形の様子にも見られるように、1
0−40nmのSb相粒子が変形転位を固着させること
によるものと考えられる。多量に添加すると、Sb相粒
子は粗大となり、変形転位の固着は生じなくなる。2.
3%程度の常温伸びを得るには2−10%程度のα
2 相、すなわちTi3Al相の存在は有効であり、その
ためには1000−1330℃の温度範囲で1時間以上
の熱処理を行うことが望ましい。軽量耐熱材料として従
来知られているTi−Al系化合物の1000及び11
00℃における高温強度よりもきわめて高い値を示し、
常温延性を確保しながら、高温強度にも優れた合金材で
あることが確認された。なお、図4は、従来公知のNi
基スーパーアロイ(MA6000)とこの発明の合金と
を比較したもので、この発明の合金の優れた特性がよく
示されている。 実施例2 Ti,Al,Sb及びHfをモル%として各々49,4
9.6,0.4及び1含有させたアルゴン雰囲気アーク
溶解材について1200℃で3時間の均質化熱処理を加
えた。この合金材の組織観察を行ったところ、図5に示
した通り、合金組織は実施例1のものとほぼ同様であっ
たが、析出物の体積率が、3−9%と僅かに増加してい
た。この合金材は、常温において2%の伸びを示し、1
000及び1100℃における高温強度は、それぞれ2
50MPa及び160MPaであった。常温延性を保持
しつつ、高温強度にも優れた合金材であることが確認さ
れた。実施例1の合金には1at%程度のHfの添加
は、Sb相の分散を更に微細にする効果があり、その結
果高温強度が向上する。3at%以上のHfの添加はT
3 Al相を著しく増大させ、かつSb相粒子の粗大化
を生じ、高温強度を低下させる。実施例3 HfをZrに代えた他は実施例2と同様にして合金材を
作成した。合金組織は、実施例2で作成した合金の組織
と著しく類似していた。常温伸びは2%で、1000及
び1100℃における高温強度は、それぞれ250MP
a及び150MPaであった。Zrの添加によっても常
温延性とともに高温強度にも優れた合金材が作成可能で
あることが確認された。従って、Hfの一部をZrで置
換しても同様に結果が得られるものと考えられる。比較例 比較のために、Sb,Hf及びZrを添加せずに、Ti
及びAlをモル%としてそれぞれ50含有させたアルゴ
ン雰囲気アーク溶解材について1200℃で3時間の均
質化熱処理を加えた。得られた合金組織は、図6に示し
た通りのものであった。常温において2.3%の伸びを
示したが、1000及び1100℃における高温強度
は、高々160MPa及び80MPaでしかなかった。
もちろんこの発明は、以上の例によって限定されるもの
ではない。
【発明の効果】以上詳しく説明した通り、この発明によ
って、常温延性を十分に保持しつつ、高温強度に優れた
新しい実用的な軽量耐熱合金材が提供される。その製造
は容易であることや、製造コストの低減が図れ、経済性
にも優れる。航空・宇宙関連機器やエンジン機器などの
エネルギー効率の向上に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図1】Ti−Al−Sb3元系の1200℃における
平衡状態図である。
【図2】この発明の実施例1の合金の組織を示した図面
に代わる写真である。
【図3】この発明の合金の塑性変形の様子を示した組織
の図面に代わる写真である。
【図4】従来合金との比較を示した特性図である。
【図5】実施例2の合金の組織を示した図面に代わる写
真である。
【図6】実施例3の合金の組織を示した図面の代わる写
真である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 土肥 晴夫 東京都目黒区中目黒2丁目3番12号 科学 技術庁金属材料技術研究所内

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 Tiが46〜54モル%及びAlが46
    〜52モル%含有されたTiAl基合金であって、この
    TiAl基合金にはSbが0.1〜1モル%添加される
    とともに、Hf又はZrのいずれか1種の元素、あるい
    はHfおよびZrが合計で0〜3モル%添加され、γ
    相、α2 相及びSb−rich相の3相が共存していること
    を特徴とする高温高強度TiAl基合金。
  2. 【請求項2】 α2 相及び微細粒のSb−rich相が体積
    %で、各々、2〜10%の割合でγ相とともに共存する
    請求項1記載のTiAl基合金。
  3. 【請求項3】 Sn,Mn及びSiからなる群から選択
    される少くとも1種の元素が0〜3モル%添加されてい
    る請求項1記載のTiAl基合金。
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