JPH07508561A - アルミニウム拡散被覆を有する金属間化合物からなる構造部材 - 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】 アルミニウム拡散被覆を有する金属間化合物からなる構造部材本発明は、基材と してチタン及びアルミニウムの金属間化合物または該金属間化合物と合金添加物 との合金からなり、該基材のアルミニウム拡散被覆を有する構造部材に関するも のである。

該基材は発動機構成用に興味のある特性を有している。該基材は低比重において 慣用のチタン合金と比肩しつる特性を有しているが、かなり高い操作温度で使用 される。しかしながら、該基材の室温での延性は小さく、ＤＥ　３０２４６４５ から公知のように熱処理法及び合金元素により改良されなければならない。

慣用のチタン合金においては、酸化雰囲気中で５５０℃の温度から酸素脆化が現 れるが、チタン及びアルミニウムの金属間化合物ではこの温度は７００℃である 。この酸素脆化は、セラミック構造部材から知られているように、室温での小さ な拡散をさらに悪化させ、モして脆化へ導（という不利な結果を生じさせる。

殊に発動機のタービンおよびコンプレッサ領域における構造部材において生ずる ような７００℃の操作温度に曝される構造部材用の基材を用いるためには、高温 が負荷される構造部材表面に、閉鎖された且つ欠陥のないアルミニウム拡散被覆 が必要である。

基材からなる構造部材上の慣用のアルミニウム拡散被覆の適用において、閉鎖さ れたアルミニウム拡散被覆は達成されていない。この被覆は、溝底が被覆されて いない溝形状の被覆構造まで極度に不均一な被覆厚さの領域を有する、不利な被 覆欠陥が生ずる。非常に厚い被覆の場合には、この溝はアルミニウムで覆い隠す ことができる。しかし、不都合なことに、構造部材の負荷の際にこの領域が裂け 、そしてアルミニウム被覆が剥がれてしまう。

本発明の課題は、被覆欠陥がなく且つ７００℃の操作温度において使用すること ができる、ある種の構造部材およびその製造法を提供することにある。

上記課題は、構造部材が基材とアルミニウム拡散被覆との間に、再結晶組織を有 する、表面近くに閉鎖された領域を有するという、本発明により解決される。

広範な開発活動により確認されるように、基材としてのチタン及びアルミニウム からなる金属間化合物または合金添加物を有する、もしくは有しない該金属間化 合物の合金からなる上記再結晶組織の上を、閉鎖されたアルミニウム拡散被覆が 中断されず且つ均一に覆っている。本発明の利点は、この種の基材の使用範囲が 非常に広げられ、前記構造部材を製造するための量産に適した慣用の技術および 方法に使用できることである。

本発明の好ましい態様においては、金属間化合物はＴｉＡｌである。この基材に おいては、積層欠陥密度の高い微結晶が結晶学的双晶面（ｋｒｉｓｔａｌｌｏ− ｇｒａｐｈｉｓｃｈｅｎ　Ｚｖｉｌｌｉｎｇｓｅｂｅｎｅｎ）の形態で微結晶中 に現れることが確認される。

この微結晶は、慣用のチタン合金において今まで観察されていないような、プレ ート構造（Ｐｌａｔｔｅｎｓｔｒｕｋｔｕｒ）を示す。慣用のアルミニウム拡散 被覆においては、双晶面が被覆されずに残っている。まず、再結晶組織を有する 表面近くの領域を形成させた後、閉鎖されたアルミニウム拡散表面を有する基材 からなる構造部材が製造される。

５０〜９５容量％のＴｉＡ１部分および５〜ｂする金属間化合物の合金からなる 基材は結晶性プレート構造における特に高い密度を示す。ＴｉＡｌとしてＴｉの 部分が多く、そのために強い酸素脆化傾向のある結晶性基材からなる構造部材に おいては、本発明による表面近くの、閉鎖された、再結晶組織からなる領域によ り、好ましい均一な厚さのアルミニウム拡散被覆を実現することができる。

金属間化合物からなる構造部材の延性を改良するために、ニオブ、モリブデン、 タンタル、タングステン又はバナジウム、あるいはこれらの混合からなる合金添 加物を４％まで構造部材中に含有することが好ましい。

再結晶組織を有する表面近くの閉鎖された領域の深さは、少なくとも０．１μｍ である。再結晶組織の深さは表面近くの常温成形により調製することがコスト的 に好ましいので、該深さは実際的には１〜１０μｍである。０１〜１μｍの再結 晶組織深さは、表面近くのレーザ溶融および再結晶化により実行することが好ま しい。再結晶組織深さが１００μｍを越える場合は、再結晶の際にプレート構造 を有する大容量の微結晶が形成され、且つ閉鎖されたアルミニウム拡散被覆が妨 害される危険性が増加する。

本発明の構造部材の製造法についての課題は、欠配のプロセス工程により解決さ れる。構造部材を表面近くの領域において常温成形又は溶融し、その後再結晶化 温度で灼熱し、最後に再結晶した領域上にアルミニウム拡散被覆が設けられる。

この方法は量産に適した方法としてコスト的に良好であるという利点を有してい るので、価格が改善された構造部材は発動機の構成に使用し得る。

表面の常温成形のためには、構造部材の再結晶化させる表面領域をポール射出強 化（ｋｕｇｅｌｓｔｒａｈｌｅｎ）又は機械的処理することが好ましい。ボール 射出強化の場合は、Ａｌ２Ｏ３からなるセラミックポール、ガラスポール又はス チールポールにより構造部材が表面的に曝されることが好ましい。その際、基材 の結晶構造が妨害され、そして内部ストレスが基材表面に生ずる。最後の再結晶 化灼熱の際に、材料の溶融温度以下において微結晶の再結晶組織が形成され、そ の上にアルミニウム拡散被覆が邪魔されずに成長することができる。被覆される べきでない表面領域については、ボール射出強化の際にマスク又はブラインドよ る保護処置を講じなけらばならない。

機械的処理及び表面近くの常温成形のためには、加圧ロール、プレス、ロール衝 撃機又は加圧粉砕機を使用することができる。

また、最後にアルミニウムで被覆されるべき領域における構造部材の表面を少な くともレーザーによりけがき、溶融させることにより、再結晶組織を形成させる ことが好ましい。該再結晶組織は、０゜１〜１μｍという特に小さな再結晶組織 深さを実現することができ、且つ表面領域を付加的な溶融手段なしに幾何学的に 正確にけがき、溶融し、そして再結晶化することができる利点を有する。

本発明方法の好ましい態様においては、熱サイクルにより再結晶およびアルミニ ウム拡散被覆を行い、その際少なくとも、表面常温成形し又は表面溶融し、そし て凝固した構造部材を加熱し、ついで再結晶後にアルミニウム拡散被覆のための 温度に設定し、同時にアルミニウム含有供与ガスを供給する。

本発明方法のこの態様では、技術的現状におけるアルミニウム拡散被覆用装置が 十分に利用される。なぜならば、この種の装置においては構造部材を被覆手法に 依存することなく加熱できるからである。さらに、汚染の危険性が減少され、従 って再結晶の成長と被覆との間の拡張および改造が節約され、また同時に製造コ ストが低減される。

構造部材は再結晶中は減圧又は保護ガス雰囲気に曝すことが好ましいので、減圧 又は保護ガス下に、熱サイクルはアルミニウム含有供与ガスの供給まで行われる 。これは、不純物および酸化反応に対して構造部材の表面が保護されるという利 点を有する。

粉末充填法（Ｐｕｌｖｅｒｐａｃｋｖｅｒｆａｈｒｅｎ）は、鉄、ニッケル又は コバルト基合金からなる構造要素のアルミニウム拡散被覆として知られている。

アルミニウム供与ガスの製造のために、種々のアルミニウムドナーが使用される 。アルミニウム拡散被覆の好ましい方法として、粉末充填法が採用され、供与ガ スの製造のために３成分合金Ｔｉ／ＡＩ／Ｃのアルミニウムドナーが使用される 。その際炭素部分は、粉末充填物中の残存酸素の濃縮化が一酸化炭素及び二酸化 炭素の形成により解かれ又は相殺されるが、Ｔｉ及びＡＩは基材に対応するので 、該基材上へのアルミニウム拡張被覆の成長を促進することに働く。

添付図面は、チタン及びアルミニウムの金属間化合物からなる構造部材のアルミ ニウム拡散被覆についての具体例を示すものである。

図１は、再結晶組織を有する、表面に近い領域のないチタン及びアルミニウムの 金属間化合物からなる構造部材のアルミニウム拡散被覆を示すものである。

図２は、図１のＡ部分の領域の材料による金属艶出形（ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｓ ｃｈｅｎＳｃｈｌｉｆｆｂｉｌｄ）の写真である。

図３は、再結晶組織を有する、表面に近い領域を有するチタン及びアルミニウム の金属間化合物からなる構造部材のアルミニウム拡散被覆を示すものである。

図４は、図２のＢ部分の領域の材料による金属艶出形の写真である。

図１は再結晶組織を有する、表面に近い領域のないチタン及びアルミニウムの金 属間化合物からなる構造部材のアルミニウム拡散被覆（１）を示し、その際基材 （２）は大容量微結晶（３〜８）に凝固している。微結晶（３）の一つは双晶面 （９）の形態で積層欠陥を有するはっきりしたプレート構造を示している。アル ミニウム拡散被覆は表面に沿って、該欠陥の横断線（１０）において、溝状の欠 陥を有している。欠陥のない被覆は微結晶（４，５および８）上にのみ確認され 、これらはプレート構造を有していない。図示したＡ部分は金属組織学艶出によ り観察された。その結果を図２に示す。

図２は図１のＡ部分の領域の材料による金属艶出形の写真である。ＴｉＡＩから なる発動機の回転羽を、アルミニウムドナーとしてＴｉ／ＡＩ／Ｃの３成分合金 を用いて粉末充填装置中で、該羽の表面を被覆した。アルミニウム拡散被覆（１ ）は、はっきりしたプレート構造を有する微結晶（３）の領域でかなりの欠陥を 示している。

図３は、再結晶組織を有する、表面に近い領域（１１）を有するチタン及びアル ミニウムの金属間化合物からなる構造部材のアルミニウム拡散被覆（１）を示す ものである。基材（２）は大容量微結晶（１２）を示し、プレート構造（１３〜 １５）を示さない。基材（２）は表面近くにおいて、再結晶組織を有する閉鎖し た領域（１１）を有し、該領域はアルミニウムからなる閉鎖された層により欠陥 なく均一に覆われている。図示したＢ部分は金属組織学艶出により観察された図 ４は図２のＢ部分の領域の材料による金属艶出形の写真である。６０容量％のＴ ｉＡ１及び４０容量％のＴｉ３Ａｌからなる発動機の回転羽を、少なくとも表面 的に５μｍの深さまで、ボール射出強化により常温成形し、ついでアルミニウム 粉末充填装置中で再結晶化灼熱し、最後に５μｍ厚のアルミニウム拡散被覆（１ ）を行った。金属艶出形が示すように１、アルミニウム粉末充填装置中で基材（ ２）にアルミニウム拡散処理を行った場合、完全に均一なアルミニウム被覆（１ ）自身がはっきりしたプレート構造を有する微結晶（１２）の上に成長している 。

フロントページの続き （７２）発明者　ヴアルター、ハインリッヒドイツ連邦共和国、８９０４　フリ ートベルク３、ヴアイデヴエーク　２アー （７２）発明者　ピルへ−ファー、ホルストドイツ連邦共和国、８０４１　レー ルモース、アム・シュテーゲンフエルト　９アー （７２）発明者　ブルングス、フランクドイツ連邦共和国、８０６０　ダッハウ 、ヘルマンーシュトックマンーストラーセ　３４工

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．基材としてチタン及びアルミニウムの金属間化合物または該金属間化合物と 合金添加物との合金からなり、該基材のアルミニウム拡散被覆を有する構造部材 において、該構造部材が基材とアルミニウム拡散被覆との間に、再結晶組織を有 する、表面近くに閉鎖された領域を有することを特徴とする構造部材。 ２．前記金属間化合物がＴｉＡｌである請求項１記載の構造部材。 ３．前記金属間化合物が５０〜９５容量％のＴｉＡｌと５〜５０容量％のＴｉ３ Ａｌとの合金である請求項１または２記載の構造部材。 ４．前記金属間化合物が４原子％までの合金添加物を含有する請求項１〜３のい ずれかに記載の構造部材。 ５．前記合金添加物がニオブ、モリブデン、タンタル、タングステン又はバナジ ウム、あるいはこれらの混合である請求項１〜４のいずれかに記載の構造部材６ ．前記領域の深さが少なくとも０．１μｍである請求項１〜５のいずれかに記載 の構造部材。 ７．構造部材を表面近くの領域において常温成形又は熔融し、その後再結晶化温 度で灼熱し、最後に再結晶した領域上にアルミニウム拡散被覆が設けられること を特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の構造部材の製造法。 ８．表面の常温成形のために、構造部材の再結晶化させる表面領域をポール射出 強化又は機械的処理する請求項７記載の方法。 ９．熱サイクルにより再結晶およびアルミニウム拡散被覆を行い、その際少なく とも、表面常温成形された構造部材を加熱し、ついで再結晶後にアルミニウム拡 散被覆のための温度に設定し、同時にアルミニウム含有供与ガスを供給する請求 項７または８記載の方法。 １０．熱サイクルが、減圧又は保護ガス下に、アルミニウム含有供与ガスの供給 まで行われる請求項７〜９のいずれかに記載の方法。 １１．アルミニウム拡散被覆が粉末充填法により行われ、供与ガスの製造のため に３成分合金Ｔｉ／Ａｌ／Ｃのアルミニムドナーが使用される請求項７〜１０の いずれかに記載の方法。