JPH0823061B2 - ホウ素、クロムおよびタンタルで改良されている鋳造・鍛造されたガンマ−チタン・アルミニウム合金の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、一般に、添加元素を含
む（ドープされた）チタンとアルミニウムの合金に係
る。特に、本発明は、化学量論比に関して、及びホウ
素、クロムおよびタンタルの添加に関して改良されたチ
タンとアルミニウムのガンマ合金に係る。

【０００２】

【発明の背景】アルミニウムをチタン金属に添加する際
アルミニウムの割合を次第に多くしていくと、得られる
チタン・アルミニウム組成物の結晶形が変化することが
知られている。アルミニウムの割合が小さいとアルミニ
ウムがチタンに固溶した固溶体となり、結晶形はαチタ
ンの結晶形のままである。アルミニウムの濃度が高くな
ると（たとえば、約２５〜３５原子％）、金属間化合物
Ｔｉ₃ Ａｌが形成される。このＴｉ₃ Ａｌはα‐２とい
われる規則的な六方晶の結晶形をもっている。さらにア
ルミニウム濃度が高くなると（たとえば、アルミニウム
が５０〜６０原子％の範囲）、γといわれる規則的な正
方晶の結晶形を有する別の金属間化合物ＴｉＡｌが形成
される。このγ化合物の改良型が本発明の主題である。

【０００３】γ結晶形と約１という化学量論比を有する
チタン・アルミニウム合金は、高いモジュラス（弾性
率）、低い密度、高い熱伝導率、有利な耐酸化性および
良好な耐クリープ性を有する金属間化合物である。Ｔｉ
Ａｌは良好な耐クリープ性をもっているが、他の望まし
い特性の組合せを犠牲にすることなくこの耐クリープ特
性を改良することが望ましいと思われる。ＴｉＡｌ化合
物および他のチタン合金ならびにニッケル基超合金のモ
ジュラスと温度の関係を図３に示す。図から明らかなよ
うに、ＴｉＡｌはチタン合金の中で最高のモジュラスを
もっている。ＴｉＡｌはそのモジュラスが高温で他のチ
タン合金より高いばかりでなく、温度の上昇によるモジ
ュラスの低下率もＴｉＡｌの方が他のチタン合金より小
さい。さらに、ＴｉＡｌは、他のチタン合金が有用でな
くなるような温度より高い温度でも有用なモジュラスを
保持している。ＴｉＡｌ金属間化合物を基材とする合金
は、高温で高いモジュラスが必要とされ、かつ環境に対
する良好な保護も要求される用途に対して重要な軽量材
料である。

【０００４】ＴｉＡｌの特性のうち、上記のような用途
に実際に応用する際の制限となるのは、室温で見られる
脆性である。また、このＴｉＡｌ金属間化合物がある種
の構造部材用途に利用できるようになるには、この金属
間化合物の室温での強度を改善する必要もある。すなわ
ち、γＴｉＡｌ金属間化合物が適している高温で使用で
きるようになるには、この金属間化合物を改良してその
耐クリープ性を高めると共に室温での延性および／また
は強度を高めることも極めて望ましい。

【０００５】軽量で、しかも高温で使用できる可能性と
共に、使用しようとするＴｉＡｌ組成物に最も望まれる
ものは室温での強度と延性の組合せである。金属組成物
の用途によっては１％程度の最小の延性でも許容できる
が、より高い延性がずっと望ましい。また、組成物が有
用であるための最低の強度は約５０ｋｓｉすなわち約３
５０ＭＰａである。しかし、この程度の強度を有する材
料はある種の用途に対しては充分であるとはいえず、用
途によってはより高い強度が好ましいことが多い。

【０００６】γＴｉＡｌ化合物の化学量論比は結晶構造
を変えることなくある範囲に渡って変化させることがで
きる。すなわち、アルミニウム含量は約５０原子％から
約６０原子％まで変えることができる。しかし、チタン
成分とアルミニウム成分の化学量論比が比較的少しだけ
（１％またはそれ以上）変化してもγＴｉＡｌ組成物の
性質は非常に大きく変化し易い。また、これらの性質
は、同様に比較的少量の第三元素を添加しても同じよう
に大きな影響を受ける。

【０００７】本発明者は、このたび、γＴｉＡｌ金属間
化合物に、添加元素のタンタルとクロムを組合せて配合
し、かつ低レベルのホウ素をドープすることによって、
この金属間化合物をさらに改良することが可能であるこ
とを発見した。また、本発明者は、第四添加元素を含む
組成物が、鋳造されて鍛造されたとき実質的に改善され
た強度と望ましく高い延性を含めて独特の望ましい組合
せの特性を有することを発見した。

【０００８】

【従来の技術】Ｔｉ₃ Ａｌ金属間化合物、ＴｉＡｌ金属
間化合物およびＴｉＡｌ₃ 金属間化合物を始めとするチ
タン・アルミニウム組成物に関する文献は豊富である。
「ＴｉＡｌ型チタン合金(Titanium Alloys of the TiAl
Type)」と題する米国特許第４，２９４，６１５号で
は、ＴｉＡｌ金属間化合物を始めとするアルミ化チタン
型合金が包括的に論じられている。この特許の第１欄の
第５０行以降には、Ｔｉ₃Ａｌと比較してＴｉＡｌの利
点と欠点を論じる際に、次のように指摘されている。
「ＴｉＡｌγ合金系はアルミニウムを多く含有している
のであるから、より軽い可能性があることは明らかであ
る。１９５０年代の実験研究により、アルミ化チタン合
金は約１０００℃までの高温で使用できる可能性がある
ことが示された。しかし、これらの合金を用いてその後
得られた工学的経験・知識によると、これらの合金は充
分な高温強度をもってはいたが、室温および中程度の温
度、すなわち２０〜５５０℃で延性がほとんどまたはま
ったくなかった。脆性に過ぎる材料は容易に製造するこ
とができないし、めったにないことだが避けることので
きない使用中のちょっとした損傷をうけた際に、亀裂を
起こしてその後機能を停止してしまうことなくもちこた
えることもできない。したがってそのような材料は他の
ベース合金の代替となる有用な工学材料とはならな
い。」基本的に、合金系ＴｉＡｌもＴｉ₃ Ａｌも規則的
なチタン・アルミニウム金属間化合物ではあるが、Ｔｉ
Ａｌは（Ｔｉの固溶体合金とはもちろん）Ｔｉ₃ Ａｌと
は実質的に異なっているということは公知である。前記
の米国特許第４，２９４，６１５号の第１欄では次のよ
うな指摘がなされている。「充分な知識をもっている当
業者には、これら２種の規則相の間に実質的な違いがあ
ることが分かっている。Ｔｉ₃ Ａｌとチタンの六方晶の
結晶構造は極めてよく似ているので、それらの合金化お
よび変態の様子は似ている。しかし、化合物ＴｉＡｌは
原子が正方晶の配列をとっており、したがって合金化特
性もかなり違っている。このような違いは先行文献では
認識されてないことが多い。」この米国特許第４，２９
４，６１５号には、得られる合金の性質を改良するため
にＴｉＡｌをバナジウムおよび炭素と合金化することが
記載されている。この特許の表２にはタングステンを含
有する２種のＴｉＡｌ組成物が開示されているが、クロ
ムまたはタンタルを含有するＴｉＡｌ組成物は全然開示
されていない。したがって、この米国特許第４，２９
４，６１５号には、クロム、ホウ素およびタンタルを組
合せて含有するＴｉＡｌ組成物はまったく開示されてい
ない。

【０００９】しかしこの米国特許第４，２９４，６１５
号には、ＴｉＡｌをケイ素もしくはクロムまたはケイ素
とクロムの組合せと合金化することが開示されていない
し、特にケイ素、クロムおよびニオブの組合せが開示さ
れていない。チタン・アルミニウム化合物およびこれら
の化合物の特性に関する技術文献をいくつか以下に挙げ
る。 １． バンプス(E.S. Bumps)、ケスラー(H.D. Kessler)
およびハンセン(M. Hansen) 著、「チタン‐アルミニウ
ム系(Titanium-Alminum System) 」、金属雑誌(Journal
of Metals) 、１９５２年６月、第６０９〜６１４頁、
米国機械学会誌(TRANSACTIONS AIME) 、第１９４巻。 ２． オグデン(H.R. Ogden)、メイカス(D.J. Maykut
h)、フィンレイ(W.L. Finlay) およびジャフィー(R.I.
Jaffee) 著、「高純度Ｔｉ‐Ａｌ合金の機械的性質(Mec
hanical Properties of High Purity Ti-Al Alloys)
」、金属雑誌(Journalof Metals) 、１９５３年２月、
第２６７〜２７２頁、米国機械学会誌(TRANSACTIONS AI
ME) 、第１９７巻。 ３． マカンドリュー(Joseph B. McAndrew)およびケス
ラー(H.D. Kessler)著、「高温合金基材としてのＴｉ‐
３６％Ａｌ(Ti-36 Pct Al as a Base for High Tempera
ture Alloys)」、金属雑誌(Journal of Metals) 、１９
５６年１０月、第１３４８〜１３５３頁、米国機械学会
誌(TRANSACTIONS AIME) 、第２０６巻。 ４． マーチン(Patrick L. Martin) 、メンディラッタ
(Madan G. Mendiratta)およびリスピット(Harry A. Lis
pitt)著、「ＴｉＡｌ合金およびＴｉＡｌ＋Ｗ合金のク
リープ変形(Creep Deformation of TiAl and TiAl + W
Alloys) 」、金属学会誌Ａ(Metallurgical Transaction
s A)、第１４Ａ巻（１９８３年１０月）第２１７１〜２
１７４頁。 ５． マーチン(P.L. Martin) 、リスピット(H.A. Lisp
itt)、ヌーファ(N.T. Nuhfer) およびウィリアムズ(J.
C. Williams) 著、「Ｔｉ₃ ＡｌとＴｉＡｌのミクロ組
織と性質に対する合金化の効果（The Effects of Alloy
ing on the Microstructure and Properties of Ti₃ Al
and TiAl)」、チタン(Titanium)８０、米国金属学会(A
merican Society of Metals)刊、ウォーレンデール(War
rendale)、ペンシルベニア州、第２巻、第１２４５〜１
２５４頁。 ６． パーキンス(R.A. Perkins)、チャン(K.T. Chian
g) およびマイヤー(G.H.Meyer)著、「Ｔｉ‐Ａｌ合金上
でのアルミナの定式化(Formulation of Aluminaon Ti-A
l Alloys)」、スクリプタ・メタリュールジカ(Scripta
METALLURGICA)、第２１巻（１９８７年）第１５０５〜
１５１０頁。

【００１０】酸化の影響および酸化に対する添加元素
（たとえばタンタル）の効果は、金属雑誌(Journal of
Metals) 、１９５６年１０月、米国機械学会誌(TRANSAC
TIONS AIME) の１３５０頁以降で議論されている。 ７． バリニョフ(S.M. Barinov)、ナルトバ(T.T. Nart
ova)、クラシュリン(YuL. Krasulin)およびモグトバ(T.
V. Mogutova) 著、「チタン・アルミニウムの強度と破
壊靭性の温度依存性(Temperature Dependence of the S
trength and Fracture Toughness of Titanium Aluminu
m)」、ソビエト連邦科学アカデミー会報(Izv. Akad. Na
uk SSSR)、金属(Met.)、第５巻（１９８３年）第１７０
頁。

【００１１】この文献７の表Ｉには、チタン‐３６アル
ミニウム‐０．０１ホウ素の組成物が報告されており、
この組成物は改良された延性をもっているとされてい
る。この組成物は原子％ではＴｉ₅₀Ａｌ_49.97 Ｂ_0.03に
相当する。 ８． サストリー(S.M.L. Sastry) およびリスピット
(H.A. Lispitt)著、「ＴｉＡｌとＴｉ₃ Ａｌの塑性変形
（Plastic Deformation of TiAl and Ti₃ Al）」、チタ
ン(Titanium)８０、米国金属学会(American Society of
Metals)刊、ウォーレンデール(Warrendale)、ペンシル
ベニア州、第２巻（１９８０年）第１２３１頁。 ９． ツジモト(Tokuzo Tsujimoto)著、「ＴｉＡｌ金属
間化合物合金の研究、開発および展望(Research, Devel
opment, and Prospects of TiAl IntermetallicCompoun
d Alloys)」、チタンとジルコニウム(Titanium and Zir
conium)、第３３巻、第３，１５９号（１９８５年７
月）第１〜１３頁。 １０．リスピット(H.A. Lispitt)著、「アルミ化チタン
−概観(Titanium Aluminides - An Overview) 」、材料
研究学会シンポジウム記録(Mat. Res. Soc. Symposium
Proc.)、材料研究学会(Materials Research Society)、
第３９巻（１９８５年）第３５１〜３６４頁。 １１．ワング(S.H. Whang)他著、「Ｌｌ_o ＴｉＡｌ化合
物合金における急速凝固の効果（Effect of Rapid Soli
dification in Ll_o TiAl Compound Alloys）」、急速凝
固による構造用金属の性質向上に関する米国金属学会シ
ンポジウム記録(ASM Symposium Proceedings on Enhanc
ed Properties in Struc. Metals Via Rapid Solidific
ation)、マテリアルズ・ウィーク(Materials Week)、
（１９８６年１０月）第１〜７頁。 １２．ソビエト連邦科学アカデミー会報(Izvestiya Aka
demii Nauk SSSR)、金属(Metally.)、第３号（１９８４
年）第１６４〜１６８頁。 １３．ラーセン(D.E. Larsen) 、アダムズ(M.L. Adam
s)、カンペ(S.L. Kampe)、クリストドゥルー(L. Christ
odoulou)およびブライアント(J.D. Bryant) 著、「不連
続に強化されたＸＤ^TMアルミ化チタン複合材における破
壊靭性に対するマトリックス相形態学の影響(Influence
of Matrix Phase Morphology on FractureToughness i
n a Discontinuously Reinforced XD^TM Titanium Alumi
nide Composite)」、スクリプタ・メタリュールジカ・
エ・マテリアリア(Scripta Metallurgica et Materiali
a)、第２４巻（１９９０年）第８５１〜８５６頁。 １４．ウクライナ共和国科学アカデミー(Akademii Nauk
Ukrain SSR)、金属(Metallofiyikay)第５０号（１９７
４年）。 １５．ブライアント(J.D. Bryant) 、クリストドン(L.
Christodon) およびメイサノ(J.R. Maisano)著、「近γ
アルミ化チタンのコロニーサイズに対するＴｉＢ ₂ 添加
の効果(Effect of TiB₂ Additions on the Colony Siz
e of Near GammaTitanium Aluminides)」、スクリプタ
・メタリュールジカ・エ・マテリアリア(Scripta Metal
lurgica et Materialia)、第２４巻（１９９０年）第３
３〜３８頁。

【００１２】ハシアノト(Hashianoto)の米国特許第４，
６６１，３１６号には、ＴｉＡｌに０．１〜５．０重量
％のマンガンをドープすること、ならびにマンガンと他
の元素を組合せてＴｉＡｌにドープすることが教示され
ている。このハシアノト(Hashianoto)の特許には、Ｔｉ
Ａｌにクロムをドープすること、またはクロムを始めと
する元素の組合せをドープすることは教示されていない
し、特にクロムとタンタルの組合せをドープすることは
教示されていない。

【００１３】ジャフィー(Jaffee)のカナダ特許第６２，
８８４号には、その表１に、ＴｉＡｌ中にクロムを含有
している組成物が開示されている。また、ジャフィー(J
affee)は、表１に、ＴｉＡｌ中にタンタルを含有する別
の組成物、およびＴｉＡｌ中に各種添加剤を含有してい
る約２６種の他のＴｉＡｌ組成物も開示している。しか
し、このジャフィー(Jaffee)のカナダ特許には、クロム
と他の元素の組合せまたはタンタルと他の元素との組合
せを含有するＴｉＡｌ組成物は開示されていない。特
に、クロム、ホウ素およびタンタルを組合せて含有する
ＴｉＡｌ組成物に関する開示はもちろん暗示も示唆もな
い。

【００１４】本出願人の所有するたくさんの特許がアル
ミ化チタンおよびそのようなアルミ化物の性質を改良す
るための方法と組成物に関わっている。これらの特許の
中には、米国特許第４，８３６，９８３号、第４，８４
２，８１９号、第４，８５７，２６８号、第４，８７
９，０９２号、第４，８９７，１２７号、第４，９０
２，４７４号、第４，９１６，０２８号、第４，９２
３，５３４号、第５，０３２，３５７号、第５，０４
５，４０６号、ならびにホワン(S.C. Huang)およびジグ
リオッチ(M.F.X. Gigliotti)の米国特許第４，８４２，
８１７号がある。さらに、本出願人所有の米国特許第
５，０２８，４９１号では、クロムとニオブの添加によ
ってアルミ化チタンを改良することが教示されている。
これらの特許の明細書はここで引用したことにより本明
細書に含まれているものとする。

【００１５】他の多くの特許もＴｉＡｌ組成物に関連し
ている。たとえば、ジャフィー(Jaffee)の米国特許第
３，２０３，７９４号はさまざまなＴｉＡｌ組成物を開
示している。本出願の譲受人に譲渡されている米国特許
第４，８４２，８２０号では、ホウ素を配合して三元Ｔ
ｉＡｌ組成物を形成すること、および延性と強度を改良
することが教示されている。サストリー(Sastry)の米国
特許第４，６３９，２８１号は、Ｔｉ‐Ａｌを始めとす
るチタン基合金に、ホウ素、炭素、窒素およびこれらの
混合物またはこれらとケイ素との混合物からなる繊維状
分散質を含ませることを教示している。ニシヤマ(Nishi
yama) の欧州特許出願第０２７５３９１号では、ニッケ
ルとケイ素が存在するときに０．３重量％までのホウ素
を含有するＴｉＡｌ組成物が教示されている。ナグル(N
agle) の米国特許第４，７７４，０５２号は、アルミ化
チタンを始めとするマトリックス材料に第二相物質を分
与するためにホウ素化物を始めとするセラミックを発熱
反応によってマトリックス中に配合する方法に係る。特
開平１−２９８１２７号（１９８９年）は、アルミ化チ
タンに対する他の添加剤のうち、ニオブとホウ素を添加
剤として使用すること、またクロムとホウ素を添加剤と
して使用することを開示している。

【００１６】

【発明の概要】本発明の広い局面のひとつにおいて、本
発明の目的は、非化学量論のＴｉＡｌベース合金を準備
し、その非化学量論組成物に比較的低濃度のクロムなら
びに低濃度のホウ素およびタンタルを添加することによ
って達成される。この添加の後、ドープされた非化学量
論のＴｉＡｌ金属間化合物を鋳造し鍛造する。約１〜３
原子％程度のクロムおよび１〜６原子％程度までのタン
タルならびに約０．０５〜０．２原子％程度までのホウ
素を添加することが考えられる。

【００１７】本発明の合金はインゴット形態で製造さ
れ、通常の安価な鋳造・鍛造インゴット冶金法によって
加工・処理できる。

【００１８】

【詳細な説明】以下に述べる発明の詳細な説明は、添付
の図面を参照すると、より明瞭に理解できる。タンタ
ル、ホウ素およびクロムを組合せてγＴｉＡｌに添加す
るという本発明の基礎となった発見に至ることになった
本発明者の一連の研究と従来の研究の結果を示す。最初
の３１個の実施例は従来の研究に関し、後の実施例が本
発明者の研究に関する。実施例１〜３ ＴｉＡｌの化学量論に近いさまざまな化学量論比でチタ
ンとアルミニウムを含有する３つのメルトをそれぞれ調
製した。これらの組成物の組成、焼きなまし温度、およ
び行なった試験の結果を表Ｉに示す。

【００１９】各実施例共、まず最初にアーク融解によっ
て合金からインゴットを作成した。このインゴットをア
ルゴン分圧下のメルトスピニング（溶融紡糸）によって
リボンに加工した。この融解の両方の段階で、望ましく
ないメルトと容器との反応を避けるために、銅製の水冷
式炉をメルトの容器として使用した。また、チタンは酸
素に対する親和性が強いため、熱い金属が酸素にさらさ
れるのを避けるように注意した。

【００２０】こうして急速に凝固させたリボンをスチー
ル製の缶に詰めて排気した後密封した。次に、缶を３０
ｋｓｉの圧力下９５０℃（１７４０°Ｆ）で３時間熱間
静水圧プレス（ＨＩＰ）した。ＨＩＰ用の缶を機械加工
して除き、固まったリボンプラグを得た。このＨＩＰ処
理したサンプルは、直径が約１インチで長さが３インチ
のプラグであった。

【００２１】このプラグを、ビレットの中央開口部の軸
方向に入れて密封した。このビレットを９７５℃（１７
８７°Ｆ）に加熱し、圧延比が約７対１のダイを通して
押出した。こうして押出したプラグをビレットから取り
出して熱処理した。次に、この押出したサンプルを表Ｉ
に示す温度で２時間焼きなました。焼きなましの後、１
０００℃で２時間時効化処理した。室温での４点曲げ試
験用の試験片は１．５×３×２５．４ｍｍ（０．０６０
×０．１２０×１．０インチ）の寸法に機械加工した。
曲げ試験は、内側間隔が１０ｍｍ（０．４インチ）で外
側間隔が２０ｍｍ（０．８インチ）の４点曲げ試験用固
定具を用いて実施した。荷重‐クロスヘッド変位曲線を
記録した。得られた曲線に基づいて次の性質が定められ
る。 （１） 耐力（降伏強さ）はクロスヘッド変位が１／１
０００インチのときの流れ応力である。この値のクロス
ヘッド変位は、塑性変形の最初の徴候および弾性変形か
ら塑性変形への遷移点と考えられる。通常の圧縮法や引
張り法で耐力および／または破壊強度を測定すると、本
明細書中の測定値をとるのに行なった４点曲げ試験で得
られる結果より低くなる傾向がある。４点曲げ試験の測
定結果の方が高いということは、これらの値を通常の圧
縮法または引張り法で得られた値と比較する場合注意す
べきである。しかし、本明細書中の実施例の多くで行な
った測定結果の比較は４点曲げ試験のもの同士であり、
この技術で測定したすべてのサンプルでこのような比較
は組成の違いまたは組成物の加工・処理の違いに基づく
強度特性の違いを立証するのに極めて効果的である。 （２） 破壊強度は破壊に至る応力である。 （３） 外側繊維歪みは９．７１ｈｄで表わされる量で
あり、「ｈ」は試験片の厚み（インチ）、「ｄ」は破壊
時のクロスヘッド変位（インチ）である。こうして計算
される値は、冶金学的に、曲げ試験片の外側表面が破壊
時に受ける塑性変形の量を表わす。

【００２２】結果を次の表Ｉに示す。表Ｉは１３００℃
で焼きなましたサンプルの特性に関するデータを示して
いる。また、これらのサンプルの別のデータを特に図２
に示す。

【００２３】

【表１】 表 Ｉ 焼きな 破壊 外側繊 実施例 γ合金 組 成 まし温度 耐 力 強度 維歪み 番 号 番号 （原子％） ℃ ｋｓｉ ｋｓｉ ％ １ ８３ Ｔｉ₅₄Ａｌ₄₆ １２５０ １３１ １３２ ０．１ １３００ １１１ １２０ ０．１ １３５０ ＊ ５８ ０ ２ １２ Ｔｉ₅₂Ａｌ₄₈ １２５０ １３０ １８０ １．１ １３００ ９８ １２８ ０．９ １３５０ ８８ １２２ ０．９ １４００ ７０ ８５ ０．２ ３ ８５ Ｔｉ₅₀Ａｌ₅₀ １２５０ ８３ ９２ ０．３ １３００ ９３ ９７ ０．３ １３５０ ７８ ８８ ０．４ ＊−サンプルが測定に耐えるだけの充分な延性をもって
いなかったので測定値は得られなかった。 この表のデータから明らかなように、実施例２の合金１
２が最も良好な組合せの性質を示した。これにより、Ｔ
ｉ−Ａｌ組成物の性質がＴｉ／Ａｌ原子比および適用し
た熱処理に対して非常に敏感であることが確認される。
以下に記載するようにして実施したその後の実験に基づ
いて、さらに特性を改良するためのベース合金として合
金１２を選択した。

【００２４】また、１２５０〜１３５０℃の温度で焼き
なますと、望ましいレベルの耐力、破壊強度および外側
繊維歪みを有する試験片が得られることも明らかであ
る。しかし、１４００℃で焼きなますと、１３５０℃で
焼きなました試験片よりかなり低い耐力（約２０％低
い）、より低い破壊強度（約３０％低い）およびより低
い延性（約７８％低い）を有する試験片が得られる。こ
れらの性質の急激な低下はミクロ組織の大きな変化に起
因しており、このミクロ組織の変化自体は１３５０℃よ
りかなり高い温度で広範に起こるβ変態によるものであ
る。実施例４〜１３ 表示した原子比のチタンとアルミニウムを含有し、比較
的少ない原子パーセントの添加元素を含む別の１０種の
メルトをそれぞれ調製した。

【００２５】各サンプルは実施例１〜３に関して上記し
たようにして調製した。これらの組成物の組成、焼きな
まし温度、および試験結果を、ベース合金としての合金
１２と比較して表IIに示す。

【００２６】

【表２】 表 II γ 焼きな 破壊 外側繊 Ｅｘ 合金 まし温度 耐 力 強度 維歪み Ｎｏ 番号 組 成 （原子％） ℃ ｋｓｉ ｋｓｉ ％ ２ １２ Ｔｉ₅₂Ａｌ₄₈ １２５０ １３０ １８０ １．１ １３００ ９８ １２８ ０．９ １３５０ ８８ １２２ ０．９ ４ ２２ Ｔｉ₅₀Ａｌ₄₇Ｎｉ₃ １２００ ＊ １３１ ０ ５ ２４ Ｔｉ₅₂Ａｌ₄₆Ａｇ₂ １２００ ＊ １１４ ０ １３００ ９２ １１７ ０．５ ６ ２５ Ｔｉ₅₀Ａｌ₄₈Ｃｕ₂ １２５０ ＊ ８３ ０ １３００ ８０ １０７ ０．８ １３５０ ７０ １０２ ０．９ ７ ３２ Ｔｉ₅₄Ａｌ₄₅Ｈｆ₁ １２５０ １３０ １３６ ０．１ １３００ ７２ ７７ ０．２ ８ ４１ Ｔｉ₅₂Ａｌ₄₄Ｐｔ₄ １２５０ １３２ １５０ ０．３ ９ ４５ Ｔｉ₅₁Ａｌ₄₇Ｃ₂ １３００ １３６ １４９ ０．１ １０ ５７ Ｔｉ₅₀Ａｌ₄₈Ｆｅ₂ １２５０ ＊ ８９ ０ １３００ ＊ ８１ ０ １３５０ ８６ １１１ ０．５ １１ ８２ Ｔｉ₅₀Ａｌ₄₈Ｍｏ₂ １２５０ １２８ １４０ ０．２ １３００ １１０ １３６ ０．５ １３５０ ８０ ９５ ０．１ １２ ３９ Ｔｉ₅₀Ａｌ₄₆Ｍｏ₄ １２００ ＊ １４３ ０ １２５０ １３５ １５４ ０．３ １３００ １３１ １４９ ０．２ １３ ２０ Ｔｉ_49.5Ａｌ_49.5Ｅｒ₁ ＋ ＋ ＋ ＋ ＊−表Ｉ脚注参照。

【００２７】＋−試験片製造のための機械加工中に材料
破壊。 実施例４と５の１２００℃で熱処理したものは延性がほ
とんどゼロであることが判明したので耐力は測定できな
かった。実施例５の１３００℃で焼きなましたものは延
性が増大したがそれでも低くて望ましくなかった。

【００２８】実施例６の１２５０℃で焼きなました試験
片も同様であった。実施例６の１３００℃と１３５０℃
で焼きなました試験片では、延性は充分であったが耐力
は低かった。他の実施例の試験片はいずれも意味のある
程度の延性をもっていないことが判明した。

【００２９】表IIに挙げた結果から明らかなように、試
験用組成物の製造に関与するパラメーターは極めて複雑
であり相互に関連している。ひとつのパラメーターはア
ルミニウムの原子比に対するチタンの原子比である。図
２にプロットしたデータから明らかなように、化学量論
比または非化学量論比はいろいろな組成物で見られる試
験特性に対して強い影響を示す。

【００３０】別のパラメーターはベースのＴｉＡｌ組成
物中に含ませるために選択した添加元素である。この種
のパラメーターのうちで第一のものは、特定の添加元素
がチタンとアルミニウムのいずれの置換元素として作用
するかということに関する。ある特定の金属はいずれの
様式でも作用し得、ある添加元素が果たす役割を決定す
ることができる簡単な規則はない。このパラメーターの
重要性は、添加元素Ｘをある原子パーセントで添加した
場合を考えれば明らかである。

【００３１】もしＸがチタンの置換元素として作用する
のであれば、組成物Ｔｉ₄₈Ａｌ₄₈Ｘ ₄ の有効アルミニウ
ム濃度は４８原子％であり、有効チタン濃度は５２原子
％となる。逆に、添加元素Ｘがアルミニウムの置換元素
として作用するならば、得られる組成物の有効アルミニ
ウム濃度は５２原子％で、有効チタン濃度は４８原子％
となる。

【００３２】したがって、生起する置換の種類は非常に
重要であるが、その予測は極めて困難である。これと同
様な種類の別のパラメーターは添加元素の濃度である。
表IIから明らかな、さらに別のパラメーターは焼きなま
し温度である。ある添加元素で最も良好な強度特性を生
ずる焼きなまし温度は別の添加元素の場合と違っている
ことが分かる。これは、実施例６の結果を実施例７の結
果と比較するとよく分かる。

【００３３】さらに、添加元素に対して濃度と焼きなま
しが結合した効果があることがある。すなわち、なんら
かの向上が見られる場合、添加元素の濃度と焼きなまし
温度のある一定の組合せで最適な特性向上が生じ、それ
より高い濃度および低い濃度および／またはそれより高
い焼きなまし温度および低い焼きなまし温度では所望の
特性改良を得る上で効果が薄くなる可能性がある。

【００３４】表IIの結果を見ると、非化学量論のＴｉＡ
ｌ組成物に第三元素を添加して得ることができる結果は
極めて予測が難しいこと、および、ほとんどの試験結果
は延性もしくは強度またはその両方の点で満足できない
ことが明らかである。実施例１４〜１７ 添加元素を含むγアルミ化チタン合金のさらに別のパラ
メーターは、添加元素を組合せても、同じ添加元素をそ
れぞれ別個に含ませて得られるそれぞれの効果の加法的
組合せになるとは限らないということである。

【００３５】実施例１〜３に関して上記したようにし
て、表III に挙げるバナジウム、タンタルおよびニオブ
をそれぞれ別個に添加したＴｉＡｌベースのサンプルを
さらに４種類調製した。これらの組成物は、本出願人が
所有する同時係属中の米国特許第４，８５７，２６８号
および第４，８４２，８１７号に報告されている最適な
組成物である。

【００３６】４番目の組成物は、表III で合金４８と表
示してある単一の合金中にバナジウム、ニオブおよびタ
ンタルを組合せて含む組成物である。表III から明らか
なように、実施例１４、１５および１６でバナジウム、
ニオブおよびタンタルを個別に添加すると、それぞれ、
ベースのＴｉＡｌ合金をかなり改良することができる。
しかし、これらの添加元素を組合せて単一の合金組成物
にしても、個々の改良が単に加え合されるようにはなら
ない。事実はまったく逆である。

【００３７】まず最初に、個々の合金を焼きなます際に
使用した１３５０℃という温度で焼きなました合金４８
からは、試験片を製造するための機械加工中に破断する
ような脆い材料が得られることが判明した。次に、添加
元素を組合せて含み１２５０℃で焼きなました合金で得
られる結果は、個々の添加元素を含有する別の合金で得
られる結果よりひどく劣っている。

【００３８】特に、延性に関して、実施例１４の合金１
４において延性を大きく改良するのにバナジウムが極め
て有効であったことが明らかである。しかし、実施例１
７の合金４８においてバナジウムを他の添加元素と組合
せると、達成されると思われた延性の改良はまったく得
られない。事実、ベース合金の延性は０．１にまで低下
する。

【００３９】さらに、耐酸化性に関して、合金４０の添
加元素であるニオブは、ベース合金の重量損失が３１ｍ
ｇ／ｃｍ² であるのに対して合金４０の重量損失が４ｍ
ｇ／ｃｍ² であり、極めて大きな改良を明確に示してい
る。この酸化試験、および耐酸化性の補足試験では、試
験しようとするサンプルを４８時間９８２℃に加熱す
る。サンプルを冷却後酸化物スケールを掻き取る。この
加熱・掻き取りの前後にサンプルを秤量することによっ
て重量差を決定することができる。重量損失（ｇ／ｃｍ
² ）は、合計の重量損失（グラム）を試験片の表面積
（平方センチメートル）で割ることによって決定され
る。この酸化試験は、本出願で示した酸化性または耐酸
化性の測定すべてに用いたものである。タンタルを添加
した合金６０の１３２５℃で焼きなましたサンプルの重
量損失は２ｍｇ／ｃｍ² と決定された。これを再びベー
ス合金の重量損失３１ｍｇ／ｃｍ² と比較する。言い換
えると、個別の添加では、添加元素のニオブとタンタル
のどちらも、ベース合金の耐酸化性を改良する際に極め
て有効であった。

【００４０】しかしながら、表III に挙げた結果から明
らかなように、３種の添加元素バナジウム、ニオブおよ
びタンタルをすべて組合せて含有する実施例１７の合金
４８では、酸化量がベース合金の約２倍に増大してい
る。このベース合金の酸化量は、添加元素としてニオブ
だけを含有する合金４０より７倍大きく、添加元素とし
てタンタルだけを含有する合金６０より約１５倍大き
い。

【００４１】

【表３】 表 III 焼き 98℃48 実 γ なま 外側 時間後 施 合 し温 破壊 繊維 重量損 例 金 度 耐力 強度 歪み 質(mg/ No No 組 成 （原 子 ％） ℃ ksi ksi ％ cm² ) 2 12 Ｔｉ₅₂Ａｌ₄₈ 1250 130 180 1.1 * 1300 98 128 0.9 * 1350 88 122 0.9 31 14 14 Ｔｉ₄₉Ａｌ₄₈Ｖ₃ 1300 94 145 1.6 27 1350 84 136 1.5 * 15 40 Ｔｉ₅₀Ａｌ₄₆Ｎｂ₄ 1250 136 167 0.5 * 1300 124 176 1.0 4 1350 86 100 0.1 * 16 60 Ｔｉ₄₈Ａｌ₄₈Ｔａ₄ 1250 120 147 1.1 * 1300 106 141 1.3 * 1325 * * * * 1325 * * * 2 1350 97 137 1.5 * 1400 72 92 0.2 * 17 48 Ｔｉ₄₉Ａｌ₄₅Ｖ₂ Ｎｂ₂ Ｔａ₂ 1250 106 107 0.1 60 1350 + + + * * 測定せず。

【００４２】+ 材料は試験片製造のための機械加工中に
破断。 個別に添加元素を使用して得られるそれぞれの利点また
は欠点は、これらの添加元素をそれぞれ何度も繰返して
使用したとき信頼性良く再現される。しかし、添加元素
を組合せて使用したとき、その組合せの中のある添加元
素がベース合金中で示す効果は、その添加元素をそれぞ
れ単独で同じベース合金に使用したときのその添加元素
の効果と全然異なることがある。たとえばバナジウムの
添加がチタン・アルミニウム組成物の延性に対して有益
であることはすでに発見されており、本出願人所有の米
国特許第４，８５７，２６８号に開示され、考察されて
いる。すでに述べたマカンドリュー(McAndrew)の論文に
示されているように、添加元素としてニオブを単独でＴ
ｉＡｌベース合金に添加すると耐酸化性を改良すること
ができる。同様に、タンタルを個別に添加しても、耐酸
化性の改良に効果があることがマカンドリュー(McAndre
w)によって教示されている。さらに、本出願人所有の米
国特許第４，８４２，８１７号には、タンタルを添加す
ると延性が改良されることが開示されている。

【００４３】言い直すと、バナジウムが単独でγチタン
・アルミニウム化合物の延性を改良するのに有利である
こと、および、タンタルが単独で延性と耐酸化性を改良
する可能性があるということは分かっている。別に、添
加元素のニオブはチタン・アルミニウムの強度特性と耐
酸化特性に有益に寄与する可能性があるということが分
かっている。しかし、本出願人は、この実施例１７に示
されているように、バナジウム、タンタルおよびニオブ
を一緒に使用して合金組成物中で添加元素として組合せ
ると、その合金組成物は添加によって改善されることな
く、むしろこのニオブ、タンタルおよびバナジウム添加
元素を含有するＴｉＡｌの特性は逆に低下したり損なわ
れたりするということを見いだした。これは表III から
明らかである。

【００４４】このことから明らかなように、２種以上の
添加元素が個別にＴｉＡｌを改良する場合、それらを一
緒に使用すればＴｉＡｌをさらに改良するように思われ
るかもしれないが、それにもかかわらずそのような添加
は極めて予測し難く、事実、添加元素バナジウム、ニオ
ブおよびタンタルの組合せの場合、これらの添加元素を
一緒に使用すると、全体としての性質がいくらかでも向
上することなく、最終的に性質が損なわれることが分か
る。

【００４５】しかしながら、上記表III から明らかなよ
うに、バナジウム、ニオブおよびタンタルの添加元素を
組合せて含有する合金は、耐酸化性が実施例２のＴｉＡ
ｌベース合金１２よりはるかに劣っている。ここでも、
別々に使用すればある性質を改良する添加元素を組合せ
て含ませると、それらの添加元素を個別に含ませること
によって改良された性質が逆に損なわれることが判明し
た。実施例１８〜２３ 実施例１〜３に関して上記したようにして、表IVに挙げ
る組成を有するクロム変性アルミ化チタンを含むサンプ
ルをさらに６つ調製した。

【００４６】表IVは、いろいろな熱処理条件下で標準合
金と変性合金のすべてについて行なった曲げ試験の結果
をまとめたものである。

【００４７】

【表４】 表 IV γ 焼きな 破壊 外側繊 Ｅｘ 合金 まし温度 耐 力 強度 維歪み Ｎｏ 番号 組成（原子％） ℃ ｋｓｉ ｋｓｉ ％ ２ １２ Ｔｉ₅₂Ａｌ₄₈ １２５０ １３０ １８０ １．１ １３００ ９８ １２８ ０．９ １３５０ ８８ １２２ ０．９ １８ ３８ Ｔｉ₅₂Ａｌ₄₆Ｃｒ₂ １２５０ １１３ １７０ １．６ １３００ ９１ １２３ ０．４ １３５０ ７１ ８９ ０．２ １９ ８０ Ｔｉ₅₀Ａｌ₄₈Ｃｒ₂ １２５０ ９７ １３１ １．２ １３００ ８９ １３５ １．５ １３５０ ９３ １０８ ０．２ ２０ ８７ Ｔｉ₄₈Ａｌ₅₀Ｃｒ₂ １２５０ １０８ １２２ ０．４ １３００ １０６ １２１ ０．３ １３５０ １００ １２５ ０．７ ２１ ４９ Ｔｉ₅₀Ａｌ₄₆Ｃｒ₄ １２５０ １０４ １０７ ０．１ １３００ ９０ １１６ ０．３ ２２ ７９ Ｔｉ₄₈Ａｌ₄₈Ｃｒ₄ １２５０ １２２ １４２ ０．３ １３００ １１１ １３５ ０．４ １３５０ ６１ ７４ ０．２ ２３ ８８ Ｔｉ₄₆Ａｌ₅₀Ｃｒ₄ １２５０ １２８ １３９ ０．２ １３００ １２２ １３３ ０．２ １３５０ １１３ １３１ ０．３ 表IVに挙げた結果もまた、合金化添加元素またはドープ
元素がベース合金に付与される特性に及ぼす効果を決定
する際の要因の臨界性を証明している。たとえば、２原
子％のクロムを添加した合金８０は一組の良好な性質を
示している。このことから、さらにクロムを添加すれば
さらに改良されると期待されるかもしれない。しかし、
３種の異なるＴｉＡｌ原子比を有する合金に４原子％の
クロムを添加した実施例で立証されたように、低い濃度
で有益であることが判明したある添加元素の濃度を増大
させても、あるものが良好な場合それを増やせばさらに
良くなるという単純な理論には従わない。実際、添加元
素のクロムではまったく逆であり、あるものが良好な場
合それを増やせば悪くなることが立証された。

【００４８】表IVから明らかなように、「より多く」
（４原子％）のクロムを含有する合金４９、７９および
８８はいずれも、ベース合金と比べて強度が劣ってお
り、さらに外側繊維歪み（延性）も劣っている。対照的
に、実施例１８の合金３８は２原子％の添加元素を含有
しており、延性は大幅に改善されているが強度は少しだ
け低下している。また、合金３８の測定された外側繊維
歪みの値は熱処理条件に応じて大きく変化していること
が分かる。外側繊維歪みが顕著に増大したのは１２５０
℃で焼きなました場合である。それより高い温度で焼き
なましたときに観察された歪みは減少していた。また、
添加元素を同じく２原子％しか含まない合金８０でも同
様な改良が観察されたが、最高の延性は１３００℃の焼
きなまし温度で得られた。

【００４９】実施例２０の合金８７では、２原子％のク
ロムを使用しているが、アルミニウムの濃度が５０原子
％に増大している。アルミニウム濃度が高いと、アルミ
ニウムが４６〜４８原子％の範囲でクロムが２原子％の
組成物で測定された延性と比べてやや延性が低下する。
合金８７の場合最適の熱処理温度は約１３５０℃である
ことが判明した。

【００５０】各々２原子％の添加元素を含有している実
施例１８、１９および２０から、最適焼きなまし温度は
アルミニウム濃度の増大と共に高くなることが観察され
た。このデータから、１２５０℃で熱処理した合金３８
が最も良好な室温特性の組合せをもっていることが決定
された。アルミニウムが４６原子％の合金３８で最適な
焼きなまし温度は１２５０℃であったが、４８原子％の
アルミニウムを含む合金８０の最適焼きなまし温度は１
３００℃であったことに注意されたい。合金８０に関し
て得られたデータをベース合金のデータと共に図２にプ
ロットした。

【００５１】このような合金３８と８０の延性がそれぞ
れ１２５０℃と１３００℃の熱処理で顕著に増大するこ
とは、本出願人所有の米国特許第４，８４２，８１９号
で説明されているように予期されなかった。表IVに挙げ
たデータから明らかなことは、ＴｉＡｌ組成物の特性を
改良するためのこの組成物の変性は極めて複雑で予測困
難な仕事であるということである。たとえば、明らか
に、ＴｉＡｌの化学量論比が適当な範囲内にあって組成
物の焼きなまし温度がクロム添加に対して適当な範囲で
あれば、２原子％レベルのクロムが組成物の延性を大幅
に増大させる。また、添加元素のレベルを増大すること
によって特性改良の効果が大きくなると期待されるかも
しれないが、２原子％レベルで達成される延性の増大は
クロムを４原子％レベルまで挙げたときに逆に失われる
のであるから、事実はまったく逆であることも表IVのデ
ータから明らかである。さらに、４％レベルでは、チタ
ンとアルミニウムの原子比を広範囲に変えるにしても、
また高濃度の添加元素の添加に付随する特性の変化を試
験・研究する際に充分広範囲の焼きなまし温度を使用す
るにしても、ＴｉＡｌの特性改良に有効ではないことが
明らかである。実施例２４ 次の組成 Ｔｉ₅₂Ａｌ₄₆Ｃｒ₂ をもつ合金サンプルを調製した。

【００５２】この合金のテストサンプルを２つの異なる
製法で製造し、各サンプルの特性を引張り試験で測定し
た。使用した方法と得られた結果を下記表Ｖに示す。

【００５３】

【表５】 表 Ｖ 合 焼きな 引張 塑性 金 まし温 耐力 強さ 伸び 実施例 No 組成（原子％） 加工法 度 ℃ ksi ksi ％ １８′ 38 Ｔｉ₅₂Ａｌ₄₆Ｃｒ₂ 急速凝固法 1250 93 108 1.5 ２４ 38 Ｔｉ₅₂Ａｌ₄₆Ｃｒ₂ 鋳造・鍛造 1225 77 99 3.5 インゴット 1250 74 99 3.8 冶金法 1275 74 97 2.6 表Ｖには、２つの実施例１８′と２４に従ってそれぞれ
の実施例の合金を形成するために異なる２つの合金製造
法を使用して調製した合金サンプル３８に対する結果を
挙げた。さらに、実施例１８′の合金３８から調製した
金属試験片、またこれとは別に実施例２４の合金３８か
ら調製した金属試験片については、前の実施例の試験片
に対して使用した試験法とは異なる試験法を使用した。

【００５４】さて、最初に実施例１８′について、この
実施例の合金は実施例１〜３に関して上記した方法によ
って調製した。これは急速凝固および圧密法である。さ
らに、実施例１８′では、すでに挙げた表に記載した他
のデータ、特に前記表IVの実施例１８のデータをとる際
に使用した４点曲げ試験も実施しなかった。代わりに使
用した試験法は、より一般的な引張り試験であった。こ
の方法では、金属サンプルを引張り試験棒として調製
し、引張り試験機にかけ、金属が伸びて最終的に破断す
るまで試験棒を引張る。たとえば、再び表Ｖの実施例１
８′を例にとると、合金３８を引張り試験棒に製造し、
この試験棒を引張ったところ９３ｋｓｉで降伏した、す
なわち伸びきった。

【００５５】引張り試験棒で測定した表Ｖの実施例１
８′の降伏強さ（耐力）（ｋｓｉ）は、４点曲げ試験で
測定した表IVの実施例１８の耐力（ｋｓｉ）に匹敵して
いる。一般に、冶金分野の習慣では、引張り試験棒で決
定した耐力の方が工学目的により普通に使用され、より
広く受入れられている尺度である。同様に、１０８ｋｓ
ｉの引張り強さは表Ｖの実施例１８′の試験棒を引張っ
た結果これが破断したときの強さを表わしている。この
値は、表IVの実施例１８の破壊強度（ｋｓｉ）と参照さ
れる。２つの異なる試験によって、すべてのデータに対
して２つの異なる測定値が得られることは明らかであ
る。

【００５６】次に、塑性伸びに関しても、実施例１８に
対して前記表IVに挙げたような４点曲げ試験で決定され
る結果と、実施例１８′に対して表Ｖの一番右側の欄に
挙げた塑性伸び（％）との間に、ある相関が存在する。
ここで再び表Ｖを参照すると、実施例２４は、「加工
法」の欄に、鋳造・鍛造インゴット冶金法によって調製
したと示してある。本明細書で使用するこの「鋳造・鍛
造インゴット冶金法」では、表Ｖに示した実施例１８′
ならびに実施例１８および２４に対する割合に正確に対
応する割合で合金３８の成分を融解させる。別の言い方
をすると、実施例１８′と実施例２４の合金３８の組成
は互いに同一であり、また表IVの実施例１８とも同じで
ある。２つの実施例の違いは、実施例１８′の合金が急
速凝固法で調製され、実施例２４の合金が鋳造・鍛造イ
ンゴット冶金法で調製されたということである。繰返す
が、鋳造・鍛造インゴット冶金法では、成分を融解さ
せ、その成分をインゴットに凝固させた後そのインゴッ
トを鍛造する。急速凝固法では、メルトスピニング（溶
融紡糸）法によってリボンを形成した後そのリボンを圧
密化して充分に緻密で一体となった金属サンプルにす
る。

【００５７】鋳造・鍛造加工法では最初に鋳造し、次
に、ほぼ以下に述べるようにして鍛造する。実施例２４
のインゴット融解法では、直径が約２″で厚みが約１／
２″のほぼホッケーパックの形をしたインゴットを鋳造
して製造する。このホッケーパック状のインゴットを融
解・凝固させた後、インゴットを壁厚が約１／２″で高
さがホッケーパック状インゴットの厚さに等しいスチー
ル環体内に封入した。このホッケーパック状インゴット
は、保持リング内に封入する前に１２５０℃に２時間加
熱して均質化した。このホッケーパックと収容リングと
を一体にして約９７５℃の温度に加熱した。加熱したサ
ンプルと収容リングを鍛造して元の厚みのほぼ半分の厚
みにした。これが典型的な鋳造・鍛造加工法である。

【００５８】試験片の鍛造と冷却の後、実施例１８′で
製造した引張り試験片に相当する引張り試験片を製造し
た。これらの引張り試験片を実施例１８′で使用したの
と同じ通常の引張り試験にかけ、得られた耐力、引張り
強さおよび塑性伸びの測定値を表Ｖに実施例２４として
挙げた。表Ｖの結果から明らかなように、個々のテスト
サンプルは実際の引張り試験に先だっていろいろな焼き
なまし温度で処理した。

【００５９】表Ｖの実施例１８′で引張り試験片に対し
て使用した焼きなまし温度は１２５０℃である。表Ｖの
実施例２４で合金３８の３つのサンプルは、それぞれ表
Ｖに示した３つの異なる温度、すなわち、１２２５℃、
１２５０℃および１２７５℃で焼きなました。この焼き
なまし処理をほぼ２時間行なった後、サンプルを通常の
引張り試験にかけた。結果は表Ｖで３つの別々に処理し
た引張り試験片に対して示した。

【００６０】ここで再び表Ｖに挙げた試験結果をみると
明らかなように、急速凝固した合金の耐力は、鋳造・鍛
造インゴット法で処理した金属試験片の耐力より少し高
い。また、一般に、鋳造・鍛造インゴット冶金法で調製
したサンプルは塑性伸びが高いことから、急速凝固法で
調製したサンプルより高い延性をもつということも明ら
かである。実施例２４の結果が立証しているように、耐
力の測定値は実施例１８′より多少低いとはいっても実
施例２４のサンプルは航空機エンジンやその他多くの産
業用途には充分に適している。しかし、表Ｖに示した延
性の測定結果によると、鋳造・鍛造インゴット冶金法で
調製した合金３８は延性が改善されるので、より高い延
性を必要とする用途に極めて望ましいユニークな合金で
ある。一般的に、鋳造・鍛造インゴット冶金法による加
工は、費用のかかるメルトスピニングステップそのもの
を必要としないし、メルトスピニングに続く圧密化ステ
ップも必要としないので、メルトスピニングまたは急速
凝固による加工よりずっと安価であることはよく知られ
ている。実施例２５ 本質的に実施例２４に記載した鋳造・鍛造インゴット冶
金法によって合金のサンプルを調製した。このメルトの
成分は次式に合致していた。

【００６１】Ｔｉ₄₈Ａｌ₄₈Ｃｒ₂ Ｔａ₂ これらの成分からメルトを形成し、そのメルトを鋳造し
てインゴットにした。このインゴットの寸法は直径が約
２インチ、厚さが約１／２インチであった。インゴット
を２時間１２５０℃に加熱して均質化した。ほぼホッケ
ーパックの形をしているこのインゴットの側面を、壁厚
が約１／２インチで高さがホッケーパックインゴットの
高さと同じ環状のスチールバンドで包んだ。

【００６２】このホッケーパックインゴットと環状保持
リングの全体を約９７５℃の温度に加熱した後、この温
度で鍛造した。鍛造の結果、ホッケーパックインゴット
の厚さは元の厚さの半分になった。鍛造したインゴット
を冷却した後、インゴットの機械加工により３つの異な
る熱処理用に５つのピンを作成した。この５つの異なる
ピンを、それぞれ下記表VIに示す５つの異なる温度で２
時間焼きなました。この焼きなましの後５つのピンを１
０００℃で２時間時効化処理した。

【００６３】焼きなましと時効化の後、各ピンを機械加
工して普通の引張り試験棒を作成し、得られた試験棒に
対して通常の引張り試験を実施した。引張り試験の結果
を表VIに示す。

【００６４】

【表６】 表 VI 鋳造・鍛造加工法によって製造した合金の引張り特性と耐酸化性 鋳造品の室温引張り試験 980℃ 焼き 48時間 なま 後の重 γ し温 破壊 塑性 量損質 Ｅｘ 合金 度 耐力 強度 伸び (mg/ Ｎｏ Ｎｏ 組 成 （原子％） ℃ ksi ksi ％ cm² ) 2A^* 12A Ｔｉ₅₂Ａｌ₄₈ 1300 54 73 2.6 53 1325 50 71 2.3 - 1350 53 72 1.6 - 25 140 Ｔｉ₄₈Ａｌ₄₈Ｃｒ₂ Ｔａ₂ 1250 61 65 0.8 - 1275 62 85 2.6 - 1300 63 82 2.7 3 1325 63 74 1.4 - 1350 62 68 0.6 -^* 実施例２Ａは使用した合金の組成の点では前記実施例
２に相当する。しかし、実施例２Ａの合金１２は、実施
例２の合金１２の場合の急速凝固法ではなく、鋳造・鍛
造インゴット冶金法で調製した。引張り特性と伸び特性
は、実施例２の合金１２に対して使用した４点曲げ試験
ではなく、引張り試験棒法で試験した。

【００６５】表から明らかなように、合金１４０の５つ
のサンプルは、５つの異なる温度、すなわち１２５０
℃、１２７５℃、１３００℃、１３２５℃および１３５
０℃でそれぞれ別個に焼きなました。これらのサンプル
の耐力はベース合金１２より大幅に改善されている。た
とえば、１３００℃で焼きなましたサンプルは耐力が約
１７％向上し、破壊強度が約１２％向上した。この強度
の向上に伴って延性が失われることはなかった。

【００６６】しかし、表VIの結果はまた、耐酸化性も顕
著に改善されたことを示している。すなわち、重量損失
をもたらす酸化が約９４％減少していた。このように大
きく改善された強度、極めて望ましい延性および大幅に
改良された耐酸化性が相俟ってユニークなγアルミ化チ
タン組成物がもたらされる。さらに、実施例２５の合金
１４０に対してクリープ歪みの試験も行なった。図４
に、Ｔｉ₅₀Ａｌ₄₈Ｃｒ₂ のクリープデータと比較してＴ
ｉ₄₈Ａｌ₄₈Ｃｒ₂ Ｔａ ₂ のクリープ曲線を示す。合金１
４０の場合、８００時間を過ぎた後サンプルが破断する
前に試験を中止した。図４のプロットから明らかなよう
に、タンタルを含有するサンプルは、クロムを含有する
がタンタルを含有しないサンプルと比べてクリープ特性
がずっと優れている。

【００６７】したがって、この実施例で得られた結果が
実施例１７で得られた結果と対照的であることは明らか
である。すなわち、実施例１７ではγＴｉＡｌに多数の
添加元素を含ませると個々の添加元素の有益な影響が相
殺されて失われるのに対し、この実施例では多数の添加
元素を含ませて得られる全体の結果が個々の添加元素を
別々に含ませて得られる結果より良くなっている。この
知見は、本出願人が所有している米国特許第５，０２
８，４９１号（援用により、その明細書が本明細書中に
含まれているものとする）の主題である。実施例２６〜３０ 実施例２４に記載した鋳造・鍛造法に従ってさらに５つ
のサンプルを調製した。これらのサンプルの組成を表VI
I に示す。各組成物は鍛造する前に１３００℃で２時間
均質化した。

【００６８】

【表７】 表 VII 鋳造・鍛造加工法によって調製した合金の引張り特性 室温引張り試験 実施 焼きな 破壊 塑 性 例 合 金 まし温度 耐力 強度 伸 び 番号 番 号 組 成 （原子％） ℃ ksi ksi ％ ２６ １７３ Ｔｉ‐50Ａｌ-2Ｃｒ-2Ｔａ １３００ ６３ ７４ １．４ １３２５ ６５ ７７ １．５ １３５０ ６６ ７３ ０．８ ２７ １７１ Ｔｉ‐49Ａｌ-2Ｃｒ-3Ｔａ １３００ ６１ ７３ １．６ １３２５ ６３ ８０ ２．３ １３５０ ６３ ７９ ２．１ ２８ １３４ Ｔｉ‐48Ａｌ-2Ｃｒ-4Ｔａ １２５０ ６５ ７７ １．８ １２７５ ６７ ８４ ２ １３００ ６７ ８７ ２ １３２５ ６８ ８６ １．８ １３５０ ６７ ７２ ０．４ ２９ １６２ Ｔｉ‐50Ａｌ-2Ｃｒ-4Ｔａ １３００ ６１ ６７ ０．５ １３２５ ６４ ７６ １．３ １３５０ ６８ ７９ １．５ １３７５ ６６ ７９ １．４ ３０ １６３ Ｔｉ‐48Ａｌ-2Ｃｒ-6Ｔａ １２５０ ７０ ８４ １．７ １２７５ ７０ ８６ ２ １３００ ７１ ８８ ２ １３２５ ６７ ８６ ２．１ １３５０ ７１ ７９ ０．６ 表VII には、これらのクロムとタンタルを含有するγＴ
ｉＡｌ組成物の引張り試験の結果も挙げてある。これら
の合金の強度値が総じて表VIの実施例２Ａの合金の強度
値より改善されていることは明らかである。延性の値は
ある範囲に渡って変化しているが、これらの組成物を鋳
造・鍛造加工法によって調製すると意味のある有益な延
性値を達成することができることを示している。実施例３１ 次の組成を有する合金の３０〜３５ポンドのメルトを調
製した。

【００６９】Ｔｉ₄₇Ａｌ₄₇Ｃｒ₂ Ｔａ₄ このメルトを誘導加熱した後グラファイト製の金型に注
ぎ入れた。インゴットは直径が約２．７５インチで、長
さが約２．３６インチであった。このインゴットからサ
ンプルを切り出し１１７５℃、１５ｋｓｉで３時間ＨＩ
Ｐ処理した。こうしてＨＩＰ処理したサンプルを次に１
２００℃で２４時間未満均質化した。

【００７０】次いで、サンプルを１１７５℃で歪み速度
０．１インチ／分として等温鍛造し、元の厚さの２５％
にした（すなわち、２インチから０．５インチ）。次に
サンプルを１２７５℃に２時間焼きなました。その後サ
ンプルの引張り特性を決定した。結果を表VIIIに挙げ
る。

【００７１】

【表８】 表 VIII 引張り試験棒試験によるＴｉ₄₇Ａｌ₄₇Ｃｒ₂ Ｔａ₄ の引張り特性 焼き γ なま 破壊 塑性 Ｅｘ 合金 し温 耐力 強度 伸び Ｎｏ 番号 組 成 （原子％） 度℃ ksi ksi ％ 2A 12 Ｔｉ₅₂Ａｌ₄₈ 1300 54 73 2.6 1325 50 71 2.3 1350 53 72 1.6 31^* 223 Ｔｉ₄₇Ａｌ₄₇Ｃｒ₂ Ｔａ₄ 1275 83 108 2.14 84 115 2.73^* 引張りと伸びの２つの値は同じ合金のサンプルに対
して二度試験した結果である。 上記実施例から明らかなように、クロムとタンタルをＴ
ｉＡｌに添加した際の望ましい効果は、式 Ｔｉ₄₇Ａｌ₄₇Ｃｒ₂ Ｔａ₄ に従ってさらに２原子％のタンタルを添加することによ
って高められる。

【００７２】引張り強さが顕著に増大していると共に延
性は失われておらず、実際に塑性伸び２．７３％を記録
したサンプルでは高まってもいる。実施例３２〜３３ 前記実施例２４に記載した鋳造・鍛造法に従ってさらに
２つのサンプルを調製した。これらのサンプルの組成を
下記表IXに示す。

【００７３】

【表９】 表 IX 鋳造・鍛造したホウ素添加アルミ化チタンの引張り特性 室温引張り試験 焼き γ なま 破壊 塑性 Ex 合金 し温 耐力 強度 伸び No 番号 組 成 （原 子％） 度℃ ksi ksi ％ 32 249 Ｔｉ‐48Ａｌ-2Ｃｒ-2Ｔａ-0.2Ｂ 1275 70 83 2.3 1300 66 82 2.5 33 230 Ｔｉ‐47Ａｌ-2Ｃｒ-3Ｔａ-0.1Ｂ 1275 72 91 2.5 1300 73 94 2.2 1325 75 91 1.5 1350 71 85 1.2 1375 68 79 1.0 注：実施例３２と３３の合金はどちらも鍛造する前に１
３００℃で２時間均質化した。 表IXに挙げた実施例３２の組成から明らかなように、こ
の組成物は本質的に、実施例２８のベース合金１３４に
ホウ素を０．２原子％添加したものである。鋳造・鍛造
した合金から調製したテストサンプルは表IXに示したよ
うに１２７５℃と１３００℃でそれぞれ焼きなました。
これらのサンプルに対して耐力、破壊強度および塑性伸
びの値を測定したところ、表IXの値と実施例２５の合金
１４０の値を比較すると明らかなように、引張り伸びの
損失は比較的少なくて耐力はいくらか向上する。

【００７４】表IXの合金２３０の場合、比較対象として
最も近いのは実施例２７の合金１７１（表VII ）であろ
う。ただし、合金１７１のアルミニウム含量は合金２３
０より２原子％高い。表IXのデータから明らかなよう
に、低い焼きなまし温度では延性を大きく損なうことな
く耐力と破壊強度が大幅に向上している。非常に驚くべ
きことに、添加元素のホウ素を０．１％含有する合金２
３０組成物で焼きなまし温度を上げると破壊強度と塑性
伸びの両方が大きく低下している。

【００７５】概して、表IXの２つの合金、すなわち合金
２４９と２３０は類似の性質をもっている。実施例２８Ｂ 前記実施例２４に記載した鋳造・鍛造法に従って別のサ
ンプルを１種調製した。ただし、この場合は、比較例と
して、特に実施例２８の合金１３４に対して、使用した
１３００℃ではなく１４００℃でサンプルを均質化し
た。サンプルの組成ならびに焼きなまし温度、さらに実
施例２８Ｂの合金の引張り試験で得られた耐力、破壊強
度および塑性伸びのデータを下記表Ｘに示す。

【００７６】

【表１０】 表 Ｘ 鋳造・鍛造したアルミ化チタンの引張り特性 室温引張り試験 実施 焼きな 破壊 塑 性 例 合 金 まし温度 耐力 強度 伸 び 番号 番 号 組 成 （原子％） ℃ ksi ksi ％ 28B* １３４ Ｔｉ‐48Ａｌ-2Ｃｒ-4Ｔａ １２７５ ７０ ７７ １．４ １２７５ ６８ ８２ ２．４ １３００ ６９ ８３ ２．４ １３２５ ６８ ８５ ２．０ 注：実施例２８Ｂは使用した組成の点では表VII の実施
例２８に相当する。しかし、この実施例の合金は、実施
例２８の合金に対して行なった１３００℃の均質化では
なく、鍛造前に２時間１４００℃でインゴットを均質化
することによって調製した。 上記表Ｘに挙げたデータは、クロムを２原子％とタンタ
ルを４原子％含む合金１３４に対するものである。この
合金は前記表VII の実施例２８に挙げたものと同じであ
る。この実施例２８Ｂはほとんど表VII の実施例２８の
繰り返しであるが、実施例２８の合金１３４は２時間１
３００℃で均質化したのに対して、１４００℃で２時間
均質化した点が違っている。これら２つの実施例のデー
タを比較すると、１４００℃での均質化の結果、サンプ
ルの耐力または破壊強度に大きな変化をもたらすことな
く延性が増大している。実施例３４および３３Ｂ 実施例２４に記載した鋳造・鍛造法に従ってさらに２つ
のサンプルを調製した。これらのサンプルの各々の組成
物は実施例２４に記載の鍛造操作に先立って１４００℃
で２時間均質化した。これらのサンプルの組成を下記表
XIに示す。

【００７７】

【表１１】 表 XI 焼き なま 破壊 塑性 Ｅｘ 合金 し温 耐力 強度 伸び Ｎｏ 番号 組 成 （原子％） 度℃ ksi ksi ％ 34 227 Ｔｉ‐48Ａｌ-0.1Ｂ 1275 69 76 1.7 1300 64 67 0.9 1325 58 70 1.6 33B* 230 Ｔｉ‐47Ａｌ-2Ｃｒ-3Ｔａ-0.1Ｂ 1250 73 86 1.9 1275 73 94 3.4 1300 72 91 2.9 1325 75 83 0.7 注：実施例３３Ｂは使用した合金組成の点で実施例３３
に相当する。しかし、この実施例の合金は、先の実施例
の場合の１３００℃ではなく、１４００℃でインゴット
を均質化することによって調製した。 実施例３４の合金は、ドーパントとしてホウ素を０．１
原子％添加したベースの基準二元合金Ｔｉ‐４８Ａｌで
ある。したがって、実施例３４は２つの点を除いて表VI
IIの実施例２Ａに匹敵する。ひとつめの違いは、表VIII
の合金２Ａはホウ素を含んでいなかったのに対して、実
施例３４の合金２２７はホウ素を０．１原子％含有する
ことである。ふたつめの違いは、実施例３４の合金２２
７は１４００℃で均質化したのに対して、表VIIIの実施
例２Ａの合金１２は１２００℃で２４時間均質化したこ
とである。

【００７８】表XIの合金２２７に対する引張りデータを
表VIIIの合金１２の類似のデータと比較すると明らかな
ように、合金２２７の耐力は向上しているが、その代わ
りに、同じ合金の塑性伸びすなわち延性は表VIIIの合金
１２と比べて低下している。表XIの第二の例は実施例３
３Ｂである。この実施例は表IXの実施例３３の改良型で
ある。これら２つの表（すなわち、表IXと表XI）を比較
すると気が付くように、合金番号は同一であり、合金の
組成はまったく同じでＴｉ‐47Ａｌ-2Ｃｒ-3Ｔａ-0.1Ｂ
である。言い換えると、表XIの実施例３３Ｂと表IXの実
施例２２の本質的な違いは、実施例３３Ｂの実施の際に
は合金２３０を１４００℃で２時間均質化したのに対し
て、表IXの実施例３３では同じ合金を１３００℃で均質
化したことである。これら２つのサンプルの耐力はほぼ
同じであり、２つのサンプルの破壊強度もほとんど同じ
である。しかしながら、目立った点は、実施例３３Ｂの
合金２３０の延性が、１２７５℃で焼きなましたサンプ
ルの場合の３．４のレベルまで向上していることであ
る。すなわち、均質化温度が１００℃違った結果延性が
約３６％向上したのである。これはアルミ化チタンの延
性の極めて大きな改良である。これらの材料のほとんど
は室温で脆く、ほとんどまたはまったく延性をもってい
ないからである。この種の合金の開発の重要な局面は認
められる程度の延性が得られることである。この点、
３．４％の延性は非常に有意義である。

【００７９】均質化温度が１００°上昇して得られる延
性の違いを比較するには、表Ｘの実施例２８Ｂで得られ
た結果を表VII の実施例２８で得られた結果と比べても
よい。上で述べたように、実施例２８Ｂと実施例２８の
違いは、実施例２８Ｂの均質化温度が１４００℃であっ
たのに対して実施例２８では１３００℃であったという
点だけである。表VIIIと表IXのデータを比較すると明ら
かなように、そしてすでに上で論じたように、実施例２
８Ｂの塑性伸びがかなり向上する。この改良度は約２０
％に達する。しかし、実施例３３と比較した実施例３３
Ｂの改良度は、添加元素のホウ素を含まない合金で得ら
れた改良度のほとんど２倍である。

【００８０】したがって、加工処理に最適の組成は添加
元素のクロムおよびタンタルと共にドーパントのホウ素
が配合され、均質化を１４００℃の温度で行なうもので
ある。１４００℃という均質化温度は添加元素のクロム
とタンタルを含有するアルミ化チタンの延性を改良する
のに有効であるが、その改良の程度はドーパントとして
ホウ素も存在している場合ほどではない。どちらの場合
も、この延性の向上は、耐力も破壊強度も犠牲にするこ
となく達成される。

【００８１】さらに、実施例３４と２Ａで得られた結果
の比較から明らかなように、ホウ素をドープしても、三
元合金（特にＴｉ‐４８Ａｌ‐０．１Ｂ）の延性を改善
するのに有効ではない。この知見は、本明細書中従来技
術の欄で論じた技術文献７の教示と逆であり矛盾してい
る。以上のことから、ドーパントとしてホウ素を含有す
る組成物および１４００℃程度の高温、すなわち約１３
７５〜１４２５℃で均質化された組成物に対する３．４
％という値にまで達するように延性を３６％向上させる
のには、ホウ素のドープと高めの均質化温度の組み合わ
せが最も有効であり、独特な効力をもっていることが明
らかである。

【００８２】独特に改良された結果に対して考えられる
ひとつの説明は、本発明の鋳造・鍛造組成物を調製する
際に添加元素成分と高めの均質化温度との新規な組合せ
を使用したということである。特に、特定範囲のクロ
ム、タンタルおよびホウ素の組合せを、高めの加工温
度、特に高めの均質化温度と共に使用する。好ましい高
めの均質化温度は合金のα遷移線より高い温度である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の合金とベース合金の比較データを示す
棒グラフである。

【図２】４点曲げ試験にかけた異なる化学量論のＴｉＡ
ｌ組成物とＴｉ₅₀Ａｌ₄₈Ｃｒ₂に対する荷重（ポンド）
とクロスヘッド変位（ミル）の関係を示すグラフであ
る。

【図３】一群の合金に対してモジュラスと温度の関係を
示すグラフである。

【図４】２種の合金に対するクリープ歪みをプロットし
たグラフである。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 延性および強度の改善されたガンマ−チ
   タン・アルミニウム合金の製造方法であって、次の原子
   比： Ｔｉ‐Ａｌ_46-50 Ｃｒ_1-3 Ｔａ_1-6 Ｂ_0.05-0.2 のチタン、アルミニウム、ホウ素、クロムおよびタンタ
   ルから本質的に成る、クロム、ホウ素およびタンタルで
   改良されたチタン・アルミニウム合金を鋳造し、この合
   金をそのα遷移温度より高い温度で均質化した後鍛造す
   ることからなる、前記ガンマ−チタン・アルミニウム合
   金の製造方法。
2. 【請求項２】 延性および強度の改善されたガンマ−チ
   タン・アルミニウム合金の製造方法であって、次の原子
   比： Ｔｉ‐Ａｌ_46-50 Ｃｒ_1-3 Ｔａ_2-4 Ｂ_0.05-0.2 のチタン、アルミニウム、ホウ素、クロムおよびタンタ
   ルから本質的に成る、クロム、ホウ素およびタンタルで
   改良されたチタン・アルミニウム合金を鋳造し、この合
   金をそのα遷移温度より高い温度で均質化した後鍛造す
   ることからなる、前記ガンマ−チタン・アルミニウム合
   金の製造方法。
3. 【請求項３】 延性および強度の改善されたガンマ−チ
   タン・アルミニウム合金の製造方法であって、次の原子
   比： Ｔｉ‐Ａｌ_46-50 Ｃｒ₂ Ｔａ_1-6 Ｂ_0.05-0.2 のチタン、アルミニウム、ホウ素、クロムおよびタンタ
   ルから本質的に成る、クロム、ホウ素およびタンタルで
   改良されたチタン・アルミニウム合金を鋳造し、この合
   金をそのα遷移温度より高い温度で均質化した後鍛造す
   ることからなる、前記ガンマ−チタン・アルミニウム合
   金の製造方法。
4. 【請求項４】 延性および強度の改善されたガンマ−チ
   タン・アルミニウム合金の製造方法であって、次の原子
   比： Ｔｉ‐Ａｌ_46-50 Ｃｒ₂ Ｔａ_2-4 Ｂ_0.05-0.2 のチタン、アルミニウム、ホウ素、クロムおよびタンタ
   ルから本質的に成る、クロム、ホウ素およびタンタルで
   改良されたチタン・アルミニウム合金を鋳造し、この合
   金をそのα遷移温度より高い温度で均質化した後鍛造す
   ることからなる、前記ガンマ−チタン・アルミニウム合
   金の製造方法。
5. 【請求項５】 延性および強度の改善されたガンマ−チ
   タン・アルミニウム合金の製造方法であって、次の原子
   比： Ｔｉ‐Ａｌ_46-50 Ｃｒ_1-3 Ｔａ_1-6 Ｂ_0.1 のチタン、アルミニウム、ホウ素、クロムおよびタンタ
   ルから本質的に成る、クロム、ホウ素およびタンタルで
   改良されたチタン・アルミニウム合金を鋳造し、この合
   金をそのα遷移温度より高い温度で均質化した後鍛造す
   ることからなる、前記ガンマ−チタン・アルミニウム合
   金の製造方法。
6. 【請求項６】 延性および強度の改善されたガンマ−チ
   タン・アルミニウム合金の製造方法であって、次の原子
   比： Ｔｉ‐Ａｌ_46-50 Ｃｒ₂ Ｔａ_2-4 Ｂ_0.1 のチタン、アルミニウム、ホウ素、クロムおよびタンタ
   ルから本質的に成る、クロム、ホウ素およびタンタルで
   改良されたチタン・アルミニウム合金を鋳造し、この合
   金をそのα遷移温度より高い温度で均質化した後鍛造す
   ることからなる、前記ガンマ−チタン・アルミニウム合
   金の製造方法。
7. 【請求項７】 請求項１に記載の製造方法によって製造
   されたガンマ−チタン・アルミニウム合金から形成され
   た、高温高強度で使用する構造部材。
8. 【請求項８】 ジェットエンジンの構造部品である、請
   求項７記載の部材。
9. 【請求項９】 繊維質強化材によって強化されている、
   請求項７記載の部材。
10. 【請求項１０】 繊維質強化材が炭化ケイ素フィラメン
    トである、請求項９記載の部材。