JPH0830236B2 - ホウ素の添加によって鋳造可能になったタンタル・クロム含有アルミ化チタン - Google Patents

ホウ素の添加によって鋳造可能になったタンタル・クロム含有アルミ化チタン

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JPH0830236B2
JPH0830236B2 JP3163433A JP16343391A JPH0830236B2 JP H0830236 B2 JPH0830236 B2 JP H0830236B2 JP 3163433 A JP3163433 A JP 3163433A JP 16343391 A JP16343391 A JP 16343391A JP H0830236 B2 JPH0830236 B2 JP H0830236B2
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
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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、改良された粒
子組織という意味で改良された鋳造性を有するγアルミ
化チタン（ＴｉＡｌ）合金に係る。特に、本発明は、ク
ロム、タンタルおよびホウ素を組合せた添加元素の作用
によって微細粒子のミクロ組織および一組の改良された
性質を達成した、クロムとタンタルを添加（ド―プ）し
たＴｉＡｌの鋳造品に係る。
【０００２】
【発明の背景】鋳造品を形成する際には、一般に、鋳造
される溶融金属が高い流動特性をもっていることが望ま
しい。そのような流動性により、溶融金属は、早過ぎる
凝結を起こすことなく、金型に自由に流入し、その金型
の細い部分に充満すると共に金型の複雑に入組んだ部分
に入り込むことが可能になる。この点で、液体金属は、
金型の鋭角の部分に入り込むことができるように、かつ
鋳造製品がそれを鋳造するのに使用した金型の形状とほ
ぼ一致するように、低い粘度をもっているのが一般に望
ましい。
【０００３】鋳造された構造体に望まれるもうひとつの
特徴は、微細なミクロ組織、すなわち微細な結晶粒度を
有していて、合金の種々の成分の偏析が最小限になるよ
うになっていることである。これは、熱間割れに至る金
型内での金属収縮を回避する上で重要である。鋳造した
金属が凝固し冷却する際に鋳造品中にいくらかの収縮が
発生することは極めて一般的で極めて正常なことであ
る。しかし、合金成分の偏析の程度がかなりになると、
鋳造された物品の中で、そのような偏析のために弱くな
り金属の凝固と冷却およびそのような冷却に伴う収縮の
結果として歪みの生じた部分に割れが生じる危険性があ
る。いいかえると、液体金属は金型を完全に満たし、か
つその金型内部の細かなキャビティ―のすべてに入り込
むように充分な流動性をもつのが望ましいが、その金属
はいったん凝固したら健全であって、過剰の偏析のため
に生じた弱い部分または内部熱間割れを特徴的にもつこ
とがないということも望ましいことである。
【０００４】アルミ化チタン自体に関しては、アルミニ
ウムをチタン金属に添加する量を次第に増やしていく
と、得られるチタン‐アルミニウム組成物の結晶形態が
変化するということが知られている。少量のアルミニウ
ムはチタンと固溶体を形成し、結晶形態はαチタンのま
まである。より高濃度のアルミニウム（たとえば、約２
５〜３０原子％）では、金属間化合物Ｔｉ3 Ａｌが形成
され、これはα‐２という規則六方晶形を有する。それ
よりさらに高濃度のアルミニウム（たとえば、アルミニ
ウムが５０〜６０原子％）では、γといわれる規則正方
晶形を有する別の金属間化合物ＴｉＡｌが形成される。
このγアルミ化チタンが本出願の主題である。
【０００５】γ結晶形態とほぼ１という化学量論比を有
するチタンとアルミニウムの合金は、高いモジュラス、
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―プ性を有する金属間化合物である。図１に、Ｔ
ｉＡｌ化合物、他のチタン合金およびニッケル基超合金
のモジュラスと温度の関係を示す。図から明らかなよう
に、γＴｉＡｌはチタン合金の中で最高のモジュラスを
もっている。γＴｉＡｌはそのモジュラスが高温で他の
チタン合金より高いだけでなく、温度上昇に伴うモジュ
ラスの低下率が他のチタン合金より小さい。さらに、γ
ＴｉＡｌは、他のチタン合金が役に立たなくなるような
温度以上の高温でも有用なモジュラスを保持する。Ｔｉ
Ａｌ金属間化合物を基材とする合金は、高温で高いモジ
ュラスが要求され、しかも良好な環境保護も必要とされ
るような用途向けに魅力のある軽量材料である。
【０００６】γＴｉＡｌをそのような用途に実際に応用
する際に制約となる特性のひとつは、室温で見られる脆
性である。γＴｉＡｌの実際の応用を制限するもうひと
つの特性は、溶融組成物の比較的に低い流動性である。
この低い流動性により、特に、鋳造品が薄い断面および
鋭い角と隅を有する入組んだ構造を含んでいる場合、合
金の鋳造性が限定される。γＴｉＡｌの鋳造組成物のそ
れらが適している高温での用途範囲を拡大できるために
は、γＴｉＡｌ金属間化合物のメルト流動性を高める改
良と、鋳造製品中に微細なミクロ組織を達成することが
たいへん望ましいことである。本明細書中で、鋳造され
たＴｉＡｌ製品中の微細なミクロ組織についていう場
合、それは鋳造したままの状態における製品のミクロ組
織をいうものとする。
【０００７】鋳造後、製品を鍛造その他の機械的方法に
よって加工すると、そのミクロ組織を変化させることが
できるし改良し得るということが認められている。しか
しながら、鋳造製品が有用である用途では、補助的な機
械加工ステップを使用することなく鋳造したままの製品
中でミクロ組織を達成しなければならない。
【０００８】また、同様に鋳造製品に求められており、
極めて望ましいものは最低０．５％以上の延性である。
そのような延性は、製品が適切な完全性を示すために必
要とされる。組成物が広く有用であるための最低の室温
強度は約５０ksi すなわち約３５０ＭＰａである。しか
しながら、この程度の強度をもっている材料は実用性が
限られており、多くの用途でさらに高い強度が好まれる
ことが多い。
【０００９】γＴｉＡｌ化合物の化学量論比は結晶構造
を変化させることなくある範囲に亘って変えることがで
きる。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。しかしながら、γＴｉＡｌ
組成物の性質は、チタン成分とアルミニウム成分の化学
量論比が１％以上と比較的小さく変化しても、非常に大
きく変わり易い。また、これらの性質は、添加元素また
はド―ピング剤としての比較的少量の第三元素および第
四元素の添加によっても同様な影響を受ける。
【００１０】
【従来の技術】ＴｉＡｌ3 金属間化合物、γＴｉＡｌ金
属間化合物およびＴｉ3 Ａｌ金属間化合物を始めとする
アルミ化チタン組成物に関する文献はたくさんある。
「ＴｉＡｌ型のチタン合金(Titanium Alloys of the Ti
Al Type)」と題する米国特許第４，２９４，６１５号で
は、γＴｉＡｌ金属間化合物を始めとするアルミ化チタ
ン型の合金に関する考察がまとめて述べられている。こ
の特許の第１欄第５０行目から始まる記載では、γＴｉ
Ａｌの利点と欠点をＴｉ3 Ａｌと比較した考察におい
て、次のように指摘されている。『ＴｉＡｌγ合金系の
方がたくさんのアルミニウムを含んでいるので軽量であ
る可能性があるということは明らかである。１９５０年
代の実験室レベルの研究で、アルミ化チタン合金が約１
０００℃までの高温で使用できる可能性が示された。し
かし、そのような合金に関するその後の工学的経験によ
ると、これらの合金材料は必要とされる高温強度をもっ
てはいたが、室温〜中程度の温度、すなわち２０〜５５
０℃でほとんどまたはまったく延性を示さなかった。脆
性に過ぎる材料は容易に製造することができないし、使
用中めったにないが避けることのできないちょっとした
損傷に対して亀裂（その後破壊に至る）することなく耐
えることもできない。そのような材料は他のベ―ス合金
の代替となるような有用な工学材料ではない。』γ合金
系ＴｉＡｌとＴｉ3 Ａｌとはいずれも基本的に秩序化
（規則化）されたチタン‐アルミニウム金属間化合物で
あるが、ＴｉＡｌが（Ｔｉの固溶体合金とはもちろん）
Ｔｉ3 Ａｌとは実質的に異なるということは公知であ
る。前記米国特許第４，２９４，６１５号の第１欄最下
行では次のように指摘されている。『当業者は、これら
２つの秩序化された相の間に実質的な相違があることを
認識している。Ｔｉ3 Ａｌの合金化と変態挙動はチタン
と類似である。これは、両者の六方結晶組織が極めてよ
く似ているからである。しかし、化合物ＴｉＡｌは正方
形配列の原子をもっているので合金化特性が異なる。こ
のような違いは先の文献では認識されていないことが多
い。』チタン‐アルミニウム化合物およびこれらの化合
物の特性を扱った技術文献をいくつか以下に挙げる。 （１）バンプ(E.S. Bumps)、ケスラ―(H.D. Kessler)お
よびハンセン(M. Hansen）著「チタン‐アルミニウム系
(Titanium-Aluminum System)」、１９５２年６月「金属
誌(Journal of Metals）」第６０９〜６１４頁、アメリ
カ鉱山、冶金および石油技師協会会報(TRANSACTIONS AI
ME）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）およびジァフィ―(R.I.
Jaffee）著「高純度Ｔｉ‐Ａｌ合金の機械的性質(Mecha
nical Properties of High Purity Ti-Al Alloys）」、
１９５３年２月「金属誌(Journal of Metals）」第２６
７〜２７２頁、アメリカ鉱山、冶金および石油技師協会
会報(TRANSACTIONS AIME）第１９７巻。 （３）マッカンドリュ―(Joseph B. McAndrew)およびケ
スラ―(H.D. Kessler)著「高温合金のベ―スとしてのＴ
ｉ−３６％Ａｌ(Ti-36 Pct Al as a Base for High Tem
perature Alloys)」、１９５６年１０月「金属誌(Journ
al of Metals）」第１３４５〜１３５３頁、アメリカ鉱
山、冶金および石油技師協会会報(TRANSACTIONS AIME）
第２０６巻。 （４）バリノフ(S.M. Barinov)、ナルトバ(T.T. Nartov
a)、クラシュリン(Yu L.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靱
性の温度依存性(Temperature Dependence of the Stren
gth and FractureToughness of Titaniu Aluminu
m）」、１９８３年「イズベスチヤ・アカデミイ・ナウ
ク・エス・エス・エス・ア―ル、メタリ―(Izv. Akad.
Nauk SSSR, Met.)」第５巻、第１７０頁。
【００１１】この文献４の表Ｉには、チタン‐３６アル
ミニウム‐０．０１ホウ素の組成物が挙げられており、
この組成物は改良された延性をもつと報告されている。
この組成物は原子％でＴｉ50Ａｌ49.97 Ｂ0.03に相当す
る。 （５）オグデン(H.R. Ogden)、メイカス(D.J. Maykut
h)、フィンレイ(W.L. Finlay）およびジァフィ―(R.I.
Jaffee）著「高純度Ｔｉ‐Ａｌ合金の機械的性質(Mecha
nical Properties of High Purity Ti-Al Alloys）」、
１９５３年２月「金属誌(Journal of Metals）」第２６
７〜２７２頁、アメリカ鉱山、冶金および石油技師協会
会報(TRANSACTIONS AIME）第１９７巻。 （６）サストリ(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（Pla
stic Deformation of TiAl and Ti3 Al）」、１９８０
年「チタン(Titanium)８０」第２巻、米国ペンシルバニ
ア州ウォ―レンデ―ル(Warrendale)のアメリカ金属学会
(American Society for Metals）刊、第１２３１頁。 （７）マ―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. Li
spitt)著「ＴｉＡｌおよびＴｉＡｌ＋Ｗ合金のクリ―プ
変形(Creep Deformation of TiAl and TiAl+W Alloy
s）」、１９８３年１０月「冶金紀要(Metallurgical Tr
ansactions)Ａ」第１４Ａ巻、第２１７１〜２１７４
頁。 （８）辻本徳三(Tokuzo Tsujimoto)著「ＴｉＡｌ金属間
化合物合金の研究、開発、展望(Research, Developmen
t, and Prospects of TiAl Intermetallic Compound Al
loys)」、１９８５年７月「チタンとジルコニウム(Tita
nium and Zirconium)」第３３巻、第３号、第１５９
頁。 （９）リスピット(H.A. Lispitt)著「アルミ化チタン−
概説(Titanium Aluminides−An Overview)」、１９８５
年「材料研究学会シンポジウム紀要(Mat.Res.Soc.Sympo
sium Proc.）」、材料研究学会(Materials Research So
ciety)、第３９巻、第３５１〜３６４頁。 （１０）ワング(S.H. Whang)ら著「Ｌｌ0 ＴｉＡｌ化合
物合金における急速凝固の影響（Effect of Rapid Soli
dification in Ll0 TiAl Compound Alloys）」、アメリ
カ金属学会構造金属における性質向上と急速凝固に関す
るシンポジウム紀要(ASM Symposium Proceedings on En
hanced Properties in Struc. Metals ViaRapid Solidi
fication)、１９８６年１０月「マテリアルズ・ウィ―
ク(Materials Week)」第１〜７頁。 （１１）１９８４年「イズベスチヤ・アカデミイ・ナウ
ク・エス・エス・ア―ル、メタリ―(Izv. Akad. Nauk S
SR, Mettally）」第３号、第１６４〜１６８頁。 （１２）マ―チン(P.L. Martin）、リスピット(H.A. Li
spitt)、フ―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影響（The Effects of Alloy
ing on the Microstructure and Properties of Ti3 Al
and TiAl)」、１９８０年「チタン(Titanium)８０」第
２巻、米国ペンシルバニア州ウォ―レンデ―ル(Warrend
ale)のアメリカ金属学会(American Society for Metal
s）刊、第１２５４頁。 （１３）ラ―セン(D.E. Larsen）、アダムズ(M.L. Adam
s)、カンプ(S.L. Kampe)、クリストド―ル―(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（登録商標）アルミ化チタン複合材に
おける破壊靱性に及ぼすマトリックス相形態の影響(Inf
luence of Matrix Phase Morphology on Fracture Toug
hness in a Discontinuously Reinforced XDTM Titaniu
m Aluminide Composite)」、１９９０年「スクリプタ・
メタリュルジカ・エ・マテリアリア(Scripta Metallurg
ica et Materialia)」第２４巻、第８５１〜８５６頁。 （１４）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―サイズに対するＴｉＢ2 添
加の影響(Effect of TiB2 Additions on the Colony Si
ze of Near Gamma Titanium Aluminides）」、１９９０
年「スクリプタ・メタリュルジカ・エ・マテリアリア(S
cripta Metallurgica et Materialia)」第２４巻、第３
３〜３８頁。
【００１２】このほかにも、以下のようないくつかの特
許がＴｉＡｌ組成物を扱っている。ジァフィ―(Jaffee)
の米国特許第３，２０３，７９４号は種々のＴｉＡｌ組
成物を開示している。ジァフィ―(Jaffee)のカナダ特許
第６２１８８４号は同様にさまざまなＴｉＡｌ組成物を
開示している。橋本(Hashimoto）の米国特許第４，６６
１，３１６号は、各種添加剤を含有するアルミ化チタン
組成物を教示している。本出願の譲受人に譲渡されてい
る米国特許第４，８４２，８２０号は、ホウ素を配合し
て三元のＴｉＡｌ組成物を形成し、延性と強度を改良す
ることを教示している。サストリ―(Sastry)の米国特許
第４，６３９，２８１号は、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の繊維
状分散物をＴｉ‐Ａｌを始めとするチタン基合金に混入
することを教示している。ニシ―ジャマ(Nishiejama)の
ヨ―ロッパ特許出願第０２７５３９１号は、０．３重量
％までのホウ素を含有するＴｉＡｌ組成物と、ニッケル
とケイ素が存在するとき０．３重量％のホウ素を含有す
るＴｉＡｌ組成物を教示している。ホウ素と共にクロム
またはタンタルが存在することは教示されていない。
【００１３】
【発明の概要】したがって、本発明のひとつの目的は、
γＴｉＡｌ金属間化合物を鋳造して微細な粒子組織を有
する物体を製造する方法を提供することである。
【００１４】別の目的は、微細な粒子組織と望ましい性
質の組合せを有するγＴｉＡｌ鋳造品を形成できる方法
を提供することである。
【００１５】また別の目的は、γＴｉＡｌを、再現性の
ある微細な粒子組織を有する構造体に鋳造する方法を提
供することである。
【００１６】さらに別の目的は、一組の望ましい性質と
微細なミクロ組織を有するγＴｉＡｌの鋳造品を提供す
ることである。
【００１７】本発明のその他の目的と利点の一部は以下
の説明から明らかであるし、一部は以下で指摘する。
【００１８】本発明の広い局面のひとつにおいて、本発
明の上記の目的は、４３〜４８原子％のアルミニウム、
１．０〜６．０原子％のタンタル、および０〜３．０原
子％のクロムを含有するγＴｉＡｌのメルトを準備し、
接種剤として０．５〜２．０原子％の濃度のホウ素を添
加した後、このメルトを鋳造することによって達成する
ことができる。
【００１９】以下の詳細な説明は添付の図面を参照する
とさらにいっそう明瞭に理解できるであろう。
【００２０】
【発明の詳細】上にまとめたように、金属間化合物のγ
ＴｉＡｌは、その脆性を除けば、その軽量性、高温での
高強度および比較的低いコストのゆえに産業上多くの用
途をもっていることはよく知られていることである。こ
の組成物は、もしこのように長年の間利用を妨げている
基本的な材料の欠陥がなかったならば、今日多くの産業
上の用途をもっているはずである。
【００２１】また、鋳造されたγＴｉＡｌは、上で議論
したいくつかの欠点を含めて多くの欠点を有することが
認められている。これらの欠点とは、微細なミクロ組織
をもたないこと、薄い断面の鋳造に適した低い粘度をも
っていないこと、形成される鋳造品の脆性、形成される
鋳造品の比較的弱い強度、そして細かい形状と鋭い角お
よび隅のある鋳造品を得るのに適した溶融状態の低流動
性、などがある。
【００２２】本発明者は、この度、現状の鋳造法を多少
手直しすることによって、γＴｉＡｌの鋳造性を大きく
改良することができ、また鋳造製品も大幅に改良するこ
とができることを見出した。
【００２３】
【実施例の記載】本発明の新規な方法に関する実施例の
前に、γＴｉＡｌの性質の改良を理解し易くするために
いくつかの参考例（参考例１−１３）を以下に挙げて説
明する。参考例１〜３ ＴｉＡｌの化学量論比に近い二元化学量論比でチタンと
アルミニウムを含有する３種類のメルトを別々に調製し
た。これら３種の組成物のミクロ組織を観察するために
組成物をそれぞれ別個に鋳造した。サンプルを切断して
バ―とし、このバ―をそれぞれ別々に１０５０℃、４５
ksi の圧力で３時間ＨＩＰ（熱間等方圧プレス）処理し
た。次にこれらのバ―をそれぞれ１２００℃から１３７
５℃までのいろいろな温度で熱処理した。この熱処理し
たサンプルから常用の試験棒を製造し、降伏強さ、破断
強さおよび塑性伸びを測定した。凝固組織に関する観察
結果、熱処理温度およびこれらの試験で得られた値を表
Ｉに示す。
【００２４】
【表１】 表 Ｉ 熱処理 降伏 破断 塑 性 参考例 合金 組成 温 度 強さ 強さ 伸 び 番 号 原子％ 凝 固 組 織 ℃ ksi ksi ％ １ Ｔｉ−４６Ａｌ 大きい等軸性 １２００ ４９ ５８ ０．９ １２２５ ＊ ５５ ０．１ １２５０ ＊ ５６ ０．１ １２７５ ５８ ７３ １．８ ２ Ｔｉ−４８Ａｌ 柱 状 １２５０ ５４ ７２ ２．０ １２７５ ５１ ６６ １．５ １３００ ５６ ６８ １．３ １３２５ ５３ ７２ ２．１ ３ Ｔｉ−５０Ａｌ 柱状−等軸性 １２５０ ３３ ４２ １．１ １３２５ ３４ ４５ １．３ １３５０ ３３ ３９ ０．７ １３７５ ３４ ４２ ０．９ ＊−試験片は弾性的に破壊された。
【００２５】表Ｉから明らかなように、３種の異なる組
成物は、３種類の濃度のアルミニウム、すなわち４６原
子％、４８原子％そして５０原子％のアルミニウムを含
有している。これら３種のメルトそれぞれの凝固組織も
表Ｉに示されており、表から明らかなようにメルトの凝
固の際に３つの異なる組織が形成された。鋳造品の結晶
形態のこのような相違は、γＴｉＡｌ組成物の化学量論
比の少しの差から生じる結晶形態と性質の急激な違いを
部分的に支持するものである。これらの３種の鋳造品の
うちＴｉ−４６Ａｌは最も良い結晶形態をもっているこ
とが判明したが、小さい等軸性形態が好ましい。
【００２６】メルトの調製および凝固に関して、それぞ
れのインゴットはアルゴン雰囲気中で電気ア―クによっ
て融解した。メルトと容器との望ましくない反応を避け
るために、メルトの容器として水冷炉床を使用した。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
に露出されないように注意した。
【００２７】それぞれの鋳造構造体からバ―を切り出し
た。これらのバ―をＨＩＰ処理し、表Ｉに示した温度で
別々に熱処理した。
【００２８】この熱処理は、表Ｉに示した温度で２時間
行なった。
【００２９】表Ｉに挙げた試験デ―タから明らかなよう
に、４６原子％のアルミニウムまたは４８原子％のアル
ミニウムを含有する合金は、５０原子％のアルミニウム
で調製した合金組成物と比較して、概して秀れた強度と
概して秀れた塑性伸びをもっていた。全体の延性が最も
良好であった合金は４８原子％のアルミニウムを含有す
るものであった。
【００３０】しかしながら、４８原子％のアルミニウム
を有する鋳造直後の状態の合金の結晶形態は望ましい鋳
造組織をもっていなかった。すなわち、薄い断面の物品
に鋳造することができ、かつ鋭い角および隅などのよう
な細部をもつ鋳造品を得ることができるという意味で最
高の鋳造性を得るためには、鋳造構造体中に微細な等軸
性粒子があることが一般に望ましいからである。参考例４〜６ 本発明者は、γＴｉＡｌ化合物に少量のクロムを添加す
ることによってこの化合物を実質的に延性にすることが
できるということを見出した。この知見は米国特許第
４，８４２，８１９号の主題である。
【００３１】少量のクロムと共にさまざまな濃度のアル
ミニウムを含有するメルトとして一連の合金組成物を調
製した。これらの実験で鋳造した合金の組成をすぐ下の
表IIに示す。製造法は、上記参考例１〜３に関連して記
載したのとほとんど同じである。
【００３２】
【表２】 表 II 参 熱処理 降伏 破断 塑 性 考 合 金 組 成 温 度 強さ 強さ 伸 び 例 （原子％） 凝固組織 ℃ ksi ksi ％ ４ Ｔｉ−４６Ａｌ−２Ｃｒ 大きい等軸性 １２２５ ５６ ６４ ０．５ １２５０ ４４ ５３ １．０ １２７５ ５０ ５９ ０．７ ５ Ｔｉ−４８Ａｌ−２Ｃｒ 柱 状 １２５０ ４５ ６０ ２．２ １２７５ ４７ ６３ ２．１ １３００ ４７ ６２ ２．０ １３２５ ５３ ６８ １．９ ６ Ｔｉ−５０Ａｌ−２Ｃｒ 柱状−等軸性 １２７５ ５０ ６０ １．１ １３２５ ５０ ６３ １．４ １３５０ ５１ ６４ １．３ １３７５ ５０ ５８ ０．７ 凝固した構造体の結晶形態を観察した。表IIから明らか
なように、クロムを添加しても、表Ｉに挙げた鋳造材料
の構造体の凝固モ―ドは改善されなかった。特に、４６
原子％のアルミニウムと２原子％のクロムを含有する組
成物は大きな等軸性粒子組織をもっていた。比較とし
て、参考例１の組成物も４６原子％のアルミニウムを有
しており、やはり大きな等軸性結晶組織をもっていた。
同様に、参考例５と６では表Ｉの参考例２と３に示した
組成物に２原子％のクロムを添加したが、凝固組織はま
ったく改善されなかった。
【００３３】別々の鋳造構造体から切出したバ―をＨＩ
Ｐ処理し、それぞれ表IIに示した温度で熱処理した。こ
うして別々に熱処理したサンプルから試験棒を調製し、
降伏強さ、破断強さおよび塑性伸びを測定した。一般
に、４６原子％のアルミニウムを含有する材料は４８原
子％または５０原子％のアルミニウムを含有する材料よ
り多少延性度が低いことが判明したが、その他の点では
これら３つの材料の組の引張強さに関する性質はほぼ同
等であった。
【００３４】４８原子％のアルミニウムと２原子％のク
ロムを含有する組成物が全体的性質の最良の組合せを示
したという点も注目される。この意味で、これは参考例
２のアルミニウムを４８原子％含有する組成物と似てい
る。しかし、他の金属加工法で調製した米国特許第４，
８４２，８１９号の組成物の場合とは違って、クロムを
添加しても鋳造材料の延性は改善されなかった。参考例７〜９ γＴｉＡｌの組成のメルトをさらに３種類調製した。そ
の組成をすぐ下の表III に示す。調製は、参考例１〜３
に関して記載した手順に従った。便宜上参考例２の組成
と試験デ―タも表III に示す。各ホウ素含有合金のホウ
素濃度となるように、融解すべき材料に元素状ホウ素を
混合した。
【００３５】
【表３】 表 III 熱処理 降伏 破断 塑 性 参考例 合 金 組 成 凝固 温 度 強さ 強さ 伸 び 番 号 （原子％） 組織 ℃ ksi ksi ％ ２ Ti-48Al 柱状 １２５０ ５４ ７２ ２．０ １２７５ ５１ ６６ １．５ １３００ ５６ ６８ １．３ １３２５ ５３ ７２ ２．１ ７ Ti-48Al-0.1B 柱状 １２７５ ５３ ６８ １．５ １３００ ５４ ７１ １．９ １３２５ ５５ ６９ １．７ １３５０ ５１ ６５ １．２ ８ Ti-48Al-2Cr-2Ta-0.2B 柱状 １２７５ ６２ ８２ ２．１ １３００ ６１ ８２ ２．５ １３２５ ６２ ８０ １．８ ９ Ti-47Al-2Cr-3Ta-0.1B 柱状 １２５０ ７０ ８０ ０．６ １２７５ ７７ ９１ １．３ １３００ ６９ ９０ ２．０ １３２５ ８３ ９７ １．１ 表III に挙げた結果から明らかなように、０．１〜０．
２原子％程度の低濃度のホウ素を添加しても凝固したＴ
ｉＡｌベ―ス組成物の結晶形態は変化しない。
【００３６】本出願人は、ＴｉＡｌベ―ス組成物の性質
が、ＴｉＡｌに少量のタンタルを添加したりＴｉＡｌに
少量のクロム＋タンタルを添加したりすることによって
有利に変化させることができるということを発見した。
これらの発見は、米国特許第４，８４２，８１７号およ
び１９８９年７月３日付けで出願された同時係属中の米
国特許出願第３７５，０７４号の主題である。これらの
特許の明細書は引用により本明細書の一部となっている
ものとする。
【００３７】クロムとタンタルを含有する凝固したγＴ
ｉＡｌの結晶形態は０．２原子％のホウ素の添加によっ
て変化しなかったけれども、組成物の引張特性、特に引
張強さと延性は劇的に改善された。参考例１０〜１３ 下記表IVに挙げた組成を有する４種の別のγＴｉＡｌ組
成物のメルトを調製した。この調製は参考例１〜３に関
連して記載した手順に従った。参考例１２と１３では、
参考例７〜９の場合と同様に融解ストックに元素状のホ
ウ素を所要量添加した。
【００３８】
【表４】 表 IV 参 熱処理 降伏 破 断 塑 性 考 合 金 組 成 温 度 強さ 強 さ 伸 び 例 （原子％） 凝固組織 ℃ ksi ksi ％ ４ Ti-46Al-2Cr 大きな等軸性 １２２５ ５６ ６４ ０．５ １２５０ ４４ ５３ １．０ １２７５ ５０ ５９ ０．７ 10 Ti-46Al-2Cr-0.5C 柱 状 １２５０ ９７ ９７ ０．２ １３００ ８６ ８６ ０．２ １３５０ ６９ ７３ ０．３ １４００ ９６ １００ ０．３ 11 Ti-46.5Al-2Cr-0.5N 微細な等軸性 １２５０ ＋ ７７ ０．１ １３００ ７３ ７５ ０．２ １３５０ ＋ ６０ ０．１ １４００ ＋ ８０ ０．１ 12 Ti-45.5Al-2Cr-1B 微細な等軸性 １２５０ ７７ ８５ ０．５ １２７５ ７６ ８５ ０．７ １３００ ７５ ８９ １．０ １３２５ ７１ ８０ ０．５ １３５０ ７８ ８５ ０．４ 13 Ti-45.25Al-2Cr-1.5B 微細な等軸性 １２５０ ８１ ８８ ０．５ １３００ ７９ ８５ ０．４ １３５０ ８３ ９４ ０．７ ＋−試験片は弾性的に破壊された。
【００３９】ここでも、４つの参考例の各メルトの形成
後凝固組織を観察した。その結果も表IVに記した。表IV
には、Ｔｉ‐４６Ａｌ‐２Ｃｒの組成物とのデ―タの比
較を容易にするために参考例４のデ―タも挙げた。さら
に、凝固したサンプルからバ―を調製し、これらのバ―
をＨＩＰ処理し、１２５０〜１４００℃の範囲の温度で
個別に熱処理した。降伏強さ、破断強さおよび塑性伸び
の試験も行ない、各参考例で試験した試験片の各々につ
いて試験結果を表IVに示す。
【００４０】参考例１０〜１３の試験片の組成は、各々
が約４６原子％のアルミニウムと２原子％のクロムを含
有しているという点で参考例４のサンプルの組成に密接
に対応していることが注目される。さらに、これらの参
考例ではそれぞれ第四添加元素を含ませた。参考例１０
では第四添加元素が炭素であるが、表IVから明らかなよ
うにこの添加元素が凝固組織を大きく改善することはな
かった。すなわち、参考例４の大きな等軸性組織の代わ
りに柱状組織が観察されたのである。さらに、参考例１
０の試験片では強度がかなり増大したが、塑性伸びはそ
のサンプルがほとんど有用でなくなるくらいの程度まで
低下した。
【００４１】次に参考例１１の結果を考察すると明らか
なように、第四添加元素として窒素を０．５％添加する
と、微細な等軸性組織が観察されたという点で凝固組織
がかなり改善された。しかし、塑性伸びが低下したとい
うことは、引張特性が悪化するので窒素の使用は許され
ないということを意味していた。
【００４２】次に参考例１２と１３をみると、どちらの
場合も第四添加元素はホウ素であるが、ここでもまた微
細な等軸性凝固組織が得られた。すなわち、組成物の鋳
造性が改善された。さらに、前述の参考例４のサンプル
で見られた強度の値と比較して、ホウ素の添加によって
強度が大きく向上した。また、極めて重要なことに、第
四添加元素としてホウ素を含有するサンプルの塑性伸び
は、組成物が実際に有用でなくなる程には低下しなかっ
た。すなわち、本発明者が見出したことは、第四添加元
素としてクロムを含有するアルミ化チタンにホウ素を添
加することによって、凝固組織を実質的に改善すること
ができるばかりでなく、塑性伸びを損失することなく降
伏強さと破断強さの両方を含めた引張特性を顕著に改善
することもできるということである。本発明者は、アル
ミ化チタン中のアルミニウムの濃度を低めにして高めの
濃度のホウ素を添加すると有益な結果を得ることができ
るということを発見した。すなわち、添加元素としてク
ロムとホウ素を含有するγアルミ化チタン組成物では、
アルミ化チタンをベ―スとする組成物の鋳造性が、特に
凝固組織と組成物の強度特性に関して、非常に顕著に改
善されることが分かる。鋳造した結晶形態のこの改良は
参考例１３および参考例１２の合金で見られた。しかし
ながら、参考例１３の合金の塑性伸びは参考例１２の合
金ほど高くなかった。実施例 下記表Ｖに示す成分含量を有する別の合金組成物を１種
調製した。調製方法は上記参考例１〜３に記載したのと
ほぼ同様である。前の参考例と同様に、各ホウ素含有合
金のホウ素濃度を調節するには融解すべき材料に元素状
ホウ素を混合して行なった。
【００４３】
【表５】 表 Ｖ 実 熱処理 降伏 破断 塑 性 施 合 金 組 成 温 度 強さ 強さ 伸 び 例 （原子％） 凝固組織 ℃ ksi ksi ％ Ti-45.5Al-2Cr-1B-2Ta 微細な等軸性 １２２５ ７６ ９２ １．１ １２５０ ６９ ８７ １．２ １２７５ ７０ ８５ ０．９ １３００ ６８ ８２ ０．９ 表Ｖから明らかなように、実施例の組成物は、本質的
に、参考例１２の組成物に２原子％のタンタルを添加し
たものである。
【００４４】ここでも、参考例１〜３で述べた説明に従
って、この組成物のメルトを鋳造した後凝固組織を検査
した。見られた凝固組織は参考例１２のサンプルでも観
察された微細な等軸性形態であった。
【００４５】参考例１〜３に関連して記載したステップ
に従って、鋳造材料のバ―を調製し、ＨＩＰ処理し、そ
れぞれ表Ｖに挙げた温度で熱処理した。また試験棒を調
製して試験した。その強度特性と塑性伸びに関する試験
結果を表Ｖに挙げた。表Ｖに挙げたデ―タから明らかな
ように、表Ｖの実施例に記載した組成物を使用すると特
に塑性伸びの顕著な改良が達成できることが判明した。
実施例のサンプルの組成物は、添加元素としてクロムと
タンタルを組合せて含むという点で１９８９年６月２日
付けで出願された同時係属中の米国特許出願第３６０，
６６４号に開示されている組成物と密接に対応する。実
施例での知見から引出される結論は、添加元素としての
ホウ素が、上記同時係属中の出願の組成物の鋳造性を大
きく改善するということである。
【００４６】このように、鋳造された材料が望ましい微
細な等軸性形態をもっているだけでなく、実施例の組成
物の強度が表Ｉの参考例１、２および３の組成物より大
幅に改良されていることが明らかである。さらに、実施
例のサンプルの塑性伸びは、参考例１０で使用した炭素
の添加または参考例１１で使用した窒素の添加によって
生起したような大きな低下を示さない。
【００４７】１９８９年７月３日付けで出願された同時
係属中の米国特許出願第３７５，０７４号に開示されて
いる添加元素としてタンタルとクロムを含有する合金
は、望ましい組合せの性質をもっているため、特にＴｉ
Ａｌに添加元素として含ませたタンタルとクロムに起因
する性質の改良を示すため、極めて望ましい合金である
ことが、本発明者らの試験によって示されたということ
が分かる。しかしながら、クロムとタンタルを含有する
合金の結晶形態が基本的に柱状であり、鋳造用途に望ま
れる好ましい微細な等軸性の結晶形ではないということ
も上記のことから明らかである。よって、クロムとタン
タルの添加元素を含有するベ―ス合金は、クロムとタン
タルの存在に起因すると考えられる望ましい組合せの性
質をもっている。さらに、ベ―ス合金中にホウ素を添加
することによって、その合金の結晶形およびその鋳造性
が非常に劇的に改善される。しかし同時に、クロムとタ
ンタルの添加元素によってベ―スのＴｉＡｌ合金に付与
される独特な組合せの性質を大きく失うことはない。炭
素や窒素のようないくつかの添加元素の影響に関する研
究から、望ましい結果の独特な組を示すのはまさに本発
明の添加元素の組合せであることが明らかである。たと
えば窒素を含有する場合のように数多くの他の組合せ
は、有益な結晶形が得られるとしても重大な性質の損失
が生じる。
【図面の簡単な説明】
【図１】各種合金に対するモジュラスと温度の関係を示
すグラフである。
【図２】Ｔｉ‐４８Ａｌ鋳造品（参考例２）の金属組織
の顕微鏡写真である。
【図３】Ｔｉ‐４５．５Ａｌ‐２Ｃｒ‐２Ｔａ‐１Ｂ鋳
造品（実施例）の金属組織の顕微鏡写真である。
【図４】図２と図３の合金に類似する合金の性質の違い
を示す棒グラフである。

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 チタン、アルミニウム、クロム、タンタ
    ルおよびホウ素を、 Ｔｉ41-55.5 Ａｌ43-48 Ｃｒ0-3 Ｔａ1-6 Ｂ0.5-2.0 という組成で含有する鋳造時の状態で微細なミクロ組織
    を有する鋳造可能な組成物。
  2. 【請求項２】 チタン、アルミニウム、クロム、タンタ
    ルおよびホウ素を、 Ｔｉ41.5-55 Ａｌ43-48 Ｃｒ0-3 Ｔａ1-6 Ｂ1.0-1.5 という組成で含有する鋳造時の状態で微細なミクロ組織
    を有する鋳造可能な組成物。
  3. 【請求項３】 チタン、アルミニウム、クロム、タンタ
    ルおよびホウ素を、 Ｔｉ43-53.5 Ａｌ43-48 Ｃｒ1-3 Ｔａ2-4 Ｂ0.5-2.0 という組成で含有する鋳造時の状態で微細なミクロ組織
    を有する鋳造可能な組成物。
  4. 【請求項４】 チタン、アルミニウム、クロム、タンタ
    ルおよびホウ素を、 Ｔｉ46-50.5 Ａｌ44.5-46.5 Ｃｒ2 Ｔａ2-4 Ｂ1.0-1.5 という組成で含有する鋳造時の状態で微細なミクロ組織
    を有する鋳造可能な組成物。
  5. 【請求項５】 チタン、アルミニウム、クロム、タンタ
    ルおよびホウ素を、 Ｔｉ47-51.5 Ａｌ44.5-46.5 Ｃｒ1-3 Ｔａ2 Ｂ1.0-1.5 という組成で含有する鋳造時の状態で微細なミクロ組織
    を有する鋳造可能な組成物。
  6. 【請求項６】 チタン、アルミニウム、クロム、タンタ
    ルおよびホウ素を、 Ｔｉ48-50.5 Ａｌ44.5-46.5 Ｃｒ2 Ｔａ2 Ｂ1.0-1.5 という組成で含有する鋳造時の状態で微細なミクロ組織
    を有する鋳造可能な組成物。
  7. 【請求項７】 Ｔｉ41-55.5 Ａｌ43-48 Ｃｒ0-3 Ｔａ
    1-6 Ｂ0.5-2.0 という組成を有する組成物からなり、鋳造時の状態で微
    細なミクロ組織を有する成形された鋳造品である構造部
    材。
  8. 【請求項８】 Ｔｉ41.5-55 Ａｌ43-48 Ｃｒ0-3 Ｔａ
    1-6 Ｂ1.0-1.5 という組成を有する組成物からなり、鋳造時の状態で微
    細なミクロ組織を有する成形された鋳造品である構造部
    材。
  9. 【請求項９】 Ｔｉ43-53.5 Ａｌ43-48 Ｃｒ1-3 Ｔａ
    2-4 Ｂ0.5-2.0 という組成を有する組成物からなり、鋳造時の状態で微
    細なミクロ組織を有する成形された鋳造品である構造部
    材。
  10. 【請求項１０】 Ｔｉ46-50.5 Ａｌ44.5-46.5 Ｃｒ2 Ｔ
    ａ2-4 Ｂ1.0-1.5 という組成を有する組成物からなり、鋳造時の状態で微
    細なミクロ組織を有する成形された鋳造品である構造部
    材。
  11. 【請求項１１】 Ｔｉ47-51.5 Ａｌ44.5-46.5 Ｃｒ1-3
    Ｔａ2 Ｂ1.0-1.5 という組成を有する組成物からなり、鋳造時の状態で微
    細なミクロ組織を有する成形された鋳造品である構造部
    材。
  12. 【請求項１２】 Ｔｉ48-50.5 Ａｌ44.5-46.5 Ｃｒ2 Ｔ
    ａ2 Ｂ1.0-1.5 という組成を有する組成物からなり、鋳造時の状態で微
    細なミクロ組織を有する成形された鋳造品である構造部
    材。
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