JPH1046269A - チタン−モリブデン母合金の製造方法及びチタン−モリブデン母合金 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 チタンのような低融点金属と、モリブデン、
タンタル、ニオブ、タングステンのような多量の高融点
金属が実質的に均質に解け合った合金組成物の製造方法
の提供。 【解決手段】 多量のモリブデンを含む実質的に均質の
チタンベース母合金の製造方法であって、(a)粉末装入
物を製造するのに適した割合で粉末モリブデンと粉末チ
タンを混ぜ合わせ、(b)前記粉末装入物をブリケットの
形状に圧縮し、(c)前記ブリケットをチタン−モリブデ
ン母合金を作るために実質的に均質になるまで固体状態
で合金化させ、(d)前記母合金を冷却することによって
凝固させることからなる製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、チタンベース合
金に関するものであり、特に、モリブデンのような高融
点金属(refractory metal)を多量に含み、更に、混ぜ合
わせてチタンベース合金を作り出すのに適する二元(bin
ary)母合金に関する。この発明は、また、高モリブデン
（又は他の高融点物質）のような、高融点金属を多量に
含むチタンベース母合金の製造方法にも関する。

【０００２】

【発明の背景】チタン金属やチタンベース合金は、比較
的硬い金属ではあるが、耐熱性、耐蝕性のある低重量の
ものである。これらの金属は、今日、航空機やスペース
シャトル、軍用機等への使用に好適なものとして、非常
に需要が多い。

【０００３】モリブデンのような高融点金属を含むチタ
ンベース合金を製造する際、チタンベース合金のように
比較的融点の低いベース金属の中では、モリブデンのよ
うな高融点金属は完全には解けない。モリブデンの融点
は、融点1,660℃ のチタンに比べ2,617℃であると報告
されている。この不完全溶解の結果として、比重10.2
（チタンは4.5）のモリブデン粒子は未溶解の形で溶融
チタンプールの底で分離し沈澱する。そして、できあが
った塊（インゴット）の中に含まれた形となる。これら
のモリブデン介在物(inclusion)は、二度と解けないた
め、最終的に作り出される合金は均質のものでなくな
る。

【０００４】モリブデン、タンタル、ニオブ、タングス
テン、その他の高融点合金の完全溶解が望まれている。
何故なら、できあがった合金インゴットの中の高融点金
属による未溶解のかなりの大きさの介在物が１個でもあ
ると、その合金は使用に適さないものとなるからであ
る。例えば、タービンの翼やジェットエンジン、その他
の構造物において、このような介在物があると、機械応
力を受けた場合、その部品に、悲惨なひび割れや亀裂を
起こさせる可能性がある。

【０００５】相当量のモリブデン、例えば、45％以上の
モリブデンを含む均質のチタンベース合金を作り出すこ
とが望まれる場合、事態は更に複雑になる。このような
合金におけるモリブデンの高密度の介在物は、合金の均
質性や再溶解(remelts)に関してより深刻な問題をもた
らす。このため、溶点の高いモリブデンがチタンととも
に固溶体になっているチタン合金を作り、かくして、容
易に溶けて最終的にチタンベース合金を作ることができ
る低融点の均質な共晶合金を作ることが望ましい。

【０００６】モリブデン含有量の少ない均質のチタンベ
ース合金を作り出すために様々な方法が行われてきた。
米国特許第2,588,007 号（Jaffee）では、7.5%未満のモ
リブデンを含有し、残部がチタンである焼結チタン−モ
リブデン二元合金が開示された。米国特許第2,938,789
号（Jaffee）では、モリブデンの含有量が30％以上40％
未満、残部がチタンのチタン−モリブデンはよく知られ
てはいるものの、45%を超えるモリブデン含有量のこの
ような二元合金は、加工できず、商業的にはほとんど価
値がないということが示唆されている。Jaffeeの特許で
は、どちらも、最終的にできる合金の特質を改良するた
め、チタン−モリブデン合金に加えられる第３の付加物
について述べている。米国特許第3,269,825 号（Vordah
l）では、真空消耗電極アークでモリブデン含有量が約6
％から15％で、ベース合金の中でモリブデンが完全溶
解した均質のチタンベース合金を開示し、それによって
モリブデン介在物が作られなかったと述べている。しか
し、Vordahlは、最終的にできる合金のこのような結果
を得るために、第３の付加物を使用している。米国特許
第3,552,947 号（Peterson at al.）では、真空消耗電
極アークで、均質の微細構造を持つモリブデン含有量約
11.5％のチタンベース合金を開示している。しかし、こ
の方法では、分離や第３物質の付加を避けて、高融点合
金の成分として、低密度で多孔性の焼結モリブデンを使
用している。米国特許第3,645,727 号（Finlay et a
l.）では、モリブデンの含有量が30％から70％と高い母
合金から作る三元チタンベース合金について開示してお
り、そこでは、母合金は第３の付加物によりモリブデン
そのものよりも低い融点の合金であり、第３の付加物は
チタンにおけるその後の溶解を促進するものである。米
国特許第4,634,478 号（Shimogori et al.）では、真空
アークで、モリブデン含有量0.2％から0.3％で残部がチ
タンであるチタンベース合金が溶かされ焼き戻しされた
ことを開示している。米国特許第5,316,723 号（Perfec
t）では、モリブデン含有量が55％から75％と多量のテ
ルミットチタンベース母合金について開示し、ここでも
また、チタンへの溶解を促進する第３の付加物が含まれ
ている。

【０００７】多量のモリブデンを合金、特に、ベース金
属の融点がかなり低い母合金に取り入れようとする以前
の試みは、均質の合金を作り出すのに概ね失敗してい
る。典型的には、合金の均質性は、合金を作り出す工程
によって支配されるものであり、モリブデン含有量の高
い均質のチタンベース合金を作る好ましい工程は、今ま
でに計画されなかった。さらに、多量のモリブデンを含
むチタンベース母合金を作ることには、技術的に不都合
があった。何故なら、技術面でぶつかる溶解における問
題が、多量の高融点金属の使用によって倍加され、作り
出された合金は一般的には高温でも加工しにくく、その
後の製造工程に困難をもたらしたからである。

【０００８】必要とされているのは、均質の微細構造
で、モリブデン、タンタル、ニオブ、タングステン等
の、比較的多量の高融点金属を含むチタンベース二元合
金を作り出す方法である。

【０００９】

【発明の概要】この発明の目的は、低融点金属の中に多
量の高融点金属を均質に混ぜ合わせた合金組成物を製造
する方法を提供することである。この発明の別の目的
は、チタンベース合金のような、比較的融点の低いベー
ス合金の中で、モリブデン、タンタル、ニオブ、タング
ステン等の高融点金属を実質的に完全に、溶解及び／又
は分布させる方法を提供することである。本発明のさら
なる目的は、高融点モリブデンを多量に含むチタンベー
ス二元合金組成物の製造方法を提供することである。こ
こで、製造された合金は均質のものであり、その後の合
金化のために使用でき、最終的には、好ましいチタンベ
ース合金となる。

【００１０】この発明は、均質の合金組成物の製造方法
と、当該方法で製造される合金に向けられている。この
方法によって製造された合金は、合金の中で一様に、ま
た均質に分散された多量の高融点金属を含む低融点のベ
ース合金からなる。この発明は、１つの合金の種類のみ
に限定されるものではなく、また、特定の合金組成物に
限定されるものでもない。

【００１１】この発明の方法は、チタンのような、高融
点金属よりも融点のかなり低いベース金属の中の、モリ
ブデン、タンタル、ニオブ、タングステン等のかなりの
量の高融点金属を含む、ほとんどすべての合金の製造に
広く有用なものである。特に、チタンベース合金、中で
も、モリブデン含有量の高い母合金の製造に有用である
が、これは、今の時点では、色々な理由のために商業的
に実施できないでいるものである。

【００１２】しかし、この発明の方法を実施して例示さ
れるように、この発明によれば、高融点チタンの含有量
の高い均質のチタンベース二元合金や、最終的にチタン
ベース合金を作るためにその後のチタンや他の金属との
合金化を利用したモリブデン含有量の高いチタンベース
母合金を作ることができる。この発明の方法を実施する
際には、粉末状のモリブデン、好適には純モリブデン金
属粉を、精密に、適切な割合で、粉末状のチタン、好適
には純チタン金属粉と混ぜ合わせる。その粉末の混合物
を7,000psi以上、好適には15,000から30,000psi程度の
間の適当な圧力をかけてコンパクト、すなわち、ブリケ
ットの形状にする。このようなコンパクトは、通常は等
方静圧(isostatic)プレスで、円筒状のゴムの袋で、お
およそ直径12インチ、高さ32インチほどのもので作られ
る。好適には、コンパクトは、10から50ポンドの重さで
円盤状（ディスク）のものがよい。それから、コンパク
トは、積み重ねられ、好適には少し互い違いにずらさ
れ、雰囲気がコントロールとされた炉内に入れられる。
例としては、内部に加熱部材のある真空炉や、真空誘導
炉である。より大きなコンパクトの場合には、均一に圧
縮できるように、またコントロールしやすい大きさの合
金を作るために、圧縮前の粉末装入物の内部に間隔をお
いてスペーサを置くことが望ましい。スペーサはゴムで
作ることができる。さらに、スペーサは、典型的には、
片側に隆起した峰部を持たせ、これにより、コンパクト
中に溝や刻み目ができるように作る。これにより、合金
にした後、粉々に壊れやすくなる。積み重ねたコンパク
トは、実質的に固体の状態で起こる「固体状態融合」(s
olid state fusion)反応によって合金にされる。理論は
完全にはわからないが、金属粉を圧縮したことで、個々
の要素の粒界層が高い度合で混ぜ合わさったと思われ
る。そして融解条件と近い状態となり、その結果、より
高温ではあるが、それぞれの要素の融点よりは低い温度
にさらされたとき、装入物が思いがけず固体となり高融
点金属の介在物を含まない合金ができたと思われる。重
ねたコンパクトは、真空炉か或いはアルゴンなどの不活
性ガスを含む炉の中に置くのがよい。炉は、残っている
湿気やガスを取り去るため、真空状態にする一方で、25
0℃から350℃、典型的には300℃まで、炉の容器とコン
パクトが平衡に達するまで熱するのがよい。この時点
で、所望であれば、アルゴンや他の不活性ガスを炉の中
に入れ、好適には、5psiから15psiの圧力をかけるのが
よい。それから、温度を約800℃から1,400℃、典型的に
はモリブデン／チタンの場合900℃まで上げて、コンパ
クトの内部で平衡が達成されるまで保つ。実際の時間は
装入物の大きさに依存するが、その間に、固体状態での
合金化が起こる。勿論、合金を作る温度や時間は、コン
パクトの固体状態融合の最適温度によって決まる。合金
を作る特別な圧縮条件はないが、合金化は、真空状態、
或いは、大気圧より若干高い圧力で実施される。それか
ら、融合したコンパクトは、周囲温度まで冷却するに任
されるが、これは真空状態、或いはアルゴン等の不活性
ガスを含む状態で行なわれる。一度冷却されると、粉末
にされた母合金を作るため、融合したコンパクトにはさ
らに手が加えられ、典型的には粉砕等(crushing, milli
ng, grinding)して、粉々に小さくされる。もう１つの
装入物を作るため、粉末の母合金をチタンなどの他の合
金成分と混ぜ合わせる。それから、合金化により、最終
的にチタンベース合金が作り出される。

【００１３】この発明は、好適実施例としては、約50％
のモリブデンを含み残部がチタンであるチタン−モリブ
デン二元母合金である。他の実施例では、この発明は、
約10％から90％のモリブデンを含み、残部がチタンであ
るチタン−モリブデン二元母合金である。また、もう１
つの実施例では、約45％から55％程度のモリブデンを含
み、残部がチタンであるチタン−モリブデンベース二元
母合金である。母合金組成物は、ガスの不純物の低いも
の、すなわち、酸素は0.5％未満、窒素0.2％未満、水素
0.1％未満のものが好ましい。他の不純物については、
できる限り少なくあるべきであり、これは、原料の純度
に直接依存する。特に断りのない限り、この明細書にお
ける割合は、重量％である。

【００１４】この発明の手順によって作られたチタン−
モリブデン母合金は、実質的に均質のものであり、イン
ゴット中のモリブデン介在物は、目立たない。この発明
は、以下の例を考慮することでさらに明確になるであろ
うが、以下の例示は、モリブデン含有量の高いチタンベ
ース二元合金を作り出すのに用いられた、この発明を実
施する場合の典型的なものであるが、限定するためのも
のではない。

【００１５】

【発明の実施の形態】

例１ 約50重量％のモリブデンを含むチタンベース母合金が、
以下の手順で作られた。約50ポンドの粉末モリブデンを
約50ポンドの粉末チタンと15分間密に混ぜ合わせ、粉末
の装入物を作った。粉末の装入物を円筒形のゴムの容器
（直径9インチ、高さ26インチ）に詰め、刻み目を付け
たゴムのスペーサで20ポンドずつに分けた。そして、等
方静圧プレスで、25,000psiの圧力をかけ、約20ポンド
のディスクを５つ作った。圧縮されたディスクは、真空
炉の中に装填され、950℃で47時間加熱され、それから
周囲温度まで冷却された。冷却後、融合され合金化され
互いにくっついていたモリブデン−チタンのディスクは
引き離され、粉砕機にいれられて小さく砕かれた。その
サンプルは分析のために提出された。構成要素の分析結
果は表１に示されている。

【００１６】表１ ＲＡＩ分析 試料番号 ＶＩＭ２−３００ 元素 重量％ モリブデン 49.71 チタン 49.71 アルミニウム 0.014 炭素 0.24 クロム 0.005 水素 0.003 鉄 0.185 マグネシウム 0.002 窒素 0.009 酸素 0.166 硫黄 0.003 スズ 0.002 タングステン 0.0004

【００１７】図１と図２は、それぞれ、例１のようにし
て作られた母合金の構造上、組成上の分析結果である。
すなわち、図１は、この発明の方法によって作られたチ
タン−モリブデン二元母合金のインゴットの断面の走査
電子顕微鏡写真(SEM)で、微細構造の中に「フリーな」
モリブデンは実質的に存在しないことを示している。図
２は、図１のチタン−モリブデン二元母合金のエネルギ
ー分散型Ｘ線分光法によるグラフ（EDS）で、SEMの電子
光線が照射された母合金から発散されたＸ線の対エネル
ギー強度をプロットしたものである。

【００１８】前述の発明の例示からなし得る変形は、当
業者には明白なことである。発明は、明確に説明された
ものに限定されるものではなく、発明の範囲は、むし
ろ、特許請求の範囲により定められるものである。

【００１９】例２ 例２は、例１の規模を大きくしたものであり、粉末モリ
ブデン250ポンド、粉末チタンを250ポンド使用してい
る。表２は組成分析結果を示している。 表２ ＲＡＩ分析 ＶＩＭ３−００２ 元素 重量％ モリブデン 50.08 チタン 49.19 アルミニウム 0.01 炭素 0.027 水素 0.002 鉄 0.041 窒素 0.130 酸素 0.243 硫黄 0.001 タングステン 0.0003

【００２０】例３ タンタル／チタン 約50％のタンタルと50％のチタンを含むチタン母合金を
以下のような手順で調製した。約５ポンドの粉末タンタ
ルを５ポンドの粉末チタンと約15分間密に混ぜ合わせ、
それから、円柱形のゴムの容器に詰めて、刻み目の入っ
たゴム製スペーサで20ポンドごとに分けた。等方静圧プ
レスで、25,000psiの圧力をかけ、それぞれ20ポンドの
コンパクトのディスクを５つ作った。コンパクトのディ
スクは真空炉の中に装填され、重ね合わせて数時間、1,
400℃まで熱した。それから、周囲温度まで冷却した。
冷却後、融合され合金化されて、互いにくっついていた
タンタル−チタンのディスクは引き離され、それぞれの
ディスクは粉砕機でより小さく砕かれた。そのサンプル
が分析のために提出された。組成分析は表３に示されて
いる。

【００２１】表３ ＲＡＩ分析 ＶＩＭ２−３０４ 元素 重量％ タンタル 47.97 チタン 50.97 アルミニウム 0.331 炭素 0.063 水素 0.1802 鉄 0.013 窒素 0.088 酸素 0.476 硫黄 0.001 タングステン 0.0003

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の方法によって作られたチタン−モ
リブデン二元母合金のインゴットの断面の走査電子顕微
鏡写真。

【図２】 図１のチタン−モリブデン二元母合金のエネ
ルギー分散型Ｘ線分光法によるグラフ（EDS）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジェイムズ・ディー・カール アメリカ合衆国 ペンシルバニア州 19551 ロベソニア、アール・ディー・ナ ンバーワン、ボックス 301

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 多量のモリブデンを含む実質的に均質の
   チタンベース母合金の製造方法であって、 (a)粉末装入物を製造するのに適した割合で粉末モリブ
   デンと粉末チタンを混ぜ合わせ、 (b)前記粉末装入物をブリケットの形状に圧縮し、 (c)前記ブリケットをチタン−モリブデン母合金を作る
   ために実質的に均質になるまで固体状態で合金化させ、 (d)前記母合金を冷却することによって凝固させること
   からなる、 方法。
2. 【請求項２】 前記母合金をさらにチタンと合金化させ
   るために、(e)サイズを減少させるステップをさらに含
   む、請求項１の方法。
3. 【請求項３】 前記合金化のステップ(c)が不活性ガス
   を含む炉の中で起こる、請求項１の方法。
4. 【請求項４】 前記合金化のステップ(c)が真空中で起
   こる、請求項１の方法。
5. 【請求項５】 前記合金化のステップ(c)が800℃から10
   50℃の間の温度で起こる、請求項１の方法。
6. 【請求項６】 前記圧縮のステップ(b)が7000psiを越え
   る圧力で等方静圧プレスすることを含む、請求項１の方
   法。
7. 【請求項７】 前記圧縮のステップ(b)が約10ポンドか
   ら50ポンドのディスク形状のブリケットを作る、請求項
   １の方法。
8. 【請求項８】 前記混合のステップ(a)の粉末の成分が
   純モリブデンとチタン金属の粉末からなる、請求項１の
   方法。
9. 【請求項９】 前記サイズ減少のステップ(e)が粉砕に
   よってサイズを縮小させることを含む、請求項２の方
   法。
10. 【請求項１０】 さらに、(f)粉末にした母合金を粉末
    装入物を作るために少なくとも粉末チタンと混ぜ合わ
    せ、 (g)前記粉末装入物を合金化させてモリブデンを含有す
    るチタンベースの合金を形成させるステップを含む、請
    求項２の方法。
11. 【請求項１１】 約50％のモリブデンを含み残部がチタ
    ンである、請求項１の方法によって製造された、チタン
    ベース二元母合金。
12. 【請求項１２】 約10％から90％のモリブデンを含み残
    部がチタンである、請求項１の方法によって製造され
    た、チタンベース二元母合金。
13. 【請求項１３】 約45％から55％のモリブデンを含み残
    部がチタンである、請求項１の方法によって製造され
    た、チタンベース二元母合金。
14. 【請求項１４】 多量のモリブデンを含有する実質的に
    均質のチタンベース二元母合金であって、 約44％から55％のモリブデンを含み、残部がチタンであ
    り、モリブデン介在物が実質的に含まれない、 合金。
15. 【請求項１５】 多量のタンタルを含有する実質的に均
    質のチタンベース母合金であって、約40％から60％のタ
    ンタルを含み、残部がチタンで、タンタル介在物が実質
    的に含まれない、 合金。