JPH1150171A - Ti−Al基複合材料の製造方法 - Google Patents
Ti−Al基複合材料の製造方法Info
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- JPH1150171A JPH1150171A JP20293497A JP20293497A JPH1150171A JP H1150171 A JPH1150171 A JP H1150171A JP 20293497 A JP20293497 A JP 20293497A JP 20293497 A JP20293497 A JP 20293497A JP H1150171 A JPH1150171 A JP H1150171A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 組織が緻密で複雑形状のTi−Al基複合材
料を容易かつ安価に得ることができる新規なTi−Al
基複合材料の製造方法の提供。 【解決手段】 チタン粉末とセラミックス強化繊維を混
合して多孔質状のプリフォームPを形成し、このプリフ
ォームPを金型1内に設置すると共に所定の温度まで予
熱した後、ガス圧含浸法によりこのプリフォームP内に
溶融アルミニウムを含浸させてマトリックスを形成さ
せ、反応完了後、凝固するまで加圧保持する。これによ
って、高温高圧の状態を作らなくても、組織が緻密で複
雑形状のTi−Al基複合材料を容易かつ安価に得るこ
とができる。
料を容易かつ安価に得ることができる新規なTi−Al
基複合材料の製造方法の提供。 【解決手段】 チタン粉末とセラミックス強化繊維を混
合して多孔質状のプリフォームPを形成し、このプリフ
ォームPを金型1内に設置すると共に所定の温度まで予
熱した後、ガス圧含浸法によりこのプリフォームP内に
溶融アルミニウムを含浸させてマトリックスを形成さ
せ、反応完了後、凝固するまで加圧保持する。これによ
って、高温高圧の状態を作らなくても、組織が緻密で複
雑形状のTi−Al基複合材料を容易かつ安価に得るこ
とができる。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はチタン−アルミ合金
をセラミックス強化繊維と複合することによって得られ
るTi−Al基複合材料の製造方法に関するものであ
る。
をセラミックス強化繊維と複合することによって得られ
るTi−Al基複合材料の製造方法に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】アルミニウム等の軽金属をセラミックス
強化材と複合することによって得られる金属系複合材料
は、優れた比強度、耐熱性を実現したが、より広い分野
への適用を図るために一層の性能向上が必要である。そ
のため、現在では最先端材料の一つとしてチタンを用い
たTi−Al基複合材料が研究されている。
強化材と複合することによって得られる金属系複合材料
は、優れた比強度、耐熱性を実現したが、より広い分野
への適用を図るために一層の性能向上が必要である。そ
のため、現在では最先端材料の一つとしてチタンを用い
たTi−Al基複合材料が研究されている。
【0003】このTi−Al基複合材料は、Ti−Al
金属間化合物相又はアルミニウム相をマトリックスとし
てTi−Al金属間化合物相又はチタン相及びセラミッ
クス強化繊維が分散する組織としたものであり、軽量で
優れた比強度及び耐熱性が要求される部材、例えば、航
空機用ジェットエンジンやガスタービン等への適用が検
討されている。
金属間化合物相又はアルミニウム相をマトリックスとし
てTi−Al金属間化合物相又はチタン相及びセラミッ
クス強化繊維が分散する組織としたものであり、軽量で
優れた比強度及び耐熱性が要求される部材、例えば、航
空機用ジェットエンジンやガスタービン等への適用が検
討されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
Ti−Al基複合材料の製造方法としては、鋳造法と粉
末冶金法が考えられているが、これらの製造方法では以
下に示すような欠点があった。
Ti−Al基複合材料の製造方法としては、鋳造法と粉
末冶金法が考えられているが、これらの製造方法では以
下に示すような欠点があった。
【0005】すなわち、鋳造法の場合では、1500℃
以上の高い温度と、真空を含む不活性な雰囲気を必要と
するため、高度な雰囲気制御と高価な高温炉が必要とな
るといった欠点がある。しかも鋳造法は、セラミックス
強化繊維との複合化が難しく、複雑形状の部品を得るこ
とが極めて難しいといった欠点がある。
以上の高い温度と、真空を含む不活性な雰囲気を必要と
するため、高度な雰囲気制御と高価な高温炉が必要とな
るといった欠点がある。しかも鋳造法は、セラミックス
強化繊維との複合化が難しく、複雑形状の部品を得るこ
とが極めて難しいといった欠点がある。
【0006】一方、粉末冶金法は、チタンとアルミニウ
ム粉及びセラミックス繊維を機械的に混合して型に押し
込んでから焼き固める方法であることから、空孔のない
緻密な組織を得るためにはHIP(熱間静水圧加工法)
等による高温高圧の処理が必要なため、製造コストが高
くなるといった欠点がある。
ム粉及びセラミックス繊維を機械的に混合して型に押し
込んでから焼き固める方法であることから、空孔のない
緻密な組織を得るためにはHIP(熱間静水圧加工法)
等による高温高圧の処理が必要なため、製造コストが高
くなるといった欠点がある。
【0007】尚、このようなTi−Al基複合材料は高
温強度が高いため、鍛造による成型が非常に困難な上
に、取り代が大きく機械加工が困難なため、鍛造法は適
していない。
温強度が高いため、鍛造による成型が非常に困難な上
に、取り代が大きく機械加工が困難なため、鍛造法は適
していない。
【0008】そこで、本発明はこのような課題を有効に
解決するために案出されたものであり、その目的は、組
織が緻密で複雑形状のTi−Al基複合材料を容易かつ
安価に得ることができる新規なTi−Al基複合材料の
製造方法を提供するものである。
解決するために案出されたものであり、その目的は、組
織が緻密で複雑形状のTi−Al基複合材料を容易かつ
安価に得ることができる新規なTi−Al基複合材料の
製造方法を提供するものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明は、Ti粉末とセラミックス強化繊維を混合し
て多孔質状のプリフォームを形成し、このプリフォーム
を金型内に設置すると共に所定の温度まで予熱した後、
このプリフォーム内にガス圧浸透法により溶融Alを含
浸させてプリフォーム中のチタンと溶融アルミニウムと
の反応によりマトリックスを形成させ、反応完了後、凝
固するまで加圧保持するようにしたものである。
に本発明は、Ti粉末とセラミックス強化繊維を混合し
て多孔質状のプリフォームを形成し、このプリフォーム
を金型内に設置すると共に所定の温度まで予熱した後、
このプリフォーム内にガス圧浸透法により溶融Alを含
浸させてプリフォーム中のチタンと溶融アルミニウムと
の反応によりマトリックスを形成させ、反応完了後、凝
固するまで加圧保持するようにしたものである。
【0010】すなわち、チタン粉末とセラミックス強化
繊維とからなる多孔質状のプリフォーム中にガス圧含浸
法(特願平5−333364号等)によって溶融アルミ
ニウムを含浸させ、チタンとアルミニウムの反応熱を次
の反応の誘発に用い、短時間でTi−Al基複合材料を
生成するようにしたものである。
繊維とからなる多孔質状のプリフォーム中にガス圧含浸
法(特願平5−333364号等)によって溶融アルミ
ニウムを含浸させ、チタンとアルミニウムの反応熱を次
の反応の誘発に用い、短時間でTi−Al基複合材料を
生成するようにしたものである。
【0011】従って、多孔質状のプリフォームと溶融ア
ルミニウムの反応焼結時に加圧状態になるため、空孔の
ない緻密なTi−Al基複合材料を容易に得ることがで
きる。また、チタンと溶融アルミニウムの反応熱を利用
するため、チタン合金を溶解するような高温の炉を必要
としないといった長所がある。さらにガス圧含浸法の場
合では、同じく溶湯を加圧するスクイズキャスト法と比
較して1/10の圧力、真空金型内で複合化を行う方法
であるため、プリフォームの破損、変形が少なく、薄肉
の複雑形状でも完成品形状に近い、いわゆるニアネット
シェイプで製造できる。さらに、金型温度をスクイズキ
ャスト法より約200℃高く設定できるため、反応焼結
に有利である。
ルミニウムの反応焼結時に加圧状態になるため、空孔の
ない緻密なTi−Al基複合材料を容易に得ることがで
きる。また、チタンと溶融アルミニウムの反応熱を利用
するため、チタン合金を溶解するような高温の炉を必要
としないといった長所がある。さらにガス圧含浸法の場
合では、同じく溶湯を加圧するスクイズキャスト法と比
較して1/10の圧力、真空金型内で複合化を行う方法
であるため、プリフォームの破損、変形が少なく、薄肉
の複雑形状でも完成品形状に近い、いわゆるニアネット
シェイプで製造できる。さらに、金型温度をスクイズキ
ャスト法より約200℃高く設定できるため、反応焼結
に有利である。
【0012】
【発明の実施の形態】次に、本発明を実施する好適一形
態を添付図面を参照しながら説明する。
態を添付図面を参照しながら説明する。
【0013】図1(a)は本発明方法に用いるガス圧含
浸装置を示したものであり、図1(a)〜(d)は本発
明方法の実施の一形態を示したものである。
浸装置を示したものであり、図1(a)〜(d)は本発
明方法の実施の一形態を示したものである。
【0014】先ず、図1(a)に示すように、チタン粉
末(粒径45μm以下)と、セラミックス強化材の一つ
であるアルミナ短繊維(Al2 O3 ,SiO2 )からな
るプリフォームPをガス圧含浸装置の金型1内に設置し
た後、図1(b)に示すように金型1内を真空引きす
る。尚、このプリフォームPは、例えば、上記チタン粉
末及びアルミナ短繊維を水中に分散させ、攪拌後、吸引
濾過法にてプレス成形する等して容易に得ることができ
る。
末(粒径45μm以下)と、セラミックス強化材の一つ
であるアルミナ短繊維(Al2 O3 ,SiO2 )からな
るプリフォームPをガス圧含浸装置の金型1内に設置し
た後、図1(b)に示すように金型1内を真空引きす
る。尚、このプリフォームPは、例えば、上記チタン粉
末及びアルミナ短繊維を水中に分散させ、攪拌後、吸引
濾過法にてプレス成形する等して容易に得ることができ
る。
【0015】次に、図1(c)に示すように、この金型
1を電気コイル等の加熱手段(図示せず)によって50
0〜600℃に加熱してプリフォームPを予熱した後、
この金型1に連通された圧力容器2内を不活性ガスなど
によって加圧して、その内部に収容されている純アルミ
ニウム溶湯を、例えば約32気圧程度の圧力で金型1側
に圧送し、プリフォームP中に含浸させる。その後、こ
のプリフォームP側に送られたアルミニウム溶湯が凝固
するまで加圧状態を維持し、複合化を行った後、図1
(d)に示すように金型1を開いて複合物を取り出すこ
とになる。
1を電気コイル等の加熱手段(図示せず)によって50
0〜600℃に加熱してプリフォームPを予熱した後、
この金型1に連通された圧力容器2内を不活性ガスなど
によって加圧して、その内部に収容されている純アルミ
ニウム溶湯を、例えば約32気圧程度の圧力で金型1側
に圧送し、プリフォームP中に含浸させる。その後、こ
のプリフォームP側に送られたアルミニウム溶湯が凝固
するまで加圧状態を維持し、複合化を行った後、図1
(d)に示すように金型1を開いて複合物を取り出すこ
とになる。
【0016】このようにして得られたTi−Al基複合
材料は、チタンとアルミニウムの反応相をマトリックス
とし、アルミナ短繊維が均一に分散したポア(空孔)の
無い緻密な組織を有することになる。
材料は、チタンとアルミニウムの反応相をマトリックス
とし、アルミナ短繊維が均一に分散したポア(空孔)の
無い緻密な組織を有することになる。
【0017】尚、チタンとアルミニウムの反応は温度に
よって異なるため、試料が反応焼結中に達する温度に依
存して得られる組織は異なる。すなわち、溶湯温度、金
型温度、セラミックスの割合などを制御することによっ
て、1.TiAl相をマトリックスとしてTi、Ti3
Al/TiAl相が分散する組織、2.TiAl/Ti
3 Al相をマトリックスとしてTi、Ti3 Al/Ti
Al相が分散する組織、3.Alをマトリックスとして
Ti、Al3 Ti/TiAl相が分散する組織を得るこ
とが可能である。
よって異なるため、試料が反応焼結中に達する温度に依
存して得られる組織は異なる。すなわち、溶湯温度、金
型温度、セラミックスの割合などを制御することによっ
て、1.TiAl相をマトリックスとしてTi、Ti3
Al/TiAl相が分散する組織、2.TiAl/Ti
3 Al相をマトリックスとしてTi、Ti3 Al/Ti
Al相が分散する組織、3.Alをマトリックスとして
Ti、Al3 Ti/TiAl相が分散する組織を得るこ
とが可能である。
【0018】
【実施例】図1に示すプリフォームPとして、表1に示
す仕様のチタン粉末及びアルミナ短繊維からなるプリフ
ォームを用い、上述したようなガス圧含浸装置及び方法
によってTi−Al基複合試料を製造した後、光学顕微
鏡で組織観察を行い、X線回析、EPMAを用いて反応
相の同定を行った。
す仕様のチタン粉末及びアルミナ短繊維からなるプリフ
ォームを用い、上述したようなガス圧含浸装置及び方法
によってTi−Al基複合試料を製造した後、光学顕微
鏡で組織観察を行い、X線回析、EPMAを用いて反応
相の同定を行った。
【0019】
【表1】
【0020】
【表2】
【0021】(実施例1)表2のNo2に示す組成のプ
リフォーム(残空率61Vol%、Al:Ti=74:
26)を用い、アルミニウムの溶湯温度800℃として
複合化を行った。
リフォーム(残空率61Vol%、Al:Ti=74:
26)を用い、アルミニウムの溶湯温度800℃として
複合化を行った。
【0022】この結果、得られた試料はチタン粉末の形
状が残存し、その隙間にマトリックスとしてアルミニウ
ムが充填された緻密な組織になっていることが確認され
た。また、チタン粉末の表面から数ミクロンの範囲では
反応相が形成されており、組成同定の結果、この反応相
はAl3 Ti及びTi5 Si3 と判明した。さらにこの
反応相より中心側ではチタンが残存していた。また、セ
ラミックス強化繊維であるアルミナ短繊維(アルセンB
97N)が粒子状に分布しているのが観察された。繊維
中のSiO2 がチタン粉末と反応し、Ti5 Si3 が生
成したことが考えられる。尚、反応が粉末中心まで進行
しなかったが、その原因は、チタン粉末とアルミニウム
の反応によって生じた反応熱が短繊維に奪われるために
チタンとアルミニウムの反応が抑制されたためと推定さ
れる。
状が残存し、その隙間にマトリックスとしてアルミニウ
ムが充填された緻密な組織になっていることが確認され
た。また、チタン粉末の表面から数ミクロンの範囲では
反応相が形成されており、組成同定の結果、この反応相
はAl3 Ti及びTi5 Si3 と判明した。さらにこの
反応相より中心側ではチタンが残存していた。また、セ
ラミックス強化繊維であるアルミナ短繊維(アルセンB
97N)が粒子状に分布しているのが観察された。繊維
中のSiO2 がチタン粉末と反応し、Ti5 Si3 が生
成したことが考えられる。尚、反応が粉末中心まで進行
しなかったが、その原因は、チタン粉末とアルミニウム
の反応によって生じた反応熱が短繊維に奪われるために
チタンとアルミニウムの反応が抑制されたためと推定さ
れる。
【0023】(実施例2)同じく表2のNo2に示す組
成のプリフォームを用い、アルミニウムの溶湯温度10
00℃と、実施例1より高くして熱量を補いチタンとア
ルミニウムの反応を促進させことを試みた。かつ、純度
の高いアルミナ短繊維を用いることで繊維とチタンの反
応を抑制させた。
成のプリフォームを用い、アルミニウムの溶湯温度10
00℃と、実施例1より高くして熱量を補いチタンとア
ルミニウムの反応を促進させことを試みた。かつ、純度
の高いアルミナ短繊維を用いることで繊維とチタンの反
応を抑制させた。
【0024】この結果、溶湯800℃の場合と比較する
と、溶融アルミニウムとチタン粉末の反応は多くなって
いるが、完全に反応が促進している部分はなかった。従
って、依然熱量が短繊維に奪われているためチタンとア
ルミニウムの反応が抑制されていると推定される。ま
た、依然純度の高いアルミナ繊維を用いることで短繊維
中のSiO2 とチタン粉末との反応は少なくなっている
ものの認められた。
と、溶融アルミニウムとチタン粉末の反応は多くなって
いるが、完全に反応が促進している部分はなかった。従
って、依然熱量が短繊維に奪われているためチタンとア
ルミニウムの反応が抑制されていると推定される。ま
た、依然純度の高いアルミナ繊維を用いることで短繊維
中のSiO2 とチタン粉末との反応は少なくなっている
ものの認められた。
【0025】(実施例3)表2のNo3に示すように強
化繊維を含まないプリフォーム(残空隙率約50vol
%)を用いて溶湯温度1000℃で複合化を行った。
化繊維を含まないプリフォーム(残空隙率約50vol
%)を用いて溶湯温度1000℃で複合化を行った。
【0026】この結果、アルミナ短繊維を含むものと比
べて顕著な差が見られた。得られた繊維は次の三つの領
域に大別される。
べて顕著な差が見られた。得られた繊維は次の三つの領
域に大別される。
【0027】領域1:図2に示すように、チタン粉末の
形状は判別できないが、粉末の中心からTi、Ti3 A
l/TiAl相が連続し、マトリックスに相当する部分
がTiAlである領域。
形状は判別できないが、粉末の中心からTi、Ti3 A
l/TiAl相が連続し、マトリックスに相当する部分
がTiAlである領域。
【0028】領域2:粉末の中心からTi、Ti3 Al
/TiAl相が連続し、マトリックスに相当する部分が
TiAlとTi3 Alが混在する領域。
/TiAl相が連続し、マトリックスに相当する部分が
TiAlとTi3 Alが混在する領域。
【0029】領域3:Alマトリックス中にTi3 Al
あるいはTiが分散する領域。
あるいはTiが分散する領域。
【0030】繊維含有率によって反応組織に差が見られ
なかった結果をも鑑みると、これはアルミナ短繊維との
反応に使われていた熱量が全てTiとAlの反応に消費
された結果と推定される。
なかった結果をも鑑みると、これはアルミナ短繊維との
反応に使われていた熱量が全てTiとAlの反応に消費
された結果と推定される。
【0031】
【発明の効果】以上要するに本発明によれば、以下に示
すような優れた効果を発揮することができる。
すような優れた効果を発揮することができる。
【0032】1.チタン粉末とアルミナ短繊維を混合
し、プリフォームとしたものに溶融純アルミニウムを加
圧含浸させることにより、空孔が無く緻密で、チタンと
アルミニウムの反応相をマトリックスとし、セラミック
ス強化繊維が分散したTi−Al基複合材料を容易に得
ることができる。
し、プリフォームとしたものに溶融純アルミニウムを加
圧含浸させることにより、空孔が無く緻密で、チタンと
アルミニウムの反応相をマトリックスとし、セラミック
ス強化繊維が分散したTi−Al基複合材料を容易に得
ることができる。
【0033】2.チタンを溶解するような高温炉が不要
となる上に、大型のHIP等を用いる必要がないため、
安価に製造することができる。
となる上に、大型のHIP等を用いる必要がないため、
安価に製造することができる。
【0034】3.真空金型内で複合化を行う方法である
ため、プリフォームの破損、変形が少なく、薄肉の複雑
形状でも完成品形状に近い、いわゆるニアネットシェイ
プで製造できる。
ため、プリフォームの破損、変形が少なく、薄肉の複雑
形状でも完成品形状に近い、いわゆるニアネットシェイ
プで製造できる。
【0035】4.金型温度をスクイズキャスト法より約
200℃高く設定できるため、反応焼結に有利である。
200℃高く設定できるため、反応焼結に有利である。
【図1】本発明方法の実施の一形態を示す工程図であ
る。
る。
【図2】セラミック強化繊維を含まず、溶湯温度100
0℃で得られたTi−Al基複合材料の一部を示す顕微
鏡写真図である。
0℃で得られたTi−Al基複合材料の一部を示す顕微
鏡写真図である。
1 金型 2 圧力容器 P プリフォーム
Claims (1)
- 【請求項1】 チタン粉末とセラミックス強化繊維を混
合して多孔質状のプリフォームを形成し、このプリフォ
ームを金型内に設置すると共に所定の温度まで予熱した
後、ガス圧含浸法によりこのプリフォーム内に溶融アル
ミニウムを含浸させてプリフォーム中のチタンと溶融ア
ルミニウムとの反応によりマトリックスを形成させ、反
応完了後、凝固するまで加圧を保持するようにしたこと
を特徴とするTi−Al基複合材料の製造方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP20293497A JPH1150171A (ja) | 1997-07-29 | 1997-07-29 | Ti−Al基複合材料の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP20293497A JPH1150171A (ja) | 1997-07-29 | 1997-07-29 | Ti−Al基複合材料の製造方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH1150171A true JPH1150171A (ja) | 1999-02-23 |
Family
ID=16465589
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP20293497A Pending JPH1150171A (ja) | 1997-07-29 | 1997-07-29 | Ti−Al基複合材料の製造方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH1150171A (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103769561A (zh) * | 2014-01-22 | 2014-05-07 | 北京科技大学 | 一种钛/铝固液复合铸造成型方法 |
CN104259433A (zh) * | 2014-09-12 | 2015-01-07 | 北京科技大学 | 一种改善钛/铝固液复合界面塑韧性的铸造方法 |
-
1997
- 1997-07-29 JP JP20293497A patent/JPH1150171A/ja active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103769561A (zh) * | 2014-01-22 | 2014-05-07 | 北京科技大学 | 一种钛/铝固液复合铸造成型方法 |
CN104259433A (zh) * | 2014-09-12 | 2015-01-07 | 北京科技大学 | 一种改善钛/铝固液复合界面塑韧性的铸造方法 |
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