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JP2588889B2 - Ti−Al系金属間化合物部材の成形法 - Google Patents

Ti−Al系金属間化合物部材の成形法

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JP2588889B2
JP2588889B2 JP62081998A JP8199887A JP2588889B2 JP 2588889 B2 JP2588889 B2 JP 2588889B2 JP 62081998 A JP62081998 A JP 62081998A JP 8199887 A JP8199887 A JP 8199887A JP 2588889 B2 JP2588889 B2 JP 2588889B2
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Japan
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intermetallic compound
powder
based intermetallic
forging
alloying reaction
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JP62081998A
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重徳 山内
和久 渋江
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Sumitomo Light Metal Industries Ltd
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Sumitomo Light Metal Industries Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、粉末治金法によるTi−Al系金属間化合物部
材の成形法に関するもので、特に緻密なTi−Al系金属間
化合物部材の成形法に関する。
[従来の技術およびその問題点] 従来、Ti−Al系金属間化合物(Ti3Al、TiAl、TiAl
3等)は、優れた高温強度及び耐酸化性を有することが
知られている。しかし、この部材は、常温および高温で
展延性に乏しいので、従来の加工技術では成形すること
が困難であり、実用材料に供することができないという
問題点があった。
これを解決する手段として、たとえば、Ti−37%Al合
金部材(以下、%は重量%を示す。)を側圧付加押出法
等の特別な押出加工方法により実現しようとする試みが
なされているが、実用化に至っていない。
また、他の手段として、特願昭60−213386号に記載さ
れているような、粉末治金法によるTi−Al系金属間化合
物部材の成形法が本発明者らにより提案されている。
本発明は、上記した先の出願発明の改良および検討の
結果なされたもので、より一層成形性の優れたTi−Al系
金属間化合物部材の成形法を提供することを目的とす
る。
[問題点を解決するための手段および作用] 上記問題点を解決するためになされた本発明は、A
14〜63重量%、Ti37〜86重量%の割合で、AlおよびTiの
粉末を混合し、該混合物を脱気し、該脱気された混合物
の相対密度を95%以上に圧縮して粉末圧縮体を形成し、
該粉末圧縮体を、TiとAlとが合金化反応を起こしてTi−
Al系金属間化合物を形成する温度に加熱し、該加熱され
た粉末圧縮体を、上記合金化反応中に塑性加工すること
を特徴とするものであり、本発明の主たる工程を、第1
図、さらに、その変形例を第2図に示す。
(Ti粉末の製造工程I) 第1図において、Ti粉末は、常法の粉末製造法や、鋳
塊等の切削で製作されたものを用いることができ、その
粒度を1000μm以下に調整したものを用いる。
この場合、必要に応じて、Tiと、Al,Mo,V,Zr,B,Nb,Y,
Mn,Si、Wなどとの合金粉末を用いてもよい。
(Al粉末の製造工程II) Al粉末は、常法の粉末製造法により作られ、望ましく
は、価格の点からガスアトマイズ法がよい。粒度は1000
μm以下に調整し、必要に応じて、Alと、Ti,Mo,V,Zr,
B,Nb,Y,Mn,Si、Wなどとの合金粉末を用いてもよい。
(混合工程III) つぎは、上記Ti粉末とAl粉末とを、A14〜63%、Ti
37〜86%の割合にて混合機で混合する。
上記のような混合割合にするのは、Alが14%より少、
およびTiが86%より多では、所定の金属間化合物となら
ず、耐熱性が不十分であり、一方、Alが63%より多、お
よびTiが37%より少でも、Ti−Al系の金属間化合物とな
らないからである。
(脱気工程IV) つぎに、混合物を容器に収納して真空ポンプ等により
脱気処理を行う。これは、粉末表面の吸着ガス、吸着水
を除去するとともに、後の工程における酸化を防止する
ことにある。この脱気処理は、粉末の酸化を防止するた
めに真空度10Torr以下で行われることが好ましい。ま
た、この脱気処理を常温〜550℃、さらに望ましくは400
〜550℃で行うと、吸着水、吸着ガスの除去がより容易
となり好ましい。550℃を越える場合には、TiとAlとの
合金化反応が生じることがある。
(緻密化工程V) つぎに、上記脱気された混合物を、押出、ホットプレ
ス、真空ホットプレス、冷間静水圧プレス等を用いて相
対密度を95%以上に圧縮し、粉末圧縮体とする。この緻
密化処理は、続く焼結処理において、焼結時のTiとAlと
の合金化反応をより容易とするために行われる。ここで
相対密度とは、混合物の密度を、完全に緻密化した場合
の密度に対する割合(%)として表したものである。ま
た、この緻密化処理は、TiとAlとの合金化反応を発生さ
せないように550℃以下で行われる。尚、上記粉末圧縮
体は緻密化しているが、Ti−Al系金属間化合物は形成さ
れていない。
(焼結塑性加工工程VI) つぎに、上記粉末圧縮体あるいはその一部を550〜650
℃に加熱して、TiとAlとの合金化反応を生じさせる。こ
の合金化反応は発熱反応なので、合金化反応が生じた粉
末圧縮体は特に加熱しなくても1000℃以上となる。そし
て、この熱を利用して熱間鍛造等の塑性加工を行う。
この焼結塑性加工工程は、例えば上記粉末圧縮体を炉
中で加熱した後に鍛造したり、予め加熱した金型に上記
粉末圧縮体を入れて鍛造したり、あるいは、金型に入れ
た上記粉末圧縮体をアーク放電等によって加熱した後に
鍛造することにより行われる。
上記焼結塑性加工工程により、Ti中にAlが拡散しTi−
Al系金属間化合物を形成する。このとき、カーケンダー
ル効果、つまり、Alの拡散により多数の空孔が発生し空
洞となるが、これらの空洞は塑性加工によってつぶされ
る。
上記したIからVIの処理工程により、Ti3Al、TiAl及
びTiAl3等の金属間化合物が形成される。
本発明の主たる工程は以上であるが、必要に応じて、
第2図に示す処理を加えてもよい。
(他の金属、合金の粉末製造工程VII) Ti−Al系金属間化合物部材に必要な添加元素、たとえ
ば、延性改良に効果のある、Mo,V,Zr,B,Nbなどを単体ま
たは合金粉末としてTi粉末及びAl粉末と同時に混合す
る。このとき、各元素の添加量は、最終金属間化合物の
組成でMo1〜5%、V1〜5%、Zr1〜5%、B0.005〜3
%、Nb1〜30%であり、いずれの元素においても下限値
以下では延性改良の効果がみられず、上限値以上では、
延性改良の効果がほぼ飽和し、強度特性も低下する。ま
た、上記元素の他にY0.1〜5%を加えると上記カーケン
ダール効果による空孔の発生を抑制し、Mn0.1〜5%を
加えると上記カーケンダール効果による空孔の発生を抑
制すると共に延性を改良し、Si0.05〜5%、W0.1〜10%
を加えると耐酸化性が向上する。
(圧縮工程VIII) 混合工程III後の混合体を冷間静水圧プレスや一軸プ
レスを行い、相対密度を60%〜95%にする。このとき、
相対密度が60%以下では、圧縮後に圧縮体としての形状
が保てなく、また、95%以上では、脱気処理の実効を得
られない。
(真空封入工程IX) 脱気処理IV後の圧縮体を缶などの容器に真空状態で封
入する。
(鍛造素加工工程X) 緻密化工程Vを経た圧縮体を所望の部品形状又はそれ
に近い形状に、冷間または熱間塑性加工、あるいは、機
械加工にて成形する。この段階では、未だTi−Al系金属
間化合物を形成していないために、容易に加工が行える
のである。
この処理は、脱気工程後に、所望により、粉末鍛造等
でNear Net Shapeにしてもよい。また、この処理はTiと
Alとの合金化反応が生じないように550℃以下で行う。
(熱処理工程XI) 焼結塑性加工工程VI後に、得られたTi−Al系金属間化
合物部材中に存在する合金元素の濃度分布をより均一に
すること、相対密度をより向上させること、あるいはTi
−Al系金属間化合物部材の疲労特性等の機械的性質を悪
化させる該部材中のCl、MgあるいはNaの濃度を減少させ
ることを目的として、上記金属間化合物を800℃〜Ti−A
l合金の固相線温度に加熱する。この加熱時に周囲雰囲
気の圧力を調整してもよい。例えば、雰囲気圧力を10
-10〜0.5TorrとするとCl、Mg、Naの減少に有効であり、
200〜5000atmとすると金属間化合物の相対密度を97%以
上とするのに有効である。
(仕上成形工程XII) 高温、高圧処理工程後に、機械加工等により最終製品
の形状に仕上げる。
[発明の効果] 以上説明したように、本発明では、TiとAlとが合金化
反応を起こしてTi−Al系金属間化合物を形成する温度に
粉末圧縮体を加熱し、その合金化反応中に塑性加工して
いる。このため、上記合金化反応の反応熱を利用して熱
間鍛造等の塑性加工を容易に施すことができると共に、
上記合金化反応中にカーケンダール効果により発生する
空洞を上記塑性加工によってつぶすことができる。従っ
て、緻密で優れた高温強度を有するTi−Al系金属間化合
物部材が得られると共に、そのTi−Al系金属間化合物部
材を所望の形状に容易に塑性加工することができる。
[実施例] 以下、本発明の実施例について説明する。
実施例1 まず、48メッシュ以下のスポンジTiと、48メッシュ以
下のガスアトマイズ法によるAl粉末とを製造し、これら
の粉末を重量分率で64:36の割合で、V型混合機によっ
て混合した。この粉末を冷間静水圧プレスにて圧縮成形
し、その相対密度を68%にした。
つぎに、第3図に示すように、圧縮成形体10をアルミ
ニウム製の缶11に装入し、缶端部11aに脱気用パイプ12
を溶接した。この後、パイプ12に真空ポンプ(図示省
略)を接続して、455℃で1時間加熱した状態で、10-1T
orr以下の真空度まで脱気処理を行った。
つぎに、上記脱気用パイプ12を圧着することにより圧
縮成形体10を缶11内に真空封入した。この封入後の圧縮
成形体11を押出温度450℃、押出比12、押出速度2m/分で
押出加工を行い、直径44mmの押出棒を得た。この押出棒
は、Ti相とAl相とが混合状態にあり、Ti−Al系金属間化
合物相が殆どみあたらず、また、組織中に空洞は観察さ
れなかった。
つぎに、押出棒の外周部を被覆しているアルミニウム
部材を切削除去し、直径38mmφ×長さ50mmの棒状部材と
した。
つぎに、棒状部材を以下の(A)、(B)、(C)の
何れかの方法で焼結鍛造を行った。さらに一部の試料に
ついては、第1表に示す条件で熱処理した。
このようにして得られた焼結部材について判定し、そ
の結果を第1表にあわせて示す。第1表中で○が付いて
いるものは、カーケンダール効果による空孔がなく相対
密度が95%以上のものである。×が付いているものは空
孔が観察され相対密度が95%未満のものであり、Ti−Al
系金属間化合物部材として不適当なものである。尚、第
1表には、上記棒状部材を焼結鍛造せずに熱処理だけを
行ったものを比較例として記した。この比較例は表中に
は焼結鍛造無しと記した。尚、第1表には参考のためX
線回折による結果もあわせて記した。
焼結鍛造方法:第4図ないし第6図に示すように、プ
レスにセットされた上型20と下型21とによって上記棒状
部材22を鍛造しTi−Al系金属間化合物部材25とする。
(A)先ず、棒状部材22を発熱体30を有する加熱炉31で
650℃に加熱する(第4図(a))。次いで、加熱され
た棒状部材22を下型21に入れ、鍛造する(第4図
(b))。棒状部材22は加熱炉31の加熱で、TiとAlとの
合金化反応が開始され、この合金化反応中に鍛造され、
Ti−Al系金属間化合物部材25となる。
(B)棒状部材22を予め700℃に加熱された下型21にセ
ットし鍛造する(第5図)。上記棒状部材22は、下型21
の予熱で、TiとAlとの合金化反応が開始され、この合金
反応中に鍛造されTi−Al系金属間化合物部材25となる。
(C)棒状部材22を下型21にセットし、一対の電極40a,
40bのアーク放電により加熱する(第6図)。この加熱
で、TiとAlとの合金化反応が開始されると、一対の電極
40a,40bをはずし、この合金反応中に鍛造し、上記棒状
部材22はTi−Al系金属間化合物部材25となる。
第1表より、本実施例の如く、焼結鍛造により得られ
たTi−Al系金属間化合物部材は、カーケンダール効果に
よる空孔の発生が抑制され、緻密となることが確認され
た。
実施例2 48メッシュ以下のスポンジTiと、48メッシュ以下のガ
スアトマイズ法による第2表に示した組成のAl合金粉末
とを製造し、これらの粉末を重量分率で64:36の割合
で、V型混合機によって混合した。この粉末を実施例1
と同じ工程で焼結鍛造((A)ないし(C)まで実施
し、続いて、得られた焼結部材をArガス雰囲気中におい
て1000℃、1000atmで1時間の熱処理(HIP処理)行った
後に、実施例1と同様にして判定した結果を第2表に示
した。尚、表中における焼結鍛造方法及び結果の項に用
いられる印は実施例1と同じ意味である。また、比較例
として焼結鍛造を行わずに熱処理のみを行ったものを第
2表中に焼結鍛造無しとして記した。
第2表より、本実施例の如く、原料としてTi粉末とAl
合金粉末とを用い焼結鍛造により得られたTi−Al系金属
間化合物部材も、上記実施例1と同じくカーケンダール
効果による空孔の発生が抑制され、緻密となることが確
認された。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の成形法を示す工程図、第2図は第1図
の変形例を示す工程図、第3図は本発明の実施例による
脱気工程を説明する説明図、第4図ないし第6図は焼結
鍛造工程を説明する説明図である。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】A14〜63重量%、Ti37〜86重量%の割合
    で、AlおよびTiの粉末を混合し、 該混合物を脱気し、 該脱気された混合物の相対密度を95%以上に圧縮して粉
    末圧縮体を形成し、該粉末圧縮体を、TiとAlとが合金化
    反応を起こしてTi−Al系金属間化合物を形成する温度に
    加熱し、 該加熱された粉末圧縮体を、上記合金化反応中に塑性加
    工することを特徴とするTi−Al系金属間化合物部材の成
    形法。
JP62081998A 1987-04-02 1987-04-02 Ti−Al系金属間化合物部材の成形法 Expired - Lifetime JP2588889B2 (ja)

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