JP2749165B2 - ＴｉＡ▲ｌ▼基複合材料およびその製造方法 - Google Patents
ＴｉＡ▲ｌ▼基複合材料およびその製造方法Info
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- JP2749165B2 JP2749165B2 JP1335782A JP33578289A JP2749165B2 JP 2749165 B2 JP2749165 B2 JP 2749165B2 JP 1335782 A JP1335782 A JP 1335782A JP 33578289 A JP33578289 A JP 33578289A JP 2749165 B2 JP2749165 B2 JP 2749165B2
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- Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、TiAl基金属間化合物のマトリクス中にTiB2
粒子を分散させたTiAl基複合材料およびその製造方法に
関する。
粒子を分散させたTiAl基複合材料およびその製造方法に
関する。
TiAl基金属化合物は温度が上昇するに従って強度が上
昇するという正の温度依存性を示し、また比重が3.8と
非常に軽いため、比強度の高い高温耐熱材料、特に航空
機エンジンのブレードやバルブのような高温で高速運動
する部材用として研究開発が進められている。
昇するという正の温度依存性を示し、また比重が3.8と
非常に軽いため、比強度の高い高温耐熱材料、特に航空
機エンジンのブレードやバルブのような高温で高速運動
する部材用として研究開発が進められている。
従来、TiAl基金属間化合物の加工性を向上させるため
の検討は行われてきた（例えばTi−34.1重量％Al−34重
量％Ｖ合金〔米国特許第4294625〕、Ti−41.7重量％Al
−10重量％Ag合金〔特開昭58-123847〕、TiAl基金属間
化合物にMnを添加〔特開昭61-41740〕等）。
の検討は行われてきた（例えばTi−34.1重量％Al−34重
量％Ｖ合金〔米国特許第4294625〕、Ti−41.7重量％Al
−10重量％Ag合金〔特開昭58-123847〕、TiAl基金属間
化合物にMnを添加〔特開昭61-41740〕等）。
一方、TiAl基金属間化合物の高い比強度を利用して、
更に高強度の材料を開発することが要請されているが、
より高強度化するための検討はこれまでほとんどなされ
ていない。
更に高強度の材料を開発することが要請されているが、
より高強度化するための検討はこれまでほとんどなされ
ていない。
本発明は、TiAl基金属間化合物よりも更に高強度化し
たTiAl基複合材料およびその製造方法を提供することを
目的とする。
たTiAl基複合材料およびその製造方法を提供することを
目的とする。
上記の目的は、本発明によれば、Al30〜40重量％およ
びCr1〜５重量％を含有し残部が実質的にTiから成るTiA
l基金属間化合物のマトリクス中に、複合材料としての
体積に対して20体積％以下のTiB2粒子を分散させたこと
を特徴とするTiAl基複合材料によって達成される。
びCr1〜５重量％を含有し残部が実質的にTiから成るTiA
l基金属間化合物のマトリクス中に、複合材料としての
体積に対して20体積％以下のTiB2粒子を分散させたこと
を特徴とするTiAl基複合材料によって達成される。
本発明のTiAl基複合材料は、本発明によれば、Ti粉
末、Al粉末、およびＢ粉末を混合して第１の混合物を形
成する工程、 上記第１混合物を等方的に加圧して圧縮成形体を形成
する工程、 上記圧縮成形体を不活性ガス雰囲気中で加熱して上記
圧縮成形体中でAlを溶解し且つTiとＢとを自己燃焼焼結
させることにより、Alマトリクス中にTiB2粒子が分散し
た焼結体を形成する工程、 上記焼結体を粉砕して粉末状の中間素材を形成する工
程、 上記中間素材、金属Ti、金属Al、および金属Crを混合
した状態で、Tiの融点以上TiB2の融点以下の温度に加熱
することにより、固体TiB2粒子を含む溶融体を形成する
工程、および 上記溶融体を鋳造して鋳塊を形成する工程 を含むことを特徴とする方法によって製造することがで
きる。
末、Al粉末、およびＢ粉末を混合して第１の混合物を形
成する工程、 上記第１混合物を等方的に加圧して圧縮成形体を形成
する工程、 上記圧縮成形体を不活性ガス雰囲気中で加熱して上記
圧縮成形体中でAlを溶解し且つTiとＢとを自己燃焼焼結
させることにより、Alマトリクス中にTiB2粒子が分散し
た焼結体を形成する工程、 上記焼結体を粉砕して粉末状の中間素材を形成する工
程、 上記中間素材、金属Ti、金属Al、および金属Crを混合
した状態で、Tiの融点以上TiB2の融点以下の温度に加熱
することにより、固体TiB2粒子を含む溶融体を形成する
工程、および 上記溶融体を鋳造して鋳塊を形成する工程 を含むことを特徴とする方法によって製造することがで
きる。
従来から、Al30〜40重量％含有し残部が実質的にTiか
ら成るTiAl基金属間化合物は比強度の高い高温耐熱材料
として知られていた。本発明者は、このTiAl基金属間化
合物をマトリクスとして用い、その中に硬質のTiB2粒子
を分散させて複合材料とする際に、マトリクス中に更に
Crを１〜５重量％含有させることによって、TiB2粒子を
微細に分散させることができ、それにより高強度化した
複合材料が得られることを見出した。マトリクスのCr量
を１〜５重量％に限定したのは、TiB2粒子をマトリクス
中に微細に分散させる効果がCr量１重量％以上で顕著に
なるが、Cr量が５重量％を超えるとマトリクス自体の延
性が低下して複合材料全体を脆化させる原因になるから
である。ただし、TiB2粒子の量は、複合材料全体の体積
に対して20体積％以下とする必要がある。TiB2粒子の量
が過剰になると、複合材料全体が脆化して高強度化自体
が達成できなくなるからである。
ら成るTiAl基金属間化合物は比強度の高い高温耐熱材料
として知られていた。本発明者は、このTiAl基金属間化
合物をマトリクスとして用い、その中に硬質のTiB2粒子
を分散させて複合材料とする際に、マトリクス中に更に
Crを１〜５重量％含有させることによって、TiB2粒子を
微細に分散させることができ、それにより高強度化した
複合材料が得られることを見出した。マトリクスのCr量
を１〜５重量％に限定したのは、TiB2粒子をマトリクス
中に微細に分散させる効果がCr量１重量％以上で顕著に
なるが、Cr量が５重量％を超えるとマトリクス自体の延
性が低下して複合材料全体を脆化させる原因になるから
である。ただし、TiB2粒子の量は、複合材料全体の体積
に対して20体積％以下とする必要がある。TiB2粒子の量
が過剰になると、複合材料全体が脆化して高強度化自体
が達成できなくなるからである。
本発明のTiAl基複合材料の製造方法において、焼結体
を形成するまでの工程は、米国特許第4751048に開示さ
れたいわゆる「XDプロセス」を用いている。この方法
は、Ti粉末、Ｂ粉末、およびAl粉末を混合し、圧縮成形
したものを不活性雰囲気中で加熱することにより、融解
したAl中でTiとＢとを自己燃焼焼結させてTiB2粒子を得
る方法であり、焼結により形成されたTiB2粒子に対する
Alの濡れ性を利用したものである。
を形成するまでの工程は、米国特許第4751048に開示さ
れたいわゆる「XDプロセス」を用いている。この方法
は、Ti粉末、Ｂ粉末、およびAl粉末を混合し、圧縮成形
したものを不活性雰囲気中で加熱することにより、融解
したAl中でTiとＢとを自己燃焼焼結させてTiB2粒子を得
る方法であり、焼結により形成されたTiB2粒子に対する
Alの濡れ性を利用したものである。
本発明の方法においては、得られた焼結体を粉砕して
粉末状の中間素材とし、この中間素材、金属Ti、金属A
l、および金属Crを混合した状態でTiの融点（1720℃）
以上TiB2融点（2900℃）未満の温度に加熱することによ
り液相中に固体のTiB2粒子を含む形の溶融体とし、これ
を鋳造する。
粉末状の中間素材とし、この中間素材、金属Ti、金属A
l、および金属Crを混合した状態でTiの融点（1720℃）
以上TiB2融点（2900℃）未満の温度に加熱することによ
り液相中に固体のTiB2粒子を含む形の溶融体とし、これ
を鋳造する。
中間素材中に含まれていたTiB2粒子は、溶融および鋳
造の工程中にも固体状態で存在するが、固体として粗大
化あるいは微細化する反応が起きる。本発明において
は、液相中にCrを存在させることにより、最終的に鋳塊
中に存在するTiB2粒子を微細に分散した状態にすること
ができる。
造の工程中にも固体状態で存在するが、固体として粗大
化あるいは微細化する反応が起きる。本発明において
は、液相中にCrを存在させることにより、最終的に鋳塊
中に存在するTiB2粒子を微細に分散した状態にすること
ができる。
溶解は、溶解中の不純物混入を極力少なくできるアル
ゴン雰囲気下でのアーク溶解等によって行うことが望ま
しい。
ゴン雰囲気下でのアーク溶解等によって行うことが望ま
しい。
TiとAlの溶解・鋳造（凝固）に際しては、それぞれの
融点が1720℃、660℃と著しく異なるため、特別な配慮
が必要である。すなわち、マトリクス組成をできるだけ
均一化するためには、数回にわたって水冷銅製ハース上
で溶解・凝固を繰り返すことが望ましい。
融点が1720℃、660℃と著しく異なるため、特別な配慮
が必要である。すなわち、マトリクス組成をできるだけ
均一化するためには、数回にわたって水冷銅製ハース上
で溶解・凝固を繰り返すことが望ましい。
以下に、実施例により本発明を更に詳細に説明する。
〔実施例１〕 Ti粉末、Al粉末、およびＢ粉末を重量比で49.2:28.6:
22.2の割合で通常の粉末混合機中で混合して混合物を形
成した。
22.2の割合で通常の粉末混合機中で混合して混合物を形
成した。
この混合物を粉末プレス機により圧力29.4kg/mm2で等
方的に加圧して圧縮成形体とした。
方的に加圧して圧縮成形体とした。
圧縮成形体をアルゴン雰囲気中で660℃に加熱して、
その温度で着火させ、自己燃焼反応により焼結体とし
た。
その温度で着火させ、自己燃焼反応により焼結体とし
た。
この焼結体をボールミル装置により粉砕して粉末状
（100メッシュ以下）の中間素材を形成した。
（100メッシュ以下）の中間素材を形成した。
重量比で、中間素材16.47％、金属Al24.53％、金属Cr
3.60％、残部Tiの割合でアーク溶解炉中に装入した。同
炉内でアルゴン雰囲気下でアーク溶解して固体TiB2粒子
を含む溶融体を形成した後、これを同炉内の水冷銅ハー
ス上で冷却凝固させて鋳塊を得た。
3.60％、残部Tiの割合でアーク溶解炉中に装入した。同
炉内でアルゴン雰囲気下でアーク溶解して固体TiB2粒子
を含む溶融体を形成した後、これを同炉内の水冷銅ハー
ス上で冷却凝固させて鋳塊を得た。
〔実施例２〕 Ti粉末、Al粉末、およびＢ粉末を重量比で49.2:28.6:
22.2の割合で通常の粉末混合機中で混合して混合物を形
成した。
22.2の割合で通常の粉末混合機中で混合して混合物を形
成した。
実施例１と同様の手順で、混合、加圧成形、焼結、お
よび粉砕を行い、粉末状の中間素材を得た。
よび粉砕を行い、粉末状の中間素材を得た。
重量比で、中間素材32.94％、金属Al16.50％、金属Cr
2.40％、残部Tiの割合でアーク溶解炉中に装入し、実施
例１と同様の手順で溶解および鋳造を行い鋳塊を得た。
2.40％、残部Tiの割合でアーク溶解炉中に装入し、実施
例１と同様の手順で溶解および鋳造を行い鋳塊を得た。
〔比較例１〕 Ti粉末、Al粉末、およびＢ粉末を重量比で49.2:27.6:
22.2の割合で通常の粉末混合機中で混合して混合物を形
成した。
22.2の割合で通常の粉末混合機中で混合して混合物を形
成した。
実施例１と同様の手順で、混合、加圧成形、焼結、お
よび粉砕を行い、粉末状の中間素材を得た。
よび粉砕を行い、粉末状の中間素材を得た。
重量比で、中間素材19.40％、金属Al20.20％、残部Ti
の割合でアーク溶解炉中に装入し、実施例１と同様の手
順で溶解および鋳造を行い鋳塊を得た。
の割合でアーク溶解炉中に装入し、実施例１と同様の手
順で溶解および鋳造を行い鋳塊を得た。
〔比較例２〕 Al32.1重量％、Ti67.9重量％を含有するTiAl基金属間
化合物を製造した。
化合物を製造した。
残留酸素量200ppm以下の高純度Tiと純度99.99％のAl
を母材として用い、多極アーク溶解炉中でアルゴン雰囲
気下で溶解および凝固を行った。エメリー研磨後アセト
ンによって清浄化した純銅製水冷ハースを用いて炉材か
らの不純物混入を最小限に抑制し、溶解中のTiをTiゲッ
ターとして作用させて雰囲気アルゴン中の不要なガス成
分を除去した。数回にわたって銅製ハース上で溶解・凝
固を繰り返し、最終的に銅製ハース上で凝固させてイン
ゴットとした。
を母材として用い、多極アーク溶解炉中でアルゴン雰囲
気下で溶解および凝固を行った。エメリー研磨後アセト
ンによって清浄化した純銅製水冷ハースを用いて炉材か
らの不純物混入を最小限に抑制し、溶解中のTiをTiゲッ
ターとして作用させて雰囲気アルゴン中の不要なガス成
分を除去した。数回にわたって銅製ハース上で溶解・凝
固を繰り返し、最終的に銅製ハース上で凝固させてイン
ゴットとした。
実施例１、２および比較例１、２で製造した鋳塊から
採取した試料について、マトリクス組成、TiB2体積比、
および硬度の測定結果を第１表に示す。なお、比較例２
は複合材料ではなく、TiAl基金属間化合物単体材料であ
る。また、実施例２については、参考のためにマトリク
ス硬度（上段の数値）の他にTiB2粒子部分の硬度（下段
の数値）も併せて示す。
採取した試料について、マトリクス組成、TiB2体積比、
および硬度の測定結果を第１表に示す。なお、比較例２
は複合材料ではなく、TiAl基金属間化合物単体材料であ
る。また、実施例２については、参考のためにマトリク
ス硬度（上段の数値）の他にTiB2粒子部分の硬度（下段
の数値）も併せて示す。
第１表の結果から、Crを含まない従来のTiAl基金属間
化合物マトリクス中にTiB2粒子を分散させた比較例１
は、TiAl基金属間化合物単体の比較例２に比べればかな
り高い硬度が得られるが、そのレベルはHV500程度であ
る。
化合物マトリクス中にTiB2粒子を分散させた比較例１
は、TiAl基金属間化合物単体の比較例２に比べればかな
り高い硬度が得られるが、そのレベルはHV500程度であ
る。
これに対し、本発明に従ってマトリクス中にCrを含有
する実施例１および２は、HV600前後の硬度が得られ、
著しく高強度化された。
する実施例１および２は、HV600前後の硬度が得られ、
著しく高強度化された。
第１図および第２図に、それぞれ実施例１および比較
例１の試料について鋳造組織を示す。Crをマトリクス中
に含む本発明のTiAl基複合材料は、Crを含まない従来の
TiAl基複合材料に比べてTiB2粒子（両図中、黒い輪郭で
囲まれた白色の斑点状に見える）が微細に分散している
ことによって、複合材料としての硬度が著しく高められ
る。
例１の試料について鋳造組織を示す。Crをマトリクス中
に含む本発明のTiAl基複合材料は、Crを含まない従来の
TiAl基複合材料に比べてTiB2粒子（両図中、黒い輪郭で
囲まれた白色の斑点状に見える）が微細に分散している
ことによって、複合材料としての硬度が著しく高められ
る。
以上説明したように、本発明によれば、TiAl基金属間
化合物よりも強度を著しく高めたTiAl基複合材料が得ら
れる。
化合物よりも強度を著しく高めたTiAl基複合材料が得ら
れる。
第１図は、本発明に従ってマトリクス中にCrを含有する
TiAl基複合材料の鋳造組織を示す金属組織写真（倍率:5
0倍）、および 第２図は、Crを含有しないTiAl基複合材料の鋳造組織を
示す金属組織写真（倍率:50倍）である。
TiAl基複合材料の鋳造組織を示す金属組織写真（倍率:5
0倍）、および 第２図は、Crを含有しないTiAl基複合材料の鋳造組織を
示す金属組織写真（倍率:50倍）である。
Claims (2)
- 【請求項１】Al30〜40重量％およびCr1〜５重量％を含
有し残部が実質的にTiから成るTiAl基金属間化合物のマ
トリクス中に、複合材料の体積に対して20体積％以下の
TiB2粒子を分散させたことを特徴とするTiAl基複合材
料。 - 【請求項２】Ti粉末、Al粉末、およびＢ粉末を混合して
混合物を形成する工程、 上記混合物を等方的に加圧して圧縮成形体を形成する工
程、 上記圧縮成形体を不活性ガス雰囲気中で加熱して上記圧
縮成形体中でTiとＢとを自己燃焼焼結させ且つAlを溶解
することにより、Alマトリクス中にTiB2粒子が分散した
焼結体を形成する工程、 上記焼結体を粉砕して粉末状の中間素材を形成する工
程、 上記中間素材、金属Ti、金属Al、および金属Crを混合し
た状態で、Tiの融点以上TiB2の融点未満の温度に加熱す
ることにより、固体TiB2粒子を含む溶融体を形成する工
程、および 上記溶融体を鋳造して鋳塊を形成する工程 を含むことを特徴とする請求項１記載のTiAl基複合材料
の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1335782A JP2749165B2 (ja) | 1989-12-25 | 1989-12-25 | ＴｉＡ▲ｌ▼基複合材料およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1335782A JP2749165B2 (ja) | 1989-12-25 | 1989-12-25 | ＴｉＡ▲ｌ▼基複合材料およびその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03193842A JPH03193842A (ja) | 1991-08-23 |
| JP2749165B2 true JP2749165B2 (ja) | 1998-05-13 |
Family
ID=18292386
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1335782A Expired - Lifetime JP2749165B2 (ja) | 1989-12-25 | 1989-12-25 | ＴｉＡ▲ｌ▼基複合材料およびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2749165B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5354351A (en) * | 1991-06-18 | 1994-10-11 | Howmet Corporation | Cr-bearing gamma titanium aluminides and method of making same |
| JP2743720B2 (ja) * | 1992-07-03 | 1998-04-22 | トヨタ自動車株式会社 | ＴｉＢ２ 分散ＴｉＡｌ基複合材料の製造方法 |
| CN102126023B (zh) * | 2011-03-11 | 2012-09-05 | 北京航空航天大学 | 一种钛合金整体叶片盘的粉末热等静压成型方法 |
| CN116200622B (zh) * | 2023-04-27 | 2023-08-04 | 西安稀有金属材料研究院有限公司 | 一种超细晶TiAl合金及其复合材料的制备方法 |
-
1989
- 1989-12-25 JP JP1335782A patent/JP2749165B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH03193842A (ja) | 1991-08-23 |
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