JP3071118B2 - 微細な添加元素が添加されたNiAl金属間化合物を製造する方法 - Google Patents
微細な添加元素が添加されたNiAl金属間化合物を製造する方法Info
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Description
高温強度の優れた金属間化合物に関するものであり、そ
して本発明の金属間化合物の利用分野は広く、航空宇宙
(宇宙往還機構造材等)ならびに原子力分野(再処理施
設用構造材)に及んでいる。
化合物特有の硬くて脆い特性を有する材料であり、この
ような機能を有する材料は、例えばコーティング材とし
て利用されているが、構造材としての利用を考える場
合、低温における延性が不十分であるために機械加工等
を行うことができなかったことから、その利用に限界が
あった。
を構造材として大規模に利用していくためには、その金
属間化合物から成る構造材が、低温において機械加工に
耐え得る十分な延性を有する材料であるとともに、高温
においても機械的強度に優れた材料である必要がある。
から成る材料に改良を加えることによって、低温におい
て十分な延性を持つ材料とすると同時に、高温において
も十分な強度を持つ材料とすることを目的とするもので
ある。
間化合物に添加元素Xとして第三元素A、第四元素Y及
び第五元素Zまでを微量添加することによって、この金
属間化合物から成る材料の特性である軽量性及び耐蝕性
を損なわずに、低温における延性及び高温における強度
を改善するものである。
属間化合物における成分組成比の一例は、そのNi:A
l:Xの組成比が50:50〜63.5:37.5であ
る。そして、これらの添加元素Xは、モリブデン、タン
グステン、レニウム、ルテニウム及び/又はボロンであ
り、これらの合金も使用される。本発明の金属間化合物
の一つとしては、その合金組成がNiAl+aX+bY
+cZであり、その第三元素Xの添加量aは0.1〜1
at.%であり、この第三3元素Xに対する第四元素Y
はその残りの元素からなり、その添加量bがXに対して
最大50at.%を越えない組成である。又、第五元素
Zは主にボロン(B)であり、その添加量cは0.1〜
0.2at.%である。これらの代表的な金属間化合物
の組成としては、例えば、56.5NiAl+(1.0
Mo/0.5Re)+0.2B等がある。
出発原料から各種の溶解法又は粉末化法(ガスアトマイ
ジング法等)により鋳造合金又は混合金属粉末を得た後
に、この鋳造合金にはスゥェージング法等の特殊熱間鍛
造により加工圧力を均等に加えて加工処理し、又この混
合金属粉末には粉末冶金法(高温等方加圧法:HIP)
+スゥェージング熱間鍛造法によって加工処理して、そ
の組織が均一化及び微細化された材料を得る。NiAl
にMo等の元素を添加した材料で微細化組織を有するも
のは、室温での延性に富み、かつ高温での機械的強度の
優れた材料となる。
金の熱間鍛造処理においては、鋳造合金に高延性材を被
覆して、1100℃において鍛造率75%まで、その後
900℃において98%まで鍛造を行い、その組織が均
一化及び微細化された材料を得る。ただし、1回あたり
の鍛造比は、0.5%とする。
IP)+スゥェージング熱間鍛造法による混合金属粉末
の処理においては、ステンレス鋼又は高延性鋼をキャプ
セル材とし、このキャプセル材に、前記混合金属粉末を
冷間等方加圧(CIP等)により事前に理論密度の70
%以上に緻密化された成形体を入れ、これを温度100
0℃〜1250℃、圧力100〜200Mpaで焼結
し、その後鍛造を行ってその組織が微細化及び均一化さ
れた材料を得る。
9%)の粉末を原子量にして50:50〜63.5:3
7.5の割合で不活性ガス中で混合し、その中に更に添
加元素を0.1〜1at.%加えて混合して均一な混合
粉末を得る。その後の工程には次の(1)、(2)の2
種類の工程がある。
に入れて加圧することにより成型先駆体を製作し、これ
を真空パックした後、CHPの等方加圧(例えば、加圧
容器に水等の加圧媒体が入っていて、加圧容器外部から
これらの加圧媒体を加圧することによって成型先駆体に
等方的に圧縮荷重を加える)により、高密度成形体を製
作する。この成形体をHIP用キャプセルに真空封入し
てHIP処理を行う。
用キャプセルに真空封入してHIP処理を行う。
は、このHIP処理温度範囲で熔融せず、しかもNi+
Al+添加元素粉末と反応しない材料でできているもの
である。このキャプセル材の選定に当たっては、キャプ
セル材についてのHIP予定処理温度範囲での高温強度
データと、キャプセル材とHIP処理される元素との反
応性とを実験又は既存のデータで確認しておく必要があ
る。
温度(900〜1100℃)に加熱し、速やかにスウェ
ージング装置に加熱キャプセルごとに送り込んで均一鍛
造を行う。その際には、加熱+鍛造プロセスを材料が所
定加工率に達するまで続ける。スウェージングとは、例
えば円柱状の試験片を加工する場合、試験片の円周回り
に3又は4方向からアンピルを当て、これを高速で振動
させることによって試験片の半径方向の等方的な加工を
加えるものである。
合金原料に各種添加材(Ti、Fe、V、W、Cr、C
u、Mo、Nb、Ta、Hf、Zr及びB)を加えるこ
とによって得られた合金材料(NiAl+X)にスゥェ
ージング試験を行って得た結果が示されている。これに
より、NiAl材に対して鍛造量98%までの鍛造に耐
え得る特性を与えるのに有効な添加元素の種類及びその
添加量が明らかになった。
れた合金材料xNiAl+Bから成る鍛造材の高温強度
が、鍛造が進み組織が微細化するに従って高強度化する
とともに強度のピーク値が低温化することが示されてい
る。又、その高温強度は、Bの添加量が0.2at.%
のときにその最大値を示している。
法により得られた合金材料xNiAl+Bの延性脆性遷
移温度(以下DBTT)が鍛造が進むに従って300℃
まで低温化したことが示されている。
法により得られた合金材料xNiAl+Bの粒度が微細
化するほど高温強度が増加し(ただし、粒度が数μmに
なると逆に強度低下を生じる)、DBTTが直線的に低
温化することが示されている。従って、数10ナノmの
合金超微細組織においてDBTTが室温まで低温化する
ことを示している。
法により得られた合金材料xNiAl+XにおいてXに
Mo又はWを添加したものはピーク強度が低温化すると
ともに高温強度が向上していることが示されている。
法により得られた合金材料xNiAl+XにおいてXに
Mo又はWを添加したもののDBTTが、200度まで
低温化していることが示されている。
ジング法により得られた合金材料xNiAl+Bの組織
が微細化するに従って、高温強度が増加し(ただし、粒
度が数μmになると逆に強度低下を生じる)、DBTT
が直線的に低温化することが示されている。
ジング法により得られた合金材料xNiAl+aX+
0.2BにおいてXにMo又はWを最大20at.%ま
で添加しても高温強度が改善されるものの、低温延性は
逆に失われることが示されている。又、その低温延性を
改善するためには第三元素の最適添加量は、1at.%
以下に押さえる必要があることが示されている。
グ法により得られた合金材料xNiAl+aXに第4元
素としてB添加した場合の効果が示されている。これに
よると、Bの添加により硬度、低温伸びならびに高温強
度に改善が認められたことが示されている。
れた合金材料xNiAl+aX+0.2BにおいてXに
Mo/Re合金を添加した場合、この添加材にMoのみ
を添加した場合に見られない室温での伸びが観察された
ことが示されている。
o等の添加元素が添加された合金材料NiAl+Xの合
金組織を微細化処理したものの中で、特にMo/Re合
金を添加した場合(図11)に従来のNiAl材料より
室温において延性に富み、かつ高温での機械的強度の優
れた材料となっていることが分かる。
らなる材料は、その組織が微細化及び均一化されてお
り、そのために室温において延性に富み、かつ高温での
機械的強度の優れた材料であるので、工業、宇宙、原子
力分野において各種の構造材として利用されることがで
きる。
高温強度特性を示す図である。
延性特性を示す図である。
粒度と高温強度ないしDBTTの関係を示す図である。
の高温強度特性を示す図である。
の延性特性を示す図である。
の粒度と高温強度ないしDBTTの関係を示す図であ
る。
の粒度と高温強度ないしDBTTの関係を示す図であ
る。
ージング材でXにMo又Wを最大20at.%まで添加
した材料の高温強度と延性特性を示す図である。
ージング材でXにMo又Wを最大20at.%まで添加
した材料の高温強度と延性特性を示す図である。
材に第4元素としてBを添加した場合の効果を示す図で
ある。
加して、室温と400℃との間における応力−歪曲線を
示した図である。
Claims (2)
- 【請求項1】 微細な添加元素が添加されたNiAl金
属間化合物を製造する方法において、 (1) その合金組成がNiAl+aX+bY+cZで
あって、 (2) Ni:Al:Xの組成比が50:50〜63.
5:37.5であり、 (3) その第三元素Xの添加量aが0.1〜1at.
%であり、この第三元素に対する第四元素Yがその残り
の元素からなり、その添加量bがXに対して最大50a
t.%を越えない組成であり、第三元素又は第四元素が
Ti、Fe、V、W、Cr、Cu、Mo、Nb、Ta、
Hf又はZrであり、 (4) 第五元素ZがBであり、その添加量cが0.1
〜0.2at.%であり、 (5) 上記合金組成を有する原料を溶解法又はスゥェ
ージング法により鍛造合金又は混合金属粉末とした後
に、 (6) 上記鍛造合金又は混合金属粉末を、それぞれ、
熱間鍛造加工処理、又は粉末冶金法とスゥェージング法
とによる加工処理を行うことにより、 低温において機械加工に耐え得る十分な延性を有すると
もに、高温においても機械的強度に優れた金属間化合物
を製造する方法。 - 【請求項2】 金属間化合物の組成が56.5NiAl
+(1.0Mo/0.5Re)+0.2Bであり、Re
がTi、Fe、V、W、Cr、Cu、Nb、Ta、Hf
又はZrである請求項1記載の方法。
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