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JP3225252B2 - 粒子分散型焼結チタン基複合材料の製造方法 - Google Patents

粒子分散型焼結チタン基複合材料の製造方法

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Publication number
JP3225252B2
JP3225252B2 JP04265992A JP4265992A JP3225252B2 JP 3225252 B2 JP3225252 B2 JP 3225252B2 JP 04265992 A JP04265992 A JP 04265992A JP 4265992 A JP4265992 A JP 4265992A JP 3225252 B2 JP3225252 B2 JP 3225252B2
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JP
Japan
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powder
composite material
titanium
alloy
matrix
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JP04265992A
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伸弘 有本
益夫 萩原
順次 高橋
聡 江村
義邦 河部
義也 海江田
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National Institute for Materials Science
Original Assignee
National Institute for Materials Science
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Publication date
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、高温での機械的性質
に優れ、航空、宇宙用機器等に使用されるチタン基焼結
材料、具体的には炭化チタン(TiC)または硼化チタン
(TiB)の粒子が分散したTi基焼結複合材料、の製造方
法に関する。
【0002】
【従来の技術】Ti−6Al−4V合金に代表されるチタン
合金は、軽量で比強度が高く、航空、宇宙機器用の材料
として既に広く実用化されている。しかし、従来のチタ
ン合金の耐用温度は高々600 ℃までで、ニッケル基耐熱
合金等に較べて使用可能温度域が狭い。例えば、高性能
の航空機用ガスタービンエンジン、あるいは宇宙往還機
のような超高速飛翔体に用いるには、600 ℃を超えて10
00℃程度までの使用に耐える軽量高強度材料が必要とさ
れるが、従来のチタン合金ではこのような要請には応え
られない。
【0003】金属材料の高温強度を高める手法の一つ
に、微細化合物の析出を利用する析出強化があり、鉄合
金やアルミニウム合金では盛んに利用されている。しか
し、チタン合金ではこの析出強化の効果は期待できな
い。それは、Tiと化合物を形成するFe、Co、Ni等の元素
のチタン中での拡散速度がきわめて大きいため、析出物
が粗大化してしまうからである。
【0004】チタン合金の強化法としては、溶融チタン
合金と強化粒子(TiC、TiB等のセラミックス粒子) と
を混ぜ合わせて複合材料とする技術も考えられる。しか
し、この方法では、チタンがあまりにも活性な金属であ
るために合金 (マトリックス) と強化相 (セラミックス
粒子) との界面に生成する粗い反応相や凝固偏析による
不均一性が問題となる。
【0005】さらに、チタン合金粉末にセラミック粒子
を直接混合して焼結する粉末冶金法もあるが、均一混合
の困難さや合金マトリックスとセラミック粒子との密着
性の悪さが機械的性質に影響し、実用に耐える材料の製
造は困難である。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、軽量で比強
度が高いチタン合金をベースとして、セラミック粒子を
分散させた高温強度の高い複合金属材料を製造すること
を課題としてなされたもので、その具体的な目的は、前
記のように種々の問題のある溶解法または直接混合の粉
末冶金法に代わる新しい製造方法を提供することにあ
る。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、下記
(1)および(2) の製造方法にある。
【0008】(1)チタンの粉末、母合金粉末としてのAl
Ti粉末ならびにCr 、Cr およびCr 23
のいずれか1種以上の粉末を混合して圧粉体とし、これ
を焼結して内部反応によりTiCをチタン合金マトリック
ス中に生成させることを特徴とする粒子分散型Ti−Al−
Cr系焼結チタン基複合材料の製造方法。
【0009】(2)チタンの粉末、母合金粉末としてのAl
Ti粉末ならびにFeBおよびFe Bのいずれか1種以上
の粉末またはこれらとB(ボロン)の混合粉末を混合し
て圧粉体とし、これを焼結して内部反応によりTiBをチ
タン合金マトリックス中に生成させることを特徴とする
粒子分散型Ti−Al−Fe系チタン基焼結複合材料の製造方
法。
【0010】まず、上記(1) の製造方法について説明す
る。
【0011】この方法によって製造される複合材料は、
Ti−Al−Cr合金のマトリックスに、焼結工程で析出した
TiCが微細に分散したものである。この場合のTiCの含
有量は1〜15重量% (以下、重量%を単に%と記す) で
あるのが望ましい。1%より少ないと強度向上の効果が
得られず、15%を超えると複合材料の靱性が低下する。
【0012】炭素含有物質としては、Cr 、Cr
およびCr23の粉末の1種または2種以上を用
い、また、母合金としてはAlTi粉末を用いるのが望ま
しい。これらの粉末の配合量を調整することによって、
最終製品である複合材料のTiCの含有量、ならびにマト
リックスのチタン合金のAlおよびCrの含有量を目標の範
囲に収めることができる。
【0013】なお、使用する粉末の大きさは、チタン粉
末で 100メッシュアンダー、炭素含有粉末で 200メッシ
ュアンダー、Al3Ti 粉末で 100メッシュアンダー程度が
適当である。
【0014】製品の複合材料のマトリックスとなるチタ
ン合金のAl含有量は 1〜10%、Cr含有量は1〜20%とす
るのがよい。AlおよびCrが1%未満の合金では十分な機
械的強度が得られない。一方、Alが10%、Crが20%をそ
れぞれ超えると、脆いAl化合物やCr化合物が生成しマト
リックスの靱性が低下する。
【0015】次に前記(2) の製造方法について説明す
る。
【0016】この方法で得られるのは、Ti−Al−Fe合金
のマトリックスにTiBが析出分散した複合材料である。
この場合、TiBの含有量も、前記TiCと同じ理由で1〜
15%とするのが望ましい。
【0017】(2) の製造方法では、B含有粉末としてFe
Bおよび Fe2Bの1種以上の粉末またはこれらとB(ボ
ロン)粉末の混合粉末を使用し、また、母合金粉末とし
ては前記の Al3Ti粉末を用いるのがよい。これの粉末の
配合量を調整することによって、最終製品である複合材
料のTiBの含有量、ならびにマトリックスのチタン合金
のAlおよびFeの含有量を目標の範囲に収めるようにす
る。なお、使用する粉末の大きさは、B含有粉末を 200
メッシュアンダー程度とする外、前記(1) の製法の場合
と同じ程度でよい。
【0018】製品の複合材料のマトリックスとなるチタ
ン合金のAl含有量は、この場合も1〜10%とし、Feの含
有量は 1〜15%とするのがよい。それぞれ 1%未満では
マトリックスの強度が十分でなく、Feが15%を超えると
脆いFe化合物が生成する。
【0019】上記(1) および(2) のいずれの方法でも、
まず、チタンの粉末と母合金粉末、および炭素含有粉末
またはボロン含有粉末を、最終製品 (複合材料) の目標
組成に合わせて配合し混合した後、例えば冷間静水圧プ
レス(CIP)法により、所定の形状にプレス成形して
圧粉体を作製し、これを真空中あるいは不活性ガス雰囲
気中において焼結する。焼結の条件としては、温度1000
〜1300℃程度で 1〜4時間程度保持するのがよい。この
焼結の過程で、チタン粉末、母合金粉末、および炭素含
有粉末またはボロン含有粉末が相互に反応し、チタン合
金のマトリックスにTiCまたはTiBが析出して均一微細
に分散した複合材料が得られる。
【0020】複合材料の強度、延性、靱性等の機械的性
質を更に上げるために、焼結した後に熱間静水圧プレス
(HIP)で処理して、さらに高密度化させるのが望ま
しい。
【0021】
【作用】本発明方法は、溶解法ではなく粉末冶金法によ
り、しかも、セラミック粒子を直接混合する方法ではな
く、内部反応で生成させることによって微細に析出分散
させることを特徴とする。この方法により、均一でマト
リックスとセラミック粒子の密着性に優れたチタン基複
合材料が得られる。
【0022】Al3Tiの母合金粉末を使用して(1) の方法
により複合材料を製造する場合には、焼結の際に、 Ti
+ Al3Ti+(Cr3C2, Cr7C3, Cr23C6)が、Ti−Al−Cr合金
のマトリックスと、TiCの析出分散粒子に変化する。従
って、使用する粉末原料の化学組成を考慮し、その配合
量を調整すれば、任意のマトリックス組成とTiCの分散
量をもつ複合材料が製造できる。
【0023】このようにして得られる複合材料では、Al
はマトリックスの強度を向上させ、Crはβ相を安定化さ
せてTiC粒子とマトリックスとの密着性を向上させる。
析出したTiCは、機械的に混合したTiCと比較してマト
リックスとの密着性がきわめて優れているから、本発明
の複合材料は高温域まで優れた機械的特性を示す。
【0024】この複合材料は、種々の用途に使用できる
が、その使用目的に応じてマトリックス組成と粒子分散
量を選定すればよい。特に、600 ℃を超えるような高温
での使用が予想される場合には、前述のようにマトリッ
クスが1〜10%のAlと 1〜20%のCrを含有し、残部がTi
および不可避不純物からなるTi基合金であって、TiCが
1〜15%分散したものとするのが望ましい。
【0025】(2) の方法の場合には、FeBおよび Fe2
の1種以上、あるいはこれらとBの混合粉末を用いるの
で、分散粒子がTiBになるが、その生成原理は (1)の方
法の場合と同じである。この場合、母合金粉末として A
l3Tiの粉末を使用すれば、マトリックスはTi−Al−Fe合
金となる。このマトリックスをAl含有量が 1〜10%、Fe
含有量が 1〜15%で、残部がTiと不可避不純物からなる
合金とし、析出分散するTiBの含有量を 1〜15%とすれ
ば、高温強度の高い複合材料となる。
【0026】
【実施例1】チタン粉末、 Al3Tiの母合金粉末および C
r3C2粉末を原料として、Ti−Al−Cr合金マトリックスに
TiCが析出分散した複合材料を製造した。
【0027】Al3Ti 母合金粉末は、小板状アルミニウム
とスポンジチタンを Al3Tiの組成になるように配合し、
アーク溶解して50mmφ×10mm厚のボタンインゴットを作
製し、これを乳鉢で 150メッシュ以下に粉砕して用い
た。
【0028】チタン粉末は市販の 100メッシュアンダー
の粉末、Cr3C2 も同じく市販の 280メッシュアンダーの
粉末を使用した。
【0029】上記の粉末を、最終組成がTi−5%Al−13
%Cr−10%TiCの組成となるように、即ち、Ti粉末:10
31g、Al3Ti 粉末: 108g、 Cr3C2粉末:200 gを配合
し、混合した後、冷間静水圧プレス(CIP)により成
形して圧粉体とし、10-6torr以下の真空度で1573K×4
hrの真空焼結を行った。その後、さらに高密度化させる
ために1203Kで3hrのHIP処理を行った。
【0030】図1に示すのは、上記の方法で得られた複
合材料のミクロ組織である。図示のように反応生成した
TiC (図中の10μm 程度の粒子) が微細に、かつ均一に
分散している。
【0031】表1に、上記実施例で製造した複合材料の
室温におけるヤング率と 773Kにおける引張強さを、溶
解法で製造したセラミック粒子を含まないTi−6Al−4
V合金のそれらと比較して示す。Ti−6Al−4V合金と
比較して、室温におけるヤング率は25%も向上し、ま
た、 773Kにおける引張強さも著しく高い値を示してい
る。
【0032】
【実施例2】チタン粉末、 Al3Tiの母合金粉末、および
FeBとBとからなる粉末を原料として、Ti−Al−Fe合金
マトリックスにTiBが析出分散した複合材料を製造し
た。
【0033】使用したチタン粉末と Al3Tiの母合金粉末
は、実施例1で用いたものと同じである。FeBは、アー
ク溶解したFe−48%B合金を 350メッシュアンダーに粉
砕した粉末である。
【0034】上記の原料粉を、最終組成がTi−5%Al−
2.5%Fe−6%TiBの組成になるように、即ち、Ti粉
末: 673g、Al3Ti 粉末:62g、Fe−B粉末:44gを配
合し、混合した後、冷間静水圧プレス(CIP)により
成形して圧粉体とし、10-6torr以下の真空度で1573K×
4hrの真空焼結を行った。その後、さらに高密度化させ
るために1203Kで3hrのHIP処理を施した。
【0035】図2に、上記の方法で得られた複合材料の
ミクロ組織を示す。図中の笹の葉状の析出物が反応生成
したTiBで、マトリックスに均一に分散していることが
わかる。表1に、実施例2で製造した複合材料の室温に
おけるヤング率と 773Kにおける引張強さを併記する。
この材料もTi−6Al−4V合金と比較して、室温でのヤ
ング率が約50%向上し、773 Kにおける引張強さも高
い。
【0036】
【表1】
【0037】
【発明の効果】本発明の方法によれば、マトリックスと
の密着性に優れたTiCまたはTiBの析出粒子が微細に分
散したチタン基複合材料が製造できる。この材料は、軽
量で比強度が高く、既存のチタン合金が使用できない高
温域でも優れた機械的性質を維持できるから、航空機用
ガスタービンエンジン部材、自動車排気系部材等に広く
使用できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明方法によって製造したTi−5%Al−13%
Cr−10%TiCの組成の複合材料のミクロ組織を示す図で
ある。
【図2】本発明方法によって製造したTi−5%Al− 2.5
%Fe−6%TiBの組成の複合材料のミクロ組織を示す図
である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 江村 聡 茨城県つくば市千現1丁目2番1号科学 技術庁金属材料技術研究所筑波支所内 (72)発明者 河部 義邦 茨城県つくば市千現1丁目2番1号科学 技術庁金属材料技術研究所筑波支所内 (72)発明者 海江田 義也 東京都目黒区中目黒2丁目3番12号科学 技術庁金属材料技術研究所内 (56)参考文献 特開 平5−5142(JP,A) 特開 平3−229837(JP,A) 特開 平4−247845(JP,A) 特開 平3−193842(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B22F 3/10 B22F 1/00 C22C 1/05

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】チタンの粉末、母合金粉末としてのAl Ti
    粉末ならびにCr 、Cr およびCr 23 のい
    ずれか1種以上の粉末を混合して圧粉体とし、これを焼
    結して内部反応によりTiCをチタン合金マトリックス中
    に生成させることを特徴とする粒子分散型Ti−Al−Cr系
    焼結チタン基複合材料の製造方法。
  2. 【請求項2】チタンの粉末、母合金粉末としてのAl Ti
    粉末ならびにFeBおよびFe Bのいずれか1種以上の粉
    末またはこれらとB粉末の混合粉末を混合して圧粉体と
    し、これを焼結して内部反応によりTiBをチタン合金マ
    トリックス中に生成させることを特徴とする粒子分散型
    Ti−Al−Fe系焼結チタン基複合材料の製造方法。
  3. 【請求項3】製造された複合材料のマトリックスのチタ
    ン合金中のAlが1〜10重量%である請求項1または2
    記載の複合材料の製造方法。
JP04265992A 1992-02-28 1992-02-28 粒子分散型焼結チタン基複合材料の製造方法 Expired - Lifetime JP3225252B2 (ja)

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CN113182520B (zh) * 2021-03-31 2022-09-02 北京科技大学 具有碳化钛增强钛基复合材料硬化层的钛制品及制备方法
CN117802341B (zh) * 2024-01-10 2024-10-22 重庆理工大学 一种内外“双层”耦合增强TiAl基复合材料及其制备方法

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