JP3280020B2 - ニオブまたはタンタル基の高比強度の金属間化合物および合金 - Google Patents
ニオブまたはタンタル基の高比強度の金属間化合物および合金Info
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Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C27/00—Alloys based on rhenium or a refractory metal not mentioned in groups C22C14/00 or C22C16/00
- C22C27/02—Alloys based on vanadium, niobium, or tantalum
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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- C22C30/00—Alloys containing less than 50% by weight of each constituent
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Description
【発明の詳細な説明】 ニオブ合金は、航空機の分野で、高温度用途に使用さ
れるようになってきている。それは、もともと耐火性で
あり、そして特に、タンタル、モリブデン、タングステ
ン系等のその他の耐熱合金に比べて、比較的比重が小さ
い(非合金ニオブの場合で8.6)ためである。しかし、
解決しなければならない問題は多くある。たとえば、耐
酸化性が弱いこと、低および中温度(25〜900℃)にお
ける機械的強度がそれほど高くないことなどである。
れるようになってきている。それは、もともと耐火性で
あり、そして特に、タンタル、モリブデン、タングステ
ン系等のその他の耐熱合金に比べて、比較的比重が小さ
い(非合金ニオブの場合で8.6)ためである。しかし、
解決しなければならない問題は多くある。たとえば、耐
酸化性が弱いこと、低および中温度(25〜900℃)にお
ける機械的強度がそれほど高くないことなどである。
ニッケル合金は、この温度範囲内で、アルミニウムを
その中に組み込むことにより、機械的特性が向上し、金
属間化合物Ni3Alが形成される。この化合物はγ′とい
う相の形で析出する。これはニッケルマトリックスのγ
相と両立できる。すなわち、2つの相は結晶構造が同じ
(面心立方)で、結晶定数が近く、合金のぜい性につな
がるような急な不連続性を示すことのない結晶相を形成
する。
その中に組み込むことにより、機械的特性が向上し、金
属間化合物Ni3Alが形成される。この化合物はγ′とい
う相の形で析出する。これはニッケルマトリックスのγ
相と両立できる。すなわち、2つの相は結晶構造が同じ
(面心立方)で、結晶定数が近く、合金のぜい性につな
がるような急な不連続性を示すことのない結晶相を形成
する。
アルミニウムはまた、ニオブとともに金属間化合物Nb
3Alを形成するが、後者は複雑な結晶構造を持ってい
て、ニオブの体心立方構造と異なるため両立せず、その
合金の延性の障害となる。そのため既知のニオブ合金
は、すべて固溶体の形態をとり単一相である。例外とし
て、炭化物型の第2の相があって、この層のために、高
温で効果的な硬化が起こらない場合がある。
3Alを形成するが、後者は複雑な結晶構造を持ってい
て、ニオブの体心立方構造と異なるため両立せず、その
合金の延性の障害となる。そのため既知のニオブ合金
は、すべて固溶体の形態をとり単一相である。例外とし
て、炭化物型の第2の相があって、この層のために、高
温で効果的な硬化が起こらない場合がある。
本発明者らは、第2の金属間化合物相部分を高度に含
有するニオブ合金を研究した。結晶学的に見て単純で、
可能ならばニオブマトリックスと両立できる第2の相を
合金に組み込む方法をとった。これは、広範囲の温度に
おいて機械的強度を向上させつつ、低い温度において
は、これら合金の延性を維持するのを可能にするためで
ある。ニオブはA2体心立方結晶構造を持っているので、
第2相は、たとえば、B2のような結晶構造を持っている
ものでなければならない。前者と後者の構造の相違点
は、一方では立方体の4つの頂点と、他方ではこの立方
体の中心の2種類の点における一定の順序に従った原子
の分布にある。
有するニオブ合金を研究した。結晶学的に見て単純で、
可能ならばニオブマトリックスと両立できる第2の相を
合金に組み込む方法をとった。これは、広範囲の温度に
おいて機械的強度を向上させつつ、低い温度において
は、これら合金の延性を維持するのを可能にするためで
ある。ニオブはA2体心立方結晶構造を持っているので、
第2相は、たとえば、B2のような結晶構造を持っている
ものでなければならない。前者と後者の構造の相違点
は、一方では立方体の4つの頂点と、他方ではこの立方
体の中心の2種類の点における一定の順序に従った原子
の分布にある。
しかし、本発明者らが文献を広範に調べたところ、ニ
オブと第2の元素からなる二元のB2相が存在しないこと
を発見した。
オブと第2の元素からなる二元のB2相が存在しないこと
を発見した。
文献によれば、三元化合物Ti2AlX(X=Mo、Cr、Fe、
Nb)はB2構造を持っている。結晶定数はあまりよく知ら
れていないが、ほぼ3.15Å程度のようである(ニオブの
結晶定数は3.3Å)。
Nb)はB2構造を持っている。結晶定数はあまりよく知ら
れていないが、ほぼ3.15Å程度のようである(ニオブの
結晶定数は3.3Å)。
本発明者らは、この相が理論的組成物Ti2AlXの比較的
広範な領域に存在することを、Ti−Al−Xの三元図をあ
らわした図1に示した。しかしながら、この相の安定性
は、元素X次第である。たとえば、Ti2AlNbの場合、高
温時においてのみ存在するB2相は、低温では分解する。
平衡状態はα2(=Ti3Al)+B2の2相である。この分
解は、速度論的にはゆっくりと起こるので、延性にとっ
て非常に有害なω相のような、遷移相があらわれる危険
がある。それに対して、組成物Ti2AlMoは、一方で、B2
相は常に安定しているが、この合金はぜい性が高い。
広範な領域に存在することを、Ti−Al−Xの三元図をあ
らわした図1に示した。しかしながら、この相の安定性
は、元素X次第である。たとえば、Ti2AlNbの場合、高
温時においてのみ存在するB2相は、低温では分解する。
平衡状態はα2(=Ti3Al)+B2の2相である。この分
解は、速度論的にはゆっくりと起こるので、延性にとっ
て非常に有害なω相のような、遷移相があらわれる危険
がある。それに対して、組成物Ti2AlMoは、一方で、B2
相は常に安定しているが、この合金はぜい性が高い。
ニオブ、βチタン、モリブデンは相互に完全に混和す
ることができるが、アルミニウムの、ニオブ、チタン、
モリブデン中での可溶性は、原子ベースで約10%までに
限定される。Nb−Al系には、3種類の相がある。すなわ
ちNb3Al(立方晶系A15)、Nb2Al(正方晶系D8b)、そし
てNbAl3(正方晶系D022)である。Ti−Al系には、Ti3Al
(六方晶系D019)、TiAl(正方晶系L10)、TiAl3(D
022)などがある。Mo−Al系には、Mo3Al(A15)、Mo3Al
8(単斜晶系)、MoAl4などがある。これらすべての相は
状態図(図2)に示した。その図は、4種類の三成分系
から構成されており、Ti−Mo−Alが中央に、Nb−Mo−T
i、Nb−Al−Mo、Nb−Ti−Alが外側にある。これら4個
の三角形は、Nb−Ti−Al−Mo系の四面体の四面に対応す
る。Nb−Ti2AlMo系は図ではNbとTi2MoAlを結ぶ線によっ
て示されている。
ることができるが、アルミニウムの、ニオブ、チタン、
モリブデン中での可溶性は、原子ベースで約10%までに
限定される。Nb−Al系には、3種類の相がある。すなわ
ちNb3Al(立方晶系A15)、Nb2Al(正方晶系D8b)、そし
てNbAl3(正方晶系D022)である。Ti−Al系には、Ti3Al
(六方晶系D019)、TiAl(正方晶系L10)、TiAl3(D
022)などがある。Mo−Al系には、Mo3Al(A15)、Mo3Al
8(単斜晶系)、MoAl4などがある。これらすべての相は
状態図(図2)に示した。その図は、4種類の三成分系
から構成されており、Ti−Mo−Alが中央に、Nb−Mo−T
i、Nb−Al−Mo、Nb−Ti−Alが外側にある。これら4個
の三角形は、Nb−Ti−Al−Mo系の四面体の四面に対応す
る。Nb−Ti2AlMo系は図ではNbとTi2MoAlを結ぶ線によっ
て示されている。
本発明の主題は、ニオブやタンタルから選ばれた体心
立方の結晶構造を有する少なくとも一種の高融点金属を
有し、実質的に連続的な体心立方構造を有する結晶相の
みによって構成された合金であって、式Ti2AlMoの金属
間化合物を含んでおり、原子ベースの組成は、 Nb+Ta+Cr 20〜60% Cr 0〜 5% Ti 20〜40% Al 8〜20% Mo 8〜20% であり、Ti:Al:Moの比は約2:1:1であることを特徴とす
る。
立方の結晶構造を有する少なくとも一種の高融点金属を
有し、実質的に連続的な体心立方構造を有する結晶相の
みによって構成された合金であって、式Ti2AlMoの金属
間化合物を含んでおり、原子ベースの組成は、 Nb+Ta+Cr 20〜60% Cr 0〜 5% Ti 20〜40% Al 8〜20% Mo 8〜20% であり、Ti:Al:Moの比は約2:1:1であることを特徴とす
る。
本発明の特徴は、合金がニオブおよび/またはタンタ
ル、そして場合によってCrによって構成される固溶体Ti
2AlMoの形態をとっており、Ti2AlMoは原子ベースで合金
の40〜80%を占めていることである。
ル、そして場合によってCrによって構成される固溶体Ti
2AlMoの形態をとっており、Ti2AlMoは原子ベースで合金
の40〜80%を占めていることである。
本発明のもうひとつの態様によれば、この合金は原子
ベースで濃度30%未満のタンタルを含有している。
ベースで濃度30%未満のタンタルを含有している。
本発明の、その他の特徴と長所は以下に示した詳細な
説明と付属の図によって明らかになる。
説明と付属の図によって明らかになる。
図1と図2は状態図を示し、これについてはすでに述
べた。
べた。
図3はNb(+Cr)−Ti2AlMo組織の定性的平衡状態図
であり、 図4と図5は、温度の変化による、各合金のいくつか
の機械的性質の変化を示すグラフである。
であり、 図4と図5は、温度の変化による、各合金のいくつか
の機械的性質の変化を示すグラフである。
実施例1ないし実施例3 表に示した組成の3種の合金を製造した。
この表は原子ベースにおける各構成元素の百分率を示し
ており、その下に、重量比によるそれぞれの百分率を示
している。
ており、その下に、重量比によるそれぞれの百分率を示
している。
これらの合金の場合のTi、Al、Moの比率は、Ti2AlMo
の式と完全に一致しており、(Nb+Cr)/(Ti+Al+M
o)で表される比は3/2から8/17の範囲にある。
の式と完全に一致しており、(Nb+Cr)/(Ti+Al+M
o)で表される比は3/2から8/17の範囲にある。
これらの合金に対してミクロ組織の研究を行い、図3
に示したような、定性的Nb(+Cr)−TiAlMo擬二元平衡
状態図を作り上げることができた。製造したときの粗製
状態では、例1の合金は単一相で不規則な体心立方構造
A2であるが、合金2と3は、同じ単一相であるが、合金
Ti2AlMoと同じように、規則的体心立方構造B2である。
さらに、例2、例3の合金は少なくとも1000℃までは安
定していて、規則的なB2構造を維持する。図には、Nb、
Ti、Al、Mo以外に、原子ベースで5%以下の濃度でクロ
ムを含む可能性のある合金について示している。
に示したような、定性的Nb(+Cr)−TiAlMo擬二元平衡
状態図を作り上げることができた。製造したときの粗製
状態では、例1の合金は単一相で不規則な体心立方構造
A2であるが、合金2と3は、同じ単一相であるが、合金
Ti2AlMoと同じように、規則的体心立方構造B2である。
さらに、例2、例3の合金は少なくとも1000℃までは安
定していて、規則的なB2構造を維持する。図には、Nb、
Ti、Al、Mo以外に、原子ベースで5%以下の濃度でクロ
ムを含む可能性のある合金について示している。
これらの合金の熱の変化に対する弾性限度を図4に示
した。比較として、同じ図に、異なる種類の3種の合金
の弾性限度を示した(F−48:従来のニオブ合金;IN10
0、ニッケル系の超合金;Superα2:チタンアルミナイド
Ti−25Al−10Nb−3V−1Mo)。本発明の3種の合金の
弾性限度は、25℃において、約1200MPaであり、約800℃
までは650MPaから900MPaの範囲を維持し、それは950℃
では、約400MPaに下がるまで維持される。したがって、
約900℃ぐらいまでは、これらの合金は、現在の航空機
エンジンの羽根(ベーン)とディスクに使用されている
超合金である合金IN100に勝るとも劣らない機械的強度
を持っている。
した。比較として、同じ図に、異なる種類の3種の合金
の弾性限度を示した(F−48:従来のニオブ合金;IN10
0、ニッケル系の超合金;Superα2:チタンアルミナイド
Ti−25Al−10Nb−3V−1Mo)。本発明の3種の合金の
弾性限度は、25℃において、約1200MPaであり、約800℃
までは650MPaから900MPaの範囲を維持し、それは950℃
では、約400MPaに下がるまで維持される。したがって、
約900℃ぐらいまでは、これらの合金は、現在の航空機
エンジンの羽根(ベーン)とディスクに使用されている
超合金である合金IN100に勝るとも劣らない機械的強度
を持っている。
本発明による3種の合金の比重は、6.4から7.3と、比
較的低いが(表を参照)、ニッケル系の超合金は、多く
の場合、密度は8よりもかなり高い。図4と同じ比較を
図5に示したが、今回は弾性限度が密度によって補正さ
れている。この弾性限度の値(補正の結果)は、約950
℃までは、他の合金にくらべ、本発明の合金が、やはり
明らかに有利であることを示している。非常に低い比重
(4.7)であるため有利な合金であるSuperα2は650℃
以上で弾性限度が急速に下降することに注目すべきであ
る。使用温度と機械的強度という観点からして、本発明
による合金は、Superα2をはるかにしのぐものである
ことがわかる。
較的低いが(表を参照)、ニッケル系の超合金は、多く
の場合、密度は8よりもかなり高い。図4と同じ比較を
図5に示したが、今回は弾性限度が密度によって補正さ
れている。この弾性限度の値(補正の結果)は、約950
℃までは、他の合金にくらべ、本発明の合金が、やはり
明らかに有利であることを示している。非常に低い比重
(4.7)であるため有利な合金であるSuperα2は650℃
以上で弾性限度が急速に下降することに注目すべきであ
る。使用温度と機械的強度という観点からして、本発明
による合金は、Superα2をはるかにしのぐものである
ことがわかる。
実施例1から実施例3の合金は、本発明の第1実施例
に対応するものであるが、意外にもニオブとクロムの濃
度に応じて、単一相のA2またはB2型を含んでいる。これ
らは、お互いに両立する両方の型の相を同時に示すと思
われていたものである。
に対応するものであるが、意外にもニオブとクロムの濃
度に応じて、単一相のA2またはB2型を含んでいる。これ
らは、お互いに両立する両方の型の相を同時に示すと思
われていたものである。
このことは、原子ベースで、以下に示す組成領域内で
おそらく有効であると思われる。
おそらく有効であると思われる。
Nb+Cr 20〜60% Cr 0〜 5% Ti 20〜40% Mo 8〜20% Al 8〜20% Ti:Al:Moの比は、2:1:1に近い値のままである。
しかしながら、本発明にもとづく一つの合金では、第
1の実施例の場合で、モリブデンの一部をクロムおよび
/またはタングステンなどの他の元素で置き換えること
によって、または他の実施例の場合で、両立可能なA2と
B2型の相を得ることができないとは限らない。本質的な
点は、本発明による合金は、ニオブやTi2AlX化合物の体
心立方構造と両立しないような相を形成しないというこ
とである。
1の実施例の場合で、モリブデンの一部をクロムおよび
/またはタングステンなどの他の元素で置き換えること
によって、または他の実施例の場合で、両立可能なA2と
B2型の相を得ることができないとは限らない。本質的な
点は、本発明による合金は、ニオブやTi2AlX化合物の体
心立方構造と両立しないような相を形成しないというこ
とである。
第2の実施例によれば、本発明の有利性は、化合物Ti
2AlXのみで構成されている合金によって得られ、Xは、
主としてニオブであり、さらに、モリブデンおよび/ま
たはクロムなどの遷移元素を少なくとも一つ含ませるこ
とによって、B2相を安定させることにより、化合物Ti2A
lNbの場合に見られるω相のような有害な相があらわれ
ることを避けている。ニオブの原子ベースでの濃度は25
%未満である。この合金の密度を高くしすぎることなし
に、ニオブの一部、または全部をタンタルに置き換える
こともできる。
2AlXのみで構成されている合金によって得られ、Xは、
主としてニオブであり、さらに、モリブデンおよび/ま
たはクロムなどの遷移元素を少なくとも一つ含ませるこ
とによって、B2相を安定させることにより、化合物Ti2A
lNbの場合に見られるω相のような有害な相があらわれ
ることを避けている。ニオブの原子ベースでの濃度は25
%未満である。この合金の密度を高くしすぎることなし
に、ニオブの一部、または全部をタンタルに置き換える
こともできる。
第3の実施例では、化合物Ti2AlNbのB2相を安定化さ
せるためニオブの一部を他の元素によって置き換える代
わりに、モリブデンと場合によってタングステンおよび
/またはクロムなどの追加元素を加える。これらの追加
元素の含有量は、B2で規定される領域内にとどまり、合
金の低い密度を維持するために原子ベースで40%に制限
される。
せるためニオブの一部を他の元素によって置き換える代
わりに、モリブデンと場合によってタングステンおよび
/またはクロムなどの追加元素を加える。これらの追加
元素の含有量は、B2で規定される領域内にとどまり、合
金の低い密度を維持するために原子ベースで40%に制限
される。
最後に、第4の実施例は、ニオブの代わりにタンタル
を用いた点で第一の実施例と異なる。この場合には、合
金の比重を比較的低く維持するため、タンタルの含有量
は原子ベースで30%未満でなければならない。合金のタ
ンタル含有量が30%で、X=Moのときには比重の値は9
となる。このような合金は、高温ではすぐれた機械的強
度を示す。
を用いた点で第一の実施例と異なる。この場合には、合
金の比重を比較的低く維持するため、タンタルの含有量
は原子ベースで30%未満でなければならない。合金のタ
ンタル含有量が30%で、X=Moのときには比重の値は9
となる。このような合金は、高温ではすぐれた機械的強
度を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヴェルデル アンドレ フランス国 94240 レイ レ ローズ アレ ベルトラン ドーヴァン 20番 地 (72)発明者 マルティ ミシェル フランス国 78530 ビュク ル アナ トール フランス 9番地 (72)発明者 ドゥロネ クリストフ フランス国 75004 パリ ケー ダン ジュー 11番地 (72)発明者 トゥヴナン ピエール フランス国 91000 エヴリ リーゼ ル デゾルヌ 8番地 (56)参考文献 特開 昭63−274736(JP,A) 特開 平4−272152(JP,A) 特公 昭35−17804(JP,B1) D.L.Anton et.al,S electing High−Temp arature Structural Intermetallic Com pounds:The Enginee ring Approach,Jour nal of Minerals Ma terials&Materials Society,No.9,p.12−17 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C22C 27/00 - 30/06 REGISTRY(STN)
Claims (6)
- 【請求項1】ニオブを基礎とする体心立方構造の結晶を
有し、連続な体心立方構造を示す一つの結晶相のみによ
って構成される高温用合金において、式Ti2AlMoの金属
間化合物によって構成され、原子ベースでの組成が、 Nb+Cr 20〜40% Cr 0よりも大きく5%以下 Ti 30〜40% Al 15〜20% Mo 15〜20% でありTi:Al:Moの比が2:1:1であることを特徴とする高
温用合金。 - 【請求項2】ニオブを基礎とする体心立方構造の結晶を
有し、連続な体心立方構造を示す一つの結晶相のみによ
って構成される高温用合金において、式Ti2AlMoの金属
間化合物によって構成され、原子ベースでの組成が、 Nb 20〜40% Ti 30〜40% Al 15〜20% Mo 15〜20% でありTi:Al:Moの比が2:1:1であることを特徴とする高
温用合金。 - 【請求項3】ニオブを基礎とする体心立方構造の結晶を
有し、連続な体心立方構造を示す一つの結晶相のみによ
って構成される高温用合金において、式Ti2AlMoの金属
間化合物によって構成され、原子ベースでの組成がニオ
ブを基礎とし、原子ベースでの組成が、 Nb 37% Ti 30% Al 15% Mo 15% Cr 3% であり、周囲温度でB2型の結晶構造を有する単一相の形
態をとっていることを特徴とする高温用合金。 - 【請求項4】ニオブを基礎とする体心立方構造の結晶を
有し、連続な体心立方構造を示す一つの結晶相のみによ
って構成される高温用合金において、式Ti2AlMoの金属
間化合物によって構成され、原子ベースでの組成がニオ
ブを基礎とし、原子ベースでの組成が、 Nb 30% Ti 34% Al 17% Mo 17% Cr 2% であり、周囲温度でB2型の結晶構造を有する単一相の形
態をとっていることを特徴とする高温用合金。 - 【請求項5】タンタルを基礎とする体心立方構造の結晶
を有し、連続な体心立方構造を示す一つの結晶相のみに
よって構成される高温用合金において、Ta、Cr、Ti、Al
およびMoからなり、 TaおよびCrが、原子ベースでの組成が、 Ta 15〜30% Cr 0よりも大きく5%以下 でありTi:Al:Moの比が2:1:1であり、Ti、Al、およびMo
は、Ti2AlMoの形態の金属間化合物を形成し、原子ベー
スで合金の80%を超えないことを特徴とする高温用合
金。 - 【請求項6】タンタルを基礎とする体心立方構造の結晶
を有し、連続な体心立方構造を示す一つの結晶相のみに
よって構成される高温用合金において、Ta、Ti、Alおよ
びMoからなり、Taが、原子ベースでの組成がTa15〜30%
であり、Ti:Al:Moの比が2:1:1であり、Ti、Al、およびM
oは、Ti2AlMoの形態の金属間化合物を形成し、原子ベー
スで合金の80%を超えないことを特徴とする高温用合
金。
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- 1991-11-15 JP JP50118592A patent/JP3280020B2/ja not_active Expired - Fee Related
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D.L.Anton et.al,Selecting High−Temparature Structural Intermetallic Compounds:The Engineering Approach,Journal of Minerals Materials&Materials Society,No.9,p.12−17 |
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