JPH07179962A - 連続繊維強化チタン基複合材料及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】Ａｌを３〜７重量％、Ｖを２〜５重量％、Ｍｏ
を１〜３重量％、Ｆｅを１〜３重量％、Ｏを０．０６〜
０．２０重量％の範囲で含有し、残部がＴｉ及び不可避
不純物からなるチタン合金マトリックスと、該マトリッ
クス中に一方向に配列したＳｉＣ連続繊維とを含む連続
繊維強化チタン基複合材料が開示される。この複合材料
は、上記組成のチタン合金薄板と、一方向に配列された
ＳｉＣ連続繊維を交互に積み重ね、真空度が１０^-1Ｐａ
以上の真空中もしくは不活性ガス雰囲気中にて、加熱温
度７００〜８５０℃、圧力５ＭＰａ以上、加圧時間１０
時間以下の条件でホットプレスして製造される。 【効果】ＲＯＭによる理論強度の９０％を超える強度を
発揮することのできる連続繊維強化チタン基複合材料及
びその製造方法が提供される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、連続繊維強化チタン
基複合材料及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】チタン合金は、その優れた比強度等が注
目され、宇宙航空用材料を中心に広く研究開発が進めら
れ、近年ではより一層の強度上昇を求める声も強いこと
から、ＳｉＣのようなセラミックス等の連続繊維をチタ
ン合金中に体積率にして数十％含有させ、強度を飛躍的
に向上させた連続繊維強化金属基複合材料（以下複合材
料と略す）の開発も盛んに進められている。そして、こ
れらに用いられるチタン合金としては、強度延性バラン
ス等が優れたＴｉ−６重量％Ａｌ−４重量％Ｖ合金（以
下Ｔｉ−６４と略す）が多い。

【０００３】複合材料の製造方法として代表的なものに
ホットプレス法が挙げられる。ホットプレス法とは、マ
トリックスとなる金属箔と強化材である連続繊維とを交
互に積み重ね、真空もしくは不活性ガス雰囲気中でホッ
トプレスすることにより複合材料を製造する方法であ
る。Ｔｉ−６４は８００℃以下になると急激に熱間変形
抵抗が増すため、Ｔｉ−６４を用いたホットプレスによ
る複合材の製造は通常９００℃前後で行なわれるのが普
通である。

【０００４】ところで、複合材料の強度は理想的には混
合則（ＲＯＭ；Ｒｕｌｅ Ｏｆ Ｍｉｘｔｕｒｅ）に従
うとされている。しかしながら一般的に複合材料の強度
は、ＲＯＭにより求めた理論強度から１０％もしくはそ
れ以上低下し、この強度低下の原因は成形時に繊維／マ
トリックス間の界面に生成・成長する反応層の影響であ
ることが知られている。強度の低下量はこの反応層が成
長するにつれて大きくなり、界面の反応層は加熱温度も
しくは加熱時間の増加によりその厚さを増す（廣瀬明夫
他、材料４０（１９９１）ｐ．７７：以下文献１）。

【０００５】このため前述のＴｉ−６４とＳｉＣ連続繊
維との複合材料の強度は文献１によればＲＯＭによる理
論強度の９０％にとどまっている。これは複合材料を製
造する温度が９００℃であるために、製造時に生じる界
面反応層の成長を十分に抑制できないことが原因であ
る。またＴｉ−６４に２重量％のＮｉを添加することで
製造温度を約６０℃低下させ、界面反応層の成長、つま
り強度低下を抑制する方法も提案されているが（Ｃ．
Ｇ．Ｒｈｏｄｅｓ ｅｔ ａｌ，Ｍｅｔａｌｌ．Ｔｒａ
ｎｓ．Ａ，１９８７，ｖｏｌ．１８Ａ，ｐｐ．２１５１
−５６）、この場合もその強度はＲＯＭによる理論強度
の８９％しか達成されていない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明はかかる事情に
鑑みてなされたものであって、ＲＯＭによる理論強度の
９０％を超える強度を発揮することのできる連続繊維強
化チタン基複合材料及びその製造方法を提供することを
目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段および作用】本願発明者ら
は複合材料を従来よりも低温で成形すれば、繊維／マト
リックス界面での反応層の生成・成長を抑制できるとの
観点にたって鋭意検討を重ねた結果、以下のような知見
を得た。

【０００８】すなわち、特開平３−２７４２３８号公報
には、β変態温度を低くし加工性の高いβ相の安定性を
高め、かつ微細な組織形態を有するチタン合金が開示さ
れているが、このようなチタン合金をマトリックスに用
いることにより、従来よりも低温で複合材料の製造が行
え、その結果、ＲＯＭ理論値の９０％を超える強度、理
想的には９９％以上もの高い強度を有する複合材料が得
られることを見出した。

【０００９】本発明はこのような知見に基づいてなされ
たものであり、第１に、Ａｌを３〜７重量％、Ｖを２〜
５重量％、Ｍｏを１〜３重量％、Ｆｅを１〜３重量％、
Ｏを０．０６〜０．２０重量％の範囲で含有し、残部が
Ｔｉ及び不可避不純物からなるチタン合金マトリックス
と、該マトリックス中に一方向に配列したＳｉＣ連続繊
維とを含むことを特徴とする連続繊維強化チタン基複合
材料を提供する。

【００１０】第２に、Ａｌを３〜７重量％、Ｖを２〜５
重量％、Ｍｏを１〜３重量％、Ｆｅを１〜３重量％、Ｏ
を０．０６〜０．２０重量％の範囲で含有し、残部がＴ
ｉ及び不可避不純物からなるチタン合金薄板と、一方向
に配列したＳｉＣ連続繊維とを交互に積み重ね、真空度
が１０^-1Ｐａ以上の真空中もしくは不活性ガス雰囲気中
にて、加熱温度７００〜８５０℃、圧力５ＭＰａ以上、
加圧時間１０時間以内の範囲でホットプレスすることを
特徴とする連続繊維強化チタン基複合材料の製造方法を
提供する。

【００１１】なお、本発明に使用するチタン合金の代表
組成として、後述の実施例に示すＡｌ：４．５％、Ｖ：
３．０％、Ｆｅ：２．０％、Ｍｏ：２．０％、Ｏ：０．
０８％（いずれも重量％、以下同じ）を含有し、残部が
Ｔｉ及び不可避不純物からなるチタン合金を挙げること
ができる。このチタン合金のβ変態点は９００℃であ
り、７７０〜８００℃で特に大きな変形能を有する。よ
って後述する実施例では加熱温度を７９０±５℃にコン
トロールした。

【００１２】次に各条件を規定した理由について述べ
る。

【００１３】（１）組成について、先ず Ａｌ：Ａｌは
チタン合金中でα相安定化元素として働き、チタン合金
の強度を高めるために必須の元素である。しかしながら
Ａｌ量が３％未満では十分な強度上昇の効果は期待でき
ず、反対に７％を超えると金属間化合物を生成し脆化す
る。従って、Ａｌ量を３〜７％の範囲に規定する。

【００１４】Ｖ：Ｖはチタン合金中で加工性に富んだβ
相を安定化させ、β変態点を大きく下げる効果があるた
め重要である。しかしながらＶ含有量が２％未満ではβ
相を安定化させる効果が不十分であり、反対に５％を超
えるとβ相の安定度が大きくなり過ぎマトリックスの強
度を下げ、ひいては複合材料の強度低下の原因となる。
従って、Ｖ含有量を３〜５重量％の範囲に規定する。

【００１５】Ｍｏ：Ｍｏはβ相を安定化させ粒成長を抑
制し、組織を微細化する効果がある。このためＭｏを添
加することは複合材料製造中の粒成長を抑制し、マトリ
ックス金属の脆化を防止する上で重要である。しかしな
がらＭｏ含有量が１重量％未満では粒成長抑止の効果は
期待できず、反対に３％を越えるとβ相の安定度が大き
くなり過ぎマトリックスの強度を下げ、ひいては複合材
料の強度低下の原因となるため、Ｍｏ含有量を１〜３％
の範囲に規定する。

【００１６】Ｆｅ：Ｆｅはチタン合金中でβ相を安定化
させ、また拡散係数が大きいことから熱間変形抵抗を下
げる上で重要である。しかしながらＦｅ含有量が１重量
％未満では上記の効果は期待できず、反対に３％を越え
ると脆い金属間化合物を作るため、Ｆｅ含有量を１〜３
％の範囲に規定する。

【００１７】Ｏ：チタン合金中にＯを固溶させると著し
い強度上昇が図れる。しかしながらＯ含有量が０．０６
％未満では強度上昇の効果は期待できず、反対に０．２
０％を超えると延性の低下が著しいので、Ｏ含有量は
０．０６〜０．２０％の範囲に規定する。

【００１８】（２）ＳｉＣ連続繊維 本発明において対象となるＳｉＣ繊維はその種類が格別
に制限されるものではなく、この分野で従来知られてい
るＳｉＣ繊維、つまりＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａ
ｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によりＣやＷ等の芯
線上にＳｉＣを成長させたＳｉＣ繊維、あるいはポリマ
ーから溶融紡糸法により製造されたＳｉＣ繊維等のいず
れをも用いることができる。また複合材料中に含まれる
繊維体積率は、目標とする強度レベルに応じて選択され
るべきものであり、特に限定されるものではないが、通
常１０〜５０％程度が採用される。なお、後述の実施例
においてはＣ芯線上にＳｉＣをＣＶＤ法で成長させたＳ
ｉＣ繊維を用いた。

【００１９】（３）製造方法 雰囲気：雰囲気は複合材料の酸化を防止するうえで、真
空中が望ましい。しかしながら１０^-1Ｐａ未満の真空度
では製造時における酸化を防止することができない。従
って、真空度は１０^-1Ｐａ未満とする。また真空度が高
い分については何ら差しつかえはないが、コストの面を
考慮すると真空度の実用上の上限は１０^-4となる。ま
た、酸化を防止する観点からは不活性不活性ガス雰囲気
であってもよい。

【００２０】加熱温度：本発明で用いるチタン合金の熱
間変形抵抗は７００℃以下で急激に上昇する。一方８５
０℃を超えると複合材料製造時の繊維／マトリックス界
面反応層の成長を十分に抑制できない。このため加熱温
度は７００℃〜８５０℃とする。

【００２１】圧力：圧力は用いる連続繊維に複合材料の
製造中に割れを生じない限り、製造時間を短縮するうえ
で高いほうが望ましい。よってその上限は規定しない。
一方、５ＭＰａ未満では製造時間が長くなり、繊維／マ
トリックス界面反応層の成長を十分に抑制できないた
め、圧力は５ＭＰａ以上とする。

【００２２】時間：時間は製造時の圧力、温度が変われ
ば必然的にその最適処理時間も異なってくるが、いずれ
の場合も１０時間を超えると繊維／マトリックス界面の
反応層成長抑制の効果が薄れるため、１０時間以内に設
定する。

【００２３】

【実施例】マトリックスとして、Ａｌ：４．６％、Ｖ：
２．９％、Ｆｅ：２．１％、Ｍｏ：２．１％、Ｏ：０．
０８％、残部がＴｉと不可避不純物という組成を有する
チタン合金薄板を用い、強化繊維として直径１４０μｍ
のＳｉＣ連続繊維を用いた。ＳｉＣ連続繊維はＣ−フィ
ラメントの上にＳｉＣをＣＶＤにより成長させ、表層の
Ｃを濃化させたものである。用いた素材の特性を表１に
示す。

【００２４】

【表１】 図１にチタン合金と連続繊維との積層化の様子を模式的
に示す。マトリックスの板厚を複合化前に冷間圧延によ
り調整し、また、繊維層の数を２もしくは３とすること
で繊維体積率を調整した。加熱温度は前述したように７
９０±５℃にコントロールして行った。雰囲気は１０^-3
Ｐａの真空中とした。このようにして製造した複合材料
の密度を測定し、理論値に対する比率を求めた。

【００２５】表２にその際の製造条件、繊維体積率、並
びに密度及び密度の理論値に対する比率を示す。なお、
判定は繊維層をはさんだマトリックスが明らかに剥離し
ているものを除き、複合材料の密度がＲＯＭから求めた
理論値の９８％以上であるとき合格と判定した。ＲＯＭ
による理論値は、表１の値を用いて計算した。また、図
２〜５にＮｏ．１〜３、およびＮｏ．７の顕微鏡による
５０倍の組織写真をそれぞれ示す。

【００２６】

【表２】 表２において複合化が達成されたＮｏ．１〜Ｎｏ．６に
ついて引張試験を行ない、その特性を評価した。その結
果を表３に示す。なお、ＲＯＭによる理論値は、表１の
値を用いて計算した。判定はＲＯＭから求めた理論強度
に対し、１０％以上の強度低下を示したものは不良とし
た。

【００２７】

【表３】 この表から本発明例では、ＲＯＭから求めた理論強度か
らの低下量を１０％未満に抑えること、すなわち理論強
度の９０％を超える強度が得られることが確認された。
特に、Ｎｏ．１では、ＲＯＭから求めた理論強度の９
９．１％もの高い強度が達成された。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ＲＯＭによる理論強度の９０％を超える強度を発揮する
ことのできる連続繊維強化チタン基複合材料及びその製
造方法が提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】複合材料製造時の積層方法を示した模式図。

【図２】発明例Ｎｏ．１の金属組織を示す写真。

【図３】発明例Ｎｏ．２の金属組織を示す写真。

【図４】発明例Ｎｏ．３の金属組織を示す写真。

【図５】発明例Ｎｏ．７の金属組織を示す写真。

フロントページの続き (72)発明者 飯泉 浩志 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内 (72)発明者 大内 千秋 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ａｌを３〜７重量％、Ｖを２〜５重量
   ％、Ｍｏを１〜３重量％、Ｆｅを１〜３重量％、Ｏを
   ０．０６〜０．２０重量％の範囲で含有し、残部がＴｉ
   及び不可避不純物からなるチタン合金マトリックスと、
   該マトリックス中に一方向に配列したＳｉＣ連続繊維と
   を含むことを特徴とする連続繊維強化チタン基複合材
   料。
2. 【請求項２】 Ａｌを３〜７重量％、Ｖを２〜５重量
   ％、Ｍｏを１〜３重量％、Ｆｅを１〜３重量％、Ｏを
   ０．０６〜０．２０重量％の範囲で含有し、残部がＴｉ
   及び不可避不純物からなるチタン合金薄板と、一方向に
   配列されたＳｉＣ連続繊維を交互に積み重ね、真空度が
   １０^-1Ｐａ以上の真空中もしくは不活性ガス雰囲気中に
   て、加熱温度７００〜８５０℃、圧力５ＭＰａ以上、加
   圧時間１０時間以下の条件でホットプレスすることを特
   徴とする連続繊維強化チタン基複合材料の製造方法。