JPH02200751A - ハフニウム含有高温用合金 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【発明の分野】

この発明は、一般的には、高温構造用合金及び成型品に
関し、より詳細には、ニオブ−チタン基でハフニウムを
添加した合金に関する。ここで、ニオブ−チタン基とは
、合金の主要成分がニオブとチタンであることをいう。

【発明の背景】

高温度で高強度を有する金属には数多くの用途がある。 この発明による合金の特徴の一つは、高温度で高強度を
有する他に、密度が６．５〜７゜０ｇ／ｃｒｎ’　　（
ｇ／ｃｅ）程度で比較的小さいということである。 高温用合金及び特に高温度で高強度を示す合金の分野で
は、これら合金から構成できる実地用途を決定する数多
くの重要事項がある。その一つに、合金を使用しなけれ
ばならない環境に対する合金の適合性がある。その環境
が大気中の場合、この重要事項は、合金の酸化あるいは
耐酸化性の問題になる。 もう一つの考慮すべき事項は合金の密度である。 高温用途で一般的に使用されている合金のグループの一
つに鉄基、ニッケル基およびコバルト基超合金がある０
本明細書で使用している“基”という用語は、合金の主
要成分が、それぞれ、鉄、ニッケルおよびコバルトであ
ることをいう、これらの超合金の密度は、８〜９ｇ／ｃ
ｃ程度で、比較的大きい、高温度で高強度を有するが密
度が充分に小さい合金を提供するために従来から研究開
発努力がなされてきた。 この分野で使用される既存の金属候補材は分類すること
が可能であり、このようなグルー１化の例を第１図のグ
ラフに示す。 第１図について説明する０図中の縦座標は合金の密度を
示し、横座標は、合金が航空機エンジン用の有用な構造
用性質を保持できる最高温度を包含した温度範囲を示す
０図中に示した先行技術の合金について、密度と使用温
度が低下する順に考察する。 第１図において、密度が最大で、使用温度が最高の材料
はｒＮｂ−基」とマークした包路線に囲まれた合金で、
図の上部右手コーナーに記載されている。密度は約８．
７から９．７ｇ／ｃｍ３の範囲にあり、使用温度範囲は
約２２００℃から約２６００℃までである。 第１図についてさらに説明すると、先行技術の鉄基、ニ
ッケル基およびコバルト基超合金のグループはその次に
大きい密度を有し、その使用可能温度範囲は約５００℃
から約１２００℃に亘っている。 先行技術合金の次に小さいグループはチタン基合金であ
る０図から明らかなように、これらのチタン基台金は超
合金より密度がかなり小さく、使用温度もかなり低く、
約２００’Ｆから約９００’Ｆの範囲にある。 最後の、最も密度の小さい先行技術の合金グループはア
ルミニウム基合金である。グラフより明らかなように、
これらのアルミニウム合金は全体的に密度はかなり小さ
く、また、融点が低いために、その使用可能温度範囲も
比較的低い。 新規な合金群を追加して図中に例示しである。 これらの合金の密度は、チタン合金よりも大きいが、超
合金よりも小さく、具体的には、６．７から７．０ｇ／
ｃｍ’の範囲内にある。これらの合金の有用な温度範囲
は、約２２００’Ｆまでの超合金の温度範囲を越えるこ
とが可能であり、実際には２５００１’以上にも及んで
いる。これらの温度と密度の範囲は、本発明により提供
され、ニオブ−チタン基で構成される合金の温度と密度
の範囲を包含している。

【発明の概要】

従って、本発明の目的は、重量の割合に高温度で実質的
な強度を有する合金系を提供することにある。 また本発明の他の目的は、高温用途に現在使用されてい
る構造部材の重量を削減することにある。 さらに、本発明の他の目的は、高温度で高強度が要求さ
れる場合に使用できる合金を提供することである。 本発明の他の目的の一部は次に詳述する説明の中で明瞭
になりまた一部は指摘されるだろう。 広義には、本発明の目的は、下記の範囲内の成分と成分
濃度を有する合金を提供することによりて達成できる。 （この頁以下余白） 本明細書で使用している“主要残部パという語句は、合
金の残部に、ニオブの池に、合金の利点に、性質上およ
び／または１的にも悪影響を与えないかあるいは合金に
とって有利になるような少量の不純物および不可避的に
混入する元素を包含させるために用いている。

【作用】

以下に示す発明の説明は添付の図面を参照すればより明
瞭に理解できるであろう。 金属間化合物、すなわち、成分が化学量論的比率に極め
て近い濃度比にある金属組成物は数多くの興味深い、価
値のある特性を有していることは周知である。しかし、
これら金属間化合物の多くは、低温で、または高温度に
おいてさえも脆性を示すために、これまで工業的には利
用されなかった。成分が金属間化合物比に左右されず、
高温、中温および低温度で良好な延性を有する合金組成
物を得ることは価値のあることである。より（ＩＩ値か
ある合金組成物は、成分を広範囲に変化させることかで
き、高温度で高強度を有するとともに、一定の温度範囲
で良好な延性を具備するものである０本発明による合金
組成物はＥ述の基準を満している。この合金の有用温度
範囲は２０００’Ｆ未満から２５００’Ｆに及んでいる
。この有用温度範囲を第１図に示す、第１図に於いて、
本発明の合金組成物の密度範囲は約６４５から約７．０
ｇ／ｃｍ’までである。 【実施例１〜３１ 第１表（原子％）に記載する数多くの合金組成物を調整
した。 （この頁以下余白） 第　　１　　表 調整した溶融金属の各々は、急速凝固法でリボン状に成
形した。急速凝固法によって溶融金属に非常に大きな冷
却速度を与えた。必要とする大きな冷却速度を得るには
、いくつかの方法がある。 その一つに溶湯スピニング冷却法がある。所要の冷却速
度を得るのに好ましい実験室的方法は、チルブロック溶
湯スピニング法である。簡単に例をあげて説明すると、
チルブロック溶湯スピニング法では、溶融金属の自由静
止流または、ノズルに接触！−ｚている溶融金属の流柱
を形成させて、通常不活性ガスで圧力を加えながら、チ
ルブロックの急速に移動する表面上に溶融金属を衝突さ
せるか、ｊあるいは別の方法でチルブロックの表面に接
触させる。ここでチルブロックとは、例えば銅のような
材質の冷却基板をいう。 溶解材料は必要な合金元素を別々に固体の状態でルツボ
に装入し、ルツボの周囲に配置した誘導コイルのような
装置で溶解することができる。これに代る方法としては
、前記実施例１．２および３のような合金を、ルツボに
装入し、溶解することもできる。 溶融金属が冷たいチルブロックに接触すると、急速に（
約１０１°Ｃ／秒から約り０７℃／秒の冷却速度）冷却
され、幅が厚さよりもかなり大きく、比較的連続した長
さを有する薄いリボンの形で凝固する。デルブロック溶
湯スピニング法のより詳細な教示は、例えば、米国特許
第２．８２５，１０８号、第４，２２１．２５７号およ
び第４．２８２．９２１号に見出だすことかできるか、
本明細書では参考用としてこれら特許を引用する。 このような方法で作製した複数のリボンをＨＩＰ（高温
等静圧加圧）法を用いて通常の方法で合体した６通常の
ＨＩＰ法とは、溶解工程を経ずに、リボンに熱と圧力を
同時に加えてリボンを一体に結合させる方法である。 合体したリボン試料から通常の引張試験用棒を作製し、
前述のように調整した３種類の合金試料の各々について
、常温、７６０℃、９８０℃および１２００℃で通常の
引張試験を実施した。試験結果を第２表に示す。 なお、第２表中、＊印は、試料が弾性的に破壊したこと
を示す。 （この頁以下余白） 第２表 第２表に示したデータから明らかなように、これらの合
金はかなりの常温強度を有している。７６０℃で測定し
た耐力値は、耐力がアルミニウムの濃度の増大と共に大
きくなることを示している。 ９８０℃、１２００℃という高温度での測定値によれば
、アルミニウムの高濃度の効果は逆になっている。９８
０℃の試験では、最大耐力値は、アルミニウム濃度が６
原子％の試料で得られ、アルミニウム濃度が１２原子％
および１８原子％では耐力値が低くなっていた。同様に
、１２００℃において、アルミニウム濃度が１２原子％
と１８原子％では耐力値が低くなっていた。アルミニウ
ム濃度が６％の合金の１２００℃での引張試験測定値は
、誤差が大きく信頼性に欠ける結果と考えられるので、
ここでは記載しないことにする。 引張強度の結果は、アルミニウムを含まない米国特許出
願第２８８．６６７号に記載のニオブ−ハフニウム−チ
タン合金と１２原子％のアルミニウムを含有する合金に
ついて、第２図で比較している０合金の特性に与えるア
ルミニウム添加の影響をグラフに例示する。低温度では
、アルミニウムの添加は強度を著しく増大させる。高温
度で°は、アルミニウムを含有する合金の強度は、アル
ミニウムを含まない合金のデータをプロットした線より
も下にある。 高温度の延性は３種類の合金についてすべて良好である
。しかしながら、常温の延性はアルミニウム含有量に極
めて左右され、延性はアルミニウムの濃度の増大に伴っ
て低下する。 本発明による合金は板（シート）状に、有利に成形する
ことができる。この合金シート（板）は高温度で強度の
顕著な特性を有しており、高温度での高強度が要求され
るシート状の構造物用に適している。 ３つの実話例の合金試料について酸化試験を実施した。 この試験の目的のために、合金を大気中で８００℃、１
０００℃および１２００°Ｃに加熱した。比較のために
、２種類の試料を追加して同時に試験した。その一つは
Ｃｂ　−７５２の呼称で知られている市販合金である。 ｆＩｌ！！方は米国特許出願第２８．８，６６７号に記
載のアルミニウムを含まないニオブ−ハフニウム−チタ
ン合金である。 Ｃｂ−７５２合金の試料は、厚さが０．０７６ｃｍで、
その他の合金はこれよりも薄く、厚みは０゜０６４ｃｙ
ｒｉから０．０７４ｅｙｒｍであった。 試験を実施し、データを収集した。得られたデータを第
３表に示す。 （この頁以下余白） 市販の合金Ｃｂ・−７５２の試料は、極めて急速に酸化
が進み、全体的に酸化され、１２００℃と１０００℃の
温度では、１時間で試料が消耗した。 この市販合金は８００℃の加熱温度でも、激しく酸化を
受けている。 本実施例による合金は、第３表のデータから明らかなよ
うに、市販合金Ｃｂ−７５２に比較して、３神類のすべ
ての試験温度で、はるかに優れた耐酸化性を示した９本
実施例の合金に対するアルミニウムの好ましい影響は、
実施例の合金とアルミニウムを含まないニオブ−ハフニ
ウム−チタン合金（米国特許出願第２８８．６６７号）
とを比較することによって立証される。 アルミニウムが６原子％のレベルでは、１２００℃で明
らかに有利な効果が認められるが、８００°Ｃまたはｔ
　ｏ　ｏ　ｏ　’ｃでは、その効果はほとんどない、し
かしながら、第３表よりアルミニウムが１２原子％およ
び１８原子％のレベルでは、３種類のすべての温度で、
アルミニウムを含まない合金に比較して、耐酸化性が明
らかに潰れていることが注目される。 この発明による合金は、通常のインボッ１−法で製造’
ｉｉｌ能である。急速凝固法もまたこの合金を製造する
有効な方法の一つであるが、この発明の実施に対しては
木質的なものではない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、合金の密度と使用温度の関係をプロントした
グラフであり、（’Ｃ）ζ・表示した温度は図の下のＬ
１盛に、（°Ｆ）で表示した温度は上の目盛に示しであ
る。 第２図は、７種類の合金（一方はアルミ：ニウムを含有
し、他方はアルミニウムを含んでいない、）についＣ，
温度（Ｃ）と耐力（ｋｓ　ｉ　）の関係をプロットした
グラフである。 出願人　　ゼネ９ルエレン１ヘリツタカンバニイ復代・
埋入　弁理士　鴨　１）朝　雄 ／’／り、ｌ ジ立７１〔°こ９ Ｆｉｇ、　２ ｊ、１丸（°Ｃ）

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）３２〜４５原子％のチタン、８〜１５原子％のハ
   フニウム、３〜１８原子％のアルミニウムおよび主要残
   部のニオブから成るハフニウム含有高温用合金。
2. （２）チタンが３２〜４２原子％である請求項１に記載
   の合金。
3. （３）ハフニウムが８〜１２原子％である請求項１に記
   載の合金。
4. （４）アルミニウムが５〜１４原子％である請求項１に
   記載の合金。
5. （５）チタンが３５〜４２原子％で、ハフニウムが８〜
   １２原子％である請求項１に記載の合金。
6. （６）チタンが３５〜４２原子％で、アルミニウムが５
   〜１４原子％である請求項１に記載の合金。
7. （７）ハフニウムが８〜１２原子％で、アルミニウムが
   ５〜１４原子％である請求項１に記載の合金。