JPH02294458A - TiALの金属間化合物の表面に耐酸化皮膜を形成させる方法 - Google Patents
TiALの金属間化合物の表面に耐酸化皮膜を形成させる方法Info
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- JPH02294458A JPH02294458A JP11307189A JP11307189A JPH02294458A JP H02294458 A JPH02294458 A JP H02294458A JP 11307189 A JP11307189 A JP 11307189A JP 11307189 A JP11307189 A JP 11307189A JP H02294458 A JPH02294458 A JP H02294458A
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Landscapes
- Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
- Solid-Phase Diffusion Into Metallic Material Surfaces (AREA)
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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
(産業上の利用分野)
本発明はTiALの金属間化合物または合金の表面にT
1を酸化させず、Alだけを選択的に酸化させてAl2
0,の耐酸化皮膜を形成し、安価、軽量で、Ni基超合
金インコネル713Cと同等またはそれ以上の高温耐熱
耐酸化性材料を提供するにあり、本発明の目的とする所
は、航空機、船舶などに使用される内燃機関、宇宙船材
料、あるいは発電用の蒸気タービンまたはガスタービン
などの構造用材料、ジェットエンジン材料、あるいは自
動車用ターボチャージャー用材料等のうち、主として9
00℃以上の温度になる装置部材として金属間化合物T
iALあるいはTiAL基合金が使用される際に、それ
らの耐酸化性を改善するための表面処理により耐酸化皮
膜を形成するにある。
1を酸化させず、Alだけを選択的に酸化させてAl2
0,の耐酸化皮膜を形成し、安価、軽量で、Ni基超合
金インコネル713Cと同等またはそれ以上の高温耐熱
耐酸化性材料を提供するにあり、本発明の目的とする所
は、航空機、船舶などに使用される内燃機関、宇宙船材
料、あるいは発電用の蒸気タービンまたはガスタービン
などの構造用材料、ジェットエンジン材料、あるいは自
動車用ターボチャージャー用材料等のうち、主として9
00℃以上の温度になる装置部材として金属間化合物T
iALあるいはTiAL基合金が使用される際に、それ
らの耐酸化性を改善するための表面処理により耐酸化皮
膜を形成するにある。
(従来の技術)
従来このような高温耐熱耐酸化装置部材としてはインコ
ネル713Cに代表されるようなN1 基超合金が多く
使用されていたが、熱効率や出力を高めるため上記諸機
関の運転温度が上昇してきたのに伴って、より高温に耐
えうる材料が求められている。また、ジェットエンジン
あるいはガスタービンなどのように高速で回転する機関
においては、クリープ現象をもたらす外力として働く力
、すなわち回転による遠心力を小さいものにするために
、より比重の小さい材料が望まれている。このような状
況の下で、金属聞化合物TiALまたはその合金につい
て考察するとその融点が$よそ1460℃で通常のNi
基超合金より100℃以上高温であること、比重がおよ
そ3.8で通常の超合金のそれに比べ172以下である
ことなどの性質を有することにより、従来のNi基超合
金の代替材料として、また従来より厳しい環境で使用さ
れる次世代材料の最も有力な候補の一つとして現在多く
の期待と注目を集めているものである。
ネル713Cに代表されるようなN1 基超合金が多く
使用されていたが、熱効率や出力を高めるため上記諸機
関の運転温度が上昇してきたのに伴って、より高温に耐
えうる材料が求められている。また、ジェットエンジン
あるいはガスタービンなどのように高速で回転する機関
においては、クリープ現象をもたらす外力として働く力
、すなわち回転による遠心力を小さいものにするために
、より比重の小さい材料が望まれている。このような状
況の下で、金属聞化合物TiALまたはその合金につい
て考察するとその融点が$よそ1460℃で通常のNi
基超合金より100℃以上高温であること、比重がおよ
そ3.8で通常の超合金のそれに比べ172以下である
ことなどの性質を有することにより、従来のNi基超合
金の代替材料として、また従来より厳しい環境で使用さ
れる次世代材料の最も有力な候補の一つとして現在多く
の期待と注目を集めているものである。
しかしながら、この金属間化合物TiALにも問題点が
いくつか指摘されており、中でも室温における延性の欠
如と、800℃以上の高温に右ける耐酸化性の不足とい
う2点がその実用化を阻む最も大きな障害となっている
。すでに内外での多くの研究発表などにみられるように
、室温での延性の欠如という問題は解消されつつあるが
、高温における耐酸化性の改善についてはこれまでのと
ころ特に有力な改善手段の報告はなされていない。
いくつか指摘されており、中でも室温における延性の欠
如と、800℃以上の高温に右ける耐酸化性の不足とい
う2点がその実用化を阻む最も大きな障害となっている
。すでに内外での多くの研究発表などにみられるように
、室温での延性の欠如という問題は解消されつつあるが
、高温における耐酸化性の改善についてはこれまでのと
ころ特に有力な改善手段の報告はなされていない。
(発明が解決しようとする課題)
一般に金属の耐酸化性を改善する方法としては、Crな
ど耐酸化性改善に有効な金属元素を合金化する方法や、
めっき処理あるいは拡散浸透処理などの表面処理により
酸化特性の良好な表面層の形成を図る方法などが知られ
ているが、金属間化合物TiALに第3元素を合金化す
ることはその最大の長所である低密度を損なうものであ
るから、ここでは密度増加の比較的少ない表面処理によ
る方法が有望であると考えられる。
ど耐酸化性改善に有効な金属元素を合金化する方法や、
めっき処理あるいは拡散浸透処理などの表面処理により
酸化特性の良好な表面層の形成を図る方法などが知られ
ているが、金属間化合物TiALに第3元素を合金化す
ることはその最大の長所である低密度を損なうものであ
るから、ここでは密度増加の比較的少ない表面処理によ
る方法が有望であると考えられる。
しかし、金属間化合物TiALに対する表面処理につい
ては、Cr, SiまたはAlの拡散浸透処理または真
空蒸着処理が考えられているがCr, Siまたは^l
の真空蒸着処理は格別効果がなく、また拡散浸透処理も
^lを除いては格別高温耐酸化性の向上がみられていな
い。また、A1の拡散浸透処理についても、拡散皮膜の
性状等に若干の問題点の指摘があり、より効果の高い表
面処理方法の開発が望まれている。
ては、Cr, SiまたはAlの拡散浸透処理または真
空蒸着処理が考えられているがCr, Siまたは^l
の真空蒸着処理は格別効果がなく、また拡散浸透処理も
^lを除いては格別高温耐酸化性の向上がみられていな
い。また、A1の拡散浸透処理についても、拡散皮膜の
性状等に若干の問題点の指摘があり、より効果の高い表
面処理方法の開発が望まれている。
?課題を解決するための手段)
本発明はTiALの金属間化合物または合金を酸素分圧
1×10−2〜1×10−’ Paの酸素雰囲気下で温
度900℃〜1050℃において、30分ないし100
時間保持してTiを酸化させず、A1だけを選択的に酸
化させ、前記金属間化合物または合金の表面に予め耐酸
化性の^120,皮膜を生成せしめることを特徴とする
TiAlの金属間化合物または合金表面に耐酸化皮膜を
形成する方法である。
1×10−2〜1×10−’ Paの酸素雰囲気下で温
度900℃〜1050℃において、30分ないし100
時間保持してTiを酸化させず、A1だけを選択的に酸
化させ、前記金属間化合物または合金の表面に予め耐酸
化性の^120,皮膜を生成せしめることを特徴とする
TiAlの金属間化合物または合金表面に耐酸化皮膜を
形成する方法である。
(作 用)
未処理の金属間化合物TiALあるいはT1^L基合金
を大気中において900℃以上の温度で酸化すると、3
層構造の酸化皮膜、すなわち最外層よりTi02層、^
1,0,層及び両者の混在する層から成る構造の酸化皮
膜が形成されることが知られている。
を大気中において900℃以上の温度で酸化すると、3
層構造の酸化皮膜、すなわち最外層よりTi02層、^
1,0,層及び両者の混在する層から成る構造の酸化皮
膜が形成されることが知られている。
これらの中で特にTiO■層が酸化時間の経過に従って
優先的に成長することがTiALの耐酸化性の劣化する
原因であると考えられており、900℃静止大気中、1
50時間程度での酸化により、この酸化皮膜は厚さ約2
00μmに及ぶまで成長する。
優先的に成長することがTiALの耐酸化性の劣化する
原因であると考えられており、900℃静止大気中、1
50時間程度での酸化により、この酸化皮膜は厚さ約2
00μmに及ぶまで成長する。
?かし、低酸素分圧下熱処理を施した金属間化合物Ti
ALあるいはTiAL基合金には、それらの表面にごく
薄いAl.0.の皮膜だけが生成していることがX線回
折およびX線マイクロアナライザにより確認されTiロ
2層の形成は認められなかった。
ALあるいはTiAL基合金には、それらの表面にごく
薄いAl.0.の皮膜だけが生成していることがX線回
折およびX線マイクロアナライザにより確認されTiロ
2層の形成は認められなかった。
また、この処理を行った試験片を900℃静止大気中に
おいて繰り返し酸化試験に供したところ、Al203皮
膜が、未処理の試験片に観察されるようなT!0■層の
成長を伴う酸化の進行を抑制する働きを有することが見
いだされた。この熱処理においてAl20,皮膜だけが
Tin.に優先して生成することについては、A1の酸
化生成熱の値がTiのそれより負に大きいことや、Al
に固溶できる酸素量がTiの場合より小さいことなどの
理由により、低酸素分圧の雰囲気で欠乏している酸素原
子に対してAlが優先的に結合し、A1■0,だけが生
成したものであると説明することができる。
おいて繰り返し酸化試験に供したところ、Al203皮
膜が、未処理の試験片に観察されるようなT!0■層の
成長を伴う酸化の進行を抑制する働きを有することが見
いだされた。この熱処理においてAl20,皮膜だけが
Tin.に優先して生成することについては、A1の酸
化生成熱の値がTiのそれより負に大きいことや、Al
に固溶できる酸素量がTiの場合より小さいことなどの
理由により、低酸素分圧の雰囲気で欠乏している酸素原
子に対してAlが優先的に結合し、A1■0,だけが生
成したものであると説明することができる。
^l20,は金属酸化物のなかでも、化学的にきわめて
安定で、かつ金属元素の自己拡散の最も遅いものの一つ
として知られており、金属間化合物TiALあるいはT
iAL基合金の表面に緻密で欠陥の少ない皮膜として生
成することによってそれらの耐酸化性を著しく改善する
ことができるものと考えられる。
安定で、かつ金属元素の自己拡散の最も遅いものの一つ
として知られており、金属間化合物TiALあるいはT
iAL基合金の表面に緻密で欠陥の少ない皮膜として生
成することによってそれらの耐酸化性を著しく改善する
ことができるものと考えられる。
また、Al,O,皮膜を成長させる各元素の拡散は主と
して^l20,結晶粒界を経由して行われることはすで
によく知られている。従ってAl.0,皮膜の成長速度
は拡散経路となる結晶粒界の面積、言い換えれば結晶粒
径に依存すると言うことができる。
して^l20,結晶粒界を経由して行われることはすで
によく知られている。従ってAl.0,皮膜の成長速度
は拡散経路となる結晶粒界の面積、言い換えれば結晶粒
径に依存すると言うことができる。
ところで低酸素分圧下での酸化によりAl.03皮膜が
生成、成長するときには大気圧中での酸化の場合に比べ
て酸化物結晶粒が粗大なものになることは、pt−^l
合金上のAl,O,皮膜の成長を研究したFelten
氏らによって明らかにされている。これについては低酸
素分圧の下で酸化が始まる際、酸化物の核生成の位置が
大気圧中の場合より少ないため、その結果として比較的
粗大な結晶粒の酸化皮膜が形成されたものであると考え
られている。
生成、成長するときには大気圧中での酸化の場合に比べ
て酸化物結晶粒が粗大なものになることは、pt−^l
合金上のAl,O,皮膜の成長を研究したFelten
氏らによって明らかにされている。これについては低酸
素分圧の下で酸化が始まる際、酸化物の核生成の位置が
大気圧中の場合より少ないため、その結果として比較的
粗大な結晶粒の酸化皮膜が形成されたものであると考え
られている。
本発明の低酸素分圧下熱処理によって基材表面に生成し
たAl,O,皮膜も粗大結晶粒化しているものと考えら
れ、この処理が耐酸化性改善に及ぼす効果については、
その影響も作用しているものと考えられるが、加熱温度
が低ければ、加熱時間は長く選定し、加熱温度が高けれ
ば加熱時間は短く選定しなければならない。また、酸素
分圧が小さければ加熱時間を長くしなければならない。
たAl,O,皮膜も粗大結晶粒化しているものと考えら
れ、この処理が耐酸化性改善に及ぼす効果については、
その影響も作用しているものと考えられるが、加熱温度
が低ければ、加熱時間は長く選定し、加熱温度が高けれ
ば加熱時間は短く選定しなければならない。また、酸素
分圧が小さければ加熱時間を長くしなければならない。
また酸素分圧が大きければ加熱時間は短くてよい。以上
の観点より加熱時間を30分ないし100時間とした。
の観点より加熱時間を30分ないし100時間とした。
(実施例)
以下本発明の低酸素分圧下熱処理の実施例について説明
する。
する。
実施例1
本実施例に用いた試料は純度が99. 99%のA1と
99.6%のスポンジTiを金属間化合物TiALの化
学量論組成に配合し、アルゴンアーク溶解により約28
0gの棒状インゴットに溶製されたものである。これら
に1000℃、168時間均質化焼なまし処理を施した
後、放電ワイヤカットおよびファイン力ツタで10X5
X2mmの寸法の試験片を切り出し、試験片表面を#
1000までのエメリー紙で研磨した。
99.6%のスポンジTiを金属間化合物TiALの化
学量論組成に配合し、アルゴンアーク溶解により約28
0gの棒状インゴットに溶製されたものである。これら
に1000℃、168時間均質化焼なまし処理を施した
後、放電ワイヤカットおよびファイン力ツタで10X5
X2mmの寸法の試験片を切り出し、試験片表面を#
1000までのエメリー紙で研磨した。
第1表は低酸素分圧下熱処理を実施した金属間化合物T
iALおよびTiAL基合金の組成を示したものである
。
iALおよびTiAL基合金の組成を示したものである
。
この試験片に第2表に示すような種々の条件で低酸素分
圧下熱処理を施した後、酸化試験を行って最もよい耐酸
化性を示す熱処理条件を検討した。
圧下熱処理を施した後、酸化試験を行って最もよい耐酸
化性を示す熱処理条件を検討した。
表中の圧力は空気圧を示すものである。
第2表 低酸素分圧雰囲気下の熱処理条件酸化試験は、
各試験片をあらかじめ900℃に保持した横型管状電気
炉中に挿入して静止大気中で酸化し、所定時間経過後こ
れを炉から取り出し質量変化の測定と表面の観察を行い
、再び炉内に戻して酸化を続けるという断続的方法で行
った。また必要に応じて走査型顕微鏡(SEIわ,X線
マイクロアナライザー(XMA)ならびにX線ディフラ
クトメー夕も使用して酸化層の解析を行った。比較材と
してNi基超合金インコネル713Cを同時に酸化試験
に供した。この比較材の組成は第3表の通りである。
各試験片をあらかじめ900℃に保持した横型管状電気
炉中に挿入して静止大気中で酸化し、所定時間経過後こ
れを炉から取り出し質量変化の測定と表面の観察を行い
、再び炉内に戻して酸化を続けるという断続的方法で行
った。また必要に応じて走査型顕微鏡(SEIわ,X線
マイクロアナライザー(XMA)ならびにX線ディフラ
クトメー夕も使用して酸化層の解析を行った。比較材と
してNi基超合金インコネル713Cを同時に酸化試験
に供した。この比較材の組成は第3表の通りである。
第3表
第1図は、未処理の金属間化合物T1^しおよび比較材
として使用したN1基超合金インコネル713C並びに
純Ti板の酸化試験による質量変化を示したものである
。この図から未処理の金属間化合物TiALは純T1よ
りも優れた耐酸化性を有しているが、インコネル713
Cに比較すると数段劣るものであることがわかる。
として使用したN1基超合金インコネル713C並びに
純Ti板の酸化試験による質量変化を示したものである
。この図から未処理の金属間化合物TiALは純T1よ
りも優れた耐酸化性を有しているが、インコネル713
Cに比較すると数段劣るものであることがわかる。
次に金属間化合物TiALに対して第2表に示した低酸
素分圧下熱処理を施した試料の酸化試験の結果を第2図
に示した。Nα1あよびNα3の両試験片は熱処理を施
さないTiAL試験片(TA)に比べてかなり耐酸化性
は改善されているが、Nα2AJよびNα2Bはそれら
に比べてもはるかに酸化による質量増加が少なく、未処
理TiAL試験片(TA)に比べれば2桁も小さい。こ
れらの耐酸化性はインコネル713Cを凌いでいる。
素分圧下熱処理を施した試料の酸化試験の結果を第2図
に示した。Nα1あよびNα3の両試験片は熱処理を施
さないTiAL試験片(TA)に比べてかなり耐酸化性
は改善されているが、Nα2AJよびNα2Bはそれら
に比べてもはるかに酸化による質量増加が少なく、未処
理TiAL試験片(TA)に比べれば2桁も小さい。こ
れらの耐酸化性はインコネル713Cを凌いでいる。
未処理TiAL試験片(TA)の150時間酸化後の皮
膜は外見上白色で、その厚さは約100μm程度であっ
た。XM^およびX線ディフラクトメータ分析から、こ
の酸化皮膜は外側よりTi02層、Al ,03層およ
び両者が混在する第3層から成り、酸化皮膜と母材のT
iALの間に厚さ数μmのT13AL層の?成している
のが認められた。一般にTEALが耐酸化性に劣るのは
Ti02層の成長によるもので、これは第2層のAl.
O.層が不均一かつ不連続であるため、T1の外方拡散
を阻止することができず、酸化の進行とともに外側のT
in2が成長していったものと考える。本発明の熱処理
を施した試験片のうち酸化増量の比較的大きいNα1と
No. 3は、未処理TiAL試験片(TA)と同様の
白色の酸化皮膜(TI02>を部分的に生成したが、N
12Bは250時間まで続けて試験を行っても、灰黒色
の緻密な酸化皮膜(Al203)のままで全く変化が認
められなかった。
膜は外見上白色で、その厚さは約100μm程度であっ
た。XM^およびX線ディフラクトメータ分析から、こ
の酸化皮膜は外側よりTi02層、Al ,03層およ
び両者が混在する第3層から成り、酸化皮膜と母材のT
iALの間に厚さ数μmのT13AL層の?成している
のが認められた。一般にTEALが耐酸化性に劣るのは
Ti02層の成長によるもので、これは第2層のAl.
O.層が不均一かつ不連続であるため、T1の外方拡散
を阻止することができず、酸化の進行とともに外側のT
in2が成長していったものと考える。本発明の熱処理
を施した試験片のうち酸化増量の比較的大きいNα1と
No. 3は、未処理TiAL試験片(TA)と同様の
白色の酸化皮膜(TI02>を部分的に生成したが、N
12Bは250時間まで続けて試験を行っても、灰黒色
の緻密な酸化皮膜(Al203)のままで全く変化が認
められなかった。
低酸素分圧下熱処理を施したままのNα2Aの断面の光
学顕微鏡写真およびXMA分析の結果を第3図に示した
。母材の表面に数μm程度のごく薄いものではあるが、
均一な皮膜が生成されている。
学顕微鏡写真およびXMA分析の結果を第3図に示した
。母材の表面に数μm程度のごく薄いものではあるが、
均一な皮膜が生成されている。
それはX線解析により^1■03と同定された。
低酸素分圧下熱処理による劇的な耐酸化性の改善はこの
^1■0,皮膜によるものと考えられる。すなわちこの
A1203皮膜がTiALの通常の酸化で生成される酸
化皮膜より緻密であったため、酸化試験時のTiの外方
拡散を防ぎ、酸化皮膜の成長を抑制したものと推測され
る。No. 1などの処理条件ではこのAl203皮膜
の連続性がなお不十分であったため、皮膜の不完全な部
分からTi02層の成長が進んだものと思われる。特に
酸化増量が中程度に大きいNα3では表面全体に直径1
mm程度の半球状の白色酸化物がまばらに分散している
ものが見い出された。これはAl203皮膜の不完全な
部分から酸化皮膜が成長し始めたところであると考える
ことができる。
^1■0,皮膜によるものと考えられる。すなわちこの
A1203皮膜がTiALの通常の酸化で生成される酸
化皮膜より緻密であったため、酸化試験時のTiの外方
拡散を防ぎ、酸化皮膜の成長を抑制したものと推測され
る。No. 1などの処理条件ではこのAl203皮膜
の連続性がなお不十分であったため、皮膜の不完全な部
分からTi02層の成長が進んだものと思われる。特に
酸化増量が中程度に大きいNα3では表面全体に直径1
mm程度の半球状の白色酸化物がまばらに分散している
ものが見い出された。これはAl203皮膜の不完全な
部分から酸化皮膜が成長し始めたところであると考える
ことができる。
以上のように、TiALに1000℃で低酸素分圧下の
熱処理を施すと外見上灰黒色に見える薄いAl203皮
膜を生成し、通常の酸化での酸化皮膜(T+0=)の生
成、成長を劇的に抑制する働きのあることが見い出され
た。この現象は900℃、250時間までの断続的酸化
に対してもその効果が維持された。
熱処理を施すと外見上灰黒色に見える薄いAl203皮
膜を生成し、通常の酸化での酸化皮膜(T+0=)の生
成、成長を劇的に抑制する働きのあることが見い出され
た。この現象は900℃、250時間までの断続的酸化
に対してもその効果が維持された。
(比較例)
前の第1表に示した2種類の試料を10−3Paの真空
中で1000℃、168時間均質化焼なました後、寸法
10X5X2mmの板材を切り出して試験片とし、表面
を#1000のエメリー紙で研磨した後、各種の表面処
理を施した。
中で1000℃、168時間均質化焼なました後、寸法
10X5X2mmの板材を切り出して試験片とし、表面
を#1000のエメリー紙で研磨した後、各種の表面処
理を施した。
本実験で試験した表面処理は従来法の拡散浸透処理およ
び真空蒸着処理を行って、本発明の低酸素分圧下熱処理
と比較した。それらの中から試験片表面状態の比較的良
好なものあるいは耐酸化性の改善が期待されそうなもの
について、900℃静止大気中で25〜150時間の酸
化試験を行った。また比較材としてNi基超合金インコ
ネル713CとSOS 430ステンレンス鋼も同時に
酸化試験に供した。使用したインコネル713Cの組成
は第3表に示したものと同じである。またSOS 43
0ステンレンス鋼の組成は第4表の通りである。
び真空蒸着処理を行って、本発明の低酸素分圧下熱処理
と比較した。それらの中から試験片表面状態の比較的良
好なものあるいは耐酸化性の改善が期待されそうなもの
について、900℃静止大気中で25〜150時間の酸
化試験を行った。また比較材としてNi基超合金インコ
ネル713CとSOS 430ステンレンス鋼も同時に
酸化試験に供した。使用したインコネル713Cの組成
は第3表に示したものと同じである。またSOS 43
0ステンレンス鋼の組成は第4表の通りである。
この酸化試験の結果は連続酸化による酸化増量を示した
ものではなく、所定時間経過後一旦炉から出して質量変
化を測定したのち、また炉内に戻し酸化をつづけるとい
う方法の断続的酸化によるものである。またはく離した
皮膜も一緒に質量測定した。
ものではなく、所定時間経過後一旦炉から出して質量変
化を測定したのち、また炉内に戻し酸化をつづけるとい
う方法の断続的酸化によるものである。またはく離した
皮膜も一緒に質量測定した。
各処理が耐酸化性に及ぼす影響については酸化試験後、
試験片の観察、単位表面積当たりの酸化増量の測定など
によって行い、またX線ディフラクトメータ, XMA
等も使用して評価をした。
試験片の観察、単位表面積当たりの酸化増量の測定など
によって行い、またX線ディフラクトメータ, XMA
等も使用して評価をした。
まず最初に未処理のTiAL(TA) 、1.5%Mn
−TiAl(TAM) 、ニッケル基超合金(インコネ
ル713C )およびステンレス鋼(SOS 430)
について行った酸化試験の結果は第4図に示す通りであ
る。すでに知られているように、Mn添加のTiALは
無添加の場合に比べ酸化の度合が大きい。T iAL
(TA)の酸化皮膜は白色、Mn添加TiAL (TA
M)は黒色であった。
−TiAl(TAM) 、ニッケル基超合金(インコネ
ル713C )およびステンレス鋼(SOS 430)
について行った酸化試験の結果は第4図に示す通りであ
る。すでに知られているように、Mn添加のTiALは
無添加の場合に比べ酸化の度合が大きい。T iAL
(TA)の酸化皮膜は白色、Mn添加TiAL (TA
M)は黒色であった。
またこの温度ではTA, TAMとも皮膜のはく離が認
められ、安定な皮膜を維持するインコネル713Cに比
べかなり大きな酸化増壷を示した。
められ、安定な皮膜を維持するインコネル713Cに比
べかなり大きな酸化増壷を示した。
次に各表面処理について酸化試験の結果と併せて説明す
る。
る。
まず、拡散浸透処理については粉末バック法を採用する
ことにした。これはステンレス鋼管中に粒度200メッ
シュ以下の粉末パック材とともに試験片を充填し、カン
タル線炉で第5表に示したような条件の処理を施す。
ことにした。これはステンレス鋼管中に粒度200メッ
シュ以下の粉末パック材とともに試験片を充填し、カン
タル線炉で第5表に示したような条件の処理を施す。
第5表 拡散浸透処理条件
これらの方法はすでに超合金などに対して確立されてい
る技法であり、TiAlに対してもその効果が期待され
るものである。拡散材としてはCr,SiおよびAlの
3種について試みたが、発明者の行った範囲ではCr,
Si については十分な拡散皮膜を得るのが困難であ
った。
る技法であり、TiAlに対してもその効果が期待され
るものである。拡散材としてはCr,SiおよびAlの
3種について試みたが、発明者の行った範囲ではCr,
Si については十分な拡散皮膜を得るのが困難であ
った。
Alの拡散浸透処理については処理温度と処理時間を第
5表に示した範囲で変化させて、またバック材の配合も
2種類を試み最適条件を捜したところ、750℃、10
時間でもっとも良好な拡散皮膜が得られることがわかっ
た。このとき拡散浸透皮膜の厚さはおよそ100μmで
緻密で外観も良好であった。この皮膜の組成はX線ディ
フラクトメータの結果よりTiAL3であると同定した
。処理条件を変化すると、一般に高温短時間側では皮膜
の組織にクラブクが多く見られ、低温長時間側では密着
性の良い緻密な皮膜が得られた。
5表に示した範囲で変化させて、またバック材の配合も
2種類を試み最適条件を捜したところ、750℃、10
時間でもっとも良好な拡散皮膜が得られることがわかっ
た。このとき拡散浸透皮膜の厚さはおよそ100μmで
緻密で外観も良好であった。この皮膜の組成はX線ディ
フラクトメータの結果よりTiAL3であると同定した
。処理条件を変化すると、一般に高温短時間側では皮膜
の組織にクラブクが多く見られ、低温長時間側では密着
性の良い緻密な皮膜が得られた。
第6表 拡散浸透後の熱処理条件
またAl拡散浸透後、第6表に示したような真空熱処理
を施したものも用意し、併せて酸化試験を行った。酸化
試験の結果が第5図である。未処理のTiAlに比べ^
1の拡敗浸透処理を施したものは耐酸化性に優れ、イン
コネル713Cに匹敵するものになるということがわか
った。また真空熱処理を施したものは、さらに耐酸化性
に優れ、インコネル713Cを凌ぐことがわかった。
を施したものも用意し、併せて酸化試験を行った。酸化
試験の結果が第5図である。未処理のTiAlに比べ^
1の拡敗浸透処理を施したものは耐酸化性に優れ、イン
コネル713Cに匹敵するものになるということがわか
った。また真空熱処理を施したものは、さらに耐酸化性
に優れ、インコネル713Cを凌ぐことがわかった。
ところで、ここでいかなる処理条件においても発生する
問題があった。第6図(a)に示したように試験片エッ
ジ付近で拡敗皮膜に大きな割れが発生する。本試験の試
験片はエッジのシャープな直方体形状をしていたので、
試みに試験片のエッジにアールを取ったものを用意して
拡散浸透処理を施したところ第6図ら)のようにその割
れが明らかに小さくなった。そこでこの問題については
さらに最適形状を見つけることにより解決されることと
推測され、工業的にもこの方向で対処できるものと考え
られる。
問題があった。第6図(a)に示したように試験片エッ
ジ付近で拡敗皮膜に大きな割れが発生する。本試験の試
験片はエッジのシャープな直方体形状をしていたので、
試みに試験片のエッジにアールを取ったものを用意して
拡散浸透処理を施したところ第6図ら)のようにその割
れが明らかに小さくなった。そこでこの問題については
さらに最適形状を見つけることにより解決されることと
推測され、工業的にもこの方向で対処できるものと考え
られる。
さて本発明者は真空蒸着処理についてCr, Si,N
iおよびA1の4種を試みた。Cr, Siについては
蒸着自体が困難であるが、一方Ni, Al について
は蒸着が可能だったため、蒸着後、拡散のため10−3
Paの真空中で1000〜1050℃ 4時間の熱処理
を施してから酸化試験を行った。この結果は第7図に示
す通りである。第7図に示したようにNi蒸着について
は耐酸化性の著しい改善は認められなかった。またAl
については若干の効果は認められたものの、その効果
は比較的短時間で失われ、光学顕微鏡での観察によって
も次の第8図のように十分な拡散が起こっていないのが
明らかで、今後さらに適切な蒸着条件、拡散条件の検討
が必要であると考える。
iおよびA1の4種を試みた。Cr, Siについては
蒸着自体が困難であるが、一方Ni, Al について
は蒸着が可能だったため、蒸着後、拡散のため10−3
Paの真空中で1000〜1050℃ 4時間の熱処理
を施してから酸化試験を行った。この結果は第7図に示
す通りである。第7図に示したようにNi蒸着について
は耐酸化性の著しい改善は認められなかった。またAl
については若干の効果は認められたものの、その効果
は比較的短時間で失われ、光学顕微鏡での観察によって
も次の第8図のように十分な拡散が起こっていないのが
明らかで、今後さらに適切な蒸着条件、拡散条件の検討
が必要であると考える。
実施例2
第1表に示したと同じ金属間化合物TiALおよびMn
添加TiALについて、広範囲の条件で低酸素分圧下で
熱処理を施して900℃静止大気中での繰り返し酸化試
験を行った。
添加TiALについて、広範囲の条件で低酸素分圧下で
熱処理を施して900℃静止大気中での繰り返し酸化試
験を行った。
第7表は金属間化合物TiALあるいはTiAL基合金
に対して施した低酸素分圧下熱処理の処理条件を示した
ものである。この熱処理における処理条件として変化さ
せたパラメータは、処理空気圧(真空度)、処理温度お
よび処理時間の二者であり、実際の熱処理はそれぞれ第
7表に示したような条件の雰囲気中で試料を所定時間保
持するというものである。
に対して施した低酸素分圧下熱処理の処理条件を示した
ものである。この熱処理における処理条件として変化さ
せたパラメータは、処理空気圧(真空度)、処理温度お
よび処理時間の二者であり、実際の熱処理はそれぞれ第
7表に示したような条件の雰囲気中で試料を所定時間保
持するというものである。
第7表
第7表に示した条件の熱処理を施した金属間化合物Ti
ALあるいはTiAL基合金試験片について900℃静
止大気中における繰り返し酸化試験を行って各処理条件
と耐酸化性との関係について検討した。第9図から第1
1図までのグラフは酸化試験を行った際の各試験片の質
量増加を表したものである。これらのグラフの横軸は累
積酸化時間を示し、縦軸は試験片の質量変化を単位表面
積当たりの値にして示したものである。
ALあるいはTiAL基合金試験片について900℃静
止大気中における繰り返し酸化試験を行って各処理条件
と耐酸化性との関係について検討した。第9図から第1
1図までのグラフは酸化試験を行った際の各試験片の質
量増加を表したものである。これらのグラフの横軸は累
積酸化時間を示し、縦軸は試験片の質量変化を単位表面
積当たりの値にして示したものである。
本発明により金属間化合物TiALに低酸素分圧下熱処
理を施す際の処理空気圧と処理時間をそれぞれ6.7X
10−’ PaとlO時間に一定とし、処理温度を変化
させたときの各試験片の酸化増量を第9図に示す。先に
示した第1図の未処理の場合と比較して、低酸素分圧下
熱処理による耐酸化性の改善は明らかである。この効果
については処理温度900℃から1000℃までの範囲
で酸化増量が900℃より1000℃に近づくにつれて
減少することが認められ、特に1000℃付近で耐酸化
性改善の効果が最も大きい。
理を施す際の処理空気圧と処理時間をそれぞれ6.7X
10−’ PaとlO時間に一定とし、処理温度を変化
させたときの各試験片の酸化増量を第9図に示す。先に
示した第1図の未処理の場合と比較して、低酸素分圧下
熱処理による耐酸化性の改善は明らかである。この効果
については処理温度900℃から1000℃までの範囲
で酸化増量が900℃より1000℃に近づくにつれて
減少することが認められ、特に1000℃付近で耐酸化
性改善の効果が最も大きい。
第10図は処理空気圧6.7 x1o−3Pa ,処理
温度1000℃、処理時間10時間の低酸素分圧下熱処
理を施した金属間化合物TiAL試験片の耐酸化性を長
時間にわたる繰り返し酸化試験によってインコネル71
3Cのそれと比較したものである。累積酸化時間500
時間までの範囲ではインコネル713Cを凌ぐ耐酸化性
を有するものになっていることが見いだされる。
温度1000℃、処理時間10時間の低酸素分圧下熱処
理を施した金属間化合物TiAL試験片の耐酸化性を長
時間にわたる繰り返し酸化試験によってインコネル71
3Cのそれと比較したものである。累積酸化時間500
時間までの範囲ではインコネル713Cを凌ぐ耐酸化性
を有するものになっていることが見いだされる。
第11図は1.5%のMnを添加したT1^L基合金に
対して本発明の低酸素分圧下熱処理を施した試料の酸化
曲線(J)を示したものである。同処理を行わない同じ
試料の酸化曲線(K) も併記してある。
対して本発明の低酸素分圧下熱処理を施した試料の酸化
曲線(J)を示したものである。同処理を行わない同じ
試料の酸化曲線(K) も併記してある。
本発明による低酸素分圧下で熱処理は、このMnを含む
試料TiAL合金についても耐酸化性改善の効果のある
ことが認められる。
試料TiAL合金についても耐酸化性改善の効果のある
ことが認められる。
以上のように繰り返し酸化試験による耐酸化性改善の評
価を処理条件別にまとめたものが第8表である。表中の
記号Oはインコネル713Cと同程度あるいはそれ以上
の耐酸化性が得られたことを表し、記号△はインコネル
713Cの数倍程度までの酸化増量を示したことを、ま
た記号×はそれ以上の酸化増量を示したことを表すもの
である。
価を処理条件別にまとめたものが第8表である。表中の
記号Oはインコネル713Cと同程度あるいはそれ以上
の耐酸化性が得られたことを表し、記号△はインコネル
713Cの数倍程度までの酸化増量を示したことを、ま
た記号×はそれ以上の酸化増量を示したことを表すもの
である。
第8表
A1.OPa
B 6.7 xto−3Pa
C I.3xto−3Pa
以上のように、本発明では金属間化合物TiALおよび
TiAL基合金の耐酸化性を改善するための表面処理法
として、低酸素分圧下熱処理に顕著な効果を現わすこと
が確かめられた。本発明の処理を施すことにより金属間
化合物TiAL(TA)および1.5%のMnを添加し
たTiAL基合金(TAM)の耐酸化性は改善され、そ
れらの内で最も優れたものはN1基超合金インコネル7
13Cの耐酸化性を凌ぐものであることが確言忍された
。
TiAL基合金の耐酸化性を改善するための表面処理法
として、低酸素分圧下熱処理に顕著な効果を現わすこと
が確かめられた。本発明の処理を施すことにより金属間
化合物TiAL(TA)および1.5%のMnを添加し
たTiAL基合金(TAM)の耐酸化性は改善され、そ
れらの内で最も優れたものはN1基超合金インコネル7
13Cの耐酸化性を凌ぐものであることが確言忍された
。
(発明の効果)
本発明の処理を施すことにより金属間化合物TiAL(
TA)および1.5%のMnを添加したTiAL器合金
(TAM)の耐酸化性は改善され、それらの内で最も優
れたものはN1基超合金インコネル713Cの耐酸化性
を凌ぐ900℃以上の高温において耐熱性があり、軽量
で、安価な耐酸化性材料を提供し得る点で工業上大なる
効果があり、航空機、船舶などに使用される内燃機関、
宇宙船材料、あるいは発電用の蒸気タービンまたはガス
タービンなどの構造用材料、ジェットエンジン材料、あ
るいは自動車用ターボチャージャー用材料として極めて
有用である。
TA)および1.5%のMnを添加したTiAL器合金
(TAM)の耐酸化性は改善され、それらの内で最も優
れたものはN1基超合金インコネル713Cの耐酸化性
を凌ぐ900℃以上の高温において耐熱性があり、軽量
で、安価な耐酸化性材料を提供し得る点で工業上大なる
効果があり、航空機、船舶などに使用される内燃機関、
宇宙船材料、あるいは発電用の蒸気タービンまたはガス
タービンなどの構造用材料、ジェットエンジン材料、あ
るいは自動車用ターボチャージャー用材料として極めて
有用である。
第1図は処理を施さない金属間化合物TiALおよび比
較材(純Tl材およびインコネル713C)について比
較酸化試験を行った結果を示す特性図、第2図は本発明
の処理を施した試験片NαLNα2ASNα2B,Nα
3および未処理材(TA)とインコネル713Cとを比
較して酸化試験に供した結果を示した比較試験特性図、 第3図(A). (B)は本発明の低酸素分圧雰囲気
下で熱処理したTiAL試験片断面の顕微鏡写真図およ
びXMA図、 第4図はTi八1(T八)とTiAl(T八M)とをイ
ンコネノレ713C及びステンレス鋼SUS430と比
較した酸化試験結果を示す耐酸化特性図、 第5図はAl拡散浸透処理被膜をもったTiA]の熱処
理をしたものと熱処理をしないものとをインコネル71
3Cと比較した酸化試験結果を示す耐酸化特性図、 第6図(a). (b)はAl拡散浸透処理被膜をもっ
た試験片(TiAl)の急な隅角部と緩い隅角部におけ
る被膜亀裂状態を示す顕微鏡写真図、 第7図は試験片TAとTAlA表面にNiを蒸着したも
のと、試験片TAにAlを蒸着したものとの酸化試験結
果を示す耐酸化特性図、 第8図はTiAlにAlを蒸着した被膜の顕微鏡写真図
、 第9図および第10図は本発明の低酸素分圧下熱処理を
施した金属間化合物TiAL (D, E, F
曲線)をインコネル713C (G, H曲線)と比
較して酸化試験に供した結果を示す比較試験特性図、第
11図は1.5%財を添加したTiAl基合金に低酸素
分圧下熱処理を施したものを未処理材と比較して酸化試
験に供した結果を示す比較試験特性図である。 第2図 !績酸化時間A 第1図 累積酸化時蘭/h 第4図 50 l〃 1#献化糾聞A 第5図 gt宵顔イビσ今閣/λ 第6図 第7図 50 f00 】【オ貴酸イ乙iキ^i/入 f50 酸イL増th−m−2 ―タイとJtiF/t−オー2 手 続 主甫 正 書(方式) 第11図 平成 元年 9月27日
較材(純Tl材およびインコネル713C)について比
較酸化試験を行った結果を示す特性図、第2図は本発明
の処理を施した試験片NαLNα2ASNα2B,Nα
3および未処理材(TA)とインコネル713Cとを比
較して酸化試験に供した結果を示した比較試験特性図、 第3図(A). (B)は本発明の低酸素分圧雰囲気
下で熱処理したTiAL試験片断面の顕微鏡写真図およ
びXMA図、 第4図はTi八1(T八)とTiAl(T八M)とをイ
ンコネノレ713C及びステンレス鋼SUS430と比
較した酸化試験結果を示す耐酸化特性図、 第5図はAl拡散浸透処理被膜をもったTiA]の熱処
理をしたものと熱処理をしないものとをインコネル71
3Cと比較した酸化試験結果を示す耐酸化特性図、 第6図(a). (b)はAl拡散浸透処理被膜をもっ
た試験片(TiAl)の急な隅角部と緩い隅角部におけ
る被膜亀裂状態を示す顕微鏡写真図、 第7図は試験片TAとTAlA表面にNiを蒸着したも
のと、試験片TAにAlを蒸着したものとの酸化試験結
果を示す耐酸化特性図、 第8図はTiAlにAlを蒸着した被膜の顕微鏡写真図
、 第9図および第10図は本発明の低酸素分圧下熱処理を
施した金属間化合物TiAL (D, E, F
曲線)をインコネル713C (G, H曲線)と比
較して酸化試験に供した結果を示す比較試験特性図、第
11図は1.5%財を添加したTiAl基合金に低酸素
分圧下熱処理を施したものを未処理材と比較して酸化試
験に供した結果を示す比較試験特性図である。 第2図 !績酸化時間A 第1図 累積酸化時蘭/h 第4図 50 l〃 1#献化糾聞A 第5図 gt宵顔イビσ今閣/λ 第6図 第7図 50 f00 】【オ貴酸イ乙iキ^i/入 f50 酸イL増th−m−2 ―タイとJtiF/t−オー2 手 続 主甫 正 書(方式) 第11図 平成 元年 9月27日
Claims (1)
- 1、TiALの金属間化合物または合金を酸素分圧1×
10^−^2〜1×10^−^5Paの酸素雰囲気下で
温度900℃〜1050℃において、30分ないし10
0時間保持してTiを酸化させず、Alだけを選択的に
酸化させ、前記金属間化合物または合金の表面に予め耐
酸化性のAl_2O_3皮膜を生成せしめることを特徴
とするTiAlの金属間化合物または合金の表面に耐酸
化皮膜を形成させる方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11307189A JPH02294458A (ja) | 1989-05-02 | 1989-05-02 | TiALの金属間化合物の表面に耐酸化皮膜を形成させる方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11307189A JPH02294458A (ja) | 1989-05-02 | 1989-05-02 | TiALの金属間化合物の表面に耐酸化皮膜を形成させる方法 |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP12406192A Division JPH05239614A (ja) | 1992-04-18 | 1992-04-18 | TiALの金属間化合物の合金の表面に耐酸化皮膜を形成させる方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02294458A true JPH02294458A (ja) | 1990-12-05 |
| JPH0463148B2 JPH0463148B2 (ja) | 1992-10-08 |
Family
ID=14602758
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11307189A Granted JPH02294458A (ja) | 1989-05-02 | 1989-05-02 | TiALの金属間化合物の表面に耐酸化皮膜を形成させる方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH02294458A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH05239614A (ja) * | 1992-04-18 | 1993-09-17 | Yokohama Kokuritsu Univ | TiALの金属間化合物の合金の表面に耐酸化皮膜を形成させる方法 |
| US6410154B2 (en) | 1996-03-29 | 2002-06-25 | Kabushiki Kaisha Toyota Chuo Kenkyusho | Tial-based alloys with excellent oxidation resistance, and method for producing the same |
| JP2009030110A (ja) * | 2007-07-27 | 2009-02-12 | Ihi Corp | アルミ合金の耐高温酸化処理方法 |
-
1989
- 1989-05-02 JP JP11307189A patent/JPH02294458A/ja active Granted
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH05239614A (ja) * | 1992-04-18 | 1993-09-17 | Yokohama Kokuritsu Univ | TiALの金属間化合物の合金の表面に耐酸化皮膜を形成させる方法 |
| US6410154B2 (en) | 1996-03-29 | 2002-06-25 | Kabushiki Kaisha Toyota Chuo Kenkyusho | Tial-based alloys with excellent oxidation resistance, and method for producing the same |
| JP2009030110A (ja) * | 2007-07-27 | 2009-02-12 | Ihi Corp | アルミ合金の耐高温酸化処理方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0463148B2 (ja) | 1992-10-08 |
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