JPH03193837A - 高温耐酸化性金属間化合物ＴｉＡｌ系合金 - 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】 Ａ０発明の目的 （１）　　産業上の利用分野 本発明は高温耐酸化性金属間化合物ＴｔＡＩ！、系合金
に関する。

（２）従来の技術 金属間化合物ＴｉＡｆ系合金（以下、ＴｉＡ１！。

系合金と称す）としては、Ｔ　ｉ　Ａ　Ｉ　　Ｔ　ｉ　
ｓ　Ａ　に三相合金、ＴｉＡｆ−Ｔｉ３Ａｆ−ＴｉＡｆ
、三相合金等が知られている。このＴｉＡｆ系合金は軽
量であり、またＴｉ基合金に比べて優れた高温耐酸化性
を有するが、インコネル−７１３ＣのようなＮｉ基合金
に比べると、高温耐酸化性が酸化増量値で５〜１０倍と
劣る。

そこで、従来は、ＴｉＡｆ系合金の高温耐酸化性を向上
させるために、ＴｉＡｆ系合金にＮイオン注入法、Ａｆ
蒸着法、Ａ２拡散浸透法等の表面処理法を施して表層部
の改質を行っている。

一方、高温強度面において、ＴｉＡｌ１系合金は、６０
０〜９００°Ｃといった高温下でインコネル−７１３Ｃ
と路間等の比強度〔破断応力（一般に引張強さ）を材料
の密度で除した値〕を有するので、耐熱性部材の構成材
料として期待される。

（３）発明が解決しようとする課題 しかしながら前記のような表面処理法によると、クラッ
ク等の発生により表層部が剥離した場合には、その剥離
部分から酸化が進行し、ＴｉＡｆ系合金の高温耐酸化性
が著しく劣化する、という問題がある。そこで、このよ
うな問題を解決し、また表面処理を省いて生産性を向上
させる上からも、ＴｉＡｆ！系合金自体に優れた高温耐
酸化性を具備させることが要望されている。

一方、高温強度面において、ＴｉＡｆｆｉ系合金により
インコネル−７１３Ｃの代替えを行う場合には、代替え
物をインコネル−７１３Ｃ製部材よりもかなり大型に構
成しなければならず、したがって小型、且つ軽量化の要
請より、密度は従来のＴｉＡｌ系合金と同等で、且つ高
強度なＴｉＡｆｆｉ系合金、即ち、比強度の高いＴｉＡ
ｊ！系合金の開発が要望されている。

本発明は前記に鑑み、それ自体が優れた高温耐酸化性を
具備している前記ＴｉＡｆ系合金を提供することを目的
とする。

また本発明は、それ自体が優れた高温耐酸化性を具備す
ると共に高温下において高い比強度を示す前記ＴｉＡｌ
１系合金を提供することを目的とする。

Ｂ１発明の構成 （１）課題を解決するための手段 本発明に係る前記ＴｔＡｊ！系合金は、０．０５原子％
以上、３原子％以下のＮｂと、　０．０５原子％以上、
４原子％以下のＷと；を含有することを第１の特徴とす
る。

本発明に係る前記ＴｉＡｆｆｉ系合金は、０．０５原子
％以上、３原子％以下のＮｂとｉ　０．０５原子％以上
、４原子％以下のＷと；３．５原子％以下のＶ、４．５
原子％以下のＣおよび１．２５原子％以下のＦｅから選
択される少なくとも一種と；を含有することを第２の特
徴とする。

（２）作　用 第１の特徴によれば、特定量のＮｂおよびＷを含有させ
ることによって、優れた高温耐酸化性を具備したＴｉＡ
ｆ系合金を提供することができる。

たりし、ＮｂとＷとを併用することを条件として、Ｎｂ
の含有量が０．０５原子％を下回り、また３原子％を上
回ると、ＴｉＡｆ系合金の高温耐酸化性が悪化する。一
方、同様の条件において、Ｗの含有量が０．０５原子％
を下回り、また４原子％を上回ると、同様にＴｉＡｆｆ
ｉ系合金の高温耐酸化性が悪化する。

第２の特徴によれば、特定量のＮｂおよびＷを含有させ
ると共に、特定量のｖｌＣおよびＦｅを選択的に含有さ
せることによって、優れた高温耐酸化性を具備すると共
に高温下において高い比強度を示すＴｉＡｌ系合金を提
供することができる。

この場合、ＮｂとＷとの含有量の限定理由は前記と同じ
であるが、特に、Ｗの場合その含有量が４原子％を上回
ると、ＴｉＡｆ系合金の比強度が低下する。また、■の
含有量が３．５原子％を上回ると、ＴｉＡｆ系合金の高
温耐酸化性が著しく悪化する。さらに、Ｃの含有量が４
．５原子％を上回ると、ＴｉＡｊ！系合金の高温耐酸化
性が著しく悪化し、また比強度が著しく低下する。

Ｆｅは、伸び値の極めて低いＴｉＡｊ！系合金に伸びを
付与してその延性を向上させ、また０、　２％耐力を向
上させる機能を有する。たりし、Ｆｅの含有量が１．２
５原子％を上回ると、０．２％耐力が低下し、また高温
耐酸化性も悪化の傾向がみられる。

（３）実施例 ＴｉＡｌ１−Ｔｉ３Ａｆ二相合金を主体とし、これにＮ
ｂ、Ｗ、Ｖ、Ｃを選択的に添加して、アーク溶融法の適
用下、多種類のＴｉＡｌ系合金を製造−した。またＴ　
ｉ　Ａ　Ｉ　　Ｔ　ｉ　ｓ　Ａ　ｊ！β二相合金おいて
、八〇の含有量を種々変化させて前記と同一の方法によ
り複数のＴｉＡＡ系合金を製造した。

各ＴｉＡｆｆｉ系合金よりテストピースを切出し、各テ
ストピースに関し、引張比強度として８００“Ｃにおけ
る引張破断強度（Ｘ　１０−”ＭＰ　ａ　−ｍ３／ｋｇ
）を求め、また高温耐酸化性テストとして、テストピー
スを９００°Ｃの静止空気中に１２０時間放置するテス
トを行い、その後各テストピースの酸化増量（ｘ　１０
−”ｋｇ／ｍ”　）を求めた。

各テストピースにおける引張比強度は、インコネル−７
１３Ｃと同等またはそれ以上、したがって、１００ＸＩ
Ｑ１００ＸＩＱ−３／ｋｇ以上（好ましくは、１２０Ｘ
　１０−０−３ＭＰａ−７ｋｇ以上）を良とし、また酸
化増量は略６０　Ｘ　１０−”ｋｇ／ｍ”以下を良とし
た。

表■は、本発明合金１〜７および比較例合金８〜１１の
化学成分、引張比強度（Ｘ　１０−”ＭＰ　ａ・ｍ３／
ｋｇ、以下の各表において同じ）および酸化増量（Ｘ　
１０−３ｋｇ／ｍ”　、以下の各表において同じ）をそ
れぞれ示す。

表　　　　　　１ 本発明合金１は、引張比強度および酸化増量の画点に関
し、最も優れたものであり、本発明において組成を決定
する上で基準となる合金である。

他の本発明合金２〜７は、前記合金１を基準としてＡｎ
の含有量を変化させたもので、Ａ２の含有量の増減に対
応してＴｉの含有量を増減させである。

比較例合金８はＴｉおよびＡｌのみから構成されたもの
で、比較例において組成を決定する上で基準となる合金
であり、他の合金９〜１１は合金８を基準としてＡｌの
含有量を変化させたものである。

第１図は本発明合金１〜７および比較例合金８〜１１の
Ａ１含有量と引張比強度との関係を示し、また第２図は
これら合金１〜１１０Ａｉ含有量と酸化増量との関係を
示す。

表１、第１および第２図から明らかなように、本発明合
金１〜７においては、Ｔ　ｉ　Ａ、ｊ！　−Ｔ　ｉ。

Ａβ二相合金に１原子％のＮｂ５ＷおよびＣと、１．５
原子％のＶを添加するという条件の下で、Ａ２の含有量
を４０原子％以上、５２原子％以下に設定することによ
って、ＴｉＡｌ系合金の引張比強度および高温耐酸化性
をそれぞれ向上させることができる。

たりし、Ａｌの含有量が４０原子％を下回ると、高温耐
酸化性が悪化し、一方、５２原子％を上回ると、引張比
強度が低下する。

好ましくは、Ａｌの含有量は４１原子％以上、４６原子
％以下である。

一方、比較例合金８〜１１には、引張比強度および高耐
酸化性の両方を満足するものは存在しないことが明らか
である。

表■は、本発明合金１，１２〜１４および比較例合金８
，１５．１６の化学成分、引張比強度および酸化増量を
それぞれ示す。

表 ■ 本発明合金１２〜１４は、ＡＩ　Ｗ、Ｖ、Ｃの含有量を
固定し、Ｎｂの含有量を変えたもので、それに伴いＴｉ
の含有量が変化している。

比較例合金１５．１６はＮｂを単独添加し、且つその含
有量を変えたもので、ＴｉおよびＡ２の含有量は等しく
なるように設定されている。

第３図は本発明合金１．１２〜１４および比較例合金８
，１５．１６のＮｂ含有量と引張比強度との関係を示し
、また第４図はこれら合金１．　１２〜１４．８．１５
．１６のＮｂ含有量と酸化増量との関係を示す。

表■、第３および第４図から明らかなように、本発明合
金１２〜１４においては、Ｎｂの含有量を０．０５原子
％以上、３原子％以下に設定することによって、ＴｉＡ
ｊ２系合金の引張比強度および高温耐酸化性をそれぞれ
向上させることができる。

たヌ゛シ、Ｎｂの含有量が０．０５原子％を下回り、ま
た３原子％を上回ると、ＴｉＡｊ２系合金の高温耐酸化
性が悪化する。

ＴｉＡｆ系合金の引張比強度および高温耐酸化性を共に
向上させるためには、Ｎｂの含有量を０゜５原子％以上
、２原子％以下に設定するのが良い。

一方、比較例合金１５．１６には、引張比強度および高
温耐酸化性の両方を満足するものは存在しないことが明
らかである。

表■は、本発明合金ｌ、１７〜１９および比較例合金８
．２０〜２２の化学成分、引張比強度および酸化増量を
それぞれ示す。

表　　　　　■ 本発明合金１７〜１９は、Ａ／！、Ｎｂ、Ｖ、Ｃの含有
量を固定し、Ｗの含有量を変えたもので、それに伴いＴ
ｉの含有量が変化している。

比較例合金２０．２１はＷを単独添加し、且つその含有
量を変えたもので、ＴｉおよびＡＩ！、の含有量は等し
くなるように設定されている。また比較例合金２２は、
Ｗを添加しなかった点を除いて、本発明合金１７〜１９
と路間等の組成を有する。

第５図は本発明合金１．１７〜１９および比較例合金８
．２０〜２２のＷ含有量と引張比強度との関係を示し、
また第６図はこれら合金１．８゜１７〜２２のＷ含有量
と酸化増量との関係を示す。

表■、第５および第６図から明らかなように、本発明合
金１７〜１９においては、Ｗの含有量を２原子％以上、
４原子％以下に設定することによって、ＴｉＡｆ系合金
の引張比強度および高温耐酸化性をそれぞれ向上させる
ことができる。

た＼゛し、Ｗの含有量が０．０５原子％を下回り、また
４原子％を上回ると、ＴｉＡｊ２系合金の高温耐酸化性
が悪化する。

ＴｉＡｆ系合金の引張比強度および高温耐酸化性を共に
向上させるためには、Ｗの含有量を０．５原子％以上、
２原子％以下に設定するのが良い。

一方、比較例合金２０．２１には、引張比強度および高
温耐酸化性の両方を満足するものは存在しないことが明
らかである。また比較例合金２２の場合は、Ｗを含有し
ないことによって高温耐酸化性が著しく悪化する。

表■は、本発明合金１．２３および比較例合金８．２４
〜２６の化学成分、引張比強度および酸化増量をそれぞ
れ示す。

表　　　　　■ 本発明合金２３は、Ａｆ、Ｎｂ、Ｗ、Ｃの含有量を固定
し、■の含有量を変えたもので、それに伴いＴｉの含有
量が変化している。

比較例合金２４．２５は■を単独添加し、且つその含有
量を変えたもので、Ｔｉおよび／ｌの含有量は等しくな
るように設定されている。また比較例合金２６は、■の
含有量を４．５原子％に設定した点を除いて、本発明合
金２３と路間等の組成を有する。

第７図は本発明合金１．２３および比較例合金８．２４
〜２６の■含有量と引張比強度との関係を示し、また第
８図はこれら合金１，８．２３〜２６の■含有量と酸化
増量との関係を示す。

表■、第７および第８図から明らかなように、本発明合
金２３においては、■の含有量を３原子％に設定するこ
とによって、ＴｉＡｊ！系合金の引張比強度および高温
耐酸化性をそれぞれ向上させることができる。

たソ°シ、■の含有量が３．５原子％を上回ると、Ｔｉ
Ａｆｉ系合金の高温耐酸化性が著しく悪化する。

これは比較例合金２６から明らかである。

ＴｉＡｆｆｉ系合金の引張比強度および高温耐酸化性を
共に向上させるためには、■の含有量を１原子％以上、
３原子％以下に設定するのが良い。

一方、比較例合金２４．２５には、引張比強度および高
温耐酸化性の両方を満足するものは存在しないことが明
らかである。

表■は、本発明合金ｌ、２７〜３０および比較例合金８
．３１〜３３の化学成分、引張比強度および酸化増量を
それぞれ示す。

表　　　　　Ｖ 本発明合金２７〜３０は、Ａ１．、Ｎｂ５Ｗ、■の含有
量を固定し、Ｃの含有量を変えたもので、それに伴いＴ
ｉの含有量が変化している。たりし、本発明合金２７は
Ｃを含有していない。

比較例合金３１．３２はＣを単独添加し、且つその含有
量を変えたもので、ＴｉおよびＡ１の含有量は等しくな
るように設定されている。また比較例合金３３は、Ｃの
含有量を５原子％に設定した点を除いて、本発明合金２
７〜３０と路間等の組成を有する。

第９図は本発明合金１，２７〜３０および比較例合金８
，３１〜３３のＣ含有量と引張比強度との関係を示し、
また第１０図はこれら合金１，８゜２７〜３３のＣ含有
量と酸化増量との関係を示す。

表Ｖ５第９および第１０図から明らかなように、本発明
合金２８〜３０においては、Ｃの含有量を２原子％以上
、４原子％以下に設定することによって、ＴｉＡｆ系合
金の引張比強度および高温耐酸化性をそれぞれ向上させ
ることができる。

たヌ゛シ、Ｃの含有量が４．５原子％を上回ると、Ｔｉ
Ａｆｆｉ系合金の引張比強度および高温耐酸化性が悪化
する。

ＴｉＡｆ系合金の引張比強度および高温耐酸化性を共に
向上させるためには、Ｃの含有量を０．５原子％以上、
３．５原子％以下に設定するのが良い。

たりし、本発明合金２７のように、Ｃを含有させない場
合においても、ＴｉＡ１系合金の引張比強度および高温
耐酸化性は比較的良好となる。

一方、比較例合金３１〜３３には、引張比強度および高
温耐酸化性の両方を満足するものは存在しないことが明
らかである。

前記本発明合金は、ＴｉＡｆｆｉ−Ｔｉｚ　Ａｌ二相合
金を主体とし、これにＮｂ、Ｗ、Ｖ、Ｃを選択的に添加
したものであるが、これら添加元素の外にＦｅを添加す
ると、伸び値の極めて低いＴｉＡ１系合金に伸びを付与
してその延性を向上させ、また０、　２％耐力を向上さ
せることができる。

表■は、Ｆｅを添加した本発明合金３４．３５および比
較例合金３６．３７の化学成分、引張比強度および酸化
増量をそれぞれ示す。

表　　　　　■ 本発明合金３４．３５および比較例合金３６゜３７は、
前記本発明合金１を基準としてＦｅの含有量を種々変化
させたもので、Ｆｅの添加に伴いＡｌの含有量を減少さ
せである。

表■より、Ｆｅの含有量を１．２５原子％以下に設定す
ることによって、ＴｉＡｊ！系合金の引張比強度および
高温耐酸化性を向上させることができる。

第１１図は、ＴｉＡｊ！系合金におけるＦｅ含有量と伸
びとの関係を示し、また第１２図は同合金におけるＦｅ
含有量と０．２％耐力との関係を示す。

第１１．第１２図から明らかなように、Ｆｅの含有量は
１．２５原子％以下が適当である。

前記本発明合金は、Ｔ　ｉＡＩ　Ｔ　ｉｓ　Ａｊ！二相
合金を主体とし、これにＮｂ、Ｗ、Ｖ、Ｃ，、Ｆｅを選
択的に添加したものであるが、これらの添加元素のうち
、Ｎｂ、Ｗのみを添加した場合にもＴｌＡｌ系合金の引
張比強度および高温耐酸化性を向上させることができる
。

表■は、本発明合金３８〜４３の化学成分、引張比強度
および酸化増量をそれぞれ示す。

表　　　　　■ 第１３図は本発明合金３８〜４０および比較例合金８，
１５，２０．２１のＷ含有量と引張比強度との関係を示
し、また第１４図はこれら合金３８〜４０．８．１５，
２０．２１のＷ含有量と酸化増量との関係を示す。

第１５図は本発明合金４１〜４３および比較例合金８，
２０．２１のＷ含有量と引張比強度との関係を示し、ま
た第１６図はこれら合金４１〜４３．８，２０．２１の
Ｗ含有量と酸化増量との関係を示す。

表■および第１３〜第１６図から明らかなように、本発
明合金３８〜４３においては、Ｎｂの含有量を０．０５
原子％以上、３原子％以下の範囲に、またＷの含有量を
０．０５原子％以上、４原子％以下の範囲にそれぞれ設
定することによって、Ｔｉ／ｌ系合金の引張比強度およ
び高温耐酸化性を共に向上させることができる。

比較例合金８はＮｂおよびＷを含有せず、また比較例合
金１５はＮｂのみを２原子％含有しさらに比較例合金２
０．２１はＷのみをそれぞれ１原子％、２原子％含有す
るものであるが、引張比強度および高温耐酸化性共に本
発明合金３８〜４３に比べて劣る。

Ｃ０発明の効果 第（１）請求項記載の発明によれば、ＮｂおよびＷの含
有量を前記のように特定することによって、優れた高温
耐酸化性を具備した前記ＴｉＡｌ系合金を提供すること
ができ、これにより従来の表面処理法の適用を不要にし
てＴｉＡｊ！系合金製部材の生産性を向上させることが
できる。

第（２）請求項記載の発明によれば、ＮｂおよびＷの含
有量を前記のように特定し、また選択的に用いられるＶ
、Ｃ，Ｆｅの含有量を前記のように特定することによっ
て、優れた高温耐酸化性を具備すると共に高温下におい
て高い比強度を示す前記ＴｉＡｊ！系合金を提供するこ
とができ、これにより従来の表面処理法の適用を不要に
してＴｊ１！系合金製部材の生産性を向上させると共に
その部材の小型、且つ軽量化を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１．第２図はＡｆｆｉ含有量と引張比強度および酸化
増量との関係を示すグラフ、第３．第４図はＮｂ含有量
と引張比強度および酸化増量との関係を示すグラフ、第
５．第６図はＷ含有量と引張比強度および酸化増量との
関係を示すグラフ、第７゜第８図は■含有量と引張比強
度および酸化増量との関係を示すグラフ、第９．第１０
図はＣ含有量と引張比強度および酸化増量との関係を示
すグラフ、第１１図はＦｅ含有量と伸びとの関係を示す
グラフ、第１２図はＦｅ含有量と０．２％耐力との関係
を示すグラフ、第１３．第１４図はＮｂ含有量２原子％
におけるＷ含有量と引張比強度および酸化増量との関係
を示すグラフ、第１５．第１６図はＮｂ含有量と３原子
％におけるＷ含有量と引張比強度および酸化増量との関
係を示すグラフである。 第２図 Ａ２含有量 （原子％） 第１図 ＡＩｌ含有量 （原子％） 第４図 Ｎｂ含有量（原子％） 第６図 Ｗ含有量 （原子％） 第３図 Ｎｂ含有量 （原子％） 第５図 Ｗ含有量 （原子％） 第８図 ■含有量（原子％） 第１０図 Ｃ含有量（原子％） 第７図 ■含有量（原子％） 第９図 Ｃ含有量 （原子％） 第１２図 Ｆｅ含有量（原子％） 第１４図 Ｗ含有量（原子％） （Ｎ　ｂ　−２原子％） 第１１図 Ｆｅ含有量 （原子％） 第１３図 Ｗ含有量（原子％） （Ｎ　ｂ　−２原子％） 第１６図 Ｗ含有量（原子％） （Ｎ　ｂ　＝　３原子％） 第１５図 Ｗ含有量（原子％） （Ｎｂ＝３原子％）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）０．０５原子％以上、３原子％以下のＮｂと；０
   ．０５原子％以上、４原子％以下のＷと；を含有するこ
   とを特徴とする高温耐酸化性金属間化合物ＴｉＡｌ系合
   金。
2. （２）０．０５原子％以上、３原子％以下のＮｂと；０
   ．０５原子％以上、４原子％以下のＷと；３．５原子％
   以下のＶ、４．５原子％以下のＣおよび１．２５原子％
   以下のＦｅから選択される少なくとも一種と；を含有す
   ることを特徴とする高温耐酸化性金属間化合物ＴｉＡｌ
   系合金。
3. （３）Ａｌの含有量を４０原子％以上、５２原子％以下
   に設定した、第（１）または第（２）項記載の高温耐酸
   化性金属間化合物ＴｉＡｌ系合金。