JPH05320791A - Ｔｉ−Ａｌ系金属間化合物合金 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、高強度で延性に富み、また耐酸化性
も優れていることを主要な目的とする。 【構成】Ｔｉ：３４〜５２原子％，Ａｌ：４０〜４６原
子％，Ｃｒ：３〜８原子％，Ｎｂ：５〜１２原子％を含
有することを特徴とするＴｉ−Ａｌ系金属間化合物合
金、あるいはＴｉ：３０〜５１原子％，Ａｌ：４０〜４
６原子％，Ｃｒ：３〜８原子％，Ｎｂ：５〜１２原子
％，Ｔａ：１〜４原子％を含有することを特徴とするＴ
ｉ−Ａｌ系金属間化合物合金。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は高比強度耐熱構造部材
（航空機用エンジン，発電用ガスタービン，自動車用エ
ンジン，高速回転体等）に用いるに適した、Ｔｉ−Ａｌ
系金属間化合物合金に関し、更に詳しくはγ相及びβ相
を主構成相とするＴｉ−Ａｌ系金属間化合物合金に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】周知の如く、Ｔｉ−Ａｌ２元合金系にお
いては、Ｔｉ₃ Ａｌ，ＴｉＡｌ及びＴｉＡｌ₃ の３つの
金属間化合物相が存在することが知られているが、この
うちＴｉＡｌ相はγ相と呼ばれ、正方晶のＬ１₀ 型の結
晶構造を有している。このγ相は従来のＴｉ合金に比べ
ると軽量，高比強度であり、約７００℃程度までは耐酸
化性も良好であるとの好ましい特性を有しているため、
航空機用エンジンなどの高温環境下で高強度が要求され
る部位に適用できるのではないかと期待されてきた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、以下の
問題があり、これまで工業製品としての実用化はなされ
ていなかった。 (1) 延性が乏しく、室温では引張変形量１％以下で破壊
する。

【０００４】(2) 耐酸化性が７００℃以上になると、急
激に劣化し、航空機用エンジン等の現用材であるＮｉ基
耐熱合金（例えば、インコネル713C）と較べると、酸化
増量値で約１０倍と劣る。

【０００５】(3) 常温〜高温域における強度が現用材よ
り劣る。技術文献での一例を示すと、リップシット（Ｌ
ipsitt）ら著の冶金学会誌（Ｍetallurgical Ｔransac
tions ）第６Ａ号（1975年）1991頁によると、γ単相合
金の引張強度は室温で４５ｋｇｆ／ｍｍ² ，８００℃で
３６Ｋｇｆ／ｍｍ² である。一方、インコネル713Cの引
張強度は米国International Nickel社のデータブックに
よると、室温で８６Ｋｇｆ／ｍｍ² ，７６０℃で９６Ｋ
ｇｆ／ｍｍ² ，８７０℃で７４Ｋｇｆ／ｍｍ² であるこ
とにより、比強度（強度を材料の密度で除した値）換算
してもγ単相合金の強度は、特に高温域においてインコ
ネル713Cより劣るといえる。なお、各材料の密度は、γ
単相合金３．８ｇ／ｃｍ³ ，インコネル713C７．９ｇ／
ｃｍ³ である。

【０００６】しかしながら、近年、第３元素を添加する
とともに、Ｔｉ及びＡｌの濃度を制御することにより、
組織を制御し、上記問題の改善を計る試みがいくつか提
案されている。

【０００７】例えば、特開平１−２９８１２７号公報の
明細書には、Ｔｉ６４．８重量％，Ａｌ３３．７重量
％，Ｃｒ１．５重量％（原子％に換算すると、Ｔｉ５
１．４原子％，Ａｌ４７．５原子％，Ｃｒ１．１原子
％）合金が開示されている。この合金は、ＴｉＡｌ相
（γ相）及びＴｉ₃ Ａｌ相（γ相）及びＴｉ₃ Ａｌ相
（α₂ 相）の２相組織合金であり、同明細書の実施例に
おいては、室温引張強度４０．４Ｋｇｆ／ｍｍ² ，同伸
び１．９％であることが、また８００℃の引張強度４
１．６Ｋｇｆ／ｍｍ² ，同伸び３．２％であることが開
示されている。即ち、第３元素としてＣｒ１．１原子％
を添加し、Ａｌ濃度４７．５原子％，Ｔｉ濃度５１．４
原子％として、組成をγ＋α₂ の２相組織とすることに
より、常温延性が改善したとされている。しかしなが
ら、強度はほとんど改善されておらず、γ単相合金とほ
ぼ同等である。

【０００８】また、同じ特開平１−２９８１２７号公報
の明細書には、Ｔｉ５２．５重量％，Ａｌ３２．５重量
％，Ｎｂ１４．７重量％（原子％に換算すると、Ｔｉ４
４．７原子％，Ａｌ４８．９原子％，Ｎｂ６．４原子
％）合金が開示されている。この合金も同様にγ相とα
₂ 相の２相組織であり、同明細書の実施例においては室
温引張強度３９．８Ｋｇｆ／ｍｍ² ，同伸び２．５％で
あることが、また８００℃の引張強度４０．０Ｋｇｆ／
ｍｍ² ，同伸び４．１％であることが開示されている。
即ち、Ｎｂを６．４原子％添加し、Ａｌ濃度４８．９原
子％，Ｔｉ濃度４４．７原子％として組織をγ＋α₂ の
２相組織とすることにより常温延性が改善したとされて
いる。しかしながら、Ｃｒ添加合金と同様に強度はほと
んど改善されておらず、γ相手合金とほぼ同等である。

【０００９】他の試みとして、特公昭５９−５８１号公
報の明細書には、Ｔｉ５６．３重量％，Ａｌ３３．７重
量％，Ａｇ１０重量％（原子％に換算すると、Ｔｉ４
６．７原子％，Ａｌ４９．６原子％，Ａｇ３．７原子
％）合金が開示されている。また、特公昭６２−２１５
号公報の明細書には、Ｔｉ６４．６重量％，Ａｌ３３．
３重量％，Ｍｎ２．１重量％（原子％に換算すると、Ｔ
ｉ５１．５原子％，Ａｌ４７．１原子％，Ｍｎ１．４原
子％）合金が開示されている。更に、米国特許第４，２
９４，６１５号には、Ｔｉ６１．８重量％，Ａｌ３４．
８重量％，Ｖ３．４重量％（原子％に換算すると、Ｔｉ
４８．８原子％，Ａｌ４８．７原子％，Ｖ２．５原子
％）合金が開示されている。これらの合金は、いずれも
常温延性はある程度改善されているものの、強度は逆に
低下し、γ単相合金よりもさらに低くなる。以上示した
５つの第３元素を添加したＴｉ−Ａｌ系合金の耐酸化性
は、次の通りである。 (1) Ａｇ，Ｍｎ，Ｖを各々添加した合金…γ単相合金よ
り劣る。 (2) Ｃｒを添加した合金…γ単相合金とほぼ同等であ
る。 (3) Ｎｂを添加した合金…γ単相合金よりも優れている
が、インコネル713Cよりは劣る。

【００１０】要約すると、先に示したγ相の問題点を改
善すべく、第３元素を添加し、Ｔｉ及びＡｌの濃度を制
御して組織を制御する（γ＋α₂ の２相組織にする）試
みが、これまで種々なされてきたが、いずれも不十分で
あると言える。即ち、常温延性はある程度改善されたも
のの、強度はほとんど改善していいない。また、耐酸化
性もＮｂ添加合金を除き、改善されていない。

【００１１】本発明は上記事情に鑑みてなされたもの
で、γ相の特性改善を行い、従来技術の合金と同様の常
温延性を持ち、強度，耐酸化性で従来技術を陵駕するＴ
ｉ−Ａｌ系金属間化合物合金を提供することを目的とす
る。

【００１２】

【課題を解決するためのの手段】本発明者らは、上述の
ような観点から、種々の添加元素を含有するＴｉ−Ａｌ
系合金において、組成，組織と機械的特性及び耐酸化性
等の関係を研究した結果、以下の（ａ）〜（ｅ）に示す
知見を得るに至った。

【００１３】（ａ）．Ｔｉ−Ａｌ２元系においてＡｌ濃
度４０〜６０原子％の範囲の合金の機械的特性を調査し
たところ、Ａｌ濃度５０原子％未満の合金の特性が優れ
ていることが分かった。また、この理由として、組成の
変化に伴う次の２つの材料固子の変化が関与しているこ
とが分かった。

【００１４】イ）．Ａｌ濃度が減少するほど正方晶であ
るγ相の結晶軸比（ｃ／ａ）は１に近づく。なお、一般
的に、結晶軸比が１に近づけば、結晶の異方性が減少
し、すべり変形等が容易になり、延性改善に結びつくと
言われている。 ロ）．Ａｌ濃度が減少するにつれ、組織はγ単相からγ
＋α₂ ２層組織に変化する。また、Ａｌ濃度の減少に伴
い、α₂ 相の割合は増加する。

【００１５】即ち、Ｔｉ−Ａｌ２元系では、材料因子的
には結晶軸比が１に近づき、組織がγ＋α₂ の２相組織
になることによって機械的特性は改善することが分かっ
た。Ａｌ濃度５０原子％未満において更に詳細に調査し
たところ、Ａｌ濃度と機械的性質には次の関係があるこ
とがわかった。 強度：Ａｌ濃度が減少するほど向上する。 延性：４８原子％付近が最も優れており、更にＡｌ濃度
が減少すると逆に低下する。

【００１６】この理由としては、先に述べたようにＡｌ
濃度が減少すると、結晶軸比は１に近付くものの、その
一方で第２層であるα₂ 相の割合が増加することが考え
られる。即ち、α₂ 相は延性改善のためにはある程度必
要であるが、多量に存在しすぎると、逆に延性に悪影響
を及ぼすことが分かった。一方、強度向上のためには、
α₂ 相の存在は望ましいことが分かった。 （ｂ）．Ａｌ濃度４０〜６０原子％において、Ｎｂを１
〜１５原子％添加してＴｉ−Ａｌ系合金の特性を調査し
たところ、次のことが明らかになった。

【００１７】イ）．Ｎｂは主にＴｉと置換し、（Ｔｉ，
Ｎｂ）Ａｌで表記される合金系を形成する。この結果、
組織，機械的特性はＴｉ−Ａｌ２元素と類似のものにな
る。即ち、Ａｌ濃度５０原子％未満の合金の機械的特性
が優れており、強度はＡｌ濃度が減少するほど向上す
る。一方、延性はＡｌ濃度４８原子％付近が最も優れて
おり、さらにＡｌ濃度が減少すると低下する。これは、
Ｔｉ−Ａｌ２元系と同様にα₂ 相の割合が増加しすぎる
ためと考えられる。

【００１８】Ｎｂを添加した合金の機械的特性はＡｌ濃
度４８原子％程度でＮｂ添加量１０原子％程度の合金が
最も優れているが、Ｔｉ−Ａｌ２元系と比較した場合、
強度は若干向上するものの、延性は大差ない。 ロ）．耐酸化性は大幅に改善され、上記合金ではＴｉ−
Ａｌ２元系合金と比べると酸化増量値で言って１／１０
程度になる。 （ｃ）．Ａｌ濃度４０〜６０原子％において、Ｃｒを１
〜１２原子％添加したＴｉ−Ａｌ系合金の特性を調査し
たところ、次のことが明らかになった。 (a) ，(b) の合金と同様にＡｌ濃度５０原子％未満の合
金の機械的特性が優れている。更に、詳細に言うと（Ｃ
ｒ添加量が３原子％以下の場合）：

【００１９】Ａｌ濃度４８原子％付近では従来技術で見
られたように延性は向上するが、強度は向上しない。一
方、Ａｌ濃度４６原子％以下では強度は向上するが、延
性は低下する。これは、Ｔｉ−Ａｌ２元系と同様にＡｌ
濃度の減少に伴ない、α₂ 相の割合が増加したためと考
えられる。（Ｃｒ添加量が３〜８原子％の場合）：

【００２０】Ａｌ濃度４８原子％付近では延性が低下す
る。これはＴｉ合金においてβ安定化元素であるＣｒを
多量に添加したため、α₂ 相の割合が必要以上に低下し
すぎ、γ単相合金に近づいたためと考えられる。

【００２１】一方、Ａｌ濃度４０〜４６原子％では延性
・強度とも向上する。この合金の組織はγ相とβ相（Ｂ
ＣＣ構造の固溶性）の２相組織であり、Ａｌ濃度の減少
によりγ相の結晶軸比は１に近づき、第２相であるβ相
の割合は増加する。機械的特性が改善した理由として
は、材料因子的にはＴｉ−Ａｌ２元系合金と同様にγ相
の結晶軸比が１に近づき、多相組織となることにより延
性が向上したことが考えられる。また、第２相の割合が
増加することにより、強度が向上したことが考えられ
る。なお、β層はα₂ 層と異なり、多量に存在しても延
性には悪影響を及ぼすことがないことが分かった。（Ｃ
ｒ添加量が８原子％以上の場合）：

【００２２】Ａｌ濃度にかかわらず延性は低下する。こ
れは、Ｃｒ添加量の増加に伴い、非常に脆いＣｒ₂ Ｔｉ
相（Ｃ15型のラーベス相）が多量に生成するためと考え
られる。また、（ｃ）の合金の耐酸化性は次の通りであ
る。 （Ｃｒ添加量が３原子％以下の場合）：Ｔｉ−Ａｌ２元
系合金と大差なく、７００℃以上になると急激に劣化す
る。 （Ｃｒ添加量が３原子％以上の場合）：Ｔｉ−Ａｌ２元
系よりは優れているが、（ｂ）の合金でＮｂを１０原子
％添加したものと比べると、かなり劣る。

【００２３】（ｄ）．（ｃ）において延性・強度ともに
改善が認められた合金（Ａｌ濃度４４原子％程度，Ｃｒ
濃度５原子％程度）にＮｂを８原子程度添加した合金の
特性は次の通りである。 イ）．組織は（Ｃ）の合金と同様に、γ＋βの２相組織
である。 ロ）．延性は（ｃ）と大差ないものの、強度は（ｃ）の
合金よりさらに優れている。

【００２４】ハ）．耐酸化性は（ｃ）の合金よりはるか
に優れており、（ｂ）の合金とほぼ同等である。即ち、
Ａｌ濃度を４４原子％程度とし、Ｃｒを５原子％程度，
Ｎｂを８原子％程度添加したＴｉ−Ａｌ系合金はγ＋β
の２相組織であり、延性については従来技術の合金とほ
ぼ同等であるものの、強度及び耐酸化性では従来技術の
合金をはるかに陵駕することがわかった。

【００２５】（ｅ）．（ｄ）の合金にＴａを添加した合
金、具体的にはＡｌ濃度４４原子％程度で，Ｃｒを５原
子％程度，Ｎｂを８原子％程度，Ｔａを３原子％程度添
加した合金の特性は次の通りである。 イ）．組織は、（ｃ），（ｄ）の合金と同様にγ＋βの
２相組織である。

【００２６】ロ）．延性は（ｄ）の合金に較べると若干
劣るものの、強度は（ｄ）の合金よりもさらに向上す
る。また、この向上程度は高温域において、特に顕著で
ある。 ハ）．耐酸化性は（ｄ）の合金とほぼ同等である。 即ち、この合金は（ｄ）の合金とほぼ同等の特性を持つ
が、（ｄ）と較べると特に高温域において高強度であ
り、逆に常温域においては延性は若干劣る。本発明は、
上記知見等に基づくいてなされたもので、

【００２７】（１）Ｔｉ：３４〜５２原子％，Ａｌ：４
０〜４６原子％，Ｃｒ：３〜８原子％，Ｎｂ：５〜１２
原子％を含有することを特徴とするＴｉ−Ａｌ系金属間
化合物合金（第１化合物合金）、あるいは

【００２８】（２）Ｔｉ：３０〜５１原子％，Ａｌ：４
０〜４６原子％，Ｃｒ：３〜８原子％，Ｎｂ：５〜１２
原子％，Ｔａ：１〜４原子％を含有することを特徴とす
るＴｉ−Ａｌ系金属間化合物合金（第２化合物合金）で
ある。

【００２９】

【作用】以下、上記Ｔｉ−Ａｌ系金属間化合物合金を構
成する各成分量の限定理由を各成分の作用と共に説明す
る。 （１）Ｔｉ

【００３０】前記第１化合物合金においては、Ｔｉ濃度
が５２原子％を越えると、非常に脆い相，即ちＣｒ₂ Ｔ
ｉ相（ラーベス相）及びＮｂ₂ Ａｌ相（シグマ相）が多
量に生成するため、延性が低下する。一方、Ｔｉ濃度が
３４原子％未満になると、γ相の割合が増加し、β相の
割合が必要以上に減少しすぎる。また、同時にγ相の結
晶軸比が大きくなるため、延性，強度とも低下する。

【００３１】前記第２化合物においては、Ｔｉ濃度が５
１原子％を越えると、非常に脆い相，即ちＣｒ₂ Ｔｉ相
（ラーベス相）及び（Ｎｂ，Ｔａ）₂ Ａｌ相（シグマ
相）が多量に生成するため、延性が低下する。一方、Ｔ
ｉ濃度が３０原子％未満になると、γ相の割合が増加
し、β相の割合が必要以上に減少しすぎる。また、同時
にγ相の結晶軸比が大きくなるため、延性，強度とも低
下する。 （２）Ａｌ

【００３２】前記第１，第２化合物合金において、Ａｌ
濃度が４６原子％を越えると、γ相の割合が増加し、β
相の割合が必要以上に減少しすぎる。また、同時にγ相
の結晶軸比が大きくなるため、延性・強度とも低下す
る。一方、Ａｌ濃度が４０原子％未満になると、非常に
脆い相，即ちＣｒ₂ Ｔｉ相（ラーベス相）及びＮｂ₂ Ａ
ｌ相（シグマ相）が多量に生成するため、延性が低下す
る。 （３）Ｃｒ

【００３３】前記第１，第２化合物合金において、β相
を安定化させる働きを持つが、Ｃｒ濃度が８原子％を越
えると、非常に脆い，Ｃｒ₂ Ｔｉ相（ラーベス相）が多
量に生成するため、延性が低下する。一方、３原子％未
満になると、添加効果が認められなくなる。 （４）Ｎｂ

【００３４】前記第１，第２化合物合金において、強度
並びに耐酸化性を向上させる働きを持つが、Ｎｂ濃度が
１２原子％を越えると、非常に脆いＮｂ₂ Ａｌ層（シグ
マ層）が多量に生成するため、延性が低下する。一方、
５原子未満になると、添加効果が認められなくなる。 （５）Ｔａ

【００３５】前記第２化合物合金において、強度（特に
高温域での）をさらに向上させる働きをもつが、Ｔａ濃
度が４原子％を越えると、非常に脆い（Ｎｂ，Ｔａ）₂
Ａｌ相（シグマ相）が多量に生成するため、延性が低下
する。一方、１原子未満になると、添加効果が認められ
なくなる。

【００３６】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。

【００３７】純度９９．９％のスポンジチタン，純度９
９．９９％のＡｌ，純度９９．９％のＣｒ，純度９９．
９％のＮｂ，及び純度９９．９％のＴａを原料として用
い、非消耗電極式アーク溶解炉によって、下記「表１」
に示す化学組成のインゴットを溶製した。

【００３８】

【表１】 次に、このインゴットを１０００℃で５０時間焼鈍した
後、機械加工により外径４ｍｍ標点間距離１８ｍｍの引
張試験片を切り出して引張試験を実施した。

【００３９】また、同じインゴットにより１５ｍｍ×２
０ｍｍ×２ｍｍの平板状の酸化試験片を切り出し、コメ
リー紙で１０００番まで研磨した後、酸化試験を行っ
た。試験温度は９００℃であり、大気中で１００時間保
持した後の酸化増量値により耐酸化性を評価した。

【００４０】なお、上記「表１」には、比較のためＴｉ
−Ａｌ２元系材で最も特性が優れいているＴｉ５２原子
％Ａｌ４８原子％を含有する合金（γ＋α₂ の２相組
織）、従来技術であるＣｒを添加した合金，具体的には
組成Ｔｉ５０原子％Ａｌ４８原子％Ｃｒ２原子％の合金
（γ＋α₂ の２相組織）、及び同様に従来技術であるＮ
ｂを添加した合金，具体的には組成Ｔｉ４８原子％Ａｌ
４８原子％Ｎｂ４原子％の合金（γ＋α₂ の２相組織）
について、同様の試験を実施した結果を併記した。

【００４１】上記「表１」に示めされる結果からも明ら
かのように、本発明の合金は比較材に比べて、室温及び
８００℃において延性を低下させることなしに著しく優
れた強度を示している。また、耐酸化性も比較材に比べ
ると著しく優れている。

【００４２】

【発明の効果】以上詳述した如く本発明によれば、高強
度で延性に富み、また耐酸化性も優れ、航空機用エンジ
ン，発電用ガスタービン等の性能を向上を図ることがで
きる等産業上極めて有用なＴｉ−Ａｌ系金属間化合物合
金を提供できる。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｔｉ：３４〜５２原子％，Ａｌ：４０〜
   ４６原子％，Ｃｒ：３〜８原子％，Ｎｂ：５〜１２原子
   ％を含有することを特徴とするＴｉ−Ａｌ系金属間化合
   物合金。
2. 【請求項２】 Ｔｉ：３０〜５１原子％，Ａｌ：４０〜
   ４６原子％，Ｃｒ：３〜８原子％，Ｎｂ：５〜１２原子
   ％，Ｔａ：１〜４原子％を含有することを特徴とするＴ
   ｉ−Ａｌ系金属間化合物合金。