JPH0587592B2 - - Google Patents

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JPH0587592B2
JPH0587592B2 JP16616088A JP16616088A JPH0587592B2 JP H0587592 B2 JPH0587592 B2 JP H0587592B2 JP 16616088 A JP16616088 A JP 16616088A JP 16616088 A JP16616088 A JP 16616088A JP H0587592 B2 JPH0587592 B2 JP H0587592B2
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JP
Japan
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thin film
film layer
tial
ions
composite material
Prior art date
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JP16616088A
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JPH0215164A (ja
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Tokiaki Hayashi
Shuji Hida
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SURFACE HIGH PERFORMANCE RES
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SURFACE HIGH PERFORMANCE RES
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Description

【発明の詳細な説明】
[産業上の利用分野] 本発明は、航空機や宇宙関連部品の軽量耐熱材
料として有用な複合材料に関するものである。 [従来の技術及び課題] Ti又はTi合金は、軽量で比強度が高いため、
航空機や宇宙関連の各種部品として開発されてき
たが、最近、高温材料としても注目されている。
しかしながら、Ti又はTi合金は高温耐酸化性が
著しく劣るため、使用温度が制限されるという問
題があつた。 このようなことから、Ti又はTi合金の基材上
に高温耐酸化性の優れたTiAl系金属間化合物の
薄膜層を被覆して複合材料とすることが試みられ
ている。しかしながら、かかる複合材料において
も高温の酸化性雰囲気に曝すと、TiAl系金属間
化合物の薄膜層中のAlが基材側へ内方拡散し、
次第にAl濃度の低い薄膜層が形成されるように
なり、最後には耐酸化性を有するTiAl系金属間
化合物の薄膜層が喪失して耐酸化性処理の効果が
消滅してしまうという問題があつた。 本発明は、上記従来の課題を解決するためにな
されたもので、軽量化、耐熱性に優れていると共
に、高温下での耐酸化性を改善した複合材料を提
供しようとするものである。 [課題を解決するための手段] 本発明は、Ptイオン又はPtとAlの両イオンの
注入により表面にPt相もしくはPt−Al相が形成
されたTi又はTi合金からなる基材と、この基材
のPt相もしくはPt−Al相が形成された表面に被
覆されたTiAl系金属間化合物の薄膜層とを具備
したことを特徴とする複合材料である。 上記Ti合金としては、例えばTiにAl、V、
Mo、Cr、Mn、Feなどの遷移金属、及びこれら
の遷移金属と共に含有されるC、Oからなる組成
を挙げることができる。 上記TiAl系金属間化合物としては、Ti3Al、
TiAl、TiAl3等を挙げることができる。特に、
TiAl系金属間化合物の薄膜層による高温での耐
酸化性はその表面にAl2O3保護被膜が形成される
ことによつてなされることから、該TiAl系金属
間化合物としてはAl量の多いTiAl、TiAl3を用
いることが望ましい。こうしたTiAl系金属間化
合物の薄膜層の基材表面への被覆手段としては、
各種のCVD法、又は真空蒸着法、高周波スパツ
タリング法、マグネトロンスパツタリング法、イ
オンビームスパツタリング法などのPVD法、或
いは蒸着とイオン注入とを同時に行なうイオンミ
キシング法等を採用し得るが、基材界面での密着
性を向上させる観点から前記イオンミキシング法
が好適である。 また、本発明は上記基材表面にSi、Sc、Y、
La、Ce及びHfから選ばれる1種又は2種以上を
イオン注入されたTiAl系金属間化合物の薄膜層
を被覆したことを特徴とする複合材料である。 [作用] 本発明によれば、Ti又はTi合金からなる基材
におけるPtイオン又はPtとAlの両イオンの注入
によりPt相もしくはPt−Al相が形成された表面
にTiAl系金属間化合物の薄膜層を被覆すること
によつて、高温酸化性雰囲気に曝した場合に該薄
層膜から拡散されるAlは前記基材表面のPt相も
しくはPt−Al相と反応してPt−Al化合物として
固定化するため、該薄膜層中のAlの基材側への
拡散を防止できる。その結果、TiAl系金属間化
合物の薄膜層中に充分な量のAlを含有させるこ
とができるため、高温酸化性雰囲気下において
TiAl系金属間化合物の薄膜層の表層に酸化保護
被膜として寄与するAl2O3を形成でき、Ti又はTi
合金の優れた軽量性、耐熱性と共にTiAl系金属
間化合物の薄膜層による高温耐酸化性が効果的に
付与された複合材料を得ることができる。また、
基材表面へのPt相もしくはPt−Al相の形成を、
イオン注入手段により行なうことによつて基材表
面に高純度のPt相もしくはPt−Al相を形成でき
ること、所定な原子数単位でかつ目的とした濃度
分布を有するPt相もしくはPt−Al相を精度よく
形成できること、Pt−Al相を形成する際にPtと
Alを各々独立的に制御して導入できること、等
の利点を有する。更に、TiAl系金属間化合物の
薄膜層をイオンミキシング法により基材表面に形
成することによつて、基材表面でのミキシング作
用により薄膜層の基材に対する密着性を向上でき
る。しかも、基材と薄膜層との間にそれらの組成
的傾斜構造を有する中間層を形成できるため、応
力歪みを緩和できる。 また、基材表面にSi、Sc、Y、La、Ce及びHf
から選ばれる1種又は2種以上をイオン注入され
たTiAl系金属間化合物の薄膜層を被覆すること
によつて、高温酸化性雰囲気で該薄膜層表面に形
成された耐酸化性保護被膜としてのAl2O3層の該
薄膜層に対する密着性を前記Si等のイオン注入成
分により向上できる。しかも、かかるAl2O3層の
密着性向上成分はTiAl系金属間化合物の薄膜層
自体の耐酸化性を阻害させないために該薄膜層に
対して微量添加する必要があるが、イオン注入手
法を採用することによつて該成分を微量かつ正確
に薄膜層に導入することが可能となる。 [発明の実施例] 以下、本発明の実施例を詳細に説明する。 実施例 1 まず、純Tiを加工して30mm×30mm×5mmの板
材を製作した後、この板材の片面を鏡面研磨し
た。つづいて、この板材を蒸着とイオン注入機能
を同一真空内に有する真空チヤンバ内に設置した
後、質量分離されたAlイオンを加速電圧80keV、
ドーズ量1×1017/cm2の条件で、Ptイオンを加速
電圧160keV、ドーズ量0.5×1017/cm2の条件で
夫々板材にイオン注入した。ひきつづき、同一チ
ヤンバ内においてTiAl(1:1)合金のターゲツ
トにスパツタ電圧3kV、電流密度2.5mA/cm2の条
件でArイオンを衝突させてTiAl合金を板材にス
パツタリング蒸着を行ないながら、別のイオン源
から電圧100V、電流密度0.3mA/cm2の条件で板
材をArイオンアシスト処理を行なつて板材のPt
−Al相が形成された表面に厚さ3μmのTiAl合金
からなる薄膜層を形成して複合材料を製造した。 真空チヤンバから取出した複合材料を肉眼及び
光学顕微鏡で観察した。その結果、複合材料表面
に形成されたTiAl合金薄膜層のクラツク、剥離
等の欠陥は全く認められなかつた。 実施例 2 まず、Ti合金(6Al−4V−Ti)を加工して30
mm×30mm×5mmの板材を製作した後、この板材の
片面を鏡面研磨した。つづいて、この板材を蒸着
とイオン注入機能を同一真空内に有する真空チヤ
ンバ内に設置した後、質量分離されたPtイオン
を加速電圧160keV、ドーズ量0.5×1017/cm2の条
件で板材にイオン注入した。ひきつづき、同一チ
ヤンバ内においてEB蒸着法のトリプルハース方
式によりTiを3.8Å/secの蒸着速度で、Alを5.7
Å/secの蒸着速度で夫々板材のイオン注入層表
面に真空蒸着を行ないながら、バケツト型イオン
源によりArイオンを加速電圧10keV、電流75mA
の条件で板材に照射して、厚さ3μmのTiAl3合金
からなる薄膜層を形成して複合材料を製造した。 真空チヤンバから取出した複合材料を肉眼及び
光学顕微鏡で観察した。その結果、複合材料表面
に形成されたTiAl合金薄膜層のクラツク、剥離
等の欠陥は全く認められなかつた。 比較例 1 まず、実施例1と同様な純Tiからなる板材の
鏡面研磨した片面にPtめつきを施し、Alの1120
℃でのパツク処理を行ない、更にPtめつきを施
した後、1150℃での拡散処理を施した。つづい
て、この板材を蒸着とイオン注入機能を同一真空
内に有する真空チヤンバ内に設置した後、実施例
1と同様な方法によりPtとAlが拡散処理された
板材表面に厚さ3μmのTiAl合金からなる薄膜層
を形成して複合材料を製造した。 比較例 2 まず、実施例2と同様なTi合金からなる板材
の鏡面研磨した片面にPtめつきを施し、Alの
1120℃でのパツク処理を行ない、更にPtめつき
を施した後、1150℃での拡散処理を施した。つづ
いて、この板材を蒸着とイオン注入機能を同一真
空内に有する真空チヤンバ内に設置した後、実施
例2と同様な方法により板材のPtとAlが拡散処
理された表面に厚さ3μmのTiAl3合金からなる薄
膜層を形成して複合材料を製造した。 しかして、本実施例1、2及び比較例1、2の
複合材料を900℃の高温酸化雰囲気中に30時間放
置して高温酸化試験を行ない、試験後の各複合材
料の外観を調べた。その結果を後掲する第1表に
示す。 実施例 3 実施例1と同様な方法により純Tiからなる板
材の鏡面研磨した片面にAlイオン及びPtイオン
を注入した後、板材のPt−Al相が形成された表
面に厚さ3μmのTiAl合金からなる薄膜層を形成
した。つづいて、Yイオンを加速電圧120keV、
電流0.1mA、ドーズ量5×1015/cm2の条件で薄膜
層にイオン注入して複合材料を製造した。 しかして、本実施例3及び前述した実施例1の
複合材料を酸化雰囲気下において900℃まで昇温
し、この後常温まで下げる急熱急冷操作を10回繰
返す高温酸化試験を行ない、試験後の各複合材料
の酸化に伴う重量増及び外観を調べた。その結果
を後掲する第2表に示す。 実施例 4 実施例1と同様な方法により純Tiからなる板
材の鏡面研磨した片面にAlイオン及びPtイオン
を注入した後、板材のPt−Al相が形成された表
面に厚さ3μmのTiAl合金からなる薄膜層を形成
した。つづいて、Siイオンを加速電圧120keV、
電流0.1mA、ドーズ量2×1015/cm2の条件で薄膜
層にイオン注入し、更にCeイオンを加速電圧
160keV、電流0.1mA、ドーズ量2×1015/cm2
条件で薄膜層にイオン注入して複合材料を製造し
た。 しかして、本実施例4及び前述した実施例1の
複合材料を酸化雰囲気下において900℃まで昇温
し、この後常温まで下げる急熱急冷操作を20回繰
返す高温酸化試験を行ない、試験後の各複合材料
の酸化に伴う重量増及び外観を調べた。その結果
を後掲する第3表に示す。 以上、後掲する第1表から第3表より明らかな
ように本実施例1〜4の複合材料は、優れた高温
耐酸化性を有することがわかる。また、板材上の
TiAl金属間化合物からなる薄膜層にYイオンを
注入した実施例3の複合材料は、同処理を施さな
い実施例1の複合材料に比べて苛酷な条件下の高
温酸化雰囲気においてより優れた耐酸化性を有す
ることがわかる。更に、板材上のTiAl金属間化
合物からなる薄膜層にSiイオン及びCeイオンを
注入した実施例4の複合材料は、同処理を施さな
い実施例1の複合材料に比べてより苛酷な条件下
の高温酸化雰囲気において一層優れた耐酸化性を
有することがわかる。 [発明の効果] 以上詳述した如く、本発明によれば軽量性、耐
熱性に優れていると共に、高温下での耐酸化性が
著しく改善され、航空機や宇宙関連の各種部品と
して極めて有用な複合材料を提供できる。
【表】
【表】
【表】

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 Ptイオン又はPtとAlの両イオンの注入によ
    り表面にPt相もしくはPt−Al相が形成されたTi
    又はTi合金からなる基材と、この基材のPt相も
    しくはPt−Al相が形成された表面に被覆された
    TiAl系金属間化合物の薄膜層とを具備したこと
    を特徴とする複合材料。 2 TiAl系金属間化合物の薄膜層は、Si、Sc、
    Y、La、Ce及びHfから選ばれる1種又は2種以
    上をイオン注入したものからなることを特徴とす
    る請求項1記載の複合材料。
JP16616088A 1988-07-04 1988-07-04 複合材料 Granted JPH0215164A (ja)

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JP2592961B2 (ja) * 1989-09-14 1997-03-19 株式会社神戸製鋼所 耐摩耗性Ti又はTi基合金部材
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