JPH06184682A - 耐熱性および常温延性に優れたＴｉ−Ａｌ系金属間化合物 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 ４４〜５２原子％のＡｌを含み、α₂ 相（Ｔ
ｉ₃ Ａｌ）とγ相（ＴｉＡｌ）の２相もしくはγ相単相
からなるＴｉ−Ａｌ系金属間化合物を主体とし、且つＩ
ｒ，Ｒｕ，Ｗよりなる群から選択される少なくとも１種
の元素を合計で０．５〜１０原子％含有し、或は更に他
の元素としてＣｒ，Ｍｎ，Ｖ，Ｍｏよりなる群から選択
される少なくとも１種の元素を含み、残部が不可避不純
物からなる耐熱性および常温延性に優れたＴｉ−Ａｌ系
金属間化合物。 【効果】 軽量耐熱材料として期待されているＴｉ−Ａ
ｌ系金属間化合物を更に改質したもので、殊に構造材料
として必要な常温延性を確保しつつ耐熱強度を高めたの
で、その利用範囲を大幅に拡大することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、次世代の軽量耐熱材料
として期待されているＴｉ−Ａｌ系金属間化合物の改良
に関し、殊に特定の合金元素を添加することによって、
構造材料として必要な常温延性を確保しつつ耐熱強度を
改善したＴｉ−Ａｌ系金属間化合物に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】ＴｉＡｌ（γ相）単独もしくはこれらと
共にＴｉ₃ Ａｌ（α₂ 相）を含むＴｉ−Ａｌ系金属間化
合物は、軽量で耐熱性に優れたものであることから、次
世代の輸送機器等の耐熱部品材料として注目されてい
る。しかしながらこれらのＴｉ−Ａｌ系金属間化合物
は、一般の金属間化合物の例にもれず、常温における延
性・靭性および熱間加工性が悪いという欠点を有してお
り、且つ耐熱性や耐酸化性の面でも必ずしも十分な性能
を有しているとはいえず、実用材料として汎用されるま
でには至っていない。

【０００３】そこでＴｉ−Ａｌ系金属間化合物における
上記の欠点や課題を克服するために、合金設計や組織制
御、加工プロセス等の観点から多くの改良研究が進めら
れており、このうち合金設計に関しては、現状を下記の
様にまとめることができるが、提案されたいずれの合金
にも何らかの問題点あるいは不十分な点が残されてお
り、全ての欠点や課題を克服し得る様な技術は確立され
ていない。

【０００４】(1) 常温延性を向上させるための添加元素
としてＣｒ，Ｖ，Ｍｎ等を添加すると、常温延性のみな
らず熱間加工性も改善されることが分かっているが、一
方では耐熱性を低下させるという逆効果をもたらす。従
って、上記元素を単に添加するだけでは常温延性と耐熱
性の両立は達成されない。

【０００５】(2) 耐熱性を向上させるための添加元素と
してＳｉ，Ｚｒ，Ｓｎ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｃ，Ｎ等を添加す
ると、耐熱性は向上する反面、常温延性が著しく劣化す
る。またこれらの元素は、高温強度を高める効果がそれ
ほど大きくないため、満足のいく耐熱強度を得るには多
量に添加しなければならず、その結果、常温延性や熱間
加工性に悪影響をもたらす。

【０００６】(3) 耐酸化性を向上させるための添加元素
としてＮｂ，Ｔａ，Ｗ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｐ，Ａｓ，Ｓｂ，
Ｓｅ，Ｔｅ等極めて多くの元素が提案されているが、一
部の元素を除いてそれらの常温延性や熱間加工性、耐熱
性等に及ぼす影響は必ずしも明確にされていない。一般
には、耐熱性を向上させる元素と重複しているものが多
く、それらの元素については、前記(2) で示したのと同
様の問題点が指摘される。その他の元素については、耐
酸化性以外の特性に及ぼす影響を今後明らかにしていく
必要がある。

【０００７】(4) 常温延性と耐熱性または耐酸化性の両
立を図るために、常温延性改善元素と、耐熱性または耐
酸化性改善元素の両方を複合添加したＴｉ−Ａｌ系金属
間化合物も提案されており、この種のものとしては、Ｔ
ｉＡｌ−Ｃｒ−Ｎｂ，ＴｉＡｌ−Ｃｒ−Ｔａ，ＴｉＡｌ
−Ｃｒ−Ｓｉなど、前記の元素を組合わせて添加した多
数の合金が考えられており、その性能についても多くの
例が公表されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記の様にＴｉ−Ａｌ
系金属間化合物の各種特性に及ぼす合金組成の影響はあ
る程度明らかにされている。特に、最近における常温延
性の向上は目覚ましく、上記の様な添加元素とミクロ組
織の適正化によって、例えば４％程度を超える常温引張
伸びを有する合金も得られる様になっている。一方耐熱
性については、上記(2) に示した様な有効元素が見つか
っているものの、その効果はそれほど大きくなく、常温
延性を確保できる範囲の添加量では十分な耐熱強度が得
られない。更に、酸化物や炭化物等のセラミックスを複
合することによって耐熱性を高めようとする試みもあ
り、この種の材料では顕著な耐熱性向上効果が得られる
ものの、常温延性の劣化が著しい。いずれにしても、耐
熱性と常温延性においてバランスのとれた金属間化合物
は現在のところ提案されていない。

【０００９】本発明は上記の様な事情に着目してなされ
たものであって、その目的は、常温延性をある程度確保
しながら耐熱性を画期的に改善されたＴｉ−Ａｌ系金属
間化合物を提供しようとするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成した本発
明に係るＴｉ−Ａｌ系金属間化合物の構成は、４４〜５
２原子％のＡｌを含み、α₂ 相（Ｔｉ₃ Ａｌ）とγ相
（ＴｉＡｌ）の２相もしくはγ相単相からなるＴｉ−Ａ
ｌ系金属間化合物を主体とし、且つＩｒ，Ｒｕ，Ｗより
なる群から選択される少なくとも１種の元素を合計で
０．５〜１０原子％含有し、あるいは更に他の元素とし
てＣｒ，Ｍｎ，Ｖ，Ｍｏよりなる群から選択される少な
くとも１種の元素を含み、残部が不可避不純物からなる
ものであるところに要旨を有するものである。

【００１１】

【作用】本発明においては、先ずベースとなる金属間化
合物として、４４〜５２原子％のＡｌを含み、α₂ 相
（Ｔｉ₃ Ａｌ）とγ相（ＴｉＡｌ）の２相もしくはγ相
単相からなるＴｉ−Ａｌ系金属間化合物を主体とするも
のが選択される。即ち、Ｔｉ−Ａｌ系金属間化合物は、
一般の耐熱合金に較べると優れた耐熱性を有しており、
且つ軽量で比強度の高いものであり、本発明ではこうし
たＴｉ−Ａｌ系金属間化合物の特徴を有効に活用するこ
とを前提とする。

【００１２】そして、後述する様な添加元素の効果を有
効に発揮させるには、該Ｔｉ−Ａｌ系金属間化合物とし
て、４４〜５２原子％のＡｌを含み、主にα₂ 相（Ｔｉ
₃ Ａｌ）とγ相（ＴｉＡｌ）の２相もしくはγ相単相か
らなるものを選択する必要がある。即ちＡｌ含有量が４
４原子％未満、およびＡｌ含有量が５２原子％を超える
Ｔｉのもになると、いずれも常温延性が極端に低下する
という問題が生じるからである。

【００１３】尚、Ａｌ含有量が４４〜５２％のＴｉＡｌ
は、状態図からも明らかである様に必然的にα₂ 相とγ
相の２相もしくはγ相単相となるが、Ｃｒ等の第３元素
を添加した場合は、極小量のβ相が生じることもある。

【００１４】ところで、上記相構造の要件を満たすＴｉ
−Ａｌ系金属間化合物は、耐熱性が不十分であることは
先に説明した通りである。そこで、Ｔｉ−Ａｌ系金属間
化合物の耐熱性を向上させるための添加元素として高融
点金属に着目し、各種高融点元素を含有させた合金系に
ついて耐熱強度と常温延性に与える影響を調べた。その
結果、多くの高融点元素のうち特にＩｒ，Ｒｕ，Ｗの３
種の元素は、Ｔｉ−Ａｌ系金属間化合物の常温延性をそ
れほど低下させることなく耐熱性を大幅に向上させるこ
とが確認された。その他の元素についても並行して添加
効果を調べたが、結果は以下に示す通りであり、上記３
種の元素に較べるとその効果に欠けるものであった。

【００１５】1)Ｙ，Ｒｈ，Ｒｅ：優れた耐熱性改善効果
を発揮するものの、常温延性の低下が著しい。 2)Ｔａ，Ｎｂ：常温延性の低下はそれほど大きくない
が、耐熱性改善効果が乏しい。

【００１６】図１は、Ｔｉ−５０原子％Ａｌを基本組成
とし、これに種々の耐熱性向上元素を夫々０．５〜５原
子％含有させたものについて、８００℃でのビッカース
硬さと常温曲げ延性の関係を調べた結果を示したもので
あり、種々の耐熱性向上元素のうち特にＩｒ，Ｒｕ，Ｗ
の３種は、常温曲げ延性をそれほど低下させることなく
耐熱強度を著しく高める作用を発揮することが分かる。

【００１７】また図２，３は、Ｔｉ−５０原子％Ａｌを
基本組成とし、Ｉｒ，Ｒｕ，Ｗの各添加量を変えた場合
の高温強度に与える影響を調べた結果（図２は８００℃
でのビッカース強度、図３は９００℃でのビッカース強
度）を示したものであり、これらの図からも明らかであ
る様に、Ｉｒ，Ｒｕ，Ｗはいずれも添加量を増やすにつ
れて耐熱強度は徐々に向上するが、その結果を有効に発
揮させるには夫々０．５原子％以上含有させる必要があ
る。但し、それらの添加効果がより明確に表れるのは夫
々２原子％以上であるから、好ましくは２原子％以上と
することが望まれる。

【００１８】尚、これら３種の元素のうち最も優れた耐
熱性改善効果を発揮するのはＩｒである。いずれの元素
にしても、含有量が約３原子％までの耐熱性改善効果は
顕著であるが、それ以上の添加量になるとその改善効果
が緩慢となり、約１０原子％でその効果は飽和する。従
って１０原子％を超える添加は経済的に無駄である。

【００１９】次に図４は、同じくＴｉ−５０原子％Ａｌ
を基本組成とし、耐熱性改善元素の各添加量を変えた場
合の常温曲げ延性に与える影響を調べた結果を示したも
のであり、Ｉｒ，Ｒｕ，Ｗについては夫々５％以下の添
加量であれば、常温延性の低下はそれほど問題とならな
い。しかし１０原子％を超えて過多に添加すると、常温
延性の低下が明確に表れてくるばかりでなく、これらの
元素はいずれも高比重であるため、軽量耐熱材料として
のＴｉ−Ａｌ系金属間化合物の特長にも悪影響が表われ
てくるので、これら元素の添加量の上限は１０原子％と
定めた。

【００２０】上記の様に本発明では、Ｔｉ−Ａｌ系金属
間化合物中に特定量のＩｒ，Ｒｕ，Ｗの一種もしくは２
種以上を含有させたところに特徴を有しているが、これ
らに加えてＣｒ，Ｍｎ，Ｖ，Ｍｏよりなる群から選択さ
れる元素を適量含有させると、延性を一段と高めること
ができるので好ましい。即ち図５は、Ｔｉ−Ａｌ系金属
間化合物中にＩｒ，ＲｕまたはＷと共にＣｒ，Ｍｎ，Ｖ
もしくはＭｏを加えた４成分系の合金について常温曲げ
延性と８００℃におけるビッカース硬さの関係を調べた
結果を示したものであり、Ｃｒ，Ｍｎ，ＶもしくはＭｏ
を複合添加することによって、常温曲げ延性を一段と高
め得ることが分かる。これらの元素の中でも、特に優れ
た耐熱性改善効果を発揮するのはＣｒであり、とりわけ
ＩｒとＣｒを複合添加すると、常温延性と耐熱強度とを
高レベルでバランスの取れたものとすることができるの
で好ましい。

【００２１】尚これらＣｒ，Ｍｎ，ＶもしくはＭｏの耐
熱性改善効果を有効に発揮させるには、これらの１種も
しくは２種以上を０．５原子％以上、より好ましくは１
原子％以上添加すべきであるが、添加量が多くなり過ぎ
ると常温延性に悪影響が表われてくるので、５原子％以
下、より好ましくは３原子％以下に抑えることが望まれ
る。

【００２２】

【実施例】以下、実施例を挙げて本発明の構成及び作用
効果をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記
実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の
趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施するこ
とも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的
範囲に含まれる。

【００２３】実験例１ プラズマアーク溶解法によって下記成分組成（原子％）
の鋳塊を製造し、１２００℃×２４時間（ＦＣ）の均熱
処理を施して供試材とした。 Ｔｉ−４０％Ａｌ Ｔｉ−４２％Ａｌ Ｔｉ−４４％Ａｌ Ｔｉ−４８％Ａｌ Ｔｉ−５２％Ａｌ Ｔｉ−５６％Ａｌ

【００２４】均熱処理後、５×４×４０ｍｍの板状試験
片をサンプリングし、常温曲げ試験によって各供試材の
常温延性を評価した。常温曲げ試験の条件は、スパン距
離３０ｍｍ、クロスヘッド速度０．１ｍｍ／ｍｉｎと
し、３点曲げにより試験片が破壊するまでの撓み量をス
パン距離で割った値をもって曲げ延性を評価した。

【００２５】表１はそれらの試験結果を示したものであ
り、Ａｌ含有量が４２原子％以下および５６原子％では
延性はほとんどゼロとなり、４４〜５２原子％の間で若
干の延性が認められること、さらに、Ａｌ含有量が４８
原子％近傍に延性のピークが存在すること、等が明らか
である。引張試験で常温延性を調べた同様な結果はすで
に報告されているが、その傾向は表１の結果と一致して
おり、この結果から、本実験で採用した曲げ試験法はＴ
ｉ−Ａｌ系金属間化合物の常温延性評価法として適正で
あると判断する。

【００２６】

【表１】

【００２７】実験例２ プラズマアーク溶解法によって下記成分組成（原子％）
の鋳塊を製造し、１２００℃×２４時間（ＦＣ）の均熱
処理を施して供試材とした。 Ｔｉ−５０％Ａｌのみ Ｔｉ−５０％Ａｌ＋（0.5, 1, 3, 5）％Ｔａ Ｔｉ−５０％Ａｌ＋（0.5, 1, 3, 5）％Ｎｂ Ｔｉ−５０％Ａｌ＋（0.5, 1, 3, 5）％Ｗ Ｔｉ−５０％Ａｌ＋（0.5, 1, 3, 5）％Ｒｅ Ｔｉ−５０％Ａｌ＋（0.5, 1, 3, 5）％Ｉｒ Ｔｉ−５０％Ａｌ＋（0.5, 1, 3, 5）％Ｒｕ Ｔｉ−５０％Ａｌ＋（0.5, 1, 3, 5）％Ｒｈ Ｔｉ−５０％Ａｌ＋（0.5, 1, 3, 5）％Ｙ

【００２８】均熱処理後サンプリングし、夫々について
耐熱強度と常温延性を、高温ビッカース硬度試験および
常温曲げ試験によって評価した。尚高温ビッカース硬さ
は、Ｔｉ−Ａｌ系金属間化合物の一般的な使用条件と想
定される高温域の８００℃と９００℃を標準として測定
し、また常温曲げ試験は、５×４×４０mmの板状試験片
を使用し、スパン距離３０mm、クロスヘッド速度０．１
mm/minの条件で３点曲げにより、試験片が破壊するまで
の撓み量をスパン距離で割った値をもって曲げ延性を評
価した。

【００２９】図１〜４はそれらの試験結果を示したもの
であり、図１は８００℃におけるビッカース硬さと常温
曲げ延性の関係、図２、３は８００℃および９００℃で
のビッカース硬さ、図４は常温での曲げ延性と第３元素
添加量の関係を夫々示している。

【００３０】これらの図からも明らかである様に、Ｉ
ｒ，ＲｕまたはＷを添加したものの測定値は、例えば図
１の右上側にプロットされており、耐熱強度および常温
延性においてバランスの取れた特性を有することがわか
る。これらに対してＹ，Ｒｈ，Ｒｅの添加は、優れた耐
熱強度向上効果が得られるものの常温延性の低下が著し
く、またＴａ，Ｎｂは、常温延性には余り悪影響を及ぼ
さないが、耐熱強度向上効果が乏しい。また図２〜４の
結果も含めて次の様に評価することができる。

【００３１】・高温硬さは、添加元素の量を増やすにつ
れて上昇するが、同一添加量で比較するとＩｒが最も優
れた高温強度向上効果を有している。 ・Ｉｒの場合、約３原子％までの添加で高温強度は著し
く上昇し、５原子％程度でその効果は飽和する傾向が見
られる。 いずれにしてもＩｒ，Ｒｕ，Ｗは、他の添加元素に較べ
て常温強度を余り低下させずに高温強度を高める上で効
果的な元素であり、特にＩｒの添加効果は最も優れたも
のといえる。

【００３２】実験例３ 上記実験例２で明らかとなった耐熱性および常温延性改
善元素（Ｉｒ，Ｒｕ，Ｗ）と、常温延性改善効果を有す
ることが知られているＣｒ，Ｍｎを複合添加した場合の
効果を確認するため、上記実験例１と同様の物性試験を
行なった。尚、供験材の組成は下記の通り（原子％）と
し、同様の方法で試料片を作製した後、８００℃での高
温強度および常温曲げ延性を測定した。

【００３３】Ｔｉ−４８Ａｌ−２Ｃｒ−（ 1, 3 ）Ｉｒ Ｔｉ−４８Ａｌ−２Ｃｒ−（ 1, 3 ）Ｒｕ Ｔｉ−４８Ａｌ−２Ｃｒ−（ 1, 3 ）Ｗ Ｔｉ−４８Ａｌ−２Ｍｎ−（ 1, 3 ）Ｉｒ Ｔｉ−４８Ａｌ−２Ｖ−（ 1, 3 ）Ｉｒ Ｔｉ−４８Ａｌ−２Ｍｏ−（ 1, 3 ）Ｉｒ

【００３４】結果は図５に示す通りであり、Ｉｒ，Ｒｕ
またはＷと共に適量のＣｒやＭｎを複合添加すると、得
られるＴｉ−Ａｌ系金属間化合物の常温延性は一段と改
善され、特にＣｒとＩｒを複合添加したものは、高温強
度と常温延性の両方において非常に優れた効果を発揮す
ることがわかる。

【００３５】

【発明の効果】本発明は以上の様に構成されており、Ｔ
ｉ−Ａｌ系金属間化合物中にＩｒ，ＲｕまたはＷを適量
含有せしめ、或は更に他の成分としてＣｒ，Ｍｎ，Ｖま
たはＭｎを適量含有させることによって、常温延性を低
下させることなく高温強度を大幅に改善することがで
き、軽量耐熱材料としてのＴｉ−Ａｌ系金属間化合物の
特徴を更に高めつつ成形加工性を高めたので、その利用
範囲を大幅に拡大することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ｔｉ−Ａｌに第３元素を添加した時の常温曲げ
延性とビッカース硬さとの関係を示すグラフである。

【図２】Ｔｉ−Ａｌに対する第３元素の添加量と８００
℃におけるビッカース硬さとの関係を示すグラフであ
る。

【図３】Ｔｉ−Ａｌに対する第３元素の添加量と９００
℃におけるビッカース硬さとの関係を示すグラフであ
る。

【図４】第３元素の添加量と常温曲げ延性の関係を示す
グラフである。

【図５】Ｔｉ−Ａｌ−（Ｉｒ，ＲｕまたはＷ）に対して
更に他の元素として耐熱性向上元素を添加したものにつ
いて、常温曲げ延性と８００℃におけるビッカース硬さ
との関係を示すグラフである。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ４４〜５２原子％のＡｌを含み、α₂ 相
   （Ｔｉ₃ Ａｌ）とγ相（ＴｉＡｌ）の２相もしくはγ相
   単相からなるＴｉ−Ａｌ系金属間化合物を主体とし、且
   つＩｒ，Ｒｕ，Ｗよりなる群から選択される少なくとも
   １種の元素を合計で０．５〜１０原子％含有し、残部が
   不可避不純物からなるものであることを特徴とする耐熱
   性および常温延性に優れたＴｉ−Ａｌ系金属間化合物。
2. 【請求項２】 他の元素としてＣｒ，Ｍｎ，Ｖ，Ｍｏよ
   りなる群から選択される少なくとも１種の元素を含むも
   のである請求項１記載のＴｉ−Ａｌ系金属間化合物。