JPH0621302B2

JPH0621302B2 - Ｔｉ▲下３▼Ａ▲ｌ▼の製造方法

Info

Publication number: JPH0621302B2
Application number: JP1235766A
Authority: JP
Inventors: 亮輔鈴木; 勝敏小野; 敏雄大石; 徹岡部; 正志池澤
Original assignee: Kyoto University NUC
Current assignee: Kyoto University NUC
Priority date: 1989-09-13
Filing date: 1989-09-13
Publication date: 1994-03-23
Anticipated expiration: 2009-03-23
Also published as: JPH03100129A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明はチタン（Ｔi ）とアルミニウム（Ａｌ）の金属
間化合物Ｔi₃Ａｌをカルシウムを還元剤として所定の組
成で高純度で少ないエネルギーで量産する製造法に関す
るものである。

本発明の方法によって製造される多量の高純度のＴi₃Ａ
ｌを使用することにより、金属間化合物Ｔi₃Ａｌの微粉
体、大型焼結体の形成が可能となって、新材料技術の進
展に寄与し得る。これらの成形体は軽量で高強度であり
耐熱性を兼ね備えているために、これらを素材として各
種機器に組み込まれ、例えば、航空機や宇宙関連機器、
深海艇などの海洋関連機器や磁気浮上列車などの交通関
連機器などを構成する機械構造材料、ジェットエンジン
又は自動車用エンジン或いは発電機用タービン等に使わ
れるタービンブレード等の高温利用動力発生装置等、各
種の応用分野に使用されることが期待されている。

（従来の方法）優れた耐熱性、耐食性、および機械的強度を有するチタ
ン基の金属間化合物は軽量であるため、航空機、宇宙
船、深海艇などに必要な次世代の高機能材料として期待
されている。とりわけ、チタン（Ｔi ）とアルミニウム
（Ａｌ）の合金であるＴi₃Ａｌ，ＴiＡｌ，ＴiＡｌ
_３は、チタンとアルミニウム原子が強固に結合した比重
の小さい高強度の金属間化合物であるため、チタン基の
金属間化合物の中でも最も大きな期待が寄せられてい
る。

（従来の技術）上記の３つの金属間化合物を含むチタンとアルミニウム
の合金状態図を第１図に示した。これにより、ＴiＡｌ
（図中１の領域）及びＴiＡｌ_３（図中２の領域）はＴi
−Ａｌの合金液体３の領域から直接形成することが出来
る。すなわち、これら２つの化合物は一般的な合金の製
造方法である(1)純金属の製造と(2)溶解混合・凝固との
２つの方法の組合せからなる製造方法を適用できる。一
方、チタン75モル％、アルミニウム25モル％の組成の液
体からは高温相のβ−Ｔi （図中５の領域）が形成する
ため、Ｔi₃Ａｌ（図中４の領域）は以上の方法では製造
できなかった。

従って金属間化合物Ｔi₃Ａｌの製造方法は、もう一つの
一般的な金属間化合物の製造方法である、金属粉末の焼
結による方法も適用されている。これは金属チタンとア
ルミニウムの微細な粉末をチタン75モル％、アルミニウ
ム25モル％の組成になるように混合・加圧成形し、1500
Ｋ（1227℃）以下の温度で加熱して反応させるものであ
る。この方法では焼結反応速度や遅く、Ｔi 粒子の表面
に薄い膜としてＴiＡｌやＴiＡｌ_３が形成され易く、均
質なＴi₃Ａｌを純粋な単体として取り出すことは困難で
ある。

よって、従来のＴi₃Ａｌの製造方法は、先述の(1)と(2)
からなる一般的な方法に均質化処理を加えた複合工程か
らなるのが一般的である。第２図にその工程全体の概略
図を示した。これを工程順に説明すると次の通りであ
る。まず第１工程は、鉱石中に酸化物、すなわち二酸化
チタンおよび酸化アルミニウムの形態で存在するチタン
とアルミニウムとを純粋な酸化物の形態で取り出し、そ
れぞれの製錬工程を経て金属チタン及び金属アルミニウ
ムを得る工程である。この製錬工程はすでに確立された
産業技術を用いている。第２工程は、チタンとアルミニ
ウム金属を目標のチタン75％、アルミニウム25％の組成
になるよう溶解し、混合させる工程である。この方法で
得た合金液体を凝固させ、高温相のβ−Ｔi を形成させ
る。第３工程は、第１図に示したＴi₃Ａｌが安定に存在
する温度範囲（図中４の領域）、すなわち約1500Ｋ（12
27℃）以下の温度に充分長い時間保持することによって
高温相のβ−Ｔi を分解させ、チタンとアルミニウムの
原子の拡散混合を待ち、均一なＴi₃Ａｌを合成させる工
程である。

（発明が解決しようとする課題）以上の方法では、以下に列記するいくつかの問題点が存
在していた。

(1)チタン鉱石中に存在する不純物であるアルミニウム
及びアルミニウム鉱石中に存在する不純物チタンを製錬
工程で除去した後、改めてチタンとアルミニウムの両者
を混合するという非経済的な工程となる。

(2)金属チタンと金属アルミニウムの融点はそれぞれ194
3Ｋ（1670℃）及び933 Ｋ（660 ℃）であって極端に大
きな差があり、両者を融解させるには高度の技術が必要
である。さらに、活性な金属であるチタンとアルミニウ
ムを混合するために、両者を2000Ｋ（1727℃）近い高温
で、かつ真空中あるいは不活性ガス中で加熱する技術が
必要である。またこの時、アルミニウムの蒸気圧がチタ
ンに比べ非常に大きくなり、アルミニウムが合金液体か
ら蒸発するために、所定の組成のＴi₃Ａｌを均一に多量
に得ることは難しい。

(3)チタン75％、アルミニウム25％の組成では、高温で
β−Ｔi が熱力学的に安定であるため、第１図で領域４
で示される低温のＴi₃Ａｌ安定温度範囲で熱処理を行っ
ても、完全には相変態が完了せず、不純物として未反応
のβ−Ｔi が混入しやすい。さらに、金属間化合物の結
晶格子内部での原子の配列が乱れたりするために、得ら
れた金属間化合物の特性は理論上予測されているものに
は及ばなかった。

(4)従来の製造方法では、３つのプロセスが別個に行わ
れるために、チタンとアルミニウムの製造、合金液体の
製造、及び高温相のβ−Ｔi の分解に熱処理等にそれぞ
れ大きな熱エネルギーと時間と費用とを要し、結果とし
て高価な製造方法となっていた。

（課題を解決するための手段）本発明は、上記の問題点を解決することにより、高強度
でかつ耐熱性・耐食性があり軽量であることから次世代
材料として期待されているチタン（Ｔi ）とアルミニウ
ム（Ａｌ）の金属間化合物Ｔi₃Ａｌを任意の組成で再純
度にしかも少ないエネルギーで製造する量産型製造方法
を開発しようとしたものである。

本発明は、酸化物である二酸化チタンと酸化アルミニウ
ムをＴi とＡｌの組成が金属間化合物Ｔi₃Ａｌの組成に
なるように配合し混合することによりチタンとアルミニ
ウムの原子を可能な限り微細かつ均一に配合させた酸化
物混合体を作る第１工程と、この酸化物混合体に750 ℃〜1200℃の温度範囲の高温下
でカルシウム（Ｃa ）または水素化カルシウム（Ｃa
Ｈ₂）を作用させて還元する第２工程と、合成された金属間化合物Ｔi₃Ａｌから、副成するＣaＯ
を、水、または酸性水溶液、塩化アンモニウム水溶液等
の溶媒で溶解除去し、金属間化合物Ｔi₃Ａｌのみを純粋
に取り出す第３工程とより成ることを特徴とするＴi₃Ａ
ｌの製造方法にある。

本発明の他の目的とする所は、前記酸化物の混合体を造
る第１工程は所定配合の二酸化チタンと酸化アルミニウ
ムを機械的に混ぜ合せる乾式混合によるＴi₃Ａｌの製造
方法を提供するにある。

本発明の他の目的とする所は、前記酸化物混合体を造る
第１工程は、所定配合の四塩化チタンと塩化アルミニウ
ムとを酸性水溶液に混合、溶解させ、次にアンモニア水
で中和し、得られたコロイド状の白色沈殿を乾燥、脱水
し酸化物混合体を得る湿式混合によるＴi₃Ａｌの製造方
法を提供するにある。

本発明の他の目的とする所は、前記酸化物混合体を造る
第１工程は、所定配合の二酸化チタンと酸化アルミニウ
ムとの混合物を高温に加熱し溶解混合し、冷却して、酸
化物混合体を得るＴi₃Ａｌの製造方法を提供するにあ
る。

（作用）本発明は金属間化合物Ｔi₃Ａｌの製造方法として、
（Ａ）Ｔi とＡｌ原子の微細混合、（Ｂ）Ｔi とＡｌ原
子の相互拡散の促進、及び（Ｃ）Ｔi₃Ａｌ結晶の均一
化、（Ｄ）不純物除去などの相乗効果の結果として、Ｔ
i₃Ａｌの合成が可能になるとの知見を得、鋭意研究の結
果、大略以下のような３つの工程の組合せに基づく製造
方法を発明するに至った。

第１工程酸化物である二酸化チタンと酸化アルミニ
ウムとを配合し、混合することによりチタンとアルミニ
ウムの原子を可能な限り微細かつ均一に配合させた酸化
物混合体を作る。

第２工程この酸化物混合体に750 ℃〜1200℃の温度
範囲の高温下でカルシウム（Ｃa ）または水素化カルシ
ウム（ＣaＨ₂）を作用させて還元する工程であり、この
還元の過程において、チタン及びアルミニウム原子と結
合している酸素を、Ｃa またはＭg によって切り放すと
同時に、Ｔi とＡｌの結合を促進させる工程である。こ
の結果、粉末状の金属間化合物Ｔi₃Ａｌが酸化カルシウ
ム（ＣaＯ）とともに合成される。

第３工程合成された金属間化合物Ｔi₃Ａｌから、副
成するＣaＯを溶解除去し、金属間化合物Ｔi₃Ａｌのみ
を純粋に取り出す工程である。

（実施例）本発明の方法につき、以下にその具体的実施例に基づい
て説明する。

(1)本発明のＴi₃Ａｌの製造方法は、鉱石から種々の方
法で抽出された二酸化チタン（ＴiＯ_２）と酸化アルミ
ニウム（Ａｌ₂Ｏ_３）を出発原料にする。これらをＴi／
Ａｌのモル比が３／１になるように秤量し混合する。こ
の混合比は最終的に得られる金属間化合物の組成で定め
る。Ｔi₃Ａｌの非化学量論組成範囲に応じて、Ａｌの組
成を13原子％から49原子％まで変化させることが本発明
では可能である。ただし純粋な金属間化合物Ｔi₃Ａｌを
得るためには、ＴiＯ_２とＡｌ₂Ｏ_３に含まれるＴi とＡ
ｌの組成はＡｌの組成で22原子％から37原子％までの範
囲とすることがよい。以下に示す実施例はＡｌの組成が
25原子％の場合である。

第３図（Ａ）に示すように、一般に乳鉢やボールミル等
で十分に機械的に混ぜ合わせて乾式混合し酸化物混合体
（Ｉ）を得るが、この方法では１μｍ（ミクロン）以下
のものが得られる。

これに対し第３図（Ｂ）に示すように、ＴiＯ_２とＡｌ₂
Ｏ_３とをＡｌ₂Ｏ_３の融点である1994〜2072℃以上に加
熱して酸化物混合液体にした後、冷却することによって
も均一に混合した酸化物混合体（II）を得ることができ
る。この場合には冷却後の酸化物（II）は粉末Ｘ線回折
測定の結果、ＴiＯ_２と複合酸化物であるβ−ＴiＯ₂・
Ａｌ₂Ｏ_３との混合物であった。

また第３図（Ｃ）に示すように、水溶液を利用すること
もできる。この場合は出発物質として鉱石から金属チタ
ンを製造する工程で中間生成物として形成される四塩化
チタン（ＴiＣｌ₄）を用い、これを塩化アルミニウム
（ＡｌＣｌ₃）とを塩酸酸性水溶液にＴi／Ａｌのモル比
が３／１になるように秤量し、冷却しながら混合・溶解
させる。この水溶液をアンモニア水に滴下し、中和反応
によりコロイド状の白色沈殿を得る。この時、中和水溶
液の pＨを４〜９程度に制御して水溶液中のアルミニウ
ムのイオンが再溶解しないようにする。得られた白色の
析出物を約80℃で乾燥・脱水して酸化物混合体（III）
とする。これは分析の結果、0.5 μｍ（ミクロン）以下
の酸化チタン・水酸化チタン・酸化アルミニウム・水酸
化アルミニウムの混合物が得られ、これは非晶質体であ
った。

本発明では、第３図（Ｄ）に示す次の方法も可能であっ
た。ＴiＯ_２と硫酸アルミニウム（Ａｌ₂（ＳＯ₄）₃）と
をＴi／Ａｌのモル比が３／１になるように秤量し、Ｔi
Ｏ_２は硫酸アンモニウムを加えた熱濃硫酸に溶解し、Ａ
ｌ₂（ＳＯ₄）_３は温水に溶解した後、それぞれ氷冷し
た。液温が50℃以上にならないように注意し、氷冷しな
がら両水溶液を混合し、これにアンモニア水を注いで中
和しゲル状の白色沈殿物を得た。この水酸化物沈殿を純
水で十分洗浄した後、約80℃で乾燥・脱水することによ
っても白色粉末（IV）を得た。これは粉末Ｘ線回折測定
の結果、非晶質体であり、エネルギー分散型Ｘ線分光装
置を付属した走査型電子顕微鏡（Ｘ線マイクロアナリシ
ス、ＸＭＡ）では、装置の分解能の約0.5 〜0.1 μｍ以
下で検査した結果、Ｔi とＡｌの原子が均一に分散して
いることがわかった。

この白色粉末（IV）をさらにアルミナボートにのせ、大
気中900 ℃で数時間焼成することで酸化物混合体（Ｖ）
を得た。この操作は白色粉末（IV）に含まれる微量の硫
酸イオンを除去するためのものである。複合酸化物
（Ｖ）は粉末Ｘ線回折測定ではα−Ａｌ₂Ｏ_３とルチル
相になっていた。ＸＭＡ分析の結果、イオウ分は検出さ
れず、またＴi とＡｌの原子が均一に３対１の比で分散
していることがわかった。

以上に説明した、（Ｉ）〜（Ｖ）の５種類の酸化物混合
体を製造する方法の概略を第３図（Ａ），（Ｂ），
（Ｃ）及び（Ｄ）にまとめて示した。

（Ｉ）〜（Ｖ）の５種類の酸化物混合体を準備して以下
に説明する工程の試験を行ったところ、Ｔi とＡｌの微
細混合という点で相違は生ぜず、本発明で得られるＴi₃
Ａｌの製造にはなんら相違はないという結果が得られ
た。ただし、（IV）に含まれる微量の硫酸イオンに由来
するイオウは、最終的に製造される金属間化合物Ｔi₃Ａ
ｌに移行し、高純度Ｔi₃Ａｌの製造という観点からは望
ましい酸化物混合体ではなかった。従って、最も簡便な
操作で熱エネルギーも他の試薬も不要で混合できる
（Ｉ）の酸化物混合体を以下の工程に用いるのが経済上
望ましいものと判断される。

(2)上記の酸化物混合体を750 ℃〜1200℃の温度範囲の
高温下でカルシウム（Ｃa）または水素化カルシウム
（ＣaＨ₂）を作用させて還元する。この還元の過程にお
ける反応装置の実施の一例を第４図に示した。

第４図に示すように、酸化物混合体７をその約1.0 ｇを
モリブデン製受け皿８に乗せ、あらかじめ底にカルシウ
ム（Ｃa）粒９を敷き詰めたステンレス製の薄い底板10
の上に、Ｃa と直接接触しないように台11で隔離して設
置した。酸化物混合体７はステンレス製容器12とも接触
しないようにモリブデン製隔壁13により隔離されてい
る。これらは容器12と底板14を施してアルミナ製反応管
15内に収めた。次に、反応管15内の空気をアルゴンガス
16で置換後、加熱し、これを750 ℃〜1200℃の温度範囲
で、１時間ないし72時間程度保持した後、冷却した。

ここで還元剤としてＣa またはＣaＨ_２を用いたのは、
特に酸素と強い親和力を持つＴi 及びＡｌを還元するた
めである。また空気を排気するのは、空気中の酸素及び
試料中の水分による還元剤の消耗を防止するためと、窒
素によるチタン窒化物の形成を防止するためである。

上記の操作によって起こる密閉されたステンレス製容器
内の化学反応は以下のようである。すなわち、750 ℃〜
1200℃の下ではＣa は液体となって蒸気を発生し、容器
内にその飽和蒸気が充満する。このＣa 蒸気は、ＴiＯ
_２＋Ａｌ₂Ｏ_３の混合粉体に作用してＴi−Ａｌ合金にま
で還元し、自らは酸化カルシウム（ＣaＯ）の固体に変
化して合金粒子の周囲に堆積する。

６ＴiＯ₂＋Ａｌ₂Ｏ₃＋15Ｃa(gas)＝〔６Ｔi・２Ａｌ〕＋15ＣaＯ………(1) 上記の化学反応式における合金（〔６Ｔi・２Ａｌ〕）
は、粉末Ｘ線回折測定の解析結果によれば、Ｔi₃Ａｌ形
の化合物である。すなわち、上記の還元反応と同時に次
式で示される化合物の形成反応が進行している。

〔６Ｔi・２Ａｌ〕＝２Ｔi₃Ａｌ ……(2) 以上、説明した反応はＣa の蒸気を利用したものであ
る。本発明による化学反応は、Ｃa の気体状態を用いずに、Ｃa の固体状態あるいは液
体状態を用いてもよい。

以下にこの考え方に基づく実施例を示す。また、還元反
応を完全に実施させるためには、還元剤と酸化物混合物
を内蔵する反応容器の密閉性を高めることが必要かつ重
要であり、特に留意する必要がある。

密閉するためには空気を排気した後、ステンレス容器を
溶接などの接合の方法によって外気と遮断する方法が一
般的であり、本発明に対してもこの方法を用いることが
できる。しかしながら、この方法では還元反応終了後に
容器内部の試料などを取り出すためには容器を破壊しな
くてはならない。従って、ステンレス容器の再利用を目
的として、本発明では、第４図及び第５図に示した装置
を開発し使用したものである。たとえば第４図で示した
方法では、容器12とステンレス製の薄い底板10を挟むよ
うに上板21と底板14をボルト22で上下から圧着すること
によって、還元剤の流出と外部からの酸素ガス等の流入
を防いでいる。還元反応終了後にはボルトを緩めること
によって簡単に容器内の試料などを回収できる仕組みと
なっている。

第５図に示したのは、第４図に示した還元容器に相当す
る部分の概略図であり、これらの還元容器は、第４図に
示したアルミナ反応管15の内部に組み込まれ、さきに説
明したように加熱されるものである。

第５図（ａ）はコップ状のステンレス容器12の開口部を
上に向けて設置したものである。その他の配置は第４図
に示したと同じである。この設置方法は設置方法が簡便
であるが、第４図で説明した方法及び以下に説明する方
法に比べて反応容器内部の還元剤が漏れ易い欠点があっ
た。

第５図（ｂ）はＣa の液体状態を利用して酸化物混合体
７の還元を行うための方法を示したものである。塊状の
Ｃa ９をモリブデン製の隔壁筒13の中に酸化物混合体７
と共に入れて直接接触させる。塊状のＣa は反応温度で
は溶解して液体となる。

なお、コップ状のステンレス容器12は開口部を下に向け
て設置され、薄いステンレス製底板10はステンレス製上
板21及び底板14と共にボルト22によって挟み込まれる。
薄いステンレス製底板10の上には還元剤と同質のＣa 粒
９を置く。これは還元温度では液体となってステンレス
製の底板10とコップ状ステンレス容器12の空隙を埋め、
シール剤の役割を果たす。

第５図（ｃ）は水素化カルシウム（ＣaＨ₂）を還元剤に
選択したときの設置方法を示したものである。ＣaＨ_２
は粉末状で入手できるため、酸化物混合体との反応性を
よくする。また、あらかじめ酸化物混合体とＣaＨ_２粉
末を混合しておく。

この混合物７を第５図（ｂ）と同様に開口部を下に向け
て設置したステンレス容器12の内部に設置する。容器の
底になる部分には第５図（ｂ）と同様、シール材として
塊状のカルシウム粒９と少量設置しておく。

ＣaＨ_２の蒸気を用いて還元を試みたが、酸化物はほと
んど還元されなかった。従ってＣaＨ₂を用いて還元させ
るためには、酸化物混合体と直接反応させる必要があ
る。ＣaＨ_２を還元剤として用いた場合の、化学反応式
を以下に示す。

６ＴiＯ₂＋Ａｌ₂Ｏ₃＋15ＣaＨ_２＝〔６Ｔi・２Ａｌ〕＋15ＣaＯ＋15Ｈ_２……(3) 〔６Ｈi・２Ａｌ〕＝２Ｔi₃Ａｌ ……(4) ＣaＨ_２の熱分解によって発生する水素ガス（Ｈ₂）は熱
力学理論上、Ａｌ₂Ｏ_３の還元にはまったく寄与しない
が、ＴiＯ_２の還元には一部寄与しうる。しかしながら
Ｈ_２のみでは、理論的に反応が進行したとしても、Ｔi
Ｏ_２はＴi₂Ｏ_３までしか還元されず、金属状態のチタン
を得ることはできない。また、ＣaＨ_２の一部は還元温
度で一部熱分解して金属カルシウムとなり還元作用を示
す。これら２点を考慮して、上記の反応式(4)，(5)とし
てまとめてある。なお副成するＨ_２は反応容器の不完全
な密閉部分から、及びステンレス製容器内部を拡散して
反応容器外のアルゴンガス雰囲気中へ抜け出す。

横型の電気炉を使用して多量にＴi₃Ａｌを得る他の実施
例を第６図に示す。酸化物混合体24は電気炉25の中心部
分にある均熱帯にあり、ステンレス製パイプ26の内壁に
接しないようにモリブデン製の受け皿27の内部に装填さ
れる。カルシウムの蒸気で還元する場合、酸化物混合体
24の下部28に化学量論的に還元に必要な量の３倍のＣa
Ｈ_２を設置した。モリブデン製の筒の両側にはステンレ
ス棒29がおいてあり、ステンレスパイプ26との空隙は僅
かしかないようにステンレス棒29の外径が調節してあ
る。パイプ26の内部を真空に排気した後コック30を閉
じ、電気炉25を所定の還元温度まで加熱する。均熱帯状
部分の温度を還元に必要な所定の温度に保ったとき、カ
ルシウム蒸気は酸化物混合体24に作用して酸化物を還元
する。この反応と同時に、カルシウム蒸気は低温部分へ
と向ってステンレス製パイプ26の内壁とステンレス棒29
の空隙を流れるが、融点以下の温度のシール部分31でカ
ルシウム蒸気は固体となり、この空隙を塞ぐ。このよう
に過剰に存在するカルシウムのうち還元に寄与しないカ
ルシウムは、それ自身シール材として働くことになる。
所定時間保持の後、電気炉25を冷却し、ステンレス製パ
イプ26を切断して管内の試料を取り出す。なお、この方
法ではステンレス製パイプ26の内部に雰囲気ガスを導入
すると、ガスの熱膨張によるシール部分31の破壊を招く
ので避ける必要がある。第６図に示した方法は反応容器
を溶接などにより加工する必要もなく、還元材の漏洩を
防ぐことが出来るので、第４図に示した方法に比べ還元
反応を完全にすることが出来る長所がある。

(3)上記の還元反応の結果得られた粉末は粉末Ｘ線回折
測定の結果次のような物質からなっていた。還元剤とし
てカルシウムを用いた場合、還元生成物は酸化カルシウ
ム（ＣaＯ）と金属間化合物Ｔi₃Ａｌ、及び未反応のカ
ルシウムであった。還元剤として水素化カルシウム（Ｃ
aＨ₂）を用いた場合、還元生成物はＣaＯと金属間化合
物Ｔi₃Ａｌ、及び未反応のＣaＨ_２とそれが熱分解した
金属カルシウムであった。

従って、上記還元反応の結果得られた粉末から金属間化
合物Ｔi₃Ａｌのみを取り出す精製のために湿式分離を行
った。還元剤としてカルシウム及びＣaＨ_２を用いた場
合、塩化アンモニウム（ＮＨ₄Ｃｌ）水溶液に得られた
粉末を投入し、ＣaＯと金属カルシウム及びＣaＨ_２を溶
解分離し、化合物粉末に精製し回収した。

ここで精製のための湿式分離試薬として金属カルシウ
ム、及びＣaＨ_２の分離には工業的には第１段階の処理
として水の使用が有効である。しかしながら水のみでは
完全な除去精製が不可能であるために、第１段階の処理
として、水で大まかな湿式分離を行なった後、さらに以
上に説明したように第２段階の処理として残留する不純
物を除去する必要がある。このためには鉱酸の他、酢酸
やシュウ酸などの有機酸も使用が可能である。ＣaＯの
分離には上記の酸性水溶液、及び塩化アンモニウム水溶
液の他にアンモニウム塩水溶液及びショ糖水溶液などの
使用が可能である。普通、鉱酸たとえば塩酸の希薄水溶
液は入手し易く安価であるため、経済上好ましい。

また、精製のための湿式分離にあたり、水溶液に機械的
な攪拌ないしは超音波振動を加え、さらに約50℃に加熱
すると、精製が効果的に行われ湿式分離時間を短縮でき
るほか、不純物の混入も低減される。精製用の水溶液に
不活性ガスたとえばアルゴンガスを吹き込むと水溶液中
の溶存酸素量が低減され、金属間化合物Ｔi₃Ａｌ粉末に
付着する酸素が減少し、より高純度な化合物を得ること
ができる。湿式分離中に水溶液にガスを吹き込むと水溶
液が攪拌されるために精製が効率よく行われるので好ま
しい。

実施例として、第１表にＣaＨ_２によって種々の条件で
還元された粉末を酢酸水溶液、１Ｎ塩酸水溶液及びＮＨ
₄Ｃｌ水溶液によって精製した粉末試料の不純物を調査
した結果を示した。湿式分離試薬には不純物量は大きく
は依存していないことから、第１表に示したどの試薬で
あっても十分に低減していることがわかる。

また、本発明の製造方法で作製された金属間化合物Ｔi₃
Ａｌの粉末の走査型電子顕微鏡観察結果を第８図に示し
た。これはＣaＨ_２によって1000℃で10.8ks，43.2ks，8
6.4ksの時間で還元して得た試料の観察結果であり、還
元時間が長くなるほど粉末の粒子径が大きくなることを
示している。一般に還元時間が長いほど、また還元温度
が高いほど得られる粉末の粒子径は大きくなる。また、
同温度、同時間であれば、Ｃa による還元よりも、Ｃa
Ｈ_２による還元によって得られた粉末の方が粒子径が大
きくなる。このように還元剤と還元温度と還元時間を制
御すれば、所望の粉末粒度を得ることができるのも、本
発明の特徴である。

以上に説明した工程全体の概略を第９図にまとめて示し
た。これを工程順に説明すると次の通りである。

〔第１工程〕酸化物粉末の均質混合：二酸化チタン（ＴiＯ_２）と酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ
_３）を出発原料にする。これらをＴi ／Ａｌのモル比
が、所望の金属間化合物Ｔi₃Ａｌ内のＴi ／Ａｌのモル
比に一致するように秤量し乳鉢あるいはボールミル等で
充分混合し、均質な酸化物混合体を得る工程である。こ
の工程は第９図に示した工程以外に第３図に詳細を示し
た別工程があり、第３図（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），
（Ｄ）の４種類の方法で酸化物混合体を得ることができ
る。

〔第２工程〕還元：酸化物混合体をカルシウムまたは水素化カルシウムで還
元し、還元粉末を得る工程である。

〔第３工程〕精製：還元粉末を塩化アンモニウムまたは希塩酸で洗浄し、酸
化カルシウム及び未反応のカルシウム、水素化カルシウ
ムを溶解分離し、精製した高純度の金属間化合物Ｔi₃Ａ
ｌの粉末を得る工程である。

（発明の効果）本発明によると、チタンとアルミニウムの金属間化合物
Ｔi₃Ａｌの単体を高純度でしかも、多量生産で安価に粉
末状または塊状で得られる。本発明による金属間化合物
Ｔi₃Ａｌの単体粉末を粉末冶金法に適用することによっ
て、切削溶接加工が少なくて済む製品形状に近い大型焼
結体を形成し、各種装置として構造物に直接組み込め
る。また焼結体は、スパッタリングや真空蒸着のターゲ
ット材料にも使用でき、各種の構造物の表面処理を行
い、耐熱性を高め、機械強度を向上させることができ
る。

本発明による金属間化合物Ｔi₃Ａｌを組み込んだ各種製
品は軽量で優れた耐熱性、耐食性、高い機械強度を有し
ており、製造価格が安い。金属間化合物Ｔi₃Ａｌを組み
込んだ各種製品、たとえば、航空機や宇宙船関連機器や
深海艇など海洋関連機器や磁気浮上列車などの交通関連
機器等を構成する機械構造製品、ジェットエンジン、自
動車用エンジン、発電機用タービン等に使われるタービ
ンブレード等高温利用動力発生装置等に使用され、本発
明はこれらを安価に提供できる工業上大いなる利益があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はチタンとアルミニウムの合金状態図、第２図は従来の金属間化合物Ｔi₃Ａｌの製造工程の工程
図、第３図は酸化物混合体の製造方法を示した工程図、第４図は酸化物混合体を還元・合成するための反応装置
の実施の一例を示す略図、第５図は酸化物混合体を還元合成する装置に組み込む還
元容器を示す図であり、第５図（ａ）は酸化物混合体をカルシウムの蒸気で還元
するための容器を示す図、第５図（ｂ）は酸化物混合体をカルシウムの液体で還元
するための容器を示す図、第５図（ｃ）は酸化物混合体を水素化カルシウムで還元
するための容器を示す図、第６図は横型の電気炉を使用した還元の過程における反
応装置の実施の他の一例を示す図、第７図（ａ）はカルシウム蒸気によって1000℃で３時間
還元した試料の粉末Ｘ線回折測定結果を示す特性図及び
第７図（ｂ）はＪＣＰＤＳカード番号９−98により計算
した金属間化合物Ｔi₃Ａｌの参照図形図、第８図は水素化カルシウム（ＣaＨ₂）によって1273Ｋで
還元した３種類の粉末を酢酸水溶液で洗浄し、不純物を
除去した金属間化合物Ｔi₃Ａｌ粉末の走査型電子顕微鏡
写真図、第９図は本発明工程の一例を示す工程系統図である。１……ＴiＡｌ、２……ＴiＡｌ_３３……合金液体、４……Ｔi₃Ａｌ５……β−Ｔi 、６……α−Ｔi ７……酸化物混合体８……モリブデン製受け皿９……Ｃa 粒 10……ステンレス製の薄い底板 11……モリブデン製の台、12……ステンレス製容器 13……モリブデン製隔壁、14……ステンレス製の底板 15……アルミナ製の反応管 16……アルゴンガス、17……熱電対保護管 18……測温用熱電対、19……アルミナ製炉芯管 20……発熱体 21……ステンレス製上板、22……ボルト 23……アルミナ製スペーサ 24……酸化物混合体、25……電気炉 26……ステンレス製パイプ 27……モリブデン製受け皿 28……金属カルシウムの粒 29……ステンレス棒、30……コック 31……シール部分、32……発熱体 33……温度測定用熱電対、34……ゴムキャップ 35……モリブデン製の台

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】酸化物である二酸化チタンと酸化アルミニ
ウムをＴi とＡｌの組成が金属間化合物Ｔi₃Ａｌの組成
になるように配合し混合することによりチタンとアルミ
ニウムの原子を可能な限り微細かつ均一に配合させた酸
化物混合体を作る第１工程と、この酸化物混合体に750 ℃〜1200℃の温度範囲の高温下
でカルシウム（Ｃa ）または水素化カルシウム（Ｃa
Ｈ₂）を作用させて還元する第２工程と、合成された金属間化合物Ｔi₃Ａｌから、副成するＣaＯ
を、水、または酸性水溶液、塩化アンモニウム水溶液等
の溶媒で溶解除去し、金属間化合物Ｔi₃Ａｌのみを純粋
に取り出す第３工程とより成ることを特徴とするＴi₃Ａ
ｌの製造方法。
【請求項２】前記酸化物の混合体を造る第１工程は所定
配合の二酸化チタンと酸化アルミニウムを機械的に混ぜ
合せる乾式混合による請求項１記載のＴi₃Ａｌの製造方
法。
【請求項３】前記酸化物混合体を造る第１工程は、所定
配合の四塩化チタンと塩化アルミニウムとを酸性水溶液
に混合、溶解させ、次にアンモニア水で中和し、得られ
たコロイド状の白色沈殿を乾燥、脱水し酸化物混合体を
得る湿式混合による請求項１記載のＴi₃Ａｌの製造方
法。
【請求項４】前記酸化物混合体を造る第１工程は、所定
配合の二酸化チタンと酸化アルミニウムとの混合物を高
温に加熱し溶解混合し、冷却して、酸化物混合体を得る
請求項１記載のＴi₃Ａｌの製造方法。