JPH06299350A - 耐高温酸化性に優れた耐熱材料用表面改質金属間化合物ＴｉＡｌ基合金部材 - Google Patents
耐高温酸化性に優れた耐熱材料用表面改質金属間化合物ＴｉＡｌ基合金部材Info
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- JPH06299350A JPH06299350A JP9816193A JP9816193A JPH06299350A JP H06299350 A JPH06299350 A JP H06299350A JP 9816193 A JP9816193 A JP 9816193A JP 9816193 A JP9816193 A JP 9816193A JP H06299350 A JPH06299350 A JP H06299350A
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Landscapes
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 簡素な工程で、且つ金属間化合物ＴｉＡｌ基
合金部材の機械的性質を損なうことなく、しかも密着性
の問題を含まない表面処理層を形成することによって、
従来法では得られなかった優れた耐高温酸化性を有し、
耐熱材料の素材として最適な金属間化合物ＴｉＡｌ基合
金部材を提供する。 【構成】 金属間化合物ＴｉＡｌ基合金部材の表面に、
Ｎｉ，Ｔａおよび白金族元素よりなる群から選ばれる１
種以上の元素をイオン注入し、前記金属間化合物ＴｉＡ
ｌ基合金部材の表層部に、前記イオン注入元素の濃度富
化層を形成したものである。
合金部材の機械的性質を損なうことなく、しかも密着性
の問題を含まない表面処理層を形成することによって、
従来法では得られなかった優れた耐高温酸化性を有し、
耐熱材料の素材として最適な金属間化合物ＴｉＡｌ基合
金部材を提供する。 【構成】 金属間化合物ＴｉＡｌ基合金部材の表面に、
Ｎｉ，Ｔａおよび白金族元素よりなる群から選ばれる１
種以上の元素をイオン注入し、前記金属間化合物ＴｉＡ
ｌ基合金部材の表層部に、前記イオン注入元素の濃度富
化層を形成したものである。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、高温環境下での使用が
期待されている軽量耐熱材料としての金属間化合物Ｔｉ
Ａｌ基合金部材に関し、特にイオン注入の手法によって
表面改質して耐高温酸化性を著しく改善した耐熱材料用
金属間化合物ＴｉＡｌ基合金部材に関するものである。
尚以下の説明では、金属間化合物ＴｉＡｌ基合金部材と
してＴｉＡｌを代表的にとりあげるが、本発明で対象と
する金属間化合物ＴｉＡｌ基合金部材はＴｉＡｌを単一
相とするものだけに限らず、Ｔｉ3 Ａｌを単一相とする
ものおよびＴｉＡｌとＴｉ3 Ａｌの２相からなるものも
含み、また機械的特性を改善する為に添加される第３元
素や第４元素を含む金属間化合物ＴｉＡｌ基合金部材も
本発明の対象とするものである。
期待されている軽量耐熱材料としての金属間化合物Ｔｉ
Ａｌ基合金部材に関し、特にイオン注入の手法によって
表面改質して耐高温酸化性を著しく改善した耐熱材料用
金属間化合物ＴｉＡｌ基合金部材に関するものである。
尚以下の説明では、金属間化合物ＴｉＡｌ基合金部材と
してＴｉＡｌを代表的にとりあげるが、本発明で対象と
する金属間化合物ＴｉＡｌ基合金部材はＴｉＡｌを単一
相とするものだけに限らず、Ｔｉ3 Ａｌを単一相とする
ものおよびＴｉＡｌとＴｉ3 Ａｌの２相からなるものも
含み、また機械的特性を改善する為に添加される第３元
素や第４元素を含む金属間化合物ＴｉＡｌ基合金部材も
本発明の対象とするものである。
【０００２】
【従来の技術】金属間化合物ＴｉＡｌ部材は、その優れ
た高温強度と共に軽量であることによって、次世代の軽
量耐熱材料として自動車や航空機等への適用が期待され
る金属材料である。しかしながらこの金属間化合物Ｔｉ
Ａｌ部材には、機械的なバルク特性に改善の必要がある
こと、および耐酸化性即ち耐高温酸化性に乏しいことか
ら、実用材料として殆ど使用されていないのが実情であ
る。
た高温強度と共に軽量であることによって、次世代の軽
量耐熱材料として自動車や航空機等への適用が期待され
る金属材料である。しかしながらこの金属間化合物Ｔｉ
Ａｌ部材には、機械的なバルク特性に改善の必要がある
こと、および耐酸化性即ち耐高温酸化性に乏しいことか
ら、実用材料として殆ど使用されていないのが実情であ
る。
【０００３】これまで金属間化合物ＴｉＡｌ部材の耐高
温酸化性を改善する手段として、ＴｉやＡｌ以外の第３
若しくは第４の合金元素の添加も試みられている。しか
しながらこの様な手段では、耐高温酸化性がたとえ向上
したとしても、合金元素の添加によって、高温強度や加
工性の劣化或は高温クリープ特性の劣化を招く場合が多
い。また添加元素の種類によっては、コスト高を招くと
いうこともある。この様な機械的性質の劣化やコスト高
を招かない様にするには、必然的に合金元素の添加範囲
をできるだけ低濃度とすることが余儀なくされるが、そ
うすると十分な耐高温酸化性を達成することができなく
なる。
温酸化性を改善する手段として、ＴｉやＡｌ以外の第３
若しくは第４の合金元素の添加も試みられている。しか
しながらこの様な手段では、耐高温酸化性がたとえ向上
したとしても、合金元素の添加によって、高温強度や加
工性の劣化或は高温クリープ特性の劣化を招く場合が多
い。また添加元素の種類によっては、コスト高を招くと
いうこともある。この様な機械的性質の劣化やコスト高
を招かない様にするには、必然的に合金元素の添加範囲
をできるだけ低濃度とすることが余儀なくされるが、そ
うすると十分な耐高温酸化性を達成することができなく
なる。
【０００４】一方、熱拡散法で各種元素を表面層に添加
することによって、耐高温酸化性を改善する方法も試み
られているが、この方法は次の様な欠点を有している。
即ち、この方法では添加できる元素が限られ、また添加
する量にも制約があって、十分な効果が得られていな
い。また拡散法の様な熱平衡プロセスを用いた表面処理
では、拡散添加する元素によって固溶量が異なったり
（即ち、表面部での濃度が異なる）、形成される化合物
が介在物となって割れの起点となったりする。更に、熱
拡散法では長時間の処理を必要とし、高温での酸化物形
成を防ぐ必要性から処理工程も煩雑なものとなり易い。
することによって、耐高温酸化性を改善する方法も試み
られているが、この方法は次の様な欠点を有している。
即ち、この方法では添加できる元素が限られ、また添加
する量にも制約があって、十分な効果が得られていな
い。また拡散法の様な熱平衡プロセスを用いた表面処理
では、拡散添加する元素によって固溶量が異なったり
（即ち、表面部での濃度が異なる）、形成される化合物
が介在物となって割れの起点となったりする。更に、熱
拡散法では長時間の処理を必要とし、高温での酸化物形
成を防ぐ必要性から処理工程も煩雑なものとなり易い。
【０００５】金属間化合物ＴｉＡｌ部材の耐高温酸化性
を改善する他の手法として、ＣＶＤ法の様な気相コーテ
ィング法によって表面被覆層を形成することも行なわれ
ているが、この方法においても次に示す問題がある。例
えば、保護性を有すると考えられるＡｌ酸化物（Ａｌ2
Ｏ3 ）を金属間化合物ＴｉＡｌ部材表面にコーティング
した場合、Ａｌ酸化物皮膜の内部欠陥の存在によって完
全な酸化防止は期待できず、また皮膜の密着性が不十分
なことによる剥離が発生するので信頼性に欠ける。
を改善する他の手法として、ＣＶＤ法の様な気相コーテ
ィング法によって表面被覆層を形成することも行なわれ
ているが、この方法においても次に示す問題がある。例
えば、保護性を有すると考えられるＡｌ酸化物（Ａｌ2
Ｏ3 ）を金属間化合物ＴｉＡｌ部材表面にコーティング
した場合、Ａｌ酸化物皮膜の内部欠陥の存在によって完
全な酸化防止は期待できず、また皮膜の密着性が不十分
なことによる剥離が発生するので信頼性に欠ける。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】上述した様に、合金化
法や熱拡散法を始め気相コーティング法等、従来試みた
方法では、金属間化合物ＴｉＡｌ部材の耐高温酸化性を
改善するには限界があり、いずれも実用化して汎用され
るまでには至っていない。
法や熱拡散法を始め気相コーティング法等、従来試みた
方法では、金属間化合物ＴｉＡｌ部材の耐高温酸化性を
改善するには限界があり、いずれも実用化して汎用され
るまでには至っていない。
【０００７】こうしたことから、特開昭６２−１９９７
６号に示される様な技術も提案されている。この技術
は、金属間化合物ＴｉＡｌ部材の表面に、イオン注入の
手法によってＮをイオン注入し、金属間化合物ＴｉＡｌ
部材の表面にＴｉ窒化物の様なセラミックス層を形成し
て耐食性を改善しようとするものである。しかしなが
ら、Ｎのイオン注入によって化合物を形成される方法で
は、化合物を形成させる為のイオン注入条件の選定その
ものが難しく、また再現性に乏しく、実用的ではないと
いう欠点がある。またイオン注入されるＮ元素そのもの
は、耐食性向上効果がなく、化合物を形成しない限り耐
食性の向上は認められない。
６号に示される様な技術も提案されている。この技術
は、金属間化合物ＴｉＡｌ部材の表面に、イオン注入の
手法によってＮをイオン注入し、金属間化合物ＴｉＡｌ
部材の表面にＴｉ窒化物の様なセラミックス層を形成し
て耐食性を改善しようとするものである。しかしなが
ら、Ｎのイオン注入によって化合物を形成される方法で
は、化合物を形成させる為のイオン注入条件の選定その
ものが難しく、また再現性に乏しく、実用的ではないと
いう欠点がある。またイオン注入されるＮ元素そのもの
は、耐食性向上効果がなく、化合物を形成しない限り耐
食性の向上は認められない。
【０００８】本発明はこうした事情に着目してなされた
ものであって、簡素な工程で、且つ金属間化合物ＴｉＡ
ｌ基合金部材の機械的性質を損なうことなく、しかも密
着性の問題を含まない表面処理層を形成することによっ
て、従来法では得られなかった優れた耐高温酸化性を有
し、耐熱材料の素材として最適な金属間化合物ＴｉＡｌ
基合金部材を提供することを目的とするものである。
ものであって、簡素な工程で、且つ金属間化合物ＴｉＡ
ｌ基合金部材の機械的性質を損なうことなく、しかも密
着性の問題を含まない表面処理層を形成することによっ
て、従来法では得られなかった優れた耐高温酸化性を有
し、耐熱材料の素材として最適な金属間化合物ＴｉＡｌ
基合金部材を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成した本発
明の金属間化合物ＴｉＡｌ基合金部材は、金属間化合物
ＴｉＡｌ基合金部材の表面に、Ｎｉ，Ｔａおよび白金族
元素よりなる群から選ばれる１種以上の元素をイオン注
入し、前記金属間化合物ＴｉＡｌ基合金部材の表層部
に、前記イオン注入元素の濃度富化層を形成した点に要
旨を有するものである。
明の金属間化合物ＴｉＡｌ基合金部材は、金属間化合物
ＴｉＡｌ基合金部材の表面に、Ｎｉ，Ｔａおよび白金族
元素よりなる群から選ばれる１種以上の元素をイオン注
入し、前記金属間化合物ＴｉＡｌ基合金部材の表層部
に、前記イオン注入元素の濃度富化層を形成した点に要
旨を有するものである。
【００１０】
【作用】本発明で利用されるイオン注入の手法は、加速
された高エネルギーのイオンを目的とする部材表面に打
ち込んで金属間化合物ＴｉＡｌ部材の表面を改質するも
のであり、半導体分野における不純物ドーピング手段と
して利用されている他、鋼を中心とする金属材料の表面
改質にもその適用が検討されているが、金属材料の表面
改質においては上述の如くこれまで特筆すべき技術は開
発されていない。
された高エネルギーのイオンを目的とする部材表面に打
ち込んで金属間化合物ＴｉＡｌ部材の表面を改質するも
のであり、半導体分野における不純物ドーピング手段と
して利用されている他、鋼を中心とする金属材料の表面
改質にもその適用が検討されているが、金属材料の表面
改質においては上述の如くこれまで特筆すべき技術は開
発されていない。
【００１１】本発明に係る金属間化合物ＴｉＡｌ基合金
部材は、イオン注入の手法によって表面改質したもので
ある。イオン注入法を適用すれば、金属間化合物ＴｉＡ
ｌ基合金部材の表層部に非熱平衡物質層が形成され、表
層部に堆積状態で改質層が形成されるわけではなく、部
材のマトリックス中に注入層が存在する為に、めっきや
コーティング等の表面処理の様に部材と異なる材質の皮
膜を密着させる場合と異なり、密着性の問題を本質的に
含まず、緻密でピンホールフリーな表面処理を行なうこ
とが期待でき、更にこれまで行なわれてきた熱プロセス
による合金化法や熱拡散法等における問題も生じない。
部材は、イオン注入の手法によって表面改質したもので
ある。イオン注入法を適用すれば、金属間化合物ＴｉＡ
ｌ基合金部材の表層部に非熱平衡物質層が形成され、表
層部に堆積状態で改質層が形成されるわけではなく、部
材のマトリックス中に注入層が存在する為に、めっきや
コーティング等の表面処理の様に部材と異なる材質の皮
膜を密着させる場合と異なり、密着性の問題を本質的に
含まず、緻密でピンホールフリーな表面処理を行なうこ
とが期待でき、更にこれまで行なわれてきた熱プロセス
による合金化法や熱拡散法等における問題も生じない。
【００１２】本発明者らは、上記の様なイオン注入法の
特徴を生かすべく、種々の元素イオンについてイオン注
入実験を重ね、金属間化合物ＴｉＡｌ基合金部材の耐高
温酸化性を改善する元素について検討した。その結果、
金属間化合物ＴｉＡｌ基合金部材の表面に、Ｎｉ，Ｔａ
および白金族元素よりなる群から選ばれる１種以上の元
素をイオン注入し、該部材の表層部に前記イオン注入元
素の濃度富化層を形成すれば、耐高温酸化性を著しく向
上させ得ることを見出し、本発明を完成した。即ち、Ｎ
ｉ，Ｔａおよび白金族元素よりなる群から選ばれる１種
以上をイオン注入した場合は、化合物を形成せずに各元
素として存在するだけで、酸素の拡散やＡｌの酸化を抑
制する効果を発揮したのであり、この様な点はメカニズ
ム的にも効果面においても、Ｎをイオン注入した場合と
比べ全く異なっていたのである。また前記イオン注入元
素を金属間化合物ＴｉＡｌ基合金部材に添加して合金化
しても、本発明の金属間化合物ＴｉＡｌ基合金部材の様
な耐高温酸化性は得られないのである。尚本発明でイオ
ン注入元素として用いる白金族元素は、Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐ
ｄ，Ｏｓ，Ｉｒ，Ｐｔのいずれも含み、これらの元素と
Ｎｉ，Ｔａよりなる群から選ばれる１種以上の元素をイ
オン注入することによって本発明の効果が達成される。
特徴を生かすべく、種々の元素イオンについてイオン注
入実験を重ね、金属間化合物ＴｉＡｌ基合金部材の耐高
温酸化性を改善する元素について検討した。その結果、
金属間化合物ＴｉＡｌ基合金部材の表面に、Ｎｉ，Ｔａ
および白金族元素よりなる群から選ばれる１種以上の元
素をイオン注入し、該部材の表層部に前記イオン注入元
素の濃度富化層を形成すれば、耐高温酸化性を著しく向
上させ得ることを見出し、本発明を完成した。即ち、Ｎ
ｉ，Ｔａおよび白金族元素よりなる群から選ばれる１種
以上をイオン注入した場合は、化合物を形成せずに各元
素として存在するだけで、酸素の拡散やＡｌの酸化を抑
制する効果を発揮したのであり、この様な点はメカニズ
ム的にも効果面においても、Ｎをイオン注入した場合と
比べ全く異なっていたのである。また前記イオン注入元
素を金属間化合物ＴｉＡｌ基合金部材に添加して合金化
しても、本発明の金属間化合物ＴｉＡｌ基合金部材の様
な耐高温酸化性は得られないのである。尚本発明でイオ
ン注入元素として用いる白金族元素は、Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐ
ｄ，Ｏｓ，Ｉｒ，Ｐｔのいずれも含み、これらの元素と
Ｎｉ，Ｔａよりなる群から選ばれる１種以上の元素をイ
オン注入することによって本発明の効果が達成される。
【００１３】本発明に係る金属間化合物ＴｉＡｌ基合金
部材は、上記の様な作用効果を奏するものであるが、こ
れらの効果を得るには、Ｎｉ，Ｔａおよび白金族元素よ
りなる群から選ばれる１種以上の元素のイオン注入量
は、単独または合計で１×1015イオン／ｃｍ2 以上と
し、各注入エネルギーは１０ＫｅＶ程度以上とするのが
好ましい。また過剰に注入するとスパッタ現象による表
面切削現象が顕著になるので、注入量は１×1018イオン
／ｃｍ2 以下に抑えることが望ましい。
部材は、上記の様な作用効果を奏するものであるが、こ
れらの効果を得るには、Ｎｉ，Ｔａおよび白金族元素よ
りなる群から選ばれる１種以上の元素のイオン注入量
は、単独または合計で１×1015イオン／ｃｍ2 以上と
し、各注入エネルギーは１０ＫｅＶ程度以上とするのが
好ましい。また過剰に注入するとスパッタ現象による表
面切削現象が顕著になるので、注入量は１×1018イオン
／ｃｍ2 以下に抑えることが望ましい。
【００１４】
【実施例】表１および表２に示す各種イオン注入金属間
化合物ＴｉＡｌ部材について、耐高温酸化性試験を行な
ったところ、夫々表１および表２に併記する結果が得ら
れた。尚上記試験は、大気圧の乾燥空気を１５０ｃｃ／
ｍｉｎの流量で流し、温度１０００℃で１００時間保持
することにより行なった。また試験の評価は、相対的な
酸化速度を導出することによって、耐高温酸化性を比較
し、この値が少ないほど良好な耐高温酸化性を有してい
ることを示している。
化合物ＴｉＡｌ部材について、耐高温酸化性試験を行な
ったところ、夫々表１および表２に併記する結果が得ら
れた。尚上記試験は、大気圧の乾燥空気を１５０ｃｃ／
ｍｉｎの流量で流し、温度１０００℃で１００時間保持
することにより行なった。また試験の評価は、相対的な
酸化速度を導出することによって、耐高温酸化性を比較
し、この値が少ないほど良好な耐高温酸化性を有してい
ることを示している。
【００１５】
【表１】
【００１６】
【表２】
【００１７】表１および表２から明らかな様に、イオン
注入元素の種類によって高温での酸化抑制効果に多少の
違いが認められるものの、Ｎｉ，Ｔａや白金族元素をイ
オン注入した金属間化合物ＴｉＡｌ部材が相対酸化速度
が最も小さく、耐高温酸化性が著しく改善されているこ
とがわかる。
注入元素の種類によって高温での酸化抑制効果に多少の
違いが認められるものの、Ｎｉ，Ｔａや白金族元素をイ
オン注入した金属間化合物ＴｉＡｌ部材が相対酸化速度
が最も小さく、耐高温酸化性が著しく改善されているこ
とがわかる。
【００１８】
【発明の効果】本発明は以上の様に構成されており、機
械加工性を損なうことなく、しかも金属間化合物ＴｉＡ
ｌ素地との密着性の問題を本質的に含まない表面改質層
をイオン注入によって形成することによって、耐高温酸
化性に極めて優れた金属間化合物ＴｉＡｌまたはその合
金部材が得られた。かくして従来では使用が困難であっ
た高温腐食環境下においても、好適に使用することがで
き、該部材の適用範囲が大きく拡がることが期待され
る。
械加工性を損なうことなく、しかも金属間化合物ＴｉＡ
ｌ素地との密着性の問題を本質的に含まない表面改質層
をイオン注入によって形成することによって、耐高温酸
化性に極めて優れた金属間化合物ＴｉＡｌまたはその合
金部材が得られた。かくして従来では使用が困難であっ
た高温腐食環境下においても、好適に使用することがで
き、該部材の適用範囲が大きく拡がることが期待され
る。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 安永 龍哉 兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号 株式会社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内 (72)発明者 河田 和久 兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号 株式会社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内 (72)発明者 屋敷 貴司 兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号 株式会社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内
Claims (1)
- 【請求項１】 金属間化合物ＴｉＡｌ基合金部材の表面
に、Ｎｉ，Ｔａおよび白金族元素よりなる群から選ばれ
る１種以上の元素をイオン注入し、前記金属間化合物Ｔ
ｉＡｌ基合金部材の表層部に、前記イオン注入元素の濃
度富化層を形成したものであることを特徴とする耐高温
酸化性に優れた耐熱材料用表面改質金属間化合物ＴｉＡ
ｌ基合金部材。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9816193A JPH06299350A (ja) | 1993-02-16 | 1993-04-23 | 耐高温酸化性に優れた耐熱材料用表面改質金属間化合物ＴｉＡｌ基合金部材 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5-26988 | 1993-02-16 | ||
| JP2698893 | 1993-02-16 | ||
| JP9816193A JPH06299350A (ja) | 1993-02-16 | 1993-04-23 | 耐高温酸化性に優れた耐熱材料用表面改質金属間化合物ＴｉＡｌ基合金部材 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06299350A true JPH06299350A (ja) | 1994-10-25 |
Family
ID=26364854
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9816193A Pending JPH06299350A (ja) | 1993-02-16 | 1993-04-23 | 耐高温酸化性に優れた耐熱材料用表面改質金属間化合物ＴｉＡｌ基合金部材 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06299350A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7229675B1 (en) * | 2000-02-17 | 2007-06-12 | Anatoly Nikolaevich Paderov | Protective coating method for pieces made of heat resistant alloys |
| EP2071046A3 (de) * | 2007-12-14 | 2010-10-20 | Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. | Platinbasierte Hochtemperturschutzschicht auf Aluminium-reichen Titanlegierungen und Titan-Aluminiden |
-
1993
- 1993-04-23 JP JP9816193A patent/JPH06299350A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7229675B1 (en) * | 2000-02-17 | 2007-06-12 | Anatoly Nikolaevich Paderov | Protective coating method for pieces made of heat resistant alloys |
| EP2071046A3 (de) * | 2007-12-14 | 2010-10-20 | Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. | Platinbasierte Hochtemperturschutzschicht auf Aluminium-reichen Titanlegierungen und Titan-Aluminiden |
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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