JPH0741888A - 高延性Ｔｉ−Ａｌ系合金 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 常温延性および靱性に優れたＴｉ−Ａｌ系合
金を提供する。 【構成】 重量％でＡｌ：３０〜３８％、ランタン系列
元素の一種以上：0.０１〜３.0％を含み、残部がチタン
と不可避物質とからなることを特徴とする高延性Ｔｉ−
Ａｌ系合金。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、常温延性および靱性に
優れたＴｉ−Ａｌ系合金に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】エンジン回りのバルブ、タービンホイー
ル等の運動部品は、近年、エンジン等の高性能化、高効
率化に伴って、ますます軽量化、耐熱性に優れているこ
とが要求されており、これに応じてこれら部品用材料の
研究・開発が盛んに行われている。

【０００３】従来、これら部品用材料としては、Ｎｉ基
の超合金が主流で、その他にＴｉ合金やセラミックス材
料等が用いられているが、このＮｉ基の合金は重量が重
いという欠点があり、また、Ｔｉ合金は耐熱性の点で、
セラミックス材料は靱性の点でそれぞれ劣り、上記部品
の材料としては信頼性に欠けるという難点がある。

【０００４】そこで、近年、ＴｉＡｌ金属間化合物をベ
ースにしたＴｉ−Ａｌ系合金が、新しい軽量耐熱材料と
して注目されており、エンジン部品等への適用が検討さ
れている。しかし、このＴｉ−Ａｌ系合金は、常温延性
に乏しく、実用化の最大のネックの一つとなっている。
このため、溶解鋳造法、粉末冶金法などの種々の製造プ
ロセスを通して、合金成分や組織制御による延性の改善
が検討されている。

【０００５】その一つとして、重量％でＡｌ：３０〜４
５％に加えてＳｉ：0.２〜５.0％、および（または）
Ｂ：0.０２〜0.３％、ならびに希土類元素（ＲＥＭ）：
0.２〜３.0％を含有し、残部が実質的にＴｉからなる
「Ｔｉ−Ａｌ系粉末冶金合金」（特開昭６３−１１４９
３０号公報）が提案されている。この合金は、適量のＳ
ｉおよび（または）Ｂの添加により焼結体の靱延性が改
善され、さらに希土類元素の添加により高温における耐
酸化性が向上するので、金属間化合物ＴｉＡｌを主成分
とするＴｉ−Ａｌ系合金を粉末冶金法で製品を作るのに
適した合金であるとしている。また、本合金の焼結体
は、塑性加工が容易で、これから所望の形状の部品を作
製できるとしている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記特
開昭６３−１１４９３０号公報に記載のＴｉ−Ａｌ系粉
末冶金合金から各種の部品を製造するには、ＨＩＰを用
いて粉末焼結を行い、さらに熱間押出しなどの熱間加工
法を採用し、緻密化する必要がある。しかし、粉末焼結
過程において、活性な金属であるチタンがアルミニウム
と反応し、発熱反応を生ずるため緻密化が難しく、また
ＨＩＰの装置は高価で、長時間の焼結時間を必要とする
という問題点を有している。また、熱間加工において
も、高温で使用できる型材の選定や低い加工速度でなけ
れば割れが生ずるなどの問題点を有している。また、タ
ーボチャージャーロータ等の薄肉複雑形状部品は、鍛造
や切削では成形が困難もしくは不可能であるという問題
を有している。

【０００７】そこで、本発明者らは、上述の如き従来技
術の問題点を解決すべく鋭意研究し、各種の系統的実験
を重ねた結果、本発明を成すに至ったものである。

【０００８】（発明の目的）本発明の目的は、常温延性
および靱性に優れたＴｉ−Ａｌ系合金を提供するにあ
る。

【０００９】本発明者らは、上記の従来技術の問題に対
して、以下のことに着眼した。すなわち、Ｔｉ−Ａｌ系
合金特有の層状組織の層間隔を小さくすることにより、
鋳放しのままで鋳造割れのない高靱性、高延性のＴｉ−
Ａｌ系合金が得られることを見いだし、本発明を成すに
至った。これより、従来の粉末冶金法では得られなかっ
た高靱性、高延性のＴｉ−Ａｌ系合金を容易に得ること
ができる。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の高延性Ｔｉ−Ａ
ｌ系合金は、重量％でＡｌ：３０〜３８％、希土類元素
の一種以上：0.０１〜３.0％を含み、残部がチタンと不
可避物質とからなることを特徴とする。

【００１１】

【作用】本発明のＴｉ−Ａｌ系金属間化合物が優れた効
果を発揮するメカニズムについては、未だ必ずしも明ら
かではないが、次のように考えられる。

【００１２】本発明のＴｉ−Ａｌ系合金は、希土類元素
を特定量含むことによってＴｉ−Ａｌ系合金特有の層状
組織の層間隔が小さくなり、強度や延性などが向上す
る。

【００１３】アルミニウム（Ａｌ）の含有量は、３０重
量％以上３８重量％以下である。金属間化合物ＴｉＡｌ
（γ相）を与える化学量論組成はＴｉ−３６％Ａｌであ
り、Ｔｉ−Ａｌ二元合金においてＴｉＡｌが単相で存在
するのは、Ａｌ：３４〜４２重量％の範囲である。しか
し、Ａｌの含有量が３８重量％を超えると延性が低下す
る。一方、Ａｌの含有量が３４重量％よりも少ないＴｉ
リッチの組成になると、Ｔｉ₃ Ａｌ（α₂ 相）が生成す
る。このＴｉ₃ Ａｌは、それ自身は脆い物質であるが、
微量であれば延性の向上に役立つ。しかし、Ａｌの含有
量が３０重量％未満の場合は、α₂ 相が多量に析出し、
脆くなるため不適である。

【００１４】希土類元素の一種以上の含有量は、０．０
１重量％以上３．０重量％以下である。上記のアルミニ
ウム組成では、ＴｉＡｌとＴｉ₃ Ａｌの層状組織を形成
する。希土類元素は、この層状組織の層間隔を小さくす
るとともに、結晶粒を微細にする効果があるため、強度
および延性を向上させる効果を奏する。この元素の含有
量が０．０１重量％未満の場合は、これら強度向上効果
や延性向上効果が少ない。また、該含有量が３．０重量
％を超える場合は、粒界に多量の晶出物の生成を招き延
性が低下する。

【００１５】以上により、本発明のＴｉ−Ａｌ系合金
は、常温延性および靱性に優れたものとすることができ
るものと考えられる。

【００１６】

【発明の効果】本発明のＴｉ−Ａｌ系合金は、常温延性
および靱性に優れている。

【００１７】

【実施例】以下に、前記本発明の高延性Ｔｉ−Ａｌ系合
金をさらに具体的にした具体例（発明）について、説明
する。

【００１８】本発明のＴｉ−Ａｌ系合金において、Ａｌ
は原子比でＴｉ：Ａｌ＝１：１の組成よりも数％Ｔｉ−
ｒｉｃｈ側の組成において最も引張強度特性が高い。従
って、より高い引張強度特性を得るためには、Ａｌの含
有量を３２〜３６重量％とすることが好ましい。

【００１９】また、第三元素としての希土類元素は、そ
の一種以上を0.０１〜３.0重量％を含有してなるが、こ
の含有量は０．０３〜０．５重量％とすることが好まし
い。該含有量を上記好適範囲とすることにより、ＴｉＡ
ｌとＴｉ₃ Ａｌの層状組織の層間隔をより小さくするこ
とができるとともに、結晶粒をより微細にすることがで
きるため、より高強度で常温延性により優れた高延性Ｔ
ｉ−Ａｌ系合金とすることができる。ところで、特開昭
６３−１１４９３０号公報に記載されたＴｉ−Ａｌ系粉
末冶金合金には、Ｓｉ及び／又はＢを含有するＴｉ−Ａ
ｌ系粉末冶金合金において、希土類元素を添加した例が
開示されている。このＴｉ−Ａｌ系粉末冶金合金におい
ては、適量のＳｉおよび（または）Ｂの添加により焼結
体の延性が改善され、さらに希土類元素の添加により高
温における耐酸化性が向上するので、金属間化合物Ｔｉ
Ａｌを主成分とするＴｉ−Ａｌ系合金を粉末冶金法で製
品を作るのに適した合金であるとしている。しかしなが
ら、このＴｉ−Ａｌ系粉末冶金合金においては、希土類
元素は単に高温における耐酸化性を向上させるだけで、
焼結体の強度向上については述べられていない。また、
Ｓｉ、Ｂの添加の効果としては、ＴｉＡｌ粒の表面を清
浄にし、かつ共有結合性の減少により焼結反応を増進さ
せた結果、焼結体の強度が高まり、靱延性が増すと考え
られている。従って、この従来のＴｉ−Ａｌ系粉末冶金
合金における希土類元素は、本発明のＴｉＡｌとＴｉ₃
Ａｌの層状組織の層間隔を小さくする作用や結晶粒を微
細にする作用を奏することは無く、これら本発明の希土
類元素の作用・効果については何ら開示も示唆も無い。

【００２０】なお、この第三元素としての希土類元素
は、ランタン系列元素の一種以上であることが好まし
い。これは、ランタン系列元素は、前記本発明の効果を
より奏しやすく、また製造上ミッシュメタル等の混合物
の形で供給しやすく安価で取扱いも簡単だからである。
また、このランタン系列元素は、その一種以上を0.０１
〜３.0重量％以上を含有してなるが、この含有量が0.０
３〜0.５重量％である場合には、層状組織の層間隔を小
さくする効果、および結晶粒の微細化効果をより効果的
に奏することができ、また粒界への晶出物を生成させる
ことがないので好適である。

【００２１】また、第三元素としての希土類元素は、セ
リウムとランタン系列元素の一種以上とからなるもので
あることがより好ましい。この場合、セリウムとランタ
ン系列元素の一種以上と共存させることにより、単独で
含有させた場合に比べＴｉ−Ａｌ／Ｔｉ₃ Ａｌ層状組織
の層間隔がさらに小さくなるので、より高強度で常温延
性に優れた高靱性Ｔｉ−Ａｌ系合金とすることができ
る。さらにこの場合、セリウムは、ランタンと同等また
はそれ以上の効果があるので、ほぼ同量またはそれ以上
含有させるのが好ましい。このとき、ミッシュメタル等
の混合物の形態で添加してもよい。セリウムとランタン
系列元素の一種以上を単独で，または両者を含む混合物
の形態で添加する場合には、その含有量は0.０３〜0.５
重量％であることが好ましい。

【００２２】本発明の高延性Ｔｉ−Ａｌ系合金は、所定
量のＡｌと希土類元素の一種以上を含み、残部がチタン
と不可避物質とからなるが、本発明の作用及び／又は効
果を阻害しない範囲で、他の元素を含有させることがで
きる。例えば、常温延性を向上させる目的で、バナジウ
ム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、モリブ
デン（Ｍｏ）、ネオジム（Ｎｂ）などの遷移金属の一種
以上を所定量含有させることができる。また、耐酸化性
を向上させる目的で、珪素（Ｓｉ）を含有させることが
できる。なお、バナジウムを１．０〜５．０重量％添加
した場合は、常温延性を向上させるとともに引張強度特
性を向上させることができるので、好ましい。

【００２３】本発明の高延性Ｔｉ−Ａｌ系合金の製造方
法について、簡単に説明すると以下のようである。すな
わち、本発明の高延性Ｔｉ−Ａｌ系合金の製造方法の一
例としては、先ず、ＴｉとＡｌおよび希土類元素の一種
以上の物質を、或いはさらに必要に応じて所望の添加元
素物質を、目標組成となるように準備する。この場合、
それぞれ単独の元素物質であっても、これら元素を含む
物質であっても、あるいは上記元素を二種以上含む混合
物質や化合物質などであっても、さらにはこれらの混合
物や化合物などであってもよい。例えば、第三元素物質
の複合物質の例としては、ミッシュメタル（例えば、Ｃ
ｅ−Ｌａ−Ｎｄ）が挙げられ、安価であり好適である。
次いで、これら原料物質を、溶解する。この場合、溶解
法としては、真空アーク溶解法、プラズマビーム溶解
法、電子ビーム溶解法など周知の何れの方法を用いても
よい。なお、溶解法として高周波るつぼ溶解法を採用し
た場合、成分調整が容易で均質な合金を作製し易く、溶
解温度の制御がし易く、好適である。るつぼとしては、
カルシアるつぼが好適である。次いで、溶解した原料物
質を溶製し、本発明にかかるＴｉ−Ａｌ系合金を得るに
は、溶解鋳造法、加工熱処理法などの周知の方法を採る
ことができる。なお、溶製プロセスとして、溶解鋳造法
を採用した場合は、複雑形状部品を容易に得ることがで
き、好適である。

【００２４】本発明の好適な高延性Ｔｉ−Ａｌ系合金の
製造方法は、ＴｉとＡｌおよび希土類元素の一種以上の
物質を，或いはさらに必要に応じて所望の添加元素物質
を，目標組成となるように準備する原料物質準備工程
と、該原料物質を高周波溶解した後セラミック鋳型等の
所定形状の鋳型に注湯し鋳造する鋳造工程と、からなる
ことを特徴とする。この方法により、重量％でＡｌ：３
０〜３８％、ランタン系列元素の一種以上：0.０１〜
３.0％（より好適には0.０３〜0.５％）を含み、残部が
チタンと不可避物質とからなるＴｉ−Ａｌ系合金鋳物を
得ることができる。Ｔｉ−Ａｌ系合金鋳物は、中心から
鋳型壁に向かって柱状晶組織となって凝固し、この柱状
晶の成長方向は、ＴｉＡｌ／Ｔｉ₃ Ａｌ層状組織の層界
面に対してほぼ垂直である。なお、この柱状晶組織は、
γ相とα₂ 相との二相構造を有するが、上記本発明の方
法によれば、希土類元素の一種以上の物質の存在により
γ相及び／又はα₂ 相の厚さを薄く及び／又は長さを短
くすることができるので、高い靱性を有しかつ優れた常
温延性を有するＴｉ−Ａｌ系合金鋳物とすることができ
る。また、この柱状組織は、径0.１〜１ｍｍ、長さ数ｍ
ｍの粗大な結晶粒からなり、その層状組織の結晶方位に
よって強度のばらつきが大きくなる。この点からも、層
状組織の層間隔を小さくし、結晶粒径を小さくすること
ができるので、安定して高い強度と常温延性を有するＴ
ｉ−Ａｌ系合金鋳物とすることができる。

【００２５】なお、安定した強度を有するＴｉ−Ａｌ系
合金を溶製するためには、この層状組織の結晶粒径をよ
り小さくするとよく、さらには柱状晶組織から等軸晶組
織に組織制御することにより、強度特性をより安定した
ものとすることができる。

【００２６】第１実施例 先ず、純度９９.9％のスポンジチタンと純度９９.99 ％
のアルミニウムに、第三元素物質として表１に示すラン
タン（Ｌａ）およびセリウム（Ｃｅ）を目標組成に秤量
し、１０^-4 torr 以下の真空に排気した後、Ａｒ雰囲気
下で高周波溶解法によりセラミック鋳型に鋳込んだ。次
いで、鋳放しのままで本実施例にかかるＴｉ−Ａｌ系合
金を得た（試料番号：１〜２５）。このＴｉ−Ａｌ系合
金のインゴットから平行部径４ｍｍ、長さ１６ｍｍの引
張試験片を取り出し、常温引張試験を行った。破断伸び
は、試験片平行部に２枚の歪ゲージをはりつけ、その出
力から求めた。得られた結果を、表１に示す。

【００２７】

【表１】

【００２８】また、上記実施例の試料番号７のＴｉ−Ａ
ｌ系合金の鋳造組織を、光学顕微鏡（倍率：４００倍）
で観察した。その結果を、すなわちＴｉ−Ａｌ系合金の
金属組織を示す光学顕微鏡写真図を、図１に示す。同図
より明らかのように、Ｔｉ−Ａｌ系合金は、粒界に第三
相を含んだ細かい層間隔を有する層状組織である。ま
た、透過型電子顕微鏡による組織観察結果から、層間隔
はＴｉＡｌ（γ）相で0.１〜0.５μｍ、Ｔｉ₃ Ａｌ（α
₂ ）相で0.０５〜0.２μｍであった。

【００２９】また、試料番号５〜試料番号９について、
セリウムの含有量が0.０９〜0.１２重量％のときのアル
ミニウムの含有量と引張破断強度および破断伸びとの関
係を、図３に示す。なお、同図中、「Ａ」は引張破断強
度を、「Ｂ」は破断伸びをそれぞれ示す。同図より、ア
ルミニウムの含有量は、３３〜３４重量％をピークに最
適量が存在していることが分かる。

【００３０】また、試料番号１０〜試料番号１６につい
て、アルミニウム含有量が３３.4〜３３.8重量％のとき
のランタン量と引張破断強度および破断伸びとの関係
を、図４に示す。なお、参考のために、ランタン量が０
の場合、および本発明外の３.4重量％の場合の結果を併
せて示す。なお、同図中、「Ｃ」は引張破断強度を、
「Ｄ」は破断伸びをそれぞれ示す。同図より、本発明の
範囲の場合、強度および伸びに優れていることが分か
る。

【００３１】（参考例１）参考のために、ランタンおよ
びセリウムの含有量が過多量である場合の他は、上記第
１実施例と同様にして、表２に示す組成の参考用Ｔｉ−
Ａｌ系合金を作製し（試料番号Ｂ１およびＢ２）、同様
の評価試験を行った。その結果を、表２に併せて示す。

【００３２】

【表２】

【００３３】（比較例１）比較のために、希土類元素を
添加しない他は、上記第１実施例と同様にして、表２に
示す組成の比較用Ｔｉ−Ａｌ系合金を作製し（試料番
号：Ｃ１〜Ｃ５）、同様の評価試験を行った。その結果
を、表２に併せて示す。また、試料番号Ｃ３の比較用合
金について、上記第１実施例と同様に鋳造組織を観察し
た。該比較用合金の金属組織を示す光学顕微鏡写真図
（倍率：４００倍）を、図２に示す。同図より明らかの
ように、Ｔｉ−Ａｌ系合金は、上記の本実施例にかかる
合金に比べて大きな層間隔を有する層状組織である。ま
た、ＴｉＡｌ（γ）相、Ｔｉ₃ Ａｌ（α₂ ）相の層間隔
は、それぞれ１〜２μｍ、0.２〜１μｍと上記実施例に
比べても大きいことが分かる。

【００３４】表１および表２より明らかのように、本実
施例にかかるＴｉ−Ａｌ系合金は、比較用Ｔｉ−Ａｌ合
金に比べ、強度、伸びが著しく向上していることが分か
る。また、図１および図２より、本実施例のＴｉ−Ａｌ
系合金は、比較用合金に比べてＴｉＡｌ／Ｔｉ₃ Ａｌ層
状組織の層間隔が著しく小さいことが分かる。この特徴
的な組織構造により、本実施例のＴｉ−Ａｌ系合金は引
張強度および破断伸びが著しく向上しているものと考え
られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例において得られたＴｉ−Ａ
ｌ系合金（試料番号７）の金属組織を示す光学顕微鏡写
真図（倍率：４００倍）である。

【図２】第１実施例の比較例において得られた比較用合
金（試料番号Ｃ３）の金属組織を示す光学顕微鏡写真図
（倍率：４００倍）である。

【図３】本発明の第１実施例において得られたＴｉ−Ａ
ｌ系合金の性能評価試験結果を示す図で、アルミニウム
の含有量と引張破断強度および破断伸びとの関係を示す
線図である。

【図４】本発明の第１実施例において得られたＴｉ−Ａ
ｌ系合金の性能評価試験結果を示す図で、ランタンの含
有量と引張破断強度および破断伸びとの関係を示す線図
である。

【符号の説明】

Ａ・・・引張破断強度 Ｂ・・・破断伸び Ｃ・・・引張破断強度 Ｄ・・・破断伸び

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量％でＡｌ：３０〜３８％、希土類元
   素の一種以上：0.０１〜３.0％を含み、残部がチタンと
   不可避物質とからなることを特徴とする高延性Ｔｉ−Ａ
   ｌ系合金。
2. 【請求項２】 希土類元素の一種以上が、セリウムとラ
   ンタン系列元素の一種以上とからなり、該含有量は両者
   の合計量で0.０１〜３.0重量％であることを特徴とする
   請求項１記載の高延性Ｔｉ−Ａｌ系合金。