JPH09143599A - TiAl系金属間化合物基合金 - Google Patents

TiAl系金属間化合物基合金

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JPH09143599A
JPH09143599A JP29641095A JP29641095A JPH09143599A JP H09143599 A JPH09143599 A JP H09143599A JP 29641095 A JP29641095 A JP 29641095A JP 29641095 A JP29641095 A JP 29641095A JP H09143599 A JPH09143599 A JP H09143599A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 耐熱性、耐共振性に優れたTiAl系金属間
化合物基合金に関する。 【解決手段】 Al濃度:45〜48原子%、Ni濃
度:0.5〜2原子%、Nb濃度:1〜3原子%、W濃
度:0.2〜1原子%、Mn濃度:1〜2原子%を含有
し、残部がTiからなる耐熱性、耐共振性TiAl系金
属間化合物基合金。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は過給機のタービンブ
レード、小型過給機のタービンホイール、産業用ガスタ
ービン及びジェットエンジンのタービンブレード等に用
いるに適した耐熱性と耐共振性に優れたTiAl系金属
間化合物基合金に関する。
【0002】
【従来の技術】金属間化合物TiAlを主相とする合金
(以下、TiAl基合金という)は金属系新素材として
近年注目を集めている。その最大の特徴は軽量高強度と
いうことであるため、適用対象部品としては航空宇宙用
構造材あるいは回転部品が考えられている。回転部品と
して大型のもの、例えは産業用蒸気タービンのロータな
どを考えた場合、欠陥のない大型のTiAl基合金部材
を製造する生産技術、即ち大型部材の溶解、鍛造及び熱
処理技術は現在ではまだ未発達なため、TiAl基合金
の用途としては現状では小型の回転部品、例えば過給
機、ガスタービンなどのタービンブレードあるいは小型
過給機のタービンホイールなどが考えられている。
【0003】これらの部品については従来、500℃
(メタル温度、以下同様)程度以下の低温部位にはTU
F鋼に代表される12Cr系耐熱鋼が、またそれ以上の
高温域では超合金が使われている。750℃以上では超
合金しか使用する材料はないため、部品の材料コストが
高くなっても性能を保証するためやむを得ないが、50
0〜750℃の範囲では材料特性の点から言うと超合金
ではオーバースペックであり、超合金ほど耐熱性がなく
ともより安価な材料を使用することが望まれてきた。
【0004】TiAl基合金は原料費は超合金より安価
であり、750℃程度までは超合金に匹敵する耐熱性を
有していることから、この500〜750℃で使われる
ブレードとしての実用化が期待されてきた。またこの場
合、副次的効果として、ブレード重量が超合金に較べ1
/2になることから、ディスクに負荷される遠心応力も
1/2になり、ディスク材としてもより耐熱性の低い、
安価な材料が使用可能となるため、いっそうのコストダ
ウンに結びつく。
【0005】一般に、ブレードなどの高温回転部品に適
用される材料を考えた場合、高温引張強度、疲労強度、
クリープ強度、耐酸化性、常温延性などの一般的な材料
特性が必要であるが、それ以外にも回転部品固有の特
性、即ち耐共振性が必要となる。つまりこれらの部品に
は使用中に一定の励振力が作用し、これと共振を起こす
可能性があるためである。共振が生じると騒音が発生す
ると同時に、甚だしくは疲労破壊にまで至る。この危険
な共振を設計的な手段のみにおいて防止することは困難
であり、またこれを追求することによって他の弊害も生
じることから、材料自身に振動の減衰能をもたす考え方
が一般的である。このためには材料には減衰能、つまり
大きな内部摩擦が必要とされる。
【0006】TiAl基合金は近年世界中で盛んに研究
されており、種々の材料特性の向上が計られている。そ
の結果、500〜750℃において、タービン材料に必
要な上記の材料特性では、高温比強度、比クリープ強度
は超合金と同等あるいはそれ以上であり、耐酸化性は超
合金よりは劣るが、実用上ほとんど問題ないレベルにあ
る。また疲労強度は高く超合金以上のレベルにある。さ
らに、常温延性は2%程度であり実用上ほとんど問題な
いと言う状態まで至っている。即ちTiAl基合金のほ
とんどの材料特性は500〜750℃の温度域をカバー
するのに十分な性能を有するレベルまでに向上している
と言える。
【0007】しかしながら、TiAl基合金にはまだ一
つ問題があり、これが原因で実用化に至っていなかっ
た。この問題とは先に述べた耐共振性が低い、つまり内
部摩擦が小さい(12Cr系耐熱鋼、超合金の1/10
程度)と言うことである。つまり従来の技術ではTiA
l基合金を500〜750℃程度のブレードなどの小型
回転部品に実用化するために、必要なほとんどすべての
材料特性の向上が計られてきたが、唯一内部摩擦が小さ
く、耐共振性を満足することができなかったため、これ
まで実際に製品化されるまでには至っていなかったと言
える。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】本発明は以上の技術水
準に鑑み、500〜750℃程度において高温強比強度
などの材料特性が良好であり、かつ従来技術の問題であ
った耐共振性が改善されたTiAl基合金を提供しよう
とするものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明者は従来技術のT
iAl基合金で不十分な特性であった内部摩擦を向上さ
せるためには適量のNiの添加が有効であることを見出
した。また、500〜750℃で使用されるタービンブ
レードなどの回転部品において、必要とされる種々の材
料特性をバランスよく向上させ、かつTiAl基合金の
最大の長所である軽量性を損なわず、さらに原料費の高
騰を招かないためには適量なNb、W、Mnを添加する
ことが有効であることを見出した。本発明はこの結果に
基づいてなされたもので、Al濃度:45〜48原子
%、Ni濃度:0.5〜2原子%、Nb濃度:1〜3原
子%、W濃度:0.2〜1原子%、Mn濃度:1〜2原
子%を含有し、残部がTiからなることを特徴とする耐
熱性、耐共振性に優れたTiAl系金属間化合物基合金
である。
【0010】(作用)以下、本発明に係わるTiAl基
合金における各成分の作用並びに限定理由を示す。
【0011】(1)Al: Alは本合金の主要構成元
素である。濃度が45原子%未満になるとラメラー組織
中のα2 相の割合が多くなり過ぎるため常温延性が低下
する。一方、48原子%を越えるとラメラー組織中α2
相の割合が少なくなり過ぎるため高温強度が低下するの
で望ましくない。
【0012】(2)Ni: 内部摩擦を増加させるため
の添加成分である。添加量が0.5原子%未満では添加
効果が認められない。一方、2原子%を越えるとラーベ
ス相などの有害相を生成させ、常温延性を低下させるた
め望ましくない。
【0013】(3)Nb: 耐酸化性を向上させるため
の添加成分である。添加量が1原子%未満では添加効果
が認められない。一方、3原子%を越えると比重が増加
するとともに、Nbは高価な元素のため、材料コストの
上昇を招き望ましくない。
【0014】(4)W: 高温強度を向上させるための
添加成分である。添加量が0.2原子%未満では添加効
果が認められない。一方、1原子%を越えると比重が増
加するとともに、Wは高価な元素のため、材料コストの
上昇を招き望ましくない。
【0015】(5)Mn: 常温延性を向上させるため
の添加成分である。添加量が1原子%未満では添加効果
が認められない。一方、2原子%を越えると耐酸化性を
低下させるので望ましくない。
【0016】
【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。純
度99.8%のスポンジTi及び純度99.9%のA
l、Ni、Nb、W、Mnを原料として用い、高周波ス
カル溶解によって表1に示す組成のインゴットを作製し
た。次に均質化のため、このインゴットに1000℃×
10時間の熱処理を施した後、機械加工により平行部の
直径5mm、標点間距離22mmの引張り試験片、20
mm×20mm×2mmの酸化試験片及び3mm×4m
m×40mmの内部摩擦測定用試験片を採取した。
【0017】常温延性は室温の引張り試験での伸びによ
って、また高温強度は750℃の引張り試験での引張り
強度によって評価した。引張り試験の初期ひずみ速度は
両温度とも3.8×10-4/sである。耐酸化性は75
0℃で500時間保持した場合の酸化増量によって評価
した。また、内部摩擦は室温において測定した。その試
験結果を表1に併せて示す。
【0018】例1はAl濃度が本発明の範囲以下のもの
の結果である。750℃の強度、内部摩擦、酸化増量は
良好であるものの室温伸びは0.7%と不良であった。
例2、3は本発明の合金であり、室温伸びは2.1%以
上、750℃の強度は50Kgf/mm2 以上、内部摩
擦(Q-1)は1.1×10-3以上、酸化増量は2.3m
g/cm2 以下といずれの特性も良好であった。例4は
Al濃度が本発明の範囲以上のものの結果である。室温
伸び、内部摩擦、酸化増量は良好であるものの、750
℃の強度は42.7Kgf/mm2 と不良であった。
【0019】例5はNi濃度が本発明の範囲以下のもの
の結果である。室温伸び、750℃の強度、酸化増量は
良好であるものの、内部摩擦(Q-1)は5.23×10
-4と不良であった。例6、7は本発明の合金であり、室
温伸びは1.8%以上、750℃の強度は48Kgf/
mm2 以上、内部摩擦(Q-1)は1.1×10-3以上、
酸化増量は2.2mg/cm2 以下といずれの特性も良
好であった。例8はNi濃度が本発明の範囲以上のもの
の結果である。750℃の強度、内部摩擦、酸化増量は
良好であるものの、常温伸びは0.6%と不良であっ
た。
【0020】例9はNb濃度が本発明の範囲以下のもの
の結果である。室温伸び、750℃の強度、内部摩擦は
良好であるものの酸化増量は4.1mg/cm2 と不良
であった。例10、11は本発明の合金であり、室温伸
びは1.7%以上、750℃の強度は47Kgf/mm
2 以上、内部摩擦(Q-1)は1.0×10-3以上、酸化
増量は2.6mg/cm2 以下といずれの特性も良好で
あった。例12はNb濃度が本発明の範囲以上のものの
結果である。室温伸び、750℃の強度、内部摩擦、酸
化増量とも本発明の合金と同等である。しかしながらN
bは比重が大きく、高価な元素であるため、比重並びに
材料費用の増加を勘案すると、本発明の合金と較べると
劣ると言える。
【0021】例13はW濃度が本発明の範囲以下のもの
の結果である。室温伸び、内部摩擦、酸化増量は良好で
あるものの、750℃の強度は44.4Kgf/mm2
と不良であった。例14、15は本発明の合金であり、
室温伸びは1.9%以上、750℃の強度は49Kgf
/mm2 以上、内部摩擦(Q-1)は1.1×10-3
上、酸化増量は2.3mg/cm2 以下といずれの特性
も良好であった。例16はW濃度が本発明の範囲以上の
ものの結果である。室温伸び、750℃の強度、内部摩
擦、酸化増量とも本発明の合金と同等である。しかしな
がらWは比重が大きく、高価な元素であるため比重並び
に材料費用の増加を勘案すると、本発明の合金と較べる
と劣ると言える。
【0022】例17はMn濃度が本発明の範囲以下のも
のの結果である。750℃の強度、内部摩擦、酸化増量
は良好であるものの、室温伸びは1.0%と不良であっ
た。例18、19は本発明の合金であり、室温伸びは
1.8%以上、750℃の強度は49Kgf/mm2
上、内部摩擦(Q-1)は1.1×10-3以上、酸化増量
は2.4mg/cm2 以下といずれの特性も良好であっ
た。例20はMn濃度が本発明の範囲以上のものの結果
である。室温伸び、750℃の強度、内部摩擦は良好で
あるものの酸化増量は3.2mg/cm2 と不良であっ
た。
【0023】
【表1】
【0024】
【発明の効果】以上詳述した如く本発明によれば、過給
機のタービンブレード、小型過給機のタービンホイー
ル、産業用ガスタービン及びジェットエンジンのタービ
ンブレード等で500〜750℃の範囲で使用される部
品に適した耐熱性と耐共振性に優れたTiAl系金属間
化合物基合金が提供できる。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 Al濃度:45〜48原子%、Ni濃
    度:0.5〜2原子%、Nb濃度:1〜3原子%、W濃
    度:0.2〜1原子%、Mn濃度:1〜2原子%を含有
    し、残部がTiからなることを特徴とする耐熱性、耐共
    振性TiAl系金属間化合物基合金。
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