JP3379111B2 - 精密鋳造用チタンアルミナイド - Google Patents
精密鋳造用チタンアルミナイドInfo
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は鋳造素材としての精密鋳
造用チタンアルミナイドに係り、特にタービン部品や自
動車エンジン部品等の製造への実用化を図った精密鋳造
用チタンアルミナイドに関する。 【０００２】 【従来の技術】近年、Ｔｉ−Ａｌ系金属間化合物として
のチタンアルミナイドは、軽量耐熱材料として注目され
ている。その理由は、チタンアルミナイドは、ニッケル
基耐熱合金よりも高温での比強度に優れ、チタン合金よ
りも耐熱性，耐酸化性及び耐水素脆化性に優れているた
めである。これらの特性はタービン部品や自動車エンジ
ン部品等への適用に望ましく、その実用化が待たれてい
る。 【０００３】しかし、このチタンアルミナイドは、常温
延性が低いこと、又、延性が発現される７００℃以上の
高温においても歪速度依存性が大きく、加工性が悪いこ
とから、未だに実用材料として確立されていない。これ
らの欠点を解決することができれば、次世代ジェットエ
ンジン等の実現に大きく貢献することができる。そのた
め、結晶塑性学的，物理冶金的な研究が活発に行われて
おり、上記常温延性を改善することができるとする技術
の提案も多い。例えば、特願昭６１−４１７４０号、特
願平１−２５５６３２号、特願平１−２８７２４３号、
特願平１−２９８１２７号などに、粒界強化や双晶変形
惹起によって常温延性を改善することができると報告さ
れている。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】ところで、上述の提案
にあっては、例えば、シュラウド付タービンブレード等
のような薄肉複雑形状の部品を製造する場合、一般的に
は鋳造工程での湯回り不良や鋳造割れを発生しない鋳造
素材を開発するか、或いはそれらの解決法が確立されて
いないと、このチタンアルミナイドの実用化を実現する
ことはできない。 【０００５】 本出願人はこの点に鑑み、既に、特願平
２−２０１３７３号において、鋳造性に優れたチタンア
ルミナイドを提案した。当該出願において提案したチタ
ンアルミナイドは、図７に示すようなウィスカー状に見
える（実際はフレーク状の）チタンボライドが分散され
たミクロ組織を示すものであり、図６に示すようないわ
ゆる粗大ラメラー組織を有するものではなかった。 【０００６】このチタンアルミナイドは、鋳造性に極め
て優れているが、依然として疲労破壊の起点となり得る
フレーク状チタンボライドの分散を阻止する必要があっ
た。従って、この優れた鋳造性を損なうことなく、更に
チタンアルミナイドの実用化の検討を進める努力が求め
られており、又、耐酸化性を向上させることも期待され
ている。 【０００７】本発明の目的は、上記課題に鑑み、極めて
優れた鋳造性を有し、疲労破壊の起点となり得るフレー
ク状チタンボライドの分散を阻止することができると共
に、耐酸化性を向上させることができる精密鋳造用チタ
ンアルミナイドを提供することにある。 【０００８】 【課題を解決するための手段】本発明に係る精密鋳造用
チタンアルミナイドは、質量百分率で、Ａｌ：３１．５
〜３２．５％未満，Ｆｅ：１．５〜２．３％，Ｎｂ：
１．５〜２．０％又は３．８〜４．８％，Ｂ：０．０７
〜０．１２％を含有し、残部がＴｉ及び不可避不純物か
ら成ることを特徴とする。 【０００９】 【００１０】 【作用】本発明に係る精密鋳造用チタンアルミナイドの
組成範囲の限定は、以下の理由による。 【００１１】Ａｌの質量百分率を３１．５〜３２．５％
未満としたのは、Ａｌが３１．５％よりも少ない場合、
特にＡｌ／Ｔｉ比が０．４９よりも小さい場合は、図２
に示すように、特に抗張力及び常温延性が著しく低下す
るからである。一方、図２に示すように、抗張力、伸
び、及び破壊靭性値は、Ａｌ含有量が約３２ｗｔ％の時
に最高値となり、その後、Ａｌ含有量が約３２ｗｔ％よ
りも増加するのに伴って減少するため、Ａｌ含有量の規
定範囲を３２ｗｔ％を挟んだ前後０．５ｗｔ％とし、そ
の結果、Ａｌの質量百分率の上限を３２．５％未満とし
た。 【００１２】また、ＮｂおよびＦｅの質量百分率は、図
３を参考にして設定している。ＮｂおよびＦｅのいずれ
についても質量百分率を１．５％以上で下限値を設定し
ているのは、１．５％以下では添加の効果が少ないから
である。一方、ＮｂおよびＦｅの質量百分率の上限値
は、硬度がＨｖ３１０以上若しくは設定量以上の添加量
では鋳造割れを発生する頻度が高いことにより、定めら
れている。 【００１３】さらに、Ｂの質量百分率を０．０７％以上
としたのは、０．０７％よりも少ないと、粒界強化の効
果が少なく、又、ミクロ組織が不安定になるからであ
る。一方、Ｂの質量百分率を０．１２％以下としたの
は、０．１２％より多いと、チタンボライドの分散が見
られるようになるためである。 【００１４】また勿論、耐酸化性があまり強く要求され
ない部品に対してはＮｂ１．５〜２．０％の代りにＶ
１．５〜２．０％を含有させてもよい。 【００１５】 【実施例】以下、本発明に係る精密鋳造用チタンアルミ
ナイドの好適一実施例を添付図面に基づいて詳述する。 【００１６】本発明に係る精密鋳造用チタンアルミナイ
ドは、質量百分率で、Ａｌ：３１．５〜３２．５％未
満，Ｆｅ：１．５〜２．３％，Ｎｂ：１．５〜２．０％
又は３．８〜４．８％，Ｂ：０．０７〜０．１２％を含
有し、残部がＴｉ及び不可避不純物から成っている。 【００１７】 【００１８】このような組成を有する鋳造素材としての
精密鋳造用チタンアルミナイドを溶解し、所定の鋳造方
案を用いてシュラウド付タービンブレード製造用の型内
に鋳込み、図１に示すようなチタンアルミナイド製シュ
ラウド付タービンブレード１を試作した。図１は、実際
に試作したチタンアルミナイド製シュラウド付タービン
ブレード１を写真撮影し、これを模写して図面化したも
のである。 【００１９】また、比較例として、図４に示すように、
特願平２−２０１３７３号にて本出願人が提案したチタ
ンアルミナイドを鋳造素材として用いて、チタンアルミ
ナイド製シュラウド付タービンブレード２を作製した。 【００２０】さらに、比較例として、図５に示すよう
に、本発明以外の組成を有し、且つ、上記特願平２−２
０１３７３号で提案したチタンアルミナイド以外の組成
を有するチタンアルミナイドを鋳造素材として用いて、
チタンアルミナイド製シュラウド付タービンブレード３
を作製した。尚、図４及び図５は、実際に作製したチタ
ンアルミナイド製シュラウド付タービンブレード２，３
を写真撮影し、これを模写して図面化したものである。 【００２１】これらは、いずれも同一の鋳造方案を用い
て作製したもので、本発明に係る精密鋳造用チタンアル
ミナイドは、上記特願平２−２０１３７３号で提案した
チタンアルミナイドと同様に健全な鋳造品を得ることが
できる。従って、本発明によれば、薄肉複雑形状のター
ビン部品を精密鋳造できることが判る。これに対し、図
５に示した本発明以外の組成を有し、且つ、上記特願平
２−２０１３７３号で提案したチタンアルミナイド以外
の組成を有するチタンアルミナイドは、同一の鋳造方案
を用いて作製したにもかかわらず鋳造性が悪く、外観形
状が損なわれている。 【００２２】次に、上記実施例における作用を述べる。 【００２３】本発明に係る精密鋳造用チタンアルミナイ
ドは、先に提案した優れた鋳造性を有するチタンアルミ
ナイド（特願平２−２０１３７３号で提案したチタンア
ルミナイド）の実用化の検討を進める努力によってなさ
れたものである。すなわち、Ａｌの質量百分率を３１．
５〜３２．５％未満に設定して、抗張力、常温延性、及
び常温での破壊靭性値を良好に維持し、鋳造性を損なっ
ていない。また、Ｂの質量百分率を０．０７〜０．１２
％に設定して、粒界を強化すると共にミクロ組織を安定
にし、且つ、疲労破壊の起点となり得るフレーク状チタ
ンボライドの分散を阻止している。さらに、耐酸化性を
向上させるためにはＮｂ（ニオブ）を添加元素とする
が、耐酸化性を要求されない場合にはＶ（バナジウム）
を添加元素として用いてもよい。 【００２４】このように、本発明に係る精密鋳造用チタ
ンアルミナイドは、特に湯流れ性に優れており、又、鋳
放状態において、高強度及び比較的優れた延性を有して
いる。さらに、薄肉複雑形状鋳物でも割れが発生し難
く、該薄肉複雑形状の部品を高い良品歩留りで製作する
ことができる。従って、軽量耐熱新素材として期待され
ながら、その難加工性や高いコストが障害となっている
点を解決することができ、産業上極めて有用な精密鋳造
用チタンアルミナイドを提供することができるものであ
る。 【００２５】 【発明の効果】以上述べたように、本発明に係る精密鋳
造用チタンアルミナイドによれば、極めて優れた鋳造性
を有し、疲労破壊の起点となり得るフレーク状チタンボ
ライドの分散を阻止することができると共に、耐酸化性
を向上させることができるという優れた効果を発揮す
る。
造用チタンアルミナイドに係り、特にタービン部品や自
動車エンジン部品等の製造への実用化を図った精密鋳造
用チタンアルミナイドに関する。 【０００２】 【従来の技術】近年、Ｔｉ−Ａｌ系金属間化合物として
のチタンアルミナイドは、軽量耐熱材料として注目され
ている。その理由は、チタンアルミナイドは、ニッケル
基耐熱合金よりも高温での比強度に優れ、チタン合金よ
りも耐熱性，耐酸化性及び耐水素脆化性に優れているた
めである。これらの特性はタービン部品や自動車エンジ
ン部品等への適用に望ましく、その実用化が待たれてい
る。 【０００３】しかし、このチタンアルミナイドは、常温
延性が低いこと、又、延性が発現される７００℃以上の
高温においても歪速度依存性が大きく、加工性が悪いこ
とから、未だに実用材料として確立されていない。これ
らの欠点を解決することができれば、次世代ジェットエ
ンジン等の実現に大きく貢献することができる。そのた
め、結晶塑性学的，物理冶金的な研究が活発に行われて
おり、上記常温延性を改善することができるとする技術
の提案も多い。例えば、特願昭６１−４１７４０号、特
願平１−２５５６３２号、特願平１−２８７２４３号、
特願平１−２９８１２７号などに、粒界強化や双晶変形
惹起によって常温延性を改善することができると報告さ
れている。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】ところで、上述の提案
にあっては、例えば、シュラウド付タービンブレード等
のような薄肉複雑形状の部品を製造する場合、一般的に
は鋳造工程での湯回り不良や鋳造割れを発生しない鋳造
素材を開発するか、或いはそれらの解決法が確立されて
いないと、このチタンアルミナイドの実用化を実現する
ことはできない。 【０００５】 本出願人はこの点に鑑み、既に、特願平
２−２０１３７３号において、鋳造性に優れたチタンア
ルミナイドを提案した。当該出願において提案したチタ
ンアルミナイドは、図７に示すようなウィスカー状に見
える（実際はフレーク状の）チタンボライドが分散され
たミクロ組織を示すものであり、図６に示すようないわ
ゆる粗大ラメラー組織を有するものではなかった。 【０００６】このチタンアルミナイドは、鋳造性に極め
て優れているが、依然として疲労破壊の起点となり得る
フレーク状チタンボライドの分散を阻止する必要があっ
た。従って、この優れた鋳造性を損なうことなく、更に
チタンアルミナイドの実用化の検討を進める努力が求め
られており、又、耐酸化性を向上させることも期待され
ている。 【０００７】本発明の目的は、上記課題に鑑み、極めて
優れた鋳造性を有し、疲労破壊の起点となり得るフレー
ク状チタンボライドの分散を阻止することができると共
に、耐酸化性を向上させることができる精密鋳造用チタ
ンアルミナイドを提供することにある。 【０００８】 【課題を解決するための手段】本発明に係る精密鋳造用
チタンアルミナイドは、質量百分率で、Ａｌ：３１．５
〜３２．５％未満，Ｆｅ：１．５〜２．３％，Ｎｂ：
１．５〜２．０％又は３．８〜４．８％，Ｂ：０．０７
〜０．１２％を含有し、残部がＴｉ及び不可避不純物か
ら成ることを特徴とする。 【０００９】 【００１０】 【作用】本発明に係る精密鋳造用チタンアルミナイドの
組成範囲の限定は、以下の理由による。 【００１１】Ａｌの質量百分率を３１．５〜３２．５％
未満としたのは、Ａｌが３１．５％よりも少ない場合、
特にＡｌ／Ｔｉ比が０．４９よりも小さい場合は、図２
に示すように、特に抗張力及び常温延性が著しく低下す
るからである。一方、図２に示すように、抗張力、伸
び、及び破壊靭性値は、Ａｌ含有量が約３２ｗｔ％の時
に最高値となり、その後、Ａｌ含有量が約３２ｗｔ％よ
りも増加するのに伴って減少するため、Ａｌ含有量の規
定範囲を３２ｗｔ％を挟んだ前後０．５ｗｔ％とし、そ
の結果、Ａｌの質量百分率の上限を３２．５％未満とし
た。 【００１２】また、ＮｂおよびＦｅの質量百分率は、図
３を参考にして設定している。ＮｂおよびＦｅのいずれ
についても質量百分率を１．５％以上で下限値を設定し
ているのは、１．５％以下では添加の効果が少ないから
である。一方、ＮｂおよびＦｅの質量百分率の上限値
は、硬度がＨｖ３１０以上若しくは設定量以上の添加量
では鋳造割れを発生する頻度が高いことにより、定めら
れている。 【００１３】さらに、Ｂの質量百分率を０．０７％以上
としたのは、０．０７％よりも少ないと、粒界強化の効
果が少なく、又、ミクロ組織が不安定になるからであ
る。一方、Ｂの質量百分率を０．１２％以下としたの
は、０．１２％より多いと、チタンボライドの分散が見
られるようになるためである。 【００１４】また勿論、耐酸化性があまり強く要求され
ない部品に対してはＮｂ１．５〜２．０％の代りにＶ
１．５〜２．０％を含有させてもよい。 【００１５】 【実施例】以下、本発明に係る精密鋳造用チタンアルミ
ナイドの好適一実施例を添付図面に基づいて詳述する。 【００１６】本発明に係る精密鋳造用チタンアルミナイ
ドは、質量百分率で、Ａｌ：３１．５〜３２．５％未
満，Ｆｅ：１．５〜２．３％，Ｎｂ：１．５〜２．０％
又は３．８〜４．８％，Ｂ：０．０７〜０．１２％を含
有し、残部がＴｉ及び不可避不純物から成っている。 【００１７】 【００１８】このような組成を有する鋳造素材としての
精密鋳造用チタンアルミナイドを溶解し、所定の鋳造方
案を用いてシュラウド付タービンブレード製造用の型内
に鋳込み、図１に示すようなチタンアルミナイド製シュ
ラウド付タービンブレード１を試作した。図１は、実際
に試作したチタンアルミナイド製シュラウド付タービン
ブレード１を写真撮影し、これを模写して図面化したも
のである。 【００１９】また、比較例として、図４に示すように、
特願平２−２０１３７３号にて本出願人が提案したチタ
ンアルミナイドを鋳造素材として用いて、チタンアルミ
ナイド製シュラウド付タービンブレード２を作製した。 【００２０】さらに、比較例として、図５に示すよう
に、本発明以外の組成を有し、且つ、上記特願平２−２
０１３７３号で提案したチタンアルミナイド以外の組成
を有するチタンアルミナイドを鋳造素材として用いて、
チタンアルミナイド製シュラウド付タービンブレード３
を作製した。尚、図４及び図５は、実際に作製したチタ
ンアルミナイド製シュラウド付タービンブレード２，３
を写真撮影し、これを模写して図面化したものである。 【００２１】これらは、いずれも同一の鋳造方案を用い
て作製したもので、本発明に係る精密鋳造用チタンアル
ミナイドは、上記特願平２−２０１３７３号で提案した
チタンアルミナイドと同様に健全な鋳造品を得ることが
できる。従って、本発明によれば、薄肉複雑形状のター
ビン部品を精密鋳造できることが判る。これに対し、図
５に示した本発明以外の組成を有し、且つ、上記特願平
２−２０１３７３号で提案したチタンアルミナイド以外
の組成を有するチタンアルミナイドは、同一の鋳造方案
を用いて作製したにもかかわらず鋳造性が悪く、外観形
状が損なわれている。 【００２２】次に、上記実施例における作用を述べる。 【００２３】本発明に係る精密鋳造用チタンアルミナイ
ドは、先に提案した優れた鋳造性を有するチタンアルミ
ナイド（特願平２−２０１３７３号で提案したチタンア
ルミナイド）の実用化の検討を進める努力によってなさ
れたものである。すなわち、Ａｌの質量百分率を３１．
５〜３２．５％未満に設定して、抗張力、常温延性、及
び常温での破壊靭性値を良好に維持し、鋳造性を損なっ
ていない。また、Ｂの質量百分率を０．０７〜０．１２
％に設定して、粒界を強化すると共にミクロ組織を安定
にし、且つ、疲労破壊の起点となり得るフレーク状チタ
ンボライドの分散を阻止している。さらに、耐酸化性を
向上させるためにはＮｂ（ニオブ）を添加元素とする
が、耐酸化性を要求されない場合にはＶ（バナジウム）
を添加元素として用いてもよい。 【００２４】このように、本発明に係る精密鋳造用チタ
ンアルミナイドは、特に湯流れ性に優れており、又、鋳
放状態において、高強度及び比較的優れた延性を有して
いる。さらに、薄肉複雑形状鋳物でも割れが発生し難
く、該薄肉複雑形状の部品を高い良品歩留りで製作する
ことができる。従って、軽量耐熱新素材として期待され
ながら、その難加工性や高いコストが障害となっている
点を解決することができ、産業上極めて有用な精密鋳造
用チタンアルミナイドを提供することができるものであ
る。 【００２５】 【発明の効果】以上述べたように、本発明に係る精密鋳
造用チタンアルミナイドによれば、極めて優れた鋳造性
を有し、疲労破壊の起点となり得るフレーク状チタンボ
ライドの分散を阻止することができると共に、耐酸化性
を向上させることができるという優れた効果を発揮す
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る精密鋳造用チタンアルミナイドの
試鋳品を示す概略図である。 【図２】ＴｉＡｌ（Ｆｅ，Ｎｂ，Ｂ）の鋳放状態での機
械的性質を示す説明図である。 【図３】ＴｉＡｌ（Ｆｅ，Ｎｂ，Ｂ）の鋳放状態での硬
さを示す説明図である。 【図４】特願平２−２０１３７３号で提案したチタンア
ルミナイドの試鋳品を示す概略図である。 【図５】本発明以外の組成を有し、且つ、上記特願平２
−２０１３７３号で提案したチタンアルミナイド以外の
組成を有するチタンアルミナイドの試鋳品を示す概略図
である。 【図６】Ｔｉ−３４．５ｗｔ％Ａｌの粗大ラメラー金属
組織を示す写真（×４００）である。 【図７】特願平２−２０１３７３号で提案したチタンア
ルミナイドのミクロ金属組織を示す写真（×４００）で
ある。 【符号の説明】 １ チタンアルミナイド製シュラウド付タービンブレー
ド
試鋳品を示す概略図である。 【図２】ＴｉＡｌ（Ｆｅ，Ｎｂ，Ｂ）の鋳放状態での機
械的性質を示す説明図である。 【図３】ＴｉＡｌ（Ｆｅ，Ｎｂ，Ｂ）の鋳放状態での硬
さを示す説明図である。 【図４】特願平２−２０１３７３号で提案したチタンア
ルミナイドの試鋳品を示す概略図である。 【図５】本発明以外の組成を有し、且つ、上記特願平２
−２０１３７３号で提案したチタンアルミナイド以外の
組成を有するチタンアルミナイドの試鋳品を示す概略図
である。 【図６】Ｔｉ−３４．５ｗｔ％Ａｌの粗大ラメラー金属
組織を示す写真（×４００）である。 【図７】特願平２−２０１３７３号で提案したチタンア
ルミナイドのミクロ金属組織を示す写真（×４００）で
ある。 【符号の説明】 １ チタンアルミナイド製シュラウド付タービンブレー
ド
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 質量百分率で、Ａｌ：３１．５〜３２．
５％未満，Ｆｅ：１．５〜２．３％，Ｎｂ：１．５〜
２．０％又は３．８〜４．８％，Ｂ：０．０７〜０．１
２％を含有し、残部がＴｉ及び不可避不純物から成るこ
とを特徴とする精密鋳造用チタンアルミナイド。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06983292A JP3379111B2 (ja) | 1992-02-19 | 1992-02-19 | 精密鋳造用チタンアルミナイド |
| EP93102073A EP0560070B1 (en) | 1992-02-19 | 1993-02-10 | Titanium aluminide for precision casting and casting method using the same |
| DE69303841T DE69303841T2 (de) | 1992-02-19 | 1993-02-10 | Titanaluminide für Präzisionsguss und Giessmethoden mit deren Verwendung |
| US08/158,658 US5839504A (en) | 1992-02-19 | 1993-11-29 | Precision casting titanium aluminide |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06983292A JP3379111B2 (ja) | 1992-02-19 | 1992-02-19 | 精密鋳造用チタンアルミナイド |
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|---|---|
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Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
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-
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-
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- 1993-02-10 EP EP93102073A patent/EP0560070B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1993-11-29 US US08/158,658 patent/US5839504A/en not_active Expired - Lifetime
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