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JP3694341B2 - TiAl intermetallic compound based alloy material with excellent high temperature characteristics and method for producing the same - Google Patents
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TiAl intermetallic compound based alloy material with excellent high temperature characteristics and method for producing the same Download PDF

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Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、高温引張強度および高温・室温延性に優れたTiAl金属間化合物基合金およびその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
耐環境性構造材として、材料開発が進められている材料にTiAl金属間化合物基合金材料がある。この材料は、優れた高温強度特性をもつため、将来の高温構造用材料としての開発が期待されている。この材料が注目されているのはその高温強度であり、従来のNi基およびCo基超合金の特性値に匹敵するものである。さらに、TiAl金属間化合物基合金材料の比重が3.8であり、これら超合金の比重が10近いことを考慮すれば、TiAl金属間化合物基合金材料は、高温の比強度では超合金に勝るものである。このため、軽量性を必要とする次世代航空機用材料として有望である。
【0003】
しかし、TiAl金属間化合物基合金材料を含め、これら超合金等の合金系高温強度材料の使用温度は900℃が限界であり、900〜1100℃において充分強度のある金属系材料は今までなかった。むしろ、1000℃以上の温度域においてはセラミックス、C/C(カーボン・カーボンファイバー)等の非金属系材料が使用されている。しかし、これらの材料は高温強度は高いが、殆どの場合、破壊は弾性応力内で起こり、延性がゼロである。このため、安全性を考慮すれば延性を有する合金系材料が望まれている。
【0004】
従来技術として、金属間化合物系薄板を製造するニア・ネット・シェイプの鋳造技術がある。ニアネット・シェイプの薄板製造技術は最近急速に進展しており、特に金属材料系ではステンレス・薄板製造などへの応用が進んでいる。その薄板製造技術としては、種々の鋳造方法が提案されているが、その中で双ロール法は厚みの一様な連続した薄板を作製するのに適している。
【0005】
上記技術の金属間化合物材料への適応例としては、微量のボロンを添加することにより延性が改善されたニッケル・アルミニウム金属間化合物(NiAl)の例が知られている。これは1988年11月に開催された「ニア・ネット・シェイプ製品の鋳造」(“Casting ofNeare Net Shape Products”)に関する国際会議に報告されている(Proceedings of an International Sympo-sium of Near Net Shape Products,315 〜333 ページ、The Metallurgical Society 発行)。また、TiAl金属間化合物薄板の製造方法は、特願平3−501367号に記載されている。
【0006】
さらに、ボロンを添加したTiAl金属間化合物材料についてはプラズマ溶製、恒温鍛造による製造法が開示された米国特許第4,842,820号明細書およびメカニカル・アロイングによる製造法が開示された米国特許第4,751,048号明細書がある。
【0007】
クロムを添加したTiAl金属間化合物材料については、プラズマ溶製、恒温鍛造による製造法が米国特許第4,842,819号明細書および米国特許第4,879,092号明細書に開示されている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、高温強度特性を高めたTiAl基金属間化合物材料を得ると共に、この高温強度特性を保持したままでさらに常温延性を向上させることを目的としている。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明は、下記の事項をその要旨としている。すなわち、
(i) O濃度が1000〜5000重量ppmの合金中の結晶粒界又は粒内の一方又は双方に、微細アルミナ(Al)をO濃度が1000〜5000重量ppmで、粒径200〜500nmのサイズで分散し、合金として、Ti50〜53at%、およびAl47〜50at%からなるTiAlにα相を含むことを特徴とする、高温強度特性に優れたTiAl金属間化合物基合金材料。
(ii) さらに、Cr、MnおよびVの1種又は2種以上を1〜3at%含有していることを特徴とする、前項(i)記載のTiAl金属間化合物基合金材料。
(iii) O濃度が1000〜5000重量ppmの合金中の結晶粒界又は粒内の一方又は双方に、微細アルミナ(Al)をO濃度が1000〜5000重量ppmで、粒径200〜500nmのサイズで分散し、かつボライド(TiB)をB濃度が0.1〜10at%で粒径500nm以下のサイズで分散し、合金として、Ti50〜53at%およびAl47〜50at%からなるTiAlにα相を含むことを特徴とする、高温強度と延性に優れたTiAl金属間化合物基合金材料。
(iv) さらに、Cr、MnおよびVの1種又は2種以上を1〜3at%含有していることを特徴とする、前項(iii)に記載のTiAl金属間化合物基合金材料。
【0010】
以下に、本発明を詳細に説明する。
本発明者らは、従来のTiAl金属間化合物基合金のマトリックスに加え、マトリックス中に粒径500nm以下のAl微細酸化物を10μm以下の間隔で分散させることにより高温高強度が得られることを見い出した。
【0011】
また、本発明者らは、TiAl金属間化合物基合金のマトリックスにさらにボライド(TiB)を複合分散させることにより、Alを単独に分散させることにより達成される高温高強度を保持したままの状態でさらに常温延性が確保できることを見い出した。
すなわち、微細化により常温延性が向上したにもかかわらず、高温において細粒化で予想される粒界すべりの助長による強度低下はみられず、高温強度を飛躍的に向上することができたのである。
【0012】
ここで、この高温強度が発現する機構について述べる。
一般に合金材料における強度発現温度域は、その材料の絶対温度で表示した場合の融点の0.6倍の温度までとされている。これ以上の温度においては拡散が支配的となり、材料が降伏点よりも低い応力でずるずると粘性的に変形してしまうからである。すなわち、クリープ変形が主体となる。
【0013】
TiAlの場合、二元系においては融点が1470℃であるから絶対温度では1743K、その0.6倍は1046Kである。すなわち、772℃が強度発現の限界であると考えられる。これ以上の温度になると粒界すべり、粒内での転位によるすべりが活性化され、降伏応力の低下、強度の低下がみられる。従来の熱処理または恒温鍛造処理を行ったTiAl金属間化合物基合金においては、800℃での強度は180〜300MPa、1000℃での強度は80〜150MPa、さらに1100℃での強度は40MPa以下であった。
【0014】
これに対し、本発明材料のように、Al微細酸化物およびTiBの複合分散を行ったマトリックスは、その降伏応力、強度が向上する。これは下記の理由によるものと考えられる。
【0015】
まず、粒界すべりについては粒界上の微細酸化物の存在により、高温における結晶粒の安定性が増し、粒界がピン止めされることにより強度が向上する。また、粒内の転位がすべる場合、粒内の微細酸化物に転位が集積し、それ以上の転位の運動が妨げられ、強度が増加する。さらに、このように転位の増殖が抑制されているため再結晶化の駆動力である集中した転位密度の増加が低減するために動的再結晶による強度の低下を妨げることができる。これらの機構は、Al微細酸化物およびTiBの複合分散そのものが微細介在物として働くことにより説明される。
【0016】
もうひとつの重要な機構としては、TiAlのラメラ構造の構成相であるα相の酸素の固溶による強化機構が挙げられる。このα相がTiAl中の酸素のゲッターとして働いているのである。TiAl中のγ相とα相から構成されるラメラ構造はその相間隔が、特に第二相のαにおいて細かく、10nm程度である。このため、通常の分析手法ではこの相中に含まれる酸素濃度の定量が困難であった。しかし、1.5wt%の高酸素濃度の材料を用い、さらに酸素同定を容易にし、かつ分析手段として原子オーダーの面積および定量分析が可能なAP−FIM解析を用いることにより酸素濃度の定量化が可能となった。その結果、殆どの酸素はα相に吸収され、α相の酸素固溶は5原子%レベルであることが明らかとなった(R.Uemori,T.Hanamura and H.Morikawa,Sc-ripta Metall.Mater., 26(1992),969.)。
【0017】
その後、フランスの研究者によりAP−FIMによる追試がなされ、ppmレベルでの酸素濃度の定量が可能となった(A.Huguet and A.Menand,Applied Science,76/77(1994),191.)。これによると、γ相中の酸素固溶限は300wt.ppmであり、殆どの酸素はα相に固溶され、α相中の固溶限は5原子%であると推定される。
【0018】
これらのことから、Al以外の酸素はα相に存在し、α相を固溶強化していると考えられる。また、Ti合金においては酸素は一般にα相安定化元素として知られていることから、酸素がα相に固溶することによって高温におけるα相の安定性を高め、高温強度に寄与していることも考えられる。これは動的再結晶の抑制につながるものである。
【0019】
以上述べたように、粒界すべりの抑制、粒内すべりの抑制、動的再結晶の抑制の相乗効果により高温強度が達成できると考えらる。
【0020】
次に、本発明における、これら微細酸化物のみによる微細粒子分散強化機構について、Ashby の式を用いて考察してみる。
【0021】
まず、パラメータを以下のように設定する。
【0022】
R:微細酸化物の半径
μ:γTiAlの弾性定数
l:微細酸化物の平均粒子間距離
f:微細酸化物の体積占有率
b:γTiAl中の転位のバーガース・ベクトル
M:ポアッソン定数
σ:強度(応力)
τ:強度(せん断応力)
まず、微細酸化物の体積を考慮すると、次の関係式が成り立つ。
【数1】
これにより
【数2】
せん断応力は、以下で表せる。
【数3】
よって、微細酸化物分散によるせん断応力は
【数4】
これから微細酸化物分散による強度(応力)は
【数5】
【0023】
次に、各パラメータを下記の数値に設定する。
M=3、μ=5×1010Pa、b=0.25nm、
R=200nm、f=0.1%〜10-3
これを上記の(6)式に代入すると
【数6】
【0024】
以上により、Ashby の論理式からの概算によると微細酸化物分散のみの寄与による強度上昇は高々4MPaのレベルでしかないことが結論づけられる。この計算結果から、実際の1100℃での高温強度が従来の40MPaから220MPaレベルまで向上した理由としては、単に微細酸化物の分散のみの説明では不十分であるということがいえる。やはり、微細酸化物分散、微細ラメラ中のα相中の酸素の固溶強化、ラメラと微細酸化物の整合性の相乗効果によるものと考えられる。この相乗効果を考えた場合、特に微細ラメラの間隔が小さければ小さい程、さらに微細酸化物のサイズと微細ラメラの間隔が一致する程、ラメラ界面整合性の寄与が高くなり、さらなる高温強度が得られると推定される。
【0025】
ラメラ間隔の微細化による強度上昇の根拠としては、ひとつには馬越らによるTiAlpolysynthetic-twin結果を用いた実験結果がある(Y.Umakoshi,T.Nakano and T.Yamane,Mat.Sci.and Eng.,A152(1992),81.)。この論文ではラメラ間隔が強度に対し、Hall Petchの関係を呈することが立証されている。
【0026】
本発明においては、高温強度を達成するために、微細に分散されたAlの粒径が500nm以下である必要がある。下限は粒径が100nm、好ましくは200nmである。その理由は、100nm以下では転位との相互作用が弱く、粒内すべりの抑制等が不十分であるからである。また、500nm以上では粒径が大きすぎて、かえって割れ発生の起点として作用し、材料の延性を落とすからである。
【0027】
この粒径範囲を有するAlを得るためには、合金中の酸素濃度が1000〜5000重量ppm、好ましくは1000〜4000重量ppm、さらに好ましくは1000〜2500重量ppmである。その理由は、1000重量ppm以下では酸化物の量が少な過ぎて充分な高温強度が得られず、一方5000重量ppm以上ではAlが粗大化して亀裂の発生サイトとして働き、材料の延性、靭性を低下させるからである。
【0028】
本発明のTiAl金属間化合物基合金材料には添加元素としてCr、Mn、Vの1種または2種以上の総計が3原子%以下含有することができる。Cr、Mn、Vは、恒温鍛造を付加することにより組織を微細化すると共に、γ粒界にβ相を析出させるので高温での超塑性能を高め、高温延性を向上させる効果を有する。
【0029】
一般には、組織を微細化すると常温の強度、延性は向上するが、細粒のために粒界すべりが助長され、高温の強度は低下する。しかし、本発明材料は、微細酸化物を分散させるとともに、TiBの添加により高温強度を急激に低下させずに高温延性、さらには常温延性を2%以上向上できる。
【0030】
TiAl金属間化合物基合金材料の常温延性を高めるには組織を均一微細化することが重要である。従来、そのためには、1200℃近くの高温領域にて低歪速度で恒温鍛造を行うプロセスが必要であった。通常の鋳造組織、例えばTi:50原子%、Al:50原子%の組成の二成分系においては、鋳造ままの組織の結晶粒径は、2mm程度にも粗大化する。また、薄板直接鋳造によるTiAl金属間化合物基合金薄板では、鋳造ままで板厚が1.5mmと薄いため組織制御に必要な恒温鍛造による80%程度の圧下がかけられない等の問題がある。
【0031】
本発明においては、鋳造ままの状態において20μmの均一微細粒が得られた。以下に、この室温延性の発現機構について説明する。
まず、アルミナ微細粒を結晶粒微細化のための結晶核の発生サイトとする。しかし、アルミナ単独ではこれを核とした結晶粒成長が容易ではないため、アルミナに複合的に析出するもうひとつの析出相を用いる。この析出相は、TiAl金属間化合物基合金の溶湯中には溶融状態として存在し、TiAl金属間化合物基合金の凝固の際にアルミナ上に整合析出することが望ましい。この析出に伴いアルミナ周囲のこの析出物の構成元素が低減することにより、アルミナ周囲の局所領域において結晶核発生の潜伏時間が縮小され、核発生が起こる。アルミナが予め微細に多数分散されていれば、結晶核発生が多くの領域で同時に起こるために微細粒組織が得られることになる。
【0032】
アルミナ、およびマトリックス相であるγTiAl相の両者に整合する析出物としてTiBを選び、実験を行った。その結果、通常の高周波溶解(VIM溶解)、通常のインゴット鋳造で100μmの均一微細粒組織を得ることができた。
【0033】
さらに組織を微細化するためには、過冷却による効果を合わせることがより効果的である。これには急冷を利用することができる。TiBを分散させたTiAl母合金を双ロール直接鋳造を行うことで、結晶粒径を20μmまでコントロールできた。この微細均一組織により双ロール鋳造まま+HIP(高温静水圧圧縮)処理+1000℃の歪取り焼鈍により室温引張延性2.12%を得ることができた。
【0034】
本発明においては、合金の溶解に際し、高周波溶解に使用する坩堝をカルシア(CaO)粉末をコーティングしたアルミナ(Al)坩堝を用い、坩堝からの酸素等のコンタミの混入を抑える。この理由は、アルミナと比較してカルシアは熱力学的に安定であり、アルミナが原料であるTiと反応して還元されるのに対し、カルシアはTiとの反応が殆ど無いことによる。
【0035】
本発明においては、双ロール鋳造設備の容器内においてTi板を1000℃近くに加熱し、容器内部の酸素をゲッタリングすることにより雰囲気中の酸素濃度を低減させる。この際、酸素濃度は雰囲気中0.2%以下にすることが必要であるが、100ppm以下に下げることが望ましい。この雰囲気中の酸素濃度を100ppm以下にすると坩堝コーティングの併用により直接鋳造材中の酸素濃度を0.25wt%以下に低減できる。これにより、マトリックス中のアルミナ酸化物を最適状態にコントロールできる。また、雰囲気中の酸素濃度が0.2%以下であっても酸化物のコントロールは可能である。
【0036】
本発明においては、アルミナ酸化物を500nm以下の微細粒として分散させることが可能である。その理由は、高周波溶解によって母材の溶解中、常に溶湯が高周波によって引き起こされる強い対流中で攪拌されており、双ロールの直接鋳造によりそれをそのまま凍結するからである。ここでいう凍結とは、高温における酸化物の分散を保ったまま固体化した状態をいい、これにより酸化物の凝集による粗大化を抑制することができる。
【0037】
一般に、アルミナ酸化物は凝集して粗大化しやすく、酸素濃度1.5wt%においては通常のインゴットに鋳込んだ状態で50μm径に粗大化してしまう。双ロールを用いて凍結しても2〜3μmになってしまうが、本発明によれば、0.25wt%の低酸素濃度と双ロール法との組み合わせによって500nm径以下の微細酸化物の分散が達成できる。
【0038】
本発明において、組織微細化に必要なTiBの添加は、母合金のVIM溶製の際、モールドへの注湯の2〜3分前に溶湯中にTi箔にくるんだ状態で挿入する。これは溶湯中の滞在時間を少なくすることにより、TiBの凝集を防止するのがねらいである。
【0039】
【実施例】
以下に、本発明を実施例および比較例により、さらに説明する。
【0040】
まず、本発明に使用される直接鋳造薄板製造機の一例について、図1に基づいて説明する。図1において、金属間化合物を溶解する坩堝1の下方に溶湯を均一に供給するためのタンディシュ2を配置し、その直下に冷却ドラム3とサイド・ダム4で構成する湯溜り部5(鋳型)を設け、これらを雰囲気調整器7内に配設する。8は不活性ガス導入機構、9は排気機構である。
【0041】
実施例1
アルミニウム地金とスポンジチタンをTi:50原子%、Al:50原子%の組成で配合し、これをカルシア(CaO)粉末をコーティングしたアルミナ(Al)坩堝を用い高周波溶解(VIM)にて溶解して母合金を溶製した。坩堝のサイズは、110(内径)×125(外径)×180(高さ)mmである。高周波溶解の条件は、最初の10分間は電圧:62V、電流:76A、電力:10kWで、また後半の20分は電圧:75V、電流:80A、電力:20kWで行った。
【0042】
母合金を2000〜3500gの重量範囲で切り出し、上記坩堝に投入し、容器を密閉して、真空にひいた後、Arガス雰囲気に置換した。
Ar雰囲気中、双ロール鋳造設備の容器内において、Ti板を1000℃近くに加熱し、容器内部の酸素をゲッタリングすることにより雰囲気中の酸素濃度を低減させた。この際、双ロール鋳造機の容器内部の酸素濃度を酸素濃度計により連続的にモニターした。ゲッタリング前の酸素濃度は1%であったが、ゲッタリングにより0.2%以下に低減できた。ゲッターの1000℃加熱は、双ロール板製造完了まで継続した。
【0043】
次に、上記のAr雰囲気中において母合金を加熱溶解し、1600℃の温度に調整した後、幅4mm、長さ95mmの開口部をもつタンディシュを介して、湯溜り部5に注入した。該湯溜り部5を構成する冷却ドラム3は、直径300mm、幅100mmの一対の銅合金製であって、内部冷却されている。溶湯を一定のドラム支持力でかつ、10℃/secの冷却速度により急冷凝固し、連続板状鋳片を作製した。この際板厚は、双ロール間隔(1.5mm)、ロール回転速度(0.44m/s)、溶湯傾注の際の溶湯温度(1600℃)の設定により、1.5mmに統一した。
【0044】
冷却ドラム3から送り出された鋳片6は、雰囲気調整容器7内で1℃/secの冷却速度で徐冷されながら搬送容器に挿入された。
得られた鋳片の鋳造方向における断面組織では、鋳造のまま凝固組織は鋳片の両表面から中心部に向かう柱状晶のみか、あるいは前記柱状晶と鋳片中心部付近に存在する等軸晶との混合組織から構成されている。
【0045】
図2〜図に示す如く、本発明で得られた鋳片のミクロ組織は、500nm径以下のAlが微細分散している。図2は酸素濃度0.25wt%材中のアルミナの結晶構造であり、図はその拡大図である。
【0046】
実施例2
アルミニウム地金とスポンジチタンをカルシア(CaO)粉末をコーティングしたアルミナ坩堝を用いて高周波溶解(VIM)し、添加元素としてCrを加えて、Ti−47Al−3Crの母合金を溶製した。これを実施例1と同様の製造法、すなわち双ロール薄板鋳造し、高温静水圧圧縮(HIP)により鋳片を得た。
【0047】
このようにして得られた鋳片の高温における機械的性質を、表1に示す。機械的性質試験は、試験雰囲気真空5×10-5torr、歪速度:7.2×10-4sec-1の条件で行った。
【0048】
【表1】
また、Ti−47Al−3Cr材の1000℃における引張強度に及ぼす酸素濃度の影響を、図に示す。この結果から、本発明において、酸素濃度の上限は5000重量ppm、好ましくは4000重量ppm以下である。
【0049】
比較例1〜5
比較例として、表2に示すような従来のTiAl合金材料、すなわちプラズマ溶解した焼鈍材、恒温鍛造材並びに市販の超合金を取り上げた。
【0050】
【表2】
次に、本発明のTiAl金属間化合物基合金材料と従来材との高温特性について比較した。図に、両材料の比強度−温度の関係をそれぞれ示す。図のデータから、本発明材料は、高温比強度特性において合金系として最高強度を有すると言える。
【0051】
本発明によれば、得られた鋳片または処理薄板の機械的性質は、著しく改善された。これは主に、不純物混入の低減により材料中の酸素濃度が低減した結果、最適値の酸素量が得られ、さらに高周波による攪拌によって酸化物が微細に分断され、その状態を双ロール直接鋳造によって凍結できたためと考えられる。
【0052】
実施例3
アルミニウム地金とスポンジチタンをTi:50原子%、Al:50原子%の組成で配合し、これを高周波溶解(VIM)にて溶解して母合金を溶製した。その際、最終的な溶湯の注湯の段階で、1原子%相当のTiB粉末をAl箔にくるんだものを溶湯に添加した。これにより、γTiAlマトリックス中へのTiB粉末の分散を行った。
【0053】
次に、溶解前に高周波溶解に使用する坩堝をカルシア(CaO)粉末をコーティングしたアルミナ(Al)坩堝を用意した。
母合金を2000〜3500gの重量範囲で切り出した物を上記坩堝に投入し、容器を密閉し、真空にひいた後、Arガス雰囲気に置換した。
【0054】
Ar雰囲気中、双ロール鋳造設備の容器内において、Ti板を1000℃近くに加熱し、容器内部の酸素をゲッタリングすることにより雰囲気中の酸素濃度を低減させた。この際、双ロール鋳造機の容器内部の酸素濃度を酸素濃度計により連続的にモニターした。ゲッタリング前の酸素濃度は1%であったが、ゲッタリングにより0.2%以下に低減できた。
ゲッターの1000℃の加熱は、双ロール板製造完了まで継続した。
【0055】
次に、Ar雰囲気中において母合金を加熱溶解し、1700℃の温度に調整した後、幅4mm、長さ95mmの開口部をもつタンディシュを介して、湯溜り部5に注入した。該湯溜り部5を構成する冷却ドラム3は、直径300mm、幅100mmの一対の同合金製であって内部冷却されている。溶湯を一定のドラム支持力でかつ、10℃/secの冷却速度により急冷凝固し、連続板状鋳片を作製した。この際、板厚は双ロール間隔(1.5mm)、ロール回転速度(0.44m/s)、溶湯傾注の際の溶湯温度(1600℃)の設定により、1.5mmに統一した。
【0056】
冷却ドラム3から送り出された鋳片6は、雰囲気調整容器7内で1℃/secの冷却速度で徐冷されながら搬送容器に挿入された。
実施例として使用した試料・組成および加工・熱処理条件を、表3に示す。
【0057】
【表3】
TiB添加による組織微細化に及ぼす影響について観察した。図はTiB無添加の比較材(比較例10)、図7は1原子%TiB添加の本発明材(実施例)の板厚断面の光学顕微鏡金属組織写真である。
【0058】
なお、図〜図の写真はいずれも5枚組となっている。写真の左側は(i):断面の全体写真、中央上部は(ii):板厚表面の拡大写真、中央下部は(iii):板厚中心の拡大写真、さらに右側上部は(iv)(ii)の拡大写真、右側下部は(v)(iii)の拡大写真である。
【0059】
〜図から分るように、TiBの添加により組織の微細化が顕著におこり、1原子%の添加では10μmレベルになる。また、双ロールによる急冷を行わないTiB無添加の300ppm酸素材(50原子%Ti−50原子%Al)では結晶粒径は2mmにも粗大化する。
【0060】
TiB添加による機械的性質に及ぼす影響について調査した。TiB無添加の比較材(比較例13)、TiB 1原子%添加の本発明材(実施例)の高温における引張強度を図に、また延性を図に、それぞれ示す。
【0061】
また、本発明材料(実施例)の室温および高温における引張強度特性を、表4に示す。また、比較材としてTiBを添加しない直接鋳造TiAl材(比較例13)の室温および高温における引張強度特性を、表5に示す。
【0062】
【表4】
【0063】
【表5】
【0064】
これらの結果から分るように、本発明材はTiBの添加により高温強度を低下せずに高温延性が増し、さらに常温延性は0%から2.12%へと向上する。
【0065】
次に、本発明法と従来法により製造したTiAl金属間化合物基合金材の高温強度特性について比較した。本発明法は双ロール鋳造、合金中の酸素濃度2500ppm、従来法はプラズマ溶製、恒温鍛造、合金中の酸素濃度500ppmの製造条件とした。
【0066】
本発明法(実施例)および従来法(比較例7)で製造したTi−50Al−1TiB薄板の降伏応力−温度の関係を、図10に示す。
【0067】
図10に示す結果から分るように、本発明方法により製造されたTiAl金属間化合物基合金材は著しい高温強度の向上が認められる。また、本発明材は比重が3.8とセラミックス並みに低いために比強度も高くなる。
【0068】
比較例6〜13
比較例として、表3に示すような従来のTiAl合金材料、すなわち本発明材料の組成範囲に含まれない材料あるいは本発明方法以外で製造された材料並びに市販の超合金を取り上げた。
【0074】
以上各実施例に示したように、本発明によれば、得られた鋳片または処理薄板の機械的性質は、著しく改善されている。これは主に、不純物混入の低減により材料中の酸素濃度が低減した結果、最適値の酸素量が得られ、さらに高周波による攪拌によって酸化物が微細に分断され、その状態を双ロール直接鋳造によって凍結できたためと考えられる。また、アルミナ/ボライド複合析出効果による均一微細組織達成により、この高温強度を保った状態で室温における2.12%の延性が得られた。
【0075】
【発明の効果】
本発明により製造されたTiAl金属間化合物基合金材料は、高温引張強度および高温・室温延性に優れており、自動車用の排気バルブ、ターボ・チャージャー、ジェット機のエンジンのタービン・ブレード等に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明を実施するのに使用する直接鋳造薄板製造機の概略を示す断面側面図である。
【図2】 本発明の酸素濃度0.25wt%材中のアルミナの結晶構造を示した写真である。
【図3】 図2の写真の拡大図である。
【図4】 本発明材料であるTi−47Al−3Cr材(原子%)についての酸素濃度(ppm)と1000℃における引張強度(MPa)との関係について示したグラフである。
【図5】 本発明材料であるTi−47Al−3Cr材と純Ti、Ti合金、従来のTiAl合金の比強度を比較したグラフである。
【図6】 TiB無添加TiAl金属間化合物基合金材料の板厚断面の金属組織写真である。
【図7】 1原子%TiB添加したTiAl金属間化合物基合金材料の板厚断面の金属組織写真である。
【図8】 TiB添加量(0および1原子%)を変えたときの直接鋳造TiAl金属間化合物基合金材料の引張強度を示したグラフである。
【図9】 TiB添加量(0および1原子%)を変えたときの直接鋳造TiAl金属間化合物基合金材料の延性を示したグラフである。
【図10】 本発明法(双ロール鋳造、酸素濃度2500ppm)と従来法(VIM溶製、恒温鍛造、酸素濃度1000ppm)により製造し引張強度たTi−50Al−1TiB薄板についての降伏応力−温度特性を比較して示したグラフである。
【符号の説明】
1 坩堝
2 タンディッシュ
3 冷却ドラム
4 サイド・ダム
5 湯溜り部
6 鋳片
7 雰囲気調整器
8 不活性ガス導入機構
9 排気機構
[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a TiAl intermetallic compound base alloy excellent in high temperature tensile strength and high temperature / room temperature ductility, and a method for producing the same.
[0002]
[Prior art]
TiAl intermetallic compound-based alloy materials are being developed as environmentally resistant structural materials. Since this material has excellent high-temperature strength characteristics, it is expected to be developed as a future high-temperature structural material. This material is attracting attention for its high-temperature strength, which is comparable to the characteristic values of conventional Ni-base and Co-base superalloys. Furthermore, considering that the specific gravity of TiAl intermetallic compound-based alloy material is 3.8 and the specific gravity of these superalloys is close to 10, TiAl intermetallic compound-based alloy material is superior to superalloy at high temperature specific strength. Is. Therefore, it is promising as a next-generation aircraft material that requires light weight.
[0003]
However, the use temperature of alloy-type high-temperature strength materials such as superalloys including TiAl intermetallic compound-based alloy materials is limited to 900 ° C., and no metal-type material having sufficient strength at 900 to 1100 ° C. has ever been available. . Rather, non-metallic materials such as ceramics and C / C (carbon / carbon fiber) are used in a temperature range of 1000 ° C. or higher. However, although these materials have high strength at high temperatures, in most cases, fracture occurs within elastic stress and the ductility is zero. For this reason, considering safety, an alloy material having ductility is desired.
[0004]
As a conventional technique, there is a near net shape casting technique for producing an intermetallic compound sheet. Near net shape thin plate manufacturing technology has made rapid progress in recent years, especially in the case of metal materials, which are being applied to stainless steel and thin plate manufacturing. As a thin plate manufacturing technique, various casting methods have been proposed. Among them, the twin roll method is suitable for manufacturing a continuous thin plate having a uniform thickness.
[0005]
As an application example of the above technique to an intermetallic compound material, a nickel-aluminum intermetallic compound (Ni) whose ductility is improved by adding a small amount of boron.3Examples of Al) are known. This was reported at an international conference on “Casting of Near Net Shape Products” held in November 1988 (Proceedings of an International Sympo-sium of Near Net Shape Products). 315-333 pages, published by The Metallurgical Society). Moreover, the manufacturing method of a TiAl intermetallic compound thin plate is described in Japanese Patent Application No. 3-501367.
[0006]
Further, as for TiAl intermetallic compound material added with boron, U.S. Pat. No. 4,842,820 which discloses a manufacturing method by plasma melting and isothermal forging, and a U.S. patent which discloses a manufacturing method by mechanical alloying. No. 4,751,048.
[0007]
As for the TiAl intermetallic compound material added with chromium, plasma melting and isothermal forging manufacturing methods are disclosed in US Pat. No. 4,842,819 and US Pat. No. 4,879,092. .
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to obtain a TiAl-based intermetallic compound material having improved high-temperature strength characteristics, and to further improve room temperature ductility while maintaining the high-temperature strength characteristics.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
  The gist of the present invention is as follows. That is,
  (i) O2In one or both of the grain boundaries and the grains in the alloy having a concentration of 1000 to 5000 ppm by weight, fine alumina (Al2O3) O2The concentration is 1000 to 5000 ppm by weight, the particle size is 200 to 500 nm and the alloy is dispersed in TiAl composed of Ti 50 to 53 at% and Al 47 to 50 at%.2A TiAl intermetallic compound-based alloy material having excellent high-temperature strength characteristics, comprising a phase.
  (ii) The TiAl intermetallic compound-based alloy material as described in (i) above, further containing 1 to 3 at% of one or more of Cr, Mn and V.
  (iii) O2In one or both of the grain boundaries and the grains in the alloy having a concentration of 1000 to 5000 ppm by weight, fine alumina (Al2O3) O2The concentration is 1000 to 5000 ppm by weight, the particle size is 200 to 500 nm, and boride (TiB2) With a B concentration of 0.1 to 10 at% and a particle size of 500 nm or less, and as an alloy, TiAl is composed of Ti 50 to 53 at% and Al 47 to 50 at%.2A TiAl intermetallic compound-based alloy material excellent in high-temperature strength and ductility, characterized by comprising a phase.
  (iv) The TiAl intermetallic compound-based alloy material as described in (iii) above, further containing 1-3 at% of one or more of Cr, Mn and V.
[0010]
The present invention is described in detail below.
In addition to the matrix of the conventional TiAl intermetallic compound base alloy, the present inventors added Al having a particle size of 500 nm or less in the matrix.2O3It was found that high strength and high strength can be obtained by dispersing fine oxides at intervals of 10 μm or less.
[0011]
In addition, the inventors further added a boride (TiB) to the matrix of the TiAl intermetallic compound base alloy.2) In a composite dispersion2O3It has been found that ductility at room temperature can be further secured while maintaining the high temperature and high strength achieved by dispersing the selenium alone.
In other words, although the normal temperature ductility was improved by miniaturization, the strength decrease due to the promotion of grain boundary sliding expected at the high temperature was not observed, and the high temperature strength could be dramatically improved. is there.
[0012]
Here, the mechanism of the high temperature strength is described.
Generally, the temperature range in which an alloy material exhibits strength is set to a temperature that is 0.6 times the melting point when expressed in terms of the absolute temperature of the material. This is because diffusion becomes dominant at temperatures higher than this, and the material deforms in a viscous manner when the material is sheared with a stress lower than the yield point. That is, creep deformation is mainly used.
[0013]
In the case of TiAl, since the melting point is 1470 ° C. in the binary system, the absolute temperature is 1743K, and 0.6 times that is 1046K. That is, 772 ° C. is considered to be the limit of strength expression. When the temperature is higher than this, grain boundary slip and slip due to dislocation within the grain are activated, and yield stress and strength are reduced. In a TiAl intermetallic compound base alloy that has been subjected to conventional heat treatment or isothermal forging, the strength at 800 ° C. is 180 to 300 MPa, the strength at 1000 ° C. is 80 to 150 MPa, and the strength at 1100 ° C. is 40 MPa or less. It was.
[0014]
On the other hand, like the present invention material, Al2O3Fine oxides and TiB2Yield stress and strength of the matrix subjected to the composite dispersion of are improved. This is considered to be due to the following reasons.
[0015]
First, regarding the grain boundary sliding, the presence of fine oxides on the grain boundary increases the stability of the crystal grains at high temperature, and the grain boundary is pinned to improve the strength. Further, when dislocations in the grains slip, the dislocations accumulate on the fine oxide in the grains, and further movement of dislocations is hindered, and the strength increases. Further, since the growth of dislocations is suppressed in this way, the increase in concentrated dislocation density, which is the driving force for recrystallization, is reduced, so that a decrease in strength due to dynamic recrystallization can be prevented. These mechanisms are Al2O3Fine oxides and TiB2This is explained by the fact that the composite dispersion itself acts as a fine inclusion.
[0016]
Another important mechanism is α, which is the constituent phase of the lamellar structure of TiAl.2A strengthening mechanism by solid solution of oxygen in the phase is mentioned. This α2The phase serves as an oxygen getter in TiAl. Γ phase and α in TiAl2The lamellar structure composed of phases has an interphase spacing, especially the second phase α2Is about 10 nm finely. For this reason, it was difficult to quantify the oxygen concentration contained in this phase by a normal analysis method. However, the oxygen concentration can be quantified by using a material having a high oxygen concentration of 1.5 wt%, further facilitating oxygen identification, and using an AP-FIM analysis capable of an atomic order area and quantitative analysis as an analysis means. It has become possible. As a result, most oxygen is α2Absorbed by the phase, α2It became clear that the oxygen solid solution of the phase was at the 5 atomic% level (R. Uemori, T. Hanamura and H. Morikawa, Sc-ripta Metall. Mater., 26 (1992), 969.).
[0017]
Later, a French researcher made a follow-up with AP-FIM, and the oxygen level at the ppm level could be quantified (A. Huguet and A. Menand, Applied Science, 76/77 (1994), 191.). . According to this, the oxygen solid solubility limit in the γ phase is 300 wt. ppm, most oxygen is α2Dissolved in the phase, α2The solid solubility limit in the phase is estimated to be 5 atomic%.
[0018]
From these, Al2O3Oxygen other than α2Exists in the phase, α2It is thought that the phase is strengthened by solid solution. In Ti alloys, oxygen is generally known as an α-phase stabilizing element.2Α at high temperature by dissolving in the phase2It is conceivable that the stability of the phase is increased and it contributes to the high temperature strength. This leads to suppression of dynamic recrystallization.
[0019]
As described above, it is considered that high-temperature strength can be achieved by the synergistic effect of suppression of grain boundary sliding, suppression of intragranular sliding, and suppression of dynamic recrystallization.
[0020]
Next, the fine particle dispersion strengthening mechanism using only these fine oxides in the present invention will be considered using the Ashby equation.
[0021]
First, the parameters are set as follows.
[0022]
R: radius of fine oxide
μ: Elastic constant of γTiAl
l: Distance between average particles of fine oxide
f: Volume fraction of fine oxide
b: Burgers vector of dislocations in γTiAl
M: Poisson's constant
σ: Strength (stress)
τ: Strength (shear stress)
First, considering the volume of fine oxide, the following relational expression is established.
[Expression 1]
This
[Expression 2]
Shear stress can be expressed as:
[Equation 3]
Therefore, the shear stress due to fine oxide dispersion is
[Expression 4]
From now on, the strength (stress) due to fine oxide dispersion is
[Equation 5]
[0023]
Next, each parameter is set to the following numerical value.
M = 3, μ = 5 × 10TenPa, b = 0.25 nm,
R = 200 nm, f = 0.1% to 10-3
Substituting this into equation (6) above
[Formula 6]
[0024]
From the above, it can be concluded that the increase in strength due to the contribution of only fine oxide dispersion is at most a level of 4 MPa, according to an approximation from Ashby's logical formula. From this calculation result, it can be said that the reason why the actual high-temperature strength at 1100 ° C. is improved from the conventional 40 MPa level to the 220 MPa level is simply not enough to explain only the dispersion of fine oxides. After all, fine oxide dispersion, α in fine lamella2This is thought to be due to the solid solution strengthening of oxygen in the phase and the synergistic effect of the consistency between the lamellar and the fine oxide. In consideration of this synergistic effect, the smaller the fine lamella spacing is, and the smaller the fine oxide size matches the fine lamella spacing, the higher the contribution of lamellar interface consistency and the higher high temperature strength. It is estimated that
[0025]
One reason for the increase in strength due to the refinement of the lamella spacing is the experimental result using the TiAlpolysynthetic-twin result by Umagoshi et al. (Y. Umakoshi, T. Nakano and T. Yamane, Mat. Sci. And Eng. , A152 (1992), 81.). In this paper, it is proved that the lamella spacing exhibits a Hall Petch relationship with the intensity.
[0026]
In the present invention, in order to achieve high temperature strength, finely dispersed Al2O3Must have a particle size of 500 nm or less. The lower limit is a particle size of 100 nm, preferably 200 nm. The reason is that when the thickness is 100 nm or less, the interaction with dislocations is weak, and the suppression of slip in the grains is insufficient. In addition, when the particle size is 500 nm or more, the particle size is too large, and on the contrary, it acts as a starting point of crack generation, thereby reducing the ductility of the material.
[0027]
  Al having this particle size range2O3To getIn alloyThe oxygen concentration is 1000 to 5000 ppm by weight, preferably 1000 to 4000 ppm by weight, and more preferably 1000 to 2500 ppm by weight. The reason is that if the amount is less than 1000 ppm by weight, the amount of oxide is too small to obtain sufficient high-temperature strength, whereas if it exceeds 5000 ppm by weight, Al is not enough.2O3This is because the material becomes coarse and acts as a crack generation site, thereby reducing the ductility and toughness of the material.
[0028]
The TiAl intermetallic compound-based alloy material of the present invention may contain 3 atom% or less of one or more of Cr, Mn, and V as additive elements. Cr, Mn, and V refine the structure by adding isothermal forging, and precipitate the β phase at the γ grain boundary. Therefore, Cr, Mn, and V have an effect of improving superplastic performance at high temperature and improving hot ductility.
[0029]
Generally, when the structure is refined, the strength and ductility at normal temperature are improved, but the grain boundary slip is promoted due to the fine grains, and the strength at high temperature is lowered. However, the material of the present invention disperses fine oxides and TiB2Addition of can improve high temperature ductility and further normal temperature ductility by 2% or more without abruptly decreasing high temperature strength.
[0030]
In order to increase the room temperature ductility of the TiAl intermetallic compound-based alloy material, it is important to make the structure uniform and fine. Conventionally, this has required a process for performing isothermal forging at a low strain rate in a high temperature region near 1200 ° C. In a normal cast structure, for example, a binary system having a composition of Ti: 50 atomic% and Al: 50 atomic%, the crystal grain size of the as-cast structure becomes as large as about 2 mm. Further, the TiAl intermetallic compound base alloy thin plate by direct thin plate casting has a problem that the reduction of about 80% by constant temperature forging necessary for structure control cannot be applied because the plate thickness is as thin as 1.5 mm as cast.
[0031]
In the present invention, uniform fine particles of 20 μm were obtained in the as-cast state. Below, the expression mechanism of this room temperature ductility is demonstrated.
First, alumina fine grains are used as the generation sites of crystal nuclei for crystal grain refinement. However, since it is not easy to grow crystal grains using alumina alone as a core, another precipitation phase that is compounded and precipitated on alumina is used. This precipitation phase is present in a molten state in the melt of the TiAl intermetallic compound base alloy, and it is desirable that the precipitation phase be consistently deposited on the alumina when the TiAl intermetallic compound base alloy is solidified. Along with this precipitation, the constituent elements of the precipitate around the alumina are reduced, so that the latent time of crystal nucleus generation is reduced in the local region around the alumina, and the nucleus generation occurs. If many aluminas are finely dispersed in advance, the generation of crystal nuclei occurs simultaneously in many regions, so that a fine grain structure can be obtained.
[0032]
TiB as a precipitate matching both alumina and the matrix phase γTiAl phase2The experiment was conducted. As a result, a uniform fine grain structure of 100 μm could be obtained by ordinary high-frequency melting (VIM melting) and normal ingot casting.
[0033]
In order to further refine the structure, it is more effective to combine the effects of supercooling. Rapid cooling can be used for this. TiB2The crystal grain size could be controlled to 20 μm by performing twin roll direct casting of the TiAl master alloy in which is dispersed. With this fine uniform structure, room temperature tensile ductility of 2.12% could be obtained by twin roll casting + HIP (high temperature isostatic pressing) treatment + 1000 ° C. strain relief annealing.
[0034]
In the present invention, when melting an alloy, the crucible used for high-frequency melting is coated with alumina (AlO) coated with calcia (CaO) powder.2O3) Use a crucible to suppress contamination of oxygen and other contaminants from the crucible. This is because calcia is thermodynamically stable as compared with alumina, and alumina reacts with Ti as a raw material and is reduced, whereas calcia hardly reacts with Ti.
[0035]
  In the present invention, the oxygen concentration in the atmosphere is reduced by heating the Ti plate close to 1000 ° C. in the container of the twin-roll casting equipment to getter the oxygen inside the container. At this time, oxygen concentration is in the atmosphere.0.2%Although it is necessary to make it below, it is desirable to lower to 100 ppm or less. When the oxygen concentration in the atmosphere is 100 ppm or less, the oxygen concentration in the cast material can be directly reduced to 0.25 wt% or less by the combined use of the crucible coating. Thereby, the alumina oxide in a matrix can be controlled to an optimal state. Also, the oxygen concentration in the atmosphere is0.2%Even in the following cases, the oxide can be controlled.
[0036]
In the present invention, alumina oxide can be dispersed as fine particles of 500 nm or less. The reason is that during melting of the base material by high frequency melting, the molten metal is always stirred in strong convection caused by high frequency and is frozen as it is by direct casting of twin rolls. The term “freezing” as used herein refers to a state in which the oxide is solidified while maintaining the dispersion of the oxide at a high temperature, whereby the coarsening due to the aggregation of the oxide can be suppressed.
[0037]
In general, alumina oxide tends to agglomerate and become coarse, and when the oxygen concentration is 1.5 wt%, it becomes coarse to a diameter of 50 μm when cast into a normal ingot. Even if it freezes using a twin roll, it will be 2-3 micrometers, but according to this invention, dispersion | distribution of the fine oxide below 500 nm diameter is carried out by the combination of the low oxygen concentration of 0.25 wt% and the twin roll method. Can be achieved.
[0038]
In the present invention, TiB necessary for microstructure refinement2When the mother alloy is melted by VIM, it is inserted in a state of being wrapped in a Ti foil in the molten metal 2 to 3 minutes before pouring into the mold. This is because TiB is reduced by reducing the staying time in the molten metal.2The aim is to prevent agglomeration.
[0039]
【Example】
The present invention will be further described below with reference to examples and comparative examples.
[0040]
First, an example of a direct casting sheet manufacturing machine used in the present invention will be described with reference to FIG. In FIG. 1, a tundish 2 for uniformly supplying a molten metal is disposed below a crucible 1 for melting an intermetallic compound, and a hot water reservoir 5 (mold) comprising a cooling drum 3 and a side dam 4 immediately below the tundish 2. These are disposed in the atmosphere adjuster 7. 8 is an inert gas introduction mechanism, and 9 is an exhaust mechanism.
[0041]
Example 1
Aluminum ingot and titanium sponge are blended in a composition of Ti: 50 atomic% and Al: 50 atomic%, and this is alumina (Al) coated with calcia (CaO) powder.2O3) Using a crucible, melting was performed by high frequency melting (VIM) to melt a mother alloy. The size of the crucible is 110 (inner diameter) × 125 (outer diameter) × 180 (height) mm. The conditions of high frequency melting were as follows: voltage: 62 V, current: 76 A, power: 10 kW for the first 10 minutes, and voltage: 75 V, current: 80 A, power: 20 kW for the latter 20 minutes.
[0042]
The mother alloy was cut out in a weight range of 2000 to 3500 g, put into the crucible, the container was sealed, vacuumed, and then replaced with an Ar gas atmosphere.
In an Ar atmosphere, in a container of a twin roll casting facility, the Ti plate was heated to near 1000 ° C. to getter the oxygen inside the container, thereby reducing the oxygen concentration in the atmosphere. At this time, the oxygen concentration inside the container of the twin roll casting machine was continuously monitored by an oxygen concentration meter. Although the oxygen concentration before gettering was 1%, it could be reduced to 0.2% or less by gettering. The 1000 ° C. heating of the getter was continued until the production of the twin roll plate was completed.
[0043]
Next, the master alloy was heated and melted in the above Ar atmosphere, adjusted to a temperature of 1600 ° C., and then poured into the hot water reservoir 5 through a tundish having an opening having a width of 4 mm and a length of 95 mm. The cooling drum 3 constituting the hot water reservoir 5 is made of a pair of copper alloys having a diameter of 300 mm and a width of 100 mm, and is internally cooled. The molten metal has a constant drum support force and 103Rapid solidification was performed at a cooling rate of ° C./sec to produce a continuous plate-shaped slab. At this time, the sheet thickness was unified to 1.5 mm by setting the twin roll interval (1.5 mm), the roll rotation speed (0.44 m / s), and the molten metal temperature (1600 ° C.) during the molten metal pouring.
[0044]
The slab 6 fed out from the cooling drum 3 was inserted into the transport container while being gradually cooled in the atmosphere adjustment container 7 at a cooling rate of 1 ° C./sec.
In the cross-sectional structure in the casting direction of the obtained slab, the solidified structure as cast is only columnar crystals from both surfaces of the slab toward the center, or equiaxed crystals existing in the vicinity of the columnar crystal and the center of the slab It is composed of mixed tissues.
[0045]
  Figure 2 to Figure3As shown in FIG. 4, the microstructure of the slab obtained in the present invention is Al having a diameter of 500 nm or less.2O3Is finely dispersed. FIG.Is the crystal structure of alumina in the material with an oxygen concentration of 0.25 wt%.3Is an enlarged view thereof.
[0046]
Example 2
  AluminumNiHigh frequency melting (VIM) of an ingot and sponge titanium using an alumina crucible coated with calcia (CaO) powder was performed, and Cr was added as an additive element to produce a mother alloy of Ti-47Al-3Cr. This was cast in the same manner as in Example 1, that is, twin roll sheet casting, and a slab was obtained by high-temperature isostatic pressing (HIP).
[0047]
Table 1 shows the mechanical properties of the slab thus obtained at a high temperature. The mechanical property test is performed in a test atmosphere vacuum of 5 × 10.-Fivetorr, strain rate: 7.2 × 10-Foursec-1It went on condition of.
[0048]
[Table 1]
  The effect of oxygen concentration on the tensile strength of Ti-47Al-3Cr material at 1000 ° C4Shown in From this result, in this invention, the upper limit of oxygen concentration is 5000 weight ppm, Preferably it is 4000 weight ppm or less.
[0049]
Comparative Examples 1-5
As comparative examples, conventional TiAl alloy materials as shown in Table 2, that is, plasma-melted annealing materials, isothermal forging materials, and commercially available superalloys were taken up.
[0050]
[Table 2]
  Next, the high temperature characteristics of the TiAl intermetallic compound based alloy material of the present invention and the conventional material were compared. Figure5Shows the relationship between specific strength and temperature of both materials. Figure5From these data, it can be said that the material of the present invention has the highest strength as an alloy system in the high temperature specific strength characteristics.
[0051]
According to the present invention, the mechanical properties of the resulting slab or treated sheet are significantly improved. This is mainly because the oxygen concentration in the material is reduced due to the reduction of impurity contamination, so that the optimum amount of oxygen is obtained, and the oxide is finely divided by high-frequency agitation. It is thought that it was frozen.
[0052]
Example 3
  Aluminum base metal and sponge titanium were blended in a composition of Ti: 50 atomic% and Al: 50 atomic%, and this was melted by high frequency melting (VIM) to prepare a master alloy. At that time, TiB equivalent to 1 atomic% at the final molten metal pouring stage2The powder wrapped in Al foil was added to the molten metal. This allows TiB into the γTiAl matrix.2The powder was dispersed.
[0053]
Next, before melting, the crucible used for high frequency melting is coated with calcia (CaO) powder alumina (Al2O3) A crucible was prepared.
A material obtained by cutting out the mother alloy in a weight range of 2000 to 3500 g was put into the crucible, the container was sealed, vacuumed, and then replaced with an Ar gas atmosphere.
[0054]
In an Ar atmosphere, in a container of a twin roll casting facility, the Ti plate was heated to near 1000 ° C. to getter the oxygen inside the container, thereby reducing the oxygen concentration in the atmosphere. At this time, the oxygen concentration inside the container of the twin roll casting machine was continuously monitored by an oxygen concentration meter. Although the oxygen concentration before gettering was 1%, it could be reduced to 0.2% or less by gettering.
The heating of the getter at 1000 ° C. was continued until the production of the twin roll plate was completed.
[0055]
Next, the mother alloy was heated and melted in an Ar atmosphere, adjusted to a temperature of 1700 ° C., and then poured into the hot water reservoir 5 through a tundish having an opening having a width of 4 mm and a length of 95 mm. The cooling drum 3 constituting the hot water reservoir 5 is made of a pair of the same alloy having a diameter of 300 mm and a width of 100 mm, and is internally cooled. The molten metal has a constant drum support force and 103Rapid solidification was performed at a cooling rate of ° C./sec to produce a continuous plate-shaped slab. At this time, the sheet thickness was unified to 1.5 mm by setting the twin roll interval (1.5 mm), the roll rotation speed (0.44 m / s), and the molten metal temperature (1600 ° C.) during the molten metal pouring.
[0056]
The slab 6 fed out from the cooling drum 3 was inserted into the transport container while being gradually cooled in the atmosphere adjustment container 7 at a cooling rate of 1 ° C./sec.
Table 3 shows the sample / composition and processing / heat treatment conditions used as examples.
[0057]
[Table 3]
  TiB2The effect of addition on microstructure refinement was observed. Figure6Is TiB2Additive-free comparative material (Comparative Example 10), FIG.Is 1 atomic% TiB2Invention material of addition (Example)3It is an optical microscope metallographic photograph of a plate thickness cross section of ().
[0058]
  Figure6~ Figure7All of these photos are in 5 discs. The left side of the photo(i): Cross section photo, upper center(ii): Enlarged photo of the plate thickness surface, lower center(iii): Enlarged photo centered on the plate thickness, and upper right(iv):(ii)Enlarged photo of the lower right(v):(iii)It is an enlarged photograph of.
[0059]
  Figure6~ Figure7As you can see, TiB2The addition of 1 makes the structure remarkably fine, and the addition of 1 atom% results in a 10 μm level. In addition, TiB which does not perform quenching by twin rolls2With an additive-free 300 ppm acid material (50 atomic% Ti-50 atomic% Al), the crystal grain size becomes as large as 2 mm.
[0060]
  TiB2The effect of addition on mechanical properties was investigated. TiB2Additive-free comparative material (Comparative Example 13)TiB 2 Invention material of 1 atomic% addition (Example)3) Shows the tensile strength at high temperature8And also show ductility9Respectively.
[0061]
  In addition, the present invention material (Example3Table 4 shows the tensile strength characteristics at room temperature and high temperature. TiB as a comparative material2Table 5 shows the tensile strength characteristics at room temperature and high temperature of the directly cast TiAl material (Comparative Example 13) to which no is added.
[0062]
[Table 4]
[0063]
[Table 5]
[0064]
As can be seen from these results, the material of the present invention is TiB.2Addition of C increases the high temperature ductility without lowering the high temperature strength, and further improves the normal temperature ductility from 0% to 2.12%.
[0065]
  Next, the high temperature strength characteristics of the TiAl intermetallic compound base alloy materials produced by the method of the present invention and the conventional method were compared. The method of the present invention is a twin roll casting,In alloyOxygen concentration 2500ppm, conventional methods are plasma melting, constant temperature forging,In alloyThe production conditions were such that the oxygen concentration was 500 ppm.
[0066]
  Method of the present invention(Example3) And a conventional method (Comparative Example 7) Ti-50Al-1TiB2Figure shows the relationship between yield stress and temperature of thin sheet.10Shown in
[0067]
  FIG.As can be seen from the results shown in the above, the TiAl intermetallic compound-based alloy material produced by the method of the present invention is remarkably improved in high temperature strength.. MaIn addition, since the specific gravity of the present invention material is 3.8, which is as low as ceramics, the specific strength is also high.
[0068]
Comparative Examples 6-13
As comparative examples, conventional TiAl alloy materials as shown in Table 3, that is, materials not included in the composition range of the material of the present invention or materials manufactured by methods other than the method of the present invention and commercially available superalloys were taken up.
[0074]
As described above in each example, according to the present invention, the mechanical properties of the obtained slab or treated thin plate are remarkably improved. This is mainly because the oxygen concentration in the material is reduced due to the reduction of impurity contamination, so that the optimum amount of oxygen is obtained, and the oxide is finely divided by high-frequency agitation. It is thought that it was frozen. In addition, by achieving a uniform microstructure by the alumina / boride composite precipitation effect, a ductility of 2.12% at room temperature was obtained while maintaining this high temperature strength.
[0075]
【The invention's effect】
The TiAl intermetallic compound base alloy material produced by the present invention is excellent in high temperature tensile strength and high temperature / room temperature ductility, and should be used for automobile exhaust valves, turbo chargers, turbine blades of jet engines, etc. Can do.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional side view showing an outline of a direct casting sheet making machine used for carrying out the present invention.
FIG. 2 is a photograph showing the crystal structure of alumina in an oxygen concentration 0.25 wt% material of the present invention.
FIG. 3 is an enlarged view of the photograph of FIG.
FIG. 4 is a graph showing the relationship between oxygen concentration (ppm) and tensile strength (MPa) at 1000 ° C. for Ti-47Al-3Cr material (atomic%) which is the material of the present invention.
FIG. 5 is a graph comparing the specific strengths of the Ti-47Al-3Cr material, which is the material of the present invention, with pure Ti, a Ti alloy, and a conventional TiAl alloy.
FIG. 6 TiB2It is a metallographic photograph of the plate | board thickness cross section of an additive-free TiAl intermetallic compound base alloy material.
FIG. 7 1 atomic% TiB2It is a metallographic photograph of the plate | board thickness cross section of the added TiAl intermetallic compound base alloy material.
FIG. 8 TiB2It is the graph which showed the tensile strength of the direct casting TiAl intermetallic compound base alloy material when changing addition amount (0 and 1 atomic%).
FIG. 9 TiB2It is the graph which showed the ductility of the direct casting TiAl intermetallic compound base alloy material when changing addition amount (0 and 1 atomic%).
FIG. 10 shows Ti-50Al-1TiB produced by the method of the present invention (double roll casting, oxygen concentration 2500 ppm) and the conventional method (VIM melting, isothermal forging, oxygen concentration 1000 ppm) and tensile strength.2It is the graph which compared and showed the yield stress-temperature characteristic about a thin plate.
[Explanation of symbols]
1 crucible
2 Tundish
3 Cooling drum
4 Side Dam
5 Hot water reservoir
6 Slab
7 Atmosphere adjuster
8 Inert gas introduction mechanism
9 Exhaust mechanism

Claims (4)

濃度が1000〜5000重量ppmの合金中の結晶粒界又は粒内の一方又は双方に、微細アルミナ(Al)が粒径200〜500nmのサイズで分散し、合金として、Ti50〜53at%、及びAl47〜50at%からなるTiAlにα相を含むことを特徴とする、高温強度特性に優れたTiAl金属間化合物基合金材料。Fine alumina (Al 2 O 3 ) is dispersed at a grain size of 200 to 500 nm at one or both of the grain boundaries and grains in the alloy having an O 2 concentration of 1000 to 5000 ppm by weight. 53at%, and characterized in that it comprises a alpha 2 phase in TiAl consisting Al47~50at%, TiAl intermetallic compound-base alloy material having excellent high-temperature strength properties. 濃度が1000〜5000重量ppmの合金中の結晶粒界又は粒内の一方又は双方に、微細アルミナ(Al)が粒径200〜500nmのサイズで分散し、合金として、Cr、MnおよびVの1種又は2種以上を1〜3at%含有し、Ti50〜53at%及びAl47〜50at%からなるTiAlにα相を含むことを特徴とする、高温強度特性に優れたTiAl金属間化合物基合金材料。Fine alumina (Al 2 O 3 ) is dispersed at a grain size of 200 to 500 nm in one or both of the grain boundaries and grains in the alloy having an O 2 concentration of 1000 to 5000 ppm by weight. TiAl metal excellent in high-temperature strength characteristics, characterized by containing 1 to 2 at % of Mn and V, and containing α2 phase in TiAl composed of Ti50 to 53 at% and Al47 to 50 at% Intermetallic compound material. 濃度が1000〜5000重量ppmの合金中の結晶粒界又は粒内の一方又は双方に、微細アルミナ(Al)が粒径200〜500nmのサイズで分散し、かつボライド(TiB)がB濃度が0.1〜10at%で粒径500nm以下のサイズで分散し、合金として、Ti50〜53at%及びAl47〜50at%からなるTiAlにα相を含むことを特徴とする、高温強度と延性に優れたTiAl金属間化合物基合金材料。Fine alumina (Al 2 O 3 ) is dispersed in a grain size of 200 to 500 nm at one or both of the grain boundaries and grains in the alloy having an O 2 concentration of 1000 to 5000 ppm by weight, and boride (TiB 2 ) Is dispersed at a B concentration of 0.1 to 10 at% and a particle size of 500 nm or less, and as an alloy, TiAl composed of Ti 50 to 53 at% and Al 47 to 50 at% contains an α 2 phase. TiAl intermetallic compound based alloy material with excellent strength and ductility. 濃度が1000〜5000重量ppmの合金中の結晶粒界又は粒内の一方又は双方に、微細アルミナ(Al)が粒径200〜500nmのサイズで分散し、かつボライド(TiB)がB濃度が0.1〜10at%で粒径500nm以下のサイズで分散し、合金として、Cr、MnおよびVの1種又は2種以上を1〜3at%含有し、Ti50〜53at%及びAl47〜50at%からなるTiAlにα2相を含むことを特徴とする、高温強度と延性に優れたTiAl金属間化合物基合金材料。Fine alumina (Al 2 O 3 ) is dispersed in a grain size of 200 to 500 nm at one or both of the grain boundaries and grains in the alloy having an O 2 concentration of 1000 to 5000 ppm by weight, and boride (TiB 2 ) Is dispersed with a B concentration of 0.1 to 10 at% and a particle size of 500 nm or less, and contains 1 to 3 at% of one or more of Cr, Mn and V as an alloy, and Ti 50 to 53 at% and A TiAl intermetallic compound-based alloy material excellent in high-temperature strength and ductility, characterized by containing α2 phase in TiAl composed of Al 47 to 50 at%.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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