JPH0791603B2 - Ｔｉ−Ａｌ系金属間化合物部材の成形法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、粉末冶金法によるTi−Al系金属間化合物部材
の成形法に関するもので、詳しくはカプセルを用いない
熱間静水圧圧縮処理（以下、HIP処理と称する。）を施
した成形法に関する。

［従来の技術および発明が解決しようとする問題点］ 従来、Ti−Al系金属間化合物（TiAl、Ti₃Al等）は、優
れた高温強度及び耐酸化性を有することが知られてい
る。しかし、この部材は、常温および高温で展延性に乏
しいので、従来の加工技術では成形することが困難であ
り、実用材料に供することができないという問題点があ
った。

これを解決する手段として、たとえば、Ti−37％（以
下、％は重量％を示す。）Al合金部材は側圧付加押出法
等の特別な押出加工方法により実現しようとする試みが
なされているが、実用化に至っていない。

また、他の手段として、特願昭60−213386号に記載され
ているような、粉末冶金法によるTi−Al系金属間化合物
部材の成形法、およびこの改良としてガラスカプセルを
用いたHIP処理を利用することにより、Ti−Al系金属間
化合物を製造する方法が本発明者らにより提案されてい
る。しかし、前者では成形体内に空孔が多く発生するこ
とがあり、一方、後者では空孔を無くすことができる
が、カプセリングの工程が煩雑であり、また、コストア
ップを招く。

本発明は、上記した先の出願発明の改良および検討の結
果なされたもので、カプセルを用いずに空孔の発生の無
いTi−Al系金属間化合物部材の成形法を提供することを
目的とする。

［問題点を解決するための手段および作用］ 上記問題点を解決するためになされた本発明は、Al14重
量％〜63重量％、Mn0.1重量％〜５重量％、残部Tiの割
合になるように、Al粉末、Al−Mn合金粉末、Mn粉末のう
ち１以上を選択してTi粉末に混合し、この混合物を真空
脱気し、真空を保持したまま緻密化した後混合物に密閉
カプセルを被せることなく、高圧下で、加熱焼成してTi
−Al系金属間化合物を形成する成形法であって、 昇温途中、最も合金化の進行する温度範囲550℃〜650℃
の昇温速度を、0.01℃/min〜20℃/minに制御し、さらに
700℃以上かつ混合物の固相線以下の温度で加熱焼成す
ることを特徴とする。

ここで、Ti粉末、Al粉末、Mn粉末はその純度がそれぞれ
90％以上、95％以上、95％以上であることを意味するも
のとする。

また、昇温速度制御の温度範囲は、少なくとも、550℃
〜650℃までを制御する必要があるが、本発明の効果を
一層向上させるには、450℃〜700℃を制御することが望
ましい。

さらに、Mnの添加は、実験によるとAlとTiとの合金化の
ときにカーケンドル効果による空孔の発生を抑制する効
果があることが分かった。

また、Mo、Ｖ、Zr、Ｂ、Nbの１種または２種以上の元素
を以下の割合で、Tiとの合金粉末、Al−Mnとの合金粉
末、Alとの合金粉末、Mnとの合金粉末、あるいはそれら
の元素の単独または合金粉末として添加して、延性効果
を付加してもよい。

１％≦Mo≦５％、１％≦Ｖ≦５％ １％≦Zr≦５％、0.005％≦Ｂ≦３％ １％≦Nb≦30％ 以下、本発明の主たる工程を、第１図、さらに、その変
形例を第２図に示す。

（Ti粉末の製造工程Ｉ） 第１図において、Ti粉末は、常法の粉末冶金法による製
造手段や、鋳塊等の切削で製作されたものを用いること
ができ、その粒度を1000μｍ以下に調整したものを用い
る。

この場合、必要に応じて、Tiと、Al、Ｖ、Nb、Ｂ等との
合金粉末を用いてもよい。

（Al、Mn粉末の製造工程II） Al粉末は、常法の粉末製造法により作られ、望ましく
は、価格の点からガスアトマイズ法がよい。粒度は1000
μｍ以下に調整する。

Mnは、Alと合金化して合金粉末とするか、単体の粉末と
して形成する。

なお、必要に応じて、Al、Al−MnまたはMnと、Ｖ、Mo、
Nb、Ｂ等との合金粉末を用いてもよい。

（混合工程III） つぎに、Al14％〜63％、Mn0.1％〜５％、残部Tiの割合
になるようにTi粉末、Al粉末、Al−Mn合金粉末、Mn粉末
を適宜選択して、混合機で混合する。

上記のような混合割合にするのは、Alが14％〜63％の範
囲外では、Ti₃Al、TiAl、およびTiAl₃系の金属間化合物
の単相あるいは２相とならないからであり、また、Mnが
0.1％未満では、高温高圧処理時にカーケンドル効果に
よる空孔の発生を抑制できず、緻密な成形体が得られな
い。一方、Mn5％を超えると成形体の延性を低下させた
り、耐酸化性が劣化する。

上記混合割合は、より一層強度、耐熱性、および空孔の
抑制を増大させるには、望ましくはAl25％〜45％、Mn0.
5％〜４％、Ti51％〜74.5％で、特に望ましくは、Al30
％〜42％、Mn1％〜３％、Ti55％〜69％である。

（脱気工程IV） つぎに、混合物を容器に収納して真空ポンプ等により脱
気処理を行うか、または真空ホットプレスにより脱気処
理を行う。真空度は10^-2Torr以下で、温度は200℃〜500
℃で行うことが望ましい。これは、粉末表面の吸着ガ
ス、吸着水を除去するとともに、後の工程における酸化
を防止することにある。この脱気後の真空状態は、後の
緻密化処理Ｖまで保持する必要がある。

（緻密化処理Ｖ） つぎに、脱気後の混合物を真密度の95％以上の密度に緻
密化する。この緻密化はアルミニウム缶を用いて脱気し
た場合は押出またはホットプレスにより、真空ホットプ
レス装置を用いて脱気した場合は真空ホットプレスで緻
密化を行う。この処理では合金化反応は生じさせない。

（高温高圧処理VI） つぎに、高温高圧処理としてHIP処理を行なう。この処
理では混合物に密閉カプセルを被せることなく行う。

HIP処理条件については、合金化が進行する温度範囲、
すなわち、550℃〜650℃の温度範囲における昇温速度を
0.01℃/min〜20℃/minに設定し、その後、700℃以上で
固相線以下の温度に、10分間〜100時間程度保持する。

このような加熱条件のうち、温度範囲を上記のように限
定したのは、この温度範囲で、合金化が最も促進される
ためであり、また、昇温速度の範囲を上記のように設定
したのは、0.01℃/min未満では、長時間かかり、不経済
であり、20℃/minを超えると、空孔が多く発生するから
である。

なお、0.01℃/min〜20℃/minの昇温速度の温度範囲を、
450℃〜700℃の範囲に広げることで、一層空孔の抑制効
果を促進することができる。

また、700℃以上で、かつ、固相線以下の温度に保持す
るのは、化合物反応および焼結を促進するには、700℃
以上にすることが必要であること、および固相線より高
温では、材料が一部溶解し、部品としての形状が保てな
いからである。

HIP処理の圧力は、空孔を押しつぶすために、少なくと
も、200kgf/cm²に設定する。

上記HIP処理で、Ti中にAlを拡散させることによりTi−A
l系金属間化合物を形成する。このとき、カーケンドル
効果、つまりAlの拡散により空孔が発生し易い状態にな
るが、Mnは添加し、昇温速度を上記のように設定するこ
とにより、空孔の発生が抑制されて、僅かに発生した空
孔も高圧処理によりつぶされる。

上述したＩからVIの処理工程により、TiAl、Ti₃Alある
いはTiAl₃等の金属間化合物が形成される。

本発明の主たる工程は以上であるが、必要に応じて、第
２図に示す処理を加えてもよい。

（他の金属、合金の粉末製造工程VII） Ti−Al系金属間化合物部材に有効な添加元素、たとえ
ば、延性改良に効果のある、Mo、Ｖ、Zr、Ｂ、Nbのうち
１種以上を、それらの単体または合金粉末としてTi粉
末、Al粉末等と同時に混合する。

このとき、各元素の添加量は、Mo1％〜５％、V1％〜５
％、Zr1％〜５％、B0.005％〜３％、Nb1％〜30％、であ
り、いずれの元素においても下限値未満では延性改良の
効果がみられず、上限値を超えると、延性改良の効果が
ほぼ飽和し、強度特性も低下する。

（圧縮工程VIII） 混合工程III後の混合体を冷間静水圧プレスや一軸プレ
スを行い、真密度の60％〜95％にする。このとき、真密
度の60％未満では、圧縮後に圧縮体としての形状が保て
なく、また、95％以上では、脱気処理IVの実効を得られ
ない。

（真空封入工程IX） 脱気処理IV後の圧縮体を缶等の容器に真空状態で封入す
る。後の工程の緻密化処理Ｖの後に缶等の容器は除去す
る。

（Near Net Shape成形工程Ｘ） 緻密化処理工程Ｖを経た圧縮体を所望の部品形状又はそ
れに近い形状に、冷間または熱間鍛造、あるいは、機械
加工にて成形する。

（仕上成形工程XI） 高温、高圧処理工程VI後に、機械加工等により最終製品
の形状に仕上げる。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、Ti−Al系金属間
化合物部材の優れた高温強度および耐酸化性を活かすと
ともに、粉末冶金法により所望の形状に容易に成形する
ことができる。しかも、HIP処理におけるガラスカプセ
ルによる封入工程を省略しても、空孔の発生を抑制する
ことができるので、製造を容易にすることができる。

［実施例］ 以下、本発明の一実施例について説明する。

まず、ハンター法による48メッシュ以下のスポンジTi
と、アルゴンを用いたガスアトマイズ法による100メッ
シュ以下のAl粉末、Al−Mn合金粉末、Al−Ｖ合金粉末、
Ti−Mn合金粉末とを製造し、第１表の組成になるように
配合し、Ｖ型混合機によって混合した。この粉末を一軸
プレスにて圧縮成形し、その真密度を80％にした。

つぎに、第３図に示すように、圧縮成形体10をアルミニ
ウム製の直径68mmの缶11に装入し、缶端部11aに脱気用
パイプ12を溶接した。この後、パイプ12に真空ポンプ
（図示省略）を接続し、450℃で１時間加熱した状態で1
0^-3Torr以下の真空度まで脱気処理を行った。

つぎに、上記脱気用パイプ12を圧着することにより圧縮
成形体10を缶11内で真空封入した。この封入後の圧縮成
形体11を押出温度400℃、押出比15で押出加工を行うこ
とにより緻密化を行い、直径18mmの押出棒を得た。この
押出棒は、Ti相とAl相とが混合状態にあり、Ti−Alの金
属間化合物相が殆どみあたらず、また、組織中に空洞は
観察されなかった。

つぎに、被覆しているアルミニウム部材を切削除去した
後に、冷間鍛造により完成品に近い形状への成形（Near
Net Shape）を行った。

つぎに、鍛造部材を密閉カプセルに入れることなくHIP
処理した。このときのHIP処理条件として、第４図に示
すようなプログラムを採用した。

すなわち、常温〜450℃までを30℃/min（01→A1、02→A
2、03→A3、04→A4）の昇温速度で加熱し、さらに450℃
〜700℃までを1000kgf/cm²の加圧下において、４つの異
なった昇温速度、0.1℃/min（A1→Ｂ）、４℃/min（A2
→Ｂ）、15℃/min（A3→Ｂ）、30℃/min（A4→Ｂ）の昇
温速度を加熱し、さらに、1800kgf/cm²の加圧下におい
て1300℃で２時間保持した（Ｃ→Ｄ）。次に、1300℃か
ら常温まで降温速度を30℃/minで冷却した（Ｄ→Ｅ）。

上記した工程で、第１表に示す試料１から11のように、
組成、昇温速度を変えて、Ti−Al系金属間化合物部材を
形成し、該部材について画像解析装置にて、空孔率の測
定を行ない、この結果を第１表に併記する。なお、空孔
率１％以下を良好（○）とし、それ以上を不良（×）と
して判定した。

第１表から明らかなように、Mnを添加し、かつ、400℃
から750℃の昇温速度を15℃/min以下にすることによ
り、空孔率を１％以下に抑制できる。

すなわち、TiとAlとが金属間化合物を形成するに際し
て、Mnの添加、昇温速度の制御により、カーケンドル効
果によって生じ易い空孔は抑制され、僅かに発生した空
孔は、加圧により押しつぶされて観察されず、緻密な組
織となっていた。

上記処理により得られた製品について検査した結果、試
料No.1〜No.3では、室温にて、39kgf/cm²以上の引っ張
り強さが得られた。

また、第２表に示すように、Mnとともに、Ｖ、Mo、Zr、
Ｂを添加することによっても、同様に空孔率を抑制する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の成形法を示す工程図、第２図は第１図
の変形例を示す工程図、第３図は本発明の一実施例によ
る工程を説明する説明図、第４図は同実施例による高温
高圧処理における加熱工程を示す線図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】Al14重量％〜63重量％、Mn0.1重量％〜５
   重量％、残部Tiの割合になるように、Al粉末、Al−Mn合
   金粉末、Mn粉末のうち１以上を選択してTi粉末に混合
   し、この混合物を真空脱気し、真空を保持したまま緻密
   化した後混合物に密閉カプセルを被せることなく、高圧
   下で、加熱焼成してTi−Al系金属間化合物を形成する成
   形法であって、 昇温途中、最も合金化の進行する温度範囲550℃〜650℃
   の昇温速度を、0.01℃/min〜20℃/minに制御し、さらに
   700℃以上かつ混合物の固相線以下の温度で加熱焼成す
   ることを特徴とするTi−Al系金属間化合物部材の成形
   法。