(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｔｉ／Ｔｉ3 Ｓｎ共晶相を中間層として金属Ｔｉ又はＴｉ合金に金属間化合物Ｔｉ3 Ｓｎが接合されているＴｉ系傾斜機能材料。
【請求項２】
金属Ｔｉ又はＴｉ合金と金属間化合物Ｔｉ3 Ｓｎとを接触させ、共晶温度以上に加熱することにより、Ｔｉ／Ｔｉ3 Ｓｎ共晶相からなる中間層を界面に生成させるＴｉ系傾斜機能材料の製造方法。
【請求項３】
金属Ｔｉ又はＴｉ合金と金属間化合物Ｔｉ3 Ｓｎとを接触させ、両者をＴａ箔で包み、全体をＴｉ／Ｔｉ3 Ｓｎの共晶温度以上に加熱する請求項２記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、耐衝撃性に優れたＴｉの特性及び耐熱耐酸化性に優れたＴｉ3 Ｓｎの特性を兼ね備えたＴｉ系傾斜機能材料及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
傾斜機能材料の製造技術として、気相成長法，溶射法，粉末冶金法等が知られている。これらの方法では、原材料の配合割合を段階的に或いは連続的に変えながら、適宜の基材の上に所定組成の物質を積み重ねていく。これにより、配合割合の変化に応じて堆積方向の組成が変わり、目標とする傾斜機能材料が作製される。
従来の製造法によるとき、何れも材料の堆積速度が遅く、生産性が悪い。しかも、工程が複雑になるため、得られた傾斜材料が高価なものとなる。その結果、コスト面から傾斜材料の用途が制約され、優れた特性を備えているにも拘らず使用されていない現状である。
【０００３】
また、従来の傾斜機能材料では、耐衝撃用部材に金属又は合金を使用し、耐熱耐酸化用部材にセラミックスを使用している。しかし、セラミックスと金属又は合金とを接合したものでは、両者の熱膨張係数が大きく異なることから、接合界面にある組成傾斜部に大きな熱応力が発生する。熱応力は、脆いセラミックス層に亀裂を発生させ、接合界面における層間剥離の原因となる。
本発明者等は、このような問題を解消する方法として、特定の金属間化合物と特定の金属材料を共晶接合することを特願平４−２７２５４９号公報で提案した。提案した方法では、金属間化合物Ｔｉ5 Ｓｉ3 と金属Ｔｉ又はＴｉ合金とを接触させて共晶温度以上に加熱するとき、接合界面にＳｉ濃度が連続的に変化する傾斜組成部が形成され、Ｔｉ及びＴｉ5 Ｓｉ3 両者の性質を兼ね備えた傾斜機能材料が得られる。この特許は、傾斜機能材料を簡便に作成する方法が存在することを始めて世に示した画期的なものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
Ｔｉ／Ｔｉ5 Ｓｉ3 傾斜機能材料を作成するに当り、先ず問題となった点は、Ｔｉ5 Ｓｉ3 の脆さである。Ｔｉ5 Ｓｉ3 は、水冷銅ルツボを用いたＡｒアーク溶解で直径２０ｍｍ，厚み８ｍｍ程度のボタンインゴットとして実験的に作成することが通常である。しかし、この程度の規模の溶解であっても、冷却時にひび割れがＴｉ5 Ｓｉ3 製のボタンインゴットに入る。このことは、共晶接合によってＴｉ／Ｔｉ5 Ｓｉ3 傾斜機能材料が作成できても、過酷な環境に曝される金属間化合物側の特性が脆さの面から万全でないことを意味する。たとえば、外部応力や熱衝撃によって金属間化合物に剥離や破壊が生じる可能性がある。
これに対し、Ｔｉ3 Ｓｎは、Ｔｉ5 Ｓｉ3 に比較して金属間化合物相としてはるかに金属的な性質をもっており、延性及び靭性に富んでいる。
本発明は、このＴｉ3 Ｓｎの特性を活用し、金属Ｔｉ又はＴｉ合金と金属間化合物Ｔｉ3 Ｓｎとの間に安定なＴｉ／Ｔｉ3 Ｓｎの共晶相が形成されることに着目し、この共晶相を中間層として金属間化合物Ｔｉ3 Ｓｎを金属Ｔｉ又はＴｉ合金に接合することにより、優れた特性をもつＴｉ系傾斜材料を容易に製造することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明のＴｉ系傾斜機能材料は、その目的を達成するため、Ｔｉ／Ｔｉ3 Ｓｎの共晶相を中間層として金属Ｔｉ又はＴｉ合金に金属間化合物Ｔｉ3 Ｓｎが接合されている。
このＴｉ系傾斜機能材料は、金属Ｔｉ又はＴｉ合金と金属間化合物Ｔｉ3 Ｓｎとを接触させ、両者を共晶温度以上に加熱することにより、Ｔｉ／Ｔｉ3 Ｓｎの共晶相からなる中間層を界面に生成させることにより製造される。加熱に際し、接触させた金属Ｔｉ又はＴｉ合金及び金属間化合物Ｔｉ3 Ｓｎを酸化防止用のＴａ箔で包むことが好ましい。
【０００６】
本発明では、耐衝撃性を確保する部材として金属Ｔｉ又はＴｉ合金を使用し、耐熱耐酸化性を確保する部材として金属間化合物Ｔｉ3 Ｓｎを使用する。Ｔｉ合金には、従来から高温材料として知られているα＋β型のＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ，ニアα型のＴｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−２Ｍｏ−０．１Ｓｉ，冷間加工可能なβ型Ｔｉ合金等がある。
金属間化合物Ｔｉ3 Ｓｎは、その工業的な製造法が確立されていないが、金属性の強い化合物であるため、たとえば化学量論組成に相当する割合でＴｉ及びＳｎを配合したものを真空雰囲気又は不活性雰囲気中でアーク溶解することにより容易に試作できる。
【０００７】
【作用】
金属間化合物Ｔｉ3 Ｓｎを金属Ｔｉ又はＴｉ合金と接触させた状態でＴｉ／Ｔｉ3 Ｓｎの共晶点以上に加熱すると、接触界面にＴｉ／Ｔｉ3 Ｓｎ共晶相が形成される。加熱温度は、Ｔｉ3 Ｓｎの融点が１６７０℃と高いことから、具体的には１６３０〜１６４０℃の範囲に設定される。
Ｔｉ／Ｔｉ3 Ｓｎ共晶相は、図１に示すように、金属Ｔｉ又はＴｉ合金側でＴｉ初晶が晶出した組織，Ｔｉ3 Ｓｎ側で初晶Ｔｉ3 Ｓｎが晶出した組織になっている。晶出したＴｉ3 Ｓｎは、金属Ｔｉ又はＴｉ合金側で微細な晶出物であり、Ｔｉ3 Ｓｎ側で樹枝状の晶出物となっている。すなわち、生成したＴｉ／Ｔｉ3 Ｓｎ共晶相は、ＴｉからＴｉ3 Ｓｎまで連続的に変化した傾斜組成部をもっている。
【０００８】
共晶接合の組織及び特性は、状態図にみられる共晶反応の温度，組成，反応層の物性等に左右される。Ｔｉ5 Ｓｉ3 は、結晶構造が複雑なＤ８8 型であり、その異方性のために共晶接合に際して針状や板状に晶出する。他方、金属的性質に富むＴｉ3 Ｓｎは、比較的等方的なＤＯ19型構造をもち、粒状又は立方状に晶出する。通常、針状や板状の結晶を含む組織は延性に難点をもつことが多いため、Ｔｉ／Ｔｉ5 Ｓｉ3 共晶組織ではＴｉ5 Ｓｉ3 を球状化するための焼鈍が必要となる。これに対し、Ｔｉ3 Ｓｎが粒状又は立方状に晶出したＴｉ／Ｔｉ3 Ｓｎでは焼鈍が不要になる。
また、Ｔｉ／Ｔｉ3 Ｓｎ系では、Ｔｉ／Ｔｉ5 Ｓｉ3 系に比較し、共晶温度以上で液相と平行する固相の組成が大きく変化する。そのため、Ｔｉ／Ｔｉ3 Ｓｎ系では、共晶凝固に際して温度を制御することにより晶出相の組成が大きく変化する。この現象を利用するとき、Ｔｉ／Ｔｉ3 Ｓｎ系では、Ｔｉ／Ｔｉ5 Ｓｉ3 系に比較し、より広い幅で組成を傾斜させた材料を得ることが可能になる。また、Ｔｉ3 Ｓｎは、Ｔｉ5 Ｓｉ3 に比較して金属的であるものの、化合物特有の規則的原子配列をもつ結晶構造をとる。そのため、金属相に比較してはるかに大きな高温強度を示す。
【０００９】
Ｔｉ3 Ｓｎは、線熱膨張係数が８×１０-6／Ｋ程度であり、Ｔｉの線熱膨張係数６×１０-6／Ｋに近似している。そのため、Ｔｉ及びＴｉ3 Ｓｎを一体的に接合した材料を高温に加熱しても、熱膨張差に起因して組成傾斜部に大きな熱応力が発生することはない。したがって、従来の金属／セラミックス系の傾斜材料に見られた亀裂や層間剥離が発生することはなく、長期間に渡ってＴｉ及びＴｉ3 Ｓｎ双方の特性が発揮される傾斜機能材料となる。
【００１０】
【実施例】
化学量論組成の金属間化合物Ｔｉ3ＳｎをＡｒ雰囲気中でアーク溶解し、直径１２ｍｍのボタンインゴットに溶製した。得られたボタンインゴットに、１２００℃で４８時間加熱する均質化処理を施した。また、純Ｔｉで同じ形状のボタンインゴットを作製した。
Ｔｉ3Ｓｎ製ボタンインゴット及びＴｉ製ボタンインゴットの一面を平滑に研磨し、相互の平滑面を接触させた。そして、Ｔａ箔で全体を包み、電気炉で１６４０℃に６０分間加熱した。
冷却後、電気炉からインゴットを取り出したところ、Ｔｉ3Ｓｎ製ボタンインゴット及びＴｉ製ボタンインゴットが一体化されていた。接合界面を調査したところ、図１に示すＴｉ／Ｔｉ3Ｓｎ共晶相の中間層が形成されていた。この中間層のＳｎ濃度は、図２に示すように、Ｔｉ側からＴｉ3Ｓｎ側に向けて連続的に上昇していた。Ｓｎ濃度の変化に応じ、中間層の硬さも図２に示すように変化していた。なお、Ｔｉ／Ｔｉ3Ｓｎ部で起こる硬度上昇は、二相が微細分散しているためである。
【００１１】
ここで取り扱っている傾斜機能材料の作成原理は、Ｔｉ／Ｔｉ5 Ｓｉ3 及びＴｉ／Ｔｉ3 Ｓｎ共に同一である。すなわち、Ｔｉと金属化合物との間にある共晶反応を利用して金属と化合物とを接合すると同時に、接合条件を工夫して接合部の傾斜組成化を図るものであり、基本的に異質な特性を持つ材料を対象とした共晶接合の試みは世界で初めてである。しかしながら、このような技術が適用可能で、しかも作成物が高い価値を持ち得る材料系は限られており、前述したＴｉ／Ｔｉ5 Ｓｉ3 系及びＴｉ／Ｔｉ3 Ｓｎ系はこれらの条件を満足し得る数少ない系である。
【００１２】
製造したＴｉ／金属間化合物の傾斜機能材料の特性は、使用する金属間化合物の種類により大きく影響される。前述したように、Ｔｉ5 Ｓｉ3 は、融点が２１３０℃と高く、軽量で且つ強い耐酸化性をもっている。しかし、複雑な結晶構造をもっていることから延性・靭性の乏しい。そのため、裏打ち材料であるＴｉが存在しても、外部応力や熱衝撃によってＴｉ5 Ｓｉ3 自体に剥離，亀裂等の発生が避けられない。これに対し、金属的な性質をもつＴｉ3 Ｓｎは、１％程度の延性を保有するため、外部応力や熱衝撃で破損する可能性が非常に低くなる。したがって、Ｔｉ／Ｔｉ3 Ｓｎ系傾斜機能材料は、非常に過酷な環境に曝されない限り、使い易い傾斜機能材料といえる。
【００１３】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明のＴｉ系傾斜機能材料は、Ｓｎ濃度が連続的に変化するＴｉ／Ｔｉ3 Ｓｎ共晶相を介して金属Ｔｉ又はＴｉ合金と金属間化合物Ｔｉ3 Ｓｎ又はＴｉ5 Ｓｉ3 が接合されている。金属間化合物Ｔｉ3 Ｓｎは、Ｔｉに近似した熱膨張係数をもっていることから、加熱・冷却を繰り返す熱履歴後も熱応力に起因した亀裂や層間剥離が生じることはない。そのため、金属Ｔｉ又はＴｉ合金で衝撃に耐え、金属間化合物Ｔｉ3 Ｓｎの優れた耐熱耐酸化性が活用され、スペースプレーンの外壁，発電用タービンのブレード等に使用される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  Ｔｉ／Ｔｉ3 Ｓｎ共晶相を介して接合された金属Ｔｉと金属間化合物Ｔｉ3 Ｓｎ
【図２】  接合層の傾斜組成部及び硬度分布
【図１】
0003705368.tif 000002
【図２】
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