(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａｌを５７．４〜６１．０モル％、Ｔｉを２３．６〜２５．０モル％、Ｍｎを１２．４〜１３．７モル％、Ｖを１．５〜３．５モル％、残部が不可避的元素であることを特徴とするＬ１2型Ａｌ3Ｔｉ基軽量耐熱合金。
【請求項２】
Ｃｒが０．５〜２．８モル％添加されることを特徴とする請求項１記載のＬ１2型Ａｌ3Ｔｉ基軽量耐熱合金。
【請求項３】
Ｂが０．５〜０．８モル％添加されることを特徴とする請求項２記載のＬ１2型Ａｌ3Ｔｉ基軽量耐熱合金。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、Ｌ１２型Ａｌ３Ｔｉ基軽量耐熱合金に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、容易に製造でき、安価で、常温引張り延性および高温耐酸化性に優れたＬ１２型Ａｌ３Ｔｉ基軽量耐熱合金に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
航空機、自動車、船舶等のエンジン、火力発電機のタービン、さらにはロケットエンジン等の高温を利用した機器に使用される高温材料に対しては、エネルギー効率の向上および部材の長寿命化等の観点から、耐用温度の向上と軽量化が求められている。
【０００３】
Ｔｉ−Ａｌ系金属間化合物は、軽量であるうえ高温になるほど強度が増すという特性から、次世代の軽量耐熱構造材料として注目を集めている。特に、Ａｌ３Ｔｉ型の金属間化合物は、アルミニウム濃度が高いため、軽量性と耐酸化性に優れた特性を有している。しかしながら、Ｔｉ−Ａｌ系金属間化合物は結晶構造の対称性が低く、常温での延性に乏しいという欠点が実用化への問題とされ、従来より、Ａｌ３Ｔｉ型をはじめとする種々のＴｉ−Ａｌ系金属間化合物の常温延性を克服するための研究が多くなされている。
【０００４】
たとえば、鉄あるいはクロム等の添加によって、Ａｌ３Ｔｉ型金属間化合物を対称性の高いＬ１２型規則構造へ改良する試みがなされているが、十分な常温引張り延性はいまだに得られていない。
【０００５】
その他にも、Ａｌ３Ｔｉ型金属間化合物については、Ｔｉ，ＣｕおよびＡｌ等からなる組成を特定して焼結させることで、強度と靭性を向上させたＡｌ３Ｔｉ型金属間化合物とする提案（特開平４−６３２３５号）や、Ｔｉ，Ｍｎ，ＣｒおよびＡｌからなる組成を特定することで、Ｌ１２型規則構造を有する圧延性と圧縮強度特性に優れたＡｌ３Ｔｉ型金属間化合物とする提案（特許第２８６８１８５号）等がなされている。しかしながら、前者は、粉末冶金法により組織を微細化し、得られるＡｌ３Ｔｉ型金属間化合物の常温延性を確保するものであるが、歩留が悪いといった心配や、満足できる常温引張り延性が得られるものではなかった。また、後者は、溶融法により容易に作製できるものであるが、常温での引張り延性は得られていなかった。
【０００６】
そこで、この出願の発明は、以上の事情に鑑みてなされたものであり、従来技術の問題点を解消し、容易に製造でき、安価で、常温引張り延性および高温耐酸化性に優れたＬ１２型Ａｌ３Ｔｉ基軽量耐熱合金を提供することを課題としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
そこで、この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、以下の通りの発明を提供する。
【０００８】
すなわち、まず第１には、この出願の発明は、Ａｌを５７．４〜６１．０モル％、Ｔｉを２３．６〜２５．０モル％、Ｍｎを１２．４〜１３．７モル％、Ｖを１．５〜３．５モル％、残部が不可避的元素であることを特徴とするＬ１2型Ａｌ3Ｔｉ基軽量耐熱合金を提供する。
【０００９】
そして、第２には、この出願の発明は、上記第１の発明について、Ｃｒが０．５〜２．８モル％添加されることを特徴とするＬ１２型Ａｌ３Ｔｉ基軽量耐熱合金を、第３には、さらに、Ｂが０．５〜０．８モル％添加されることを特徴とするＬ１２型Ａｌ３Ｔｉ基軽量耐熱合金を提供する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
この出願の発明は、上記の通りの特徴を持つものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
【００１１】
この出願の発明者らは、Ａｌ３Ｔｉに第３および第４の元素を添加したＡｌ３Ｔｉ基合金について、構成元素の量や温度と対称性の良いＬ１２型構造の存在領域、および他の析出相の形態、さらには、構成相の物理的性質と常温延性や高温強度等の材料特性の関係について鋭意研究を行ってきた。その結果、Ａｌ，Ｔｉ，Ｍｎ，Ｖの４元素を基本とする４元系合金のＬ１２単相領域のなかでも、極めて限定された狭い組成範囲において、常温引張り延性が急激に増大することを見出した。
【００１２】
すなわち、この出願の第１の発明が提供するＬ１2型Ａｌ3Ｔｉ基軽量耐熱合金は、Ａｌを５７．４〜６１．０モル％、Ｔｉを２３．６〜２５．０モル％、Ｍｎを１２．４〜１３．７モル％、Ｖを１．５〜３．５モル％、残部が不可避的元素であることを特徴としている。
【００１３】
図１に、（ａ）Ａｌ−Ｔｉ−Ｍｎ−Ｖ４元系合金、（ｂ）Ａｌ−Ｔｉ−Ｍｎ−Ｃｒ４元系合金について、１１７７℃でのＬ１２単相領域を調査した結果を示した。Ａｌ３Ｔｉ基合金を対称性の高いＬ１２型規則構造へ改良することでＡｌ３Ｔｉ基合金の常温延性を高める試みは従来より考えられてはいた。そして、実際に、多元系合金において、Ｌ１２型規則構造となる広範囲の組成を指定した類似の合金が提案されてもいる。しかしながら、それらの合金の常温引張延性に注目してみると、曲げ試験による常温引張延性はほぼゼロに近く、試験片の半分以上が弾性域破断を示していた。
【００１４】
この出願の発明のＬ１２型Ａｌ３Ｔｉ基軽量耐熱合金は、Ａｌ，Ｔｉ，Ｍｎ，Ｖからなる多元系合金において、常温引張り延性が急激に増大して１％を超過するというごく狭い組成範囲を特定するものである。そして、その組成範囲は、図１（ａ）に示されるＬ１２単相領域の一部に含まれ、Ｔｉが２３．６〜２５．０モル％、Ａｌが５７．４〜６１．０モル％、Ｍｎが１２．４〜１３．７モル％、Ｖが１．５〜３．５モル％という極めて狭い組成領域で示される。この範囲以外のＬ１２単相領域にある合金については、１％を超過する常温引張り延性は示さない。また、たとえば、（ｂ）に示したように、Ａｌ−Ｔｉ−Ｍｎ−Ｃｒ４元系合金にもＬ１２単相領域は存在するが、この組成領域にある合金をくまなく調べたが常温引張り延性を示す合金は見られなかった。
【００１５】
すなわち、この出願の発明のＬ１２型Ａｌ３Ｔｉ基軽量耐熱合金においては、Ａｌ，Ｔｉ，Ｍｎ，Ｖを基本元素とし、その配合をＬ１２単相領域のさらに限定された範囲とする、Ｌ１２型（Ａｌ，Ｍｎ）３Ｔｉ（Ｖ）をベースにすることが重要である。
【００１６】
Ｍｎの含有量は、１２．４〜１３．７モル％の場合に常温での引っ張り伸びが１％を超える優れたものとなる。Ｍｎの含有量が１２．４モル％未満あるいは１３．７モル％を超過すると、１％を超える常温引張り延性を得ることができない。したがって、Ｍｎの含有量は、１２．４〜１３．７モル％とすることができる。
【００１７】
Ｖの含有量は、１．５〜３．５モル％の時には常温での引っ張り伸びが１％を超えており、さらにＶの含有量が約２モル％の場合には常温での引っ張り伸びが最も高い１．５％以上となる。また、Ｖが約３モル％の場合に、Ａｌ３Ｔｉと同等の、優れた耐酸化性を示す。したがって、Ｖの含有量は、１．５〜３．５モル％とすることができる。
【００１８】
この出願の発明のＬ１２型Ａｌ３Ｔｉ基軽量耐熱合金は、原料を上記組成範囲に調整することで、単純な加熱および冷却による溶融法で得ることができる。原料としては、たとえば、純度９９．９９％のＡｌ，純度９９．８％のスポンジＴｉ，純度９９．８％のＭｎ，Ａｌ−５１．０モル％Ｖ合金等を用いることができる。特に高純度の原料を使用しなくても上記組成範囲内に調整すればよい。製造方法としては、合金の溶解法として通常よく利用されているアルゴン雰囲気アーク溶解法等を利用することができる。従って、この出願の発明のＬ１２型Ａｌ３Ｔｉ基軽量耐熱合金は、原料および製造コストを廉価に抑えることができる。
【００１９】
このように常温での引張り延性に著しく優れたＬ１２型Ａｌ３Ｔｉ基軽量耐熱合金の極狭い組成範囲を予測することは極めて困難なことであったが、これによって、容易に製造でき、安価で、高温耐酸化性に加えて常温引張り延性にも優れたＬ１２型Ａｌ３Ｔｉ基軽量耐熱合金が実現される。また、この出願の発明によって初めて、このように限定された組成範囲内でＬ１２型Ａｌ３Ｔｉ基合金の機械的性質が著しく変化することについても示される。
【００２０】
この出願の第２の発明が提供するＬ１２型Ａｌ３Ｔｉ基軽量耐熱合金は、上記第１の発明について、Ｃｒが０．５〜２．８モル％添加されることを特徴としている。
【００２１】
上記のＡｌ，Ｔｉ，Ｍｎ，Ｖの４元素にＣｒを添加して５元系合金、すなわちＬ１２型（Ａｌ，Ｍｎ）３Ｔｉ（Ｖ，Ｃｒ）とすることで、常温引張り延性をやや低減させるが、Ｔｉ−Ａｌ系材料との密着性に優れたＬ１２型Ａｌ３Ｔｉ基軽量耐熱合金を実現することができる。
【００２２】
Ｃｒを添加することで、この出願の発明のＬ１２型Ａｌ３Ｔｉ基軽量耐熱合金は、たとえばＴｉＡｌ合金と８００℃付近で容易に熱反応を起こして溶着する。溶着したＬ１２型Ａｌ３Ｔｉ基軽量耐熱合金は、Ｃｒを添加していないものと比較して密着性に優れ、数段剥離しにくくなる。Ｃｒの添加量については、０．５モル％未満であると、密着性の向上が十分に期待できない。また、Ｃｒが２．８モル％を超過すると、１％以上の常温引張り延性を確保することができない。そのため、Ｃｒの添加は、０．５〜２．８モル％とする。
【００２３】
このようにして得られたＬ１２型Ａｌ３Ｔｉ基軽量耐熱合金は、高温耐酸化性、常温引張り延性に加えて優れた密着性を示す被覆材等として用いることができる。たとえば、この出願の発明のＬ１２型Ａｌ３Ｔｉ基軽量耐熱合金を、化合物ＴｉＡｌの被覆材として利用することにより、化合物ＴｉＡｌの使用上限温度を著しく上昇させることができ、エネルギー効率を高めることができる。
【００２４】
この出願の第３の発明が提供するＬ１２型Ａｌ３Ｔｉ基軽量耐熱合金は、上記第２の発明について、Ｂが０．５〜０．８モル％添加されることを特徴としている。
【００２５】
上記のＡｌ，Ｔｉ，Ｍｎ，Ｖ，Ｃｒの５元素にＢを添加して、６元系合金、すなわちＬ１２型（Ａｌ，Ｍｎ）３Ｔｉ（Ｖ，Ｃｒ，Ｂ）とすることで、腐食性溶液や雰囲気環境における耐食性に優れたＬ１２型Ａｌ３Ｔｉ基軽量耐熱合金を実現することができる。
【００２６】
Ｂ添加量については、０．５モル％未満であると、耐食性が十分に期待できない。また、Ｂが０．８モル％を超過すると、１％以上の常温引張り延性を確保することができない。そのため、Ｂの添加は、０．５〜０．８モル％とする。
【００２７】
このようにして得られたＬ１２型Ａｌ３Ｔｉ基軽量耐熱合金は、高温耐酸化性、常温引張り延性および耐食性を兼ね備えており、たとえば、８００〜１０００℃における耐酸化性に乏しい金属および金属間化合物材料の被覆材や、８００〜１０００℃における軽量耐熱構造用部品、ジェットエンジン、タービンブレード、自動車、ターボチャージャーロータ、火力発電用ガスタービンなどに利用できる。
【００２８】
また、常温における酸化性溶液や酸化性雰囲気において優れた安定性を有するため、化学プラントや海水環境などにおいて、高度の付加価値を要求される部材などとして利用する等、軽量耐熱構造材料としての可能性を高めることができる。
【００２９】
以下、添付した図面に沿って実施例を示し、この発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
【００３０】
【実施例】
（実施例１）
Ａｌ：５８．８モル％、Ｔｉ：２４．４モル％、Ｍｎ：１２．９モル％、Ｖ：２．０モル％に調整した原料をアルゴン・アーク溶解により溶製した合金を、１１７７℃の真空中で２４時間加熱し、アルゴンガスを導入することで室温付近にまで冷却する熱処理により、Ｌ１２型Ａｌ３Ｔｉ基軽量耐熱合金を製造した。この時の冷却速度は、８００℃までは平均２℃／ｓで、８００℃以下は平均１℃／ｓであった。
【００３１】
得られたＬ１２型Ａｌ３Ｔｉ基軽量耐熱合金の常温引張り延性を評価するために、常温（２５℃）において曲げ延性試験を行った。試験結果の荷重−ひずみ曲線を図２に例示した。図２より、この出願の発明のＬ１２型Ａｌ３Ｔｉ基軽量耐熱合金は常温伸び１％を示し、Ｖが２．０モル％の場合には常温伸び１．５％を示すことが確認された。
（比較例１）
原料をＡｌ：６６．０モル％、Ｔｉ：２５．０モル％、Ｍｎ：６．０モル％、Ｖ：３．０モル％に調整し、実施例１と同様にＬ１２型Ａｌ３Ｔｉ基合金を製造して常温引張り延性を試験した。その結果を図２に合わせて示した。このＡｌ３Ｔｉ基合金はＬ１２型規則構造を有するものであるが、常温での引張り延性は極めて低いことが示された。
（実施例２）
Ｖの含有量を２，３，４モル％と変化させたＡｌ３Ｔｉ基合金（Ａｌ−２４．３Ｔｉ−１２．８Ｍｎ−２Ｖ−２Ｃｒ，  Ａｌ−２４．５Ｔｉ−１３．０Ｍｎ−３Ｖ，  Ａｌ−２３．８Ｔｉ−１２．２Ｍｎ−４Ｖ）および、Ａｌ３Ｔｉ、ＴｉＡｌ合金を試料とし、１０００℃の酸化雰囲気中に置いたときの酸化増量を測定した。その結果を図３に示した。
【００３２】
その結果、Ｖを２モル％および３モル％添加したＬ１２型Ａｌ３Ｔｉ基合金は、Ｖを４モル％添加したものおよびＴｉＡｌ合金と比較して酸化増量が少なく、耐酸化性を示すことがわかった。特に、Ｖを３モル％添加したＬ１２型Ａｌ３Ｔｉ基合金については、Ａｌ３Ｔｉと同等の極めて優れた耐酸化性を示すことが確認された。
（実施例３）
Ａｌ：５８．８モル％、Ｔｉ：２４．５モル％、Ｍｎ：１２．９モル％、Ｖ：２．０モル％、Ｃｒ：２．０％を含有するＬ１２型Ａｌ３Ｔｉ基軽量耐熱合金粉末を作製し、ＴｉＡｌ合金との熱反応特性を調べた。その結果を図４に示した。
【００３３】
図４より、Ｃｒを添加したＬ１２型Ａｌ３Ｔｉ基軽量耐熱合金は、８００℃近傍でＴｉＡｌ合金と容易に熱反応を起こすことが確認された。
（実施例４）
この出願の発明のＬ１２型Ａｌ３Ｔｉ基軽量耐熱合金粉末の密着性を、熱分析装置を利用して行なった。密着性の評価は、まず、Ｌ１２型Ａｌ３Ｔｉ基軽量耐熱合金粉末をＴｉＡｌ合金製の熱分析用るつぼに装填し、昇温速度１０℃／ｍｉｎで１３００℃まで加熱した後室温まで冷却した。次いで、熱分析装置から取り出したるつぼを２分割して、るつぼ内に付着したＬ１２型Ａｌ３Ｔｉ基軽量耐熱合金反応層をピンセットでこすることにより剥がすことを試み、密着性を評価した。
【００３４】
その結果、この出願の発明のＣｒを添加した５元系のＬ１２型Ａｌ３Ｔｉ基軽量耐熱合金粉末については剥離せず、高い密着性を示した。また、Ｃｒを添加していないこの出願の発明の４元系のＬ１２型Ａｌ３Ｔｉ基軽量耐熱合金反応層については、ピンセットで剥がすことができ、密着性はあまり高くなかった。
（実施例５）
Ａｌ：５８．９モル％、Ｔｉ：２３．９モル％、Ｍｎ：１２．５モル％、Ｖ：２．０モル％、Ｃｒ：２．０％、Ｂ：０．７％を含有する６元系のＬ１２型Ａｌ３Ｔｉ基軽量耐熱合金を作製した。このＬ１２型Ａｌ３Ｔｉ基軽量耐熱合金を３０％フッ酸水からなる腐食液によりエッチングしてその前後で組織の変化を観察したところ、このＬ１２型Ａｌ３Ｔｉ基軽量耐熱合金では腐食が全く進行しないことが確認された。なお、この出願の発明の６元系のＬ１２型Ａｌ３Ｔｉ基軽量耐熱合金については、すべてフッ酸腐食が進行しないことが確認された。
【００３５】
一方、この出願の発明の他の合金系では、３０％フッ酸水により十分なエッチングが生じることが確認された。
【００３６】
アルカリ腐食液に対しては、合金系を問わず、もちろん腐食が進行しないことが確認された。
【００３７】
この発明は以上の例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることは言うまでもない。
【００３８】
【発明の効果】
以上詳しく説明した通り、この発明によって、容易に製造でき、安価で、常温引張り延性および高温耐酸化性に優れたＬ１２型Ａｌ３Ｔｉ基軽量耐熱合金が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）Ａｌ−Ｔｉ−Ｍｎ−Ｖ４元系合金、（ｂ）Ａｌ−Ｔｉ−Ｍｎ−Ｃｒ４元系合金における、１１７７℃でのＬ１２型規則構造の生成領域を示す図である。
【図２】この出願の発明のＬ１２型Ａｌ３Ｔｉ基軽量耐熱合金と比較例のＬ１２型Ａｌ３Ｔｉ基合金について曲げ延性試験の結果を例示した図である。
【図３】実施例における、高温耐酸化試験の結果を例示した図である。
【図４】Ｌ１２型Ａｌ３Ｔｉ基軽量耐熱合金粉末のＴｉＡｌ基合金に対する熱反応特性を調べた結果を例示した図である。
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図３】
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