(57)【要約】  【課題】      軽量で１３００℃の耐熱性があり、低熱膨張、耐摩耗性、耐酸化性及び高温強度に優れた繊維強化Ｔｉ−Ａｌ複合材料を提供する。  【解決手段】  炭化珪素或いはアルミナからなる連続繊維に金属チタン粒子を繊維束に浸漬させて、これをアルミニウム合金溶湯によって加圧含浸させ、その後当該部分を熱処理することによりマトリックスが完全に金属間化合物になった繊維強化Ｔｉ−Ａｌ複合材料。  【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化珪素又はアルミナよりなる連続繊維を強化材としてチタン−アルミニウムの金属間化合物をマトリックスとする複合材料であって連続繊維とチタン粉末からなる成形体にアルミニウム合金溶湯を高圧にて、含浸凝固させた後、熱処理を施して作る繊維強化Ti−Al複合材料。
【請求項２】
前記連続繊維の体積比率が２０〜７０％である請求項１に記載の繊維強化Ti−Al複合材料。
【請求項３】
チタン粉末が１５〜５０体積％である請求項１又は２に記載の繊維強化Ti−Al複合材料。
【請求項４】
炭化珪素又はアルミナよりなる連続繊維の径が５〜２００μｍであって、この繊維結束中に粒径０.５〜２００μｍの金属チタン粉を浸漬させて、乾燥して成形体を得た後、加熱後加圧金型内に設置し該成形体にアルミニウム合金溶湯を高圧鋳造含浸凝固させて得た金属基複合体部だけを採り出して、その後大気中５００〜６６０℃の熱処理を行い、Ti−Alの金属間化合物をマトリックスとする繊維強化材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軽量で耐熱性、低熱膨張率、耐摩耗性、耐酸化性および高温強度に優れた繊維強化Ti−Al複合材料及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
耐熱性と耐摩耗性に優れた軽量なブレーキ材料として好適なものとして本発明者らが提案した特開２００３−４９２５２にあるように、炭化珪素粉末などのセラミックス粉と金属チタン粉末を混合させたものから予備成形体を作成した後、アルミニウム又はアルミニウム合金を加圧含浸して得られた金属複合材料が知られている。この材料は、６００℃程度までの耐熱性を有しているので所期の特性は得られている。
【０００３】
一方、ジェットエンジンや火力発電などのタービンの羽根などに用いるには１３００℃程度の耐熱性と強度が必要であるので、前記金属複合材料では適材ではない。
【０００４】
他方、現在ではそれらの用途に供するのに鉄ニッケル合金やクロムモリブデン鋼などを用いているが、比重が大きく、熱膨張も大きく、耐熱性も１０００℃以下で充分ではない。又、炭素繊維を使ったTi−Al複合材なども酸化性雰囲気では繊維の劣化が起り好ましくないなどの弊害がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、前記のような従来の問題点に鑑み、軽量で耐熱性が１３００℃程度あり、低熱膨張、耐摩耗性、耐酸化性及び高温強度に優れた繊維強化Ti−Al複合材料でジェットエンジンや火力発電などのタービンの羽根などに好適な材料を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、前記目的を達成するために強化用に用いる繊維の材質はアルミナ或いは炭化珪素の連続繊維を充当する。そして、この繊維の周囲にチタン粉末を配しアルミニウム溶湯を高圧で含浸させる。
【０００７】
次に前記複合材を適宣熱処理することによりＴｉ−Ａｌ金属間化合物の生成を終了し、所期の繊維強化Ｔｉ−Ａｌ複合材料を得る。
【０００８】
本発明をより詳細に説明する。繊維径５〜１５０μｍのアルミナ又は炭化珪素の連続繊維束に、例えばエタノールによってスラリー化させた平均粒径２μｍのチタン粉末を超音波振動をかけながら繊維束内に浸入させた後、エタノールを乾燥除去し繊維−チタン粉末からなる予成形体を得る。
【０００９】
上記予成形体は繊維が２０〜７０体積％であってチタン粉末は１５〜５０体積％になっている。チタン粉末と繊維の合計は６０〜８５体積％になっている。このものをアルゴン中で６５０〜８００℃に保持する。
【００１０】
一方でアルミニウム（ＪＩＳ１０００系合金）を７００〜８００℃にて溶解保持しておき、図1の金型を予め２００〜３００℃に熱しておき、その中に上記チタン粉末と繊維の成形体4を配置し、アルミニウム溶湯5を注いでパンチ2を油圧プランジャー3によって加圧凝固させる。
【００１１】
次に、4の部分を切り出してチタン・アルミニウム・繊維よりなる複合体を得る。
【００１２】
次いで、上記４の部分を大気中５００〜６００℃に５時間から１０日間保持する。これによって、繊維以外のマトリックスであるチタンとアルミニウムの金属間化合物への反応を終了させる。このようにして得られたのが本発明の繊維強化Ｔｉ−Ａｌ複合材料である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の繊維強化Ｔｉ−Ａｌ複合材料は高温において耐酸化性を有するアルミナ質又は炭化珪素の繊維を用いてチタン粉末との予成形体を作り、アルミニウム溶湯を高圧含浸させて後該複合部分をとり出してこれを大気中にて熱処理することにより、Ｔｉ−Ａｌ金属間化合物をマトリックスとする繊維強化複合材料を得ることができる。
【００１４】
前記複合材料の特徴は、炭素繊維を用いると１０００℃以上の耐酸化性を得られないが本発明による複合材料は繊維自体の耐酸化性が優れるので高温での耐酸化性を得ることができる。
【００１５】
前記複合材料のさらなる特徴は、マトリックスにＴｉ−Ａｌを用いることと、その後のＡｌの融点以下でＴｉ−Ａｌの金属間化合物を合成することである。このＴｉ−Ａｌ金属間化合物の融点は１３００℃を越えるので前期複合材料も１３００℃以上での使用に充分耐え得る材料となる。
【００１６】
従来の通常利用されている鉄−ニッケル合金やクロムモリブデン鋼などは比重が大きく、熱膨張も大きく、又、クリープ強度も７００℃以上では極めて小さくなってしまうのでジェットエンジンや火力発電などのタービンの羽根などに用いるには困難であったが、本発明の繊維強化Ｔｉ−Ａｌ複合材料では１３００℃までは繊維の劣化が無いので室温と変わらない繊維強度が発現され、かつクリープ強度も大きい。又、比重も３〜３.５と極めて小さいので上記タービンの羽根には非常に有用である。
【００１７】
又、本発明の繊維強化Ｔｉ−Ａｌ複合材料はＴｉ−Ａｌの金属間化合物だけがマトリックスになるので耐熱温度は１３００℃を超えかつ、繊維が支配的に物性を左右するので熱膨張率も小さくさらに繊維がセラミックス質であるので耐摩耗性に優れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明で使用される繊維は代表的には炭化珪素やアルミナからなり、前者では（1）５〜２０μｍに平均繊維径を有する連続繊維であって例えばニカロン（日本カーボン社製）やチラノ（宇部興産社製）の各繊維（2）１００〜１５０μｍに平均繊維径を有する連続繊維であって、ＣＶＤ繊維（ＡＶＣＯ社製）などが利用できる。後者では５〜４０μｍに平均繊維径を有する連続繊維であって、例えばアルミナ長繊維（ニチビ社製）やファイバーＦＰ（デュポン社製）などが利用できる。
【００１９】
本発明では、上記の繊維の束にＴｉの微粉を浸漬させてチタン浸漬繊維の予備成形体を得る。この時、Ｔｉ粉末としては０.５μｍ〜２００μｍ程度の粉末を用いるのが便利であり、Ｔｉ粉末が０.５μｍ以下だと後の予熱工程で酸化が進行し所期のＴｉ−Ａｌ金属間化合物が得難い。２００μｍ以上だと繊維の束に浸漬させるのに困難だからである。チタン粉末を水やエタノールあるいはメチルセルロースなどの増粘剤を溶解した水溶液などに懸濁させてスラリーを作りその中に上記繊維束を入れ、必要に応じて超音波振動させてチタン粉末を繊維束中に浸漬させる。この他に、繊維を開繊させて平坦なシート状にしてそのシートにハケで前記チタン粉末含有スラリーを塗布しても良い。それらのシートを重ねて繊維成形体とする。
【００２０】
以上のようにして作られたチタン粉末含有の繊維成形体を空気中１００〜１５０℃で乾燥し、さらにアルゴン中で７００〜８００℃に予熱しておく。一方でＪＩＳ１０５０相当のアルミニウム溶湯を７００〜８５０℃に保持しておき、さらに図1の金型を予め２００〜３００℃に保持しておき、先ず第１に上記の予熱されたチタン粉含有の繊維成形体を金型に配置しその上からアルミニウム溶湯を注ぎパンチで２０〜１００Ｍｐａの圧力で加圧し凝固させる。凝固に至るまで加圧保持しておくが、その時間は大きさにより異なるが２〜２０分間程度である。
【００２１】
上記の凝固が完了した鋳造物から複合材料のみを切り出す。この金属基複合材は未だチタンとアルミニウムの金属間化合物の反応は完全には達成されていない。従って、この段階のマトリックスの融点は６００〜７００℃である。このため、さらにマトリックスを高融点化させる必要があり、本発明者らは大気中で５００℃以上に保持しておくとチタンとアルミニウムの反応が進行し最終的に全てのマトリックスがＴｉ−Ａｌ金属間化合物に変化する。５００℃以下だと反応は殆ど進行せず、６００℃以上だと進行がかなり早い。しかし、アルミニウムの融点を越えると複合材内部に欠陥を作ってしまうので好ましくない。以上のような工程を経て本発明の繊維強化Ｔｉ−Ａｌ複合材料が得られる。
【００２２】
以下、実施例により本発明をより具体的に説明する。又、後出の表１に各種材料と本発明の実施例との特性比較を示す。
【実施例１】
【００２３】
平均繊維１０μｍの炭化珪素繊維（商標ニカロン：日本カーボン社製）の１０００本／束のもの１２７４束を１５０ｍｍに切り揃えて予めメチルセルロース１％溶液に懸濁させた平均粒径５μｍの金属チタン３０％スラリー液中に浸し、超音波振動を与えた後、繊維束を引き上げて乾燥した。その後、該繊維束を鉄製容器（内のり１５０×２０）の中に入れてアルゴン中にて７５０℃に保持した。一方で８００℃に保持されたＡ５００５合金溶湯を準備した。予め２５０℃に加熱された金型（1）に該繊維束成形体を鉄製容器に入れた容器とともに配置しＡ５００５合金溶湯（5）を注ぎ、パンチ（2）を介してプランジャー（3）で圧力７０Ｍｐａになるように加圧し、凝固した後、鋳造物を取り出した。その後、繊維強化複合材料の部分を切り出し鉄製容器も切削除去した後に大気中６００℃で２４時間保持した。この結果、マトリックスはＴｉ−Ａｌ金属間化合物となり所期の繊維強化Ｔｉ−Ａｌ複合材料を完成させた。
【００２４】
得られた複合材料を引張試験、熱膨張試験、高温１０００℃での引張試験を行った所、引張強度は８５ＭPａ、熱膨張率は４.５ｐｐｍ／Ｋ、１０００℃、１０００時間の引張強度は７９ＭPａであった。又、比重測定の結果３.３であった。
【実施例２】
【００２５】
平均繊維径７μｍのアルミナ繊維（Ａｌ2Ｏ3８０％ＳｉＯ2２０％組成）の３０００本／束のもの１０００束を長さ２００ｍｍに切り揃えて両端を結束して粒径０.８μｍの金属チタン粒子が懸濁しているスラリー中に入れ、結束している端末部分を切り離して長さ１５０ｍｍのチタン粒子浸漬アルミナ繊維束をφ２０ｍｍになるようにした。その後の工程は実施例１と同じくしてφ２０ｍｍの繊維強化Ｔｉ−Ａｌ複合材料を得た。
【００２６】
得られた複合材料の比重は３.５であり、マトリックス部分が溶解を開始する温度は１３６０℃であった。
【００２７】
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【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明による繊維強化Ｔｉ−Ａｌ複合材料は軽量で耐熱性、高温の強度が優れ、かつ熱膨張も小さいく寸法安定性にも優れているので、例えば、ジェットエンジンや火力発電などのタービンに供される羽根などに好適である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の溶湯鍛造装置の一例を示す概略断面説明図。
【符号の説明】
【００３０】
１  金型
２  押し子
３  プレス機
４  成形体
５  溶融金属
【図１】
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