(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量百分率でＡｌ：31〜34％，Ｆｅ：1.5〜2.5％，Ｖ：1.5〜2.0％，Ｂ：0.07〜0.30％，Ｓｉ：0.03〜0.08％を含有し、残部がＴｉ及び不可避不純物から成ることを特徴とする、Ｆｅ，Ｖを含む精密鋳造用チタンアルミナイド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、軽量かつ耐熱材料として注目されている金属間化合物ＴｉＡｌ（チタンアルミナイド）に係り、特に、Ｆｅ，Ｖを含む精密鋳造用チタンアルミナイドに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＴｉＡｌは、その特徴ゆえに、航空機や自動車のエンジン用の回転部材などに有望とされているが、一方で、常温延性が著しく低く、また成形加工が難しいことなどから実用化されるには至っていない。
【０００３】
しかし、最近の研究開発の成果は、常温延性の改善、精密鋳造法による複雑形状部品の試作を可能とし、実用化への気運が高まっている。
【０００４】
ところで、高温での比強度（強度を密度で除した値）に優れているとはいえ、７００℃以上の高温では期待されていた程の耐酸化性を示さないことが判明し、種々の対策が提案されている。
【０００５】
緻密なＡｌ2Ｏ3の酸化被膜を形成するはずのＡｌを、30〜36（質量％）も含むＴｉＡｌの耐酸化性が、期待されたほどではない理由として、Ａｌ2Ｏ3の成長速度よりも、ＴｉＯ2の成長速度の方が大きいこと、ＴｉＡｌ中のＡｌの拡散速度が小さいことなどが挙げられる。
【０００６】
ＴｉＡｌの耐酸化性を向上させる手段としては、第三元素の添加、表面処理、あるいは低酸素分圧下での熱処理による予備酸化法などが提案されている。
【０００７】
このうち、第三元素を添加する方法について特願昭63-133124号では、第三元素として0.05〜5（質量％）のＷ，Ｓｉ，Ｎｂ，Ｍｏの添加が、粉末冶金法でのＴｉＡｌの創生と成形と共に提案され、特願昭61-256941号では、0.2〜1.0（質量％）Ｓｉの添加、特願平1-213702号では、0.1〜2.0（質量％）Ｓｉの添加が、Ｎｂ添加との相乗効果で、優れた耐酸化性を付与することが開示されている。
【０００８】
勿論、耐酸化性を改善する第三元素が常温延性に対して有害であれば、実用性を持たないことになるため、添加量の上限が決められたり、粒界強化などによる延性や強度向上に効果を有する元素との組み合わせ、複合添加が提案されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
一方、ＴｉＡｌの適用が期待されている航空機エンジン部品は、薄肉複雑形状であるため、ＴｉＡｌの精密鋳造による成形が鋭意試みられており、それぞれ0.05〜3.0（質量％）のＮｉ，Ｓｉを添加して延性向上、合金の融点降下を図ったり（特願昭62-236609号）、Ｆｅ，Ｖ，Ｂを複合添加して鋳造性を向上させる（特願平2-201373号）など、精密鋳造に適したＴｉＡｌも提案されている。
【００１０】
この先願に係る精密鋳造用チタンアルミナイドは、特に鋳造性、破壊靭性、延性における実用化の検討を進める努力によってなされたものである。
【００１１】
すなわち、Ａｌの質量百分率を31〜34％に設定して、常温延性及び常温での破壊靭性値を良好に維持し、鋳造性を損なっていない。また、Ｂの質量百分率を0.07〜0.30％に設定して、粒界を強化すると共に、ミクロ組織を安定にし、かつ疲労破壊の起点となり得るフレーク状チタンボライドの分散を阻止している。また、Ｆｅの質量百分率を1.5〜2.5％に設定して、湯流れ性，鋳造性，靭性を、Ｖの質量百分率を1.5〜2.0％に設定して、チタンボライドの微細均一分散性を図っている。
【００１２】
このように、先願に係る精密鋳造用チタンアルミナイドは、湯流れ性に優れており、また鋳放状態において、高強度及び比較的優れた延性を有している。また、薄肉複雑形状鋳物でも割れが生じにくく、該薄肉複雑形状の部品を高い良品歩留まりで作製することができる。さらに、高温での比強度において優れている。
【００１３】
しかしながら、この先願に係る精密鋳造用チタンアルミナイドは、後述する如く耐酸化特性に劣るという欠点を持っている。したがって、ジェットエンジンやタービンなどの軽量耐熱新素材として期待されながら、その耐酸化性が障害となっている点を解決することができれば、産業上極めて有用な精密鋳造用チタンアルミナイドを提供することができるものである。
【００１４】
図２に示すように、このＦｅ，Ｖを含まないＴｉＡｌ（図中の○，□，△印）は、Ｆｅ，Ｖを含むＴｉＡｌ（図中の黒塗りの菱形印）よりも、高温（８００℃，大気雰囲気）での酸化増量が大きい。また図３に示すように、繰り返し酸化（８００℃，大気雰囲気で１０Ｈｒ放置後、２Ｈｒ常温冷却を１サイクルとして繰り返し酸化）という条件では、Ｆｅ，Ｖを含まないＴｉＡｌ（図中の○，△印）は、酸化後の重量が増しているのに対して、Ｆｅ，Ｖを含むＴｉＡｌ（図中の■，黒塗りの菱形，▲印）は、酸化スケールの剥離が生じ、酸化後の重量は減っている。
【００１５】
図４は、Ｖの添加量を0,0.5,1.5（質量％）と変化させて酸化増量の変化を実験（８００℃，大気雰囲気）したものである。この実験の結果、図４に示すように、Ｖを添加していないＴｉＡｌに比べて、Ｖを添加したＴｉＡｌの酸化増量が大きい原因には、Ｖが関与しており、Ｖの添加量が増すにつれて、酸化後の重量が増している。このＶに換えて、例えばＮｂを等量添加すれば、酸化増量は他のＴｉＡｌと同等になることが確認されている。また、他のＴｉＡｌに比べて、酸化スケールが剥離しやすい原因には、図５に示すように、Ｆｅが濃縮された層が形成されることによっている。
【００１６】
図５に示すように、Ｔｉ，Ａｌ，Ｆｅ，Ｖから成るＴｉＡｌの表面には、Ｔｉ，Ａｌ，Ｖ，Ｏの酸化スケールが、Ｆｅ，Ａｌ，Ｏから成るＦｅの濃縮層を介して、層状に積み重なっている。高温酸化に特に弱いＦｅの濃縮層は、高温状態においては、ＴｉＡｌとの接合が弱まり、酸化スケールの剥離が生じるものと思われる。
【００１７】
本発明の目的は、Ｆｅ，Ｖ，Ｂが複合添加された良好な鋳造性を有するチタンアルミナイドの、その特性を損なうことなく、高温での耐酸化性を改善し、実用に供し得るＦｅ，Ｖを含む精密鋳造用チタンアルミナイドを提供するものである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の目的を達成するため、質量百分率でＡｌ：31〜34％，Ｆｅ：1.5〜2.5％，Ｖ：1.5〜2.0％，Ｂ：0.07〜0.30％，Ｓｉ：0.03〜0.08％を含有し、残部がＴｉ及び不可避不純物から成るものである。
【００１９】
【作用】
上記の構成によれば、Ｆｅ，Ｖ，Ｂが複合添加されたチタンアルミナイドにＳｉを添加することで、鋳造性に優れているという特性を損なうことなく、高温での耐酸化性を改善できる。
【００２０】
本発明に係る、Ｆｅ，Ｖを含む精密鋳造用チタンアルミナイドの組成範囲の限定は、以下の理由による。
【００２１】
Ａｌが質量百分率で31％より少ない場合は、鋳造組織中のＴｉ3Ａｌの量が著しく増加し、かつＴｉ−Ｂ化合物が粗大化して鋳造割れが生じ易くなる。また同じく34％よりも多いと、Ｔｉ3Ａｌの生成量が少なく、熱処理によっても適正な（Ｔｉ3Ａｌ＋ＴｉＡｌ）複合組織を得る事が出来ず、常温延性を付与する点で不都合である。
【００２２】
Ｂは質量百分率で0.07％よりも少ないと、粒界強化や鋳造組織微細化の作用がなく、同じく0.30％よりも多いと、ＴｉＡｌ合金の硬度が高くなる分、靭性を損なう。
【００２３】
Ｆｅは鋳造性を付与する重要な元素であり、質量百分率で1.5％よりも少ないと、湯流れ性が悪くなり、Ｔｉ−Ｂ化合物の粗大化をもたらす。同じく2.5％よりも多いと、ＴｉＡｌ合金の硬度が高くなり過ぎ、かつＴｉ−Ｂ化合物が凝集し、鋳造割れを生じ易くなる。Ｖは、耐酸化性を損なう元素ではあるが、Ｔｉ−Ｂ化合物を微細均一分散させるために不可欠の元素であり、ＡｌやＦｅが適正に添加されていても、Ｖが添加されていないとＴｉ−Ｂ化合物が微細均一分散した鋳造組織が得られない。Ｖが質量百分率で1.5％よりも少ないと、この作用も小さく、同じく2.0％よりも多いと、ＴｉＡｌ合金の硬度が高くなり、靭性を損なう。
【００２４】
次に、Ｓｉの添加量については、0.03（質量％）よりも少ないＳｉ添加では、耐酸化性向上効果は認められず、一方、0.08（質量％）よりも多いＳｉ添加では、Ｆｅ，Ｓｉ濃縮層の形成が認められ、酸化増量はＳｉ無添加の場合より少ないものの、酸化スケールの剥離性があることが推察され、事実、繰り返し酸化試験では、良好な結果は得られなかった。
【００２５】
0.03〜0.08（質量％）のＳｉ添加では、Ｔｉ5Ｓｉ3やＴｉ5Ｓｉ4などの化合物が生成することもなく、さらに鋳造凝固過程で、Ｓｉが偏在して低融点相を生成し、凝固割れを発生せしめるということもない。Ｓｉの添加はＳｉ単体のほか、Ｆｅ−Ｓｉ（フェロシリコン）などの母合金であってもよい。
【００２６】
【実施例】
以下、本発明に係る、Ｆｅ，Ｖを含む精密鋳造用チタンアルミナイドの好適一実施例を詳述する。
【００２７】
本発明者等は、先願特許などで提案されている、γＴｉＡｌ基合金の耐酸化性向上に有効であるとされる添加元素と、その望ましいとされる添加量を参考にして、Ｔｉ-32Ａｌ-1.9Ｆｅ-1.3Ｖ-0.11Ｂ（質量％）を母材とし、これに各種元素（Ｈｆ，Ｗ，Ｒｅ，Ｙ，Ｚｒ，Ｓｉ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｃｒ，Ｍｇ）を0.5（質量％）加えた試験材を溶製して、酸化試験を実施した。
【００２８】
表１は、その結果の一例である。
【００２９】
【表１】
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【００３０】
表１は、各種元素（Ｈｆ，Ｗ，Ｒｅ，Ｙ，Ｚｒ，Ｓｉ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｃｒ，Ｍｇ）を加えた試料の酸化増量（ｍｇ／ｃｍ2）を示し、同時にビッカース硬度（荷重５ｋｇ）も併記している。
【００３１】
表１において、Ｈｆ，Ｗ，Ｒｅ，Ｚｒを含むＴｉＡｌは、母材の酸化増量である７．６２（ｍｇ／ｃｍ2）より、酸化特性が劣るか、もしくは同等という結果となった。
【００３２】
耐酸化性についてみれば、Ｎｂ，Ｍｏ，Ｍｇを含むＴｉＡｌは、酸化特性は改善できるが、ビッカース硬度（Ｈｖ）が３００以上となり、靭性を損なう。本発明者等の従前の経験で、硬度上昇をもたらすこれらの添加元素は、常温延性を損なう作用を有することが判っており、たとえ酸化特性は改善できたとしても実用には供し得ない。
【００３３】
次に、ビッカース硬度（Ｈｖ）が３００以下で、酸化増量の比較的少ないＳｉ，Ｃｒについて、添加量を大幅に変えた実験を行い、同時に硬度のみが一番低いＹについても併せて実験を行ったが、Ｓｉだけが0.03〜0.08（質量％）の範囲の添加で、８００℃，５０Ｈｒの酸化試験後の増量が、図１に示すように、1.30〜3.60（ｍｇ／ｃｍ2）の範囲となり、著しい耐酸化性向上効果を示すことを見い出した。
【００３４】
酸化試験後の試料断面のＸ線マイクロアナライザーによる観察では、0.03〜0.08（質量％）のＳｉを添加した場合には、図５に示した様なＦｅの濃縮層は認められなかった。
【００３５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明に係る、Ｆｅ，Ｖを含む精密鋳造用チタンアルミナイドは、次のような優れた効果を有している。
【００３６】
（１）Ｓｉを添加することで、Ｆｅ，Ｖを含む優れた鋳造性を有するチタンアルミナイドの特性を損なうこと無く、酸化スケールの剥離を阻止し、高温での耐酸化性を改善できる。
【００３７】
（２）Ｓｉ添加による改善方法は、ＳｉをＳｉ単体もしくはＦｅ−Ｓｉなどの形で、0.03〜0.08（質量％）添加するものであり、耐酸化コーティングなどの表面処理法に比べてコストの点で有利である。
【００３８】
（３）Ｓｉ添加量が0.03〜0.08（質量％）の範囲内であれば、鋳造割れを惹起させたり、靭性を損なうなどの悪い副作用がない。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、本発明におけるＦｅ，Ｖを含む精密鋳造用チタンアルミナイドの、Ｓｉ添加量と酸化増量の相関図である。
【図２】  図２は、各種チタンアルミナイドの、高温酸化による重量増加の関係を示す図である。
【図３】  図３は、各種チタンアルミナイドの、繰り返し酸化における重量変化を示す図である。
【図４】  図４は、Ｆｅ，Ｖを含む精密鋳造用チタンアルミナイドの、酸化挙動に及ぼすＶの影響を示す図である。
【図５】  図５は、Ｆｅ，Ｖを含む精密鋳造用チタンアルミナイドの、酸化試験後の試料断面の模式図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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