［研究報告］

ＭＡ法を用いたセラミックス分散TiAl基複合材料の作製
鎌田公一 、吉田敏裕＊＊＊

メカニカルアロイング法を用い、SiC、SiNおよびAlOのいずれかを分散材としたセラミック
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2 3
ス分散TiAl基複合材料の作製について検討した。いずれの分散材の場合も、ミリング時間180ks以上でセラミックス相／非晶質相複合組織粉末が合成された。これら粉末を、熱間等方圧加圧法（HIP）により焼結したところ、SiCおよびSiNはTiあるいはAlと反応し、いずれも分解した。そ3 4れに対し、AlO
2 3はマトリックスと反応しにくく、A l2O3分散TiAl複合組織が得られた。その材料の高温硬さはTiAl単相材料に比べ優れていた。
キーワード：メカニカルアロイング、TiAl、複合材料、セラミックス

Preparation of TiAl-based Composites with Dispersed
Ceramics using Mechanical Alloying Method
KAMADA Koichi, YOSHIDA Toshihiro
The preparation of TiAl-based composites with dispersed ceramics (SiC, S i3 N4 , A l2 O3)using mechanical alloying method is studied. All mixed powders is made a formation ofceramics / amorphous complex when the milling time was 180ks over. SiC and S i3 N4particles react with Ti or Al and decomposed during sintering with HIP process. The
reactibity of A l2O3 particle for Ti and Al is lower in comparison with other ceramics andobtained the microstructure with A l2O 3 / TiAl composites. The herdness at elevatedtemperature of thematerialincludedinAlO
2 3 appearedtobesuperiortothatofthematerial
withTiAlsinglephase.
key words ：mechanical alloying, TiAl, composite, ceramics
１

緒造に適している。例えば、MA により Ti、 Al および黒言

次期耐熱材料として期待されている TiAl 金属間化合物は組成・組織制御による延性改善あるいは精密鋳造 1)、これを焼結固化することで TiC 分散 TiAl 基複合材6)など加工方法の開発により、自動車やジェ料が得られる 7)。また、著者らはこれまで MA によるットエンジン部品として応用されつつあるが、実用化をTiAl 金属間化合物粉末の合成過程およびこの焼結体のすすめる上で材料特性の面から、高温下における機械的高温物性について検討しており、MA における原料粉末特性のさらなる向上が求められている。そこで、その対の非晶質化が、焼結組織の均質化や高温物性の向上に有応策として、粉末冶金法あるいはこれとメカニカルアロ効である事を確認している 8)。

や恒温圧延2)

鉛粉末から TiC の生成と分散を同時に行うことができイング（ MA ）3 )法を用いた各種セラミックス粒子との本研究では、軽量で耐熱性に優れたセラミックス分散。 MA は異種粉末を高TiAl 基複合材料の製造技術を確立するため、Ti、Al 粉エネルギーのボールミルで超微細混合、化合させる方法

末に一般的な構造用セラミックスで金属系複合材料の分であり、金属間化合物やセラミックス分散複合材料の製散材として利用される炭化珪素（SiC）、窒化珪素（S i3 N4）複合化技術が検討されている4 )、 5)

＊

金属材料部

＊＊化学部（現：一関保健所）

岩手県工業技術センター研究報告第６号（１９９９）およびアルミナ（A l2 O3 ）の各分散相形成用粉末を混合し、MA により TiAl 基の複合粉末を合成し、これら合成粉末の性状とミリング条件との関係および HIP 9 )法による焼結組織について検討を行った。
２実験方法

主原料粉末として Ti 粉末（99.9%、-45 μ m）、Al 粉末（99.9%、-100 μ m）を、分散相形成用粉末として SiC粉末（0.6 μ m ）、S i3N4 粉末（-10 μ m）および A l2 O3粉末（0.05 μ m）を用いた。これらの粉末を所定量調合して混合粉末とした後ミリングに供した。ミリング容器は SUS304 製の内径 54mm ×深さ 40mm の円筒状、
水 冷 式 で あ る 。 こ の 中 に 調 合 粉 末 と 直 径 9.5mm のSUS304 製ボールを充填し、容器内部をアルゴンガス雰

図１

10vol%SiC混合粉末のミリング後の形状

図２

25vol%セラミックス混合粉末のX線回折パターン囲気に置換後、振動ボールミリングを行った。粉末の充填量は 3.5g、ボールの充填量は 215g（容器への最大充填量の 60%）、ミリングの振動周波数は 13.1Hz 一定とした。所定時間ミリング後、得られたミリング粉末について、X 線回折による組織の同定を行った。次に、回収した粉末を直径 12mm ×高さ 10mm に金型成形しガラスカプセルに脱気封入後、HIP 法により温度 1273K および 1473K、圧力 147MPa、保持時間 3.6ks で焼結した。各工程で得られた試料について X 線回折による組織の同定、SEM によるミクロ組織観察ならびに高温特性評価として高温微小ビッカース硬度計による硬さ測定を行った。
３３−１

実験結果及び考察
ミリング粉末の性状

図 １ に 10vol%SiC 混 合 粉 末 の ミ リ ン グ 時 間 90 ､180 ､ 360 および 720ks における SEM 像を示す。ミリング 90ks の粉末回収率は数%であった。これは混合粉（Cu‑Kα、ミリング時間：360ks）

末のほとんどがミル容器やボールにコーティングしためである。回収した粉末は粒径 30 〜 80µm 程度で角張った形状であった。また、ミリング時間が 180ks になると角がとれ粒径は 50µm 以下となるが、 360ks にかけては若干成長しており、さらに 720ks では再び小さくなっている。すなわち、SiC 混合粉末から合成される粉末はミリング時間の増加に伴い破砕と凝集を繰り返しながら緩やかに微細化、球状化すると考えられる。また、この合成粉末の形状及び組織の変化傾向は S i3 N4 混合粉末及び A l2 O3 混合粉末の場合でも同様であった。
図２に各セラミックス 25vol%混合粉末の 360ks ミリング粉末の X 線回折パターンを示す。いずれのセラミックスの場合も原料の Ti と Al の回折ピークはほぼ消滅しブロードなパターンとなっていることから、ミリング粉末はセラミックス相と Ti-Al 系非晶質相から成る複合組織となっているものと考える。
図３に 2vol%、10vol%および 25vol%SiN
34 粉末のミリング時間 360ks における SEM 像を示す。Si3 N4 量が

図３SiN混合ミリング粉末のSEM像
3 4（ミリング時間：360ks）

ＭＡ法を用いたセラミックス分散 TiAl 基複合材料の作製多くなる程合成粉末の粒径は小さくなる。ミリング時間形成しており、本研究で目標としている TiAl 基の複合360ks の各合成粉末を篩い分けし、粒径 45 μ m 以下の組織とはならないことがわかった。一方、A l2 O3 におい重量割合を調べた結果、いずれのセラミックス混合粉末ては TiAl と反応せず安定であり、目標の焼結組織を形もセラミックス量の増加に伴い微細粒が増える傾向にあ成できることが確認できた。図５は各セラミックス粉末った。このことはミリングにより微細化したセラミック25vol%混合ミリング粉末の HIP 焼結組織である。SiC

粒子の分散もしくは固溶強化の程度に起因すると考えらでは HIP 焼結にも拘わらず多数のボイドが認められる。

れる。また、合成粉末の常温硬度を測定したところ、セ

これは SiC 繊維と TiAl の複合化を検討した事例 1 0)におラミックス量が多い程、硬度が高くなり、延性低下によいて、接合界面に珪化物や炭化物の反応層が形成され、って微細化しやすい事がわかった。

同時にボイドの発生が報告されているものと同様の機構

以上より、Ti-Al-セラミックス混合粉末を MA すること考える。それに対し、S i3N4 および Al2 O3 では緻密なとにより、セラミックス相非晶質相複合組織の粉末を/焼結組織が得られる。しかし S i3 N4 の場合、図４に示し合成できることがわかった。さらに、非晶質粉末の焼結た X 線回折結果から T i5S i3 及び TiAl 3 からなる組織であ体は以前の検討で高い高温硬度を示したことから 8)、こり、これらは耐高温酸化性には優れるが引張強度等の低れら合成粉末は、耐熱材料用原料として有効であると推い脆い化合物であることから、実用には供せないと考え察する。

る。一方、分散相を A l2O 3 とした場合は A l2 O3 が微細か３−２焼結組織各セラミックス混合粉末を 360ks ミリングした粉末の HIP 焼結体の X 線回折パターンを図４に示す。その結果、S i3N4 混合の場合には TiSi/TiAl/AlN
533組織 、A l2 O3混合粉末の場合は一部 TlAl
3を含む AlO/TiAl
23組織、SiC 混合の場合はピークの帰属が困難で明解ではないが、TiSiC
32 および Al-Ti 系化合物相からなる組織と考えられる。原料に用いたセラミックスは焼結温度の1473K 以上でも使用される構造用材料であるが、 SiCおよび S i3N4 は Ti および Al と反応し複雑な焼結組織を

図５

各セラミックス混合HIP焼結体のミクロ組織（焼結温度：1473K）

図４25vol%セラミックス混合粉末のHIP焼結体X線回折パターン（Cu‑Kα、ミリング時間：360ks、焼結温度1473K）

図６

25vol%AlOおよび無添加の360ksミリング粉末の2 3HIP焼結体の高温雰囲気における硬さ変化

岩手県工業技術センター研究報告第６号（１９９９）

つ均一に分散しており、目的のセラミックス分散 TiAl

び Al との反応によりマトリックスとなる TiAl 相は形基複合材料が得られた。図６は 25vol%AlO23 および無成されない。一方、A l2 O3 混合粉末ではセラミックス /TiAl

添加の 360ks ミリング粉末の HIP 焼結体を、Ar 雰囲気複合組織の焼結体が作製でき、その高温硬度は TiAl 単中で温度 1273K-36ks で熱処理したときの高温硬度測定相組織に比べ高い値を示した。

結果である。測定温度域 873 〜 1173K において A l2 O3添加焼結体が無添加焼結体に比べ、60 〜 100Hv 高い値を示し、A l2 O3 分散による高温硬度改善効果が認められ謝辞

本研究の実施に関し、通産省工技院東北工業技術研究る。また、分散相の A l2 O3 は本実験で用いた他のセラミ所の橋本ックスに比べ熱膨張係数が比較的大きいことから、金属とに対し深謝致します。

等博士からご指導、ご助言いただきましたこ

系素材との界面に発生する熱応力も小さいと考えられる。以上のことから、分散相として A l2O3 を用い MA により均一分散させることで、セラミックス分散 TiAl 基複合材料が作製でき、さらにこの材料は MA により作文献

1) 松田謙治, 錦織貞郎, 中川幸也：軽金属, 4 4 , 601(1994).

製した TiAl 単相組織よりも優れた高温特性を示すこと

2) 橋本敬三：軽金属, 44 , 6 0 9(1 9 9 4).

がわかった。

3) 新宮秀夫：工業材料, 40 , 1 8( 1992.6).
4) 坂本

４結論

MA および HIP 法を用いたセラミックス分散 TiAl 基複合材料の作製を目的に、Ti、 Al 粉末に分散相形成のための各種セラミックス粉末（SiC、S i3N4 および A l2 O3）を混合し、その MA 後の粉末性状や焼結組織について比較検討し、以下の結論を得た。
(1)ミリング粉末の粒径は原料セラミックスの含有量と粒径およびミリング時間に依存する。一方、粉末組織は主としてミリング時間に依存しており、ミリング時間180ks 以上でセラミックス相と非晶質相の複合組織となる。
(2)SiC および S i3N4 混合粉末は HIP 焼結時に Ti およ昭：金属, 6 2 , 4 8( 1992. 4) .

5) J. M.PanchalandT.Vela：AdvancesinPowder
Metallurgy, Metal Powder Industries Federation,
3 3 , 59(1989).
6) 鎌田政智, 高木節雄, 徳永洋一：粉体および粉末冶
金, 3 9 ,830(1992).
7) 落合鍾一, 土肥義治, 小島 陽 , 村上 雄 , 宗宮重行：
粉体および粉末冶金, 4 1 , 170(1994).
8) 吉田敏裕, 鎌田公一：岩手県工業技術センター研究
報告, 1 , 6 1(1995).
9) 小泉光恵, 西原正夫：等方加圧技術（日刊工業新聞社）, 8 9(1988).
10) 坂本昭：金属, 6 2 , 4 8(1 9 9 5).