軽量耐熱L1_2型Al_3Ti基合金の開発とTiAl合金への耐酸化傾斜皮膜の作製

2000 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 12450285
• Research Institution: Osaka Prefecture University
• Principal Investigator: 間渕 博 大阪府立大学, 工学研究科, 助教授 (70109883)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 森井 賢二 大阪府立大学, 工学研究科, 教授 (10101198) ; 松井 利之 大阪府立大学, 工学研究科, 助手 (20219372) ; 津田 大 大阪府立大学, 工学研究科, 講師 (80217322)
• Keywords: 軽量耐熱材料 / チタンアルミナイド / 耐酸化特性 / 傾斜機能材料 / 結晶構造制御 / 粉末パックコーティング / L12型金属間化合物 / 延性改善

Research Abstract

宇宙・航空機用、自動車用あるいは高効率を目標とする各種エンジン用の新しい軽量耐熱構造用材料として要求されるものは第一に軽量性であり、さらに耐酸化性が求められる。現在、もっとも有力な候補材の一つにTi-Al系金属間化合物のTiAl合金(L1_0型、γ相)があり、すでに自動車用ターボチャージャーなどに実用化されつつある。しかし、この材料は耐酸化性が必ずしも十分でなく、耐酸化処理を施さなければ高温での使用は800℃が限界とされている。したがって、本格的な実用化を達成するためにはTiAl合金に耐酸化性の皮膜をコーティングするか、耐酸化性物質(部材)を接合するなどして使用することが必要かつ不可欠となる。一方、Ti-Al系金属間化合物の中には、きわめて優れた耐酸化性を有するAl_3Ti(正方晶、DO_<22>型)が存在する。この金属間化合物はTiAlよりさらに軽量であることから、次世代の軽量耐熱材料として期待され、TiAl合金に対する耐酸化性皮膜としても数多く研究されている.しかし、Al_3Tiは複雑な結晶構造であるためきわめて脆性的であり、このままでは軽量耐熱材料としても耐酸化性物質としても適用できる状況ではない。
そこで、申請者らは、Al_3Tiの複雑な結晶構造を、第三元素を添加する方法で単純な結晶構造(面心立方晶、L1_2型)に改変させて脆性を改善する研究を行った。この結果、Al_3TiにCrおよびMnを比較的多量(13〜16mol%)に添加したL1_2型Al_3Ti基合金は良好な組織と延性を示すことを見出した。さらに、Ti-Al-Cr系およびTi-Al-Mn系におけるTiAl合金(L1_0型)とL1_2型Al_3Ti基合金の間の相平衡関係(状態図)を作成して調べたところ、両相が互いに平衡相として存在できるだけでなく、きわめて類似した結晶構造と格子定数を有していることがわかった。それゆえ、L1_2型合金をTiAl合金に対する耐酸化性の傾斜化皮膜として使用できると考え、各種コーティング技術の開発研究を行うことにした。現在、申請者らが行った塩化アンモニウムなどの活性化剤をまったく使用せず、L1_2型Al_3Ti基合金の粉末のみをパック剤とする新しい粉末パック法によって、比較的良好な耐酸化性の傾斜化皮膜を作製できることが明らかになった。

Research Products

• [Publications] H.Mabuchi,A.Kakitsuji,H.Tsuda,T.Matsui and K.Morii: "Microstructure and Mechanical Properties of L1_2-(Al,Cr)_3Ti/Ti_2AlN Composites Produced by Reactive Arc-Melting."Scripta Materialia. 44(in press). (2001)
• [Publications] 間渕博,津田大,森井賢二: "Al-Ti-Cr系L1_2型規則構造合金の材料特性に及ぼす組成の影響"軽金属. 50. 99-104 (2000)
• [Publications] H.Mabuchi,H.Nagayama,H.Tsuda,T.Matsui and K.Morii: "Formation of Ternary L1_2 Intermetallic Compound and Phase Relation in the Al-Ti-Fe System."J.Mater.Trans.JIM. 41. 733-738 (2000)
• [Publications] H,Nagayama,H.Mabuchi,H.Tsuda,T.Matsui and K.Morii: "Microstructure and Mechanical Properties of L1_2-(Al,Cr)_3Ti/TiB_2+Ti_2AlN Composites Produced by Reactive Arc-Melting."J.Mater.Trans.JIM. 41. 1064-1067 (2000)
• [Publications] 間渕博,津田大,松井利之,森井賢二: "Al-Ti-Cr系L1_2型規則構造合金の材料特性に及ぼすV添加の影響"日本金属学会誌. 64. 1041-1047 (2000)
• [Publications] H.Mabuchi,T.Kawakami,H.Tsuda,T.Matsui and K.Morii: "Oxidation-Resistanct Coating for Gamma Titanium Aluminides by Pack Cementation."Scripta Materialia. 41. 571-577 (1999)