TiAl基合金の一方向凝固(DS)に関する基礎技術の拡張-DS基礎技術の大型複雑形状部材への応用とDS部材の特性-

2001 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13355027
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 山口 正治 京都大学, 工学研究科, 教授 (90029108)
• 研究分担者: 村上 敬 産業技術総合研究所, 機械システム研究部門, 研究員 ; 鉄井 利光 三菱重工業株式会社, 長崎研究所, 主任 ; 伊藤 和博 京都大学, 工学研究科, 助手 (60303856)
• キーワード: TiAl合金 / 一方向凝固 / 凝固条件 / 層状(ラメラ)組織 / 拘束変形 / 強度 / 延性

研究概要

TiAl基合金の最大の弱点は、常温延性の乏しさにある。しかし、TiAl基合金に特有のγ(TiAl)I相とα_2(Ti_3Al)相からなるラメラ組織の界面を荷重軸に平行に揃えれば、軸方向荷重に対して延性と強度を両立させることができる。このような組織制御を可能ならしめる一方向凝固(DS)プロセスとDSプロセスに適合するDS合金の開発をつづけ、DSプロセスに関する実験室レベルの技術をほぼ確立するに至った。本研究では、TiAl基合金のDS基礎技術を大型複雑形状部材へ拡張するため、大型のDS材の製作に必要なDS条件の解明とDS材を実環境で使用するとき問題となるDS材の強度特性に対する軸応力以外の応力成分の効果を解明することを試みた。
実験室レベルのTiAl基合金の一方向凝固では、ラメラ組織の制御を確実に行うため種結晶を用いるが、本研究では、種結晶を用いず、まず実用合金組成に近く初期凝固相がβ相であるTi-47Al-2W(at.%)合金について、さまざまな凝固条件下で一方向凝固を行い、30mm/h程度の凝固速度であれば、ラメラ組織方位を良好に制御できることを見出した。実用性を考えれば、30mm/h程度の凝固速度をさらに向上させる必要があるが、今後、固液界面の温度勾配を上げることによってこの問題を解決する予定である。
圧縮軸とラメラ組織方位をさまざまに変えた試験片に、試験片の側面を拘束することによって圧縮軸に垂直に応力をかけ、DS材の強度/延性におよぼす軸応力以外の応力成分の効果をしらべた。拘束の効果は予想以上に大きく、方位によっては降伏応力、破壊応力共に著しく上昇し、圧縮試験ではあるが3GPaに近い破壊応力を観測することもあった。現在、ラメラ間の変形適合を考えることによって軸応力以外の応力成分の効果を解析しつつある。軸応力以外の応力成分の効果がラメラ方位によって著しく変化することになれば、実用的なDS材のラメラ方位制御をより厳密に行わねばならないことになる。来年度、DS条件と共にこの問題をさらに追及するつもりである。

研究成果

• [文献書誌] Shinji Mutoh: "Directional solidification of TiAl-based alloys and properties of directionally solidified ingots"Adv. Eng. Matter.. 3(6). 391-394 (2001)
• [文献書誌] V.Paidar: "Plastic deformation of bicrystals crystals composed of Polysynthetically twinned TiAl"Acta Materialia. 49. 1009-1019 (2001)
• [文献書誌] V.Paidar: "Compatibility stress in bicrystals of Polysynthetica11y twinned TiAl"Mater. Sci. Eng. A. 319-321. 332-336 (2001)
• [文献書誌] H.A.Galderon: "Mechanical properties of nanostructured intermetallic alloys in the systems TiAl-X and Ti3Al-X"Structural Intermetallics 2001, TMS. 683-692 (2001)
• [文献書誌] M.Yamaguchi: "The state of intermetallics development and use in Japan-with particular emphasis on TiAl-base alloys and transition metal silicides"Structural Intermetallics 2001, TMS. 35-42 (2001)
• [文献書誌] Toshiyuki Morita: "Constraint deformation of TiAl PST crystals"The 4th Pacific Rim Int. Conf. on Advanced Materials and Processing (PRICM4), 2001, JIM. 907-210 (2001)
• [文献書誌] Yuji Omiya: "Creep deformation of directionally solidified TiAl-base alloys with aligned lamellar microstructures"The 4th Pacific Rim Int. Conf. on Advanced Materials and Processing (PRICM4), 2001, JIM. 915-918 (2001)
• [文献書誌] M.Yamaguchi: "Deformation and fracture of PST crystals and directionally solidified ingots of TiAl-base alloys"Materials Structure and micromechanics of fracture (MSMF-3), ASM International -Czech Chapter. 100-109 (2001)
• [文献書誌] In-Soo Jung: "Microstructural control by directional solidification of TiAl alloys solidifying through the b phase"Intermetallics. (to be published).