特開 2024-126297 ＴｉＡｌ基合金およびその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024126297

(43)【公開日】2024-09-20

(54)【発明の名称】ＴｉＡｌ基合金およびその製造方法

(51)【国際特許分類】

   C22C 14/00 20060101AFI20240912BHJP

   C22C 30/00 20060101ALI20240912BHJP

   C22F 1/18 20060101ALI20240912BHJP

   C22F 1/00 20060101ALN20240912BHJP

【ＦＩ】

C22C14/00 Z

C22C30/00

C22F1/18 H

C22F1/00 650A

C22F1/00 601

C22F1/00 630A

C22F1/00 630K

C22F1/00 651B

C22F1/00 631A

C22F1/00 682

C22F1/00 691B

C22F1/00 691C

C22F1/00 692A

C22F1/00 692Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023034587

(22)【出願日】2023-03-07

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和４年度 国立研究開発法人科学技術振興機構 戦略イノベーション創造プログラム（ＳＩＰ第２期）統合型材料開発システムによるマテリアル革命（研究開発課題：高性能ＴｉＡｌ基合金動翼の粉末造形プロセス開発と基盤技術構築）委託研究 産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】514275772

【氏名又は名称】三菱重工航空エンジン株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】304021417

【氏名又は名称】国立大学法人東京工業大学

(71)【出願人】

【識別番号】591163960

【氏名又は名称】大阪冶金興業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100112737

【弁理士】

【氏名又は名称】藤田 考晴

(74)【代理人】

【識別番号】100136168

【弁理士】

【氏名又は名称】川上 美紀

(74)【代理人】

【識別番号】100172524

【弁理士】

【氏名又は名称】長田 大輔

(72)【発明者】

【氏名】蘇武 信太郎

(72)【発明者】

【氏名】新藤 健太郎

(72)【発明者】

【氏名】福島 明

(72)【発明者】

【氏名】竹山 雅夫

(72)【発明者】

【氏名】中島 広豊

(72)【発明者】

【氏名】山形 遼介

(72)【発明者】

【氏名】花見 和樹

(72)【発明者】

【氏名】土井 研児

(72)【発明者】

【氏名】岩佐 康弘

(57)【要約】

【課題】所望の強度，延性およびクリープ特性を兼ね備えたＴｉＡｌ基合金およびその製造方法を提供する。
【解決手段】本開示に係るＴｉＡｌ基合金は、原子％で、Ａｌ：４５～４９％、β安定化元素：３～１１％、Ｎｉ：≦１．０％、Ｃ：≦０．６％、Ｓｉ：≦０．５％、Ｏ：≦１．５％を含有し、残部がＴｉおよび不可避的不純物からなり、β安定化元素は、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｖ、ＭｎおよびＭｏのいずれか、または、それらの組み合わせであり、金属組織がα_２／γラメラ粒と、α_２／γラメラ粒界に析出されたセル状組織または二次層状組織とを含み、セル状組織は、（β／γ）セル状組織または（α_２／γ／β）セル状組織であり、二次層状組織は、上記α_２／γラメラ粒よりも粒径が小さなα_２／γラメラ粒であり、セル状組織または二次層状組織の体積率が、１体積％以上５０体積％以下である。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

原子％で、Ａｌ：４５～４９％、β安定化元素：３～１１％、Ｎｉ：≦１．０％、Ｃ：≦０．６％、Ｓｉ：≦０．５％、Ｏ：≦１．５％を含有し、残部がＴｉおよび不可避的不純物からなり、
前記β安定化元素は、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｖ、ＭｎおよびＭｏのいずれか、または、それらの組み合わせであり、
金属組織がα_２／γラメラ粒と、α_２／γラメラ粒界に析出されたセル状組織または二次層状組織とを含み、
前記セル状組織は、（β／γ）セル状組織または（α_２／γ／β）セル状組織であり、
前記二次層状組織は、前記α_２／γラメラ粒よりも粒径が小さなα_２／γラメラ粒であり、
前記セル状組織または二次層状組織の体積率が、１体積％以上５０体積％以下であるＴｉＡｌ基合金。

【請求項2】

前記金属組織が、その他構成相を含み、
前記その他構成相が、塊状γ相を含み、
前記その他構成相の体積率が、３０体積％以下である請求項１に記載のＴｉＡｌ基合金。

【請求項3】

原子％で、Ａｌ：４５～４９％、β安定化元素：３～１１％、Ｎｉ：≦１．０％、Ｃ：≦０．６％、Ｓｉ：≦０．５％、Ｏ：≦１．５％を含有し、残部がＴｉおよび不可避的不純物からなり、前記β安定化元素がＣｒ、Ｎｂ、Ｖ、ＭｎおよびＭｏのいずれか、または、それらの組み合わせであるＴｉＡｌ基合金を（α＋γ）二相域、α単相域、（β＋α）二相域または（β＋α＋γ）三相域にある第１温度で所定時間保持した後、空冷以上の冷却速度で急冷し、前記急冷した前記ＴｉＡｌ基合金を、（β＋γ）二相域、（β＋α_２＋γ）三相域または（α_２＋γ）二相域にある第２温度で所定時間保持して、α_２／γラメラ粒と、α_２／γラメラ粒界に析出されたセル状組織または二次層状組織とを含む金属組織を形成し、
前記セル状組織は、（β／γ）セル状組織または（α_２／γ／β）セル状組織であり、
前記二次層状組織は、前記α_２／γラメラ粒よりも微細なα_２／γラメラ粒であり、
前記セル状組織または二次層状組織の体積率が１体積％以上５０体積％以下となるように前記第２温度および第２温度保持時間を制御するＴｉＡｌ基合金の製造方法。

【請求項4】

前記金属組織が、その他構成相を含み、
前記その他構成相が、塊状γ相を含み、
前記その他構成相の体積率が３０体積％以下となるように前記第１温度、前記第１温度の保持時間および前記冷却速度を制御する請求項３に記載のＴｉＡｌ基合金の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、ＴｉＡｌ基合金およびその製造方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

ＴｉＡｌ基合金は、Ｔｉ（チタン）とＡｌ（アルミニウム）と、が結合して構成される合金（金属間化合物）である（特許文献１参照）。ＴｉＡｌ基合金は、軽量かつ高温での強度が高いため、エンジンや航空宇宙機器の高温用構造材などへ適用されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】欧州特許出願公開第２８５１４４５号明細書

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】Ｙ－Ｗ．Ｋｉｍ：Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ａ１９２／１９３（１９９５） ５１９－５３３

【非特許文献2】Ｙ－Ｗ．Ｋｉｍ ａｎｄ Ｓ－Ｌ．Ｋｉｍ：Ｉｎｔｅｒｍｅｔａｌｌｉｃｓ ５３ （２０１４） ９２－１０１

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

旧α粒径の微細化または旧α粒界へのγ相または／およびβ相の析出などにより、ＴｉＡｌ基合金の高強度化および高延性化を達成できることが広く知られている（非特許文献１参照）。
一方、粒界γ相を析出させたＤｕｐｌｅｘ型のＴｉＡｌ基合金は、γ相が析出されていないフルラメラ組織のＴｉＡｌ基合金に比べてクリープ特性が顕著に低い（非特許文献２参照）。

【0006】

強度，延性およびクリープ特性は、ＴｉＡｌ基合金の実用上重要な特性であり、これらを同時に改善することが望まれている。しかしながら、非特許文献２に記載されているように、所望の強度，延性およびクリープ特性を兼ね備えたＴｉＡｌ基合金を得ることは難しく、現状、いずれかの特性を犠牲にした形のＴｉＡｌ基合金を使用せざるを得ないという問題がある。

【0007】

本開示は、このような事情に鑑みてなされたものであって、所望の強度，延性およびクリープ特性を兼ね備えたＴｉＡｌ基合金およびその製造方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記課題を解決するために、本開示のＴｉＡｌ基合金およびその製造方法は以下の手段を採用する。

【0009】

本開示の第１態様は、原子％で、Ａｌ：４５～４９％、β安定化元素：３～１１％、Ｎｉ：≦１．０％、Ｃ：≦０．６％、Ｓｉ：≦０．５％、Ｏ：≦１．５％を含有し、残部がＴｉおよび不可避的不純物からなり、前記β安定化元素は、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｖ、ＭｎおよびＭｏのいずれか、または、それらの組み合わせであり、金属組織がα_２／γラメラ粒と、α_２／γラメラ粒界に析出されたセル状組織または二次層状組織とを含み、前記セル状組織は、（β／γ）セル状組織または（α_２／γ／β）セル状組織であり、前記二次層状組織は、前記α_２／γラメラ粒よりも粒径が小さなα_２／γラメラ粒であり、前記セル状組織または二次層状組織の体積率が、１体積％以上５０体積％以下であるＴｉＡｌ基合金を提供する。

【0010】

本開示の第２態様は、原子％で、Ａｌ：４５～４９％、β安定化元素：３～１１％、Ｎｉ：≦１．０％、Ｃ：≦０．６％、Ｓｉ：≦０．５％、Ｏ：≦１．５％を含有し、残部がＴｉおよび不可避的不純物からなり、前記β安定化元素がＣｒ、Ｎｂ、Ｖ、ＭｎおよびＭｏのいずれか、または、それらの組み合わせであるＴｉＡｌ基合金を（α＋γ）二相域、α単相域、（β＋α）二相域または（β＋α＋γ）三相域にある第１温度で所定時間保持した後、空冷以上の冷却速度で急冷し、前記急冷した前記ＴｉＡｌ基合金を、（β＋γ）二相域、（β＋α_２＋γ）三相域または（α_２＋γ）二相域にある第２温度で所定時間保持して、α_２／γラメラ粒と、α_２／γラメラ粒界に析出されたセル状組織または二次層状組織とを含む金属組織を形成し、前記セル状組織は、（β／γ）セル状組織または（α_２／γ／β）セル状組織であり、前記二次層状組織は、前記α_２／γラメラ粒よりも粒径が小さなα_２／γラメラ粒であり、前記セル状組織または二次層状組織の体積率が１体積％以上５０体積％以下となるように前記第２温度および第２温度の保持時間を制御するＴｉＡｌ基合金の製造方法を提供する。

【発明の効果】

【0011】

本開示によれば、セル状組織または二次層状組織の体積率を制御することで、所望の強度，延性およびクリープ特性を兼ね備えたＴｉＡｌ基合金を得られる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】β安定化元素を添加したＴｉＡｌ基合金（Ａｌ：４７原子％）の状態図である。

【図2】Ｔｉ－４７Ａｌ－５Ｎｂ－３Ｃｒ［原子％］の組織写真を示す図である。

【図3】図２とは別の態様で熱処理したＴｉ－４６Ａｌ－５Ｎｂ－１Ｃｒ［原子％］の組織写真を示す図である。

【図4】セル状組織の体積率と、引張特性およびラプチャー時間との関係を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下に、本開示に係るＴｉＡｌ基合金およびその製造方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。

【0014】

本実施形態に係るＴｉＡｌ基合金およびその製造方法は、航空エンジンの低圧タービン（ＬＰＴ）動翼および高圧コンプレッサー（ＨＰＣ）動翼、あるいはターボチャージャーのタービンホイールなどに適用されうる。

【0015】

＜ＴｉＡｌ基合金＞
ＴｉＡｌ基合金は、鋳造法、鍛造法および粉末冶金法などで製造された部材であってよい。粉末冶金法は、積層造形（ＡＭ）、金属粉末射出成形（ＭＩＭ）および放電プラズマ焼結法（ＳＰＳ）であってよい。ＭＩＭにより製造されたＴｉＡｌ基合金は、他の方法に比べて酸素（Ｏ）を多く含む。

【0016】

ＴｉＡｌ基合金は、ＴｉとＡｌとの金属間化合物で構成されている合金である。ＴｉＡｌ基合金は、ＴｉとＡｌを主成分とする。「主成分」とは、多量に含まれる成分である。

【0017】

ＴｉＡｌ基合金は、原子％で、Ａｌ：４５～４９％、β安定化元素：３～１１％、Ｎｉ：≦１．０％、Ｃ：≦０．６％、Ｓｉ：≦０．５％、Ｏ：≦１．５％、を含み、残部がＴｉおよび不可避的不純物からなる。

【0018】

Ａｌの含有量は、４５原子％以上４９原子％以下、好ましくは４６原子％以上４８原子％以下である。Ａｌの含有量が４５原子％よりも低いと、高温における強度向上に効果的なβ相を含むセル状組織を形成しやすくなり、高温強度を向上できるが、逆に、旧β粒の残留およびセル状組織内のβ相量が多くなりやすく、高いクリープ特性を兼ね備えることが難しくなる。Ａｌの含有量が４９原子％よりも高いと、γ単相域が高温まで安定的な平衡相となるため、α_２／γラメラ粒界にセル状組織または二次層状組織を析出させることが難しくなる。

【0019】

β安定化元素は、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｖ、ＭｎおよびＭｏのいずれか、または、それらの組み合わせである。β安定化元素の含有量は、３原子％以上１１原子％以下、好ましく４原子％以上１０原子％である。β安定化元素の含有量が３原子％よりも低いと、（β＋α）二相域の温度が高温側にシフトし、温度範囲も極端に狭くなるため、鍛造性および焼結性などの製造性が悪化する。β安定化元素の含有量が１１原子％よりも高いと、α_２／γラメラ組織の熱安定性が低下してしまうため、高いクリープ特性を得ることが難しくなる。

【0020】

β安定化元素の含有量と比較しＡｌの含有量が狭い範囲となっているのは、Ａｌ含有量の変動の方がＴｉＡｌ基合金における相変態に大きく影響するためである。

【0021】

Ｎｉの含有量は、１．０原子％以下である。Ｎｉは、粉末冶金法、特にＭＩＭおよびＳＰＳのような焼結工程を含む場合、焼結を促進する焼結助剤として使用され、ＴｉＡｌ基合金焼結体の焼結密度を向上できる。Ｎｉはβ安定化元素としても作用するが、上記範囲の含有量のＮｉは、ＴｉＡｌ基合金における相変態にはＡｌの含有量ほど大きくは影響しない。

【0022】

Ｏの含有量は、１．５原子％以下である。ＴｉＡｌ基合金に含まれるＯは、主にＴｉＡｌ基合金の原材料または製造条件に由来する。Ｏはα安定化元素として作用するため、Ｏの含有量が増えると、α単相域、（α＋γ）二相域、および（α_２＋γ）二相域がよりβ安定化元素含有量が高い側へ拡大する。Ｏの含有量が高すぎると、延性が低下する。

【0023】

Ｃの含有量は、０．６原子％以下である。Ｃは、ＴｉＡｌ基合金のクリープ特性を向上できる。Ｃはα安定化元素として作用するが、上記範囲の含有量のＣは、ＴｉＡｌ基合金における相変態にはＯの含有量ほど大きくは影響しない。

【0024】

Ｓｉの含有量は、０．５原子％である。Ｓｉは、ＴｉＡｌ基合金のクリープ特性を向上できる。上記範囲の含有量のＳｉは、ＴｉＡｌ基合金における相変態にはＡｌの含有量ほど大きくは影響しない。

【0025】

不可避的不純物は、Ｈ、ＮおよびＦｅなどである。
本実施形態に係るＴｉＡｌ基合金の製造方法では、熱処理における適正な第１温度を選定することで結晶粒径の制御が可能なため、結晶粒微細化に効果的なＢの含有は必須としない。

【0026】

上記ＴｉＡｌ基合金の組成を重量換算すると以下の通りである。
Ａｌの含有量は、２７．６重量％以上３５．８重量％以下である。

【0027】

β安定化元素の含有量は、３．９重量％以上２５．１重量％以下である。β安定化元素がＣｒ単独の場合、Ｃｒ含有量は４．０～１５．４重量％である。β安定化元素がＮｂ単独の場合、Ｎｂ含有量は６．９～２４．５重量％である。β安定化元素がＶ単独の場合、Ｖ含有量は３．９～１５．１重量％である。β安定化元素がＭｎ単独の場合、Ｍｎ含有量は４．２～１６．１重量％である。β安定化元素がＭｏ単独の場合、Ｍｏ含有量は７．１～２５．１重量％である。

【0028】

Ｎｉの含有量は、１．５８重量％以下である。Ｃの含有量は、０．２０重量％以下である。Ｓｉの含有量は、０．３８重量％以下である。Ｏの含有量は、０．６５重量％以下である。

【0029】

ＴｉＡｌ基合金の金属組織は、ラメラ組織と、セル状組織または二次層状組織と含む。ＴｉＡｌ基合金におけるセル状組織または二次層状組織の体積率は、１体積％以上５０体積％以下である。

【0030】

金属組織の構成は上記に限定されず、α_２／γラメラ粒とセル状組織または二次層状組織の他、塊状γ相などのその他構成相を含んでいてもよい。その他構成相の体積率は３０体積％以下であることが好ましい。

【0031】

ラメラ組織は、α_２相とγ相とが層状に規則的に積層されたラメラ粒である。

【0032】

セル状組織は、β／γセル状組織またはα_２／γ／βセル状組織である。
セル状組織は、不連続析出反応によって生じるβ相およびγ相、またはα_２相、γ相およびβ相の微細混合組織（セル）の集合体である。１個のセルのセル径は１～２５μｍと非常に微細な組織であり、複数のセルが連続的に集合した状態で存在することが特徴である。セル境界にβ相が点在する形態で存在する場合もある。

【0033】

その他構成相として区別した塊状γ相はγ相主体であるものの、室温までの冷却過程でβ相およびγ相の混合組織となりうるが、セル径１～２５μｍのセルから構成される連続的集合体のような組織形態とはならないことが、上記セル状組織との相違点である。

【0034】

二次層状組織は、上記ラメラ組織（α_２／γラメラ粒）の粒界に析出した、該ラメラ組織よりも粒径が小さなα_２／γラメラ粒の集合体である。

【0035】

本実施形態に係るＴｉＡｌ基合金の場合、二次層状組織析出前のラメラ組織（α_２／γラメラ粒）のγ相割合に関わらず、二次層状組織はγ相主体のα_２／γラメラ粒の集合体となるため、同じ相構成のα_２／γラメラ粒であっても明瞭に識別可能である。

【0036】

＜製造方法＞
上記ＴｉＡｌ基合金を製造する方法について説明する。
本実施形態に係るＴｉＡｌ基合金の製造方法は、鋳造法，鍛造法および粉末冶金法などで製造されたＴｉＡｌ基合金を熱処理する工程を含む。熱処理は２段階で実施する。

【0037】

（第１熱処理）
１段階目の熱処理では、ＴｉＡｌ基合金を加熱して第１温度まで昇温させた後、該第１温度で所定時間保持する。加熱時のＴｉＡｌ基合金の昇温速度は任意である。所定時間保持後、ＴｉＡｌ基合金を急冷し、少なくとも、後述する第２温度以下まで降温させる。

【0038】

第１温度は、ＴｉＡｌ基合金が（α＋γ）二相域、α単相域、（β＋α）二相域、または（β＋α＋γ）三相域に保持される温度である。第１温度を（α＋γ）二相域、（β＋α）二相域、または（β＋α＋γ）三相域の温度にする場合、（α＋γ）二相域、（β＋α）二相域、または（β＋α＋γ）三相域の中でもα単相域に近い温度を選択することが好ましい。「近い」とは、平衡状態図、等温断面図から、てこの原理を用いて算出可能なα相分率が７０％以上となる温度域である。

【0039】

例えば、第１温度は、１２００℃以上１５００℃以下、好ましくは１２５０℃以上１４５０℃以下である。

【0040】

例えば、第１温度の保持時間は、１分以上１６時間以下、好ましくは３０分以上８時間以下である。

【0041】

「急冷」とは、空冷以上の冷却速度で降温させることを意味する。急冷時の具体的な冷却速度は、第１温度から１０００℃までの平均冷却速度で、３０℃／分以上８００℃／分以下、好ましくは１００℃／分以上４００℃／分以下である。急冷は、例えば、不活性ガス（Ａｒ、Ｎ_２など）を用いたガスファン冷却で実施できる。熱処理する材料のサイズにより材料内部の冷却速度は変動するが、ガス流量調整により適正な冷却速度に制御することは可能である。

【0042】

（第２熱処理）
２段目の熱処理では、第１熱処理済みのＴｉＡｌ基合金を加熱して第２温度まで昇温させた後、該第２温度で所定時間保持する。加熱時のＴｉＡｌ基合金の昇温速度は任意である。所定時間保持後、ＴｉＡｌ基合金を冷却し、室温まで降温させる。冷却速度は任意である。

【0043】

第２温度は、ＴｉＡｌ基合金が（β＋γ）二相域、（β＋α_２＋γ）三相域または（α_２＋γ）二相域に保持される温度である。二次層状組織を形成したい場合、第２温度を（α_２＋γ）二相域、または（α_２＋γ）二相域に近い（β＋α_２＋γ）三相域の温度にする。セル状組織を形成したい場合は、第２温度を（β＋γ）二相域、または（β＋γ）二相域に近い（β＋α_２＋γ）三相域の温度にする。

【0044】

例えば、第２温度は、９００℃以上１２００℃以下、好ましくは９５０℃以上１１５０℃以下である。

【0045】

第２温度は、第１温度よりも１０℃以上低い温度とする。第２温度は、第１温度とは異なる相状態となる温度領域に存在する温度である。

【0046】

第２温度の保持時間は、セル状組織または二次層状組織の体積率が１体積％以上５０体積％以下となるように制御する。第２温度の保持時間を長くすると、セル状組織または二次層状組織の体積率を高くできる。

【0047】

セル状組織および二次層状組織は、γ相を主体とした微細構造を有する。このよう微細なセル状組織または二次層状組織を備えることで、強度、耐力および延性が向上する。一方、ラメラ組織は、クリープ特性が高い。セル状組織および二次層状組織は、粒界が変形することを防ぎクリープ特性を向上させることができるが、クリープ特性の主体はラメラ組織であるため、セル状組織または二次層状組織の体積率は高すぎない方がよい。

【0048】

セル状組織または二次層状組織の体積率が１体積％以上５０体積％以下となるように制御することで、所望の強度、延性およびクリープ特性を兼ね備えたＴｉＡｌ基合金を得られる。セル状組織または二次層状組織の体積率が１体積％以上５０体積％以下となるような保持時間は、予備試験等により取得できる。

【0049】

例えば、第２温度の保持時間は、１分以上２４０時間以下、好ましくは３０分以上４８時間以下である。

【0050】

第２熱処理は、第１熱処理の後、連続して実施されてもよいが、これに限定されず、時間を空けて第１熱処理とは別個に実施されてもよい。

【0051】

各相の変態温度域はＴｉＡｌ基合金の組成によって異なる。第１温度および第２温度としては、熱処理対象のＴｉＡｌ基合金の組成に応じた状態図に基づいて適した温度が選択される。

【0052】

次に、図を参照して、上記熱処理の作用効果について説明する。
（状態図）
図１に、β安定化元素を添加したＴｉＡｌ基合金（Ａｌ：４７原子％）の状態図を示す。同図において、横軸はＭ含有量（原子％）、縦軸は温度（Ｋ）である。β安定化元素（Ｍ）は、Ｎｂ（５原子％）およびＣｒ（３原子％）である。ＴｉＡｌ基合金のＯ含有量は、０．１３原子％である。

【0053】

図１によれば、β安定化元素（Ｍ）の含有量が増えると、より低い温度でもβ相を含む相構成となり得る。これは、β安定化元素を添加することで、β相が安定化して存在できるようになるからである。ＮｂおよびＣｒに替えて他のβ安定化元素を添加した場合にも、同様の傾向が示される。

【0054】

また、図１には示さないが、酸素の含有量の変化に応じて、各相の変態温度域はシフトする。

【0055】

β安定化元素および酸素の含有量に応じて、状態図の適正な範囲から第１温度および第２温度を選択して熱処理することで、セル状組織または二次層状組織を析出させられる。

【0056】

第１温度において、ＴｉＡｌ基合金は、（α＋γ）二相域、α単相域、（β＋α）二相域、または（β＋α＋γ）三相域に保持される。第１温度を（α＋γ）二相域、（β＋α）二相域、または（β＋α＋γ）三相域の温度にする場合、（α＋γ）二相域、（β＋α）二相域、または（β＋α＋γ）三相域の中でもα単相域に近い温度を選択することが好ましい。第１温度では、α相がＴｉＡｌ基合金の主な構成相となる。α相は冷却されるとα_２相とγ相が層状に積層されたα_２／γラメラ組織に変態する、または急冷時の冷却速度が速い場合、フェザリー組織に変態するが、第２熱処理において第２温度で保持されることで最終的にα_２／γラメラ組織に変態する。

【0057】

第１温度で所定時間保持した後、急冷することで、ＴｉＡｌ基合金中にγ生成能およびβ生成能の高い過飽和固溶体が形成される。

【0058】

第１熱処理後、第１温度よりも低温の第２温度で保持することで、旧α粒界（α_２／γラメラ粒界）からβ／γセル状組織またはα_２／γ／βセル状組織、あるいはα_２／γ二次層状組織が形成される。

【0059】

（組織写真）
図２に、Ｔｉ－４７Ａｌ－５Ｎｂ－３Ｃｒ［原子％］の組織写真を示す。ＴｉＡｌ基合金におけるＯ含有量は、０．８０原子％である。Ｔｉ－４７Ａｌ－５Ｎｂ－３Ｃｒ［原子％］は、１３００℃で第１熱処理し、４５０℃／分で急冷した後、１０００℃で第２熱処理したＴｉＡｌ基合金である。

【0060】

図２のＴｉＡｌ基合金では、α_２／γラメラ組織（ｌａｍｅｌｌａｒ）の粒界に微細構造のα_２／γ／βセル状組織（ｃｅｌｌｕｌａｒ）が析出していることを確認できる。
図１の状態図では、α安定化元素として作用するＯの添加量を考慮していないため、第２温度は（β＋γ）二相域である。セル状組織は平衡相であるため、Ｏの添加量を考慮すると、逆に、状態図が（β＋α_２＋γ）三相域であることが判明する。このように、Ｏのような通常状態図で考慮しない成分が含有した合金であっても、実験データにより状態図を補正して、正確な第１温度および第２温度を設定することが可能である。

【0061】

図３に、Ｔｉ－４６Ａｌ－５Ｎｂ－１Ｃｒ［原子％］の組織写真を示す。ＴｉＡｌ基合金におけるＯ含有量は、０．８８原子％である。Ｔｉ－４６Ａｌ－５Ｎｂ－１Ｃｒ［原子％］は、１３５０℃で第１熱処理し、４５０℃／分で急冷した後、１１００℃で第２熱処理したＴｉＡｌ基合金である。

【0062】

図３のＴｉＡｌ基合金では、α_２／γラメラ組織の粒界に微細構造のα_２／γ二次層状組織が析出していることを確認できる。
図１の状態図では、α安定化元素として作用するＯの添加量を考慮していないため、第２温度はγ単相域である。二次層状組織は平衡相であるため、Ｏの添加量を考慮すると、逆に、状態図が（α_２＋γ）二相域であることが判明する。このように、Ｏのような通常状態図で考慮しない成分が含有した合金であっても、実験データにより状態図を補正して、正確な第１温度および第２温度を設定することが可能である。

【0063】

（セル状組織体積率）
以下の合金を用い、セル状組織の体積率が引張特性およびクリープ特性に与える影響について検討した。
合金１：Ｔｉ－４６．０Ａｌ－５Ｎｂ－３Ｃｒ－０．２Ｃ－０．８０Ｏ［原子％］
合金２：Ｔｉ－４６．６Ａｌ－５Ｎｂ－３Ｃｒ－０．６Ｃ－０．８２Ｏ［原子％］
上記の合金組成は、原料の配合組成ではなく、第２熱処理後の化学分析値である。

【0064】

第１熱処理は、第１温度１３００℃、保持時間８時間、冷却速度４５０℃／分で実施した。室温まで冷却した後、別途第２熱処理を施した。第２熱処理は、第２温度１０００℃、保持時間１６時間、Ａｒガスファン冷却で実施した。セル状組織の体積率は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による複数の反射電子像（ＢＥＩ）において、セル状組織の占める面積率を画像分析法により定量化し、複数のＢＥＩから得られた平均面積率が体積率と等価であることから求めた。

【0065】

合金１，２について、引張試験を実施し、７５０℃における引張強度、０．２％耐力および破断伸びを測定した。また、クリープ破断試験を実施し、９００℃、１２０ＭＰａにおけるラプチャー時間を測定した。図４に、結果を示す。

【0066】

図４には、比較として、第１熱処理をせず第２熱処理のみ実施した合金１，２の引張特性およびラプチャー時間を記載した。合金１，２のいずれにおいても、セル状組織が析出することで、高温引張強度，０．２％耐力および破断伸びが向上した。また、セル状組織の析出により、ラプチャー時間の向上も確認された。

【0067】

同一条件の第１熱処理および第２熱処理を施した場合、Ａｌの含有量が低く、α安定化元素であるＣ，Ｏの含有量が低い合金１の方が、セル状組織の体積率は高くなった。また、クリープ特性向上に効果的なＣの含有量上限値を含む合金２においても、セル状組織が形成された。

【0068】

セル状組織は、セル状析出反応により形成される組織であり、Ｊｏｈｎｓｏｎ－Ｍｅｈｌ－Ａｖｒａｍｉ式に従い、第２温度の保持時間を長くするほど、セル状組織の析出反応が進展し、セル状組織の体積率が高くなる。また、セル状組織の成長速度は拡散係数に依存し、拡散係数は温度に依存することから、第２温度を高くするとセル状組織の析出反応が進展しやすいことは自明である。よって、第２熱処理の第２温度および保持時間によってセル状組織の体積率を制御できることも明らかである。

【0069】

本実施形態に係るＴｉＡｌ基合金の場合、二次層状組織は強化相であるα_２相を含む微細構造であり、γ相主体のα_２／γラメラ粒の集合体となるため、α_２／γ／βセル状組織と類似の役割を担うことが可能である。

【0070】

α_２相よりも更に効果的な強化相であるβ相を含むβ／γセル状組織およびα_２／γ／βセル状組織の方が高温引張強度および０．２％耐力を向上しやすい。そのため、強度および耐力向上の点ではβ／γセル状組織およびα_２／γ／βセル状組織に比べ二次層状組織の効果は劣る。しかしながら、逆に、クリープ特性に悪影響となりうるβ相を析出させないことから、セル状組織に比べ二次層状組織の方が、クリープ特性向上に対する効果が得られやすい。このため、効果的に向上できる特性に差異はあるものの、セル状組織または二次層状組織のいずれの析出であっても類似の役割を担うことが可能である。

【0071】

〈付記〉
以上説明した実施形態に記載のＴｉＡｌ基合金およびその製造方法は、例えば以下のように把握される。

【0072】

本開示の第１態様に係るＴｉＡｌ基合金は、原子％で、Ａｌ：４５～４９％、β安定化元素：３～１１％、Ｎｉ：≦１．０％、Ｃ：≦０．６％、Ｓｉ：≦０．５％、Ｏ：≦１．５％を含有し、残部がＴｉおよび不可避的不純物からなり、前記β安定化元素は、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｖ、ＭｎおよびＭｏのいずれか、または、それらの組み合わせであり、金属組織がα_２／γラメラ粒と、α_２／γラメラ粒界に析出されたセル状組織または二次層状組織とを含み、前記セル状組織は、（β／γ）セル状組織または（α_２／γ／β）セル状組織であり、前記二次層状組織は、前記α_２／γラメラ粒よりも粒径が小さなα_２／γラメラ粒であり、前記セル状組織または二次層状組織の体積率が、１体積％以上５０体積％以下である。

【0073】

上記第１態様において、前記金属組織が、その他構成相を含み、前記その他構成相が、塊状γ相を含み、前記その他構成相の体積率が、３０体積％以下であってよい。

【0074】

本開示の第２態様に係るＴｉＡｌ基合金の製造方法は、原子％で、Ａｌ：４５～４９％、β安定化元素：３～１１％、Ｎｉ：≦１．０％、Ｃ：≦０．６％、Ｓｉ：≦０．５％、Ｏ：≦１．５％を含有し、残部がＴｉおよび不可避的不純物からなり、前記β安定化元素がＣｒ、Ｎｂ、Ｖ、ＭｎおよびＭｏのいずれか、または、それらの組み合わせであるＴｉＡｌ基合金を（α＋γ）二相域、α単相域、（β＋α）二相域または（β＋α＋γ）三相域にある第１温度で所定時間保持した後、空冷以上の冷却速度で急冷し、前記急冷した前記ＴｉＡｌ基合金を、（β＋γ）二相域、（β＋α_２＋γ）三相域または（α_２＋γ）二相域にある第２温度で所定時間保持して、α_２／γラメラ粒と、α_２／γラメラ粒界に析出されたセル状組織または二次層状組織とを含む金属組織を形成し、前記セル状組織は、（β／γ）セル状組織または（α_２／γ／β）セル状組織であり、前記二次層状組織は、前記α_２／γラメラ粒よりも粒径が小さなα_２／γラメラ粒であり、前記セル状組織または二次層状組織の体積率が１体積％以上５０体積％以下となるように前記第２温度および第２温度保持時間を制御する。

【0075】

上記第２態様において、前記金属組織が、その他構成相を含み、前記その他構成相が、塊状γ相を含み、前記その他構成相の体積率が３０体積％以下となるように前記第１温度、前記第１温度の保持時間および前記冷却速度を制御してもよい。

【0076】

強化相であるα_２相を含む二次層状組織、または強化相であるα_２相およびβ相を含むセル状組織は、いずれも微細組織である。このような二次層状組織またはセル状組織の析出により、ＴｉＡｌ基合金の０．２％耐力および引張強度は向上する。

【0077】

セル状組織および二次層状組織は、いずれも高温延性相として振る舞うγ相を主体とした構造である。このようなセル状組織および二次層状組織の析出により、ＴｉＡｌ基合金の破断伸びが向上する。

【0078】

セル状組織は（β／γ）セル状組織または（α_２／γ／β）セル状組織である。二次層状組織は、粒径が小さなα_２／γラメラ粒である。セル状組織または二次層状組織は、旧α粒界から不連続析出反応により旧α粒径（α_２／γラメラ粒径）を維持したまま析出された組織である。α_２／γラメラ粒径を維持したまま熱力学的に安定なセル状組織または二次層状組織でラメラ粒界を被覆することで、ラメラ粒界近傍での動的再結晶や変形を抑制できるため、クリープ特性が向上する。このように、セル状組織および二次層状組織の析出により、ＴｉＡｌ基合金のクリープ特性が向上する。

【0079】

Ｏの含有量が高いと、延性が低下する。そのため、一般的にはＯの含有量は低く抑えることが好まれるが、Ｏの含有量を低くしようとすると製造コストが増加する。本開の上記態様では、熱処理を２段階で実施することで、セル状組織および二次層状組織の体積率を制御できるため、上記範囲のＯの含有量であれば所望の延性を有する合金となりうる。

【0080】

本開示によれば、所望の強度，延性およびクリープ特性を兼ね備えたＴｉＡｌ基合金を得られる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】