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加工性に優れた高強度TiAl基合金

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加工性に優れた高強度TiAl基合金
2016年10月21日
国立研究開発法人 物質・材料研究機構
構造材料研究拠点 エネルギー構造材料分野
鉄井利光
TiAl基合金とは(金属間化合物)
Ti原子
Ti原子、Al原子の存在位置が一定
→セラミックと類似(金属間化合物)
Al原子
Ti合金(通常の金属)
γ相の結晶構造
Al合金(通常の金属)
Ti
Ti-Al2元系状態図での実用TiAl基合金の領域
(これに種々の元素を添加)
 Ti合金でもAl合金でもない別の
合金
 γ相、α2相等の複数の金属間
化合物が複合
 特性向上のため種々の元素を
添加する。
 組成、プロセスによって微細組
織が変化し、特性も変化する。
TiAl基合金の代表的な微細組織
(組成と熱処理条件によって変化する)
完全ラメラ
デュプレックス
ニアーγ
β相含有
10μm
TiAl基合金の特徴,利用分野
特徴
 主要構成元素はTiとAl→ 軽い(比重3.8~4.0 であり鉄、Ni合金の半分程度)
 金属間化合物(セラミック的)のため、通常の金属(固溶体)に較べ変形しにくい。
軽量材としては高温強度が高い(Ti合金やAl合金を遙かに陵駕)
産業上の利用分野
 Ti合金の適用が困難な高温部品(600℃~800℃)
 遠心力が負荷され、比強度(強度/比重)が必要となる回転部品
 現在Ni基超合金を使用中の部品で、軽量化によってメリットが生じる用途
実用済みのTiAl基合金製部品
乗用車ターボチャージャタービンローター
目的:ターボラグ低減(レスポンス向上)
ジェットエンジン低圧タービン動翼
目的:燃費向上
本研究の狙い、研究の要点
TiAl基合金の現状の課題
①低い加工性のため小型鋳物のみが利用可(大型部品に必要な鍛造が不可)
②クリープ強度が競合材(普通鋳造Ni基超合金)より低い。
用途が限定
本研究の狙い
 TiAl基合金の航空機や発電機器への利用拡大による燃費向上、CO2排出削減
 上記目的のため、加工性と高温クリープ強度の大幅改善
研究の要点
新合金設計によって、従来のTiAl基合金にはない相、組織変化を実現
 鍛造温度において柔らかい相が生成
 その後の熱処理でクリープ強度に優れた微細組織に変化
鍛造温度での組織の比較
β 相(柔らかい相)
新TiAl基合金
従来のTiAl基合金
鍛造性(可塑性)の比較
新TiAl基合金の熱処理による微細組織の変化
β 相(柔らかい相)
鍛造時
α2相/γ相のラメラ組織(高クリープ強度)
熱処理後
α2
γ
クリープ強度の比較 (試験条件;815℃×225MPa)
25
従来のTiAl基合金
新TiAl基合金
20
変位(%)
15
10
5
0
0
100
200
300
時間 (h)
400
500
鍛造Ni基超合金とのクリープ強度の比較
新TiAl基合金での部材試作例
Y2O3
使用したルツボ
 内層Y2O3/外層Al2O3 の二層ルツボ
 サイズ:φ300×530mm(内側)
Al2O3
高周波溶解試験状況
原料
鋳造用鋳型
新TiAl基合金の大型インゴット
Φ300×500mm、重量145kg
新TiAl基合金の大型部材の鍛造状況
型鍛造動翼の試作例
角材に鍛造
型鍛造
円柱に機械加工
大型成形部品の試作例
超塑性加工による部品成形
円盤のTiAl素材
成形品(頂部は切断)
成形に用いたカーボン型
応用分野と今後の課題
応用分野
 各種大型動翼(800℃程度)
 各種軽量耐熱構造部品(800℃程度)
実用化への課題
 用途に応じた成分改良
 各種材料データの取得
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