耐酸化材料及び耐酸化材料の製造方法
【課題】高耐酸化性を有する耐酸化材料を提供する。
【解決手段】ＴｉＡｌ金属間化合物３１の表面上に、Ｎｂ層３２を有し、Ｎｂ層３２上に、ＮｂＳｉ２層３４を有し、且つ、ＮｂＳｉ２層３４とＮｂ層３２との間に、ＮｂＳｉ２層３４側からＮｂ層３２に向かって、Ｓｉを、高い濃度から低い濃度に傾斜させたＳｉの濃度勾配を有する、Ｓｉが拡散したＮｂＳｉ層３３を有する。
【解決手段】ＴｉＡｌ金属間化合物３１の表面上に、Ｎｂ層３２を有し、Ｎｂ層３２上に、ＮｂＳｉ２層３４を有し、且つ、ＮｂＳｉ２層３４とＮｂ層３２との間に、ＮｂＳｉ２層３４側からＮｂ層３２に向かって、Ｓｉを、高い濃度から低い濃度に傾斜させたＳｉの濃度勾配を有する、Ｓｉが拡散したＮｂＳｉ層３３を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高耐酸化性を有する耐酸化材料及びそのような耐酸化材料の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化に伴うＣＯ２削減対策として、例えば、乗用車用エンジンのＣＯ２排出量抑制のため、燃料消費を低減する技術が、開発されている。
【０００３】
より具体的に説明すると、エンジンの高効率化を図るため、例えば、従来は、ガソリンエンジンの排気ガス温度は、７００℃前後であったが、今後は、１０５０℃程度の排気ガスになることが一般に予測されている。
【０００４】
このため、例えば、排気ガスのエネルギーを回転エネルギーに変換し、吸気圧を向上させることに使用されている、ターボチャージャーの耐熱・耐酸化温度も、排気ガス温度の上昇から、１０５０℃程度にすることが求められている。
【０００５】
ところで、ＴｉＡｌ金属間化合物は、Ｔｉ及びＡｌ単体よりも高比強度で、高温強度が高い特徴を有している。
【０００６】
しかしながら、ＴｉＡｌ金属間化合物は、８００℃以上の高温では、剥離し易い酸化物を形成し、耐酸化性が急激に劣化する、という問題がある。
【０００７】
即ち、１０５０℃程度の高温酸化雰囲気下では、ＴｉＡｌ金属間化合物の表面には、ＴｉＯ２やＡｌ２Ｏ３等の酸化物層が形成されるが、ＴｉＯ２やＡｌ２Ｏ３等の酸化物層は、ＴｉＡｌ金属間化合物とは、熱膨張率が異なるため、この酸化物層は、ＴｉＡｌ金属間化合物の表面から容易に剥離してしまうことから、ＴｉＡｌ金属間化合物には、耐酸化性を確保できない、という問題がある。
【０００８】
従来、このような問題を解決するための技術としては、例えば、ＴｉＡｌ金属間化合物（母材）の表面に、タングステン、ニオブ、タンタルのいずれかの金属元素の酸化物よりなる酸化物ゾル溶液をコーティングし、次いで、真空雰囲気中において真空加熱し、ＴｉＡｌ金属間化合物（母材）の表面に、高温耐酸化皮膜（この高温耐酸化皮膜は、外表面側からＴｉＡｌ金属間化合物（母材）に向かって、ＷＯ３・ＴｉＯ２・Ａｌ２Ｏ３よりなる第１層と、ＴｉＯ２・Ａｌ２Ｏ３よりなる第２層と、Ａｌ２Ｏ３よりなる第３層とから構成され、第１層、第２層及び第３層には、それぞれ金属Ｗが分散している。）が形成されたＴｉＡｌ系合金部品や、チタン−アルミニウム系金属間化合物の表面を被膜の密着性がよくなるように表面処理し、この表面処理された表面上に、上層とチタン−アルミニウム系金属間化合物の表面との密着性をよくする下地層を形成し、この下地層上に密着性のよいＰｔメッキ層を形成し、このＰｔメッキ層にアルミニウムを拡散させたものや、原子割合で、Ｎｂ−（１５〜４０％）Ｔｉ−（５〜２０％）Ａｌで表されるＮｂ基固溶金属相を体積割合で１０％以上含み、残部が耐酸化性に優れる一種以上の金属間化合物相またはセラミック相より構成される複相合金に、高温酸化雰囲気中で表面に主にＭｇＯにより成る緻密な酸化膜を生成するに必要な微量の金属Ｍｇを添加することにより構成したものが、既に、提案されている。
【０００９】
しかしながら、上記した、従来の耐酸化物材料は、１０５０℃程度に加熱すると、ＴｉＯ２やＡｌ２Ｏ３等の酸化物層が形成し、上述したように、これらは、ＴｉＡｌ金属間化合物とは、熱膨張が異なるため、ＴｉＯ２やＡｌ２Ｏ３等の酸化物層が、ＴｉＡｌ金属間化合物の表面から容易に剥離してしまうため、耐酸化性が確保できない、という問題がある。
【００１０】
１０５０℃程度の高温で、耐酸化に優れた材料としてＮｂＳｉ２がある。
【００１１】
しかしながら、ＴｉＡｌ金属間化合物の熱膨張率が、８．７×１０−６（１／Ｋ）であり、ＮｂＳｉ２の熱膨張率が、１１．７×１０−６（１／Ｋ）であるため、ＮｂＳｉ２をＴｉＡｌ金属間化合物の表面上に、直接、コーティングしても、ＴｉＡｌ金属間化合物の熱膨張率と、ＮｂＳｉ２の熱膨張率との熱膨張差が大きいために、ＮｂＳｉ２が、ＴｉＡｌ金属間化合物の表面から剥離するという問題があった。
【特許文献１】特開平９−１２５２５４号
【特許文献２】特開平９−２６８３６６号
【特許文献３】特開２００１−１４００３０号
【非特許文献１】Ｋａｚｕｙａ Ｋｕｒｏｋａｗａ，Ａｋｉｒａ Ｙａｍａｇｕｃｈｉ ａｎｄ Ｓｈｉｎｙａ Ｍａｔｓｕｓｈｉｔａ，Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ＮｂＳｉ２ ｂｙ ａｄｄｉｔｉｏｎ ｏｆ Ｂｏｒｏｎ，Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｏｒｕｍ ｖｏｌ．５０５，２００５，ｐｐ２４３−２４８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、以上のような問題を解決するためになされたものであって、ＴｉＡｌ金属間化合物の耐酸化性向上させることと、このような目的のために、ＴｉＡｌ金属間化合物の表面上に設ける皮膜が、ＴｉＡｌ金属間化合物の表面から剥離を起こさない耐酸化材料を提供すること、及び、そのような耐酸化材料の製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、ＴｉＡｌの耐酸化を得るために表層に高温で耐酸化性を有するＮｂＳｉ２を配置し、Ｎｂ金属中にＳｉ元素を傾斜濃度分布があるように拡散させ、ＴｉＡｌ金属間化合物表面には、Ｎｂ金属単体が接するようにしたものである。
【００１４】
ＴｉＡｌ金属間化合物の熱膨張率は、８．７×１０−６（１／Ｋ）であり、Ｎｂの熱膨張率は、７．３×１０−６（１／Ｋ）であり、また、ＮｂＳｉ２の熱膨張率は、１１．７×１０−６（１／Ｋ）である。
【００１５】
通常、母材と、母材の表面にコーティングされる材料との熱膨張差が、約２×１０−６（１／Ｋ）以下であれば、母材と、母材の表面にコーティングされる材料との熱膨張差により、母材の表面にコーティングされた材料は、母材の表面から剥離を起こさない。
【００１６】
本発明では、更に、Ｎｂ層とＮｂＳｉ２層との間に、Ｓｉ濃度を傾斜分布させることで、熱膨張率を緩和して、母材の表面にコーティングされる材料の母材の表面からの剥離を起こさないようにしている。
【００１７】
本発明は、ＴｉＡｌ金属間化合物表面に、酸素を透過しない緻密なコーティング膜（ＮｂＳｉ２層）を形成し、且つ、酸素を透過しない緻密なコーティング膜（ＮｂＳｉ２層）が、ＴｉＡｌ金属間化合物の表面から剥離しないようにすることを可能とした耐酸化材料、及び、そのような耐酸化材料の製造方法に関する。
【００１８】
即ち、請求項１に記載の耐酸化材料は、ＴｉＡｌ金属間化合物と、ＴｉＡｌ金属間化合物の表面上に設けられたＮｂ層と、Ｎｂ層上に設けられたＮｂＳｉ２層とを備え、且つ、ＮｂＳｉ２層とＮｂ層との間に、ＮｂＳｉ２層側からＮｂ層に向かって、Ｓｉを、高い濃度から低い濃度に傾斜させたＳｉの濃度勾配を有する、Ｓｉが拡散したＮｂＳｉ層を有する。
【００１９】
請求項２に記載の耐酸化材料は、請求項１に記載の耐酸化材料の、ＴｉＡｌ金属間化合物の表面上に、Ｎｂ層を、３μｍ以上２００μｍ以下の範囲の厚さで有する。
【００２０】
請求項３に記載の耐酸化材料は、請求項１又は請求項２に記載の耐酸化材料の、Ｓｉが拡散したＮｂＳｉ層を、２μｍ以上１００μｍ以下の範囲の厚さで有する。
【００２１】
請求項４に耐酸化材料の製造方法は、ＴｉＡｌ金属間化合物の表面上に、Ｎｂ層を形成し、Ｎｂ層の表面上にＳｉ層を形成した後、Ｓｉ層のＳｉをＮｂ層に拡散し、ＴｉＡｌ金属間化合物の表面上に、Ｎｂ層を有し、Ｎｂ層上に、ＮｂＳｉ２層を有し、且つ、ＮｂＳｉ２層とＮｂ層との間に、ＮｂＳｉ２層側からＮｂ層に向かって、Ｓｉを、高い濃度から低い濃度に傾斜させたＳｉの濃度勾配を有する、Ｓｉが拡散したＮｂＳｉ層を形成する。
【００２２】
請求項５に記載の耐酸化材料の製造方法は、ＴｉＡｌ金属間化合物の表面上に、Ｎｂ層を形成し、Ｎｂ層が表面に形成されたＴｉＡｌ金属間化合物を、Ｓｉを含む溶融塩に浸漬し、ＴｉＡｌ金属間化合物の表面上に、Ｎｂ層を有し、Ｎｂ層上に、ＮｂＳｉ２層を有し、且つ、ＮｂＳｉ２層とＮｂ層との間に、前記ＮｂＳｉ２層側から前記Ｎｂ層に向かって、Ｓｉを、高い濃度から低い濃度に傾斜させたＳｉの濃度勾配を有する、Ｓｉが拡散したＮｂＳｉ層を形成する。
【００２３】
請求項６に記載の耐酸化材料の製造方法は、請求項４又は請求項５に記載の耐酸化材料の製造方法において、ＴｉＡｌ金属間化合物の表面上に、Ｎｂ層を、３μｍ以上２００μｍ以下の範囲の厚さで形成した。
【００２４】
請求項７に記載の耐酸化材料の製造方法は、請求項４〜６のいずれかに記載の耐酸化材料の製造方法において、Ｓｉが拡散したＮｂＳｉ層が、２μｍ以上１００μｍ以下の範囲の厚さで形成されている。
【発明の効果】
【００２５】
本発明に係る耐酸化材料は、高比強度で、高温強度が高く、耐酸化性に優れているので、例えば、乗用車用ターボチャージャーの排気タービン側の部品や、ジェットエンジンのブレード等の、高比強度で、高温強度が高く、耐酸化性に優れていることが要求される、部品などに幅広く、利用することができる。
【００２６】
また、本発明に係る耐酸化材料の製造方法を用いれば、高比強度で、高温強度が高く、耐酸化性に優れた、耐酸化材料を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明に係る耐酸化材料及び耐酸化材料の製造方法を、図面を参照しながら、例示的に、更に、詳しく説明する。
（実施例１）
図１は、本発明に係る耐酸化材料の製造方法の一例を概略的に示すフローチャートである。
【００２８】
図１を参照しながら説明すると、まず、ステップＳ１において、円筒形状の金型２にワックスを射出成型注入し、円筒形状の造型ワックスを得る。
【００２９】
次に、ステップＳ２において、ステップＳ１において造型した円筒形状の造型ワックスの表面に、Ｎｂ層のコーティングを行う。
【００３０】
より具体的には、以下の場合に特に限定されることはないが、例えば、平均粒子径１０μｍ以下のＮｂ金属粉末（２０ｗｔ％）を水（７８ｗｔ％）及びポリビニルアルコール（２ｗｔ％）に混合し、粘性を有し、均一に分散したスラリーを得る。
【００３１】
円筒形状の造型ワックスを、このスラリーに浸漬（ディッピング）と乾燥とを繰り返し、円筒形状の造型ワックスの表面に、所定の厚さのＮｂ層を得る。
【００３２】
次に、ステップＳ３において、ステップＳ２で得られた、Ｎｂ層付きの円筒形状の造型ワックスに、Ｓｉ層のコーティングを行う。
【００３３】
より具体的には、以下の場合に特に限定されることはないが、例えば、平均粒径１０μｍ以下のＳｉ金属粉末（２０ｗｔ％）を水（７８ｗｔ％）及びポリビニルアルコール（２ｗｔ％）に混合し、粘性を有し、均一に分散したスラリーを得る。
【００３４】
円筒形状の造型ワックスを、このスラリーに浸漬（ディッピング）と乾燥とを繰り返し行い、円筒形状の造型ワックスのＮｂ層の上に所定のＳｉ層を得る。
【００３５】
次に、ステップＳ４において、Ｓｉ層がコーティングされた円筒形状の造型ワックスの上に、ＺｒＯ２をベースとしたスラリーを塗布と乾燥とを繰り返し行って、形状が保持できるだけの構造強度を持つ、セラミックス消失金型を得る。
【００３６】
次に、ステップＳ５において、セラミックス金型から加熱することで、造型ワックスを除去する。
【００３７】
ここで、Ｎｂの酸化開始温度が４５０℃であることを考慮し、４４０℃以下の温度で、セラミックス消失金型を加熱することで、ワックスを溶融し、ＴｉＡｌ金属間化合物湯口を重力下向きに傾けることで、ワックスをセラミックス消失金型から完全に除去する。
【００３８】
次に、ステップＳ６において、セラミックス消失金型にＴｉＡｌ金属間化合物の溶湯を流し込み、鋳造を行う。
【００３９】
図２は、ロストワックス法によるＴｉＡｌ金属間化合物鋳造方法の概念図を示す断面図である。
【００４０】
尚、セラミックス消失金型に設ける鋳型の形状は、ロストワックス法では、ニアネットシェイプの部品を得ることが出来るため、例えば、ターボチャージャーの部品形状にしても良いが、本発明に係る耐酸化材料の効果は、鋳造品の形状による差異は見られないため、説明を容易とするため、図２では、セラミックス消失金型に設ける鋳型の形状とし、円筒形状の鋳造を行った場合を例にとって説明する。
【００４１】
図２を参照しながら説明すると、セラミックス消失金型１０では、セラミックス消失金型１０の鋳型表面に、Ｓｉ層１２が形成され、Ｓｉ層１２の表面上に、Ｎｂ層１１が形成されている。
【００４２】
このセラミックス消失金型１０に、ＴｉＡｌ金属間化合物１３の溶湯を流し込むことで鋳造を行った。
【００４３】
尚、参考のために説明すると、実施例１では、ＴｉＡｌ金属間化合物の組成は、３０ｗｔ％Ａｌ、１５ｗｔ％Ｎｂ、０．０９ｗｔ％Ｃ、残部Ｔｉであった。
【００４４】
高温の溶融したＴｉＡｌ金属間化合物１３の溶湯を、セラミックス消失金型１０に流し込むと、相互拡散が起こり、Ｎｂ層とＳｉ層とが、ＴｉＡｌ金属間化合物を包む形となり、ＴｉＡｌ金属間化合物の表面へのＮｂ層とＳｉ層とのコーティングが完了する。
【００４５】
更に、Ｎｂ層には、Ｓｉが拡散により、Ｓｉ層とＮｂ層との間に、Ｓｉ層側からＮｂ層に向かって、Ｓｉを、高い濃度から低い濃度に傾斜させたＳｉの濃度勾配を有する、Ｓｉが拡散したＮｂＳｉ層が形成される。
【００４６】
次に、ステップＳ７において、セラミックス消失金型１０を除去する。
【００４７】
尚、参考のために説明すると、実施例１では、セラミックス消失金型１０は、＃６０ｇｒｉｄのサンドブラストにより除去した。
【００４８】
ただし、表層のＮｂＳｉ層がＴｉＡｌ金属間化合物の表面に残留するようにブラスト強度を調整した。
【００４９】
次に、ステップＳ８において、ＴｉＡｌ金属間化合物を鋳造時に発生する欠陥を除去するために、熱間静水圧プレスを行った。
【００５０】
尚、参考のために説明すると、実施例１では、ガスとしては、アルゴン（Ａｒ）ガスを用い、１０００気圧、１２５０℃で２時間保持することにより、ＴｉＡｌ金属間化合物内部の欠陥を除去した。
【００５１】
図３は、以上の工程により製造した、耐酸化材料を模式的に示す断面図である。
この耐酸化材料は、ＴｉＡｌ金属間化合物３１の表面上に、Ｎｂ層３２を有し、Ｎｂ層３２の上に、ＮｂＳｉ２層３４を有し、且つ、ＮｂＳｉ２層３４とＮｂ層３２との間に、ＮｂＳｉ２層３４側からＮｂ層３２に向かって、Ｓｉを、高い濃度から低い濃度に傾斜させたＳｉの濃度勾配を有する、Ｓｉが拡散したＮｂＳｉ層３３を有する。
【００５２】
ＴｉＡｌ金属間化合物の表面にＮｂ層があり、さらにＮｂ層内にＳｉ元素濃度が傾斜して表層には、ＮｂＳｉ層が形成されている。
【００５３】
実際に、各厚みを、元素濃度分布が測定可能なＥＰＭＡ（Ｘ線マイクロアナライザー、日本電子製ＪＸＭ−８６００ＭＸ）計測したところ、Ｎｂ層３２が１００μｍ、その中のＮｂＳｉ層３３が５０μｍであった。さらに、表面をＸ線回折（リガク電機製：ＲＩＮＴ２５００ＨＤ／ＰＣ）で分析したところ、ＮｂＳｉ２のみが検出され、表層には、ＮｂＳｉ２層３４が形成されていることがわかった。
【００５４】
また、外表面において、ＴｉＡｌ金属間化合物の存在を示す、γ−Ｔｉは検出することは困難であり、この耐酸化コーティングが緻密で、ＴｉＡｌ金属間化合物が露出していないことが判明した。
（実施例２）
図４は、本発明に係る耐酸化材料の製造方法の他の一例を概略的に示すフローチャートである。
【００５５】
図４を参照しながら説明すると、まず、ステップＳ２１において、ＴｉＡｌ金属間化合物として、通常のロストワックス法で得られた材料を使用する。
【００５６】
ここで、後述する、ステップＳ２４で実施する欠陥除去の熱間静水圧プレスにより、ＴｉＡｌ金属間化合物中の内部欠陥を除去したものを用いてもよい。
【００５７】
その場合は、ステップＳ２４は、省略できる。
【００５８】
尚、参考のために説明すると、実施例２では、熱間静水圧プレスにおいて、ガスとしては、アルゴン（Ａｒ）ガスを用い、１０００気圧、１２５０℃の各々の温度で２時間ずつ保持することにより、ＴｉＡｌ金属間化合物内部の欠陥を除去した。
【００５９】
次に、ステップＳ２２において、ＴｉＡｌ金属間化合物の表面に、Ｎｂ粉体をプラズマ溶射することで、ＴｉＡｌ金属間化合物の表面に、Ｎｂ金属コーティングを行った。
【００６０】
尚、参考のために説明すると、実施例２では、表面の油脂をアセトンで除去した後に、下地処理として、昭和電工製褐色アルミナ（品名：Ａ４３）粒度＃２０で表面のブラスト処理を行い、その後、Ｎｂ粉体のプラズマ溶射を行った。
【００６１】
尚、参考のために説明すると、実施例２では、具体的には、Ｎｂ金属粉は、正栄商会製純度９９．９％以上平均粒径３０μｍを用いた。
【００６２】
溶射装置として、スルザーメテコ社製Ｆ−４プラズマ溶射装置を用い、アルゴン（Ａｒ）ガス流量：４０Ｌｉｔｅｒ／ｍｉｎ、水素ガス流量：１０Ｌｉｔｅｒ／ｍｉｎ、電流：６００Ａで、Ｎｂ金属層の厚みが２００μｍとなるように、ＴｉＡｌ金属間化合物表面に、Ｎｂ粉体のプラズマ溶射を行った。
【００６３】
次に、ステップＳ２３において、Ｎｂ金属層を表面にコーティングしたＴｉＡｌ金属間化合物を溶融塩に浸漬させて、ＮｂＳｉ層を得た。
【００６４】
尚、参考のために説明すると、実施例２では、具体的には、溶融塩は、まず、２９．２ｗｔ％ＮａＣｌ、３７．３ｗｔ％ＫＣｌ、１２．５ｗｔ％ＮａＦ、１２．６ｗｔ％Ｎａ２ＳｉＦ６を均等に混ぜ合わせ、粉末塩とした。
【００６５】
そこに、８．４ｗｔ％のＳｉ粉末を入れ混ぜ合わせた。これらをムライト製のるつぼに入れ、試料を粉末に埋めた。続いて、大気中で熱処理を処理温度９００℃、処理時間０．５時間と１０時間で行った。熱処理後のるつぼの中には塩が固まっており、その中から、Ｎｂ金属層をコーティングしたＴｉＡｌ金属間化合物を取り出した。
【００６６】
次に、ステップＳ２４において、ＴｉＡｌ金属間化合物を鋳造時に発生する欠陥を除去するために、熱間静水圧プレスを行った。
【００６７】
尚、参考のために説明すると、実施例１では、ガスとしては、アルゴン（Ａｒ）ガスを用い、１０００気圧、１２５０℃で２時間保持することにより、ＴｉＡｌ金属間化合物内部の欠陥を除去した。
【００６８】
ＥＰＭＡ装置による元素分布の測定により、以上の工程により製造された耐酸化材料は、それぞれの処理時間に係わらず、図３と同様の、ＴｉＡｌ金属間化合物３１の表面上に、Ｎｂ層３２を有し、Ｎｂ層３２の上に、ＮｂＳｉ２層３４を有し、且つ、ＮｂＳｉ２層３４とＮｂ層３２との間に、ＮｂＳｉ２層３４側からＮｂ層３２に向かって、Ｓｉを、高い濃度から低い濃度に傾斜させたＳｉの濃度勾配を有する、Ｓｉが拡散したＮｂＳｉ層３３を有することを、確認した。
【００６９】
尚、０．５時間処理したものは、ＮｂＳｉ層の厚みが２μｍであり、１０時間処理したものは、ＮｂＳｉ層の厚みが１００μｍであった。
（酸化試験）
図５は、実施例１及び実施例２において得られた耐酸化材料の酸化試験の結果を示す図である。
【００７０】
尚、比較例として、耐酸化コーティングを施工していないものを用いも同様な酸化試験を実施した。
【００７１】
各材料について、大気中で、１０５０℃で、４００時間加熱するという酸化試験をした。
【００７２】
図５中、試料１は、比較例を、試料２は、実施例１で得た耐酸化材料を、試料３は、実施例２において、Ｎｂプラズマ溶射後、溶融塩処理を０．５時間行った耐酸化材料を、また、試料４は、実施例２において、Ｎｂプラズマ溶射後、溶融塩処理を１０時間行った耐酸化材料である。
【００７３】
酸化試験前後で、ＥＰＭＡによる酸化濃度分布測定では、比較例の試料１（耐酸化コーティング無し。）では、２００μｍ程度の酸化層と隔離した酸化物が観察されるのに対して、実施例１で得た試料１では、２０μｍ程度の酸化層が観察された。
【００７４】
また、Ｘ線回折では、実施例１で得た試料１では、その表面に、ＮｂＳｉ２とＮｂ２Ｏ５のみが検出され、ＴｉＡｌ金属間化合物の酸化が見られないのに対し、比較例の試料１では、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３などのＴｉＡｌ金属間化合物の酸化物が確認された。
【００７５】
このことにより、本発明に係る耐酸化材料は、耐酸化に対して、有効であることが判明した。
【００７６】
また、酸化試験前後で、ＥＰＭＡによる酸素濃度分布測定では、比較例の試料１では、２００μｍ程度の酸化物と隔離した酸化物が観察されるのに対し、実施例２の試料３では、ＮｂＳｉ２とＮｂ２Ｏ５のみが検出され、実施例２の試料４では、２０μｍ程度の酸化層が観察された。
【００７７】
実施例２の試料３及び試料４では、ＮｂＳｉ層が、酸化試験後でも残留しており、１０５０℃の高温でも、Ｎｂ層深部に拡散してＮｂＳｉ層を保持している、ということが判った。
【００７８】
また、Ｘ線回折では、実施例２の試料４では、その表面に、ＮｂＳｉ２とＮｂ２Ｏ５のみ検出され、ＴｉＡｌ金属間化合物の酸化物が見られないのに対し、比較例の試料１では、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３などのＴｉＡｌ金属間化合物の酸化物が確認された。
【００７９】
このことにより、高温における耐酸化に対しては、ＮｂＳｉ層が２μｍ以上あれば、有効であることが判明した。
【００８０】
以上、詳細に説明したように、本発明により、１０５０℃付近の高温中でも、ＴｉＡｌ金属間化合物からのＴｉＯ２やＡｌ２Ｏ３等の酸化層が形成することを防止することが可能となり、ＴｉＡｌ金属間化合物の耐酸化性を向上することが可能となった。
【００８１】
即ち、本発明に係る耐酸化材料は、高比強度で、高温強度が高く、耐酸化性に優れているので、例えば、乗用車用ターボチャージャーの排気タービン側の部品や、ジェットエンジンのブレード等の、高比強度で、高温強度が高く、耐酸化性に優れていることが要求される、部品などに幅広く、利用することができる。
【００８２】
また、本発明に係る耐酸化材料の製造方法を用いれば、高比強度で、高温強度が高く、耐酸化性に優れた、耐酸化材料を製造することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
本発明に係る耐酸化材料は、高比強度で、高温強度が高く、耐酸化性に優れているので、例えば、乗用車用ターボチャージャーの排気タービン側の部品や、ジェットエンジンのブレード等の、高比強度で、高温強度が高く、耐酸化性に優れていることが要求される、部品などに幅広く、利用することができる。
【００８４】
また、本発明に係る耐酸化材料の製造方法を用いれば、高比強度で、高温強度が高く、耐酸化性に優れた、耐酸化材料を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】本発明に係る耐酸化材料の製造方法の一例を概略的に示すフローチャートである。
【図２】ロストワックス法によるＴｉＡｌ金属間化合物鋳造方法の概念図を示す断面図である。
【図３】本発明に係る耐酸化材料を模式的に示す断面図である。
【図４】本発明に係る耐酸化材料の製造方法の他の一例を概略的に示すフローチャートである。
【図５】実施例１及び実施例２において得られた耐酸化材料の酸化試験の結果を示す図である。
【符号の説明】
【００８６】
１０ セラミックス消失金型
１１、３２ Ｎｂ層
１２ Ｓｉ層
１３、３１ ＴｉＡｌ金属間化合物
３３ ＮｂＳｉ層
３４ ＮｂＳｉ２層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高耐酸化性を有する耐酸化材料及びそのような耐酸化材料の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化に伴うＣＯ２削減対策として、例えば、乗用車用エンジンのＣＯ２排出量抑制のため、燃料消費を低減する技術が、開発されている。
【０００３】
より具体的に説明すると、エンジンの高効率化を図るため、例えば、従来は、ガソリンエンジンの排気ガス温度は、７００℃前後であったが、今後は、１０５０℃程度の排気ガスになることが一般に予測されている。
【０００４】
このため、例えば、排気ガスのエネルギーを回転エネルギーに変換し、吸気圧を向上させることに使用されている、ターボチャージャーの耐熱・耐酸化温度も、排気ガス温度の上昇から、１０５０℃程度にすることが求められている。
【０００５】
ところで、ＴｉＡｌ金属間化合物は、Ｔｉ及びＡｌ単体よりも高比強度で、高温強度が高い特徴を有している。
【０００６】
しかしながら、ＴｉＡｌ金属間化合物は、８００℃以上の高温では、剥離し易い酸化物を形成し、耐酸化性が急激に劣化する、という問題がある。
【０００７】
即ち、１０５０℃程度の高温酸化雰囲気下では、ＴｉＡｌ金属間化合物の表面には、ＴｉＯ２やＡｌ２Ｏ３等の酸化物層が形成されるが、ＴｉＯ２やＡｌ２Ｏ３等の酸化物層は、ＴｉＡｌ金属間化合物とは、熱膨張率が異なるため、この酸化物層は、ＴｉＡｌ金属間化合物の表面から容易に剥離してしまうことから、ＴｉＡｌ金属間化合物には、耐酸化性を確保できない、という問題がある。
【０００８】
従来、このような問題を解決するための技術としては、例えば、ＴｉＡｌ金属間化合物（母材）の表面に、タングステン、ニオブ、タンタルのいずれかの金属元素の酸化物よりなる酸化物ゾル溶液をコーティングし、次いで、真空雰囲気中において真空加熱し、ＴｉＡｌ金属間化合物（母材）の表面に、高温耐酸化皮膜（この高温耐酸化皮膜は、外表面側からＴｉＡｌ金属間化合物（母材）に向かって、ＷＯ３・ＴｉＯ２・Ａｌ２Ｏ３よりなる第１層と、ＴｉＯ２・Ａｌ２Ｏ３よりなる第２層と、Ａｌ２Ｏ３よりなる第３層とから構成され、第１層、第２層及び第３層には、それぞれ金属Ｗが分散している。）が形成されたＴｉＡｌ系合金部品や、チタン−アルミニウム系金属間化合物の表面を被膜の密着性がよくなるように表面処理し、この表面処理された表面上に、上層とチタン−アルミニウム系金属間化合物の表面との密着性をよくする下地層を形成し、この下地層上に密着性のよいＰｔメッキ層を形成し、このＰｔメッキ層にアルミニウムを拡散させたものや、原子割合で、Ｎｂ−（１５〜４０％）Ｔｉ−（５〜２０％）Ａｌで表されるＮｂ基固溶金属相を体積割合で１０％以上含み、残部が耐酸化性に優れる一種以上の金属間化合物相またはセラミック相より構成される複相合金に、高温酸化雰囲気中で表面に主にＭｇＯにより成る緻密な酸化膜を生成するに必要な微量の金属Ｍｇを添加することにより構成したものが、既に、提案されている。
【０００９】
しかしながら、上記した、従来の耐酸化物材料は、１０５０℃程度に加熱すると、ＴｉＯ２やＡｌ２Ｏ３等の酸化物層が形成し、上述したように、これらは、ＴｉＡｌ金属間化合物とは、熱膨張が異なるため、ＴｉＯ２やＡｌ２Ｏ３等の酸化物層が、ＴｉＡｌ金属間化合物の表面から容易に剥離してしまうため、耐酸化性が確保できない、という問題がある。
【００１０】
１０５０℃程度の高温で、耐酸化に優れた材料としてＮｂＳｉ２がある。
【００１１】
しかしながら、ＴｉＡｌ金属間化合物の熱膨張率が、８．７×１０−６（１／Ｋ）であり、ＮｂＳｉ２の熱膨張率が、１１．７×１０−６（１／Ｋ）であるため、ＮｂＳｉ２をＴｉＡｌ金属間化合物の表面上に、直接、コーティングしても、ＴｉＡｌ金属間化合物の熱膨張率と、ＮｂＳｉ２の熱膨張率との熱膨張差が大きいために、ＮｂＳｉ２が、ＴｉＡｌ金属間化合物の表面から剥離するという問題があった。
【特許文献１】特開平９−１２５２５４号
【特許文献２】特開平９−２６８３６６号
【特許文献３】特開２００１−１４００３０号
【非特許文献１】Ｋａｚｕｙａ Ｋｕｒｏｋａｗａ，Ａｋｉｒａ Ｙａｍａｇｕｃｈｉ ａｎｄ Ｓｈｉｎｙａ Ｍａｔｓｕｓｈｉｔａ，Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ＮｂＳｉ２ ｂｙ ａｄｄｉｔｉｏｎ ｏｆ Ｂｏｒｏｎ，Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｏｒｕｍ ｖｏｌ．５０５，２００５，ｐｐ２４３−２４８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、以上のような問題を解決するためになされたものであって、ＴｉＡｌ金属間化合物の耐酸化性向上させることと、このような目的のために、ＴｉＡｌ金属間化合物の表面上に設ける皮膜が、ＴｉＡｌ金属間化合物の表面から剥離を起こさない耐酸化材料を提供すること、及び、そのような耐酸化材料の製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、ＴｉＡｌの耐酸化を得るために表層に高温で耐酸化性を有するＮｂＳｉ２を配置し、Ｎｂ金属中にＳｉ元素を傾斜濃度分布があるように拡散させ、ＴｉＡｌ金属間化合物表面には、Ｎｂ金属単体が接するようにしたものである。
【００１４】
ＴｉＡｌ金属間化合物の熱膨張率は、８．７×１０−６（１／Ｋ）であり、Ｎｂの熱膨張率は、７．３×１０−６（１／Ｋ）であり、また、ＮｂＳｉ２の熱膨張率は、１１．７×１０−６（１／Ｋ）である。
【００１５】
通常、母材と、母材の表面にコーティングされる材料との熱膨張差が、約２×１０−６（１／Ｋ）以下であれば、母材と、母材の表面にコーティングされる材料との熱膨張差により、母材の表面にコーティングされた材料は、母材の表面から剥離を起こさない。
【００１６】
本発明では、更に、Ｎｂ層とＮｂＳｉ２層との間に、Ｓｉ濃度を傾斜分布させることで、熱膨張率を緩和して、母材の表面にコーティングされる材料の母材の表面からの剥離を起こさないようにしている。
【００１７】
本発明は、ＴｉＡｌ金属間化合物表面に、酸素を透過しない緻密なコーティング膜（ＮｂＳｉ２層）を形成し、且つ、酸素を透過しない緻密なコーティング膜（ＮｂＳｉ２層）が、ＴｉＡｌ金属間化合物の表面から剥離しないようにすることを可能とした耐酸化材料、及び、そのような耐酸化材料の製造方法に関する。
【００１８】
即ち、請求項１に記載の耐酸化材料は、ＴｉＡｌ金属間化合物と、ＴｉＡｌ金属間化合物の表面上に設けられたＮｂ層と、Ｎｂ層上に設けられたＮｂＳｉ２層とを備え、且つ、ＮｂＳｉ２層とＮｂ層との間に、ＮｂＳｉ２層側からＮｂ層に向かって、Ｓｉを、高い濃度から低い濃度に傾斜させたＳｉの濃度勾配を有する、Ｓｉが拡散したＮｂＳｉ層を有する。
【００１９】
請求項２に記載の耐酸化材料は、請求項１に記載の耐酸化材料の、ＴｉＡｌ金属間化合物の表面上に、Ｎｂ層を、３μｍ以上２００μｍ以下の範囲の厚さで有する。
【００２０】
請求項３に記載の耐酸化材料は、請求項１又は請求項２に記載の耐酸化材料の、Ｓｉが拡散したＮｂＳｉ層を、２μｍ以上１００μｍ以下の範囲の厚さで有する。
【００２１】
請求項４に耐酸化材料の製造方法は、ＴｉＡｌ金属間化合物の表面上に、Ｎｂ層を形成し、Ｎｂ層の表面上にＳｉ層を形成した後、Ｓｉ層のＳｉをＮｂ層に拡散し、ＴｉＡｌ金属間化合物の表面上に、Ｎｂ層を有し、Ｎｂ層上に、ＮｂＳｉ２層を有し、且つ、ＮｂＳｉ２層とＮｂ層との間に、ＮｂＳｉ２層側からＮｂ層に向かって、Ｓｉを、高い濃度から低い濃度に傾斜させたＳｉの濃度勾配を有する、Ｓｉが拡散したＮｂＳｉ層を形成する。
【００２２】
請求項５に記載の耐酸化材料の製造方法は、ＴｉＡｌ金属間化合物の表面上に、Ｎｂ層を形成し、Ｎｂ層が表面に形成されたＴｉＡｌ金属間化合物を、Ｓｉを含む溶融塩に浸漬し、ＴｉＡｌ金属間化合物の表面上に、Ｎｂ層を有し、Ｎｂ層上に、ＮｂＳｉ２層を有し、且つ、ＮｂＳｉ２層とＮｂ層との間に、前記ＮｂＳｉ２層側から前記Ｎｂ層に向かって、Ｓｉを、高い濃度から低い濃度に傾斜させたＳｉの濃度勾配を有する、Ｓｉが拡散したＮｂＳｉ層を形成する。
【００２３】
請求項６に記載の耐酸化材料の製造方法は、請求項４又は請求項５に記載の耐酸化材料の製造方法において、ＴｉＡｌ金属間化合物の表面上に、Ｎｂ層を、３μｍ以上２００μｍ以下の範囲の厚さで形成した。
【００２４】
請求項７に記載の耐酸化材料の製造方法は、請求項４〜６のいずれかに記載の耐酸化材料の製造方法において、Ｓｉが拡散したＮｂＳｉ層が、２μｍ以上１００μｍ以下の範囲の厚さで形成されている。
【発明の効果】
【００２５】
本発明に係る耐酸化材料は、高比強度で、高温強度が高く、耐酸化性に優れているので、例えば、乗用車用ターボチャージャーの排気タービン側の部品や、ジェットエンジンのブレード等の、高比強度で、高温強度が高く、耐酸化性に優れていることが要求される、部品などに幅広く、利用することができる。
【００２６】
また、本発明に係る耐酸化材料の製造方法を用いれば、高比強度で、高温強度が高く、耐酸化性に優れた、耐酸化材料を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明に係る耐酸化材料及び耐酸化材料の製造方法を、図面を参照しながら、例示的に、更に、詳しく説明する。
（実施例１）
図１は、本発明に係る耐酸化材料の製造方法の一例を概略的に示すフローチャートである。
【００２８】
図１を参照しながら説明すると、まず、ステップＳ１において、円筒形状の金型２にワックスを射出成型注入し、円筒形状の造型ワックスを得る。
【００２９】
次に、ステップＳ２において、ステップＳ１において造型した円筒形状の造型ワックスの表面に、Ｎｂ層のコーティングを行う。
【００３０】
より具体的には、以下の場合に特に限定されることはないが、例えば、平均粒子径１０μｍ以下のＮｂ金属粉末（２０ｗｔ％）を水（７８ｗｔ％）及びポリビニルアルコール（２ｗｔ％）に混合し、粘性を有し、均一に分散したスラリーを得る。
【００３１】
円筒形状の造型ワックスを、このスラリーに浸漬（ディッピング）と乾燥とを繰り返し、円筒形状の造型ワックスの表面に、所定の厚さのＮｂ層を得る。
【００３２】
次に、ステップＳ３において、ステップＳ２で得られた、Ｎｂ層付きの円筒形状の造型ワックスに、Ｓｉ層のコーティングを行う。
【００３３】
より具体的には、以下の場合に特に限定されることはないが、例えば、平均粒径１０μｍ以下のＳｉ金属粉末（２０ｗｔ％）を水（７８ｗｔ％）及びポリビニルアルコール（２ｗｔ％）に混合し、粘性を有し、均一に分散したスラリーを得る。
【００３４】
円筒形状の造型ワックスを、このスラリーに浸漬（ディッピング）と乾燥とを繰り返し行い、円筒形状の造型ワックスのＮｂ層の上に所定のＳｉ層を得る。
【００３５】
次に、ステップＳ４において、Ｓｉ層がコーティングされた円筒形状の造型ワックスの上に、ＺｒＯ２をベースとしたスラリーを塗布と乾燥とを繰り返し行って、形状が保持できるだけの構造強度を持つ、セラミックス消失金型を得る。
【００３６】
次に、ステップＳ５において、セラミックス金型から加熱することで、造型ワックスを除去する。
【００３７】
ここで、Ｎｂの酸化開始温度が４５０℃であることを考慮し、４４０℃以下の温度で、セラミックス消失金型を加熱することで、ワックスを溶融し、ＴｉＡｌ金属間化合物湯口を重力下向きに傾けることで、ワックスをセラミックス消失金型から完全に除去する。
【００３８】
次に、ステップＳ６において、セラミックス消失金型にＴｉＡｌ金属間化合物の溶湯を流し込み、鋳造を行う。
【００３９】
図２は、ロストワックス法によるＴｉＡｌ金属間化合物鋳造方法の概念図を示す断面図である。
【００４０】
尚、セラミックス消失金型に設ける鋳型の形状は、ロストワックス法では、ニアネットシェイプの部品を得ることが出来るため、例えば、ターボチャージャーの部品形状にしても良いが、本発明に係る耐酸化材料の効果は、鋳造品の形状による差異は見られないため、説明を容易とするため、図２では、セラミックス消失金型に設ける鋳型の形状とし、円筒形状の鋳造を行った場合を例にとって説明する。
【００４１】
図２を参照しながら説明すると、セラミックス消失金型１０では、セラミックス消失金型１０の鋳型表面に、Ｓｉ層１２が形成され、Ｓｉ層１２の表面上に、Ｎｂ層１１が形成されている。
【００４２】
このセラミックス消失金型１０に、ＴｉＡｌ金属間化合物１３の溶湯を流し込むことで鋳造を行った。
【００４３】
尚、参考のために説明すると、実施例１では、ＴｉＡｌ金属間化合物の組成は、３０ｗｔ％Ａｌ、１５ｗｔ％Ｎｂ、０．０９ｗｔ％Ｃ、残部Ｔｉであった。
【００４４】
高温の溶融したＴｉＡｌ金属間化合物１３の溶湯を、セラミックス消失金型１０に流し込むと、相互拡散が起こり、Ｎｂ層とＳｉ層とが、ＴｉＡｌ金属間化合物を包む形となり、ＴｉＡｌ金属間化合物の表面へのＮｂ層とＳｉ層とのコーティングが完了する。
【００４５】
更に、Ｎｂ層には、Ｓｉが拡散により、Ｓｉ層とＮｂ層との間に、Ｓｉ層側からＮｂ層に向かって、Ｓｉを、高い濃度から低い濃度に傾斜させたＳｉの濃度勾配を有する、Ｓｉが拡散したＮｂＳｉ層が形成される。
【００４６】
次に、ステップＳ７において、セラミックス消失金型１０を除去する。
【００４７】
尚、参考のために説明すると、実施例１では、セラミックス消失金型１０は、＃６０ｇｒｉｄのサンドブラストにより除去した。
【００４８】
ただし、表層のＮｂＳｉ層がＴｉＡｌ金属間化合物の表面に残留するようにブラスト強度を調整した。
【００４９】
次に、ステップＳ８において、ＴｉＡｌ金属間化合物を鋳造時に発生する欠陥を除去するために、熱間静水圧プレスを行った。
【００５０】
尚、参考のために説明すると、実施例１では、ガスとしては、アルゴン（Ａｒ）ガスを用い、１０００気圧、１２５０℃で２時間保持することにより、ＴｉＡｌ金属間化合物内部の欠陥を除去した。
【００５１】
図３は、以上の工程により製造した、耐酸化材料を模式的に示す断面図である。
この耐酸化材料は、ＴｉＡｌ金属間化合物３１の表面上に、Ｎｂ層３２を有し、Ｎｂ層３２の上に、ＮｂＳｉ２層３４を有し、且つ、ＮｂＳｉ２層３４とＮｂ層３２との間に、ＮｂＳｉ２層３４側からＮｂ層３２に向かって、Ｓｉを、高い濃度から低い濃度に傾斜させたＳｉの濃度勾配を有する、Ｓｉが拡散したＮｂＳｉ層３３を有する。
【００５２】
ＴｉＡｌ金属間化合物の表面にＮｂ層があり、さらにＮｂ層内にＳｉ元素濃度が傾斜して表層には、ＮｂＳｉ層が形成されている。
【００５３】
実際に、各厚みを、元素濃度分布が測定可能なＥＰＭＡ（Ｘ線マイクロアナライザー、日本電子製ＪＸＭ−８６００ＭＸ）計測したところ、Ｎｂ層３２が１００μｍ、その中のＮｂＳｉ層３３が５０μｍであった。さらに、表面をＸ線回折（リガク電機製：ＲＩＮＴ２５００ＨＤ／ＰＣ）で分析したところ、ＮｂＳｉ２のみが検出され、表層には、ＮｂＳｉ２層３４が形成されていることがわかった。
【００５４】
また、外表面において、ＴｉＡｌ金属間化合物の存在を示す、γ−Ｔｉは検出することは困難であり、この耐酸化コーティングが緻密で、ＴｉＡｌ金属間化合物が露出していないことが判明した。
（実施例２）
図４は、本発明に係る耐酸化材料の製造方法の他の一例を概略的に示すフローチャートである。
【００５５】
図４を参照しながら説明すると、まず、ステップＳ２１において、ＴｉＡｌ金属間化合物として、通常のロストワックス法で得られた材料を使用する。
【００５６】
ここで、後述する、ステップＳ２４で実施する欠陥除去の熱間静水圧プレスにより、ＴｉＡｌ金属間化合物中の内部欠陥を除去したものを用いてもよい。
【００５７】
その場合は、ステップＳ２４は、省略できる。
【００５８】
尚、参考のために説明すると、実施例２では、熱間静水圧プレスにおいて、ガスとしては、アルゴン（Ａｒ）ガスを用い、１０００気圧、１２５０℃の各々の温度で２時間ずつ保持することにより、ＴｉＡｌ金属間化合物内部の欠陥を除去した。
【００５９】
次に、ステップＳ２２において、ＴｉＡｌ金属間化合物の表面に、Ｎｂ粉体をプラズマ溶射することで、ＴｉＡｌ金属間化合物の表面に、Ｎｂ金属コーティングを行った。
【００６０】
尚、参考のために説明すると、実施例２では、表面の油脂をアセトンで除去した後に、下地処理として、昭和電工製褐色アルミナ（品名：Ａ４３）粒度＃２０で表面のブラスト処理を行い、その後、Ｎｂ粉体のプラズマ溶射を行った。
【００６１】
尚、参考のために説明すると、実施例２では、具体的には、Ｎｂ金属粉は、正栄商会製純度９９．９％以上平均粒径３０μｍを用いた。
【００６２】
溶射装置として、スルザーメテコ社製Ｆ−４プラズマ溶射装置を用い、アルゴン（Ａｒ）ガス流量：４０Ｌｉｔｅｒ／ｍｉｎ、水素ガス流量：１０Ｌｉｔｅｒ／ｍｉｎ、電流：６００Ａで、Ｎｂ金属層の厚みが２００μｍとなるように、ＴｉＡｌ金属間化合物表面に、Ｎｂ粉体のプラズマ溶射を行った。
【００６３】
次に、ステップＳ２３において、Ｎｂ金属層を表面にコーティングしたＴｉＡｌ金属間化合物を溶融塩に浸漬させて、ＮｂＳｉ層を得た。
【００６４】
尚、参考のために説明すると、実施例２では、具体的には、溶融塩は、まず、２９．２ｗｔ％ＮａＣｌ、３７．３ｗｔ％ＫＣｌ、１２．５ｗｔ％ＮａＦ、１２．６ｗｔ％Ｎａ２ＳｉＦ６を均等に混ぜ合わせ、粉末塩とした。
【００６５】
そこに、８．４ｗｔ％のＳｉ粉末を入れ混ぜ合わせた。これらをムライト製のるつぼに入れ、試料を粉末に埋めた。続いて、大気中で熱処理を処理温度９００℃、処理時間０．５時間と１０時間で行った。熱処理後のるつぼの中には塩が固まっており、その中から、Ｎｂ金属層をコーティングしたＴｉＡｌ金属間化合物を取り出した。
【００６６】
次に、ステップＳ２４において、ＴｉＡｌ金属間化合物を鋳造時に発生する欠陥を除去するために、熱間静水圧プレスを行った。
【００６７】
尚、参考のために説明すると、実施例１では、ガスとしては、アルゴン（Ａｒ）ガスを用い、１０００気圧、１２５０℃で２時間保持することにより、ＴｉＡｌ金属間化合物内部の欠陥を除去した。
【００６８】
ＥＰＭＡ装置による元素分布の測定により、以上の工程により製造された耐酸化材料は、それぞれの処理時間に係わらず、図３と同様の、ＴｉＡｌ金属間化合物３１の表面上に、Ｎｂ層３２を有し、Ｎｂ層３２の上に、ＮｂＳｉ２層３４を有し、且つ、ＮｂＳｉ２層３４とＮｂ層３２との間に、ＮｂＳｉ２層３４側からＮｂ層３２に向かって、Ｓｉを、高い濃度から低い濃度に傾斜させたＳｉの濃度勾配を有する、Ｓｉが拡散したＮｂＳｉ層３３を有することを、確認した。
【００６９】
尚、０．５時間処理したものは、ＮｂＳｉ層の厚みが２μｍであり、１０時間処理したものは、ＮｂＳｉ層の厚みが１００μｍであった。
（酸化試験）
図５は、実施例１及び実施例２において得られた耐酸化材料の酸化試験の結果を示す図である。
【００７０】
尚、比較例として、耐酸化コーティングを施工していないものを用いも同様な酸化試験を実施した。
【００７１】
各材料について、大気中で、１０５０℃で、４００時間加熱するという酸化試験をした。
【００７２】
図５中、試料１は、比較例を、試料２は、実施例１で得た耐酸化材料を、試料３は、実施例２において、Ｎｂプラズマ溶射後、溶融塩処理を０．５時間行った耐酸化材料を、また、試料４は、実施例２において、Ｎｂプラズマ溶射後、溶融塩処理を１０時間行った耐酸化材料である。
【００７３】
酸化試験前後で、ＥＰＭＡによる酸化濃度分布測定では、比較例の試料１（耐酸化コーティング無し。）では、２００μｍ程度の酸化層と隔離した酸化物が観察されるのに対して、実施例１で得た試料１では、２０μｍ程度の酸化層が観察された。
【００７４】
また、Ｘ線回折では、実施例１で得た試料１では、その表面に、ＮｂＳｉ２とＮｂ２Ｏ５のみが検出され、ＴｉＡｌ金属間化合物の酸化が見られないのに対し、比較例の試料１では、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３などのＴｉＡｌ金属間化合物の酸化物が確認された。
【００７５】
このことにより、本発明に係る耐酸化材料は、耐酸化に対して、有効であることが判明した。
【００７６】
また、酸化試験前後で、ＥＰＭＡによる酸素濃度分布測定では、比較例の試料１では、２００μｍ程度の酸化物と隔離した酸化物が観察されるのに対し、実施例２の試料３では、ＮｂＳｉ２とＮｂ２Ｏ５のみが検出され、実施例２の試料４では、２０μｍ程度の酸化層が観察された。
【００７７】
実施例２の試料３及び試料４では、ＮｂＳｉ層が、酸化試験後でも残留しており、１０５０℃の高温でも、Ｎｂ層深部に拡散してＮｂＳｉ層を保持している、ということが判った。
【００７８】
また、Ｘ線回折では、実施例２の試料４では、その表面に、ＮｂＳｉ２とＮｂ２Ｏ５のみ検出され、ＴｉＡｌ金属間化合物の酸化物が見られないのに対し、比較例の試料１では、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３などのＴｉＡｌ金属間化合物の酸化物が確認された。
【００７９】
このことにより、高温における耐酸化に対しては、ＮｂＳｉ層が２μｍ以上あれば、有効であることが判明した。
【００８０】
以上、詳細に説明したように、本発明により、１０５０℃付近の高温中でも、ＴｉＡｌ金属間化合物からのＴｉＯ２やＡｌ２Ｏ３等の酸化層が形成することを防止することが可能となり、ＴｉＡｌ金属間化合物の耐酸化性を向上することが可能となった。
【００８１】
即ち、本発明に係る耐酸化材料は、高比強度で、高温強度が高く、耐酸化性に優れているので、例えば、乗用車用ターボチャージャーの排気タービン側の部品や、ジェットエンジンのブレード等の、高比強度で、高温強度が高く、耐酸化性に優れていることが要求される、部品などに幅広く、利用することができる。
【００８２】
また、本発明に係る耐酸化材料の製造方法を用いれば、高比強度で、高温強度が高く、耐酸化性に優れた、耐酸化材料を製造することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
本発明に係る耐酸化材料は、高比強度で、高温強度が高く、耐酸化性に優れているので、例えば、乗用車用ターボチャージャーの排気タービン側の部品や、ジェットエンジンのブレード等の、高比強度で、高温強度が高く、耐酸化性に優れていることが要求される、部品などに幅広く、利用することができる。
【００８４】
また、本発明に係る耐酸化材料の製造方法を用いれば、高比強度で、高温強度が高く、耐酸化性に優れた、耐酸化材料を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】本発明に係る耐酸化材料の製造方法の一例を概略的に示すフローチャートである。
【図２】ロストワックス法によるＴｉＡｌ金属間化合物鋳造方法の概念図を示す断面図である。
【図３】本発明に係る耐酸化材料を模式的に示す断面図である。
【図４】本発明に係る耐酸化材料の製造方法の他の一例を概略的に示すフローチャートである。
【図５】実施例１及び実施例２において得られた耐酸化材料の酸化試験の結果を示す図である。
【符号の説明】
【００８６】
１０ セラミックス消失金型
１１、３２ Ｎｂ層
１２ Ｓｉ層
１３、３１ ＴｉＡｌ金属間化合物
３３ ＮｂＳｉ層
３４ ＮｂＳｉ２層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＴｉＡｌ金属間化合物と、
前記ＴｉＡｌ金属間化合物の表面上に設けられたＮｂ層と、
前記Ｎｂ層上に設けられたＮｂＳｉ２層とを備え、且つ、
前記ＮｂＳｉ２層と前記Ｎｂ層との間に、前記ＮｂＳｉ２層側から前記Ｎｂ層に向かって、Ｓｉを、高い濃度から低い濃度に傾斜させたＳｉの濃度勾配を有する、Ｓｉが拡散したＮｂＳｉ層を有する、耐酸化材料。
【請求項２】
前記ＴｉＡｌ金属間化合物の表面上に、Ｎｂ層を、３μｍ以上２００μｍ以下の範囲の厚さで有する、請求項１に記載の耐酸化材料。
【請求項３】
前記Ｓｉが拡散したＮｂＳｉ層を、２μｍ以上１００μｍ以下の範囲の厚さで有する、請求項１又は請求項２に記載の耐酸化材料。
【請求項４】
ＴｉＡｌ金属間化合物の表面上に、Ｎｂ層を形成し、
前記Ｎｂ層の表面上にＳｉ層を形成した後、
前記Ｓｉ層のＳｉを前記Ｎｂ層に拡散し、
前記ＴｉＡｌ金属間化合物の表面上に、Ｎｂ層を有し、
前記Ｎｂ層上に、ＮｂＳｉ２層を有し、且つ、
前記ＮｂＳｉ２層と前記Ｎｂ層との間に、前記ＮｂＳｉ２層側から前記Ｎｂ層に向かって、Ｓｉを、高い濃度から低い濃度に傾斜させたＳｉの濃度勾配を有する、Ｓｉが拡散したＮｂＳｉ層を形成する、耐酸化材料の製造方法。
【請求項５】
ＴｉＡｌ金属間化合物の表面上に、Ｎｂ層を形成し、
前記Ｎｂ層が表面に形成されたＴｉＡｌ金属間化合物を、Ｓｉを含む溶融塩に浸漬し、
前記ＴｉＡｌ金属間化合物の表面上に、Ｎｂ層を有し、
前記Ｎｂ層上に、ＮｂＳｉ２層を有し、且つ、
前記ＮｂＳｉ２層と前記Ｎｂ層との間に、前記ＮｂＳｉ２層側から前記Ｎｂ層に向かって、Ｓｉを、高い濃度から低い濃度に傾斜させたＳｉの濃度勾配を有する、Ｓｉが拡散したＮｂＳｉ層を形成する、耐酸化材料の製造方法。
【請求項６】
前記ＴｉＡｌ金属間化合物の表面上に、Ｎｂ層を、３μｍ以上２００μｍ以下の範囲の厚さで形成した、請求項４又は請求項５に記載の耐酸化材料の製造方法。
【請求項７】
前記Ｓｉが拡散したＮｂＳｉが、２μｍ以上１００μｍ以下の範囲の厚さで形成されている、請求項４〜６のいずれかに記載の耐酸化材料の製造方法。
【請求項１】
ＴｉＡｌ金属間化合物と、
前記ＴｉＡｌ金属間化合物の表面上に設けられたＮｂ層と、
前記Ｎｂ層上に設けられたＮｂＳｉ２層とを備え、且つ、
前記ＮｂＳｉ２層と前記Ｎｂ層との間に、前記ＮｂＳｉ２層側から前記Ｎｂ層に向かって、Ｓｉを、高い濃度から低い濃度に傾斜させたＳｉの濃度勾配を有する、Ｓｉが拡散したＮｂＳｉ層を有する、耐酸化材料。
【請求項２】
前記ＴｉＡｌ金属間化合物の表面上に、Ｎｂ層を、３μｍ以上２００μｍ以下の範囲の厚さで有する、請求項１に記載の耐酸化材料。
【請求項３】
前記Ｓｉが拡散したＮｂＳｉ層を、２μｍ以上１００μｍ以下の範囲の厚さで有する、請求項１又は請求項２に記載の耐酸化材料。
【請求項４】
ＴｉＡｌ金属間化合物の表面上に、Ｎｂ層を形成し、
前記Ｎｂ層の表面上にＳｉ層を形成した後、
前記Ｓｉ層のＳｉを前記Ｎｂ層に拡散し、
前記ＴｉＡｌ金属間化合物の表面上に、Ｎｂ層を有し、
前記Ｎｂ層上に、ＮｂＳｉ２層を有し、且つ、
前記ＮｂＳｉ２層と前記Ｎｂ層との間に、前記ＮｂＳｉ２層側から前記Ｎｂ層に向かって、Ｓｉを、高い濃度から低い濃度に傾斜させたＳｉの濃度勾配を有する、Ｓｉが拡散したＮｂＳｉ層を形成する、耐酸化材料の製造方法。
【請求項５】
ＴｉＡｌ金属間化合物の表面上に、Ｎｂ層を形成し、
前記Ｎｂ層が表面に形成されたＴｉＡｌ金属間化合物を、Ｓｉを含む溶融塩に浸漬し、
前記ＴｉＡｌ金属間化合物の表面上に、Ｎｂ層を有し、
前記Ｎｂ層上に、ＮｂＳｉ２層を有し、且つ、
前記ＮｂＳｉ２層と前記Ｎｂ層との間に、前記ＮｂＳｉ２層側から前記Ｎｂ層に向かって、Ｓｉを、高い濃度から低い濃度に傾斜させたＳｉの濃度勾配を有する、Ｓｉが拡散したＮｂＳｉ層を形成する、耐酸化材料の製造方法。
【請求項６】
前記ＴｉＡｌ金属間化合物の表面上に、Ｎｂ層を、３μｍ以上２００μｍ以下の範囲の厚さで形成した、請求項４又は請求項５に記載の耐酸化材料の製造方法。
【請求項７】
前記Ｓｉが拡散したＮｂＳｉが、２μｍ以上１００μｍ以下の範囲の厚さで形成されている、請求項４〜６のいずれかに記載の耐酸化材料の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００８−１９６２（Ｐ２００８−１９６２Ａ）
【公開日】平成２０年１月１０日（２００８．１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１７４４１８（Ｐ２００６−１７４４１８）
【出願日】平成１８年６月２３日（２００６．６．２３）
【出願人】（５０４１５５２９３）国立大学法人島根大学 (113)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１月１０日（２００８．１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年６月２３日（２００６．６．２３）
【出願人】（５０４１５５２９３）国立大学法人島根大学 (113)
【Ｆターム（参考）】
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