Ｒｅが添加されたＮｉ３（Ｓｉ，Ｔｉ）金属間化合物合金及びその製造方法
【課題】機械的特性が向上したニッケル系金属間化合物を提供する。
【解決手段】本発明によれば、７．５〜１２．５原子％のＳｉ、４．５〜１０．５原子％のＴｉ、０．１〜５．０原子％のＲｅ、残部が不純物を除きＮｉからなる合計１００原子％の組成を有する金属間化合物の重量に対して２５以上５００以下重量ｐｐｍのＢを含有するＮｉ3（Ｓｉ，Ｔｉ）系金属間化合物が提供される。
【解決手段】本発明によれば、７．５〜１２．５原子％のＳｉ、４．５〜１０．５原子％のＴｉ、０．１〜５．０原子％のＲｅ、残部が不純物を除きＮｉからなる合計１００原子％の組成を有する金属間化合物の重量に対して２５以上５００以下重量ｐｐｍのＢを含有するＮｉ3（Ｓｉ，Ｔｉ）系金属間化合物が提供される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｒｅが添加されたニッケル系金属間化合物に関し、特に、Ｎｉ3（Ｓｉ，Ｔｉ）を基本組成とする金属間化合物（以下，「Ｎｉ3（Ｓｉ，Ｔｉ）系金属間化合物」と呼ぶ。）に関する。
【背景技術】
【０００２】
ニッケル系金属間化合物であるＮｉ3Ｓｉ金属間化合物は、高温強度、耐食性、耐酸化性などに優れた特性を有している。しかし、Ｎｉ3Ｓｉ金属間化合物は、粒界割れを起こしやすいため、常温で、より塑性加工が容易な金属間化合物が求められている。そこで、このＮｉ3Ｓｉ金属間化合物を改良する研究開発が進められている。例えば、加工性、特に、常温延性を有する金属間化合物として、ニッケル系金属間化合物であるＮｉ3（Ｓｉ，Ｔｉ）系金属間化合物が知られている（例えば、非特許文献１及び２参照）。
【０００３】
このようなＮｉ3（Ｓｉ，Ｔｉ）系金属間化合物には、例えば、０．３〜２．５重量％のＴｉ，０．５〜４．５重量％のＣｕの１種又は２種を含有する、Ｎｉ及びＳｉからなる合金が知られている（例えば、特許文献１参照）。この合金は、６０％を超える高濃度の硫酸に対して優れた耐食性を示すとともに延性も有するとされている。
また、耐食性に優れるとともに構造材として十分に満足できる延性、加工性をも兼備したＮｉ3（Ｓｉ，Ｔｉ）基合金材料として、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｔａ及びＢを含有する金属間化合物が知られている（例えば、特許文献２参照）。この金属間化合物は、ＴａとＣｕを複合添加されることにより、良好な延性が確保され、硫酸精製装置等の構造材料として有用とされている。
【０００４】
また、Ｎｉ3（Ｓｉ，Ｔｉ）系金属間化合物ではないが、高温特性の優れた材料として、Ｎｉ基超合金が知られている。このＮｉ基超合金は、母相であるγ相（Ｎｉ固溶体相）と、この母相中に分散析出したγ’相とを有し、γ’相がＮｉ3Ａｌを基本組成とする金属間化合物（Ｌ１2相）であり、構成相中の約６０〜７０ｖｏｌ％がγ’相で構成される。例えば、実用面において高温強度と高温における耐酸化性の両面においてバランスの取れたＮｉ基単結晶超合金として、Ａｌ，Ｔａ，Ｗ，Ｒｅ，Ｃｒ及びＲｕを主添加元素とするＮｉ基単結晶超合金が知られている（特許文献３参照）。この合金は、母相（γ相）の格子定数と析出相（γ’相）の格子定数とを最適な値に制御して優れた高温強度（クリープ強度）を実現する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平３−２５３５３２号公報
【特許文献２】特開平５−３２０７９４号公報
【特許文献３】特開２０１０−３１２９９号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】T. Takasugi et al., Journal of Materials Science 26, pp.1173-1178 (1991)
【非特許文献２】：T. Nakamura et al., Materials Science and Engineering A383(2004)259-270
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、従来のニッケル系金属間化合物が構造材料として用いられる場合、さらに機械的特性を向上することが望まれる。例えば、延性を保持しつつも高強度化されたニッケル系金属間化合物が望まれている。
【０００８】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、機械的特性が向上したニッケル系金属間化合物を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明によれば、７．５〜１２．５原子％のＳｉ、４．５〜１０．５原子％のＴｉ、０．１〜５．０原子％のＲｅ、残部が不純物を除きＮｉからなる合計１００原子％の組成を有する金属間化合物の重量に対して２５以上５００以下重量ｐｐｍのＢを含有するＮｉ3（Ｓｉ，Ｔｉ）系金属間化合物が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の発明者らは、鋭意研究をした結果、Ｎｉ3（Ｓｉ，Ｔｉ）を基本組成とする金属間化合物において、Ｎｉ又はＴｉの一部（例えば、２原子％）とＲｅを置換することにより、機械的特性が向上することを見出し、本発明の完成に到った。
本発明によれば、機械的特性が向上したニッケル系金属間化合物が提供される。例えば、延性を保持しつつも高強度化されたニッケル系金属間化合物が提供される。
【００１１】
以下、この発明の種々の実施形態を例示する。以下の記述中で示す構成は、例示であって、この発明の範囲は、以下の記述中で示すものに限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の効果実証実験における、各試料のＳＥＭ写真（ＳＥＩ：二次電子像）である。
【図２】本発明の効果実証実験における、各試料のＳＥＭ写真（ＢＥＩ：反射電子像）である。
【図３】本発明の効果実証実験での室温ビッカース硬さ試験の結果を示すグラフである。
【図４】本発明の効果実証実験での室温引張試験の結果を示すグラフである。
【図５】本発明の効果実証実験における引張試験後の各試料（Ｎｏ．２及びＮｏ．３）の破面のＳＥＭ写真である。（１）及び（２）が低倍率ＳＥＭ写真であり、（３）及び（４）が高倍率ＳＥＭ写真である。
【図６】本発明の効果実証実験における引張試験後の各試料（Ｎｏ．４及びＮｏ．５）の破面のＳＥＭ写真である。（１）及び（２）が低倍率ＳＥＭ写真であり、（３）及び（４）が高倍率ＳＥＭ写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明に係るＮｉ3（Ｓｉ，Ｔｉ）系金属間化合物は、７．５〜１２．５原子％のＳｉ、４．５〜１０．５原子％のＴｉ、０．１〜５．０原子％のＲｅ、残部が不純物を除きＮｉからなる合計１００原子％の組成を有する金属間化合物の重量に対して２５以上５００以下重量ｐｐｍのＢを含有する。
また、本発明の実施形態において、好ましくは、１０．０〜１２．０原子％のＳｉ、５．５〜１０．５原子％のＴｉ、０．５〜４．０原子％のＲｅ、残部が不純物を除きＮｉからなる合計１００原子％の組成を有する金属間化合物の重量に対して２５以上５００以下重量ｐｐｍのＢを含有する。
さらに、本発明の実施形態において、より好ましくは、Ｌ１2相と、前記Ｌ１2相に分散し、Ｎｉ及びＲｅを含有する第２相とで構成される。ここで、第２相は、Ｎｉ及びＲｅの両者を少なくとも含有すればよく、Ｎｉ及びＲｅに加えて、例えば、ＳｉやＴｉも含んでいてもよい。
【００１４】
本発明は、上記で説明したように、Ｎｉ又はＴｉの一部とＲｅを置換しているので、（１）ＮｉをＲｅで置換する実施形態と、（２）ＴｉをＲｅで置換する実施形態と、（３）Ｎｉ及びＴｉの両方をＲｅで置換する実施形態がある。
【００１５】
各元素の含有量を置換による実施形態で説明すると、（１）のＮｉ置換の実施形態において、７．５〜１２．５原子％のＳｉ、８．５〜１０．５原子％のＴｉ、０．１〜５．０原子％のＲｅ、残部が不純物を除きＮｉからなる合計１００原子％の組成を有する金属間化合物の重量に対して２５以上５００以下重量ｐｐｍのＢを含有する。また、好ましくは、１０．０〜１２．０原子％のＳｉ、８．５〜１０．５原子％のＴｉ、０．５〜４．０原子％のＲｅ、残部が不純物を除きＮｉからなる合計１００原子％の組成を有する金属間化合物の重量に対して２５以上５００以下重量ｐｐｍのＢを含有する。
【００１６】
また、（２）のＴｉ置換の実施形態において、７．５〜１２．５原子％のＳｉ、４．５〜９．４原子％のＴｉ、０．１〜５．０原子％のＲｅ、残部が不純物を除きＮｉからなる合計１００原子％の組成を有する金属間化合物の重量に対して２５以上５００以下重量ｐｐｍのＢを含有する。また、好ましくは、１０．０〜１２．０原子％のＳｉ、５．５〜９．０原子％のＴｉ、０．５〜４．０原子％のＲｅ、残部が不純物を除きＮｉからなる合計１００原子％の組成を有する金属間化合物の重量に対して２５以上５００以下重量ｐｐｍのＢを含有する。
【００１７】
また、（３）のＮｉ及びＴｉの両方を置換する実施形態において、７．５〜１２．５原子％のＳｉ、４．５〜１０．５原子％のＴｉ、０．１〜５．０原子％のＲｅ、残部が不純物を除きＮｉからなる合計１００原子％の組成を有する金属間化合物の重量に対して２５以上５００以下重量ｐｐｍのＢを含有する。また、好ましくは、１０．０〜１２．０原子％のＳｉ、５．５〜１０．５原子％のＴｉ、０．５〜４．０原子％のＲｅ、残部が不純物を除きＮｉからなる合計１００原子％の組成を有する金属間化合物の重量に対して２５以上５００以下重量ｐｐｍのＢを含有する。
【００１８】
（１）のＮｉ置換の実施形態、（２）のＴｉ置換の実施形態、及び（３）のＮｉ及びＴｉ置換の実施形態、いずれの形態においても、機械的特性が向上したＮｉ3（Ｓｉ，Ｔｉ）系金属間化合物が提供される。例えば、延性を保持しつつも高強度化される。
【００１９】
次に、これらの実施形態の各元素について詳述する。なお、この明細書において「〜」の記載は、特に記載がない限り、数値範囲の両端を含む。
【００２０】
Ｎｉの含有量は、例えば，７４．５〜８１．０原子％であり、好ましくは，７５．５〜８０．５原子％である。より詳細には、（１）のＮｉ置換の実施形態の場合、Ｎｉの含有量が７４．５〜７９．４原子％であり。好ましくは、７５．５〜７９．０原子％である。また（２）のＴｉ置換の実施形態の場合、Ｎｉの含有量が７８．５〜８１．０原子％であり、好ましくは、７８．５〜８０．５原子％である。また、（３）のＮｉ及びＴｉ置換の実施形態の場合、Ｎｉの含有量が７４．５〜８１．０原子％であり、好ましくは，７５．５〜８０．５原子％である。
Ｎｉの具体的な含有量は、例えば，７４．５、７５．０，７５．５，７６．０，７６．５，７７．０，７８．０，７８．５，７９．０，７９．５，８０．０，８０．５又は８１．０原子％である。Ｎｉの含有量の範囲は、ここで例示した数値の何れか２つの間であってもよい。
【００２１】
Ｓｉの含有量は、７．５〜１２．５原子％であり、好ましくは、１０．０〜１２．０原子％である。Ｓｉの具体的な含有量は、例えば，７．５，８．０，８．５，９．０，９．５，１０．０，１０．５，１１．０，１１．５，１２．０又は１２．５原子％である。Ｓｉの含有量の範囲は、ここで例示した数値の何れか２つの間であってもよい。
【００２２】
Ｔｉの含有量は、４．５〜１０．５原子％であり、好ましくは、５．５〜１０．５原子％である。より詳細には、（１）のＮｉ置換の実施形態の場合、Ｔｉの含有量が８．５〜１０．５原子％である。また（２）のＴｉ置換の実施形態の場合、Ｔｉの含有量が４．５〜９．４原子％であり、好ましくは、５．５〜９．０原子％である。また（３）のＮｉ及びＴｉ置換の実施形態の場合、Ｔｉの含有量が４．５〜１０．５原子％であり、好ましくは、５．５〜１０．５原子％である。
Ｔｉの具体的な含有量は、例えば、４．５，５．０，５．５，６．０，６．５，７．０，７．５，８．０，８．５，９．０，９．５，１０．０又は１０．５原子％である。Ｔｉの含有量の範囲は、ここで例示した数値の何れか２つの間であってもよい。
【００２３】
Ｒｅの含有量は、０．１〜５．０原子％であり、好ましくは、０．５〜４．０原子％である。Ｒｅの具体的な含有量は、例えば，０．１，０．２５，０．５，０．７５，１．０，１．５，２．０，２．５，３．０，３．５，４．０，４．５又は５．０原子％である。Ｒｅの含有量の範囲は、ここで例示した数値の何れか２つの間であってもよい。
【００２４】
ここで、（１）のＮｉ置換の実施形態の場合、Ｎｉ及びＲｅの含有量は合計で７８．５〜８１．０原子％であり、好ましくは、７８．５〜８０．５原子％である。また、（２）のＴｉ置換の実施形態の場合、Ｔｉ及びＲｅの含有量は合計で、例えば、８．５〜１０．５原子％である。また（３）のＮｉ及びＴｉ置換の実施形態の場合、Ｎｉ及びＲｅの含有量が合計で７８．５〜８１．０原子％であり、かつＴｉ及びＲｅの含有量が合計で、例えば、８．５〜１０．５原子％である。好ましくは、Ｎｉ及びＲｅの含有量が７８．５〜８０．５原子％である。
【００２５】
上記各元素の含有量は、Ｎｉ，Ｓｉ，Ｔｉ及びＲｅの含有量の合計が１００原子％になるように適宜調整される。
【００２６】
Ｂの含有量は、２５〜５００重量ｐｐｍ，好ましくは，２５〜１００重量ｐｐｍである。Ｂの具体的な含有量は、例えば，２５，４０，５０，６０，７５，１００，１５０，２００，３００，４００又は５００重量ｐｐｍである。Ｂの含有量の範囲は、ここで例示した数値の何れか２つの間であってもよい。
【００２７】
なお、この実施形態に係るＮｉ3（Ｓｉ，Ｔｉ）系金属間化合物は、実質的にＮｉ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｂ及びＲｅの元素からなってもよく、これ以外の不純物元素を含んでいてもよい。例えば、上記不純物元素は不可避的不純物であり、実質的にＮｉ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｂ及びＲｅの元素のみからなるＮｉ3（Ｓｉ，Ｔｉ）系金属間化合物であってもよい。
【００２８】
本発明の実施形態に係るＮｉ3（Ｓｉ，Ｔｉ）系金属間化合物は、各元素が上記で説明した割合となるように金属地金を秤量し、これを加熱して溶解し、この溶湯を冷却することにより凝固することで得られる。なお、凝固により得られたＮｉ3（Ｓｉ，Ｔｉ）系金属間化合物に均質化熱処理を行ってもよい。この処理により、元素の偏析をなくし、組織を均一にすることができる。
【００２９】
（効果実証実験１）
次に、効果実証実験１について説明する。以下の実験では、均質化熱処理を施した鋳造材を作製し作製された合金について、ＳＥＭ組織観察、硬さ測定、室温引張試験を行い、その特性を調べた。
【００３０】
（金属間化合物の作製）
（合金の作製）
まず、表１のＮｏ．１〜Ｎｏ．５に示す割合のＮｉ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｒｅ，Ｃｕの地金（それぞれ純度９９．９重量％）及びＢをアーク溶解炉内の鋳型中で溶解、凝固することによって鋳造材（３０〜５０ｍｍφの小型ボタン状の合金）を作製した。
【００３１】
上記アーク溶解炉の雰囲気は、溶解室内を真空排気し、その後不活性ガス（アルゴンガス）に置換した。電極は、非消耗タングステン電極を用い、鋳型には水冷式銅ハースを使用した。
【００３２】
【表１】
【００３３】
ここで、表１において、Ｎｏ．２及びＮｏ．３の試料が実施例であり、Ｎｏ．１及びＮｏ．４及びＮｏ．５が比較例である。
なお、表１におけるＢの割合は、Ｎｉ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｒｅ，Ｃｕを含む合計１００原子％の組成に対する数値である。
【００３４】
次いで、上記鋳塊を均質化するために、真空中で４８時間、１０５０℃で保持する均質化熱処理を行った。以上により、試料を作製した。
【００３５】
（１）組織観察
まず、上記のようにして作製した実施例試料について、ＳＥＭ組織観察を行った。図１及び図２にその写真を示す。図１は、本発明の効果実証実験における、各試料のＳＥＭ写真（ＳＥＩ：二次電子像）であり、図２は、本発明の効果実証実験における、各試料のＳＥＭ写真（ＢＥＩ：反射電子像）である。図１において、（１）ＢａｓｅがＮｏ．１試料、（２）２Ｒｅ（⇔Ｔｉ）がＮｏ．２試料、（３）２Ｒｅ（⇔Ｎｉ）がＮｏ．３試料、（４）２Ｃｕ（⇔Ｔｉ）がＮｏ．４試料、（５）２Ｃｕ（⇔Ｎｉ）がＮｏ．５試料である。また、数値は室温ビッカース硬さの値を示している。図１において、室温ビッカース硬さはそれぞれ（１）が３９５、（２）が３７６、（３）が４３３、（４）が３４４、（５）が４１８である。
また、図２において、（１）２Ｒｅ（⇔Ｔｉ）がＮｏ．２試料、（２）２Ｒｅ（⇔Ｎｉ）がＮｏ．３試料、（３）２Ｃｕ（⇔Ｔｉ）がＮｏ．４試料、（４）２Ｃｕ（⇔Ｎｉ）がＮｏ．５試料である。
【００３６】
図１及び図２を参照すると、Ｎｏ．１試料が単相であるのに対し、Ｎｏ．２試料〜Ｎｏ．５試料は、マトリックスと、マトリックスと組成が異なる第２相とで構成されていることがわかる。Ｎｏ．１試料がＬ１2相で構成されることが従来から知られていることからすると、Ｎｏ．２試料〜Ｎｏ．５試料には、Ｌ１2マトリックスに第２相が分散していることがわかる。
【００３７】
（２）ビッカース硬さ試験
次に、各試料についてビッカース硬さ試験を行った。ビッカース硬さ試験は、室温で、各試料に正４角錐のダイヤモンド製圧子を押し込むことによって行った。この試験では、荷重は１０００ｇ（１ｋｇ）を主として用い、保持時間は２０秒とした。表２及び図３にその結果を示す。表２は、本発明の効果実証実験での室温ビッカース硬さ試験の結果を示す表である。また、図３は、本発明の効果実証実験での室温ビッカース硬さ試験の結果を示すグラフである。図３において、「１．Ｂａｓｅ」がＮｏ．１試料、「２．２Ｒｅ（⇔Ｔｉ）」がＮｏ．２試料、「３．２Ｒｅ（⇔Ｎｉ）」がＮｏ．３試料、「４．２Ｃｕ（⇔Ｔｉ）」がＮｏ．４試料、「５．２Ｃｕ（⇔Ｎｉ）」がＮｏ．５試料である。
【００３８】
【表２】
【００３９】
表２及び図３を参照すると、Ｎｏ．２試料及びＮｏ．３試料は、Ｎｏ．１試料と同程度かやや高いビッカース硬さを示し、さほど硬化していないことがわかる。これにより、後述する延性が確保されていると考えられる。
【００４０】
（３）室温引張試験
次に、各試料について引張試験を行った。引張試験は、ゲージ部が１０×２×１ｍｍ3の試験片を用いて、室温、真空中、歪み速度１．６６×１０-4ｓ-1の条件で行った。その結果を表３及び図４に示す。表３は、各試料の引張強度、０．２％耐力及び伸びを示す表である。また図４は、本発明の効果実証実験での室温引張試験の結果を示すグラフであり、応力ーひずみ曲線である。
【００４１】
【表３】
【００４２】
表３及び図４を参照すると、Ｎｏ．２試料及びＮｏ．３試料は、Ｎｏ．４試料及びＮｏ．５と同等の伸びを示すことがわかる。また、Ｎｏ．２試料及びＮｏ．３試料は、このような伸びを示すにもかかわらず、引張強度がＮｏ．４試料及びＮｏ．５試料よりも約４００ＭＰａも上昇し、０．２％耐力も上昇していることがわかる。
【００４３】
次に、上記引張試験後、各試料について、その破断面を観察した。図５及び図６にその結果を示す。図５は、本発明の効果実証実験における引張試験後の各試料（Ｎｏ．２及びＮｏ．３）の破面のＳＥＭ写真である。また、図６は、本発明の効果実証実験における引張試験後の各試料（Ｎｏ．４及びＮｏ．５）の破面のＳＥＭ写真である。図５及び図６において、（１）及び（２）が低倍率ＳＥＭ写真であり、（３）及び（４）が高倍率ＳＥＭ写真である。
【００４４】
図５及び図６を参照すると、Ｎｏ．４試料及びＮｏ．５試料がディンプル状の延性破面を呈しているのに対し、Ｎｏ．２試料及びＮｏ．３試料がディンプル状の破壊形態であるものの、一部領域には粒界破壊あるいは層間剥離と考えられる破面箇所も観察される。この観察から、Ｎｉ3（Ｓｉ，Ｔｉ）合金にＲｅを含有させると、破壊形態が変化し、伸びが維持された状態で引張強度が向上することがわかった。これは第２相の影響と考えられる。
【００４５】
以上の効果実証実験から、Ｎｉ3（Ｓｉ，Ｔｉ）にＲｅを含有させると、延性が保持され、かつ高強度化されることがわかった。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｒｅが添加されたニッケル系金属間化合物に関し、特に、Ｎｉ3（Ｓｉ，Ｔｉ）を基本組成とする金属間化合物（以下，「Ｎｉ3（Ｓｉ，Ｔｉ）系金属間化合物」と呼ぶ。）に関する。
【背景技術】
【０００２】
ニッケル系金属間化合物であるＮｉ3Ｓｉ金属間化合物は、高温強度、耐食性、耐酸化性などに優れた特性を有している。しかし、Ｎｉ3Ｓｉ金属間化合物は、粒界割れを起こしやすいため、常温で、より塑性加工が容易な金属間化合物が求められている。そこで、このＮｉ3Ｓｉ金属間化合物を改良する研究開発が進められている。例えば、加工性、特に、常温延性を有する金属間化合物として、ニッケル系金属間化合物であるＮｉ3（Ｓｉ，Ｔｉ）系金属間化合物が知られている（例えば、非特許文献１及び２参照）。
【０００３】
このようなＮｉ3（Ｓｉ，Ｔｉ）系金属間化合物には、例えば、０．３〜２．５重量％のＴｉ，０．５〜４．５重量％のＣｕの１種又は２種を含有する、Ｎｉ及びＳｉからなる合金が知られている（例えば、特許文献１参照）。この合金は、６０％を超える高濃度の硫酸に対して優れた耐食性を示すとともに延性も有するとされている。
また、耐食性に優れるとともに構造材として十分に満足できる延性、加工性をも兼備したＮｉ3（Ｓｉ，Ｔｉ）基合金材料として、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｔａ及びＢを含有する金属間化合物が知られている（例えば、特許文献２参照）。この金属間化合物は、ＴａとＣｕを複合添加されることにより、良好な延性が確保され、硫酸精製装置等の構造材料として有用とされている。
【０００４】
また、Ｎｉ3（Ｓｉ，Ｔｉ）系金属間化合物ではないが、高温特性の優れた材料として、Ｎｉ基超合金が知られている。このＮｉ基超合金は、母相であるγ相（Ｎｉ固溶体相）と、この母相中に分散析出したγ’相とを有し、γ’相がＮｉ3Ａｌを基本組成とする金属間化合物（Ｌ１2相）であり、構成相中の約６０〜７０ｖｏｌ％がγ’相で構成される。例えば、実用面において高温強度と高温における耐酸化性の両面においてバランスの取れたＮｉ基単結晶超合金として、Ａｌ，Ｔａ，Ｗ，Ｒｅ，Ｃｒ及びＲｕを主添加元素とするＮｉ基単結晶超合金が知られている（特許文献３参照）。この合金は、母相（γ相）の格子定数と析出相（γ’相）の格子定数とを最適な値に制御して優れた高温強度（クリープ強度）を実現する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平３−２５３５３２号公報
【特許文献２】特開平５−３２０７９４号公報
【特許文献３】特開２０１０−３１２９９号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】T. Takasugi et al., Journal of Materials Science 26, pp.1173-1178 (1991)
【非特許文献２】：T. Nakamura et al., Materials Science and Engineering A383(2004)259-270
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、従来のニッケル系金属間化合物が構造材料として用いられる場合、さらに機械的特性を向上することが望まれる。例えば、延性を保持しつつも高強度化されたニッケル系金属間化合物が望まれている。
【０００８】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、機械的特性が向上したニッケル系金属間化合物を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明によれば、７．５〜１２．５原子％のＳｉ、４．５〜１０．５原子％のＴｉ、０．１〜５．０原子％のＲｅ、残部が不純物を除きＮｉからなる合計１００原子％の組成を有する金属間化合物の重量に対して２５以上５００以下重量ｐｐｍのＢを含有するＮｉ3（Ｓｉ，Ｔｉ）系金属間化合物が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の発明者らは、鋭意研究をした結果、Ｎｉ3（Ｓｉ，Ｔｉ）を基本組成とする金属間化合物において、Ｎｉ又はＴｉの一部（例えば、２原子％）とＲｅを置換することにより、機械的特性が向上することを見出し、本発明の完成に到った。
本発明によれば、機械的特性が向上したニッケル系金属間化合物が提供される。例えば、延性を保持しつつも高強度化されたニッケル系金属間化合物が提供される。
【００１１】
以下、この発明の種々の実施形態を例示する。以下の記述中で示す構成は、例示であって、この発明の範囲は、以下の記述中で示すものに限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の効果実証実験における、各試料のＳＥＭ写真（ＳＥＩ：二次電子像）である。
【図２】本発明の効果実証実験における、各試料のＳＥＭ写真（ＢＥＩ：反射電子像）である。
【図３】本発明の効果実証実験での室温ビッカース硬さ試験の結果を示すグラフである。
【図４】本発明の効果実証実験での室温引張試験の結果を示すグラフである。
【図５】本発明の効果実証実験における引張試験後の各試料（Ｎｏ．２及びＮｏ．３）の破面のＳＥＭ写真である。（１）及び（２）が低倍率ＳＥＭ写真であり、（３）及び（４）が高倍率ＳＥＭ写真である。
【図６】本発明の効果実証実験における引張試験後の各試料（Ｎｏ．４及びＮｏ．５）の破面のＳＥＭ写真である。（１）及び（２）が低倍率ＳＥＭ写真であり、（３）及び（４）が高倍率ＳＥＭ写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明に係るＮｉ3（Ｓｉ，Ｔｉ）系金属間化合物は、７．５〜１２．５原子％のＳｉ、４．５〜１０．５原子％のＴｉ、０．１〜５．０原子％のＲｅ、残部が不純物を除きＮｉからなる合計１００原子％の組成を有する金属間化合物の重量に対して２５以上５００以下重量ｐｐｍのＢを含有する。
また、本発明の実施形態において、好ましくは、１０．０〜１２．０原子％のＳｉ、５．５〜１０．５原子％のＴｉ、０．５〜４．０原子％のＲｅ、残部が不純物を除きＮｉからなる合計１００原子％の組成を有する金属間化合物の重量に対して２５以上５００以下重量ｐｐｍのＢを含有する。
さらに、本発明の実施形態において、より好ましくは、Ｌ１2相と、前記Ｌ１2相に分散し、Ｎｉ及びＲｅを含有する第２相とで構成される。ここで、第２相は、Ｎｉ及びＲｅの両者を少なくとも含有すればよく、Ｎｉ及びＲｅに加えて、例えば、ＳｉやＴｉも含んでいてもよい。
【００１４】
本発明は、上記で説明したように、Ｎｉ又はＴｉの一部とＲｅを置換しているので、（１）ＮｉをＲｅで置換する実施形態と、（２）ＴｉをＲｅで置換する実施形態と、（３）Ｎｉ及びＴｉの両方をＲｅで置換する実施形態がある。
【００１５】
各元素の含有量を置換による実施形態で説明すると、（１）のＮｉ置換の実施形態において、７．５〜１２．５原子％のＳｉ、８．５〜１０．５原子％のＴｉ、０．１〜５．０原子％のＲｅ、残部が不純物を除きＮｉからなる合計１００原子％の組成を有する金属間化合物の重量に対して２５以上５００以下重量ｐｐｍのＢを含有する。また、好ましくは、１０．０〜１２．０原子％のＳｉ、８．５〜１０．５原子％のＴｉ、０．５〜４．０原子％のＲｅ、残部が不純物を除きＮｉからなる合計１００原子％の組成を有する金属間化合物の重量に対して２５以上５００以下重量ｐｐｍのＢを含有する。
【００１６】
また、（２）のＴｉ置換の実施形態において、７．５〜１２．５原子％のＳｉ、４．５〜９．４原子％のＴｉ、０．１〜５．０原子％のＲｅ、残部が不純物を除きＮｉからなる合計１００原子％の組成を有する金属間化合物の重量に対して２５以上５００以下重量ｐｐｍのＢを含有する。また、好ましくは、１０．０〜１２．０原子％のＳｉ、５．５〜９．０原子％のＴｉ、０．５〜４．０原子％のＲｅ、残部が不純物を除きＮｉからなる合計１００原子％の組成を有する金属間化合物の重量に対して２５以上５００以下重量ｐｐｍのＢを含有する。
【００１７】
また、（３）のＮｉ及びＴｉの両方を置換する実施形態において、７．５〜１２．５原子％のＳｉ、４．５〜１０．５原子％のＴｉ、０．１〜５．０原子％のＲｅ、残部が不純物を除きＮｉからなる合計１００原子％の組成を有する金属間化合物の重量に対して２５以上５００以下重量ｐｐｍのＢを含有する。また、好ましくは、１０．０〜１２．０原子％のＳｉ、５．５〜１０．５原子％のＴｉ、０．５〜４．０原子％のＲｅ、残部が不純物を除きＮｉからなる合計１００原子％の組成を有する金属間化合物の重量に対して２５以上５００以下重量ｐｐｍのＢを含有する。
【００１８】
（１）のＮｉ置換の実施形態、（２）のＴｉ置換の実施形態、及び（３）のＮｉ及びＴｉ置換の実施形態、いずれの形態においても、機械的特性が向上したＮｉ3（Ｓｉ，Ｔｉ）系金属間化合物が提供される。例えば、延性を保持しつつも高強度化される。
【００１９】
次に、これらの実施形態の各元素について詳述する。なお、この明細書において「〜」の記載は、特に記載がない限り、数値範囲の両端を含む。
【００２０】
Ｎｉの含有量は、例えば，７４．５〜８１．０原子％であり、好ましくは，７５．５〜８０．５原子％である。より詳細には、（１）のＮｉ置換の実施形態の場合、Ｎｉの含有量が７４．５〜７９．４原子％であり。好ましくは、７５．５〜７９．０原子％である。また（２）のＴｉ置換の実施形態の場合、Ｎｉの含有量が７８．５〜８１．０原子％であり、好ましくは、７８．５〜８０．５原子％である。また、（３）のＮｉ及びＴｉ置換の実施形態の場合、Ｎｉの含有量が７４．５〜８１．０原子％であり、好ましくは，７５．５〜８０．５原子％である。
Ｎｉの具体的な含有量は、例えば，７４．５、７５．０，７５．５，７６．０，７６．５，７７．０，７８．０，７８．５，７９．０，７９．５，８０．０，８０．５又は８１．０原子％である。Ｎｉの含有量の範囲は、ここで例示した数値の何れか２つの間であってもよい。
【００２１】
Ｓｉの含有量は、７．５〜１２．５原子％であり、好ましくは、１０．０〜１２．０原子％である。Ｓｉの具体的な含有量は、例えば，７．５，８．０，８．５，９．０，９．５，１０．０，１０．５，１１．０，１１．５，１２．０又は１２．５原子％である。Ｓｉの含有量の範囲は、ここで例示した数値の何れか２つの間であってもよい。
【００２２】
Ｔｉの含有量は、４．５〜１０．５原子％であり、好ましくは、５．５〜１０．５原子％である。より詳細には、（１）のＮｉ置換の実施形態の場合、Ｔｉの含有量が８．５〜１０．５原子％である。また（２）のＴｉ置換の実施形態の場合、Ｔｉの含有量が４．５〜９．４原子％であり、好ましくは、５．５〜９．０原子％である。また（３）のＮｉ及びＴｉ置換の実施形態の場合、Ｔｉの含有量が４．５〜１０．５原子％であり、好ましくは、５．５〜１０．５原子％である。
Ｔｉの具体的な含有量は、例えば、４．５，５．０，５．５，６．０，６．５，７．０，７．５，８．０，８．５，９．０，９．５，１０．０又は１０．５原子％である。Ｔｉの含有量の範囲は、ここで例示した数値の何れか２つの間であってもよい。
【００２３】
Ｒｅの含有量は、０．１〜５．０原子％であり、好ましくは、０．５〜４．０原子％である。Ｒｅの具体的な含有量は、例えば，０．１，０．２５，０．５，０．７５，１．０，１．５，２．０，２．５，３．０，３．５，４．０，４．５又は５．０原子％である。Ｒｅの含有量の範囲は、ここで例示した数値の何れか２つの間であってもよい。
【００２４】
ここで、（１）のＮｉ置換の実施形態の場合、Ｎｉ及びＲｅの含有量は合計で７８．５〜８１．０原子％であり、好ましくは、７８．５〜８０．５原子％である。また、（２）のＴｉ置換の実施形態の場合、Ｔｉ及びＲｅの含有量は合計で、例えば、８．５〜１０．５原子％である。また（３）のＮｉ及びＴｉ置換の実施形態の場合、Ｎｉ及びＲｅの含有量が合計で７８．５〜８１．０原子％であり、かつＴｉ及びＲｅの含有量が合計で、例えば、８．５〜１０．５原子％である。好ましくは、Ｎｉ及びＲｅの含有量が７８．５〜８０．５原子％である。
【００２５】
上記各元素の含有量は、Ｎｉ，Ｓｉ，Ｔｉ及びＲｅの含有量の合計が１００原子％になるように適宜調整される。
【００２６】
Ｂの含有量は、２５〜５００重量ｐｐｍ，好ましくは，２５〜１００重量ｐｐｍである。Ｂの具体的な含有量は、例えば，２５，４０，５０，６０，７５，１００，１５０，２００，３００，４００又は５００重量ｐｐｍである。Ｂの含有量の範囲は、ここで例示した数値の何れか２つの間であってもよい。
【００２７】
なお、この実施形態に係るＮｉ3（Ｓｉ，Ｔｉ）系金属間化合物は、実質的にＮｉ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｂ及びＲｅの元素からなってもよく、これ以外の不純物元素を含んでいてもよい。例えば、上記不純物元素は不可避的不純物であり、実質的にＮｉ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｂ及びＲｅの元素のみからなるＮｉ3（Ｓｉ，Ｔｉ）系金属間化合物であってもよい。
【００２８】
本発明の実施形態に係るＮｉ3（Ｓｉ，Ｔｉ）系金属間化合物は、各元素が上記で説明した割合となるように金属地金を秤量し、これを加熱して溶解し、この溶湯を冷却することにより凝固することで得られる。なお、凝固により得られたＮｉ3（Ｓｉ，Ｔｉ）系金属間化合物に均質化熱処理を行ってもよい。この処理により、元素の偏析をなくし、組織を均一にすることができる。
【００２９】
（効果実証実験１）
次に、効果実証実験１について説明する。以下の実験では、均質化熱処理を施した鋳造材を作製し作製された合金について、ＳＥＭ組織観察、硬さ測定、室温引張試験を行い、その特性を調べた。
【００３０】
（金属間化合物の作製）
（合金の作製）
まず、表１のＮｏ．１〜Ｎｏ．５に示す割合のＮｉ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｒｅ，Ｃｕの地金（それぞれ純度９９．９重量％）及びＢをアーク溶解炉内の鋳型中で溶解、凝固することによって鋳造材（３０〜５０ｍｍφの小型ボタン状の合金）を作製した。
【００３１】
上記アーク溶解炉の雰囲気は、溶解室内を真空排気し、その後不活性ガス（アルゴンガス）に置換した。電極は、非消耗タングステン電極を用い、鋳型には水冷式銅ハースを使用した。
【００３２】
【表１】
【００３３】
ここで、表１において、Ｎｏ．２及びＮｏ．３の試料が実施例であり、Ｎｏ．１及びＮｏ．４及びＮｏ．５が比較例である。
なお、表１におけるＢの割合は、Ｎｉ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｒｅ，Ｃｕを含む合計１００原子％の組成に対する数値である。
【００３４】
次いで、上記鋳塊を均質化するために、真空中で４８時間、１０５０℃で保持する均質化熱処理を行った。以上により、試料を作製した。
【００３５】
（１）組織観察
まず、上記のようにして作製した実施例試料について、ＳＥＭ組織観察を行った。図１及び図２にその写真を示す。図１は、本発明の効果実証実験における、各試料のＳＥＭ写真（ＳＥＩ：二次電子像）であり、図２は、本発明の効果実証実験における、各試料のＳＥＭ写真（ＢＥＩ：反射電子像）である。図１において、（１）ＢａｓｅがＮｏ．１試料、（２）２Ｒｅ（⇔Ｔｉ）がＮｏ．２試料、（３）２Ｒｅ（⇔Ｎｉ）がＮｏ．３試料、（４）２Ｃｕ（⇔Ｔｉ）がＮｏ．４試料、（５）２Ｃｕ（⇔Ｎｉ）がＮｏ．５試料である。また、数値は室温ビッカース硬さの値を示している。図１において、室温ビッカース硬さはそれぞれ（１）が３９５、（２）が３７６、（３）が４３３、（４）が３４４、（５）が４１８である。
また、図２において、（１）２Ｒｅ（⇔Ｔｉ）がＮｏ．２試料、（２）２Ｒｅ（⇔Ｎｉ）がＮｏ．３試料、（３）２Ｃｕ（⇔Ｔｉ）がＮｏ．４試料、（４）２Ｃｕ（⇔Ｎｉ）がＮｏ．５試料である。
【００３６】
図１及び図２を参照すると、Ｎｏ．１試料が単相であるのに対し、Ｎｏ．２試料〜Ｎｏ．５試料は、マトリックスと、マトリックスと組成が異なる第２相とで構成されていることがわかる。Ｎｏ．１試料がＬ１2相で構成されることが従来から知られていることからすると、Ｎｏ．２試料〜Ｎｏ．５試料には、Ｌ１2マトリックスに第２相が分散していることがわかる。
【００３７】
（２）ビッカース硬さ試験
次に、各試料についてビッカース硬さ試験を行った。ビッカース硬さ試験は、室温で、各試料に正４角錐のダイヤモンド製圧子を押し込むことによって行った。この試験では、荷重は１０００ｇ（１ｋｇ）を主として用い、保持時間は２０秒とした。表２及び図３にその結果を示す。表２は、本発明の効果実証実験での室温ビッカース硬さ試験の結果を示す表である。また、図３は、本発明の効果実証実験での室温ビッカース硬さ試験の結果を示すグラフである。図３において、「１．Ｂａｓｅ」がＮｏ．１試料、「２．２Ｒｅ（⇔Ｔｉ）」がＮｏ．２試料、「３．２Ｒｅ（⇔Ｎｉ）」がＮｏ．３試料、「４．２Ｃｕ（⇔Ｔｉ）」がＮｏ．４試料、「５．２Ｃｕ（⇔Ｎｉ）」がＮｏ．５試料である。
【００３８】
【表２】
【００３９】
表２及び図３を参照すると、Ｎｏ．２試料及びＮｏ．３試料は、Ｎｏ．１試料と同程度かやや高いビッカース硬さを示し、さほど硬化していないことがわかる。これにより、後述する延性が確保されていると考えられる。
【００４０】
（３）室温引張試験
次に、各試料について引張試験を行った。引張試験は、ゲージ部が１０×２×１ｍｍ3の試験片を用いて、室温、真空中、歪み速度１．６６×１０-4ｓ-1の条件で行った。その結果を表３及び図４に示す。表３は、各試料の引張強度、０．２％耐力及び伸びを示す表である。また図４は、本発明の効果実証実験での室温引張試験の結果を示すグラフであり、応力ーひずみ曲線である。
【００４１】
【表３】
【００４２】
表３及び図４を参照すると、Ｎｏ．２試料及びＮｏ．３試料は、Ｎｏ．４試料及びＮｏ．５と同等の伸びを示すことがわかる。また、Ｎｏ．２試料及びＮｏ．３試料は、このような伸びを示すにもかかわらず、引張強度がＮｏ．４試料及びＮｏ．５試料よりも約４００ＭＰａも上昇し、０．２％耐力も上昇していることがわかる。
【００４３】
次に、上記引張試験後、各試料について、その破断面を観察した。図５及び図６にその結果を示す。図５は、本発明の効果実証実験における引張試験後の各試料（Ｎｏ．２及びＮｏ．３）の破面のＳＥＭ写真である。また、図６は、本発明の効果実証実験における引張試験後の各試料（Ｎｏ．４及びＮｏ．５）の破面のＳＥＭ写真である。図５及び図６において、（１）及び（２）が低倍率ＳＥＭ写真であり、（３）及び（４）が高倍率ＳＥＭ写真である。
【００４４】
図５及び図６を参照すると、Ｎｏ．４試料及びＮｏ．５試料がディンプル状の延性破面を呈しているのに対し、Ｎｏ．２試料及びＮｏ．３試料がディンプル状の破壊形態であるものの、一部領域には粒界破壊あるいは層間剥離と考えられる破面箇所も観察される。この観察から、Ｎｉ3（Ｓｉ，Ｔｉ）合金にＲｅを含有させると、破壊形態が変化し、伸びが維持された状態で引張強度が向上することがわかった。これは第２相の影響と考えられる。
【００４５】
以上の効果実証実験から、Ｎｉ3（Ｓｉ，Ｔｉ）にＲｅを含有させると、延性が保持され、かつ高強度化されることがわかった。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
７．５〜１２．５原子％のＳｉ、４．５〜１０．５原子％のＴｉ、０．１〜５．０原子％のＲｅ、残部が不純物を除きＮｉからなる合計１００原子％の組成を有する金属間化合物の重量に対して２５以上５００以下重量ｐｐｍのＢを含有するＮｉ3（Ｓｉ，Ｔｉ）系金属間化合物。
【請求項２】
１０．０〜１２．０原子％のＳｉ、５．５〜１０．５原子％のＴｉ、０．５〜４．０原子％のＲｅ、残部が不純物を除きＮｉからなる合計１００原子％の組成を有する金属間化合物の重量に対して２５以上５００以下重量ｐｐｍのＢを含有するＮｉ3（Ｓｉ，Ｔｉ）系金属間化合物。
【請求項３】
Ｌ１2相と、前記Ｌ１2相に分散し、Ｎｉ及びＲｅを含有する第２相とで構成される請求項１又は２に記載のＮｉ3（Ｓｉ，Ｔｉ）系金属間化合物。
【請求項１】
７．５〜１２．５原子％のＳｉ、４．５〜１０．５原子％のＴｉ、０．１〜５．０原子％のＲｅ、残部が不純物を除きＮｉからなる合計１００原子％の組成を有する金属間化合物の重量に対して２５以上５００以下重量ｐｐｍのＢを含有するＮｉ3（Ｓｉ，Ｔｉ）系金属間化合物。
【請求項２】
１０．０〜１２．０原子％のＳｉ、５．５〜１０．５原子％のＴｉ、０．５〜４．０原子％のＲｅ、残部が不純物を除きＮｉからなる合計１００原子％の組成を有する金属間化合物の重量に対して２５以上５００以下重量ｐｐｍのＢを含有するＮｉ3（Ｓｉ，Ｔｉ）系金属間化合物。
【請求項３】
Ｌ１2相と、前記Ｌ１2相に分散し、Ｎｉ及びＲｅを含有する第２相とで構成される請求項１又は２に記載のＮｉ3（Ｓｉ，Ｔｉ）系金属間化合物。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−２０１８９２（Ｐ２０１２−２０１８９２Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−６４６６０（Ｐ２０１１−６４６６０）
【出願日】平成２３年３月２３日（２０１１．３．２３）
【出願人】（５０５１２７７２１）公立大学法人大阪府立大学 (688)
【公開日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２３日（２０１１．３．２３）
【出願人】（５０５１２７７２１）公立大学法人大阪府立大学 (688)
[ Back to top ]