JP7241367B2 - ＴｉＡｌ合金部材の製造方法及びＴｉＡｌ合金部材の製造システム - Google Patents

ＴｉＡｌ合金部材の製造方法及びＴｉＡｌ合金部材の製造システム Download PDF

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Description

本発明は、ＴｉＡｌ合金部材の製造方法及びＴｉＡｌ合金部材の製造システムに関する。
ＴｉＡｌ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）であり、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。特許文献１には、ＴｉＡｌ合金を機械加工してタービンの動翼を製造する旨が記載されている。
特開２００２－３５６７２９号公報
しかし、ＴｉＡｌ合金は、機械加工性が高くないため、成形が難しい場合がある。また、ＴｉＡｌ合金は、高温で用いられる場合があるため、高温下での特性低下を抑制することが望まれる。従って、ＴｉＡｌ合金部材を、高温特性の低下を抑制しつつ、容易に成形することが求められている。
本発明は、上述した課題を解決するものであり、ＴｉＡｌ合金部材を、高温特性の低下を抑制しつつ、容易に成形可能なＴｉＡｌ合金部材の製造方法及びＴｉＡｌ合金部材の製造システムを提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示に係るＴｉＡｌ合金部材の製造方法は、ＴｉＡｌ合金の粉末にビームを照射することで前記粉末を溶融固化又は焼結させた固化体を積層して積層体を成形する成形ステップと、前記積層体を、α相への相変態が開始する温度以上である設定温度で加熱してＴｉＡｌ合金部材を生成する熱処理ステップと、を有する。
この製造方法によると、好適にラメラ組織にすることが可能となるため、ＴｉＡｌ合金部材を、高温特性の低下を抑制しつつ、容易に成形することができる。
前記熱処理ステップにおいて、前記設定温度を、前記積層体がα相単相となる温度とすることが好ましい。この製造方法によると、ＴｉＡｌ合金部材の高温特性の低下をより好適に抑制することができる。
前記熱処理ステップにおいて、前記設定温度を、１３００℃以上１５００℃以下とすることが好ましい。この製造方法によると、ＴｉＡｌ合金部材の高温特性の低下をより好適に抑制することができる。
加熱した前記積層体を冷却する冷却ステップを更に有することが好ましい。この製造方法によると、ＴｉＡｌ合金部材の高温特性の低下をより好適に抑制することができる。
前記成形ステップにおいて、前記ビームとして電子ビームを前記粉末に照射することが好ましい。この製造方法によると、ＴｉＡｌ合金部材の高温特性の低下をより好適に抑制することができる。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示に係るＴｉＡｌ合金部材の製造システムは、ＴｉＡｌ基合金の粉末にビームを照射することで前記粉末を溶融固化又は焼結させた固化体を積層して積層体を成形する成形装置と、前記積層体を、α相への相変態が開始する温度以上である設定温度で加熱してＴｉＡｌ合金部材を生成する熱処理装置と、を有する。この製造システムによると、好適にラメラ組織にすることが可能となるため、ＴｉＡｌ合金部材を、高温特性の低下を抑制しつつ、容易に成形することができる。
本発明によれば、ＴｉＡｌ合金部材を、高温特性の低下を抑制しつつ、容易に成形することができる。
図１は、本実施形態に係るＴｉＡｌ合金部材の製造システムの構成を示すブロック図である。 図２は、本実施形態に係る成形装置の模式図である。 図３は、本実施形態に係る制御部の模式的なブロック図である。 図４は、本実施形態に係る熱処理装置の模式図である。 図５は、ＴｉＡｌ合金部材の状態図の一例を示す模式図である。 図６は、本実施形態に係るＴｉＡｌ合金部材の製造フローを説明するフローチャートである。 図７は、実施例１に係るＴｉＡｌ合金部材の内部組織の撮像写真を示す図である。 図８は、実施例１に係るＴｉＡｌ合金部材の内部組織の撮像写真を示す図である。 図９は、実施例２に係るＴｉＡｌ合金部材の内部組織の撮像写真を示す図である。 図１０は、実施例と比較例とにおける温度毎の引張強度の測定結果を示すグラフである。
以下に添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせて構成するものも含むものである。
図１は、本実施形態に係るＴｉＡｌ合金部材の製造システムの構成を示すブロック図である。本実施形態に係る製造システム１は、ＴｉＡｌ合金部材の製造方法を実行するためのシステムである。本実施形態におけるＴｉＡｌ合金部材は、ＴｉとＡｌとが結合した合金であり、さらにいえば、ＴｉとＡｌとが結合した金属間化合物（例えばＴｉＡｌ、Ｔｉ３Ａｌ、Ａｌ３Ｔｉ等）である。
本実施形態におけるＴｉＡｌ合金部材は、Ａｌが３８～４７原子％含まれ、残部がＴｉ及び不可避不純物となるものが用いられてよい。また、ＴｉＡｌ合金部材として、例えば、Ａｌが３８～４５原子％含まれ、Ｍｎが３～１０原子％含まれ、残部がＴｉ及び不可避不純物となるものが用いられてよい。また、ＴｉＡｌ合金部材としては、例えば、Ａｌが３８～４５原子％含まれ、Ｃｒ又はＶのうちの１種以上が３～１０原子％含まれ、残部がＴｉ及び不可避不純物となるものが用いられてもよい。さらに、上記で例示した組成のＴｉＡｌ合金部材に対し、さらに、１～２．５原子％のＮｂと、０．２～１．０原子％のＭｏ、Ｗ、Ｚｒのうちの１種以上と、０．１～０．４原子％のＣと、０．２～１．０原子％のＳｉ、Ｎｉ、Ｔａのうちの１種以上と、のうちの少なくともいずれかを含有してもよい。
図１に示すように、製造システム１は、成形装置２と熱処理装置４とを有する。成形装置２は、本実施形態に係る成形ステップを実行する装置であり、ＴｉＡｌ合金部材の粉末である粉末Ｐから、ＴｉＡｌ合金部材の立体造形物である積層体Ｌを成形する。熱処理装置４は、本実施形態に係る熱処理ステップを実行する装置であり、積層体Ｌを熱処理して熱処理後のＴｉＡｌ合金部材である部材Ｍを生成する。このように、部材Ｍは、粉末Ｐから成形された積層体Ｌを熱処理して製造されるものであるため、部材Ｍと積層体Ｌと粉末Ｐとは、上述で説明した組成のＴｉＡｌ合金部材であるといえる。製造システム１は、部材Ｍとして、例えば航空機用エンジンの低圧タービンの動翼や、自動車用のターボチャージャのタービンホイールなどを製造するものである。ただし、部材Ｍは、これら動翼やタービンホイールに限られず、任意の用途に用いられるものであってよい。
図２は、本実施形態に係る成形装置の模式図である。本実施形態に係る成形装置２は、粉末ＰにビームＢを照射して粉末Ｐを溶融固化又は焼結させた固化体を生成することを繰り返して、固化体を積層した積層体Ｌを成形する。図２に示すように、成形装置２は、成形室１０と、粉末供給部１２と、ブレード１４と、照射源部１６と、照射部１８と、制御部２０とを有する。成形装置２は、制御部２０の制御により、粉末供給部１２から成形室１０内に粉末Ｐを供給し、成形室１０内に供給された粉末Ｐに、照射源部１６及び照射部１８からのビームＢを照射することで、粉末Ｐを溶融固化又は焼結させて、積層体Ｌを成形する。以下、鉛直方向上方から鉛直方向下方に向かう方向を、方向Ｚ１とし、方向Ｚ１と反対方向、すなわち鉛直方向下方から鉛直方向上方に向かう方向を、方向Ｚ２とする。
成形室１０は、筐体３０と、ステージ３２と、移動機構３４とを有する。筐体３０は、上側、すなわち方向Ｚ２側が開放された筐体である。ステージ３２は、筐体３０内に、筐体３０に囲われるように配置される。ステージ３２は、筐体３０内で方向Ｚ１及び方向Ｚ２に移動可能に構成される。ステージ３２の上面と、筐体３０の内周面とで囲われる空間Ｒが、粉末Ｐが供給される空間Ｒとなる。移動機構３４は、ステージ３２に接続される。移動機構３４は、制御部２０の制御により、ステージ３２を、鉛直方向に、すなわち方向Ｚ１及び方向Ｚ２に移動させる。
粉末供給部１２は、内部に粉末Ｐを貯留する機構である。粉末供給部１２は、制御部２０により粉末Ｐの供給が制御され、制御部２０の制御により、供給口１２Ａから、ステージ３２上の空間Ｒに粉末Ｐを供給する。ブレード１４は、空間Ｒに供給された粉末Ｐを水平に掃き均す（スキージングする）スキージングブレードである。ブレード１４は、制御部２０によって制御される。
照射源部１６は、ビームＢの照射源である。ビームＢは、並進する粒子又は波の束であり、本実施形態では電子ビームである。そして、本実施形態では、照射源部１６は、タングステンフィラメントである。ただし、ビームＢは、粉末Ｐを焼結又は溶融可能なビームであれば電子ビームに限られず、照射源部１６は、ビームＢを照射可能なものであれば任意のものであってよい。例えば、ビームＢは、レーザ光であってもよい。
照射部１８は、成形室１０の上方、すなわち方向Ｚ２側に設けられる。照射部１８は、照射源部１６からのビームＢを、成形室１０に照射させる機構である。照射部１８は、例えば、非点収差レンズ、収束レンズ、及び偏向レンズなどの光学素子を有する。また、照射部１８は、例えば制御部２０によって制御されることでビームＢを走査可能な走査機構を有しており、照射源部１６からのビームＢを、走査しつつ成形室１０に照射することで、ステージ３２に敷き詰められた粉末Ｐの特定の位置にビームを照射する。粉末Ｐは、ビームＢが照射された位置において、溶融固化し（溶融した後固化し）、又は、焼結される。
図３は、本実施形態に係る制御部の模式的なブロック図である。制御部２０は、例えばコンピュータであり、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）などで構成された演算処理装置と、記憶部とを有する。図２に示すように、制御部２０は、粉末制御部４０と、照射制御部４２と、移動制御部４４とを有する。粉末制御部４０と、照射制御部４２と、移動制御部４４とは、制御部２０が記憶部からプログラムを読み出すことで実現されて、それぞれの処理を実行する。ただし、粉末制御部４０と、照射制御部４２と、移動制御部４４とは、それぞれ個別のハードウェアであってもよい。
粉末制御部４０は、ステージ３２への粉末Ｐの供給を制御する。粉末制御部４０は、例えば粉末供給部１２を制御して、移動距離Ｈだけ下降したステージ３２上に、粉末Ｐを供給させる。そして、粉末制御部４０は、ブレード１４を制御して、ブレード１４でステージ３２上の粉末Ｐをスキージさせる。
照射制御部４２は、ステージ３２上の粉末ＰへのビームＢの照射を制御する。照射制御部４２は、例えば記憶部に記憶された３次元データを読み出し、その３次元データに基づいてビームＢの走査経路を設定し、設定した走査経路でビームＢが照射されるよう、照射部１８を制御する。
移動制御部４４は、移動機構３４を制御して、ステージ３２を移動させる。移動制御部４４は、粉末ＰへのビームＢの照射により固化体Ａが形成された後、ステージ３２を移動距離Ｈだけ方向Ｚ１側に移動させる。
成形装置２は、以上のような構成となっている。成形装置２は、粉末制御部４０に制御された粉末供給部１２により、粉末Ｐをステージ３２に供給し、照射制御部４２に制御された照射源部１６及び照射部１８によって、ステージ３２上の粉末Ｐに向けて、ビームＢを照射する。粉末Ｐは、ビームＢが照射された箇所が、焼結又は溶融固化して、固化体Ａとなる。固化体Ａを成形した後、成形装置２は、移動制御部４４に制御された移動機構３４によって、ステージ３２を方向Ｚ１側に移動距離Ｈだけ移動させる。そして、成形装置２は、粉末供給部１２によって、ステージ３２に、すなわち固化体Ａ上に、粉末Ｐを供給し、照射源部１６及び照射部１８によって、ステージ３２上の粉末Ｐに向けて、ビームＢを照射する。これにより、固化体Ａ上に別の固化体Ａが積層される。固化体Ａが積層されたら、成形装置２は、ステージ３２を方向Ｚ１側に移動距離Ｈだけ移動させて、同様の処理を繰り返す。成形装置２は、この処理を繰り返すことで、固化体Ａを積層して、積層体Ｌを成形する。
なお、成形装置２は、粉末Ｐを溶融固化又は焼結させる前に、すなわち固化体を生成する前に、固化体となる粉末Ｐの周囲の粉末Ｐを加熱して、固化体となる粉末Ｐの周囲の粉末Ｐを予熱してもよい。成形装置２は、固化体の生成中にも、固化体となる粉末Ｐの周囲の粉末Ｐへの加熱を継続してもよい。
このように、成形装置２は、ステージ３２を下降させる毎に粉末Ｐの供給とビームＢの照射を繰り返すパウダーベッド方式の成形装置である。ただし、成形装置２は、粉末Ｐを固化させた固化体を積層して積層体Ｌを成形する装置であればよく、パウダーベッド方式の成形装置に限られない。例えば、成形装置２は、ビームＢの照射で溶融した粉末Ｐを滴下して積層体Ｌを成型するものであってもよい。
成形装置２による積層体Ｌの成形条件は、例えば後述するニアラメラ組織を好適に生成するために、以下のように設定することが好ましい。例えば、ビームＢを照射させるために照射源部１６に印加するエネルギー密度を５．０Ｊ/ｍｍ３以上５０Ｊ/ｍｍ３以下に設定することが好ましく、ビームＢを照射させるために照射源部１６に印加する印加電圧を、５０ｋＶ以上７０ｋＶ以下に設定することが好ましい。また、粉末Ｐに当たる位置でのビームＢのスポット径を、５０μｍ以上２００μｍ以下に設定することが好ましい。また、ビームＢの走査速度を、０．１ｍ／ｓ以上５．０ｍ／ｓ以下にすることが好ましい。また、固化体となる粉末Ｐの周囲の粉末Ｐを加熱する加熱温度を、粉末Ｐの融点に対して０．５倍以上０．８倍以下に設定することが好ましい。
次に、熱処理装置４について説明する。図４は、本実施形態に係る熱処理装置の模式図である。熱処理装置４は、成形装置２により製造された積層体Ｌを加熱する装置である。図４に示すように、熱処理装置４は、加熱室５０と加熱部５２とを有する。加熱室５０は、積層体Ｌを収納する容器又は部屋である。加熱部５２は、加熱室５０内を所定の温度に加熱する熱源である。
熱処理装置４は、加熱室５０内に積層体Ｌが収納された状態で、加熱部５２により加熱室５０内を設定温度Ｔまで加熱し、設定温度Ｔに加熱した状態を所定時間保持させる。これにより、積層体Ｌは、設定温度Ｔで所定時間加熱される。設定温度Ｔで所定時間加熱した後、積層体Ｌを冷却することで、部材Ｍが生成される。すなわち、部材Ｍは、設定温度Ｔで熱処理された後、冷却された積層体Ｌであるといえる。
本実施形態において、設定温度Ｔは、ＴｉＡｌ合金部材である積層体Ｌがα相単相となる温度である単相温度の範囲内である。単相温度は、積層体Ｌがα相を含むが、α相以外の相（本実施形態では後述のα２相、β相、γ相、Ｌ相）を含まなくなる温度範囲ともいえる。ただし、設定温度Ｔは、単相温度の範囲内であることに限られず、変態開始温度以上の温度であり、融点温度より低い温度であってよい。変態開始温度とは、ＴｉＡｌ合金部材である積層体Ｌにおいて、α相への相変態が開始する温度である。融点温度は、ＴｉＡｌ合金部材である積層体Ｌの融点である。また、設定温度Ｔとした状態を保持する所定時間は、０．５時間以上１０時間以下であることが好ましい。また、設定温度Ｔで加熱した後の積層体Ｌの冷却は、自然冷却によって常温まで冷却することによって行われるが、それに限られず、例えば設定温度Ｔより低い所定の温度に保持することで冷却されてもよい。
以下、状態図を用いて、設定温度Ｔを説明する。図５は、ＴｉＡｌ合金部材の状態図の一例を示す模式図である。図５は、ＴｉＡｌ合金部材の状態図の一例であり、横軸がＡｌの濃度、すなわち含有量（原子％）であり、縦軸がＴｉＡｌ合金部材の温度である。
図５に示すように、ＴｉＡｌ合金部材は、Ａｌの含有量とＴｉＡｌ合金部材の温度とによって、金属相が変化する。図５の領域Ｒ１は、ＴｉＡｌ合金部材が、α２相（Ｔｉ３Ａｌの最密立方晶）とγ相（ＴｉＡｌの面心立方晶）とを含む構成となる領域である。領域Ｒ２は、領域Ｒ１に対しＡｌの含有量を増加させた位置に対応する領域である。領域Ｒ２は、ＴｉＡｌ合金部材が、γ相単相となる領域である。領域Ｒ３は、領域Ｒ１に対し、ＴｉＡｌ合金部材の温度を増加させた位置に対応する領域である。領域Ｒ３は、ＴｉＡｌ合金部材が、α相（Ｔｉ単体の最密立方晶）とγ相とを含む構成となる領域である。領域Ｒ４は、領域Ｒ１に対しＴｉＡｌ合金部材の温度を増加させた位置であり、領域Ｒ３に対しＡｌの含有量を低下させた位置に対応する領域である。領域Ｒ４は、ＴｉＡｌ合金部材が、α相単相となる領域である。
領域Ｒ５は、領域Ｒ４に対しＴｉＡｌ合金部材の温度を増加させた位置に対応する領域である。領域Ｒ５は、ＴｉＡｌ合金部材が、α相とβ相（Ｔｉの体心立方晶）とを含む構成となる領域である。領域Ｒ６は、領域Ｒ５に対してＴｉＡｌ合金部材の温度を増加させた位置に対応する領域である。領域Ｒ６は、ＴｉＡｌ合金部材が、β相単相となる領域である。領域Ｒ７は、領域Ｒ３に対しＴｉＡｌ合金部材の温度を増加させた位置に対応する領域である。領域Ｒ７は、ＴｉＡｌ合金部材が、γ相とＬ相（液相）とを含む構成となる領域である。領域Ｒ８は、領域Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８に対しＴｉＡｌ合金部材の温度を増加させた位置に対応する領域である。領域Ｒ８は、ＴｉＡｌ合金部材が、β相とＬ相（液相）とを含む構成となる領域である。領域Ｒ９は、領域Ｒ７、Ｒ８に対しＴｉＡｌ合金部材の温度を増加させた位置に対応する領域である。領域Ｒ９は、ＴｉＡｌ合金部材が、Ｌ相単相となる領域である。
このように、領域Ｒ４は、α相単相となる領域である。従って、領域Ｒ４を囲う線、すなわち領域Ｒ４と他の領域との境界線は、Ａｌ濃度毎の単相温度の上下限値を示している。言い換えれば、単相温度は、領域Ｒ４の範囲内の温度であるといえる。従って、本実施形態において、設定温度Ｔは、領域Ｒ４内の温度となる。本実施形態の一例に係る積層体ＬのＡｌ含有量は、４６原子％であり、一例における設定温度Ｔは、Ａｌ含有量が４６原子％における領域Ｒ４の下限値である１３００℃以上であって、Ａｌ含有量が４６原子％における領域Ｒ４の上限値である１５００℃以下である。また、例えば、設定温度Ｔを、１３５０℃としてもよい。
熱処理装置４は、領域Ｒ４の範囲内に設定された設定温度Ｔで積層体Ｌを加熱した後、常温まで冷却する。従って、積層体Ｌは、図５の矢印Ａ１に示すように冷却される。
なお、上述のように、設定温度Ｔは、変態開始温度以上であって融点温度より低い温度であってもよい。ここで、領域Ｒ３と領域Ｒ４と領域Ｒ５とは、α相を含む領域である。領域Ｒ３と領域Ｒ４と領域Ｒ５とを合わせた領域と、その領域よりも低温側の領域との境界線を、線Ｌ１とする。この場合、線Ｌ１は、それを超える温度になるとα相への相変態を開始する境界を示しているということができる。すなわち、線Ｌ１は、Ａｌ濃度毎の変態開始温度を示している。また、領域Ｒ７と領域Ｒ８とは、Ｌ相を含む領域である。領域Ｒ７と領域Ｒ８とを合わせた領域と、その領域よりも低温側の領域との境界線を、線Ｌ２とする。この場合、線Ｌ２は、それを超える温度になると、溶融が開始してＬ相への相変態が開始する境界を示しているということができる。すなわち、線Ｌ２は、Ａｌ濃度毎の融点温度を示している。従って、設定温度Ｔは、線Ｌ１以上であって線Ｌ２以下の温度であってよいといえる。
また、図５はＴｉとＡｌとの２元状態図であるため、ＴｉＡｌ合金部材の状態図は、他の金属元素の含有により、図５と異なる場合がある。ただし、何れの状態図であっても、設定温度Ｔは、変態開始温度以上であって融点温度より低い温度であればよく、好ましくは、α相単相となる領域Ｒ４の範囲内であればよい。
このように、本実施形態に係る製造システム１は、成形装置２によりＴｉＡｌ合金部材の積層体Ｌを成形し、熱処理装置４によって積層体Ｌを設定温度Ｔで熱処理することで、ＴｉＡｌ合金部材の部材Ｍを製造する。製造システム１は、成形装置２により粉末Ｐから積層体Ｌを成形しているため、機械加工が難しいＴｉＡｌ合金部材を、所望の形状に容易に成形することができる。さらに、製造システム１は、成形装置２によりＴｉＡｌ合金部材の積層体Ｌを成形することで、積層体Ｌを好適にニアラメラ組織とし、ニアラメラ組織である積層体Ｌを設定温度Ｔで熱処理することで、部材Ｍを好適にラメラ組織とすることができる。すなわち、製造システム１は、成形装置２によりニアラメラ組織を形成させた後、ニアラメラ組織の積層体Ｌを、α相を含む設定温度Ｔで熱処理することで、ラメラ組織を好適に形成することができる。ここで、ラメラ組織とは、配向が整った線状の組織を指し、ニアラメラ組織とは、ラメラ組織と少量のγ相とで構成される組織を指す。ラメラ組織は、強度が高く、さらに高温下での強度低下が少ない。従って、本実施形態に係る製造システム１は、このようにニアラメラ組織を経て熱処理を行うことで、好適にラメラ組織を形成して、強度の低下を抑制することができる。
次に、本実施形態における部材Ｍの製造方法のフローを説明する。図６は、本実施形態に係るＴｉＡｌ合金部材の製造フローを説明するフローチャートである。図６に示すように、製造システム１は、成形装置２により、粉末ＰにビームＢを照射して固化した固化体を積層して、積層体Ｌを成形する（ステップＳ１０；成形ステップ）。積層体Ｌを成形したら、製造システム１は、熱処理装置４により、積層体Ｌを設定温度Ｔで加熱し（ステップＳ１２；熱処理ステップ）、加熱した積層体Ｌを冷却して（ステップＳ１４；冷却ステップ）、ＴｉＡｌ合金部材の部材Ｍを製造する。
以上説明したように、本実施形態に係るＴｉＡｌ合金部材の製造方法は、成形ステップと熱処理ステップとを有する。成形ステップにおいては、ＴｉＡｌ合金の粉末ＰにビームＢを照射することで粉末Ｐを溶融固化又は焼結させた固化体を積層して、積層体Ｌを成形する。熱処理ステップにおいては、積層体Ｌを、α相への相変態が開始する温度以上である設定温度Ｔで加熱して、ＴｉＡｌ合金部材の部材Ｍを生成する。なお、このＴｉＡｌ合金部材の製造方法は、製造システム１により実行されてもよく、成形装置２が成形ステップを実行し、熱処理装置４が熱処理ステップを実行する。
本実施形態に係るＴｉＡｌ合金部材の製造方法は、粉末Ｐを溶融固化又は焼結した固化体を積層することで、積層体Ｌを成形する。従って、この製造方法によると、機械加工が難しいＴｉＡｌ合金部材を、所望の形状に容易に成形することができる。さらに、この製造方法によると、積層体Ｌを好適にニアラメラ組織にすることが可能となり、さらにその積層体Ｌを設定温度Ｔで熱処理することで、部材Ｍを好適にラメラ組織にすることが可能となる。従って、この製造方法によると、ＴｉＡｌ合金部材を、高温特性の低下を抑制しつつ、容易に成形することが可能となる。
また、本実施形態に係るＴｉＡｌ合金部材の製造方法は、熱処理ステップにおいて、設定温度Ｔを、積層体Ｌがα相単相となる単相温度とする。この製造方法によると、ニアラメラ組織の積層体Ｌをα相単相となる温度で熱処理することで、部材Ｍをより好適にラメラ組織にすることが可能となる。従って、この製造方法によると、ＴｉＡｌ合金部材の高温特性の低下をより好適に抑制することができる。
また、本実施形態に係るＴｉＡｌ合金部材の製造方法は、熱処理ステップにおいて、設定温度Ｔを、１３００℃以上１５００℃以下とする。この製造方法によると、積層体Ｌをα相単相温度で熱処理することが可能となるため、ＴｉＡｌ合金部材の高温特性の低下をより好適に抑制することができる。
また、本実施形態に係るＴｉＡｌ合金部材の製造方法は、加熱した積層体Ｌを冷却する冷却ステップを更に有する。この製造方法によると、設定温度Ｔで熱処理した積層体Ｌを冷却して部材Ｍを生成することで、ラメラ組織を好適に生成させ、ＴｉＡｌ合金部材の高温特性の低下を好適に抑制することができる。
また、本実施形態に係るＴｉＡｌ合金部材の製造方法は、成形ステップにおいて、ビームＢとして電子ビームを粉末Ｐに照射する。この製造方法によると、電子ビームによって粉末Ｐを溶融させるため、ニアラメラ組織の積層体Ｌを好適に成形することが可能となり、ＴｉＡｌ合金部材の高温特性の低下を好適に抑制することができる。
（実施例）
次に、本実施形態の実施例について説明する。実施例では、ＡＲＣＡＭ社製のＥＢＭ（Electron Beam Melting）方式の成形装置を用いて、次の成形条件で積層体を成形した。すなわち、成形条件としては、固化体となる粉末Ｐの周囲の粉末Ｐを加熱する加熱温度を１０６０℃とし、照射源部１６に印加する印加電流を、０．５ｍＡ以上２．５ｍＡ以下にし、照射源部１６に印加する印加電圧を６０ｋＶとし、粉末Ｐに当たる位置でのビームＢのスポット径を１５μｍとし、移動距離Ｈを９０μｍとし、ビームＢの走査速度を、０．１ｍ／ｓ以上７．６ｍ／ｓ以下とした。また、粉末Ｐは、Ａｌが４６．４原子％含有され、Ｎｂが６．３６原子％含有され、Ｃｒが０．５７原子％含有され、Ｏが０．０７原子％含有され、残部がＴｉであるものを用いた。また、粉末Ｐは、レーザ回折・散乱法によって求めた粒度分布が、４５μｍ以上１５０μｍ以下であり、レーザ回折・散乱法によって求めた平均粒径が１００μｍのものを用いた。このような条件で積層された積層体に対し、実施例１では、設定温度Ｔを１３００℃として１時間熱処理を行って、ＴｉＡｌ合金部材を製造した。
図７及び図８は、実施例１に係るＴｉＡｌ合金部材の内部組織の撮像写真を示す図である。図７は、成形後であって熱処理前のＴｉＡｌ合金部材の写真である。図７に示すように、実施例１のＴｉＡｌ合金部材、すなわち積層体は、成形装置による成形により、ニアラメラ組織が形成されていることが分かる。図８は、熱処理後のＴｉＡｌ合金部材の写真である。図８に示すように、実施例１のＴｉＡｌ合金部材は、熱処理により、ラメラ組織が形成されていることが分かる。
図９は、実施例２に係るＴｉＡｌ合金部材の内部組織の撮像写真を示す図である。実施例２として、実施例１と同様の条件で成形した積層体に対し、設定温度Ｔを１３５０℃として１時間熱処理を行って、ＴｉＡｌ合金部材を製造した。図９は、熱処理後のＴｉＡｌ合金部材の写真である。図９に示すように、実施例２のＴｉＡｌ合金部材も、熱処理により、ラメラ組織が形成されていることが分かる。
また、実施例１のＴｉＡｌ合金部材と、比較例のＴｉＡｌ合金部材とについて、温度毎に引張強度を測定した。比較例のＴｉＡｌ合金部材は、ＴｉＡｌ合金部材のインゴッドを鋳造で成形した後、１３７０℃で１．０時間熱処理したものである。
図１０は、実施例と比較例とにおける温度毎の引張強度の測定結果を示すグラフである。図１０の横軸は、ＴｉＡｌ合金部材の温度であり、縦軸は、引張強度である。図１０の線Ｌ３は、実施例１の条件での熱処理後のＴｉＡｌ合金部材の引張強度であり、線Ｌ４は、実施例１の条件での成形後であって熱処理前のＴｉＡｌ合金部材の引張強度であり、線Ｌ５は、比較例の条件での熱処理後のＴｉＡｌ合金部材の引張強度である。線Ｌ３及び線Ｌ４に示すように、設定温度Ｔで熱処理を行うことで、特に高温における強度低下が抑制されていることがわかる。さらに、線Ｌ３及び線Ｌ５に示すように、鋳造によるものよりも、粉末Ｐから成形したものの方が、強度が高くなることが分かる。
以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態の内容により実施形態が限定されるものではない。また、前述した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、前述した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。さらに、前述した実施形態の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。
１ 製造システム
２ 成形装置
４ 熱処理装置
１０ 成形室
１２ 粉末供給部
１４ ブレード
１６ 照射源部
１８ 照射部
２０ 制御部
５０ 加熱室
５２ 加熱部
Ｂ ビーム
Ｌ 積層体
Ｍ 部材
Ｐ 粉末
Ｔ 設定温度

Claims (7)

  1. ＴｉＡｌ合金の粉末にビームを照射することで前記粉末を溶融固化又は焼結させた固化体を積層して、ニアラメラ組織である積層体を成形する成形ステップと、
    前記積層体を、α相への相変態が開始する温度以上である設定温度で加熱してＴｉＡｌ合金部材を生成する熱処理ステップと、
    を有する、ＴｉＡｌ合金部材の製造方法。
  2. 前記熱処理ステップにおいて、前記設定温度を、前記積層体がα相単相となる温度とする、請求項１に記載のＴｉＡｌ合金部材の製造方法。
  3. 前記熱処理ステップにおいて、前記設定温度を、１３００℃以上１５００℃以下とする、請求項２に記載のＴｉＡｌ合金部材の製造方法。
  4. 加熱した前記積層体を冷却する冷却ステップを更に有する、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のＴｉＡｌ合金部材の製造方法。
  5. 前記成形ステップにおいて、前記ビームとして電子ビームを前記粉末に照射する、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のＴｉＡｌ合金部材の製造方法。
  6. 前記成形ステップにおいて、
    前記ビームの照射源部に印加する印加電圧を５０ｋＶ以上７０ｋＶ以下とし、
    前記ビームの走査速度を０．１ｍ／ｓ以上５．０ｍ／ｓ以下とし、
    前記固化体となる粉末の周囲の粉末を加熱する加熱温度を、前記粉末の融点に対して０．５倍以上０．８倍以下とする、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のＴｉＡｌ合金部材の製造方法。
  7. ＴｉＡｌ基合金の粉末にビームを照射することで前記粉末を溶融固化又は焼結させた固化体を積層して、ニアラメラ組織である積層体を成形する成形装置と、
    前記積層体を、α相への相変態が開始する温度以上である設定温度で加熱してＴｉＡｌ合金部材を生成する熱処理装置と、
    を有する、ＴｉＡｌ合金部材の製造システム。
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