JPH0818151B2 - Ti−Al合金と構造用鋼との接合方法および接合部品 - Google Patents
Ti−Al合金と構造用鋼との接合方法および接合部品Info
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- JPH0818151B2 JPH0818151B2 JP63285279A JP28527988A JPH0818151B2 JP H0818151 B2 JPH0818151 B2 JP H0818151B2 JP 63285279 A JP63285279 A JP 63285279A JP 28527988 A JP28527988 A JP 28527988A JP H0818151 B2 JPH0818151 B2 JP H0818151B2
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- F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
- F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
- F01D5/025—Fixing blade carrying members on shafts
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
- B23K20/12—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding
- B23K20/129—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding specially adapted for particular articles or workpieces
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- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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- B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
- B23K35/001—Interlayers, transition pieces for metallurgical bonding of workpieces
- B23K35/005—Interlayers, transition pieces for metallurgical bonding of workpieces at least one of the workpieces being of a refractory metal
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
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- F05D2230/21—Manufacture essentially without removing material by casting
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Description
本発明は、金属間化合物TiAlを主要構成相とするTi-A
l合金の部材と構造用鋼の部材とを接合して、1個の機
械構造部品を製作するための接合方法に関し、その接合
方法により得られた接合部品をも包含する。
l合金の部材と構造用鋼の部材とを接合して、1個の機
械構造部品を製作するための接合方法に関し、その接合
方法により得られた接合部品をも包含する。
タービンブレードやエンジンバルブ、あるいはターボ
チャージャーのホイールなど、高速で回転または往復動
する機械部品の材料として、最近では、高温に耐え(使
用温度700℃以上)て軽量(比重3.8)なTi-Al系合金
が、適用されつつある。 こうした用途に適する材料として、本発明者らも、他
の共同研究者らとともに、いくつかのTi-Al合金を開発
し、すでに開示した。たとえば、Al:32〜38%に加えて
B:0.005〜0.20%を含有し、残部が実質上Tiからなる
か、または上記BとともにC:0.2%以下とO:0.3%以下お
よび(または)N:0.3%以下(ただしO+N:0.4%以下)
を含有し、残部が実質上Tiからなる合金(特開昭63-125
634号)がそれであって、この合金は在来のTi-Al合金に
くらべて、強度と靱性が向上している。 いまひとつは、Al:32〜38%に加えてNi:0.05〜3.0%
および(または)Si:0.05〜3.0%を含有し、残部が実質
上Tiからなるか、または、さらに前記の量のBを添加し
たり、C,O,Nを規制した合金(特願昭62-236609号)であ
って、これは延性が高く鋳造容易である。 Ti-Al合金の部材に対し、高温条件下に高速で回転そ
のほかの運動をさせるためには、部材を表面硬化が可能
な構造用鋼の軸に接合しなければならない。ここで「構
造用鋼」とは、機械部品の構造材として使用することの
ある鋼のすべてを意味する。たとえば、ターボチャージ
ャーのホットホイールでは回転軸にSCM鋼またはSNCM鋼
を、またエンジン用バルブではステムにマルテンサイト
系耐熱鋼を使用しており、これらはいずれも構造用鋼に
包含される。 Ti-Al合金の部材と構造用鋼の部材との接合法として
は、焼ばめも試みられているが、多くは銀ロウ付けが行
なわれる。ところが、エンジンの高出力化に伴って排気
ガス温度も高くなり、接合部の温度が450℃に達するよ
うになったので、銀ロウ付けでは使用中に強度が低下す
る不安が出てきた。 一方、ホットホイールの材料としてはNi基超合金も使
用されており、これを構造用鋼の軸と接合するために、
摩擦溶接が行なわれている。摩擦溶接は、溶加材を用い
る溶融溶接より溶接部の強度が高く、母材の95%以上の
値が得られるから、この種の部品の製作には好ましい溶
接法である。 この摩擦溶接をTi-Al合金製ホットホイールと構造用
鋼たとえばSCM435の軸との間で試みても、接合後にクラ
ックが生じて継手を形成できない。これは、摩擦により
生じた高温で圧接した後、冷却の過程で軸材がマルテン
サイト変態を起して体積が膨脹し、またTiCなどの脆化
相を含むため、接合部が破断するからである。
チャージャーのホイールなど、高速で回転または往復動
する機械部品の材料として、最近では、高温に耐え(使
用温度700℃以上)て軽量(比重3.8)なTi-Al系合金
が、適用されつつある。 こうした用途に適する材料として、本発明者らも、他
の共同研究者らとともに、いくつかのTi-Al合金を開発
し、すでに開示した。たとえば、Al:32〜38%に加えて
B:0.005〜0.20%を含有し、残部が実質上Tiからなる
か、または上記BとともにC:0.2%以下とO:0.3%以下お
よび(または)N:0.3%以下(ただしO+N:0.4%以下)
を含有し、残部が実質上Tiからなる合金(特開昭63-125
634号)がそれであって、この合金は在来のTi-Al合金に
くらべて、強度と靱性が向上している。 いまひとつは、Al:32〜38%に加えてNi:0.05〜3.0%
および(または)Si:0.05〜3.0%を含有し、残部が実質
上Tiからなるか、または、さらに前記の量のBを添加し
たり、C,O,Nを規制した合金(特願昭62-236609号)であ
って、これは延性が高く鋳造容易である。 Ti-Al合金の部材に対し、高温条件下に高速で回転そ
のほかの運動をさせるためには、部材を表面硬化が可能
な構造用鋼の軸に接合しなければならない。ここで「構
造用鋼」とは、機械部品の構造材として使用することの
ある鋼のすべてを意味する。たとえば、ターボチャージ
ャーのホットホイールでは回転軸にSCM鋼またはSNCM鋼
を、またエンジン用バルブではステムにマルテンサイト
系耐熱鋼を使用しており、これらはいずれも構造用鋼に
包含される。 Ti-Al合金の部材と構造用鋼の部材との接合法として
は、焼ばめも試みられているが、多くは銀ロウ付けが行
なわれる。ところが、エンジンの高出力化に伴って排気
ガス温度も高くなり、接合部の温度が450℃に達するよ
うになったので、銀ロウ付けでは使用中に強度が低下す
る不安が出てきた。 一方、ホットホイールの材料としてはNi基超合金も使
用されており、これを構造用鋼の軸と接合するために、
摩擦溶接が行なわれている。摩擦溶接は、溶加材を用い
る溶融溶接より溶接部の強度が高く、母材の95%以上の
値が得られるから、この種の部品の製作には好ましい溶
接法である。 この摩擦溶接をTi-Al合金製ホットホイールと構造用
鋼たとえばSCM435の軸との間で試みても、接合後にクラ
ックが生じて継手を形成できない。これは、摩擦により
生じた高温で圧接した後、冷却の過程で軸材がマルテン
サイト変態を起して体積が膨脹し、またTiCなどの脆化
相を含むため、接合部が破断するからである。
本発明の目的は、このような問題を打破して、金属間
化合物TiAlを主要構成相とするTi-Al合金の部材と構造
用鋼の部材たとえば軸材とを、より高い使用温度に耐え
るように接合して、所望の機械部品を製作できるように
することにある。
化合物TiAlを主要構成相とするTi-Al合金の部材と構造
用鋼の部材たとえば軸材とを、より高い使用温度に耐え
るように接合して、所望の機械部品を製作できるように
することにある。
本発明のTi-Al合金と構造用鋼との接合方法は、金属
間化合物TiAlを主要構成相とするTi-Al合金の部材と構
造用鋼の部材とを接合するに当り、両者の中間材として
オーステナイト系ステンレス鋼もしくは耐熱鋼、または
Ni基もしくはCo基の超合金を使用し、少なくとも中間材
と構造用鋼との接合を摩擦溶接法により行なうことを特
徴とする。 中間材としてオーステナイト系ステンレス鋼もしくは
耐熱鋼を使用する場合は、これとTi-Al合金の部材との
接合を、やはり摩擦溶接により行なうとよい。 とくに高い接合部高温強度を実現したい場合は、中間
材としてγ′析出硬化型のNi基合金を使用する。この場
合も摩擦溶接は有用な接合手段であるが、それに代え
て、Ni基合金の中間材を、Ti-Al合金で鋳包んで接合す
ることも可能である。この種のNi基超合金とTi-Al合金
とは、熱膨脹率が近似した値を示すからである。 本発明のTi-Al合金と構造用鋼との接合部品は、金属
間化合物TiAlを主要構成相とするTi-Al合金の部材と構
造用鋼の部材とを、中間材を介して接合してなる接合部
品であって、中間材がオーステナイト系ステンレス鋼も
しくは耐熱鋼、またはNi基もしくはCo基の超合金であ
り、少なくとも中間材を構造用鋼との間を摩擦溶接法よ
り接合したことを特徴とする。 本発明は、前記したTi-Al合金のいずれにも適用可能
であるが、高温の使用条件下に高速で回転または往復動
するという部品の用途からみて、金属間化合物TiAl(A
l:36%−Ti64%)の組成から合金組成がずれるとしても
Tiリッチ側のものがよく、Alリッチ側のものはあまり有
用ではない。従って、本発明の適用を推奨すべきTi-Al
合金の代表は、つぎの合金組成をもつものである。 1)Al:32〜36%を含有し残部が実質上TiからなるTi-Al
合金 2)Al:32〜36%に加えて下記のグループのいずれか1
種または2種以上を含有し、 イ)B:0.005〜0.20% ロ)C:0.2%以下とO:0.3%以下および(または)N:0.3
%以下(ただしO+N:0.4%以下) ハ)Ni:0.05〜3.0%および(または)Si:0.05〜3.0% 残部が実質上TiからなるTi-Al合金 実例を示せば、第1図の部品はターボチャージャー用
のホットホイールであって、これはTi-Al合金製のホイ
ール(1B)、中間材(2A)としてINCONEL751のリング、
そして軸材(3)としてSCM435鋼の棒を、いずれも摩擦
溶接により接合して製作したものである。 第2図は同様な部品を示すが、これは中間材(2B)と
してNi基超合金製のナット型の部材を、ホイール(1B)
の鋳造の際に鋳包んで一体化し、この中間材と軸材
(3)の棒とを摩擦溶接により接合してなるものであ
る。 第3図の部品はエンジンバルブであって、Ti-Al合金
のバルブ部品(4)、中間材(5)のINCONEL751からな
る円板、SUH3鋼のステム部分(6)を、いずれも摩擦溶
接により接合して製作した。バルブに仕上げるには、ス
テム部にタフトライド(軟窒化)処理を施して表面硬化
し、かつバルブシートとの接触部にステライトなどの硬
質金属の肉盛り溶接を行なうことはもちろんである。
間化合物TiAlを主要構成相とするTi-Al合金の部材と構
造用鋼の部材とを接合するに当り、両者の中間材として
オーステナイト系ステンレス鋼もしくは耐熱鋼、または
Ni基もしくはCo基の超合金を使用し、少なくとも中間材
と構造用鋼との接合を摩擦溶接法により行なうことを特
徴とする。 中間材としてオーステナイト系ステンレス鋼もしくは
耐熱鋼を使用する場合は、これとTi-Al合金の部材との
接合を、やはり摩擦溶接により行なうとよい。 とくに高い接合部高温強度を実現したい場合は、中間
材としてγ′析出硬化型のNi基合金を使用する。この場
合も摩擦溶接は有用な接合手段であるが、それに代え
て、Ni基合金の中間材を、Ti-Al合金で鋳包んで接合す
ることも可能である。この種のNi基超合金とTi-Al合金
とは、熱膨脹率が近似した値を示すからである。 本発明のTi-Al合金と構造用鋼との接合部品は、金属
間化合物TiAlを主要構成相とするTi-Al合金の部材と構
造用鋼の部材とを、中間材を介して接合してなる接合部
品であって、中間材がオーステナイト系ステンレス鋼も
しくは耐熱鋼、またはNi基もしくはCo基の超合金であ
り、少なくとも中間材を構造用鋼との間を摩擦溶接法よ
り接合したことを特徴とする。 本発明は、前記したTi-Al合金のいずれにも適用可能
であるが、高温の使用条件下に高速で回転または往復動
するという部品の用途からみて、金属間化合物TiAl(A
l:36%−Ti64%)の組成から合金組成がずれるとしても
Tiリッチ側のものがよく、Alリッチ側のものはあまり有
用ではない。従って、本発明の適用を推奨すべきTi-Al
合金の代表は、つぎの合金組成をもつものである。 1)Al:32〜36%を含有し残部が実質上TiからなるTi-Al
合金 2)Al:32〜36%に加えて下記のグループのいずれか1
種または2種以上を含有し、 イ)B:0.005〜0.20% ロ)C:0.2%以下とO:0.3%以下および(または)N:0.3
%以下(ただしO+N:0.4%以下) ハ)Ni:0.05〜3.0%および(または)Si:0.05〜3.0% 残部が実質上TiからなるTi-Al合金 実例を示せば、第1図の部品はターボチャージャー用
のホットホイールであって、これはTi-Al合金製のホイ
ール(1B)、中間材(2A)としてINCONEL751のリング、
そして軸材(3)としてSCM435鋼の棒を、いずれも摩擦
溶接により接合して製作したものである。 第2図は同様な部品を示すが、これは中間材(2B)と
してNi基超合金製のナット型の部材を、ホイール(1B)
の鋳造の際に鋳包んで一体化し、この中間材と軸材
(3)の棒とを摩擦溶接により接合してなるものであ
る。 第3図の部品はエンジンバルブであって、Ti-Al合金
のバルブ部品(4)、中間材(5)のINCONEL751からな
る円板、SUH3鋼のステム部分(6)を、いずれも摩擦溶
接により接合して製作した。バルブに仕上げるには、ス
テム部にタフトライド(軟窒化)処理を施して表面硬化
し、かつバルブシートとの接触部にステライトなどの硬
質金属の肉盛り溶接を行なうことはもちろんである。
つぎの3種の材料を、いずれも径8.5mmの棒材として
用意し、ブレーキ方式溶接機を用いて、まずイ)と
ロ)、次にロ)とハ)の端面を摩擦溶接し、溶接部に生
じたバリは旋盤により除去した。 イ)Ti-Al合金(Al:36%、Hv250) ロ)Inconel 751(HRC39)…中間材 ハ)SNCM439(HRC33)…軸材 接合部の熱間ねじり試験を行なったところ、第4図に
示すとおり、十分な強度を有することがわかった。破断
は、母材のTi-Al合金の部分で起った。
用意し、ブレーキ方式溶接機を用いて、まずイ)と
ロ)、次にロ)とハ)の端面を摩擦溶接し、溶接部に生
じたバリは旋盤により除去した。 イ)Ti-Al合金(Al:36%、Hv250) ロ)Inconel 751(HRC39)…中間材 ハ)SNCM439(HRC33)…軸材 接合部の熱間ねじり試験を行なったところ、第4図に
示すとおり、十分な強度を有することがわかった。破断
は、母材のTi-Al合金の部分で起った。
本発明の接合方法によれば、軽量で耐熱性のよいTi-A
l合金と、強度にすぐれた表面硬化処理可能な構造用鋼
とが、高い接合部強度をもって接合できる。 接合部の高温強度が高いため、それに隣接するジャー
ナル部やシールリング溝の表面硬化に、高周波焼入れや
火焔焼入れの手段が利用できる。 中間材として使用した耐熱合金は一般に熱伝動率が低
いので、Ti-Al合金製の部材が高温にさらされたときに
も、軸材への熱の移動量を軽減でき、このことは、軸受
部などの耐久性を向上させるのに役立つ。 従って本発明は、とくにターボチャージャーのホット
ホイール、エンジンバルブ、タービンブレードおよびデ
ィスクなどの機械部品の製作に適用したとき、その意義
が大きい。
l合金と、強度にすぐれた表面硬化処理可能な構造用鋼
とが、高い接合部強度をもって接合できる。 接合部の高温強度が高いため、それに隣接するジャー
ナル部やシールリング溝の表面硬化に、高周波焼入れや
火焔焼入れの手段が利用できる。 中間材として使用した耐熱合金は一般に熱伝動率が低
いので、Ti-Al合金製の部材が高温にさらされたときに
も、軸材への熱の移動量を軽減でき、このことは、軸受
部などの耐久性を向上させるのに役立つ。 従って本発明は、とくにターボチャージャーのホット
ホイール、エンジンバルブ、タービンブレードおよびデ
ィスクなどの機械部品の製作に適用したとき、その意義
が大きい。
第1図ないし第3図は本発明の接合方法を適用して製作
した機械部品の例を説明するための図であって、第1図
および第2図はターボチャージャーのホットホイール
を、第3図はエンジンバルブを、いずれも半ばは縦断面
で示した側面図である。 第4図は本発明の方法で得た接合部の、熱間ねじり試験
の結果を示すグラフである。 1A,1B……ホイール 2A,2B……中間材 3……軸材 4……バルブシート 5……中間材(円板) 6……ステム材
した機械部品の例を説明するための図であって、第1図
および第2図はターボチャージャーのホットホイール
を、第3図はエンジンバルブを、いずれも半ばは縦断面
で示した側面図である。 第4図は本発明の方法で得た接合部の、熱間ねじり試験
の結果を示すグラフである。 1A,1B……ホイール 2A,2B……中間材 3……軸材 4……バルブシート 5……中間材(円板) 6……ステム材
Claims (7)
- 【請求項1】金属間化合物TiAlを主要構成相とするTi-A
l合金の部材と構造用鋼の部材とを接合する方法であっ
て、中間材としてオーステナイト系ステンレス鋼もしく
は耐熱鋼、またはNi基もしくはCo基の超合金を使用し、
少なくとも中間材と構造用鋼との接合を摩擦溶接法によ
り行なうことを特徴とするTi-Al合金と構造用鋼との接
合方法。 - 【請求項2】中間材としてオーステナイト系ステンレス
鋼もしくは耐熱鋼を使用し、これとTi-Al合金の部材と
の接合も摩擦溶接により行なう請求項1の接合方法。 - 【請求項3】中間材としてγ′析出硬化型のNi基合金を
使用し、これをTi-Al合金で鋳包むことにより中間材とT
i-Al合金との接合を行なう請求項1の接合方法。 - 【請求項4】金属間化合物TiAlを主要構成相とするTi-A
l合金の部材と構造用鋼の部材とを、中間材を介して接
合してなる接合部品であって、中間材がオーステナイト
系ステンレス鋼もしくは耐熱鋼、またはNi基もしくはCo
基の超合金であり、少なくとも中間材を構造用鋼との間
を摩擦溶接法により接合したことを特徴とする接合部
品。 - 【請求項5】Al:32〜36%を含有し残部が実質上Tiから
なるTi-Al合金の部材を使用した請求項4の接合部品。 - 【請求項6】Al:32〜36%に加えて下記のグループのい
ずれか1種または2種以上を含有し、 イ)B:0.005〜0.20% ロ)C:0.2%以下とO:0.3%以下および(または)N:0.3
%以下(ただしO+N:0.4%以下) ハ)Ni:0.05〜3.0%および(または)Si:0.05〜3.0% 残部が実質上TiからなるTi-Al合金の部材を使用した請
求項4の接合部品。 - 【請求項7】構造用鋼としてマルテンサイト系耐熱鋼を
使用し、中間材としてNi基超合金を使用したエンジンバ
ルブである請求項4の接合部品。
Priority Applications (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP63285279A JPH0818151B2 (ja) | 1988-11-11 | 1988-11-11 | Ti−Al合金と構造用鋼との接合方法および接合部品 |
DE89311567T DE68907467T2 (de) | 1988-11-11 | 1989-11-08 | Verfahren zur Ausbildung zwischen einem Teil aus einer Titan-Aluminium-Legierung und einem Stahlbauteil. |
DE68907467A DE68907467T4 (de) | 1988-11-11 | 1989-11-08 | Verfahren zur Ausbildung zwischen einem Teil aus einer Titan-Aluminium-Legierung und einem Stahlbauteil. |
EP89311567A EP0368642B1 (en) | 1988-11-11 | 1989-11-08 | Method of forming a joint between a ti-al alloy member and a steel structural member |
US07/433,253 US5064112A (en) | 1988-11-11 | 1989-11-08 | Jointing ti-a1 alloy member and structural steel member |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP63285279A JPH0818151B2 (ja) | 1988-11-11 | 1988-11-11 | Ti−Al合金と構造用鋼との接合方法および接合部品 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH02133183A JPH02133183A (ja) | 1990-05-22 |
JPH0818151B2 true JPH0818151B2 (ja) | 1996-02-28 |
Family
ID=17689457
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP63285279A Expired - Fee Related JPH0818151B2 (ja) | 1988-11-11 | 1988-11-11 | Ti−Al合金と構造用鋼との接合方法および接合部品 |
Country Status (4)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US5064112A (ja) |
EP (1) | EP0368642B1 (ja) |
JP (1) | JPH0818151B2 (ja) |
DE (2) | DE68907467T4 (ja) |
Families Citing this family (48)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE4116088A1 (de) * | 1991-05-16 | 1992-11-19 | Forschungszentrum Juelich Gmbh | Verfahren zum verbinden von stahl mit aluminium- bzw. titanlegierungsteilen und danach erhaltene turbolader |
EP0590197B1 (de) * | 1992-10-02 | 1996-05-08 | Asea Brown Boveri Ag | Bauelement und Verfahren zur Herstellung dieses Bauelements |
JP3250582B2 (ja) * | 1993-10-28 | 2002-01-28 | アイシン精機株式会社 | Ti−Al系金属間化合物の接合方法 |
US5431752A (en) * | 1993-11-12 | 1995-07-11 | Asea Brown Boveri Ltd. | Friction welding of γ titanium aluminide to steel body with nickel alloy connecting piece there between |
JPH09122935A (ja) * | 1995-10-26 | 1997-05-13 | Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd | アルミ体と鉄系軸との接合方法および接合体 |
JPH106042A (ja) * | 1996-06-25 | 1998-01-13 | Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd | チタンアルミナイド製タービンロータの摩擦圧接方法 |
US5908516A (en) * | 1996-08-28 | 1999-06-01 | Nguyen-Dinh; Xuan | Titanium Aluminide alloys containing Boron, Chromium, Silicon and Tungsten |
DE69724730T2 (de) * | 1996-10-18 | 2004-04-01 | Daido Steel Co. Ltd., Nagoya | Turbinenrotor aus Ti-Al und Verfahren zur Herstellung dieses Rotors |
WO1998045081A1 (en) * | 1997-04-04 | 1998-10-15 | Nguyen Dinh Xuan | Friction welding interlayer and method for joining gamma titanium aluminide to steel, and turbocharger components thereof |
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