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[NRIMNews1990-10.pdf](https://mdr.nims.go.jp/filesets/a0f2b40a-abbd-44de-85fc-880ac272cf98/download)

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真鍋 烈

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[金材技研ニュース 1990 No.10](https://mdr.nims.go.jp/datasets/08c62057-ae14-4c34-801a-fe11540962cf)

## Fulltext

金属技研ニュース　1990　No.10i①一．ゼEoo一一〇旦ω⊂o．oo］一〇〇〇一〇〇＝あoωoo一］o－Eo－ooO］一〇〇’0E0f000眈o〇一一〇〇一〇一眈○眈ωEo．由≧里三…ω…Z－ooω］0f←■1　　　「金属間化合物」特集脆いTiA1金眉間化合物が3倍に伸びる／構成元素問の反応熟でTiAl，TiNiを合成／アルミナイド、シリサイド阜結晶の帥性定数チタン・アノレミ金属間化合物で大きな高温仲び微細粒超塑性と動的超塑性を確認　チタンとアルミニウムの原子比がほぽ1：1のTiA1金属問化合物は，温度1000K（約730℃）における耐力が400MPa以上で、比重は3．8と小さい。更に，1000Kの高温でも酸化されにくいなどの優れた特性を持っている。当研究所は，軽量耐熱構造材料として期待されるTiA1金属問化合物の研究を総合的に進めており，既に常温で3％の延性を示す材料の開発に成功（金材技研ニュース，1989年，Nα3参照）するなどの成果を挙げている。　金属問化合物は，一般に脆くて塑性加工が困難なことが実用化の障害になっている。当研究所では，チタンをわずかに過剰に含むTi－49，5mol％A1金属問化含物が，高温で超塑性を示すことを見出した。この発見は，薄板や薄板をハニカム構造などに成形する技術の鍵になると思われる。　上記組成の金属間化合物の溶解材は層状組織であって，ほとんど伸びない。しかし，この金属問化合物を約1300～1400Kの範囲の一定温度で鍛造し，TiAlとTi3Alの微細な粒子が混ざり合った組織に変えたものは，高温で大きく伸びる。図はこの恒温鍛造法で組織を調整した材料の，引張試験で求めた高温加工性マップ剛列である。100％以上の伸びが得られる変形温度とひずみ速度の条件は，実線の内側の薄く網掛けした領域である。更に，斜線を施した領域の条件では，170％以上の伸びが得られる。　“微細粒超塑性”が確認されたことにより，このような結晶組織条件を持つ薄板が得られるようになれば，これをハニカム構造等に成形するのは容易であると考えられる。　一方，温度を120ト1350Kの範囲で繰返し上下させながらこの材料を図の斜線領域内の一定ひずみ速度で変形させると，200％以上の伸びが得られる。これは，温度の変動により変形メカニズムが双晶変形から通常のすべり変形に入れ替わって，結晶組織の微細化が触発されたためと考えられる。ここで確認された“動的超塑性”は材料の結晶粒径に依存しないことから，恒温鍛造で組織調整をしないでも，溶解材を直接超塑性加工することが可能になるものと期待される。　10■1　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　’Ti－49．5mol％A1∴、妙伽！ポ警一〃恢鱗硫11ト　　　　　　　　　〃’拶・’6　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　／　　　　〆　10」’　　　　　　　　一／　　が蝉　10■ヨ　　　　　　　　　　　　　　　’lOOO　　　　　1l｛〕0　　　　　1200　　　　　　1300　　　　　　1400　　　　　　1500　　　　　　　変形温度（K〕　　組織調整LたTiA1金属間化合物の　　変形能（案線）と変形応カ（点線）1金属間化合物の新製造法 燃焼合成が実用化へチタン・アルミ、チタン・ニッケルで．金属問化含物は，種々の用途への利用が期待されていながら，実際には普及がおくれている。その理由の一つは，素材の製造が困難なことにある。例えば，軽量耐熱構造材料として期待されているTiA1金属問化合物を構成するチタンとアルミニウムでは，融点の差が約1000℃（チタンは1675℃，アルミニウムは660℃）もある。また，形状記憶合金であるTiNi金属聞化合物のチタンとニッケルでは，比重が2倍（チタンは4．5，ニッケルは8．9）も異なっている。更に，金属問化合物を構成する元素の中には，溶融状態でるつぼとの反応性が強いものも多い。そこで，これらの困難を克服して，健全で均質な金属問化合物の素材を製造する技術の確立が急かれている。◇燃焼合成法◇　燃焼合成法は，化合物の構成元素間の反応熱を利用して，非酸化物系の化合物を合成する新しい素材製造技術である。化合物を構成する元素の粉末を充分に混合してるつぽに入れ，混合物の一部を加熱して反応を開始させる。チタンとアルミニウム，チタンとニッケルで金属問化合物が生成するときの反応熱は，前者が75kJ／mol，　後者が63kJ／molであるから，いったん反応が開始するとこの反応熱で隣の混合物が次々と加熱され，外から加熱しないでも反応が自己伝ぱして，混合物全体が均質な化合物になる。　当研究所は，この燃焼合成法の有用性に着目して，主として金属問化合物の製造に利用する技術の開発を進めてきた。そして，TiA1金属間化含物とTiNi金属問化合物を燃焼合成する製造技術が，当研究所と共同研究を実施した民問企業において，このたび実用化の段階に達した。◇チタン・アルミニウム金属間化合物◇　TiA1金属問化合物の合成には，高純度のチタン粉末とアルミニウム粉末を使用した。粒径40μm以下のそれぞれの粉末を目的の組成となるように混合してるつぽに入れ，当研究所が開発した燃焼合成装置の中で反応させた。原料のチタンとアルミニウムは固相状態のままで金属問化合物に合成されるのでるつぽとの反応がなく，また合成後の酸素含有量が原料粉末よりも低下するなど，不純物の極めて少ない良質な金属問化合物の素材が得ら写真1　燃焼合成法とHIPで製造したTiA1　　　金属間化合物のインゴット（写真　　　奥）と燃焼合成後真空焼結した板　　　　（写真手前〕写真2　燃焼合成法一で製造したTiA1金属問　　　化合物粉末と炭化ケイ素ホイスカ　　　ーとの複合材料の試験片れた。この素材は，平均粒径2μm以下の極めて微細な金属問化合物粒子が軽＜焼結された多孔質体であるので，容易に微粉末にすることができる。したがって，粉末の状態で複含材料の製造や溶射の原料にしたり，遠心力を利用する回転電極法の電極に成形して，球状粉末の製造に使用したりすることができる。　一方、この粉末をカプセルに真空封入し，HIP（熱問等方圧プレス）により1200℃，1000気圧で3時間焼結すると，相対密度が100％に達する。写真1は，このようにして作ったTiA1金属問化合物のインゴット（直径80m，長さ400㎜）と，燃焼合成後に真空焼結した板（厚さ6㎜，幅85㎜，長さ500㎜）である。また写真2は，燃焼合成で製造したTiA1金属間化含物の粉末に炭化ケイ素のホイスカーを混合し，HIP処理して作った複合材料の試験片である。燃焼合成とHIP処理を組含わせると，このように最終製品に近い形状の物品が得られるので，困難な加工の工程を大幅に減らすことができる。　燃焼合成法によるTiA1金属問化合物は既に試験生産されて出荷されており，これによりTiA1金属問化合物の用途開拓の研究が加速されるものと期待される。◇チタン・ニッケル金属問化合物◇　形状記憶合金とは，ある温度（形状記憶温度）より低い温度で変形させても，これより高い温度にすると元の形状を回復する機能を持った材料である。この性質を示す材料は多数知られているが，現在実用になっているのはTiNi金属問化合物のみであるといっても過言ではない。ところが、このTiNi金属間化合物の形状記憶温度は，ニッケルの含有量がO．1％変化しただけでも，10－20℃も変化する。最初に述べたような理由から，溶解法で組成をこのように厳密に制御するのには困難が多いので，正確な形状記憶温度を持つ材料を再現性よく製造する技術の開発が待たれていた。　この難問題を解決する一つの方法が燃焼合成法で，TiA1金属問化合物の場含と同じように，チタンとニッケルの粉末を正確な重量比で混合し，金属間化合物に燃焼含成する。得られた素材は相対密度が50～60％の多孔質体であるが，これを粉末にしてから930℃，1000気圧で3時間HIP処理すると，相対密度が100％になる。HIP処理後に塑性加工すれば，組成が正確に制御された線材や板材が得られる。　写真3は，この方法で実際に製造したTiNi金属問化合物形状記憶合金のインゴット，薄板，パイプ，線材（直径30μm～2㎜），およびコィルである。図は，この方法で作った線材の応力一ひずみ曲線図で，優秀な超弾性性能を持っている。　科学技術庁の注目発明に選定（金材技研ニュース，1990年，Nα6参照）されたこの製造法で既に工業的生産が開始されており，その製品は犬手下着メー力一によって採用されて，市販商品に使用されている。写真3　燃焼合成法で製造したT1Ni金属間　　　化合物の形状記憶合金600500？400｛冨　300只違　200100室温M昌：一92℃　　　　　　　　　　　■　　　一　　／〆00　　　　　2　　　　4　　　　6　　　　8　　　　　　　ひ　ず　み（％〕　　燃焼合成法で製造したTiNi金属間　　化合物線材の応力　ひずみ線図力学的挙動の解明に向けて弾性定数を測定原子レベルのシミュレーションにも重要　アルミニウムあるいはシリコンの金属閲化含物は軽くて高温強度が大きいので，軽量耐熱構造材料として注目されている。そこで，当研究所では金属間化含物MA13およびMS12（Mは遷移金属元素）の単結晶を作製して、弾一性率などの基本自勺な力学特性を調べている。　単結晶の弾性率は、一般に21個の弾性定数（スティフネス定数）Cむを要素とする行列で表されるが，正方晶構造を持つ上記の金属間化含物では，結晶の対称性から6個の独立な定数c1l，c33，c44，c66，c12，c13が存在している。こ1れらの弾性定数は，材料の強度，変形，破壊などの力学的挙動を理解し、予想する上で重要である。しかし，前記の金属間化含物では大きな単結晶が作製できなかったために、これまで弾性定数が測定されていなかった。そこで，当研究所では昭和62年度に試作したハロゲンランプを熱源とする単緒晶作製装置（金材披研ニュース．1988年，理皿9参剛を使周して，帯域溶融法によリこれら金属聞化含物の良質な大型単結晶（直径約10㎜，長さ80～100㎜）を作製した。そして，こ二の単結晶から＜玉00〉，〈001〉などの単純な4つの方位を持つ試料を切り出して，室潟、で趨曹波の縦波と横波の音速を測定し，これから弾性定数を計算した。表1は，金属聞化含物単結晶の蒙1　MAlヨ，MS1蝉緒晶の弾性定数（単位：亘02GPa）弾性率の測淀例である。　これらの弾性定数から，種々の方位の単結晶のヤング率，剛性率，ポアソン比を求めることができる。例えば，TiA13のすべ‘）面（I12）上のコンプライアンスS66（剛性卒の逆数）の結晶方位依存性は，図のようになる。チタン原予とアルミニウム原子が一丁トAl－Ti－Al一のように交互に並んでいる〔110〕方向は，他の方向に比べてコンプライアンスが大きい，すなわち剛性率が小さい。ヤング率やポアソン比の方位依存性も調べてみると，〔110〕方　．向の原子列は他の方向の原子列に比べて，弾性的に変形しにくいことがわかる。一方，単結晶の弾性定数から等方性多結晶材料の弾性率を，表2のように求めることができる。　ビッカース圧痕のき裂の長さから破壊靱性値を計算する場合や，単緒晶のへき開破壊の破壊靱性値から表繭エネルギーを薔十算したり，原子間のポテンシャルを決定して原子レベルでのシミュレーションを行ったリする場含にも，弾1性定数のデータが必要である。このように弾性定数は重要な材料特性であるので，幾研究所では各種の金属聞化含物の大型単結晶を系統的に作製して，それらの弾性定数を測定している。そして，得られた弾性定数を用’いて，金属間化合物の塑性変形や破壊などの力学的拳動の解明や，転位の弾性的性質の解析などの研究を進めている。TiA…3ZrA13MoSi2WSi2C正12．1772．0884，I704．428C332．1752．0835．1455，523C44O．9200．8722．0422．ヱ16C661．1651．0221．9362．ヱ75C12O．5770．7051I042ヱ．2ヱ7C－3O．4550．491O．8380，8ヱ0（i王2）面　　雑鈍位gG　　呈2ぴ　　　　　12．5Tψ弓二二［・州㌣lg鮒A1　　／1一　、」表2　MA董ヨ，MS…2多緒晶の弾憧率（‡単位：亘02GPa）　　　　ヤング率‡TiA］3　　　　2，157ZrA13　　　　2．θ18MoSi2　　　　4，397WSi2　　　4，679剛性率‡　θ、930　0．851　1．91工　2I036ポアソン比　0．160　0．185　0．151　0．I49王80’［工101　　　　　　　［リ、一王。．、一飾　　　　L＿＿L＿　　　　　　　　　　　　　　　　　　」ポ王2，5　　　　10．5　　　　8．5　　　　　　　　　　　　　　8．5　　　　三0，5　　　　12．5γiA13のコンプライアンス　（s66）の緒晶方位依存性　半径方胸：コンプライアンス（m…3GPa■1）　円筒方晴］：緒轟方肯立平成2年度金属材料技術研究所研究発表会の御案内　金属材料技術研究所では，研究活動をより広く御理解していただくために，毎年研究発表会を開催しておリます。新しい材料が生まれると，その再現性，応用研究のために新しい評個法が必要になってきます。材料評個の分野は，新材料の設言十，創製とともに，材料の研究にとっては，欠かせない研究の分野であリます。本年度はギ材料評個法の新しい展開」を主題として，材料の新しい評棚に関する研究を申心に下記題冒について発表いたします。皆様方の御来聴を頂きたく，璽ねて御案内申し上げます。（聴講自由，講演要旨は前号に掲載）　　日時：平成2年u月8臼（木）工3：15～工7：00（概要集は当日藺己布いたします）　　場所：金属材料技術研究所　大会議室　東京都国榮区中国黒2－3一玉2電話　03－719－2271（代）　　　　（器鴛㌣言二苫二簑見膿統7呈簑簑よ鴬㌫㌫線恵比寿駅下車㈱5分）勢　プ　ロ　グ　ラ　ム　禽I3：15　～　　13：25 あいさつ 所長　新居　和嘉世材料評価法の新しい展開＝13：25　～　　工5　＝25 （座長：計狽1j解析研究部長1．高感度分析評価技術2．X線による高精慶状態分析法・3、レーザ超音波技術と非接触材料評価への応用15　：25　～　玉5　：4015　：40　～　　17　：00休　　憩（座擾：環境性能研究部長斎藤　鉄哉）　　　　　　特別研究官材料設計研究部主任研究官損傷機構研究部主任研究官圓ヨ中　千秋）大河内春乃大野　勝美山脇　　寿4．原子レベルにおける材料擾傷評価　　　　　　環境性能研究部第1研究室長　松岡　三郎5．電子顕微鏡による材料のその場分析・評価一療子を「見ながら」並びかえる二とは可能か？一　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　討測解析猟究部第1研究室長　古屋　一夫事｛t官111荷屈甫朽　　　　榊蝸碑　課　舳　　速熱l1八｛鮒鮒例且借　生塩①l1月の研究発表 （国内分）学・協会名 開催期闘 発　　表　　題　　目 発表者（所属）lntemaセiona1Tribo一 11．1 1．大気中における陽極酸化皮膜のトライ 福田　豊（環境）ほか1o墓y　Con｛erence ボエミション（名古屋：自鳥センチユリープラザ）1ヨ本材料学会第20回疲 11．玉5～11．17 1、ランダム称重下における溶接継手の疲 太田昭彦（環境〕ほか労シンポジウム 労き裂伝ぱ（東京：C　S　K憎轍教育センター）低温二［学会（米沢：ぱ」 1工．23～11．25 1．極低瀞疲れ試験蕎十函と将来性（極低溢 石」l1圭介（1G）ほか形大） 疲れに関する研究第工轍）◆特許逮報◆●出　願発　　明　　の　　名　　称高強度SiC・炭素繊縦複含材とその製造方法拡散接含法出願日2．7，272．8．1出願番号02－1980θ工02－202413発　　日増　　者　　名荒木大橋弘，野囲哲二，阿部蕊士夫修，管　誠一郎●登　録発　　明　　の　　名　　称熱発電材料P型熱発電材料登録日2．8．202．8．20登録番号15727221572729発　　印彗　者　　名西田勲夫，増本西囲鰍夫，増本大越値雄鰯岡舅，磯囲秦宏，◆短信◆●海外出張氏 名 所 属 期 閥 行先 用 務松下 明行 姥礎物惟研究部 2． 8． 14～2． 8． 24 イギり又 第19圃低温国際物理会議小玉　俊蝪 環境惟能研究畜11 2． 8． 26～2． 9I 1 マレーシア 第3固臼本・アセアン科学披術プロジェクト責任老会議小に1 信行 表面界面制御研究部 2． 8． 26～2． 9． 2 アメリカ 第6回分子線エピタキシイ国際会議新墾f 仁 第2研究グループ 2． 8． 26～2． 9． 6 アメリカ ほう素，ほう化物及ぴ関・連化合物に関する国際シンポジウム等天野 機能特性研究部 2． 9、 1～2． 9． 9 カナダ 金属と水素系，姥礎と応用に闘する團際シンポジウム　　　　　　　通巻　第382号発行所科学技術庁金属材料技術研究所　　　　　　＝F153〕袈京老晴竃黒嚢…二申目黒2－3一王2　　　　　TEL（03）719－2271，FAX（03）792－3337　　　　　　j準成2圭戸10月著看イ予編集兼発行人　　真鍋目1　棚株式会社三興印烈刷