粒子強化型複合材料の機械的性質に及ぼす粒子分散状態の影響に関する基礎的研究

Abstract

チタン合金中にTiC(炭化チタン)、TiB(硼化チタン)などの耐熱性セラミック粒子を均一に分散させるという複合材料化の手法は、チタン合金の機械的特性、剛性、耐摩耗性などの向上を意図した新しい試みである。このような粒子強化型複合材料の諸特性は、強化粒子の種類および量のみならずその分散状態(粒子の粒径あるいは幅、粒子間距離、アスペクト比など)にも大きく依存して変化することが十分に予想されるが分散状態の影響を定量的に評価した研究は皆無である。そこで本研究では、純チタン中にTiCを分散させた粒子強化型のチタン基複合材料をメカニカルアロイング法(混合粉末を高エネルギーボールミル中で強制的に混錬し、その後、緻密化処理、焼鈍処理を行いバルク状の素材を製造する手法)により製造し、引張り特性と分散状態との相互関係などの基礎的事象を実験的に解析することを試みた。TiCの粒子径は、混錬の際の印加エネルギー量と緻密化処理後の焼鈍温度に大きく依存していることが見い出された。すなわち、ディスク回転数が高く、混錬時間が長いほど、また、焼鈍温度が低いほど、粒径は小さくなる傾向を示した。Ti/10TiC複合材料を例に取ると、TiCの粒子径は2?20マイクロメートルの範囲にあった。またその分布は極めて均質であった。本複合材料の室温および588Kにおける引張り強さはTiC量の増加とともに上昇した。しかし延性は逆に低下する傾向にあった。また、TiCの体積比が一定の場合で比較すると、引張り強さ、延性は粒子径が小さいほど高い値を示した。

It is a new trial for improving the mechanical property, rigidity, and wear resistance of titanium alloy to make a composite material by dispersing homogeneously heat resistant ceramic particles such as TiC (Titanium Carbide) and TiB (Titanium Boride) in titanium alloy. It is sufficiently conjectured that the property of such particulate reinforced composites change to a considerable extent depending on the dispersed condition (such as size, width, intergranular distance, and aspect ratio of particle) as well as the kinds and amount of strengthening particle. However, no report has been published on quantitative evaluation of dispersion condition effect. Then in this study, particulate reinforced titanium based alloys were prepared by dispersing TiC particle in pure titanium by mechanical alloying method, which produces bulk materials from mixed powder by compulsively kneading and mixing in high energy ball mill, and performing successively densification and annealing process. Thereby the analysis of basic phenomena such as interaction between tensile strength and dispersed states was attempted. It was found that TiC particle size largely depended on the applied energy amounts during kneading and on annealing temperature after densification. It showed a tendency that particle size became small along with higher rotation speed of disk, longer kneading time, and lower annealing temperature. As for Ti/10TiC composite material, the particle size of TiC was in the range of 2-20 micrometers and its distribution was quite homogeneous. The tensile strength of the composite material at room temperature and 588 K increased with the increase in TiC content, while the ductility decreased as the TiC content increased. In comparison at constant TiC volume fraction, the tensile strength and ductility showed higher values in finer particle size.