涡轮机叶轮用TiAl合金的开发
近年，以发达国家为中心一直在强化汽车燃料费规则，即节能环保规则。为此，以欧洲为中心盛行用涡轮增压器补偿输出功率低下技术，实现节油的目标。另一方面，伴随节油化，发动机排气温度升高，故要求提高涡轮增压器的耐热性，特别是直接承受排气的涡轮叶轮和壳罩的耐受温度能达1050℃。
由于TiAl合金具有优良的高温特性，故将之用作超合金的代替耐热材料一直是令人期待的，特别是在涡轮机叶轮这样的旋转体上，利用其轻量性可提高增压器性能。
1999年，大同特殊钢公司率先在市场销售TiAl材，作为涡轮增压器涡轮机叶轮用材料。至今，已经开发了用于柴油发动机和低温发动机的TiAl合金的DAT-TA1，进一步提高耐热性的用于高温汽油发动机的DAT-TA2。伴随排气温度上升，要求进一步提高耐受温度，为此开发了DAT-TA3。本文介绍了既保持了制造性，又提高了高温强度，且实现了含C量，含Si量最佳化的DAT-TA3的开发及特性。
1合金组成
表1为开发的涡轮叶轮用TiAl合金的化学成分。包括TiAl合金材质在内的涡轮叶轮因形状复杂，故大多采用精密铸造法制造。一般认为在TiAl合金中加入铌可以提高材料的高温强度和耐氧化特性，但若多量加入不仅会劣化其铸造性，且还会因提高了合金密度而损失了合金的轻量化。
因此，在考虑了加铌量对产品高温特性和制造性的影响后，决定加入7.5%Nb。并且，C和Si都是提高高温强度的元素，多量加入会降低材料的延性、韧性，以及影响制造性，因此决定在DAT-TA2成分的基础上，将含碳量从0.03%增加至0.10%，含Si量从0.50%降至0.35%。另外，为了如原来材同样地提高延性而加入了Cr，还调整了Al加入量，从而使开发材获得了由相（TiAl）和相组成的层状结构组织。
2实验方法
本公司生产的Ti合金及TiAl合金铸件一直采用独自地磁力悬浮熔炼和铸造法制造。由于本工艺的熔炼在水冷铜坩埚内进行，因杂质混入而造成金属液的污染少，故可获得高纯净度的产品。并且，铸造采用了减压吸引法，因而可以铸造叶片顶端最薄到0.5mm的产品。
本研发项目采用以上熔炼法和铸造法制作加工了10mm60mm棒型试样，对在铸态下材料的各种特性进行了评价。另外，本公司制造的TiAl质涡轮叶轮无须热处理，可以在铸态下使用。作为比较，也对原来材DAT-TA1、DAT-TA2进行了同样的评价。
3结果
3.1显微组织
观察铸态DAT-TA3、DAT-TA1、DAT-TA2的显微组织可知，TiAl合金呈现的是γ相（TiAl）和α2相（Ti3Al）构成的层状结构，故材料的高温强度高。因此，3种材料呈现全面的层状组织，也就成了高温特性优良的显微组织。
3.2力学性能
3.2.1抗拉特性
铸态合金试样在室温~1050℃的拉伸试验结果表明，在低温（小于600℃）区间，开发材DAT-TA3显示出与原来材相同程度的抗拉强度；而0.2%屈服强度，虽因其延性低而无法评价，但在600℃以上区域，开发材却有比原来材更高的抗拉强度和0.2%屈服强度。另一方面，因开发材的延性比原来材更低，故须进行适当的处理。
3.2.2蠕变断裂强度
由于涡轮叶轮在高温下以20万rpm以上的高速旋转，离心力将载荷作用于叶片上促使其变形，因与涡轮壳罩接触而破损，故材料的蠕变断裂强度是决定材料耐用性的重要特性。从上述3种合金在铸态下的800-1050℃蠕变断裂强度试验可知，开发材的蠕变断裂强度在全温度领域都是最高的，从拉森-密勒参数计算出DAT-TA3的耐用温度比DTA-TA1最大要高出50℃，比DTA-TA2最大要高出20℃。
因此，涡轮叶轮等旋转体的密度越大则离心力也越大，故若以考虑了密度差的比蠕变断裂强度进行评价，则开发品的比蠕变断裂强度达到了作为叶轮材料使用最多的超合金Inconel 713C（Ni-12.5Cr-4Mo-5Al-0.7Ti-Zr-B）同等以上的水平。
3.2.3疲劳特性
叶轮在使用中受到废气的冲击，叶片顶端有振动，若考虑到20rpm这一旋转数，则高周期疲劳特性是重要的。另一方面，因轴的断开/启动等旋转数的急剧变化而使叶片根部产生了负荷，故低周疲劳特性也是重要的。
为此，测定了铸态材料在500-900℃的旋转变曲疲劳试验中的107次疲劳强度。结果表明，无论是在哪个温度下，DAT-TA3都显示出比原来两种材有更高的107次疲劳强度，从而对因排气所引起的叶片顶端振动也显示出更优良的耐性。对DAT-TA3和DAT-TA2两种材料在800℃低周疲劳强度进行测定的结果表明，前者比后者800℃低周疲劳强度更高，即使在涡轮叶轮加、减速等反复变化条件下，前者也显示了更优良特性。
3.3高温氧化特性
为了测定材料在900-1050℃的反复氧化特性，试验在大气中交替地反复加热和冷却，将加热30min再进行冷却30min作为一个周期而评价了经历200个周期后的氧化增量。结果表明：TiAl合金在大气环境中的耐氧化特性、在1050℃会急剧劣化，即无论是哪种TiAl合金都会显著发生氧化。然而，DAT-TA3的耐交变氧化特性在1050℃虽比DAT-TA2稍差，但在到1000℃为止的温度区间，包括超级合金713C在内的4种合金的耐氧化性基本上是同等的，即氧化同等地轻微。
3.4制造性
DAT-TA3合金材料已被用作试制了1000个以上的涡轮叶轮，并确认其制造性较之原来材毫不逊色。然而，因涡轮叶轮的制造性受其形状的影响大，故对于产品形状的确认，重要的是加强与设计者的沟通。
4结语
日本大同特殊钢公司以原来的高温对应材DAT-TA2为基础，开发了能提高耐用温度的DAT-TA3。估计在蠕变断裂特性方面，较之DAT-TA2，DAT-TA3的耐用温度可提高20℃。
尽管DAT-TA3的密度仅为现有Ni基超合金的1/2，但却有可能使用到Inconel 713C超合金不能使用的温度区域。