JP2008063659A

JP2008063659A - ホウ素変性チタン合金を基にした部品の鋳造方法、鍛錬用チタン合金を基にした部品の製造方法、及びチタン合金

Info

Publication number: JP2008063659A
Application number: JP2007205388A
Authority: JP
Inventors: Tai-Tsui Aindow; エインドゥタイ‐ツイ; Prabir R Bhowal; アール．ボワルプラビール
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 2006-08-09
Filing date: 2007-08-07
Publication date: 2008-03-21
Also published as: EP1887093A1; US20080035250A1

Abstract

【課題】Ｔｉ基合金を更に精製して、完全に精製された変態ベータ粒子の最終構造か、又は精製された変態ベータ粒子と微細な一次アルファ粒子の二段微細構造を形成すること。
【解決手段】チタン合金を基にした部品を鋳造する方法は、多量のチタン合金を溶融して、溶融チタン合金を形成するステップと、溶融チタン合金に、多量のホウ素を溶融チタン合金に約０．２〜１．３重量％の量で添加して、溶融ホウ素変性チタン合金を形成するステップと、ホウ素変性チタン合金を基にした部品を鋳造するステップと、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、チタン合金に関し、更に詳細には、チタン合金の微粒化に関する。

ＴｉＡｌ基合金及びＴｉ基合金の微粒化は、航空宇宙産業で使用するための部品の製造において重要であった。Ｔｉ基合金をホウ素で変性する以前に、ＴｉＡｌ基合金が、ホウ素の添加によって変性されていた。Ｔｉ基合金と同様に、ＴｉＡｌ基合金は、所定のホウ素濃度を超えるとホウ化物が形成し始めるホウ素溶解レベルを有している。「ホウ素添加−対立仮説によるＴｉＡｌ合金を微粒化するメカニズム」という表題のＴ．Ｔ．Ｃｈｅｎｇ著による刊行物においては、一般式：Ｔｉ−４４Ａｌ−８（Ｎｂ，Ｚｒ，Ｔａ）で表されるＴｉＡｌ基合金の鋳放し構造におけるホウ素の添加の作用に関して、研究されていた。かかる文献においては、少なくとも２つの注目結果として、（１）ホウ素の臨界水準を超える添加により、偏析が低減され、他のＴｉＡｌ基合金で以前から観察されていたような種々の異なるホウ化物粒子を有する精製された粒子構造に至ること、（２）ホウ素の臨界水準は、Ｔａ等の強固なホウ化物形成剤を含む合金に必要とされる水準より高水準の組成依存性であること、（３）臨界水準近傍のホウ素含有量を有する合金は、未精製及び精製された領域の両方を含むことが可能であり、その精製された領域は、最も迅速に冷却される領域に相当することを報告した。このような結果が、ホウ素変性ＴｉＡｌ基合金における凝固先端より先だって構造的に過冷却される領域での再核形成の一因となっていた。

Ｔｉ基合金に戻ると、鍛錬用チタン合金の標準的な加工経路では、最初に、インゴットのビレット加工処理プロセスを介し、次に、一般的に鍛造又はリングローリングによって、１００〜２００μｍの粒径の変態したベータと２０〜５０μｍの粒径の一次アルファ（１５〜２５％の体積分率）の二段ミクロ構造（ｄｕｐｌｅｘｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を達成する。このように幾分粗い微細構造により、鍛錬用Ｔｉ基合金の疲労特性が低くなる。鋳造プロセスによって製造されるＴｉ合金製品は、非常に粗い変態ベータ粒径となり、例えば、０．５〜２ｍｍは珍しいことではない。鋳造プロセスによって製造されるＴｉ製品においては、疲労特性を改善するために粒径を精製する従来の試みは、ホウ素を、鋳造前の溶融チタン合金に、原子百分率にて６〜９％の量で添加することによって行われた。しかし、かかる量のホウ素変性Ｔｉ基合金は、低い材料特性をもたらすであろう粗いホウ化物微細構造を形成することが認識されている。このような観察に基づき、Ｔｉ基合金は、臨界水準を大幅に超えるホウ素の添加を明らかに必要としていない。
Ｔ．Ｔ．Ｃｈｅｎｇ著、「ホウ素添加−対立仮説によるＴｉＡｌ合金を微粒化するメカニズム」

従って、完全に精製された変態ベータ粒子の最終構造か、又は精製された変態ベータ粒子と微細な一次アルファ粒子の二段微細構造を形成するためにＴｉ基合金を更に精製する必要がある。

本発明における一実施形態によれば、ホウ素変性チタン合金を基にした部品を鋳造する方法は、概して、多量のチタン合金を溶融して、溶融チタン合金を形成するステップと、多量のホウ素をこの溶融チタン合金に約０．２〜１．３重量％の量で添加して、溶融ホウ素変性チタン合金を形成するステップと、ホウ素変性チタン合金を基にした部品を鋳造するステップと、を含む。

本発明における他の実施形態によれば、鍛錬用チタン合金を基にした部品を製造する方法は、概して、多量のチタン合金を溶融して、溶融チタン合金を形成するステップと、多量のホウ素をこの溶融チタン合金に約０．２〜１．３重量％の量で添加して、溶融ホウ素変性チタン合金を形成するステップと、この溶融ホウ素変性チタン合金を用いて、ホウ素変性チタン合金を基にしたインゴットを鋳造するステップと、このホウ素変性チタン合金を基にしたインゴットを加工して、ホウ素変性チタン合金を基にしたビレットを形成するステップと、このホウ素変性チタン合金を基にしたビレットを加工して、鍛錬用チタン合金を基にした部品を形成するステップと、を含む。

本発明における更に別の実施形態によれば、チタン合金は、概して、約０．２〜１．３重量％のホウ素を含む。

本発明の例示的な方法では、溶融段階において、少量のホウ素の添加によるチタン合金の鋳放し又は鍛造された粒子構造を精製する。インゴットの形で粒径が縮小されると、その後の熱機械加工（“ＴＭＰ”）、例えばビレットへの転換及びその後の鍛造物への転換は、ベータ又はアルファとベータの相の場で行われて、完全に精製された変態ベータ粒子の最終微細構造か、又は完全に精製された変態ベータ粒子と微細な一次アルファ粒子の二段微細構造を形成することが可能である。このような微細構造の精製により、チタン合金の疲労特性及び強度特性が改善される。更に、鋳放しの粒子構造は精製され得るので、ホウ素変性チタン合金を基にした部品は、鋳造プロセスを介して製造することが可能である。

ここで図１を参照すると、ホウ素変性チタン合金を基にした部品を鋳造する例示的な方法を示すフローチャートが示されている。ステップ１０において、固体のチタン合金を溶融して、当業者等に知られている技術を用いて溶融チタン合金を形成することが可能である。航空宇宙産業で一般的に利用されるチタン合金は、イギリスのロンドンのＩＭＩＴｉｔａｎｉｕｍ社からＩＭＩ８３４として市販されているＴｉ−５．８Ａｌ−４Ｓｎ−３．５Ｚｒ−０．７Ｎｂ−０．５Ｍｏ−０．３５Ｔｉ−０．０６Ｃ；Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ、Ｔｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−２Ｍｏ、Ｔｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−６Ｍｏ等であるが、これらに限定されない。

ステップ１２において、所望の微粒化を与えるのに十分な量のホウ素を、任意の溶融チタン合金に添加しても良い。添加されるホウ素の量は、溶融チタン合金のホウ素溶解度に合わせるのが好ましい。各チタン合金は、ホウ素溶解度値を有しており、かかる数値は、添加され得るホウ素の量に影響を与える。一般に、チタンに対するホウ素の溶解度は、チタンに対して約０．０５重量％未満である。一般的に添加されるホウ素の量は、溶融チタン合金に対して、約０．２〜１．３重量％の範囲である。好適なホウ素提供源は、ＡｌＢ₁₂、ＴｉＢ₂およびＴｉＢの少なくとも１つを含む組み合わせであっても良いが、これらに限定されない。その後、溶融ホウ素変性チタン合金は、ステップ１４で鋳造されて、所望の部品、構成要素等を形成する。これにより得られるホウ素変性チタン合金は、上述のチタン合金を含んでいても良く、少なくとも１つのホウ化物又は溶解ホウ素、或いはホウ化物と溶解ホウ素の両方の形で約０．２〜１．３重量％のホウ素を含んでいても良い。

溶融段階で、少量のホウ素の添加により、チタン合金の鋳放し又は鍛造された粒子構造を精製する。インゴットの形で粒径が縮小されると、その後の熱機械加工（“ＴＭＰ”）、例えばビレットへの転換及びその後の鍛造物への転換は、ベータ又はアルファとベータの相の場で行われて、完全に精製された変態ベータ粒子の最終微細構造か、又は完全に精製された変態ベータ粒子と微細な一次アルファ粒子の二段微細構造を形成することが可能である。このような微細構造の精製により、チタン合金の疲労特性及び強度特性が改善される。更に、鋳放しの粒子構造は精製され得るので、ホウ素変性チタン合金を基にした部品は、鋳造プロセスを介して製造することが可能である。

ここで図２を参照すると、ホウ素変性チタンを基にした部品を鋳造する例示的な方法が示されている。ステップ２０において、好適なチタン合金組成物を溶融して、当業者等に知られている技術を用いて、溶融チタン合金を形成する。上述したように、所望の微粒化を得るのに十分な量、好ましくは、溶融チタン合金のホウ素溶解度に合わせた量を、ステップ２２において、溶融チタン合金に添加する。その後、ステップ２４において、当業者等に知られている多数の技術のいずれかを用いて、ホウ素変性チタン合金をインゴットに鋳造する。鍛錬用部品を形成するために、鋳造インゴットを一次加工技術に付して、当業者等に知られているように、ステップ２６においてビレットを形成する。その後、ホウ素変性チタン合金からなるビレットは、ステップ２８において、二次加工技術に付され、当業者等に知られているように、チタン合金の粒子微細構造を更に精製する。最後に、加工されたビレットを鍛造して、ステップ３０において、当業者等に知られている多数の技術のいずれかを用いて鍛錬用部品又は“延伸材”を形成する。

本発明における一以上の実施形態が説明された。しかし、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく変更可能であることは、理解されるであろう。従って、他の実施形態についても、特許請求の範囲内にある。

ホウ素変性チタン合金を基にした部品を鋳造する例示的な方法を示すフローチャートである。ホウ素変性鍛錬用チタン合金を基にした部品を製造する例示的な方法を示すフローチャートである。

Claims

ホウ素変性チタン合金を基にした部品を鋳造する方法であって、
ある量のチタン合金を溶融して、溶融チタン合金を形成するステップと、
前記溶融チタン合金にホウ素を該溶融チタン合金の約０．２〜１．３重量％の量で添加して、溶融ホウ素変性チタン合金を形成するステップと、
ホウ素変性チタン合金を基にした部品を鋳造するステップと、
を含む鋳造方法。
更に、前記ホウ素の添加は、少なくとも１つのホウ化物粒子を溶質の形態で含む前記溶融ホウ素変性チタン合金を形成することを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記ホウ素の添加は、ＡｌＢ₁₂、ＴｉＢ₂及びＴｉＢの少なくとも１つを添加することを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記チタン合金の溶融は、
Ｔｉ−５．８Ａｌ−４Ｓｎ−３．５Ｚｒ−０．７Ｎｂ−０．５Ｍｏ−０．３５Ｔｉ−０．０６Ｃ、
Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ、
Ｔｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−２Ｍｏ、
Ｔｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−６Ｍｏ、
の少なくとも１つを溶融することを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
鍛錬用チタン合金を基にした部品の製造方法であって、
ある量のチタン合金を溶融して、溶融チタン合金を形成するステップと、
前記溶融チタン合金にホウ素を該溶融チタン合金の約０．２〜１．３重量％の量で添加して、溶融ホウ素変性チタン合金を形成するステップと、
前記溶融ホウ素変性チタン合金を用いて、ホウ素変性チタン合金を基にしたインゴットを鋳造するステップと、
前記ホウ素変性チタン合金を基にしたインゴットを加工して、ホウ素変性チタン合金を基にしたビレットを形成するステップと、
前記ホウ素変性チタン合金を基にしたビレットを加工して、鍛錬用チタン合金を基にした部品を形成するステップと、
を含む製造方法。
前記チタン合金の溶融は、Ｔｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−６Ｍｏを溶融することを含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
更に、前記ホウ素の添加は、少なくとも１つのホウ化物粒子を溶質の形態で含む前記溶融ホウ素変性チタン合金を形成することを含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
前記ホウ素の添加は、ＡｌＢ₁₂、ＴｉＢ₂及びＴｉＢの少なくとも１つを添加することを含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
前記チタン合金の溶融は、
Ｔｉ−５．８Ａｌ−４Ｓｎ−３．５Ｚｒ−０．７Ｎｂ−０．５Ｍｏ−０．３５Ｔｉ−０．０６Ｃ、
Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ、
Ｔｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−２Ｍｏ、
Ｔｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−６Ｍｏ、
の少なくとも１つを溶融することを含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
約０．２〜１．３重量％のホウ素を含むチタン合金。
前記ホウ素は、少なくとも１つのホウ化物又は溶解ホウ素、或いは該少なくとも１つのホウ化物と前記溶解ホウ素の両方を含むことを特徴とする請求項１０に記載のチタン合金。
前記少なくとも１つのホウ化物は、ＡｌＢ₁₂、ＴｉＢ₂及びＴｉＢの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１１に記載のチタン合金。
前記チタン合金は、
Ｔｉ−５．８Ａｌ−４Ｓｎ−３．５Ｚｒ−０．７Ｎｂ−０．５Ｍｏ−０．３５Ｔｉ−０．０６Ｃ、
Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ、
Ｔｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−２Ｍｏ、
Ｔｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−６Ｍｏ、
の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１０に記載のチタン合金。