JP2009149985A - ベータ処理されたチタン合金品の機械的特性を向上させる方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ベータ処理されたアルファ−ベータチタン合金品の機械的特性を向上させる方法を提供する。
【解決手段】 本方法は、前記合金品の鍛造をベータ変態点以上で実施することで最終鍛造後品を生じること、前記最終鍛造後品に鍛造後冷却処理を施すことで鍛造後冷却品を生じること、前記鍛造後冷却品の溶体化熱処理をベータ変態点未満の温度になるように実施することで溶体化熱処理品を生じること、前記溶体化熱処理品に制御された溶体化後冷却処理を施すことで溶体化後冷却品を生じること、および前記溶体化後冷却品をアルファ相析出処理することで平均伸び値が少なくとも３％の最終品を得ることを含む。
【選択図】 図１

Description

本明細書に記述する実施形態は一般に、ベータ処理されたチタン合金品の機械的特性を向上させる方法に関する。より詳細には、本明細書に示す実施形態は一般に、ベータ処理されたＴｉ−６２４６品の延性を向上させる方法を記述するものである。

タービンエンジンの設計者は、エンジンの重量を低減するとともにより高いエンジン運転温度が得られるよう改善された特性を有する新規な材料を探究している。低減されたエンジン重量とともにより高いエンジン運転温度を実現するには、使用する材料が適切に耐性を有しかつ性能を果たすのに十分なクリープ強度を有するべきであり、さらに室温および生じ得る高温の両方で充分な延性、じん性および強度を維持しかつ作動中に耐破壊性も示すべきである。チタン合金（Ｔｉ合金）は、低温における機械的特性と高い中間温度における強度および耐クリープ性を兼ね備えており有望である。従って、Ｔｉ合金は、数多くのタービンエンジン部品の製造時に現在用いられているニッケル基超合金に代わる可能性を有する。

ベータ処理されたアルファ−ベータチタン合金は、ガスタービンエンジンに好適な部品の製造に使用可能なチタン合金の一種である。アルファ−ベータチタン合金は、他の如何なる元素よりも多量のチタンを含有する合金であり、熱処理された時に主に２つの相、即ちアルファ相とベータ相を形成する。アルファ−ベータ（α−β）チタン合金において、アルファ（α）相は、低温時に熱力学的に安定な六方最密（ＨＣＰ）相であり、ベータ（β）相は、当該合金に特有の温度である「ベータ変態点」よりも高温時に熱力学的に安定な体心立方（ＢＣＣ）相である。ベータ変態点よりも低温時にはアルファ相とベータ相が混ざり合っている状態が熱力学的に安定である。

そのような合金は一般に、室温および約１２００°Ｆ（約６４９°Ｃ）のような中程度に高い温度の両方において重量の割に優れた機械的特性を有する。そのような合金は部品、例えばファンおよびコンプレッサーのディスク、ブリスク、ブレード、羽根、シャフトおよびエンジンマウントなどを製造する時に使用可能である。

アルファ−ベータチタン合金をベータ変態点よりも高温で処理すると、結果としてベータ変態点よりも低温で処理された同じ材料に比べてクリープ強度を約５０°Ｆ（約２８°Ｃ）以上相当分高めることができる。しかしながら、高温性能を向上させようとしてアルファ−ベータチタン合金にベータ処理を施すと、そのような材料は延性の低下などの欠点を示す可能性があり、粒子流動に対して約３５〜５５度の角度で試験を実施した時にアルファ−ベータチタン合金が示す延性は例えば平均で約３％未満である。粒子流動に対する試験軸角度が４５度に近づくにつれて延性が最小限になることはしばしばである。非特許文献１を参照のこと。
Ｋｒｕｌｌ，Ｔ．ｅｔａｌ．，Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ β−ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ Ｔｉ ６２４６；Ｔｉ−２００３ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ １０ｔｈ Ｗｏｒｌｄ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｔｉｔａｎｉｕｍ，Ｈａｍｂｕｒｇ，Ｇｅｒｍａｎｙ；１３−１８ Ｊｕｌｙ ２００３．ｐｐ．１８７１−１８７８

従って、向上した高温性能および適当な強度を有するとともに充分な延性を維持する、ベータ処理されたアルファ−ベータチタン合金を製造する方法が求められている。

本明細書に記載の実施形態は一般に、ベータ処理されたアルファ−ベータチタン合金品の機械的特性を向上させる方法に関し、この方法は、前記合金品の鍛造をベータ変態点以上で実施することで最終鍛造後品を生じること、前記最終鍛造後品に鍛造後冷却処理を施すことで鍛造後冷却品を生じること、前記鍛造後冷却品の溶体化熱処理をベータ変態点未満の温度になるように実施することで溶体化熱処理品を生じること、前記溶体化熱処理品に制御された溶体化後冷却処理を施すことで溶体化後冷却品を生じること、および前記溶体化後冷却品をアルファ相析出処理することで平均伸び値が少なくとも３％の最終品を得ることを含む。

また、本明細書に記載の実施形態は一般に、約１７３５°Ｆ（約９４６°Ｃ）のベータ変態点を有するＴｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−６Ｍｏ合金品の機械的特性を向上させる方法にも関し、この方法は、前記合金品の鍛造をベータ変態点以上で実施することで最終鍛造後品を生じさせ、前記最終鍛造後品に鍛造後冷却処理を施すことで鍛造後冷却品を生じさせ、前記鍛造後冷却品の溶体化熱処理をベータ変態点未満の温度で実施することで溶体化熱処理品を生じさせ、前記溶体化熱処理品に制御された溶体化後冷却処理を施すことで溶体化後冷却品を生じさせ、さらに前記溶体化後冷却品をアルファ相析出処理することで平均伸び値が約５％から約５．８％の最終品を得ることを含む。

また、本明細書に記載の実施形態は一般に、一般に、約１７３５°Ｆ（約９４６°Ｃ）のベータ変態点を有するＴｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−６Ｍｏ合金品の機械的特性を向上させる方法にも関し、この方法は、前記合金品の鍛造約１７４５°Ｆから約１８２５°Ｆ（約９５２°Ｃから約９９６°Ｃ）の温度範囲で実施することで最終鍛造後品を生じさせ、前記最終鍛造後品に、前記最終鍛造後品の温度をほぼベータ変態点から約７００°Ｆ（約３７１°Ｃ）の範囲に維持しながら前記鍛造後品を約１５０°Ｆ／分から約４００°Ｆ／分（約８３°Ｃ／分から約２２２°Ｃ／分）の鍛造後冷却速度で冷却することを包含する鍛造後冷却処理を施すことで鍛造後冷却品を生じさせ、前記鍛造後冷却品の溶体化熱処理をベータ変態点より低い約１６５°Ｆから約２２５°Ｆ（約９２°Ｃから約１２５°Ｃ）の温度で約４時間実施することで溶体化熱処理品を生じさせ、前記溶体化熱処理品に、前記溶体化熱処理品を約５０°Ｆ／分から約２００°Ｆ／分（約２８°Ｃ／分から約１１１°Ｃ／分）の制御された溶体化後冷却速度で冷却することを包含する制御された溶体化後冷却処理を施すことで溶体化後冷却品を生じさせ、さらに前記溶体化後冷却品のアルファ相析出処理を約１１００°Ｆから約１３５０°Ｆ（５９３°Ｃから約７３２°Ｃ）の温度範囲で約８時間実施することで平均伸び値が約５％から約５．８％の最終品を得ることを含む。

前記およびその他の特徴、態様および利点が以下の開示から当業者に明らかになるであろう。

本明細書に記載の実施形態は一般に、ベータ処理されたチタン合金品の機械的特性を向上させる方法に関する。特に、本明細書に記述する実施形態は一般に、Ｔｉ−６２４６（Ｔｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−６Ｍｏ）品の延性を向上させる方法に関する。本明細書に示す説明はＴｉ−６２４６に焦点を当てたものであるが、当業者は、本明細書に示す方法はそれに限定されず、Ｔｉ−６２４２（Ｔｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−２Ｍｏ）、Ｔｉ−６−２２−２２Ｓ（Ｔｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−２Ｚｒ−２Ｍｏ−２Ｃｒ−０．２５Ｓｉ）およびＴｉ−１７（Ｔｉ−５Ａｌ−４Ｍｏ−４Ｃｒ−２Ｓｎ−２Ｚｒ）などのアルファ−ベータチタン合金のいずれにも等しく、これらに限定されることなく適用可能であることを理解するであろう。

本明細書の以下に示すように、Ｔｉ−６２４６（以下、「合金」と称する）に処理を施すことで機械的特性、特に延性を、他の特性が許容限界未満となるような悪影響を与えることなく向上させることができる。最初に、前記合金に鍛造をベータ相場で施すことで最終鍛造後品を生じることができる。Ｔｉ−６２４６が示すベータ変態点温度は約１７３５°Ｆ（約９４６°Ｃ）であり、鍛造をベータ変態点より約１０°Ｆから約９０°Ｆ（約６°Ｃから約５０°Ｃ）高い温度、即ち約１７４５°Ｆから約１８２５°Ｆ（約９５２°Ｃから約９９６°Ｃ）で実施してもよい。そのような鍛造温度にすると確実に、前記合金の実質的に全部をベータ相にし易くなるとともに過度のベータ粒成長を最小限に抑え易くなる。鍛造用エンベロープ内の機械加工された完成品を鍛造工程全体に渡って実質的にベータ変態点よりも高温に維持することが好ましいことから、加熱されたダイスを用いてもよい。

鍛造技術分野の技術者は、そのような効果を達成する目的でいろいろな特定のダイス温度および歪み速度を用いることができることを理解するであろう。実施する個々の鍛造操作から独立させて、本明細書の以下に記載する実施形態を鍛造後に適用することができる。しかしながら、アルファ−ベータチタン合金のベータ鍛造では、一般に、最終鍛造後品の高さを少なくとも約３０％低くすることを利用してもよい。

最終鍛造段階が完了した後、その最終鍛造後品に当業者に公知の様々な冷却技術、例えばこれらに限定するものでないが、送風、油、ガスおよび水による急冷などを用いた鍛造後冷却処理を施すことで鍛造後冷却品を生じてもよい。この鍛造後冷却処理の冷却速度を最終品が示す強度と延性の間の均衡が維持されるように制御してもよい。ベータ変態点から約７００°Ｆ（約３７１°Ｃ）に至らせる１つの実施形態では、鍛造後冷却速度を一般に約１５０°Ｆ／分から約４００°Ｆ／分（約８３°Ｃ／分から約２２２°Ｃ／分）にしてもよい。そのような鍛造後冷却速度を物品が約７００°Ｆ（約３７１°Ｃ）の温度に到達するまで維持してもよい。約７００°Ｆ（約３７１°Ｃ）未満の場合には冷却速度はあまり重要でなく、その物品を如何なる速度で冷却してもよい。

なお、その鍛造後冷却処理で用いる冷却速度はいくつかの要因に依存し得る。ある場合には、鍛造工程、物品の断面の大きさおよび鍛造後冷却機器構成などのような要因によって、鍛造後冷却速度を上述した約１５０°Ｆ／分から約４００°Ｆ／分（約８３°Ｃ／分から約２２２°Ｃ／分）の範囲以外にすることも可能である。本明細書に示す実施形態の目的において、そのような鍛造後冷却処理の冷却速度が延性に対して示す影響は二次的なものであり、主要な影響は後述する次の熱処理に起因し得る。

次に、その鍛造後冷却品に溶体化熱処理を温度がベータ変態点より低い約１６５°Ｆから約２２５°Ｆ（約９２°Ｃから約１２５°Ｃ）になるように施し、そしてその温度を約４時間保持することで溶体化熱処理品を生じることができる。次に、その溶体化熱処理品に制御された溶体化後冷却処理を施すことで溶体化後冷却品を生じることができる。そのような溶体化熱処理に好適な方法は当業者に公知であろう。溶体化熱処理方法の例には、空気、真空または不活性（即ちアルゴン）雰囲気下の熱処理が含まれ得る。そのような制御した溶体化後冷却処理が、必要な延性の達成に最も有意な影響を与える可能性があり、かつまたそれにも当業者に公知のいろいろな冷却技術、例えば送風、油、ガスおよび水による急冷が含まれ得る。その制御された溶体化後冷却速度は約５０°Ｆ／分から約２００°Ｆ／分（約２８°Ｃ／分から約１１１°Ｃ／分）であってもよい。

必要な制御された溶体化後冷却速度範囲が達成されるように、（最終的鍛造操作後に大まかな機械加工を行うことを伴い得る）鍛造後冷却品の構成、および特定の冷却方法を選択してもよい。延性が比較的重要ではない製品部分では、制御された溶体化後冷却速度が所望範囲より速くてもよい。同様に、強度が低くても許容される製品部分では、制御された溶体化後冷却速度が所望範囲未満であってもよい。

制御された溶体化後冷却の実施後、溶体化後冷却品にアルファ相析出処理を約１１００°Ｆ（約５９３°Ｃ）から約１３５０°Ｆ（約７３２°Ｃ）の温度範囲で約８時間施した後、制御されていない冷却を施してほぼ室温に到達させることで最終品を生じさせてもよい。そのような析出処理によって、必要な強度を有する最終品を生じることができるとともに、そのような析出処理は製造が容易になるように多段階で実施可能である。例えば、機械加工または接合操作中に発生した残存応力が取り除かれるようにアルファ相析出を２回以上の暴露に分割してもよい。

上述した処理の結果もたらされた最終品では、通常のベータ処理および熱処理されたアルファベータチタン合金に比べて、強度は低下するがクリープが維持されかつ４５度の角度の延性が少なくとも約３％向上する。本明細書の全体に渡って用いるような延性伸び値は、粒子流動に対して４５度でとった室温の引張試験伸びを用いて測定した値である。より具体的には、前記の結果として得た最終品が示す平均伸び値は少なくとも約５％、１つの実施形態では約５％から約５．８％であり得る。

ベータ変態点（βｔ）温度が約１７４５°Ｆ（９５２°Ｃ）のＴｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−６Ｍｏ（公称）合金に対して可変熱応答関係の系統的研究を実施した。この研究を下記のように実施した：
鍛造用ビレットを直径が約８インチ（約２０．３ｃｍ）で長さが約１０．５インチ（約２６．７ｃｍ）になるように切断した後、公称温度がベータ変態点（βｔ）＋５０°Ｆ（２８°Ｃ）になるように加熱した。

次に、その加熱したビレットにベータ鍛造を施すことで直径が約１３インチ（約３３．０ｃｍ）で厚みが約４インチ（１０．２ｃｍ）のパンケーキ形状にしたが、このことは、鍛造による高さ減少度が約２．５：１、即ち約６０％であることに相当していた。

次に、その最終鍛造品に鍛造後冷却処理を施した。空気冷却によって前記物品を１分当たり約４０°Ｆ（約２２°Ｃ）の速度で前記物品が室温に到達するまで冷却した。

次に、その鍛造後冷却品を４片に切断したが、各片は前記物品の約１／８以下であった。次に、その４個の片に溶体化熱処理を、各片が以下に概略を示す様々な温度による処理を受けるように、約４時間施した：
片１： １６９５°Ｆ（９２４°Ｃ）、即ちβｔ−５０°Ｆ（２８°Ｃ）
片２： １６４５°Ｆ（８９６°Ｃ）、即ちβｔ−１００°Ｆ（５６°Ｃ）
片３： １５９５°Ｆ（８６８°Ｃ）、即ちβｔ−１５０°Ｆ（８３°Ｃ）
片４： １５４５°Ｆ（８４１°Ｃ）、即ちβｔ−２００°Ｆ（１１１°Ｃ）
次に、その溶体化熱処理片に、制御された溶体化後冷却処理を施したが、この冷却処理では、その溶体化熱処理片を下記の公称速度の中の１つで冷却した：
約４０°Ｆ／分（約２２°Ｃ／分）
約１００°Ｆ／分（約５６°Ｃ／分）
約１７０°Ｆ／分（約９４°Ｃ／分）、または
約６００°Ｆ／分（約３３３°Ｃ／分）
各片をほぼ室温に冷却した後、各片にアルファ相析出処理を約８時間施したが、その処理では、各片に熱処理を下記の温度：
１１００°Ｆ（５９３°Ｃ）、１１５０°Ｆ（６２１°Ｃ）または１２００°Ｆ（６４９°Ｃ）
の中の１つの温度で施した後、空気冷却を各片がほぼ室温になるまで実施した。

次に、その結果として得た最終品を分割して、粒子流動に対して公称角度４５度の引張試験片を生じた。

ＡＳＴＭ Ｅ８を用いて引張試験を室温で実施した。その結果として得た伸びデータは、図１に示すように、溶体化温度からの冷却速度に大きく依存することが分かった。図１に示すデータは、上述のように実施した繰り返し試験中に集めた各冷却速度当たり６から９個のデータ点の平均を表している。

本明細書では最良の様式を包めて本発明を開示するとともに、当業者なら誰でも本発明を製造しかつ使用できるようにする目的で実施例を用いる。本発明の特許可能な範囲を特許請求の範囲で定義するが、この範囲には当業者に連想可能な他の例も含まれ得る。そのような他の例が特許請求の範囲の文言と相違ない構成要素を有するか或はそれらが特許請求の範囲の文言とは実質的に異ならない相当する構成要素を含有する場合には、それらを本発明の特許請求の範囲の範疇にあるものとする。

本発明を明示するとともに明確に請求する特許請求の範囲で本明細書を結論づけるが、本明細書に記載の実施形態は、添付図面と関連させることでよりよく理解されよう。添付図面では同様な参照番号を用いて同様な要素を識別する。

図１は、本実施例に記載の結果を示す延性プロット図である。

Claims (7)

1. ベータ処理されたアルファ−ベータチタン合金品の機械的特性を向上させる方法であって、
   前記合金品の鍛造をベータ変態点以上で実施することで最終鍛造後品を生じること；
   前記最終鍛造後品に鍛造後冷却処理を施すことで鍛造後冷却品を生じること；
   前記鍛造後冷却品の溶体化熱処理をベータ変態点未満の温度になるように実施することで、溶体化熱処理品を生じること；
   前記溶体化熱処理品に、制御された溶体化後冷却処理を施すことで溶体化後冷却品を生じること；および
   前記溶体化後冷却品をアルファ相析出処理することで平均伸び値が少なくとも３％の最終品を得ること；
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記合金品の鍛造を、１７４５°Ｆから１８２５°Ｆ（９５２°Ｃから９９６°Ｃ）の温度範囲で実施することを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記鍛造後冷却品の溶体化熱処理を、ベータ変態点未満の１６５°Ｆから２２５°Ｆ（９２°Ｃから１２５°Ｃ）の温度範囲で４時間実施することを含む、請求項１または２のいずれかに記載の方法。
4. 前記制御された溶体化後冷却処理が、前記溶体化熱処理品を５０°Ｆ／分から２００°Ｆ／分（２８°Ｃ／分から１１１°Ｃ／分）に制御された溶体化後冷却速度で冷却することを含む、請求項１、２または３のいずれかに記載の方法。
5. 前記溶体化後冷却品のアルファ相析出処理を１１００°Ｆから１３５０°Ｆ（５９３°Ｃから７３２°Ｃ）の温度範囲で８時間実施することを含む、請求項１、２、３または４のいずれかに記載の方法。
6. 前記最終品が５％から５．８％の平均伸び値を示す、請求項１、２、３、４または５のいずれかに記載の方法。
7. 前記チタン合金品がＴｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−６Ｍｏを含有する、請求項１、２、３、４、５または６のいずれかに記載の方法。

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