JP2010031367A - 物品およびこれを処理する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】疲労応力と磨耗の両方に対して高い耐性を有するチタン部品を提供する。
【解決手段】チタン基材１４上に金属層１６を形成する。次に、金属層１６とチタン基材１４を一緒に拡散し、拡散領域をつくる。この拡散で、金属層１６の微細空孔を満たすように原子が移動することによって、金属層１６が強固になる。その後、ピーニングや圧延などの機械加工によって、金属層１６、拡散領域さらには少なくとも部分的にチタン基材１４の内部まで延びるような残留応力領域２４をつくる。
【選択図】図１

Description

本発明は、チタン部品に関し、詳しくは、疲労しやすい部品において改善された接着を得る方法およびその方法で得られる物品に関する。

チタン合金は、スチールなどの他の合金と比較して、高い強度と比較的軽量であることを兼ね備える目的で使用されることが多い。チタン合金の部品は、疲労応力や他の部品との磨耗などを受ける比較的厳しい使用条件に晒されることがある。例えば、耐疲労性を向上させるためには、チタン合金部品にピーニング（ｐｅｅｎｉｎｇ）を施すことによって残留圧縮面領域（ｒｅｓｉｄｕａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｚｏｎｅ）をつくり、この領域で、加わる疲労引張応力（ｆａｔｉｇｕｅ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｓｓｅｓ）を相殺させることができる。あるいは、耐摩耗性を向上させるためには、チタン合金部品に、相対的に硬い材料を使ってめっきを施すことができる。

ピーニングとめっきは、それぞれ耐疲労性と耐摩耗性の向上に有効である。しかし、疲労と磨耗を受ける複合的な条件に対して、ピーニングとめっきは両立しない。例えば、チタン合金とめっき金属との接着性を改善するために、めっき後に高温で熱処理が行われるが、この熱処理によって、耐疲労性を向上させるためのピーニングから得られたチタン合金部品内の残留圧縮応力（ｒｅｓｉｄｕａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ ｓｔｒｅｓｓ）が緩み、それによって、ピーニングの有益な効果が失われてしまう。

本発明の方法の一例は、チタン基材上に金属層が設けられた物品を機械加工し、金属層の内部さらには少なくとも部分的にチタン基材の内部まで延びる残留応力領域をつくることを特徴とする。

他の態様においては、本発明の方法の一例は、チタン基材上に金属層を形成して物品を提供するステップと、金属層の少なくとも一部と金属基材の少なくとも一部とを一緒に拡散処理して拡散領域をつくるステップと、物品を機械加工するステップと、金属層、拡散領域さらには少なくとも部分的にチタン基材の内部まで延びる残留応力領域を確保するステップと、を含む。

本発明の物品の一例は、チタン基材と、該チタン基材上に配置された金属層と、を含む。残留応力領域が、金属層の内部さらには少なくとも部分的にチタン基材の内部まで延在する。

図２に示す方法で形成される物品の一例を示す図。 図１に示す物品を処理する方法の一例を示す図。 図４に示す方法で形成される物品の他の例を示す図。 図３に示す物品を処理する方法の一例を示す図。

図１は、図２に示す一例としての方法１２により処理されている一例としての物品１０を示す。本明細書中で説明するように、この例の方法１２は、物品１０の異なる材料間の接着性を改善するために使用することができる。図示した例においては、物品１０は、チタン基材１４（図１）と、該チタン基材１４上の金属層１６と、を含む。この例においては、物品１０を概略的に示しているが、物品１０は、疲労および／または磨耗の条件を受ける種々の物品（すなわち、疲労しやすい物品）とすることができる。例えば、物品１０は、航空機に使用されるアクチュエータなどの航空宇宙部品とすることができる。しかし、物品１０は、特定の種類に限定されないことを理解されたい。

例示的な方法１２は、物品１０におけるチタン基材１４と金属層１６との接着性を改善するために使用することができる。これに関し、方法１２は、物品１０を機械加工するステップ２０と、金属層１６の内部さらには少なくとも部分的にチタン基材１４の内部まで延びる残留応力領域２４を確保するステップ２２と、を含む。残留応力領域２４は、物品１０の外面に圧縮応力を与え、それによって、物品１０の耐疲労性を向上させる。

ステップ２０における機械加工は、特定の方式のプロセスに限定されない。一例としては、（図１の矢印２６で示す）機械加工は、ピーニングを含む。他の例においては、機械加工２６は、圧延（ｒｏｌｌｉｎｇ）やバニシ仕上げ（ｂｕｒｎｉｓｈｉｎｇ）を含む。残留応力領域２４が、物品１０の内部、例えばチタン基材１４の内部まで延びるような所望の深さ２８となるように、機械加工の強度を制御することができる。例えば、ピーニングを用いる場合、所望の深さ２８を実現するように、ピーニング媒体の寸法およびピーニングプロセスの強度を選択することができる。ピーニング媒体の寸法およびピーニングプロセスの強度は、金属層１６の厚さや金属層１６として選択された金属の種類に依存する。少なくとも一例においては、金属層１６は、ニッケルであり、その厚さは、約０．００５インチ（約０．１２７ミリメートル）よりも薄い。他の例においては、その厚さは、約０．０００１インチ〜約０．０００５インチ（約０．００２５４ミリメートル〜約０．０１２７ミリメートル）であり、特には０．０００３インチ（約０．００７６２ミリメートル）とすることができる。残留応力領域２４の深さ２８は、約０．１１５インチ（約２．９２１ミリメートル）である。一例としては、この例の深さ２８は、０．０２インチ（約０．５１ミリメートル）のショット寸法（ｓｈｏｔ ｓｉｚｅ）と、０．０１５のアルメン強度（Ａｌｍｅｎ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）と、を使って実現することができる。

金属層１６は、周期表から選択された種々の遷移金属とすることができる。上記の例においては、金属層１６は、ニッケル、コバルト、銅またはこれらの組み合わせであるが、金属層１６は、他の種類の遷移金属またはそれらの混合物としてもよい。同様に、チタン基材１４は、種々のチタン合金とすることができる。一例としては、チタン合金は、約５．５重量％〜約６．７５重量％のアルミニウムと、約３．５重量％〜約４．５重量％のバナジウムと、残部のチタンと、を含む。このチタン合金は、該チタン合金の特性に物質的に影響を与えない量の他の元素、不純物元素、または測定ないし検出できない程度の元素を含み得る。組成または他の値に関して本明細書中に用いる「約」という語句は、当技術分野で通常許容される範囲の変動や誤差などの所定の値に生じうる変動について言及するものである。

方法１２は、選択的に、金属層１６の少なくとも一部と、チタン基材１４の少なくとも一部と、を一緒に拡散させるステップ３０を含み得る。この拡散は、例えば、金属層１６として選択された金属の種類と、チタン基材１４と、に対応する拡散温度で行うことができる。金属層１６が、銅、コバルトまたはニッケルである例においては、拡散温度を少なくとも約１４００°Ｆ（約７６０℃）とし、真空下で拡散させることができる。金属層１６として他の金属が選択される場合には、選択された金属とチタンとの時間−温度相転移曲線（ｔｉｍｅ−ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ−ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｄｉａｇｒａｍ）からの所望の金属間相に基づいて、拡散温度を選択することができる。

拡散時間は、所望の拡散の程度に依存する。いくつかの例においては、拡散時間は、数分から２４時間であるが、この時間よりも長くすることもあれば短くすることもある。ステップ３０での拡散後、物品１０は、上述したように、ステップ２０で機械加工することができる。物品１０を機械加工する前の拡散によって、機械加工においてチタン基材１４から金属層１６が剥離することを制限ないし回避する。さらには、この拡散によって、金属層１６内の微細空孔を満たすように原子が移動し、金属層が強固になる。

ステップ２２で残留応力領域２４をつくった後、金属層１６上に第２の金属層３１を形成してもよい。一例においては、第２の金属層３１は、金属層１６の遷移金属とは異なる遷移金属を含み得るが、金属層１６と同じ遷移金属としてもよい。

図３は、図４に示す一例としての方法１１２によって処理されるときの他の例の物品１１０を示す。この開示例においては、同様の参照番号は同様の適切な要素を指し、１００または１００の倍数を加算した参照番号は、修正された要素を指す。修正された要素は、特に示さない限り、対応する要素と同様の特性および利点を有する。前例と同様に、方法１１２を用いて、物品１１０の耐疲労性を向上させることができる。この例においては、物品１１２は、チタン基材１１４（図３）と、このチタン基材上１１４上に設けられた金属層１１６と、を含む。

方法１１２は、チタン基材１１４上に金属層１１６を形成するステップ１５０（図４）と、金属層１１６の少なくとも一部をチタン基材１１４の内部に拡散させるステップ１５２と、を含む。例えば、ステップ１５０およびステップ１５２は、物品１１０を機械加工するステップ１２０（前例のステップ２０と同様）と、残留応力領域１２４を確保するステップ１２２（前例のステップ２２と同様）と、の前に行われる。

この例においては、金属層１１６は、適切な方式の形成プロセスを用いて形成することができる。形成方法としては、例えば、ニッケルストライクめっき（ｎｉｃｋｅｌ ｓｔｒｉｋｉｎｇ）、物理蒸着法、化学蒸着法、溶射（ｔｈｅｒｍａｌ ｓｐｒａｙ）などがある。他の方式のプロセスを代替的に用いることもでき、ステップ１５０は、特定の方式の形成プロセスに限定されない。ストライクめっきプロセスを用いる場合、例えばニッケルストライク材料から金属層１１６を形成する場合には、ニッケルストライク溶剤を使用する。ニッケルストライク溶剤としては、例えば、塩化ニッケル、硫酸ニッケル、スルファミン酸ニッケルまたはこれらの組み合わせが、酸とともに使用される。酸としては、例えば、塩酸、スルファミン酸、硫酸またはこれらの組み合わせがある。

チタン基材１１４上に金属層１１６を形成した後、ステップ１５２で、金属層１１６とチタン基材１１４を一緒に拡散処理し、拡散領域１５４を形成する。この拡散は、上記の例と同様に、金属層１１６として選択された金属の種類と、チタン基材と、に対応する温度で行うことができる。金属層１１６として、コバルト、ニッケルまたは銅を使用する例においては、温度は、少なくとも１４００°Ｆ（７６０℃）とし、拡散時間は、金属層１１６として選択された金属の種類に対応する時間とする。この例においては、金属層１１６の最外面領域１５５に実質的に何の組成変化もなく、ほぼ形成されたままの状態で残るように、金属層１１６の一部がチタン基材１１４に拡散する。金属層１１６として他の金属が選択される場合には、選択された金属とチタンとの時間−温度相転移曲線からの所望の金属間相に基づいて、拡散温度を選択することができる。

その後、物品１１０は、ステップ１２０で、図３の矢印１２６で示すように機械加工され、金属層１１６、拡散領域１５４さらには少なくも部分的にチタン基材１１４の内部まで延びる残留応力領域１２４が形成される。

上記のように、残留応力領域１２４が、物品１１０の内部、例えばチタン基材１１４の内部まで延びるような所望の深さ１２８となるように、ステップ１２０における機械加工の強度を制御することができる。

図示した例に特徴の組み合わせを示しているが、この開示の様々な実施例の利点を実現するために、すべての特徴を組み合わせる必要はない。換言すれば、本開示の実施例によって設計されたシステムは、いずれか１つの図に示される特徴のすべて、または各図に概略的に示される部分のすべてを含む必要はない。さらに、一実施例の選択された特徴を他の実施例の選択された特徴と組み合わせることができる。

前述の記述は、例示するためのものであり、本質を限定するものではない。当業者であれば、本開示の本質を逸脱することなく、いくつかの変更および修正がなされ得ることを理解されるであろう。

１０…物品
１４…チタン基材
１６…金属層
１１０…物品
１１４…チタン基材
１１６…金属層
１５４…拡散領域

Claims (16)

1. チタン基材上に金属層が設けられた物品を機械加工し、
   前記金属層を通って少なくとも部分的に前記チタン基材の内部まで延びる残留応力領域をつくることを特徴とする、物品を処理する方法。
2. 前記物品の機械加工は、前記物品にピーニングを施すことを含む請求項１に記載の方法。
3. 前記機械加工の前に、前記金属層の少なくとも一部と、前記チタン基材の少なくとも一部と、を一緒に拡散させるステップをさらに含む請求項１に記載の方法。
4. 前記金属層として選択された金属の種類と、前記チタン基材と、に対応する拡散温度で拡散させることを含む請求項３に記載の方法。
5. 前記残留応力領域が前記チタン基材の内部まで延びるような深さとなるように、前記機械加工の強度を制御することをさらに含む請求項１に記載の方法。
6. チタン基材上に金属層を形成し、物品を提供するステップと、
   前記金属層の少なくとも一部と、前記チタン基材の少なくとも一部と、を一緒に拡散させ、拡散領域をつくるステップと、
   前記物品を機械加工するステップと、
   前記金属層、前記拡散領域さらには少なくとも部分的に前記チタン基材の内部まで延びる残留応力領域を確保するステップと、
   を含む、物品を処理する方法。
7. 少なくとも一種類の遷移金属から前記金属層を形成することを含む請求項６に記載の方法。
8. コバルト、銅、ニッケルおよびこれらの組み合わせからなる群から選択された金属から前記金属層を形成することを含む請求項６に記載の方法。
9. 前記金属層として選択された金属の種類と、前記チタン基材と、に対応する拡散温度で拡散させることを含む請求項６に記載の方法。
10. チタン基材と、
    前記チタン基材上に設けられた金属層と、
    前記金属層を通って少なくとも部分的に前記チタン基材の内部まで延びる残留応力領域と、
    を備える物品。
11. 前記金属層は、遷移金属を含むことを特徴とする請求項１０に記載の物品。
12. 前記金属層上に設けられた第２の金属層をさらに備え、該第２の金属層は、前記金属層の遷移金属とは異なる遷移金属を含むことを特徴とする請求項１１に記載の物品。
13. 前記金属層は、コバルト、銅、ニッケルおよびこれらの組み合わせからなる群から選択された金属を含むことを特徴とする請求項１０に記載の物品。
14. 前記チタン基材は、約５．５重量％〜約６．７５重量％のアルミニウムと、約３．５重量％〜約４．５重量％のバナジウムと、残部のチタンと、からなることを特徴とする請求項１０に記載の物品。
15. 前記金属層の厚さは、約０．００５インチ（約０．１２７ミリメートル）よりも薄く、前記残留応力領域の深さは、少なくとも約０．１１５インチ（約２．９２１ミリメートル）であることを特徴とする請求項１０に記載の物品。
16. 前記金属層がニッケルを含み、前記チタン基材は、約５．５重量％〜約６．７５重量％のアルミニウムと、約３．５重量％〜約４．５重量％のバナジウムと、残部のチタンと、からなることを特徴とする請求項１０に記載の物品。

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