JP2013503330A - α相およびβ相を有する２相タイプのチタニウム合金の汚染を検出する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、α相およびβ相を有する２相タイプのチタニウム合金を検査する方法に関する。方法は、
ａ）合金から作られた部分の試料を切断するステップと、
ｂ）試料のエッジ（５０）の近傍に位置する試料の切断面の領域（４）を調製するステップであって、領域（４）が観察されることができるようにするために、エッジ（５０）が部分の外面（１）と共通であるステップと、
ｃ）５０００倍よりも大きな倍率で領域（４）のα相を観察するステップと、
ｄ）試料のエッジ（５０）に隣接する第１のゾーン（１１）のα相に粒状性があるかないかを決定するステップと、
ｅ）隣接するゾーン（１１）のα相に粒状性がないことが認められるが、隣接するゾーン（１１）の外側のα相に粒状性（２２）がある場合、合金が気体で汚染されたと結論付けるステップと
を含む。

Description

本発明は、α相およびβ相を有する２相タイプのチタニウム合金を検査する方法に関する。

α相はチタニウム（Ｔｉ）の大部分の合金に存在する相の１つであり、Ｔｉ原子の最密六方結晶格子に相当する。

α相を含むチタニウム合金は、接触する他の化学元素により容易に汚染される。たとえば、チタニウム合金は気体（酸素、窒素、水素、ハロゲンなど）により汚染される。反応速度論の理由から、そのような汚染は通常、物質が５００℃近く以上の温度にさらされたときに目に見える。そのような汚染は、チタニウム合金が自分の露出された表面から脆化させられることにつながり、そのことがチタニウム合金の機械的特性の劣化につながる。

それは、チタニウム合金が製造中に受けさせられる熱処理が、真空中で、すなわちチタニウム合金の表面が汚染されないほど十分に少ない気体に露出されて行われるためである。

そのような予防措置にもかかわらず、合金の表面汚染は発生し得る。したがって、汚染の有無を検証することがきわめて重要である。現在、表面汚染を検出するためにいくつかの技法が使用されている。

第１の検出技法が、合金を化学的に分析することを含む。知られている方法では、その化学的分析はマイクロプローブを用いて行われる。その技法は煩雑であり、あまり信頼性がなく、定性的である（その技法は汚染の広がりの程度を示さない）。

第２の技法が機械的試験である。例として、知られている方法では、合金から作られたノッチ付き引張試験片が破壊に至るまで試験される。その技法は煩雑であり、信頼性がなく、定性的である。代わりに、知られている方法では、合金の薄板を使用することが可能であり、その板は、亀裂が出現するまで折りたたまれる。その技法は定性的でしかない。

第３の技法が、チタニウム合金の微細構造を検査することを含む。その知られている技法のステップが図５に図式的に示されている。合金から作られた部分の試料は、切り口２の表面が部分の外面１につながるように切断される（ステップａ））。次に、切り口２の表面の領域４が磨かれ、前記領域４は試料のエッジ５０の近傍に位置し、エッジ５０は部分の外面１と共通であり、その後、以下が、すなわち第１の化学試薬、および次に第２の化学試薬が前記領域４に続けて適用される（ステップｂ））。試薬を使用するこれらの化学エッチングが合金の微細構造を明らかにするのに役立つ。次に、試料のエッジは、その中に白いマージン１０の有無を検出するために光学顕微鏡で観察される（ステップｃ））。

図６は、光学顕微鏡による５００倍の倍率での顕微鏡写真であり、酸素で汚染されたＴＡ６Ｚｒ４ＤＥチタニウム合金の断片の切断面を示す。白いマージン１０の存在が試料のエッジ５０に沿って見られることができる。そのような白いマージン１０は、合金が合金の表面から気体により汚染されたしるしであることが知られている。汚染の深さはこの白いマージン１０の幅により示される。

金属組織検査のその技法は、比較的不正確のままであることがある。白いマージンと、隣接するより濃い灰色の部分との間のコントラストを視覚的に評価することだけに基づく方法では、変化する粒径と汚染検出の両方が、白いマージンの厚さの正確な測定が行われるのを妨げ、その結果、技法は、汚染の広がりを正確に知ることを常に可能にするわけではない。

さらに、その技法は、ある種のチタニウム合金、たとえばＴＡ５ＣＤ４に適用できない。したがって、図２は、酸素で汚染されたＴＡ５ＣＤ４チタニウム合金の切断面を示す、光学顕微鏡による顕微鏡写真であり、試料のエッジ５０に沿って白いマージンがまったく見られることができない。

本発明は、それらの欠点を改善しようとする。

本発明は、チタニウム合金が外来の気体の化学元素により汚染されたかどうかを決定することを可能にする方法を提供しようとし、その方法は、α相およびβ相を有する２相タイプのすべてのチタニウム合金に適用可能であり、汚染がより正確に測定されることができるようにする。

上記の目的は、方法が、
ａ）前記合金から作られた部分の試料を切断するステップと、
ｂ）試料のエッジの近傍に配置される試料の切断面の領域を調製するステップであって、領域が観察されることができるようにするために、エッジが部分の外面と共通であるステップと、
ｃ）５０００倍より大きな倍率で領域のα相を観察するステップと、
ｄ）試料のエッジと隣接する第１のゾーンのα相に粒状性があるかないかを決定するステップと、
ｅ）隣接するゾーンのα相に粒状性がないことが認められるが、隣接するゾーンの外側のα相に粒状性がある場合、合金が気体で汚染されたと結論付けるステップと
を含むということにより達成される。

これらの準備によって、α相およびβ相を有する２相タイプのチタニウム合金が、外来の気体の化学元素によりチタニウム合金に関係なく汚染されたかどうかを確実に決定することが可能である。さらに、このように、粒状性のないゾーンと粒状性のあるゾーンの間の境界がよく画定されるので、観察が行われるより大きな倍率が汚染を正確に測定することを可能にする。

有利なことに、チタニウム合金試料の領域の調製は、前記領域を磨くこと、および次に単一試薬で領域を化学的にエッチングすることを含む。

したがって、チタニウム合金試料の表面を調製するために、２つの試薬を使用することはもはや必要ない。したがって、試料の検査は、より簡単に、より信頼できるようにされる。

本発明は、限定しない例によって示される一実装形態の以下の詳細な説明を読むことでよく理解されることができ、本発明の有利な点がよりよく明らかになる。説明は添付図面に言及する。

本発明の方法のステップの図である。 酸素で汚染されたＴＡ５ＣＤ４チタニウム合金の切断面を示す、光学顕微鏡による顕微鏡写真である。 より大きい倍率での、図２のＴＡ５ＣＤ４チタニウム合金の切断面の走査型電子顕微鏡による顕微鏡写真である。 図３に示される微細構造の図である。 チタニウム合金の微細構造を検査する従来技術の方法のステップの図である。 ５００倍の倍率で示される、酸素で汚染されたＴＡ６Ｚｒ４ＤＥチタニウム合金の切断面の光学顕微鏡による顕微鏡写真である。 より大きな倍率での、図６のＴＡ６Ｚｒ４ＤＥチタニウム合金の切断面の走査型電子顕微鏡による顕微鏡写真である。 図７に示される微細構造の図である。

これまで、α相およびβ相を有する２相タイプのチタニウム合金から作られた部分を観察するとき、前記部分の表面と共通な試料のエッジに沿って白いマージンがまったく見られることができない場合、部分は汚染されなかったと結論付けられた。したがって、部分の機械的性能が要求を満たさないと認められた場合、不十分な性能が、たとえば製造欠陥の結果、不十分な表面状態の結果、加工硬化の結果、または不十分な動作条件の結果であると結論付けられた。それらの事象のどれもが、不十分な機械的性能を説明し得る。

本発明者らは、α相およびβ相を有する２相タイプのさまざまなチタニウム合金の多数の試料を収集し、自明でない方法で、本発明者らは、気体元素により表面で汚染された合金の白いマージンを観察するために十分な約５００倍の通常の倍率よりもはるかに大きな倍率で試料を観察しようと考えた。したがって、５０００倍以上の倍率を使用して、本発明者らは、予期せずに、α相の一定のゾーンが粒状性を提示しないが、α相の他のゾーンが粒状性を実際に提示することを観察した。

図１は、粒状性を観察することができるようにする本発明の方法のステップの図である。

まず、α相およびβ相を有する２相タイプのチタニウム合金から作られた部分の試料が、切り口２の表面が部分の外面１につながるように切断される（ステップａ）。

その後、切り口２の表面の領域４が調製され、前記領域４は試料のエッジ５０の近傍に位置し（ステップｂ）、このエッジ５０は部分の外面１と共通である。この調製の目的は領域４が観察されることができるようにすることである。

たとえば、この調製は、領域４を磨き、次に、単一試薬で領域４を化学的にエッチングすることを含む。２つの試薬を連続して、異なる期間に使用する必要がある従来技術の方法と異なり、本発明の方法では、単一試薬を使用することができる。このことが方法を簡略化し、不十分な調製のどんな危険性も減少させる。

たとえば、研磨は鏡面研磨である。

たとえば、試薬は、０．５％のフッ化水素酸ＨＦの水溶液である。この試薬は、１５秒から３０秒までの範囲にある期間、試料の表面に適用される。

代わりに、２つ以上の試薬を使用することができる。

その後、領域のα相は少なくとも５０００倍の倍率で観察される（ステップｃ）。

これらの観察は、走査型電子顕微鏡（ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ、ＳＥＭ）を使用して行われる。

代わりに、これらの観察は、５０００倍を超えてまで拡大することができる何らかの他の顕微鏡を使用して行われてもよい。それにもかかわらず、これらの観察は、現在の光学顕微鏡の最大倍率が約１０００倍であるので、現在の光学顕微鏡を使って行われることができない。

例として、使用される倍率は１０，０００倍よりも大きい。

次に、試料のエッジと隣接するゾーン１１のα相に粒状性があるかないかが決定される（ステップｄ）。

その後、前記隣接するゾーン１１のα相に粒状性がないことが認められるが、前記隣接するゾーン１１の外側のα相に粒状性２２がある場合、合金は気体により汚染されたと結論付けられる（ステップｅ）。

したがって、酸素で汚染されたＴＡ６Ｚｒ４ＤＥチタニウム合金試料の切断面の５０００倍の倍率でのＳＥＭ顕微鏡写真である図７に示されるように（また、その試料の光学顕微鏡の顕微鏡写真が図６に示される）、試料のエッジ５０に隣接する第１のゾーン１１では、α相Ａは粒状性を含まないが、エッジ５０からさらに離れた第２のゾーン２０では、α相Ａの中に粒状性２２が確かに存在することが分かる。

したがって、本発明者らは、隣接する第１のゾーン１１で、図６で観察された白いマージン１０に対応する粒状性がないことを観察した。

図８は、図７で観察された構造を示す図である。

試料のエッジに隣接するゾーン１１のα相に粒状性２２がないことが、気体による前記試料の（前記隣接するゾーン１１の）汚染と相関させられる仮説を確認するために、本発明者らは、汚染されていないが表面改質（たとえば加工硬化、研磨）を受けさせられたＴＡ６Ｚｒ４ＤＥチタニウム合金のエッジを観察した。本発明者らはこれらの合金の１つから作られた部分のエッジ５０に隣接するゾーン１１のα相に粒状性２２が存在することを見い出し、それにより上記の仮説を実証した。

有利なことに、本発明の方法は、ＴＡ５ＣＤ４チタニウム合金が表面で汚染されたか、されなかったかを決定することができるようにするが、その情報は、従来技術の観察方法を使用して入手することができない。そうして、図３は、図２に光学顕微鏡の顕微鏡写真が同様に示されるＴＡ５ＣＤ４チタニウム合金の切断面の５０００倍の倍率でのＳＥＢ顕微鏡写真である。試料のエッジ５０に隣接する第１のゾーン１１では、α相Ａには粒状性がないが、エッジ５０からさらに離れた第２のゾーン２０（すなわち隣接するゾーン１１の外側にあるゾーン）では、α相Ａの中に粒状性２２が存在することが分かる。

図４は、図３で観察された構造を示す図である。

Claims (5)

1. α相およびβ相を有する２相タイプのチタニウム合金を検査する方法であって、
   ａ）前記合金から作られた部分の試料を切断するステップと、
   ｂ）前記試料のエッジ（５０）の近傍に位置する前記試料の切断面の領域（４）を調製するステップであって、前記領域（４）が観察されることができるようするために、前記エッジ（５０）が部分の外面（１）と共通であるステップと、
   ｃ）前記領域（４）のα相を５０００倍よりも大きな倍率で観察するステップと、
   ｄ）試料の前記エッジ（５０）に隣接する第１のゾーン（１１）のα相に粒状性があるかないかを決定するステップと、
   ｅ）前記隣接するゾーン（１１）のα相に粒状性がないことが認められるが、前記隣接するゾーン（１１）の外側のα相に粒状性（２２）がある場合、前記合金が気体で汚染されたと結論付けるステップと
   を含むことを特徴とする、チタニウム合金を検査する方法。
2. ステップｃ）での前記観察が走査型電子顕微鏡で行われることを特徴とする、請求項１に記載のチタニウム合金を検査する方法。
3. ステップｂ）での前記領域（４）の調製が、前記領域（４）を磨き、次に、少なくとも１つの試薬で前記領域（４）を化学的にエッチングするステップを含むことを特徴とする、請求項１または２に記載のチタニウム合金を検査する方法。
4. 前記化学エッチングが単一試薬を使用して行われることを特徴とする、請求項３に記載のチタニウム合金を検査する方法。
5. 前記試薬が、０．５％のフッ化水素酸ＨＦの水溶液であることを特徴とする、請求項４に記載のチタニウム合金を検査する方法。

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