JP2016007624A - チタン合金の接合方法及び構造物 - Google Patents
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Description
2つのチタン合金材を接合部において対向させ、前記接合部に所定の回転速度で回転させた棒状の回転ツールを圧入することで前記2つのチタン合金材を接合する摩擦攪拌接合工程と、
前記摩擦攪拌接合工程によって形成した攪拌部組織のラメラ幅を測定する組織観察工程と、を有するチタン合金材の接合方法であって、
前記組織観察工程で測定された前記ラメラ幅が0.2μm未満であった場合は、下記(A)又は(B)の接合条件の変更を伴った前記摩擦攪拌接合工程を更に施し、
前記ラメラ幅が0.2μm以上となるまで、前記摩擦攪拌接合工程及び前記組織観察工程をそれぞれ繰り返すこと、
を特徴とするチタン合金材の接合方法を提供する。
(A):前記回転ツールの前記回転速度の増加、前記回転ツールの移動速度の減少、前記回転ツールの圧入荷重の増加の群から選ばれる1または2以上の接合条件の変更
(B):前記回転ツールの前記移動速度の増加
[Al]eq=[Al]+([Zr]/6)+([Sn]/3)+10[O] ([]内は重量%) (1)
[Mo]eq=[Mo]+([Ta]/5)+([Nb]/3.6)+([W]/2.5)+([V]/1.5)+1.25[Cr]+1.25[Ni]+1.7[Mn]+1.7[Co]+2.5[Fe] ([]内は重量%) (2)
(1−1)接合方法の全体工程
図1に、本発明のチタン合金材の接合方法の工程図を示す。本発明のチタン合金材の接合方法は、チタン合金材に摩擦攪拌接合を施す摩擦攪拌接合工程(S01)と、摩擦攪拌接合工程(S01)によって形成された攪拌部の組織観察によりラメラ幅を測定する組織観察工程(S02)とを有している。
(A):回転ツールの回転速度の増加、回転ツールの移動速度の減少、回転ツールの圧入荷重の増加の群から選ばれる1または2以上の接合条件の変更
(B):回転ツールの移動速度の増加
摩擦攪拌接合中に接合部に導入される入熱量を増加させることで、攪拌部に形成される組織のラメラ幅を増加させることができる(摩擦攪拌接合条件の変更(A))。摩擦攪拌接合時の入熱量を決定する代表的なプロセスパラメータとしては、回転ツールの回転速度、移動速度、及び圧入荷重が挙げられ、回転速度の増加、移動速度の低下、圧入荷重の増加に伴って入熱量を増加させることができる。
組織観察工程(S02)は攪拌部に形成されるラメラ幅を測定する工程であり、ラメラ幅を正確に計測できる限りにおいて、組織観察方法は特に限定されない。ここで、ラメラ幅を正確に計測するためには透過電子顕微鏡(TEM)又は走査透過電子顕微鏡(STEM)を用いた観察を行うことが好ましいが、走査電子顕微鏡(SEM)及び光学顕微鏡(OM)を用いて観察を行ってもよい。
本発明のチタン合金材の接合方法に用いるチタン合金材は、本発明の効果を損なわない範囲で従来公知の種々のチタン合金材を用いることができ、例えば、汎用されているTi−6Al−4V合金等を用いることができるが、高加工性チタン合金等を用いることが好ましい。
[Al]eq=[Al]+([Zr]/6)+([Sn]/3)+10[O] ([]内は重量%) (1)
[Mo]eq=[Mo]+([Ta]/5)+([Nb]/3.6)+([W]/2.5)+([V]/1.5)+1.25[Cr]+1.25[Ni]+1.7[Mn]+1.7[Co]+2.5[Fe] ([]内は重量%) (2)
α安定化元素:Al、C、O、N等。添加量が多くなるほど、βトランザスが上昇し、加工性が低下する。
β安定化元素:V、Cr、Mo、Nb、Ta、Fe等。添加量が多くなるほど、βトランザスが低下し、加工性が向上する。
Al:引張強度、弾性率、クリープ強さを著しく増加させる。7重量%以上の添加ではα2(TiAl3)が形成され、著しく脆化する。5重量%以下の添加により、β相が安定化し、熱間加工性が向上する。
O,C及びN:α安定化元素。拡散速度大。α安定化元素の添加による加工性の影響を低減。
V:β安定化元素。加工性向上。
Mo:拡散速度抑制、粒径が微細化する。硬化。超塑性発生温度低下。
Fe:拡散速度大。β安定化元素。加工性向上。
Cr:熱間加工性が向上。脆性改善。
Si:0.1〜0.2%添加で転位のピン止め効果(転移運動抑制)があり、クリープ強さを向上させる。
Bi:0.1〜2.0%添加で、転位のピン止め効果があり、クリープ強さを向上させる。
Sn(中立的):クリープ強度改善(0.2〜1%)。
Zr(中立的):αおよびβ相強化(固溶強化)(2〜8%)。
本発明の接合構造物は、本発明のチタン合金材の接合方法によって形成された接合部10を有することを特徴とするものである。本発明の構造物は接合部10が高い衝撃吸収エネルギーを有しているため、極めて高い安全性が担保されている。
供試材として、4種類のチタン合金(Ti−6Al−4V合金、Ti−9合金、Ti−531C合金、SP−700合金)を用い、板厚2mmの2枚の平板の突き合わせ接合を行った。各チタン合金の組成は表1に示すとおりである。回転ツールには超硬合金を用い、形状はショルダ径を15mm、プローブ径を6mm、プローブ長を1.8mmとした。接合方法には位置制御方式を採用し、回転ツールの回転速度を200〜1000rpm、移動速度を25〜400mm/minの間で変化させた。なお、ツールの前進角は3°とした。
日本電子株式会社製透過型電子顕微鏡JEM−2100F(HR)を用い、攪拌部のWD面(接合方向に対して垂直な面)において、加速電圧200kV、カメラ長200mmで明視野像の観察を行った。試料作製手順を以下に示す。まず、放電加工機により攪拌部の中心を3mm×0.5mmの形状に切り出し、WD方向が80μm以下となるまでエメリー紙♯400から♯4000で湿式研磨し、アセトン中で10分間の超音波洗浄を行い脱脂した。次に、Struers製Tenupol−5を用いて洗浄後の試料に電圧40V、液温−40℃で電解研磨を行い、薄膜を作製した。電解液にはHClO4(60%過塩素酸)+C4H10O(99%1−ブタノール)+CH3OH(99%メタノール)(体積比1:7:12)を用いた。なお、作製後の試料は、エタノール中に保管した。
株式会社タナカ製の微小衝撃片衝撃試験機MIT−D05KJ(S−KIT)卓上型を用い、摩擦攪拌接合工程で得られた継手に対して小型シャルピー衝撃試験を行った。ガス圧力シリンダーで駆動するパンチャーにより、ノッチ裏面に荷重を与え、破壊するまでの荷重をロードセルで測定した。パンチャーの速度は1m・s−1とし、常温において試験を行った。試験片作製位置は継手裏面より0.5〜1.5mm間の中心部分とし、形状は図10に示す寸法で、WD面に深さ0.2mmのノッチを設けた。なお、衝撃試験で得られた荷重−変位曲線の内部の面積を衝撃吸収エネルギーとして評価した。
4・・・α相、
6,8・・・チタン合金板、
10・・・接合部、
12・・・回転ツール、
14・・・プローブ。
Claims (7)
- 2つのチタン合金材を接合部において対向させ、前記接合部に所定の回転速度で回転させた棒状の回転ツールを圧入することで前記2つのチタン合金材を接合する摩擦攪拌接合工程と、
前記摩擦攪拌接合工程によって形成した攪拌部組織のラメラ幅を測定する組織観察工程と、を有するチタン合金材の接合方法であって、
前記組織観察工程で測定された前記ラメラ幅が0.2μm未満であった場合は、下記(A)又は(B)の接合条件の変更を伴った前記摩擦攪拌接合工程を更に施し、
前記ラメラ幅が0.2μm以上となるまで、前記摩擦攪拌接合工程及び前記組織観察工程をそれぞれ繰り返すこと、
を特徴とするチタン合金材の接合方法。
(A):前記回転ツールの前記回転速度の増加、前記回転ツールの移動速度の減少、前記回転ツールの圧入荷重の増加の群から選ばれる1または2以上の接合条件の変更
(B):前記回転ツールの前記移動速度の増加 - 前記チタン合金材が、前記チタン合金材のβトランザス温度を上昇させる物質として、H、He、Li、Be、B、C、N及びOから選択される少なくともいずれか1つの物質を有すること、
を特徴とする請求項1に記載のチタン合金材の接合方法。 - 前記チタン合金材のAl濃度が5.0重量%以下であり、かつ前記βトランザスを上昇させる物質として、前記チタン合金材が下式(1)で示されるAl当量[Al]eqが4.0重量%以上となる物質を有していること、
を特徴とする請求項1又は2に記載のチタン合金材の接合方法。
[Al]eq=[Al]+([Zr]/6)+([Sn]/3)+10[O] ([]内は重量%) (1) - 前記チタン合金材が、Vより拡散係数が大きい物質を有すること、
を特徴とする請求項1〜3のうちのいずれかに記載のチタン合金材の接合方法。 - 前記チタン合金材のV濃度が3.5重量%以下であり、かつ前記チタン合金材が下式(2)で示されるMo当量[Mo]eqが5.0重量%以上となる物質を有していること、
を特徴とする請求項1〜4のうちのいずれかに記載のチタン合金材の接合方法。
[Mo]eq=[Mo]+([Ta]/5)+([Nb]/3.6)+([W]/2.5)+([V]/1.5)+1.25[Cr]+1.25[Ni]+1.7[Mn]+1.7[Co]+2.5[Fe] ([]内は重量%) (2) - 前記摩擦攪拌接合工程において、前記接合部を外部加熱又は強制冷却すること、
を特徴とする請求項1〜5のうちのいずれかに記載のチタン合金材の接合方法。 - 請求項1〜6のうちのいずれかに記載のチタン合金材の接合方法によって形成された接合部を有する接合構造物。
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