JP2017508882A - 衝撃又は衝撃荷重に対する耐性を示すチタン合金及びそのチタン合金から部品を製造する方法 - Google Patents

Abstract

衝撃、爆風、及び／又は他の形態のショック荷重に晒される部品変形時の吸収エネルギーが重要な設計基準となる用途向けの部品又はコンポーネントに成形されるチタン合金を提供する。チタン合金は、全体として、アルミニウムが添加されたチタン基材と、バナジウム等の同形β安定化元素と、ケイ素や鉄等の共析β安定化元素と、不可避的不純物とを含む。本チタン合金は、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金に比べて、延性が最大７０％又はそれ以上改善し、耐弾道衝撃性が最大１６％改善し、エネルギー吸収率がシャルピー衝撃試験で最大５０％改善する。本チタン合金を含むとともに再生材料と未使用材料の組合せを使用した部品を形成する方法も提供する。【選択図】図１

Description

本開示は一般にチタン合金に関する。より詳細には、本開示は、衝撃、爆風、及び／又は他の形態の衝撃荷重に晒される場合を含めた、部品変形時の吸収エネルギーが重要な設計基準となる用途向けの部品又はコンポーネントに成形されるチタン合金に関する。

この項は単に本開示に関する背景技術情報を提示するものであって、先行技術を構成するものではない。

チタン合金は一般に、ブレードが故障や脱落した場合に、故障したタービンファンブレードが航空機や周囲環境へ被害を引き起こすのを防ぐために、航空機の収納ケース（containment casing）に使用される。現在、一部の航空機エンジンメーカーは、収納ケースの成形材料としてＴｉ−６Ａｌ−４Ｖというチタン合金を使用している。この表記は、６重量％のアルミニウム（Ａｌ）と４％のバナジウム（Ｖ）を含むチタン合金の定義に使用される。Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金は高機能であるが、その収納性能は多くの用途で望まれる水準を下回り、この合金の使用には比較的高い製造コスト又は加工コストがかかる。

本開示は一般に、合金が衝撃、爆風、又は他の形態の衝撃荷重の条件下で故障耐性を有することが求められる用途向けに開発されたチタン合金に関する。一形態において、本開示の技術に従って調製されたチタン合金は、そのような過酷な用途で使用される場合に従来の合金よりも優れた性能向上及び／又はコスト削減を実現する。本発明のチタン合金は、アルミニウムが添加されたチタン基材と、少なくとも１つの同形β安定化元素と、少なくとも１つの共析β安定化元素と、不可避的不純物とを有し、以下の機械的特性を備える。
降伏強度：約５５０ＭＰａ〜約８５０ＭＰａ、
極限引張強さ：約６００ＭＰａ〜約９００ＭＰａ、
耐弾道衝撃性：Ｖ_５０弾道限界で約１２０ｍ／ｓ超、及び
被削性Ｖ１５旋削ベンチマーク：１２５ｍ／ｍｉｎ超。
任意選択で、本発明のチタン合金は更に、約１９％〜約４０％の伸び率を示すこともできる。本チタン合金は、同一又は類似の条件下でＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金が示す熱間加工性よりも高い熱間加工性を示し、１／ｓ、８００℃で測定したときの変形応力（flow stress）は約２００ＭＰａ未満となる。

本開示の別の態様によれば、チタン合金は、アルミニウム（Ａｌ）：約０．５重量％〜約１．６重量％、バナジウム（Ｖ）：約２．５重量％〜約５．３重量％、ケイ素（Ｓｉ）：０．１重量％〜約０．５重量％、鉄（Ｆｅ）：０．０５重量％〜約０．５重量％、酸素（Ｏ）：約０．１重量％〜約０．２５重量％、及び炭素（Ｃ）：最大約０．２重量％を含み、残部はチタン（Ｔｉ）及び不可避的不純物である。

本開示の教示に従って調製されたチタン合金は、従来のＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金に比べて延性を最大７０％又はそれ以上改善することができる。本発明のチタン合金は、従来のＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金に比べて耐弾道衝撃性を最大１６％改善することもできる。上記のチタン合金は、以下で詳述するように、従来のＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金に比べてエネルギー吸収率を最大５０％改善することもできる。

本開示の別の態様によれば、チタン合金が衝撃、爆風、又は他の形態の衝撃荷重に晒される用途において、かかるチタン合金から製品又は部品を形成する方法は、全体として、チタン、アルミニウム、及びバナジウムを含有するスクラップ又は再生合金材料を組み合わせるステップと、前記スクラップ又は再生合金材料を、上記及び本明細書に教示するチタン合金の組成を含む混合物を作成するのに必要な追加原料と混合するステップと、コールドハース式プラズマ溶解炉若しくはコールドハース式電子ビーム溶解炉（plasma or electron beam cold hearth furnace）又は真空アーク再溶解（vacuum arc remelt：ＶＡＲ）炉のいずれかにおいて前記混合物を溶解してインゴットを得るステップと、β鍛造とα鍛造の組合せを使用して前記インゴットを部品に加工するステップと、前記加工された部品を約２５°Ｆ（１４℃）〜約２００°Ｆ（１１０℃）の温度範囲のβ変態点未満の温度で熱処理するステップと、前記加工及び熱処理がなされた部品を約７５０°Ｆ（４００℃）〜約１２００°Ｆ（６４９℃）の温度で焼鈍して最終チタン合金製品とするステップとを含む。任意選択で、コールドハース式溶解中に得られるインゴットは、中実であることも中空であることもあるが、単一又は複数の溶解ステップ／溶解方法を含む真空アーク再溶解法を使用して再溶解させてもよい。前記最終チタン合金製品の一次α相の体積分率は、溶体化処理温度及び当該温度からの冷却速度に応じて約５％〜約９０％とすることができる。上記一次α相は、約５０μｍ未満のサイズを有するα粒によって特徴付けられる。

本明細書を読めば他の応用分野も明らかとなるであろう。本明細書の説明及び具体例は単なる例示であり、本開示の範囲を限定するものではないことを理解されたい。

添付図面も例示に過ぎず、本開示の範囲を限定するものではない。

本開示の教示に従って調製されたチタン合金を使用して部品を形成する方法の概略図である。 本開示の教示に従って調製されたチタン合金の耐弾道衝撃性を従来のＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金と比較して示すグラフである。 本開示の教示に従って調製されたチタン合金の例示的な微視組織を示す図である。

以下の説明は単なる例示であり、本発明又はその応用若しくは用途を限定するものではない。本明細書全体で、対応する参照符号は同様の又は対応する部品及び特徴を示すことを理解されたい。

本開示は一般に、衝撃、爆風、又は他の形態の衝撃荷重に晒される場合を含めた、部品変形時の吸収エネルギーが重要な設計基準となる用途向けのチタン合金に関するものである。本明細書の教示に従って製造及び使用されるチタン合金は、そのような過酷な用途で使用される場合に性能向上及び／又はコスト削減を実現する。本発明の概念がより深く理解されるようにするために、本チタン合金は、以下、航空機エンジンの収納ケースでの使用に関連して説明するものとする。航空機（例えばジェット機）エンジンの収納ケースで使用される場合、本チタン合金は、典型的にはファンブレードを取り囲み、当該コンポーネントが故障した場合もブレードの収納を維持するリングの形態をとる。チタン合金が衝撃、爆風、又は他の形態の衝撃負荷に晒され得る他のタイプの応用例における本チタン合金の組み込み及び使用も本開示の範囲に含まれるものとする。

本開示の教示に従って調製されたチタン合金は、エンジン収納に一般に使用される従来のチタン合金よりも優れた包括的な改善を実現する、バランスのとれた複数の特徴又は特性を備える。生産シミュレーション処理において様々な熱処理条件下で調製した各試料について全ての特性を検査した。本開示のチタン合金の示す特性について測定された特性及び関連範囲は以下のとおりである。
（ａ）降伏強度：約５５０〜約８５０ＭＰａ、
（ｂ）極限引張強さ：約６００〜約９００ＭＰａ、
（ｃ）耐弾道衝撃性：Ｖ_５０弾道限界で１２０ｍ／ｓ超、
（ｄ）上記の被削性Ｖ１５旋削ベンチマーク：１２５ｍ／ｍｉｎ（従来のＴｉ−６Ａｌ−４Ｖの旋盤加工におけるＶ１５：７０ｍ／ｍｉｎ）、及び
（ｅ）熱間加工性：従来のＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金よりも改善。
本開示の別の態様によれば、チタン合金は更に以下の特性も示すことができる。
（ｆ）伸び率：約１９％〜約４０％、及び
（ｇ）１．０／ｓ、８００℃で測定したときの変形応力：約２００ＭＰａ未満。
本チタン合金の特性範囲は上記のとおりであるが、その理由としては上記の特徴の多くが相互に影響し合うことが挙げられる。例えば、本チタン合金の示す機械的特性及び集合組織特性は、合金の耐弾道衝撃性に影響を与える。

合金が衝撃、爆風、又は他の形態の衝撃荷重に晒される用途で使用される、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金等の伝統的な又は従来型のチタン合金と比較して、本開示のチタン合金は、性能の向上と製造コストの削減を両立する。本開示のチタン合金調製は、高い歪み速度条件下で優れたエネルギー吸収並びに優れた加工性及び被削性を示す。この性能と製造能力の組合せにより、高速衝撃又は弾道衝撃の収納が重要となる収納システム並びに上記のチタン合金から形成される各種機能コンポーネントの設計が、最小限の実用コストで可能となる。

本開示によるチタン合金は、その強度及び／又は耐食性が応用例に適する場合だけでなく、爆発、衝撃負荷、又は弾道衝撃が重要な設計基準でない場合にも、コンポーネント製造における利点に鑑みて、経済的な理由からもその使用が選択される可能性がある。

一形態において、本発明のチタン合金は、アルミニウム、バナジウム、ケイ素、鉄、酸素、及び炭素の合金が添加されたチタン基材を含む。より具体的には、本チタン合金は、アルミニウム（Ａｌ）を約０．５重量％〜約１．６重量％の元素含有量で、バナジウム（Ｖ）を約２．５重量％〜約５．３重量％の元素含有量で、ケイ素（Ｓｉ）を約０．１重量％〜約０．５重量％の元素含有量で、鉄（Ｆｅ）を約０．０５重量％〜約０．５重量％の量で、酸素（Ｏ）を約０．１重量％〜約０．２５重量％の量で、炭素（Ｃ）を最大約０．２重量％の量で含み、残部はチタン（Ｔｉ）及び不可避的不純物である。別法として、本チタン合金中、Ａｌは、約０．５５重量％〜約１．２５重量％の量で存在し、Ｖは、約３．０重量％〜約４．３重量％の量で存在し、Ｓｉは、約０．２重量％〜約０．３重量％の量で存在し、Ｆｅは、約０．２重量％〜約０．３重量％の量で存在し、Ｏは、約０．１１重量％〜約０．２０重量％の量で存在する。本明細書に開示する元素を含む組成を有するチタン合金は、上記及び以下で詳述する特性範囲に含まれる降伏強度、極限引張強さ、耐弾道衝撃性、及び被削性Ｖ１５旋削ベンチマークを示すとともに、同様の条件下でＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金が示す熱間加工性よりも高い熱間加工性を示す。前記元素について本明細書に開示する組成範囲に含まれない少なくとも１つの元素をある量で含む組成を有するチタン合金も、本明細書に記載する特性範囲に含まれる全ての特性ではないにせよ、そのうちの１つ又は複数を示す可能性がある。

より具体的には、本開示の教示による一組成の元素含有量の目標値／公称値としては、Ａｌ：約０．８５重量％、Ｖ：約３．７重量％、Ｓｉ：約０．２５重量％、Ｆｅ：約０．２５重量％、及びＯ：約０．１５重量％が挙げられる。さらに、この目標組成物の密度は約４．５５ｇ／ｃｍ^３である。

また別の一形態では、Ａｌは、それだけに限らないが、他の元素の中でも特にジルコニウム（Ｚｒ）、スズ（Ｓｎ）、及び酸素（Ｏ）、又はそれらの任意の組合せを含めた、当量の別のα安定化剤で全体的に又は部分的に置換可能である。また、Ｖは、それだけに限らないが、他の元素の中でも特にモリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、及びタングステン（Ｗ）、又はそれらの任意の組合せを含めた、当量の別の同形β安定化元素で全体的に又は部分的に置換可能である。また、Ｆｅは、それだけに限らないが、他の元素の中でも特にクロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、及びマンガン（Ｍｎ）、又はそれらの任意の組合せを含めた、当量の別の共析β安定化元素で全体的に又は部分的に置換可能である。また、Ｓｉは、ゲルマニウム（Ｇｅ）で全体的に又は部分的に置換可能である。

α安定化剤を使用したＡｌ置換は、以下のＡｌ当量式で決定することができる。
Ａｌ当量（％）＝Ａｌ＋Ｚｒ／６＋Ｓｎ／３＋１０×Ｏ （式１）

また、α安定化剤を使用したＶ置換は、以下のＶ当量式で決定することができる。
Ｖ当量（％）＝Ｖ＋３Ｍｏ／２＋Ｎｂ／２＋９（Ｆｅ＋Ｃｒ）／２ （式２）

Ａｌ置換及びＶ置換は各元素を１重量％まで含むことができる。ただし、酸素は０．５重量％までとする。合金中のＡｌ又はＶの合計置換量は、２重量％以下とすることができる。

本開示の別の態様によれば、本チタン合金は、図１に示す複数のステップで記述される方法１に従って調製される。方法１は、全体的として、Ｔｉ、Ａｌ、及びＶを含有する合金からなる再生材料又はスクラップ材料を組み合わせるステップ１０を含む。別法として、上記スクラップ材料又は再生材料は、本開示のチタン合金から形成されたコンポーネント又は部品を含む。別法として、上記スクラップ材料又は再生材料は、本開示のチタン合金から形成されたコンポーネント又は部品を含む。次いでステップ２０で、再生材料又はスクラップ材料は、必要に応じて適切な化学的性質を有する追加原料と混合され、所望のチタン合金について上述した元素範囲の組成を平均で示す混合物が形成される。本方法の一形態において、上記混合物は、ステップ３０でコールドハース式プラズマ溶解炉若しくはコールドハース式電子ビーム溶解炉において溶融され、インゴットが作成される。別の形態において、上記混合物は、ステップ３０でＶＡＲ炉において溶解される。次いで、ステップ４０で、インゴットは、β鍛造とαβ鍛造の組合せを使用して部品に加工される。加工された部品は、ステップ５０において最終的に約２５°Ｆ（１４℃）〜約２００°Ｆ（１１０℃）の温度範囲のβ変態点未満の温度で熱処理され、その後、熱処理された部品は、焼鈍ステップ６０において約４８２．２℃ 約７５０°Ｆ（４００℃）〜約１２００°Ｆ（６４９℃）の温度で焼鈍され、最終チタン合金製品が得られる。当業者なら「β変態点」が合金組成物中に１００％のβ相が存在し得る最低温度を指すことを理解するであろう。一形態において、加工された部品のステップ５０における熱処理温度は、β変態点未満の約７５°Ｆ（４２℃）であり、ステップ６０における焼鈍温度は、約９３２°Ｆ（５００℃）である。任意選択で、コールドハース式溶解ステップ３０で形成されたインゴットは、ステップ７０で単一又は複数の溶解ステップ／溶解方法を含む真空アーク再溶解法を使用して再溶解させてもよい。

コールドハース式溶解ステップ３０で形成されたインゴットは、中実インゴットであっても中空インゴットであってもよい。ステップ５０の熱処理後、ステップ６０で焼鈍された最終チタン合金製品は、溶体化処理温度及び当該温度からの冷却速度に応じて、体積分率が約５％〜約９０％である一次α相を有する微視組織を示す。一次α相は、約５０μｍ未満のサイズを有する一次α粒を含むことができる。一形態において、一次α粒径は約２０μｍ未満である。

熱間加工と良好な室温延性とを組み合わせることにより、本発明の合金は、従来の金属加工又は強塑性変形（severe plastic deformation：ＳＰＤ）法と熱処理との組合せを使用した処理に適するものとなり、１０μｍ未満を含む粒径を得ることで超塑性成形プロセスにおける利点をもたらすとともに、強度の向上又は１μｍ未満の超微細結晶粒径を実現することによる追加の利点ももたらすことができる。

以下に示す具体的な実施形態は、本開示の教示に従って調製されたチタン合金の組成、特性、及び用途を例示するためのものであり、本開示の範囲を限定するものと解釈すべきではない。当業者なら、本開示に照らして、本明細書に開示される特定の実施形態に様々な変更を加えることができ、その場合もなお、本開示の趣旨又は範囲を逸脱しない限り同様又は類似の結果が得られることを理解するであろう。

本開示の教示に従って調製されたチタン合金、並びに、収納用途で現在使用されている又は収納用途に適する可能性がある従来の合金（合金番号Ｃ−１〜Ｃ−３）を対象として、特許請求の範囲に記載した組成範囲内及び組成範囲外の、小規模ラボスケール量（合金番号Ａ−１〜Ａ−２４）と大規模生産スケール量（合金番号Ｆ−１〜Ｆ−６）の両方について機械的特性試験を実施し、その結果を比較した。本明細書で使用する「小規模ラボスケール量（small laboratory scale quantity）」とは、２，０００ｌｂ（約９０７ｋｇ）以下の量を指し、「大規模生産スケール量（large production scale quantity）」とは、２，０００ｌｂ（約９０７ｋｇ）より大きい量を指す。以下、合金番号Ａ−１〜Ａ−２４、Ｆ−１〜Ｆ−６、Ｃ−１〜Ｃ−３について詳述する。

当業者なら、本明細書に記載する特性はいずれも日常的な測定手法で得られるものであり、複数の異なる方法によって測定可能であることを理解するであろう。本明細書に記載する方法は一例であり、本開示の範囲を超えない限り他の方法を利用することも可能である。

実施例１：延性試験
＜ラボスケール＞
真空アーク再溶解、β鍛造、及びα／β鍛造を施し、０．４０インチ（１ｃｍ）〜０．７５インチ（１．９ｃｍ）の厚さにα／β圧延して調製された直径８．０インチ（２０ｃｍ）のラボインゴットから作成した材料試料（合金番号Ａ−１〜Ａ−１７、Ｃ１、Ｃ２）の延性を引張試験により測定した。これらに加えて、１５０ｇの金属粒（Ａ−１８〜Ａ−２４）から多数の合金組成物を作成し、０．５インチ（１．２ｃｍ）のＲＣＳ（round corner square）に圧延後、試験を行った。引張試験はＡＳＴＭ Ｅ８（ASTM International, West Conshohoken, PA）に規定される手順に従って実施した。

引張材料試料の抽出及び試験に先立って、チタン合金に様々な熱処理を施し、諸種の時効条件下においた。引張材料試料の熱処理は、β変態点温度未満である約７５°Ｆ（４２℃）での溶体化処理を１時間と、その後、（ｉ）空冷及び約９３２°Ｆ（５００℃）での時効を８時間［ＳＴ／ＡＣ／Ａｇｅ］、又は（ｉｉ）水焼入れ及び約９３２°Ｆ（５００℃）での時効を８時間［ＳＴ／ＷＱ／Ａｇｅ］、又は（ｉｉｉ）空冷及び約１２９２°Ｆ（７００℃）での過時効を８時間［ＳＴ／ＡＣ／ＯＡ］とを含む。本開示のチタン合金は、同一又は類似の条件下でＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金が示す熱間加工性よりも高い熱間加工性を示した。

さらに、１５０ｇの金属粒から多数の合金組成物を作成し、０．５インチ（１．２ｃｍ）のＲＣＳ（round corner square）に圧延し、変態点温度未満である約１００°Ｆ（５６℃）で焼鈍後、試験を行った。チタン合金（合金番号Ａ−１〜Ａ−６）は、収納用途向けの全てのニーズ又は所望の要件を満足するのに十分な強度を維持しながら、従来のＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金（合金番号Ｃ−１）に比べて延性が最大７０％改善した。本開示のチタン合金は、約６００ＭＰａ〜約９００ＭＰａの極限引張強さを示した。処理中、本開示のチタン合金は、１．０／ｓ、８００℃で測定したときに約２００ＭＰａ未満の変形応力を示した。

従来のＴｉ−３ＡＬ−２．５Ｖ合金（合金番号Ｃ−２）は、強度及び延性に関する基本的な機械的特性は満たしているが、本開示の合金（実施例３参照）と比較するとエネルギー吸収率は８５％未満に留まっている。また、本開示の合金は、Ｔｉ−３ＡＬ−２．５Ｖに比べて変形応力が４４％低くなっており、成形性の点で有利である。

＜生産スケール＞
また、生産スケールの電子ビームシングルメルティング（electron beam single melt：ＥＢＳＭ）による１２，０００ｌｂ（５，４４３ｋｇ）程度のインゴットから得た材料（Ｆ−１〜Ｆ−６）について同様の試験を実施した。この試験結果から、延性及び強度についてラボスケール試験と同様の結果が得られることが示された。この材料に対して実施した小規模圧延実験から、加工上の困難性を伴わず、特性に大きな影響を及ぼすこともなく、従来Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖに適用されてきた温度よりも低い温度で材料の処理が可能となることが示された。延性及び低温加工能力の向上により、本発明の合金からなる約５，０００ｌｂ（２，２６８ｋｇ）リングでは、従来のＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金からなる同様のリングの圧延に要する再加熱の５０％しか必要にならず、したがって加工コストが大幅に削減される。

図３は、本開示の教示に従って調製されたチタン合金の例示的な微視組織を示す。図示のとおり、合金Ｆ−３の微視組織は、平均粒径４．１μｍ、体積分率４６％の一次αを含む。

機械的特性試験及び他の試験を実施したチタン合金の組成を表１に示す。

機械的特性試験の結果を表２に示す。

実施例２：弾道衝撃試験
表３に示すチタン合金組成物に対して弾道衝撃試験を実施した。弾道衝撃試験は、複数回の真空アーク再溶解、β鍛造、及び、中間β検査を挟むα／β鍛造を施し、厚さ約０．３０インチ（７．６ｍｍ）にα／β圧延して調製された８インチ（２０ｃｍ）ラボスケールインゴットから作成した材料試験板材に対して実施した。材料試験板材は、それぞれβ変態点温度未満である７５°Ｆ（４２℃）で溶体化処理し、９３２°Ｆ（５００℃）で時効処理又は焼鈍した。弾道衝撃試験の結果を図２に示す。

チタン合金（合金番号Ａ−１〜Ａ−６）は、従来のＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金（合金番号Ｃ−１）が示す耐弾道衝撃性より最大約１６％高い耐弾道衝撃性を示している。一形態において、本開示のチタン合金は、Ｖ_５０弾道限界で約１２０ｍ／ｓ超の耐弾道衝撃性を示している。弾道衝撃試験は、先端の丸い円筒状の固体発射体を使用して実施した。前述の生産スケールインゴット（合金番号Ｆ−１）について実施した弾道衝撃試験と、従来の生産スケールインゴットＣ−３に関する弾道衝撃結果とを比較するために、同様の結果を得た。

実施例３：シャルピー衝撃（Ｖノッチ）試験
真空アーク再溶解、β鍛造、及びα／β鍛造を施し、約０．７５インチ（１．９ｃｍ）の厚さにα／β圧延して調製された８．０インチ（２０ｃｍ）ラボスケールインゴットから作成したシャルピー材料試験試料に対して、シャルピー衝撃（Ｖノッチ）試験を実施した。シャルピー衝撃試験板材は、それぞれβ変態点温度未満である７５°Ｆ（４２℃）で溶体化処理し、９３２°Ｆ（５００℃）で時効処理又は焼鈍した（いずれも周囲空気冷却とともに実施）。シャルピー衝撃（Ｖノッチ）試験を実施したチタン合金の組成を表４に示す。

シャルピー衝撃（Ｖノッチ）試験では合金組成（合金番号Ａ−１、Ａ−２、Ｃ−１、Ｃ−２）毎に２つの試料を評価した。各合金の結果を表５に示す。

本開示の教示に従って調製されたチタン合金（合金番号Ａ−１、Ａ−２）は、従来のチタン合金（合金番号Ｃ−１、Ｃ−２）によって吸収されるエネルギーよりも多くのエネルギーを吸収する。実際、このシャルピー衝撃（Ｖノッチ）試験では、本開示のチタン合金（合金番号Ａ−１、Ａ−２）は、従来のＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金（合金番号Ｃ−１）に比べてエネルギー吸収率が最大５０％向上している。（シャルピー衝撃（Ｖノッチ）試験はＡＳＴＭ Ｅ２３に規定される手順に従って実施した。）さらに、本発明のチタン合金は、約１９％〜約４０％の伸び率も示している。

実施例４：被削性
上記の表１に記載した一部のチタン合金組成物に対して旋盤被削性Ｖ１５試験を実施した。ここで、被削性Ｖ１５試験につき、Ｖ１５とは切削工具が１５分以内に摩耗する速度を指す。送り速度は０．１ｍｍ／ｒｅｖ、カットの径方向深さは、C5-DCLNL-35060-12ホルダーが挿入されたCNMG 12 04 08-23 H13Aプログレッシブツールを使用した可変速外径旋削操作により２ｍｍとした。本開示に従って調製されたチタン合金は、１２５ｍ／ｍｉｎ超の被削性Ｖ１５旋削ベンチマークを示した。実際、本発明のチタン合金は、従来のＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金に比べて機械加工の容易性を１００％以上向上させることができる。ある試験では、上記のＡ−３合金と実質的に同様の合金が、基準となるＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金（合金番号Ｃ−２）のＶ１５値：７２ｍ／ｍｉｎに対して、Ｖ１５値：１８７．５ｍ／ｍｉｎを示した。したがって、本開示のチタン合金は従来のチタン合金よりも加工性が改善している。

実施例５：冷却速度の影響
合金の生産スケールインゴットから作成した０．５インチ（１．２ｃｍ）圧延板材の冷却速度を調査した。冷却速度が１℃／ｍｉｎ〜約８５０℃／ｍｉｎの試料は、降伏強度：約６００ＭＰａ〜約７７５ＭＰａ、ＵＴＳ：約７００ＭＰａ〜約９００ＭＰａであった。調査結果を表７に示す。

実施例６：変形応力
本開示に従って調製された合金の圧縮変形応力を測定し、従来の合金であるＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ（合金番号Ｃ−１）及びＴｉ−３ＡＬ−２．５Ｖ（合金番号Ｃ−２）と比較した。比較の結果、１４７２°Ｆ（８００℃）及び１．０／ｓの歪み速度で、本発明の合金は、最大変形応力がＴｉ−３ＡＬ−２．５Ｖ（合金番号Ｃ−２）と比較して４４％、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ（合金番号Ｃ−１）と比較して５７％減少したことが分かった。この変形応力の低さ故に、本開示の合金は、従来の合金に比べて加工及び成形が容易である。測定した変形応力データを表８に示す。

以上、本発明の様々な形態について説明したが、これらは例示及び説明の便宜上提示したものにすぎない。上記の説明は網羅的なものではなく、本発明を明細書に開示する厳密な形態に限定するものでもない。上記の教示に照らした様々な修正形態又は変形形態が可能である。本明細書に記載する形態としては、所期の具体的な用途に適するよう各形態に修正を施しながら当業者が本発明を様々な形態で利用することができるようにするために、本発明の原理及びその具体的な応用を最もよく例示するものを選択した。かかる修正形態及び変形形態は、法の下で公平の見地から認められる公正な範囲に従って解釈すれば、いずれも添付の特許請求の範囲によって画定される本発明の範囲に含まれる。

Claims (26)

1. チタン合金であり、アルミニウムが添加されたチタン基材と、少なくとも１つの同形β安定化元素と、少なくとも１つの共析β安定化元素と、不可避的不純物とを有し、以下の機械的特性を備え、
   降伏強度：約５５０ＭＰａ〜約８５０ＭＰａ、
   極限引張強さ：約６００ＭＰａ〜約９００ＭＰａ、
   耐弾道衝撃性：Ｖ_５０弾道限界で約１２０ｍ／ｓ超、及び
   被削性Ｖ１５旋削ベンチマーク：１２５ｍ／ｍｉｎ超、
   類似の条件下でＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金が示す熱間加工性よりも高い熱間加工性を示すチタン合金。
2. 請求項１に記載のチタン合金であり、
   伸び率：約１９％〜約４０％、及び
   １／ｓ、８００℃で測定したときの変形応力：約２００ＭＰａ未満
   を更に示すことを特徴とするチタン合金。
3. 請求項１又は２に記載のチタン合金であり、
   アルミニウム：約０．５重量％〜約１．６重量％、
   バナジウム：約２．５重量％〜約５．３重量％、
   ケイ素：約０．１重量％〜約０．５重量％、
   鉄：約０．０５重量％〜約０．５重量％、
   酸素：約０．１重量％〜約０．２５重量％、及び
   炭素：最大約０．２重量％
   を含み、残部はチタン及び不可避的不純物であることを特徴とするチタン合金。
4. チタン合金であり、
   アルミニウム：約０．５重量％〜約１．６重量％、
   バナジウム：約２．５重量％〜約５．３重量％、
   ケイ素：約０．１重量％〜約０．５重量％、
   鉄：約０．０５重量％〜約０．５重量％、
   酸素：約０．１重量％〜約０．２５重量％、及び
   炭素：最大約０．２重量％
   を含み、残部はチタン及び不可避的不純物であることを特徴とするチタン合金。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載のチタン合金であり、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金に比べて延性が最大７０％又はそれ以上改善することを特徴とするチタン合金。
6. 請求項１〜４のいずれか一項に記載のチタン合金であり、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金に比べて耐弾道衝撃性が最大１６％改善することを特徴とするチタン合金。
7. 請求項１〜４のいずれか一項に記載のチタン合金であり、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金に比べてエネルギー吸収率が最大５０％改善することを特徴とするチタン合金。
8. 請求項３又は４に記載のチタン合金であり、アルミニウムが約０．５５重量％〜約１．２５重量％の量で存在することを特徴とするチタン合金。
9. 請求項３又は４に記載のチタン合金であり、バナジウムが約３．０重量％〜約４．３重量％の量で存在することを特徴とするチタン合金。
10. 請求項３又は４に記載のチタン合金であり、ケイ素が約０．２重量％〜約０．３重量％の量で存在することを特徴とするチタン合金。
11. 請求項３又は４に記載のチタン合金であり、鉄が約０．２重量％〜約０．３重量％の量で存在することを特徴とするチタン合金。
12. 請求項３又は４に記載のチタン合金であり、酸素が約０．１１重量％〜約０．２重量％の量で存在することを特徴とするチタン合金。
13. 請求項３又は４に記載のチタン合金であり、
    アルミニウム：約０．５５重量％〜約１．２５重量％、
    バナジウム：約３．０重量％〜約４．３重量％、
    ケイ素：０．２０重量％〜約０．３０重量％、
    鉄：０．２０重量％〜約０．３０重量％、及び
    酸素：約０．１１重量％〜０．２０重量％
    を含み、残部はチタン及び不可避的不純物であることを特徴とするチタン合金。
14. 請求項１３に記載のチタン合金であり、元素含有量で、
    アルミニウム：約０．８５重量％、
    バナジウム：約３．７重量％、
    ケイ素：約０．２５重量％、
    鉄：約０．２５重量％、及び
    酸素：約０．１５重量％
    を含み、残部はチタン及び不可避的不純物であることを特徴とするチタン合金。
15. 請求項１又は２に記載のチタン合金であり、
    アルミニウム：約０．２重量％〜約１．６重量％、
    少なくとも１つの同形β安定化元素：約２．５重量％〜約５．３重量％、
    ケイ素：約０．１重量％〜約０．５重量％、
    少なくとも１つの共析β安定化元素：約０．０５重量％〜約０．５重量％、
    酸素：約０．１重量％〜約０．２５重量％、及び
    炭素：最大約０．２重量％
    を含み、残部はチタン及び不可避的不純物であることを特徴とするチタン合金。
16. チタン合金から製品又は部品を形成する方法であり、
    チタン、アルミニウム、及びバナジウムを含有するスクラップ又は再生合金材料を組み合わせるステップと、
    前記スクラップ又は再生合金材料を、
    アルミニウム：約０．５重量％〜約１．６重量％、
    バナジウム：約２．５重量％〜約５．３重量％、
    ケイ素：約０．１重量％〜約０．５重量％、
    鉄：約０．０５重量％〜約０．５重量％、
    酸素：約０．１重量％〜約０．２５重量％、及び
    炭素：最大約０．２重量％
    を含み、残部はチタン及び不可避的不純物である混合物を作成するのに必要な追加原料と混合するステップと、
    コールドハース式プラズマ溶解炉若しくはコールドハース式電子ビーム溶解炉又は真空アーク再溶解（ＶＡＲ）炉のいずれかにおいて前記混合物を溶解してインゴットを得るステップと、
    β鍛造とα鍛造の組合せを使用して前記インゴットを部品に加工するステップと、
    前記加工された部品を２５°Ｆ（１４℃）〜約２００°Ｆ（１１０℃）の温度範囲のβ変態点未満の温度で熱処理するステップと、
    前記加工及び熱処理がなされた部品を約７５０°Ｆ（４００℃）〜約１２００°Ｆ（６４９℃）の温度で焼鈍して最終チタン合金製品とするステップと
    を含む方法。
17. 請求項１６に記載の方法であり、前記熱処理は、β変態点未満である約７５°Ｆ（４２℃）の温度で実行され、前記焼鈍は、約９３２°Ｆ（５００℃）の温度で実行されることを特徴とする方法。
18. 請求項１６又は１７に記載の方法であり、前記コールドハース式の溶解ステップで得られる前記インゴットは、中空インゴットであることを特徴とする方法。
19. 請求項１６〜１８のいずれか一項に記載の方法であり、前記コールドハース式の溶解ステップで得られる前記インゴットは、真空アーク再溶解プロセスを使用して再溶解されることを特徴とする方法。
20. 請求項１６〜１９のいずれか一項に記載の方法であり、前記最終チタン合金製品は、一次α相の体積分率が約５％〜約９０％であることを特徴とする方法。
21. 請求項２０に記載の方法であり、前記一次α相は、約５０μｍ未満のサイズを有する一次α粒を含むことを特徴とする方法。
22. 請求項２１に記載の方法であり、前記一次α粒のサイズは、約２０μｍ未満であることを特徴とする方法。
23. 請求項１〜１５のいずれか一項に記載のチタン合金から形成される部品。
24. 請求項２３に記載の部品であり、収納リングケーシングであることを特徴とする部品。
25. 請求項１６〜２２のいずれか一項に記載の方法に従って調製されたチタン合金から形成される部品。
26. 請求項２５に記載の部品であり、収納リングケーシングであることを特徴とする部品。