JP2017508882A5

JP2017508882A5 -

Info

Publication number: JP2017508882A5
Application number: JP2016548622A
Authority: JP
Filing date: 2015-01-27
Publication date: 2018-03-22
Anticipated expiration: 2035-01-27

Description

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β変態点よりも約２５°Ｆ（１４℃）〜約２００°Ｆ（１１０℃）低い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。

また、β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）

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β変態点よりも約２５°Ｆ（１４℃）〜約２００°Ｆ（１１０℃）低い温度で熱処理され、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。

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変態点よりも約７５°Ｆ（４２℃）低い温度での溶体化処理を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、β変態点よりも約１００°Ｆ（５６℃）低い温度で焼鈍後、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。

注： * は6.4D El%〜4D El%の推定換算係数1.25を示す。

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変態点よりも７５°Ｆ（４２℃）低い温度で溶体化処理し、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。

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変態点よりも７５°Ｆ（４２℃）低い温度で溶体化処理し、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。

Claims

チタン合金であり、
アルミニウム：０．５質量％〜１．６質量％、
バナジウム：２．５質量％〜５．３質量％、
ケイ素：０．１質量％〜０．５質量％、
鉄：０．０５質量％〜０．５質量％、
酸素：０．１質量％〜０．２５質量％、及び
炭素：最大０．２質量％
を含み、残部はチタン及び不可避的不純物であり、以下の機械的特性、すなわち
降伏強度：５５０ＭＰａ〜８５０ＭＰａ、
極限引張強さ：６００ＭＰａ〜９００ＭＰａ、
耐弾道衝撃性：Ｖ_５０弾道限界で１２０ｍ／ｓ超、及び
被削性Ｖ１５旋削ベンチマーク：１２５ｍ／ｍｉｎ超、
を備えるチタン合金。
請求項１に記載のチタン合金であり、
伸び率：１９％〜４０％、及び
１／ｓ、８００℃で測定したときの変形応力：２００ＭＰａ未満
を更に示すことを特徴とするチタン合金。
チタン合金であり、
アルミニウム：０．５質量％〜１．６質量％、
バナジウム：２．５質量％〜５．３質量％、
ケイ素：０．１質量％〜０．５質量％、
鉄：０．０５質量％〜０．５質量％、
酸素：０．１質量％〜０．２５質量％、及び
炭素：最大０．２質量％
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。
請求項１〜３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。
請求項１〜３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。
請求項１〜３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。
請求項１〜３のいずれか一項に記載のチタン合金であり、アルミニウムが０．５５質量％〜１．２５質量％の量で存在することを特徴とするチタン合金。
請求項１〜３のいずれか一項に記載のチタン合金であり、バナジウムが３．０質量％〜４．３質量％の量で存在することを特徴とするチタン合金。
請求項１〜３のいずれか一項に記載のチタン合金であり、ケイ素が０．２質量％〜０．３質量％の量で存在することを特徴とするチタン合金。
請求項１〜３のいずれか一項に記載のチタン合金であり、鉄が０．２質量％〜０．３質量％の量で存在することを特徴とするチタン合金。
請求項１〜３のいずれか一項に記載のチタン合金であり、酸素が０．１１質量％〜０．２質量％の量で存在することを特徴とするチタン合金。
請求項１〜３のいずれか一項に記載のチタン合金であり、
アルミニウム：０．５５質量％〜１．２５質量％、
バナジウム：３．０質量％〜４．３質量％、
ケイ素：０．２０質量％〜０．３０質量％、
鉄：０．２０質量％〜０．３０質量％、及び
酸素：０．１１質量％〜０．２０質量％
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。
請求項１２に記載のチタン合金であり、元素含有量で、
アルミニウム：０．８５質量％、
バナジウム：３．７質量％、
ケイ素：０．２５質量％、
鉄：０．２５質量％、及び
酸素：０．１５質量％
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。
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：０．５質量％〜１．６質量％、
バナジウム（Ｖ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）およびタングステン（Ｔ）の少なくとも１つ：２．５質量％〜５．３質量％、
ケイ素：０．１質量％〜０．５質量％、
鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）およびマンガン（Ｍｎ）の少なくとも１つ：０．０５質量％〜０．５質量％、
酸素：０．１質量％〜０．２５質量％、及び
炭素：最大０．２質量％
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。
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：０．５質量％〜１．６質量％、
バナジウム：２．５質量％〜５．３質量％、
ケイ素：０．１質量％〜０．５質量％、
鉄：０．０５質量％〜０．５質量％、
酸素：０．１質量％〜０．２５質量％、及び
炭素：最大０．２質量％
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β変態点よりも２５°Ｆ（１４℃）〜２００°Ｆ（１１０℃）低い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７５０°Ｆ（４００℃）〜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。
請求項１５に記載の方法であり、前記熱処理は、β変態点よりも７５°Ｆ（４２℃）低い温度で実行され、前記焼鈍は、９３２°Ｆ（５００℃）の温度で実行されることを特徴とする方法。
請求項１５又は１６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。
請求項１５〜１７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。
請求項１５〜１８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５％〜９０％であることを特徴とする方法。
請求項１９に記載の方法であり、前記一次α相は、全てが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。
請求項２０に記載の方法であり、前記一次α粒のサイズは、全てが２０μｍ未満であることを特徴とする方法。
請求項１〜１４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。
請求項２２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。