JP2018501409A

JP2018501409A - チタン基合金を含むタービンエンジン部品

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Publication number: JP2018501409A
Application number: JP2017542344A
Authority: JP
Inventors: ペルテイエ，ベアトリス; ブロジェク，セドリック; ミレー，イボン; プリマ，フレデリク
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority date: 2014-10-31
Filing date: 2015-10-28
Publication date: 2018-01-18
Anticipated expiration: 2035-10-28
Also published as: RU2017118548A3; BR112017008725B1; RU2701779C2; FR3027921A1; BR112017008725A2; WO2016066955A1; CN107208192A; EP3212816A1; RU2017118548A; EP3212816B1; CA2966052C; JP6657240B2; CN107208192B; US20170335435A1; CA2966052A1

Abstract

本発明は、度合いの大きな加工硬化、大きな破断荷重および良好な延性を示すチタン基合金を含む、タービンエンジン部品に関する。

Description

本発明は、改善された機械的特性を示す新規なチタン合金に関する。

市販のチタン合金は、周囲温度で加工硬化をほとんどまたは全く示さないことが可能であり、さらに、比較的低い（平均で１０％から１５％までの）延性を示す場合もある。この種の挙動は、機械的強度に関して良好な特性を達成可能にするチタン合金の硬化用として公知の技法に伴うものであるが、この良好な特性の達成と引き換えに、材料の変形可能な度合いが制限され、結果として延性が低下する可能性がある。

したがって、公知のチタン合金は、例えば摂取または部品の破断に備えて物品を保管しておく必要性があるケーシング等、可能性として多大な変形を受けることもあり得るが、良好な静的特性を維持した状態のままであることが可能な部品の製造に適した材料にならない。この結果、特定の公知のチタン合金は、チタン合金より格段に重い鋼が好まれるこの種の用途向けとして却下されている。

Ａｂｄｅｌ−Ｈａｄｙら、「Ｇｅｎｅｒａｌａｐｐｒｏａｃｈｔｏｐｈａｓｅｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄｅｌａｓｔｉｃｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆ β−ｔｙｐｅＴｉ−ａｌｌｏｙｓｕｓｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓ」ＳｃｒｉｐｔａＭａｔｅｒｉａｌｉａ５５（２００６）ｐｐ．４７７−４８０Ｍａｒｔｅｌｅｕｒら、「Ｏｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｎｅｗ β−ｍｅｔａｓｔａｂｌｅｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙｓｗｉｔｈｉｍｐｒｏｖｅｄｗｏｒｋｈａｒｄｅｎｉｎｇｒａｔｅｔｈａｎｋｓｔｏｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓＴＲＩＰａｎｄＴＷＩＰｅｆｆｅｃｔｓ」、ＳｃｒｉｐｔａＭａｔｅｒｉａｌｉａ６６（２０１２），ｐｐ．７４９−７５２Ｓｕｎら、「Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆｅａｒｌｙｓｔａｇｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｓｉｎａｍｅｔａｓｔａｂｌｅ β−ｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙｓｈｏｗｉｎｇｃｏｍｂｉｎｅｄｔｗｉｎｎｉｎｇ−ｉｎｄｕｃｅｄｐｌａｓｔｉｃｉｔｙａｎｄｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ−ｉｎｄｕｃｅｄｐｌａｓｔｉｃｉｔｙｅｆｆｅｃｔｓ」、ＡｃｔａＭａｔｅｒｉａｌｉａ６１（２０１３），ｐｐ．６４０６−６４１７

したがって、加工硬化と延性の両方を高い水準で示す、新規なチタン合金をもたらす必要がある。

この目的のために、第１の態様において、本発明は、１種以上の合金元素が存在するチタン基合金であって、以下の条件：

を満たし、
Ｍｏ_ｅｑが、モリブデン当量として表される合金中のβ安定化元素の重量含有率を示し、
ただし、

であり、式中、

が、元素ｉの価電子の数であり、ｘ_ｉが、合金中の元素ｉのモル分率であり、合計が、合金中に存在するすべての元素を合わせるようになされており、Ｂｏが、チタンと合金元素との共有結合の平均結合次数を示し、Ｍｄが、チタンと合金元素との共有結合に対応するｄ軌道の平均エネルギー準位をｅＶで示す、
チタン基合金を提供する。

「チタン基合金」という用語は、チタンが合金の母材を構成すること、すなわち、合金が５０％以上、例えば６０％以上、例えば７０％以上、例えば８０％以上の重量含有率のチタンを含むことを意味すると理解すべきである。

量Ｍｏ_ｅｑは、次式：
Ｍｏ_ｅｑ＝ΣＭｏ_ｉｚ_ｉ
によって与えられ、
式中、ｚ_ｉが、合金中の合金元素ｉの重量分率であり、Ｍｏ_ｉが、Ｍｏのベータ安定化係数で割った合金元素ｉのベータ安定化係数の比に相当し、重量分率の合計が、合金中に存在する合金元素のすべてを合算したものである。したがって、合計は、合金中に存在し得るベータ安定化合金元素とアルファ安定化合金元素との両方に関連しており、これらの合金元素は、負の係数Ｍｏ_ｉを示す。

各合金元素については、量Ｍｏ_ｉおよび／またはｅ_ｉ／ａ_ｉが表にされている。以下の表１は、合金元素のいくつかの例についてのこれらの量の値を示す。

Ｂｏは、チタンと合金元素との共有結合の平均凝集力を定量化する。より正確には、量Ｂｏは、次のように計算される：
Ｂｏ＝ΣＢｏ_ｉｘ_ｉ
式中、ｘ_ｉが、合金中の元素ｉのモル分率を示し、合計が、合金中に存在する元素のすべてを合算したものである。下記の表２において、様々な合金元素のＢｏ_ｉの値が、表にして与えられている。Ｍｄは、チタンと合金元素との相互作用から生じた共有結合に対応するｄ軌道の平均エネルギー準位を示す。より正確には、量Ｍｄは、次のように計算される：
Ｍｄ＝ΣＭｄ_ｉｘ_ｉ
式中、ｘ_ｉが、合金中の元素ｉのモル分率を示し、合計が、合金中に存在するすべての元素を合算したものである。下記の表２において、様々な合金元素の値Ｍｄ_ｉが、表にして与えられている。

パラメータ

、Ｍｏ_ｅｑ、ＢｏおよびＭｄは、文献によって公知である。特に、様々な刊行物が、パラメータＢｏおよびＭｄをどのように計算するかについて記述している。この論題については、例えば、Ａｂｄｅｌ−Ｈａｄｙらによる刊行物「Ｇｅｎｅｒａｌａｐｐｒｏａｃｈｔｏｐｈａｓｅｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄｅｌａｓｔｉｃｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆ β−ｔｙｐｅＴｉ−ａｌｌｏｙｓｕｓｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓ」ＳｃｒｉｐｔａＭａｔｅｒｉａｌｉａ５５（２００６）ｐｐ．４７７−４８０、Ｍａｒｔｅｌｅｕｒらによる刊行物「Ｏｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｎｅｗ β−ｍｅｔａｓｔａｂｌｅｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙｓｗｉｔｈｉｍｐｒｏｖｅｄｗｏｒｋｈａｒｄｅｎｉｎｇｒａｔｅｔｈａｎｋｓｔｏｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓＴＲＩＰａｎｄＴＷＩＰｅｆｆｅｃｔｓ」、ＳｃｒｉｐｔａＭａｔｅｒｉａｌｉａ６６（２０１２），ｐｐ．７４９−７５２およびＳｕｎらによる刊行物「Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆｅａｒｌｙｓｔａｇｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｓｉｎａｍｅｔａｓｔａｂｌｅ β−ｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙｓｈｏｗｉｎｇｃｏｍｂｉｎｅｄｔｗｉｎｎｉｎｇ−ｉｎｄｕｃｅｄｐｌａｓｔｉｃｉｔｙａｎｄｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ−ｉｎｄｕｃｅｄｐｌａｓｔｉｃｉｔｙｅｆｆｅｃｔｓ」、ＡｃｔａＭａｔｅｒｉａｌｉａ６１（２０１３），ｐｐ．６４０６−６４１７を参照されたい。

特に指定がない限り、下記に使用されている合金の化学式において、化学元素の前にある数は、合金中の当該元素の重量含有率％である。例えば、Ｔｉ−８．５Ｃｒ−１．５Ａｌ合金は、８．５％の重量含有率のＣｒおよび１．５％の重量含有率のＡｌを含むチタン基合金である。

有利なことに、本発明の合金は、度合いの大きな加工硬化、大きな破断荷重、良好な延性をもたらす。上述したパラメータ範囲の選択により、合金を硬化させ、変形モードを活性化することが可能になり、これらの変形モードが、双晶形成機構と、β相をα相に変態させるための機構との関与により、高度の延性を達成できるようにする。

本発明の合金においては、双晶誘起塑性（ｔｗｉｎｎｉｎｇ−ｉｎｄｕｃｅｄｐｌａｓｔｉｃｉｔｙ：ＴＷＩＰ）効果と、変態誘起塑性（ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ−ｉｎｄｕｃｅｄｐｌａｓｔｉｃｉｔｙ：ＴＲＩＰ）効果とが複合し、有利に活性化される。本発明の結果として、マルテンサイト変態機構と双晶形成機構およびすべり機構とを同時に活性化できるようにする上記パラメータに基づいて規定された、特定の合金を選択することになる。

特に、本発明の合金は、これらの現象の活性化により、特に高い（５００メガパスカル（ＭＰａ）超の）弾性限界を維持しながら、約４０％の延性を示すことができる。このような性能は、公知のチタン合金の性能に比較して技術的な進歩となる。

一実施形態において、合金は、次に列記するものから選択される少なくとも１種の合金元素を含むことができる：Ｃｒ、Ａｌ、ＳｎおよびＶ。

一実施形態において、合金は、合金元素としてＣｒおよびＡｌを含むことができる。

一実施形態において、合金は、合金元素としてＣｒおよびＳｎを含むことができる。

一実施形態において、合金は、合金元素としてＶおよびＡｌを含むことができる。

合金は、二元合金または三元合金であってもよい。好ましくは、合金は、Ｔｉ−Ｃｒ−Ａｌ三元合金またはＴｉ−Ｃｒ−Ｓｎ三元合金に存する。合金は、Ｔｉ−Ｖ−Ａｌ三元合金を構成することもできる。合金は、四元合金、例えばＴｉ−１０Ｖ−４Ｃｒ−１Ａｌ合金であってもよい。

一実施形態において、合金は、合金元素としてＣｒおよびＡｌを含み、合金中のＣｒの重量含有率は、６％から９％までの範囲、例えば７％から９％までの範囲であり得、合金中のＡｌの重量含有率は、１％から３％までの範囲であり得る。

特に、合金は、次の化学式：Ｔｉ−ｘＣｒ−ｙＡｌを有することができ、式中、ｘが、６から９までの範囲であり、実際に７から９までの範囲であり、ｙが、１から３までの範囲である。

一実施形態において、合金は、合金元素としてＣｒおよびＳｎを含み、合金中のＣｒの重量含有率は６％から９％までの範囲、例えば７％から９％までの範囲であり得、合金中のＳｎの重量含有率は、１％から５％までの範囲であり得る。

特に、合金は、次の化学式：Ｔｉ−ｘ’Ｃｒ−ｚＳｎを有することができ、式中、ｘ’が、６から９までの範囲であり、または実際に７から９までの範囲であり、ｚが、１から５までの範囲である。

特に、本発明の合金は、次の化学式のいずれか１つを有することができる：
Ｔｉ−８．５Ｃｒ−１．５Ａｌ、
Ｔｉ−８．５Ｃｒ−１．５Ｓｎ、
Ｔｉ−７．５Ｃｒ−１Ａｌ、
Ｔｉ−７．５Ｃｒ−２Ａｌ、
Ｔｉ−９．５Ｃｒ−２Ａｌ、
Ｔｉ−７Ｃｒ−２Ｓｎおよび
Ｔｉ−１３Ｖ−２．５Ａｌ。

一実施形態において、合金中のＣｒの重量含有率は、７％から９％までの範囲であり得る。

本発明は、チタン基合金を含む、タービンエンジン部品であって、合金が、
合金中のＣｒの重量含有率が、６％から９％までの範囲であり、合金中のＡｌの重量含有率が、１％から３％までの範囲である、Ｔｉ−Ｃｒ−Ａｌ三元合金または
合金中のＣｒの重量含有率が、６％から９％までの範囲であり、合金中のＳｎの重量含有率が、１％から５％までの範囲である、Ｔｉ−Ｃｒ−Ｓｎ三元合金である、タービンエンジン部品をさらに提供する。

好ましくは、部品は、タービンエンジンケーシング、例えばタービンエンジン保持ケーシングである。

部品は、上記に定義の合金から製造されていてもよい。

本発明は、上記に定義の部品を含む、タービンエンジンをさらに提供する。

本発明の他の特徴および利点が、非限定的な実施例として与えられた本発明の特定の実施形態に関する下記の記述と添付の図面を参照すれば、明らかになる。

本発明の例示的な合金の位置付けを示す、電子図である。本発明の例示的な合金の位置付けを示す、電子図である。本発明のＴｉ−８．５Ｃｒ−１．５Ａｌ合金においてβ相がα’’相に変態する現象が起きた、「ＴＲＩＰ」効果を示す。本発明のＴｉ−８．５Ｃｒ−１．５Ｓｎ合金における双晶形成現象を示す、写真である。本発明のＴｉ−８．５Ｃｒ−１．５Ｓｎ合金における双晶形成現象を示す、写真である。本発明の合金の牽引試験の結果を示す、図である。本発明の合金の牽引試験の結果を示す、図である。

図１および図２は、チタン合金が位置付けられている電子図である。これらの電子図は、合金が応力を受けたときに起きる変形機構を示している。

Ｂｏは、図１および図２の電子図の縦軸に、上方に向かってプロットされている。上記のように、Ｂｏは、チタンと合金元素との共有結合の平均凝集力を定量化する。

Ｍｄは、図１および図２の電子図の横軸に沿ってプロットされている。上記のように、Ｍｄは、チタンと合金元素との相互作用から生じた共有結合に対応するｄ軌道の平均エネルギー準位を明示する。

図１および図２に提示された電子図は、すべり、双晶形成および応力誘起マルテンサイト（ｓｔｒｅｓｓｉｎｄｕｃｅｄｍａｒｔｅｎｓｉｔｉｃ：ＳＩＭ）変態という相異なる変形機構の発生に対応する、様々な領域を示している。

示されているように、本発明の様々な例示的合金は、図１および図２の電子図において、双晶形成現象の活性化に対応する区域中で位置付けされている。例えば、本発明の合金は、

を有することが可能である。

図３は、本発明の合金中においてβ相から得られたα’’相（応力を加えたときにβ相をα’’相に変態させる機構の活性化）を示す、写真である。このような相変態の活性化は、高い延性を得るために有利である。図４Ａおよび図４Ｂは、本発明の合金において達成される双晶形成現象の活性化を示しており、この双晶形成現象も同様に、高い延性の達成に寄与する。

図５は、Ｔｉ−８．５Ｃｒ−１．５Ａｌ合金について得られた牽引試験の結果を示している。この合金の場合、ｅ／ａ＝４．１２９およびＭｏ_ｅｑ＝１２．１である。この合金は、約４０％の高い延性、１１５０ＭＰａの破壊荷重を示しており、高い弾性限界を維持している。Ｍｏ_ｅｑ＝１３．６およびｅ／ａ＝４．１６であるＴｉ−８．５Ｃｒ−１．５Ｓｎ合金の場合も、同様の結果が得られた（図６を参照）。牽引試験は、周囲温度において、５０ミリメートル（ｍｍ）の長さ、０．５ｍｍの厚さおよび５ｍｍの幅を有する試験片を１０^−３ｓ^−１の速度で変形させて実施された。

例
Ｔｉ−８．５Ｃｒ−１．５Ａｌ合金のインゴットを、スポンジ様のチタン元素、クロム粒子およびアルミニウム粉末を圧縮し、次いでアーク溶解技法を用いて製造した。圧縮された混合物においては、次の重量含有率を採用した：９０重量％のＴｉ、８．５重量％のＣｒおよび１．５重量％のＡｌ。次いで、０．５ｍｍの厚さを有するシートを得るためにインゴットを変形させた。シートを、ベータ領域中において９００℃で熱処理し、続いて急冷した。牽引試験用の平らな小片をシートから切り出し、図５に関して上述した牽引試験のときに使用した。

「含む／含有する」という用語は、「少なくとも１つを含む／含む」と理解すべきである。

「・・・から・・・までの範囲である」という用語は、境界を含むものとして理解すべきである。

Claims

１種以上の合金元素が存在するチタン基合金を含む、タービンエンジン部品であって、合金が、Ｃｒ、Ａｌ、ＳｎおよびＶから選択される少なくとも１種の合金元素を含み、以下の条件：

を満たし、
Ｍｏ_ｅｑが、モリブデン当量として表される合金中のベータ安定化元素の重量含有率を示し、
ただし、

であり、式中、

が、元素ｉの価電子の数であり、ｘ_ｉが、合金中の元素ｉのモル分率であり、合計が、合金中に存在するすべての元素を合わせるようになされており、Ｂｏが、チタンと合金元素との共有結合の平均結合次数を示し、Ｍｄが、チタンと合金元素との共有結合に対応するｄ軌道の平均エネルギー準位をｅＶで示す、
タービンエンジン部品。
合金が、合金元素としてＣｒおよびＡｌを含むことを特徴とする、請求項１に記載の部品。
合金が、合金元素としてＣｒおよびＳｎを含むことを特徴とする、請求項１に記載の部品。
合金が、Ｔｉ−Ｃｒ−Ａｌ三元合金を構成することを特徴とする、請求項２に記載の部品。
合金が、Ｔｉ−Ｃｒ−Ｓｎ三元合金を構成することを特徴とする、請求項３に記載の部品。
合金中のＣｒの重量含有率が、６％から９％までの範囲であり、合金中のＡｌの重量含有率が、１％から３％までの範囲であることを特徴とする、請求項２または４に記載の部品。
合金中のＣｒの重量含有率が、６％から９％までの範囲であり、合金中のＳｎの重量含有率が、１％から５％までの範囲であることを特徴とする、請求項３または５に記載の部品。
チタン基合金を含む、タービンエンジン部品であって、合金が、
合金中のＣｒの重量含有率が、６％から９％までの範囲であり、合金中のＡｌの重量含有率が、１％から３％までの範囲である、Ｔｉ−Ｃｒ−Ａｌ三元合金または
合金中のＣｒの重量含有率が、６％から９％までの範囲であり、合金中のＳｎの重量含有率が、１％から５％までの範囲である、Ｔｉ−Ｃｒ−Ｓｎ三元合金
である、タービンエンジン部品。
合金中のＣｒの重量含有率が、７％から９％までの範囲であることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の部品。
タービンエンジンケーシングを構成することを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の部品。
タービンエンジン保持ケーシングを構成することを特徴とする、請求項１０に記載の部品。
請求項１から１１のいずれか一項に記載の部品を含む、タービンエンジン。