JP2019511634A - 改良された高温特性及び超塑性を有するアルファ−ベータチタン合金 - Google Patents
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Abstract
改良された高温耐酸化性、高温強度及び耐クリープ性、並びに改良された超塑性を有する高強度アルファ−ベータチタン合金が提供される。１つの形態において、合金は、約４．５ｗｔ％〜約５．５ｗｔ％のアルミニウム、約３．０ｗｔ％〜約５．０ｗｔ％のバナジウム、約０．３ｗｔ％〜約１．８ｗｔ％のモリブデン、約０．２ｗｔ％〜約１．２ｗｔ％の鉄、約０．１２ｗｔ％〜約０．２５ｗｔ％の酸素、約０．１０ｗｔ％〜約０．４０ｗｔ％のケイ素、残部のチタン及び不可避不純物を含み、各不可避不純物は、それぞれ約０．１ｗｔ％未満であり、合計で約０．５ｗｔ％未満である。【選択図】図３
Description
分野
本開示は、一般にチタン合金に関する。より具体的には、本開示は、超塑性とともに、高温耐酸化性、高温強度及び耐クリープ性を含む特性の組み合わせを有するチタン合金に関する。
本開示は、一般にチタン合金に関する。より具体的には、本開示は、超塑性とともに、高温耐酸化性、高温強度及び耐クリープ性を含む特性の組み合わせを有するチタン合金に関する。
背景
このセクションの記述は、単に本開示に関する背景情報を提供するだけであり、先行技術を構成しない可能性がある。
このセクションの記述は、単に本開示に関する背景情報を提供するだけであり、先行技術を構成しない可能性がある。
チタン合金は、その優れた強度重量比及び高温性能のために航空宇宙などの用途に一般に使用される。１つの既知のチタン合金は、Ti-54M（「TIMETAL（登録商標）54M」）であり、これは特にTi-64の特性に対して、高強度、良好な機械加工性、及び優れた耐衝撃特性を有する。
チタン合金から部品を成形するために使用されてきた１つのプロセスは、超塑性成形である。このプロセスでは、チタン合金を高温で変形させ、材料を破裂させることなく比較的大きな量で流す。そのような製造条件下で流れるチタン合金の能力は、超塑性と呼ばれる特性である。
Ti-54M及びTi-64合金は両方とも超塑性を示し、Ti-54M合金は、超塑性成形用途に使用される最も一般的なチタン合金である後者のTi-64と比較して、低温で超塑性を示す。例えば、米国特許第８，５５１，２６４号に開示されている圧延プロセスによって加工されたTi-54Mシート（これは本出願と共通して所有され、その内容はその全体が参照により本明細書に組み込まれる）は、Ti-64に使用される温度より１００℃以上低い７７５℃（１４２７°F）という低温で超塑性を示す。Ti-54Mは低温で優れた超塑性を示すが、この合金は、高温用途でしばしば望ましい高温強度、耐クリープ性又は耐酸化性において、競合の合金よりも顕著な利点を示さない。
要約
本開示は、一般に、改良された高温耐酸化性、高温強度及び耐クリープ性、並びに改良された超塑性を有する高強度アルファ−ベータ合金に関する。１つの形態において、合金は、約４．５ｗｔ％〜約５．５ｗｔ％のアルミニウム、約３．０ｗｔ％〜約５．０ｗｔ％のバナジウム、約０．３ｗｔ％〜約１．８ｗｔ％のモリブデン、約０．２ｗｔ％〜約１．２ｗｔ％の鉄、約０．１２ｗｔ％〜約０．２５ｗｔ％の酸素、約０．１０ｗｔ％〜約０．４０ｗｔ％のケイ素、残部のチタン及び不可避不純物を含み、各不可避不純物は、それぞれ約０．１ｗｔ％未満であり、合計で約０．５ｗｔ％未満である。
本開示は、一般に、改良された高温耐酸化性、高温強度及び耐クリープ性、並びに改良された超塑性を有する高強度アルファ−ベータ合金に関する。１つの形態において、合金は、約４．５ｗｔ％〜約５．５ｗｔ％のアルミニウム、約３．０ｗｔ％〜約５．０ｗｔ％のバナジウム、約０．３ｗｔ％〜約１．８ｗｔ％のモリブデン、約０．２ｗｔ％〜約１．２ｗｔ％の鉄、約０．１２ｗｔ％〜約０．２５ｗｔ％の酸素、約０．１０ｗｔ％〜約０．４０ｗｔ％のケイ素、残部のチタン及び不可避不純物を含み、各不可避不純物は、それぞれ約０．１ｗｔ％未満であり、合計で約０．５ｗｔ％未満である。
別の形態において、ケイ素の量は約０．１５ｗｔ％〜約０．４０ｗｔ％の範囲内にあり、別の形態において、ケイ素含有量は約０．２５ｗｔ％ないし約０．３５ｗｔ％である。
本開示の本発明の合金を使用して成形された部品と共に、合金を溶融し、シートを成形する方法もまた提供される。例えば、本発明の合金は、複合ＶＡＲ（真空アーク再溶解）プロセス若しくはコールドハース溶解、又はそれらの組み合わせを用いて溶融させることができる。コールドハース溶解は、チタン合金を溶融するための電源として電子ビーム又はプラズマアークのいずれかを含むことができる。溶融され鋳造されたインゴットは、熱間加工プロセスによってスラブに鍛造又は圧延され、次いで中間プレートに熱間圧延される。次いで、プレートを熱間圧延してシートにした後、熱処理することができる。シートはまた、それらの表面上のスケール及びアルファケースを除去するために研削されてもよい。
適用性のさらなる領域は、本明細書で提供される説明から明らかになるであろう。説明及び特定の例は、例示のみを目的としており、本開示の範囲を限定するものではないことを理解されるべきである。
本明細書に記載される図面は、説明の目的のみのためであり、決して本開示の範囲を限定するものではない。
詳細な説明
以下の説明は、本質的に単に例示的なものであり、決して本開示又はその適用又は使用を限定するものではない。説明全体を通じて、対応する参照符号は、同様の又は対応する部分及び特徴を示すことが理解されるべきである。
以下の説明は、本質的に単に例示的なものであり、決して本開示又はその適用又は使用を限定するものではない。説明全体を通じて、対応する参照符号は、同様の又は対応する部分及び特徴を示すことが理解されるべきである。
本開示は、約４．５ｗｔ％〜約５．５ｗｔ％のアルミニウム、約３．０ｗｔ％〜約５．０ｗｔ％のバナジウム、約０．３ｗｔ％〜約１．８ｗｔ％のモリブデン、約０．２ｗｔ％〜約１．２ｗｔ％の鉄、約０．１２ｗｔ％〜約０．２５ｗｔ％の酸素、約０．１０ｗｔ％〜約０．４０ｗｔ％のケイ素、残部のチタン及び不可避不純物を含み、各不可避不純物は、それぞれ約０．１ｗｔ％未満であり、合計で約０．５ｗｔ％未満である、アルファ−ベータチタン合金を含有する。
任意の合金元素は、ニオブ（Ｎｂ）、クロム（Ｃｒ）、スズ（Ｓｎ）、及び／又はジルコニウム（Ｚｒ）を含み得、これらは合計約１．０ｗｔ％未満である。
所望の特性及び超塑性を達成するためのそれぞれの合金元素及びそれらの重要性について、これからより詳細に説明する。
アルミニウム
本開示の合金は、アルファ安定剤として、また強度及び微細構造の制御のために、アルミニウム（Ａｌ）を含有する。微細構造は、温度、ひずみ速度、ひずみ、及びそれらの相互作用などのプロセスパラメータと密接に関連しているため、微細構造の制御は、適切な製作／製造のために望ましい。アルミニウム含有量が４．５ｗｔ％未満であると、固溶強化の効果が顕著でなく、したがって所望の強度を達成することができない。アルミニウム含有量が５．５ｗｔ％を超えると、ベータ遷移温度が高くなり過ぎ、熱成形性に対する耐性が向上し、それによって低温超塑性を達成する能力が低下する。したがって、本開示のアルミニウム含有量は、高強度及び低温超塑性を提供するために約４．５〜約５．５ｗｔ％の範囲内にある。本明細書でいう「低温」超塑性とは、約８１５℃（１５００°F）以下の温度で、所望の機械的特性を維持しながら、十分な超塑性を有するものとして具体的に定義される。さらに、本明細書に開示される本発明の合金によって提供される「優れた」超塑性とは、約１０００％を超える伸びを有することをいう。
本開示の合金は、アルファ安定剤として、また強度及び微細構造の制御のために、アルミニウム（Ａｌ）を含有する。微細構造は、温度、ひずみ速度、ひずみ、及びそれらの相互作用などのプロセスパラメータと密接に関連しているため、微細構造の制御は、適切な製作／製造のために望ましい。アルミニウム含有量が４．５ｗｔ％未満であると、固溶強化の効果が顕著でなく、したがって所望の強度を達成することができない。アルミニウム含有量が５．５ｗｔ％を超えると、ベータ遷移温度が高くなり過ぎ、熱成形性に対する耐性が向上し、それによって低温超塑性を達成する能力が低下する。したがって、本開示のアルミニウム含有量は、高強度及び低温超塑性を提供するために約４．５〜約５．５ｗｔ％の範囲内にある。本明細書でいう「低温」超塑性とは、約８１５℃（１５００°F）以下の温度で、所望の機械的特性を維持しながら、十分な超塑性を有するものとして具体的に定義される。さらに、本明細書に開示される本発明の合金によって提供される「優れた」超塑性とは、約１０００％を超える伸びを有することをいう。
バナジウム
バナジウム（Ｖ）は、ベータ安定剤であり、本明細書に開示される本発明の合金の所望の強度を達成するために使用される。アルミニウムと同様に、バナジウムは低温超塑性のための所望の微細構造を達成するためにも使用される。バナジウム含有量が３．０ｗｔ％未満であると、十分な強度が得られず、超塑性に望まれるアルファ−ベータ相の所望の体積分率が低温で得られない。バナジウム含有量が５．０ｗｔ％を超えると、耐酸化性が低下し、より多いバナジウム含有量は、密度及びコストを増加させ、これは望ましくない。バナジウム含有量が多いほど、ベータ相は過度に安定化し得る。この場合、超塑性成形温度に貢献しない微細構造が生じることがある。したがって、本開示のバナジウム含有量は、高強度及び低温超塑性を提供するために約３．０ｗｔ％〜約５．０ｗｔ％の範囲内にある。
バナジウム（Ｖ）は、ベータ安定剤であり、本明細書に開示される本発明の合金の所望の強度を達成するために使用される。アルミニウムと同様に、バナジウムは低温超塑性のための所望の微細構造を達成するためにも使用される。バナジウム含有量が３．０ｗｔ％未満であると、十分な強度が得られず、超塑性に望まれるアルファ−ベータ相の所望の体積分率が低温で得られない。バナジウム含有量が５．０ｗｔ％を超えると、耐酸化性が低下し、より多いバナジウム含有量は、密度及びコストを増加させ、これは望ましくない。バナジウム含有量が多いほど、ベータ相は過度に安定化し得る。この場合、超塑性成形温度に貢献しない微細構造が生じることがある。したがって、本開示のバナジウム含有量は、高強度及び低温超塑性を提供するために約３．０ｗｔ％〜約５．０ｗｔ％の範囲内にある。
モリブデン
モリブデン（Ｍｏ）は、ベータ安定化元素であって、結晶粒微細化に効果的であり、これは超塑性のために望ましい。モリブデン含有量が０．３ｗｔ％未満であると、低温で十分な超塑性が得られない。一方、モリブデン含有量が１．８ｗｔ％を超えると、ベータ相が過度に安定化し、その結果、超塑性成形温度に貢献し得ない微細構造が生じる。また、より多くの量のモリブデンは、約４．６０ｇ／ｃｍ３未満の目標値を上回って密度を増加させる。したがって、本開示のモリブデン含有量は、約０．３ｗｔ％〜約１．８ｗｔ％の範囲内にあると決定された。
モリブデン（Ｍｏ）は、ベータ安定化元素であって、結晶粒微細化に効果的であり、これは超塑性のために望ましい。モリブデン含有量が０．３ｗｔ％未満であると、低温で十分な超塑性が得られない。一方、モリブデン含有量が１．８ｗｔ％を超えると、ベータ相が過度に安定化し、その結果、超塑性成形温度に貢献し得ない微細構造が生じる。また、より多くの量のモリブデンは、約４．６０ｇ／ｃｍ３未満の目標値を上回って密度を増加させる。したがって、本開示のモリブデン含有量は、約０．３ｗｔ％〜約１．８ｗｔ％の範囲内にあると決定された。
鉄
鉄（Ｆｅ）は、強力な共析晶ベータ安定剤として機能し、その拡散係数がモリブデン又はバナジウムなどの他の元素よりもはるかに高いため、本発明の合金に提供される。したがって、鉄は、非常に速い拡散性のために粒界すべりを促進することができるため、超塑性に効果的な元素であり、これは低温超塑性に望ましい。鉄含有量が約０．２ｗｔ％未満であると、十分な低温超塑性を得ることができない。鉄含有量が約１．２ｗｔ％を超えると、分離のリスクが存在し、最終製品にベータ斑点、微細構造欠陥を引き起こす可能性がある。したがって、本開示の鉄含有量は、約０．２ｗｔ％〜約１．２ｗｔ％の範囲内にある。
鉄（Ｆｅ）は、強力な共析晶ベータ安定剤として機能し、その拡散係数がモリブデン又はバナジウムなどの他の元素よりもはるかに高いため、本発明の合金に提供される。したがって、鉄は、非常に速い拡散性のために粒界すべりを促進することができるため、超塑性に効果的な元素であり、これは低温超塑性に望ましい。鉄含有量が約０．２ｗｔ％未満であると、十分な低温超塑性を得ることができない。鉄含有量が約１．２ｗｔ％を超えると、分離のリスクが存在し、最終製品にベータ斑点、微細構造欠陥を引き起こす可能性がある。したがって、本開示の鉄含有量は、約０．２ｗｔ％〜約１．２ｗｔ％の範囲内にある。
酸素
酸素（Ｏ）は、アルミニウムと同様に、格子間元素及びアルファ安定化元素である。加えて、酸素は、チタン合金を強化するための最も効果的な元素の１つである。少量の酸素は、チタンを強化するが、過剰量の酸素は脆性を引き起こす。したがって、本開示に係る酸素の範囲は、約０．１２ｗｔ％〜約０．２５ｗｔ％の範囲である。
酸素（Ｏ）は、アルミニウムと同様に、格子間元素及びアルファ安定化元素である。加えて、酸素は、チタン合金を強化するための最も効果的な元素の１つである。少量の酸素は、チタンを強化するが、過剰量の酸素は脆性を引き起こす。したがって、本開示に係る酸素の範囲は、約０．１２ｗｔ％〜約０．２５ｗｔ％の範囲である。
ケイ素
ケイ素（Ｓｉ）は、耐酸化性のために使用される元素であり、高温用途のチタン合金は、しばしば約０．５ｗｔ％未満のケイ素を含有して高温強度及び耐クリープ性を向上させる。ケイ素は、ケイ化チタン微粒子を成形することによって、固溶強化及び／又は析出硬化により、高温強度を改良する。ケイ素含有量が約０．１５ｗｔ％未満であると、十分な強度及び耐クリープ性を得ることができない。過剰量のケイ素は、粗いケイ化物を形成することによって成形性に悪影響を及ぼし得る。したがって、本発明者は、ケイ素含有量が本発明の合金の約０．１０ｗｔ％〜約０．４０ｗｔ％の範囲内にある場合、相乗効果が得られることを見出した。
ケイ素（Ｓｉ）は、耐酸化性のために使用される元素であり、高温用途のチタン合金は、しばしば約０．５ｗｔ％未満のケイ素を含有して高温強度及び耐クリープ性を向上させる。ケイ素は、ケイ化チタン微粒子を成形することによって、固溶強化及び／又は析出硬化により、高温強度を改良する。ケイ素含有量が約０．１５ｗｔ％未満であると、十分な強度及び耐クリープ性を得ることができない。過剰量のケイ素は、粗いケイ化物を形成することによって成形性に悪影響を及ぼし得る。したがって、本発明者は、ケイ素含有量が本発明の合金の約０．１０ｗｔ％〜約０．４０ｗｔ％の範囲内にある場合、相乗効果が得られることを見出した。
以下の特定の合金は、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、及び使用を説明するために与えられ、本開示の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。当業者は、本開示に照らして、本開示の精神又は範囲を逸脱又は超えることなく、同等又は類似の結果を得る均等物を達成するために、特定の合金にわずかな変更を加えることができることを理解するであろう。
機械的特性試験を実施し、請求された組成範囲内で調製され、請求された組成範囲外で調製されたチタン合金、及び現在使用されているか、潜在的に使用に適しているいずれかの従来の合金について比較した。当業者は、本明細書で報告されるいずれかの特性が、日常的に測定され、複数の異なる方法によって得ることができる特性を表すことを理解する。本明細書に記載の方法はそのような方法の１つを表し、本開示の範囲を超えることなく他の方法を利用することができる。
例１
５つの実験用インゴットである、本開示に係る２つの合金及び３つの比較例の合金の組成物を、以下の表１に示すように、２００ｍｍの最終直径（各１６ｋｇ）に二重溶融した。
５つの実験用インゴットである、本開示に係る２つの合金及び３つの比較例の合金の組成物を、以下の表１に示すように、２００ｍｍの最終直径（各１６ｋｇ）に二重溶融した。
ここでヒート# V8496は、典型的なTi-54M組成を有する合金である。インゴットを１１４９℃（２１００°F）で加熱し、１２７ｍｍ（５”）正方形（ＳＱ）のビレットにブレークダウン鍛造した。次いで、ビレットを以下のプロセスを使用してシートに変換した。
１） ９１３℃（１６７５°F）で加熱し、４４ｍｍ×１５２ｍｍ（１．７５”×６”）のスラブに鍛造する；
２） ９１３℃（１６７５°F）で加熱し、１９ｍｍ（０．７５”）の厚さのプレートに熱間圧延する；
３） １０６６℃（１９５０°F）で２０分間加熱した後、水焼き入れする；
４） ７６０℃（１４００°F）で加熱し、４．３ｍｍ（０．１７”）の厚さに圧延する；
５） ７６０℃（１４００°F）で加熱し、２．０ｍｍ（０．０８０”）への圧延を続ける；
６） ７８８℃（１４５０°F）でミルアニールする；及び
７） １．３ｍｍ（０．０５０”）に研削する。
１） ９１３℃（１６７５°F）で加熱し、４４ｍｍ×１５２ｍｍ（１．７５”×６”）のスラブに鍛造する；
２） ９１３℃（１６７５°F）で加熱し、１９ｍｍ（０．７５”）の厚さのプレートに熱間圧延する；
３） １０６６℃（１９５０°F）で２０分間加熱した後、水焼き入れする；
４） ７６０℃（１４００°F）で加熱し、４．３ｍｍ（０．１７”）の厚さに圧延する；
５） ７６０℃（１４００°F）で加熱し、２．０ｍｍ（０．０８０”）への圧延を続ける；
６） ７８８℃（１４５０°F）でミルアニールする；及び
７） １．３ｍｍ（０．０５０”）に研削する。
ＡＳＴＭ Ｅ８のサブサイズの試料を使用して、全ての上記のヒートの縦及び横方向での室温引張試験を行なった。引張試験の結果を以下の表２に示す。
表２に示すことができるように、一般的な傾向は、Ti-54Mのケイ素含有量の増加に伴って強度（ＹＳ又はＵＴＳ）が増加し、％伸びが減少することを示す。ケイ素含有量が０．４２２ｗｔ％に増加するにつれて、強度がかなり増加し、それにより材料の延性（伸び）を犠牲にすることに留意すべきである。
５つ全てのヒートについてクリープ試験も行なった。試験を、４２７℃（８００°F）の大気中でＡＳＴＭ Ｅ１３９に従って行なった。実施された全てのクリープ試験を、定常状態のクリープ速度の決定に望ましい、かなりの定常状態の変形を記録するのに十分長い時間継続した。１３８ＭＰａ（２０ｋｓｉ）の応力を用いた４２７℃（８００°F）でのクリープ試験の結果を以下の表３に示す：
示されているように、クリープひずみが０．１０％又は０．２０％に到達するまでの時間、２５時間、３５時間、５０時間及び１００時間におけるクリープひずみのクリープ試験、及び定常状態におけるクリープ速度を、５つの合金について記録した。結果から明らかなように、所定の時間におけるクリープひずみは、ケイ素の含有量が約０．３ｗｔ％まで増加すると減少し、Ｓｉ含有量が０．４２重量％であると増加する。この傾向は、いずれの時間でも見ることができ、クリープひずみに加えてクリープ速度にも見ることができる。
追加のクリープ試験を、２４１ＭＰａ（３５ｋｓｉ）の応力を用い、４２７℃（８００°F）で行ない、その結果を以下の表４に示す。
クリープひずみが０．１０％又は０．２０％に到達するまでの時間、２５時間、３５時間、５０時間及び１００時間におけるクリープひずみのクリープ試験、及び定常状態におけるクリープ速度を、５つ全ての合金について示す。表３に示す従前のクリープ試験と同様に、所定の時間におけるクリープひずみは、ケイ素の含有量が約０．３ｗｔ％まで増加すると減少し、Ｓｉ含有量が０．４２ｗｔ％であると増加する。１つの形態において、Ｓｉ含有量が０．３ｗｔ％であるＶ８４９９合金で、優れた耐クリープ性が得られた。
ここで図１を参照すると、Ti-54M合金のクリープ特性に対するケイ素含有量の効果が示され、５０時間におけるクリープひずみは、１３８ＭＰａ（２０ｋｓｉ）及び２４１ＭＰａ（３５ｋｓｉ）の両方の応力について与えられる。いずれの条件においても、ケイ素含有量が約０．３ｗｔ％であるとき、クリープひずみが大幅に減少する。
５つの合金それぞれについて、空気炉で２００時間、１２００°F（６４９℃）及び１４００°F（７６０℃）で酸化試験も行なった。これら酸化試験後の重量増加を測定し、その結果を表５に示す。
図２を参照すると、酸化試験の結果がグラフ形式で示されている。示されているように、両方の温度でＳｉ含有量が増加すると、酸化による重量増加が減少する。さらに、ケイ素の存在は、Ti-54Mベース合金の耐酸化性を有意に改良する。Ti-54Mベース合金への０．３０ｗｔ％ケイ素の添加は、両方の酸化温度において望ましい条件に見え、それを超えると、重量増加は増加するか（１２００°F）、著しい改善なしに同程度に維持される（１４００°F）ことも観察することができる。
例２
この実験では、以下表１に示すように、本開示に係る１つと比較例の合金１つの２つの合金を準備した。
この実験では、以下表１に示すように、本開示に係る１つと比較例の合金１つの２つの合金を準備した。
比較例の合金は、製造ヒート（ヒート番号H12613）の標準Ti-54Mシートから得たものであり、本発明の合金は、実験用ヒート（ヒート番号V8124）のものであった。示されているように、本発明の合金は約０．３０ｗｔ％のケイ素を含有する。
２つの異なる粒度を有する２枚のシートを、実験用鍛造プレス及び圧延機を使用して製造した。元のビレット材料を、ベータ加工で２”×６”のスラブに鍛造した。次いで、スラブを約１．０”の厚さに鍛造した後、１０６６℃（１９５０°F）でベータクエンチした。２つの異なる圧延手順を使用して、異なる粒度を有するシートを製造した。
１） （プロセスＡ）微細粒シートを、７１８℃（１３２５°F）で加熱した後、０．１７０”の厚さに圧延し、次いで０．０８０”の厚さにクロス圧延し、その後、７３２℃（１３５０°F）でクリープを矯正して製造した。
２） （プロセスＢ）標準サイズの粒子シートを、９１３℃（１６７５°F）で加熱した後、０．１７０”の厚さに圧延し、次いで０．０８０”の厚さにクロス圧延し、その後、８７１℃（１６００°F）でクリープを矯正して製造した。
酸化が材料の粒径に対して敏感ではないため、プロセスＢで処理されたシートについて、酸化試験を行なった。酸化の条件は、２００時間まで箱型炉（大気中）で６４９℃（１２００°F）及び７６０℃（１４００°F）であった。製品ヒートH12613（Ti-54M）のシートサンプルを炉に入れ、本発明の合金V8124と直接比較した。
重量増加を測定し、以下の表７に示す。
これらの結果は、本発明の合金の耐酸化性が重量増加によって測定され、比較例の合金よりも著しく良好であることを示す。
比較例の合金（H12613）及び本発明の合金（V8124）についても、クリープ特性を調査した。この試験では、プロセスＡで製造され、約２μｍの粒度を有する微粒子シートを使用し、その結果を以下の表８に示す。
明らかに示されているように、本発明の合金（V8124）は、比較例の合金（H12613）よりもクリープ特性において明らかな利点を示す。
図３を参照すると、本発明の合金と比較例の合金との耐クリープ性のグラフ比較を、より詳細に示す。本発明の合金は、クリープ試験の開始、すなわち一次クリープから、比較例の合金と比較して定常状態のクリープ型を通じて、非常に小さいクリープひずみを示す。
また、７．６ｍｍ（０．３０”）のゲージ長さを有するサブサイズの引張試験の試料を使用して高温引張試験を行なった。この試験の目的は、超塑性の指標の１つである、全伸びを測定することであり、すなわち、より大きい伸びはより良好な超塑性を示す。この試験の結果を以下の表９に示す。
示されているように、本発明の合金（V8124）は、７６０℃で１２００％以上の伸びを示し、これは超塑性成形の用途に十分であると考えられる。本発明の合金の最大伸びはTi-54Mと同然で、７６０℃での伸びは同等である。また、本発明の合金の最大伸びは、従来の合金Ti-6Al-4Vよりも大きい。
したがって、本明細書の教示は、ベースライン合金Ti-54M（Ti-5Al-4V-0.75Mo-0.5Fe）及びTi-6Al-4Vと比較して、改良された高温耐酸化性、高温強度及び耐クリープ性、並びに優れた超塑性を有する高強度アルファ−ベータチタン合金を提供する。
本発明の様々な形態の前述の説明は、例示及び説明の目的のために提示されたものである。包括的であること、又は開示された正確な形態に本発明を限定することを意図するものではない。上記の教示に照らして多くの変更又は変形が可能である。考察された形態は、本発明の原理の説明及びその実際的な適用を提供するために選択され、記載され、当業者が様々な形態で、意図された特定の用途に適するように様々な形態で本発明を利用できるようにした。全てのそのような修正及び変形は、それらが公正、法的及び公平に権利を与えられている幅に従って解釈されるとき、添付の特許請求の範囲によって決定される本発明の範囲内である。
本発明の様々な形態の前述の説明は、例示及び説明の目的のために提示されたものである。包括的であること、又は開示された正確な形態に本発明を限定することを意図するものではない。上記の教示に照らして多くの変更又は変形が可能である。考察された形態は、本発明の原理の説明及びその実際的な適用を提供するために選択され、記載され、当業者が様々な形態で、意図された特定の用途に適するように様々な形態で本発明を利用できるようにした。全てのそのような修正及び変形は、それらが公正、法的及び公平に権利を与えられている幅に従って解釈されるとき、添付の特許請求の範囲によって決定される本発明の範囲内である。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］約４．５ｗｔ％ないし約５．５ｗｔ％にわたる量のアルミニウム；約３．０ｗｔ％ないし約５．０ｗｔ％にわたる量のバナジウム；約０．３ｗｔ％ないし約１．８ｗｔ％にわたる量のモリブデン；約０．２ｗｔ％ないし約１．２ｗｔ％にわたる量の鉄；約０．１２ｗｔ％ないし約０．２５ｗｔ％にわたる量の酸素；約０．１０ｗｔ％ないし約０．４０ｗｔ％にわたる量のケイ素；及び残部のチタンと不可避不純物を含み、各不可避不純物は、それぞれ約０．１ｗｔ％未満であり、合計で約０．５ｗｔ％であるアルファ−ベータチタン合金。
［２］前記ケイ素は、約０．１５ｗｔ％ないし約０．４０ｗｔ％にわたる量である、［１］に記載のアルファ−ベータチタン合金。
［３］前記ケイ素は、約０．２５ｗｔ％ないし約０．３５ｗｔ％にわたる量である、［１］に記載のアルファ−ベータチタン合金。
［４］ニオブ、クロム、スズ、及びジルコニウムからなる群から選択される任意の合金元素をさらに含み、前記任意の合金元素の合計は約１．０ｗｔ％未満である、［１］に記載のアルファ−ベータチタン合金。
［５］前記アルファ−ベータチタン合金は、室温で約１６％の縦方向の伸び率及び約１８％の横方向の伸び率の伸びを示す、［１］に記載のアルファ−ベータチタン合金。
［６］前記アルファ−ベータチタン合金は、約８１５℃（１，５００°F）以下の温度で超塑性を示す、［１］に記載のアルファ−ベータチタン合金。
［７］前記超塑性は、約１０００％を超える伸びをもたらす、［６］に記載のアルファ−ベータチタン合金。
［８］前記アルファ−ベータチタン合金は、６４９℃（１，２００°F）で少なくとも１８ｋｓｉの高温最大引張り強さ（ＵＴＳ）を有する、［６］に記載のアルファ−ベータチタン合金。
［９］前記アルファ−ベータチタン合金は、６４９℃（１，２００°F）で約２００時間まで約１ｍｇ／ｃｍ ２ 未満の重量増加を有する、［１］に記載のアルファ−ベータチタン合金。
［１０］前記アルファ−ベータチタン合金は、７６０℃（１，４００°F）で約２００時間まで約４．０ｍｇ／ｃｍ ２ 未満の重量増加を有する、［１］に記載のアルファ−ベータチタン合金。
［１１］前記アルファ−ベータチタン合金のクリープひずみ百分率は、１００時間で約０．２０であり、クリープ速度は、４２７℃（８００°F）及び２０ｋｓｉで約０．０００４％／時間未満である、［１］に記載のアルファ−ベータチタン合金。
［１２］前記アルファ−ベータチタン合金のクリープひずみ百分率は、１００時間で約０．１５であり、クリープ速度は、４２７℃（８００°F）及び２０ｋｓｉで約０．０００３％／時間未満である、［１］に記載のアルファ−ベータチタン合金。
［１３］前記アルファ−ベータチタン合金のクリープひずみ百分率は、１００時間で約０．３７未満であり、クリープ速度は、４２７℃（８００°F）及び３５ｋｓｉで約０．０００７％／時間未満である、［１］に記載のアルファ−ベータチタン合金。
［１４］前記アルファ−ベータチタン合金のクリープひずみ百分率は、１００時間で約０．２７であり、クリープ速度は、４２７℃（８００°F）及び３５ｋｓｉで約０．０００５％／時間未満である、［１］に記載のアルファ−ベータチタン合金。
［１５］前記アルファ−ベータチタン合金の密度は、約４．６０ｇ／ｃｍ ３ 未満である、［１］に記載のアルファ−ベータチタン合金。
［１６］［１］に記載のアルファ−ベータチタン合金を含む部品。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］約４．５ｗｔ％ないし約５．５ｗｔ％にわたる量のアルミニウム；約３．０ｗｔ％ないし約５．０ｗｔ％にわたる量のバナジウム；約０．３ｗｔ％ないし約１．８ｗｔ％にわたる量のモリブデン；約０．２ｗｔ％ないし約１．２ｗｔ％にわたる量の鉄；約０．１２ｗｔ％ないし約０．２５ｗｔ％にわたる量の酸素；約０．１０ｗｔ％ないし約０．４０ｗｔ％にわたる量のケイ素；及び残部のチタンと不可避不純物を含み、各不可避不純物は、それぞれ約０．１ｗｔ％未満であり、合計で約０．５ｗｔ％であるアルファ−ベータチタン合金。
［２］前記ケイ素は、約０．１５ｗｔ％ないし約０．４０ｗｔ％にわたる量である、［１］に記載のアルファ−ベータチタン合金。
［３］前記ケイ素は、約０．２５ｗｔ％ないし約０．３５ｗｔ％にわたる量である、［１］に記載のアルファ−ベータチタン合金。
［４］ニオブ、クロム、スズ、及びジルコニウムからなる群から選択される任意の合金元素をさらに含み、前記任意の合金元素の合計は約１．０ｗｔ％未満である、［１］に記載のアルファ−ベータチタン合金。
［５］前記アルファ−ベータチタン合金は、室温で約１６％の縦方向の伸び率及び約１８％の横方向の伸び率の伸びを示す、［１］に記載のアルファ−ベータチタン合金。
［６］前記アルファ−ベータチタン合金は、約８１５℃（１，５００°F）以下の温度で超塑性を示す、［１］に記載のアルファ−ベータチタン合金。
［７］前記超塑性は、約１０００％を超える伸びをもたらす、［６］に記載のアルファ−ベータチタン合金。
［８］前記アルファ−ベータチタン合金は、６４９℃（１，２００°F）で少なくとも１８ｋｓｉの高温最大引張り強さ（ＵＴＳ）を有する、［６］に記載のアルファ−ベータチタン合金。
［９］前記アルファ−ベータチタン合金は、６４９℃（１，２００°F）で約２００時間まで約１ｍｇ／ｃｍ ２ 未満の重量増加を有する、［１］に記載のアルファ−ベータチタン合金。
［１０］前記アルファ−ベータチタン合金は、７６０℃（１，４００°F）で約２００時間まで約４．０ｍｇ／ｃｍ ２ 未満の重量増加を有する、［１］に記載のアルファ−ベータチタン合金。
［１１］前記アルファ−ベータチタン合金のクリープひずみ百分率は、１００時間で約０．２０であり、クリープ速度は、４２７℃（８００°F）及び２０ｋｓｉで約０．０００４％／時間未満である、［１］に記載のアルファ−ベータチタン合金。
［１２］前記アルファ−ベータチタン合金のクリープひずみ百分率は、１００時間で約０．１５であり、クリープ速度は、４２７℃（８００°F）及び２０ｋｓｉで約０．０００３％／時間未満である、［１］に記載のアルファ−ベータチタン合金。
［１３］前記アルファ−ベータチタン合金のクリープひずみ百分率は、１００時間で約０．３７未満であり、クリープ速度は、４２７℃（８００°F）及び３５ｋｓｉで約０．０００７％／時間未満である、［１］に記載のアルファ−ベータチタン合金。
［１４］前記アルファ−ベータチタン合金のクリープひずみ百分率は、１００時間で約０．２７であり、クリープ速度は、４２７℃（８００°F）及び３５ｋｓｉで約０．０００５％／時間未満である、［１］に記載のアルファ−ベータチタン合金。
［１５］前記アルファ−ベータチタン合金の密度は、約４．６０ｇ／ｃｍ ３ 未満である、［１］に記載のアルファ−ベータチタン合金。
［１６］［１］に記載のアルファ−ベータチタン合金を含む部品。
Claims (16)
- 約４．５ｗｔ％ないし約５．５ｗｔ％にわたる量のアルミニウム；
約３．０ｗｔ％ないし約５．０ｗｔ％にわたる量のバナジウム；
約０．３ｗｔ％ないし約１．８ｗｔ％にわたる量のモリブデン；
約０．２ｗｔ％ないし約１．２ｗｔ％にわたる量の鉄；
約０．１２ｗｔ％ないし約０．２５ｗｔ％にわたる量の酸素；
約０．１０ｗｔ％ないし約０．４０ｗｔ％にわたる量のケイ素；及び
残部のチタンと不可避不純物
を含み、
各不可避不純物は、それぞれ約０．１ｗｔ％未満であり、合計で約０．５ｗｔ％であるアルファ−ベータチタン合金。 - 前記ケイ素は、約０．１５ｗｔ％ないし約０．４０ｗｔ％にわたる量である、請求項１に記載のアルファ−ベータチタン合金。
- 前記ケイ素は、約０．２５ｗｔ％ないし約０．３５ｗｔ％にわたる量である、請求項１に記載のアルファ−ベータチタン合金。
- ニオブ、クロム、スズ、及びジルコニウムからなる群から選択される任意の合金元素をさらに含み、前記任意の合金元素の合計は約１．０ｗｔ％未満である、請求項１に記載のアルファ−ベータチタン合金。
- 前記アルファ−ベータチタン合金は、室温で約１６％の縦方向の伸び率及び約１８％の横方向の伸び率の伸びを示す、請求項１に記載のアルファ−ベータチタン合金。
- 前記アルファ−ベータチタン合金は、約８１５℃（１，５００°F）以下の温度で超塑性を示す、請求項１に記載のアルファ−ベータチタン合金。
- 前記超塑性は、約１０００％を超える伸びをもたらす、請求項６に記載のアルファ−ベータチタン合金。
- 前記アルファ−ベータチタン合金は、６４９℃（１，２００°F）で少なくとも１８ｋｓｉの高温最大引張り強さ（ＵＴＳ）を有する、請求項６に記載のアルファ−ベータチタン合金。
- 前記アルファ−ベータチタン合金は、６４９℃（１，２００°F）で約２００時間まで約１ｍｇ／ｃｍ２未満の重量増加を有する、請求項１に記載のアルファ−ベータチタン合金。
- 前記アルファ−ベータチタン合金は、７６０℃（１，４００°F）で約２００時間まで約４．０ｍｇ／ｃｍ２未満の重量増加を有する、請求項１に記載のアルファ−ベータチタン合金。
- 前記アルファ−ベータチタン合金のクリープひずみ百分率は、１００時間で約０．２０であり、クリープ速度は、４２７℃（８００°F）及び２０ｋｓｉで約０．０００４％／時間未満である、請求項１に記載のアルファ−ベータチタン合金。
- 前記アルファ−ベータチタン合金のクリープひずみ百分率は、１００時間で約０．１５であり、クリープ速度は、４２７℃（８００°F）及び２０ｋｓｉで約０．０００３％／時間未満である、請求項１に記載のアルファ−ベータチタン合金。
- 前記アルファ−ベータチタン合金のクリープひずみ百分率は、１００時間で約０．３７未満であり、クリープ速度は、４２７℃（８００°F）及び３５ｋｓｉで約０．０００７％／時間未満である、請求項１に記載のアルファ−ベータチタン合金。
- 前記アルファ−ベータチタン合金のクリープひずみ百分率は、１００時間で約０．２７であり、クリープ速度は、４２７℃（８００°F）及び３５ｋｓｉで約０．０００５％／時間未満である、請求項１に記載のアルファ−ベータチタン合金。
- 前記アルファ−ベータチタン合金の密度は、約４．６０ｇ／ｃｍ３未満である、請求項１に記載のアルファ−ベータチタン合金。
- 請求項１に記載のアルファ−ベータチタン合金を含む部品。
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