JP2020527650A

JP2020527650A - カスタムチタン合金、ｔｉ−６４、２３＋

Info

Publication number: JP2020527650A
Application number: JP2020502318A
Authority: JP
Inventors: エフ．ヨルトン，チャールズ; ボノ，エリック
Original assignee: カーペンターテクノロジーコーポレイション
Priority date: 2017-07-18
Filing date: 2018-07-18
Publication date: 2020-09-10
Also published as: KR20200021097A; IL272001A; US20190024217A1; EP3655558A1; CA3069771A1; EP3655558A4; BR112020000891A2; US20220025485A1; WO2019018458A1; CN110997957A

Abstract

本発明は、新規な合金およびその製造方法に関する。新規な合金は、重量パーセントで以下の組成：アルミニウム６．０重量％〜６．５重量％、バナジウム４．０重量％〜４．５重量％、鉄０．１５重量％〜０．２５重量％、酸素０．００重量％〜０．１０重量％、窒素０．０１重量％〜０．０３重量％、炭素０．０４重量％〜０．０８重量％、水素０．００００重量％〜０．０１２５重量％、その他の元素、各々０．０重量％〜０．１重量％、その他の元素、合計０．０重量％〜０．４重量％、およびチタン残部を有する増強強度Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等級２３＋チタン合金である。

Description

発明の詳細な説明

〔関連出願との交差リファレンス〕
本出願は２０１７年７月１８日に出願された「ＣｕｓｔｏｍＴｉｔａｎｉｕｍＡｌｌｏｙ、Ｔｉ−６４、２３＋、Ｆｏｒ３−ＤＰｒｉｎｔｉｎｇ」という名称の仮出願第６２／５３３，６９５号の優先権を主張するものであり、その内容全体が参照により本明細書に組み込まれる。

〔発明の背景〕
〔Ｉ．発明の分野〕
３−Ｄ印刷技術はポリマーベースの材料システムのための主流の製造に進歩し、コンピュータベースの製造において革命を引き起こした。ポリマーベースの３−Ｄ製造の成熟は、基本的な印刷技術および既存のポリマー配合物から始まった。それが成熟するにつれて、技術およびポリマー配合物は、所望の性能を送達するために相乗的に進化した。金属ベースの３−Ｄ印刷は、成熟度は低いが、急速な成長曲線に従い始めている。金属印刷技術は主に、電子ビーム、ならびにレーザー直接溶融およびバインダージェット技術に基づく粉末床印刷システムに絞られてきた。熟成の初期段階にあるため、全体的な３−Ｄ製造された部品の性能を最適化するために合金組成をカスタマイズすることはほとんど行われていない。適用される合金のうち、チタンのような合金は、この点で最も成熟度が低い。

〔ＩＩ．背景〕
問題：チタン部品の３つの主要な３−Ｄ製造方法全ての主要なコストドライバーは、チタン粉末のコストである。したがって、チタン粉末の効率的な使用は、その製品の市場拡大を成功させるために不可欠である。粉末床印刷方法は、構成要素が粉末から層ごとに構築されるビルドボックスを利用する。完了時に、ビルドボックスは粉末で満たされ、製造された構成要素は、粉末で満たされたボックス内にある。印刷後、部品の周囲からばらばらの粉末を除去し、部品に対して仕上げ作業を行う。ビルドボックス内の粉末のほんのわずかな部分しか部品に組み込まれないことが多いので、過剰の高コスト粉末をリサイクルするための大きな動機がある。

チタン合金に適用される３つの主要な３−Ｄ印刷方法のうち、電子ビームおよびレーザー溶融に基づく直接溶融技術はほとんどのチタン部品製造を代表するが、過剰なチタン粉末はプロセスを通る各サイクルでの酸素ピックアップに悩まされる。チタン部品のための共通合金は、０．２重量％の最大許容酸素含有量を有するＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ、ＡＳＴＭ等級５である。より難しい等級のＴｉ−６Ａｌ−４Ｖは、０．１３重量％のはるかに低い酸素限界を有する等級２３である。酸素含有量が仕様書の限界を超えない限り、粉体の再使用サイクル回数の上限を達成するためにはできるだけ粉体中の酸素含有量を少なくしたいとメーカーが考えているため、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ、等級５よりも粉体再生への取り組みが大きいのはＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ、等級２３である。

〔発明の概要〕
解決策：本発明の一態様は、重量パーセントで以下の組成を有する増強強度（強度が増強された）（ｅｎｈａｎｃｅｄｓｔｒｅｎｇｔｈ）Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等級２３＋チタン合金（本発明では「Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等級２３＋チタン合金」または「Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等級２３＋」とも呼ばれる）を対象とする：アルミニウム６．０重量％〜６．５重量％、バナジウム４．０重量％〜４．５重量％、鉄０．１５重量％〜０．２５重量％、酸素０．００重量％〜０．１０重量％、窒素０．０１重量％〜０．０３重量％、炭素０．０４重量％〜０．０８重量％、水素０．００００重量％〜０．０１２５重量％、その他の元素、各々０．０重量％〜０．１重量％、その他の元素、合計０．０重量％〜０．４重量％、およびチタン残部。

本発明のいずれの態様においても、「残部（バランス）」とは、他の全ての構成要素の重量％に添加されたときに合計１００％となる残りの重量％をいう。この場合、「チタン残部」とはチタンが残りの構成要素であり、一緒に添加された全ての構成要素が１００重量％となることを示す。

本発明のいずれの態様においても、増強強度Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等級２３＋チタン合金は、０．００重量％〜０．１０重量％の酸素（上記のように）、０．００重量％〜０．０６重量％の酸素、０．０１重量％〜０．１０重量％の酸素、または０．０１重量％〜０．０６重量％の酸素を有することができる。本発明の任意の態様に記載される増強強度Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等級２３＋チタン合金は、粉末合金、または出発棒材（出発バーストック）であり得る。本発明の任意の態様に記載される増強強度Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等級２３＋チタン合金は、０．１０重量％以下の酸素を有することができ、同時に、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等級２３合金と同じかそれより大きい強度を有することができる。Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等級２３＋合金は、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等級２３合金中の以下の元素の組み合わせ：アルミニウム、鉄、窒素、および炭素を制御することから生じる。すなわち、元素の組み合わせは、例えば、アルミニウム６．０重量％〜６．５重量％、鉄０．１５重量％〜０．２５重量％、窒素０．０１重量％〜０．０３重量％、炭素０．０４重量％〜０．０８重量％とすることができる。

別の態様は、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等級２３チタン合金の強度を増加させるか、または酸素含有量を減少させて、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等級２３＋チタン合金を製造する方法に関し、この方法は、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等級２３合金中の以下の元素の組み合わせ：アルミニウム、鉄、窒素、および炭素を調整することを含む。本発明における組み合わせの調整は、元素の重量％をゼロに調整することを含め、重量％の調整を指す。例えば、組み合わせを調整することは、アルミニウム、鉄、窒素、および炭素を以下の重量％に調整することを含む：アルミニウム６．０重量％〜６．５重量％、鉄０．１５重量％〜０．２５重量％、窒素０．０１重量％〜０．０３重量％、炭素０．０４重量％〜０．０８重量％。別の例として、組み合わせを調整することは、以下の重量％に調整することを含む：アルミニウム６．０重量％〜６．５重量％、バナジウム４．０重量％〜４．５重量％、鉄０．１５重量％〜０．２５重量％、酸素０．００重量％〜０．１０重量％、窒素０．０１重量％〜０．０３重量％、炭素０．０４重量％〜０．０８重量％、水素０．００００重量％〜０．０１２５重量％、その他の元素、各々０．０重量％〜０．１重量％、その他の元素、合計０．０重量％〜０．４重量％、およびチタン残部。本発明では、その他の元素は、議論されている式、組成物、または請求項に列挙された元素以外の１つまたは複数の元素を指す。「その他の元素、各々」は、議論されている式、組成物または請求項に列挙されていない１つの元素である単一の元素を指す。

本発明の方法のいずれにおいても、元素の組み合わせを調整することは、他の調整の前、後、またはその最中に実行される任意のステップを含んでもよい。任意のステップは、最終組成物の酸素重量％を調整すること、すなわち、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等級２３の組成を調整して、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等級２３＋を生成することである。酸素重量％は、０．００重量％〜０．１０重量％の酸素、０．００重量％〜０．０６重量％の酸素、０．０１重量％〜０．１０重量％の酸素、または０．０１重量％〜０．０６重量％の酸素であってもよい。

本発明の方法および組成物の１つの態様は、改良された合金、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ級２３＋チタン合金が製造されることである。一態様では、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等級２３＋チタン合金はＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ等級２３チタン合金と同じ強度を有するが、より低い酸素含有量を有する。本発明の方法および組成物の別の態様は、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等級２３チタン合金よりも強い合金が生成されることであり、このより強い合金はＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ等級２３＋チタン合金である。重要なことに、このより強い合金（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等級２３＋チタン合金）は、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等級２３チタン合金よりも多くの酸素重量％を含まない。本発明の方法および組成物の別の態様は、両方の効果が見られることである。すなわち、この方法は、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等級２３チタン合金の強度を増加させてＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ等級２３＋チタン合金を製造し、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等級２３＋チタン合金が、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等級２３チタン合金よりも強いが、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等級２３チタン合金と同じまたはそれより少ない酸素重量％を有する。

〔発明の詳細な説明〕
製造業者は上述の理由により出発酸素含有量をできるだけ低くしたいが、同時に、３−Ｄ印刷Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ部品の顧客は最大強度を望んでいる。高強度Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ部品を達成するための典型的なアプローチは、合金Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等級２３酸素上限値０．１３％で酸素ドリフトの余地をあまり残さずに、酸素含有量を上限値に近づけて増加させることである。もちろん、強化剤として酸素を使用すると、酸素含有量が、仕様書で許容されるものを急速に超えるので、再使用サイクルの回数が最小になる。これは、標準的なＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ等級２３組成物と張り合い、等級５の強度に近い高強度を達成する一方で、最大回数の再使用サイクルを可能にする初期低酸素含有量を有する、カスタムＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ等級２３粉末合金組成物の必要性をもたらす。

Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等級２３合金のＡＳＴＭ仕様書を検討すると、本出願人は、合金仕様書中の他の強度増強成分を使用して、酸素とは独立して強度を増強することができることを発見した。表１は、ＡＳＴＭＢ３４８仕様書に定義されているＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ等級２３合金の標準化学成分仕様書を示す。酸素は強度を増強するのが容易であり、単一元素として強度に有意な効果を有するので、典型的に強度を増強するために使用される。他の潜在的な強度増強剤としては、アルミニウム、鉄、窒素および炭素が挙げられる。窒素は酸素よりも強力な強化剤であるが、許容レベルがはるかに低い。このグループの他の元素は、強度に対する効果が少ない。出願人は、これらの元素が３−Ｄ印刷プロセスによって有意に影響されず、等級２３仕様書内のこれらの元素の制御された組み合わせが、酸素増強と同じ強度増強結果を達成することができると仮定する。

本出願人の仮説に基づいて、本出願人は、新規な組成物を処方した。表２は、この新規な組成物、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等級２３＋チタン粉末合金のためのカーペンター（Ｃａｒｐｅｎｔｅｒ）仕様書を示す。このＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ等級２３＋チタン粉末合金は、アルミニウム、鉄、窒素および炭素の組成範囲であって、これらの組成範囲を組み合わせると、高い初期酸素含有量なしに合金に所望の強度増強をもたらすような、アルミニウム、鉄、窒素および炭素の組成範囲を含む。したがって、カーペンターＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ等級２３＋で製造された３−Ｄ印刷されたＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ部品のベースライン強度は、より高い酸素のＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ等級２３部品と同じであるが、粉末の最大再使用に望まれるより低い酸素を有する。予測モデリングに基づくと、等級２３＋の強度は、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等級５の強度に近づくことができる。粉末が酸素を拾い上げるにつれて、強度はさらに増加するが、これは再使用の結果、全体的により高い強度曲線となり、製造コストが著しく低下するからである。

別段の定義がない限り、本明細書で使用されるすべての用語は、本発明が属する技術分野の当業者によって一般に理解されるものと同じ意味を有する。本明細書の開示全体を通して参照される全ての特許、特許出願および刊行物は、その全体が参照により組み込まれる。本明細書における用語について複数の定義が存在する場合、本発明における定義が優先する。

本発明は現在最も実用的で好ましい実施形態であると考えられるものに関連して説明されてきたが、本発明は開示された実施形態に限定されるべきではなく、反対に、添付の特許請求の範囲の趣旨および範囲内に含まれる様々な修正および同等の構成を包含することが意図されることを理解されたい。

Claims

重量パーセントで以下の組成：
アルミニウム６．０重量％〜６．５重量％、
バナジウム４．０重量％〜４．５重量％、
鉄０．１５重量％〜０．２５重量％、
酸素０．００重量％〜０．１０重量％、
窒素０．０１重量％〜０．０３重量％、
炭素０．０４重量％〜０．０８重量％、
水素０．００００重量％〜０．０１２５重量％、
その他の元素、各々０．０重量％〜０．１重量％、
その他の元素、合計０．０重量％〜０．４重量％、および
チタン残部
を有することを特徴とする増強強度Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等級２３＋チタン合金。
０．００重量％〜０．０６重量％の酸素、
０．０１重量％〜０．１０重量％の酸素、または
０．０１重量％〜０．０６重量％の酸素
を有することを特徴とする請求項１に記載の増強強度Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等級２３＋チタン合金。
粉末合金であることを特徴とする請求項１または２に記載の増強強度Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等級２３＋チタン合金。
出発棒材であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の増強強度Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等級２３＋チタン合金。
Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等級２３合金と同等またはそれ以上の強度を有する、酸素０．１０重量％以下の増強強度Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等級２３＋合金組成物であって、
Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等級２３＋合金が、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等級２３合金中の以下の元素の組み合わせ：
アルミニウム、
鉄、
窒素、および
炭素
を制御することにより得られることを特徴とする増強強度Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等級２３＋合金組成物。
前記元素の重量パーセントが、
アルミニウム６．０重量％〜６．５重量％、
鉄０．１５重量％〜０．２５重量％、
窒素０．０１重量％〜０．０３重量％、および
炭素０．０４重量％〜０．０８重量％
であることを特徴とする請求項５に記載の増強強度Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等級２３＋合金組成物。
粉末合金であることを特徴とする請求項５または６に記載の増強強度Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等級２３＋チタン合金。
出発棒材であることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の増強強度Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等級２３＋チタン合金。
０．００重量％〜０．０６重量％の酸素、
０．０１重量％〜０．１０重量％の酸素、または
０．０１重量％〜０．０６重量％の酸素
を有することを特徴とする請求項５〜８のいずれか１項に記載の増強強度Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等級２３＋チタン合金。
Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等級２３チタン合金の強度を増加させるか、またはＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ等級２３チタン合金の酸素含有量を減少させて、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等級２３＋チタン合金を製造する方法であって、
Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等級２３合金中の以下の元素の組み合わせ：
アルミニウム、
鉄、
窒素、および
炭素
を調整することを特徴とする方法。
前記Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等級２３＋チタン合金が、重量パーセントで以下の組成：
アルミニウム６．０重量％〜６．５重量％、
バナジウム４．０重量％〜４．５重量％、
鉄０．１５重量％〜０．２５重量％、
酸素０．００重量％〜０．１０重量％、
窒素０．０１重量％〜０．０３重量％、
炭素０．０４重量％〜０．０８重量％、
水素０．００００重量％〜０．０１２５重量％、
その他の元素、各々０．０重量％〜０．１重量％、
その他の元素、合計０．０重量％〜０．４重量％、および
チタン残部
を有することを特徴とする請求項１０に記載の方法増強強度Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等級２３＋チタン合金。
０．００重量％〜０．０６重量％の酸素、
０．０１重量％〜０．１０重量％の酸素、または
０．０１重量％〜０．０６重量％の酸素
を有するようにＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ等級２３合金の組成を調整する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１０または１１に記載の方法。
Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等級２３チタン合金の酸素含有量を減少させて、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等級２３＋チタン合金を製造し、前記Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等級２３＋チタン合金が、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等級２３チタン合金と同じ強度を有することを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の方法。
Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等級２３チタン合金の強度を増加させてＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ等級２３＋チタン合金を製造し、前記Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等級２３＋チタン合金が、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等級２３チタン合金よりも強いが、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等級２３チタン合金と同じまたはそれより少ない酸素重量％を有することを特徴とする請求項１０〜１３のいずれか１項に記載の方法。
前記Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等級２３＋チタン合金が粉末合金であることを特徴とする請求項１０〜１４のいずれか１項に記載の方法。
前記Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等級２３＋チタン合金が出発棒材であることを特徴とする請求項１０〜１５のいずれか１項に記載の方法。