JP2523556B2 - チタンエンジン弁の製造方法およびチタン弁 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 イ．産業上の利用分野 本発明はエンジン弁に関し、特にチタンエンジン弁の
製造方法に関する。

ロ．従来の技術及び問題点 自動車エンジンの弁にチタン基材材料を用いる試みが
なされている（ここでチタン基材材料というのは、チタ
ン、または少なくても70重量％のチタンを含む合金を指
すものとする）。自動車の排気弁（ヘツド区域）の操作
温度は航空機に用いられる多くのチタン合金のそれを超
える。

好適には自動車エンジン弁の材料特性は弁のそれぞれ
の個所によつて変えることが望ましい。弁のヘツドは長
期間に亘つて高い温度（760℃（1400゜F）に至る）に置
かれるから、材料に適当なクリープ強度をもたせなけれ
ば、そのような高温度のもとで長時間の内にはヘツドの
変形が生じる。弁のステムとフイレツト区域は高温の燃
焼室からより離れているので加わる温度はより低い（64
8.9℃（1200゜F））が、カム軸と弁ばねの作用によつて
高い引張衝撃及び疲労力を受ける。従つてそのような個
所の物理特性として引張、衝撃、及び疲労強度を備える
ことが重要である。

従来技術でもエンジン弁のそれらの様々な物理的要求
が認められてきた。それらの要求に応える１つの試みと
して、ヘツドとステムをそれぞれ別個の部品として製作
し、そしてそれらを様々な方法で一緒に固定することが
行われている（米国特許第2,002,641号、第1,547,125
号、第1,230,140号参照）。また別の試みとして、弁材
料の最初の鋳造品を局所的急冷または鋳造条件の制御に
よつて調整し、それから最終形状に鍛造した後で弁の局
所的部分の時効化によりミクロ組織を変えることが行わ
れている（米国特許第1,347,542号及び第3,536,053号参
照）。しかし残念なことにそれらの試みは鉄合金にしか
行われない。チタンの鋳造は物理特性を劣化させ、従つ
て二重ミクロ組織を作るようにチタンの鋳造を調整する
ことが徒労に終る。

チタンは軽量化に非常に約立つのでエンジン弁、特に
レース用エンジンの弁はチタン合金で発達してきた。し
かし幾つかの物理的特性がチタン合金の使用を制約す
る。即ち、クリープ（高温での経時変形）強度の点で弁
ヘツド個所に制約があり、また引張、衝撃、及び疲労強
度の点で弁ステム個所の物理的特性として足りない。チ
タン合金はいろいろな方法で熱機械的処理を行つて様々
なミクロ組織を作ることができるが、二重ミクロ組織は
得られておらず、またその試みもなされていない。或る
合金はこれを処理して非常に優れたクリープ強度を得ら
れるが、その機械的強度は通常のものでしかなく、そし
て他の合金は優れた機械的強度と疲労特性を有するが、
そのクリープ強度は通常のものでしかない。チタン合金
弁に関するそれらの試みは全て弁全体に亘つて単一の連
続的なミクロ組織を作るものであつて、一方において高
いクリープ強度を、そして他方において高い疲労、引
張、及び衝撃強度をもつという二重の特性を作る能力は
ない。

ハ．発明の目的 本方法発明の目的は、１つの区域で高温に対する大き
いクリープ強度を、そして他の区域で大きい引張、疲
労、及び衝撃強度を有するチタン基材エンジン弁を製造
することである。

本発明の他の目的は、混合アルフア（即ちα相のこ
と）／ベータ（すなわちβ相のこと）チタン基材エンジ
ン弁を製造し、そしてこの弁の１つの区域に微細な等方
性ミクロ組織（即ち等方性顕微鏡組織のこと）結晶を、
そして他の区域にコロニー（colony）型ミクロ組織即ち
微細な等方性アルファ相結晶とベータ相結晶とが混合し
ている混合組織を与えることである。

本発明は第１に、弁のステムおよびフィレット即ち第
１区域が主として、高い引張強度と疲労強度を示す微細
な等方性アルフア結晶と変態したベータ結晶との混合組
織を含み、弁のヘッド即ち第２区域が主として高温クリ
ープ強度を示す群体型ミクロ組織を含む如き二重ミクロ
組織チタン基材エンジン弁を製造する方法に関する。こ
の方法は、（ａ）鍛造可能な混合相アルフア／ベータチ
タン基材材料の弁素材を準備すること、（ｂ）該第１区
域をベータ変態温度即ちベータトランスス温度（即ちα
相／β相の遷移が生じる温度をベータトランススと記載
する）より低い温度で熱間加工すること、（ｃ）該第２
区域を鍛造して、そしてこれと同時またはこれに続いて
該第２区域を該ベータトランスス温度より高い温度でベ
ータプロセスを達成させるに十分な時間だけ熱処理し、
そのベータプロセスに続いて毎秒0.06〜5.56℃（0.1〜1
0.0゜F）の率で760℃（1400゜F）の温度まで冷却するこ
と、及び（ｄ）前記工程（ｂ）または（ｃ）に直ぐ続い
て、少なくても該第１区域を該ベータトランスス温度よ
り低い温度でアルフア／ベータプロセスを達成させる時
間だけ熱処理することの諸工程を備える。

第１の好適な実施例において、該第１区域が弁システ
ムに形成され、そしてアルフア／ベータ領域の温度（該
ベータトランスス温度より13.9〜111.1℃（25〜200゜F）
低い温度）で熱間加工（押出し）され、また該第２区域
が該ベータトランスス温度より13.9〜111.1℃（25〜200
゜F）高い温度範囲で鍛造され、そして該冷却が空気、不
活性ガス、あるいは真空中で行われる。

第２の好適な実施例において、該第１区域がアルフア
／ベータ領域の温度で熱間加工（押出し）され、これに
続いて該第２区域がアルフア／ベータ温度領域で熱間加
工（鍛造）され、それから直ぐ該第２区域（ヘツド）だ
けが該ベータトランス温度より高いがベータ変態温度よ
りも13.9〜111.1℃（20〜200゜F）の範囲内にベータプロ
セス即ちコロニー（colony）型ミクロ組織を得る工程を
おこなうことのできる時間だけ加熱され、これに続いて
毎秒0.06〜5.56℃（0.1〜10.0゜F）の率で760℃（1400゜
F）まで冷却される。

第２に本発明はまた、（ａ）760℃（1400℃）の温度
で少なくても20ksiの引張強度と少なくても10ksiの疲労
強度を示すアルフア領域とコロニー型ミクロ組織との微
細な結晶の等方性混合組織をもつたステム部分、及び
（ｂ）760℃（1400゜F）の温度で少なくても100時間、典
型的には350時間4ksiの荷重を受けて僅かに1.0％ひずむ
だけのクリープ強度を示す実質的な均一なコロニー型ミ
クロ組織をもつたヘツド部分を有するチタン合金体部で
構成される単体エンジン弁構造に関する。

ニ．実施例 本発明の方法は本質的に下記の４つの段階、即ち
（ａ）鍛造できる混合アルフア／ベータチタン基材材料
の弁素材を準備すること、（ｂ）該素材のステムまたは
第１区域をベータトランスス温度よりも低い温度で熱間
加工すること、（ｃ）該素材のヘツドまたは第２区域を
鍛造し、これと同時またはこれに続いてその区域または
ヘツドを該ベータトランスス温度より高い温度に加熱す
ることにより熱処理してベータプロセスを達成させ、こ
の後毎秒0.06〜5.56℃（0.1〜10.0゜F）の率で760℃（14
00゜F）まで冷却すること、そして（ｄ）前記工程（ｂ）
の該第１区域の熱間加工に直ぐ続いて、または工程
（ｃ）の該第２区域の熱処理に続いて、少なくても該第
１区域またはステムを該ベータトランスス温度より低い
温度で熱処理してアルファ／ベータプロセス即ち微細な
等方性アルファ相結晶領域とコロニー型ミクロ組織の領
域とからなる混合組織を得ることのできる工程をおこな
うことの４段階を備える。

弁素材の準備 弁素材の製作は普通、チタン基材ビレツトとを鍛造し
てロツド素材を作るか、あるいはチタン基材材料を鍛造
して粗形状素材を作るかによつて行われる。これは例え
ば、1956年、トンプソンプロダクト社（オハイオ州クリ
ーブランド）から刊行された、内燃エンジン弁のシンポ
ジウムの第65頁〜第78頁のJ.A.ニユートンの論文「ポペ
ツト弁の技術」の中で鋼に関して記述されている。主要
成分のチタン粉末を合金粉末と混合する粉末冶金も使用
できるが、その疲労強度はより低くなる。上記ロツド素
材は典型的には19.1〜25.4mm（3/4〜１インチ）の半径
を有し、そして25.4mm（１インチ）のスラグに切断され
る。ロツド素材は混合アルフア／ベータミクロ組織を含
むようにミル焼鈍される。

純チタンは２つの同素結晶組織として存在する。即
ち、六方稠密組織を有し且つ882℃以下の温度で安定す
るアルフア、及び、体心立方であり且つより高い温度で
安定するベータである。合金添加剤はアルフア／ベータ
遷移が起こる温度（これをベータトランススと記載して
いる）を変え、従つてこのトランスス温度を上げるか下
げるかによつてアルフア安定化剤とベータ安定化剤とに
分類できる。ベータトランスス温度を高くするアルフア
安定剤にはアルミニウムと侵入物、即ち炭素、酸素、及
び窒素がある。これら侵入物は制御された不純物として
存在する。ベータトランスス温度を下げるベータ安定化
要素にはバナジン、クロム、モリブデンのような様々な
ものがある。これらの添加によつて、存在する相（アル
フア、ベータ、その他）の比率に応じ、また形態に応じ
て特性の違う合金が作られる。錫とジルコニウムの合金
添加剤はアルフア相とベータ相の両方に溶解できるた
め、それらいずれの相の安定化に対しても中性である。
しかしそれらは相変態の動行を変え、従つて望ましい熱
処理特性を得るのに使用される。

多くのチタン合金はアルフア相とベータ相の混合組織
で構成され、そしてこれは本発明にとつて重要なことで
ある。或る範囲の組成があり、そしてその内の幾つかは
アルフアの特徴とその他のよりベータに近い特徴を備え
る傾向をもつ。それら合金の機械的特性はその存在する
相と形成とに強く左右される。またミクロ組織は熱機械
的プロセス（金属加工及び熱処理）に強く左右される。
アルフア／ベータ合金はミクロ組織の改造によつて所定
の用途に適するように改良できることが知られている。
ベータトンラスス温度より13.9〜111.1℃（25〜200゜F）
低い温度で約1/2から８時間行われる熱処理（アルフア
／ベータプロセスと称される）により作られるミクロ組
織はアルフア／ベータチタン合金に高い機械的強度、延
性、及び疲労割れ発生に対する強度を与えるが、その代
りにクリープ及び疲労割れ成長に対する強度が犠牲にな
る。ベータトランスス温度より13.9〜111.1℃（25〜200
゜F）高い温度で約1/2から８時間行われる熱処理（ベー
タプロセスと称される）は、高いクリープ及び疲労割れ
成長強度と高い靱性をもつたミクロ組織を作るが、その
代りに引張強度、延性、及び疲労割れ発生強度が犠牲に
なる。

素材内の合金成分は５体積％以上のベータミクロ組織
と95％以下の残余部のアルフアを作る量だけ存在する。
それは通常アルフアとベータの両方の安定化剤を使用し
て得られる。一般的に、アルフア及びベータ安定化剤と
して働く合金成分は、アルフア安定化剤のパーセンテー
ジ量（重量）がベータ安定化剤のパーセンテージ量（重
量）と等しいか、またはより多く、そしてまた４％を超
えないように、チタン基材材料内に含まれなければなら
ない。

ベータトランスス温度は、この温度以上または以下の
熱処理または熱間加工が一体の体部の中に様々に異なる
ミクロ組織を作るので、重要である。アルフア／ベータ
チタン合金素材を十分な時間ベータトランスス温度より
低い温度に置くと、微細な等方性アルフア領域と変態し
たベータ結晶との混合相（コロニー型ミクロ組織）が出
現する。このような混合相は非常に高い引張強度と疲労
強度を有する。素材を十分な時間ベータトランスス温度
より高い温度に置くと純ベータ相が出現し、そしてこれ
を適当な率で冷却すると、アルフアの長いプレートレツ
トが積重なり、そしてベータ相フイルムと一緒に接合し
て構成されるコロニー型ミクロ組織が作られる。少なく
ても760℃（1400゜F）までの冷却率は、良好なクリープ
強度が得られるプレートレツトの望ましい整合状態を作
るから重要である。

正確なベータトランスス温度は合金の種類及びチタン
型材料の成分によつて違つてくる。例えば、Ti−6Al−4
Vを含むチタン合金のベータトランスス温度は990.6℃
（1815゜F）である。Ti−6Al−2Sn−4Zr−2Mo−0.1Siの
チタン合金のベータトランスス温度は1006.7℃（1835゜
F）である。Ti−5Al−5Sn−2Zr−4Mo−0.3Siを含むチタ
ン合金のベータトランスス温度は960℃（1760゜F）であ
る。Ti−5Al−6Sn−2Zr−1Mo−0.3Siのチタン合金のベ
ータトランスス温度は1015.6℃（1860゜F）である。

第１区域の熱間加工 チタン基材素材は一般的に２つの区域を備えるように
設計される。即ち、本質的に弁のステム及びこのステム
とヘツドとの間の結合部のフイレツトを構成する第１区
域、及び、本質的に弁のヘツドを構成する第２区域であ
る（米国特許第3,536,053号参照）。

第１区域またはステムはベータトランスス温度の直ぐ
下の温度（即ち、そのベータトランスス温度から13.9〜
111.1℃（25〜200゜F）以内の温度）で熱間加工時間に相
当する時間熱間加工される。熱間加工温度の時間は短か
いので、そのプロセス段階ではアルフア／ベータプロセ
スは達成されない。このアルフア／ベータプロセスとい
うのは、ここでは、当該材料のベータトランスス温度よ
り13.9〜111.1℃（25〜200゜F）低い温度範囲内で或る時
間（普通0.5〜８時間）行われ、そしてその温度から冷
却したときにアルフア結晶の微細な等方性領域と小さい
群体型ミクロ組織の領域とで構成されるミクロ組織がで
きるような熱処理を意味する。コロニー型ミクロ組織
は、ベータの薄いフイルムと接合して散在するアルフア
の積重なつた長いプレートレツトである。

熱間加工は、所要の形状を作るに十分な圧力とひずみ
率を以つて、オニオンに似ていてそう称される素材端部
の未変形材料を残していく熱間押出しにより行うことが
できる。熱間加工がベータトランスス温度の直ぐ下の温
度で行われるとき材料は十分に加工することができ、そ
してアルフアとベータの両相のチタン基材材料の混合ミ
クロ組織が維持される。アルフアとベータの比率は合金
によつて異なる。アルフア及びベータ安定化剤の量また
は比率はベータ相が最小で５％（体積）、そして好適に
は40％以上にならないように選択しなければならない。

第２区域の鍛造と熱処理 上記第１区域の熱間加工が完了したら、その金属弁予
形成品の第２区域（ヘツド）が、割れを生ぜずに所要の
形状を作るに十分な圧力とひずみ率を以つて鍛造され、
そしてこれと同時にまたはこれに続いてベータプロセス
を達成するベータトランスス温度の直ぐ上の温度まで加
熱することにより熱処理され、そしてそのベータプロセ
スに続いて毎秒0.06〜5.56℃（0.1〜10.0゜F）の率で760
℃（1400゜F）まで冷却される。ベータプロセスというの
はここでは、チタン合金を、ベータトランスス温度を11
1.1℃（200゜F）未満超える温度（好適には、ベータトラ
ンスス温度より13.9〜111.1℃（25〜200゜F）高い温度）
で或る時間（例えば1/2から８時間）加熱し、そして冷
却したときに、ベータ結晶の薄いフイルムに接合したア
ルフアの粗い積重なつた長いプレートレツトだけで構成
されるコロニー型ミクロ組織が作られるようなプロセス
を意味する。上記のチタン合金のベータトランスス温度
は960〜1015.6℃（1760〜1860゜F）の範囲である。チタ
ンの成形鍛造に関する更に詳細な記述が下記の刊行物に
ある。（ａ）J.V.スカンロン及びG.J.G.チエンバース、
「チタン合金の鍛造」、サイエンス・テクノロジー・ア
ンド・アプリケーシヨン・オブ・チタニウム、パーガモ
ンプレス1970年刊、pp.79〜95及び97〜110、（ｂ）C.C.
チエン及びJ.E.コイン、「チタン合金の熱間ダイ鍛造の
最近の発達」、TI−80サイエンス・アンド・テクノロジ
ー、TMS−AIME1980年刊、pp.2513〜2522。

第２区域の鍛造と熱処理の後の第１区域の熱処理 第２区域の鍛造と熱処理段階が完了した後、弁の少な
くても第１区域（ステム）の熱処理がベータトランスス
温度より低い温度でアルフア／ベータプロセスを行える
1/2〜８時間に亘つて行われる。あるいはまた、第２区
域の鍛造と熱処理に先立つて、押出しの直後に第１区域
のアルフア／ベータプロセスを行うことも可能である。

変化形として本発明の方法は、単体チタン弁素材を再
び形成し、アルフア／ベータ領域における、ベータトラ
ンスス温度より低い温度でのステムの最初の押出し段階
を再び使用し、しかしベータトランスス温度より低いが
上記温度よりは高い温度でヘツドを鍛造するようにもで
きる。この鍛造が完了した後、ヘツドは約1/2から８時
間ベータプロセスを受ける。最終段階は弁全体の熱処理
で、これと共に第１区域（ステムとフイレツト）に所要
のミクロ組織を作るアルフア／ベータプロセスが行われ
る。このアルフア／ベータプロセスによつて第２区域
（ヘツド）のミクロ組織が影響されることはない。とい
うのはそれはそのプロセス温度で安定しており、アルフ
アプレートの僅かな厚み増しが生じるだけだからであ
る。その群体組織は平衡組織であり、アルフア／ベータ
プロセスでは行われない異常に長い時間の熱処理でも受
けない限り、変化することはない。

場合によつてはヘツドとステムを別々に予形し、そし
てそれら両部品を一緒に不活性溶接するのが好適であ
る。このような方法によれば、第２区域（ヘツド）は個
別の部品として所要の形状に鍛造される。この鍛造はベ
ータトランス温度より高い温度で行われ、または同様に
アルフア／ベータ領域で行われ、これに続いてベータプ
ロセスのためのベータトランスス温度より高温での熱処
理が行われる。第１区域（ステム）も勿論個別の予形成
部品としてアルフア／ベータ領域の温度で押出し、また
は熱間圧延され、それから前と同様にアルフア／ベータ
プロセスのための熱処理が行われる。次いでそれら２つ
の部品が一緒に不活性溶接されて単一の弁を形成する。
各部品にはそれぞれ異なるチタン合金を使用することが
できる。例えば、ヘツドにはベータプロセスを受けた条
件でクリープ強度のある合金Ti−5Al−6Sn−2Zr−1Mo、
そしてステムにはアルフア／ベータプロセスを受けた条
件で高い機械的強度を有する合金Ti−5Al−5Sn−2Zr−4
Mo−0.3Siを使用できる。

弁構造 上記のような方法によつて、（ａ）結晶寸法が５〜50
ミクロンの、アルフアの微細な等方性領域とコロニー型
ミクロ組織の領域を備え、そして特徴として、室温で少
なくても140〜180ksi、510℃（950゜F）で少なくても90
〜105ksi、760℃（1400゜F）で少なくても20ksiの高い引
張強度と、室温で少なくても60〜90ksi、510℃（950゜
F）で少なくても45〜55ksi、760℃（1400゜F）で少なく
ても10ksiの疲労強度を有するステム及びフイレツト部
分、及び、（ｂ）群体寸法が50〜300ミクロンの群体型
ミクロ組織を備え、そして760℃（1400゜F）で100時間4p
siのストレスを掛けたとき1.0％以上のひずみを生じさ
せないクリープ強度を有するヘツド部分によつて構成さ
れる、チタン基材材料のエンジン弁が作られる。

ここに本発明の特定の実施例を記述してきたが、当該
技術者には明らかなように本発明ではその目的を逸脱せ
ずになお様々な変化形が可能であり、そしてそれら変化
形は全て本発明の精神を備えるものとして特許請求の範
囲の中に含まれるものである。

Claims (38)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】弁のステムおよびフィレットが主として、
   高い引張強度と疲労強度を示す微細な等方性アルファ相
   結晶領域とコロニー型ミクロ組織の領域即ち微細な等方
   性アルファ相結晶とベータ相結晶とが混合している組織
   の領域とからなる混合組織を含み、弁のヘッドが主とし
   て、良好な高温クリープ強度を示すコロニー型ミクロ組
   織を含む二重ミクロ組織を備えたチタン基材のエンジン
   弁を製造する方法において、 （ａ） 鍛造可能なアルファ／ベータ混合相のチタン基
   材材料の弁素材を準備すること、 （ｂ） 該ステムおよびフィレットをベータ変態温度よ
   り低い温度で熱間加工すること、 （ｃ） 少なくとも該ステムおよびフィレットを該ベー
   タ変態温度より低い温度で上記混合組織を得ることので
   きる時間だけ熱処理すること、 （ｄ） 該ヘッドを鍛造し、そしてこれと同時またはこ
   れに続いて該ヘッドを該ベータ変態温度とベータ変態温
   度よりも111.1℃（200゜F）だけ高い温度との間の温度範
   囲でコロニー型ミクロ組織を得ることのできる時間だけ
   熱処理し、引き続いて毎秒0.06〜5.56℃（0.1〜10.0゜
   F）の率で760℃（1400゜F）の温度まで冷却すること、を
   有する上記方法。
2. 【請求項２】特許請求の範囲第１項の方法において、特
   許請求の範囲第１項の工程（ｃ）の熱処理が該ベータ変
   態温度より13.9〜111.1℃（25〜200゜F）低い温度範囲内
   で行われる、方法。
3. 【請求項３】特許請求の範囲第１項の方法において、段
   階（ｂ）の熱間加工が該弁のステムおよびフィレットの
   押出しによって行われ、そして特許請求の範囲第１項で
   の工程（ｄ）での工程（ｃ）の鍛造が、該ヘッドを該ベ
   ータ変態温度より13.9〜111.1℃（25〜200゜F）高い範囲
   の温度まで加熱することと同時に行われる、方法。
4. 【請求項４】特許請求の範囲第１項の方法において、該
   段階（ｂ）の熱間加工が該ステムおよびフィレットを押
   出すことによって行われ、そして特許請求の範囲第１項
   での工程（ｄ）における鍛造に続いて該ヘッドだけを該
   ベータ変態温度より高い温度でコロニー型ミクロ組織を
   得ることのできる時間だけ加熱する上記方法。
5. 【請求項５】特許請求の範囲第１項の方法において、特
   許請求の範囲第１項での工程（ｄ）においてヘッドが鍛
   造される、方法。
6. 【請求項６】特許請求の範囲第１項の方法において、該
   ステムおよびフィレットが押出されてステムとフィレッ
   トを形成し、該ヘッドが鍛造されて弁を形成する、方
   法。
7. 【請求項７】特許請求の範囲第６項の方法において、該
   ベータプロセスが、ベータ結晶のフィルムを散在させて
   長いアルファプレートレットが実質的に均一に存在する
   コロニー型組織を作るものである、方法。
8. 【請求項８】特許請求の範囲第７項の方法において、等
   方性アルファ結晶と変態したベータ結晶との混合組織の
   粒寸法が50〜300ミクロンである、方法。
9. 【請求項９】特許請求の範囲第１項の方法において、ベ
   ータ変態温度より低い温度での熱処理が、アルファ組織
   の領域とコロニー型ミクロ組織の領域とが混合して実質
   的に均一に存在する混合組織を作るものである、方法。
10. 【請求項１０】特許請求の範囲第９項の方法において、
    該混合組織の結晶寸法が５〜50ミクロンである、方法。
11. 【請求項１１】特許請求の範囲第１項の方法において、
    該プロセスにおいてステムおよびフィレットとヘッドと
    の両区域が個別に予形成され、そして一緒に溶接された
    後、完全なエンジン弁を形成するプロセスが行われる、
    方法。
12. 【請求項１２】特許請求の範囲第１項の方法において、
    ベータ変態温度とベータ変態よりも111.1℃（200゜F）だ
    け高い温度との間の温度範囲での熱処理が少なくとも1/
    2時間行われる、方法。
13. 【請求項１３】特許請求の範囲第１項の方法において、
    ベータ変態温度より低い温度での熱処理が少なくとも1/
    2時間行われる、方法。
14. 【請求項１４】特許請求の範囲第１項の方法において、
    該素材がTi−6Al−4V合金が構成され、そして1010℃（1
    850゜F）のベータ変態温度を有する、方法。
15. 【請求項１５】特許請求の範囲第１項の方法において、
    該素材がTi−6Al−2Sn−4Zr−2Mo−0.1Si合金で構成さ
    れ、そして1006.7℃（1835゜F）のベータ変態温度を有す
    る、方法。
16. 【請求項１６】特許請求の範囲第１項の方法において、
    該素材がTi−5Al−5Sn−2Zr−4Mo−0.3Si合金で構成さ
    れ、そして960℃（1760゜F）のベータ変態温度を有す
    る、方法。
17. 【請求項１７】特許請求の範囲第１項の方法において、
    該素材がTi−5Al−6Sn−2Zr−1Mo−0.3Si合金で構成さ
    れ、そして1015.6℃（1860゜F）のベータ変態温度を有す
    る、方法。
18. 【請求項１８】特許請求の範囲第１項の方法において、
    該チタン基材材料が、５％以上40％以下の体積のベータ
    相を作るアルファ及びベータ安定化剤として働く合金成
    分を含む、方法。
19. 【請求項１９】弁のステムおよびフィレットが主とし
    て、高い引張強度と疲労強度を示す微細な等方性アルフ
    ァ相結晶領域とコロニー型ミクロ組織との混合組織を含
    み、弁のヘッドが主として、良好な高温クリープ強度を
    示すコロニー型ミクロ組織を含む二重ミクロ組織を備え
    たチタン基材のエンジン弁を製造する方法において、 （ａ） 鍛造可能なアルファ／ベータ混合相のチタン基
    材材料の弁素材を準備すること、 （ｂ） 該ステムおよびフィレットをベータ変態温度よ
    り低い温度で熱間加工すること、 （ｃ） 該ヘッドを鍛造し、そしてこれと同時またはこ
    れに続いて該ヘッドを該ベータ変態温度とベータ変態温
    度よりも111.1℃（200゜F）だけ高い温度との間の温度範
    囲でコロニー型ミクロ組織を得ることのできる時間だけ
    熱処理し、次に毎秒0.06〜5.56℃（0.1〜10.0゜F）の率
    で760℃（1400゜F）の温度まで冷却すること、 （ｄ） 少なくとも該ステムおよびフィレットを該ベー
    タ変態温度より低い温度で上記混合組織を得ることので
    きる時間だけ熱処理すること の諸段階を備える方法。
20. 【請求項２０】特許請求の範囲第19項の方法において、
    特許請求の範囲第２項の工程（ｄ）の熱処理が該ベータ
    変態温度より13.9〜111.1℃（25〜200゜F）低い温度範囲
    内で行われる、方法。
21. 【請求項２１】特許請求の範囲第19項の方法において、
    段階（ｂ）の熱間加工が該弁のステムおよびフィレット
    の押出しによって行われ、そして特許請求の範囲第２項
    での工程（ｃ）の鍛造が、該ヘッドを該ベータ変態温度
    より13.9〜111.1℃（25〜200゜F）高い範囲の温度まで加
    熱することと同時に行われる、方法。
22. 【請求項２２】特許請求の範囲第19項の方法において、
    該段階（ｂ）の熱間加工が該ステムおよびフィレットを
    押出すことによって行われ、特許請求の範囲第２項での
    工程（ｃ）における鍛造に続いて該ヘッドだけを該ベー
    タ変態温度より高い温度でコロニー型ミクロ組織を得る
    ことのできる時間だけ加熱する上記方法。
23. 【請求項２３】特許請求の範囲第19項の方法において、
    特許請求の範囲第２項での工程（ｃ）においてヘッドが
    鍛造される、方法。
24. 【請求項２４】特許請求の範囲第19項の方法において、
    該ステムおよびフィレットが押出されてステムとフィレ
    ットを形成し、該ヘッドが鍛造されて弁を形成する、方
    法。
25. 【請求項２５】特許請求の範囲第24項の方法において、
    該ベータプロセスが、ベータ結晶のフィルムを散在させ
    て長いアルファプレートレットが実質的に均一に存在す
    るコロニー型組織を作るものである、方法。
26. 【請求項２６】特許請求の範囲第25項の方法において、
    等方性アルファ結晶と変態したベータ結晶との混合組織
    の粒寸法が50〜300ミクロンである、方法。
27. 【請求項２７】特許請求の範囲第19項の方法において、
    ベータ変態温度より低い温度での熱処理が、アルファ組
    織の領域とコロニー型ミクロ組織の領域とが混合して実
    質的に均一に存在する混合組織を作るものである、方
    法。
28. 【請求項２８】特許請求の範囲第27項の方法において、
    該混合組織の結晶寸法が５〜50ミクロンである、方法。
29. 【請求項２９】特許請求の範囲第19項の方法において、
    該プロセスにおいてステムおよびフィレットとヘッドと
    の両区域が個別に予形成され、そして一緒に溶接された
    後、完全なエンジン弁を形成するプロセスが行われる、
    方法。
30. 【請求項３０】特許請求の範囲第19項の方法において、
    ベータ変態温度とベータ変態よりも111.1℃（200゜F）だ
    け高い温度との間の温度範囲での熱処理が少なくとも1/
    2時間行われる、方法。
31. 【請求項３１】特許請求の範囲第19項の方法において、
    ベータ変態温度より低い温度での熱処理が少なくとも1/
    2時間行われる、方法。
32. 【請求項３２】特許請求の範囲第19項の方法において、
    該素材がTi−6Al−4V合金が構成され、そして1010℃（1
    850゜F）のベータ変態温度を有する、方法。
33. 【請求項３３】特許請求の範囲第19項の方法において、
    該素材がTi−6Al−2Sn−4Zr−2Mo−0.1Si合金で構成さ
    れ、そして1006.7℃（1835゜F）のベータ変態温度を有す
    る、方法。
34. 【請求項３４】特許請求の範囲第19項の方法において、
    該素材がTi−5Al−5Sn−2Zr−4Mo−0.3Si合金で構成さ
    れ、そして960℃（1760゜F）のベータ変態温度を有す
    る、方法。
35. 【請求項３５】特許請求の範囲第19項の方法において、
    該素材がTi−5Al−6Sn−2Zr−1Mo−0.3Si合金で構成さ
    れ、そして1015.6℃（1860゜F）のベータ変態温度を有す
    る、方法。
36. 【請求項３６】特許請求の範囲第19項の方法において、
    該チタン基材材料が、５％以上40％以下の体積のベータ
    相を作るアルファ及びベータ安定化剤として働く合金成
    分を含む、方法。
37. 【請求項３７】（ｉ）760℃（1400゜F）の温度で少なく
    ても20ksiの引張強度と少なくとも10ksiの疲労強度を示
    す微細な結晶の等方性混合組織を有し、この等方性混合
    組織はアルファ相結晶組織及び等方性アルファ相結晶と
    ベータ相結晶とが混合している混合組織からなるステム
    部分、及び（ii）760℃（1400゜F）の温度で少なくとも1
    00時間4ksiの荷重を受けて僅かに1.0％ひずむだけのク
    リープ強度を示す実質的に均一な等方性アルファ結晶−
    変態したベータ結晶の混合組織をもったヘッド部分を有
    するチタン合金体部で構成される単体二重ミクロ組織エ
    ンジン弁構造。
38. 【請求項３８】特許請求の範囲第37項のエンジン弁構造
    において、760℃（1400゜F）における該ステム及びフィ
    レット部分が少なくても20ksiの引張強度と少なくても1
    0ksiの疲労強度を有する、エンジン弁構造。