JP2871359B2 - Nearβ型チタン合金の熱処理方法 - Google Patents

Nearβ型チタン合金の熱処理方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、航空機のエンジン部
材や機体材料、或いは自動車部品材料等として好適なNe
arβ型チタン合金の熱処理方法に関するものである。
【0002】
【従来技術とその課題】現在、優れた耐食性,耐熱性を
示すと共に高い比強度や靱性を備えるチタン合金は、航
空機のエンジン部品や機体、更には自動車部品等の材料
として欠かせないものとなっている。
【0003】ただ、上記用途にはこれまで“〔α+β〕
型チタン合金”が一般的に適用されてきたが、最近では
この〔α+β〕型チタン合金に代わって、近年新しく注
目されるようになった“Nearβ型チタン合金”が多く適
用される傾向を見せている。なぜなら、Nearβ型チタン
合金は〔α+β〕型チタン合金よりも強度,靱性が高い
上に熱間加工性にも優れており、しかもβ型チタン合金
よりも変形抵抗が低いという特性を有することが明らか
になってきたからである。
【0004】なお、Nearβ型チタン合金とは、式 Mo(%) +V(%)/1.5 +Cr(%)/0.6 +Fe(%)/0.35+Nb(%)/5 (以降、 成分割合を表す%は重量%とする)で示される
モリブデン当量の値が5〜14のものを言い、上記モリ
ブデン当量の値が5よりも少ない場合には〔α+β〕型
チタン合金となり、“強度−破壊靱性レベル”がNearβ
型チタン合金よりも低くなる。一方、前記モリブデン当
量の値が14を超えるものはβ型チタン合金であり、高
い“強度−破壊靱性レベル”を有するが、変形抵抗が大
きく熱間加工性が悪い。
【0005】ところで、従来、Nearβ型チタン合金の加
工・熱処理は「より優れた破壊靱性と延性の付与」を目
的としてなされており、例えば特開昭62−16486
0号公報に示されているような a) α+β域で“仕上げ加工率が50%超70%未満の
仕上げ鍛造”を行うと共に590〜620℃で時効処理
を行う方法, b) α+β域で“仕上げ加工率が20%超70%未満の
仕上げ鍛造”を行うと共に620〜680℃で時効処理
を行う方法, 等の手法・条件が報告されている。
【0006】しかしながら、特に航空機のエンジン部品
や機体材料には一層厳しい特性が求められるようになっ
ており、これまで提案された加工・熱処理法によっても
前記要望に十分対処できる“高い破壊靱性値”及び“破
壊靱性値の等方性”を有したNearβ型チタン合金を得る
ことができないのが現状であった。そのため、例えば鍛
造材の“鍛伸方向と直角な方向”で高靱性が得られない
という問題等が指摘された。
【0007】このようなことから、本発明が目的とした
のは、Nearβ型チタン合金に対し、優れた強度特性はそ
のままで一層高い破壊靱性値(KIC≧55MPa・√m)
を異方性少なく(Min/Max≧0.9)付与できる処理手段を確
立することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成すべく鋭意重ねられた本発明者等の研究結果を基に完
成されたもので、「Moを含まないか或いはMo含有量が6
%までのNearβ型チタン合金に、 まずβ変態点以上の温
度での溶体化処理を施し、 次いで〔β変態点−150
℃〕からβ変態点までの〔α+β〕域で再度の溶体化処
理を行い、 その後〔β変態点−340℃〕から〔β変態
点−220℃〕までの〔α+β域〕で時効処理を施すこ
とによって、 異方性少なく高破壊靱性値を付与できるよ
うにした点」に大きな特徴を有している。
【0009】ここで、Nearβ型チタン合金とは、先にも
述べたように Mo(%) +V(%)/1.5 +Cr(%)/0.6 +Fe(%)/0.35+Nb(%)/5 …(1) なる式(1) で示されるモリブデン当量の値が5〜14の
ものを言う。
【0010】ただ、本発明で対象とするNearβ型チタン
合金は、 Al(%) +Sn(%)/3 +Zr(%)/6 +10×酸素(%) …(2) なる式(2) で示されるアルミニウム当量の値が9以下
で、かつMoを含まないか或いはMo含有量が6%までのも
のに限定される。なぜなら、アルミニウム当量が9を超
えると脆化相であるα2 相が生成し、靱性が劣化するた
めである。また、Moはβ安定化元素として働くため、こ
の点からすればNearβ型チタン合金にとって好ましい合
金元素の1つであるが、6%よりも多くMoが含まれると
Nearβ型チタン合金の特長の1つとである「変形抵抗が
小さい」という特性が失なわれ、熱間加工性が悪化する
からである。
【0011】次に、本発明において、Nearβ型チタン合
金の熱処理条件を前記の如くに限定した理由を説明す
る。
【作用】即ち、本発明をなすに当っての種々の検討を通
じ、まず本発明者等は「チタン合金の破壊靱性の異方性
を解消するためには前加工組織の影響を消失することが
重要である」との考えを持つに至った。なぜなら、チタ
ン合金の破壊状況を観察すると“β粒界”又は“β粒界
上に析出したα相とβ相との界面”で亀裂が進展する場
合が多く、この点からして、Nearβ型チタン合金の加工
により生じる“不均一で偏平な形状のβ結晶粒”は破壊
靱性の異方性を生じる原因となり得ると考えたからであ
る。
【0012】そこで、Nearβ型チタン合金加工材をβ域
で溶体化処理することを試みたところ、このβ域での溶
体化処理により回復・再結晶し、加工組織(即ち熱処理
前の加工組織)が完全に消失して等軸化したβ粒組織が
得られ、破壊靱性の異方性も消失することが確認され
た。この場合、溶体化処理を〔α+β〕域で実施しても
回復・再結晶によるβ粒の等軸化は起こらず、従って破
壊靱性の異方性は消失しない。そのため、破壊靱性の異
方性を消失させるには溶体化処理をβ域で行い、β結晶
粒を回復・再結晶させる必要がある。
【0013】ただ、β域で溶体化処理して得た等軸β粒
組織のNearβ型チタン合金はそれほど高い破壊靱性値を
示さない。しかるに、上述の手段でβ粒を等軸化したNe
arβ型チタン合金に第二段目の溶体化処理として“〔β
変態点−150℃〕からβ変態点までの〔α+β〕域で
の溶体化処理”を施すと、“粗大で細長い針状α相”が
析出し、これが亀裂進展の障害となるばかりか、その存
在が亀裂を偏向させる原因ともなって、合金が破壊に至
るのを阻止する働きをすることが分かった。このよう
に、上記第二段目の溶体化処理は、“β粒を等軸化して
破壊靱性の異方性を消失させたNearβ型チタン合金”に
対し、前記“粗大で細長い針状α相”の析出を通じて高
い破壊靱性値の確保並びに向上に大きく寄与することが
明らかとなったのである。
【0014】更に、この第二段目の溶体化処理の後、
〔β変態点−340℃〕から〔β変態点−220℃〕の
〔α+β〕域で時効処理を行うと、今度は“微細な針状
α相”が均一に析出し、合金に航空機のエンジン部品や
機体部材として十分満足できる高い強度が確保される。
【0015】但し、第二段目の溶体化処理温度が〔β変
態点−150℃〕よりも低い温度であるとこの時効処理
における微細針状α相の析出が期待できず、強度レベル
が低いままとなる。また、この時効処理温度が〔β変態
点−220℃〕を超える温度であると粗大でかつ不均一
な針状α相が析出し、やはり十分な強度を確保すること
ができない。一方、前記時効処理が〔β変態点−340
℃〕よりも低い温度で行われると非常に微細な針状α相
が析出し、強度は向上するが延性が極端に低下する。
【0016】従って、第二段目の溶体化処理は〔β変態
点−150℃〕からβ変態点までの〔α+β〕域で行
い、またその後の時効処理は〔β変態点−340℃〕か
ら〔β変態点−220℃〕の〔α+β〕域で実施するこ
とと定めた。
【0017】なお、この発明に係る熱処理はMo含有量0
〜6%のNearβ型チタン合金の何れに適用しても十分な
効果を確保できることは言うまでもなく、例えばNearβ
型チタン合金の一つとして知られる“Ti−5Al−2Sn−
2Zr−4Mo−4Cr合金”にこの熱処理を適用すると、
“強度−延性−破壊靱性のバランス”を向上させること
ができ、また靱性の異方性だけでなく延性の異方性を解
消させることもできる。
【0018】続いて、本発明を実施例によって更に具体
的に説明する。
【実施例】
〈実施例1〉まず、真空ア−ク溶解によって直径440
mm,長さ750mmのTi−5Al−2Sn−2Zr−4Mo−4Cr
系Nearβ型チタン合金インゴットを溶製した。なお、こ
のチタン合金は Al:5.00%, Sn:2.04%, Zn:2.08%, Mo:3.98
%, Cr:4.02%, Fe:0.12%, C:0.01%, N:0.00
6 %, O:0.134 %, H:0.0022%, Ti及び不純物:残り なる具体的化学組成を有していた。
【0019】次に、これをβ域で鍛伸し、〔α+β〕域
で20%の加工歪を導入した後、β再結晶処理を行っ
た。そして、その後更に〔α+β〕域にて40%程度の
加工率で仕上げ鍛造を行った。なお、β変態点は890
〜895℃の範囲にあった。この際の、各工程での加工
度及び加工温度は表1の通りであった。
【0020】
【0021】次いで、この鍛造材に「表2に示す諸条
件」で "第一段目の溶体化処理", "第二段目の溶体化処
理" 並びに "時効処理" を施し、処理後の材料について
機械的特性値(引張強さ,0.2%耐力,伸び,絞り,破壊
靱性値KIC)を調査した。なお、引張試験は平行部直径
が6.25mm,ゲ−ジ長さが25mmの丸棒試験片を採取して
実施し、破壊靱性試験はASTMのE399に定める破
壊靱性試験法に従って厚さ25mmの試験片を採取して実
施した。
【0021】また、比較例として、前記鍛造材に〔α+
β〕域での溶体化処理のみを施し、その後時効処理を施
した材料についても各機械的特性値を調査した。これら
の結果をまとめて表2に併記した。
【0022】
【表2】
【0023】表2に示される結果からも明らかな如く、
Ti−5Al−2Sn−2Zr−4Mo−4Cr系Nearβ型チタン合
金鍛造材に対し、本発明に従って "β域での第一段目溶
体化処理", "所定の〔α+β〕域での第二段目溶体化処
理" 及び "所定条件の時効処理" を施すと、材料の破壊
靱性値の異方性は何れも"Min/Max≧0.9"となって解消さ
れていることが分かる。また、“強度−延性−破壊靱性
バランス”も向上していることが確認できる。
【0024】なお、この実施例では、航空機のエンジン
部品や機体部材として十分満足できる材料を目指し、強
度,延性,破壊靱性の目標値をL方向(鍛伸方向),T
方向(鍛伸方向と直角方向)とも 0.2%耐力 [σ0.2]≧1034 (MPa), 引張強さ [σB ]
≧1124 (MPa),伸び [El] ≧8(%),
絞り [RA] ≧10(%),破壊靱性値 [KIC] ≧55M
Pa・√mに置いた。
【0025】〈実施例2〉真空ア−ク溶解によって直径
440mm,長さ750mmのTi−10V−2Fe−3Al系Near
β型チタン合金インゴットを溶製した。なお、このチタ
ン合金は Al:3.05%, V:9.91%, Fe:1.92%,
O:0.112 %, C:0.032 %, N:0.011 %, H:0.0055%,
Y:0.0024%, Ti及び不純物:残り なる具体的化学組成を有していた。
【0026】次に、これをβ域で鍛伸した後、β再結晶
処理を行い、その後更に〔α+β〕域にて50%程度の
加工率で仕上げ鍛造を行った。なお、β変態点は800
℃であった。この際の、各工程での加工度及び加工温度
は表3の通りであった。
【0027】次いで、この鍛造材に「表4に示す諸条
件」で "第一段目の溶体化処理", "第二段目の溶体化処
理" 並びに "時効処理" を施し、処理後の材料について
機械的特性値(引張強さ,0.2%耐力,伸び,絞り,破壊
靱性値KIC)を調査した。なお、実施例1におけると同
様、引張試験は平行部直径が6.25mm,ゲ−ジ長さが25
mmの丸棒試験片を採取して実施し、破壊靱性試験はAS
TMのE399に定める破壊靱性試験法に従って厚さ2
5mmの試験片を採取して実施した。
【0028】また、比較例として、前記鍛造材に〔α+
β〕域での溶体化処理のみを施し、その後時効処理を施
した材料についても各機械的特性値を調査した。これら
の結果を表4に併記した。
【0029】
【0030】
【表4】
【0031】表4に示される結果からは、Ti−10V−2
Fe−3Al系Nearβ型チタン合金鍛造材でも、本発明に従
って "β域での第一段目溶体化処理", "所定の〔α+
β〕域での第二段目溶体化処理" 及び "所定条件の時効
処理" を施すと、材料の破壊靱性値の異方性はやはり"M
in/Max≧0.9"となって解消されることや、“強度−延性
−破壊靱性バランス”が向上することが確認できる。な
お、この実施例においても、強度,延性,破壊靱性の目
標値は実施例1におけるのと同レベルに設定された。
【0032】
【効果の総括】以上に説明した如く、この発明によれ
ば、Nearβ型チタン合金の優れた強度特性を維持したま
まで破壊靱性を向上し良好な延性をも確保できる上、特
に破壊靱性の異方性を十分に解消することが可能となる
など、産業上極めて有用な効果がもたらされる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI C22F 1/00 682 C22F 1/00 682 691 691B (56)参考文献 特開 平4−103747(JP,A) 特開 平2−217452(JP,A) 特開 昭63−105954(JP,A) 特開 平3−240939(JP,A) 特開 平3−115551(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C22F 1/18 C22C 14/00

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 Moを含まないか或いはMo含有量が6重量
    %までのNearβ型チタン合金に、まずβ変態点以上の温
    度での溶体化処理を施し、次いで〔β変態点−150
    ℃〕からβ変態点までの〔α+β〕域で再度の溶体化処
    理を行い、その後〔β変態点−340℃〕から〔β変態
    点−220℃〕までの〔α+β域〕で時効処理を施すこ
    とを特徴とする、異方性少なく高破壊靱性値を付与する
    Nearβ型チタン合金の熱処理方法。
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