JP3365190B2 - α+β型チタン合金溶接部材の後熱処理方法 - Google Patents
α+β型チタン合金溶接部材の後熱処理方法Info
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Description
延性を有するα+ β型チタン合金溶接部材の後熱処理方
法に関する。
特徴を生かして宇宙航空分野のみならず、民生分野にお
いても広く用いられている。近年、軽量構造部材として
のチタン合金の機械的性質に対する要求は厳しくなって
おり、特にチタン合金の溶接部に対しても良好な延性、
靭性が求められている。従来よりチタン合金の溶接部に
対しては、その残留応力を除去することを目的に溶接後
熱処理を施すことが行われている。
α型チタン合金は溶接性に優れるものの、それらに比べ
て高強度を有するα+ β型チタン合金やβ型チタン合金
では、「チタンの加工技術」(社)チタニウム協会編
103頁に記載されているように、溶接により強度や靭
性が低下する場合があった(従来技術1)。
238号公報において、強度、靭性、並びに加工性等に
優れたα+ β型チタン合金を提案した(従来技術2)。
本合金は、代表的なα+ β型チタン合金である従来のT
i−6Al−4V合金に比べて、β相の安定度が比較的
高いβリッチα+ β型チタン合金であり、Ti−6Al
−4V合金と同様にTIG溶接、電子ビーム溶接等の溶
融溶接が可能であるものの、溶接後の冷却時に溶接部、
並びに溶接熱影響部での相変態によって延性や靭性が低
下する等の問題点があった。特に、従来技術2に開示さ
れたβリッチα+ β型チタン合金では、従来のチタン合
金に比べて優れた母材の強度ー延靭性を有していること
から、溶接部に於ても従来合金以上の強度ー延靭性特性
が要求されていた。
ので、母材の特性を害することなく溶接部、および溶接
熱影響部の前記特性が構造部材として十分満足すること
ができるβリッチα+ β型チタン合金溶接部材の後熱処
理方法を提供することを目的とする。
を解決すべく鋭意研究した結果、所定範囲のモリブデン
当量(以下「Mo eq」と記す)で定義されるβリッ
チα+ β型チタン合金を同種または異種材料と溶接した
後、所定の後熱処理を施すことによって上記目的を達成
できること、更に上記βリッチα+β型チタン合金の成
分組成を限定することにより、得られる効果がより向上
することを見いだし、本発明を完成したものである。
れるMo eqを2〜7重量%とする合金元素(各成分
は重量%)を含有するα+β型チタン合金を、同種また
は異種チタン材料と溶接した後、前記α+β型チタン合
金のβ変態温度をTβと表したとき(Tβー230)℃
以上(Tβー80)℃以下の温度に加熱保持することを
特徴とするα+ β型チタン合金部材の後熱処理方法であ
る。
5.0%、V:2.1〜3.7%、Mo:0.85〜
2.37%、Fe:0.85〜3.15%、O:0.0
1〜0.25%、残り不可避的不純物からなり、且つA
l,V,Mo,及びFeの含有量が(2)式で規定され
る範囲であるα+β型チタン合金を、同種または異種チ
タン材料と溶接した後、(Tβー230)℃以上(Tβ
ー80)℃以下の温度に加熱保持することを特徴とする
α+β型チタン合金部材の後熱処理方法である。 2%≦[Mo]+0.67×[V]+2.9×[Fe]−[Al]≦7% ( 2)
の成分組成を上記のように限定した理由について述べ
る。(1)式で表されるMo eqはチタンのβ相の安
定度を示すパラメータで、大きいほどβ相が安定である
ことを意味する。該Mo eqが2%未満であると、延
靭性や加工性に優れるβ相の体積率が小さくなり過ぎ、
本来の目的の一つである優れた延靭性が損なわれる。一
方、該Mo eqが7%を越えると、β相が室温におい
ても準安定相として存在するβ型チタン合金になる。β
型チタン合金は時効硬化処理によって高い強度が得られ
るものの、溶接部においてβ結晶粒の粗大化が起こり、
溶接部の延靭性が著しく劣化することが知られている。
この粗大化したβ結晶粒は、後熱処理によって微細化す
ることができず、β型チタン合金の欠点になっている。
従って、Mo eqは2%以上7%以下の範囲に限定す
べきである。
記のように限定した理由について述べる。 Al(アル
ミニウム)はα相安定化元素の一つであり、α+ β型チ
タン合金には必須の元素である。しかし、Al含有量が
3.42%未満ではα+ β型チタン合金になりにくく、
十分な強度が得られない。一方、Al含有量が5.0%
を越えると、延靭性を低下させると共に、加工性、特に
冷間での加工性を著しく劣化させる。従って、Al含有
量は3.42〜5.0%にすべきである。
同量が好ましいが、O含有量が0.01%未満では強度
上昇への寄与が十分ではなく、一方、O含有量が0.2
5%を越えるとAlと同様に延靭性を劣化させる。従っ
て、O含有量は0.01〜0.25%の範囲に限定すべ
きである。
効果は小さいが、β変態点を大きく低下させる重要な元
素である。しかしながら、V含有量が2.1%未満ではβ
変態点の低下が十分でなく、またβ相を安定化する効果
が得られない。一方、V含有量が3.7 %を越えると、β
相の安定度が大きくなり過ぎて強度上昇が十分に得られ
ず、またVは高価な元素であるためコスト高となる。従
って、V含有量は2.1〜3.7 %の範囲に限定すべきであ
る。
せ、結晶粒の成長を抑制する効果を有する。しかし、M
o含有量が0.85%未満では焼鈍中に結晶粒が粗大化し上
述した効果が得られない。一方、Mo含有量が2.37%を
越えると、β相が安定化しすぎて強度の上昇が望めな
い。従って、Mo含有量は0.85〜2.37%の範囲に限定す
べきである。
相を強化すると共に、溶体化時効処理後の強度上昇に大
きく寄与する。また、チタンの中での拡散速度が大きい
ことから、超塑性成形時の変形抵抗を下げる効果を有す
ると共に、拡散接合性を向上させる作用がある。しか
し、Fe含有量が0.85%未満では強化の効果が十分でな
く、また超塑性成形時の変形抵抗を低下させる効果およ
び拡散接合性を向上させる効果がいずれも十分でない。
一方、Fe含有量が3.15%を越えると、β相が安定化し
すぎて超塑性特性が劣化すると共に、時効処理時の強度
の上昇が望めない。従って、Fe含有量は0.8 〜3.15%
の範囲に限定すべきである。
した成分により(1)式を書き換えたものであり、その
限定理由は前記Mo eqと同様である。
する。溶接部および溶接部近傍の熱影響部は、溶接時に
β変態点以上の温度に加熱された後、室温に冷却され
る。(1)式で規定されるMo eqが2 %以上7 %以
下のチタン合金においては、冷却時にβ相中に微細なα
相が析出し、その部分の硬度が上昇し、その結果延靭性
が低下する場合がある。このような材料の溶接後熱処理
は通常のチタン合金の後熱処理と同様に残留応力の緩和
および除去を目的とするのはもちろん、併せて上述の硬
化部が軟化、回復するような条件で行うことが必要であ
る。後熱処理温度が低すぎると軟化が十分でないか、あ
るいは非常に長い熱処理時間を要し実用的でない。ま
た、場合によっては後熱処理時にかえって時効硬化して
しまう。従って、後熱処理温度の下限はTβー230℃
にすべきである。一方、後熱処理温度が高すぎると加熱
中に十分軟化はするものの、その後の冷却中にβ相中に
微細なα相が再び析出し硬化してしまい後熱処理の効果
が得られない。従って、後熱処理温度の上限はTβー8
0℃にすべきである。
志を真空チャンバー内において電子ビーム溶接を行っ
た。それらの接合材料を種々の温度により後熱処理を行
った上で、溶接線が引張試験片の長手方向となるように
ASTMタイプ平板引張り試験片を採取し、室温におい
て引張試験を行った。尚、後熱処理時間はいずれも1.
5時間であった。結果を表2、及び図1に示す。 図1
から明らかなように、Mo eqが2〜7重量%の範囲
内にあるβリッチα+ β型チタン合金は、本発明のTβ
ー230℃以上、Tβー80℃以下の温度における後熱
処理を施すことにより溶接まま材に対して3%以上の伸
びの改善と10%以上の室温伸びが得られたが、Mo
eqが2〜7重量%の範囲を外れるチタン合金では伸び
の改善が3%未満と小さいか、または望めないことが分
かる。
%、Fe:1.99%、O:0.083%、C:0.0
1%、N:0.007%、H:0.0048%を含有す
るβリッチα+ β型チタン合金(β変態点:905℃、
Mo eq:5.18%)のインゴットをβ相域に加熱
・鍛造後、α+ β相域に加熱し、熱間圧延により厚さ3
mmの薄板とした。この材料に開先加工を施した後、予
めアルゴンガスを充填したチャンバー内において2パス
のTIG溶接を行った。この溶接材を表3に示す条件に
て熱処理を行った上で、実施例1と同様の方法により引
張試験を行った。熱処理時間はいずれも1.5時間であ
った。結果を表3及び図2に示す。これらの結果より、
後熱処理温度範囲として、Tβー230℃以上、Tβー
80℃以下の温度に加熱処理することにより、室温伸び
として10%以上が得られた。
2.98%、Mo:1.89%、Fe:1.99%、
O:0.083%、C:0.01%、N:0.007
%、H:0.0048%を含有するβリッチα+ β型チ
タン合金(β変態点:905℃、Mo eq:5.18
%)の薄板を異種チタン合金に溶接し、各種温度にて熱
処理を行った上で、実施例1と同様の方法により引張試
験を行った。溶接はTIG溶接により行い、アルゴンガ
スによるシールド(トーチシールドはアフターシールド
およびバックシールド)を行った。尚、上記異種チタン
合金の化学成分はAl:6.47%、V:4.12%、
Mo:1.89%、Fe:0.204%、O:0.16
%、C:0.034%、N:0.012%、H:0.0
079%である。また、熱処理時間は2時間で、熱処理
後は空冷により室温まで冷却した。結果を表4及び図3
に示す。これらの結果より、後熱処理温度範囲として、
Tβー230℃以上、Tβー80℃以下の温度に加熱処
理することにより、室温伸びとして10%以上が得られ
た。
ればα+ β型チタン合金溶接部材の特性を向上させるこ
とができるので、本発明の方法により製造されたチタン
合金部材は、宇宙航空および民生分野等において広く利
用することができる。
すMo eqの影響を示す図
理温度の影響を示す図
理温度の影響を示す図
Claims (2)
- 【請求項1】 (1)式で規定されるMo eqを2〜
7重量%(以下%は重量%を示す)とする合金元素を含
有するα+β型チタン合金を、同種または異種チタン材
料と溶接した後、前記α+β型チタン合金のβ変態温度
をTβと表したとき(Tβー230)℃以上(Tβー8
0)℃以下の温度に加熱保持することを特徴とするα+
β型チタン合金部材の後熱処理方法。 Mo eq=[Mo]+0.67×[V]+0.44×[W]+0.28×[N b]+0.22×[Ta]+2.9×[Fe]+1.6×[Cr]+1.1×[ Ni]+1.4×[Co]+0.77×[Cu]−[Al] ・・・(1) - 【請求項2】 Al:3.42〜5.0%、V:2.1
〜3.7%、Mo:0.85〜2.37%、Fe:0.
85〜3.15%、O:0.01〜0.25%、残り不
可避的不純物からなり、且つAl,V,Mo,及びFe
の含有量が(2)式で規定される範囲であるα+β型チ
タン合金を、同種または異種チタン材料と溶接した後、
(Tβー230)℃以上(Tβー80)℃以下の温度に
加熱保持することを特徴とするα+ β型チタン合金部材
の後熱処理方法。 2%≦[Mo]+0.67×[V]+2.9×[Fe]−[Al]≦7% ( 2)
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JPH09209100A JPH09209100A (ja) | 1997-08-12 |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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