JP3409077B2 - 高温用軽量高強度チタン合金 - Google Patents
高温用軽量高強度チタン合金Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この出願の発明は、高温用軽
量高強度チタン合金に関するものである。さらに詳しく
は、この出願の発明は、航空機ジェットエンジンや自動
車エンジン部材として有用な高温用軽量高強度チタン合
金の組成に関するものである。
量高強度チタン合金に関するものである。さらに詳しく
は、この出願の発明は、航空機ジェットエンジンや自動
車エンジン部材として有用な高温用軽量高強度チタン合
金の組成に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】航空宇宙機器の高性能化のた
めには、軽量で、かつ優れた高温特性を示す高比強度材
料が必要不可欠である。チタン合金はこのような条件に
適合する材料であるが、高温特性がニッケル合金と比較
して大幅に劣るという欠点を持つ（チタン合金の使用上
限温度：６００℃、ニッケル合金の使用上限温度：１，
０００℃）。また、Ｔｉ3 Ａｌ（α2 ）、ＴｉＡｌ
（γ）などのチタン系金属間化合物は、高温特性はチタ
ン合金よりも優れるものの、室温延性が極めて乏しく、
また、破壊靱性値が低い、などの欠点を持つ。このよう
に既存の軽量耐熱材料は種々の欠陥を抱えており、その
ため、たとえばジェットエンジンのタービンディスクあ
るいはブレードのように軽量であることが要求される部
材においても重たいニッケル合金を使わざるを得ないの
が現状である。
めには、軽量で、かつ優れた高温特性を示す高比強度材
料が必要不可欠である。チタン合金はこのような条件に
適合する材料であるが、高温特性がニッケル合金と比較
して大幅に劣るという欠点を持つ（チタン合金の使用上
限温度：６００℃、ニッケル合金の使用上限温度：１，
０００℃）。また、Ｔｉ3 Ａｌ（α2 ）、ＴｉＡｌ
（γ）などのチタン系金属間化合物は、高温特性はチタ
ン合金よりも優れるものの、室温延性が極めて乏しく、
また、破壊靱性値が低い、などの欠点を持つ。このよう
に既存の軽量耐熱材料は種々の欠陥を抱えており、その
ため、たとえばジェットエンジンのタービンディスクあ
るいはブレードのように軽量であることが要求される部
材においても重たいニッケル合金を使わざるを得ないの
が現状である。
【０００３】一方、Ｔｉ2 ＡｌＮｂ（Ｔｉ−２５原子パ
ーセントＡｌ−２５原子パーセントＮｂ）（斜方晶の結
晶構造を有し、Ｏ相と名付けられた）は、約１０年前に
発見されたチタン系の金属間化合物相であり、既存のＴ
ｉ3 Ａｌ（α2 ）やＴｉＡｌ（γ）金属間化合物と比較
して、延性、靱性、高温強度に優れていることから、６
００℃以上の温度域でも使用可能な新しいタイプ軽量耐
熱材料として注目されている（例えばRaymond Grant Ro
we, Ti2AlNb-based alloys outperform conventional t
itanium aluminides, Advanced Materials and Process
es, March, 1992,p.33）。
ーセントＡｌ−２５原子パーセントＮｂ）（斜方晶の結
晶構造を有し、Ｏ相と名付けられた）は、約１０年前に
発見されたチタン系の金属間化合物相であり、既存のＴ
ｉ3 Ａｌ（α2 ）やＴｉＡｌ（γ）金属間化合物と比較
して、延性、靱性、高温強度に優れていることから、６
００℃以上の温度域でも使用可能な新しいタイプ軽量耐
熱材料として注目されている（例えばRaymond Grant Ro
we, Ti2AlNb-based alloys outperform conventional t
itanium aluminides, Advanced Materials and Process
es, March, 1992,p.33）。
【０００４】さらにまた、米国General Electric社は、
Ｔｉ2 ＡｌＮｂよりもより延性に優れた合金として、Ｔ
ｉ−２２原子パーセントＡｌ−２７原子パーセントＮｂ
合金（以降、Ｔｉ−２２Ａｌ−２７Ｎｂと略す）を開発
した（米国特許第5,032,357号公報）。また、この合金
の室温延性や破壊靱性を向上させることを目的として、
Ｖを添加したＴｉ−２２Ａｌ−１９Ｎｂ−５Ｖ等の合金
を開発している（米国特許第5,205,984 号公報）。
Ｔｉ2 ＡｌＮｂよりもより延性に優れた合金として、Ｔ
ｉ−２２原子パーセントＡｌ−２７原子パーセントＮｂ
合金（以降、Ｔｉ−２２Ａｌ−２７Ｎｂと略す）を開発
した（米国特許第5,032,357号公報）。また、この合金
の室温延性や破壊靱性を向上させることを目的として、
Ｖを添加したＴｉ−２２Ａｌ−１９Ｎｂ−５Ｖ等の合金
を開発している（米国特許第5,205,984 号公報）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、チタ
ン、アルミニウム、ニオビウムを基としたこれらのＴｉ
−Ａｌ−Ｎｂ系合金は、Ｎｂ量が多いことに起因して、
コスト高であることや重たい（密度5.4g/cm3）という欠
点を有していた。また、高温引っ張り強さなどの高温特
性値をより一層高くすることが望まれてもいた。そこ
で、この出願の発明は、上述のような問題点を解決し、
従来のＴｉ−Ａｌ−Ｎｂ系合金に替わる、高温で良好な
強度を有する低コスト型の高温用軽量高強度チタン合金
を提供することを課題としている。
ン、アルミニウム、ニオビウムを基としたこれらのＴｉ
−Ａｌ−Ｎｂ系合金は、Ｎｂ量が多いことに起因して、
コスト高であることや重たい（密度5.4g/cm3）という欠
点を有していた。また、高温引っ張り強さなどの高温特
性値をより一層高くすることが望まれてもいた。そこ
で、この出願の発明は、上述のような問題点を解決し、
従来のＴｉ−Ａｌ−Ｎｂ系合金に替わる、高温で良好な
強度を有する低コスト型の高温用軽量高強度チタン合金
を提供することを課題としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】この出願の発明は、上記
の課題を解決するものとして、合金組成（原子％）が次
式（１） Ｔｉ100-x-y Ａｌx （Ｎｂa Ｍ1-a ）y （１） で表され、 Ｍはｂｃｃ相形成元素であり、ｘは２０〜２
４、ｙは１４〜２４、ａは0.65〜0.95であり、ｂｃｃ相
形成元素（Ｍ）は、そのｂｃｃ相安定化能がＮｂを基準
として次式（２） ２３≦ΣＳ M ＋ΣＳ Nb ≦２９ （２） （ΣＳ M は、ｂｃｃ相形成元素によるＮｂ基準のｂｃｃ
相安定化能の和を示し、ΣＳ Nb は、Ｎｂによるｂｃｃ相
安定化能を示す）の関係にあり、 高温強度を有すること
を特徴とする高温用軽量高強度チタン合金（請求項１）
を提供する。
の課題を解決するものとして、合金組成（原子％）が次
式（１） Ｔｉ100-x-y Ａｌx （Ｎｂa Ｍ1-a ）y （１） で表され、 Ｍはｂｃｃ相形成元素であり、ｘは２０〜２
４、ｙは１４〜２４、ａは0.65〜0.95であり、ｂｃｃ相
形成元素（Ｍ）は、そのｂｃｃ相安定化能がＮｂを基準
として次式（２） ２３≦ΣＳ M ＋ΣＳ Nb ≦２９ （２） （ΣＳ M は、ｂｃｃ相形成元素によるＮｂ基準のｂｃｃ
相安定化能の和を示し、ΣＳ Nb は、Ｎｂによるｂｃｃ相
安定化能を示す）の関係にあり、 高温強度を有すること
を特徴とする高温用軽量高強度チタン合金（請求項１）
を提供する。
【０００７】また、この出願の発明は、ｂｃｃ相形成元
素（Ｍ）は、Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｗ，Ｍｏ
およびＴａのうちの１種または２種以上であること（請
求項２）、ｂｃｃ相形成元素（Ｍ）として、少なくとも
Ｍｏを含有すること（請求項３）、ならびにＴｉととも
に、２２原子％のＡｌ、１１原子％のＮｂ、４原子％の
Ｍｏを含有すること（請求項４）をそれぞれ好ましい態
様として提供する。
素（Ｍ）は、Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｗ，Ｍｏ
およびＴａのうちの１種または２種以上であること（請
求項２）、ｂｃｃ相形成元素（Ｍ）として、少なくとも
Ｍｏを含有すること（請求項３）、ならびにＴｉととも
に、２２原子％のＡｌ、１１原子％のＮｂ、４原子％の
Ｍｏを含有すること（請求項４）をそれぞれ好ましい態
様として提供する。
【０００８】さらにこの出願の発明は、上記高温用軽量
高強度チタン合金の製造方法として、構成元素原料の溶
製後、熱間鍛造し、その後水冷してｂｃｃ相を主相もし
くは単一相とすることを特徴とする高温用軽量高強度チ
タン合金の製造方法（請求項５）を提供する。この高温
用軽量高強度チタン合金の製造方法に関し、この出願の
発明は、１０００〜１２００℃において熱間鍛造するこ
と（請求項６）、ならびに水冷後、８００〜９００℃に
保持すること（請求項７）をそれぞれ好ましい態様とし
て提供する。
高強度チタン合金の製造方法として、構成元素原料の溶
製後、熱間鍛造し、その後水冷してｂｃｃ相を主相もし
くは単一相とすることを特徴とする高温用軽量高強度チ
タン合金の製造方法（請求項５）を提供する。この高温
用軽量高強度チタン合金の製造方法に関し、この出願の
発明は、１０００〜１２００℃において熱間鍛造するこ
と（請求項６）、ならびに水冷後、８００〜９００℃に
保持すること（請求項７）をそれぞれ好ましい態様とし
て提供する。
【０００９】
【００１０】すなわち、以上のとおりのこの出願の発明
は、発明者が、Ｔｉ−２２Ａｌ−２７Ｎｂ合金を軽量化
することを目的に、また、その高温強度特性をより一層
高めることを意図して、Ｎｂの一部を他のｂｃｃ相形成
元素で置き換えるという検討の過程から導かれたもので
ある。この際のｂｃｃ相形成元素による置き換えを行う
に当たっては、チタンのｂｃｃ相領域をどの程度拡大さ
せるのかを示すｂｃｃ相安定化能が、元素の種類により
大幅に異なっていることに着目している。すなわち、各
種のｂｃｃ相安定化元素の中で、ｂｃｃ相安定化能はＮ
ｂ，Ｗ，Ｍｏ，Ｃｒ，Ｆｅの順で大きくなっているが
(S.Ankem and S.R.Seagl, “Heat treatment of metast
able beta titanium alloys,"p.107-126 in Beta Titan
ium Alloysin the 1980's, R.R.Boyer and H.W. Rosenb
erg, eds; The Metallurgical Society of AIME, Warre
ndale, P.A.,1983）、このような事実より、「置換後の
残存Ｎｂのｂｃｃ相安定化能と置換元素のｂｃｃ相安定
化能との和は一定にし、２７Ｎｂのそれに等しくなるよ
うにする」、という設計指針を設ければ、置換元素のｂ
ｃｃ相安定化能が著しく高い場合には、僅かな添加量で
Ｎｂ量を大幅に減少させることが可能になるのではない
かと考えられた。これにより、置換元素がＮｂよりも重
たい場合でも、合金全体でかなりの軽量化が期待され
る。また、置換後の状態図も、元のＴｉ−２２Ａｌ−２
７Ｎｂ合金のそれと概略で一致することが予想され、従
って、熱処理により出現する各相及びその量比も元のＴ
ｉ−２２Ａｌ−２７Ｎｂ合金と一致すると考えられる。
は、発明者が、Ｔｉ−２２Ａｌ−２７Ｎｂ合金を軽量化
することを目的に、また、その高温強度特性をより一層
高めることを意図して、Ｎｂの一部を他のｂｃｃ相形成
元素で置き換えるという検討の過程から導かれたもので
ある。この際のｂｃｃ相形成元素による置き換えを行う
に当たっては、チタンのｂｃｃ相領域をどの程度拡大さ
せるのかを示すｂｃｃ相安定化能が、元素の種類により
大幅に異なっていることに着目している。すなわち、各
種のｂｃｃ相安定化元素の中で、ｂｃｃ相安定化能はＮ
ｂ，Ｗ，Ｍｏ，Ｃｒ，Ｆｅの順で大きくなっているが
(S.Ankem and S.R.Seagl, “Heat treatment of metast
able beta titanium alloys,"p.107-126 in Beta Titan
ium Alloysin the 1980's, R.R.Boyer and H.W. Rosenb
erg, eds; The Metallurgical Society of AIME, Warre
ndale, P.A.,1983）、このような事実より、「置換後の
残存Ｎｂのｂｃｃ相安定化能と置換元素のｂｃｃ相安定
化能との和は一定にし、２７Ｎｂのそれに等しくなるよ
うにする」、という設計指針を設ければ、置換元素のｂ
ｃｃ相安定化能が著しく高い場合には、僅かな添加量で
Ｎｂ量を大幅に減少させることが可能になるのではない
かと考えられた。これにより、置換元素がＮｂよりも重
たい場合でも、合金全体でかなりの軽量化が期待され
る。また、置換後の状態図も、元のＴｉ−２２Ａｌ−２
７Ｎｂ合金のそれと概略で一致することが予想され、従
って、熱処理により出現する各相及びその量比も元のＴ
ｉ−２２Ａｌ−２７Ｎｂ合金と一致すると考えられる。
【００１１】このように、ｂｃｃ相安定化能を一定にし
ながら他のｂｃｃ元素で置換するという手法は、軽量化
を図ると同時に、元のＴｉ−２２Ａｌ−２７Ｎｂ合金の
優れた高温特性を継承し、あるいは元の合金よりもより
一層優れた高温特性を得ることを期待している。
ながら他のｂｃｃ元素で置換するという手法は、軽量化
を図ると同時に、元のＴｉ−２２Ａｌ−２７Ｎｂ合金の
優れた高温特性を継承し、あるいは元の合金よりもより
一層優れた高温特性を得ることを期待している。
【００１２】
【発明の実施の形態】上記のとおりの特徴を有するこの
出願の発明についてさらに詳しく実施の形態について説
明する。まず重要なことは、この出願の発明の高温用軽
量高強度チタン合金は、前記のとおりの合金組成、すな
わちＴｉ100-x-y Ａｌx （Ｎｂa Ｍ1-a ）y で表される
ように、Ｔｉ、ＡｌおよびＮｂの各元素とともに、ｂｃ
ｃ相形成元素（Ｍ）を必ず含有していることである。こ
のｂｃｃ相形成元素（Ｍ）はＮｂを置換する。次に、こ
れらの元素の含有割合について、上記式において、 ｘ＝２０〜２４ ｙ＝１４〜２４ ａ＝0.65〜0.95を 満たしていることが欠かせない。以上の合金組成の範
囲外にある場合、高温強度に優れ、しかも軽量であるチ
タン合金は実現しない。
出願の発明についてさらに詳しく実施の形態について説
明する。まず重要なことは、この出願の発明の高温用軽
量高強度チタン合金は、前記のとおりの合金組成、すな
わちＴｉ100-x-y Ａｌx （Ｎｂa Ｍ1-a ）y で表される
ように、Ｔｉ、ＡｌおよびＮｂの各元素とともに、ｂｃ
ｃ相形成元素（Ｍ）を必ず含有していることである。こ
のｂｃｃ相形成元素（Ｍ）はＮｂを置換する。次に、こ
れらの元素の含有割合について、上記式において、 ｘ＝２０〜２４ ｙ＝１４〜２４ ａ＝0.65〜0.95を 満たしていることが欠かせない。以上の合金組成の範
囲外にある場合、高温強度に優れ、しかも軽量であるチ
タン合金は実現しない。
【００１３】そして、上記合金組成において、ｂｃｃ相
形成元素（Ｍ）について、Ｎｂ基準のｂｃｃ相安定化
能、すなわちΣＳ M ＋ΣＳ Nb が２３〜２９の範囲にある
ことが欠かせない。ｂｃｃ相安定化能が２３未満、ある
いは２９を超えると、優れた高温強度が得られない。
形成元素（Ｍ）について、Ｎｂ基準のｂｃｃ相安定化
能、すなわちΣＳ M ＋ΣＳ Nb が２３〜２９の範囲にある
ことが欠かせない。ｂｃｃ相安定化能が２３未満、ある
いは２９を超えると、優れた高温強度が得られない。
【００１４】具体的な置換の手法は次の通りである。ま
ず、チタンは８８２℃以下の温度ではｈｃｐ構造（α相
と呼ばれる）を、また、この温度以上ではｂｃｃ構造
（β相と呼ばれる）をとる。チタンに他の元素Ｘを添加
したＴｉ−Ｘ二元合金において、この合金を高温のβ相
領域から水中に急冷すると、マルテンサイト変態を起こ
しα相（やはりｈｃｐ構造である）になる。マルテンサ
イト変態を起こす温度（Ｍｓ温度）は、Ｘの増加量とと
もに低下し、添加量が或る臨界濃度Ｘｃ以上では室温以
下となる。従って、添加量がＸｃ以上では室温を保って
いる水中に急冷してもマルテンサイト変態は起こらず、
合金は元のｂｃｃ構造のままである。このＸｃは、元素
の種類により異なっており、従って各元素のＸｃの値を
具体的に求めることにより、元素間の相対的なｂｃｃ相
安定化能を知ることができる。すなわち、ＮｂのＸｃ値
を各元素のＸｃ値で割った値が、Ｎｂを基準に取った場
合の、各元素の相対的なｂｃｃ相安定化能と見なすこと
ができる。
ず、チタンは８８２℃以下の温度ではｈｃｐ構造（α相
と呼ばれる）を、また、この温度以上ではｂｃｃ構造
（β相と呼ばれる）をとる。チタンに他の元素Ｘを添加
したＴｉ−Ｘ二元合金において、この合金を高温のβ相
領域から水中に急冷すると、マルテンサイト変態を起こ
しα相（やはりｈｃｐ構造である）になる。マルテンサ
イト変態を起こす温度（Ｍｓ温度）は、Ｘの増加量とと
もに低下し、添加量が或る臨界濃度Ｘｃ以上では室温以
下となる。従って、添加量がＸｃ以上では室温を保って
いる水中に急冷してもマルテンサイト変態は起こらず、
合金は元のｂｃｃ構造のままである。このＸｃは、元素
の種類により異なっており、従って各元素のＸｃの値を
具体的に求めることにより、元素間の相対的なｂｃｃ相
安定化能を知ることができる。すなわち、ＮｂのＸｃ値
を各元素のＸｃ値で割った値が、Ｎｂを基準に取った場
合の、各元素の相対的なｂｃｃ相安定化能と見なすこと
ができる。
【００１５】すでに各元素のＸｃの値は、米国と旧ソ連
の研究者により次のように報告されている（上記のS.An
kem and S.R.Seagl の論文を参照）。米国の報告では、
Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｒ，Ｃｏ，Ｗ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｎｂ
のＸｃの値（原子パーセント）は、それぞれ、５．６、
３．０、５．８、５．８、６．７、７．５、５．３、１
４．２、１７．８、２２．５である。一方、旧ソ連報告
では、Ｘｃの値（原子パーセント）は、それぞれ、５．
０、４．７、８．４、４．９、８．７、５．９、５．
８、１８．４、２１．０、２３．０である。このように
両者に多少の食い違いはあるが、良い一致と見なせる。
の研究者により次のように報告されている（上記のS.An
kem and S.R.Seagl の論文を参照）。米国の報告では、
Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｒ，Ｃｏ，Ｗ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｎｂ
のＸｃの値（原子パーセント）は、それぞれ、５．６、
３．０、５．８、５．８、６．７、７．５、５．３、１
４．２、１７．８、２２．５である。一方、旧ソ連報告
では、Ｘｃの値（原子パーセント）は、それぞれ、５．
０、４．７、８．４、４．９、８．７、５．９、５．
８、１８．４、２１．０、２３．０である。このように
両者に多少の食い違いはあるが、良い一致と見なせる。
【００１６】米国の研究者のデータに基づくと、Ｎｂを
基準にした場合の上記の各元素の相対的なｂｃｃ相安定
化能は、それぞれ、Ｍｎ：２２．５／５．６＝４．０、
Ｆｅ：２２．５／３．０＝７．５、Ｃｒ：２２．５／
５．８＝３．９、Ｃｏ：２２．５／５．８＝３．９、
Ｗ：２２．５／６．７＝３．４、Ｎｉ：２２．５／７．
５＝３．０、Ｍｏ：２２．５／５．３＝４．２、Ｔａ：
２２．５／１７．８＝１．３となる。一方、旧ソ連のデ
ータに基づくと、Ｎｂを基準にした場合の上記の各元素
の相対的なｂｃｃ相安定化能は、それぞれ、２３．０／
５．０＝４．６、２３．０／４．７＝４．９、２３．０
／８．４＝２．７、２３．０／４．９＝４．７、２３．
０／８．７＝２．６、２３．０／５．９＝３．９、２
３．０／５．８＝４．０、２３．０／２１．０＝１．１
となる。
基準にした場合の上記の各元素の相対的なｂｃｃ相安定
化能は、それぞれ、Ｍｎ：２２．５／５．６＝４．０、
Ｆｅ：２２．５／３．０＝７．５、Ｃｒ：２２．５／
５．８＝３．９、Ｃｏ：２２．５／５．８＝３．９、
Ｗ：２２．５／６．７＝３．４、Ｎｉ：２２．５／７．
５＝３．０、Ｍｏ：２２．５／５．３＝４．２、Ｔａ：
２２．５／１７．８＝１．３となる。一方、旧ソ連のデ
ータに基づくと、Ｎｂを基準にした場合の上記の各元素
の相対的なｂｃｃ相安定化能は、それぞれ、２３．０／
５．０＝４．６、２３．０／４．７＝４．９、２３．０
／８．４＝２．７、２３．０／４．９＝４．７、２３．
０／８．７＝２．６、２３．０／５．９＝３．９、２
３．０／５．８＝４．０、２３．０／２１．０＝１．１
となる。
【００１７】このような２種類のデータのデータ幅を考
慮に入れると、各元素の１原子パーセント(at%) 当たり
のｂｃｃ相安定化能は、１at% Ｍｎ＝(4.0−4.6)at% Ｎ
ｂ、Ｆｅ＝(4.9−7.5)at% Ｎｂ、Ｃｒ＝(2.7−3.9)at%
Ｎｂ、Ｃｏ＝(3.9−4.7)at%Ｎｂ、Ｗ＝(2.6−3.4)at%
Ｎｂ、Ｎｉ＝(3.0−3.9)at% Ｎｂ、Ｍｏ＝(4.0−4.2)at
%Ｎｂ、Ｔａ＝(1.1−1.3)at% Ｎｂであると見なすこと
ができる。したがって、Ｎｂの他に１種またはそれ以上
のｂｃｃ相形成元素を含むチタン合金のＮｂ安定化能
は、各元素のｂｃｃ相安定化能の総和で表される。
慮に入れると、各元素の１原子パーセント(at%) 当たり
のｂｃｃ相安定化能は、１at% Ｍｎ＝(4.0−4.6)at% Ｎ
ｂ、Ｆｅ＝(4.9−7.5)at% Ｎｂ、Ｃｒ＝(2.7−3.9)at%
Ｎｂ、Ｃｏ＝(3.9−4.7)at%Ｎｂ、Ｗ＝(2.6−3.4)at%
Ｎｂ、Ｎｉ＝(3.0−3.9)at% Ｎｂ、Ｍｏ＝(4.0−4.2)at
%Ｎｂ、Ｔａ＝(1.1−1.3)at% Ｎｂであると見なすこと
ができる。したがって、Ｎｂの他に１種またはそれ以上
のｂｃｃ相形成元素を含むチタン合金のＮｂ安定化能
は、各元素のｂｃｃ相安定化能の総和で表される。
【００１８】この出願の発明では、高含有率のＡｌ、お
よびＮｂを含み、さらにｂｃｃ相形成元素を１種または
２種以上含み、残部がＴｉと不可避的不純物からなり、
かつ合金組成中の各ｂｃｃ相形成元素のｂｃｃ相安定化
能（Ｎｂを基準）の総和、すわなちＮｂ安定化能が、２
３〜２９の範囲となるように合金組成を特定することに
より、高温で良好な強度を有する高温用軽量高強度チタ
ン合金を実現している。
よびＮｂを含み、さらにｂｃｃ相形成元素を１種または
２種以上含み、残部がＴｉと不可避的不純物からなり、
かつ合金組成中の各ｂｃｃ相形成元素のｂｃｃ相安定化
能（Ｎｂを基準）の総和、すわなちＮｂ安定化能が、２
３〜２９の範囲となるように合金組成を特定することに
より、高温で良好な強度を有する高温用軽量高強度チタ
ン合金を実現している。
【００１９】
【００２０】ｂｃｃ相安定化能（Ｎｂ安定化能）は、た
とえば原子％組成がＴｉ（６３）−Ａｌ（２２）−Ｎｂ
（１１）−Ｍｏ（４）の合金においては、１１（Ｎｂ）
＋４×（４．０−４．２）（Ｍｏ）＝２７〜２７．８と
なる。また、原子％組成が、Ｔｉ（５６）−Ａｌ（２
２）−Ｎｂ（２０）−Ｍｏ（１）−Ｗ（１）の合金にお
いては、ｂｃｃ相安定化能は、２０（Ｎｂ）＋（４．０
−４．２）（Ｍｏ）＋（２．６−３．４）（Ｗ）＝２
６．６〜２７．６となる。
とえば原子％組成がＴｉ（６３）−Ａｌ（２２）−Ｎｂ
（１１）−Ｍｏ（４）の合金においては、１１（Ｎｂ）
＋４×（４．０−４．２）（Ｍｏ）＝２７〜２７．８と
なる。また、原子％組成が、Ｔｉ（５６）−Ａｌ（２
２）−Ｎｂ（２０）−Ｍｏ（１）−Ｗ（１）の合金にお
いては、ｂｃｃ相安定化能は、２０（Ｎｂ）＋（４．０
−４．２）（Ｍｏ）＋（２．６−３．４）（Ｗ）＝２
６．６〜２７．６となる。
【００２１】以上のようなｂｃｃ相安定化能を考慮し、
さらに合金の密度（重量）を小さくし、かつ高温強度を
大きなものにするとの点においては、ｂｃｃ相形成元素
（Ｍ）としてＭｏ、Ｗ、Ｃｒ等が好適であり、なかでも
Ｍｏがとりわけ好ましい。この出願の発明の高温用軽量
高強度チタン合金は、従来と同様の方法等により製造で
きるが、より適当には、構成元素原料の溶製後、熱間鍛
造し、その後急冷してｂｃｃ相を主相もしは単一相とす
ることにより製造することができる。
さらに合金の密度（重量）を小さくし、かつ高温強度を
大きなものにするとの点においては、ｂｃｃ相形成元素
（Ｍ）としてＭｏ、Ｗ、Ｃｒ等が好適であり、なかでも
Ｍｏがとりわけ好ましい。この出願の発明の高温用軽量
高強度チタン合金は、従来と同様の方法等により製造で
きるが、より適当には、構成元素原料の溶製後、熱間鍛
造し、その後急冷してｂｃｃ相を主相もしは単一相とす
ることにより製造することができる。
【００２２】熱間鍛造は、たとえば1000〜1200℃程度で
行い、丸棒状等に成形し、急冷後には800 〜900 ℃に保
持するのが好ましい。次にこの出願の発明の実施例を示
す。
行い、丸棒状等に成形し、急冷後には800 〜900 ℃に保
持するのが好ましい。次にこの出願の発明の実施例を示
す。
【００２３】
【実施例】表１に示した各種組成の合金をアーク溶解に
より100 〜200 グラム溶製した。1100℃で熱間鍛造を行
い、丸棒状の素材に仕上げた。その後水冷してｂｃｃ単
一相とし、また、850 ℃に100 時間保持して密度を測定
した。いずれの合金も密度の低下が認められるが、特
に、Ｔｉ−２２Ａｌ−１１Ｎｂ−４Ｍｏ合金（実施例
１）の密度( ＝4.95g/cm3)が最も低い値を示しており、
Ｔｉ−２２Ａｌ−２７Ｎｂ( ＝5.38g/cm3)（比較例１）
と比較して、約一割の密度低下が図られた。このよう
に、Ｔｉ−２２Ａｌ−１１Ｎｂ−４Ｍｏでは、Ｔｉ−２
２Ａｌ−２７Ｎｂと比較してＮｂ量が大幅に減少してい
ることから、製造コストの低減が期待できる。また、比
較例２の合金では、ｂｃｃ相形成元素として知られてお
り、ｂｃｃ相安定化能が１at% Ｖ＝(1.3−1.6)at% Ｎｂ
であるＶによりＮｂを置換しているが、この合金は、比
較例１のＴｉ−２２Ａｌ−２７Ｎｂよりも密度が大き
く、軽量とすることができない。２４Ｎｂ−２Ｖでもそ
の密度は、5.39g/cm 3 であり、軽量化の目的が達成され
ない。
より100 〜200 グラム溶製した。1100℃で熱間鍛造を行
い、丸棒状の素材に仕上げた。その後水冷してｂｃｃ単
一相とし、また、850 ℃に100 時間保持して密度を測定
した。いずれの合金も密度の低下が認められるが、特
に、Ｔｉ−２２Ａｌ−１１Ｎｂ−４Ｍｏ合金（実施例
１）の密度( ＝4.95g/cm3)が最も低い値を示しており、
Ｔｉ−２２Ａｌ−２７Ｎｂ( ＝5.38g/cm3)（比較例１）
と比較して、約一割の密度低下が図られた。このよう
に、Ｔｉ−２２Ａｌ−１１Ｎｂ−４Ｍｏでは、Ｔｉ−２
２Ａｌ−２７Ｎｂと比較してＮｂ量が大幅に減少してい
ることから、製造コストの低減が期待できる。また、比
較例２の合金では、ｂｃｃ相形成元素として知られてお
り、ｂｃｃ相安定化能が１at% Ｖ＝(1.3−1.6)at% Ｎｂ
であるＶによりＮｂを置換しているが、この合金は、比
較例１のＴｉ−２２Ａｌ−２７Ｎｂよりも密度が大き
く、軽量とすることができない。２４Ｎｂ−２Ｖでもそ
の密度は、5.39g/cm 3 であり、軽量化の目的が達成され
ない。
【００２４】
【表１】
【００２５】試作合金の中で、密度の値が最も低かった
Ｔｉ−２２Ａｌ−１１Ｎｂ−４Ｍｏ合金を１０５０℃で
１時間保持した後水中に急冷し、次いで、７３０℃で４
６時間、あるいは、８５０℃で１００時間保持した時の
金属組織を図１に示した。図１（ｂ）は、図１（ａ）の
部分拡大写真である。迷路のような、いわゆる変調構造
組織を呈している。比較材として、Ｔｉ−２２Ａｌ−２
７Ｎｂ合金を１０５０℃で１時間保持した後水中に急冷
し、次いで、８５０℃で１００時間保持した時の金属組
織を図２に示した。Ｏ相（黒く見える相）が一方向に揃
った形態の金属組織であることがわかる。
Ｔｉ−２２Ａｌ−１１Ｎｂ−４Ｍｏ合金を１０５０℃で
１時間保持した後水中に急冷し、次いで、７３０℃で４
６時間、あるいは、８５０℃で１００時間保持した時の
金属組織を図１に示した。図１（ｂ）は、図１（ａ）の
部分拡大写真である。迷路のような、いわゆる変調構造
組織を呈している。比較材として、Ｔｉ−２２Ａｌ−２
７Ｎｂ合金を１０５０℃で１時間保持した後水中に急冷
し、次いで、８５０℃で１００時間保持した時の金属組
織を図２に示した。Ｏ相（黒く見える相）が一方向に揃
った形態の金属組織であることがわかる。
【００２６】また、１０５０℃で１時間保持した後水中
に急冷し、次いで、８５０℃で１００時間保持したＴｉ
−２２Ａｌ−１１Ｎｂ−４Ｍｏ合金及びＴｉ−２２Ａｌ
−１２Ｎｂ−２Ｍｏ−２Ｗに関して、その高温硬さを測
定した。結果を図３および図４に示した。また比較のた
めに、図２のような金属組織を持つＴｉ−２２Ａｌ−２
７Ｎｂの高温硬さも調べた。これら二つの試作合金は、
いずれも、Ｔｉ−２２Ａｌ−２７Ｎｂよりも優れた高温
強度を示している。
に急冷し、次いで、８５０℃で１００時間保持したＴｉ
−２２Ａｌ−１１Ｎｂ−４Ｍｏ合金及びＴｉ−２２Ａｌ
−１２Ｎｂ−２Ｍｏ−２Ｗに関して、その高温硬さを測
定した。結果を図３および図４に示した。また比較のた
めに、図２のような金属組織を持つＴｉ−２２Ａｌ−２
７Ｎｂの高温硬さも調べた。これら二つの試作合金は、
いずれも、Ｔｉ−２２Ａｌ−２７Ｎｂよりも優れた高温
強度を示している。
【００２７】
【発明の効果】この出願の発明により、以上詳しく説明
したとおり、従来報告されているＴｉ−Ａｌ−Ｎｂ系チ
タン合金と比較して、軽量であり、かつ、高い高温強度
を示す合金が提供される。低コスト型のチタン系合金と
して、航空機、自動車などの産業分野において有用な材
料である。
したとおり、従来報告されているＴｉ−Ａｌ−Ｎｂ系チ
タン合金と比較して、軽量であり、かつ、高い高温強度
を示す合金が提供される。低コスト型のチタン系合金と
して、航空機、自動車などの産業分野において有用な材
料である。
【図１】ａ、ｂは、それぞれ、この出願の発明のＴｉ−
２２Ａｌ−１１Ｎｂ−４Ｍｏ合金を1050℃で１時間保持
した後水中に急冷し、次いで、730 ℃で４６時間保持し
た場合、あるいは1050℃で１時間保持した後水中に急冷
し、次いで、850 ℃で100 時間保持した場合の金属組織
を示した図面に代わる電子顕微鏡写真であり、ｂは、ａ
の部分拡大写真である。
２２Ａｌ−１１Ｎｂ−４Ｍｏ合金を1050℃で１時間保持
した後水中に急冷し、次いで、730 ℃で４６時間保持し
た場合、あるいは1050℃で１時間保持した後水中に急冷
し、次いで、850 ℃で100 時間保持した場合の金属組織
を示した図面に代わる電子顕微鏡写真であり、ｂは、ａ
の部分拡大写真である。
【図２】比較材としてのＴｉ−２２Ａｌ−２７Ｎｂ合金
を1050℃で１時間保持した後水中に急冷し、次いで、85
0 ℃で100 時間保持した場合の金属組織を示した図面に
代わる電子顕微鏡写真である。
を1050℃で１時間保持した後水中に急冷し、次いで、85
0 ℃で100 時間保持した場合の金属組織を示した図面に
代わる電子顕微鏡写真である。
【図３】1050℃で１時間保持した後水中に急冷し、次い
で、850 ℃で100 時間保持したこの出願の発明のＴｉ−
２２Ａｌ−１１Ｎｂ−４Ｍｏ合金、および比較材として
のＴｉ−２２Ａｌ−２７Ｎｂ合金の高温硬さの測定結果
を示した図である。
で、850 ℃で100 時間保持したこの出願の発明のＴｉ−
２２Ａｌ−１１Ｎｂ−４Ｍｏ合金、および比較材として
のＴｉ−２２Ａｌ−２７Ｎｂ合金の高温硬さの測定結果
を示した図である。
【図４】1050℃で１時間保持した後水中に急冷し、次い
で、850 ℃で100 時間保持したこの出願の発明のＴｉ−
２２Ａｌ−１２Ｎｂ−２Ｍｏ合金−２Ｗ、および比較材
としてのＴｉ−２２Ａｌ−２７Ｎｂ合金の高温硬さの測
定結果を示した図である。
で、850 ℃で100 時間保持したこの出願の発明のＴｉ−
２２Ａｌ−１２Ｎｂ−２Ｍｏ合金−２Ｗ、および比較材
としてのＴｉ−２２Ａｌ−２７Ｎｂ合金の高温硬さの測
定結果を示した図である。
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 平２−247345（ＪＰ，Ａ)
Ｈａｒｏｌｄ Ｍａｒｇｏｌｉｎ Ｓ
ｙｍｐｏｓｉｕｍ，ＭＩＣＲＯＳＴＲＵ
ＣＴＵＲＥ／ＰＲＯＰＥＲＴＹ
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
C22C 14/00
C22F 1/00 - 3/02
Claims (7)
- 【請求項１】 合金組成（原子％）が次式（１） Ｔｉ100-x-yＡｌx（ＮｂaＭ1-a）y （１） で表され、Ｍはｂｃｃ相形成元素であり、ｘは２０〜２
４、ｙは１４〜２４、ａは０．６５〜０．９５であり、
ｂｃｃ相形成元素（Ｍ）は、そのｂｃｃ相安定化能がＮ
ｂを基準として次式（２） ２３≦ΣＳM＋ΣＳNb≦２９ （２） （ΣＳMは、ｂｃｃ相形成元素によるＮｂ基準のｂｃｃ
相安定化能の和を示し、ΣＳNbは、Ｎｂによるｂｃｃ相
安定化能を示す）の関係にあり、高温強度を有すること
を特徴とする高温用軽量高強度チタン合金。 - 【請求項２】 ｂｃｃ相形成元素（Ｍ）は、Ｍｎ，Ｆ
ｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｗ，ＭｏおよびＴａのうちの１
種または２種以上である請求項１記載の高温用軽量高強
度チタン合金。 - 【請求項３】 ｂｃｃ相形成元素（Ｍ）として、少なく
ともＭｏを含有する請求項２記載の高温用軽量高強度チ
タン合金。 - 【請求項４】 Ｔｉとともに、２２原子％のＡｌ、１１
原子％のＮｂ、４原子％のＭｏを含有する請求項３記載
の高温用軽量高強度チタン合金。 - 【請求項５】 請求項１ないし４いずれかに記載の高温
用軽量高強度チタン合金の製造方法であって、構成元素
原料の溶製後、熱間鍛造し、その後水冷してｂｃｃ相を
主相もしくは単一相とすることを特徴とする高温用軽量
高強度チタン合金の製造方法。 - 【請求項６】 １０００〜１２００℃において熱間鍛造
する請求項５記載の高温用軽量高強度チタン合金の製造
方法。 - 【請求項７】 水冷後に、８００〜９００℃に保持す
る、請求項５または６に記載の高温用軽量高強度チタン
合金の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP26068398A JP3409077B2 (ja) | 1998-09-14 | 1998-09-14 | 高温用軽量高強度チタン合金 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP26068398A JP3409077B2 (ja) | 1998-09-14 | 1998-09-14 | 高温用軽量高強度チタン合金 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000087159A JP2000087159A (ja) | 2000-03-28 |
| JP3409077B2 true JP3409077B2 (ja) | 2003-05-19 |
Family
ID=17351336
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP26068398A Expired - Lifetime JP3409077B2 (ja) | 1998-09-14 | 1998-09-14 | 高温用軽量高強度チタン合金 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3409077B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3774758B2 (ja) * | 2000-06-26 | 2006-05-17 | 独立行政法人物質・材料研究機構 | ＴｉＢ粒子強化Ｔｉ２ＡｌＮｂ金属間化合物基複合材料とその製造方法 |
| CN115838876B (zh) * | 2022-12-06 | 2024-01-19 | 西北有色金属研究院 | 一种铌钛铝基合金铸锭的制备方法 |
-
1998
- 1998-09-14 JP JP26068398A patent/JP3409077B2/ja not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Ｈａｒｏｌｄ Ｍａｒｇｏｌｉｎ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ，ＭＩＣＲＯＳＴＲＵＣＴＵＲＥ／ＰＲＯＰＥＲＴＹ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2000087159A (ja) | 2000-03-28 |
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