JP4101333B2 - チタン合金部品間の金属間接合の接合強度を高めるためのプロセス - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の分野】
この発明は、チタン合金を処理するための方法に関し、より特定的には、２つのチタン合金部品間の金属間接合の接合強度を高めるためのプロセスに関する。
【０００２】
【関連技術の説明】
チタン合金等の新しい改良された軽重量の強靱な材料に対する需要は、将来の高性能技術によりますます高まるであろう。
【０００３】
対象となる分野に、高速民間輸送（ＨＳＣＴ）航空機分野がある。ＨＳＣＴは、既存のコンコルド（Concorde）マッハ２．０テクノロジを改善するかまたはそれに取って代わる目的で、提案される航空機構造をマッハ２．４輸送機要件に適うように改善することに主眼を置いている。
【０００４】
現在、ＨＳＣＴが重要視しているのはチタン合金の使用であるが、これは、マッハ２．４条件下でそれらが、一体の航空機の寿命を通して約３５０°Ｆの超音速巡航温度で推定７２，０００時間の航行に必要とされる損傷許容差、耐久性および熱安定性を示すためである。そのような高温状態では、実質的にすべての熱処理型アルミニウム合金は、長期間使用されることで、破壊じん性等の重要な特性が老化により劣化する。最近の調査の結果は、最も改良されたアルミニウム・リチウム合金の使用可能最高温度が約２２５°Ｆであることを示している。この結果により必然的に、外皮および関連の構造にはアルミニウム合金はほとんど使用できない。もし同様の結論が非金属複合材料からも導き出されれば、上述のような高温かつ長期間の使用に適用できる可能性のある唯一の材料系はチタン合金のみであろう。
【０００５】
これとは別に、主要航空機建設業者によってチタン合金には過酷な目標特性要求が課せられている。現在のところ、これらの要求は、最新技術水準のチタン合金でさえも満たすことができていない。
【０００６】
より重い超合金および／または鉄鋼をチタンに置換えることにより、重量は大幅に軽減され、またより効率的なシステム性能が達成されてきている。超軽量ＨＳＣＴおよび／または他の航空宇宙構造への応用に対する過酷な要求を考慮に入れると、チタンは効率的なハニカムサンドイッチ等の軽量構造部材として製造されなければならないものと思われる。
【０００７】
チタン合金の特性の強化は、ロックウェル・インターナショナル・コーポレイション（Rockwell International Corporation）に譲渡された「機械的特性および破壊抵抗力を同時に改善するためのアルファ−ベータチタン合金のミクロ構造処理性能の最適化のための方法（“A Method for Processing-Microstructure-Property Optimization of Alpha-Beta Titanium Alloys to Obtain Simultaneous Improvements in Mechanical Properties and Fracture Resistance ”）」と題された米国特許出願連続番号第０８／３３９，８５６号に開示および主張されたプロセスで達成されてきている。
【０００８】
当該分野では、抵抗溶接されたハニカムチタン合金構造が公知である。しかし、それらはアルミニウムろう付けハニカムまたは遷移液相結合等の他の接合方法と比較して貫層方向の引張強さが一般により低い。そこで溶接後の熱処理が重要となる。下に記載するように、この特許出願では、当該分野における改善された処理手順を説明する。
【０００９】
【発明の目的および概要】
したがって、この発明の主要目的は、チタン合金部品間の金属間接合の接合強度を高めることである。
【００１０】
この発明の別の目的は、面板とハニカムコア部材の強度特性のバランスを改善させる、面板およびハニカムコア部材の効率的な接合を提供することである。
【００１１】
これらおよび他の目的は本発明のプロセスによって達成され、そのプロセスは最も広い局面において以下の２つのステップを含む。すなわち：
ａ） ２つのチタン合金部品を抵抗溶接するステップと、
ｂ） その抵抗溶接されたチタン合金部品を１６７５°Ｆから１８２５°Ｆの範囲の温度で１５分から４時間の期間、真空または不活性ガス雰囲気内で加熱処理するステップ、である。
【００１２】
過去においても、チタン合金部品は抵抗溶接され、接合を強化するために溶接後熱処理されていたが、それら溶接後の処理は、所与の材料に対する処理パラメータが不完全であったために、十分に成功していたとはいえない。この発明は、抵抗溶接後のチタン合金の接合強化のために、上に記載したような改良された熱処理パラメータを提供する。本発明の出願人は、特定の温度範囲および時間期間において、接合材料の相互拡散がより高い割合で起こって、強化された均質な結合面ミクロ構造が提供され、それにより、界面により高い接合強度が提供されることを発見した。驚くべきことに、そのような高温は、界面の酸化層および他の欠陥のあるミクロ構造を排除するために必要である。
【００１３】
この発明の他の目的、利点および新規の特徴は、添付の図面に関連してこの発明の以下の詳細な説明を読むことにより、明らかとなろう。
【００１４】
なお、全図面を通じて、同じ部材または部分は、同じ参照符号で示される。
【００１５】
【好ましい実施例の詳細な説明】
ここで図面および図面上に付された参照符号を参照して、図１は、チタン合金ハニカムコア部材１４に接合される、２枚のチタン合金面板１０、１２を示す。面板１０、１２は、たとえばアルファ−ベータチタン合金で形成されるが、代替案として、このチタン合金部品はアルファまたはベータ合金に近似のものであってもよい。この発明の原理は、以下に記載するように、ハニカムコア部材１４を使用する際に特に有利である。しかし、他の種類のコア要素構成もまたこの発明の範囲内であることは言うまでもない。ハニカムコア部材が特に有利なのは、それらが同じ構造こわさでより多くの重量を軽減できるためである。このようなハニカムコア構造および他の強固にされた構造が一般に航空機の製造に使用される。
【００１６】
ここで図２を参照して、チタン合金部品のミクロ構造をα＋βからα＋α₂ ＋βに変形しながら、接合を強化するための製造処理手順が、包括的に番号１６を付されて、ブロック概略図で示される。α＋βミクロ構造１８を有する２つのチタン合金部品が抵抗溶接される。抵抗溶接の技術は当該分野では周知である。その抵抗溶接技術において、これら２つの材料は合せて圧力下に置かれ、それら２つの部品間の接触面に大量の電流がかけられる。接触面における電気的抵抗加熱の結果、溶融金属の小さな溶接ナゲットが形成されて、それが固まる際に接合が達成される。抵抗溶接のこのステップは、異なる構成でスポット溶接または連続シーム溶接によって行なわれてもよい。ブロック２０によって示されるように、抵抗溶接の後もα＋βミクロ構造は維持される。
【００１７】
溶接金属が収縮する際に、接合された材料同士が互いに接触し、この接触が溶けた溶接ナゲットの外側の領域にも広がる。この発明のプロセスに従って、それらの部品はその後１６７５°Ｆから１８２５°Ｆの範囲の温度で１５分から４時間の期間で加熱処理されて、抵抗溶接によってかけられた縮み応力によってもたらされた付加的な接触領域がさらに接合される。この加熱処理ステップはまた、ブロック２２に示されるように、α＋βミクロ構造をα＋α₂ ＋βミクロ構造に変換する。広範囲の温度および広範囲の加熱処理期間を上に示したが、加熱処理は約１７００°Ｆから１８００°Ｆの範囲で１時間から３時間の期間行なわれることが好ましい。ここに記載する加熱処理ステップは真空または不活性ガス雰囲気内で実行されるが、真空雰囲気で行なわれるのが好ましい。（不活性ガス雰囲気が使用される場合には、それは純アルゴンまたはヘリウムでなければならない。）
ここで図３を参照して、当初α＋α₂ ＋βミクロ構造を有するチタン合金部品に用いられる、本発明の処理技術が、包括的に２４を付されて示されている。これらα＋α₂ ＋βチタン合金部品２６は、先の実施例に関して上に記載したように、抵抗溶接される。参照符号２８で示されるように、このα＋α₂ ＋βミクロ構造は保持される。接合された部品はその後、加熱処理される。α＋βの構造を有する可能性のある溶接ナゲットを除けば、接合された部品内にはα＋α₂ ＋βミクロ構造が維持されると理解されたい。加熱処理温度範囲および時間期間は図２の実施例に関連して上に記載したものと同様である。ブロック３０に示すように、α＋α₂ ＋βミクロ構造は加熱処理後も保持される／再生成される。
【００１８】
ここで図４を参照して、この発明のプロセスの第１のステップの原理に従った、典型的な抵抗スポット溶接の金属間接合部の顕微鏡写真が示される。この接合部は包括的に３２が付されている。図４において接合される材料は、Ｔｉ６２４２Ｓ面板３４および、参照番号３６で示されたベータ２１Ｓ合金のハニカムコアである。この顕微鏡写真には、接触面４０に隣接して溶融金属の溶接ナゲット３８が示される。
【００１９】
図５（先行技術）は、２時間の１６２５°Ｆという望ましくないほど低い加熱処理温度での溶接後熱処理を行なった後の接触面の断面図を示す。この界面の形態は、図４の単に抵抗スポット溶接を行なった例の界面４０と実質的に同じである。
【００２０】
図６は、この発明の、より高温での加熱処理の利点を示す。この例では、部品は１８００°Ｆで２時間加熱された。この界面形態は、互いに引きつけ合う相を有した、非常に広い拡散領域を含む。これは、その接合部の接合強度を大いに増すものである。
【００２１】
図７は、図５および図６に関連して上に記載した方法に従って処理されたハニカム部材から削り取られた小さいハニカム部材の貫層方向引張強さの試験を含む、機械的試験の結果を示す。図７において、「従来の処理」とは図５に関連して上に記載した処理、すなわち１６２５°Ｆでの加熱処理を意味し、「本発明の改良された処理」とは本発明の図６の説明に従った加熱処理（すなわち２時間にわたる１８００°Ｆでの加熱処理）を意味する。貫層方向引張試験は、ハニカムサンドイッチの強度を評価するのによく知られている方法である。これは、約２×２インチの寸法のハニカムセグメントの面に引き棒部材を接合することで行なわれる。このためこのテストでは、引張力は面板をコア部材から面板に垂直の方向に分離させるような方向に向けられる。図７に示されるように、この発明のプロセスは、面板とコアとの接合強度を大いに強める。これは、図６に示された、図５の先行技術に比較して改良された界面拡散によるものである。
【００２２】
ここで図８を参照して、グラフの左側は、図７に示された貫層方向の引張強度試験の測定結果の平均値を示す。図８の右側は、関連するコアノード接合強度の比較を示す。これらのノードは、図４に示されたものと同様の抵抗スポット溶接によって準備された。このコアノード接合における強度の改善は、面板とコアとの接続を改善したのと同じ効果によるものである。
【００２３】
この発明は好ましくは、上に記載した加熱処理のステップの後に、チタン合金部品を冷却し、その後、珪素化合物析出を防ぐために、約８時間から２４時間の期間で約８５０°Ｆから１１５０°Ｆの範囲の温度でその部品を老化させるステップを含む。この老化のステップは好ましくは、約１１００°Ｆの温度で部品を老化するステップを含む。冷却のステップは保護雰囲気内での冷却を含むものと理解されたい。この冷却のステップは、好ましくは、１分当り５°Ｆから５００°Ｆの範囲の冷却速度で行なわれる。
【００２４】
先行技術の拡散接合の場合は通常、高圧をかけねばならないが、この発明のプロセスは、そのような複雑なプロセスの適用を必要としない。溶接区域の外側の接合面は、チタン合金部品上に外的な機械的力をかけることなく、抵抗溶接の縮み応力によって互いに密着するのである。
【００２５】
明らかに、上述の教示に鑑みて、この発明には多くの修正および変形が可能である。たとえば、図９（ａ）から（ｄ）は、この発明の原理を利用できる、他のさまざまなアルファ／ベータチタン合金システムを示す。したがって、この発明は前掲の請求の範囲内で、特に記載した態様とは異なって実施することが可能であると理解されたい。前掲の請求の範囲に、米国特許証によって保護されることが所望される範囲を示す。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のプロセスによって金属間接合される典型的な部品の一部分の分解斜視図である。
【図２】チタン合金部品のミクロ構造をα＋βからα＋α₂ ＋βに変換しながら接合を強化するための製造処理手順を示すブロック略図である。
【図３】α＋α₂ ＋βミクロ構造を保持／再生成しながら接合を強化するための製造処理手順を示すブロック図である。
【図４】この発明の第１のステップの原理に従った、典型的な金属間接合部（抵抗スポット溶接）の顕微鏡写真図である。
【図５】従来の比較的低温での加熱処理（１６２５°Ｆでの２時間の加熱処理）によって得られた、Ｔｉ６２４２Ｓ面板とベータ２１Ｓハニカムコアとの間の欠陥のある接合界面を示す顕微鏡写真図である。
【図６】この発明の原理に従った処理（１８００°Ｆで２時間の加熱処理）によって得られた、Ｔｉ６２４２Ｓ面板とベータ２１Ｓハニカムコアとの接合面を示す顕微鏡写真図である。
【図７】複数の被験物に関して貫層方向引張強度を溶接後処理温度および保持時間の関数として示したグラフ図であって、接合部のそれぞれの強度特性の散布域を示した図である。
【図８】溶接後処理方法の関数としての貫層方向引張強度のグラフ図であって、面板とコアとの接合部およびコアとコアとの接合部の双方におけるこの発明の優れた接合強化効果を示す図である。
【図９】（ａ）から（ｄ）は、種々のアルファ／ベータチタン合金システムに適用される、この発明の製造処理手順を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０ 面板
１２ 面板
１４ ハニカムコア部材

Claims (9)

1. ２つのチタン合金部品間の金属間接合の接合強度を高めるための方法であって、
   ａ） ２つのチタン合金部品を抵抗溶接するステップと、
   ｂ） 前記抵抗溶接されたチタン合金部品を１５分から４時間の期間、９１３℃から９９６℃の範囲の温度で真空または不活性ガス雰囲気内で加熱処理するステップとを含み、前記ステップａ）およびｂ）は前記チタン合金部品間の金属間接合を強化する目的でいかなる実質的な機械的力も外からかけることなく行なわれ、さらに、
   ｃ） 前記チタン合金部品を冷却するステップと、
   ｄ） 珪素化合物の析出を防ぐために、前記部品を８時間から２４時間の期間、４５４℃から６２１℃の範囲内の温度で老化させるステップとを含む、方法。
2. 前記老化させるステップは、前記部品を５９３℃の温度で老化させるステップを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記抵抗溶接するステップは、ハニカムコア構造を面板と抵抗溶接するステップを含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記抵抗溶接するステップは、α＋βチタン合金部品を抵抗溶接するステップを含み、前記加熱処理するステップは、１時間から３時間の期間、９２７℃から９８２℃の範囲で加熱処理するステップを含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記抵抗溶接するステップは、
   少なくとも１つのα＋βチタン合金部品を第２のチタン合金部品に抵抗溶接するステップを含み、
   前記加熱処理するステップは、１時間から３時間の期間で９２７℃から９８２℃の範囲で加熱処理を行なって、前記少なくとも１つのα＋βチタン合金部品をα＋α₂＋βチタン合金部品に変形するステップを含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記第２のチタン合金部品もまたα＋βミクロ構造を有する、請求項５に記載の方法。
7. 前記抵抗溶接するステップは、
   少なくとも１つのα＋α₂＋βチタン合金部品を第２のチタン合金部品に抵抗溶接するステップを含み、
   前記加熱処理するステップは１時間から３時間の期間、９２７℃から９８２℃の範囲で加熱処理するステップを含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記第２のチタン合金部品もまたα＋α₂＋βミクロ構造を有する、請求項７に記載の方法。
9. 前記加熱処理するステップは真空雰囲気内で行なわれる、請求項１に記載の方法。

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