JP6328398B2

JP6328398B2 - 耐酸化性に優れた高強度チタン合金及びこれを用いたコンプレッサー部品

Info

Publication number: JP6328398B2
Application number: JP2013207898A
Authority: JP
Inventors: 具教北嶋; 御手洗　容子; 容子御手洗; 智岩崎; サンサラムスレッシュコンディ
Original assignee: National Institute for Materials Science
Current assignee: National Institute for Materials Science
Priority date: 2013-03-29
Filing date: 2013-10-03
Publication date: 2018-05-23
Anticipated expiration: 2033-10-03
Also published as: JP2014208873A

Description

本発明は、耐熱チタン合金に関し、特に高温における優れた耐酸化性を有し、航空機エンジン内部コンプレッサーブレードやコンプレッサーディスク等の高温、高応力下で使用される部材として好適な耐熱チタン合金に関する。
また、本発明は当該耐熱チタン合金を用いたコンプレッサー部品に関する。

耐熱チタン合金は航空機エンジンの部品、例えば、コンプレッサーブレードやコンプレッサーディスクに広く使用されている。高温ガスに曝される中、この材料にはコーティングが施されていないため、材料そのものの特性が部材の寿命を決定する。これまで、航空機エンジンの熱効率向上のため、燃焼ガス温度が上昇してきた。それに伴い、新しいコンプレッサー部材が開発され、耐用温度が向上した。

米国において、Ｓｉが添加されたＴｉ−６２４２Ｓ合金（Ａｌ：６質量％、Ｓｎ：２質量％、Ｚｒ：４質量％、Ｍｏ：２質量％で残部がＴｉからなる合金）が開発され、その後、英国でさらに耐用温度が高いＩＭＩ８３４（Ａｌ：５．８質量％、Ｓｎ：４質量％、Ｚｒ：３．５質量％、Ｍｏ：０．３質量％、Ｎｂ：１質量％、Ｓｉ：０．３質量％、Ｃ：０．０６質量％で残部がＴｉからなる合金）（特許文献１）が開発されている。このＩＭＩ８３４は高温６００℃で高強度を有する合金として、航空機エンジンのコンプレッサーブレードへの使用実績を有している。

しかし、近年のさらなる燃焼ガス温度上昇によって、高温酸化の部材損傷への影響は大きくなるため、高温酸化により損傷が生じにくい耐酸化性に優れたチタン合金の開発が期待されている。

耐酸化性に優れたチタン合金はこれまでにも開発されている。特許文献２では、Ａｌが質量３％未満で、軽量かつ室温での加工性、耐酸化性に優れたチタン合金が提案されている。特許文献３では耐食性、耐酸化性に優れたチタン合金が、特許文献４ではＡｌの添加量を０．３質量％未満に規制した耐酸化性に優れるチタン合金が開発されている。

また、特許文献５は酸化しやすいＦｅを含有するにも関わらず耐酸化性と強度を兼ね備えたチタン合金を提案している。

特開昭５９−８９７４４号公報特開２００６−２９１２６８号公報特開２００５−２９０５４８号公報特開２００７−２７０１９９号公報特表平１１−３３５７５７号公報

しかしながら、特許文献１では耐酸化特性が報告されておらず、高温での耐酸化性が明らかでない。特許文献２に記載された発明は質量％でＡｌを０．４〜２．５％、Ｎｂを０．３〜１．１％、Ｆｅを０．０６％以下、酸素を０．１％以下を含有するチタン合金である。特許文献３に記載された発明は質量％でＡｌを０．３〜１．５％、Ｓｉを０．１〜１．０％含有するチタン合金である。特許文献４に記載された発明は質量％でＡｌを０．３％、未満、Ｓｉを０．１５〜２．０％含有するチタン合金である。しかし、これら特許文献２、３は、アルファ相固溶強化に有効なＡｌの添加量が３％未満と少ない上、その他の固溶強化元素が添加されておらず、引張強さ６００ＭＰａ（室温）に達していない。このため航空機エンジンのコンプレッサー後段部材として不適当である。また特許文献４についても、特許文献２、３と同様に強度が低いと予想されるが強度試験の結果は報告されていない。

特許文献５に記載された発明は質量％でＦｅを０．２〜５％、酸素を０．０５〜０．７５％含み、Ｚｒを特定の範囲内で含有する耐酸化性に優れたチタン合金であり、発明例ではＳｉ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｍｎ，Ｎ，Ｃも含んだチタン合金が報告されたが、強度は必ずしも十分でなかった。

近年、航空機エンジンの熱効率向上のため、燃焼ガス温度が高温化されており、さらに高温で優れた耐酸化性を有する耐熱チタン合金の実現が期待されている。本発明はメタル温度が７５０℃のような、従来よりも高温で耐酸化性に優れた高強度チタン合金およびその合金を用いたコンプレッサー部品を提供することを目的とする。

本発明のチタン合金は、上記の課題を解決する手段として以下のことを特徴としている。
本発明の第１のチタン合金は、合金組成を質量％として、Ａｌ：４−７質量％、Ｇａ：１−６質量％、Ｚｒ：２−５質量％、Ｍｏ：０−３質量％、Ｗ：０−２質量％、Ｎｂ：０−１質量％、Ｔａ：０−２質量％、Ｓｉ：０−０．５質量％を含有すると共に、Ｓｎ：０質量％であり、残部がＴｉと不可避的不純物からなる組成を有し、試験温度７５０℃での耐酸化性が、Ｓｎを含有すると共に、Ｇａを含有しない比較合金（表１に記載の比較合金１）よりも優れていることを特徴とする。
本発明の第二のチタン合金は、前記Ｇａを含有しない比較合金が、Ａｌ：５．８質量％、Ｓｎ：４．０質量％、Ｇａ：０質量％、Ｚｒ：３．５質量％、Ｍｏ：０．３質量％、Ｗ：０質量％、Ｎｂ：１．０質量％、Ｔａ：０質量％、Ｓｉ：０．３質量％を含有し、残部がＴｉと不可避的不純物からなる組成を有するとよい。

本発明の第三のチタン合金は、上記第一又は第二のチタン合金において、さらに、Ｖ：４質量％以下、Ｈｆ：２質量％以下、Ｃｕ：１質量％以下、Ｂ＋Ｃ：０．２質量％以下、Ｙ：０．２質量％以下、Ｌａ：０．２質量％以下、Ｃｅ：０．２質量％以下の元素のいずれか１種または２種以上を含有する。

本発明の第四は、上記第一から第三のチタン合金を用いて、コンプレッサー部品を消耗電極式真空アーク再溶解法、電子ビーム溶解法、プラズマアーク溶解法、又はコールドクルシブル誘導溶解法の何れか一種類により製造する方法である。
本発明の第五は、上記コンプレッサー部品は、コンプレッサーブレード又はコンプレッサーディスクであることを特徴とする第四に記載の製造方法である。

本発明によれば、航空機エンジンの燃焼ガス温度が高温化されるなか、従来よりも高い温度で優れた耐酸化性を有するチタン合金が提供される。従来であれば、燃焼ガス温度が高温化された場合、特に耐酸化性が問題となるが、本発明合金は高温での耐酸化性を特に重視したチタン合金であることから従来のような問題は改善される。

本発明のチタン合金は耐酸化性に優れており、航空機エンジンのコンプレッサーブレードとして従来よりも高温で長時間使用された場合、長時間の使用に耐え、その経済効果は大きい。

本実施例１〜４の酸化試験（大気中７５０℃で２４０時間まで）の結果を示した図である。実施例１〜４の室温での引張り試験結果を示した図である。

本発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。

本発明のチタン合金の合金元素の限定理由は以下のとおりである。

Ａｌはアルファ相を安定化させ、強度向上に有効であるが、１２質量％より多いとＴｉ３Ａｌの体積率が増加し、アルファ量が減少し、脆化する。よって、０．１−１２質量％、とする。好ましくは、３−９質量％、さらに最も好ましくは４−７質量％である。

Ｓｎは中性型元素であり、強度向上に有効であるが、多量の添加は耐酸化性の低下をもたらす。Ｓｎは０−７質量％の範囲とする。好ましくは０−６質量％。さらに最も好ましくは０−５質量％の範囲である。

Ｇａはアルファ相を安定化させ、固溶強化の作用がある。また、金属間化合物Ｔｉ３Ａｌを安定化させるが、１０質量％を超えると延性が低下するため、０．１−１０質量％とする。好ましくは０．５−８質量％、さらに最も好ましくは１−６質量％の範囲である。

ＺｒはＴｉと全率固溶で中性型元素である。固溶強化の作用があり、０．１―７質量％とするが、７質量％を超えると延性が低下する。好ましくは１−６質量％、さらに最も好ましくは２−５質量％の範囲である。

Ｍｏはベータ相安定化元素であり、強度向上と加工性向上に有効である。また、高温で疲労強度と引張・圧縮強度の向上に有効である。Ｍｏは５質量％以下とするが、５質量％を超えると強度が低下する。好ましくは４％以下、さらに最も好ましくは３質量％以下の範囲である。

ＷはＭｏと同様にベータ相安定化元素であり、強度向上、加工性向上に有効であるが、多量添加は強度低下、密度上昇をもたらす。よって、４質量％以下とする。好ましくは３％以下、さらに最も好ましくは２質量％以下である。

Ｎｂはベータ相安定化元素であり、加工性向上、耐酸化性向上に有効である。しかし、多量添加は強度が低下する。Ｎｂは０−３質量％とする。好ましくは０−２質量％。さらに最も好ましくは０−１質量％の範囲である。

ＴａはＭｏと同様に強度向上、加工性向上に有効である。しかし、４質量％以上では強度が低下するため、０−４質量％とする。好ましくは０−３質量％。さらに最も好ましくは０−２質量％の範囲である。

Ｓｉは固溶により高温強度の向上に寄与する。また微細な金属間化合物のシリサイドを析出させ、強度を向上させる。さらには耐酸化性向上に有効である。しかし、２質量％を超えると、シリサイドが粗大化し、強度が低下するため、２質量％以下とする。好ましくは０−１質量％。さらに最も好ましくは０−０．５質量％と範囲である。

Ｖはベータ相安定化元素であり、加工性を向上させる。ただし、４質量％を超えると、耐酸化性が低下するため、４質量％以下と規定する。

ＨｆはＺｒと同様にＴｉと全率固溶する中性型元素である。強度向上に寄与するが、多量の添加は密度上昇をもたらすため、２質量％以下と規定する。

Ｃｕは疲労特性の向上に寄与するが、多量添加すると金属間化合物が析出し、延性が低下する。Ｃｕは１質量％以下と規定する。

ＢとＣは強度向上に有効である。しかし、過度の添加は延性を害するため、ＢまたはＣの１種あるいは２種の添加量を０．２質量％以下と規定する。

Ｙ、Ｌａ、Ｃｅは高温で酸化皮膜の密着性を向上させ、耐酸化性向上に寄与する元素である。しかし、過度の添加は強度を低下させることからＹ：０．２質量％以下、Ｌａ：０．２質量％以下、Ｃｅ：０．２質量％以下と規定する。

以上のとおり、この出願の耐酸化性に優れたチタン合金は従来公知の製造方法の手順や条件を勘案して、消耗電極式真空アーク再溶解法、電子ビーム溶解法、プラズマアーク溶解法、コールドクルシブル誘導溶解法により製造することができる。

そこで以下に実施例を説明する。もちろん以下の例によって発明が限定されることはない。

下記表１の各組成を有するチタン合金を溶製した。

得られた各々の合金について、直径８ｍｍ、高さ４ｍｍの試料を調整し、これを用いて耐酸化性を評価した。

耐酸化性試験は大気中において、試験温度７５０℃で実施した。この試験温度で、２０、４５、７０、９０、１１０、１４０、２４０時間のそれぞれにおいて、試料を炉外に取り出し、試料が冷却した後、重量変化を測定した。その後、再び炉に戻し、試験時間をカウントし、７５０℃で維持した。これを２４０時間まで行った。

その結果、図１に示したように試験時間２４０時間の範囲で、Ｇａ含有の実施例１、２および３において、使用実績のある比較合金２（ＴＩＭＥＴ８３４）を上回る耐酸化性を持つ新しいチタン合金を見出した。なお、Ｇａを含まない比較合金１では耐酸化性が劣る。

強度試験は、実施例１、２および３、比較合金１においてＪＩＳ規格Ｚ２２４１に準拠して室温の引張試験を実施した。その結果、図２に示したように、本発明のチタン合金は、０．２％耐力および引張強さ共に比較合金１よりも優れた強度であった。

本発明のチタン合金は耐酸化性に優れており、航空機エンジンのコンプレッサーブレードやコンプレッサーディスクなどの高温部材、並びに、火力発電所のタービン部材、内燃機関の耐熱性部材に用いて好適である。

Claims

Ａｌ：４−７質量％、Ｇａ：１−６質量％、Ｚｒ：２−５質量％、Ｍｏ：０−３質量％、Ｗ：０−２質量％、Ｎｂ：０−１質量％、Ｔａ：０−２質量％、Ｓｉ：０−０．５質量％を含有すると共に、Ｓｎ：０質量％であり、残部がＴｉと不可避的不純物からなる組成を有し、
試験温度７５０℃での耐酸化性が、Ｓｎを含有すると共に、Ｇａを含有しない比較合金（表１に記載の比較合金１）よりも優れていることを特徴とするチタン合金。
前記Ｇａを含有しない比較合金は、Ａｌ：５．８質量％、Ｓｎ：４．０質量％、Ｇａ：０質量％、Ｚｒ：３．５質量％、Ｍｏ：０．３質量％、Ｗ：０質量％、Ｎｂ：１．０質量％、Ｔａ：０質量％、Ｓｉ：０．３質量％を含有し、残部がＴｉと不可避的不純物からなる組成を有することを特徴とする請求項１に記載のチタン合金。
請求項１又は２に記載のチタン合金においてさらに、Ｖ：４質量％以下、Ｈｆ：２質量％以下、Ｃｕ：１質量％以下、Ｂ＋Ｃ：０．２質量％以下、Ｙ：０．２質量％以下、Ｌａ：０．２質量％以下、Ｃｅ：０．２質量％以下の元素のいずれかを単独あるいは複合的に含有することを特徴とするチタン合金。
請求項１から３のいずれかのチタン合金を用いて、コンプレッサー部品を消耗電極式真空アーク再溶解法、電子ビーム溶解法、プラズマアーク溶解法、又はコールドクルシブル誘導溶解法の何れか一種類により製造する方法。
前記コンプレッサー部品は、コンプレッサーブレード又はコンプレッサーディスクであることを特徴とする請求項４に記載の製造方法。