JP7028791B2 - チタン、アルミニウム、ニオビウム、バナジウム、及びモリブデンのｂｃｃ材料、並びにそれから製造される生成物 - Google Patents

Description

チタン合金は、それらの低密度（鋼の密度の６０％）及びそれらの高強度について知られている。更に、チタン合金は、良好な耐食性を有することができる。純チタンは、アルファ（ｈｃｐ）結晶構造を有する。

広くは、本出願は、チタン、アルミニウム、ニオビウム、バナジウム、及びモリブデン、任意にクロムから製造される新規ｂｃｃ（ベータ）材料（例えば、合金）であって、材料（「新規材料」）の固相線温度直下である体心立方（ｂｃｃ）固溶体構造の単相領域を有するものに関する。当業者に知られているように、また図１に示すように、体心立方格子（ｂｃｃ）単位格子は、立方体の８つの角のそれぞれに原子を有し、更に立方体の中心に１つの原子を有する。角の原子のそれぞれは別の立方体の角にあり、これにより、角の原子は８つの単位格子の間で互いに共有される。本明細書で記載される独自の構成故に、新規材料は、材料の固相線温度直下である、ｂｃｃ固溶体構造の単相領域を実現し得る。新規材料はまた、高い液相点及び狭い平衡凝固温度範囲（例えば、凝固中のミクロ偏析を制限するため）を有してもよく、粉末冶金、形鋼鋳造、付加製造、及びこれらの組み合わせ（ハイブリッド処理）と同様に、従来のインゴット処理を介して、新規材料を生成に関して好適にする。

新規材料は一般にｂｃｃ結晶構造を有し、４～８重量％のＡｌと、４～８重量％のＮｂと、４～８重量％のＶと、１～５重量％のＭｏと、任意に２～６重量％のＣｒと、を含み、残部は、チタン、任意の不定要素、及び不可避不純物であり、本材料は、ｂｃｃ結晶構造を実現するのに十分な量のチタン、アルミニウム、ニオビウム、バナジウム、モリブデン、及び任意のクロムを含む。アルファ相（ｈｃｐ）のいくらかの小画分が、合金における低温での固体相変態を通して存在してもよい。以下の表は、有用な新規合金材料のいくつかの非限定的な例を提供する。

本明細書で使用する場合、「合金要素」は、合金のアルミニウム、ニオビウム、バナジウム、モリブデン、クロム（使用される場合）、及びチタンの要素であり、本明細書で定義される組成限界内にあるものを意味する。本明細書で使用する場合、「不定要素」は、数ある中でも、ケイ素、鉄、イットリウム、エルビウム、炭素、酸素、及びホウ素などの、合金で使用することができる、粒界改質剤、鋳造助剤、及び／又は粒構造制御材などを含む。このような材料は、安定した固溶体強化マトリックスをもたらす低ベータトランザス温度を有してもよい。一実施形態では、新規合金のベータトランザス温度は、８５０℃以下である。一実施形態では、本材料は、任意に、高温での追加の析出物を誘導するのに十分な量の以下の要素のうちの１つ以上を含んでもよい：
・Ｓｉ：最大１重量％
・Ｆｅ：最大２重量％
・Ｙ：最大１重量％
・Ｅｒ：最大１重量％
・Ｃ：最大０．５重量％
・Ｏ：最大０．５重量％
・Ｂ：最大０．５重量％
材料中のこのような任意の追加の要素（複数可）の量は、強化析出物の生成を誘導するのに十分であるべきである一方、このような任意の追加の要素（複数可）の量はまた、一次相粒子を回避するために制限されるべきである。

上述のように、新規材料は、８５０℃以下のベータ（β）トランザム温度を有してもよい。表１～２は、本発明の２つの合金についての、液相線、固相線、平衡凝固範囲、非平衡凝固範囲、ベータトランザス、ソルバス、析出相及び密度のいくつかの非限定的な例を提供する。１つの非発明合金（Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ）は、比較の目的のために含まれる。

示すように、本発明の２つの合金のベータ（β）トランザス温度は８５０℃を下回るが、一方従来技術のＴｉ－６Ａｌ－４Ｖ合金は、９９５℃のベータ（β）トランザス温度を有する。本発明の２つの合金はまた、製造中の熱間割れ及びマイクロ偏析を最小化するための合理的平衡及び非平衡凝固範囲も示す。

図２ａは、Ｔｉ－３Ｍｏ－６Ｎｂ－６Ｖ－ＸＡｌ合金の平衡相領域を示す。合金の凝固範囲は、Ａｌ含有量によって影響を受けない。ｈｃｐ（α）の安定性は、Ａｌ含有量が高くなるほど増大する。しかしながら、Ｔｉ_３Ａｌ（α２）の安定性もまた、Ａｌ含有量が高くなるほど増大する。Ｔｉ_３Ａｌ（α２）の増加量は、合金の延性を低下させることがある。一実施形態では、合金は少なくとも４．５重量％のＡｌを含む。別の実施形態では、合金は少なくとも５．０重量％のＡｌを含む。一実施形態では、合金は７．５重量％以下のＡｌを含む。別の実施形態では、合金は７．０重量％以下のＡｌを含む。１つのアプローチでは、合金は５～７重量％のＡｌを含む。

図２ｂは、Ｔｉ－６Ａｌ－３Ｍｏ－６Ｎｂ－ＸＶ合金の平衡相領域を示す。合金の凝固範囲は、Ｖ含有量によって影響を受けない。ベータ（β）の安定性は、Ｖ含有量が高くなるほど増大する。しかしながら、Ｔｉ_３Ａｌ（α２）の安定性もまた、Ｖ含有量が高くなるほど増大する。Ｔｉ_３Ａｌ（α２）の増加量は、合金の延性を低下させることがある。一実施形態では、合金は少なくとも４．５重量％のＶを含む。別の実施形態では、合金は少なくとも５．０重量％のＶを含む。一実施形態では、合金は７．５重量％以下のＶを含む。別の実施形態では、合金は７．０重量％以下のＶを含む。１つのアプローチでは、合金は５～７重量％のＶを含む。

図２ｃは、Ｔｉ－６Ａｌ－３Ｍｏ－６Ｖ－ＸＮｂ合金の平衡相領域を示す。ニオビウムは、ベータ（β）及びＴｉ_３Ａｌ（α２）の相安定性に及ぼす、バナジウムと同様な効果を有する。一実施形態では、合金は少なくとも４．５重量％のＮｂを含む。別の実施形態では、合金は少なくとも５．０重量％のＮｂを含む。一実施形態では、合金は７．５重量％以下のＮｂを含む。別の実施形態では、合金は７．０重量％以下のＮｂを含む。１つのアプローチでは、合金は５～７重量％のＮｂを含む。

図２ｄは、Ｔｉ－６Ａｌ－６Ｖ－６Ｎｂ－ＸＭｏ合金の平衡相領域を示す。Ｍｏ含有量のベータ（β）及びＴｉ_３Ａｌ（α２）の相安定性に及ぼす効果は、Ｖ及びＮｂのものと同様である。一実施形態では、合金は少なくとも１．５重量％のＭｏを含む。別の実施形態では、合金は少なくとも２．０重量％のＭｏを含む。一実施形態では、合金は４．５重量％以下のＭｏを含む。別の実施形態では、合金は４．０重量％以下のＭｏを含む。一実施形態では、合金は２～４重量％のＭｏを含む。

図２ｅは、Ｔｉ－６Ａｌ－６Ｖ－６Ｎｂ－３ＭｏーＸＣｒ合金の平衡相領域を示す。クロムの添加は、ベータ（β）相を安定化し続け、即ち、より低いベータトランザス温度を容易にする。Ｔｉ_３Ａｌ（α２）及びｈｃｐ（α）相の両方が、約３重量％超のＣｒのクロム含有量について、クロム含有量の増加に伴って不安定化されることも着目される。一実施形態では、合金は少なくとも２．５重量％のＣｒを含む。別の実施形態では、合金は少なくとも３．０重量％のＣｒを含む。一実施形態では、合金は５．５重量％以下のＣｒを含む。別の実施形態では、合金は５．０重量％以下のＣｒを含む。一実施形態では、合金は３～５重量％のＣｒを含む。

１つのアプローチでは、またここで図３を参照すると、新規材料の生成方法は、（１００）Ｔｉ、Ａｌ、Ｖ、Ｎｂ、Ｍｏ、任意にＣｒを含み、かつ上記の組成物の範囲にある混合物を、混合物の液相線温度を超えて加熱し、それにより、液体を形成する工程と、（２００）液相線温度を超える温度から固相線温度未満の温度へと混合物を冷却する工程であって、冷却故に、混合物はｂｃｃ（体心立方格子）固溶体構造（潜在的にミクロ偏析故のその他の相を伴う）を有する固体生成物を形成し、かつ本混合物は、ｂｃｃ固溶体構造を実現するのに十分な量のＴｉ、Ａｌ、Ｖ、Ｎｂ、及びＭｏ、任意にＣｒを含む、冷却する工程と、（３００）固体生成物を混合物の析出相（複数可）のソルバス温度未満の温度へと冷却し、それにより、固体生成物のｂｃｃ固溶体構造内に１つ以上の析出相を形成する工程であって、混合物は、ｂｃｃ固溶体構造内に析出相（複数可）を実現するのに十分な量のＴｉ、Ａｌ、Ｖ、Ｎｂ、及びＭｏ、任意にＣｒを含む、形成する工程と、を含む。一実施形態では、ｂｃｃ固溶体は液体を形成する第１の相である。

一実施形態では、本材料の制御冷却を用いて、適切な最終生成物の実現を容易にする。例えば、本方法は、（４００）混合物を周囲温度へと冷却する工程を含んでもよく、また本方法は、工程（４００）の終了の際に、即ち、周囲温度に到達した際に、クラックフリー（crack-free）インゴットが実現されるように、少なくとも冷却工程（３００）及び（４００）の間にわたる冷却速度を制御することを含んでもよい。例えば、適切な水冷鋳型を使用して制御冷却を行ってよい。

本発明で使用する場合、「インゴット」とは任意の形状の鋳造品を意味する。用語「インゴット」はビレットを含む。本発明で使用する場合、「クラックフリーインゴット」とは、二次加工インゴットとして使用することが可能となるように、十分に亀裂を含まないインゴットを意味する。本発明で使用する場合、「二次加工インゴット」とは、最終生成物へのその後の加工に適したインゴットを意味する。その後の加工は、例えば、圧延加工、鍛造、押出成形のいずれかを介した熱間加工及び／又は冷間加工、並びに圧縮及び／又は延伸による応力除去を含んでよい。

一実施形態では、クラックフリーインゴットなどのクラックフリー生成物を処理して、適切に、本材料から最終鍛錬品を得てよい。例えば、またここで図３～４を参照すると、上記の図３の工程（１００）～（４００）は、図４に示す鋳造工程（１０）と考えられ、上述したクラックフリーインゴットをもたらす。その他の実施形態では、クラックフリー生成物は、例えば、形鋼鋳造、付加製造又は粉末冶金により生成されたクラックフリー予備成形物であってよい。いずれの場合も、クラックフリー生成物を更に処理して、任意に１つ以上の析出相（複数可）をその内部に伴う、ｂｃｃ固溶体構造を有する鍛錬最終品を得てもよい。この更なる処理は、後述の溶解（２０）工程及び加工（３０）工程の任意の組み合わせを含んで、適切に、最終生成物の形態を得てよい。一度最終生成品の形態が実現すると、本材料は析出硬化（４０）して、強化析出物を発達させ得る。最終生成物の形態は、例えば、圧延加工品、押出加工品又は鍛造品であってよい。

引き続き図４を参照すると、鋳造工程（１０）の結果、インゴットは若干の第二相粒子を含んでよい。したがって、本方法は、１つ以上の溶解工程（２０）を含んでもよく、ここでインゴット、中間生成物の形態及び／又は最終生成物の形態が、適切な析出物（複数可）のソルバス温度を超えるが本材料のソルバス温度未満で加熱され、それにより、第二相粒子のいくつか又は全てを溶解する。溶解工程（２０）は、材料を十分な時間浸漬して、適用可能な第二相粒子を溶解することを含んでよい。浸漬後、その後の加工のために、材料を周囲温度まで冷却してよい。あるいは、浸漬後、加工工程（３０）を介して材料を直ちに熱間加工してよい。

加工工程（３０）は、一般に、インゴット及び／又は中間生成物を、熱間加工及び／又は冷間加工することを伴う。熱間加工及び／又は冷間加工は、例えば、材料の圧延加工、押出成形又は鍛造を含んでよい。加工（３０）は、いずれかの溶解工程（２０）の前及び／又は後に発生し得る。例えば、溶解工程（２０）の終了後、材料を周囲温度まで冷却させてもよく、また次に、熱間加工のために適切な温度へと再加熱してもよい。あるいは、材料を周囲温度付近で冷間加工してもよい。いくつかの実施形態では、材料を熱間加工し、周囲の環境まで冷却して、次に冷間加工してよい。更にその他の実施形態では、溶解工程（２０）の浸漬後に熱間加工を開始させてよく、これにより、熱間加工のために生成物の再加熱を必要としない。

加工工程（３０）は、第二相粒子の析出をもたらし得る。この関連で、任意の数の加工後溶解工程（２０）を利用して、適切に、加工工程（３０）により形成され得た第二相粒子のいくつか又は全てを溶解することができる。

いずれかの適切な溶解（２０）及び加工（３０）工程の後、最終生成品の形態を析出硬化（４０）させてよい。析出硬化（４０）は、適用可能なソルバス温度（複数可）を超える温度へと最終生成物の形態を十分な時間加熱して、加工故に析出した、少なくとも若干の第二相粒子を溶解することを含んでもよく、また次に、適用可能なソルバス温度（複数可）未満の温度へと最終生成物の形態を急冷し、それにより、析出物粒子を形成する。析出硬化（４０）は、強化析出物を形成するのに十分な時間にわたり、目標温度にて生成物を保持すること、及び次に、生成物を周囲温度へと冷却し、それにより、その内部に強化析出物を有する最終熱処理生成物を実現すること、を更に含む。一実施形態では、最終熱処理生成物は≧０．５容積％の強化析出物を含有する。強化析出物は、ｂｃｃ固溶体構造のマトリックス内に位置していることが好ましく、それにより、転位による相互作用を介して生成物に強度を付与する。

新規材料の構造及び組成故に、新規材料は、とりわけ密度、延性、強度、破壊靭性のうち、少なくとも２つの向上した組み合わせなどの、向上した性質の組み合わせを実現し得る。これにより、新たな材料は、低温用途における使用（例えば、自動車又は航空宇宙部品用などの低温車両用途）などの様々な用途に使用を見出すことができる。

上記の新規材料を、形鋼鋳造品又は予備成形物を生成するために使用することもできる。形鋼鋳造品は、鋳造プロセス後に、それらの最終生成物又は最終に近い生成物を達成するような生成物である。本新規材料は、任意の所望の形状へと形鋼鋳造されてよい。一実施形態では、本新規材料は、自動車用又は航空宇宙用の構成要素へと形鋼鋳造される（例えば、エンジン構成要素へと形鋼鋳造される）。鋳造後、上記のように、形鋼鋳造品に任意の適切な溶解（２０）又は析出硬化（４０）工程を施してもよい。一実施形態では、形鋼鋳造品は、Ｔｉ、Ａｌ、Ｖ、Ｎｂ、及びＭｏ、任意にＣｒから本質的になり、かつ上記の組成物の範囲内にある。一実施形態では、形鋼鋳造品は≧０．５容積％の強化析出物を含む。

本特許出願は、一般に、上記に列挙した１つ以上の析出相（複数可）をその内部に有するｂｃｃマトリックス合金材料に関して記載されている一方で、その他の硬化相が新規ｂｃｃマトリックス合金材料に適用可能であってもよく、また全てのこのような硬化相（凝集性又は非凝集性）は、本明細書に記載されたｂｃｃ材料において有用性を見出し得る、と理解されている。

＜新規材料の付加製造＞
付加製造により、上記の新規材料を製造することもまた可能である。本発明で使用する場合、「付加製造」とは、ＡＳＴＭ Ｆ２７９２－１２ａ、表題「Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｒｍｉｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ Ａｄｄｉｔｉｖｅｌｙ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ」に記載のとおり、「減法的な製造方法論とは対照的に、通常、何重にも重ねて材料を接合して、３Ｄモデルデータから対象物を作製するプロセス」である。このＡＳＴＭ規格に記載されている、とりわけ結合剤噴霧、指向性エネルギー堆積、材料の押出成形、材料の噴霧、粉末層の融着、又は薄板積層などの、任意の適切な付加製造技術を介して、本新規材料を製造してよい。

一実施形態では、付加製造プロセスは、１種以上の粉末の連続層を堆積させること、また次に、粉末を選択的に溶融する及び／又は焼結して、層ごとに付加製造体（生成物）を生じさせること、を含む。一実施形態では、付加製造プロセスは、とりわけ１つ以上の選択的レーザ焼結法（Selective Laser Sintering、ＳＬＳ）、選択的レーザ溶融法（Selective Laser Melting、ＳＬＭ）、及び電子ビーム溶解法（Electron Beam Melting、ＥＢＭ）を使用する。一実施形態では、付加製造プロセスは、ＥＯＳ ＧｍｂＨ（Ｒｏｂｅｒｔ－Ｓｔｉｒｌｉｎｇ－Ｒｉｎｇ１，８２１５２クライリング／ミュンヘン、ドイツ）から入手可能な、ＥＯＳＩＮＴ Ｍ２８０直接金属レーザ焼結（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔａｌ Ｌａｓｅｒ Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ、ＤＭＬＳ）付加製造システム、又は同等のシステムを使用する。

一例として、粉末又はワイヤなどの供給原料は、合金要素及びいずれかの任意の不定要素を含み（又はそれらから本質的になり）、かつ上記の組成物の範囲内にて付加製造装置で使用され、所望により析出相（複数可）を伴うｂｃｃ固溶体構造を含む、付加製造体を生成してもよい。いくつかの実施形態では、付加製造体はクラックフリー予備成形物である。本材料の液相線温度を超えて粉末を選択的に加熱し、それにより、合金要素及びいずれかの任意の不定要素を有する溶融池を形成し、続いて溶融池を高速凝固させてよい。

上記のように、付加製造を使用して、例えば金属粉末層を介することにより、層ごとに金属製品（例えば、合金製品）を生成してよい。一実施形態では、金属粉末層を使用して生成物（例えば、必要に応じて調整された合金製品）を生成する。本発明で使用する場合、「金属粉末層」などとは、金属粉末を含む層を意味する。付加製造の間、同一の又は異なった組成物の粒子が溶融（例えば、急速溶融）し、また次に、（例えば、均質混合の不存在下で）再凝固し得る。したがって、均質又は非均質な微細構造を有する生成物を生成してよい。付加製造体を製造する方法の一実施形態は、（ａ）合金要素及びいずれかの任意の不定要素を含む粉末を分散させることと、（ｂ）粉末の一部を、形成される特定の本体の液相線温度を超える温度へと（例えば、レーザを介して）選択的に加熱することと、（ｃ）合金要素及びいずれかの任意の不定要素を有する溶融池を形成することと、に（ｄ）溶融池を少なくとも毎秒１０００℃の冷却速度で冷却することと、を含んでもよい。一実施形態では、冷却速度は、少なくとも毎秒１０，０００℃である。別の実施形態では、冷却速度は、少なくとも毎秒１００，０００℃である。別の実施形態では、冷却速度は、少なくとも毎秒１，０００，０００℃である。必要に応じて、本体が完成するまで、即ち、最終付加製造体が形成される／完成するまで、工程（ａ）～（ｄ）を繰り返してもよい。ｂｃｃ固溶体構造を含み、所望により、その内部に析出相（複数可）を伴う最終付加製造体は、複雑な形状であってもよい、又は単純な形状（例えば、薄板又は平板の形態）であってもよい。生成後又は生成中に、（例えば、１種以上の圧延加工、押出加工、鍛造、延伸、圧縮により）付加製造生成物を変形させてよい。

新規材料の付加製造に使用される粉末は、新規材料の材料（例えば、インゴット又は融成物）を、使用される付加製造プロセスに対して適切な寸法の粉末へと微粒化することにより、生成してよい。本発明で使用する場合、「粉末」とは、複数の粒子含む材料を意味する。粉末を粉末層に使用し、付加製造を介して、必要に応じて調整された合金製品を生成してよい。一実施形態では、同様の一般的な粉末が、金属製品を生成するための付加製造工程にわたって使用される。例えば、必要に応じて調整された最終金属製品は、通常、付加製造プロセスの間に同一の金属粉末を使用することにより生成された、単一領域／マトリックスを含んでよい。必要に応じて調整された最終金属製品は、あるいは、少なくとも２つの別個に生成された異なる領域を含んでよい。一実施形態では、異なる金属粉末層の種類が、金属製品を生成するために使用されてよい。例えば、第１金属粉末層は第１金属粉末を含んでよく、また第２金属粉末層は第１金属粉末とは異なる第２金属粉末を含んでよい。第１金属粉末層を使用して、第１の層又は合金製品の一部を生成してよく、また第２金属粉末層を使用して、第２の層又は合金製品の一部を生成してよい。本発明で使用する場合、「粒子」とは、粉末層の粉末における使用に好適な寸法（例えば、５マイクロメートル～１００マイクロメートルの寸法）を有する、物質の微細な断片を意味する。粒子は、例えば微粒化を介して生成されてよい。

上記のように、付加製造体に任意の適切な溶解工程（２０）、加工工程（３０）及び／又は析出硬化（４０）工程を施してもよい。実施する場合には、溶解（２０）工程及び／若しくは加工（３０）工程を付加製造体の中間体形態に実施してよい、並びに／又は付加製造体の最終形態に実施してよい。実施する場合には、析出硬化工程（４０）は、通常、付加製造体の最終形態に対して実施される。一実施形態では、付加製造体は、所望により、≧０．５容積％の析出相（複数可）をその内部に伴う上記の材料組成物のいずれかなどの、合金要素並びにいずれかの不定要素及び不純物から本質的になる。

別の実施形態では、本新規材料は、その後の加工のための予備成形物である。予備成形物は、インゴット、形鋼鋳造品、付加製造生成物、又は粉末冶金生成物であってよい。一実施形態では、予備成形物は、最終生成物の所望の最終形状に近い形状であるが、予備成形物は、その後の加工を可能にするように設計され、最終生成物の形状を得る。したがって、例えば鍛造、圧延加工、又は押出成形により予備成形物が加工（３０）され、中間生成物又は最終生成物を生成してもよく、上記のように、中間生成物又は最終生成物に任意の更なる適切な溶解工程（２０）、加工工程（３０）及び／又は析出硬化工程（４０）を施して、最終生成物を得てもよい。一実施形態では、加工は、成形品を圧縮さるための熱間静水圧圧縮成形（ヒッピング）を含む。一実施形態では、合金予備成形物を圧縮してもよく、また気孔率を低下させてもよい。一実施形態では、ヒッピング温度は、合金予備成形物の初期融点未満に維持される。一実施形態では、予備成形物は、ニアネットシェイプ生成物であり得る。

１つのアプローチでは、電子ビーム（ＥＢ）又はプラズマアーク技術を利用して、付加製造体の少なくとも一部を生成する。電子ビーム技術は、レーザ付加製造技術を介して容易に生成されるものよりも、より大きい成形品の生成を促進する。一実施形態では、方法は、電子ビーム銃のワイヤ供給装置部分に小径のワイヤ（例えば、直径で≦２．５４ｍｍ）を供給することを含む。ワイヤは、上記の組成物からなるものであってよい。電子ビーム（ＥＢ）は、形成される本体の液相線点を超えてワイヤを加熱し、続いて、溶融池の高速凝固（例えば、少なくとも毎秒１００℃）させて、析出材料を形成する。従来のインゴットプロセスにより、又は粉末固化プロセスにより、ワイヤを作製することができる。必要に応じて、最終生成物が生成されるまで、これらの工程を繰り返してもよい。本明細書にて開示された合金と共に、プラズマアークワイヤ供給材料も同様に使用してもよい。一実施形態では、図示されてはいないが、電子ビーム（ＥＢ）又はプラズマアーク付加製造装置は、対応する複数の異なる放射線源と共に、複数の異なるワイヤを用いてもよく、ワイヤ及び源のそれぞれが供給されかつ作動して、合金要素及びいずれかの任意の不定要素を有する金属マトリックスを有する生成物を、適切に提供する。

別のアプローチでは、方法は、（ａ）１種以上の金属粉末を成形基材に向けて、又は成形基材上に選択的に吹付けること、（ｂ）放射線源を介して、形成される生成物の液相線温度を超えて、金属粉末、及び任意に成形基材を加熱し、それにより、溶融池を形成すること、（ｃ）溶融池を冷却し、それにより、金属製品の固体部分を形成することであって、冷却が、少なくとも毎秒１００℃の冷却速度での冷却を含む、形成すること、を含んでもよい。一実施形態では、冷却速度は、少なくとも毎秒１０００℃である。別の実施形態では、冷却速度は、少なくとも毎秒１０，０００℃である。冷却工程（ｃ）は、放射線源を溶融池から離すこと、及び／又は放射線源から離れた溶融池を有する成形基材を移動させることにより、行われてもよい。必要に応じて、金属製品が完成するまで、工程（ａ）～（ｃ）を繰り返してもよい。吹付け工程（ａ）は、１つ以上のノズルを介して行われてもよく、金属粉末の組成物は、金属マトリックスを有する調整された最終金属製品を適切に提供するために必要に応じて変更してもよく、金属マトリックスは合金要素及びいずれかの任意の不定要素を有する。加熱される金属粉末の組成物は、どの時点においても、異なるノズルにて異なる粉末を使用することにより、及び／又は任意の１つのノズルに実時間にて供給される粉末組成物（複数可）を変化させることにより、実時間で変更することができる。被加工物は、任意の好適な基材であることができる。一実施形態では、成形基材は、それ自体が金属製品（例えば、合金製品）である。

上記のように、溶着を使用して金属製品を生成（例えば、合金製品を生成）してもよい。一実施形態では、生成物は、異なる組成物の複数の金属構成要素の形態にて、前駆体材料に適用される溶融作用により、生成される。前駆体材料は、お互いに対して並列に存在してよく、溶融及び混合を同時に可能にする。一例では、電気アーク溶接の過程で溶融が発生する。別の例では、付加製造中に、レーザ又は電気ビームにより溶融を実施してよい。溶融作用は、溶融状態で混合した複数の金属構成要素、及び合金の形態でなどの金属製品の形成をもたらす。前駆体材料は、異なる組成物の金属又は金属合金の複数の細長いストランド若しくは繊維、又は第１組成物の細長いストランド若しくはチューブ、及び、例えば、１つ以上のクラッド層を有するチューブ又はストランド内に含有される第２組成物の隣接した粉末などの、複数の物理的に分離した形態の形にて提供されてよい。例えば、複数のストランド又は繊維又は外殻を伴うチューブを有する、ねじれたケーブル若しくはワイヤ又は編組ケーブル若しくは編組線、及びその内腔内に収容される粉末などの構造へと、前駆体材料を形成してよい。本構造は、次に、例えば、付加製造用の溶接電極又は供給原料として使用することにより、その一部分、例えば先端を溶融操作のために暴露するように処理されてよい。使用する場合、本構造及びその構成要素前駆体材料を溶融し、例えば、連続的なプロセス又は別個のプロセスにて、付加製造のために析出される、材料の溶接ビーズ又は溶接線又は溶接点を形成してよい。

一実施形態では、金属製品は、材料の間に挟入されかつ材料に接合される溶接体若しくは充填材である、又は溶接される材料である、例えば、少なくとも部分的に充填材が充填される開口を伴う、同一の若しくは異なる材料の２つの本体又は単一材料の本体である。別の実施形態では、充填材は溶接される材料に対して組成物が変化する融合部を示し、これにより、得られた組み合わせは合金製品であると考えることができる。
ｂｃｃ固溶体構造から本質的になる新規材料

上記の開示は、一般に、その内部に析出相（複数可）を有するｂｃｃ材料を生成する方法について記載している一方、ｂｃｃ固溶体構造から本質的になる材料を生成することもまた、可能である。例えば、前述したように、インゴット、鍛錬体、形鋼鋳造、又は付加製造体を生成した後、例えば溶解工程（２０）に対して記載された上記の方法により、本材料を均質化してよい。適切な急冷により、あらゆる第二相粒子の析出を抑制／制限してもよく、それにより、いずれの第二相粒子をも本質的に含まないｂｃｃ固溶体材料、即ち、ｂｃｃ固溶体構造から本質的になる材料を実現する。

＜合金特性＞
本新規材料は、向上した特性の組み合わせを実現し得る。このセクションでは、全ての機械的特性は、別途記載のない限り、長手（Ｌ）方向で測定される。

１つのアプローチでは、新規材料は、室温（ＲＴ）でＡＳＴＭ Ｅ８に従って試験される場合、少なくとも７１５ＭＰａの鋳抜き引張降伏強度（ＴＹＳ）を実現する。一実施形態では、新規材料は、少なくとも７３５ＭＰａのＲＴでの鋳抜きＴＹＳを実現することができる。別の実施形態では、新規材料は、少なくとも７５５ＭＰａのＲＴでの鋳抜きＴＹＳを実現することができる。更に別の実施形態では、新規材料は、少なくとも７７５ＭＰａのＲＴでの鋳抜きＴＹＳを実現することができる。別の実施形態では、新規材料は、少なくとも７９５ＭＰａのＲＴでの鋳抜きＴＹＳを実現することができる。更に別の実施形態では、新規材料は、少なくとも８１５ＭＰａのＲＴでの鋳抜きＴＹＳを実現することができる。別の実施形態では、新規材料は、少なくとも８３５ＭＰａのＲＴでの鋳抜きＴＹＳを実現することができる。更に別の実施形態では、新規材料は、少なくとも８５５ＭＰａのＲＴでの鋳抜きＴＹＳを実現することができる。別の実施形態では、新規材料は、少なくとも８７５ＭＰａのＲＴでの鋳抜きＴＹＳを実現することができる。更に別の実施形態では、新規材料は、少なくとも８９５ＭＰａのＲＴでの鋳抜きＴＹＳを実現することができる。別の実施形態では、新規材料は、少なくとも９１５ＭＰａのＲＴでの鋳抜きＴＹＳを実現することができる。更に別の実施形態では、新規材料は、少なくとも９３５ＭＰａのＲＴでの鋳抜きＴＹＳを実現することができる。別の実施形態では、新規材料は、少なくとも９４０ＭＰａのＲＴでの鋳抜きＴＹＳを実現することができる。クロムを採用すると、より高い強度を実現する場合がある。これらの実施形態のいずれかでは、新規材料は、少なくとも２．０％のＲＴでの鋳抜き伸びを実現することができる。これらの実施形態のいずれかでは、新規材料は、少なくとも４．０％のＲＴでの鋳抜き伸びを実現することができる。これらの実施形態のいずれかでは、新規材料は、少なくとも６．０％のＲＴでの鋳抜き伸びを実現することができる。これらの実施形態のいずれかでは、新規材料は、少なくとも８．０％のＲＴでの鋳抜き伸びを実現することができる。これらの実施形態のいずれかでは、新規材料は、少なくとも９．０％のＲＴでの鋳抜き伸びを実現することができる。

１つのアプローチでは、新規材料は、室温（ＲＴ）でＡＳＴＭ Ｅ８に従って試験される場合、少なくとも８８０ＭＰａの鋳抜き極限引張強度（ＵＴＳ）を実現することができる。一実施形態では、新規材料は、少なくとも８９０ＭＰａのＲＴでの鋳抜きＵＴＳを実現することができる。別の実施形態では、新規材料は、少なくとも９００ＭＰａのＲＴでの鋳抜きＵＴＳを実現することができる。更に別の実施形態では、新規材料は、少なくとも９１０ＭＰａのＲＴでの鋳抜きＵＴＳを実現することができる。別の実施形態では、新規材料は、少なくとも９２０ＭＰａのＲＴでの鋳抜きＵＴＳを実現することができる。更に別の実施形態では、新規材料は、少なくとも９３０ＭＰａのＲＴでの鋳抜きＵＴＳを実現することができる。別の実施形態では、新規材料は、少なくとも９４０ＭＰａのＲＴでの鋳抜きＵＴＳを実現することができる。更に別の実施形態では、新規材料は、少なくとも９５０ＭＰａのＲＴでの鋳抜きＵＴＳを実現することができる。別の実施形態では、新規材料は、少なくとも９６０ＭＰａのＲＴでの鋳抜きＵＴＳを実現することができる。更に別の実施形態では、新規材料は、少なくとも９７０ＭＰａのＲＴでの鋳抜きＵＴＳを実現することができる。別の実施形態では、新規材料は、少なくとも９８０ＭＰａのＲＴでの鋳抜きＵＴＳを実現することができる。これらの実施形態のいずれかでは、新規材料は、少なくとも２．０％のＲＴでの鋳抜き伸びを実現することができる。これらの実施形態のいずれかでは、新規材料は、少なくとも４．０％のＲＴでの鋳抜き伸びを実現することができる。これらの実施形態のいずれかでは、新規材料は、少なくとも６．０％のＲＴでの鋳抜き伸びを実現することができる。これらの実施形態のいずれかでは、新規材料は、少なくとも８．０％のＲＴでの鋳抜き伸びを実現することができる。これらの実施形態のいずれかでは、新規材料は、少なくとも９．０％のＲＴでの鋳抜き伸びを実現することができる。

（本文無し）

１つのアプローチでは、新規材料は、室温でＡＳＴＭ Ｅ８に従って試験される場合、熱処理条件において少なくとも１１００ＭＰａのＴＹＳを実現することができる。一実施形態では、新規材料は、少なくとも１１５０ＭＰａのＲＴでの熱処理条件におけるＴＹＳを実現することができる。別の実施形態では、新規材料は、少なくとも１２００ＭＰａのＲＴでの熱処理条件におけるＴＹＳを実現することができる。更に別の実施形態では、新規材料は、少なくとも１２５０ＭＰａのＲＴでの熱処理条件におけるＴＹＳを実現することができる。別の実施形態では、新規材料は、少なくとも１３００ＭＰａのＲＴでの熱処理条件におけるＴＹＳを実現することができる。更に別の実施形態では、新規材料は、少なくとも１３５０ＭＰａのＲＴでの熱処理条件におけるＴＹＳを実現することができる。別の実施形態では、新規材料は、少なくとも１４００ＭＰａのＲＴでの熱処理条件におけるＴＹＳを実現することができる。更に別の実施形態では、新規材料は、少なくとも１４５０ＭＰａのＲＴでの熱処理条件におけるＴＹＳを実現することができる。別の実施形態では、新規材料は、少なくとも１５００ＭＰａのＲＴでの熱処理条件におけるＴＹＳを実現することができる。これらの実施形態のいずれかでは、新規材料は、少なくとも１．０％のＲＴでの熱処理条件における伸びを実現することができる。これらの実施形態のいずれかでは、新規材料は、少なくとも２．０％のＲＴでの熱処理条件における伸びを実現することができる。これらの実施形態のいずれかでは、新規材料は、少なくとも３．０％のＲＴでの熱処理条件における伸びを実現することができる。これらの実施形態のいずれかでは、新規材料は、少なくとも４．０％のＲＴでの熱処理条件における伸びを実現することができる。これらの実施形態のいずれかでは、新規材料は、少なくとも５．０％のＲＴでの熱処理条件における伸びを実現することができる。

１つのアプローチでは、新規材料は、室温でＡＳＴＭ Ｅ８に従って試験される場合、熱処理条件において少なくとも１１００ＭＰａのＵＴＳを実現することができる。一実施形態では、新規材料は、少なくとも１１５０ＭＰａのＲＴでの熱処理条件におけるＵＴＳを実現することができる。別の実施形態では、新規材料は、少なくとも１２００ＭＰａのＲＴでの熱処理条件におけるＵＴＳを実現することができる。更に別の実施形態では、新規材料は、少なくとも１２５０ＭＰａのＲＴでの熱処理条件におけるＵＴＳを実現することができる。別の実施形態では、新規材料は、少なくとも１３００ＭＰａのＲＴでの熱処理条件におけるＵＴＳを実現することができる。更に別の実施形態では、新規材料は、少なくとも１３５０ＭＰａのＲＴでの熱処理条件におけるＵＴＳを実現することができる。別の実施形態では、新規材料は、少なくとも１４００ＭＰａのＲＴでの熱処理条件におけるＵＴＳを実現することができる。更に別の実施形態では、新規材料は、少なくとも１４５０ＭＰａのＲＴでの熱処理条件におけるＵＴＳを実現することができる。更に別の実施形態では、新規材料は、少なくとも１５００ＭＰａのＲＴでの熱処理条件におけるＵＴＳを実現することができる。これらの実施形態のいずれかでは、新規材料は、少なくとも１．０％のＲＴでの熱処理条件における伸びを実現することができる。これらの実施形態のいずれかでは、新規材料は、少なくとも２．０％のＲＴでの熱処理条件における伸びを実現することができる。これらの実施形態のいずれかでは、新規材料は、少なくとも３．０％のＲＴでの熱処理条件における伸びを実現することができる。これらの実施形態のいずれかでは、新規材料は、少なくとも４．０％のＲＴでの熱処理条件における伸びを実現することができる。これらの実施形態のいずれかでは、新規材料は、少なくとも５．０％のＲＴでの熱処理条件における伸びを実現することができる。

１つのアプローチでは、新規材料は、室温でＡＳＴＭ Ｅ８に従って試験される場合、同じ生成物形態及び熱処理条件のＴｉ－６Ａｌ－４Ｖ合金を上回る向上した特性を実現することができる。一実施形態では、新規材料は、同じ生成物形態及び熱処理条件のＴｉ－６Ａｌ－４Ｖ生成物と比べて、少なくとも５．０％高い室温でのＴＹＳを実現することができる。一実施形態では、新規材料は、同じ生成物形態及び熱処理条件のＴｉ－６Ａｌ－４Ｖ生成物と比べて、少なくとも１０％高いＲＴでのＴＹＳを実現することができる。一実施形態では、新規材料は、同じ生成物形態及び熱処理条件のＴｉ－６Ａｌ－４Ｖ生成物と比べて、少なくとも２０％高いＲＴでのＴＹＳを実現することができる。一実施形態では、新規材料は、同じ生成物形態及び熱処理条件のＴｉ－６Ａｌ－４Ｖ生成物と比べて、少なくとも２５％高いＲＴでのＴＹＳを実現することができる。一実施形態では、新規材料は、同じ生成物形態及び熱処理条件のＴｉ－６Ａｌ－４Ｖ生成物と比べて、少なくとも３０％高いＲＴでのＴＹＳを実現することができる。一実施形態では、新規材料は、同じ生成物形態及び熱処理条件のＴｉ－６Ａｌ－４Ｖ生成物と比べて、少なくとも３５％高いＲＴでのＴＹＳを実現することができる。極限引張強度についても、同様な結果を実現することができる。

１つのアプローチでは、新規材料は、６５０℃でＡＳＴＭ Ｅ２１に従って試験される場合、同じ生成物形態及び熱処理条件のＴｉ－６Ａｌ－４Ｖを上回る向上した特性を実現することができる。一実施形態では、新規材料は、同じ生成物形態及び６５０℃での熱処理条件のＴｉ－６Ａｌ－４Ｖ生成物と比べて、少なくとも１．０％高いＴＹＳを実現することができる。一実施形態では、新規材料は、同じ生成物形態及び６５０℃での熱処理条件のＴｉ－６Ａｌ－４Ｖ生成物と比べて、少なくとも２．０％高いＴＹＳを実現することができる。一実施形態では、新規材料は、同じ生成物形態及び６５０℃での熱処理条件のＴｉ－６Ａｌ－４Ｖ生成物と比べて、少なくとも３．０％高いＴＹＳを実現することができる。一実施形態では、新規材料は、同じ生成物形態及び６５０℃での熱処理条件のＴｉ－６Ａｌ－４Ｖ生成物と比べて、少なくとも４．０％高いＴＹＳを実現することができる。一実施形態では、新規材料は、同じ生成物形態及び６５０℃での熱処理条件のＴｉ－６Ａｌ－４Ｖ生成物と比べて、少なくとも５．０％高いＴＹＳを実現することができる。これらの実施形態のいずれかでは、新規材料は、等価の伸びでより高いＴＹＳを実現することができる。極限引張強度についても、同様な結果を実現することができる。

ｂｃｃ、ｆｃｃ、及びｈｃｐの単位格子を図解したものである。

Ｔｉ－３Ｍｏ－６Ｎｂ－６Ｖ－ＸＡｌ合金の平衡相領域に及ぼすＡｌ含有量の効果を示すグラフである。

Ｔｉ－６Ａｌ－３Ｍｏ－６Ｎｂ－ＸＶ合金の平衡相領域に及ぼすＶ含有量の効果を示すグラフである。

Ｔｉ－６Ａｌ－３Ｍｏ－６Ｖ－ＸＮｂの平衡相領域に及ぼすＶ含有量の効果を示すグラフである

Ｔｉ－６Ａｌ－６Ｖ－６Ｎｂ－ＸＭｏ合金の平衡相領域に及ぼすＭｏ含有量の効果を示すグラフである。

Ｔｉ－６Ａｌ－６Ｖ－６Ｎｂ－３Ｍｏ－ＸＣｒ合金の平衡相領域に及ぼすＣｒ含有量の効果を示すグラフである。

新規材料を生成する方法の一実施形態の流れ図である

１つ以上の析出物をその内部に伴うｂｃｃ固溶体構造を有する鍛錬品を得る方法の、一実施形態の流れ図である。

＜実施例１：本発明及び従来の合金の試験＞
本発明の２つの合金（Ｔｉ－６Ａｌ－３Ｍｏ－６Ｎｂ－６Ｖ、及びＴｉ－６Ａｌ－３Ｍｏ－６Ｎｂ－６Ｖ－４Ｃｒ）、及び従来のＴｉ－６Ａｌ－４Ｖ合金をアーク溶融鋳造によりロッド状に鋳造した。鋳造後に、鋳抜きの合金の機械的特性を、ＡＳＴＭ Ｅ８に従って測定し、その結果を表３～５に示す。Ｔｉ－６Ａｌ－３Ｍｏ－６Ｎｂ－６Ｖ、及びＴｉ－６Ａｌ－３Ｍｏ－６Ｎｂ－６Ｖ－４Ｃｒ合金の試料を、５００℃で８時間熱処理し、その後空冷した。次いで、熱処理した合金の機械的特性を試験し、その結果を以下の表４に示す。全ての報告された強度及び伸び特性は、長手（Ｌ）方向での試験からのものであった。機械的特性試験時に発生する応力ひずみ曲線から推定された靭性をも示す。６５０℃における引張特性もＴｉ－６Ａｌ－３Ｍｏ－６Ｎｂ－６Ｖ－４Ｃｒ合金について試験し、また以下の表５に提供される。

示すように、本発明の新規合金は、従来の合金と比べて向上した特性を実現した。

本明細書に記載された新技術の種々の実施形態を詳細に説明してきた一方で、それら実施形態の変更及び調節が当業者に対して発生することが、明らかである。しかし、このような変更及び調節が、本明細書にて開示する技術の趣旨及び範囲内にあることを、明確に理解すべきである。

Claims (24)

1. チタン合金であって、
   ４～８重量％のＡｌと、
   ４～８重量％のＮｂと、
   ４～８重量％のＶと、
   １～５重量％のＭｏと、
   任意に
   ２～６重量％のＣｒと、
   最大１重量％のＳｉと、
   最大２重量％のＦｅと、
   最大１重量％のＹと、
   最大１重量％のＥｒと、
   最大０．５重量％のＣと、
   最大０．５重量％のＯと、
   最大０．５重量％のＢと、を含み、残部が、Ｔｉ及び不可避不純物からなる、チタン合金。
2. 前記チタン合金が、８５０℃以下のベータトランザス温度を実現するのに十分な量の前記Ｔｉ、前記Ａｌ、前記Ｎｂ、前記Ｖ、前記Ｍｏ、及び前記任意のＣｒを含む、請求項１に記載のチタン合金。
3. 前記合金が、少なくとも５．０重量％のＡｌを含む、請求項１に記載のチタン合金。
4. 前記合金が、７．０重量％以下のＡｌを含む、請求項１に記載のチタン合金。
5. 前記合金が、少なくとも５．０重量％のＮｂを含む、請求項１に記載のチタン合金。
6. 前記合金が、７．０重量％以下のＮｂを含む、請求項１に記載のチタン合金。
7. 前記合金が、少なくとも５．０重量％のＶを含む、請求項１に記載のチタン合金。
8. 前記合金が、７．０重量％以下のＶを含む、請求項１に記載のチタン合金。
9. 前記合金が、少なくとも２．０重量％のＭｏを含む、請求項１に記載のチタン合金。
10. 前記合金が、４．０重量％以下のＭｏを含む、請求項１に記載のチタン合金。
11. 前記合金が、２～６重量％のＣｒを含む、請求項１に記載のチタン合金。
12. 前記合金が、少なくとも３．０重量％のＣｒを含む、請求項１１に記載のチタン合金。
13. 前記合金が、５．０重量％以下のＣｒを含む、請求項１１に記載のチタン合金。
14. 請求項１～１３のいずれか一項に記載のチタン合金のいずれかを含む合金体であって、前記合金体が付加製造製品の形態である、合金体。
15. （ａ）供給原料を付加製造装置内で使用する工程であって、前記供給原料が、
    ４～８重量％のＡｌと、
    ４～８重量％のＮｂと、
    ４～８重量％のＶと、
    １～５重量％のＭｏと、
    任意に
    ２～６重量％のＣｒと、
    最大１重量％のＳｉと、
    最大２重量％のＦｅと、
    最大１重量％のＹと、
    最大１重量％のＥｒと、
    最大０．５重量％のＣと、
    最大０．５重量％のＯと、
    最大０．５重量％のＢと、を含み、残部が、Ｔｉ及び不可避不純物からなるチタン合金である、使用する工程と、
    （ｂ）前記供給原料を用いて、前記付加製造装置内で金属製品を製造する工程と、を含む、方法。
16. 前記供給原料が粉末供給原料を含み、前記方法が、
    （ａ）前記粉末供給原料の金属粉末を層に分散させ、かつ／又は前記粉末供給原料の金属粉末を基材に向けて、若しくは基材上に吹付ける工程と、
    （ｂ）前記金属粉末の一部を、その液相線温度を超えて選択的に加熱し、それにより、溶融池を形成する工程と、
    （ｃ）前記溶融池を少なくとも毎秒１００℃の冷却速度で冷却することにより、前記金属製品の一部を形成する工程と、
    （ｄ）前記金属製品が完成するまで工程（ａ）～（ｃ）を繰り返す工程と、を含む、請求項１５に記載の方法。
17. 前記供給原料が、ワイヤ供給原料を含み、前記方法が、
    （ａ）放射線源を使用して、前記ワイヤ供給原料をその液相点を超えて加熱し、それにより、溶融池を生成する工程と、
    （ｂ）前記溶融池を１秒当たり少なくとも１０００℃の冷却速度で冷却する工程と、
    （ｃ）前記金属製品が完成するまで工程（ａ）～（ｂ）を繰り返す工程と、を含む、請求項１５に記載の方法。
18. 前記溶融池を冷却することにより、前記金属製品に、少なくとも１つの析出相が形成される、請求項１６又は１７に記載の方法。
19. 前記少なくとも１つの析出相が、Ｔｉ_３Ａｌを含む、請求項１８に記載の方法。
20. 前記金属製品が、少なくとも０．５容積％の前記析出相を含む、請求項１８又は１９に記載の方法。
21. 前記金属製品を加工する工程を含む、請求項１５に記載の方法。
22. 前記金属製品が最終付加製造体であり、前記加工する工程が前記最終付加製造体の加工である、請求項２１に記載の方法。
23. 前記金属製品を製造する工程は、
    前記供給原料を使用して前記金属製品の一部を製造する第１の製造工程と、
    前記供給原料を使用して前記金属製品の別の一部を製造する第２の製造工程と、を含み、
    前記加工する工程が、少なくとも前記第１又は第２の製造工程の後に行われる、請求項２１に記載の方法。
24. 前記加工する工程が、前記第１の製造工程と前記第２の製造工程との間で行われる、請求項２３に記載の方法。

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