JP7144840B2 - チタン合金、その製造方法およびそれを用いたエンジン部品 - Google Patents
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:0-4質量%、Si:0-2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合金が開示されている。特に、特許文献4の表1を参照すると、上記組成を満たし、Snを含有しないが、Gaを含有する実施例1~3の合金は、Snを含有するが、Gaを含有しない比較合金1および2の合金に比べて、試験温度750℃での耐酸化特性が優れていることを報告する。
Al:5%以上8%以下、
Nb:1%以上10%以下、
Zr:1%以上8%以下、
Mo:0%以上8%以下、
Sn:0%以上2%以下、および、
Si:0%以上1%以下
を含有し、残部がTiおよび不可避不純物からなり、α-Ti相とβ-Ti相とが交互に積層した針状組織を有し、これにより上記課題を解決する。
本発明のチタン合金は、質量%で、
Al:5%以上8%以下、
Nb:1%以上10%以下、
Zr:1%以上8%以下、
Mo:1%以上8%以下、
Sn:0.5%以上2%以下、および、
Si:0.1%以上1%以下
を含有し、残部がTiおよび不可避不純物からなってもよい。
本発明のチタン合金は、質量%で、
Al:5%以上7%以下、
Nb:1%以上5%以下、
Zr:1.5%以上6%以下、
Mo:0%以上4%以下、
Sn:0%以上2%以下、および、
Si:0%以上1%以下
を含有し、残部がTiおよび不可避不純物からなってもよい。
前記α-Ti相は、前記β-Ti相よりも多くてもよい。
前記β-Ti相は、前記α-Ti相に対して、体積%で、0.5%以上30%以下の範囲であってもよい。
前記α-Ti相の層の厚さは、100nm以上10μm以下の範囲であり、前記β-Ti相の層の厚さは、50nm以上5μm以下の範囲であり、前記α-Ti相の層の厚さは、前記β-Ti相の層の厚さよりも大きくてもよい。
前記針状組織は、ランダムに位置してもよい。
α2-Ti3Al相をさらに含有してもよい。
シリサイドをさらに含有してもよい。
前記シリサイドは、Ti5Si3相であってもよい。
本発明のチタン合金の製造方法は、質量%で、Al:5%以上8%以下、Nb:1%以上10%以下、Zr:1%以上8%以下、Mo:0%以上8%以下、Sn:0%以上2%以下、および、Si:0%以上1%以下を含有し、残部がTiおよび不可避不純物である材料を用いて溶解法によりインゴットを溶製するステップと、前記インゴットを、α+β2相域またはβ相域の温度において溶体化処理するステップと、前記溶体化処理されたインゴットをα+β2相域またはβ相域の温度において鍛造および/または圧延するステップと、鍛造または圧延された加工材料をβ相域の温度において熱処理するステップと、前記熱処理後の加工材料を0.001℃/秒以上100℃/秒以下の範囲の冷却速度で室温まで冷却するステップとを包含し、これにより上記課題を解決する。
前記溶体化処理するステップは、前記インゴットを800℃以上1100℃以下の温度範囲で溶体化処理してもよい。
前記溶体化処理するステップは、前記インゴットを30分以上24時間以下の時間範囲で、溶体化処理してもよい。
前記鍛造および/または圧延するステップは、前記インゴットを800℃以上1100℃以下の温度範囲で、変形量が50%以上となるように鍛造および/または圧延してもよい。
前記熱処理するステップは、前記加工材料を950℃より大きく1150℃以下の温度範囲で熱処理してもよい。
前記熱処理するステップは、前記加工材料を30分以上10時間以下の時間範囲で熱処理してもよい。
前記冷却するステップは、前記加工材料を0.1℃/秒以上30℃/秒以下の範囲の冷却速度で冷却してもよい。
前記冷却するステップに続いて、時効処理をするステップをさらに包含してもよい。
前記時効処理するステップは、前記加工材料を300℃以上800℃以下の温度範囲で30分以上10時間以下の時間時効処理してもよい。
本発明によるエンジン部品は、上述のチタン合金からなり、これにより上記課題を解決する。
本願発明者らは、耐酸化特性を向上させる元素のみを添加したチタン合金に着目し、チタン合金の組成ならびに組織制御により耐酸化特性およびクリープ特性の両方を向上させることに成功した。
アルミニウム(Al):5%以上8%以下、
ニオブ(Nb):1%以上10%以下、
ジルコニウム(Zr):1%以上8%以下、
モリブデン(Mo):0%以上8%以下、
スズ(Sn):0%以上2%以下、および、
ケイ素(Si):0%以上1%以下
を含有し、残部がチタン(Ti)および不可避不純物からなる。ここで、Mo、SnおよびSiを含まない場合も本発明の範囲内である。なお、不可避不純物の例としては、窒素(N)、イットリウム(Y)、ホウ素(B)、マグネシウム(Mg)、塩素(Cl)、銅(Cu)、水素(H)、炭素(C)等を挙げられ、原料中に含有する不可避不純物である。
本発明のチタン合金100は、好ましくは、質量%で、
Al:5%以上8%以下、
Nb:1%以上10%以下、
Zr:1%以上8%以下、
Mo:1%以上8%以下、
Sn:0.5%以上2%以下、および、
Si:0.1%以上1%以下
を含有し、残部がTiおよび不可避不純物からなってもよい。この場合も、上述した針状組織130を有する。
Al:5%以上7%以下、
Nb:1%以上5%以下、
Zr:1.5%以上6%以下、
Mo:0%以上4%以下、
Sn:0%以上2%以下、および、
Si:0%以上1%以下
を含有し、残部がTiおよび不可避不純物からなってもよい。この場合も、上述した針状組織130を有する。
Al:5%以上6.5%以下、
Nb:1.5%以上4.5%以下、
Zr:1.5%以上4.5%以下、
Mo:0%以上4%以下、より好ましくは、1%以上4%以下、
Sn:0%以上2%以下、および、
Si:0%以上1%以下
を含有し、残部がTiおよび不可避不純物からなってもよい。この場合も、上述した針状組織130を有する。
例1~例6の試料は、次のようにして調製された。表1の組成を満たすよう、スポンジTi、Alペレット、Nb粒状原料、Zr粒状原料、Si粒状原料、および、Mo粒状原料を秤量し、高周波溶解によって溶解し、インゴットを溶製した(図2のステップS210)。次いで、得られたインゴットを1000℃で30分間、溶体化処理した(図2のステップS220)。その後、溶体化処理したインゴットを、900℃で鍛造および溝ロール圧延した(図2のステップS230)。このようにして、15mm角の棒状の加工材料を得た。加工材料を表1に示す温度で3時間、大気雰囲気中、熱処理した(図2のステップS240)。例1~例5については、熱処理後の加工材料を0.2℃/秒または20℃/秒の冷却速度で室温まで冷却した(図2のステップS250)。例6については、熱処理後の加工材料を水冷した。なお、水冷を冷却速度に換算すると、100℃/秒をはるかに超える。このようにして得た材料を、4mm×4mm×1mmのサイズに切断し、測定用の試料とした。例5および例6の試料の条件は、非特許文献2のそれと同一である。
図4は、例4の試料の組織を示すSEM像である。
図5は、例5の試料の組織を示すSEM像である。
図6は、例6の試料の組織を示すSEM像である。
110 α-Ti相
120 β-Ti相
130 針状組織
Claims (17)
- 質量%で、
Al:5%以上8%以下、
Nb:1%以上10%以下、
Zr:1%以上8%以下、および、
Mo:0%以上8%以下
を含有し、残部がTiおよび不可避不純物からなり、
α-Ti相とβ-Ti相とが交互に積層した針状組織を有し、
前記β-Ti相は、前記α-Ti相に対して、体積%で、0.5%以上30%以下の範囲であり、
前記α-Ti相の層の厚さは、100nm以上10μm以下の範囲であり、
前記β-Ti相の層の厚さは、50nm以上5μm以下の範囲であり、
前記α-Ti相の層の厚さは、前記β-Ti相の層の厚さよりも大きい、チタン合金。 - 質量%で、
Al:5%以上8%以下、
Nb:1%以上10%以下、
Zr:1%以上8%以下、および、
Mo:1%以上8%以下、
を含有し、残部がTiおよび不可避不純物からなる、請求項1に記載のチタン合金。 - 質量%で、
Al:5%以上7%以下、
Nb:1%以上5%以下、
Zr:1.5%以上6%以下、および、
Mo:0%以上4%以下、
を含有し、残部がTiおよび不可避不純物からなる、請求項1に記載のチタン合金。 - 前記β-Ti相は、前記α-Ti相に対して、体積%で、1%以上5%以下の範囲である、請求項1~3のいずれかに記載のチタン合金。
- 前記α-Ti相の層の厚さは、1μm以上6μm以下の範囲であり、
前記β-Ti相の層の厚さは、500nm以上1.5μm以下の範囲である、請求項1~4のいずれかに記載のチタン合金。 - 前記針状組織は、ランダムに位置する、請求項1~5のいずれかに記載のチタン合金。
- α2-Ti3Al相をさらに含有する、請求項1~6のいずれかに記載のチタン合金。
- 質量%で、Al:5%以上8%以下、Nb:1%以上10%以下、Zr:1%以上8%以下、および、Mo:0%以上8%以下を含有し、残部がTiおよび不可避不純物である材料を用いて溶解法によりインゴットを溶製するステップと、
前記インゴットを、α+β2相域またはβ相域の温度において溶体化処理するステップと、
前記溶体化処理されたインゴットをα+β2相域またはβ相域の温度において鍛造および/または圧延するステップと、
鍛造または圧延された加工材料をβ相域の温度において熱処理するステップと、
前記熱処理後の加工材料を0.001℃/秒以上100℃/秒以下の範囲の冷却速度で室温まで冷却するステップと
を包含する、請求項1に記載のチタン合金の製造方法。 - 前記溶体化処理するステップは、前記インゴットを800℃以上1100℃以下の温度範囲で溶体化処理する、請求項8に記載の製造方法。
- 前記溶体化処理するステップは、前記インゴットを30分以上24時間以下の時間範囲で、溶体化処理する、請求項8または9に記載の製造方法。
- 前記鍛造および/または圧延するステップは、前記インゴットを800℃以上1100℃以下の温度範囲で、変形量が50%以上となるように鍛造および/または圧延する、請求項8~10のいずれかに記載の製造方法。
- 前記熱処理するステップは、前記加工材料を950℃より大きく1150℃以下の温度範囲で熱処理する、請求項8~11のいずれかに記載の製造方法。
- 前記熱処理するステップは、前記加工材料を30分以上10時間以下の時間範囲で熱処理する、請求項8~12のいずれかに記載の製造方法。
- 前記冷却するステップは、前記加工材料を0.1℃/秒以上30℃/秒以下の範囲の冷却速度で冷却する、請求項8~13のいずれかに記載の製造方法。
- 前記冷却するステップに続いて、時効処理をするステップをさらに包含する、請求項8~14のいずれかに記載の製造方法。
- 前記時効処理するステップは、前記加工材料を300℃以上800℃以下の温度範囲で30分以上10時間以下の時間時効処理する、請求項15に記載の製造方法。
- 請求項1~7のいずれかに記載のチタン合金からなるエンジン部品。
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