JP7218428B2 - 付加製造のための高強度チタン合金 - Google Patents

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Description

本願は、チタン合金に関し、特に、付加製造用の高強度α－βチタン合金に関する。
チタン合金は、典型的には。高い強度重量比、優れた耐食性、及び高温特性を示す。したがって、チタン合金は、一般に航空宇宙産業で使用され、例えば様々な航空機用部品の製造などに使用される。
チタン合金は、比較的高価であり、航空宇宙仕様に適合する複雑な部品に機械加工するのが困難な場合がある。このため、航空宇宙産業では、必要な機械加工の量を低減することができる付加製造処理を含む、ネットシェイプ（又はニアネットシェイプ）技術（net-shape (or near net-shape) technologies）が開発されている。
Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖは、その延性と比較的高い引張強度及びせん断強度により、航空宇宙産業で使用される最も一般的なチタン合金のうちの１つである。多くの用途において、Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖの所望の機械特性は、ミル焼きなましが施された状態（mill annealed condition）で達成される。Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖは、溶体化時効処理（solution treated and aged (STA)）が施された状態においては、より高い強度を実現することができる。しかしながら、溶体化時効処理（ＳＴＡ）を施す場合、Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖの製造コストが高くなるだけでなく、その断面が比較的小さくなってしまう。さらに、溶体化時効処理（ＳＴＡ）を施してＴｉ－６Ａｌ－４Ｖの強度を増大させると、延性が損なわれることが多い。
このようなことから、チタン合金及び付加製造の分野においては、当業者による研究及び開発の努力が続けられている。
チタン合金は、５．５～６．５重量％のアルミニウム（Ａｌ）と；３．０～４．５重量％のバナジウム（Ｖ）と；１．０～２．０重量％のモリブデン（Ｍｏ）と；０．３～１．５重量％の鉄（Ｆｅ）と；０．３～１．５重量％のクロム（Ｃｒ）と；０．０５～０．５重量％のジルコニウム（Ｚｒ）と；０．２～０．３重量％の酸素（Ｏ）と；最大０．０５重量％の窒素（Ｎ）と；最大０．０８重量％の炭素（Ｃ）と；最大０．２５重量％のケイ素（Ｓｉ）と；残余チタンと、を含み（例えば、これらによって本質的に構成され）、構造的なアルミニウム当量［Ａｌ］eqの値は７．５～９．５重量％の範囲内であり、以下の式で定義され：
［Ａｌ］eq＝［Ａｌ］＋［Ｏ］×１０＋［Ｚｒ］／６、
構造的なモリブデン当量［Ｍｏ］eqの値は６．０～８．５重量％の範囲内であり、次の式で定義される：
［Ｍｏ］eq＝［Ｍｏ］＋［Ｖ］／１．５＋［Ｃｒ］×１．２５＋［Ｆｅ］×２．５。
粉末組成は、５．５～６．５重量％のアルミニウム（Ａｌ）と；３．０～４．５重量％のバナジウム（Ｖ）と；１．０～２．０重量％のモリブデン（Ｍｏ）と；０．３～１．５重量％の鉄（Ｆｅ）と；０．３～１．５重量％のクロム（Ｃｒ）と；０．０５～０．５重量％のジルコニウム（Ｚｒ）と；０．２～０．３重量％の酸素（Ｏ）と；最大０．０５重量％の窒素（Ｎ）と；最大０．０８重量％の炭素（Ｃ）と；最大０．２５重量％のケイ素（Ｓｉ）と；残余チタンと、を含み（例えば、これらによって本質的に構成され）、構造的なアルミニウム当量［Ａｌ］eqの値は７．５～９．５重量％の範囲内であり、以下の式で定義され：
［Ａｌ］eq＝［Ａｌ］＋［Ｏ］×１０＋［Ｚｒ］／６、
構造的なモリブデン当量［Ｍｏ］eqの値は６．０～８．５重量％の範囲内であり、次の式で定義される：
［Ｍｏ］eq＝［Ｍｏ］＋［Ｖ］／１．５＋［Ｃｒ］×１．２５＋［Ｆｅ］×２．５。
ワイヤは、５．５～６．５重量％のアルミニウム（Ａｌ）と；３．０～４．５重量％のバナジウム（Ｖ）と；１．０～２．０重量％のモリブデン（Ｍｏ）と；０．３～１．５重量％の鉄（Ｆｅ）と；０．３～１．５重量％のクロム（Ｃｒ）と；０．０５～０．５重量％のジルコニウム（Ｚｒ）と；０．２～０．３重量％の酸素（Ｏ）と；最大０．０５重量％の窒素（Ｎ）と；最大０．０８重量％の炭素（Ｃ）と；最大０．２５重量％のケイ素（Ｓｉ）と；残余チタンと、を含み（例えば、これらによって本質的に構成され）、構造的なアルミニウム当量［Ａｌ］eqの値は７．５～９．５重量％の範囲内であり、以下の式で定義され：
［Ａｌ］eq＝［Ａｌ］＋［Ｏ］×１０＋［Ｚｒ］／６、
構造的なモリブデン当量［Ｍｏ］eqの値は６．０～８．５重量％の範囲内であり、次の式で定義される：
［Ｍｏ］eq＝［Ｍｏ］＋［Ｖ］／１．５＋［Ｃｒ］×１．２５＋［Ｆｅ］×２．５。
付加製造用供給材料を製造するための方法は、５．５～６．５重量％のアルミニウム（Ａｌ）と；３．０～４．５重量％のバナジウム（Ｖ）と；１．０～２．０重量％のモリブデン（Ｍｏ）と；０．３～１．５重量％の鉄（Ｆｅ）と；０．３～１．５重量％のクロム（Ｃｒ）と；０．０５～０．５重量％のジルコニウム（Ｚｒ）と；０．２～０．３重量％の酸素（Ｏ）と；最大０．０５重量％の窒素（Ｎ）と；最大０．０８重量％の炭素（Ｃ）と；最大０．２５重量％のケイ素（Ｓｉ）と；残余チタンと、を組成に含む（例えば、これらによって本質的に構成された）チタン合金を粉末化するステップを含み、構造的なアルミニウム当量［Ａｌ］eqの値は７．５～９．５重量％の範囲内であり、以下の式で定義され：
［Ａｌ］eq＝［Ａｌ］＋［Ｏ］×１０＋［Ｚｒ］／６、
構造的なモリブデン当量［Ｍｏ］eqの値は６．０～８．５重量％の範囲内であり、次の式で定義される：
［Ｍｏ］eq＝［Ｍｏ］＋［Ｖ］／１．５＋［Ｃｒ］×１．２５＋［Ｆｅ］×２．５。
金属原材料から付加製造用供給材料を製造するための方法であって、前記金属原材料は、５．５～６．５重量％のアルミニウム（Ａｌ）と；３．０～４．５重量％のバナジウム（Ｖ）と；１．０～２．０重量％のモリブデン（Ｍｏ）と；０．３～１．５重量％の鉄（Ｆｅ）と；０．３～１．５重量％のクロム（Ｃｒ）と；０．０５～０．５重量％のジルコニウム（Ｚｒ）と；０．２～０．３重量％の酸素（Ｏ）と；最大０．０５重量％の窒素（Ｎ）と；最大０．０８重量％の炭素（Ｃ）と；最大０．２５重量％のケイ素（Ｓｉ）と；残余チタンと、を含み（例えば、これらによって本質的に構成されており）、構造的なアルミニウム当量［Ａｌ］eqの値は７．５～９．５重量％の範囲内であり、以下の式で定義され：
［Ａｌ］eq＝［Ａｌ］＋［Ｏ］×１０＋［Ｚｒ］／６、
構造的なモリブデン当量［Ｍｏ］eqの値は６．０～８．５重量％の範囲内であり、次の式で定義され：
［Ｍｏ］eq＝［Ｍｏ］＋［Ｖ］／１．５＋［Ｃｒ］×１．２５＋［Ｆｅ］×２．５，
前記金属原材料を粉砕して中間粉末を形成するステップ（１）と、前記中間粉末を球状化して前記付加製造用供給材料を形成するステップ（２）と、を含む。
付加製造用供給材料を製造するための方法は複数のステップを含み、これらのステップにおいては：（１）５．５～６．５重量％のアルミニウム（Ａｌ）と；３．０～４．５重量％のバナジウム（Ｖ）と；１．０～２．０重量％のモリブデン（Ｍｏ）と；０．３～１．５重量％の鉄（Ｆｅ）と；０．３～１．５重量％のクロム（Ｃｒ）と；０．０５～０．５重量％のジルコニウム（Ｚｒ）と；０．２～０．３重量％の酸素（Ｏ）と；最大０．０５重量％の窒素（Ｎ）と；最大０．０８重量％の炭素（Ｃ）と；最大０．２５重量％のケイ素（Ｓｉ）と；残余チタンと、を含む（例えば、これらによって本質的に構成された）インゴットを溶融し、その際、構造的なアルミニウム当量［Ａｌ］eqの値は７．５～９．５重量％の範囲内であり、以下の式で定義され：
［Ａｌ］eq＝［Ａｌ］＋［Ｏ］×１０＋［Ｚｒ］／６、
構造的なモリブデン当量［Ｍｏ］eqの値は６．０～８．５重量％の範囲内であり、次の式で定義され：
［Ｍｏ］eq＝［Ｍｏ］＋［Ｖ］／１．５＋［Ｃｒ］×１．２５＋［Ｆｅ］×２．５；
（２）β相及び／又はα－β相域の温度で前記インゴットを鍛造ビレットに変換し；（３）前記鍛造ビレットを機械加工し；（４）β相及び／又はα－β相域の加熱温度で熱間圧延を行って圧延素材を作製し；（５）５５０℃～７８８℃（１０２２°Ｆ～１４５０°Ｆ）の温度で少なくとも０．５時間にわたって前記圧延素材を焼きなましし、（６）線引加工により最大で約３．１７５ｍｍ（０．１２５インチ）の公称直径を有するワイヤを作製し；５５０℃～７８８℃（１０２２°Ｆ～１４５０°Ｆ）の温度で少なくとも０．５時間にわたってワイヤを焼きなましする。
付加製造用供給材料から部品を付加製造することを含む製造方法であって、前記付加製造用供給材料は、５．５～６．５重量％のアルミニウム（Ａｌ）と；３．０～４．５重量％のバナジウム（Ｖ）と；１．０～２．０重量％のモリブデン（Ｍｏ）と；０．３～１．５重量％の鉄（Ｆｅ）と；０．３～１．５重量％のクロム（Ｃｒ）と；０．０５～０．５重量％のジルコニウム（Ｚｒ）と；０．２～０．３重量％の酸素（Ｏ）と；最大０．０５重量％の窒素（Ｎ）と；最大０．０８重量％の炭素（Ｃ）と；最大０．２５重量％のケイ素（Ｓｉ）と；残余チタンと、を含み（例えば、これらによって本質的に構成されており）、構造的なアルミニウム当量［Ａｌ］eqの値は７．５～９．５重量％の範囲内であり、以下の式で定義され：
［Ａｌ］eq＝［Ａｌ］＋［Ｏ］×１０＋［Ｚｒ］／６、
構造的なモリブデン当量［Ｍｏ］eqの値は６．０～８．５重量％の範囲内であり、次の式で定義される：
［Ｍｏ］eq＝［Ｍｏ］＋［Ｖ］／１．５＋［Ｃｒ］×１．２５＋［Ｆｅ］×２．５。
本開示における付加製造のための高強度チタン合金、及びこれに関連する方法の他の態様は、以下の詳細な説明、添付図面、及び添付の請求の範囲から明らかになるであろう。
本開示のチタン合金で作製されたバーの製造を示すフロー図である。
付加製造用供給材料を製造するための本開示の方法のうちの１つを示すフロー図である。
付加製造用供給材料を製造するための本開示の方法のうちの他の１つを示すフロー図である。
付加製造用供給材料を製造するための本開示の方法のうちの他の１つを示すフロー図である。
本開示のチタン合金で作製されたバー材（直径＝１２．７ｍｍ（０．５インチ））の微細構造を示す図である。
本開示のチタン合金で作製されたバー材（直径＝１０１．６ｍｍ（４インチ））の微細構造を示す図である。
本開示のチタン合金で作製されたワイヤ（直径＝５．１８ｍｍ（０．２０４インチ））の微細構造を示す図である。
航空機の製造及び保守方法を示すフロー図である。
航空機を示すブロック図である。
付加製造のための高強度の鍛造チタン合金が開示される。本開示のチタン合金は、粉末状又は細いワイヤ状などの付加製造用供給材料として用意することができ、焼きなましが施された状態で高レベルの塑性特性を維持しつつ、生産能力と高い極限引張強度及び二面せん断強度とが効果的に釣り合う化学組成（chemistry）を有する。
本開示のチタン合金は、５．５～６．５重量％のアルミニウム（Ａｌ）と；３．０～４．５重量％のバナジウム（Ｖ）と；１．０～２．０重量％のモリブデン（Ｍｏ）と；０．３～１．５重量％の鉄（Ｆｅ）と；０．３～１．５重量％のクロム（Ｃｒ）と；０．０５～０．５重量％のジルコニウム（Ｚｒ）と；０．２～０．３重量％の酸素（Ｏ）と；最大０．０５重量％の窒素（Ｎ）と；最大０．０８重量％の炭素（Ｃ）と；最大０．２５重量％のケイ素（Ｓｉ）と；不可避不純物と；残余チタンと、を含み（例えば、これらによって本質的に構成され）、構造的なアルミニウム当量［Ａｌ］eqの値は７．５～９．５重量％の範囲内であり、以下の式で定義され：
［Ａｌ］eq＝［Ａｌ］＋［Ｏ］×１０＋［Ｚｒ］／６、
構造的なモリブデン当量［Ｍｏ］eqの値は６．０～８．５重量％の範囲内であり、次の式で定義される：
［Ｍｏ］eq＝［Ｍｏ］＋［Ｖ］／１．５＋［Ｃｒ］×１．２５＋［Ｆｅ］×２．５。
本開示のチタン合金は、焼きなましが施された状態で、直径が８ｍｍ～３１．７５ｍｍ（０．３１５インチ～１．２５インチ）、最低引張強度が１６５ｋｓｉ（１１３８ＭＰａ）、及び最低二面せん断強度が１００ｋｓｉ（６８９ＭＰａ）の円形圧延バーの形態で作製可能である。
本開示のチタン合金は、焼きなましが施された状態で、直径が３２ｍｍ～１０１．６ｍｍ（１．２５インチ～４インチ）、最低引張強度が１６０ｋｓｉ（１１０３ＭＰａ）、及び最低二面せん断強度が９５ｋｓｉ（６５５ＭＰａ）の円形圧延バーの形態で作製可能である。
本開示の機械特性を有する円形圧延バー（８ｍｍ～１０１．６ｍｍ（０．３１５インチ～４．０インチ））は、複数のステップを含む製造方法を用いて実現することができ、これらのステップにおいては：（１）５．５～６．５重量％のアルミニウム（Ａｌ）と；３．０～４．５重量％のバナジウム（Ｖ）と；１．０～２．０重量％のモリブデン（Ｍｏ）と；０．３～１．５重量％の鉄（Ｆｅ）と；０．３～１．５重量％のクロム（Ｃｒ）と；０．０５～０．５重量％のジルコニウム（Ｚｒ）と；０．２～０．３重量％の酸素（Ｏ）と；最大０．０５重量％の窒素（Ｎ）と；最大０．０８重量％の炭素（Ｃ）と；最大０．２５重量％のケイ素（Ｓｉ）と；不可避不純物と；残余チタンと、を含むチタン合金インゴットを溶融し、その際、構造的なアルミニウム当量［Ａｌ］eqの値は、７．５～９．５重量％の範囲内であり、以下の式で定義され：
［Ａｌ］eq＝［Ａｌ］＋［Ｏ］×１０＋［Ｚｒ］／６、
構造的なモリブデン当量［Ｍｏ］eqの値は６．０～８．５重量％の範囲内であり、次の式で定義され：
［Ｍｏ］eq＝［Ｍｏ］＋［Ｖ］／１．５＋［Ｃｒ］×１．２５＋［Ｆｅ］×２．５；
（２）β相及び／又はα－β相域の温度でインゴットを鍛造ビレットに変換し、（３）鍛造ビレットを機械加工し；（４）β相及び／又はα－β相域の加熱温度で熱間圧延を行って円形素材を作製し；（５）５５０℃～７８８℃（１０２２°Ｆ～１４５０°Ｆ）の温度で少なくとも０．５時間にわたって円形素材を焼きなましする。
図１を参照すると、円形圧延バーを製造するためのある特定の方法は、以下の化学組成を実現するために真空アーク炉においてインゴットを溶融するステップで開始される：５．５～６．５重量％のアルミニウム（Ａｌ）；３．０～４．５重量％のバナジウム（Ｖ）；１．０～２．０重量％のモリブデン（Ｍｏ）；０．３～１．５重量％の鉄（Ｆｅ）；０．３～１．５重量％のクロム（Ｃｒ）；０．０５～０．５重量％のジルコニウム（Ｚｒ）；０．２～０．３重量％の酸素（Ｏ）；最大０．０５重量％の窒素（Ｎ）；最大０．０８重量％の炭素（Ｃ）；最大０．２５重量％のケイ素（Ｓｉ）；不可避不純物；及び残余チタンからなる化学組成であって、構造的なアルミニウム当量［Ａｌ］eqの値は７．５～９．５重量％の範囲内であり、以下の式で定義され：
［Ａｌ］eq＝［Ａｌ］＋［Ｏ］×１０＋［Ｚｒ］／６、
構造的なモリブデン当量［Ｍｏ］eqの値は６．０～８．５重量％の範囲内であり、次の式で定義される：
［Ｍｏ］eq＝［Ｍｏ］＋［Ｖ］／１．５＋［Ｃｒ］×１．２５＋［Ｆｅ］×２．５。
さらに、β相及び／又はα－β相域の温度でインゴットを鍛造素材（ビレット）に変化させる。これにより、鋳放し状態の構造（as-cast structure）を除去して、以降の圧延のための金属構造体を用意すること、すなわち、等軸マクロ結晶粒（equiaxed macrograin）を有するビレットを作製することが容易になる。ガスリッチ層及び熱間加工に起因する表面欠陥を完全に除去するために、鍛造素材を機械加工する。そして、機械加工されたビレットに対して、β相及び／又はα－β相域の加熱温度での熱間圧延を行う。その後、５５０℃～７８８℃（１０２２°Ｆ～１４５０°Ｆ）の温度で少なくとも０．５時間にわたって圧延ビレットを焼きなまししてから室温まで冷却し、より平衡な構造を得るとともに内部応力を低減させる。圧延ビレットを機械加工することにより、スケール及びガスリッチ層を除去する。
本開示のチタン合金は、直径が最大１０ｍｍ（０．３９４インチ）の丸線ワイヤの形態で線引加工（drawing）により作製可能であり、当該ワイヤは、焼きなましが施された状態で、最低引張強度が１６８ｋｓｉ（１１５８ＭＰａ）であって、且つ最低二面せん断強度が１０３ｋｓｉ（７１０ＭＰａ）である。
本開示の機械特性を有するワイヤ（最大１０ｍｍ（０．３９４インチ））は、複数のステップを含む製造方法を用いて実現することができ、これらのステップにおいては：（１）５．５～６．５重量％のアルミニウム（Ａｌ）と；３．０～４．５重量％のバナジウム（Ｖ）と；１．０～２．０重量％のモリブデン（Ｍｏ）と；０．３～１．５重量％の鉄（Ｆｅ）と；０．３～１．５重量％のクロム（Ｃｒ）と；０．０５～０．５重量％のジルコニウム（Ｚｒ）と；０．２～０．３重量％の酸素（Ｏ）と；最大０．０５重量％の窒素（Ｎ）と；最大０．０８重量％の炭素（Ｃ）と；最大０．２５重量％のケイ素（Ｓｉ）と；不可避不純物と；残余チタンと、を含むチタン合金インゴットを溶融し、その際、構造的なアルミニウム当量［Ａｌ］eqの値は、７．５～９．５重量％の範囲内であり、以下の式で定義され：
［Ａｌ］eq＝［Ａｌ］＋［Ｏ］×１０＋［Ｚｒ］／６、
構造的なモリブデン当量［Ｍｏ］eqの値は６．０～８．５重量％の範囲内であり、次の式で定義される：
［Ｍｏ］eq＝［Ｍｏ］＋［Ｖ］／１．５＋［Ｃｒ］×１．２５＋［Ｆｅ］×２．５；
（２）β相及び／又はα－β相域の温度でインゴットを鍛造ビレットに変換し、（３）鍛造ビレットを機械加工し；（４）β相及び／又はα－β相域の加熱温度で熱間圧延を行って円形素材を作製し；（５）５５０℃～７８８℃（１０２２°Ｆ～１４５０°Ｆ）の温度で少なくとも０．５時間にわたって円形素材を焼きなましし、（６）線引加工によりワイヤを作製し、（７）５５０℃～７８８℃（１０２２°Ｆ～１４５０°Ｆ）の温度で少なくとも０．５時間にわたってワイヤを焼きなましする。
図２を参照すると、ワイヤを製造するためのある特定の方法は、以下の化学組成を実現するために真空アーク炉においてインゴットを溶融するステップで開始される：５．５～６．５重量％のアルミニウム（Ａｌ）；３．０～４．５重量％のバナジウム（Ｖ）；１．０～２．０重量％のモリブデン（Ｍｏ）；０．３～１．５重量％の鉄（Ｆｅ）；０．３～１．５重量％のクロム（Ｃｒ）；０．０５～０．５重量％のジルコニウム（Ｚｒ）；０．２～０．３重量％の酸素（Ｏ）；最大０．０５重量％の窒素（Ｎ）；最大０．０８重量％の炭素（Ｃ）；最大０．２５重量％のケイ素（Ｓｉ）；不可避不純物；及び残余チタンからなる化学組成であって、構造的なアルミニウム当量［Ａｌ］eqの値は７．５～９．５重量％の範囲内であり、以下の式で定義され：
［Ａｌ］eq＝［Ａｌ］＋［Ｏ］×１０＋［Ｚｒ］／６、
構造的なモリブデン当量［Ｍｏ］eqの値は６．０～８．５重量％の範囲内であり、次の式で定義される：
［Ｍｏ］eq＝［Ｍｏ］＋［Ｖ］／１．５＋［Ｃｒ］×１．２５＋［Ｆｅ］×２．５。
さらに、上記方法は、鍛造素材（ビレット）を製造して、β相及び／又はα－β相域の金属加熱温度で、加工されたビレットを圧延することを含む。圧延により圧延素材を作製し、当該圧延素材をコイルにする。内部応力を除去するために、コイルに対して５５０℃～７８８℃（１０２２°Ｆ～１４５０°Ｆ）の温度で焼きなましを行い、その後室温まで冷却する。
スケール及びガスリッチ層を除去するために、コイルに対して化学処理又は機械加工を行う。その後、圧延素材を線引加工することにより、直径が最大１０ｍｍ（０．３９４インチ）のワイヤを作製する。
内部応力を除去して構造平衡を高めるとともに、塑性特性を向上させるために、作製されたワイヤに対して５５０℃～７８８℃（１０２２°Ｆ～１４５０°Ｆ）の温度で焼きなましを行い、その後空気冷却する。焼きなましされたワイヤを必要なサイズにするために、当該ワイヤを化学処理又は機械加工する。
本開示のワイヤは、付加製造用供給材料として使用可能である。したがって、本開示のワイヤを付加製造用供給材料として使用して部品（例えば、航空機などのコンポーネント）を付加製造することにより、当該部品を作製することができる。例えば、本開示のワイヤを３次元プリンタに供給し、当該３次元プリンタに対して、本開示のワイヤを使用してネットシェイプ（又はニアネットシェイプ）の部品をプリントするための命令を与えることができる。
最大１０ｍｍ（０．３９４インチ）の公称直径を有するとともに付加製造に使用可能なワイヤが開示される。一例において、本開示のワイヤの公称直径は、最大で約３．１７５ｍｍ（０．１２５インチ）である。他の例において、本開示のワイヤの公称直径は、約０．１２７ｍｍ（０．００５インチ）～約３．１７５ｍｍ（０．１２５インチ）の範囲内である。他の例において、本開示のワイヤの公称直径は、約０．１２７ｍｍ（０．００５インチ）～約３ｍｍ（０．１１８インチ）の範囲内である。他の例において、本開示のワイヤの公称直径は、約１．２７ｍｍ（０．０５０インチ）～約１．７７８ｍｍ（０．０７０インチ）の範囲内である。さらに他の例において、本開示のワイヤの公称直径は、約１．５２４ｍｍ（０．０６０インチ）である。
本開示のチタン合金は、粉末の形態（粉末状）で作製可能である。例えば、本開示のチタン合金は、球状化した粉末の形態（球状粉末状）で作製可能である。
本開示の粉末は、付加製造用供給材料として使用可能である。したがって、本開示の粉末を付加製造用供給材料として使用して部品（例えば、航空機などのコンポーネント）を付加製造することにより、当該部品を作製することができる。例えば、本開示の粉末を３次元プリンタに供給し、当該３次元プリンタに対して、本開示の粉末を使用してネットシェイプ（又はニアネットシェイプ）の部品をプリントするための命令を与えることができる。
粉末状の付加製造用供給素材は、本開示の組成を有するチタン合金を粉末化することにより製造可能である。適切な粉末化技術の非限定的な具体例を開示しているが、当業者であれば、本開示の範囲から逸脱することなく他の様々な粉末化技術を用いることが可能であると理解するであろう。
図３を参照すると、粉末状の付加製造用供給材料１６は、粉砕－球状化プロセス１０を用いて金属原材料（metallic starting material）１４から製造することができる。金属原材料１４は、本開示のチタン合金組成を有する任意の金属材料とすることができる。例えば、金属原材料１４は、インゴット、本開示の円形圧延バーのうちの１つ以上、未使用部品／不要部品、切屑などであってもよい。
粉末状の付加製造用供給材料１６を製造するための本開示の粉砕－球状化プロセス１０は、中間粉末２６を形成するために金属原材料１４を粉砕するステップ２４を含みうる。粉砕２４により、金属原材料１４を所望の物理特性（例えば、所望の平均粒径及び分布）を有する粉末（中間粉末２６）に変化させることができる。所望の物理特性は、付加製造用供給材料１６の使用目的などの多くの要因によって異なりうる。
本開示の範囲から逸脱することなく、粉砕２４のために様々な技術を使用可能である。１つの非限定的な例として、粉砕２４は、遊星ミル（planetary mill）で実行可能である。他の非限定的な例として、粉砕２４は、ローラーミルで実行可能である。さらに他の非限定的な例として、粉砕２４は、ボールミルで実行可能である。遊星ミル、ローラーミル、及びボールミルは、特に付加製造に適した粒径分布を有する中間粉末２６を形成することができる。
粉砕２４は、中間粉末２６の粒径分布が、容易に密充填できるような分布となるように実行することができる。一例において、粉砕２４は、中間粉末２６の平均粒径が約５μｍ～約５００μｍの範囲内となるように実行することができる。他の例において、粉砕２４は、中間粉末２６の平均粒径が約１０μｍ～約１００μｍの範囲内となるように実行することができる。
任意ではあるが、粉砕２４によって形成された粉末は、所望の粒径分布となるようにふるい分け２８することができる。例えば、ふるい分け２８によって、粒径分布がより狭い中間粉末２６を得ることができ、これによって、付加製造された部品／物品の密度を増大させるとともに、その表面品質及び機械特性を向上させることができる。一例においては、ふるい分け２８により得られる中間粉末２６の粒径分布は、当該中間粉末２６の粒子の少なくとも４０％の粒径が、平均粒径の（＋／－）２０％以内である。他の例においては、ふるい分け２８により得られる中間粉末２６の粒径分布は、当該中間粉末２６の粒子の少なくとも６０％の粒径が、平均粒径の（＋／－）２０％以内である。さらに他の例においては、ふるい分け２８により得られる中間粉末２６の粒径分布は、当該中間粉末２６の粒子の少なくとも８０％の粒径が、平均粒径の（＋／－）２０％以内である。
任意ではあるが、金属原材料１４は、粉砕２４の前に水素化ステップ３０で水素化することにより、金属原材料１４をより脆く、且つ粉砕２４し易くすることもできる。例えば、水素化ステップ３０において、水素ガスの存在下（例えば、管状炉内）で一定期間（例えば、２４時間）にわたって金属原材料１４を高温（例えば６００～７００℃）に加熱することによって、金属原材料１４を水素化することができる。
水素化ステップ３０を実行する場合、これに対応する脱水素化ステップ３２も実行することができる。粉砕２４の後であって、且つ任意のふるい分け２８の前又は後に脱水素化３２を実行することにより、中間粉末２６を得ることができる。例えば、脱水素化３２は、真空下において一定期間（例えば７２時間）にわたって高温（例えば、５５０～７００℃）で実行することができる。
引き続き図３を参照すると、本開示の粉砕－球状化プロセス１０は、粉末状の付加製造用供給材料１６を得るために中間粉末２６を球状化３４することをさらに含みうる。したがって、粉末状の付加製造用供給材料１６の粒子は、実質的に球状であってもよい。本書における「球状」は、完全な球形である必要はなく、「実質的に球形」であることを意味する。
中間粉末２６の球状化３４は、本開示の範囲から逸脱することなく様々な技術を使用して実行することができる。ある特定の実施形態において、球状化３４は、誘導プラズマなどのプラズマに中間粉末２６の粒子を導入して、当該粒子を迅速に加熱及び溶融させた後に冷却することを含みうる。例えば、誘導プラズマを用いて中間粉末２６を球状化３４するために、カナダのケベック州を拠点とするTekna Plasma Systems社から商業的に入手可能なTEKSPHERO 200TMを使用可能である。
図４を参照すると、粉末状の付加製造用供給材料５０は、本開示のチタン合金組成を有するワイヤ５２で製造可能であり、具体的には、当該ワイヤ５２を微粒子化することにより付加製造用供給材料５０を形成することができる。ある特定の実施形態において、ワイヤ５２の微粒子化５４は、プラズマ微粒子化を含み、その際、プラズマにワイヤ５２を供給することにより、粉末状の付加製造用供給材料５０を形成することができる。上記以外の様々な微粒子化技術も想定されており、本開示の範囲から逸脱することなくこれらの技術を使用することができる。
本開示のチタン合金組成を有する粉末を形成するために様々な粉末化技術が開示されているが、合金化は、粉末レベルで起こりうることも想定されている。すなわち、粉末（又は、当該粉末で形成される結合体（consolidated mass））の作製においては、様々な粉末組成物を混合することにより本開示のチタン合金組成を有する粉末を得ることができる。
本開示のチタン合金は、高レベルの塑性特性を維持しつつ、高レベルの強度特性及び二面せん断強度を有し、粉末状、ワイヤ状、又は他の適切な形態で付加製造に使用することができる。
本開示のチタン合金は、高い加工特性及び構造特性を示すが、これらの特性は、合金元素の最適な選択、チタン合金におけるこれらの比率、及び熱機械処理の最適化されたパラメータによって実現することができる。
本開示のチタン合金は、α安定剤、中性強化剤、及びβ安定剤を含むα－βチタン合金からなる。
α安定剤のグループは、アルミニウム及び酸素などの元素で形成される。チタン合金にα安定剤を導入することにより、チタン固溶体の範囲を広げ、密度を低減するとともに、合金の弾性係数を向上させることができる。最も効率的な強化剤はアルミニウムであり、合金の強度対重量比を増大させるとともに、チタンの強度及び高温挙動を向上させることができる。合金におけるアルミニウム濃度が５．５重量％未満の場合、必要な強度を達成することができないが、濃度が６．５％を超えると、塑性が低減し、βトランザス温度（beta transus temperature (BTT)）が大幅に上昇するため望ましくない。酸素は、チタン同素変態（titanium allotropic transformation）の温度を上昇させる。０．２重量％～０．３重量％の範囲で酸素を含めることで、塑性を低下させることなく強度を高めることができる。合金に含まれる窒素の濃度が０．０５重量％以下であって、且つ、当該合金に含まれる炭素の濃度が０．０８重量％以下である場合、室温で塑性の低下に大きな影響はない。
本開示のチタン合金における中性強化剤は、ジルコニウムを含む。ジルコニウムは、αチタンとともに広範な固溶体を形成し、且つ同様の融点及び密度を有し、耐食性を向上させる。０．０５重量％から０．５重量％の範囲の濃度で含まれるジルコニウムは、α相の強度の向上による強度増大を促進するとともに、より肉厚の断面の素材を冷却する際の準安定状態（metastable state）の維持に有効な影響を及ぼす。
本開示のβ安定剤のグループは、同形β安定剤（isomorphous beta stabilizers）及び共析β安定剤（eutectoid beta stabilizers）からなる。
本開示のチタン合金の化学組成は、バナジウム及びモリブデンなどの同形β安定剤からなる。３．０重量％～４．５重量％の範囲の濃度のバナジウムにより、β相を確実に安定化させることができる。すなわち、この濃度のバナジウムにより、α相でのα２超格子（alpha2 superstructure）の形成を妨げるとともに、強度特性及び塑性特性を向上させることができる。１．０重量％～２．０重量％の範囲の濃度のモリブデンにより、α相において完全な溶解性を実現することができるため、塑性特性を低下させることなく高レベルの強度特性を実現することができる。モリブデンの濃度が２．０重量％を超えると、合金の比重が増加する一方で、合金の強度対重量比及び塑性特性が低下する。
本開示のチタン合金の化学組成はまた、共析β安定剤（Ｃｒ，Ｆｅ，Ｓｉ）によっても示される。
０．３重量％～１．５重量％の範囲で鉄を添加すると、β相の体積分率が増加し、合金の熱間加工中のひずみ抵抗が減少し、熱間加工に起因する欠陥を防ぐのに役立つ。鉄の濃度が１．５重量％を超えると、合金の溶融及び凝固中にβフレック（beta flecks）の形成を伴う偏析プロセスが起こり、構造及び機械特性の不均一、並びに耐食性の低下を招く。
クロム濃度は、チタン合金を十分に強化し、強力なβ安定剤として機能するため、０．３重量％～１．５重量％の範囲で設定される。しかしながら、クロムとの合金化がこの設定上限を超えると、長時間の等温暴露（isothermal exposures）により脆性の金属間化合物（intermetallics）が形成されるとともに、インゴットの溶融において化学的不均一が生じる可能性が高い。
ケイ素の濃度は、最大０．２５重量％までが許容範囲である。このように設定された制限範囲内のケイ素であれば、α相で完全に溶解するため、α固溶体を強化して、合金において少量のβ相を形成することができる。さらに、合金にケイ素を付加すると、その高温安定性を高めることができる。ケイ素の濃度が上記制限を超えると、ケイ化物が形成され、クリープ強度が低下するとともに材料の亀裂が生じる。
本開示のチタン合金は、α安定剤及び中性強化剤との合金化によるチタン合金の強化と、β安定剤の追加によるチタン合金の強化の効果とを、別々に実現できる可能性に基づいている。この可能性は、以下の考慮事項を根拠とする。アルミニウムと同等の元素は、主に溶液を強化してチタン合金を強化するが、β安定剤は、主により強力なβ相の量を増加してチタン合金を強化する。したがって、強度特性を安定させるために、合金元素の限界濃度を設定した。また、このために、請求の範囲に記載された組成の範囲内で合金元素の比率を調節するためのメカニズムを定義した。
留め具素材の製造に使用される合金について、経済面、強度面、及び処理面の基準により決定される構造的なアルミニウム当量（［Ａｌ］eq）及びモリブデン当量（［Ｍｏ］eq）を計算した。
構造的なアルミニウム当量［Ａｌ］eqは、７．５～９．５の範囲に設定される。このように制限する理由は、［Ａｌ］eqの値が７．５未満の場合、機械特性に必要な一貫性を保証できず、また、［Ａｌ］eqの値が９．５を超える場合、固溶体がより強化されて、塑性挙動が低下し、熱間加工において亀裂が発生する条件が整うためである。
構造的なモリブデン当量［Ｍｏ］eqの値は、６．０～８．５の範囲に設定されている。これにより、必要量のβ相の安定化が保証され、熱暴露による相変化によって、合金の強度特性を高めることができる。
本明細書に開示の［Ａｌ］eq及び［Ｍｏ］eqは、構造的及び処理的な特徴に関する顧客の要望を確実に満たす高品質の部品を実現するために設定及び制御されるとともに製造プロセスを効率的に管理する基準カテゴリ（baseline categories）である。本明細書に開示の原理によれば、高価な化学元素の不足部分を、指定された強度均等範囲及び合金化学組成内の入手可能でより安価な当量の合金元素によって補うことができ、これには、組み込まれるスクラップにある程度含まれている合金元素が含まれる。同時に、部品の高い構造的特性及び動作特性を安定的に維持しつつ、合金のコストを３０％低減することができる。＜例＞
実験例１
産業上の利用可能性を調べるため、表１に示す化学組成のインゴットを溶融した。βトランサス温度（beta transus temperature）は、９９８°Ｃ（１８２８°Ｆ）であった。
Figure 0007218428000001
当該インゴットを、β相域及びα－β相域の温度で鍛造ビレットに変化させた。ビレットを、最終圧延作業温度である９１５°Ｃ（１６７９°Ｆ）で圧延し、直径１２．７ｍｍ（０．５インチ）のバー材を作製した。圧延バー材を、６００°Ｃ（１１１２°Ｆ）の温度で６０分間焼きなましし、室温まで空気冷却した。その後、機械的試験及び構造検査を行った。熱処理後のバー材の機械的試験の結果を表２に示し、熱処理バー材料の倍率２００倍での微細構造を図５に示す。
Figure 0007218428000002
実験例２
直径１０１．６ｍｍ（４インチ）のバー材を作製するため、表３に示す化学組成のインゴットを溶融した。金属組織学的手法（metallographic method）により求めた合金のβトランサス温度（ＢＴＴ）は、９８８°Ｃ（１８１０°Ｆ）であった。
Figure 0007218428000003
当該インゴットを、β相域及びα－β相域の温度で鍛造ビレットに変化させた。ビレットを、９１８°Ｃ（１６８５°Ｆ）の温度で圧延し、直径１０１．６ｍｍ（４インチ）のバー材を作製した。直径１０１．６ｍｍ（４インチ）且つ長さ１０１．６ｍｍ（４インチ）の圧延バー材の試験片を、６００°Ｃ（１１１２°Ｆ）の温度で６０分間焼きなましした。その後、長手方向における機械的試験及び構造検査を行った。熱処理後のバー材の機械的試験の結果を表４に示し、バー材の倍率２００倍での微細構造を図６に示す。
Figure 0007218428000004
実施例３
直径５．１８ｍｍ（０．２０４インチ）のワイヤを作製するため、表５に示す化学組成のインゴットを溶融した。金属組織学的手法により求めた合金のβトランサス温度（ＢＴＴ）は、９８８°Ｃ（１８１０°Ｆ）であった。
Figure 0007218428000005
当該インゴットを、β相域及びα－β相域の温度で鍛造ビレットに変化させた。ビレットを、９１８°Ｃ（１６８５°Ｆ）の温度で圧延し、直径１０１．６ｍｍ（４インチ）の素材を作製した。直径１０１．６ｍｍ（４インチ）の圧延素材を、直径７．９２ｍｍ（０．３１２インチ）の素材に圧延し、α－β相域における熱間加工を終了した。直径７．９２ｍｍ（０．３１２インチ）の圧延材料を、真空炉内で脱気した後、数段階にわたって線引加工し、直径６．０７ｍｍ（０．２３９インチ）のワイヤを作製した。当該ワイヤを、以下の条件、すなわち、７０５°Ｃ（１３００°Ｆ）までの加熱、１時間の浸漬、及び空気冷却により、焼きなましした。ワイヤの研削及び研磨の後に、ブラスティング（blasting）及び酸洗い（pickling）を行った。その後、ワイヤに潤滑油を塗布し、直径５．１８ｍｍ（０．２０４インチ）のサイズにした。焼きなまし後の直径５．１８ｍｍ（０．２０４インチ）のワイヤの機械的試験の結果を表６に示す。ワイヤの倍率８００倍での微細構造を、図７に示す。
Figure 0007218428000006
実施例４～２１及び比較例Ｃ１～Ｃ９
付加製造での使用について、本開示のチタン合金を評価した。本開示の付加製造用供給材料を使用して、Ｔ字型構造を有する試験部品を付加製造した。試験部品のうち１０個（実施例４～１３）が、表７に示す化学組成を有し、試験部品のうち８個（実施例１４～２１）が、表８に示す化学組成を有する。１８個の試験部品（実施例４～２１）の全てを、２時間にわたって１３７５°Ｆ（７４６°Ｃ）で焼きなましした。
Figure 0007218428000007
Figure 0007218428000008
比較のために、標準のＴｉ－６Ａｌ－４Ｖ（比較例Ｃ１～Ｃ９）を使用して同じＴ字型部品を付加製造した。Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ試験部品を熱処理して、溶体化時効処理（ＳＴＡ）が施された状態にした。
試験部品から引張試験片を抽出し、ＡＳＴＭ Ｅ８に従って機械的試験を実施した。その結果を表９に示す。
Figure 0007218428000009
焼きなましされたチタン合金は、標準溶体化時効処理（ＳＴＡ）が施されたＴｉ－６Ａｌ－４Ｖと比較して、良好な性能を示した。なお、実施例１１～１４、１７～２０、並びに比較例Ｃ６及びＣ７においては、外側部分に亀裂（fractured outer-quarter）がみられた。
本開示の例は、図８に示すような航空機の製造及び保守方法１００、及び図９に示すような航空機１０２に関連させて説明することができる。生産開始前の工程として、航空機の製造及び保守方法１００は、航空機１０２の仕様決定及び設計１０４と、材料調達１０６とを含みうる。製造中は、航空機１０２の部品／小組立品の製造１０８及びシステムインテグレーション１１０が行われる。その後、航空機１０２は、認証及び納品１１２を経て、就航１１４の期間に入る。顧客による就航３１２の期間中、航空機１０２は、定例の整備及び保守１１６に組み込まれ、これは、改良、再構成、改修などを含みうる。
方法１００の各工程は、システムインテグレータ、第三者、及び／又はオペレータ（例えば顧客）によって実行又は実施可能である。本明細書において、システムインテグレータは、限定するものではないが、航空機製造業者及び主要システム下請業者をいくつ含んでもよい。第三者は、限定するものではないが、売主、下請業者、及び供給業者をいくつ含んでもよい。オペレータは、航空会社、リース会社、軍事団体、及びサービス組織などであってもよい。
図９に示すように、例示的な方法１００により製造される航空機１０２は、複数のシステム１２０及び内装１２２を有する機体１１８を含みうる。複数のシステム１２０の例としては、推進系１２４、電気系１２６、油圧系１２８、及び環境系１３０のうちの１つ以上が挙げられる。また、その他のシステムをいくつ含んでもよい。
本開示の高強度チタン合金は、航空機の製造及び保守方法１００の１つ以上のいずれの段階においても採用することができる。例えば、本開示の高強度チタン合金を使用して、部品／小組立品の製造１０８、システムインテグレーション１１０、及び／又は整備及び保守１１６に対応する部品又は小組立品を作製又は製造することができる。他の例として、本開示の高強度チタン合金を使用して機体１１８を構築することもできる。また、１つ以上の装置の実施例、方法の実施例、又はそれらの組み合わせを、例えば、部品／小組立品の製造１０８やシステムインテグレーション１１０で用いることにより、機体１１８や内装１２２などの航空機１０２の組み立て速度を実質的に速めたりコストを削減したりすることもできる。同様に、１つ以上のシステムの実施例、方法の実施例、又はそれらの組み合わせを、航空機１０２の就航期間中、例えば、限定するものではないが、整備及び保守１１６に用いてもよい。
本開示の高強度チタン合金の説明を航空機に関連させて行ったが、当業者であれば、本開示の高強度チタン合金を他の様々な用途に利用可能であると容易に理解するであろう。例えば、本開示の高強度チタン合金は、ヘリコプター、旅客船、自動車、海洋機器（ボートやモータ）などを含む様々なタイプのビークルに使用することができる。医療用途などのビークル以外の様々な用途も考えられる。
付加製造のための本開示の高強度チタン合金の様々な態様について図示及び説明してきたが、本明細書を読めば当業者には種々の変形が可能であろう。本願はそのような変形も包含し、請求の範囲によってのみ限定されるものとする。

Claims (19)

  1. ５．５～６．５重量％のアルミニウムと；
    ３．０～４．５重量％のバナジウムと；
    １．０～２．０重量％のモリブデンと；
    ０．３～１．５重量％の鉄と；
    ０．３～１．５重量％のクロムと；
    ０．０５～０．５重量％のジルコニウムと；
    ０．２～０．３重量％の酸素と；
    最大０．０５重量％の窒素と；
    最大０．０８重量％の炭素と；
    最大０．２５重量％のケイ素と；
    残余チタン及び不可避不純物と、からなり、
    構造的なアルミニウム当量［Ａｌ］eqの値は７．５～９．５重量％の範囲内であり、以下の式で定義され：
    ［Ａｌ］eq＝［Ａｌ］＋［Ｏ］×１０＋［Ｚｒ］／６、
    構造的なモリブデン当量［Ｍｏ］eqの値は６．０～８．５重量％の範囲内であり、次の式で定義される：
    ［Ｍｏ］eq＝［Ｍｏ］＋［Ｖ］／１．５＋［Ｃｒ］×１．２５＋［Ｆｅ］×２．５、
    チタン合金。
  2. 粉末状の、請求項１に記載のチタン合金。
  3. 球状粉末状の、請求項１に記載のチタン合金。
  4. ワイヤとして形成された、請求項１に記載のチタン合金。
  5. 前記ワイヤの直径は、最大で３．１７５ｍｍである、請求項４に記載のチタン合金。
  6. 前記ワイヤの直径は、０．１２７ｍｍから３ｍｍの範囲内である、請求項４に記載のチタン合金。
  7. 前記ワイヤの直径は、１．２７ｍｍから１．７７８ｍｍの範囲内である、請求項４に記載のチタン合金。
  8. 焼きなましが施された状態で少なくとも１１０３ＭＰａの極限引張強度を有する、請求項１に記載のチタン合金。
  9. 焼きなましが施された状態で少なくとも１１３８ＭＰａの極限引張強度を有する、請求項１に記載のチタン合金。
  10. 焼きなましが施された状態で少なくとも１１５８ＭＰａの極限引張強度を有する、請求項１に記載のチタン合金。
  11. 焼きなましが施された状態で少なくとも６５５ＭＰａの二面せん断強度を有する、請求項１に記載のチタン合金。
  12. 焼きなましが施された状態で少なくとも６８９ＭＰａの二面せん断強度を有する、請求項１に記載のチタン合金。
  13. 焼きなましが施された状態で少なくとも７１０ＭＰａの二面せん断強度を有する、請求項１に記載のチタン合金。
  14. 請求項１に記載のチタン合金を含む、航空機のコンポーネント。
  15. 請求項１に記載のチタン合金を含む付加製造用供給材料から部品を付加製造することを含む、製造方法。
  16. 請求項１に記載のチタン合金を粉末化することを含む、付加製造用供給材料を製造するための方法。
  17. 前記粉末化は、
    請求項１に記載のチタン合金を含む金属原材料を粉砕して中間粉末を形成することと、
    前記中間粉末を球状化して、前記付加製造用供給材料を形成することと、を含む、請求項１６に記載の方法。
  18. 前記粉末化は、請求項１に記載のチタン合金を含むワイヤを微粒子化することを含む、請求項１６に記載の方法。
  19. 付加製造用供給材料を製造するための方法であって、
    請求項１に記載のチタン合金を含むインゴットを溶融することと、
    β相及び／又はα－β相域の温度で前記インゴットを鍛造ビレットに変換することと、
    前記鍛造ビレットを機械加工することと、
    機械加工された前記鍛造ビレットに対して、β相及び／又はα－β相域の加熱温度で熱間圧延を行って圧延素材を作製することと、
    ５５０℃～７８８℃の温度で少なくとも０．５時間にわたって前記圧延素材を焼きなましすることと、
    焼きなましされた前記圧延素材を線引加工して、最大で３．１７５ｍｍの直径を有するワイヤを作製することと、
    ５５０℃～７８８℃の温度で少なくとも０．５時間にわたって前記ワイヤを焼きなましすることと、を含む、方法。
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