JPH0136551B2 - - Google Patents

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JPH0136551B2
JPH0136551B2 JP60234389A JP23438985A JPH0136551B2 JP H0136551 B2 JPH0136551 B2 JP H0136551B2 JP 60234389 A JP60234389 A JP 60234389A JP 23438985 A JP23438985 A JP 23438985A JP H0136551 B2 JPH0136551 B2 JP H0136551B2
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JP
Japan
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titanium alloy
temperature
alpha
heat treatment
cast product
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JP60234389A
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JPS61106739A (ja
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Ruisu Ratsukuru Deyuan
Peretsu Miran Junia Honshiano
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Garrett Corp
Original Assignee
Garrett Corp
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Publication date
Application filed by Garrett Corp filed Critical Garrett Corp
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Publication of JPH0136551B2 publication Critical patent/JPH0136551B2/ja
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/16—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of other metals or alloys based thereon
    • C22F1/18—High-melting or refractory metals or alloys based thereon
    • C22F1/183—High-melting or refractory metals or alloys based thereon of titanium or alloys based thereon
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49316—Impeller making
    • Y10T29/49336—Blade making

Description

【発明の詳細な説明】
（産業上の利用分野） 本発明はチタン合金鋳造品の熱処理法、特にア
ルフア・ベータ相チタン合金鋳造品の熱処理法に
関する。 （従来の技術） アルフア・ベータ相チタン合金はアメリカ金属
学会（American Society for Metals）から
1982年出版された「チタンとチタン合金に関する
資料集」と題する書籍に記述されるように当業者
に周知である。特にチタン鋳造品の物理的金属
学、特性、ミクロ組織および従来の処理法が同書
籍の289ページ〜300ページに記載されている。ア
ルフア・ベータチタン合金およびその処理法に関
しては米国特許第3007824号、第3405016号および
第4053330号に開示されており、特に米国特許第
3007824号には特定のアルフア・ベータ相合金に
対する表面硬化法が示され、この場合かかる合金
はベータ相範囲内の温度まで加熱され次に急冷さ
れそれ以上の熱処理は行なわれていない。又米国
特許第3405016号にはアルフア・ベータ相チタン
合金を熱処理してその二次成形適性を向上する方
法が開示され、この場合ベータ相範囲内の温度か
ら急冷されてその後アルフア・ベータ相部分が機
械的に変形される。一方米国特許第4053330号に
はチタン合金品の疲れ特性を向上させる方法が開
示され、この場合ベータ相が変形されて細かな粒
寸組織にされ、次にマルテンサイト組織まで急冷
され、更に1000〜1600〓（約538〜約871℃）の範
囲で焼戻してマルテンサイトを一部針状のアルフ
ア相に変えることにより、針状のアルフア境界部
に同軸ベータ粒子が散乱生成される。 チタン合金は機械的特性と重量との比が高いこ
とを要求するものに使用される場合が多い。特に
チタン合金は高い引張強さおよび疲れ強さを要求
するガスタービンエンジンの送風羽根やコンプレ
ツサ羽根に有効に使用され得る。一方高い引張強
さおよび疲れ強さの特性を持つに加え、靭性が良
好で衝撃損傷や亀裂生長に対する抵抗性も高くな
ければならない。アルフア相とベータ相が低温で
存在するアルフア・ベータ相チタン合金は通常か
かる羽根に使用される。アルフア・ベータ相チタ
ン合金を羽根に効果的に使用するため、従来合金
は鋳造ではなく練造又は鍛造により使用されてい
た。これは錬造品又は鋳造品の疲れ強さが同一合
金による鋳造品に比し優れているからである。同
様にガスタービンエンジンにおけるチタン鋳造品
の使用は鋳造品に比べ機械的特性が劣るため制限
されていた。一方鋳造品は機械加工による鋳造品
より製造費が安価であるので鋳造品の特性を改質
し鍛造品の特性に匹敵するレベルまで向上させよ
うとする試みがなされていた。 多くのガスタービンエンジンに使用する場合、
特に引張強さ特性、衝撃特性および亀裂生長特性
が好適に調和のとれたチタン合金鋳造品を採用す
ることが望まれている。また多くの場合、鋳造品
の重量を軽減し性能を高めるべく鋳造品は中空構
成にする必要があり、例えば送風機のチタン羽根
を中空構造にすることにより構造上の強度対重量
の比を高くできる。且風圧による羽根の過度を振
動撓みを除去するため従来スパン中央に囲い板が
使用されていたが、チタン羽根を中空構造にする
とこの種の囲い板を除去可能になる。また羽根を
中空にすることにより空気動力効率および鳥等の
吸入異物による衝撃に対する抵抗性が向上するの
で、羽根のアスペクト比を極めて低くし得る。 （発明が解決しようとする問題点） しかしながら従来、チタン羽根を中空になす構
成は、溶接法、ろう付法又は複数の部材を拡散し
て単一体に接着する方法等による各種方法によつ
て実現されているが、いずれも製造費が高くなる
上、金属学的にミクロ構造が不均質になり、早期
疲れ破損の原因となる鋭い内部ノツチが存在して
いて、このノツチに対する対応措置が困難であつ
た。 本発明の目的は上記の問題点を除去し、マルチ
サイトからアルフア・ベータ相組織に変質するこ
とによつて、AlとＶとを含むと共に残りがTiと
不純物からなり、良好で且つ送風機用の中空又は
中実のチタン合金鋳造羽根として好適なチタン合
金鋳造品の熱処理法を提供することにある。また
本発明の他の目的は疲れ強さが練造体に匹適する
チタン合金鋳造羽根を提供することにある。且ま
た本発明の別の目的はチタン合金鋳造品をマルテ
ンサイトからアルフア・ベータ相組織に変質する
方法を提供することにある。 （問題点を解決するための手段） 本発明によればこれは、ベータトランサス温度
より高い処理温度でチタン合金鋳造品を加熱する
工程と、加熱処理した鋳造品を急冷し針状のマル
テンサイト組織を生成する急冷工程と、急冷した
鋳造品を1500〜1825〓（約816〜約996℃）間の温
度で安定化処理して熱分解する工程と、1000〜
1300〓（約538〜約704℃）の温度で１〜８時間エ
ージング処理する工程とによりチタン合金鋳造品
を得ることによつて達成される。 （作用） 上述の構成の本発明によれば、ベータトランサ
ス温度より高い処理温度で実質的にベータ相組織
を生成するに充分な時間、チタン合金鋳造品が熱
処理され、その後急冷して針状のマルテンサイト
組織が生成される。これにより得られた鋳造品が
次にアルフア・ベータ相範囲内の温度で安定化処
理されマルテンサイトが熱分解されて、針状のア
ルフア相およびベータ相が生成され、アルフア相
小板が所定の厚さまで生長されて所望の特性が与
えられる。その後鋳造品が室温まで冷却され、次
いで約１〜８時間約1000〜1300〓（約538乃至約
704℃）の温度まで再加熱されてベータ相が一部
分解されて（エージング処理）所望の特性が得ら
れることになる。 （実施例） 第１図および第２図に本発明により作られたガ
スタービン用送風機の羽根１０が示される。羽根
１０は中空の鋳造構造体でなり、外表部１２と外
表部１２内に設けられた複数のリブ１４とを有す
る。この場合リブ１４の構成は図示のものに限ら
れないことは理解されよう。 本発明を実施する際、僅かにサイズの大きなチ
タン羽根が周知の真空シエル溶融法によりチタン
合金湯を抽出可能なコアの周囲に注入して鋳造す
る。抽出可能なコアはシリカを結合したイツトリ
ウム酸化物のようなセラミツク結合材で作成す
る。鋳造したチタン合金を充分に冷却した後、型
を取り除き、鋳造品を抽出剤又は苛性アルカリ溶
液、例えば水酸化カリウム又は水酸化ナトリウム
内に浸漬し、コア材を除去して中空のチタン鋳造
品を得る。このとき苛性アルカリ溶液によりコア
材は浸蝕されて除去されるが他の部分は浸蝕作用
を受けない。 抽出処理後のチタン鋳造品は表面に酸素濃縮層
（アルフア硬化層）を有している。このアルフア
硬化層は溶融したチタン合金とセラミツク外被型
と抽出可能なコア内のセラミツク材料との反応に
より生成される。アルフア硬化層はもろく、使用
時に亀裂生成および生長を生じ易いので望ましく
ない。 アルフア硬化層の除去は鋳造品の表面からこの
汚染層を化学的に又は工作機械によりフライス削
りすることにより機械的に行なう。化学的に除去
する場合、鋳造品を硝酸および弗化水素酸の混合
物のような溶液中に浸漬する。中空の鋳造品の場
合、上記の混合溶液が鋳造品の内部へ浸透し、抽
出可能なコアとチタンとが反応して生成された酸
素濃縮のアルフア硬化層が除去されることにな
る。 アルフア硬化層の除去処理に続き、鋳造品を直
接プレス機にかけ、所定の温度および圧力でかつ
所定の時間均一に熱間プレスし、圧縮する。図示
のチタン鋳造品である羽根１０の場合、熱間プル
ス処理温度は約1650〓〜約1850〓（約899乃至約
1010℃）であり、熱間プルス処理圧力は約
15000psia（絶対圧力で約1050Kg／cm2）である。羽
根１０は約３時間アルゴン雰囲気内で上記圧力お
よび温度をもつて均一に熱間プルス処理する。金
属業界の当業者には周知のように、熱間プルス処
理の目的は鋳造工程で内部に生じた巣をプレスで
潰し、鋳造品内の巣をある程度除去することにあ
る。熱間プルス処理後鋳造品の表面に存在する欠
陥が検査され、仮に欠陥があるときは周知のチタ
ン溶接法により修正される。 次いで羽根の熱処理について述べる。羽根１０
熱間プルス処理した後、本発明による熱処理法を
行なう。この熱処理法によれば、羽根の機械的特
性が錬造されたチタン合金羽根と同等に大巾な低
コスト化を図つて実現できる。 本発明の熱処理法をAl6％V4％チタン合金で作
られた羽根１０において実行する場合、第１工程
ではすべてベータ相組織を生成するに充分な時
間、ベータトランサス温度に又はそれ以上に羽根
鋳造品を加熱する。このときAl6％V4％チタン合
金に対するベータトランサス温度は約1825〓
（997℃）にするが実際上約±25〓（約±４℃）の
幅で変動する。ベータ相範囲内の温度に羽根鋳造
品を置く時間は重要な条件ではないが、１分間以
下にもし得、断面積および厚さの異なる各種の鋳
造品サンプルでは鋳造品の全表面部分がベータト
ランサス温度、すなわちミクロ構造がすべてベー
タ相に変換される温度より高い処理温度を受ける
に充分な時間に設定すればよい。例えば第１図お
よび第２図に示す表皮部の厚さが0.05インチ（約
0.127cm）、根元部の断面の厚さが0.5インチ（約
1.27cm）の羽根の場合、ベータトランサス温度以
上の処理温度に置く時間は30分で充分であり、鋳
造品全体が確実にベータトランサス温度に置かれ
ることが判明している。このときベータトランサ
ス温度とはベータ相部分生成の下限温度であると
考えることもできよう。ベータ相範囲内の温度は
ベータ粒子の生長を制限するため、ベータトラン
サス温度以上かつ約150〓（約82℃）以下の範囲
に限定することが望ましいが、上記範囲以上の温
度でも好適な結果を得ることができ、ベータ粒子
のサイズは最小断面寸法より大巾に小となる。 実際ベータ相範囲内の加熱温度は、Al6％V4％
チタン合金でなるガスタービン用送風機の中実の
羽根の場合、約1875〜1925〓（約1024〜約1052
℃）にすることが最適であることが判明してい
る。全加熱時間は15〜30分にすることが好適であ
ることも判明している。またこの加熱工程は表面
での過度の酸素と窒素とによる汚染層の生成を避
けるため、真空雰囲気又は不活性ガス雰囲気内で
行なわれることが最適である。一方大気中で加熱
工程を遂行する場合、生成された汚染層の、機械
的な除去、硝酸と弗化水素酸との混合液のような
好適な活性薬品による溶解除去を円滑に実行し
得、望ましいことが判明している。 本発明による熱処理法の次の工程はベータトラ
ンサス温度より高い処理温度から比較的低い温
度、例えば室温に鋳造品を急速に冷却することに
ある。このときオイルあるいは水のような液体に
よる急冷処理が好ましいが、アルゴンガスあるい
はヘリウムガスのような他の媒体も使用できる。
この急冷処理により、鋳造品全体に亘つて均質的
なマルテンサイト組織を作り、アルフア相の生長
や核形成を最小限に抑え得る。ベータ相温度から
冷却する速度はマルテンサイト組織を得るよう充
分に迅速にする必要がある。本発明によるマルテ
ンサイト組織では第４図に示すように細い針状の
マルテンサイトはその方向がランダムに配向され
る。これに対し従来のチタン合金鋳造品では、第
３図に示す如くほぼ同方向に配向された大きな群
（コロニー）のアルフア小板が存在することにな
る。 本発明の熱処理法の更に次工程は急冷したマル
テンサイト鋳造品をアルフア・ベータ相範囲内
（1500〜1825〓（約816〜約996℃））の高温に置
き、マルテンサイトをアルフアおよびベータ小板
へ分解し安定化せしめる。この安定化のための熱
処理温度は例えば第５図に示すように比較的細か
なアルフア小板を作成するよう選択され、Al6％
V4％チタン合金の場合30分間で1500〓（約816
℃）に選定される。アルフア・ベータ相範囲内に
おいて温度を上昇すると第６図および第７図に示
すようにアルフア小板組織が粗くなる。更に詳述
するに、第６図および第７図は夫々本発明による
安定化処理が温度1600〓（約871℃）および1750
〓（約954℃）で30分間Al6％V4％チタン合金に
対し行なわれた例を示している。アルフア相のミ
クロ組織の形態および寸法が変化すると、後述の
実験例で示すようにチタン合金鋳造品の特性が大
きく影響されることが判明している。このため安
定化の条件の選定により、処理される鋳造品の特
性が大きく変化し得る。即ち安定化加熱処理の時
間および冷却法により処理される鋳造品の特性を
良好にし得ることが判明している。尚、添付の第
３図〜第７図において各々左側は倍率100倍で、
且つ右側は倍率500倍で示してある。 本発明の熱処理法の最終工程は、急冷され安定
化された鋳造品をエージング処理し、アルフア小
板間に存在するベータ相の一部を分解して鋳造品
の引張強さおよび引張延性を所望レベルに調整す
ることにある。エージング処理の結果アルフア・
ベータ相の割合が調整され得、この割合はエージ
ング工程の処理温度および処理時間に応じ定ま
る。エージング処理はAl6％V4％チタン合金の鋳
造品を1000〜1300〓（約538〜約704℃）で、１〜
８時間加熱することにより最適に行なわれる。 本発明はチタン合金からなる中空の羽根に好適
に採用し得るが、本発明はこの実施態様に限定さ
れるものではなく、チタン合金鋳造品の特性を利
用し得る他の多様の分野にも適用できる。例え
ば、半径流ガスタービンエンジンの羽根車段ある
いはコンプレツサ段に配設されるような中実の羽
根にも有効に適用できる。また本発明は静的な構
造体、例えばケース、支柱、ベアリング支承体、
リンク等にも使用できる。 本発明の熱処理法はアルミニウム、錫、窒素お
よび酸素のようなアルフア相を安定化する元素お
よびモリブデン、バナジウム、鉄、クロム、水素
のようなベータ相を安定化する元素を含む各種ア
ルフア・ベータ相チタン合金に広く適用でき、特
に室温でベータ相が０〜約25％の成分を含む合
金、例えばAl6％V4％チタン合金、Al6％Sn2％
Ar4％Mo2％チタン合金およびAl6％Sn2％Zr4％
Moチタン合金に最適に適用できる。 本発明は低温でアルフア・ベータ相合金のアル
フア相特性に形態上近似のアルフア相合金又は同
等相合金、例えば市販の純チタンおよびAl8％
Mo1％V1％チタン合金に採用できる。 実験例 1750〓（約954℃）で２時間均一に熱間プレス
し、巣を除去したAl6％V4％チタン合金鋳造品に
各種の態様で本発明を適用した。この結果を表
に示す。
【表】 時間水で冷却 空気中で冷却
空気中で冷却


144.6 155.0 7.1 9
.0 15
デユアルサ 1925〓で1／2 ＋ なし
＋ 1100〓で4時間 153.0 162.2 3.0
3.6 110
イクル法 時間水で冷却
空気中で冷却


154.2 165.3 3.1 5
.5
従来の練造 α・β相組織 ＋
1300〓で2時間 134.0 141.0 16.8
18−19 90
法 (主α相分が
空気中で冷却
90〓以下)鍛造
従来の鋳造 1650〓、圧力 ＋
1550〓で2時間 120.0 140.0 10.0 20.0
23 50−62
法 15KSIで2時間
液体で冷却
液体を用いて
熱間プレス
表にはガスタービンエンジンの送風機の羽根
を製造する、従来法による練造チタン合金特性お
よび鋳造チタン合金特性も併示してある。表か
ら、従来の練造羽根では破壊までの寿命107サイ
クルにおける室温での最大許容高サイクル疲れ
（HCF）応力が約90000psi（約6300Kg／cm2）、一方
従来の鋳造羽根では上記と同一の寿命サイクルに
おける最大許容高サイクル疲れ応力が約50000〜
62000psiであることが判明している。 本発明により処理されたチタン合金鋳造品の許
容高サイクル疲れ応力は80000〜95000psiであり、
従来の鋳造品より優れ、従来の錬造品と同等であ
る。また本発明による最高安定化温度（1750〓
（約954℃））で処理されたものは高サイクル疲れ
応力が本発明の最低安定化温度（1500〓（約816
℃））で処理されたものに比し低い。また1750〓
（約954℃）の安定化温度で処理されたものは、シ
ヤルピー衝撃エネルギ吸収特性（20〜30フイー
ト・ポンド）が1500〓（約816℃）の最低安定化
温度で処理されたものの同特性（16乃至18フイー
ト・ポンド）より優れ、且従来の練造品の同特性
（18乃至19（フイート・ポンド））よりも優れてい
る。同様に本発明により処理されたものの引張強
さは安定化温度を下げ、安定化温度からの急冷速
度を早めることにより増加される。又延性は安定
化温度を上げ安定化温度からの急冷速度を下げる
ことにより増加される。一方安定化工程を使用し
ない場合、得られたものの強度特性は極めて高
く、高サイクル疲れ特性も良好であるが、引張延
性が過度に低くなり例えばガスタービンエンジン
の送風機の羽根等に使用される場合塑性変形さ
れ、不都合であることが判明している。 （発明の効果） 上述のように本発明によればチタン合金鋳造品
の特定の特性を上述した温度、時間および急冷速
度を採用することにより練造品のものと同等にで
きる。また同様に本発明により処理されたチタン
合金鋳造品は疲れ特性が従来のチタン合金鋳造品
より優れかつ引張強さおよび衝撃特性が少なくと
も同程度に保持され得る等々の顕著な効果を達成
する。
【図面の簡単な説明】
１図は本発明により製造されるようなガスター
ビンエンジンの送風機の羽根の斜視図、第２図は
同一部を切開いて示す斜視図、第３図はAl6％V4
％チタン合金で作られた鋳造羽根のミクロ組織を
示す写真、第４図は本発明によるベータトランサ
ス温度より高い処理温度で熱処理され急冷処理さ
れた羽根のミクロ組織を示す写真、第５図は30分
間1500〓の安定化温度で処理した羽根のミクロ組
織を示す写真、第６図は30分間1600〓の安定化温
度で処理した別の羽根のミクロ組織を示す写真、
第７図は30分間1750〓の安定化温度で処理した更
に別の羽根のミクロ組織を示す写真である。 １０……羽根、１２……外表部、１４……リ
ブ。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ ベータトランサス温度より高い処理温度で、
    AlとＶとを含むと共に残りがTiと不純物からな
    るチタン合金鋳造品を加熱する工程と、加熱処理
    した鋳造品を急冷し針状のマルテンサイト組織を
    生成する急冷工程と、急冷した鋳造品を1500〜
    1825〓（816〜996℃）の温度で安定化処理して熱
    分解する工程と、1000〜1300〓（538〜704℃）の
    温度で１〜８時間エージング処理する工程とを包
    有してなるチタン合金鋳造品を熱処理する方法。 ２ チタン合金にAl6％V4％チタン合金を用いて
    なる特許請求の範囲第１項記載の熱処理法。 ３ 急冷工程は鋳造品を液体中に浸漬し冷却する
    工程である特許請求の範囲第１項記載の熱処理
    法。 ４ 急冷工程は水並びにオイル内の一の液体中に
    浸漬し冷却する工程である特許請求の範囲第３項
    記載の熱処理法。 ５ 急冷工程はガス雰囲気内に鋳造品を置き急冷
    する工程である特許請求の範囲第１項記載の熱処
    理法。 ６ 急冷工程はアルゴン並びにヘリウム内の一の
    ガス内に鋳造品を置き急冷する工程である特許請
    求の範囲第５項記載の熱処理法。 ７ 鋳造品を均一に熱間プレス処理する工程が包
    有されてなる特許請求の範囲第１項記載の熱処理
    法。
JP60234389A 1984-10-18 1985-10-18 チタン合金鋳造品の熱処理法 Granted JPS61106739A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US662212 1984-10-18
US06/662,212 US4631092A (en) 1984-10-18 1984-10-18 Method for heat treating cast titanium articles to improve their mechanical properties

Publications (2)

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JPS61106739A JPS61106739A (ja) 1986-05-24
JPH0136551B2 true JPH0136551B2 (ja) 1989-08-01

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ID=24656837

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
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Country Status (5)

Country Link
US (1) US4631092A (ja)
EP (1) EP0181713B1 (ja)
JP (1) JPS61106739A (ja)
CA (1) CA1244327A (ja)
DE (1) DE3569577D1 (ja)

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