JPH02173234A - 超塑性加工性に優れたチタン合金 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、チタン合金に関し、特に超塑性加工性に優
れた高強度チタン合金に関するものである。

［従来の技術］ チタン合金は、軽量で且つ強靭なことから、近年飛行機
、ロケット等の航空宇宙機器用材料として盛んに用いら
れている。しかしながら、チタン合金は難加工性材料で
あり、複雑形状部材の場合には、製品重量歩止まりが著
しく低いこととあいまって、製造コストが極めて高いこ
とが問題となっている。そこで、製造コストを低減する
Ｌで有効であるのが、超塑性現象を利用した加工法（超
塑性加工）である。超塑性とは、ある条件下で材料がく
びれ（ｎｅｃｋｉｎｇ）なしに、数百％〜千％、時には
千％以上というような巨人な伸びを生しる現象であり、
恒温変態を利用した変態超塑性と微ｊ、ｌｌＩ結晶粒で
みられる微細粒超塑性とに大別される。

工業的に重要であるのは、後者の微細粒超塑性である。

従来、このような目的のために、使用される合金として
、Ｔｉ−６ＡＱ−４Ｖ合金が知られている。また、Ｔｉ
−６ＡＱ−４Ｖ合金に、Ｆｅ、　ＮｊおよびＣｏ等を添
加した合金が、　ＵＳ特許公報４，２９９，６２６号に
記載されている。

［発明が解決しようとする課題］ シカシながら、Ｔｉ−６ＡＱ−４Ｖ合金で、５〜１０μ
ｍｎの微細粒組織とした合金でも、超塑性加工温度は８
７５〜９５０℃と高く、このため使用する加工治具の寿
命が短かいか、または、高湿強度を有する高価な治具を
使用しなければならないという問題があった。また、Ｕ
Ｓ特許公報４，２９９，６２［３号に記載の合金は、Ｔ
ｉ−６ＡＱ−４Ｖ合金に比べても、超塑性加工温度が５
０〜８０℃低下する程度で、超塑性伸びも充分でないと
いう問題がる。

従って、この発明の目的は、上述の課題を解決し、超塑
性加工性に優れたチタン合金を提供することにある。

［課題を解決するための手段および作用］本発明者等は
、上述した課題を解決するチタン合金を以下の様に開発
した。

現在用いられているチタン合金は、その大部分がＴｉ−
６Ａ　Ｑ　−４Ｖ合金であり、溶解技術、加工技術等の
技術的蓄積もこのチタン合金に関するものが最も多い。

そこで、このＴｉ−６ＡＱ−４Ｖ合金をベースに、合金
開発を進めることにした。

高強度であり、且つ、超塑性加工が可能であるチタン合
金を得るためには、そのミグ０組、織を微細な等軸０品
を有する組織にしなければならない。

また、チタン合金の超塑性現象が発現するためには、そ
のミクロ組織において、０品の比率が４０〜６０％であ
ることが必要である。そこで、Ｔｉ−６ＡＱ−４Ｖ合金
よりも超塑性加工温度を低下させろためには、β変態点
（高温側のβ単相から低温側のα＋β２相へ変態する温
度）を低下させる元素、すなわち、　ＭｏとＦｅとを添
加すれば良い。しかし、Ｆｅは強度上昇に大きく寄与す
るが、３．１５ｗｔ、％以上添加するとＴｉとの間に、
脆化相である金属間化合物を形成したり、溶解時にβフ
レックと呼ばれろ偏析相を生成し、その結果機械的性質
を劣化させるため好ましくない。Ｍｏも同様に強度上昇
に寄与するが、３，１５ｗｔ、１以上添加するとチタン
合金の比重を増大させ、高比強度材料であるチタン合金
の特色を損なうとともに、β相中での拡散速度が小さい
元素であるために、超塑性加工時の変形抵抗を増大させ
るため好ましくない。

２ＸＦｅｗｔ、％＋Ｍｏｗｔ、％は、チタン合金のβ相
の安定度を示し、この値が小さいとβ変態点が高く。

逆に大きいとβ変態点が低くなる。チタン合金の最適超
塑性温度は、α相の体積率が４０〜６０％になる温度で
あり、この温度はβ変態点と密接な関係がある。この値
が８ｗｔ、％を超えると、α相の体積率が４０〜６０％
になる温度が低くなり過ぎ、その温度では拡散が不十分
となり、十分な超塑性伸びが得られない。そこで、この
値を３ｔｓｔ、ｘ〜８讐ｔ０％と定めた。

微細粒超塑性特性は、その結晶粒径に大きく依存し１粒
径が小さいほど好ましく、α晶粒径が６μｍを超えると
超塑性特性が劣化する。

この発明の要旨は、以下に示す通りである。

Ａ　Ｑ　：　５．５−６．７５１．％、Ｖ：３．５〜４
．５ｗｔ、％、 ０：０．２讐ｔ、ｘ以下、 Ｆｅ　：　０．８５〜３．１５ｔｌｌｔ、％、Ｍｏ　７
０．８５〜３．］５５ｗｔ、％ただし。

３ｗｔ、％≦２ＸＦｅｗｔ、％＋Ｍｏｔｙｔ　、％≦８
　ｗｔ、％、および、 残部二Ｔｉおよび不可避不純物、 からなり、０品粒径が６μｍ以下であることを特徴とす
る、超塑性加工性に優れたチタン合金。

次に、この発明において、成分組成範囲を上記の様に限
定した理由を以下に述べる。

（１）ＡＱは、α＋β組織を得るためのα相安定化元素
として添加され１強度上昇に寄午する。しかしながら、
Ａｆｌの含有量が５，５ｗｔ、％未満では、目的とする
強度を得るのに不十分である。一方。

含有量が６，７５ｗｔ、％を超えると、脆化相であるα
２相（Ｔｉ、ＡＱ）が析出し機械的性質を劣化させろた
め、好ましくない。従って、Ａ２の含有量は５．５〜６
．７５ｗｔ、％と定めた。

（２）■は、α＋β組織を得るためのβ相安定化元素と
して添加され、Ｔｉとの間に脆化相である金属間化合物
を形成することなく強度上昇に寄与する。しかしながら
、■の含有量が３．５ｗｔ、１未満では、目的とする強
度を得るのに不十分である。−方、含有量が４．５ｗｔ
、％を超えると、超塑性伸びを低減させるとともに超塑
性加工時の変形抵抗を増大させる。従って、■の含有量
は３．５〜４．５ｗｔ、％と定めた。

（３）○は、α相に固溶して強度上昇に寄与する。

しかしながら、Ｏの含有量が０．２ｗｔ、％を超えると
、β変態点を上昇させ、また、室温での機械的性質、特
に延性を劣化させる。従って、○の含有量を、０　、２
ｗｔ、％以下と定めた。

（４）Ｆｅは、β相安定化元素として添加され、β変態
点を低下させることにより、超塑性特性の向上（超塑性
伸びの増大と変形抵抗の低減）に寄与するとともに、主
にβ相に固溶し強度上昇に寄与する。しかしながら、Ｆ
ｅの含有量が０．８５ｔｉｔ、％未ｔ１力では、これら
への寄与が不十分である。一方、含有量が３．１５ｗｔ
６％を超えると、Ｔｉとの間に脆化相である金属間化合
物を形成したり、溶解時にβフレックと呼ばれる偏析相
を生成し、その結果機械的性質（特に延性）を劣化させ
るため好ましくない。

従って、Ｆｅの含有量を、０．８５〜３．１５留ｔ、％
と定めた。

（５）　Ｍｏは、β相安定化元素として添加され、β変
態点を低下させることにより、超塑性特性の向上（超塑
性発現温度の低下）に寄与するとともに、主にβ相に固
溶し強度上昇に寄与する。しかしながら、ＭＯの含有量
が０．８５ｗｔ、％未満では、これらｌ＼の寄与が不十
分である６一方、含有量が３，１５ｗｔ、％を超えると
、Ｍｏが重い元素であることから合金の密度を増大させ
、高比強度であるというチタン合金の特徴を損う。それ
ばかりでなく、ＭＯはチタン中での拡散速度が小さいた
めに、超塑性形成時の変形応力を増大させるため好まし
くない。従って。

Ｍｏの含有量を０．８５〜３，１５ｗｔ、％と定めた。

（６）　２ＸＦｅｉｚｔ、％＋Ｍｏｗｔ、％は、チタン
合金のβ相の安定度を示し、この値が小さいとβ変態点
が高く、逆に大きいとβ変態点が低くなる。チタン合金
の最適超塑性温度は、α相の体積率が４０〜６０％にな
る温度であり、この温度はβ変態点と密接な関係がある
。この値が３ｗｔ、１未満であると、超塑性発現温度が
低いという本発明合金の特徴を損なう。一方、この値が
８−ｔ０％を超えると、α相の体積率が４０〜６０％に
なる温度が低くなり過ぎ、その温度では拡散が不十分と
なり、十分な超塑性伸びが得られない。従って、３ｗｔ
、％≦２ＸＦｅｗｔ、％＋Ｍｏ讐ｔ１％≦８賀ｔ１％と
定めた。

（７）１品粒径は、超塑性特性と密接な関係があり、小
さいほど優れた超塑性特性が得られる。本発明合金にお
いては、１品粒径が６μｍを超えると超塑性伸びが小さ
くなるばかりでなく、変形応力が大きくなり好ましくな
い。従って、１品粒径を６μｍ以下と定めた。

［実施例コ 次に、この発明のチタン合金を実施例により、具体的に
説明する。

第１表に示す成分組成および１品粒径の本発明のチタン
合金ＮＱ１〜９．　Ｔｉ−６ＡＩＩＩ　−４Ｖ合金の従
来合金（１）Ｎ（１１０，１１、ＵＳ特許公報４，２９
９，６２６号に記載の従来合金（２）ＮＧ１２．１３．
および比較合金Ｎα１４〜２６を、以下に示す製造方法
によって調製した。

アルゴン雰囲気アーク炉にてインゴットを溶製し、熱間
鍛造、熱間圧延を行ない、厚さ５μｍＭＴＩの板材に仕
上げた。微細な等軸α品組織とするために、熱間圧延時
の加熱温度はβ変態点以下の（α＋β）２相域とし、十
分な量の圧下を行なった。このようにして調製された供
試体の各々に対して、再結晶焼鈍を施し、室温引張試験
および超塑性引張試験を行なった。

室温引張試験の結果を室温引張特性として。

０．２％ＰＳ（ｋｇｆ／ｍ”）、ＴＳ（ｋｇｆ／ｍｍ”
）、Ｅｌｌ　（ｋｇｆ／ｍｍ”）によって第１表に併せ
て示した。

超塑性引張試験は、平行部が５画巾、５画長さ、４ａａ
厚さの試験片を採取して、５　Ｘ　Ｉ　Ｏ−’ｔｏｒｒ
以下の真空中で行なった。この試験結果を、超塑性引張
特性として第２表に示した。最大変形応力は、最高荷重
を初期断面積で除して求めた。

第１図〜第４図は、第１表および第２表に示す試験結果
をグラフに示したものである。

第１図は５基本成分（Ｔｉ　−６ｗｔ、％ＡＱ−／ｈｔ
、％Ｖ合金）にＭｏおよびＦｅを添加したときの超塑性
伸び得られている。

第２図は、基本成分（Ｔｊ、−６−ｔ１％ＡＱ−４讐ｔ
１％Ｖ合金）にＭｏおよびＦｅを添加したときの超塑性
伸びの変化を調べたものである。横軸にＭｏｗｔ、％の
値を、縦軸に超塑性伸びの値を示した。

第２図に示すように、ＭＯの含有量が０．８５〜３．１
５ｗｔ、％において１５００％以上の大きな伸びが得ら
れている。

第３図は、基本成分（Ｔｉ　−６ｗｔ、％Ａ　Ｑ　−４
ｗｔ、％Ｖ金合金にＭｏおよびＦｅを添加したときの超
塑性伸びの変化を調べたものである。横軸にＦｅｔｇｔ
、％の値を、縦軸に超塑性伸びの値を示した。

第３図に示すように、Ｆｅの含有量が０．８５〜３　、
１５ｔｓｔ、％において、１５００％以上の大きな伸び
が得られている。

第４図は、本発明合金と同じ化学組成を有する合金の０
品粒径を変化島させたときの超塑性伸びを調べたもので
ある。横軸に本発明合金と同じ化学組成を有する合金の
０品粒径を、縦軸に超塑性伸びの値を示した。

第４図に示すように、０品粒径が６μｍ以Ｆにおいて１
５００％以上の大きな伸びが得られている。

第１表、第２表に示すように１本発明合金Ｎα１〜９の
室温引張特性は、引張強さ（’ｒｓ）が１．０５ｋｇｆ
／ｎｗｎ”以上で、伸び（ＥＱ）が１７％以上であり、
Ｔｉ−６ＡＱ−４Ｖ合金よりも高強度を有し、しかも延
性も十分であり、優れた強度・延性バランスを有してい
た。

さらに、本発明合金Ｎα１〜９においては、最大超塑性
伸びを示す温度が８００　’Ｃ以下と低く、しかも、そ
の温度における超塑性伸びが１５００％以上であった。

これに対して従来合金（］）ＮｎｌＯ，１１後の伸びを
示すものの、その温度が８２５℃以上と高かった。従っ
て、本発明合金Ｎα１〜９は従来合金（１）ＮＧ１０〜
１１、比較合金Ｍｏ１４〜２６と比較して、良好な超塑
性特性を有することがわかった。

また、本発明合金Ｎａ　１〜９は、最大超塑性伸びを示
す温度が、Ｔｉ−６ＡＱ−４Ｖ合金より７５〜１００℃
低いにもかかわらず、変形応力は１　、４　ｋｇ　ｆ／
ｌＩｎ２以下と小さな値を示した。

比較合金ＮＱ１５，１９は、最大超塑性伸びが１２１０
％以上と比較的大きな伸びを示しているが、最大超塑性
伸びが得られた温度が８２５℃以上と本発明合金Ｎα１
〜９と比較して５０〜１００℃高く、超塑性特性に劣っ
ていた。

また、比較合金Ｎα２０は、７５０℃で１３４１％の超
塑性伸びが得られているものの、変形応力が２　、５８
　ｋｇ　ｆ　／　ｍｍ　”と非常に大きかった。

また、比較合金Ｎｎ２１は、室温引張時の伸びが６．３
％と小さく実用上に耐えないため、超塑性引張試験を行
なわなかった。

また、本発明合金Ｎα１〜９は、ＵＳ特許公報４．２９
９，６２６号に記載の従来合金（２）Ｎα１２．＋３と
比べても、最大超塑性伸びおよび最大超塑性伸びを示す
温度に優れていた。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明合金は、Ｔｊ　−６Ａ　Ｑ
−４Ｖ合金よりも優れた室温引張特性（特に強度）を有
し超塑性特性においても格段に改善されている。さらに
、Ｔｉ−６ＡＱ−４Ｖ合金にＦｅ、ＣｏおよびＮｉを添
加した合金と比較しても超塑性特性に優れている。従っ
て、この優れた特性を生かして、

【図面の簡単な説明】

第１図は、基本成分（Ｔｉ　−６ｗｔ、％Ａ　Ｑ　−／
ｈｔ、％Ｖ金合金にＭｏおよびＦｅを添加したときの超
塑性伸び２図は、基本成分（Ｔｉ　−６ｉｉｔ、％Ａ　
Ｑ　−４ｗｔ、％Ｖ金合金にＭｏおよびＦｅを添加した
ときの超塑性伸びの変化を示すグラフである。横軸にＭ
ｏｗｔ、％の値を、縦軸に超塑性伸びの値を示した。第
３図は、基本成分（Ｔｉ　−６ｗし１％ＡＱ−４ｗし１
％Ｖ合金）ＫＭｏおよびＦｅを添加したときの超塑性伸
びの変化を示すグラフである。横軸にＦｅｗｔ、％の値
を、縦軸に超塑性伸びの値を示した。第４図は、本発明
合金と同じ化学組成を有する合金のα品位径を変化させ
たときの超塑性伸びを示すグラフである。横軸に本発明
合金と同じ化学組成を有する合金のα品位径を、縦軸に
超塑性伸びの値を示した。図面において、１・・・本発
明のチタン合金の実験値をプロットしてなる実線部分、 ２・・比較用のチタン合金の実験値をプロットしてなる
点線部分。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ Ａｌ：５．５〜６．７５ｗｔ．％、 Ｖ：３．５〜４．５ｗｔ．％、 Ｏ：０．２ｗｔ．％以下、 Ｆｅ：０．８５〜３．１５ｗｔ．％、 Ｍｏ：０．８５〜３．１５ｗｔ．％、 ただし、 ３ｗｔ．％≦２×Ｆｅｗｔ．％＋Ｍｏｗｔ．％≦８ｗｔ
   ．％、および、 残部：Ｔｉおよび不可避不純物、 からなり、α晶粒径が６μｍ以下であることを特徴とす
   る、超塑性加工性に優れたチタン合金。