JPH0285345A - 成分偏析を軽減し均質性に優れたα＋β型チタン合金材の製造法 - 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］ 本発明は、宇宙航空機材料として、また種々の化学機器
や深海調査船などの海洋開発用として使用されるーα＋
βα＋β型合２２合金材偏析を軽減して均質性を改善し
た製造法に関するものである。

［従来の技術］ ＴＩ　−６１−４ＶやＴＩ　−６Ａ＃　−６Ｖ−２Ｓｎ
などで代表されるα＋β型チタン合金は、比強度が高く
クリープ特性や疲労特性に優れているため、航空機や宇
宙関連材料に多用されているが、これら諸特性の均質性
はきわめて重要で、これまでに種々の改善がなされてき
たが、まだ必ずしも満足なものではなくいくつかの問題
が残されている。

α＋β型チタン合金では「金属チタンとその応用　日刊
工業社、Ｐ５４〜５５」に紹介されているように、βト
ランザスが合金組成によりきまる。

たとえばＴＩ　　−６ＡＮ−４Ｖ合金では約９９５℃、
ＴＩ　　−６Ａｌ−６Ｖ−２Ｓｎ合金では約９３０℃で
ある。

通常、α＋β型チタン合金の製造においてはβトランザ
スの少し上のβ域温度で鍛造して鋳塊組織を潰し、その
後、均一等軸なα組織を得るために、主としてα＋β域
温度で熱間加工が行なわれる。さらに組織を一定の状態
にするために熱処理が行なわれる。

その熱処理としては、α＋β域に保定した後徐冷より成
る焼鈍をするか、α＋β域に保定した後急冷して溶体化
処理を行ない、続いて約４００〜６００℃で４〜８時間
時間待効処理を行なって、β相からα相を析出させるの
が一般的である。

しかしながら、鋳塊は合金元素によってα相とβ相で固
溶度が異なるために生じる成分偏析をもつために、従来
の製造法では最終製品までその影響が残り、第１図（ｂ
）に示すように針状のα組織を混在せしめ、製品の強度
、疲労、クリープなどの諸特性の均一性に影響する問題
があった。

特に、平衡分配係数が１よりもかなり小さいＦｅ、Ｃｕ
、Ｃｒ、Ｍｎなどのβ安定化元素を含む合金（例えば、
ＴＩ　−６ＡｊＪ　−６Ｖ−２Ｓｎ合金）では、これら
の元素が凝固時に偏析を起こしやすいために部分的にβ
トランザスが低下し、そのため熱間加工におけるα＋β
域での加熱時に部分的にβ相に変態し、その結果第１図
（ｂ）に示すような針状のα相が生成し、組織の均一性
を失わせる原因になっている。

すなわち、電極式アーク溶解法などによる溶解を行なっ
た場合に、凝固時に直径５ｉｎ以上の偏析径をもつ偏析
、いわゆるβフレックがスポット状に鋳塊全面に生成し
くこのスポット状偏析部は、凝固初期の鋳塊底面部に比
べて凝固の遅れる鋳塊中心部や鋳塊上部に多い）、これ
らのスポット状偏析は通常の鍛造や熱間圧延によっては
容易に解消できず、製品の均一性を損なう原因になって
いる。

［発明が解決しようとする課題］ したがって、厳しい品質を要求される航空部品、特に回
転部品などには使用できず、そのような用途には大型鋳
塊の底部付近の偏析の少ない個所だけの使用や小型鋳塊
の使用で対応しているのが現状で、歩留りの低下やこれ
らの品種の用途拡大の障害になっている。

本発明はこのようなα＋β型チタン合金材の製造におけ
る技術上の問題と背景から、鋳塊の成分偏析の影響を軽
減して均質性に優れた板材、形材、棒材、線材、管材な
ど各種のα＋β型チタン合金材の製造法を提起するもの
である。

［課題を解決するための手段］ 本発明者らは鍛造法や圧延法など各種の製造条件につい
て多くの実験を試みた結果、鍛造あるいは分塊圧延を経
て製造されたα＋β型チタン合金の合金片から、１回ま
たは２回以上の熱間加工による所定形状への成形工程に
おいて、その工程で１１５０〜１３５０℃の高温拡散処
理工程を１回または２回以上施すことによって、鋼塊の
どの部位に相当する最終製品の個所にも針状のα相組織
が現れず、均一で等軸に近いα相組織になることを知見
した。

本発明はこの知見にもとづいて構成したもので、その要
旨は、α＋β型チタン合金の合金片に熱間加工を施して
所定形状に成型する工程において、その熱間加工工程で
、１１５０〜１３５０℃の高温拡散処理工程を１回また
は２回以上を施すか、あるいは必要によっては該処理の
冷却過程においてβトランザスを超える温度から開始し
て、βトランザス−５００℃のα＋β二相域の温度で、
加工率２０％以上の熱間加工を少なくとも１回施すか、
さらに必要によっては、高温拡散処理後引続きあるいは
熱間加工間において、（βトランザス＋１５０℃）〜β
トランザスに加熱して、５００℃以下に１’Ｃ／ｌｌ１
ｎ、以上の冷却速度で急速に冷却する処理を少なくとも
１回施す成分偏析を軽減し均質性に優れたα＋β型チタ
ン合金材の製造法である。

以下、本発明について詳細に説明する。

消耗・非消耗電極式アーク溶解法、電子ビーム溶解法、
プラズマ・ビーム溶解法など通常使用される溶解法で溶
製し、鋳塊とし、さらに鍛造または分塊圧延してα＋β
型チタン合金の合金片を製造する。

鍛造または分塊圧延は、鋳塊をβトランザス以上の温度
に加熱して鋳塊組織を潰し、続く熱間加工によって均一
等軸な組織が得られやすくするものであって、鍛造比ま
たは圧延圧下率は、鋳塊の大きさ、要求される製品の寸
法によって異なり、限定されるものではない。

このようにして得られたα＋β型チタン合金の合金片は
、鍛造または分塊圧延を終えて高温度の保有熱を利用し
あるいは高温度に加熱して、β域あるいはβトランザス
に近いα＋β二相域の温度で、１回または２回以上の熱
間加工を施し、板材、形材、棒材、線材、管材などに成
型される。

こうして製造された各種形状のα＋β型チタン合金材は
、前述したように、すべての場所が必ずしも等軸α組織
にはならず、一部に針状α組織を混在する場合があり、
製品の緒特性に均等性を欠くという問題を有する。

したがって、厳しい用途に対しては、前述のように鋳塊
の底部だけを使用するか小鋳塊を使用するなどの方法を
採らねばならない。

本発明では、この問題を解消するために、合金片から各
種形状の製品への熱間加工工程の開始前あるいは熱間加
工中に１１５０〜１３５０℃の高温拡散処理工程を１回
または２回以上施す。

この高温拡散処理は、最終製品における均一な品質を確
保するのに必要な工程であって、１１５０℃未満の低い
温度では拡散が充分でないために、ＦＢ、Ｃｕ、Ｃｒな
どの合金元素が局部的に濃化して成分偏析が残存し、ま
た１３５０℃を超える過剰な温度では、表面の酸化層が
厚くなって製品の歩留りが低下することと、β粒が異常
に大きく成長し好ましくない。

すなわち、高温拡散処理はＦｃ、Ｃｕ、Ｃｒなどの合金
元素の成分偏析を防止して、等軸α組織を均一に得るた
めに１１５０〜１３５０℃（好ましくは１２００〜１３
００℃）に加熱するのであって、この温度領域における
加熱保持時間は４時間以上で長いほど好ましい。

また、加熱後の冷却速度は特に限定するものではないが
、β域から徐冷すると旧β粒界に粗大な粒界α晶が生成
し、この一部が最終製品に残留することにより組織の均
質性を害するため、その生成および成長を抑制するため
には、１℃／ｍｉｎ．以上の速度で、５００℃以下の温
度にできるだけ急速に冷却することが好ましい。

また、チタン合金を酸化雰囲気中で加熱すると、著しい
酸化および表面部への酸素の固溶が起こり、歩留りの低
下および続く加工を困難にするため、高温拡散処理に際
しては、予め酸化防止剤を塗布したり、雰囲気からの酸
素の供給を妨げるため、金属板で合金片を覆うなどの対
策を施すか、無酸化雰囲気中で加熱することが望ましい
。

また、α＋β型チタン合金は、合金元素を多量に含有す
るため、本発明における高温拡散処理においては、高温
度で長時間の保持をしなければならないが、そのため著
しいβ粒の成長が起こり組織の不均一を生じる原因とな
る。

高温拡散処理においてβ粒が大きく成長するのはやむを
えないが、これによる最終製品の組織不均一を防ぐ手段
として、次のことなどが有効である。

その一つは、高温拡散処理後の冷却過程において、βト
ランザスを超える温度から開始して、βトランザス−５
００℃のα＋β二相域の温度で少なくとも加工率２０％
以上の熱間加工を施すことである。

すなわち、この加工歪の導入により、後続の再加熱や熱
間加工において再結晶が起こり、細粒となって組織が均
質となる。

その他の方法として、高温拡散処理の後、（βトランザ
ス＋１５０℃）〜βトランザスの温度域に加熱し、５０
０℃以下に１℃／１ｎ１以上の冷却速度で急速に冷却す
ることである（β−Ｑ処理）。

すなわち、高温拡散処理後に（βトランザス＋１５０℃
）〜βトランザスの比較的低温のβ域に加熱することに
より、組織が微細になり、且つ高温拡散処理後の冷却中
に生成した粒界αも消失して、続くα＋β二相域での加
熱、熱間加工により細粒で均一な等軸α相組織が得られ
やすくなる。また、（βトランザス＋１５０℃）〜βト
ランザスに加熱して、その加熱温度〜５００℃の温度間
で加工率２０％以上の熱間加工を施してもよい（β−Ｗ
処理）。

すなわち、この場合、前の場合と同じように組織が微細
になり、且つ粒界αも消失する効果に加えて、加工歪の
導入により、続く熱間加工において組織が微細になる効
果を有する。

さらに、本発明において、高温拡散処理工程の前に、（
βトランザス−３０℃）〜（βトランザス−２００℃）
に加熱してα＋β二相温度域で少なくとも３０％以上の
加工を施すことは、この加工歪導入により高温拡散処理
でのβ粒の成長を防ぐと同時に、合金元素の拡散を容易
にし、本発明にとって有効である。

また、高温拡散処理の後の、前述のβ−Ｑ処理やβ−Ｗ
処理の前に、（βトランザス−３０℃）〜（βトランザ
ス−２００℃）に加熱して少なくとも３０％以上の加工
を施すことは、その加工歪の導入により、続く　（βト
ランザス＋１５０℃）〜βトランザスのβ域での加熱処
理においてβ粒を細粒化し、その結果最終製品の細粒化
に有効である。

本発明において、高温拡散処理後、あるいはβ−Ｑ処理
やβ−Ｗ処理後の最終の熱間加工では、（βトランザス
−３０℃）〜（βトランザス−２００℃）に加熱して、
少なくとも３０％以上の加工を施すことよりなる工程を
１回以上行ない、これらの工程における全圧下率として
、６０％以上の加工を加えることが望ましい。このこと
により、組織が微細になり等軸α相組織が得られる。

［実　施　例］ 真空アーク溶解法により、第１表に示すような化学成分
に溶解製造された重量約６トンのＴｉ６Ａｆｌ　−６Ｖ
−２Ｓｎ合金の鋳塊を、鍛造、圧延して厚さ約３００〜
４００龍に製造された合金片を、第２表に示すような諸
条件で高温拡散処理を行ない、さらに圧延または鍛造す
ることにより最終厚みの合金片とした。

次いでβトランザス以下の８９０℃に加熱して厚板圧延
を行ない最後に７４０℃で焼鈍した。

それらの最終製品のミクロ組織および機械的性質を調査
するとともに、最終圧延または鍛造前の合金片について
、成分偏析の程度をマイクロアナライザーで調査した。

それらの結果を第３表に示す。

第　　　１　　　表 （νｔ０％） これらの結果より、最終圧延または鍛造前の合金片断面
の成分偏析は、マイクロアナライザーによるＦｅおよび
Ｃｕについての定量分析結果によれば、従来の製造法９
およびｌＯに比べて、本発明法に従う１〜８の場合の方
が明らかに軽減されている。

また、最終厚板製品のミクロ組織は、本発明法に従う１
から８の高温拡散処理を行なった製造方法による場合、
第１図（ａ）に示すように、等軸α晶組織であったが、
高温拡散処理を行なわない９およびｌＯの従来の比較法
による場合には、第１図（ｂ）に示すように、針状のα
晶組織が混在していた。

さらに、機械的性質についても、本発明法に従う１〜８
の製造法により場合、比較法に比べて、降伏応力や引張
強さなどの強度はほぼ同等で、破断伸びも劣るものでは
ない。

代表例として、本発明法に従った２の製造方法と、比較
法による９の製造方法により製造された厚板のミクロ組
織およびマイクロアナライザーによる最終圧延または鍛
造前のスラブ断面の成分似析測定結果を、それぞれ第１
図（ａ）および第２図に示す。

［発明の効果］ このような本発明法で製造されたα＋β型チタン合金材
は、成分偏析が著Ｌ＜軽減され、等軸に近いα組織とな
り、均質性に優れた諸特性が得られる。

さらに本発明で製造されたα＋β型チタン合金を、α＋
β域に保定した後徐冷より成る焼鈍するか、α＋β域に
保定Ｉ７た後急冷して溶体化処理を行ない、続いて約４
００〜８００　”Ｃで４〜・８時間程度時効処理を行な
って、β柑からα相を析出させる処理を行なってもその
効果を消失することはなく、均質性に優れた各種形状の
製品が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はα十β型チクン合金材ミクロ組織（Ｘ　２００
）の本発明法（ａ）と従来法（１））を示し、第２図は
α＋β型チタン合金材スラブ断面のＣｕおよびＦｅ成分
の偏析測定結果を本発明法と従来法を比較して示１−。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、α＋β型チタン合金の合金片に、１回または２回以
   上の熱間加工を施して所定形状に成型する工程において
   、その熱間加工工程で１１５０〜１３５０℃の高温拡散
   処理工程を１回または２回以上施すことを特徴とする成
   分偏析を軽減し均質性に優れたα＋β型チタン合金材の
   製造法。 ２、α＋β型チタン合金の合金片に、１回または２回以
   上の熱間加工を施して所定形状に成型する工程において
   、その熱間加工工程で１１５０〜１３５０℃の高温拡散
   処理工程を１回または２回以上行なった後、その冷却過
   程においてβトランザスを超える温度から開始してβト
   ランザス〜５００℃のα＋β二相域の温度で、加工率２
   ０％以上の熱間加工を少なくとも１回施すことを特徴と
   する成分偏析を軽減し均質性に優れたα＋β型チタン合
   金材の製造法。 ３、α＋β型チタン合金の合金片に、１回または２回以
   上の熱間加工を施して所定形状に成型する工程において
   、その熱間加工工程で１１５０〜１３５０℃の高温拡散
   処理工程を１回または２回以上行なった後、（βトラン
   ザス＋１５０℃）〜βトランザスの温度域に加熱し、５
   ００℃以下に１℃／ｍｉｎ．以上の冷却速度で急速に冷
   却する処理を少なくとも１回施すことを特徴とする成分
   偏析を軽減し均質性に優れたα＋β型チタン合金材の製
   造法。 ４、α＋β型チタン合金の合金片に、１回または２回以
   上の熱間加工を施して所定形状に成型する工程において
   、その熱間加工工程で１１５０〜１３５０℃の高温拡散
   処理工程を１回または２回以上行なった後、その冷却過
   程においてβトランザスを超える温度から開始して、β
   トランザス〜５００℃のα＋β二相域の温度で加工率２
   ０％以上の熱間加工を少なくとも１回施し、さらにその
   後、（βトランザス＋１５０℃）〜βトランザスの温度
   域に加熱し、５００℃以下に１℃／ｍｉｎ．以上の冷却
   速度で急速に冷却する処理を少なくとも１回施すことを
   特徴とする成分偏析を軽減し均質性に優れたα＋β型チ
   タン合金材の製造法。