JPH03115551A - β型チタン合金の熱処理方法 - 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、宇宙航空機産業等で広く用いられるβ型チタ
ン合金の熱処理方法に係わり、特に３段階の時効処理に
より強度と靭性のバランスを改善できるチタン合金の熱
処理に関する。

〔従来の技術〕

チタン合金は、比強度が高いため宇宙航空機産業等で広
く用いられている。

チタン合金としては、従来Ｔｉ−６Ａｌｌ−４Ｖ等に代
表されるα＋β型チタン合金が広く用いられてきた。ま
た近年では、α＋β型チタン合金と比べると、冷間、熱
間での成形性にすぐれ、時効硬化性の高いβ型チタン合
金の利用が広がりつつある。ここでいうβ型チタン合金
とは、β安定化型元素を多量に含み、高温相であるβ相
を常温までもちきたし、β単一相にすることができるチ
タン合金を総称しており、Ｔｉ−１５Ｖ−３Ｃｒ−３Ｓ
ｎ−３Ａｊｉ、Ｔｉ−１３Ｖ−１１Ｃｒ−３Ａｆ１．Ｔ
ｉ−１１，５Ｍｏ−６Ｚｒ−４，５Ｓｎ。

Ｔｉ−３ＡＪ−８Ｖ−６Ｃｒ−４，Ｍｏ−４２ｒ等を含
むものである。

すなわち、このβ型チタン合金は、β変態点以上より溶
体化処理を施すと、準安定なβ相から構成されるように
なり１時効処理によりα相等の析出物が生成されるため
著しい時効硬化を示し、この点では、α＋β型チタン合
金の欠点を十分に克服するものである。しかしながら、
このβ型合金は時効処理とともに、靭性、延性が低下す
るという欠点を有していた。

このため、本発明者らは、特願昭６３−１０９５２０号
、特願昭６３−１０９５２１号で延性、靭性１強度に優
れたβ型チタン合金を製造するための熱処理方法を提案
した。この方法は。

まず、高い温度にて１段目の時効処理を施し、それにひ
き続いて低い温度にて２段目の時効処理を行なうという
もので、これによりサイズの異なる２種類の析出物を析
出せしめ、高強度と高靭性を得るというものであった。

しかしながら、この方法により析出する第１段の時効処
理生成物は、本合金の高温での析出に付随する不均一な
析出分布を取り易く、特に、結晶粒界に優先的に析出し
てしまうという欠点を有していることがその後の研究に
より明らかとなった。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明者らの提案した上記の熱処理方法は、それまで行
なわれてきた熱処理方法と比較すると、強度、靭性のバ
ランスに優れるものが製造できるが、しかしながら、第
１段の析出物の不均一析出によりまだ改善の余地が残さ
れていることが明らかとされた。このため本発明者らは
、第１段の析出物の不均一分布をできる限り解消するさ
らに前段の低温での時効処理を施すことを検討し、鋭意
研究した結果、適切な条件を見いだした。

これによれば、析出物は大きなものも、小さなものも共
にかなり均一な分布を呈し、上述の熱処理材よりさらに
、延性、靭性、強度のバランスに優れたβ型チタン合金
の製造が可能となった。

本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり
、成形性を与える溶体化処理と、強度を与える最終の時
効処理との間に、均一な核生成を与える第１段の時効処
理と、大きな析出物を析出させる第２段の時効処理を施
することにより、強度、靭性に優れたβ型チタン合金が
得られる熱処理方法を提供することを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は上記目的を達成するために、β型チタン合金を
β域で溶体化処理した後、β変態点より３５０℃低い温
度以下、５００’Ｃ低い温度以上にて３０分以上の第１
段の時効処理を施し、引続き、β変態点より３００℃低
い温度以上にてβ変態点より低い温度で１時間以上の第
２段の時効処理を施し、しかるのちに第２段の時効処理
温度より８０℃以上低い温度にて３時間以上の第３段の
時効処理を施すことを特徴とするβ型チタン合金の熱処
理方法を完成した。

本発明者は、β型チタン合金の時効処理にともなう強度
向上が、延性、靭性を低下させるという難点を克服すべ
く、鋭意研究を行なった結果１本合金の溶体化とそれに
続く３段の低温、高温、低温の順で行なう時効処理が、
靭性と強度の関係を改善するという知見を得た。

このような知見に基づき、実験を重ねた結果。

β変態点以上から冷却し溶体化を施した材料をβ変態点
より３５０℃低い温度以下、β変態点より５００℃低い
温度以上の温度（以下Ｔ１と呼ぶ）にて３０分以上の第
１段の時効処理を施した後に。

β変態点より３００”Ｃ低い温度以上で、β変態点より
低い温度（以下Ｔ２と呼ぶ）にて１時間以上の第２段の
時効処理を施し、しかるのちにＴ２より８０℃以上低い
温度（以下Ｔ３と呼ぶ）にて３時間以上の第３段の時効
処理を行なうことにより、強度、靭性、延性、全てに優
れた製品を製造することを可能にした。

本発明の対象とするβ型チタン合金は、β変態点以上か
ら強制冷却を含む冷却方法により室温まで冷却すること
により、β単一相にすることのできるチタン合金であり
、代表例としては、Ｔｉ　−１３Ｖ−３Ｃｒ−３Ｓｎ−
３Ａｌ、Ｔｉ−１３Ｖ−１１Ｃｒ−３ＡＪ、Ｔｉ−１１
，５Ｍｏ−６Ｚｒ−４，５３ｎ、Ｔｉ−３ＡｔＴｉ−３
Ａｔ−−８Ｖ−６Ｃｒ−４等がある。

チタン合金製品は、鋳造品１ｗｉ造品、熱間圧延品、冷
間圧延品、粉末焼結材、溶接材と多岐にわたっているが
本発明品は全てを対象とする１本発明に係る製品はこれ
らの力Ｗ工の後に最終的に用途に応じて熱処理を施され
る。

本発明を特徴づけるのは、最終熱処理としての溶体化処
理、時効処理であり、その前歴はいっさい問わない１本
発明の熱処理はすべて、バッチ炉でも連続炉でも実現し
得るゆ 溶体化温度は、β変態点以上とする。その理由は、β変
態点以下での溶体化は、溶体化の後に冷間成形を行なう
場合に、冷間での成形性を損ない、加工後直接溶体化を
行なう際には加工歪と、それに付随したα相の不均一な
分布を招くからである。

冷却は、α相の析出を許さない速度とする。

第１段の時効処理は、β変態点より３５０℃低い温度以
下で、β変態点より５００’Ｃ低い温度以上の温度で行
なう、その理由は、この温度域では溶質原子の拡散速度
が遅く、析出されるα相はサイズ的に小さく１分布は均
一性の高いものになるからである。この第１段の時効処
理は第２段の時効処理にて形成されるα相の核を作るこ
とを目的としており、溶質原子がマトリックス中に後段
の時効処理でもα相を十分に析出せしめ得るだけ残って
いることが必要になっている。そのため、あまり大きな
α相の析出は、むしろ本発明の目的を阻害するものであ
り、好ましくない、また、分布に関しては、均一性が重
要であり、これが特頴昭６３−１０９５２１号、特顕昭
６３−１０９５２０号の提案より本発明が改良されてい
る一番重要な点である。

第１段の時効温度は３０分以上とする。この時効は上に
述べたように、第２段の析出物の核生成のために行なう
ものであるから、析出物が形成された時点で終了するこ
とが効果的であるためである。

第２段の時効処理は、第１段の時効処理の冷却途中から
行なっても良いし、室温まで冷却してから行なってもよ
い、第２段の時効処理は、β変態点以下で、β変態点よ
り３００℃低い温度以上の温度にて行なう、この時効処
理は、大きな析出物を析出させ、延性、靭性の最終時効
の際の低下を低減するために行なうものである。この温
度域を選んだ理由は、β変態点以上の温度では目的とす
るα相が得られず、β変態点より３００℃以上低い温度
では析出するα相が微細すぎるためである。

第２段の時効時間は１時間以上とする。この時効は到達
し得る強度まで強度が得られた時間で取りやめるのが、
第３段の強度レベルを高くするために効果的である。

第３段の時効処理は、第２段の時効処理の冷却途中から
行なっても良いし、室温まで冷却してから行なってもよ
い。温度は第１段の時効温度より８０℃以上低い温度で
行なう、その理由は、これ以上第１段の時効温度に近い
場合は、微細α小の析出が期待できず、強度レベルが低
いままとなるためである。

この時効時間は、第１．２段の時効処理がなく、直接第
３段の時効温度で時効した場合と比べると、長くとらね
ばならない、これは第１．２段の時効処理にてα安定化
型元素が析出物の方に濃縮されており、β相の析出反応
が遅くなってしまっているためであるにのため時効時間
は３時間以上とした。

［作用］ 上記本発明を実施する方法としては、まずβ型チタン合
金をβ変態点以上のβ域より冷却して溶体化処理を行な
う。

二九にひきつづき、β変態点より３５０’Ｃ低い温度以
下、５００℃低い温度以上にて３０分以上の第１段の時
効処理を施した後に、β変態点より３００℃低い温度以
上で、β変態点より低い温度（Ｔ２）にて１時間以上の
第２段の時効処理を施し、しかるのちにＴ２より８０℃
以上低い温度にて３時間以上の第３段の時効処理を行な
うことにより１強度、靭性、延性のバランスの取れたβ
型チタン合金材かえられる。

〔実施例〕

次に１本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。

実験には、代表的なβ型チタン合金であるＴｉ−１５Ｖ
−３Ｃｒ−３Ｓｎ−３Ａ１合金を用いた。その化学成分
を第１表に示す。

第 １ 表 （ｗｔ％） 使用したインゴットは直径５５０国であり、これを１０
５０℃に加熱した後Ｌｏｏｍ厚みに鍛造し、スラブにし
た後、９５０℃に加熱し１７ｍ厚みに熱間圧延した。

この熱間圧延板を供試材として、バッチ炉を用いてβ域
である８５０℃から溶体化処理したものに様々な時効処
理を施し機械的性質を求めた。

引張試験は、平行部直径６．２５ｍ、ゲージ長さ２５ｍ
の丸棒引張試験片にて行なった。平面歪破壊靭性値に、
ｃは、ＡＳＴＭ　Ｅ３９９に定める破壊靭性試験片で厚
み１５ｍのものを用い求めた。

実験は熱処理条件を種種変えて、それぞれの引張り強さ
、０．２％耐力、破断伸び、断面減少率、及び破壊靭性
値について測定した。

この実験結果は第２表に示すとおりであり、また２強度
、破壊靭性、延性の関係は第１．２図に示すとおりであ
った。

なお、第１図及び第２図においてＡは本発明品を、Ｂは
特原昭６３−１０９５２１号の提案による比較材を、Ｃ
は従来レベルの比較材をそれぞれ示している。

第２表から明らかなように、単一の温度で時効処理を加
えた供試材ＮＱＩ〜１２では、温度の低い４００Ｃの時
効材で高強度が得られるが、析出物が小さいため靭性値
、破断伸びの値は低い、、一方時効温度の高い６００℃
時効材では、靭性値、破断伸びの値は高いが、到達し得
る強度は低くなることが判った。

また、特願昭６３−１０９５２１号で提案した２段時効
処理を施したものが、Ｎα１３〜２４であるが、これら
はＮｃｉ　１〜１２と比べると強度と靭性のバランスの
点で優れている。しかしながら５本発明品にあたる＆２
５〜５２のグループは、さらにそのバランスに優れてお
り、本発明が特願昭６３−４０９５２１号提案の改良に
成功していることを示している。これは第１．２図から
さらに良く理解できる。

また比較例として、第１段の時効条件が本発明の範囲よ
りはずれているものをＮｏ５３〜６０に示す、これらは
何れも本発明品に比べると効果が少ない。

従って、以上の実験結果より本発明品は何れも靭性を損
なわずに強度レベルを向上させることに効果があること
が解った。

〔発明の効果〕

上記の本発明によれば、３段階の時効処理を行なうこと
により近年利用度の高まりつつあるβ型チタン合金の強
度靭性のバランスを改善することが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本実施例及び比較材の引張強さ一平面歪破壊靭
性値の関係を示すグラフ、第２図は同じく引張強さ−伸
びの関係を示すグラフである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）β型チタン合金をβ域で溶体化処理した後、β変
   態点より３５０℃低い温度以下、β変態点より５００℃
   低い温度以上にて、３０分以上の第一段時効処理を施し
   、しかる後に、β変態点より３００℃低い温度からβ変
   態点の間の温度にて１時間以上の第２段時効処理を施し
   、さらにこれに上記第２段の時効処理温度より８０℃以
   上低い温度にて、３時間以上の第３段の時効処理を施す
   ことを特徴とするβ型チタン合金の熱処理方法。