JPH03134126A

JPH03134126A - 耐エロージョン性に優れたチタン合金及びその製造方法

Info

Publication number: JPH03134126A
Application number: JP27023489A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Koyoku; 和博小浴; Hideo Sakuyama; 秀夫作山; Tsugio Ogura; 小倉　次夫
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1989-10-19
Filing date: 1989-10-19
Publication date: 1991-06-07
Also published as: JPH0572454B2

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、スチームタービンブレード、ポンプ、インペ
ラー、航空機、粉粒体の空気輸送配管、化学工業および
石炭転換プロセス等二ローションが工業上の問題として
注目される部位に適用されるチエローション性に優れた
合金に関するものである。

〔従来の技術〕

一般に液滴、雨滴、蒸気を含む気体または気泡を含む液
体等の流体、および固体粒子を含む液体等の作用により
材料が侵食される部位に用いられる材料には、第一に甜
二ローション性が優れていることが要求される。そこで
、従来この種の材料としては各種特殊鋼やステライト等
の高力合金が用いられているが、高速回転部材では耐エ
ロージヨン性と共に比強度の高い材料が、また腐食環境
においては甜二ローション性と共に耐食性の高い材料が
要求されるため今までのところ広範囲の使用条件にわた
って良好なｍエロージヨン性を示す金属材料は知られて
いない。

〔発明が解決しようとする課題〕

機械的、化学的な作用により材料が損耗していく現象で
ある二ローションは、スチームタービンブレード、ポン
プ、インペラー、航空機、粉粒体の空気輸送配管、化学
工業および石炭転換プロセス等で問題となっており、そ
れらの技術の成否を握る材料問題としてクローズアップ
されてきている。

一例として、火力発電および原子力発電等の低圧タービ
ンブレードの例で説明すると、現在ブレードには１２％
Ｃｒ鋼や１７−４ＰＨ鋼が使用され、１０〜１５％程度
の水滴が含まれる湿り蒸気中で高速回転するためその最
終段ブレードは激しく二ローションを受ける。

そこで、ブレード先端には二ローション防止を目的とし
て、甜二ローション性に優れたコバルト基合金のステラ
イトがエロージョンシールド材としてろう付け、または
溶接によって取り付けられている。

しかし、近年発電の効率化を目的として、低圧タービン
最終段ブレードの長尺化が検討され、高比強度のチタン
合金がブレード材として検討され始めている。この場合
ステライトはコバルト基合金であるためチタン合金製ブ
レードとの間に信頼性の高い溶接接合部を得ることが困
難である。

また、原子力発電においては、被曝量低減の意味からも
ステライトに代るコバルトを含まないエロージョンシー
ルド材が望まれている。

従って、タービンの最終段ブレードにチタン合金が使用
される場合ブレードと同じチタン系で高比強度があり、
かつコバルトを含まないチタン合金は蒸気タービンブレ
ードの二ローションシールド材として有効と考えられ、
Ｔ　ｉ　−１５Ｍ　ｏ　−５Ｚ−ｒ合金等がシールド材
として試用されているかチエローション性の面で未だ不
十分であり、より甜二ローション性の高いチタン合金が
求められている。

以上、低圧タービンブレードの例を示したが他の二ロー
ションを受ける部位に用いられる材料においても、その
チエローション性の向上は必要不可欠なものとなってい
る。

本発明は、上述の問題点に鑑みて財エロージョン性の高
いチタン合金をスチームタービンブレード、ポンプ、イ
ンペラー、航空機、粉粒体の空気輸送配管、化学工業お
よび石炭転換プロセス等二ローションが工業上の問題と
して注目される部位に利用できる耐エロージョン材とし
て提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

エロージョン現象は、流速のある液体、気体又は固体粒
子によって固体材料が侵食を受ける現象である。そして
、一般に金属材料においてチエローション性は硬さと関
係があり、同−合金系では硬さが高いほど甜二ローショ
ン性は優れていることが報告されている。

本発明者等は、チタン合金においてこの傾向があてはま
るかどうかを調査するため熱処理によって高い硬さの得
られる既存のβ型チタン合金を中心として硬さと二ロー
ション減量の関係を磁歪振動型エロージョン試験機を用
いて調査した。

その結果、第１図に示すようにチタン合金においても供
試材のビッカース硬さと二ローション減量の間によい相
関が見られた。

そこで、本発明者等は従来のチタン合金材に比べ甜二ロ
ーション性の優れたチタン合金を開発することを目的と
して、熱処理によって高い硬さの得られるチタン合金に
ついて研究を行った。

その結果、チタンとの共析反応を生じる添加元素、特に
クロムを適度に添加し、さらにアルミニウムと鉄を適量
添加することにより得られたチタン合金は時効処理を行
う熱処理によって著しい硬さ上昇が見られ耐エロージョ
ン性も飛躍的に向上することを見い出した。

本発明は上記の知見に基づいて、クロム６．０重量％以
上１６．０重量％以下、アルミニウム２．０重量％以上
７．０重量％以下、鉄１．０重量％以上５．０重量％以
下、酸素０．１重量％以上０．３重量％以下を含み残部
チタンおよび不可避的な不純物よりなることを特徴とす
る酎エロージョン性に便れた合金と、この合金を用いて
肉盛溶接を行った溶接部およびこの合・金を熱間もしく
は冷間加工して得た板材を溶体化処理の有無にかかわら
ず３５０℃以上５５０℃以下の温度領域で時効処理する
ことを特徴とする附二ローション性に優れたチタン合金
の熱処理方法およびその製造方法に係るものである。

本発明において組成比の限定理由は以下のとおりである
。

まず、クロムはその含有ｔが６．０重ユ％未満では熱処
理によってもＴ　ｉ　Ｃｒ２　の析出が不足し十分な硬
さが得られず優れたｍ＝ローション性を示さない。また
その含有量が１６．０重量％を越えると熱間加工時にＴ
　ｉ　ＣＬ’、の析出により加工性が低下し、健全な板
材等が得られなくなる。

また、アルミニウムはその含有量が２．０重量％未満で
は熱処理によってもα相の析出が不足するため十分な硬
さが得られず優れた耐エロージヨン性を示さない。また
、その含有量が７．０重量％を越えるとＴｉ、Ａ、Ｉ２
の形成により脆化が進み加工が困難となる。

鉄の含有量が１．０重量％未満では熱処理によっても十
分な硬さが得られず優れた財エロージョン性を示さない
。また、その含有量が５．０重量％を越えると硬さ上昇
とともに脆化が進み、加工性が悪くなる。

酸素はその含有量が０．１重量％未満では十分な硬さが
得られず優れた謝エロージョン性を示さない。一方、酸
素量が０．３重量％を越えると加工性が低下し、板材の
製造や肉盛溶接用の溶接棒の製造が困難となる。

そして、上記組成の合金を用いて肉盛溶接を行った溶接
部、およびこの合金を熱間もしくは冷間加工して得た板
材を溶体化処理の有無にかかわらず３５０℃以上５５０
℃以下の温度領域で時効処理することにより析出硬化が
生じ、はじめて優れた附二ローション性が得られる。

このような理由により本発明においては、附二ローショ
ン性の優れたチタン合金を得るために上記の範囲にその
組成および時効処理条件を限定した。

〔実施例〕

次に、本発明を実施例により詳細に説明する。

第１表に不発明に係る実施例および比較例の二ローショ
ン試験の結果を示す。二ローション試験は、磁歪振動型
キャビテーションエロージョン試験機を用いて行ない、
附二ローション性を評価した。試験条件は、振動周波数
２０　Ｋ　Ｈｚ　、振動振＠３５μｍ、試験液水道水、
液温２０℃１試験時間２時間とし、評価は試験後の重量
減の大小で行なった。

第１表に示す組成の各供試材（市販合金を除く）のチタ
ン合金は、高純度アルゴン雰囲気中でアーク溶解した後
、Ｎα１〜４，１７〜２４，２９゜３２．３３，３７〜
４６．６７〜７６については９５０℃で、またＮα５〜
８，４７〜５１については９００℃で、さらにＮα９〜
１６．２５〜２８゜３０．３１，３４，３５，３６．５
２〜６６゜７７〜８１については８５０℃で熱間圧延加
工を行い、一部は冷間圧延を行い板材を製造した。

また、この板材をシャーで切断し３画口程度の角材を製
造し、これを溶接棒としてＴＩＧ溶接による肉盛溶接を
行った。溶接時には溶接ビードの表面酸化を防ぐために
トーチ部にアルゴンガスを流し、アフターシールドを施
して溶接を行った。

その結果、板材と肉盛材で准素含有量の違いはほとんど
認められなかった。

上記の様にして製造した供試材には各々第１表に示す熱
処理を施し、前述した二ロージ五ン試験に供した。

第１表から明らかなように本発明に係る実施例Ｎα１〜
２８の耐エロージヨン性は、Ｔｉ−６Ａρ−４Ｖ合金お
よびＴｉ−１５Ｍｏ−５２ｒ合金よりも優れている。

一方、比較例ＡのＮα２９はクロム量が６．０重量％未
満、Ｎα３１はアルミニウム量が２．０重量％未満、Ｎ
ａ　３３はＭ量が１．０重量％未満、Ｎα３５は酸素量
が０．１重量％未満の場合であるが、いずれも甜二ロー
ション性は不十分である。

また、Ｎα３ｏはクロム量が１６．ＯＮ量％。

Ｎα３２はアルミニウム量が７．０重量％、Ｎα３４は
鉄量が５．０重量％、Ｎα３６は酸素量が０．３重量％
を越えた場合で、いずれも加工性が悪いことがわかった
。

また、比較例ＢでＮα３７，４２，４７，５２゜５７．
６２，６７．７２．７７は溶体化処理のみを行った場合
、Ｎα３８，４３，４８，５３，５８゜６３．６８，７
３．７８は溶体化処理後３５０’Ｃ未満の温度で時効処
理した場合、Ｎα４０，４５゜５０．５５，６０，６５
，７０，７５．８０は３５０℃未満の温度で直接時効処
理した場合であるが、いずれも析出硬化が不十分でｍエ
ロージヨン性は劣っている。さらにＮα３９，４４，４
９゜５４．５９，６４，６９，７４．７９は溶体化処理
後５５０℃を越える温度で時効処理した場合。

Ｘα４１，４６，５１，５６，６１，６６．７１゜７６
．８１は５５０℃を越える温度で直接時効処理した場合
であるが、いずれも過時効で軟化しており、耐エロージ
ヨン性は劣っている。

前述したように一般に金属材料において看工口−ジョン
性は硬さと関係があり、同−合金系では硬さが高い程附
エロージョン性は優れている。

第１表においても本発明に係る合金の硬さはいずれも４
５０　（Ｈｖ）を越えており、高い硬さを有しているこ
とは明らかである。

〔発明の効果〕

以上に説明したように１本発明によればスチームタービ
ンブレード、ポンプ、インペラー、航空機、粉粒体の空
気輸送配管、化学工業および石炭転換プロセス等の二ロ
ーションが発生し易い部位に利用できる耐エロージヨン
性に優れたチタン合金を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はチタン合金のビッカース硬さと二〇−ジョン減
量の関係を示すグラフである。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）クロム６．０重量％以上１６．０重量％以下、ア
ルミニウム２．０重量％以上７．０重量％以下、鉄１．
０重量％以上５．０重量％以下、および酸素０．１重量
％以上０．３重量％以下を含み残部チタンおよび不可避
的な不純物よりなる耐エロージヨン性に優れたチタン合
金。
（２）請求項（１）記載のチタン合金を用いて肉盛溶接
を行った溶接部を溶体化処理の有無にかかわらず３５０
℃以上５５０℃以下の温度領域で時効処理することによ
り優れた耐エロージヨン性を得ることを特徴とするチタ
ン合金の熱処理方法。
（３）請求項（１）記載のチタン合金を熱間もしくは冷
間加工後溶体化処理の有無にかかわらず３５０℃以上５
５０℃以下の温度領域で時効処理することを特徴とする
耐エロージヨン性に優れたチタン合金の製造方法。