JPH03134145A

JPH03134145A - 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: JPH03134145A
Application number: JP27023289A
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

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間窟として
注目される部位に適用される附エロージョン性に優れた
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、第一に耐
エロージヨ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、高速回転部材では財エ
ロージョン性と共に比強度の高い材料が、また腐食環境
においては重工ロージ目ン性と共に重責性の高い材料が
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
って良好な耐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〕

＠械的、（ヒ学的な作用により材各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、
そ九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１７−４Ｐ、Ｈ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エロージョンを受ける。

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、財エロージョン性に優れたコバルト基合金のステラ
イトが二ローシ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九始めている。この場合
ステライ１−はコバルト基合金であるためチタン合金層
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
置部である。

また、原子力発電においては、被Ｉ＠量低誠の意味から
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、
Ｔｉ１３Ｍｏ−５Ｚｒ合金等がシールド材として試用さ
れているが耐エロージヨン性の面で未だ不十分であり、
より耐エロージ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エロー
ジョンを受ける部位に用いられる材料においても、その
財二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耐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エロージ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財二ローション材とし
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〕

二ローション現象は、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財二ローシコン性は硬さと関
係があり、同−合金系では硬さが高いほど財二ローショ
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ｗ＜量の関係を磁歪振動型二ローション試験機を
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財二ロ
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財二ローション性
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、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
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耐エローシコン性に優れた
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、クロムはその含有量が６．０重量％未満では熱処
理によってもＴ　ｉ　Ｃｒ、の析出が不足し十分な硬さ
が得られず優れた甜二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　Ｃｒ’、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甜二ローション性を示さない。また
、その含有量が７．０重量％を越えるとＴｉ、Ａｆｌの
形成により脆化が進み加工が困難となる。

酸素はその含有量が０．１重量％未満では十分な硬さが
得られず優れた甜二ローション性を示さない。一方、准
素量が０．３重量％を越えると加工性が低下し、ｔＩｉ
２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、５５
０℃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、はじめて儲れた耐エローシコン性が得られる。

このような理由により本発明においては、甜二ローショ
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１本発明を実施例により詳細に説明する。

第１表に本発明に係る実施例および比較例のエロージョ
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、
甜エロージョン性を評価した。試験条件は、振動周波数
２０　Ｋ　Ｈｚ　、振動振幅３５μｍ、試験液水道水、
液温２０℃、試験時間２時間とし、評価は試験後の重Ｘ
’＄ｔ、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
、ＮＱ　１〜４，１７〜２１，２４゜２７〜３６．５７
〜６１については１０００　℃で、またＮα５〜８，１
３〜１６．３７〜４１．５２〜５６については９５０℃
で、さらにＮα９〜１２゜２２．２３，２５，２６．４
２〜５１については９００℃で熱間圧延加工を行ない、
一部は冷間圧延を行ない板材を製造した。

また、この板材をシャーで切断し３■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、板材と肉盛材で酸素含有量
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、前述した二ローション試験に供した。

第１表から明らかなように１本発明に係る実施例Ｎα１
〜２０の財エロージョン性は、Ｔ　ｉ　−６Ａｆｌ−４
Ｖ合金とＴ　ｉ　−１５Ｍ　ｏ　−５Ｚ　ｒ合金よりも
優れている。

一方、比較例ＡのＮα２１は、クロム含有量が６．０重
量％未満、Ｎα２３はアルミニウム含有量が２．０重量
％未満、Ｎα２５は酸素含有量が０．１重量％未満の場
合であるが、いずれも耐二ローション性は不十分である
。また、Ｎα２２はクロム含有量が１６．０重ｉ％を、
Ｎα２４はアルミニウム含有量が７．０重量％を、Ｎα
２６は笠素含有量が０．３重量％を越えた場合でユいず
れも加工性が悪いことがわかった。

また、比較例ＢにおいてＮａ２７，３２，３７゜４２．
４７，５２．５７は溶体化処理のみを行った場合、Ｎα
２８，３３，３８，４３，４８，５３゜５８は溶体化処
理をした後３５０　℃未満の温度で時効処理した場合、
Ｎα３０，３５，４０，４５゜５０．５５．６０は３５
０℃未満の温度で直接時効処理した場合で、いずれも析
出硬化が不十分でチエローション性は劣っている。さら
にＮα２９゜３４．３９，４４，４９，５４．５９は溶
体化処理後５５０℃を賊える温度で時効処理した場合、
Ｎα３１，３６，４ｉ、４６，５１，５６．６１は５５
０℃を越える温度で直接時効処理した場合で。

いずれも過時効で軟化しており、財エロージョン性は劣
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−合金系では硬さが富い程甜
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５
００　（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、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甜二ローション
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ローション減
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、および
酸素０．１重量％以上０．３重量％以下を含み残部チタ
ン及び不可避的な不純物よりなる合金を用いて、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３５
０℃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ョン性を得ることを特徴とするチ
タン合金の熱処理方法。
（２）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、および
酸素０．１重量％以上０．３重量％以下を含み残部チタ
ン及び不可避的な不純物よりなる合金を用いて、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５５０℃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。