JPH0317885B2

JPH0317885B2 -

Info

Publication number: JPH0317885B2
Application number: JP19271987A
Authority: JP
Inventors: Hidehiro Onodera; Toshihiro Yamagata; Michio Yamazaki
Original assignee: KAGAKU GIJUTSUCHO KINZOKU ZAIRYO GIJUTSU KENKYU SHOCHO
Current assignee: KAGAKU GIJUTSUCHO KINZOKU ZAIRYO GIJUTSU KENKYU SHOCHO
Priority date: 1987-08-03
Filing date: 1987-08-03
Publication date: 1991-03-11
Also published as: JPS6439336A

Description

【発明の詳細な説明】

産業上の利用分野本発明は超塑性加工に適した高比強度耐熱チタ
ン合金に関する。本チタン合金は航空機用ジエツ
トエンジンや発電設備用ガスタービン等の軽量、
高強度、耐熱性及び耐食性を要求される部品、特
にコンプレツサーローター等の複雑構造の部品材
料に用いるに適した合金である。従来技術従来、Ti合金部品は鍛造及び切削加工により
製造されて来たが、航空機用ジエツトエンジンや
発電用ガスタービンで用いられるコンプレツサー
ローター等の複雑形状部品を製造する場合、切削
くずが90％以上にも達し、極めて歩留りが悪いば
かりでなく、作業性も極めて悪かつた。これを改
善するためにはTi合金の超塑性加工が有効な手
段である。超塑性加工特性は加工温度でα相とβ
相の体積比が１：１に近い合金が優れている。こ
の超塑性加工温度は850℃近傍の温度が適してい
る。850℃より高温では結晶粒の粗大化及び酸化
が生じ易くなるため、超塑性特性が劣化する。ま
た850℃より低温では変形応力が高くなるため、
超塑性加工が困難となる。従来、超塑性加工に適したTi合金としては、
Ti−6Al−4V合金、Ti−6Al−2Sn−4Zr−2Mo
合金、Ti−6Al−2Sn−4Zr−6Mo合金が知られ
ている。しかし、これらの合金はいずれもβ型
Ti合金と比べて強度が低い欠点があつた。本発
明者はこの欠点を改善すべく鋭意研究の結果、さ
きに、表−１に示すような一連の合金を発明し
た。しかし、特願昭59−106356号の合金は、強度
特性及び超塑性特性がともに十分でない。特願昭
59−190523号及び特願昭59−190524号の合金は、
超塑性特性はかなりの向上が認められるが、強度
特性は十分ではない。また特願昭60−155197号の
合金は強度特性はかなりの向上が認められるが、
超塑性特性が十分でなかつた。

【表】発明の目的本発明は従来の超塑性加工に適したチタン合金
の欠点を改善せんとするものであり、その目的は
超塑性特性が優れ、かつ高温比強度及び延性の優
れた高強度耐熱チタン合金を提供するにある。発明の構成本発明者は前記目的を達成すべく更に研究を重
ねた結果、重量％で、Al6.9〜7.5％、V1.6〜2.0
％、Sn0.4〜0.7％、Zr0.8〜1.2％、Mo0.3〜0.7％、
Cr0.7〜1.1％、Fe3.0〜3.4％、O0.08〜0.16％を含
み、残部は実質的にTiからなり、かつ850℃でα
相30〜70％、残部はβ相からなると共に、Al＋
（Sn／３）＋（Zr／６）の合計が7.30〜7.50で、Mo
＋（Ｖ／1.5）＋（Cr／0.6）の合計が11.0〜13.0の範
囲のものからなるTi合金はその目的を達成し得
られることを究明し得た。この知見に基づいて本
発明を完成した。本発明のチタン合金における組成成分の作用及
び組成割合の限定理由は次の通りである。 Alは主としてα相に固溶してα相を強化する
作用をする。しかし、その量が6.9％（以下％は重量％を示
す。）未満では強化効果が十分でなく、7.5％を超
えるとα相量が増加して十分な超塑性特性が得ら
れなくなるので、Alは6.9〜7.5％の範囲であるこ
とが必要である。Ｖはα相とβ相に固溶してこれらの相を強化す
る作用をする。しかし、その量が1.6％未満では
強化効果が十分得られなく、2.0％を超えるとα
相量が減少して十分な超塑性特性が得られなくな
るので、Ｖは1.6〜2.0％の範囲であることが必要
である。 Sn及びZrはα相及びβ相にほぼ同じ比率で固
溶してこれらの相を強化する作用をする。しか
し、Sn量が0.4％未満では強化効果が十分得られ
なく、0.7％を超えると比重が大きくなり比強度
が低下する。またZr量が0.8％未満では強化効果
が得られなく、1.2％を超えるとα相量が減少し
て十分な超塑性特性が得られなくなる。従つて
Sn量は0.4〜0.7％、Zr量は0.8〜1.2％の範囲であ
ることが必要である。 Mo、Cr及び、Feは主としてβ相に固溶してβ
相を強化する作用をする。しかし、Mo量が0.3％
未満では十分な強化が得られなく、0.7％を超え
るとα相量が減少して十分な超塑性が得られなく
なる。またCr量が0.7％未満では十分な強化が得
られなく、1.1％を超えるとα相が減少して十分
な超塑性特性が得られなくなる。またFe量が3.0
％未満では十分な強化が得られなく、3.4％を超
えるとα相量が減少して十分な超塑性特性が得ら
れなくなる。従つて、Mo量は0.3〜0.7％、Cr量
は0.7〜1.1％、Fe量は3.0〜3.4％の範囲であるこ
とが必要である。Ｏは主としてα相に固溶してα相を強化する作
用をする。しかし、その量が0.08％未満では十分
な強化が得られなく、0.16％を超えるとα相量が
増加して十分な超塑性特性が得られなくなるの
で、Ｏ量は0.08〜0.16％の範囲であることが必要
である。本発明のチタン合金における各元素の割合は前
記の通りであるが、この範囲内で更に850℃でα
相が30〜70％、残部はβ相であることが必要であ
る。それは、α相とβ相は互いに結晶粒の成長を
妨げ、超塑性特性を向上させるからである。α相
が30％未満ではβ相の結晶粒が粗大化し易くなり
超塑性特性を劣化する。 α相が70％を超えるとα相の結晶粒が粗大化し
易くなり超塑性特性を劣化する。更に、本発明のチタン合金の引張強度及び超塑
性特性の両方を優れたものとするためには、α相
の固溶強化に有効なAl、Sn、Zrの合計量及びβ
相の固溶強化に有効なＶ、Mo、Crの合計量に関
して次の制限が必要である。つまり、α相の固溶
強化に有効なAl、Sn、Zrについては、Al＋Sn／
３＋Zr／６（ここで、SnはAlの１／３、ZrはAl
の１／６の強化量とみてよい）の合計量が7.30〜
7.50の範囲であることが必要である。その合計量
が7.30未満では十分なα相の強化が得られなく、
7.50を超えるとα相の体積率が増加し、超塑性特
性が劣化する。また、β相の強化に有効なＶ、Mo、Cr、Feに
ついては、Mo＋（Ｖ／1.5）＋（Cr／0.6）＋（Fe／
0.35）（ここで、ＶはMoの１／15、CrはMoの
１／0.6、FeはMoの１／0.35の強化量とみてよ
い）の合計量が11.0〜13.0の範囲であることが必
要である。その合計量が11.0未満では十分なβ相
の強化が得られず、13.0を超えるとβ相量が増加
し超塑性特性が劣化する。以上の各元素の組成割合、構成相の割合及びα
相強化元素、β相強化元素の合計量の割合を特定
することによつて、優れた超塑性特性を有し、高
温比強度及び延性に優れた特性を有するチタン合
金が得られる。実施例本発明の表−２に示す組成の合金と比較のため
の既存合金、参考合金を使用し、これをアーク溶
解、鍛造後、850℃で約85％の熱間圧延を行い、
５mmφ引張試験及び超塑性試験片を作製

【表】

【表】して各々の試験を行つた。その結果は表−３、及
び表−４の通りであつた。なお、超塑性試験片は熱間圧延のままの状態で
試験に供し、超塑性試験は850〜900℃で、アルゴ
ンガス雰囲気中で6.7×10^-4S^-1の歪速度で行つ
た。また、高温引張試験片は850〜950℃で１時間熱
処理した後、再び550〜600℃で４時間熱処理し、
空冷して試験に供した。高温引張試験は300℃で
３×10^-4S^-1の歪速度で行つた。表−３の結果が示すように、本発明のチタン合
金は850℃において552％の超塑性伸びを有し、最
大変形応力も2.2Kgｆ／mm²と十分低いので、超塑
性加工に適したものである。この特性は既存のTi−6Al−2Sn−4Zr−6Mo
合金に比べて著しく優れている。また、Ti−6Al
−4V合金に比べて変形温度として50℃の低下が
可能であり、酸化防止及び型材の寿命増加の観点
からみて、本発明のチタン合金は著しく有利であ
る。また、本発明合金の超塑性特性は参考合金の
GT−32、33及び34の合金と同程度であるが、
900℃でα相の体積率が30〜70％となるGT−９、
及び11の合金、並びに800℃でα相の体積率が30
〜70％となるGT−45及び46合金と比べて大幅に
優れている。これは従来技術で述べた理由によ
り、850℃でα相が30〜70％となる合金の超塑性
特性が優れているからである。また、表−４の結果が示すように、本発明のチ
タン合金は既存のTi−6Al−4V、Ti−6Al−2Sn
−4Zr−2Mo及びTi−6Al−2Sn−4Zr−6Mo合金
に比べて比強度及び延性において著しく優れてい
る。即ち、本発明合金では12.7〜14.8％の伸びを確
保した条件で、29.5〜31.0Kgｆ／mm²／ｇ／cm³の比
強度が得られる。これに対しTi−6Al−4V及び
Ti−6Al−2Sn−4Zr−2Mo合金ではこのような
高比強度は得られない。またTi−6Al−2Sn−
4Zr−6Mo合金では、比強度が29.99Kgｆ／mm²／
ｇ／cm³まで増大すると伸びが5.2％まで低下する。また、本発明合金に匹適する超塑性特性を有す
る参考合金のGT−32、34及び33合金と比較し
て、本発明合金は比強度及び延性において著しく
優れている。即ち、これらの参考合金では、10〜
14.2％の伸びを確保した条件で、25.5〜28.0Kg
ｆ／mm²／ｇ／cm³の比強度であり、本発明合金の特
性はこれを大幅に上回つている。これはα相の強
化度及びβ相の強化度で説明される。即ち、GT
−32及び34合金はβ相の強化度が本発明合金に比
べて大幅に低く、また、GT−33合金ではα相の
強化度が本発明合金に比べて低い。そのため、こ
れらのいずれの合金も300℃における比強度が低
い。発明の効果本発明のチタン合金は優れた超塑性特性を有
し、かつ優れた高温比強度及び延性を兼ねそなえ
た合金である。従つて、優れた強度特性を有する
部品を超塑性加工を適用することにより歩留りよ
く容易に製造することができる。また、これを使
用することにより、ジエツトエンジンや発電設備
などの各種ガスタービンの軽量化及び高効率化を
可能にする等の優れた効果が得られる。

Claims

【特許請求の範囲】

１重量％で、Al6.9〜7.5％、V1.6〜2.0％、
Sn0.4〜0.7％、Zr0.8〜1.2％、Mo0.3〜0.7％、
Cr0.7〜1.1％、Fe3.0〜3.4％、O0.08〜0.16％を含
み、残部は実質的にTiからなり、かつ850℃でα
相30〜70％、残部はβ相からなると共に、Al＋
（Sn／３）＋（Zr／６）の合計が7.30〜7.50で、Mo
＋（Ｖ／1.5）＋（Cr／0.6）＋（Fe／0.35）の合計が
11.0〜13.0の範囲のものからなる超塑性加工に適
した高比強度耐熱チタン合金。