JPH03197635A

JPH03197635A - 耐熱性にすぐれたチタン合金

Info

Publication number: JPH03197635A
Application number: JP33609689A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Hayashi; 正之林; Hirobumi Yoshimura; 博文吉村; Toshihiro Hanamura; 年裕花村; Mitsuru Yano; 谷野　満; Jinichi Takamura; 高村　仁一
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1989-12-25
Filing date: 1989-12-25
Publication date: 1991-08-29
Anticipated expiration: 2011-02-28
Also published as: JPH0819501B2

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α型、α＋β型およびβ型チタン合金において
、耐酸化性および高温強度を向上させた耐熱性にすぐれ
たチタン合金に関するものである。

（従来の技術）チタン合金は比強度が高く耐食性にすぐれ、かつ耐熱性
も備えていることから、航空機用部材をはじめ多くの構
造材料分野で使用されており、近時その用途は拡大しつ
つある。

このように注目されているチタン合金には、その金属組
織が六方晶のα相からなるα型、α相と体心立方晶のβ
相からなるα＋β型、およびβ相からなるβ型の３種類
がある。

α型合金にはＴｉ−５ＡＮ−２，５５ｎＳＴｔ　−５，
５Ａ１などがある。純チタンに比べて強度が高くβ変態
点以下では常に安定であるため、高温における熱安定性
および耐クリープ性にすぐれており、航空機のエンジン
ケースなどに使用される。

α＋β型合金にはＴｉ−６Ａｌ−４ＶＳＴＴｉ−６Ａ！
−２Ｓｎ−４Ｚｒ−２Ｍｏなどがある。これらは二相合
金であるため加工性および溶接性などの部材製造性と、
強度および耐疲労性などの製品特性の両面ですぐれた特
性を有するバランスのとれた材料であり、各種構造部材
に使用される。

β型合金にはＴｌ−１５Ｖ−３Ｃｒ−３Ｓｎ−３Ａｊ７
　ＳＴｉ−３ＡＳＴｉ−３Ａｉ）−８Ｖ−６Ｃｒ−４な
どがある。これらは常温までβ相を残留させることがで
きるので冷間加工性にすぐれ、また熱処理により高強度
が得られるため近年さかんに開発され、各種分野で使用
されるようになってきた。

これらチタン合金の耐熱用途においては、高温環境にお
ける耐熱性すなわち耐高温酸化性および高温強度が要求
され、用途の拡大に伴って従来の使用環境よりも高温域
での耐熱性を備えた材料が望まれるようになってきた。

また、チタン合金は用途に応じて板、線、管、形材など
各種形状で供給されるが、それらは鋳造されたインゴッ
トを加熱して鍛造あるいは分塊圧延によりスラブあるい
はビレットとした後、さらに熱間圧延、熱間押出等の熱
間加工を行って製造される。これら製造工程においては
、加熱により材料表面に酸化スケールが発生し、それに
起因して熱間加工時に表面疵が発生するので、疵除去の
ための研削作業を要するなどの問題があった。

（発明が解決しようとする課題）本発明は、α型、α＋β型およびβ型チタン合金材にお
いて、耐酸化性および高温強度を向上させることにより
従来よりも高温での使用を可能にするとともに、熱間加
工における材料欠陥の発生を抑制することのできる耐熱
性にすぐれたチタン合金を提供することを目的とする。

（課題を解決するための手段および作用）本発明者は、
チタン合金にＰ、Ａｓ、Ｓｂ。

Ｂｉ　、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅといった周期律表におけるＶＢ
族あるいはＶＩＢ族の元素を添加すると、耐酸化性およ
び高温強度が向上することを知見した。

本発明はこのような知見に基づくもので、その要旨はつ
ぎのとおりである。

（１）　　α型、α＋β型あるいはβ型チタン合金にお
いて、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｓ、Ｓｅ。

Ｔｅの１種または２種以上を合計１０〜１０４原子ｐｐ
ｍ添加したことを特徴とする耐熱性にすぐれたチタン合
金。

（２）重量％にてＡｐ：２〜７％を含有し、残部がＴｉ
および不可避的不純物からなるα型チタン合金において
、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｓ。

Ｓｅ、Ｔｅの１種または２種以上を合計１０〜Ｉ０４原
子ｐｐｍ添加したことを特徴とする耐熱性にすぐれたチ
タン合金。

（３）重量％にてＡｐ：２〜７％およびＳｎ：１〜６％
を含有し、残部がＴｉおよび不可避的不純物からなるα
型チタン合金において、Ｐ　＋　Ａ　ＳＳｂ、Ｂｌ、Ｓ
、Ｓｅ、Ｔｅの１種または２種以上を合計１０〜１０４
原子ｐｐ＋ｍ添加したことを特徴とする耐熱性にすぐれ
たチタン合金。

（４）重量％にてＡｌ１：２〜７％および■：２〜１２
％を含有し、残部がＴｉおよび不可避的不純物からなる
α＋β型チタン合金において、Ｐ。

Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅの１種または２種以
上を合計１０〜１０４原子ｐｐｍ添加したことを特徴と
する耐熱性にすぐれたチタン合金。

（５）重量％にてＡｆＩ：２〜７％と、Ｖ：２〜１２％
またはＭｏ：１〜７％とを含有し、さらにＳｎ：１〜６
％、ｚ「：３〜８％、Ｆｅ：０．１〜３％、Ｃｕ：０．
１〜３％の１種または２種以上を含有し、残部がＴｉお
よび不可避的不純物からなるα＋β型チタン合金におい
て、Ｐ、Ａｓ＋　　Ｓｂ。

Ｂｉ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅの１種または２種以上を合計ｌＯ
〜１０４原子ｐｐｍ添加したことを特徴とする耐熱性に
すぐれたチタン合金。

（６）重量％にてＶ、Ｍｏ、Ｃｒの１種または２種以上
を合計９〜２７％含有し、さらにＡｌ：２〜４％、Ｓｎ
：１〜６％、Ｚｒ：３〜８％の１種または２種以上を含
有し、残部がＴｉおよび不可避的不純物からなるβ型チ
タン合金において、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｓ、Ｓｅ、
Ｔｅの１種または２種以上を合計ｌＯ〜１０４原子ｐ四
添加したことを特徴とする耐熱性にすぐれたチタン合金
。

請求項（１）はα型、α＋β型およびβ型の各種チタン
合金に、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｌ、Ｓ。

Ｓｅ、Ｔｅといった周期律表におけるＶＢ族あるいは■
８族の元素を添加することにより耐酸化性および高温強
度を向上させたものである。

α型合金の代表例としてＴｉ　−５／Ｊ　−２，５Ｓ　
ｎ。

α＋β型合金の代表例としてＴｉ−６Ｔｌ−６Ａ、β型
合金の代表例としてＴｉ　−Ｌ５Ｖ−３Ｃｒ　−５Ｓｎ
−３１！を選び、ＶＢ族に属するＰの添加量を種々変え
た各合金を溶製して板を製造し、耐酸化性および高温強
度を調査した。耐酸化性については、大気中にて９００
℃で６時間加熱したときの酸化増量の測定結果を第１図
に示し、高温強度については、５００℃における降伏点
の測定結果を第２図に示す。両図かられかるように、Ｐ
を１０原子ｐｐＩ１以上添加すると耐酸化性および高温
強度ともに明瞭な効果が現れ、１０４原子ｐｐｍを越え
て添加しても効果が飽和する。

チタンあるいはチタン合金の酸化物は、ＴｉＯ□−１と
じて化学量論的組成のＴ　ｉ　０２から偏倚していて、
Ｏが不足し、いわゆる酸素空孔が存在する。このため、
チタン合金の高温酸化は、材料表面に形成されたＴｉＯ
□−８層の酸素空孔を通してＯを内方拡散することによ
り酸化物が厚（なって進行すると考えられる。チタン合
金にＰを添加すると耐酸化性が向上するのは、ＰがＴｉ
の価電子数４よりも大きな５価であるために自由電子の
供給を行い、Ｔｉ０２−＊酸化物層中の酸素空孔を減少
させ、酸素の内方拡散を抑制して、材料表面にできる酸
化層の成長が抑えられるためであると考えられる。した
がって、価電子数が５であるＶ、族のＡｓ、Ｓｂ、Ｂｉ
および価電子数が６である■６族のＳ、Ｓｅ、ＴｅもＰ
と同様の効果を有すると考えられ、それを確認した。そ
してその効果は、これら元素の１種または２種以上を合
計ｌＯ原子ｐｐｍ以上添加したときに現れ、１０４原子
ｐｐｍを越えて添加しｔ；１烏合１＄、か九つτ鹸化性
が％イ巳１３＋Ｊカ１イＡ′府校ｒハ危イ乙りゐ。

またチタン合金にＰを添加すると高温強度が向上したが
、Ｐのほか上記■、族およびＶｌａ族の各元素について
も同様の効果を確認した。その効果は各元素の１種また
は２種以上を合計１０原子ｐｐＩｍ以上添加したときに
現れる。

したがって請求項（１）においてＰ、Ａｓ、Ｓｂ。

Ｂｉ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅの１種または２種以上を合計１０
〜１０４原子ｐｐ＋ｉ添加することとした。

請求項（２）はＴｉ−５，５Ａ１１を代表とするα型チ
タン合金を対象としたものである。Ａｐはα相の安定化
と固溶強化のために含有させ、その効果が２重量％以上
で現れ、７重量％を越えるとＴｉ、ＡＪ７金属間化合物
が析出して加工性が劣化するので、２〜７重量％含有さ
せることとした。

また、請求項（１）と同様の理由でＰ、Ａｓ、Ｓｂ。

ＢＬ　　Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅの１種または２種以上を合計ｌ
Ｏ〜１０４原子ｐＩ）ｌ添加することとした。

請求項（３）はＴｉ−５ＡＲ−２，５Ｓｎを代表とする
α型チタン合金を対象としたものである。

Ａ［は請求項（２〉と同様の理由で２〜７重量％含有さ
せることとした。Ｓｎは固溶強化のために含有させ、そ
の効果が１重量％以上で現れ、６重量％を越えると脆化
するので１〜６重量％含有させることとした。また、請
求項（１）と同様の理由でＰ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｌ、Ｓ、
Ｓｅ、Ｔｅの１種または２８以上を合計１０〜１０４原
子ｐｐ１１添加することとした。

請求項（４）ｌｉＴｌ−６ＡＮ−４Ｖ、Ｔｉ　−３Ａ、
＆　−２，５Ｖなどのα＋β型チタン合金を対象とした
ものである。Ａ、Ｑは請求項（２）と同様α相の安定化
と固溶強化のために２〜７重量％含有させることとした
。■はβ相安定化と固溶強化および加工性向上のために
含有させ、その効果が２重量％以上で現れ、１２重量％
を越えるとα相が不安定化するので２〜１２ｆｆｉ量％
含有させることとした。また、請求項（１）と同様の理
由でＰ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ。

Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅの１種または２種以上を合計ｌＯ〜１０
４原子ｐｐｍ添加することとした。

請求項（５）はＴｉ−６ＡＩ　−２Ｓｎ−４２ｒ−２Ｍ
ｏＳＴｉ−３ＡＩ！−２，５Ｖ、Ｔｌ−６Ａｊ７−４Ｖ
５Ｔｉ−６ＡＩ−６Ｖ−２Ｓｎ　、Ｔｌ　−６Ａ！Ｉ　
　−２Ｓｎ−４Ｚｒ−６Ｍｏ、　　Ｔｌ−１０Ｖ−２Ｆ
ｅ−３Ａｌなどのα＋β型チタン合金を対象としたもの
である。ＡＩは請求項（２）と同様α相の安定化と固溶
強化のために２〜７重量％含有させることとした。■ま
たはＭｏはβ相安定化と固溶強化および加工性向上のた
めに含有させ、その効果は■は２重量％以上Ｍｏは１重
量％以上で現れるが、■が１２重量％を越えた場合、Ｍ
ｏが７重量％を越えた場合はα相が不安定化するので、
■を２〜１２重量％含有させるかまたはＭｏを１〜７重
量％含有させることとした。Ｓｎ、　　Ｚｒ、　　Ｆｅ
。

Ｃｕは何れも固溶強化に有効な元素であり、Ｓｎは１重
量％以上Ｚｒは３重量％以上ＦｅおよびＣｕはそれぞれ
０．１重量％以上で効果が現れる。

しかし、Ｓｎが６重量％を越えた場合、Ｚｒが８重量％
を越えた場合は材料が脆化し、ＦｅおよびＣｕがそれぞ
れ３重量％を越えた場合は共析化合物が析出して加工性
が劣化する。したがって８１１〜６％、Ｚｒ：３〜８％
、Ｆｅ：０．１〜３％、Ｃｕ：０．１〜３％の１種また
は２種以上を含有させることとした。また、請求項（１
）と同様の理由でＰ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔ
ｅの１種または２種以上を合計ｌＯ〜１０４原子１）Ｉ
）ｌ添加することとした。

請求項（６）はＴｉ　−１５Ｖ−１１Ｃｒ−３ＡｆＩ。

ｒｉ−３Ａｌ−８Ｖ−６Ｃｒ　−４Ｍｏ　−４Ｚｒ（β
Ｃ合金）　、Ｔｉ　−１１，５Ｍｏ　−６２ｒ　−４，
５Ｓｎ（β■金合金　、Ｔｉ−１５Ｖ−３Ｃｒ−３Ｓｎ
−３Ａ１１などのβ型チタン合金を対象としたものであ
る。Ｖ、Ｍｏ、Ｃｒはβ相安定化と固溶強化および加工
性向上のために含有させ、その効果はこれら各元素の１
種または２種以上が合計９重量％以上で現れるが、２７
重量％を越えるとこれら元素が偏析しやすくなり、疲労
特性をはじめとする製品特性が悪化し、また比重が増加
してチタン合金の特徴である高比強度がそこなわれるの
で、１種または２種以上を合計９〜２７重量％含有させ
ることとした。Ａ４７．Ｓｎ、Ｚｒは何れも固溶強化に
有効な元素である。ＡｌおよびＳｎはさらにω相が析出
して材料が脆化するのを抑制する効果があって、その効
果はＡ、Ｑの場合は２重量％以上Ｓｎの場合は１重量％
以上で現れ、Ｚｒはざらにβ相を安定化させる効果があ
って、その効果は３重量％以上で現れる。しかしＡｌが
４重量％を越えるとβ相が不安定化し、ｓｎが６重量％
を越えた場合Ｚｒが８重量％を越えた場合は材料が脆化
する。したがってＡＩ：２〜４重量％、ｓｎ：１〜６重
量％、Ｚｒ：３〜８重量％の１種または２種以上を含有
させることとした。また、請求項（１）と同様の理由で
Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｌ、Ｓ、Ｓｅ。

Ｔｅの１８ｉまたは２種以上を合計ｌＯ〜１０４原子ｐ
ｐ■添加することとした。

（実　施　例）第１表に示す成分の各種チタン合金を溶製して熱間圧延
により板を製造し、ｌＯｍｔｉ厚さＸｌｈ＋ｓ幅Ｘ４０
關長さの試験片を切り出し、４００番研磨仕上げした試
験片を、大気中に９００℃６時間加熱し酸化増量を測定
した。また、同溶製材を熱間押出加工して製造した丸棒
から切り出した直径８＋１１１の引張り試験片で、５０
０℃の高温引張り試験を行い降伏点を測定した。その結
果、第１表に示すように本発明例は何れも、従来例に対
して耐酸化性および高温強度がすぐれたものであった。

なおＰ添加量を過多にした比較例のＮｏ、２１〜２３は
、熱間圧延はできたものの大きな割れが多数発生した。

第１表のＮｏ、６（本発明例）およびＮ（Ｌ２Ｂ（従来
例）について、熱間圧延後の酸化スケール厚さおよび表
面疵深さを測定した結果、従来例のＮα２Ｂはスケール
厚さが３〜５１ｍ、表面疵深さが２０〜３０ｗｎであっ
たのに対し、本発明例のＮα６はスケール厚さが１〜３
μｓ、表面疵深さが５〜ＩＯ−に軽減された。

（発明の効果）本発明により、α型、α＋β型およびβ型チタン合金材
において、耐酸化性および高温強度の向上した耐熱性に
すぐれた材料が提供され、比強度が高くかつ耐食性が良
いチタン合金の特性が維持されるとともに、従来よりも
高温での使用が可能になる。また材料の製造に際しては
、熱間加工などにおける酸化スケールの発生および表面
疵の発生が抑制され、製造性が著しく向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は各種チタン合金におけるＰ添加量と耐酸化性の
関係を示す図、第２図は各種チタン合金におけるＰ添加
量と高温強度の関係を示す図である。復代理人　弁理士　１）村弘明１面の浄書第図第図Ｐ添加量（源チ戸ｐｍ＞手続補正書（自発）平成２年６月１９日

Claims

【特許請求の範囲】（１）α型、α＋β型あるいはβ型チタン合金において
、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅの１種または
２種以上を合計１０〜１０＾４原子ｐｐｍ添加したこと
を特徴とする耐熱性にすぐれたチタン合金。（２）重量％にてＡｌ：２〜７％を含有し、残部がＴｉ
および不可避的不純物からなるα型チタン合金において
、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅの１種または
２種以上を合計１０〜１０＾４原子ｐｐｍ添加したこと
を特徴とする耐熱性にすぐれたチタン合金。（３）重量
％にてＡｌ：２〜７％およびＳｎ：１〜６％を含有し、
残部がＴｉおよび不可避的不純物からなるα型チタン合
金において、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅの
１種または２種以上を合計１０〜１０＾４原子ｐｐｍ添
加したことを特徴とする耐熱性にすぐれたチタン合金。（４）重量％にてＡｌ：２〜７％およびＶ：２〜１２％
を含有し、残部がＴｉおよび不可避的不純物からなるα
＋β型チタン合金において、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｓ
、Ｓｅ、Ｔｅの１種または２種以上を合計１０〜１０＾
４原子ｐｐｍ添加したことを特徴とする耐熱性にすぐれ
たチタン合金。（５）重量％にてＡｌ：２〜７％と、Ｖ：２〜１２％ま
たはＭｏ：１〜７％とを含有し、さらにＳｎ：１〜６％
、Ｚｒ：３〜８％、Ｆｅ：０．１〜３％、Ｃｕ：０．１
〜３％の１種または２種以上を含有し、残部がＴｉおよ
び不可避的不純物からなるα＋β型チタン合金において
、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅの１種または
２種以上を合計１０〜１０＾４原子ｐｐｍ添加したこと
を特徴とする耐熱性にすぐれたチタン合金。（６）重量％にてＶ、Ｍｏ、Ｃｒの１種または２種以上
を合計９〜２７％含有し、さらにＡｌ：２〜４％、Ｓｎ
：１〜６％、Ｚｒ：３〜８％の１種または２種以上を含
有し、残部がＴｉおよび不可避的不純物からなるβ型チ
タン合金において、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｓ、Ｓｅ、
Ｔｅの１種または２種以上を合計１０〜１０＾４原子ｐ
ｐｍ添加したことを特徴とする耐熱性にすぐれたチタン
合金。