JPH07331364A - 近似γチタンアルミナイド合金で形作られた製造物を熱機械的に処理するための方法 - Google Patents
近似γチタンアルミナイド合金で形作られた製造物を熱機械的に処理するための方法Info
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Abstract
物を熱機械的に処理する方法を提供する。 【構成】 上記の方法は、a)近似γチタンアルミナイ
ド合金インゴットを鋳造するステップ32、b)インゴ
ットを高温静水圧圧縮(HIP処理)して鋳造欠陥を封
止するステップ34、c)HIP処理されたインゴット
を間に均質化熱処理を行なって、または行なわずに適切
な鍛造予備成形物になるように準備するステップ、d)
鍛造予備成形物を等温鍛造してα+γ相およびα2+γ
相領域間の相線に十分に近い温度で適切な最終製造物の
予備成形物とし、インゴット微細構造を分解して非常に
等軸のγ微細構造をもたらすステップ38、e)最終製
造物の予備成形物を制御された圧延プロセスまたは型鍛
造動作によって所望の形作られた最終製造物になるよう
に処理するステップ39を含む。
Description
定められた規約F33657−86−C−2127号に
基づき米国政府の支持を伴って行なわれた。米国政府は
この発明にある一定の権利を有するものである。
ドの処理に関し、より特定的には微細構造の部分的また
は完全な均質化を伴ってインゴットの粗い微細構造を分
解し、非常に等軸のγ微細構造をもたらすように、近似
γチタンアルミナイドを熱機械的に処理するための方法
に関する。
下で低い密度と高い強度を必要とする応用には魅力的な
候補である。それらの応用を制限している主要な短所の
1つは、それらの室温での引張り延性が低いことであ
る。延性を向上させるための主要な方法の1つは、これ
らの材料のγ結晶粒の大きさを微細にし、均質化する
(調質する)ことであることが知られている。
ーセントで、Ti−48Al−2.5Nb−0.3Ta
が目標の組成)のためのこの調査において得られた引張
りデータの図であって、重要な傾向を示すものである。
データはシートサンプルのためのものであって、それら
はすべて公称の等軸γ結晶構造を含むが、粗い結晶粒を
含むものもあれば(低延性データ)、より細かい結晶粒
を含むものもある(高延性値)。正確には、0.3%前
後の延性値は50μmの最も大きい結晶粒サイズを除い
ては2つの態様の結晶構造を備えるサンプルについての
ものであって、一方0.8%前後の延性を備えるサンプ
ルは、15μmの均質な細かい結晶粒サイズを有する。
化のためには2つの主要な技術が存在する。これらはす
なわち、粉末冶金プロセスおよびインゴット冶金プロセ
スである。粉末冶金プロセスは、粉末を生成する何らか
の方法からなっており、この粉末はその後高温(熱間)
静水圧圧縮(HIP処理)によって強化され、その後押
出しなどが続く。このような技術は高価につくものであ
って、このようなプロセスにより合金元素および合金相
(すなわち近似γチタンアルミナイドにおけるα2と
γ)の偏析が回避されるとはいえ、それらは特性を損な
う高レベルの格子間原子(C、O、H、N)や、トラッ
プされた不活性ガス(たとえばHe)、および熱的に誘
発される多孔性(TIP)による、不都合を処理中に被
る。インゴット冶金材料は、アーク溶融、(鋳造ポロシ
ティを封止するための)HIP処理、鋳物構造を分解す
るための等温鍛造または押出し、および仕上げの処理
(たとえば圧延、超塑性成形、型鍛造)によって製造さ
れる。
って、格子間侵入物のレベルがもっと低減されるという
さらなる利点を有している。
金プロセスにおける主要な短所は、鋳造後の冷却がゆっ
くりであることと、その結果の微細な(およびときには
巨視的な)尺度での偏析に関してのものである。微細偏
析は、最初の凝固製造物であるα2/γ層状(lamella
r)2層構造を備えるデンドライト領域と、単層γのみ
からなるデンドライト間領域との発達によって明らかに
される。後続する高温の変形(たとえば等温鍛造や圧
延)および熱的プロセスの間、鋳物構造は分解されて、
微細化され均質化された構造がもたらされる。しかしな
がら、変形によってさえγ相の均質化は困難なため、分
解された、または形作られた製造物には、インゴット鋳
造において発達する微細偏析の特性が見られる。
(1)前のデンドライトの層状2相領域から発達したγ
+α2の細かい等軸晶、および(2)単相の粗いγ結晶
粒の領域からなる。粗いγ結晶粒は前のデンドライト間
γから再結晶化されるが、第2の相(たとえばα2)が
存在しない状態で、必要とされる高い処理温度において
結晶粒の成長を経ている。2つの態様の結晶構造は、通
常は非常に望ましくないものである。
ゴット冶金γチタンアルミナイドを熱機械的に処理し、
これらの材料における微細偏析を軽減するか排除するか
のいずれかを行なうための新しい方法を提供することで
ある。
ット冶金γチタンアルミナイドの微細構造を微細にし、
均質化して、強度、延性、および疲労に対する耐性など
の機械的特性を向上させることである。
ルミナイド合金で形作られた製造物を熱機械的に処理す
るための方法は次のステップを含む。すなわち、a)近
似γチタンアルミナイド合金インゴットを鋳造するステ
ップ、b)インゴットを高温静水圧圧縮(HIP処理)
して鋳造欠陥を封止するステップ、c)HIP処理され
たインゴットが適切な鍛造のための予備成形物となるよ
うに準備するステップ、d)鍛造のための予備成形物を
等温鍛造して、α+γ相とα2+γ相の領域間の相線に
十分に近い鍛造温度で適切な最終製造物の予備成形物に
し、インゴットの粗い微細構造を分解して非常に等軸の
γ微細構造をもたらすステップ、およびe)最終製造物
の予備成形物を所望の形作られた最終製造物になるよう
に処理するステップ、である。
れた微細構造を部分的に扱うものであって、その一方で
この発明の第2の趣旨は制御された熱機械的処理による
近似γチタンアルミナイド合金の均質化の強化を扱うも
のである。この発明は、均一で細かく安定したγ結晶構
造を得る能力を強めるものである。本発明の方法は
(1)微細構造の制御をもたらし、γ結晶粒の成長を阻
止するために、(高温で)α相を使用することと、
(2)Tα−40℃からTα+70℃の温度範囲(図3
参照)内で、α相領域またはα+γ相領域のいずれかに
おいて熱機械的処理ステップを用いることとを拠り所と
しており、ここでTαは均質化を促進するためのαトラ
ンサス(transus )状態図の線によって規定される。こ
の温度範囲全体のうちの好ましい実施は、次のとおりで
ある。すなわち、Ta+20℃からTα+50℃では単
相の均質化、またはTαからTα−20℃では2相の均
質化である。上に示唆したように、均質化に必要な拡散
プロセスは、α(不規則)結晶においてのほうが、γ
(規則)結晶構造においてよりもかなり急速である。
するためには、2つの生産経路が好ましい。これらの経
路は、近似γ合金における特定の製造物の形態、すなわ
ち圧延されたシートおよび/または等温の型鍛造された
形状(図5および6を参照して後に説明)を生じるため
の2つの個別の処理シーケンスを提供するものである。
は、次に述べるこの発明の詳しい説明を添付の図面との
関連で考慮すれば、明らかとなるであろう。
て、同じ要素または部分は、同じ参照符号によって示さ
れる。
的処理による近似γチタン合金の均質化を強化し、それ
により均一で細かく安定なγ結晶構造を得ることを扱う
ものである。(高温での)α相の使用により、微細構造
の制御がもたらされ、γ結晶粒の成長が阻止される。T
αからTα+70℃(図3参照)の温度範囲内でα相領
域において、またはα+γ→αトランサス(Tα−40
℃からTα)のすぐ下におけるα+γ領域において、熱
機械的処理ステップを用いることで、均質化が促進され
る。上述のプロセスの実現は、次に述べる2つの処理の
道筋のいずれかによって行なわれる。
形成するための第1の「生産経路」が示されており、こ
の経路は包括的に30として表される。インゴットは3
2で鋳造され、次に鋳造ポロシティを封止するために3
4で高温静水圧圧縮(HIP処理)される。材料は切断
されて適切な予備成形物となり、α+γ相領域において
はTeut から(Teut +100℃)で好ましい範囲がT
eut から(Teut +50℃)(図3参照)の低温、また
はα2+γ相領域においてはTeut から(Teu t −10
0℃)で好ましい範囲がTeut から(Teut −50℃)
(図3参照)の高温において、微細構造を分解はするが
均質化はしないように、等温的に鍛造/パンケーキ処理
される(36)。ここで用いられるTeut は、約139
8°Kの、図2〜4に示されるα相のための、規則化温
度とも呼ばれる共析温度のことをいう。等温鍛造のため
の選択された温度範囲は、高温作業の間に非常に等軸の
γ構造をもたらす。
く熱処理を伴って、またはそれなしで使用され得る、も
しくは超可塑性シート形成技術によってさらに製造され
得るシート材料に均質な微細構造をもたらすために利用
される。そのような制御された再加熱/圧延に先立ち、
圧延のための予備成形物は選択された被覆(canning)
材料内に被覆(can )されて適切なパックにされ(3
8)、圧延中に環境的な保護を提供する。パックはその
後、予備加熱および内部通過再加熱サイクルを用いて制
御可能なように圧延される(39)。このようなサイク
ルは、(a)最初の圧延通過と、(b)最終的な圧延通
過とを含む。
よびα+γ相領域(Tα−10℃からTα−40℃)間
のαトランサス相線(Tα)のすぐ下の温度において行
なわれる。ここでα相の百分率はおよそ50〜80の範
囲にある。γパックは、均一な部分温度および部分的な
均質化をもたらすが結晶粒の成長は阻止するように十分
に長い期間、通過の間で再加熱される。そのような再加
熱時間は、一般に約2から約9分の範囲内におけるもの
であって、好ましい実施では約2から4分である。
40℃からTα−150℃)ではより低い温度で、かつ
材料のより短い再加熱(2から3分)で行なわれ、した
がって結晶粒を微細にし均質化することを促進するため
に部分的に均質にされる。そのような制御された条件下
で圧延されるシート製造物における例は、図7で示され
ており、これらの条件は次に示す例において説明され
る。
本発明によって開発された最適な圧延処理パラメータ例 1) 予備成形材料の公称の組成[Wt%] …Ti−33 Al−5 Nb−1 TA 2) 出発予備成形物の厚み …0.38[インチ] 3) ベルト研削前の最終的なシート厚み …0.078[インチ] 4) トリミング後のサンプルの大きさ …7×18[インチ] 5) 平面積 …125[平方インチ] 6) 圧延ミル …直径16[インチ]×幅24[インチ]、高さ2 7) 被覆 …パック形状:0.25インチ幅CP Tiピクチャフ
レーム、Taと予備成形物との間に厚み0.030イン
チのTa中間層および0.002インチのCaO分離剤
を備える厚み0.125インチCP Tiカバー。
30°F,−0°F)/20分 ・各通過の間で、再加熱−2420°F+30°F、−
0°F/3分 ・圧延温度450°F ・通過ごとの低減−15% ・圧延スピード〜28fpm ・通過の間R.D.の周りでピースが180°回転され
る。
てアルゴンは使用されない 9) 最終的アニール(オプション) …2100°F/2時間 比較のため、図8は微細構造の適切な均質化を促進する
には低すぎる温度でα+γ相領域において圧延された微
細構造を示す。その条件は次の例において説明される。
たらす最適でない圧延処理パラメータ例 1) 予備成形物材料の公称の組成[Wt%]…Ti−
33 Al−5 Nb−1 Ta 2) 出発予備成形物の厚み…0.43[インチ] 3) 圧延後の最終的なパックの厚み…0.100[イ
ンチ] 4) 圧延ミル…直径8[インチ]×幅12[イン
チ]、高さ2 5) 被覆…CPTi被覆=0.25インチピクチャフ
レーム+厚み0.125インチのカバー、厚み0.03
0インチのTa中間層 6) 圧延条件 ・予備加熱:1700°F/15〜20分+2400°
F+0°F、−20°F/20から30分 ・再加熱:通過の間で2400°F+0°F、−20°
F/3から5分 ・圧延温度1600°F ・通過ごとの低減:「10−20%」スケジュール=〜
10pct(始めの2つの通過)、〜12−15pct
(次の2つの通過)、〜20%(残りすべての通過) ・圧延スピード20fpm 7) 最終的アニール …2100°F/2時間 (B) 図6を参照して、ビレットまたはシート製造物
を形成するための第2の「生産経路」が示される。この
経路は包括的に40として表される。第1の場合でのよ
うに、42でインゴットが鋳造され次に44でHIP処
理されて、鋳造欠陥が封止される。材料は切断されて、
その後全体を通じて均質化学によって同軸のα構造を生
じるよう十分に時間をかけてTαからTα+70℃、好
ましくは約Tα+20℃からTα+50℃においてα相
領域中で均質化される(単相均質化)。代替的には、均
質化処理は部分的な均質化を促進するべく、α+γ相領
域におてTαからTα−40℃、好ましくはTαからT
α−20℃で行なわれてもよい。露出の時間期間は一般
に10分から2時間の範囲内である(不規則α相がより
多くなるとより短い時間が用いられるようになる。たと
えば、単相の均質化については露出は最小限である)。
回る約5から85℃の温度まで冷却される(図3および
4参照)。この材料は、部分的ないし全体的に均一な2
相の層状α2/γ微細構造を生成するべくこの温度に保
たれる(図6の参照番号46および47を参照)。材料
は続いて室温まで冷却される。その後材料は再加熱され
て48でパンケーキ処理を介して等温的に鍛造され、
[アイテム1において前に詳述したのと同じ(図3も参
照のこと)]α+γ相領域においては低温で、または
[アイテム1において前に詳述したのと同じ(図3も参
照のこと)]α2+γ相領域においては高温で、層状構
造が分解される。これには、構造は球状化/再結晶化す
るためにTeut からTα−40℃の範囲の温度でα+γ
相領域において後続のアニール処理50が続いてもよい
し、続かなくてもよい。γ結晶粒境界においてα2を伴
う、結果として得られる等軸のγの構造を備えた材料
は、次にアイテム1(および図3)で前に注目されたも
のに類似の温度で等温的型鍛造52によってさらに処理
し、(αの百分率が≦40の場合にα+γ相領域におい
て中程の温度で)仕上げられた形状を生じるか、または
シートに圧延できる(54、55)。
件の双方における圧延されたγシート塑性伸びは、室温
でのより小さい伸び値がγ相におけるより粗い最大結晶
粒サイズと関連しており(図8の例)、その一方でより
大きい伸びはより細かい最大γ結晶粒サイズに関連して
いる(図7の例)という、一般的な関係に従っているよ
うに思われる。次のことがはっきりと理解される。
(a)熱機械的に処理されたγにおける均一な細かい結
晶粒サイズは、(後述する)他の利点だけでなく、室温
における強度および延性のバランスを実質的に向上させ
る(図1参照)。(b)そのような微細構造は、分解さ
れた近似γ合金の微細構造を備えるα2第2層の均一な
分布で達成することができる。
かの利点が生じる。 1.「構造制御」相の均一な分布(すなわち位相変形温
度のより低い範囲ではα2、より高い範囲ではα)によ
る、サイズが安定している細かく均一な等軸のγ結晶構
造の発達。これにより、近似γチタンアルミナイドは、
そのような材料の超可塑的特性に依存する二次的プロセ
スに馴染みやすくなる。これらのプロセスは、等温的型
鍛造および超可塑性シート形成を含む。
された微細構造は、容易に他の特殊な応用のための強化
された特性を提供する他の微細構造の変形例(たとえば
細かいコロニーサイズを備える層状構造)を得るべく熱
処理できる。
た微細構造は、強化された歩留り、ならびに最高の引張
り強さ、延性および疲労によるクラックの始まりに対す
る耐性を提供する。
で用いることができる。たとえば、これは46から50
原子%の範囲内のアルミニウム含有量を備えるγ合金、
以下の元素、すなわちニオビウム、タンタル、クロム、
バナジウム、マンガンおよび/またはモリブデンのさま
ざまな組合せを、0ないし3原子%の量だけ含むさらな
る添加剤を備えたγ合金、およびバランス元素としてチ
タンを備えたγ合金とともに用いてもよい。本発明はま
た、0%から30%の間のα2相を含むγ合金とともに
用いられてもよい。このバランスはγ相である。
修正および変形が可能であることが明らかである。した
がって、前掲の特許請求の範囲内において、本発明を特
定的に記述した以外の態様で実施してもよいということ
が理解されるべきである。
i−48 Al−2.5 Nb−0.3Ta(原子%)
における全体の伸び、降伏力、および最高の引張り強さ
の相関を示した応力対全体の塑性伸びのグラフ図であ
る。
領域でのチタン−アルミニウムの2元系平衡状態図であ
る。
ましい処理温度の範囲を概略的に示す、均質化および等
温鍛造の温度範囲の図である。
ましい処理温度の範囲を概略的に示す、最初および最後
の圧延温度範囲の図である。
る、第1の好ましい製造の道筋を表わすフロー図であ
る。
たはシート製造物がもたらされる第2の好ましい製造の
道筋(ここでの処理には等温的分解鍛造に先立ちα相領
域における均質化が必要である)を表わすフロー図であ
る。
ット冶金Ti−48Al−2.5 Nb−0.3Ta
[原子%]γ合金の圧延されたサンプルの顕微鏡写真の
図である。
進するには低すぎる温度で圧延されたγ合金サンプルの
顕微鏡写真の図である。
Claims (5)
- 【請求項1】 近似γチタンアルミナイド合金で形作ら
れた製造物を熱機械的に処理するための方法であって、 (a) 近似γチタンアルミナイド合金インゴットを鋳
造するステップと、 (b) 前記近似γチタンアルミナイド合金インゴット
を高温静水圧圧縮(HIP処理)して鋳造欠陥を封止す
るステップと、 (c) HIP処理された近似γチタンアルミナイド合
金インゴットを適切な鍛造のための予備成形物になるよ
うに準備するステップと、 (d) 前記鍛造のための予備成形物をα+γ相および
α2+γ相の領域間の相線に十分に近い鍛造温度で適切
な最終製造物の予備成形物になるように等温鍛造し、そ
れによりインゴットの粗い微細構造を分解して非常に等
軸のγ微細構造をもたらすステップと、 (e) 前記最終製造物の予備成形物を所望の形作られ
た最終製造物になるように処理するステップとを含む、
近似γチタンアルミナイド合金で形作られた製造物を熱
機械的に処理するための方法。 - 【請求項2】 前記最終製造物の予備成形物を処理する
前記ステップは、 (a) 前記最終製造物の予備成形物を切断し、圧延に
適する選択された被覆材料のパックで被覆し、圧延中の
環境的保護を提供するステップと、 (b) 前記選択された被覆材料のパックを予備加熱お
よび通過間再加熱サイクルによって制御可能なように圧
延するステップとを含み、前記予備加熱および通過間再
加熱サイクルは、 α相およびα+γ相領域間の相線のすぐ下にある最初の
圧延通過を含み、通過間の前記選択された被覆材料のパ
ックを十分に長い期間再加熱して均質化を促進し、結晶
粒の成長を阻止するものであり、前記サイクルはさら
に、 前記α+γ相領域において、より低温であり、かつ材料
のより短い再加熱を伴う最後の圧延通過を含み、それに
よって材料は、結晶粒を調質することを促進するために
均質化される、請求項1に記載の方法。 - 【請求項3】 HIP処理された近似γチタンアルミナ
イド合金インゴットを適切な鍛造のための予備成形物と
なるように準備する前記ステップは、 (a) 前記HIP処理された近似γチタンアルミナイ
ド合金インゴットを切断するステップと、 (b) 約Tα−40℃からTα+70℃の温度範囲に
おいて実質的に均質化を行なうステップとを含む、請求
項1に記載の方法。 - 【請求項4】 前記等温鍛造のステップは、Teut +1
00℃からTeut −100℃の間の範囲において鍛造を
行なうステップを含む、請求項1に記載の方法。 - 【請求項5】 前記等温鍛造のステップは、Teut +5
0℃からTeut −50℃の間の範囲において鍛造を行な
うステップを含む、請求項1に記載の方法。
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