JPH08158028A - チタン合金の強靱化方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 Nearβ型チタン合金において、溶体化処理お
よび時効処理の後に強度、靱性および延性を高次元でバ
ランスさせる。 【構成】 α＋β温度域において５０％未満の断面減少
率で熱間加工を行う。熱間加工度以上β変態点以下の温
度に加熱保持する。再度α＋β温度域においてトータル
の断面減少率が５０％以上となるように熱間加工を行
う。α＋β温度域において溶体化処理および時効処理を
行う。β結晶粒中に微細なsub grain が形成され、高強
度レベルで高靱性と高延性が確保される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、航空機等に高比強度構
造材料として用いられるNearβのα＋β型チタン合金
（本明細書ではこれをNearβ型チタン合金と称す）の強
靱化方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】Ｔｉ−１０Ｖ−２Ｆｅ−３Ａｌ等のNear
β型チタン合金は、代表的なα＋β型チタン合金である
Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ等よりも更に高強度・高靱性である
という極めて優れた特性を有している。この特性は、例
えば「鉄と鋼，７２（１９８６），６１７−６２４」の
Fig.１等に具体的に示されている。

【０００３】しかし、この文献のTable ３に記載された
SpecimenＢ, Ｃに見られるように、Nearβ型チタン合金
は、0.２％耐力が１０００ＭＰａを超える強度レベルに
おいては延性（伸び・絞り）が１０％以下と低い問題点
がある。これは、同文献の2.１項に記載されている通
り、インゴットを１０００℃に加熱して粗鍛造した後、
ＡＭＳ規格に従いβ変態点以上の８５０℃に再加熱して
仕上げ鍛造したことによる。

【０００４】このようなNearβ型チタン合金の高強度・
高靱性下での延性を改善する方法として、例えば特開平
１−９６３６１号公報には、そのチタン合金に対しα＋
β温度域で１５％以上の熱間加工を行い、その後にβ変
態点以下で焼鈍を行う方法が開示されている。この方法
の主眼は、α＋β温度域で熱間加工を行うことにより、
粒界に析出するα相を微細化して延性を改善することに
ある。熱間加工後の焼鈍をβ変態点以下で行うのは、熱
間加工で粒界に析出した微細なα相を消失させないため
と説明されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、Nearβ型チ
タン合金では、強化のために鍛造後に後処理として溶体
化処理および時効処理を行うのが通例である。本発明者
の調査によると、特開平１−９６３６１号公報に示され
ているような熱間加工と加熱保持の組み合わせは、確か
に高強度レベルでの延性改善に有効であり、その加工度
が大きいほど延性改善効果も大きい。しかし、後処理、
特に溶体化処理はその延性を低下させる原因になる。そ
のため、熱間加工で大きな加工度を確保しておく必要が
ある。

【０００６】ところが、熱間加工での加工度を大きくす
ると、靱性が低下する。一方、熱間加工での加工度が小
さい場合は後処理後の延性が不足する。いずれにして
も、従来の熱間加工と加熱保持の組み合わせでは、熱間
加工が十分に機能せず、後処理後に高強度レベルで高い
靱性および延性を確保することができなかった。

【０００７】本発明の目的は、後処理後に強度、靱性お
よび延性を高次元でバランスさせることができるNearβ
型チタン合金の強靱化方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】Nearβ型チタン合金は、
高強度・高靱性化した状態では代表的なα＋β型チタン
合金より延性が低い問題がある。この問題を解決するた
めに、α＋β温度域で熱間加工を行うことは有効である
が、従来おいては前述した通りその熱間加工が有効に機
能していない。

【０００９】本発明者は以前よりNearβ型チタン合金に
関する研究を続けており、その過程で今回、熱間加工
とこれに続く加熱保持によりβ結晶粒の内部に微細なsu
b grain （亜結晶粒）が形成され、そのサイズおよび量
が後処理後の靱性および延性に深く関与していること、
具体的には、粒径約十μｍ以上の粗大なβ結晶粒の内
部に粒径数μｍの安定化された微細なβ相のsub grain
を十分に形成しておくことが、高靱性および高延性確保
のために必要であること、そのために熱間加工での加
工度を大きくすることが不可欠となるが、大きな加工度
はsub grain の過剰な微細化を招き、靱性を低下させる
ので、熱間加工を２回に分けて加工度の分散を図り、そ
の間に加熱保持を行う必要があることを見い出し、本発
明に到達した。

【００１０】本発明の強靱化方法は、Nearβ型チタン合
金を、α＋β温度域において５０％未満の断面減少率で
熱間加工した後、該熱間加工温度以上β変態点以下の温
度に加熱保持し、再度α＋β温度域においてトータルの
断面減少率が５０％以上となるように５０％未満の断面
減少率で熱間加工し、しかる後にα＋β温度域で溶体化
処理および時効処理を行うものである。

【００１１】

【作用】本発明の強靱化方法は、２回の熱間加工とその
間の加熱保持とにより、粒径が約１０数μｍ以上の粗大
なβ結晶粒の内部に、粒径が約μｍに制御されたβ相の
微細なsub grain を形成する。同一強度レベルでは、su
b grain のサイズがNearβ型チタン合金の延性および靱
性に図１のように影響する。すなわち、同一強度レベル
では、sub grain のサイズが増大するに従って延性が低
下し、ある臨界値以上では延性の低下が急激となる。一
方、靱性はこれとは逆にsub grain のサイズが減少する
に従って低下し、やはりある臨界値以下でその低下が急
激となる。

【００１２】本発明の強靱化方法は、熱間加工を２回に
分けて加工度の分散を図ることにより、図１に矢印で示
した延性および靱性が共に良好となるサイズ範囲のsub
grain を安定してつくり、これにより後処理後に強度、
延性および靱性を高次元でバランスさせようとするもの
である。以下に本発明の強靱化方法を工程順に説明す
る。

【００１３】始めの熱間加工は、sub grain の形成に必
要な加工歪を導入するための工程である。この熱間加工
をα＋β温度域で行うのは、β単相域で加工を行った場
合にはβ相の再結晶・成長が起こり、熱間加工に続く加
熱保持でβ相の微細なsub grain が形成されないからで
ある。

【００１４】熱間加工での加工度は、本来は溶体化処理
でsub grain を消失させないために断面減少率で５０％
以上を必要とする。しかし、これを一度に加えるとsub
grain が適正サイズより小さくなり過ぎ、靱性低下が生
じる。そこで熱間加工を２回に分け、始めの熱間加工で
５０％未満の加工を行う。このままではトータル加工度
が不足し、溶体化処理後に延性劣化が生じるので、後の
熱間加工で加工度の不足分を補う。

【００１５】始めの熱間加工での加工度の下限について
は、トータルの加工率が５０％以上となれば良いという
理由により特に規定しないが、この加工度が余りに小さ
いと、後の熱間加工において５０％以上の加工率をとら
ねばならなくなり、sub grain が細粒となりすぎるの
で、強度、靱性、靱性のバランスの点からは１０％以上
が望ましいと言える。

【００１６】加熱保持は、β結晶粒の内部にsub grain
を形成する工程である。このときの加熱温度を加工温度
以上としたのは、加工温度未満ではsub grain が形成さ
れないか形成されてもそのサイズが適正範囲より小さく
なり、靱性低下を生じるからである。一方、加熱温度が
β変態点を超えるとβ相の再結晶・成長が生じ、始めの
熱間加工で生成した微細なsub grain が消失し延性が低
下するので、加熱温度の上限をβ変態点以下とした。

【００１７】加熱保持の時間については、極端に短時間
でない限りその時間がsub grain の形成に影響を及ぼさ
ないので特に限定しないが、工業生産性を考慮すると0.
５〜２４時間が望ましい。

【００１８】後の熱間加工は、始めの熱間加工で不足す
る加工度を補うためのものである。始めの熱間加工では
靱性を確保するために加工度を控え、sub grain の形成
が制限されているので、後の熱間加工により加工歪を追
加してsub grain の形成を確固たるものとする。

【００１９】ここでの加工度は、トータル減面率が５０
％以上となるように選択される。トータル減面率が５０
％未満になると、続いて行う溶体化処理によりsub grai
n が消失し、後処理後に目標とする延性が確保されなく
なる。ただし、１回の加工での加工度が５０％以上にな
ると、細かすぎるsub grain が形成され靱性低下が生じ
るので、後の熱間加工でも加工度は５０％未満に抑える
必要がある。トータル減面率の上限については、１回の
熱間加工による加工率が５０％未満であれば特に制限は
ない。

【００２０】加工温度については、β単相域では既に形
成されているsub grain が消失し延性低下が生じるの
で、始めの熱間加工と同様にα＋β温度域とする。

【００２１】溶体化処理および時効処理は強化のために
行う。いずれの処理工程においてもβ粗の再結晶・成長
による微細なsub grain の消失を防ぐためにα＋β温度
域で行うことが必要である。

【００２２】なお、本発明が対象とするNearβ型チタン
合金とは、β相中に少量のα相が共存するα＋β型チタ
ン合金を言い、代表的なものとしてはＴｉ−１０Ｖ−２
Ｆｅ−３Ａｌ，Ｔｉ−５Ａｌ−２Ｓｎ−２Ｚｒ−４Ｍｏ
−４Ｃｒを挙げることができる。

【００２３】

【実施例】以下に本発明の実施例を示し、比較例と対比
することにより、本発明の効果を明らかにする。

【００２４】化学成分組成を表１に示すNearβ型チタン
合金（Ｔｉ−１０Ｖ−２Ｆｅ−３Ａｌ）をＶＡＲ溶解に
より溶製した後、そのβ変態点である７９５℃以上の温
度で断面減少率が５０％となる粗鍛造を行い、その後、
試験として仕上げ鍛造を想定した熱間加工および加熱保
持を行った。試験条件を表２に示す。試験後はいずれも
β変態点以下の温度である７８０℃×0.５ｈ，ＷＱの溶
体化処理を行い、更に５２０℃×８ｈ，ＡＣの時効処理
を行った。時効処理後に機械的性質（強度、延性および
靱性）を調査した結果を表３に示す。

【００２５】機械的性質の目標値は、引張強さについて
は代表的なα＋β型チタン合金であるＴｉ−６Ａｌ−４
Ｖよりも約２０％高い１２０ＭＰａ以上、延性（伸びお
よび絞り）についてはＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ並みのそれぞ
れ１０％以上および２５％以上、靱性についてはＫ_1C値
で４０ＭＰａＭ以上とした。

【００２６】

【表１】

【００２７】

【表２】 （注）アンダーラインは本発明条件を外れる

【００２８】

【表３】 （注）＊は目標値 ＊＊はα＋β型チタン合金（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ）の特性値

【００２９】No. １〜３は本発明例である。トータル加
工度が５０％以上の熱間加工を行い、且つその熱間加工
を２回に分け、２回の熱間加工の間に加熱保持を行った
ので、強度、延性および靱性のいずれも目標値を上回
り、代表的なα＋β型チタン合金であるＴｉ−６Ａｌ−
４Ｖよりも更に高い強度および靱性を確保し、なおかつ
そのα＋β型チタン合金に準じる延性を確保することが
できた。

【００３０】No. ４〜８は同様の工程を採用するものの
条件が不適正な比較例である。No.４では加工温度がβ
変態点を超え、β単相域となったため、β相が粗大化し
延性が目標値に達しなかった。No. ５では加熱保持温度
がβ変態点を超えたため同様に延性低下が生じた。No.
６では加熱保持温度が加工温度より低いため、sub grai
n の成長が不足し、靱性が目標値に達しなかった。No.
７ではトータルの加工度が５０％に達しなかったため、
溶体化処理でのsub grain の消滅により延性低下が生じ
た。No. ８ではトータルの加工度が５０％を超えるが、
始めの熱間加工での加工度も５０％を超えるため、sub
grain が小さくなりすぎ、靱性が目標値に達しなかっ
た。

【００３１】No. ９，１０は熱間加工を加熱保持の前に
のみ１回実施した従来例である。加工度が５０％に達し
ないNo. ９では、溶体化処理での微細なsub grain の消
滅により、延性が目標値に達しなかった。加工度が５０
％を超えるNo. １０では、sub grain のサイズが小さく
なり過ぎたため、靱性が目標値に達しなかった。

【００３２】本実施例は、代表的なNearβ型チタン合金
であるＴｉ−１０Ｖ−２Ｆｅ−３Ａｌについてのもので
あるが、他のNearβ型チタン合金、例えばＴｉ−５Ａｌ
−２Ｓｎ−２Ｚｒ−４Ｍｏ−４ＣｒやＴｉ−１1.５Ｍｏ
−５Ｚｒ−4.５Ｓｎ等にも適用可能である。

【００３３】

【発明の効果】以上に説明した通り、本発明のNearβ型
チタン合金の強靱化方法は、熱間加工を２回に分け、そ
の間に加熱保持を行うことにより、後処理後に強度、靱
性および延性を高次元でバランスさせることができるの
で、加工性の良好な高性能な高比強度構造用材料を提供
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】sub grain のサイズが靱性および延性に与える
影響を示すグラフである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Nearβ型チタン合金を、α＋β温度域に
   おいて５０％未満の断面減少率で熱間加工した後、該熱
   間加工温度以上β変態点以下の温度に加熱保持し、再度
   α＋β温度域においてトータルの断面減少率が５０％以
   上となるように５０％未満の断面減少率で熱間加工し、
   しかる後にα＋β温度域で溶体化処理および時効処理を
   行うことを特徴とするチタン合金の強靱化方法。