JPH0849053A - α＋β型チタン合金板の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 優れた機械的性質を備えることは勿論、微小
な欠陥を検出することも可能な程度に超音波ノイズが低
減された材質の高強度α＋β型チタン合金板を提供す
る。 【構成】 加熱状態の“粗鍛造あるいは分塊圧延された
α＋β型チタン合金スラブ”をβ単相域より 0.5℃/s以
上の冷却速度で冷却した後、〔β変態点〕〜〔β変態点
−２００℃〕のα＋β温度域に加熱して高さ比（加工
度）１０％以上の熱間鍛造を施し、それからα＋β温度
域での熱間圧延と、α＋β温度域での熱処理を順次施
す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、超音波ノイズが低く
て優れた非破壊探傷精度を確保できるところの、航空宇
宙機器用材料等として好適な高強度α＋β型チタン合金
板の製造方法に関するものである。

【０００２】チタン並びにチタン合金は、軽量でありな
がら強度が高く、比重で標準化した比強度は金属材料の
中で最も高いものとして知られている。しかも、これら
の材料は耐食性・耐熱性の点でも非常に優れており、そ
のため軽量高強度材料として航空宇宙産業を中心に多く
の分野で使用がなされている。中でも、Ti−６Al−４Ｖ
に代表されるα＋β型チタン合金は強度や製造性の面で
非常に安定した実績を誇っていることから、更なる軽量
化や高速化に鎬が削られている航空宇宙機器部材（例え
ばエンジンのファンブレード）等としての需要は増大の
一途をたどるものと予想される。

【０００３】

【従来技術とその課題】ところで、従来、α＋β型チタ
ン合金の板材は、α＋β型チタン合金鋳塊を分塊圧延又
は粗鍛造してスラブとし、これをα＋β温度域で１〜２
回圧延してから製品用途に応じた熱処理を施すという方
法で製造されるのが一般的であった。例えば、特開昭６
０−２３０９６８号公報にも、まず鋳塊をβ域で粗鍛造
し、それからα組織の均質化と異方性の低減を目的とし
てα＋β域でクロス圧延を行った後に再結晶焼鈍し、更
にクロス圧延を行ってから焼鈍，溶体化時効処理を施す
工程から成るチタン合金板の製造方法が掲載されてい
る。

【０００４】ところで、チタン合金の主要な需要先であ
る宇宙航空分野等においては高い信頼性が要求されるこ
とから、適用されるチタン合金部材に対しては機械的性
質の十分な確認と共に超音波探傷等による入念な非破壊
検査が行われているが、チタン合金が適用される機器類
が高性能化するに伴ってこれら検査の精度についても一
層の高度化要求がなされるようになってきた。

【０００５】しかしながら、従来のα＋β型チタン合金
板の製造法では、その製造条件は目的とする強度や延性
を確保したり強度の異方性を調整するといった観点から
設定されたに過ぎないものであって、超音波探傷による
内部欠陥の検出特性、即ち超音波特性について考慮され
ることはなかった。そのため、材質の超音波ノイズが必
ずしも小さくはなくて超音波探傷により検出できる欠陥
の大きさには限界があり、この点はチタン合金板を使っ
た機器類の高性能化や信頼性の更なる向上を図る上で是
非とも解決しなければならない問題であると考えられ
た。

【０００６】このようなことから、本発明の目的は、高
強度（例えば回転曲げ試験で５５０ＭPa以上を示す優れ
た高サイクル疲労強度等）や高延性等の優れた機械的性
質を備えることは勿論、微小な欠陥を検出することも可
能な程度に超音波ノイズが低減された材質のα＋β型チ
タン合金板を安定提供することに置かれた。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、上記目的
を達成すべく、特に、α＋β型チタン合金板において強
度や延性等の機械的性質が良好にバランスするのは微細
等軸粒組織（平均粒径10μｍ以下の均質微細なα粒から
成る組織）が得られる時であることを踏まえ、チタン合
金板の組織をこの微細等軸粒組織として目的とする強度
を付与させながらなおかつ超音波ノイズを極力低減させ
得る手段を求めて鋭意研究を重ねた。

【０００８】その結果、α＋β型チタン合金スラブを熱
間圧延するに先立って、まず加熱されたα＋β型チタン
合金をβ単相域より特定条件で急冷し、更にこれをα＋
β温度域に加熱して熱間鍛造を加えるという処理を施し
てから、α＋β域での熱間圧延と熱処理とを行うと、得
られる板材は均質性に富んだ微細等軸粒組織となり、強
度が高くて機械的性質のバランスも良好な上に、超音波
ノイズが非常に低いα＋β型チタン合金板を安定して実
現することができるとの知見を得ることができた。

【０００９】本発明は、上記知見事項等に基づいて完成
されたものであり、「加熱状態の“粗鍛造あるいは分塊
圧延されたα＋β型チタン合金スラブ”をβ単相域より
0.5℃/s以上の冷却速度で冷却した後、 〔β変態点〕〜
〔β変態点−２００℃〕のα＋β温度域に加熱して高さ
比（加工度）１０％以上の熱間鍛造を施し、 それからα
＋β温度域での熱間圧延と、 α＋β温度域での熱処理を
順次施すことにより、 平均粒径10μｍ以下の均質微細な
α粒から成るα＋β組織を実現し、 高サイクル疲労強度
を回転曲げ試験での５５０ＭPa以上という高強度や良好
な延性を確保しながら、 より微小な欠陥の検査が可能な
程に超音波ノイズが低減されたα＋β型チタン合金板を
安定製造できるようにした点」に大きな特徴を有してい
る。

【００１０】ここで、上記α＋β型チタン合金はその種
類が特定されるわけではなく、例えばTi−６Al−４Ｖ，
Ti−６Al−６Ｖ−２Sn，Ti−６Al−２Sn−４Zr−２Mo，
Ti−６Al−２Sn−４Zr−６Mo，Ti−10Ｖ−２Fe−３Al等
といった公知のα＋β型チタン合金の何れであっても構
わない。

【００１１】以下、本発明をその作用と共により詳細に
説明する。

【作用】一般に、α＋β型チタン合金スラブをα＋β温
度域で熱間圧延すると、生成する組織は、圧延により２
相組織が延伸されるので“層状にα相が並んだ組織（以
降、 層状組織と呼ぶ)"となり易い。この層状組織は、熱
間圧延前のβ域での粗鍛造等により生成する変態β組織
(transformedβ組織）における“旧β粒内に生成した同
一方向に並んだ伸長形のα相の集合体”がα＋β温度域
での熱間圧延により引き延ばされて生成する。本発明者
等は、このような層状組織の存在が超音波ノイズのレベ
ルを大きくすることを見出した。即ち、上記層状組織の
抑制こそがα＋β型チタン合金板の超音波ノイズを減少
させる上で極めて重要であることが分かったのである。

【００１２】更に、この層状組織を抑制するためには、
α＋β温度域圧延の加熱時に上述の“粗鍛造等により生
成したα相の集合体”を壊しておくことが重要で、その
手段としてα＋β温度域圧延の前にα＋β温度域での鍛
造を施すのが有効であることも明らかとなった。これ
は、α＋β温度域圧延の前にα＋β温度域での鍛造を施
すことで加工歪が蓄積され、α＋β温度域圧延に際して
の加熱時にこの加工歪が駆動力となってα相の等軸化が
起こり、集合体の方向性が壊れるためである。なお、こ
の場合、粗鍛造等により得た熱間圧延素材たるスラブを
一旦β単相域の加熱状態から急冷しておくと、前記“α
相の集合体”は壊れやすく、また最終的に微細α粒が得
られやすくて優れた機械的性質の確保にも資することに
なる。

【００１３】そこで、本発明に係るチタン合金板の製造
工程では、まず、α＋β型チタン合金鋳塊を粗鍛造ある
いは分塊圧延して得たスラブをβ単相温度域に加熱し、
該β単相域より 0.5℃/s以上の冷却速度で冷却する。こ
のβ単相域からの急冷により、材料の組織を針状のマル
テンサイト組織、あるいはマルテンサイト組織とならな
くても針状のα組織とすることができる。このように、
針状のα組織を得ることにより次の工程たるα＋β温度
域での熱間鍛造でα相が分断され易くなるので、層状組
織の生成が抑えられ、超音波ノイズが低下する。また、
ここでの組織を針状のα組織とした方が、α＋β温度域
での熱間圧延と熱処理を経た後の最終的な等軸α粒径が
微細になり、高い強度と延性が得られる。

【００１４】この際、冷却速度が 0.5℃/sを下回ると、
十分に細い針状α組織とはならず、α＋β温度域での熱
間圧延により層状組織が生成しやすくなって超音波ノイ
ズが増大するばかりか、最終的に粗大なα粒組織が生成
して得られる板材の強度や延性も低下することから、こ
こでの冷却速度は 0.5℃/s以上（好ましくは１℃/s以
上）と定めたが、この冷却速度は速いほど好ましい。な
お、大型の素材では表面側と内部とで冷却速度が異なる
が、この場合は最も遅い冷却速度の部位が 0.5℃/s以上
となるように冷却を行う。ところで、この急冷処理は、
材料をβ単相域温度に加熱した後、β温度域内で終了す
るように鍛造，圧延，押出等の加工を施してからそのま
ま直接的に実施しても良く、この場合でも同様の結果が
得られることは言うまでもない。

【００１５】次に、急冷後の材料に〔β変態点〕〜〔β
変態点−２００℃〕のα＋β温度域に加熱して高さ比
（加工度）１０％以上の熱間鍛造を施す。これは、前記
急冷によって得られた針状組織に加工歪を付与し、最終
製品において超音波ノイズの原因である層状組織の生成
を阻止するために必要な工程である。このとき、加熱温
度がβ変態点を超えると加工後に針状α組織が粗大化し
て層状組織が生成しやすくなり、最終製品の超音波ノイ
ズが増加すると共に強度が低下する。一方、加熱温度が
〔β変態点−２００℃〕を下回った場合には加工が困難
であり、製品に割れが生じることもあり好ましくない。
従って、この場合の加熱温度は〔β変態点〕〜〔β変態
点−２００℃〕のα＋β域の温度と定めたが、好ましく
は〔β変態点−（５０〜１５０℃）〕の範囲とするのが
良い。

【００１６】そして、上記温度域で鍛造が施されるが、
これは急冷により得られた針状組織に“後続の熱間圧延
と熱処理にてα粒が各々独立して再結晶できるようにす
るための加工歪”を付与ためのものである。因に、この
加工歪の付与には鍛造によるせん断の加工が効果的であ
り（望ましくはこの鍛造は複数の方向から行うのが良
い）、圧延や押出では、次の工程である圧延と方向と同
一方向で行われるとその方向に延伸された組織、即ち層
状組織が生成しやすいので好ましくない。

【００１７】なお、上記熱間鍛造の加工度が高さ比で１
０％未満であると、急冷により得られた針状組織に付与
される加工歪が不十分となって、続くα＋β温度域での
熱間圧延，熱処理を経ても均一微細なα粒組織が実現さ
れずに得られる板材の超音波ノイズの低減や十分な強
度，延性を確保することができなくなる。

【００１８】熱間鍛造が施されて十分な加工歪が付与さ
れた材料は、次にα＋β温度域での熱間圧延に付され
る。これは針状組織を等軸粒組織に変えるための工程で
あり、この圧延をβ域で行った場合には延伸された細長
いα粒の組織が生成して等軸の微細α粒組織を得ること
はできない。なお、最終的に全体を均質な等軸α粒組織
として超音波ノイズを低下させるという観点からすれ
ば、この熱間圧延は〔β変態点−３０℃〕の温度以下で
行うのが好ましく（圧延温度は低温である方が熱処理後
のα粒の粒径は小さくなる）、一方、良好な加工性を確
保するという観点からすると〔β変態点−１５０℃〕の
温度以上で行うのが好ましいことからして、該熱間圧延
は、〔β変態点−（３０〜１５０℃）〕のα＋β温度域
で実施するが望ましいと言える。また、この圧延は、一
方向のみ行われた場合には組織の方向性の低減効果が小
さく、そのため超音波ノイズの低下も今一つ十分でない
ので、好ましくは前半と後半とで圧延方向を直交させる
クロス圧延を採用するのが良い。

【００１９】熱間圧延後の最終工程では、α＋β温度域
において熱処理が施される。この熱処理は、圧延により
生じた組織を再結晶により均質な等軸α粒組織とするた
めのものであるが、これをβ域の温度で実施すると等軸
α粒組織が得られないため疲労強度が大きく低下する。
なお、この熱処理は、高温で行うほど、また長時間実施
するほどα粒の粒径が大きくなって強度が低下するの
で、この点に留意する必要がある。また、特にα＋β域
の高温側で熱処理を行う場合には、生成組織がその後の
冷却速度の影響を強く受け、冷却速度が遅いほどα粒が
粗大化しやすいので、必要以上に遅い冷却速度を避ける
ことが好ましい。

【００２０】続いて、本発明を実施例により説明する。

【実施例】二重真空ア−ク溶解で得られたTi−６Al−４
Ｖ合金の鋳塊（直径４２０mm，合金のβ変態点は約９９
５℃）をβ温度域に加熱し、粗鍛造した後に、表１に示
す条件でβ温度域加熱処理，α＋β温度域の熱間鍛造を
行い、厚さ１２５mmの圧延用スラブを得た。次に、この
スラブより幅１５０mm，長さ２００mmのブロックを採取
し、α＋β温度域での熱間圧延，α＋β温度域での熱処
理（最終熱処理）を順次施し、厚さ２０mmのチタン合金
板を製造した。なお、α＋β温度域での熱間圧延は２ヒ
−トのクロス圧延とした。この場合、各ヒ−トは全て同
一方向で数パスの圧延とし、２回目の圧延は１回目の圧
延と直角方向に圧延率が１ヒ−ト目の約２倍となるよう
に調整した。また、α＋β温度域熱処理では、各温度に
１時間加熱した後に空冷するという条件を採用した。

【００２１】

【表１】

【００２２】次いで、得られた各チタン合金板から試験
片を採取し、これを研磨，エッチングした後に光学顕微
鏡により最終圧延方向と平行方向（Ｌ方向）および直角
方向（Ｔ方向）の厚さ断面の組織を観察し、５００倍の
写真を用いて各々１枚の写真から１０〜２０個の初析α
粒の平均粒径を求めた。

【００２３】また、得られた各チタン合金板の最終圧延
方向と平行方向（Ｌ方向）及び直角方向（Ｔ方向）から
平行部の直径８mm，長さ１２mmの丸棒試験片を採取し、
小野式回転曲げ疲労試験機により繰り返し速度３４００
rpm にて高サイクル疲労試験を実施した。

【００２４】更に、得られた各チタン合金板につき、直
径 1.2mmの平底穴における９５％のエコ−を＋１８dBに
設定して、直径：12.7mmの超音波探触子を用い振動サイ
クル：１０ＭHz，焦点：１０２mmなる条件で板厚方向の
超音波ノイズを測定した。

【００２５】これらの測定及び試験結果を表１に併せて
示す。表１に示される結果からも明らかなように、本発
明で規定する条件通りに製造されたTi−６Al−４Ｖ合金
板（α＋β型チタン合金板）は、初析α粒の粒径が10μ
ｍの等軸微細α粒組織であって、高い強度（５５０ＭPa
以上の高サイクル疲労強度）を有すると共に、超音波ノ
イズレベルが２３％以下であって直径約 0.3mmの欠陥の
検出が可能であり、超音波による高感度の非破壊検査が
可能な高強度チタン合金板であることが分かる。

【００２６】

【効果の総括】以上に説明した如く、本発明によれば、
機械的性質に優れることは勿論、超音波ノイズが低くて
ミリメ−トルオーダー以下の欠陥の検出が可能なほどに
感度の高い超音波非破壊検査が可能な高強度チタン合金
板を安定提供することができ、航空宇宙機器類の進歩に
大きく寄与し得るなど産業上非常に有用な効果がもたら
される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 稲垣 育宏 大阪府大阪市此花区島屋５丁目１番109号 住友金属工業株式会社関西製造所製鋼品 事業所内 (72)発明者 安蔵 泰夫 東京都千代田区大手町１丁目１番３号 住 友金属工業株式会社内 (72)発明者 藤沢 和夫 大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号 住友金属工業株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 加熱状態の粗鍛造あるいは分塊圧延され
   たα＋β型チタン合金スラブをβ単相域より 0.5℃/s以
   上の冷却速度で冷却した後、〔β変態点〕〜〔β変態点
   −２００℃〕のα＋β温度域に加熱して高さ比１０％以
   上の熱間鍛造を施し、それからα＋β温度域での熱間圧
   延と、α＋β温度域での熱処理を順次施すことを特徴と
   する、α＋β型チタン合金板の製造方法。