JPH09165634A - 耐熱チタン合金 - Google Patents
耐熱チタン合金Info
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Abstract
℃、50MPa でのクリープ歪量が試験開始100 時間で0.5
%以下のチタン合金を提供する。 【解決手段】 Al:5.0 %〜7.0 %、Sn:2.0 〜5.0
%、Zr:2.0 〜5.0 %、Nb:0.1 〜1.5 %、 Mo:
0.1 〜2.0 %、 Si:0.1 〜0.6 %、B:0.3 〜2.5
%、 必要によりC:0.01〜0.2 %、Hf:0.1 〜3.
0 %および/またはTa:0.1 〜3.0 %、の合金組成を有
し、ホウ化物が晶出したNear−α型合金とする。
Description
チタン合金、特に高温クリープ特性に優れた耐熱チタン
合金に関するものである。
ためにチタンおよびチタン合金の需要は高い伸びを示し
ているが、特にチタン合金は、軽量にして一層高強度で
あるその特徴を生かすため、今日でも、様々な分野での
応用、用途開発が試みられている。そのなかで高温環境
に耐え得るチタン合金の要望が高く、クリープ強度の改
善を主眼として、耐熱合金の開発が進められてきてい
る。
しては、英国で開発されたNear−α型のIMI829合金 (特
開昭51−143512号公報) およびIMI834合金 (特公平4−
56097 号公報) が挙げられる。また、日本でもヤング率
の向上を目的にBを添加した高剛性チタン合金 (特開平
5−209251号公報) が高温引張強度にも優れることが示
されている。しかし、高温引張強度とともに耐熱性の指
標の1つであるクリープ強度についてはこれらの従来技
術において全く検討されていない。ここに、Near−α型
のチタン合金とは、少量のβ相を含み大部分がα相から
なるチタン合金をいい、上述のIMI829やIMI834合金が代
表例である。
いは自動車の高速度化および低燃費化のため、航空機エ
ンジンや自動車エンジンの高性能化が求められており、
それに応えるべく、耐熱構造材料としてNear−α型チタ
ン合金が注目されてきた。しかし、最近では従来の合金
が使用される最高温度600 ℃よりもさらに高温域での特
性に優れた耐熱チタン合金が必要とされている。すなわ
ち使用温度が600 ℃をさらに越える最近の航空機エンジ
ンや自動車エンジンにチタン合金を適用するには従来合
金では高温引張強度、高温クリープ強度が不十分であ
る。
温度よりも約100 ℃高い700 ℃でも十分な高温強度 (引
張強度、クリープ強度) が維持される耐熱チタン合金を
提供することにある。
0 ℃での引張強度が550 MPa 以上、700 ℃、50MPa での
クリープ歪量が試験開始100 時間で0.5 %以下を満足す
るチタン合金を提供することにある。
温引張強度、高温クリープ強度等の高温特性に優れた耐
熱チタン合金としてAl、Sn、Zr、Nb、Mo、SiあるいはC
を添加した耐熱チタン合金 (特開昭51−143512号公報お
よび特公平4−56097 号公報) が用いられている。しか
しながら、このような合金でも最高使用温度は600 ℃で
あり、耐用温度としては十分ではなかった。
タン合金にBを添加し、ホウ化物を晶出させることによ
りクリープ強度が改善され耐用温度が上昇することを知
った。さらに研究開発の結果、それらの合金にHfあるい
はTaの一方あるいは両者を添加することにより、晶出す
るホウ化物が著しく微細化し、クリープ強度がさらに著
しく改善されることを知り、本発明を完成した。
量%で、Al:5.0 %〜7.0.%、Sn:2.0 〜5.0 %、Zr:
2.0 〜5.0 %、Nb:0.1 〜1.5 %、Mo:0.1 〜2.0 %、
Si:0.1 〜0.6 %、B:0.3 〜2.5 %にHf:0.1 〜3.0
%またはTa:0.1 〜3.0 %を単独あるいは両者とも含
み、残部Tiおよび不可避的不純物からなる耐熱チタン合
金である。さらに必要により、本発明にかかる合金にあ
ってはC:0.01〜0.2 %添加してもよい。
述のように限定した理由を詳述する。 Al:Alはα相安定化元素であり、αトランザス温度を上
昇させ、固溶強化により高温強度、クリープ強度の向上
に寄与する。しかし、添加量が5.0 %未満では、α相安
定化効果および固溶強化が十分ではなく、必要とする高
温強度、クリープ強度が得られない。また、添加量が7.
0 %を超えると、TiとAlの金属間化合物であるTi3Al が
析出し、脆化する。そのため、本発明においてAl含有量
は5.0 〜7.0%に設定する。好ましくは5.3 〜6.7 %で
ある。
溶強化能があり、高温強度を向上させ、耐クリープ特性
を改善し得る。しかし、添加量が2.0 %未満では、その
効果が十分ではない。一方、添加量が5.0 %を超える
と、密度が大きくなること、および脆化相(Ti3Al) が析
出するため望ましくない。したがって、Sn含有量は2.0
〜5.0 %に設定する。好ましくは、2.5 〜4.0 %であ
る。
ある。中低温域から高温域の広い温度範囲において、固
溶強化能があり、強化元素として有効である。また、Zr
添加により組織が微細になり、材料の強靱化が促進され
る。添加量が2.0 %未満ではその効果は十分ではない
が、添加量が5.0 %を超えると延性に加え、クリープ強
度も低下する。したがって、Zr含有量は2.0 〜5.0 %に
設定する。好ましくは2.5 〜4.0 %である。
強度と疲労強度のバランスを一層向上させる。耐酸化性
にも効果のある添加元素である。添加量が1.50%を超え
るとβ相比率の増加により高温強度、クリープ強度が低
下する。したがって、Nb含有量は0.1 〜1.5 %に設定す
る。好ましくは0.5 〜1.0 %である。
での強度上昇に寄与すると共に、α+βの2相とするこ
とにより、高温強度と疲労強度のバランスを向上させ
る。0.1 %以上の添加でその効果は現われるが、添加量
が2.0 %を超えるとβ相が過度に増加し、高温強度とク
リープ強度が低下する。また、溶接性、熱処理性も低下
する。したがって、Mo含有量は0.1 〜2.0 %に設定す
る。好ましくは0.2 〜1.0 %である。
上をもたらす元素である。しかし、過度に添加されると
TiおよびZrと結びついて金属間化合物の生成、粗大化を
もたらし、脆化する。したがって、Si含有量は0.1 〜0.
6 %に設定する。好ましくは0.2〜0.5 %である。
素であり、さらに室温から高温に至るまでの温度域で強
度の向上に寄与し、高温クリープ強度も向上させる。添
加量が0.2 %を超えると脆化するので添加量は0.2 %以
下とする。0.01%以上でその効果が現われるので、Cを
添加する場合、C含有量は0.01〜0.2 %に設定する。好
ましくは0.03〜0.15%である。
凝固および冷却中にホウ化チタン(TiB)として母相中に
晶出および/または析出し、高温強度およびクリープ強
度の向上に大きく寄与する。添加量は0.3 %以上でその
効果は現われる。一方、添加量が2.5 %を超えるとTiB
の分散量が多くなり、TiB が粗大化する。そのとき、延
性が大きく低下する。したがって、B含有量は0.3 〜2.
5 %に設定する。好ましくは0.5 〜2.0 %である。
で、全率固溶の中性型元素である。過度のα相安定化を
防ぎ、かつ高温強度向上に寄与することができる。本発
明者らの知見によれば、Hfを本発明合金中に添加する
と、TiB がより微細に分散した状態で晶出または析出
し、高温強度およびクリープ強度の向上に寄与する。特
にクリープ変形を抑制する効果は大きい。含有量が0.1
%以上でその効果は現われ、含有量の増大とともに効果
も増大する。しかし、過度の添加により、延性の低下お
よび高比重化をもたらす。したがって、含有量は0.1 〜
3.0 %に設定する。好ましくは0.5 〜2.0 %である。
で、β安定化元素である。チタン中に添加されると高温
強度の向上に効果があるが、本発明合金中に添加される
とTiB がより微細に分散した状態で晶出または析出し、
高温強度およびクリープ強度の向上に寄与する。Hfと同
様にクリープ変形を抑制する効果が大きい。0.1 %以上
の添加でその効果は現われるが、添加量が3.0 %を超え
るとβ相が過度に増加し、高温強度とクリープ強度が低
下する。また、溶接性、熱処理性も低下する。したがっ
て、Ta含有量は0.1 〜3.0 %に設定する。好ましくは0.
5 〜2.0 %である。
2種添加するが、その場合には合計量を5.0 %以下、好
ましくは4.0 %以下に制限することが好ましい。次に、
実施例によって本発明の効果について具体的に詳述する
が、これらは単に本発明の例示であって、それによって
本発明が制限されるものではない。
チタン合金を供試材として溶解した。溶解方法は一次溶
解をプラズマアーク溶解とし、二次溶解を真空アーク溶
解とした。得られた鋳塊の寸法は直径140 mm、長さは25
0 mmであった。
態点+100 ℃以下の温度に加熱し、直径20mmにまで鍛造
した後、1100℃に1時間加熱してから油焼入れを行う溶
体化処理を施し、次いで、750 ℃で2時間加熱してから
空冷する時効処理を行った。
試験片を機械加工により採取し、各々の試験に供した。
高温引張試験結果およびクリープ試験結果を表4ないし
6にまとめて示す。試験はいずれも大気中で実施した。
ように、本発明のチタン合金は700℃における引張強度
が550 MPa 以上、700 ℃、50MPa でのクリープ歪み量が
試験開始100 時間で0.5 %以下と非常に優れた特性を示
す。これに対し、従来合金は700 ℃での使用に耐えられ
ないことが改めて明らかになった。
とするチタン合金に、TiB をより微細に分散させること
により、高いクリープ強度を得ることができ、700 ℃ま
での使用に耐え得る合金が得られる。上記効果の結果と
して、本発明にかかる耐熱チタン合金は自動車エンジン
部品、航空機エンジン部品、およびそれら周辺部品から
一般機械部品までの耐熱構造用材料として、これまでよ
りも一層厳しい条件で使用できるとともに、耐用温度の
限界からこれまで使用できなかった部品にも適用範囲を
広げることができる。
Claims (2)
- 【請求項1】 重量%で、 Al:5.0 %〜7.0 %、 Sn:2.0 〜5.0 %、 Zr:2.0 〜5.0 %、 Nb:0.1 〜1.5 %、 Mo:0.1 〜2.0 %、 Si:0.1 〜0.6 %、 B:0.3 〜2.5 %、 Hf:0.1 〜3.0 %および/またはTa:0.1 〜3.0 %、 残部Tiおよび不可避的不純物からなる耐熱チタン合金。
- 【請求項2】 重量%で、 Al:5.0 %〜7.0 %、 Sn:2.0 〜5.0 %、 Zr:2.0 〜5.0 %、 Nb:0.1 〜1.5 %、 Mo:0.1 〜2.0 %、 Si:0.1 〜0.6 %、 B:0.3 〜2.5 %、 C:0.01〜0.2 %、 Hf:0.1 〜3.0 %および/またはTa:0.1 〜3.0 %、 残部Tiおよび不可避的不純物からなる耐熱チタン合金。
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