JPH0931572A

JPH0931572A - 高温疲労強度に優れた耐熱チタン合金

Info

Publication number: JPH0931572A
Application number: JP18574095A
Authority: JP
Inventors: Masakatsu Hosomi; 政功細見; Hisashi Maeda; 尚志前田; Minoru Okada; 岡田　　稔
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1995-07-21
Filing date: 1995-07-21
Publication date: 1997-02-04

Abstract

(57)【要約】【目的】 600 ℃の引張強度が600 MPa 以上、540 ℃の
疲労強度が350 MPa 以上のチタン合金を提供する。【構成】 Near- α型チタン合金において、Nb、Ｃを下
記範囲に特定する。 Al：5.0 〜7.0 ％、 Sn：2.0 〜5.0 ％、 Zr：2.
0 〜5.0 ％、Si：0.1 〜0.6 ％、 Nb：0.5 〜3.0
％、Ｃ：0.10〜0.20％

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、従来のチタン合金より
も500 〜600 ℃の高温域での疲労強度が向上した耐熱チ
タン合金に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、その優れた耐食性と高い比強度の
ために純チタンおよびチタン合金の需要は急激な伸びを
示してきたが、特にチタン合金は軽量にしてより高強度
であるという特徴があるため、そのような特性をさらに
一層生かすべく、今日でも航空機関係、エネルギ関係、
化学工業関係等の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
金開発の要望が高く、欧米を中心にクリープ強度の改善
を主眼として、合金開発が進められてきた。

【０００３】最近になって、日本でも高温用チタン合金
の開発が始められ、例えば特開平２−22435 号公報にお
いて高温強度およびクリープ強度に優れた耐熱チタン合
金に関する発明が報告されている。しかし、この発明は
引張強度、クリープ強度の改善を図ったチタン合金に関
するものであり、疲労強度については、全く検討されて
いない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】近年、発電用タービ
ン、航空機エンジン、船舶用エンジンの高性能化が求め
られている。その要求に対して軽量で高温強度の高いNe
ar−α型チタン合金が活用されているが、材料として50
0 〜600 ℃における高温強度、クリープ強度の改善が課
題となっている。

【０００５】ところが、本合金系はその比強度 (強度を
比重で割った値) が高いことを特長としており、回転軸
や回転翼およびそれらの支持具あるいはケース材として
使用される。これらの部材には、使用中に振動や周期的
な応力変化が生じる。そのため、実際に、部材設計の際
には疲労強度、特に高サイクル域での疲労強度の向上が
要求されている。ここに、Near−α型チタン合金とは、
少量のβ相を含み大部分がα相からなるチタン合金を指
す。

【０００６】ここに、本発明の目的は500 〜600 ℃の温
度範囲で従来合金よりもさらに高サイクルの疲労強度に
優れた耐熱チタン合金を提供することにある。さらに、
本発明のより具体的な目的は、各用途で使用されている
Near−α型合金であって、600 ℃の引張強度が600 MPa
以上、540 ℃の疲労強度が350 MPa 以上のチタン合金を
提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】これまでにあっても、高
温強度、クリープ強度の高温特性の優れたチタン合金と
してはAl、Sn、Zr、Mo、SiおよびＣが添加されてきた。

【０００８】例えば、代表例として前述の特開平２−22
435 号公報に示された高温強度およびクリープ強度に優
れた下記組成の耐熱チタン合金が挙げられる。 Al：5.5 〜6.5 ％、 Sn：1.5 〜3.0 ％、 Zr：0.7 〜
5.0 ％、Mo：0.3 〜3.0 ％、 Si：0.15〜0.50％、
Ｃ：0.04〜0.30％。

【０００９】しかし、上記組成のチタン合金は高温強
度、クリープ強度の改善のみを図っただけで、疲労強度
の改善については、全く検討されていない。ここに、本
発明者らは、疲労強度の改善のため検討を進めてきた結
果、Near−α型合金において、0.10〜0.20％のＣ添加と
0.5 〜3.0 ％のNb添加を同時に満たすことで高温疲労強
度が著しく改善されることを見い出し、本発明を完成し
た。

【００１０】よって、本発明の要旨とするところは、重
量％で、Al：5.0 〜7.0 ％、 Sn：2.0 〜5.0 ％、
Zr：2.0 〜5.0 ％、Si：0.10〜0.60％、 Nb：0.5
〜3.0 ％、Ｃ：0.10〜0.20％、Mo：０〜4.0 ％、
Hf：０〜2.0 ％、 Ta：０〜2.5 ％、Ｗ：０〜
2.0 ％、残部Tiおよび不可避的不純物からなる高温疲労
強度に優れた耐熱チタン合金である。

【００１１】さらに別の面からは、上記成分組成におい
てHf：0.1 〜2.0 および／またはMo：0.1 〜4.0 ％、T
a：0.1 〜2.5 ％およびＷ：0.1 〜2.0 ％から成る群か
ら選んだ少なくとも１種を含む高温疲労強度に優れた耐
熱チタン合金である。

【００１２】

【作用】次に、本発明において合金組成を上述のように
限定した理由をその作用とともに詳述する。なお、本明
細書において「％」は特にことわりがない限り、重量％
である。

【００１３】Al：Alはα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。本発明においては高温域での疲
労強度についても5.0 〜7.0 ％の範囲が適正である。す
なわち、Al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、要求される高温疲労強度が得
られない。また、Al添加量が7.0 ％を超えると、TiとAl
との金属間化合物であるTi₃Al が析出し、脆化する。そ
のため、疲労強度が著しく低下する。したがって、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。

【００１４】Sn：Snは中性型元素であり、Alと同様の固
溶強化能があり、高温強度、疲労強度を改善し得る。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添加量は2.0 〜5.0 ％に設定す
る。好ましくは、2.5 〜4.0 ％である。

【００１５】Zr：ZrはTiと全率で固溶する中性元素であ
る。中低温域では固溶強化により強化元素として有効で
あり、また高温ではTi、Zr、Siとの微細な金属間化合物
が析出し、クリープ強度を向上させている。Zr添加によ
り組織が微細になり、その結果、材料の強靱化が促進さ
れ、疲労強度の改善につながる。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
と延性に加え疲労強度も低下する。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。

【００１６】Si：Siは高温強度および耐クリープ性の向
上をもたらす元素であり、耐熱チタン合金には必須の元
素である。しかし、Siの多量の添加は(Ti,Zr)xSiy の析
出物形成、粗大化をもたらし、脆化する。したがって、
Si含有量が0.10〜0.60％に設定する。好ましくは、0.20
〜0.50％とする。

【００１７】Nb：Nbはβ相安定化元素であり、本発明に
おいてＣ添加との併用により、高温強度と疲労強度のバ
ランスを著しく向上させる作用を有する。耐酸化性の改
善にも効果のある添加元素である。疲労強度改善効果は
添加量が0.5 ％未満では現れない。一方、添加量が3.0
％を超えるとβ相比率が過剰になり疲労強度が低下す
る。したがって、Nb含有量は0.5 ％以上3.0 ％以下に限
定する。好ましくは、0.5 〜2.5 ％とする。

【００１８】Ｃ：Ｃは本発明の重要な元素で、α安定化
元素であり、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、クリープ強度も向上することが知
られている。また、本発明により、Nb添加と併用するこ
とによりＣ添加量が0.10〜0.20％の範囲で疲労強度が極
大値を示すことが明らかとなった。添加量が0.10％未満
であれば、α相の安定化が十分ではないため、疲労強度
に有利な等軸粒組織形成が不完全で、疲労強度の改善効
果は十分現れない。一方、添加量が0.20％を超えるとTi
Ｃが析出し、疲労強度は低下する。したがって、Ｃ添加
量は0.10〜0.20％と設定する。

【００１９】本発明において、その他の合金元素として
は必要応じてHf、Mo、Ta、W を必要に応じて適宜添加し
てもよい。それらの元素は少なくとも１種含有されれば
よいが、より好ましくはHfおよび／またはMo、Ta、Ｗの
少なくとも１種が添加される。

【００２０】Hf：HfはZrと同様の全率固溶型の中性元素
である。過度のα相の安定化を防ぎ、かつ高温疲労強度
向上に寄与することができる。Zrが多量に添加されると
(Ti,Zr)xSiy の析出物が生成され、疲労強度低下につな
がるが、Hfではそのような反応は起こらず、疲労強度の
低下はない。添加量は0.10％以上でその効果は現れる。
添加量が2.0 ％を超えると、(Ti,Zr)xSiy の析出を間接
的に促進される。また、Hfは比重が大きく、多量の添加
により合金全体の比重も増加させる。したがって、Hfを
添加する場合、その添加量は0.1 〜2.0 ％に設定する。
好ましくは、0.2 〜1.5 ％とする。

【００２１】Mo：Moはβ安定化元素であり、中低温域で
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、２相層状組織が形成され、高温域での疲労強度
が向上する。Moは高温強度と疲労強度の両立を図るうえ
で重要な元素である。0.1 ％以上の添加でその効果は現
れるが、添加量が4.0 ％を超えるとβ相が過度に増加
し、高温域での疲労試験中に強度低下が著しくなる。ま
た、溶接性、熱処理性も低下する。したがって、添加す
る場合、Mo量は0.1 〜4.0 ％に設定する。好ましくは、
0.2 〜3.0 ％とする。

【００２２】Ta：Taはβ相安定化元素であり、高温強
度、疲労強度のバランスを向上させる。0.1 ％以上の添
加でその効果が発揮されるが、多量の添加は溶け残り、
偏析、比重上昇、β相安定化による疲労強度低下をもた
らす。したがって、添加量は0.1 〜2.5 ％に設定する。
好ましくは、0.2 〜2.0 ％とする。

【００２３】Ｗ：Ｗはβ相安定化元素であり、高温強
度、疲労強度のバランスを向上させる。0.1 ％以上の添
加でその効果が発揮されるが、多量の添加はβ相安定化
による疲労強度低下をもたらす。したがって、添加量は
0.1〜2.0 ％に設定する。好ましくは、0.2 〜1.7 ％と
する。次に、本発明の作用効果をその実施例によってさ
らに具体的に説明する。

【００２４】

【実施例】本例では、表１に示す組成成分の各チタン合
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250 mmで
あった。

【００２５】この鋳塊をβ変態点＋50℃以下の温度に加
熱し、直径20mmにまで鍛造した後、β変態点−15℃に２
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700 ℃で２時間加熱してから空冷する時効処理を行
った。なお、これらの溶体化−時効処理はいずれもチタ
ン合金の熱処理法として慣用的に行われている処理条件
である。

【００２６】熱処理後の棒材から引張試験片、疲労試験
片を切り出し、引張試験および疲労試験に供した。疲労
試験は小野式回転曲げ疲労試験法を採用した。結果を表
２に示す。疲労強度は10⁷サイクルにおける破断強度で
示す。引張試験および疲労試験はいずれも大気中で実施
した。

【００２７】表２に示す結果からも明らかなように、本
発明にかかるチタン合金は、各用途で使用されているNe
ar−α型合金において、含有Ｃ量およびNb量を適正に組
み合わせることにより、540 ℃において、10⁷サイクル
破断強度が350 MPa 以上の疲労強度を得ることができ
る。一方、上記範囲を外れる比較合金および従来合金は
いずれもそのような特性を満足することができない。

【００２８】

【表１】

【００２９】

【表２】

【００３０】

【発明の効果】本発明によれば、適正Nb量およびＣ量を
設定することで600 ℃の引張強度が600 MPa 以上、540
℃の疲労強度が350 MPa 以上という優れた高温強度およ
び疲労強度を備えた耐熱チタン合金が得られ、ジェット
エンジン用やそのほかの航空機部品、発電用ガスタービ
ン部品、およびその周囲部品から一般機械部品までの耐
熱構造用材料として使用した場合、従来材料と比較して
耐振動の性能向上が期待できるなどその実用上の意義は
大きい。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、 Al：5.0 〜7.0 ％、 Sn：2.0 〜5.0 ％、 Zr：2.
0 〜5.0 ％、 Si：0.10〜0.60％、 Nb：0.5 〜3.0 ％、Ｃ：0.
10〜0.20％、 Mo：０〜4.0 ％、 Hf：０〜2.0 ％、 Ta：０
〜2.5 ％、Ｗ：０〜2.0 ％、残部Tiおよび不可避的不純物からなる高温疲労強度に優れた耐熱チタン合金。