JPH09504831A - 真空蒸着法による超塑性チタン合金 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 酸化が問題とならない低い温度で種々のチタン合金に超塑性を与える方法が開示されている。αβ合金は超塑性をあらわす特定の微細構造として真空蒸着される。α合金及びβ合金には安定剤が蒸着される。

Description

【発明の詳細な説明】 真空蒸着法による超塑性チタン合金産業上の利用分野 本発明は、超塑性チタン合金及び超塑性チタン合金の真空蒸着法による製造方 法に関する。従来の技術 チタン合金は航空用として広く用いられており、特にガスタービンエンジンの 回転部分に用いられている。チタン合金は、低い密度、及び適切な温度での比較 的良好な耐食性及び耐酸性を有すると共に、広い温度範囲に亘る強度、クリープ 強さ及び疲れ強さなどの機械的性質を含む多くの魅力的な工学的性質を有する。 しかし、チタン合金は、整形が難しく、かつ高速度で機械加工することが難しい 。これらの要因により、多くの複雑な形状のチタン合金製部品の製造コストが経 済的なレベルを超えるものとなる。 超塑性は、便利なそして多くの人々によって研究された複雑な現象である。超 塑性を表す物質は歪み速度４×１０^-5／秒から１×１０^-3／秒において試験され 標準距離１インチの引っ張り試験片として測定されたとき、少なくとも１００％ のネックフリーの塑性伸び率を表す。１５０％以上の伸び率が好ましい。超塑性 を表す物質は複雑な形状に形成することができので、更に機械加工する必要がな い。超塑性については、ここで言及されたことによって本出願の一部とされる以 下の技術的文献において説明されている。 １．Ｈａｍｉｌｔｏｎ ＆ Ｇｈｏｓｈ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｕｐｅｒｐｌａｓｔｉｃ Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｐｒｏｐｅｒｔｉ ｅｓ ｏｆ Ｔｉ−６Ａ１−４Ｖ， ＴＩＴＡＮＩＵＭ ８０−ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ， Ｈ． Ｋｉｍｕｒａ ａｎｄ Ｏ． Ｉｚｕｍｉ， ｅｄｓ．， ＴＭＳ−ＡＩＭＥ， Ｗａｒｒｅｎｄａｌｅ，ＰＡ，１９８０，ｐｐ．１０１１−１０１４． ２．Ｎ．Ｆｕｒｕｓｈｉｒｏ ｅｔ ａｌ．，Ｆａｃｔｏｒｓ Ｉｎｆｌｕｅｎ ｃｉｎｇ ｔｈｅ Ｄｕｃｔｉｌｉｔｙ ｏｆ Ｓｕｐｅｒｐｌａｓｔｉｃ Ｔ ｉ−６Ａ１−４Ｖ Ａｌｌｏｙ， ｉｎ ＴＩＴＡＮＩＵＭ ８０−ＳＣＩＥＮ ＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ， Ｈ．Ｋｉｍｕｒａ ａｎｄ Ｏ． Ｉ ｚｕｍｉ，ｅｄｓ．，ＴＭＳ−ＡＩＭＥ， Ｗａｒｒｅｎｄａｌｅ，ＰＡ，１９ ８０，ｐｐ．９９３−１０００． ３．Ｍ．Ｅ．Ｒｏｓｅｎｂｌｕｍ ｅｔａｌ．，Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒａ ｌ Ａｓｐｅｃｔｓ ｏｆ Ｓｕｐｅｒｐｌａｓｔｉｃ Ｆｏｒｍｉｎｇ ｏｆ Ｔｉｔａｎｉｕｍ Ａｌｌｏｙｓ， ｉｎ ＴＩＴＡＮＩＵＭ ８０−ＳＣＩ ＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ，Ｈ．Ｋｉｍｕｒａ ａｎｄ Ｏ．Ｉ ｚｕｍｉ， ｅｄｓ．， ＴＭＳ−ＡＩＭＥ， Ｗａｒｒｅｎｄａｌｅ，ＰＡ， １９８０，ｐｐ．１０１５−１０２４． ４．Ｉ．Ｉ．Ｎｏｖｉｋｏｖ ａｎｄ Ｖ．Ｋ．Ｐｏｒｔｎｏｙ， Ｏｐｔｉｍ ｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｉｔｙ ａｓ Ｇｅｎｅｒａｌ Ｐｒｉｎｃｉｐａｌ ｏｆ ＣｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇＡｌｌｏｙｓ Ｓｔｒｕｃ ｔｕｒｅ ｆｏｒ Ｓｕｐｅｒｐｌａｓｔｉｃ Ｆｏｒｍｉｎｇ，ｉｎ ＳＵＰ ＥＲＰＬＡＳＴＩＣＩＴＹ ＡＮＤ ＳＵＰＥＲＰＬＡＳＴＩＣ ＦＯＲＭＩＮ Ｇ，Ｃ．Ｈ．Ｈａｍｉｌｔｏｎ ａｎｄ Ｎ．Ｅ．Ｐａｔｏｎ，ｅｄｓ．，Ｔｈ ｅ Ｍｉｎｅｒａｌｓ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｏｃｉｅｔｙ，Ｗａｒ ｒｅｎｄａｌｅ，ＰＡ，１９８８，ｐｐ．４０１−４０６． ５．Ｎ．Ｅ．Ｐａｔｏｎ ａｎｄ Ｃ．Ｈ．Ｈａｍｉｌｔｏｎ，Ｍｉｃ ｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ ｏｎ ｓｕｐｅｒｐｌａｓ ｔｉｃｉｔｙ ｉｎ Ｔｉ−６Ａ１−４Ｖ．，Ｍｅｔａｌｌ．Ｔｒａｎｓ Ａ， ｖｏｌ． １０Ａ，１９７９，ｐｐ．２４１−２４９． チタン合金での超塑性を達成するための方法を開発するために多くの努力がな されてきた。そのような方法はたくさん開発され広く用いられている。例えば、 米国特許第４，８８６，５５９、米国特許第４，２９９，６２６、及び米国特許 第４，９４４，９１４が挙げられる。従来技術におけるチタン合金に超塑性を与 える方法の明らかな普偏的な特徴は、普通は９８０°Ｆ以上の、低い場合でも８ ９０°Ｆ以上の高い使用温度で実施されることである。従来技術の製造方法は、 複雑な形状のチタン製部品を製造するために有効であり、かつ広く用いられてき た。しかし、従来技術の方法はコスト高であった。従来技術の方法の共通の欠点 は、これらの方法がかなり高い温度で実施されるということである。高温度にお いて、即ち約６５０℃から７６０℃において、かつ酸化雰囲気内においてチタン は急速に酸化され、その結晶格子内に酸素原子を取り込む。酸素はチタンを脆化 させる傾向があり、かつα相における安定化材であることが知られている。その 結果、最も広く用いられているチタン合金であるαβチタン合金は、６５０℃以 上の温度において酸素に曝露されたとき、α合金における有害な表面層を形成す る傾向がある。この有害な表面層は、チタン合金の性質を低下させるので、これ らの部品が使用される前に物理的若しくは化学的に除去されなければならない。 このような理由によって、約９００℃を越える温度において実施される従来技 術のチタン合金に超塑性を与える製造方法は、必ず不活性ガス雰囲気中若しくは 真空中において実施されてきた。このような雰囲気を必要とするために、従来技 術の製造方法においては、そのために必要な機材のコストばかりでなく、長いサ イクルタイム、及び炉内雰囲気のた めのコストなどによって実質的なコストが増加する。更に、不活性な雰囲気を用 いるにもかかわらず、十分に純粋な雰囲気を保つことが困難であるために、この ような温度におけるチタン合金の酸化は、共通の問題となっている。 従って、チタンの酸化及び酸素による汚染が重大な問題となる温度以下で実施 されるチタン合金に超塑性を与える製造方法が必要とされている。本出願では、 特に言及されない限り、要素は重量％を単位として表現されており、相及び分子 量は体積％を単位として表現されている。発明の概要 従って本発明の目的は、周囲（ａｍｂｉｅｎｔ）雰囲気中においてさえも酸化 が問題とならない温度で超塑性を与えることのできる、即ち約７６０℃以下の条 件で、より好ましくは６５０℃以下の条件で超塑性を与えることのできるチタン 合金の製造方法及びこの方法によって製造されたチタン合金を提供することであ る。 超塑性は確立された定義のない概念である。一般的に超塑性という用語は、通 常観測されるものよりも非常に大きい引っ張り延び率をあらわす金属材料に関す るものである。通常の金属材料は引っ張り応力に対して５％から５０％の延びを 示すが、超塑性の材料は、適切な高温度において試験されたとき、１５００％程 度の延びを示す。本出願の明細書においては、超塑性を、約４５０℃から５６０ ℃の温度範囲において測定されたとき、１００％以上の延び、より好ましくは１ ５０％以上の延び、最も好ましくは約２００％を越える延びを示すものとして定 義する。超塑性は、長年に亘る偉大な研究及び多くの異なった観察の主題であり 続け、超塑性に関する理論が形成された。そして今日では、超塑性は、結晶粒界 すべり、即ち結晶粒を分離する平面に平行な平面内の方向に沿ったある結晶粒の 他の結晶粒に対する動きを原因とするとされている。も ちろんこの結晶粒界すべりは、ボイドまたは孔の形成を伴わない結晶粒の変形で なければならない。チタン合金においては、α結晶粒同士を分離する結晶粒界に 沿った結晶粒界すべりを達成することが最も困難であるということが知られてい る。α結晶粒とβ結晶粒とを分離する結晶粒界に沿った結晶粒界すべりが最も容 易であり、β結晶粒同士を分離する結晶粒界に沿った結晶粒界すべりは、上述さ れた２つの結晶粒界すべりの中間の容易さを有する。 従って、α物質における超塑性の達成は、α粒子とβ粒子の混合された物質に おける超塑性の達成よりも困難である。全てがβ粒子からなる物質の超塑性の達 成は、十分には研究されていないが、しかしすべてがα粒子からなる場合と、α 粒子及びβ粒子からなる場合との中間の困難さを有すると考えられる。 従来の超塑性チタン合金は、概ね等しい体積のα相とβ相とを有する。α相と β相とを等量にした場合が、最も高い超塑性を達成すると推測されてきた。しか し、本発明に基づけば、１０％から２０％のβ相を含む物質において４００％の 延びが達成された。これは、本発明に基づいて物質内におけるβ相の量を増加さ せることにより更に超塑性を増加させることができることを示している。 超塑性は、α／α状態、α／β状態、及びβ／β状態に応じて変化するので、 本発明ではまず初めに最もよく研究されてきたα／β状態に関して説明し、次に 他の状態に関して説明する。 本発明の主な態様は、高速度の真空蒸着（例えば、１秒当たり少なくとも３５ μｍ、好ましくは１秒当たり５０μｍから１００μｍ）によって非常に細かい結 晶粒からなるチタン合金を製造する方法である。最も商業的に重要な実施例は、 ６％のＡｌ、４％のＶ、及び残りのＴｉからなる合金のようなα−βチタン合金 に関する。被着された細かい結晶粒 を有する合金が、平衡条件において観測されるよりも多くのα相を含む非平衡条 件となるように、この合金の組成及び真空蒸着パラメータ（基板温度）が選択さ れている。この多量のα相は準安定状態である。 本発明によって製造される合金は、その初期の細かい結晶粒によって初めから 超塑性を有し、初めの細かいα相の結晶粒間の結晶粒界における多量の準安定状 態のα相からβ相への変態の結果、高温度における変形の間にも超塑性を保持す る。初めの細かいα相の結晶粒間のこのβ析出は、初めのα相の結晶粒の成長を 十分に抑制する。 従って、この特定の微細構造及び処理履歴を有するチタン合金からなる製品は 、上述された本発明の目的を達成するための必須の性質を有する。 初期の細かい結晶粒は、好ましくは電子ビームの加熱源を用いた、真空蒸着法 によって達成される。蒸発したチタン合金は、温度の低い基板に捕集される。こ こで「温度の低い」とは、溶融したチタン蒸気が凝縮を開始する温度よりも、基 板の温度が低いことを表す。基板（被着）温度は重要な値である。基板の温度が 高すぎる場合、結晶粒の寸法が大きくなり、基板の温度が低すぎる場合、多孔質 のデポジットが形成される。凝縮温度は、約５００℃から６８０℃であることが 要求される。 細かい結晶粒からなる部分的に準安定状態にあるチタン合金は、基板から除去 され、かつ約５００℃から５３５℃の間の温度において変形され、少なくとも約 １．７×１０^-3若しくは１．７×１０^-4以上の歪み速度で変形されたとき、各々 ２００％を越える変形を表す。 本発明に基づけば、初めのチタン合金の組成は、真空蒸着された後に少なくと も約３％から５％のβ相を含むαβ合金でなければならず、より好ましくは変形 温度において少なくとも約１０％から５０％のβ相を含むものでなければならな い。 ホウ化物及び酸化希土類のような不溶性粒子を加えることもできる。このよう な粒子は、変形の間に結晶粒の寸法を小さく保つための助けとなる。以下に説明 されるように、このような粒子は単一の相の合金（全てがα相若しくは全てがβ 相の合金）において必要であり、かつαβ合金においても所望に応じて必要であ ることが明らかとなる。以下に説明される粒子は、αβ合金に対しても用いるこ とができるが、このような合金に対してはあくまで所望に応じて用いられるもの である。図面の簡単な説明 図は、従来の材料及び本発明に基づく材料の結晶粒の寸法と、超塑性が観測さ れた温度との関係を表す。発明の詳細な説明 α合金は、結晶粒界に約５％までのβ相を含む場合にα合金として振る舞うと 考える。その範囲の他端においては、β合金は、αβ合金として振る舞う前に結 晶粒界に３％までのα相を含むことができる。 αβチタン合金 本発明に基づけば、超塑性形成温度において約１０％から５０％までの体積％ のβ相を含む合金が基板に真空蒸着によって形成される。この真空蒸着法は、被 着された物質を基板と平行な平面に沿って測定したときに、約２μｍ以下の、よ り好ましくは約１μｍ以下の非常に細かい結晶粒の寸法を達成する条件の下で実 施される。 蒸気は、電子ビームなどの熱源を用いて、チタン合金の溶融池から発生され若 しくはＮｂ、Ａａ、またはＷの高温度の溶融池から迅速に発生される。米国特許 第５，２４２，４７９号明細書は、カーバイドコーティングを形成するための装 置を例示している。この米国特許はここで言及されたことによって本出願の一部 とされたい。発生された蒸気は、比較的温度の低い基板上で凝縮され、柱状組織 を有する均質な濃度のデポ ジットを形成する。この柱状組織は、基板に対して垂直な長軸若しくはコラム軸 を有し、基板と平行な平面における２μｍ以下の好ましくは１μｍ以下の結晶粒 の直径を有し、かつ約３対１から１００対１のアスペクト比、即ち基板と平行な 平面における短径に対する基板と垂直な平面における柱状組織の長さの比を有す る。超塑性は、結晶粒が微細であることを必須要件とする。本発明の方法では、 ２つの方向におてい超塑性のこの必須要件が満足されるが、第３の方向において は満足されず、超塑性は結晶粒の短い寸法を含む平面において初めから最も顕著 に表れることになる。即ち、応力が結晶粒のコラム軸と平行な方向に加えられた 場合には、十分な超塑性が、初期には表されないことがある。しかし、約５０％ から１００％の変形の後に、結晶粒が等軸となり、等方的に超塑性が表れる。こ のような柱状のチタン組織は新規かつ有益であり、従来技術からも明らかではな いと確信する。 微細構造が形成される限り、どのような物理的真空蒸着法を用いるかは本発明 に関して重要ではない。本発明では、米国特許第５，２４２，４７９号明細書に 開示された装置を用いた。この米国特許明細書に開示された方法を用いる主な利 点は、高速度の蒸着が達成されることである。しかしながらこれは、形成される デポジットの性質からではなく、専ら経済的な理由による。従って他の蒸着方法 を用いることもできる。これらの方法には、米国特許第３，６１５，２７５号明 細書及び米国特許第５，０２１，０８４号明細書に開示された方法が含まれ、ま たスパッタリングなどの方法なども含まれる。しかし、スパッタリングは、本発 明においては経済的に好ましくないと考えられる原因となる非常に低い蒸着速度 を特徴とする。米国特許第５，２４２，４７９号明細書に開示された装置もまた 、粒子を含むチタン製の製品を製造するための同時蒸発（ｃｏ−ｅｖａｐｏｒａ ｔｉｏｎ）に対して容易に使用できるので好ま しいものである。 Ｔｉの酸素に対する親和力が高いので、真空蒸着は少なくとも１０^-4ｍｍＨｇ の弱真空中で実施されなければならないことは重要である。最近実施された作業 では、チタンの蒸気は、チタンの蒸気の源である溶融池の上方約２０ｃｍに保持 された基板に被着された。基板の温度は、本発明の良好な特性を得るために重要 である。基板の温度が５００℃に満たない場合、形成されたデポジットは多孔質 となり、利用できないものとなる。基板の温度が７００℃を超える場合、被着さ れた物質の結晶粒の寸法は３μｍ以上となり、低温度における所望の超塑性が観 測されない。約５００℃から約６８０℃の狭い範囲の基板温度が、好ましくは約 ５５０℃から６５０℃の基板温度が、開始材料に対する本発明の要件を満足する チタン合金のデポジットを形成する。ここで基板の温度をモニタリングすること が困難であることに注意しなければならない。基板は非常に反応性の高い雰囲気 であるチタンの蒸気雲内に配置されている。このため熱電対などの直接接触型素 子を用いることができない。チタンの条件はまた光学的視野測定を妨げるもので ある。従って、基板の裏側面の温度を測定し、熱力学的計算によってチタンが被 着されている基板の主面の温度を厳密に算出した。厚いチタンの層を形成する間 、コーティングの厚さが増加するために基板とチタンコーティングの結合体の熱 流に対する抵抗が増加し、熱力学的計算ではこの増加分の補償を行う。異なった 器具、異なった基板材料、及び異なった基板形状を用いて、他の当業者が本発明 を実施しようとする場合、基板表面の温度を測定し、かつ算出するための独自の 方法を考案する必要があるであろう。従来の方法によって容易に温度の測定でき る場所に置かれた基板の温度を測定し、被着された材料の特徴的な結晶粒の寸法 と測定された温度とを関連付けることにより本発明を実施することは、明らかに 当業者の技術範囲 内にある。 上述された文献に記載された高速の蒸着装置では、１分当たり１００μｍオー ダーの蒸着速度が達成される。このような高い蒸着速度は、基板への高い熱流速 を達成し、基板温度に対する大きな注意を必要とする。我々の実験では、自然の 放熱によって生ずる冷却以外の特別の冷却のための設備を必要とせずに、フッ化 物の離型剤によってコーティングされたモノリシックな基板が用いられた。離型 剤（ｐａｒｔｉｎｇ ａｇｅｎｔ）が所望に応じて用いられる。本発明の初期の 目的を達成するために、基板の温度を調節するべく基板内若しくは基板の裏側面 に流体を用いた補助の冷却装置を用いることは、本発明の技術的視点を逸脱する ものではない。 上述されたように、本発明に基づくチタン合金は、低温度での超塑性を形成す る初期の微細な寸法の結晶粒を有する。通常の環境のもとで典型的なチタン合金 内では、急速な結晶粒の成長が起こるために、そのような微細な結晶粒構造は変 形温度では存在せず、いったん約２μｍを越える寸法に結晶粒が成長すると超塑 性の特性は失われる。本発明によって製造された製品の独創的な点は、真空蒸着 法によって高い冷却速度が達成されるために材料が被着されたときに準安定状態 にあるということである。このような高い冷却速度によって平衡状態において存 在する平衡した量のβ相の形成を抑制することができる。変形温度まで加熱する ことにより、この抑制されていたβ相が初めのα結晶粒の間の結晶粒界において 析出し、粒界を結晶粒の成長による動きに対して安定化させて有害な結晶粒の成 長を効果的に防ぎ、一方結晶粒界すべりを促進する。この現象によって、使用さ れていた処理温度における増加した超塑性が達成され、長時間に亘るαβ合金の 形成が可能となり、複雑な形状の製品の製造が可能となり、かつ複数の変形過程 を用いることが可能となっ た。変形過程の最後に、製品が結晶の成長を起こすための十分高い温度に加熱さ れる。結晶粒の成長が約３μｍ以上に達したとき、低温度における超塑性効果は 失われ、チタンは、同様の塑性及び同様の結晶粒の寸法を有する他のチタン合金 と等しい機械的な特性を表す。本発明の方法に用いるのに適した合金の塑性は、 所望の変形温度において少なくとも約１０％の平衡したβ相を含むαβ合金とし て説明される。次の表１は、本発明の方法によって製造されるさまざまな合金を 表している。 本発明の実験では、その公称の組成が、６％のアルミニウム、４％のバナジウ ム、残りのチタンである一般的なチタン合金に基づく合金に対して行われた。実 験による製品の欠陥は、アルミニウムよりもバナジウムを多く含む合金の被着に おいて発生した。それにも関わらず、形成された合金は必要なβ相を含み、かつ 本発明の核心である超塑性を表した。 全てがα相からなる合金と全てがβ相からなる合金 ６％のＡｌ、４％のＶ、及び残りのＴｉのような上述されたαβ合金は、上述 された準安定状態のα相からβ相への変態の間に超塑性を獲得し、かつ保持する 。そのような機構は、チタンが準安定状態でないときには操作できないが、変形 温度において特に１つの相（全てがα相若しくは全てがβ相）の場合、操作でき ない。 そのような準安定状態以外の単一の相からなる材料における有効な超塑性は、 超塑性変形の間に結晶粒の寸法を安定させるべく析出を細かく分布させることに よって達成される。そのようなシステムにおける開始時の結晶粒の寸法は、αβ 合金に関して説明された真空蒸着技術（及び基板温度の制御技術）を用いること によって達成される。 ます初めに、１ホウ化チタンの粒子の分布を形成し有効に用いた。更に安定化 材として酸化希土類を用いた。 ＴｉＢ粒子の分布を生み出すために、ボロンの供給源を用い、かつボロンをチ タンと同時蒸発させることが必要である。米国特許第５，２４２，４７９号明細 書に開示された装置を用い、被着された層のＴｉＢ粒子の体積％が１５．０％ま でに、好ましくは０．５％から５．０％になるように相対的な蒸発速度を調節し た。ＴｉＢはチタンの中において非常に安定であり、かつ不溶性であり、形成さ れた粒子の平均の直径は約２００Å未満（好ましくは１５０Å未満）であり、粒 子間の平均距離は約２０００Å未満（好ましくは１０００Å未満）である。粒子 の寸法及び粒子間の距離は、基板温度及び被着速度の影響を受ける。ボロンの供 給源として、ＺγＢ₂（Ｚγの物質内でのレベルは問題ではない）を用いたが、 ＴｉＢ、ＴｉＢ₂、Ｂ、及びホウ化アルミニウム若しくはホウ化バナジウムなど のその他の化合物を用いることもできる。 周期表の３ｂ族の元素に基づく酸化希土類、及びランタノイドをも用 いることができる。 希土類の分散は、上述されたＴｉＢの分散と並行して行われる。この希土類の 供給源は、酸化希土類若しくは単に純粋な希土類であってよい。純粋な希土類を 用いる場合、希土類を十分に酸化するための不純物として十分な酸素が提供され る。 ＴｉＢと酸化希土類とを単一の材料内で用いることは、三重の同時蒸発方法を 用いることにより可能である。ＴｉＢは、酸化希土類よりも安定なために好まし いものである。 本発明は、好適な実施例及びチタン合金への用途に関して例示されかつ説明さ れたが、本発明の技術的視点を逸脱せずに広範囲に亘るチタン合金及びさまざま な変更が可能なことは当業者には明らかである。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９５年８月１日 【補正内容】 明細書 真空蒸着法による超塑性チタン合金産業上の利用分野 本発明は、超塑性チタン合金及び超塑性チタン合金の真空蒸着法による製造方 法に関する。従来の技術 チタン合金は航空用として広く用いられており、特にガスタービンエンジンの 回転部分に用いられている。チタン合金は、低い密度、及び適切な温度での比較 的良好な耐食性及び耐酸性を有すると共に、広い温度範囲に亘る強度、クリープ 強さ及び疲れ強さなどの機械的性質を含む多くの魅力的な工学的性質を有する。 しかし、チタン合金は、整形が難しく、かつ高速度で機械加工することが難しい 。これらの要因により、多くの複雑な形状のチタン合金製部品の製造コストが経 済的なレベルを超えるものとなる。 超塑性は、便利なそして多くの人々によって研究された複雑な現象である。超 塑性を表す物質は歪み速度４×１０^-5／秒から１×１０^-3／秒において試験され 標準距離２．５４ｃｍの引っ張り試験片として測定されたとき、少なくとも１０ ０％のネックフリーの塑性伸び率を表す。１５０％以上の伸び率が好ましい。超 塑性を表す物質は複雑な形状に形成することができので、更に機械加工する必要 がない。超塑性については、ここで言及されたことによって本出願の一部とされ る以下の技術的文献において説明されている。 １．Ｈａｍｉｌｔｏｎ ＆ Ｇｈｏｓｈ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｕｐｅｒｐｌａｓｔｉｃ Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｐｒｏｐｅｒｔｉ ｅｓ ｏｆ Ｔｉ−６Ａ１−４Ｖ， ＴＩＴＡＮＩＵＭ ８０−ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ， Ｈ． ｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ ｏｎ ｓｕｐｅｒｐｌａｓ ｔｉｃｉｔｙ ｉｎ Ｔｉ−６Ａ１−４Ｖ．，Ｍｅｔａｌｌ．Ｔｒａｎｓ Ａ， ｖｏｌ．１０Ａ，１９７９，ｐｐ．２４１−２４９． チタン合金での超塑性を達成するための方法を開発するために多くの努力がな されてきた。そのような方法はたくさん開発され広く用いられている。例えば、 米国特許第４，８８６，５５９、米国特許第４，２９９，６２６、及び米国特許 第４，９４４，９１４が挙げられる。従来技術におけるチタン合金に超塑性を与 える方法の明らかな普偏的な特徴は、普通は９８０℃以上の、低い場合でも８９ ０℃以上の高い使用温度で実施されることである。従来技術の製造方法は、複雑 な形状のチタン製部品を製造するために有効であり、かつ広く用いられてきた。 しかし、従来技術の方法はコスト高であった。従来技術の方法の共通の欠点は、 これらの方法がかなり高い温度で実施されるということである。高温度において 、即ち約６５０℃から７６０℃において、かつ酸化雰囲気内においてチタンは急 速に酸化され、その結晶格子内に酸素原子を取り込む。酸素はチタンを脆化させ る傾向があり、かつα相における安定化材であることが知られている。その結果 、最も広く用いられているチタン合金であるαβチタン合金は、６５０℃以上の 温度において酸素に曝露されたとき、α合金における有害な表面層を形成する傾 向がある。この有害な表面層は、チタン合金の性質を低下させるので、これらの 部品が使用される前に物理的若しくは化学的に除去されなければならない。 このような理由によって、約９００℃を越える温度において実施される従来技 術のチタン合金に超塑性を与える製造方法は、必ず不活性ガス雰囲気中若しくは 真空中において実施されてきた。このような雰囲気を必要とするために、従来技 術の製造方法においては、そのために必要な機材のコストばかりでなく、長いサ イクルタイム、及び炉内雰囲気のた を有する合金が、平衡条件において観測されるよりも多くのα相を含む非平衡条 件となるように、この合金の組成及び真空蒸着パラメータ（基板温度）が選択さ れている。この多量のα相は準安定状態である。 本発明によって製造される合金は、その初期の細かい結晶粒によって初めから 超塑性を有し、初めの細かいα相の結晶粒間の結晶粒界における多量の準安定状 態のα相からβ相への変態の結果、高温度における変形の間にも超塑性を保持す る。初めの細かいα相の結晶粒間のこのβ析出は、初めのα相の結晶粒の成長を 十分に抑制する。 従って、この特定の微細構造及び処理履歴を有するチタン合金からなる製品は 、上述された本発明の目的を達成するための必須の性質を有する。 初期の細かい結晶粒は、好ましくは電子ビームの加熱源を用いた、真空蒸着法 によって達成される。蒸発したチタン合金は、温度の低い基板に捕集される。こ こで「温度の低い」とは、溶融したチタン蒸気が凝縮を開始する温度よりも、基 板の温度が低いことを表す。基板（被着）温度は重要な値である。基板の温度が 高すぎる場合、結晶粒の寸法が大きくなり、基板の温度が低すぎる場合、多孔質 のデポジットが形成される。凝縮温度は、約５００℃から６８０℃であることが 要求される。 細かい結晶粒からなる部分的に準安定状態にあるチタン合金は、基板から除去 され、かつ約５００℃から５３５℃の間の温度において変形され、少なくとも約 １．７×１０^-3若しくは１．７×１０^-4以上の歪み速度で変形されたとき、各々 ２００％を越える変形を表す。 本発明に基づけば、不溶性の粒子が存在しない場合、初めのチタン合金の組成 は、真空蒸着された後に少なくとも約３％から５％のβ相を含むαβ合金でなけ ればならず、より好ましくは変形温度において少なくとも約１０％から５０％の β相を含むものでなければならない。 ホウ化物及び酸化希土類のような不溶性粒子を加えることもできる。このよう な粒子は、変形の間に結晶粒の寸法を小さく保つための助けとなる。以下に説明 されるように、このような粒子は単一の相の合金（全てがα相若しくは全てがβ 相の合金）において必要であり、かつαβ合金においても所望に応じて必要であ ることが明らかとなる。以下に説明される粒子は、αβ合金に対しても用いるこ とができるが、このような合金に対してはあくまで所望に応じて用いられるもの である。図面の簡単な説明 図は、従来の材料及び本発明に基づく材料の結晶粒の寸法と、超塑性が観測さ れた温度との関係を表す。発明の詳細な説明 α合金は、結晶粒界に約５％までのβ相を含む場合にα合金として振る舞うと 考える。その範囲の他端においては、β合金は、αβ合金として振る舞う前に結 晶粒界に３％までのα相を含むことができる。 αβチタン合金 本発明に基づけば、超塑性形成温度において約１０％から５０％までの体積％ のβ相を含む合金が基板に真空蒸着によって形成される。この真空蒸着法は、被 着された物質を基板と平行な平面に沿って測定したときに、約２μｍ以下の、よ り好ましくは約１μｍ以下の非常に細かい結晶粒の寸法を達成する条件の下で実 施される。 蒸気は、電子ビームなどの熱源を用いて、チタン合金の溶融池から発生される 。米国特許第５，２４２，４７９号明細書は、カーバイドコーティングを形成す るための装置を例示している。発生された蒸気は、比較的温度の低い基板上で凝 縮され、柱状組織を有する均質な濃度のデポ しいものである。 Ｔｉの酸素に対する親和力が高いので、真空蒸着は少なくとも１３．３ｍＰａ の弱真空中で実施されなければならないことは重要である。最近実施された作業 では、チタンの蒸気は、チタンの蒸気の源である溶融池の上方約２０ｃｍに保持 された基板に被着された。基板の温度は、本発明の良好な特性を得るために重要 である。基板の温度が５００℃に満たない場合、形成されたデポジットは多孔質 となり、利用できないものとなる。基板の温度が７００℃を超える場合、被着さ れた物質の結晶粒の寸法は３μｍ以上となり、低温度における所望の超塑性が観 測されない。約５００℃から約６８０℃の狭い範囲の基板温度が、好ましくは約 ５５０℃から６５０℃の基板温度が、開始材料に対する本発明の要件を満足する チタン合金のデポジットを形成する。ここで基板の温度をモニタリングすること が困難であることに注意しなければならない。基板は非常に反応性の高い雰囲気 であるチタンの蒸気雲内に配置されている。このため熱電対などの直接接触型素 子を用いることができない。チタンの条件はまた光学的視野測定を妨げるもので ある。従って、基板の裏側面の温度を測定し、熱力学的計算によってチタンが被 着されている基板の主面の温度を厳密に算出した。厚いチタンの層を形成する間 、コーティングの厚さが増加するために基板とチタンコーティングの結合体の熱 流に対する抵抗が増加し、熱力学的計算ではこの増加分の補償を行う。異なった 器具、異なった基板材料、及び異なった基板形状を用いて、他の当業者が本発明 を実施しようとする場合、基板表面の温度を測定し、かつ算出するための独自の 方法を考案する必要があるであろう。従来の方法によって容易に温度の測定でき る場所に置かれた基板の温度を測定し、被着された材料の特徴的な結晶粒の寸法 と測定された温度とを関連付けることにより本発明を実施することは、明らかに 当業者の技術範囲 いることができる。 希土類の分散は、上述されたＴｉＢの分散と並行して行われる。この希土類の 供給源は、酸化希土類若しくは単に純粋な希土類であってよい。純粋な希土類を 用いる場合、希土類を十分に酸化するための不純物として十分な酸素が提供され る。 ＴｉＢと酸化希土類とを単一の材料内で用いることは、三重の同時蒸発方法を 用いることにより可能である。ＴｉＢは、酸化希土類よりも安定なために好まし いものである。 本発明は、好適な実施例及びチタン合金への用途に関して例示されかつ説明さ れたが、広範囲に亘るチタン合金及びさまざまな変更が可能なことは当業者には 明らかである。請求の範囲 １．約７６０℃以下の温度において超塑性特性を表すチタン材料若しくはチタン 合金材料の製造方法であって、 （ａ）１３．３ｍＰａ未満の弱真空雰囲気内で、チタン合金と、希土類金属、 希土類化合物、及び希土類金属合金と、それらの混合物からなる集合から選択さ れた材料とを、前記チタン合金が蒸発された材料の全体の少なくとも約８５体積 ％を占めるような相対速度で同時蒸発させる過程と、 （ｂ）約５００℃から約６８０℃の間の温度を保ちながら、同時蒸発された前 記材料を基板の上に凝縮する過程とを有し、 ＴｉＢ及び酸化希土類と、これらの混合物とからなる集合から選択された粒子 の分散した粒子を含み、前記粒子が、約２００オングストローム未満の直径を有 し、約１０００オングストローム未満の平均の粒子間距離を有し、かつ前記基板 に平行な平面内において約２μｍ未満の結晶粒の寸法を有することを特徴とする チタン製部品の製造方法。 ２．チタン材料であって、 （ａ）少なくとも１つの平面内において約２μｍ以下の平均の結晶粒の寸法を 有し、かつその一部が準安定状態のα相からなり、 （ｂ）約６５０℃未満の温度で試験され、かつ主な応力軸が、前記測定された 結晶粒の直径が約２μｍ未満である平面内に概ね存在しているときに、約１５０ ％以上の引っ張り延び率を表すことを特徴とするチタン材料。 ３．チタン材料であって、 （ａ）少なくとも１つの平面内で測定された約２μｍ未満の平均の結晶粒の寸 法を有し、かつ２．５体積％までの細かく分散された状態の粒子を含む準安定状 態のα相をその一部に含み、 （ｂ）約６５０℃未満の温度において試験され、かつ主応力軸が、前記測定さ れた結晶粒の直径が約２μｍ未満である平面内に概ね配置されているときに、約 １５０を越える引っ張り延び率を表すことを特徴とするチタン材料。 ４．前記粒子が、約２００オングストローム未満の平均の直径を有し、かつ約１ ０００オングストローム未満の平均の粒子間距離を有することを特徴とする請求 項３に記載のチタン材料。 ５．前記粒子が、ＴｉＢ及び酸化希土類と、これらの混合物とからなる集合から 選択されたものであることを特徴とする請求項３に記載のチタン材料。 ６．前記粒子が概ねＴｉＢからなることを特徴とする請求項３に記載のチタン材 料。 ７．前記粒子が、概ね酸化希土類からなることを特徴とする請求項３に記載のチ タン材料。 ８．チタン材料であって、 （ａ）少なくとも１つの平面内において測定された約２μｍ未満の平均の結晶 粒の寸法を有し、０．５体積％から２．５体積％の細かく分散された安定な粒子 を含む概ねα相の結晶粒からなり、 （ｂ）約６５０℃未満の温度で測定され、かつ主応力軸が、前記測定された結 晶粒の直径が約２μｍ未満である平面内に配置されているとき、約１５０を越え る引っ張り延び率を表すことを特徴とするチタン材料。 ９．前記粒子は、約２００オングストローム未満の平均の直径を有し、かつ約１ ０００オングストローム未満の平均の粒子間距離を有することを特徴とする請求 項８に記載のチタン材料。 １０．前記粒子が、ＴｉＢ及び酸化希土類と、これらの混合物とからなる集合か ら選択されたものからなることを特徴とする請求項８に記載の チタン材料。 １１．前記粒子が概ねＴｉＢからなることを特徴とする請求項８に記載のチタン 材料。 １２．前記粒子が概ね酸化希土類からなることを特徴とする請求項８に記載のチ タン材料。 １３．チタン材料であって、 （ａ）少なくとも１つの平面において測定された約２μｍ未満の平均の結晶粒 の寸法を有し、かつ０．５体積％から２．５体積％の細かく分散された安定状態 の粒子を含む概ねβ相の結晶粒からなり、 （ｂ）約６５０℃未満の温度において測定され、かつ主応力軸が、前記測定さ れた結晶粒の直径が約２μｍ未満である平面内に配置されているとき、約１５０ を越える引っ張り延び率を表すことを特徴とするチタン材料。 １４．前記粒子が、約２００オングストローム未満の平均の直径を有し、約１０ ００オグストローム未満の平均の粒子間距離を有することを特徴とする請求項１ ３に記載のチタン材料。 １５．前記粒子が、ＴｉＢ及び酸化希土類と、これらの混合物とからなるグルー プから選択されたものからなることを特徴とする請求項１３に記載のチタン材料 。 １６．前記粒子が概ねＴｉＢからなることを特徴とする請求項１３に記載のチタ ン材料。 １７．前記粒子が概ね酸化希土類からなることを特徴とする請求項１３に記載の チタン材料。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 レムケイ、フランクリン・ディー アメリカ合衆国コネチカット州06095・ウ ィンザー・イーストビュードライブ 122 (72)発明者 スノウ、デイビッド・ビー アメリカ合衆国コネチカット州06033・グ ラストンベリー・フォレストレイン 367

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．約７６０℃以下の温度において超塑性特性を表すチタン材料の製造方法であ って、 （ａ）弱真空雰囲気内で、チタン合金と、希土類金属、希土類化合物、及び希 土類金属合金と、それらの混合物からなる集合から選択された材料とを、前記チ タン合金が蒸発された材料の全体の少なくとも約８５体積％を占めるような相対 速度で同時蒸発させる過程と、 （ｂ）約５００℃から約６８０℃の間の温度を保ちながら、同時蒸発された前 記材料を基板の上に凝縮する過程とを有し、 ＴｉＢ及び酸化希土類と、これらの混合物とからなる集合から選択された粒子 の分散した粒子を含み、前記粒子が、約２００°未満の直径を有し、約１０００ °未満の平均の粒子間距離を有し、かつ前記基板に平行な平面内において約２μ ｍ未満の結晶粒の寸法を有することを特徴とするチタン製部品の製造方法。 ２．ＴｉＢ粒子の細かい分布を含むチタン合金材料の製造方法であって、 前記チタン合金材料とボロンとを真空雰囲気内において同時蒸発させ、前記蒸 発した材料を、温度５００℃から６８０℃に保たれた冷却された基板の上に凝縮 する過程を有することを特徴とするチタン合金材料の製造方法。 ３．約７６０℃未満の温度において超塑性を有するチタン合金の製造方法であっ て、 （ａ）少なくとも１つの平面において測定したときに約２μｍ未満の平均の粒 子寸法を有し、かつ準安定状態のα相を豊富に含む微細構造を有する開始チタン 合金材料を提供する過程と、 （ｂ）前記準安定状態の材料を歪み速度１０^-5／秒から１０^-3／秒で変形する 過程とを有し、 前記準安定状態のα相を部分的にβ相に遷移させ、かつ前記初めの細かいα相 の結晶粒の間の結晶粒界において前記β相を形成し、これによって、結晶粒の成 長に対して前記初めのα相の粒子の寸法を安定化させ、広い範囲でのα−β結晶 粒界を形成することによって、変態中の結晶粒界すべりを起こすことを特徴とす るチタン合金の製造方法。 ４．前記開始材料が、安定化粒子の細かい分布を含むことを特徴とする請求項３ に記載の方法。 ５．前記安定化粒子がＴｉＢからなることを特徴とする請求項４に記載の方法。 ６．チタン材料であって、 （ａ）少なくとも１つの平面内において約２μｍ以下の平均の結晶粒の寸法を 有し、かつその一部が準安定状態のα相からなり、 （ｂ）約６５０℃未満の温度で試験され、かつ主な応力軸が、前記測定された 結晶粒の直径が約２μｍ未満である平面内に概ね存在しているときに、約１５０ ％以上の引っ張り延び率を表すことを特徴とするチタン材料。 ７．チタン材料であって、 （ａ）少なくとも１つの平面内で測定された約２μｍ未満の平均の結晶粒の寸 法を有し、かつ２．５体積％までの細かく分散された状態の粒子を含む準安定状 態のα相をその一部に含み、 （ｂ）約６５０℃未満の温度において試験され、かつ主応力軸が、前記測定さ れた結晶粒の直径が約２μｍ未満である平面内に概ね配置されているときに、約 １５０を越える引っ張り延び率を表すことを特徴とするチタン材料。 ８．前記粒子が、約２００°未満の平均の直径を有し、かつ約１０００°未満の 平均の粒子間距離を有することを特徴とする請求項７に記載の チタン材料。 ９．前記粒子が、ＴｉＢ及び酸化希土類と、これらの混合物とからなる集合から 選択されたものであることを特徴とする請求項７に記載のチタン材料。 １０．前記粒子が概ねＴｉＢからなることを特徴とする請求項７に記載のチタン 材料。 １１．前記粒子が、概ね酸化希土類からなることを特徴とする請求項７に記載の チタン材料。 １２．チタン材料であって、 （ａ）少なくとも１つの平面内において測定された約２μｍ未満の平均の結晶 粒の寸法を有し、０．５体積％から２．５体積％の細かく分散された安定な粒子 を含む概ねα相の結晶粒からなり、 （ｂ）約６５０℃未満の温度で測定され、かつ主応力軸が、前記測定された結 晶粒の直径が約２μｍ未満である平面内に配置されているとき、約１５０を越え る引っ張り延び率を表すことを特徴とするチタン材料。 １３．前記粒子は、約２００°未満の平均の直径を有し、かつ約１０００°未満 の平均の粒子間距離を有することを特徴とする請求項１２に記載のチタン材料。 １４．前記粒子が、ＴｉＢ及び酸化希土類と、これらの混合物とからなる集合か ら選択されたものからなることを特徴とする請求項１２に記載のチタン材料。 １５．前記粒子が概ねＴｉＢからなることを特徴とする請求項１２に記載のチタ ン材料。 １６．前記粒子が概ね酸化希土類からなることを特徴とする請求項１２に記載の チタン材料。 １７．チタン材料であって、 （ａ）少なくとも１つの平面において測定された約２μｍ未満の平均の結晶粒 の寸法を有し、かつ０．５体積％から２．５体積％の細かく分散された安定状態 の粒子を含む概ねβ相の結晶粒からなり、 （ｂ）約６５０℃未満の温度において測定され、かつ主応力軸が、前記測定さ れた結晶粒の直径が約２μｍ未満である平面内に配置されているとき、約１５０ を越える引っ張り延び率を表すことを特徴とするチタン材料。 １８．前記粒子が、約２００°未満の平均の直径を有し、約１０００°未満の平 均の粒子間距離を有することを特徴とする請求項１７に記載のチタン材料。 １９．前記粒子が、ＴｉＢ及び酸化希土類と、これらの混合物とからなるグルー プから選択されたものからなることを特徴とする請求項１７に記載のチタン材料 。 ２０．前記粒子が概ねＴｉＢからなることを特徴とする請求項１７に記載のチタ ン材料。 ２１．前記粒子が概ね酸化希土類からなることを特徴とする請求項１７に記載の チタン材料。