JPS58161754A - 内部摩擦の大きいチタン合金の熱処理法 - Google Patents

内部摩擦の大きいチタン合金の熱処理法

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JPS58161754A
JPS58161754A JP23214982A JP23214982A JPS58161754A JP S58161754 A JPS58161754 A JP S58161754A JP 23214982 A JP23214982 A JP 23214982A JP 23214982 A JP23214982 A JP 23214982A JP S58161754 A JPS58161754 A JP S58161754A
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Shoji Ueda
植田 昭二
Yorimasa Takeda
竹田 頼正
Akira Komoto
弘本 晃
Nobuyuki Nagai
信行 永井
Yasuo Moriguchi
森口 康夫
Yoshimasa Ito
伊藤 喜昌
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 で,特に大型化又は高速化した場合に適用して非常に有
利な内部摩擦が大きいチタン合金の振動減衰能および熱
的安定性をさらに改善する熱処理法に関する。
蒸気タービン翼などの回転翼は振動による疲労破壊が大
きな問題となる。疲労破壊防止には共振防止′処理,振
動の減衰処理が有効な役割を果している。ただし蒸気タ
ービン翼などにおいては振動は複雑であり,設計的に完
全に共振を防止することは難しい。従って振動の減衰が
重要になってくる。
回転翼の振動減衰の要因としては,エーロダイナミック
・ダンピング( Aerodyna+nic damp
ing ) 、ルート・ダンピング( Root da
mping ) r メカニカル・ダンピング( Ma
chanieal damping ) 、  ?チー
リアル・ダンピング( Material dampi
ng )が考えられる。これら−要因のトータル・ダン
ピング( Total damping )に対する寄
与率については各種の見解があるが。
マチ−リアル・ダンピングが大きな役割を果している場
合も少なくないといわれている。事実。
現在では多くの場合,蒸気タービン翼材には内部摩擦の
大きい1 3 Cr−Mo鋼などが使用されてい様 る。一般にチタン合金は比紋度が大きく,翼が高速化又
は大型化した場合,ロータへの負荷の低減という理由か
らも,蒸気タービン翼などの回転翼への利用が考えられ
,%にTi−6 1’−1 − 4V合金はチタン合金
中量も使用実績が高く(約70チ以上)、蒸気タービン
翼などの回転翼への利用が考えられ、すでに一部実用化
されている例もある。
しかしながら従来の実用Ti−6At−4V合金の熱処
理である焼鈍処理又は焼入時効処理を実施したものは、
上記13 Cr −Mo鋼など実際に蒸気タービン翼材
として使用されているものと比較しfその内部摩擦は大
幅に低くなっており、マチ−リアル・ダンピングに°よ
る減衰効果は期待できない。
そこで本発明の発明者等は種々研究の結果。
さきに(α+β)チタン合金を(α+β)相領域の適当
な温度から急冷処理すると大幅に内部摩擦が改善される
ことを見出゛シ、特願昭49−3072号として特許出
願した。
しかしくα+β)チタン合金は9例えばTi −6At
−4V合金を例にとると、100℃以上に加熱保持する
と、その内部摩擦も低下し熱的に不安定であった。また
疲労破壊防止には内部摩擦の絶対値が高くなるほど有利
であるので、この点からも内部摩擦の絶対値をさらに高
くすることが要望されていた。
本発明はこのような事情に鑑み、チタン合金の内部摩擦
および熱的安定性を改善する熱処理法を提供する目的で
提案されたもので、At5.5〜6.75重量係(以下
チで示す)、Vl〜5%。
Mo1〜5%、ただしV + Mo25%ならびに残部
がTiおよび通常の不純物からなるチタン合金をβ変態
点よりも12.6℃低い温度以上で加熱保持した後急冷
することを特徴とする熱処理法を提供する。
以下本発明について実施例を参照して詳細に鮮明する。
まず2本発明法に供せられる対象合金について説明する
第、1表に水子組成のチタン合金をボタン溶解法で15
0 fr溶解し、その後β鍛造で20朋角、さらに(α
+β)鍛造で101+lIllX15ml++角に成形
して以下の試験に供した。即ちこれらの各村を第2表に
示す各焼入温度より急冷処理(水焼入れ)シ゛、内部摩
擦および機械的性質を調べた。なお内部摩擦は横振動型
内部摩擦測定装置を用い、振動減衰能Q+で測定した。
試験片の形状は2閣厚さXIO■幅X90m長さとした
第2表には各村の内部摩、擦の測定結果も示している。
第   2   表 この結果によれば、 Moを064%含有するB材と従
来の標準合金であるTi−6A/、−4V合金(人材と
を比較してMo添加の効果がほとんどないことがわかる
。しかしMoがさらに添加されたC、 D、 E、 F
、 G、 H材については人材と比較して内部摩擦が大
幅に改善されていることかわる。このことは次のように
解釈される。本発明者等はさきにチタン合金においであ
る温度範囲から急冷することによって準安定β相を室温
までもちきたせば内部摩擦を高め得ることを見い出した
のであるが、この効果はチタン合金中の同素変態型β安
定化元素(iaomorphouaβ−5tabili
zer )が主要な役割を果していると思われる。そし
て上記のβ安定化元素のひとつであるVを含有するTi
−6A/1.−4V合金については(α+β)相領域の
温度から急冷することによって内部摩擦が大きくなるこ
とも確認した。
そこで従来のTi−6At−4V合金を基準としてさら
に他の同素変態型β安定化テ、素であるM。
を添加した場合について検討した結果1本発明が完成し
たのである。即ち第2表のD材とG材とを比較すると両
者ともV + Mo ’−= 6.9で、内部摩擦もほ
ぼ等しい。前記のようにV、Moは作用が同じというこ
とで、従来からチタン合金でよく用いられ、また複合添
加の場合の効果を定量的にみる方法としてV当量(IX
V@+1.3XMoell))なる概念が提案されてい
るが、これらのことはV + Mo =一定で内部摩擦
が等しいという上記試験結果とほぼ一致する。従ってV
 +Mo =一定ならば、チタン合金の内部摩擦を改善
する効果が同じと考えてよい。そして具体的にはVとM
の組成範囲としてV 十Mo =≧5チ、望しくはV+
 Mo上6%にすれば、内部摩擦が格段に改善されるこ
とが第2表に示す試験結果から明らかである。またB材
における試験結果からみてMo上1%である必要があり
、VとMoとは定性的にも定量的にも互いに等価と考え
られ、かつVとMOの相乗効果が期待されるだめにはV
≧1tsである必要がある。
次に第1表に示された各村の熱的安定性について述べる
。第1図は第1表のうちA、D、H材をioooc、i
so℃、200℃に1時間加熱保持空冷後、各々室温で
内部摩擦を測定した結果を示す。図中横軸は加熱保持し
た温度を示す。
図から本発明法の対象合金り、H材は従来の標準合金で
ある7i −6At−4V合金(人材)と比較して高温
まで内部摩擦は高い値を保持し、熱的安定性が優れてい
ることがわかる。特にH材は内部摩擦の絶対値も高く、
高温での低下率も少なくなっており非常に優れている。
以上の説明かられかるようにVとMoとを複合添加した
場合には従来のV当量などの考えから予想される以上に
内部摩擦は改善され、またその熱的安定性の優れたチタ
ン合金が得られることがわかる。
ただし一般的にβ安定化元素の過剰は密度を増加させ比
強度を低下させるが、それのみならすヤング率を低下さ
せ、かつ延性・靭性を減少させると言われており、従っ
てこれらの元素社はヤング率および延性・靭性をひどく
損うことなく内部摩擦を大きくする組成範囲に保たれる
必要がある。そこで第1表の各村の機械的性質を調べた
結果が第3表に示されている。
第3表より0.2係耐力、引張強度はMO量が多くなる
につれてやや低下する傾向がおるが各相とも大差ない。
しかしMOを5.41%含んだF材は引張り試験におけ
る伸び、2mVノツチシャルピー衝撃値が他の試験材よ
り大幅に低下し。
延性・靭性およびヤング率が低下していることがわかる
。従ってヤング率および延性・靭性を損わないで内部摩
擦を大きくするにはMOは5%以下である必要がある。
またVも作用としてはMOと同じであるから、その組成
範囲は5%以下とする。
なおU量はよく知られているように脆化せず。
しかも強度を増すために必要な量として55〜6、7 
s %とした。
次に本発明の熱処理条件について説明する。
第1表に示すA、’C,D、H材について(α+β)お
よびβ相領域の任意の温度よね急冷処理(水焼入れ)を
実施し、内部摩擦を測定した。
使用した測定装置および試験片の形状は前記と同様であ
る。
第2図は上記のA、C,D、H材の焼入温度と内部摩擦
との関係を示す測定結果である。従来のTi −6A1
.4 V合金(人材)の内部摩擦は焼入温度がその合金
のβ変態点よりも180℃低い温度付近で最大となる。
また焼入温度がβ変態点を越すと内部摩擦が非常に小さ
くなることが確認され、このことは特願昭49−307
2号の明細書、でも記載している。
これに対して本発明法を施した合金であるC1D、H材
は焼入温度がその合金のβ変態点よりも100℃低い温
度では非常に大きいが、β変態点より150℃低い温度
になると内部摩擦が低下することが第2図かられかる。
次に第3図は人材およびD材について急冷処理後の加熱
時効による内部摩擦の変化の測定結果、即ち熱的安定性
の試験結果を示す。横軸は加熱処理材の加熱保持温度を
示す。測定は加熱処理材を同一温度で1時間保持後空冷
した後行った。なお図中において「D材:(β変態点−
50℃)熱処理」とは「D材をその合金β変態点よりも
50℃低い温度から急冷処理した」ことを示す。
第3図より次のことがわかる。従来合金であるTi−6
kt−4V合金(人材)では内部摩擦が最も向上する温
度、即ち人材のβ変態点よりも180℃低い温度で熱処
理しても、その後200℃で加熱保持した後には内部摩
擦は0001以下に低下するのに対し1本発明法を施し
た合金のD材ではその合金のβ変態点よりも100”C
低い温度から焼入れしたもの、即ち焼入温度が低いほう
でも内部摩擦は0001以上である。さらにβ変態点よ
りも50℃低い温度から焼入れしたもの、即ち焼入温度
が高いものでは200℃まで内部摩擦はほとんど低下せ
ず、熱的安定性は非常に優れている。
以上の結果より本発明法を施した合金をtの合金のβ変
態点よりも125℃低い温度以上の焼入温度より急冷処
理すれば、非常に大き表内部摩擦が得られ、しかも熱的
安定性もすぐれていることがわかる。なおこの焼入温度
範囲では焼入温度を高くしたほうが内部摩擦の熱的安定
性は優れている。
以上詳述したように本発明は内部摩擦が大きく熱的安定
性が優れ、内部摩擦の大きいチタン合金の内部摩擦およ
びその熱的安定性をさらに高める熱処理法を提供するも
ので、タービン翼の回転翼など振動の励起が避けられな
いような箇所に用いて好適である。
来合金のもつ振動減衰能の熱的安定性を示す線図、第2
図は本発明を施した合金および従来合金の振動減衰能と
焼入温度との関係を示す線図である。
第10 カロ受ζ2保卆@’fjzN(’C)

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. (1) 重量パーセントでAt5.5〜6.75%、v
    1〜5%。 Mo1〜5%、ただしV +Mo≧5%ならびに残部が
    TIおよび通常の不純物からなるチタン合金をβ変態゛
    点よりも125℃低い温度以上で加熱保持した後急冷す
    ることを特徴とする内部摩擦の大きいチタン合金の熱処
    理法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61106739A (ja) * 1984-10-18 1986-05-24 ザ ギヤレツト コーポレーシヨン チタン合金鋳造品の熱処理法
JP2006070363A (ja) * 2004-08-17 2006-03-16 General Electric Co <Ge> 長尺ベーン長さを有する最終段タービンバケットにおける高強度チタン合金の使用法
JP2012184464A (ja) * 2011-03-04 2012-09-27 Nippon Steel Corp 熱間および冷間での加工性に優れた高強度α+β型チタン合金及びその製造方法並びにチタン合金製品

Cited By (4)

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