JPS5839902B2 - 内部摩擦の大きいチタン合金 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は例えば蒸気タービン翼の回転翼などで、特に大
型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ち・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く・。

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（Ａｅｒｏｄｙｎａｍ ｉｃ ｄａｍｐｉ
ｎｇｌルート・ダンピング（Ｒｏｏｔ ｄａｍｐｉｎｇ
） 、メカニカル・ダンピング（Ｍｅｃｈａｎｉｃａ
ｌ ｄａｍｐｉｎｇ ）、マチ−リアル・ダンピング（
Ｍａｔｅｒｉａｌ ｄａｍｐｉｎｇ ）が考えられる。

これら要因のトータル・ダンピング（Ｔｏｔａｌ ｄａ
ｍｐｉｎｇ） に対する寄与率につＬ−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Ｌ・る場合も少なくな（・と℃・われてＬ・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１３Ｃｒ−Ｍｏ鋼などが使用されて〜・る
。

一般にチタン合金は比強度が大きく、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Ｌ・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、
特にＴｉ６Ａｔ−４Ｖ合金はチタン合金中量も使用実績
が高（（約７０％以上）、すでに一部実用化されて〜・
る例もある。

しかしながら従来の実用Ｔｌ ６Ａ７−４ｖ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１３Ｃｒ−Ｍｏ鋼など実際に蒸気タービン翼材と
して使用されてＬ・るものと比較してその内部摩擦は大
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℃゛。

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
し、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、例えばＴｉ６Ａ７−４
Ｖ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。

また疲労破壊妨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Ｌ・た。

本発明はこのような事情に鑑み、内部摩擦が従来の合金
よりもさらに大きく、かつその熱的安定性が優れたチタ
ン合金を提供する目的で提案されたもので、Ａ７５．５
〜６．７５重量％（以下俤で示す）、■１〜５％２Ｍ０
１〜５％、ただしＶ ＋ Ｍ。

〉６φならびに残部がＴｉおよび通常の不純物からなる
ことを特徴とする内部摩擦の大きいチタン合金を提供す
る。

以下本発明につ（・て実施例を参照して詳細に説明する
。

第１表に示す組成のチタン合金をボタン溶解法で１５０
ｇｒ溶解し、その後鍛造で２０ｒｒｖｎ角、さらに（
α＋β）鍛造で１ ｏＭｘ １５咽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）し、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（・、振
動減衰能Ｑ−１で測定した。

試験片の形状は２−さｘｌＯ調幅×９０胴長さとした。

第２表には各村の内部摩擦の測定結果も示してＬ・る。

この結果によれば、ＭＯを０．６４％含有するＨ材と従
来の標準合金であるＴｉ−６Ａｌ−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（・ては人材と比較して内部摩擦が大幅に改善さ
れて（・ることがわかる。

このことは次のように解釈される。本発明者等はさきに
チタン合金におち・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Ｌ・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（ｉｓｏｍｏｒｐｈ
ｏｕｓβ−５ｔａｂｉｌｉｚｅｒ）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■を含有する
Ｔｉ−６Ａｔ−４Ｖ合金につ（・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−６Ａ４−４Ｖ合金を基準としてさら
に他の同素変態型β安定化元素であるＭ。

を添加した場合について検討した結果、本発明が完成し
たのである。

即ち第２表のＨ材とＧ材とを比較すると両者ともＶｆＭ
ｏ 中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（・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■当量（１ｘＶ（％）
＋１．３ＸＭｏ＠）なる概念が提案されて℃・るが、こ
れらのことは■＋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Ｌ・。

そして具体的には■とＭｏＯ組戒組成としてＶ＋Ｍ ｏ
） ６．００ ％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Ｈ材における試験結果からみてＭｏ４１％である必
要があり、ＶとＭｏとは定量的にも定量的にも互Ｌ・に
等価と考えられ、かつＶ とＭｏとの相乗効果が期待さ
れるためには■基１悌である必要がある。

次に第１表に示された各村の熱的安定性につ（・て述べ
る。

第１図は第１表のうちＡ、Ｄ、Ｈ材を１００℃、１５０
℃、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。図から本発明の合
金り、Ｈ材は従来の標準合金であるＴｉ６Ａ４−４Ｖ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（・る。

以上の説明かられかるように■とＭｏとを複合添加した
場合には従来の■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、それのみならずヤング率を低下さ
せ、かつ延性、靭性を減少させると言われており、従っ
てこれらの元素量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％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あるが各村とも大差ない。

しかしＭｏを５．４１％含んだＦ材は引張り試験におけ
る伸び、２ｒＩｙｌ■ノツチシヤ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・靭性な損わないで内部摩擦
を大きくするにはＭｏは５係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悌以下とする。

なおＡｔ量はよく知られてＬ・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５．５〜６．７５俤
とした。

次に第１表に示すＡ、Ｃ，Ｄ、Ｈ材につＬ・て（α＋β
）およびβ相領域の任意の温度より急冷処理（水焼入れ
）を実施し、内部摩擦を測定した。

使用したｌ１ｊｉｆｆ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−６ＡＡ−４Ｖ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Ｌ・る。

これに対して本発明の合金であるＣ、Ｄ、Ｈ材は焼入温
度がその合金のβ変態点よりも１００℃低Ｌ・温度以上
、では非常に太き（・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℃・て「Ｄ材：（β変態点−５０℃）熱処
理」とは「Ｄ材をその合金の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−６Ａ７−４Ｖ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
熱した後には内部摩擦に０．００１以下に低下するのに
対し、本発明合金のＤ材ではその合金のβ変態点よりも
１００℃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０．００１以上である。

さらにβ変態点よりも５０℃低Ｌ・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、熱的安定性に非常に優れている
。

以上の結果より本発明合金をその合金の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、
非常に大きな内部摩擦が得られ、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はうが内
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Ｌ
・ような箇所に用いて好適である。

【図面の簡単な説明】

第１，３図は本発明および従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。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 重量パーセントでＡ ｔ ５．５〜６．７５俤、Ｖ
   ｌ〜５％ 、Ｍｏ １〜５％、ただしＶ＋ Ｍ ｏ ＞
   ６． ＯＯ係ならびに残部がＴｉおよび通常の不純物
   からなることを特徴とする内部摩擦の大きいチタン合金
   。