WO2006087778A1 - 航空宇宙機器用チタン合金部材の表面処理方法 - Google Patents

航空宇宙機器用チタン合金部材の表面処理方法 Download PDF

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Kazuyuki Oguri
Takashi Kimura
Takahiro Sekigawa
Takayuki Takahashi
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Mitsubishi Heavy Industries, Ltd.
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Definitions

  • the present invention relates to a titanium alloy member for aerospace equipment having high wear resistance, lubricity and high fatigue strength. More specifically, the present invention has better wear resistance than conventional materials. In addition, the present invention relates to a titanium material member for aerospace equipment having high tensile fatigue strength. Background art
  • Patent Document 1 JP 2002-371348 A
  • the present invention relates to a surface treatment method for a titanium alloy member for aerospace equipment having high wear resistance, lubricity and high fatigue strength, and the surface of the titanium alloy member in a gas atmosphere containing oxygen.
  • An aerospace equipment titanium comprising: an oxygen diffusion treatment step in which oxygen is diffused and permeated in a solid solution state; and a particle projection treatment step in which an air stream containing particles is projected onto the surface of the titanium alloy member.
  • Provided is a method for surface treatment of an alloy member.
  • the oxygen diffusion treatment step may be a step using reduced pressure plasma.
  • the particle projection processing step may be at least two or more processing steps. Specifically, for example, a first particle projection processing step using hard particles and a second particle using lubricating particles are used.
  • the particle projection treatment process and the process can be the same.
  • the hard particles are ceramics
  • the particles having lubricity are metal sulfides or soft metals or mixed particles having both forces.
  • the particle projecting step is usually a step of projecting fine particles of 3 to 500 m at a high pressure (high speed) of an injection pressure of 0.2 to IMPa.
  • the titanium alloy treated by the surface treatment method is used as a sliding member for various aerospace equipment, and is most suitable as an aircraft rail member, for example, an aircraft flap rail member or a slat rail member. In addition, it is suitable for application to parts around doors with many sliding parts.
  • a surface layer exhibiting high hardness and high compressive residual stress can be obtained by combining oxygen diffusion treatment and particle projection treatment.
  • a titanium alloy member having both wear resistance and fatigue strength can be obtained.
  • the wear resistance is equal to or better than that of the untreated material (1/200 of the untreated material), and moreover the fatigue strength than the untreated material (untreated material). Titanium materials for aerospace equipment can be provided. Brief Description of Drawings
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an apparatus used for reduced-pressure plasma processing as an example in the oxygen diffusion processing step of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of an apparatus for performing fine particle shot peening in the particle projection processing step of the present invention.
  • FIG. 3 is a chart when the composition in the vicinity of the surface of the titanium alloy subjected to the treatment of the present invention is measured in Example 1.
  • FIG. 4 (a) is a state diagram of oxygen and titanium (0- ⁇ ), and FIG. 4 (b) is a phase diagram of carbon and titanium (C-Ti).
  • FIG. 5 is a structural diagram showing the wing structure of an aircraft.
  • Fig. 5 (a) is an overall view
  • Fig. 5 (b) is a front view of the wing shown in Fig. 5 (a).
  • Sectional view is a sectional view of the trailing edge flap mechanism.
  • FIG. 6 is a graph showing the results of measurement of fatigue strength in Example 1.
  • 1 is a vacuum furnace
  • 2 is a heat insulating material
  • 3 is a plasma
  • 4 is a heating power source
  • 5 is a heater
  • 6 is a hearth
  • 7 is a gas hold
  • 8 is a cathode
  • 9 is a vacuum.
  • a pump 11 is a chamber
  • 12 is a workpiece
  • 13 is a table
  • 14 is a circulation line
  • 15 is a nozzle
  • 16 is a hopper
  • 17 and 19 are switching valves
  • 18 is an air line.
  • the surface treatment method for an aerospace titanium alloy member of the present invention includes an oxygen diffusion treatment step and a particle projection treatment step.
  • the oxygen diffusion treatment step is performed on the surface of the titanium alloy member in a gas atmosphere containing oxygen. This is a step of diffusing and penetrating oxygen in a solid solution state. Specific examples of the oxygen diffusion treatment step include a step using reduced-pressure plasma and an oxygen diffusion step by heating.
  • FIG. 4 (a) shows a state diagram (0-Ti) of oxygen and titanium.
  • oxygen easily dissolves in, and most of it forms a solid solution at a ratio of 34% or less with respect to Ti.
  • oxygen diffusion step of the present invention oxygen is dissolved in Ti, and mainly forms a solid solution state of ⁇ .
  • the oxygen content is not limited, but it is usually 25% or less, preferably 15% or less in the amount ratio with Ti.
  • Fig. 4 (b) shows the carbon and titanium phase diagram (C-Ti).
  • C-Ti carbon and titanium phase diagram
  • Diffusion and penetration into the surface of the titanium alloy member by the oxygen diffusion treatment step is performed to a depth of about 100 m from the surface, preferably about 50 ⁇ m, but for example, a depth of about 10 ⁇ m. But it is effective.
  • the titanium alloy forms a surface excellent in wear resistance and slidability.
  • the particle projection treatment step an air flow including particles is projected onto the surface of the titanium alloy member that has undergone the oxygen diffusion treatment step.
  • the fatigue strength of the titanium alloy which has been lowered by the oxygen diffusion treatment, is greatly improved, and an oxygen diffusion treatment is not performed! / A titanium alloy that is superior to the fatigue strength of an untreated alloy is obtained.
  • surface characteristics such as surface roughness are obtained by shooting fine particles of usually about 3 to 500 ⁇ m, preferably about 10 to 100 ⁇ m, onto the surface of the workpiece at high speed. Fatigue strength, corrosion resistance, etc. with less adverse effects are improved. Note that it is not preferable to subject the surface of the titanium alloy member that has undergone the oxygen diffusion treatment step to shot peening with normal particles of about 1 mm because the surface layer is easily broken.
  • the member obtained by the surface treatment method of the present invention can be suitably used as a structural titanium material for aerospace equipment. Specifically, for example, an important frame in the structure of an airplane. It can be used as a member constituting a pp rail and a slat rail.
  • a slat front edge gap wing
  • a flap rear edge lowering wing
  • a flap is a mechanism that moves the trailing edge to increase the lift by increasing the blade area in order to increase the lift of the main wing.
  • the slat rail and flap rail are one of the main mechanisms for moving the slat flap, and the slat flap is moved back and forth or up and down as the roller rotates on the rail (track). It has a mechanism.
  • FIG. 5 (b) is a cross-sectional view showing the mechanism of the leading edge slat.
  • FIG. 5 (c) is a cross-sectional view showing the trailing edge flap mechanism.
  • B) 24 is a delivery track (rail), and (c) 28 is a main flap track (rail).
  • 22 is an engine
  • 23 is an angle regulation track
  • 25 is a sector gear
  • 26 is a feeding pion
  • 27 is a support member
  • 29 is a main flap
  • 30 is a sub flap
  • 31 is a track rail cover operating link
  • 32 is a main flap carriage
  • 33 is an operating screw jack
  • 34 is a track (rail) mounting bracket.
  • an oxygen diffusion treatment step treatment using a reduced-pressure plasma is performed in a gas atmosphere containing oxygen.
  • a material such as a titanium alloy as a treatment object is usually subjected to pretreatment.
  • titanium alloys for aerospace equipment to be processed include pure titanium, at + j8 type titanium alloys: Ti-6 ⁇ ⁇ 4V, Ti-8Mn, Ti-6A ⁇ 6V-2Sn ,
  • the heat treatment of the titanium material as the pretreatment is not particularly limited, and an annealing treatment or solution aging can be used.
  • the cleaning treatment generally, the cleaning performed before the processing using vacuum is sufficient, and for example, ultrasonic cleaning using an organic solvent can be performed.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of a processing apparatus using reduced-pressure plasma.
  • a hearth 6 leading to the cathode is further provided inside the space covered with the heat insulating material 2, and a workpiece is placed thereon.
  • a heater 5 and a gas marker 7 for flowing process gas and the like are provided in the upper part.
  • the vacuum furnace 1 is connected to an external vacuum pump 9.
  • the heater 5 is connected to the heating power source 4, and the heat insulating material 2 and the vacuum furnace body 1 are connected to the cathode 8 via the plasma power source 3 as an anode at the ground electrode.
  • the member to be treated is placed on the hearth 6 in the vacuum furnace 1, and heating by the heater 5 is started after evacuation. Moisture, oxygen, nitrogen and other gases adsorbed in the furnace 1 (furnace walls, members, etc.) are released.
  • the gas containing oxygen lowers the degree of vacuum and slightly increases the pressure. As a result, it is possible to make an appropriate amount of oxygen exist in the furnace 1, and an appropriate amount of oxygen can be diffused and penetrated into the titanium member by the reduced pressure plasma treatment. In this case, the oxygen partial pressure in the vacuum furnace 1 can be measured using a mass spectrometer or the like.
  • the apparatus is a vacuum furnace in which the degree of vacuum is extremely high, or if the amount of titanium member inserted into the apparatus is large, diffusion may occur per unit surface area of the titanium member that requires surface treatment.
  • the amount of oxygen that permeates decreases, and the diffusion and penetration of oxygen does not occur sufficiently.
  • air is actively introduced during heating to compensate for an appropriate amount of oxygen and cause oxygen diffusion and penetration.
  • it can be implemented by introducing air as an easy and inexpensive means, for example, by maintaining the pressure at 0.1 torr and the time for 5 to 60 minutes.
  • the process gas for example, a gas containing carbon is used, and plasma is generated in an atmosphere containing C (carbon), and the reduced pressure plasma treatment is normally performed for 0.5 to 10 hours, preferably about 1 to 5 hours. I do.
  • gas for diffusion treatment include CO, CO, and propane gas.
  • the pressure is usually in the range of 10-lOOOPa, and the temperature is usually in the range of 300-1000 ° C.
  • This reduced-pressure plasma treatment promotes diffusion and permeation of oxygen concentrated on the outermost surface to a deeper portion, and can achieve a composition having a continuous oxygen concentration distribution.
  • oxygen diffusion treatment oxygen diffuses and penetrates into the titanium alloy to form a solid solution state.
  • a slight TiC layer formation and a carbon film formation by free carbon occur. There may be a case.
  • an air flow containing particles is projected onto the surface of the titanium alloy member.
  • FIG. 2 shows a schematic diagram of an apparatus for performing fine particle shot peening.
  • the chamber 11 is provided with a rotary table 13 on which a caloe 12 is placed, and an air nozzle 15 for projecting fine particles toward the workpiece 12 is provided on the side surface thereof.
  • the fine particles are filled in the hopper 16 and connected to the air line 18 through the lower switching valve 17. High pressure air is guided to the air line 18 via the air switching valve 19, and the fine particles are pumped together with the air to the air nozzle 15.
  • a circulation line 14 that opens to the bottom of the chamber 11 is connected to the upper part of the hopper 16 so that fine particles can be collected and recycled.
  • the particle projection processing step includes a first particle projection processing step using hard particles and a second particle projection processing step using particles having lubricity.
  • the first particle projection process using hard particles is an essential process, but the second particle projection process is an optional process to reduce the coefficient of friction of the workpiece surface.
  • the first particle projection treatment it is desirable to use ceramic particles or glass particles, for example, without using iron-based particles or the like in order to maintain the good corrosion resistance of titanium. More specifically, A1 0 -SiO and the like are preferable. Particle size is usually 3-50
  • the projection speed at the time of particle projection is expressed by pressure, and is usually about 0.2—IMPa (in the case of particles with a diameter of about 50 m, the injection speed is about 150—400 m / s high-speed projection).
  • the time varies depending on the area to be processed. Coverage is based on full coverage.
  • the corrosion resistance of titanium is maintained by removing the iron remaining chemically attached to the surface using an appropriate solution after the particle projection treatment. This technology can be applied.
  • the particle material has a viewpoint power to reduce the friction coefficient of the surface.
  • a particle having lubricity a mixed particle having a metal sulfide or a soft metal or both forces, such as Sn particles and MoS, is used. Fine particles mixed with particles can be used.
  • the particle size usually ranges from 3 to 500 ⁇ m. Forces that can be used in any combination When mixed particles are used, it is preferable that Sn particles are in the range of about 100-300 ⁇ m and MoS particles are in the range of about 3-5 ⁇ m. Particle projection
  • the projection speed is expressed in terms of pressure, and is usually about 0.2—IMPa (in the case of particles with a diameter of about 200 m, the injection speed is about 80—250 m / s high-speed projection), and the projection time is treated. Varies with area. Coverage is based on full coverage.
  • oxygen diffusion treatment step oxygen diffusion treatment by heating is performed in a gas atmosphere containing oxygen.
  • Processed materials such as titanium alloys are subjected to normal pretreatment.
  • the oxidation treatment of titanium or titanium alloy by heating is a simple method that may be performed by heating in a normal atmospheric furnace.
  • the oxygen-dissolved layer can be formed thicker at a lower temperature than nitriding treatment, etc., but the oxide layer (TiO) formed simultaneously on the surface is easy to peel off. It is necessary to process so as not to form. Therefore, in this embodiment, a layer in which oxygen is dissolved without heating to 400 to 900 ° C. is formed in an atmosphere in which the oxygen partial pressure is controlled to 10 to 4 Torr or less. Let it form.
  • water acts as oxygen as a gas component other than oxygen and can be included in the oxygen partial pressure.
  • inert gases such as Ar and helium, which have little effect on the formation of an oxygen solid solution layer even if nitrogen is present.
  • the particle projection processing step an air flow containing particles is projected onto the surface of the titanium alloy member, as in the first embodiment. Fine particle shot peening can be performed using the apparatus shown in FIG. Further, the same particle projection processing step as that of the embodiment (part 1) can be a first particle projection processing step using hard particles and a second particle projection processing step using particles having lubricity. .
  • This example is an example of the alloy that was processed in the embodiment (part 1), and the base metal alloy composition was -6-6V.
  • ultrasonic cleaning using an organic solvent was performed to clean the surface of the titanium alloy.
  • oxygen diffusion treatment was performed using the low-pressure plasma apparatus shown in FIG. At this time, oxygen was not actively introduced, but oxygen was present in the vacuum furnace at an oxygen partial pressure of about 0.2 Torr during the heating and heating process after depressurization by the vacuum exhaust device. After heating and holding at 850 ° C for 30 minutes, propane gas was introduced into lTorr and plasma treatment was performed for 2 hours while heating and holding at 850 ° C.
  • a fine particle shot was made at approximately the same location for about 1 second at a force of 0.45 MPa.
  • a mixture of Sn particles and 20% by volume of MoS particles is used for a projection pressure of 0.45 MPa.
  • FIG. 3 shows the result.
  • X is the outermost surface of the titanium alloy and Y is the baseline of oxygen (0).
  • the composition of the alloy deep part to the right of the point X in the graph shows that carbon (C) does not exist with respect to Ti, but oxygen (0) diffuses and penetrates to a depth of about 30-40 ⁇ m. Was confirmed.
  • a wear resistance evaluation test was performed on the titanium alloy material subjected to the above-described treatment of the present invention.
  • the test was an ASTM D2714 Falex block on-ring friction and wear test.
  • the surface-treated block is pressed against a non-lubricated rotating steel ring under load (151b) and is evaluated by the width and depth of the worn area.
  • the same test was conducted for conventional ⁇ -6 ⁇ ⁇ 4V annealing material, hard Cr plating material and WC-Co spraying.
  • the wear width is 5mm for the Ti-6A-4V annealing material, the wear depth is 210 ⁇ m, the wear width is lmm for the hard Cr plating material, the wear depth is 8 ⁇ m, and the wear width is 0 for the WC-Co sprayed material.
  • the titanium alloy material treated with the present invention has a wear width of 1 mm and a wear depth of 6 m, compared to 9 mm and a wear depth of 7 ⁇ m. It turned out that it was hard to wear.
  • FIG. 6 shows the result. From the results of the non-treated material and the member subjected only to the fine particle shot, the effect of improving fatigue strength by the fine particle shot can be confirmed.
  • the oxygen diffusion treatment with reduced-pressure plasma fatigue strength is temporarily reduced by 0.
  • the particle projection treatment GO with fine particles to the member that has undergone the treatment (0 step)
  • the fatigue strength is reduced.
  • the tensile stress is 60 kgf / mm 2
  • the untreated material broke at 1.4 ⁇ 10 5 times
  • the treated material of the present invention did not break up to about 2.2 ⁇ 10 6.
  • the material was treated with a fine particle shot on the untreated material (a combination of the 0 process and the GO process was performed). The component was superior in fatigue strength.
  • the member obtained by the surface treatment method of the present invention can be suitably used as a structural titanium material for aerospace equipment. Specifically, for example, it can be used as a member constituting a flap rail and a slat rail which are important in the structure of an airplane.

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Abstract

  　高耐摩耗性、潤滑性および高疲労強度を有する航空宇宙機器用チタン合金部材の表面処理方法であって、酸素を含むガス雰囲気下、チタン合金部材の表面に酸素を固溶状態で拡散浸透させる、酸素拡散処理工程と、粒子を含む気流を該チタン合金部材の表面に投射する、粒子投射処理工程と、を含むことを特徴とする航空宇宙機器用チタン合金部材の表面処理方法、並びに、航空機フラップレール部材およびスラットレール部材。

Description

明 細 書
航空宇宙機器用チタン合金部材の表面処理方法
技術分野
[0001] 本発明は、高耐摩耗性、潤滑性および高疲労強度を有する航空宇宙機器用チタ ン合金部材に関し、さら〖こ詳しくは、従来材料に比較して、良好な耐摩耗性を有し、 しかも高い引張疲労強度を有する航空宇宙機器用チタン材料部材に関するもので ある。 背景技術
[0002] 図 5(a)に示すような航空機の翼等には、離着陸時に使用されるフラップ、スラット等 の摺動負荷される部材が多く用いられ、航空機という特性上、極めて高い信頼性が 要求されている。従来、各種の耐摩耗部材としては、安価で加工性に優れ複雑形状 品を経済的に製造できる鉄鋼材料が主体に用いられてきた。しかし、近年、更なる軽 量ィ匕の要求に基づき、チタンが摺動部材に用いられ始めた。チタンは比強度に優れ るため、部材の軽量ィ匕を図ることが出来る力 耐摩耗性ゃ摺動性に劣るため、 Crメッ キ、 WC- Co溶射等の表面コ一ティングを施して耐摩耗性や摺動性を向上させて用 ヽ られている。また、最近、プラズマ浸炭技術も開発されてきている (特許文献 1参照)。
[0003] しカゝしながら、 Crメツキや WC- Co溶射を施した Ti材料は、高い耐摩耗性を示すもの の、疲労強度が無処理材に比べて低下する問題があった。また、基材の外面へ別の 物質を付加するコーティングであるため、コーティングの剥離が発生する問題もあつ た。一方、プラズマ浸炭処理は耐摩耗性に加え、摺動性にも優れるが、疲労強度が 大きく低下する問題点があった。
[0004] すなわち、疲労強度が重要な航空機部材であるにも拘わらず、表面処理を施すこと により疲労強度が低下するのが大きな課題となっており、耐摩耗性や摺動性を向上 させ、さらに疲労強度も向上する表面処理方法の開発が強く望まれていた。
特許文献 1：特開 2002-371348号公報
発明の開示 [0005] 本発明者らは、上記問題点に鑑み、良好な耐摩耗性を有し、しかも高い引張疲労 強度を有する航空宇宙機器用チタン材料を開発すベぐ鋭意検討した。
[0006] その結果、チタン材料の表面に酸素拡散処理を行った後、微粉末を用いて高速度 でショットピーユング処理を施すことによって、耐摩耗性に優れ、しかも未処理材より も引張疲労強度に優れたチタン材料が得られることを見出した。本発明は、かかる見 地より完成されたものである。
[0007] すなわち、本発明は、高耐摩耗性、潤滑性および高疲労強度を有する航空宇宙機 器用チタン合金部材の表面処理方法であって、酸素を含むガス雰囲気下、チタン合 金部材の表面に酸素を固溶状態で拡散浸透させる、酸素拡散処理工程と、粒子を 含む気流を該チタン合金部材の表面に投射する、粒子投射処理工程と、を含むこと を特徴とする航空宇宙機器用チタン合金部材の表面処理方法を提供するものである
[0008] 前記酸素拡散処理工程は、減圧プラズマを用いた工程とすることができる。また、 前記粒子投射処理工程は、少なくとも 2以上の処理工程とすることができ、具体的に は、例えば硬質粒子を用いる第 1の粒子投射処理工程と、潤滑性を有する粒子を用 いる第 2の粒子投射処理工程と、カゝらなる工程とすることができる。この際、前記硬質 粒子をセラミックス、前記潤滑性を有する粒子を金属硫ィ匕物もしくは軟質金属又はそ の両方力もなる混合粒子とすることが好ましい。ここで、前記粒子投射処理工程は、 通常、 3— 500 mの微粒子を噴射圧力 0.2— IMPaの高圧（高速)で投射する工程で ある。
[0009] 上記表面処理方法によって処理されたチタン合金は、各種航空宇宙機器の摺動 部材として用いられ、中でも航空機用レール部材、例えば航空機のフラップレール部 材あるいはスラットレール部材として最適である。その他、摺動部が多いドア回りの部 材への適用にも好適である。
[0010] 本発明の処理方法によれば、酸素拡散処理と粒子投射処理を組み合わせることに より、高硬度で高い圧縮残留応力を示す表面層を得ることができる。そして、耐摩耗 性とともに疲労強度をも両立したチタン合金部材を得ることができる。また、表面の凹 凸に潤滑性のある物質をコーティングすることにより、摺動性をさらに向上させること ができる。
[0011] 本発明によれば、従来法に比較し、同等以上の耐摩耗性 (無処理材の 1/200の摩 耗量)を有し、しかも無処理材以上の疲労強度 (無処理材の 10倍)を示す航空宇宙 機器用チタン材料を提供することができる。 図面の簡単な説明
[0012] [図 1]図 1は、本発明の酸素拡散処理工程において、一例である減圧プラズマ処理に 用いる装置の構成を示す図である。
[図 2]図 2は、本発明の粒子投射処理工程において、微粒子ショットピーユングを行う 装置の一例を示す図である。
[図 3]図 3は、実施例 1において、本発明の処理を行ったチタン合金表面付近の組成 を測定した際のチャート図である。
[図 4]図 4 (a)は、酸素とチタンの状態図 (0-Ή)であり、図 4 (b)は、炭素とチタンの状 態図 (C-Ti)である。
[図 5]図 5は、航空機の翼構造を示す構造図であり、図 5(a)は全体図、図 5(b)は図 5 (a)で示す翼の前 ラット機構を示す A-Aの断面図、図 5(c)は後縁フラップ機構の 断面図である。
[図 6]は、実施例 1において、疲労強度を測定した結果を示すグラフである。
符号の説明
[0013] 上記図中において、 1は真空炉、 2は断熱材、 3はプラズマ、 4は加熱電源、 5はヒー タ、 6は炉床、 7はガスマ-ホールド、 8は陰極、 9は真空ポンプ、 11はチャンバ、 12 は加工物、 13はテーブル、 14は循環ライン、 15はノズル、 16はホッパ、 17、 19は切 替弁、 18はエアラインを、それぞれ示す。 発明を実施するための最良の形態
[0014] 本発明の航空宇宙用チタン合金部材の表面処理方法は、酸素拡散処理工程と粒 子投射処理工程とを含むものである。
[0015] 先ず、酸素拡散処理工程は、酸素を含むガス雰囲気下、チタン合金部材の表面に 酸素を固溶状態で拡散浸透させる工程である。この酸素拡散処理工程としては、具 体的には、例えば減圧プラズマを用いた工程や加熱による酸素拡散工程などが挙げ られる。
[0016] 図 4 (a)に、酸素とチタンの状態図 (0- Ti)を示す。この状態図から分力るように、酸 素は に固溶し易く、 Tiとの量比にお 、て 34%以下では大部分が固溶状態を形成 するものである。本発明の酸素拡散工程によって、酸素は Tiに固溶し、主に αの固 溶状態を形成する。酸素の含有量は限定されるものではないが、 Tiとの量比におい て通常 25%以下、好ましくは 15%以下である。参考のために、図 4 (b)には、炭素と チタンの状態図 (C-Ti)を示す。この状態図から分力るように、炭素は Tiに固溶する量 が極めて少なぐその大部分が TiCからなる化合物を形成することがわかる。すなわ ち、プラズマ浸炭を含む浸炭処理においては、チタン基材の表面に薄い TiC化合物 を形成するのみであることになる。
[0017] 酸素拡散処理工程によるチタン合金部材の表面への拡散浸透は、表面から 100 m程度の深さまで行なわれ、好ましくは 50 μ m程度が適当であるが、例えば 10 μ m 程度の深さでも効果がある。
[0018] 上記のような酸素拡散処理工程により、チタン合金は耐摩耗性に加え、摺動性にも 優れた表面を形成する。
[0019] 次 、で、粒子投射処理工程では、酸素拡散処理工程を経たチタン合金部材の表 面に粒子を含む気流を投射する。この工程によって、酸素拡散処理により低下した チタン合金の疲労強度は大幅に向上して、酸素拡散処理を行わな!/、無処理の合金 の疲労強度よりも一層優れるチタン合金が得られる。
[0020] 本発明の粒子投射処理工程では、通常 3— 500 μ m、好ましくは 10— 100 μ m程 度の微粒子を高速で加工物表面へショットすることにより、表面粗さ等の表面特性へ の悪影響が少なぐ疲労強度、耐食性等が向上する。なお、酸素拡散処理工程を経 たチタン合金部材の表面に、約 lmm程度の通常の粒子によるショットピーユングを 施すと、表層が破壊され易いので好ましくない。
[0021] 本発明の表面処理方法により得られた部材は、航空宇宙機器用の構造用チタン材 料として好適に用いることができる。具体的には、例えば飛行機の構造上重要なフラ ップレール、スラットレールを構成する部材として利用できる。スラット (前縁隙間翼）と は、主翼の揚力を増加させるために、前縁に隙間を設け、空気の流れを変化させて 揚力を増加させる機構である。フラップ (後縁下げ翼）とは、主翼の揚力を増加させる ために、後縁を移動して、翼面積を増加させて揚力を増加させる機構である。そして 、スラットレール、フラップレールは、スラットゃフラップを動かす主要な機構の一つで あり、レール（トラック）の上をローラが回転して移動することにより、スラットゃフラップ を前後あるいは上下等に動かす機構を有するものである。例えば図 5(a)に示す飛行 機の翼 21では、図 5 (b)が前縁スラットの機構を示す断面図である。図 5(c)は、後縁 フラップ機構を示す断面図である。（b)の 24が繰出トラック（レール)であり、（c)の 28が 主フラップのトラック（レール)である。なお、 22はエンジン、 23は角度規正用トラック、 25はセクタ歯車、 26は繰出用ピ-オン、 27は支持部材、 29は主フラップ、 30は子フ ラップ、 31はトラックレールカバー作動リンク、 32は主フラップキャリッジ、 33は作動 用スクリュジャッキ、 34はトラック（レール）取付金具である。
[0022] 以下、本発明を実施の形態によって詳細に説明するが、本発明はこれらの実施の 形態によって何ら限定されるものではない。
[0023] ¾施の形餱 (その ί)
本実施の形態では、酸素拡散処理工程として、酸素を含むガス雰囲気下、減圧プ ラズマを用いた処理を行うが、処理物であるチタン合金等の材料は通常前処理を行
[0024] 加工する対象である航空宇宙機器用チタン合金としては、具体的には、例えば純 チタン、 at + j8型チタン合金： Ti- 6Α卜 4V、 Ti- 8Mn、 Ti- 6A卜 6V- 2Sn、
Ti-10V-2Fe-3Al、 α型チタン合金： Ti-5A卜 2.5Sn、 j8型チタン合金：
Ti- 13V- l lCr- 3A1、 Ti- 15Mo- 5Zr- 3A1、 Ti- 15V- 3Cr- 3A卜 3Snなどが挙げられる。前 処理としてのチタン材料の熱処理は特に限定されるものではなぐァニール処理や溶 体ィ匕時効などを用いることができる。洗浄処理としては、一般に真空を利用する処理 の前に行われて ヽる洗浄で十分であり、例えば有機溶剤を用いた超音波洗浄によつ て実施することができる。
[0025] 図 1に、減圧プラズマによる処理装置の概略図を示す。 [0026] 真空炉 1の内部には、断熱材 2で覆われた空間の更に内部に、陰極に通じる炉床 6 が設けられ、加工物をその上に設置する。断熱材 2内部には、上部にヒータ 5および プロセスガス等を流すガスマ-ホールド 7が設けられている。真空炉 1は外部の真空 ポンプ 9に接続されている。また、ヒータ 5は加熱電源 4に接続され、断熱材 2と真空 炉体 1はアース極で陽極となり、プラズマ電源 3を介して陰極 8と接続されている。
[0027] 処理する部材は真空炉 1内の炉床 6上に設置し、真空引き後にヒータ 5による加熱 を開始する。炉 1内 (炉壁、部材等）に吸着した水分や酸素、窒素等のガスは離脱し
、酸素を含むガスにより真空度が低下し、圧力が若干上昇する。これにより、適切な 量の酸素が炉 1内に存在する状態とすることが可能であり、減圧プラズマ処理により 適切な量の酸素をチタン部材内部に拡散浸透させることができる。なお、その際の真 空炉 1内の酸素分圧は、質量分析計等を用いて計測することが出来る。
[0028] 一方、装置が極めて高真空度となる真空炉であったり、あるいは装置に対して挿入 したチタン部材の量が多 、場合には、表面処理が必要なチタン部材の単位表面積 あたりに拡散浸透する酸素量が少なくなり、酸素の拡散浸透が十分に起こらなくなる 。そのような場合には、加熱時に積極的に空気を導入することにより、適切な酸素量 を補い、酸素の拡散浸透を起こさせる。具体的には、容易で安価な手段として空気を 導入し、例えば圧力 0. 1— lTorr、時間 5— 60分程度保持することにより、実施可能 である。
[0029] プロセスガスとしては例えば炭素を含むガスを用い、 C (炭素）を含む雰囲気中でプ ラズマを発生させ、通常 0. 5— 10時間、好ましくは 1一 5時間程度の減圧プラズマ処 理を行う。拡散処理用のガスとしては、 CO、 CO、プロパンガスなどを挙げることがで
2
きるが、空気なども適宜利用できる。圧力は通常 10— lOOOPaの範囲、温度は通常 3 00— 1000°Cの範囲である。加熱により表面に吸着した酸素およびグロ一放電により イオン化した酸素が、処理物であるチタン合金の表面に衝突、吸着して拡散する。
[0030] この減圧プラズマ処理は、最表面に濃縮された酸素を更に深部にまで拡散浸透す ることを促し、連続的な酸素の濃度分布の組成とすることができる。かかる酸素拡散 処理によって、酸素はチタン合金内部に拡散浸透して固溶状態を形成する。なお、 最外表面では、わずかに TiC層の形成および遊離炭素によるカーボン膜の形成が起 こる場合がある。
[0031] 次 、で、粒子投射処理工程では、粒子を含む気流を該チタン合金部材の表面に 投射する。
[0032] 図 2に、微粒子ショットピーユングを行う装置の概略図を示す。チャンバ 11にはカロェ 物 12を載置する回転テーブル 13が備えられ、その側面には加工物 12に向けて微 粒子を投射するエアノズル 15が設けられている。微粒子はホッパ 16に充填されてお り、下部の切替弁 17を介してエアライン 18に接続する。このエアライン 18はエア切替 弁 19を介して高圧のエアが導かれ、エアノズル 15にエアとともに微粒子を圧送する。 なお、通常ホッパ 16の上部には、チャンバ 11の底部に開口する循環ライン 14が接 続し、微粒子を回収して循環使用する。
[0033] 本実施の形態では、粒子投射処理工程は、硬質粒子を用いる第 1の粒子投射処 理工程と、潤滑性を有する粒子を用いる第 2の粒子投射処理工程とからなる。硬質粒 子を用いる第 1の粒子投射処理工程は必須の工程であるが、第 2の粒子投射処理ェ 程は加工物表面の摩擦係数を下げるために任意に行われる工程である。
[0034] 第 1の粒子投射処理では、粒子材料はチタンの良好な耐食性を保持するために、 鉄系粒子などは使用せず、例えばセラミックス粒子やガラス粒子を用いることが望ま しい。より具体的には、 A1 0 -SiO等が好適に挙げられる。粒子の粒径は通常 3— 50
2 3 2
0 m、好ましくは 10— 100 μ m、特に好ましくは 20— 80 μ mである。粒子投射する 際の投射速度は圧力で表され、通常 0. 2— IMPa程度（直径 50 m程度の粒子の場 合、噴射速度は約 150— 400m/sに相当する高速投射)であり、投射時間は被処理面 積により変化する。カバレッジはフルカバレージが基本である。なお、第 1の粒子投射 処理で鉄系粒子を用いる場合には、粒子投射処理後に適切な溶液を用いて化学的 に表面に付着残存した鉄分を除去することにより、チタンの耐食性を保持して、本技 術を適用することが出来る。
[0035] 第 2の粒子投射処理では、粒子材料は表面の摩擦係数を下げる観点力 潤滑性を 有する粒子として金属硫ィ匕物もしくは軟質金属又はその両方力 なる混合粒子、例 えば Sn粒子と MoS粒子を混合した微粒子群を用いることができ、 MoS粒子は 10— 3
2 2
0容量％程度混合することが好適である。粒子の粒径は通常 3— 500 μ mの範囲で 任意に組み合わせて用いることができる力 混合粒子を用いる場合、 Sn粒子が約 10 0— 300 μ m、 MoS粒子が約 3— 5 μ mの範囲であることが好ましい。粒子投射する
2
際の投射速度は圧力で表され、通常 0. 2— IMPa程度（直径 200 m程度の粒子の 場合、噴射速度は約 80— 250m/sに相当する高速投射)であり、投射時間は被処理 面積により変化する。カバレッジはフルカバレージが基本である。
[0036] 実施の形餱 (その 2)
本実施の形態では、酸素拡散処理工程として、酸素を含むガス雰囲気下、加熱に よる酸素拡散処理を行う。処理物であるチタン合金等の材料は、通常の前処理を行う
[0037] チタン又はチタン合金の加熱による酸化処理は、通常の大気炉内で加熱すればよ い簡便な方法である。酸素の固溶した層は、窒化処理等に比較して低温で厚く形成 し得るものであるが、表面に同時に形成する酸ィ匕物層（TiO)が剥離し易いため、この 酸化物層を形成しないように処理する必要がある。よって、本実施の形態では、酸素 分圧を lTorr以下 10— 4Torr以上に制御した雰囲気中に、 400— 900°Cに加熱して、 酸化物を形成させることなく酸素の固溶した層を形成させる。酸素拡散処理において 、酸素以外のガス成分として、水は酸素と同じように作用するので酸素分圧に含める ことが可能である。窒素は存在していても酸素固溶層の形成に対して影響は少なぐ Arやヘリウム等の不活性ガスも同様である。
[0038] 次いで、粒子投射処理工程では、実施の形態 (その 1)と同様に、粒子を含む気流 を該チタン合金部材の表面に投射する。図 2の装置を用いて、微粒子ショットピー- ングを行うことができる。また、実施の形態 (その 1)と同じぐ粒子投射処理工程は、 硬質粒子を用いる第 1の粒子投射処理工程と、潤滑性を有する粒子を用いる第 2の 粒子投射処理工程とすることができる。
[0039] 以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例によつ て何ら制限されるものでな 、。
実施例 1
[0040] 本実施例は、実施の形態 (その 1)における処理を行った合金の実施例であり、母 材の合金組成は ΤΪ-6Α卜 4Vであつた。 [0041] まず、前処理として、有機溶剤を用いた超音波洗浄を行 ヽ、チタン合金表面を洗浄 した。次いで、図 1に示す減圧プラズマ装置を用いて、酸素拡散処理を行った。この 際、酸素は積極的には導入しな力つたが、真空排気装置による減圧後の加熱昇温 処理中に真空炉内に酸素分圧約 0.2Torr程度で酸素が存在していた。 850°Cで 30 分の加熱保持後に、プロパンガスを lTorr導入し、 850°Cの加熱保持をしながら、プ ラズマ処理を 2時間行った。
[0042] 次に、第 1の粒子投射処理として、 A1 0 -SiOの 50 m粒子を用い、投射速度が圧
2 3 2
力 0.45MPaにて略同じ箇所に約 1秒間微粒子ショットを行った。最後に、第 2の粒子 投射処理として、 Sn粒子に MoS粒子を 20容量％混合したものを投射圧力 0.45MPa
2
にて実施した。
[0043] 得られたチタン合金表面付近の組成構成を調べるために、 EPMA分析装置（日本 電子社製)を用いて表面力 一定深度までの組成を測定した。
[0044] 図 3に、その結果を示す。 Xはチタン合金の最外表面であり、 Yは酸素（0)のベース ラインである。グラフの X点より右側の合金深部の組成は、 Tiに対して炭素（C)は存在 しな 、が、約 30— 40 μ m程度の深度まで酸素（0)が拡散浸透して 、ることが確認で きた。
[0045] 上記の本発明の処理を行ったチタン合金材料について、耐摩耗性評価試験を行 つた。試験は、 ASTM D2714ファレックスブロックオンリング摩擦摩耗試験とした。この 試験は、表面処理したブロックを荷重（151b)をかけて無潤滑で回転する鋼リングに 押し付けるものであり、摩耗した領域の幅と深さによって評価する。比較として、従来 の Ή-6Α卜 4Vァニール材および硬質 Crメツキ材並びに WC- Co溶射につ!、ても同様 の試験を行った。
[0046] その結果、 Ti- 6A卜 4Vァニール材は摩耗幅 5mm、摩耗深さ 210 μ m、硬質 Crメツキ 材は摩耗幅 lmm、摩耗深さ 8 μ m、 WC-Co溶射材は摩耗幅 0. 9mm、摩耗深さ 7 μ mであったのに対して、本発明の処理を行ったチタン合金材料は摩耗幅 lmm、摩耗 深さ 6 mであり、従来のコーティング材と比較して同等レベル以上に摩耗し難いこと が分かった。
[0047] 次!、で、本発明の処理を行った Ή-6Α卜 4Vァニール材につ!/、て、引張疲労強度の 評価を行った。試験は、評点部の直径が 6.35mmの切欠のない平滑丸棒供試体を用 い、応力比 0.1、速度 10Hzで行った。比較として、チタン合金の無処理材および微粒 子ショットのみを行った材料につ!、ても同様の試験を行った。
[0048] 図 6に、その結果を示す。無処理材と微粒子ショットのみを行った部材の結果から、 微粒子ショットによる疲労強度向上の効果が確認できる。本発明の処理を行った場 合、減圧プラズマによる酸素拡散処理 (0によって疲労強度は一旦低下する。しかし、 当該処理 (0工程を経た部材に、微粒子による粒子投射処理 GOを施すことにより、疲 労強度は著しく回復する。例えば、引張応力 60kgf/mm2の場合、未処理材は 1.4 X 10 5回で破断したのに対し、本発明の処理材は、 2.2 X 106程度まで破断せず、 10倍以上 の寿命を示すことが分かる。図 6の結果からも明らかなように、無処理材に微粒子ショ ットを行った部材よりも (0工程と GO工程を組み合わせた処理を行った部材の方が疲 労強度に優れることが分力つた。
[0049] 本発明の表面処理方法により得られた部材は、航空宇宙機器用の構造用チタン材 料として好適に用いることができる。具体的には、例えば飛行機の構造上重要なフラ ップレール、スラットレールを構成する部材として利用できる。

Claims

請求の範囲
[1] 高耐摩耗性、潤滑性および高疲労強度を有する航空宇宙機器用チタン合金部材 の表面処理方法であって、
酸素を含むガス雰囲気下、チタン合金部材の表面に酸素を固溶状態で拡散浸透 させる、酸素拡散処理工程と、
粒子を含む気流を該チタン合金部材の表面に投射する、粒子投射処理工程と、 を含むことを特徴とする航空宇宙機器用チタン合金部材の表面処理方法。
[2] 前記酸素拡散処理工程が、減圧プラズマを用いた工程であることを特徴とする請求 項 1記載の航空宇宙機器用チタン合金部材の表面処理方法。
[3] 前記粒子投射処理工程が、少なくとも 2以上の処理工程カゝらなることを特徴とする 請求項 1又は 2に記載の航空宇宙機器用チタン合金部材の表面処理方法。
[4] 前記粒子投射処理工程が、 3— 500 μ mの微粒子を噴射圧力 0.2— IMPaの高圧で 投射する工程であることを特徴とする請求項 3に記載の航空宇宙機器用チタン合金 部材の表面処理方法。
[5] 前記粒子投射処理工程が、硬質粒子を用いる第 1の粒子投射処理工程と、潤滑性 を有する粒子を用いる第 2の粒子投射処理工程と、からなることを特徴とする請求項 3又は 4に記載の航空宇宙機器用チタン合金部材の表面処理方法。
[6] 前記硬質粒子がセラミックス粒子であり、前記潤滑性を有する粒子が金属硫化物も しくは軟質金属又はその両方力 なる混合粒子であることを特徴とする請求項 5記載 の航空宇宙機器用チタン合金部材の表面処理方法。
[7] 請求項 1一 6のいずれか 1項に記載の表面処理方法によって処理されたチタン合 金力ゝらなることを特徴とする航空機用レール部材。
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