JP2012102394A - 多成分チタン合金の熱特性および電気特性を変更する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】チタン合金の機械的特性に悪影響を及ぼすこと無く、熱伝導率、導電率を向上させる。
【解決手段】チタン合金の中にホウ素０．０１〜１８．４％を導入して、ＴｉＢ沈殿物を生成し、その後、ＴｉＢ沈殿物を高温金属加工によって、金属流の方向に整列させる工程により熱伝導率、導電率の向上したチタン合金を得る。前記工程はホウ素を含有した溶融チタン合金を不活性ガスにより粉砕し針状ＴｉＢ沈殿物を含む合金粉末を生成し、ＨＩＰ処理により圧密し、熱間鍛造、ないし熱間押出の高温金属加工を行う事より成る。
【選択図】なし

Description

発明の詳細な説明

［発明の背景］
１．発明の分野
本発明は、チタン合金の物理的特性を改善する方法に関し、より詳細にいうと、チタンベースの組成物から成る物品の熱伝導率を上昇させると共に電気抵抗率を低減させる方法に関する。

２．背景技術の説明
チタン合金は、物理的特性と機械的特性との魅力的な組み合わせを提供し、航空宇宙産業や宇宙産業などの様々な産業において、著しい軽量化を提供するものである。しかし、チタン合金の熱伝導率は、鋼およびアルミニウムといった他の構造の金属と比べて低い。チタン合金の熱伝導率が低いことは、加熱速度と、加工および熱処理の後に得られる冷却速度とに影響を与える。チタン合金の他の欠点は、電気抵抗率が、鋼およびアルミニウムと比べて高いことである。電気抵抗率が高いことは、チタン合金の導体としての使用を制限する。従って、従来のＴｉ−６Ａｌ−４Ｖといったチタン合金について、機械特性、特に、引張伸びおよび金属疲労に悪影響を及ぼすことなく、熱伝導率を上昇させると共に電気抵抗率を低減する、新規且つ改善された方法が求められている。本発明の方法は、この需要を満たすものである。

［発明の概要］
本発明の新規且つ改善された方法によれば、ホウ化チタン（ＴｉＢ）沈殿物をチタン合金の中に混入し、その後、チタン合金を制御しながら変形させて、ＴｉＢ沈殿物を任意の方向に方向付け、熱特性および電気特性の改善を実現する。チタン合金を制御しながら変形させてＴｉＢ沈殿物を方向付けることは、高温金属加工によって行われる。

鋳造法、鋳造および鍛錬処理、並びに、ガスアトマイズ法および素粉末混合法（blended elemental approach）などの粉末冶金技術といった任意の好適な方法によって、チタン合金組成物の中にホウ素を導入して、ＴｉＢ沈殿物を生成する。ＴｉＢ沈殿物を金属流の方向に沿って整列させることは、鍛造、圧延、および押出といった高温金属加工作業を用いて実現可能である。

具体的な一実施例として、本発明の方法を用いて、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ（Ｔｉ−６４）およびＴｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−２Ｍｏ（Ｔｉ−６２４２）といった多成分チタン合金の熱伝導率を上昇させると共に電気抵抗率を低減させることが可能である。

［図面の簡単な説明］
図１は、ＴｉＢが混入されたチタン合金物品を製造するための、プレアロイ粉末冶金プロセスのフローチャートである。

図２ａは、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ−１Ｂの微細構造を示す図であり、粉砕された（アトマイズされた）状態のプレアロイ粉粒子の断面を示している。

図２ｂは、高温静水圧プレス処理による粉体圧密化の後の、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ−１Ｂの微細構造を示す図である。

図３は、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ−１Ｂ鍛造物品の様々な位置における、微細構造を示す図である。

図４ａは、Ｔｉ−６Ａ１−４Ｖ−１Ｂのプレアロイ粉から成る押出物品の微細構造を示す図であり、押出軸に沿って整列したＴｉＢ沈殿物（暗段階）が示されている。

図４ｂは、図４ａを横方向から見た顕微鏡写真であり、ＴｉＢ沈殿物の六角形の断面が示されている。

図５は、（ナノＴｉ−６４と表示される）Ｔｉ−６Ａ１−４Ｖ−１Ｂ鍛造物品および押出物品の熱伝導率と、Ｔｉ−６Ａ１−４Ｖ物品の熱伝導率とを比較したグラフである。

図６は、Ｔｉ−６Ａ１−２Ｓｎ−４Ｚｒ−２Ｍｏ−１Ｂ鍛造物品の熱伝導率と、ベースラインＴｉ−６Ａ１−２Ｓｎ−４Ｚｒ−２Ｍｏ物品の熱伝導率とを比較したグラフである。

図７は、（ナノＴｉ−６４と表示される）Ｔｉ−６Ａ１−４Ｖ−１Ｂ鍛造物品の電気抵抗率と、Ｔｉ−６Ａ１−４Ｖ物品の電気抵抗率とを比較したグラフである。

図８は、Ｔｉ−６Ａ１−２Ｓｎ−４Ｚｒ−２Ｍｏ−１Ｂ鍛造物品の電気抵抗率と、ベースラインＴｉ−６Ａ１−２Ｓｎ−４Ｚｒ−２Ｍｏ物品の電気抵抗率とを比較したグラフである。

［発明の詳細な説明］
以下に、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ（Ｔｉ−６４）およびＴｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−２Ｍｏ（Ｔｉ−６２４２）などの多成分チタン合金の熱伝導率を上昇させると共に、電気抵抗率を低減する方法を記載する。これらの方法は、二つの重要な要素、すなわち、
１） チタン合金マトリクスの中にＴｉＢ沈殿物を混入する工程、および、
２） 高温金属加工によって、ＴｉＢ沈殿物を任意の方向に整列させる工程を含む。

チタン合金組成物の中にホウ素を導入してＴｉＢ沈殿物を生成することは、異なる幾つかの方法、例えば、鋳造、鋳造および鍛錬処理、粉末冶金技術（ガスアトマイズ法および素粉末混合法）によって、実現可能である。ホウ素は、液体状態で、チタン合金に加えてよく、この場合、ホウ素は、液状チタン合金中に完全に溶解する。粉末冶金技術を用いる場合には、ホウ素は、固形の粉末を混合することによって、チタン合金に加えることが可能である。ホウ素をチタン合金に加えるために用いるプロセスとは無関係に、ホウ素を、元素状態で存在するホウ素であるＴｉＢ_２として、または、任意の好適なマスター合金を含有するホウ素として、加えてもよい。ホウ素は、０．０１重量％〜１８．４重量％の範囲の量で加えてよい。より好ましくは、ホウ素は、チタン合金組成物に応じて、０．０１重量％〜２重量％の範囲の量でチタン合金に加えてよい。

鍛造、圧延、および押出などの高温金属加工作業を用いて、ＴｉＢ沈殿物を、金属流の方向に沿って整列させることを実現することが可能である。

本方法は、図１に示されるガスアトマイズ粉末冶金プロセスのフローチャートによって実施可能である。ホウ素を、溶融したチタン合金に加え、溶融した液体を、不活性ガスによって粉砕し（不活性ガスアトマイズし）、チタン合金粉末を得る。各粉粒子は、均一に且つランダムな方向に分布された針状のＴｉＢ沈殿物を含む。６体積％のＴｉＢ（暗い相）を含有するＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ−１Ｂ粉粒子断面の典型的な微細構造が、図２ａに示されている。チタン合金粉末を、高温静水圧プレス処理（ＨＩＰ）などの従来の技術を用いて、圧密して、十分に高密度の圧縮粉を得る。圧縮された状態では、ＴｉＢ沈殿物は、チタン合金マトリクスにおいて、依然としてランダムな方向に、均一に分布されている。ＨＩＰ後のＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ−１Ｂ粉の典型的な微細構造が、図２ｂに示されている。

その後、圧縮粉に、鍛造、圧延、または押出といった金属加工作業を施す。チタン合金物品を生成するために一般的に用いられる高温加工パラメータにより、金属流の方向に沿ってＴｉＢ沈殿物を所望の通り整列できることが分かった。具体的な一実施例として、高温加工パラメータは次の通りである。

温度範囲１７５０〜２２００°Ｆおよびラム速度４０インチ／分において、高さ１６インチ×直径３．５インチの圧縮粉を、高さ３インチ×直径８インチのディスクに鍛造することによって形成されたＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ−１Ｂ物品の異なる箇所における顕微鏡写真が、図３に示されている。図３では、鍛造の後に、ＴｉＢ針状の沈殿物（暗い相）が径方向に沿って整列していることが明らかである。２０００°Ｆおよびラム速度１００インチ／分において、直径３インチの圧縮粉を直径０．７５インチの棒に押出するプロセスによって生成されたＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ−１Ｂ物品の別の典型的な微細構造が、図４に示されている。図４は、ＴｉＢ沈殿物（暗い相）が押出軸に沿って整列していることを示している。

ＴｉＢが混入された幾つかのチタン合金物品（表１に示される化合物）の熱特性および電気特性を評価した。比較のために、ＴｉＢ沈殿物を有さないチタン合金に同じ試験を行った。熱伝導率の試験を、標準試験方法であるＡＳＴＭ Ｅ１４６１に従って行い、電気抵抗率を、標準的方法であるＡＳＴＭ Ｂ８４によって測定した。

図５では、（ナノＴｉ−６４と表示される）Ｔｉ−６４−１Ｂ鍛造物品および押出物品の熱伝導率が、Ｔｉ−６４物品の熱伝導率と比較されている。温度範囲７０〜１２５０°Ｆにおいて、ナノＴｉ−６４鍛造品の径方向における熱伝導率、および、ナノＴｉ−６４押出品の軸方向における熱伝導率が、ベースラインＴｉ−６４よりも高いことが明らかである。

図６では、Ｔｉ−６２４２−１Ｂ鍛造物品の熱伝導率データが、ベースラインＴｉ−６２４２物品の熱伝導率データと比較されている。この材料システムでも、熱伝導率は、ベースラインよりも高いことが明らかである。最大３５％の熱伝導率の上昇が、試験方向に沿って整列したＴｉＢ沈殿物を有する物品において、記録されている。

図７では、（ナノＴｉ−６４と表示される）Ｔｉ−６４−１Ｂ鍛造物品の電気抵抗率が、Ｔｉ−６４物品の電気抵抗率と比較されている。温度範囲７０〜１５００°Ｆにおいて、ナノＴｉ−６４鍛造品の径方向における電気抵抗率が、ベースラインＴｉ−６４よりも低いことが明らかである。図８では、Ｔｉ−６２４２−１Ｂ鍛造物品の電気抵抗率データが、ベースラインＴｉ−６２４２物品の電気抵抗率データと比較されている。この材料システムでも、電気抵抗率は、ベースラインよりも低いことが明らかである。最大２０％の熱伝導率の低減が、試験方向に沿って整列したＴｉＢ沈殿物を有する物品において、記録されている。

熱特性および電気特性の改善に加えて、ＴｉＢが混入されたチタン合金は、延性および金属疲労に悪影響することなく、機械特性に幾つかの利点を提供する。例えば、表２において、（ナノバージョンと称される）ホウ素修飾されたチタン合金物品の室温引張特性が、ベースラインチタン合金の室温引張特性と比較されている。ナノチタン合金において、引張耐力および引張極限強さは２５％高く、弾性率は２０％高いが、引張伸びは、そのベースラインチタン合金と等しい状態を維持している。

本発明を、現在、最も典型的および好ましい実施形態と見なされるものに関連して、説明してきたが、本発明は、開示された実施形態に限定されるべきではなく、逆に、本発明の原理および添付の特許請求の範囲内に含まれる様々な変形および同様の構成を網羅することを意図するものと理解されるべきである。

ＴｉＢが混入されたチタン合金物品を製造するための、プレアロイ粉末冶金プロセスのフローチャートである。 Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ−１Ｂの微細構造を示す図であり、粉砕された（アトマイズされた）状態のプレアロイ粉粒子の断面を示している。 高温静水圧プレス処理による粉体圧密化の後の、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ−１Ｂの微細構造を示す図である。 Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ−１Ｂ鍛造物品の様々な位置における、微細構造を示す図である。 Ｔｉ−６Ａ１−４Ｖ−１Ｂのプレアロイ粉から成る押出物品の微細構造を示す図であり、押出軸に沿って整列したＴｉＢ沈殿物（暗い相）が示されている。 図４ａを横方向から見た顕微鏡写真であり、ＴｉＢ沈殿物の六角形の断面が示されている。 （ナノＴｉ−６４と表示される）Ｔｉ−６Ａ１−４Ｖ−１Ｂ鍛造物品および押出物品の熱伝導率と、Ｔｉ−６Ａ１−４Ｖ物品の熱伝導率とを比較したグラフである。 Ｔｉ−６Ａ１−２Ｓｎ−４Ｚｒ−２Ｍｏ−１Ｂ鍛造物品の熱伝導率と、ベースラインＴｉ−６Ａ１−２Ｓｎ−４Ｚｒ−２Ｍｏ物品の熱伝導率とを比較したグラフである。 （ナノＴｉ−６４と表示される）Ｔｉ−６Ａ１−４Ｖ−１Ｂ鍛造物品の電気抵抗率と、Ｔｉ−６Ａ１−４Ｖ物品の電気抵抗率とを比較したグラフである。 Ｔｉ−６Ａ１−２Ｓｎ−４Ｚｒ−２Ｍｏ−１Ｂ鍛造物品の電気抵抗率と、ベースラインＴｉ−６Ａ１−２Ｓｎ−４Ｚｒ−２Ｍｏ物品の電気抵抗率とを比較したグラフである。

Claims (10)

1. チタン合金の熱伝導率を上昇させると共に電気抵抗率を低減させる方法であって、
   上記チタン合金の中にホウ素を導入して、ＴｉＢ沈殿物を生成する工程と、
   上記ＴｉＢ沈殿物を、高温金属加工によって、金属流の方向に整列させる工程とを含む、方法。
2. 上記ＴｉＢ沈殿物を、鋳造、鋳造および鍛錬処理、または粉末冶金技術によって生成する、請求項１に記載の方法。
3. 上記高温金属加工は、鍛造、圧延、または押出である、請求項１に記載の方法。
4. 上記チタン合金は、Ｔｉ−６Ａｌ−４ＶまたはＴｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−２Ｍｏといった多成分材料である、請求項１に記載の方法。
5. 上記ホウ素は、上記チタン合金の重量の約０．０１％〜１８．４％である、請求項１に記載の方法。
6. 上記ホウ素を、溶融したチタン合金に加え、結果として生じる溶融した液体を、不活性ガスによって粉砕して、均一に且つ不揃いな方向に分布された針状のＴｉＢ沈殿物を含むチタン合金粉末を生成する、請求項１に記載の方法。
7. 上記チタン合金粉末を、高温静水圧プレス処理によって圧密する、請求項６に記載の方法。
8. 上記高温金属加工は、約１７５０〜２０００°Ｆの温度および約４０インチ／分のラム速度における、圧縮粉の鍛造である、請求項３に記載の方法。
9. 上記高温金属加工は、約２０００°Ｆの温度および約１００インチ／分のラム速度における、圧縮粉の押出プロセスである、請求項３に記載の方法。
10. 上記チタン合金は、延性が低下しない、または金属疲労しない、請求項１に記載の方法。

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