JPH0663049B2

JPH0663049B2 - 超塑性加工性に優れたチタン合金

Info

Publication number: JPH0663049B2
Application number: JP63327316A
Authority: JP
Inventors: 厚小川; 博義末永; 邦典皆川
Original assignee: 日本鋼管株式会社
Priority date: 1988-12-24
Filing date: 1988-12-24
Publication date: 1994-08-17
Anticipated expiration: 2009-08-17
Also published as: EP0379798B1; EP0379798A1; US4944914A; DE68921456D1; JPH02173234A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］この発明は、チタン合金に関し、特に超塑性加工性に優
れた高強度チタン合金に関するものである。

［従来の技術］チタン合金は、軽量で且つ強靭なことから、近年飛行
機、ロケット等の航空宇宙機器用材料として盛んに用い
られている。しかしながら、チタン合金は難加工性材料
であり、複雑形状部材の場合には、製品重量歩止まりが
著しく低いこととあいまって、製造コストが極めて高い
ことが問題となっている。そこで、製造コストを低減す
る上で有効であるのが、超塑性現象を利用した加工法
（超塑性加工）である。超塑性とは、ある条件下で材料
がくびれ（necking）なしに、数百％〜千％、時には千
％以上というような巨大な伸びを生じる現象であり、恒
温変態を利用した変態超塑性と微細結晶粒でみられる微
細粒超塑性とに大別される。

工業的に重要であるのは、後者の微細粒超塑性である。

従来、このような目的のために、使用される合金とし
て、Ti−6Al−4V合金が知られている。また、Ti−6Al−
4V合金に、Fe,NiおよびCo等を添加した合金が、US特許
公報4,299,626号に記載されている。

［発明が解決しようとする課題］しかしながら、Ti-6Al-4V合金で、５〜10μｍの微細粒
組織とした合金でも、超塑性加工温度は875〜950℃と高
く、このため使用する加工治具の寿命が短かいか、また
は、高温強度を有する高価な治具を使用しなければなら
ないという問題があった。また、US特許公報4,299,626
号に記載の合金は、Ti-6Al-4V合金に比べても、超塑性
加工温度が50〜80℃で低下する程度で、超塑性伸びも充
分でないという問題がる。

従って、この発明の目的は、上述の課題を解決し、超塑
性加工性に優れたチタン合金を提供することにある。

［課題を解決するための手段および作用］本発明者等は、上述した課題を解決するチタン合金を以
下の様に開発した。

現在用いられているチタン合金は、その大部分がTi-6Al
-4V合金であり、溶解技術、加工技術等の技術的蓄積も
このチタン合金に関するものが最も多い。そこで、この
Ti-6Al-4V合金をベースに、合金開発を進めることにし
た。

高強度であり、且つ、超塑性加工が可能であるチタン合
金を得るためには、そのミクロン組織を微細な等軸α晶
を有する組織にしなければならない。また、チタン合金
の超塑性現象が発現するためには、そのミクロ組織にお
いて、α晶の比率が40〜60％であることが必要である。
そこで、Ti-6Al-4V合金よりも超塑性加工温度を低下さ
せるためには、β変態点（高温側のβ単相から低温側の
α＋β２相へ変態する温度）を低下させる元素、すなわ
ち、MoとFeとを添加すれば良い。しかし、Feは強度上昇
に大きく寄与するが、3.15wt.％以上添加するとTiとの
間に、脆化相である金属間化合物を形成したり、溶解時
にβフレックと呼ばれる偏析相を生成し、その結果機械
的性質を劣化させるため好ましくない。Moも同様に強度
上昇に寄与するが、3.15wt.％以上添加するとチタン合
金の比重を増大させ、高比強度材料であるチタン合金の
特色を損なうとともに、β相中での拡散速度が小さい元
素であるために、超塑性加工時の変形抵抗を増大させる
ため好ましくない。

２×Fewt.％＋Mowt.％は、チタン合金のβ相の安定度を
示し、この値が小さいとβ変態点が高く、逆に大きいと
β変態点が低くなる。チタン合金の最適超塑性温度は、
α相の体積率が40〜60％になる温度であり、この温度は
β変態点と密接な関係がある。なお、最適超塑性温度と
は、後述する実施例の表２にも記載されるように、最大
超塑性伸びが得られる温度で定義することができる。こ
の値が8wt.％を超えると、α相の体積率が40〜60％にな
る温度が低くなり過ぎ、その温度では拡散が不十分とな
り、十分な超塑性伸びが得られない。そこで、この値を
3wt.％〜8wt.％と定めた。

微細粒超塑性特性は、その結晶粒径に大きく依存し、粒
径が小さいほど好ましく、α晶粒径が６μｍを超えると
超塑性特性が劣化する。

この発明の要旨は、以下に示す通りである。

Al:5.5〜6.75wt.％、 V:3.5〜4.5wt.％、Ｏ（酸素）:0.01〜0.2wt.％、 Fe:0.85〜3.15wt.％、 Mo:0.85〜3.15wt.％、ただし、 3wt.％≦２×Fewt.％＋Mowt.％≦8wt.％、および、残部:Tiおよび不可避不純物、からなり、α晶粒径が６μｍ以下であることを特徴とす
る、超塑性加工性に優れたチタン合金。

次に、この発明において、成分組成範囲を上記の様に限
定した理由を以下に述べる。

（１）Alは、α＋β組織を得るためのα相安定化元素と
して添加され、強度上昇に寄与する。しかしながら、Al
の含有量が5.5wt.％未満では、目的とする強度度を得る
のに不十分である。一方、含有量が6.75wt.％を超える
と、脆化相であるα_２相（Ti_３Al）が折出し機械的性質
を劣化させるため、好ましくない。従って、Alの含有量
は5.5〜6.75wt.％と定めた。

（２）Ｖは、α＋β組織を得るためのβ相安定化元素と
して添加され、Tiとの間に脆化相である金属間化合物を
形成することなく強度上昇に寄与する。しかしながら、
Ｖの含有量が3.5wt.％未満では、目的とする強度を得る
のに不十分である。一方、含有量が4.5wt.％を超える
と、超塑性伸びを低減させるとともに超塑性加工時の変
形低抗を増大させる。従って、Ｖの含有量は3.5〜4.5t
w.％と定めた。

（３）Ｏ（酸素）は、 α相に固溶して強度上昇に寄与する。しかしながら、Ｏ
（酸素）の含有量が0.2wt.％を超えると、β変態点を上
昇させ、また、室温での機械的性質、特に延性を劣化さ
せる。一方、チタンの量産工程においては、不可避不純
物として通常0.01wt.％程度のＯ（酸素）を含有するこ
とは、当業者において常識として知られている。従っ
て、Ｏ（酸素）の含有量を、0.01〜0.2wt.％と定めた。

（４）Feは、β相安定化元素として添加され、β変態点
を低下させることにより、超塑性特性の向上（超塑性伸
びの増大と変形抵抗の低減）に寄与するとともに、主に
β相に固溶し強度上昇に寄与する。しかしながら、Feの
含有量が0.85wt.％未満では、これらへの寄与が不十分
である。一方、含有量が3.15wt.％を超えると、Tiとの
間に脆化相である金属間化合物を形成したり、溶解時に
βフレックと呼ばれる偏析相を生成し、その結果機械的
性質（特に延性）を劣化させるため好ましくない。従っ
て、Feの含有量を、0.85〜3.15wt.％と定めた。

（５）Moは、β相安定化元素として添加され、β変態点
を低下させることにより、超塑性特性の向上（超塑性発
現温度の低下）に寄与するとともに、主にβ相に固溶し
強度上昇に寄与する。しかしながら、Moの含有量が0.85
wt.％未満では、これらへの寄与が不十分である。一
方、含有量が3.15wt.％を超えると、Moが重い元素であ
ることから合金の密度を増大させ、高比強度であるとい
うチタン合金の特徴を損う。そればかりでなく、Moはチ
タン中での拡散速度が小さいために、超塑性形成時の変
形応力を増大させるため好ましくない。従って、Moの含
有量を0.85〜3.15wt.％と定めた。

（６）２×Fewt.％＋Mowt.％は、チタン合金のβ相の安
定度を示し、この値が小さいとβ変態点が高く、逆に大
きいとβ変態点が低くなる。チタン合金の最適超塑性温
度は、α相の体積率が40〜60％なる温度であり、この温
度はβ変態点と密接な関係がある。なお、最適超塑性温
度とは、前記にも述べたように、後述する実施例の表２
にも記載されるように、最大超塑性伸びが得られる温度
で定義することができる。この値が3wt.％未満である
と、超塑性発現温度が低いという本発明合金の特徴を損
なう。一方、この値が8wt.％を超えると、α相の体積率
が40〜60％になる温度が低くなり過ぎ、その温度では拡
散が不十分となり、十分な超塑性伸びが得られない。従
って、3wt.％≦２×Fewt.％＋Mowt.％≦8wt.％と定め
た。

（７）α晶粒径は、超塑性特性と密接な関係があり、小
さいほど優れた超塑性特性が得られる。本発明合金にお
いては、α晶粒径が６μｍを超えると超塑性伸びが小さ
くなるばかりでなく、変形応力が大きくなり好ましくな
い。従って、α晶粒径を６μｍ以下と定めた。

［実施例］次に、この発明のチタン合金を実施例により、具体的に
説明する。

第１表に示す成分組成およびα晶粒径の本発明のチタン
合金No.1〜9,Ti-6Al-4V合金の従来合金（１）No.10,11,
US特許公報4,299,626号に記載の従来合金（２）No.12,1
3,および比較合金No.14〜26を、以下に示す製造方法に
よって調製した。

アルゴン雰囲気アーク炉にてインゴットを溶製し、熱間
鍛造、熱間圧延を行ない、厚さ5mmの板材に仕上げた。
微細な等軸α晶組織とするために、熱間圧延時の加熱温
度はβ変態点以下の（α＋β）２相域とし、十分な量の
圧下を行なった。このようにして調製された供試体の各
々に対して、再結晶焼鈍を施し、室温引張試験および超
塑性引張試験を行なった。

室温引張試験の結果を室温引張特性として、0.2％PS（k
gf／mm^２）、TS（kgf／mm^２）、El（kgf／mm^２）によっ
て第１表に併せて示した。

超塑性引張試験は、平行部が5mm巾、5mm長さ、4mm厚さ
の試験片を採取して、５×10⁻ ^６torr以下の真空中で行
なった。この試験結果を、超塑性引張特性として第２表
に示した。最大変形応力は、最高荷重を初期断面積で除
して求めた。

第１図〜第４図は、第１表および第２表に示す試験結果
をグラフに示したものである。

第１図は、基本成分（Ti-6wt.％Al-4wt.％Ｖ合金）にMo
およびFeを添加したときの超塑性伸びの変化を調べたも
のである。横軸に２×Fewt.％＋Mowt.％の値を、縦軸に
超塑性伸びの値を示した。

第１図に示すように、２×Fewt.％＋Mowt.％の値が３〜
8wt.％において、1500％以上の大きな伸びが得られてい
る。

第２図は、基本成分（Ti-6wt.％Al-4wt.％Ｖ合金）にMo
およびFeを添加したときの超塑性伸びの変化を調べたも
のである。横軸にMowt.％の値を、縦軸に超塑性伸びの
値を示した。

第２図に示すように、Moの含有量が0.85〜3.15wt.％に
おいて1500％以上の大きな伸びが得られている。

第３図は、基本成分（Ti-6wt.％Al-4wt.％Ｖ合金）にMo
およびFeを添加したときの超塑性伸びの変化を調べたも
のである。横軸にFewt.％の値を、縦軸に超塑性伸びの
値を示した。

第３図に示すように、Feの含有量が0.85〜3.15wt.％に
おいて、1500％以上の大きな伸びが得られている。

第４図は、本発明合金と同じ化学組成を有する合金のα
晶粒径を変化させたときの超塑性伸びを調べたものであ
る。横軸に本発明合金と同じ化学組成を有する合金のα
晶粒径を、縦軸に超塑性伸びの値を示した。

第４図に示すように、α晶粒径が６μｍ以下において15
00％以上の大きな伸びが得られている。第１表，第２表
に示すように、本発明合金No.1〜９の室温引張特性は、
引張強さ（TS）が105kgf／mm^２以上で、伸び（El）が17
％以上あり、Ti-6Al-4V合金よりも高強度を有し、しか
も延性も十分であり、優れた強度・延性バランスを有し
ていた。

さらに、本発明合金No.1〜９においては、最大超塑性伸
びを示す温度が800℃以下と低く、しかも、その温度に
おける超塑性伸びが1500％以上であった。これに対して
従来合金（１）No.10,11および比較合金No.14〜26は、
超塑性伸びが1000％前後以下であるか、または、1400％
前後の伸びを示すものの、その温度が825℃以上と高か
った。従って、本発明合金No.1〜９は従来合金（１）N
o.10〜11、比較合金No.14〜26と比較して、良好な超塑
性特性を有有することがわかった。

また、本発明合金No.1〜９は、最大超塑性伸びを示す温
度が、Ti-6Al-4V合金より75〜100℃低いにもかかわら
ず、変形応力は1.4kgf／mm^２以下と小さな値を示した。

比較合金No.15,19は、最大超塑性伸びが1210％以上と比
較的大きな伸びを示しているが、最大超塑性伸びが得ら
れた温度が825℃以上と本発明合金No.1〜９と比較して5
0〜100℃高く、超塑性特性に劣っていた。

また、比較合金No.20は、750℃で1341％の超塑性伸びが
得られているものの、変形応力が2.58kgf／mm^２と非常
に大きかった。

また、比較合金No.21は、室温引張時の伸びが6.3％と小
さく実用上に耐えないため、超塑性引張試験を行なわな
かった。

また、本発明合金No.1〜９は、US特許公報4,299,626号
に記載の従来合金（２）No.12,13と比べても、最大超塑
性伸びおよび最大超塑性伸びを示す温度に優れていた。

［発明の効果］以上説明したように、本発明合金は、Ti-6Al-4V合金よ
りも優れた室温引張張特性（特に強度）を有し超塑性特
性においても格段に改善されている。さらに、Ti-6Al-4
V合金にFe,CoおよびNiを添加した合金と比較しても超塑
性特性に優れている。従って、この優れた特性を生かし
て、航空宇宙機器用材料を始めとして、超塑性加工性に
優れた高強度チタン合金として広く用いることができる
有用な効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、基本成分（Ti-6wt.％Al-4wt％Ｖ合金）にMo
およびFeを添加したときの超塑性伸びの変化を示すグラ
フである。横軸に２×Fewt.％＋Mowt.％の値を、縦軸に
超塑性伸びの値を示した。第２図は、基本成分（Ti-6w
t.％Al-4wt.％Ｖ合金）にMoおよびFeを添加したときの
超塑性伸びの変化を示すグラフである。横軸にMowt.％
の値を、縦軸に超塑性伸びの値を示した。第３図は、基
本成分（Ti-6wt.％Al-4wt.％Ｖ合金）にMoおよびFeを添
加したときの超塑性伸びの変化を示すグラフである。横
軸にFewt.％の値を、縦軸に超塑性伸びの値を示した。
第４図は、本発明合金と同じ化学組成を有する合金のα
晶粒径を変化させたときの超塑性伸びを示すグラフであ
る。横軸に本発明合金と同じ化学組成を有する合金のα
晶粒径を、縦軸に超塑性伸びの値を示した。図面におい
て、１……本発明のチタン合金の実験値をプロットしてなる
実線部分、２……比較用のチタン合金の実験値をプロットしてなる
点線部分。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Al:5.5〜6.75wt.％、Ｖ :3.5〜4.5wt.％、Ｏ（酸素）:0.01〜0.2wt.％、 Fe:0.85〜3.15wt.％、 Mo:0.85〜3.15wt.％、ただし、 3wt.％≦２×Fewt.％＋Mowt.％≦8wt.％、および、残部:Tiおよび不可避的不純物、からなり、α晶粒径が６μｍ以下であることを特徴とす
る、超塑性加工性に優れたチタン合金。