JPS63186859A - （α＋β）−チタン合金の動力学的且つ静力学的な機械的性質を改良する方法 - Google Patents

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】 本発明は、熱機械的処理により（α＋β）−チタン合金
の動力学的且つ静力学的な機械的性質を改良する方法に
関する。

公知の様に、チタンの機械的性質は、既に、合金添加物
により改善でき、その際、特定の合金要素を添加するこ
とによって、チタンのα−相からβ−相への転換温度を
高べしたり低くしたり出来る。即ち、α−相かβ−相の
何れかを安定化する合金添加剤の間には相違が存在して
いる。アルミニウムは、例えば、α−安定化合金要素に
属し、代替混合結晶として溶かされている。一方、β−
安定化合金要素の例としては、殊に、まず第一に、バナ
ジウム及びモリブデンを挙げることが出来る。デルコニ
ウムと亜鉛とは、両相によく溶ける。

アニール後に室温で存在している各種の相は、α−チタ
ン合金、β−チタン合金及び（α＋β）チタン合金に分
類される。これら合金は、例えば、Ａ、　Ｄ、マツクキ
ラン及びＭ、に、マツクキランの「チタニウム」ロンド
ンブラタ−ワース　サイエンデフイック出版、１９５８
に説明されている。

本発明は、原則的に（α＋β）チタン合金に関する。こ
れら合金の典型的な例は、次記表Ｉに説明された合金で
あり、その合金に就いて、室温での強度のデータも記載
されている。

近年、（α＋β）チタン合金を特別処理に付すること、
即ち、それら合金を熱機械的処理（ｔｈｅｒｍｏｍｅｃ
ｈａｎｌｓｈｅＢｅｈａｎｄｌｕｎｇ）に付することに
より、その静力学的及び動力学的な機械的性質を改善し
ようとする試みは数が多い。

その際、材料をまず、多くの場合、加熱処理している。

何故ならば、面積減少に先立つその均整伸展（Ｇｌｅｌ
ｃｈｍａβａｅｈｎｕｎｇ）が僅だからである。溶解ア
ニール及び安定化により、次いで、材料の改善された性
質、例えば、高められた熱安定性や改善された表面性質
が達成できる。

チタン合金の機械的性質の改善に関する多数の発表は、
なお、１９８４年９月１０日−１４日の間のミュンヘン
に於けるチタニウム国際会議の枠内での関連進歩の第１
巻に現れている。例えば、ここに、この第１巻の第１７
９頁以下、２６７頁以下、３２７頁以下及び３３９頁以
下の論文を引用する。良く開発されたＰＭ−チタン−成
形部品の機械的性質に就いては、Ｊ、Ｐ、ヘルテマン他
も、「国際粉末冶金」の第１７巻、第３号、１９８５年
、１１６ｔ−１１８頁に報告しているが、この著者は、
熱イソスタチックプレスにより加工された材料の機械的
性質が、純粋の酸化物を含有しない粉末の使用により、
また、適当な構造の調整により、改善でき、このいわゆ
るＨＩＰ−材料が、その強度値や損傷発生率（Ｓｃｈａ
ｄｅｎａｎ−ｆａｅｌ＋＋ｇｋｅｉｔ）に於いて、その
可鍛物と比肩されうるものでおるかもくは、このものよ
りも卓越しているといつとを確認した。しカルながら、
同様にして、この研究によると、最大引っ張り強度（引
っ張り強度ＲＭ）値とイールド強度（ｙｉｅｌｄ　ｓｔ
ｒｅｎｇｔｈ）　（０，２％伸展限界ＲＰｏ、２％）は
、依然として１１００ＭＰＡ以上には上昇させることが
出来ず、一方、伸長率（破壊伸長率ＥＬ）は１７％を越
えて上昇せず破壊面積減少（Ｂｒｕｃｈｅｌｎｓｃｈｎ
ｕｒｕｎｇ　ＲＡ）は４０％以上には到底達しないこと
を明らかにしている。

大きな消費者としての化学工業の他に、依然として宇宙
飛行工業は、改善された機械的性質を有するチタン合金
に興味を持っており、また、持たなければならないので
、本発明の課題は、特許請求の範囲の上位概念による方
法、従って、１１００ＭＰａより明らかに高い強度と伸
長性とを有する詐りでなく、従来公知の方法で得られる
同様の組成の（α＋β）−チタン合金以上に破壊に到る
までの負荷サイクル（Ｌａｓｔｓｐ　Ｉｅ　Ｉｅｎ　）
も増大している（α＋β）−チタン合金を提供可能にす
ることである。

この課題の解決法は、特許請求の範囲の特徴部分の特性
を有する本発明のよる方法である。この方法の優れた実
施態様は、その他特許請求の範囲の対象である。

溶融及び鍛治、及び／又は熱イソスタチックなプレスの
より製造された（α＋β）−チタン合金の本発明のより
最初に必要とされる変形（Ｕｍｆｏｒｍｕｎｇ）は、冒
頭に若干の例が説明されているが、６０％以上は、合目
的的に、鍛治、プレス、ハンマー、ロール掛け又は引張
りにより行うことができる。上記合金の中で、本発明の
方法については、殊に、合金Ｔｉ８Ａ１４Ｖが適当であ
ることが明らかとなったが、合金Ｔｉ　６ＡＬ　８Ｖ２
Ｓｎ、Ｔｉ　７ＡＬ　４Ｍｏ及びＴｉ６ＡＬ　２Ｓｎ４
Ｚｒ２Ｍｏも亦、育効に熱機械的に処理出来る。

個々の変形工程の間に、本発明によると、合金の構造（
Ｇｅｆｕｅｇｅ）は加熱により応力除去されなくてはな
らない。

その際、その微細構造が完全には再結晶しない様に注意
すべきである。その理由から、何れににしても、長時間
の中間アニールは回避すべきでる。写真５ａには、８５
０℃でのハンマー掛け後の極めて強度の高い合金Ｔｉ６
ＡＬ４Ｖの構造が、１０００倍率拡大で示されている。

所望の最終的寸法で存在している成型部品を、次いで焼
き戻し、しかも２〜４分間トランズス（Ｔｒａｎｚｕｓ
）の近くでアニールする。公知の様に、このトランズス
、即ち、例えば純チタンの同素的な変形は８８５℃付近
にある。

このことは、８８５９Ｃ以下の温度で存在しているα−
チタンの六方結晶格子が高い温度では、β−チタンの六
面体の空間集中格子に変化することを意味している。

合金Ｔｆ　６ＡＬ　４Ｖの場合、トランススハ９７５＠
ｃ付近のある。しかし、それは酸素含宵量次第である。

この合金は、アニール後急冷されるが、その際、急冷の
ための適当な手段は、専門家によく知られている。しが
し乍ら、水、油又は両者を用いて行うのがよい。写真５
ｂには、写真５ａとの関連で既述した合金の構造が、１
０００倍拡大で示されている。この写真は（α＋β）−
構造中に血球状の比較的大きなα−粒子（μｍ−範囲）
の貯蔵を示している。一方（α＋β）−領域には、β−
構造中に貯蔵されているα−薄葉の僅が許りの析出が認
められる。

この構造の安定化を達成するために、急冷した成型部品
を、次いで４００”Ｃ〜６００＠ｃの範囲の温度で加熱
又はねかせる。この場合、（α＋β）−析出物は粗くな
り、大きいα−粒子は変化を起こすことがない。このこ
とは、写真６ａに示され、例として述べられた合金Ｔｉ
６ＡＬ４Ｖの構造が示している。ＴＥＭ−写真（写真６
ｂ）に明らかな様に、電子顕微鏡中には、α−粒子が転
位及び小さい角度の粒子限界（ｋｌｅｌｎｖｌｎｋｅｌ
ｋｏｒｎｇｒｅｎｚｅｎ）を示している。即ちこのα−
粒子は多形化されており、再結晶化されていない。

専門家に周知に様に、チタン合金中の合金要素は、トズ
スに影響する。Ａ１と０とは合金のα−領域を高い温度
に拡大する。要素Ｖ％　Ｍｏ　、Ｍｎ及びＣｒは、合金
のβ−領域を拡大する。即ち、トランズスの温度は低下
する。合金Ｔｉ　６ＡＩ　４Ｖの場合には、純チタンの
トラズスはより高い温度に移動する。ＺｎとＳｎとは、
この点で、中立的の要素である。

実際に使用される（α＋β）−チタン合金、即ち、殊に
ＴｉＡ１４Ｖの場合は勿論、合金Ｔｉ　６Ａ１６Ｖ２Ｓ
ｎ１’ｒｉ　７ＡＩ４Ｍｏ及びＴｉＴｉ３Ａｌ２５ｎ４
Ｚｒ２の場合も、室温で（α＋β）−組織が存在してい
る。

この組織構成は、変形及びアニールによって変更され、
その際、こうして、各種機械的性質が調整できる。材料
は、先ず約８００℃なる再結晶温度の上約５０’　Ｃ。

即ち、８５０℃で強り、シかも６０％以上変形できる。

即ち強く可塑的に変形され、またその場合、強く硬化す
る。９５０℃以下の溶解アニール及び、２時間５００℃
での焼き戻しにより粗末な（α＋β）−組織が出来る（
写真ｅ−１１参照）。９５０’　Ｃと９７５”Ｃの間に
アニールし、５００℃で焼き戻す場合、複形式（ｂｌｓ
＋。

ｄａｌｅｓ）な（α＋β）−組織が出来る。即ち優れた
機械的性質を何する薄葉状の（α＋β）−組織中に初期
αが埋メ込まれている。７５０℃以上にアニールし焼き
戻す場合は、これに反して、薄葉組織が生成する。この
組織は、延性において著しく低下している。この複形式
の組織は、同時に伸長性と面積減少が向上する場合、強
度上昇と０．２％の伸長限界の前提条件である。更に高
い負荷サイクル（Ｌａｓｔｓｐ　Ｉｅ　ｌ　）　　の場
合の疲労強度は、普通の材料に対比して倍加している。

従来知られていた比較合金に対比して著しく改善された
本発明により製造された（α＋β）−チタン合金の著し
く優れた性質は、表■及びダイヤグラム（第３図）に示
されている。引張り強度の値、０．２％伸長限界、伸延
性及び面積減少はＤＩＮ−規格Ｎｏ、１７８５１に決め
られた最低値を遥かに上遺っている。即ち、表■は弾性
モヂュルについての測定値をも記載している。なるほど
、単にＨＩＰ−変形合金Ｔｆ　４ＡＩ　４ＶもＤＩＮ−
規定を充足しているが、それは本発明により製造された
材料により、あらゆる値において、著しく追い越されて
いる。その際、殊に高められた強度と共に材料の延性も
著しく、即ち約３０％も上昇していることは驚（べきこ
とである。

この合金の疲労強度は、アムスラープルサーにおいて、
Ｒ＝０．１、Ｋｔ＝１モして振度１３０±１９Ｈｚなる
条件で測定した。本発明により製造された材料のダイヤ
グラム（第４図）に示されている上方のベーラ−カーブ
は、全振動範囲内で、１０　までの負荷サイクルで、従
来普通の方法によれ作られた材料に対比して（下方のベ
ーラ−カーブ）著しく改善された疲労強度を示している
。

その際、引張り強度の性質は４０％改善されたし、持続
強度は１００％改善された。

応用例において、直径８關のねじを製造し、そのサイク
ル疲労強度を試験した。普通の材料は、破壊までに最大
３０．０００振動に耐えうろことが出来たが、本発明に
よる熱機械的な処理を用いる場合の同じ負荷では、３ｓ
ｏ、ｏｏｏ振動に耐え、破壊までに、ファクター１２だ
け高い振動に達した。

トランズスは、酸素含量の増大と共に上昇する。酸素含
量が向上するときは、９７５’　Ｃでのアニールは、ト
ランズス以下である。一方、酸素含量が低いときは、９
７５℃でのアニールは、トランズスの上にある。

本発明により製造された材料の静力学的且つ動力学的な
機械的性質の上述の改善により、強度の高い（α＋β）
−合金の利用範囲が、静的外力でも、動的な外力でも、
著しく拡大されうることが明らかである。そのことば殊
に、宇宙飛行工業にとって極めて大切なことである。

第３表と第５表には、アニール処理後の合金Ｔｉ６ＡＬ
４ｖの機械的性質が曲線で示されている。しかも、第３
表には変形との関連で、また第５表には溶解温度との関
連で示されている。

【図面の簡単な説明】

写真５ａと写真５ｂ及び６ａは、本発明の製品の１００
０倍拡大構造を示し、また、６ｂは本発明の製品の（α
＋β）微細構造の電子顕微鏡写真である。 なお、本発明の製品の結晶構造やその組織は、添付写真
により説明する他に方法がない。 なお又、５ａは８５０℃で６４％の変形、５ｂは（α＋
β）微細構造、９７５’　Ｃ／３分／水、８５０℃で６
４％の変形、６ａは（α＋β）＠軸構造、９７５℃／３
分／水＋５００℃／２ｈ、８５０’　Ｃで６４％の変形
であり、６ｂは９７５℃／３分／水＋５００℃／２ｈ１
８５０”　Ｃで６４％の変形である。 チ め 〉 辻

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）粉末の溶融及び鍛治及び／または熱イソスタチック
   プレスにより製造された合金を、それぞれの合金の再結
   晶温度の直ぐ上の温度で一工程又は多数工程で、それぞ
   れそれら工程間に行われた構造応力除去加熱を以って、
   完全な再結晶なしに、同時に硬化しながら、６０％以上
   変形させ、その成型部品を次いで、２ないし４分間、そ
   の合金のトランズス近くで焼き戻し、急冷し、次いで４
   ００ないし６００℃の範囲内の温度で焼き戻すことを特
   徴とする熱機械的処理により（α＋β）−チタン合金の
   動力学的且つ静力学的な機械的性質を改良する方法 ２）合金を鍛治、プレス、ハンマー掛け、ロール掛け又
   は伸延によって変形する特許請求の範囲１の方法 ３）成型部品を水、及び／又は油を用いて急冷すること
   を特徴とする特許請求の範囲１の方法 ４）成型部品を、約９５０℃と９８０℃の間の温度でま
   ず３分間焼き戻し、そして急冷し、次いで４５０℃ない
   し５５０℃で２時間、焼き戻すことを特徴とする特許請
   求の範囲１の方法 ５）成型部品をまず、約９５０℃と９８０℃の間の温度
   で３分間焼き戻し、そして急冷し、次いで４５０℃ない
   し５５０℃で、２時間、焼き戻すことを特徴とする特許
   請求の範囲２の方法 ６）Ｔｉ４ＡＬＸまたはＴｉ６ＡＬＸ、その際、Ｘは一
   つ又は多数のバナジウム、モリブデン、ジルコニウム、
   亜鉛、鉄、銅及びシリチウムよりなる群からの一つ又は
   多数の合金要素を意味する、で示される合金を基体とし
   た（α＋β）チタン多物質合金を使用することを特徴と
   する特許請求の範囲１の方法 ７）合金Ｔｉ６ＡＬ４Ｖを、８５０℃でハンマー掛けに
   より９０％変形し、その成型部品を次いで３分間９７５
   ℃で焼き戻し、水で急冷し、次いで５００℃で空気で２
   時間焼き戻すことを特徴とする特許請求の範囲１の方法 ８）Ｔｉ４ＡＬＸまたはＴｉ６ＡＬＸ、その際、Ｘは一
   つ又は多数のバナジウム、モリブデン、ジルコニウム、
   亜鉛、鉄、銅及びシリチウムよりなる群からの一つ又は
   多数の合金要素を意味する、で示される合金を基体とし
   た（α＋β）チタン多物質合金を使用することを特徴と
   する特許請求の範囲４の方法 ９）合金Ｔｉ６ＡＬ４Ｖを、８５０℃でハンマー掛けに
   より９０％変形し、その成型部品を次いで３分間９７５
   ℃で焼き戻し、水で急冷し、次いで５００℃で空気で２
   時間焼き戻すことを特徴とする特許請求の範囲４の方法 １０）Ｔｉ４ＡＬＸまたはＴｉ６ＡＬＸ、その際、Ｘは
   一つ又は多数のバナジウム、モリブデン、ジルコニウム
   、亜鉛、鉄、銅及びシリチウムよりなる群からの一つ又
   は多数の合金要素を意味する、で示される合金を基体と
   した（α＋β）チタン多物質合金を使用することを特徴
   とする特許請求の範囲６の方法