JP5829213B2 - チタン合金部品の応力緩和熱処理 - Google Patents
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Description
・細長部品:すなわち、非常に細長く、特に長さ/平均厚さの比、または、長さ/平均径の比が10を超えるもの。目標とする細長部品は、平均厚さ100mm未満に対して長さ5mのものにもわたり、その断面は一定であってもなくてもよい。
・互いに大きく異なる複数の断面を有するよりマッシブな部品:すなわち、断面積比が2/1を超える断面の差異を有するもの。「よりマッシブな(more massive)」部品とは、部品の体積内で内接可能な最大球(内接球)の直径が150mmを超える寸法(直径、厚さ、長さ等)を有するものを意味すると理解される。また、「相当直径」が150mmを超えるものともいう。具体的には、最大相当直径が250mmにも達する構造フレーム部材が上記部品として挙げられる。
・部品を炉内に置いたまま、制御冷却を行う方法
・部品を熱的に遮断された室内に置いて冷ます方法
これらの徐冷作業は、5℃/分未満の速度で行われるが、消費エネルギーが大きく、材料や工具を固定しなければならないことから高額な費用がかかる。部品を徐冷しなければならないことによって、工場の生産性がかなり低下する。
本願明細書中、「1回以上の荒加工工程」とは、部品の1面以上の所定表面において材料超過分を70%以上除去できる切削加工を意味すると理解される。
見方を変えると、後述するように、仕上げ切削工程とは、それ自体は、部品の仕上げ寸法および必要な仕上げ表面状態とするために、残りの超過分、すなわち、第一切削工程を行う前の最初の超過分に対して30%未満の超過分を除去することによって行われるものである。
上記荒加工工程では、上記部品を少なくとも一台の基準支持台に押しつけて成形することが有利である。
本発明は、熱機械的変態工程を1回以上施したチタン合金部品の熱応力を緩和するための熱処理方法に関する。当該熱処理方法は、部品がクリープ現象によって自由に変形すること、および、応力緩和のための熱処理が、合金のβ変態(β転移)温度よりも高い温度、つまり、α相が完全に消えてβ相が優位となり、微細構造が体心立方構造へと変化する点より高い温度で行われることを特徴とする。
補正されたキャビティ型の寸法は、コンクリートと使用するチタン合金との1000℃付近での膨張差を考慮に入れた上で、得られる最終部品の形状や、チタンもしくは上記チタン合金のクリープ速度に応じたデジタルシミュレーションを行って決定する。
・5.50≦Al≦6.75
・3.50≦V≦4.50
・痕跡量≦Fe≦0.30
・痕跡量≦O≦0.20
・痕跡量≦C≦0.08
・痕跡量≦N≦0.05
・痕跡量≦H≦0.0125
・痕跡量<Y<0.005
その他の成分は、チタン、および、作製過程で混入した不純物で構成される。
なお、上記α+β合金は、AMS 4928 GR5(Aero Material Specification)に準じたチタン合金であることが好ましい。
処理時間は、部品の中心部の温度が熱的定常状態の温度に達するまでの時間に相当する。
・部品は常に一定の位置で一定の形状から切削され、
・切削基準をどの部品でも繰り返し利用でき、それにより、
・切削後の各部品は、必要とされる仕上げ寸法公差を満たすことができる。
プレスバリを基準支持台上に設けられた点状のベアリングに押しつけた状態で把持できるように、一連の点として圧力をかけることができる(機械的もしくは油圧)クランプなどの工具を使って、部品の1以上のバリを1台以上の基準支持台に押しつける。したがって、部品の形状は、点状のベアリングの位置によって決まる。
切削加工後、部品には下記に由来する多大な内部応力がかかっている。
・先の熱機械的処理工程および熱加工工程により発生した残留熱応力や残留結晶応力
・切削加工時に、部品を基準支持台に押しつけて(室温にて)成形した際に発生した応力
・いわゆる切削作業中に、切削工具によって発生した応力
・Al:6.15
・V:3.82
・Fe:0.17
・O:0.15
・C:0.05
・N:0.02
・H:0.005
その他の成分は、チタン、および、作製過程で混入した不純物で構成される。
・1100℃〜1160℃にて据え込み加工/引き抜き加工の一連作業;その後、
・約1050℃にて据え込み加工/引き抜き加工の一連作業;その後、
・900℃〜980℃にて、4(断面積を減少させつつ、高さHをその4倍の4Hにまで増加させる)のα−β熱間鍛造。
約5℃/分の速度で温度を1020℃〜1030℃の熱的定常状態まで上昇させる(温度の上昇が速ければ速いほど、冷却速度のより遅い領域で結晶粒が粗大化しないように、β変態温度で長時間保持して部品を弛緩させる必要性が減少する)。上記温度は、β変態温度よりも高い。本例でのTA6Vのβ変態温度は、正確な組成によれば約1000℃である。荒加工済予備成形品は上記熱的定常状態の温度で25分間保持された。
15 補正されたキャビティ型
20 荒加工済予備成形品
71 部品または予備成形品
75 プレスバリ
310 成形工具
315 補正されたキャビティ型
317 主要支持面
318 主要支持面
320 荒加工済予備成形品
410 成形工具
415 補正されたキャビティ型
417 主要支持面
418 主要支持面
420 荒加工済予備成形品
510 成形工具
530 台車
550 熱処理炉
610 成形工具
615 補正されたキャビティ型
620 荒加工済予備成形品
617a 主要支持面
617b 主要支持面
617c 主要支持面
710a 締め付け工具またはクランプ(開放位置)
710b 締め付け工具またはクランプ(閉鎖位置)
715 基準支持台
A 開放位置
B 閉鎖位置
J 空隙
Claims (22)
- チタン合金部品の製造方法であって、
予め熱機械的変態工程を1回以上施したチタン合金部品の内部応力を緩和するための熱処理を行い、
前記チタン合金部品は、応力緩和処理のために、緩和対象の部品を収容できるように補正されたキャビティ型を1台以上備えた成形工具に配置され、
当該熱処理では、「Tbt」で表されるβ変態(β転移)温度よりも高い温度「T1」で保持し、
前記部品が、部品の自重の影響、または、追加の荷重によるクリープ現象によって、拘束されることなく成形工具のキャビティ型に適合することを特徴とする製造方法。 - 前記チタン合金はα−β型であることを特徴とする、請求項1に記載の製造方法。
- 前記合金の最密六方微細構造から体心立方微細構造への変態を完了させるのに十分な時間、前記温度T1で保持することを特徴とする、請求項1または2に記載の製造方法。
- 前記温度T1は、Tbtよりも少なくとも5℃高い温度であることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一項に記載の製造方法。
- 5〜120分間、前記温度T1で保持することを特徴とする、請求項1〜4のいずれか一項に記載の製造方法。
- 前記温度T1での保持の後、冷却処理を5℃/分を超える冷却速度で、大気中で行うことを特徴とする、請求項1〜5のいずれか一項に記載の製造方法。
- 前記成形工具は、単一材料または複合材料の少なくとも1種類で形成されており、当該材料は、チタンまたは前記チタン合金よりも大きい熱慣性を有し、かつ、前記温度T1でのクリープ現象による大きさの変化が2mm未満であることを特徴とする、請求項1〜6のいずれか一項に記載の製造方法。
- 前記成形工具は、コンクリートまたは複合コンクリートで形成されていることを特徴とする、請求項7に記載の製造方法。
- 前記応力緩和熱処理工程の前に、少なくとも1回の荒加工工程を行うことを特徴とする、請求項1〜8のいずれか一項に記載の製造方法。
- 前記荒加工工程では、前記部品の表面の全体に処理が行われることを特徴とする、請求項9に記載の製造方法。
- 前記荒加工工程では、前記部品を少なくとも一台の基準支持台に押しつけて成形することを特徴とする、請求項9または10に記載の製造方法。
- 先に行われたプレス加工工程によって前記部品の周囲に形成された1以上のバリを基準支持台に押しつけることによって、前記部品を前記基準支持台に押しつけて成形することを特徴とする、請求項9〜11のいずれか一項に記載の製造方法。
- 前記応力緩和熱処理後に、前記チタン合金部品の仕上げ切削工程を1回以上行うことを特徴とする、請求項1〜12のいずれか一項に記載の製造方法。
- 前記チタン合金はTA6Vチタン合金であることを特徴とする、請求項1〜13のいずれか一項に記載の製造方法。
- 前記部品は、航空機用のエンジンパイロンの翼桁、ドアフレーム部材または構造フレーム部材であることを特徴とする、請求項1〜14のいずれか一項に記載の製造方法。
- 1以上の細長チタン合金部品、および/または、断面積比が2/1を超える断面積の差異を有するチタン合金部品をクリープ現象によって成形できるように補正されたキャビティ型を1台以上備えた成形領域を有する成形工具であって、
少なくとも1種類の単一材料または複合材料で形成されており、当該材料は、チタンまたは前記チタン合金よりも大きい熱慣性を有し、かつ、1060℃の温度でのクリープ現象による大きさの変化が2mm未満であることを特徴とする成形工具。 - コンクリートで形成されており、そのコンクリート内に等方的に分布した、湾曲したステンレス鋼繊維をさらに含んでいてもよいことを特徴とする、請求項16に記載の成形工具。
- 縦横比が10を超える細長部品、および/または、断面積比2/1を超える断面積の差異を有する互いに異なった複数の断面積を有する細長部品をクリープ現象によって成形できるように、前記キャビティ型の領域が調節されていることを特徴とする、請求項16または17に記載の成形工具。
- 前記チタン合金は、α−β相を有するタイプであることを特徴とする、請求項16〜18のいずれか一項に記載の成形工具。
- 前記チタン合金はTA6V合金であることを特徴とする、請求項16〜19のいずれか一項に記載の成形工具。
- 前記キャビティ型は、緩和対象の部品の少なくとも一部を支持できる支持面を2面以上有している
ことを特徴とする、請求項16〜20のいずれか一項に記載の成形工具。 - 請求項16〜21のいずれか一項に記載の成形工具を使用する、請求項1〜15のいずれか一項に記載の製造方法。
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