JP5992398B2 - チタン合金製品の鋳造方法、チタン合金及び物品 - Google Patents
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Description
本願は、2010年4月30日に出願された米国仮特許出願第61/330,081号の利益を主張する。そのすべては本明細書に参照として組み入れられる。
本発明の主題の開発に関する活動は、少なくとも一部が米国政府陸軍契約第W15QKN−09−C−0144号及び第W15QKN−09−C−0026号による資金提供を受けている。すなわち、米国は本発明に所定の権利を有する。
公称組成が重量%で4.5Al、3.0V、2.0Cr、1.5Mo、1.0Sn、0.40Fe、0.15O、及び残部Tiである溶融物が調製された。上述のように、この例示的合金は、成分に平均(公称)値プラス又はマイナス10パーセントの範囲のばらつきを含む。当該合金は、Ti6−4の鋳造スクラップを適切な合金添加物とともに再溶融することにより部分的に鋳造された。鋳造スクラップは、当該鋳造物の少なくとも約75%を占めていた。当該鋳造物は、重さが約13kgであり、高さ約15cm、幅約15cm、及び深さ約15cmが測定された。当該合金は、アルゴン雰囲気において900℃及び約100MPaの熱間静水圧圧縮成形を2時間受け、室温までゆっくり冷却され、その後950℃において1時間溶体化され、及び、約1℃/秒から約2℃/秒の推定冷却速度において加圧ガスにより室温まで焼き入れされた。ガスの圧力は約2気圧であった。Kαは、9.3×10−20m2・mol/J・sとして計算された。様々な焼き戻し条件に対し、各条件ごとに2つの試料を使用して引張強さ及びKQ破壊靱性が測定された。合金Aと鋳造Ti6−4との測定された特性の比較は以下の表3に示されている。
反例としてQTTi−1B合金を調製するに際し、公称組成が重量%で4.5Al、3.0V、2.0Cr、1.5Mo、1.0Sn、0.40Fe、0.15O、0.01B、及び残部Tiである溶融物が調製された。QTTi−1A合金との唯一の意図的な差異は、合金添加物であるホウ素にある。上述のように、この合金は、成分に平均(公称)値プラス又はマイナス10パーセントの範囲のばらつきを含む。当該合金は、Ti6−4の鋳造スクラップを適切な合金添加物とともに再溶融することにより部分的に鋳造された。鋳造スクラップは、当該鋳造物の少なくとも約75%を占めていた。当該鋳造物は、重さが約13kgであり、高さ約15cm、幅約15cm、及び深さ約15cmが測定された。当該合金は、アルゴン雰囲気において900℃及び約100MPaの熱間静水圧圧縮成形を2時間受け、室温までゆっくり冷却され、その後950℃において1時間溶体化され、及び、加圧ガスにより室温まで焼き入れされた。ガスの圧力は約2気圧であった。QTTi−1B合金と鋳造Ti6−4の測定された特性の引張強さとKQ破壊靱性との比較を表3に示す。ホウ素が、鋳造に対する成長制限因子への付加的利益を与え得る一方、凝固温度範囲を急速に増加させる。さらに、ホウ素がチタンにおいて低固溶性を有することと、当該合金の靱性及び延性を低減させ得るホウ化物粒子を形成し得ることがわかった。
反例としてQTTi−1C合金を調製するに際し、公称組成が重量%で4.5Al、3.0V、2.0Cr、1.5Mo、1.0Sn、0.40Fe、0.15O、0.10Y、及び残部Tiである溶融物が調製された。QTTi−1A合金との唯一の意図的な差異は、合金添加物であるイットリウムにある。当該合金は、Ti6−4の鋳造スクラップを適切な合金添加物とともに再溶融することにより部分的に鋳造された。鋳造スクラップは、当該鋳造物の少なくとも約75%を占めていた。当該鋳造物は、重さが約13kgであり、高さ約15cm、幅約15cm、及び深さ約15cmが測定された。当該合金は、アルゴン雰囲気において900℃及び約100MPaの熱間静水圧圧縮成形を2時間受け、室温までゆっくり冷却され、その後950℃において1時間溶体化され、及び、加圧ガスにより室温まで焼き入れされた。アルゴンガスの圧力は約2気圧であった。QTTi−1C合金と鋳造Ti6−4の測定された特性の引張強さとKQとの比較を表3に示す。イットリウムは強力な酸化物形成体であり、したがって、これは、靱性及び延性に有害となる過剰な量のイットリア粒子を形成した。このため、イットリウム、スカンジウム、及び希土類元素は、本明細書に開示されている実施例に係る合金において実質的に回避される。
本明細書に開示される実施例に係る合金内の組成の効果を評価するべく、一連の7つのモデル合金が調製された。当該モデル合金の組成は、上述の表2に列挙されている。それぞれ約20グラムの重さである当該モデル合金のボタンが、不活性アルゴン雰囲気内でアーク溶融された。7つのモデル合金はすべて、QTTi−1A合金と同じアルミニウム、バナジウム、酸素、及び鉄の含有量を有し、クロム、モリブデン、及びスズの含有量に差異がある。7つのモデル合金すべてに対し、β変態温度、Kα、及びマルテンサイト開始温度はすべて類似する。その結果、これらはすべて、類似する微細スケールの相互に組み合う「かご織り」微細構造を示す。
公称組成が重量%で4.3Al、2.8V、1.5Mo、1.6Cr、0.4Fe、0.1Zr、0.15O、及び残部Tiである溶融物が調製された。合金添加物であるスズを実質的に排除することにより、当該合金のコストが低減される。表2に列挙される測定組成はさらに、当該合金中にある偶発的量のジルコニウムを示す。当該合金は、Ti6−4の鋳造スクラップを適切な合金添加物とともに再溶融することにより部分的に鋳造された。鋳造スクラップは、当該鋳造物の少なくとも約70%を占めていた。当該鋳造物は、重さが約13kgであり、高さ約15cm、幅約15cm、及び深さ約15cmが測定された。当該合金は、アルゴン雰囲気において900℃及び約100MPaの熱間静水圧圧縮成形を2時間受け、室温までゆっくり冷却され、その後950℃において1時間溶体化され、及び、加圧ガスにより室温まで焼き入れされた。ガスの圧力は約2気圧であった。その結果、約1℃/秒から約2℃/秒の冷却速度が得られた。QTTi−2A合金の引張強さ及び伸びを図15に示す。QTTi−2Aは所定の冷却速度において、QTTi−1Aと比較して強度が低下するが延性は増加する。QTTi−2Aは、かご織り微細構造を示す。
公称組成が重量%で5.7Al、3.6V、4Mo、1.9Cr、0.4Fe、0.5Zr、0.15O、及び残部Tiである溶融物が調製された。表2に列挙される測定組成はさらに、当該合金中にある偶発的量のジルコニウムを示す。当該合金は、Ti6−4の鋳造スクラップを適切な合金添加物とともに再溶融することにより部分的に鋳造された。鋳造スクラップは、当該鋳造物の少なくとも約75%を占めていた。当該鋳造物は、重さが約13kgであり、高さ約15cm、幅約15cm、及び深さ約15cmが測定された。当該合金は、アルゴン雰囲気において900℃及び約100MPaの熱間静水圧圧縮成形を2時間受け、室温までゆっくり冷却され、その後950℃において1時間溶体化され、及び、加圧ガスにより室温まで焼き入れされた。ガスの圧力は約2気圧であった。その結果、約1℃/秒から約2℃/秒の冷却速度が得られた。QTTi−2B合金の引張強さ及び伸びを図15に示す。QTTi−1A及びQTTi−2Aと比べると、QTTi−2Bは高強度及び低延性を示す。当該微細構造はかご織りモルフォロジを示し、当該機械的特性は、QTTi−1A及びQTTi−2Aを含む強度・延性帯域の高強度端上にある。
Claims (9)
- チタン合金製品を鋳造する方法であって、
(a)4.0から5.5重量%のアルミニウム、0から1.0重量%のスズ、2.5から3.5重量%のバナジウム、1.0から2.0重量%のモリブデン、1.0から2.0重量%のクロム、0.30から0.55重量%の鉄、0.25から0.3重量%の酸素、0から0.005重量%のホウ素、並びに0から0.2重量%の他の偶発的元素及び不純物を含んで残りの重量パーセントはチタンからなる溶融物を形成することと、
(b)前記溶融物を鋳造することと、
(c)ステップ(b)から得られた合金を前記合金のβ変態温度を超える温度において焼き鈍ししてβ相の単相微細構造を形成することと、
(d)六方最密晶微細構造を有するα相を含むかご織りα相ラス構造を形成するべく、ステップ(c)から得られた合金をβ相からα相まで0.03℃/秒から10℃/秒の冷却速度で冷却することと
を含む方法。 - ステップ(d)は、ステップ(c)から得られた合金を2気圧まで加圧されたガスにより冷却することを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記焼き鈍しは950℃までの温度において行われる、請求項1又は2に記載の方法。
- チタン合金であって、
4.0から5.5重量%のアルミニウム、0から1.0重量%のスズ、2.5から3.5重量%のバナジウム、1.0から2.0重量%のモリブデン、1.0から2.0重量%のクロム、0.15から0.35重量%の酸素、0から0.007重量%のホウ素、0から0.20重量%の他の偶発的元素及び不純物、0.30から0.55重量%の鉄、並びにチタンからなる残りの重量パーセントからなり、
前記合金は、六方最密晶微細構造を有するα相を含むかご織りα相ラス構造、少なくとも10%の引張伸び、及び960MPaよりも大きい引張強さを特徴とするチタン合金。 - 前記かご織りα相ラス構造のラスは、最長寸法で100ミクロン以下のサイズである、請求項4に記載のチタン合金。
- 請求項4又は5に記載のチタン合金から形成された物品。
- 熱間静水圧圧縮成形によって鋳造物の空隙率を最小化することを、ステップ(c)による焼き鈍しの前に含む、請求項1に記載の方法。
- 前記溶融物はスクラップのチタン合金を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記スクラップのチタン合金はTi6−4を含む、請求項8に記載の方法。
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