JP7387139B2 - チタン合金、その製造方法およびそれを用いたエンジン部品 - Google Patents
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Description
Al:5%以上8%以下、
Nb:1%以上3.5%以下、
Zr:1%以上8%以下、
Sn:0%以上3%以下、および、
Si:0.1%以上1%以下
を含有し、残部がTiおよび不可避不純物からなり、等軸α-Ti相と、前記等軸α-Ti相の粒界に位置し、シリサイドを含有するβ-Ti相とを有する組織を有し、前記β-Ti相は、前記等軸α-Ti相に対して、体積%で、0.5%以上20%以下の範囲であり、前記β-Ti相に含有されるシリサイドの含有量は、前記β-Ti相に対して、体積%で、0.05%以上20%以下の範囲であり、これにより上記課題を解決する。
本発明のチタン合金は、質量%で、
Al:5%以上8%以下、
Nb:1%以上3%以下、
Zr:1%以上8%以下、
Sn:0.3%以上3%以下、および、
Si:0.1%以上0.9%以下
を含有し、残部がTiおよび不可避不純物からなってもよい。
本発明のチタン合金は、質量%で、
Al:6%以上7.5%以下、
Nb:1%以上2.5%以下、
Zr:1.5%以上6%以下、
Sn:0%以上2.5%以下、および、
Si:0.1%以上0.6%以下
を含有し、残部がTiおよび不可避不純物からなってもよい。
前記β-Ti相は、前記等軸α-Ti相に対して、体積%で、1%以上10%以下の範囲であってもよい。
前記β-Ti相に含有されるシリサイドの含有量は、前記β-Ti相に対して、体積%で、1%以上10%以下の範囲であってもよい。
前記等軸α-Ti相の粒径は、5μm以上200μm以下の範囲であり、前記β-Ti相の厚さは、50nm以上10μm以下の範囲であってもよい。
前記等軸α-Ti相の粒径は、10μm以上50μm以下の範囲であり、前記β-Ti相の厚さは、50nm以上2μm以下の範囲であってもよい。
前記等軸α-Ti相の粒径は、10μm以上40μm以下の範囲であり、前記β-Ti相の厚さは、100nm以上1μm以下の範囲であってもよい。
前記シリサイドの粒径は、1nm以上5μm以下の範囲であってもよい。
前記シリサイドの粒径は、1nm以上1μm以下の範囲であってもよい。
前記シリサイドは、Ti5Si3相であってもよい。
α2-Ti3Al相をさらに含有してもよい。
本発明のチタン合金を製造する方法は、質量%で、Al:5%以上8%以下、Nb:1%以上3.5%以下、Zr:1%以上8%以下、Sn:0%以上3%以下、および、Si:0.1%以上1%以下を含有し、残部がTiおよび不可避不純物である材料から溶解法によりインゴットを溶製することと、前記インゴットを800℃以上1100℃以下の温度範囲において溶体化処理することと、前記溶体化処理されたインゴットを800℃以上1100℃以下の温度範囲において鍛造および/または圧延することと、前記鍛造および/または圧延された加工材料を800℃より大きく1100℃以下の温度範囲において熱処理することと、前記熱処理後の加工材料を0.001℃/秒以上10℃/秒以下の範囲の冷却速度で室温まで冷却することを包含し、これにより上記課題を解決する。
前記熱処理することは、前記加工材料を30分以上10時間以下の時間範囲で熱処理してもよい。
前記冷却することは、前記加工材料を0.1℃/秒以上1℃/秒以下の範囲の冷却速度で冷却してもよい。
前記冷却することに続いて、時効処理をすることをさらに包含してもよい。
前記時効処理をすることは、前記加工材料を300℃以上800℃以下の温度範囲で30分以上10時間以下の時間時効処理してもよい。
前記時効処理をすることに続いて、水冷することをさらに包含してもよい。
本発明のエンジン部品は、上記チタン合金からなり、これにより上記課題を解決する。
本願発明者らは、耐酸化特性を向上させる元素を添加したチタン合金に着目し、チタン合金の組成ならびに組織制御により粒界を強化し、クリープ特性を改善させることに成功した。
アルミニウム(Al):5%以上8%以下、
ニオブ(Nb):1%以上3.5%以下、
ジルコニウム(Zr):1%以上8%以下、
スズ(Sn):0%以上3%以下、および、
シリコン(Si):0.1%以上1%以下
を含有し、残部がチタン(Ti)および不可避不純物からなる。なお、不可避不純物の例としては、窒素(N)、イットリウム(Y)、ホウ素(B)、マグネシウム(Mg)、塩素(Cl)、銅(Cu)、水素(H)、炭素(C)等を挙げられ、原料中に含有する不可避不純物である。本発明のチタン合金の組織は、等軸α-Ti相と、その粒界にシリサイドを含有するβ-Ti相とを有する。このような組織により粒界が強化され、クリープ特性が向上し得る。
本発明のチタン合金は、好ましくは、質量%で、
Al:5%以上8%以下、
Nb:1%以上3.5%以下、
Zr:1%以上8%以下、
Sn:0%以上3%以下、および、
Si:0.1%以上1%以下
を含有し、残部がTiおよび不可避不純物からなってもよい。この場合も、上述した等軸α-Ti相と、等軸α-Ti相の粒界に位置し、シリサイドを含有するβ-Ti相とを有する組織を有する。
Al:5%以上8%以下、
Nb:1%以上3%以下、
Zr:1%以上8%以下、
Sn:0.3%以上3%以下、および、
Si:0.1%以上0.9%以下
を含有し、残部がTiおよび不可避不純物からなってもよい。この場合も、上述した等軸α-Ti相と、等軸α-Ti相の粒界に位置し、シリサイドを含有するβ-Ti相とを有する組織を有する。
Al:6%以上7.5%以下、
Nb:1%以上2.5%以下、
Zr:1.5%以上6%以下、
Sn:0%以上2.5%以下、および、
Si:0.1%以上0.6%以下
を含有し、残部がTiおよび不可避不純物からなってもよい。この場合も、上述した等軸α-Ti相と、等軸α-Ti相の粒界に位置し、シリサイドを含有するβ-Ti相とを有する組織を有する。
例1~例8の合金試料は、次のようにして調製された。表1の組成を満たすよう、スポンジTi、Alペレット、Nb粒状原料、Zr粒状原料、Sn粒状原料、Si粒状原料を秤量し、高周波溶解によって溶解し、インゴットを溶製した(図1のステップS110)。次いで、得られたインゴットを900℃で30分間、溶体化処理した(図1のステップS120)。その後、溶体化処理したインゴットを、900℃で鍛造および溝ロール圧延した(図1のステップS130)。このようにして、15mm角の棒状の加工材料を得た。加工材料を表1に示す熱処理温度で3時間、大気雰囲気中、熱処理した(図1のステップS140)。次いで、熱処理後の加工材料を表1に示す冷却速度で室温まで冷却した(図1のステップS150)。例6~例8の試料については、冷却後、650℃で5時間時効処理を施し、水冷した。なお、水冷を冷却速度に換算すると、100℃/秒をはるかに超えた。
図3は、(a)例3、(b)例4および(c)例5の試料の組織を示すSEM像である。
図4は、(a)例6、(b)例7および(c)例8の試料の組織を示すSEM像である。
図5は、例6の試料のEDS元素マッピングの結果を示す図である。
Claims (19)
- 質量%で、
Al:5%以上8%以下、
Nb:1%以上3.5%以下、
Zr:1%以上8%以下、
Sn:0%以上3%以下、および、
Si:0.1%以上1%以下
を含有し、残部がTiおよび不可避不純物からなり、
等軸α-Ti相と、前記等軸α-Ti相の粒界に位置し、シリサイドを含有するβ-Ti相とを有する組織を有し、
前記β-Ti相は、前記等軸α-Ti相に対して、体積%で、0.5%以上20%以下の範囲であり、
前記β-Ti相に含有されるシリサイドの含有量は、前記β-Ti相に対して、体積%で、0.05%以上20%以下の範囲である、チタン合金。 - 質量%で、
Al:5%以上8%以下、
Nb:1%以上3%以下、
Zr:1%以上8%以下、
Sn:0.3%以上3%以下、および、
Si:0.1%以上0.9%以下
を含有し、残部がTiおよび不可避不純物からなる、請求項1に記載のチタン合金。 - 質量%で、
Al:6%以上7.5%以下、
Nb:1%以上2.5%以下、
Zr:1.5%以上6%以下、
Sn:0%以上2.5%以下、および、
Si:0.1%以上0.6%以下
を含有し、残部がTiおよび不可避不純物からなる、請求項1に記載のチタン合金。 - 前記β-Ti相は、前記等軸α-Ti相に対して、体積%で、1%以上10%以下の範囲である、請求項1~3のいずれかに記載のチタン合金。
- 前記β-Ti相に含有されるシリサイドの含有量は、前記β-Ti相に対して、体積%で、1%以上10%以下の範囲である、請求項1~4のいずれかに記載のチタン合金。
- 前記等軸α-Ti相の粒径は、5μm以上200μm以下の範囲であり、
前記β-Ti相の厚さは、50nm以上10μm以下の範囲である、請求項1~5のいずれかに記載のチタン合金。 - 前記等軸α-Ti相の粒径は、10μm以上50μm以下の範囲であり、
前記β-Ti相の厚さは、50nm以上2μm以下の範囲である、請求項6に記載のチタン合金。 - 前記等軸α-Ti相の粒径は、10μm以上40μm以下の範囲であり、
前記β-Ti相の厚さは、100nm以上1μm以下の範囲である、請求項7に記載のチタン合金。 - 前記シリサイドの粒径は、1nm以上5μm以下の範囲である、請求項1~8のいずれかに記載のチタン合金。
- 前記シリサイドの粒径は、1nm以上1μm以下の範囲である、請求項9に記載のチタン合金。
- 前記シリサイドは、Ti5Si3相である、請求項1~10のいずれかに記載のチタン合金。
- α2-Ti3Al相をさらに含有する、請求項1~11のいずれかに記載のチタン合金。
- 質量%で、Al:5%以上8%以下、Nb:1%以上3.5%以下、Zr:1%以上8%以下、Sn:0%以上3%以下、および、Si:0.1%以上1%以下を含有し、残部がTiおよび不可避不純物である材料から溶解法によりインゴットを溶製することと、
前記インゴットを800℃以上1100℃以下の温度範囲において溶体化処理することと、
前記溶体化処理されたインゴットを800℃以上1100℃以下の温度範囲において鍛造および/または圧延することと、
前記鍛造および/または圧延された加工材料を800℃より大きく1100℃以下の温度範囲において熱処理することと、
前記熱処理後の加工材料を0.001℃/秒以上10℃/秒以下の範囲の冷却速度で室温まで冷却することと
を包含する、請求項1に記載のチタン合金の製造方法。 - 前記熱処理することは、前記加工材料を30分以上10時間以下の時間範囲で熱処理する、請求項13に記載の製造方法。
- 前記冷却することは、前記加工材料を0.1℃/秒以上1℃/秒以下の範囲の冷却速度で冷却する、請求項13または14に記載の製造方法。
- 前記冷却することに続いて、時効処理をすることをさらに包含する、請求項13~15のいずれかに記載の製造方法。
- 前記時効処理をすることは、前記加工材料を300℃以上800℃以下の温度範囲で30分以上10時間以下の時間時効処理する、請求項16に記載の製造方法。
- 前記時効処理をすることに続いて、水冷することをさらに包含する、請求項17に記載の製造方法。
- 請求項1~12のいずれかに記載のチタン合金からなるエンジン部品。
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