WO2023181654A1

WO2023181654A1 - チタン合金材及びチタン合金部品の製造方法

Info

Publication number: WO2023181654A1
Application number: PCT/JP2023/003402
Authority: WO
Inventors: 昂今野; 義男逸見; 明夫岡本; 功和枩倉
Original assignee: 株式会社神戸製鋼所
Priority date: 2022-03-24
Filing date: 2023-02-02
Publication date: 2023-09-28

Abstract

本発明は、加工時にひずみが加えられた場合でも、高温耐久性に優れるチタン合金部品を形成できるチタン合金材を提供することを目的とする。本発明の一態様に係るチタン合金材は、Ａｌ：０．２質量％以上０．５質量％以下、Ｓｉ：０．３質量％以上０．６質量％以下を含み、下記式１で表されるＭｏ当量［Ｍｏ］ｅｑが０．３５以上であり、残部がＴｉ及び不可避的不純物である。［Ｍｏ］ｅｑ＝［Ｍｏ］＋［Ｔａ］／５＋［Ｎｂ］／３．６＋［Ｗ］／２．５＋［Ｖ］／１．５＋１．２５［Ｃｒ］＋１．２５［Ｎｉ］＋１．７［Ｍｎ］＋１．７［Ｃｏ］＋２．５［Ｆｅ］　・・・１　但し、上記式１における［Ｘ］は、チタン合金材における元素Ｘの含有量［質量％］を意味する。

Description

チタン合金材及びチタン合金部品の製造方法

　本発明は、チタン合金材及びチタン合金部品の製造方法に関する。

　内燃機関の排気管等には、軽量でかつ意匠性を高められる等の観点から、チタン材又はチタン合金材が用いられている。排気管等の部品は、板状のチタン材又はチタン合金材に曲げ加工やプレス加工を施すことで形成される。そのため、チタン材又はチタン合金材には、圧延によって形成でき、かつ加工のための十分な延性を備えていることが必要とされる。

　この部品は、内燃機関の振動や、二輪車、四輪車等の車両の走行に基づく振動に耐えられるように設計される。また、この部品は、内燃機関の排気によって高温にさらされるため、耐酸化性が高いことが求められる（特許文献１参照）。

特開２００７－２７０１９９号公報

　チタン材又はチタン合金材を用いた部品では、加工時にひずみが加わった部分で粒成長が促進しやすくなる。その結果、疲労強度が低下し、高温耐久性が低下しやすくなる。

　特許文献１には、Ｓｉを特定量含むとともに、Ａｌを積極的に規制することで、チタン合金の耐高温酸化性を向上できることが記載されている。しかしながら、特許文献１では、加工時に加えられるひずみと高温耐久性との関係については検討されていない。

　本発明は、このような事情に基づいてなされたもので、加工時にひずみが加えられた場合でも、高温耐久性に優れるチタン合金部品を形成できるチタン合金材を提供することを目的とする。また、本発明は、高温耐久性に優れるチタン合金部品を製造できるチタン合金部品の製造方法を提供することを目的とする。

　本発明の一態様に係るチタン合金材は、Ａｌ：０．２質量％以上０．５質量％以下、Ｓｉ：０．３質量％以上０．６質量％以下を含み、下記式１で表されるＭｏ当量［Ｍｏ］ｅｑが０．３５以上であり、残部がＴｉ及び不可避的不純物である。
［Ｍｏ］ｅｑ＝［Ｍｏ］＋［Ｔａ］／５＋［Ｎｂ］／３．６＋［Ｗ］／２．５＋［Ｖ］／１．５＋１．２５［Ｃｒ］＋１．２５［Ｎｉ］＋１．７［Ｍｎ］＋１．７［Ｃｏ］＋２．５［Ｆｅ］　・・・１
　但し、上記式１における［Ｘ］は、チタン合金材における元素Ｘの含有量［質量％］を意味する。

　本発明の別の一態様に係るチタン合金部品の製造方法は、Ａｌ：０．２質量％以上０．５質量％以下、Ｓｉ：０．３質量％以上０．６質量％以下を含み、下記式１で表されるＭｏ当量［Ｍｏ］ｅｑが０．３５以上であり、残部がＴｉ及び不可避的不純物であるチタン合金材を用い、３％以上８％以下のひずみを加える加工工程を備える。
［Ｍｏ］ｅｑ＝［Ｍｏ］＋［Ｔａ］／５＋［Ｎｂ］／３．６＋［Ｗ］／２．５＋［Ｖ］／１．５＋１．２５［Ｃｒ］＋１．２５［Ｎｉ］＋１．７［Ｍｎ］＋１．７［Ｃｏ］＋２．５［Ｆｅ］　・・・１
　但し、上記式１における［Ｘ］は、チタン合金材における元素Ｘの含有量［質量％］を意味する。

　本発明の一態様に係るチタン合金材は、加工時にひずみが加えられた場合でも、高温耐久性に優れるチタン合金部品を形成できる。また、本発明の別の一態様に係るチタン合金部品の製造方法は、高温耐久性に優れるチタン合金部品を製造できる。

図１は、本発明の一実施形態に係るチタン合金部品の製造方法を示すフロー図である。図２は、Ｎｏ．１のチタン合金材における破断部を含む断面組織を示す光学顕微鏡写真である。図３は、Ｎｏ．２のチタン合金材における破断部を含む断面組織を示す光学顕微鏡写真である。

［本発明の実施形態の説明］
　最初に本発明の実施態様を列記して説明する。

　当該チタン合金材は、Ａｌ及びＳｉの含有量が上記範囲であることに加えて、上記式１で表されるＭｏ当量が上記下限以上であるので、加工のための延性に優れると共に、耐酸化性に優れており、かつ加工時にひずみが加えられた場合でも、高温耐久性を維持することができる。

　当該チタン合金材は、下記式２をさらに満たすとよい。
１０≦３．４［Ａｌ］＋１３．４［Ｓｉ］＋１３．９［Ｍｏ］ｅｑ≦１４・・・２

　このように、当該チタン合金材は、上記式２を満たすことで、加工のための延性、高温強度及びひずみが加えられた場合の高温耐久性を全体としてより向上することができる。

　上記式１において、０．１≦［Ｎｂ］≦０．５を満たすとよい。このようにすることで、耐酸化性及びひずみが加えられた場合の高温耐久性をより向上することができる。

　５％のひずみが加えられた部分を含むように曲げ加工を行ったうえで、８００℃で１００時間保持したときの曲げ加工部分における板厚１／４の位置のチタン合金の平均結晶粒径が３０μｍ以下であるとよい。このように構成されることで、疲労強度を高め高温耐久性を向上することができる。

　当該チタン合金部品の製造方法は、Ａｌ及びＳｉの含有量が上記範囲であることに加えて、上記式１で表されるＭｏ当量が上記下限以上であるチタン合金材を用いるので、高温耐久性に優れるチタン合金部品を製造できる。

　なお、本発明において、「ひずみ」とは、公称ひずみεを意味する。また、「３％以上８％以下のひずみを加える」とは、ε＝ΔＬ／Ｌ_０（ΔＬ：長さの変化分、Ｌ_０：変化前の長さ）とした場合に、３≦ε×１００≦８となる部分が存在していることを意味する。

　「曲げ加工部分における板厚１／４の位置」とは、曲げ加工部分の外周面を基準とした１／４の位置を意味する。

［本発明の実施形態の詳細］
　以下、適宜図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を詳説する。なお、本明細書に記載されている数値については、記載された上限値と下限値との一方のみを採用すること、或いは上限値と下限値を任意に組み合わせることが可能である。

＜チタン合金材＞
　当該チタン合金材は、Ａｌ：０．２質量％以上０．５質量％以下、Ｓｉ：０．３質量％以上０．６質量％以下を含み、下記式１で表されるＭｏ当量［Ｍｏ］ｅｑが０．３５以上であり、残部がＴｉ及び不可避的不純物である。
［Ｍｏ］ｅｑ＝［Ｍｏ］＋［Ｔａ］／５＋［Ｎｂ］／３．６＋［Ｗ］／２．５＋［Ｖ］／１．５＋１．２５［Ｃｒ］＋１．２５［Ｎｉ］＋１．７［Ｍｎ］＋１．７［Ｃｏ］＋２．５［Ｆｅ］　・・・１
　但し、上記式１における［Ｘ］は、チタン合金材における元素Ｘの含有量［質量％］を意味する。

　当該チタン合金材は、例えば板状である。当該チタン合金材は、例えば内燃機関の排気管等のチタン合金部品に形成される。上記排気管としては、例えば自動二輪車や自動四輪車等の車両用のものが挙げられ、エキゾーストマニホールド、エキゾーストパイプ、触媒マフラー、プリマフラー、サイレンサー（メインマフラー）等のマフラー部材を含む。

（Ａｌ）
　Ａｌ（アルミニウム）は、当該チタン合金材において、主にα相に固溶し、固溶強化によって高温強度を向上させる。当該チタン合金材におけるＡｌの含有量の下限としては、上述のように０．２質量％であり、０．３質量％が好ましい。一方、当該チタン合金材におけるＡｌの含有量の上限としては、上述のように０．５質量％である。上記含有量が上記下限に満たないと、高温強度が不十分となるおそれがある。逆に、上記含有量が上記上限を超えると、当該チタン合金材の延性が不十分となり、内燃機関の排気管等への加工が困難になるおそれがある。

（Ｓｉ）
　Ｓｉ（ケイ素）は、当該チタン合金材のクリープ特性及び耐酸化性を向上させる。当該チタン合金材におけるＳｉの含有量の下限としては、上述のように０．３質量％であり、０．４質量％が好ましい。一方、当該チタン合金材におけるＳｉの含有量の上限としては、上述のように０．６質量％であり、０．５質量％が好ましい。上記含有量が上記下限に満たないと、耐酸化性の向上効果が十分に得られないおそれがある。逆に、上記含有量が
上記上限を超えると、当該チタン合金材の延性が不十分となり、内燃機関の排気管等への加工が困難になるおそれがある。

（Ｍｏ当量）
　上述のように、当該チタン合金材は、上記式１で表されるＭｏ当量（モリブデン当量）が０．３５以上である。このＭｏ当量は、β相の安定性を示す指標として用いられる。すなわち、当該チタン合金材において、Ｍｏ当量は、β相安定化元素の含有量としての意味合いを有する。当該チタン合金材は、プレス加工や曲げ加工などの加工を経てチタン合金部品に形成される。加工による変形量は部分によって異なるが、１０％を超えるようなひずみが加えられた部分では、高温において再結晶が生じるため、金属組織の急激な粗大化は生じない。一方で、５％前後のひずみが加えられた部分では、高温において金属組織が急激に粗大化し、耐久性が低下する。そのため、当該チタン合金材において十分な高温耐久性を得るためには、５％前後のひずみが加えられた場合でも金属組織の急激な粗大化を抑制できることが望ましい。この観点において、本発明者らが鋭意検討したところ、Ｍｏ当量を上記下限以上とすることで、５％前後のひずみが加えられた場合でも、高温における金属組織の急激な粗大化を抑制できるとの知見を得た。

　上記Ｍｏ当量の下限としては、上述のように０．３５であり、０．４が好ましい。一方、上記Ｍｏ当量の上限としては、０．８が好ましく、０．６がより好ましい。上記Ｍｏ当量が上記下限に満たないと、加工によるひずみ（特に５％前後のひずみ）が加えられた場合に粒成長を抑制することができず、金属組織が粗大化することで、高温耐久性が不十分となるおそれがある。逆に、上記Ｍｏ当量が上記上限を超えると、当該チタン合金材の延性が不十分となるおそれがある。

　当該チタン合金材は、下記式２をさらに満たすことが好ましい。
１０≦３．４［Ａｌ］＋１３．４［Ｓｉ］＋１３．９［Ｍｏ］ｅｑ≦１４・・・２

　当該チタン合金材は、上記式２を満たすことで、加工のための延性、高温強度及びひずみが加えられた場合の高温耐久性を全体としてより向上することができる。より詳しく説明すると、当該チタン合金材は、上記式２のうち、［Ａｌ］及び［Ｓｉ］を大きくすることで高温における強度を大きくすることができる。また、当該チタン合金材は、上記式２のうち、［Ｍｏ］ｅｑを大きくすることで高温における強度を維持しやすくなる。そのため、当該チタン合金材は、上記式２において、１０≦３．４［Ａｌ］＋１３．４［Ｓｉ］＋１３．９［Ｍｏ］ｅｑとすることで、高温における強度を大きくすると共に、この強度を十分に維持することができ、これによって高温における疲労特性を向上することができる。さらに、当該チタン合金材は、上記式２において、３．４［Ａｌ］＋１３．４［Ｓｉ］＋１３．９［Ｍｏ］ｅｑ≦１４とすることで、延性が不十分となることを抑制することができる。

　当該チタン合金材にあっては、上記Ｍｏ当量が所望の範囲内であればよく、β相を安定化するための元素（β相安定化元素）の種類は、特に限定されない。すなわち、β相安定化元素としては、Ｍｏ（モリブデン）、Ｔａ（タンタル）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｗ（タングステン）、Ｖ（バナジウム）、Ｃｒ（クロム）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｍｎ（マンガン）、Ｃｏ（コバルト）、Ｆｅ（鉄）のいずれを含んでいてもよい。但し、当該チタン合金材は、β相安定化元素として、Ｎｂを含むことが好ましい。Ｎｂは、比較的微量の添加で当該チタン合金材の耐酸化性を向上することができる。また、Ｎｂは、比較的含有量を大きくしても、当該チタン合金材の延性の低下を抑制することができる。

　上記β相安定化元素として、Ｎｂを含む場合、当該チタン合金材は、上記式１において、０．１≦［Ｎｂ］≦０．５を満たすことが好ましい。すなわち、当該チタン合金材におけるＮｂの含有量の下限としては、０．１質量％が好ましい。また、Ｎｂの含有量の下限としては、０．２質量％がより好ましい。一方、当該チタン合金材におけるＮｂの含有量の上限としては、０．５質量％が好ましい。また、Ｎｂの含有量の上限としては、０．３質量％がより好ましい。上記含有量が上記下限に満たないと、当該チタン合金材の耐酸化性を効果的に向上することが容易でなくなるおそれがある。逆に、上記含有量が上記上限を超えると、当該チタン合金材の延性が不十分となるおそれがある。

（不可避的不純物）
　当該チタン合金材において、その他の元素は、Ｔｉ及び不可避的不純物である。当該チタン合金材には、鉱石及び製造方法に起因して、一般に不可避的不純物が含まれる。

　当該チタン合金材に含まれ得る不可避的不純物としては、例えばＣ（炭素）、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｐｄ（パラジウム）、Ｎ（窒素）、Ｏ（酸素）等が挙げられる。上記不可避的不純物としてＣを含む場合、Ｃの含有量としては、例えば０．０５質量％以下とすることができる。上記不可避的不純物としてＦｅを含む場合、Ｆｅの含有量としては、例えば０．１質量％以下とすることができる。上記不可避的不純物としてＮｉ、Ｃｒ又はＰｄを含む場合、これらの元素の含有量としては、例えば各元素について０．０１質量％以下とすることができる。上記不可避的不純物としてＮを含む場合、Ｎの含有量としては、例えば０．０１質量％以下とすることができる。上記不可避的不純物としてＯを含む場合、Ｏの含有量としては、例えば０．２質量％以下とすることができる。

　上記不可避的不純物のうち、Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｒは、上述のβ相安定化元素に含まれる。そのため、当該チタン合金材は、上記不可避的不純物として、Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｒの１種又は２種以上を含むことで、Ｍｏ当量を大きくすることが可能である。なお、当該チタン合金材は、Ｍｏ当量を大きくする観点から、Ｆｅ、Ｎｉ及びＣｒの１種又は２種以上を積極的に添加することも可能である。

　上記不可避的不純物のうち、Ｆｅ及びＯは、強度延性バランスの調整に利用できる。また、Ｏは、常温で延性を確保できる限り、本発明の効果に影響を及ぼさない。当該チタン合金材は、Ｆｅ、Ｏ等の濃度の高い原料を使用して強度を高めることが可能であり、これとは反対に純度の高い原料を使用して、より厳しい成形の要求に対応できる高成形性を得ることも可能である。

（平均結晶粒径）
　当該チタン合金材において、５％のひずみが加えられた部分を含むように曲げ加工を行ったうえ、８００℃で１００時間保持したときの曲げ加工部分における板厚１／４の位置のチタン合金の平均結晶粒径の上限としては、疲労強度を高め高温耐久性を向上する観点から、３０μｍが好ましく、２０μｍがより好ましく、１８μｍがさらに好ましい。一方、上記平均結晶粒径の下限としては、特に限定されるものではないが、例えば部品加工時の成形性確保の観点から、３μｍであってもよく、６μｍであってもよい。なお、「チタン合金の平均結晶粒径」とは、板厚１／４の位置が中心（測定位置）となるように曲げ加工部分における断面を４００倍で３視野撮影した組織写真から切断法を用いて測定される値を意味する。

　曲げ加工部分におけるチタン合金の平均結晶粒径は、例えば当該チタン合金材の製造過程における圧延条件を制御し、元の素材の平均結晶粒径を小さくすることでも調整できる。より詳しくは、例えば当該チタン合金材は、熱間圧延工程及び冷間圧延工程を経て板状に形成される。上記チタン合金の平均結晶粒径は、上記熱間圧延工程及び上記冷間圧延工程の一方又は両方の圧延率（圧延前の板厚をｈ１、圧延後の板厚をｈ２とした場合、（ｈ１－ｈ２）／ｈ１で算出される値）を制御することで調整できる。

　上記熱間圧延工程は、０．６以上０．９以下の圧延率で圧延する工程を含むことが好ましい。上記熱間圧延工程は、例えば粗圧延工程及び仕上げ圧延工程を含んでいる。上記粗圧延工程及び上記仕上げ圧延工程は、例えば分塊工程の後に行われる。上記熱間圧延工程では、上記粗圧延工程及び上記仕上げ圧延工程のうちのいずれの工程における圧延率を上記範囲内に制御してもよい。ただ、上記熱間圧延工程では、上記仕上げ圧延工程における圧延率を上記範囲内に制御することが好ましい。

　上記圧延率の下限としては、組織をより均一化させて粒成長の抑制効果を高める観点から、上述のように０．６が好ましく、０．６５がより好ましく、０．７がさらに好ましい。また、上記圧延率の上限としては、表層の酸素影響層除去に伴う歩留まり低下を防ぐ観点から、上述のように０．９とすることができる。すなわち、当該チタン合金板は、上記熱間圧延工程において、０．６以上０．９以下の圧延率で圧延されたものであってもよく、０．６５以上０．９以下の圧延率で圧延されたものであってもよく、０．７以上０．９以下の圧延率で圧延されたものであってもよい。

　上記冷間圧延工程は、０．５以上０．９以下の圧延率で圧延する工程を含むことが好ましい。上記圧延率の下限としては、組織をより均一化させて粒成長の抑制効果を高める観点から、上述のように０．５が好ましく、０．６がより好ましく、０．６５がさらに好ましい。また、上記圧延率の上限としては、端部の割れ除去に伴う歩留まり低下を防ぐ観点から、上述のように０．９とすることができる。すなわち、当該チタン合金板は、上記冷間圧延工程において、０．５以上０．９以下の圧延率で圧延されたものであってもよく、０．６以上０．９以下の圧延率で圧延されたものであてもよく、０．６５以上０．９以下の圧延率で圧延されたものであってもよい。

＜チタン合金部品の製造方法＞
　図１を参照して、本発明の一実施形態に係るチタン合金部品の製造方法について説明する。

　当該チタン合金部品の製造方法は、Ａｌ：０．２質量％以上０．５質量％以下、Ｓｉ：０．３質量％以上０．６質量％以下を含み、下記式１で表されるＭｏ当量［Ｍｏ］ｅｑが０．３５以上であり、残部がＴｉ及び不可避的不純物であるチタン合金材を用い、３％以上８％以下のひずみを加える加工工程Ｓ１を備える。
［Ｍｏ］ｅｑ＝［Ｍｏ］＋［Ｔａ］／５＋［Ｎｂ］／３．６＋［Ｗ］／２．５＋［Ｖ］／１．５＋１．２５［Ｃｒ］＋１．２５［Ｎｉ］＋１．７［Ｍｎ］＋１．７［Ｃｏ］＋２．５［Ｆｅ］　・・・１
　但し、上記式１における［Ｘ］は、チタン合金材における元素Ｘの含有量［質量％］を意味する。

＜チタン合金材の製造方法＞
　当該チタン合金部品の製造に用いられるチタン合金材は、例えば上述の熱間圧延工程及び冷間圧延工程を経て製造することができる。具体的には、当該チタン合金材の製造方法は、Ａｌ：０．２質量％以上０．５質量％以下、Ｓｉ：０．３質量％以上０．６質量％以下を含み、上記式１で表されるＭｏ当量［Ｍｏ］ｅｑが０．３５以上であり、残部がＴｉ及び不可避的不純物である板材を熱間圧延する熱間圧延工程と、上記熱間圧延工程によって得られた熱延板を冷間圧延する冷間圧延工程とを備える。また、当該チタン合金材の製造方法は、鋳塊が凝固した際の粗大な金属組織を持つ素材を分塊することで上記板材を形成する分塊工程と、上記冷間圧延工程によって得られた冷延板を熱処理する熱処理工程とを備える。

　当該チタン合金材の製造方法は、下記（ａ）及び（ｂ）の少なくともいずれかの要件を満たすことが好ましい。また、当該チタン合金材の製造方法は、下記（ａ）及び（ｂ）の両方の要件を満たすことがより好ましい。
（ａ）上記熱間圧延工程が、０．６以上０．９以下の圧延率で圧延する工程を含む。
（ｂ）上記冷間圧延工程が、０．５以上０．９以下の圧延率で圧延する工程を含む。

（分塊工程）
　上記分塊工程では、鋳塊が凝固した際の粗大な金属組織を持つ素材に対して分塊鍛造または分塊圧延もしくはその両方を施すことで、上記熱間圧延工程に供する板材を形成する。上記分塊工程では、上記熱間圧延工程よりも高い温度（例えば９００℃以上１１００℃以下の温度）で上記素材を加工する。

（熱間圧延工程）
　上記熱間圧延工程は、例えば粗圧延工程及び仕上げ圧延工程を含む。上記仕上げ圧延工程は、上記熱間圧延工程における最後の圧延手順として行われる。上記熱間圧延工程では、上記粗圧延工程及び上記仕上げ圧延工程のうちのいずれの工程における圧延率を上記（ａ）の要件を満たすように制御してもよい。ただ、上記熱間圧延工程では、上記仕上げ圧延工程における圧延率を上記（ａ）の要件を満たすように制御することが好ましい。上記（ａ）の要件について、より好ましい圧延率としては、当該チタン合金材について説明した範囲と同じである。

（冷間圧延工程）
　上記冷間圧延工程は、上記熱間圧延工程によって得られた熱延板に対して、焼鈍、空冷、平面研削等を行った後に実施されてもよい。上記（ｂ）の要件について、より好ましい圧延率としては、当該チタン合金材について説明した範囲と同じである。

（熱処理工程）
　上記熱処理工程では、例えば上記冷間圧延工程によって得られた冷延板に対して、仕上げ焼鈍を施す。上記熱処理工程における熱処理温度としては、例えば６００℃以上７００℃以下とすることができる。また、上記熱処理工程における熱処理時間としては、例えば１０時間以上４０時間以下とすることができる。

　当該チタン合金部品の製造方法は、上述の当該チタン合金材を用いて例えば内燃機関の排気管等のチタン合金部品を製造する。上記排気管としては、例えば自動二輪車や自動四輪車等の車両用のものが挙げられ、エキゾーストマニホールド、エキゾーストパイプ、触媒マフラー、プリマフラー、サイレンサー（メインマフラー）等のマフラー部材を含む。

（加工工程）
　加工工程Ｓ１では、当該チタン合金材に３％以上８％以下のひずみを加えて所望の形状に加工する。換言すると、加工工程Ｓ１では、当該チタン合金材の少なくとも一部に３％以上８％以下のひずみが加わるように、当該チタン合金材を所望の形状に加工する。例えば加工工程Ｓ１で当該チタン合金材を曲げ加工する場合、上記範囲内のひずみが加えられる部分は、板厚方向（径方向）における一部の領域であってもよい。上述のように、当該チタン合金材は、５％前後のひずみが加えられた場合でも、高温における金属組織の急激な粗大化を抑制することができる。そのため、当該チタン合金部品の製造方法は、加工工程Ｓ１を備えることで、所望の形状を有すると共に、耐酸化性及び高温耐久性に優れるチタン合金部品を製造することができる。

＜利点＞
　当該チタン合金材は、Ａｌ及びＳｉの含有量が上述の範囲であることに加えて、上述の式１で表されるＭｏ当量が上記下限以上であるので、加工のための延性に優れると共に、耐酸化性に優れており、かつ加工時にひずみが加えられた場合でも、高温耐久性を維持することができる。

　当該チタン合金部品の製造方法は、Ａｌ及びＳｉの含有量が上述の範囲であることに加えて、上述の式１で表されるＭｏ当量が上記下限以上であるチタン合金材を用いるので、高温耐久性に優れるチタン合金部品を製造できる。

［その他の実施形態］
　上記実施形態は、本発明の構成を限定するものではない。従って、上記実施形態は、本明細書の記載及び技術常識に基づいて上記実施形態各部の構成要素の省略、置換又は追加が可能であり、それらは全て本発明の範囲に属するものと解釈されるべきである。

　以下、実施例に基づき本発明を詳述するが、この実施例の記載に基づいて本発明が限定的に解釈されるものではない。

（サンプルの作製）
　表１に示す組成を有しており、かつ板厚が０．９ｍｍのチタン合金材（チタン合金板）を作製した。なお、表１において、各元素の含有量は、サンプル作製時の配合割合を示している。表１中の「－」は、配合していないことを意味している。

（高温耐久性）
　Ｎｏ．１及びＮｏ．２のチタン合金材について、圧延によって４．８％から４．９％のひずみを加えたうえで、東京衡機試験機社製のシェンク式平面曲げ疲労試験機「ＰＴＦ－１６０」を用いて、８００℃の大気中にて曲げ疲労試験を行った。この曲げ疲労試験は、試験温度（８００℃）で試験片を３０分間以上保持した後に開始した。試験条件は、応力振幅約８０ＭＰａ、応力比－１の板厚方向への両振り負荷とし、周波数は２５Ｈｚとし、初期負荷応力が５０％まで低下した時点を破断と判定した。Ｎｏ．１のチタン合金材については、繰り返し数１．３０×１０^５回で破断したのに対し、Ｎｏ．２のチタン合金材は、繰り返し数３．０７×１０^５回まで破断しなかった。Ｎｏ．１のチタン合金材について、繰り返し数１．３０×１０^５回後における破断部を含む断面組織を図２に示す。また、Ｎｏ．２のチタン合金材について、繰り返し数３．０７×１０^５回後における破断部を含む断面組織を図３に示す。なお、曲げ疲労試験開始前において、Ｎｏ．１及びＮｏ．２のチタン合金の平均結晶粒径はいずれも１０μｍ程度であった。

　図２に示すように、Ｎｏ．１のチタン合金材は、曲げ疲労試験における高温保持により金属組織が粗大化している。また、曲げ疲労試験によって生じた亀裂は、結晶粒界に沿っており、金属組織の粗大化が、疲労寿命の低下につながったことが分かる。これに対し、Ｎｏ．２のチタン合金材は、金属組織が細かく保たれており、このことが高温における曲げ疲労特性（すなわち、高温耐久性）の向上につながったと考えられる。

　本発明者らがさらに調査したところ、Ｎｏ．２のチタン合金材において金属組織が細かく保てている主たる根拠は、チタンのβ相のピン留め効果にあることが分かった。この知見を基に、Ｎｏ．２からＮｏ．９について、Ｍｏ当量を調整しつつ、以下の試験を行い、チタン合金材の品質について評価した。また、Ｎｏ．２からＮｏ．９について、３．４［Ａｌ］＋１３．４［Ｓｉ］＋１３．９［Ｍｏ］ｅｑの値を算出した。この結果を表２に示す。

（粒成長１）
　Ｎｏ．２からＮｏ．７及びＮｏ．９について、５％のひずみが加えられた部分を含むように曲げ加工を行ったうえで、８００℃で１００時間保持し、曲げ加工部分の板厚１／４の位置（曲げ加工部分の外周面を基準とした１／４の位置）におけるひずみ部分の金属組織の粗大化の有無を以下の基準で評価した。なお、チタン合金の平均結晶粒径は、板厚１／４の位置が中心（測定位置）となるように曲げ加工部分における断面を４００倍で３視野撮影した組織写真から切断法を用いて測定した。また、８００℃で保持する前において、Ｎｏ．２からＮｏ．９のチタン合金の平均結晶粒径はいずれも１０μｍ程度であった。この結果を表２に示す。
Ａ：平均結晶粒径が３０μｍ以下に制御できている。
Ｂ：平均結晶粒径が３０μｍ以下に制御できていない。

（伸び）
　Ｎｏ．２からＮｏ．９のチタン合金材について、引張荷重軸が圧延方向と平行となるようにＡＳＴＭ　Ｅ８／Ｅ８Ｍに準拠して、サブサイズ引張試験片を切り出し、室温で、ひずみ速度を０．２％耐力取得までは０．５％／ｍｉｎ、０．２％耐力取得から破断までは１２．８ｍｍ／ｍｉｎとして、引張試験を行い、伸び［％］を求めた。この結果を表２に示す。

（酸化重量増加量）
　Ｎｏ．２からＮｏ．９のチタン合金材について、それぞれ長さ５０ｍｍ、幅２０ｍｍの試験片を切り出し、曲率半径６ｍｍで長さ方向と曲げ線が垂直になるように９０°曲げを行ったうえ、大気中で、１００時間、８００℃±１４℃以内の温度に保持し、その後空冷した。加熱前後で試験片の重量を測定し、表面積当たりの酸化重量増加量［ｍｇ／ｃｍ^２］を算出した。この結果を表２に示す。

（高温強度）
　Ｎｏ．２からＮｏ．９のチタン合金材について、Ｇ．Ｌ．（Ｇａｕｇｅ　Ｌｅｎｇｔｈ：応力のかかる有効距離）２３ｍｍの試験片を切り出し、８００℃の大気中にて、引張速度を０．２％耐力取得までは０．１３ｍｍ／ｍｉｎ、０．２％耐力取得から破断までは１．２５ｍｍ／ｍｉｎとして、引張試験を行い、高温強度（８００℃における引張強度）［ＭＰａ］を求めた。この結果を表２に示す。

（粒成長２）
　Ｎｏ．２からＮｏ．７及びＮｏ．９の組成を有するチタン合金材について、５％のひずみが加えられた部分を含むように曲げ加工を行ったうえで、８００℃で１００時間保持したときの曲げ加工部分における板厚１／４の位置（曲げ加工部分の外周面を基準とした１／４の位置）のチタン合金の平均結晶粒径を上記と同様の測定方法で測定した。なお、チタン合金材としては、以下の製造工程を経て形成されたものを用いた。
　表１に示す組成を有する鋳塊を１０００℃で３０分加熱した後、板厚２０ｍｍまで加工した。その後、片面１ｍｍ切削除去し板厚１８ｍｍとした。次いで８５０℃で３０分間加熱し、その後直ちに板厚１６ｍｍから４ｍｍまで熱間圧延を行った。得られた熱延板を７５０℃で５分間焼鈍し、空冷した後、表面の酸化スケール除去のための平面研削を行い、さらに板厚３．５ｍｍから０．９ｍｍまで冷間圧延を行った。その後、最終仕上げとして、６６０℃×２８時間（均熱時間）の真空焼鈍を行い、チタン合金材を得た。
　この結果を表２に示す。

［評価結果］
　表１及び表２に示しているように、Ａｌの含有量が０．２質量％以上０．５質量％以下で、Ｓｉの含有量が０．３質量％以上０．６質量％以下であり、かつＭｏ当量が０．３５以上であるＮｏ．２からＮｏ．７は、粒成長が十分に抑制されており、かつ伸び、酸化重量増加量、及び高温強度のいずれについても好ましい値となっている。特に、Ｎｏ．２のチタン合金材は、必要な伸びを有しつつ、酸化重量増加量を十分に低くすると共に、高温強度を向上できている。一方で、Ｎｏ．８のチタン合金材は、Ａｌを含有していないため、酸化重量増加量が大きく、かつ高温強度が不十分となっている。また、Ｎｏ．９のチタン合金材は、Ｍｏ当量が小さいため、粒成長が抑制できておらず、かつ酸化重量増加量が大きくなっている。

　以上説明したように、本発明の一態様に係るチタン合金材は、ひずみを加えつつも、高温耐久性に優れるチタン合金部品を形成するのに適している。

Claims

　Ａｌ：０．２質量％以上０．５質量％以下、
　Ｓｉ：０．３質量％以上０．６質量％以下
　を含み、
　下記式１で表されるＭｏ当量［Ｍｏ］ｅｑが０．３５以上であり、
　残部がＴｉ及び不可避的不純物であるチタン合金材。
［Ｍｏ］ｅｑ＝［Ｍｏ］＋［Ｔａ］／５＋［Ｎｂ］／３．６＋［Ｗ］／２．５＋［Ｖ］／１．５＋１．２５［Ｃｒ］＋１．２５［Ｎｉ］＋１．７［Ｍｎ］＋１．７［Ｃｏ］＋２．５［Ｆｅ］　・・・１
　但し、上記式１における［Ｘ］は、チタン合金材における元素Ｘの含有量［質量％］を意味する。
　下記式２をさらに満たす請求項１に記載のチタン合金材。
１０≦３．４［Ａｌ］＋１３．４［Ｓｉ］＋１３．９［Ｍｏ］ｅｑ≦１４・・・２
　上記式１において、０．１≦［Ｎｂ］≦０．５を満たす請求項１又は請求項２に記載のチタン合金材。
　５％のひずみが加えられた部分を含むように曲げ加工を行ったうえで、８００℃で１００時間保持したときの曲げ加工部分における板厚１／４の位置のチタン合金の平均結晶粒径が３０μｍ以下である請求項１又は請求項２に記載のチタン合金材。
　Ａｌ：０．２質量％以上０．５質量％以下、
　Ｓｉ：０．３質量％以上０．６質量％以下
　を含み、
　下記式１で表されるＭｏ当量［Ｍｏ］ｅｑが０．３５以上であり、
　残部がＴｉ及び不可避的不純物であるチタン合金材を用い、
　３％以上８％以下のひずみを加える加工工程を備えるチタン合金部品の製造方法。
［Ｍｏ］ｅｑ＝［Ｍｏ］＋［Ｔａ］／５＋［Ｎｂ］／３．６＋［Ｗ］／２．５＋［Ｖ］／１．５＋１．２５［Ｃｒ］＋１．２５［Ｎｉ］＋１．７［Ｍｎ］＋１．７［Ｃｏ］＋２．５［Ｆｅ］　・・・１
　但し、上記式１における［Ｘ］は、チタン合金材における元素Ｘの含有量［質量％］を意味する。