(57)【要約】  細かい構成品を接合または組立てるために使用される、超微細サブミクロン粒子チタニウムまたはチタニウム合金製品（７８）を製造する方法。粗粒子状のチタニウムまたはチタニウム合金材料（５２）を、管理された圧力および温度の下で、低温ミル加工によって機械的に大幅に超微細サブミクロン粒子粉末に変形し、ガス抜きし、圧密化する。そのような材料から得られた締結部材、製品、または構成品は、この超微細サブミクロン粒子材料構造に関連する、改良された材料性能を有する。
2007515551.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超微細サブミクロン粒子チタニウムまたはチタニウム合金製品を製造する方法であって、
第１粒子径を持つ、粗い粒子状チタニウムまたはチタニウム合金材料を提供するステップと、
該粗い粒子状チタニウムまたはチタニウム合金材料を低温でミル加工し、前記第１粒子径より小さい第２粒子径を持つ超微細サブミクロン粒子材料とするステップと、
該超微細サブミクロン粒子チタニウムまたはチタニウム合金材料をガス抜きするステップと、
該超微細サブミクロン粒子材料を緻密化し、緻密化された超微粒子材料を成形するステップと、
該緻密化された超微細サブミクロン粒子チタニウムまたはチタニウム合金材料から製品を成形するステップと、
を含む方法。
【請求項２】
成形が、後続の熱加工を含まない、請求項１記載の方法。
【請求項３】
成形の後さらに熱加工を含む、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記超微細サブミクロンの第２粒子径の材料が、ナノ結晶性の範囲内にある、請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記超微細サブミクロン粒子材料を緻密化して緻密化超微細サブミクロン粒子材料を成形するステップが、該超微細サブミクロン粒子材料を熱間静圧圧縮成形し、緻密化超微細サブミクロン粒子材料を成形するステップを含む、請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記超微細サブミクロン粒子材料を緻密化して緻密化超微細サブミクロン粒子材料を成形するステップが、該超微細サブミクロン粒子材料をセラコン型鍛造圧密化し、緻密化超微細サブミクロン粒子材料を成形するステップを含む、請求項１記載の方法。
【請求項７】
緻密化が、少なくとも部分的に窒素雰囲気下で前記材料を緻密化することを含む、請求項１記載の方法。
【請求項８】
緻密化が、少なくとも部分的にアルゴン雰囲気下で前記材料を緻密化することを含む、請求項１記載の方法。
【請求項９】
成形が押出しを含む、請求項１記載の方法。
【請求項１０】
請求項記載の加工により成形された製品である、請求項１記載の方法。
【請求項１１】
前記チタニウム合金材料がＴｉ−６Ａｌ−４Ｖで構成される、請求項１記載の方法。
【請求項１２】
前記チタニウム合金材料が商業的に純粋なチタニウムで構成される、請求項１記載の方法。
【請求項１３】
前記チタニウム合金材料がＴｉ−５Ａｌ−２．５Ｓｎで構成される、請求項１記載の方法。
【請求項１４】
前記チタニウム合金材料が、β−Ｔｉ−Ｍｏおよびα−Ｔｉ−Ａｌのような２成分系チ
タニウム組成物からなる群から選択される、請求項１記載の方法。
【請求項１５】
前記低温でのミル加工が、前記粒子材料の寸法が約１００〜５００ナノメートルの間になるまで低温でミル加工することを含む、請求項１記載の方法。
【請求項１６】
前記低温でのミル加工が、前記粒子材料の寸法が約１００〜３００ナノメートルの間になるまで低温でミル加工することを含む、請求項１記載の方法。
【請求項１７】
低温でのミル加工が、少なくとも部分的に窒素雰囲気下でまたは少なくとも部分的にアルゴン雰囲気下で行われる、請求項１記載の方法。
【請求項１８】
前記ミル加工が、
前記チタニウムまたはチタニウム合金材料を低温ミル加工装置の撹拌チャンバーに導入するステップと、
該チタニウムまたはチタニウム合金材料を、前記粗い粒子状チタニウムまたはチタニウム合金材料に機械的変形を与え、該チタニウムまたはチタニウム合金材料に関し超微細サブミクロン粒子構造を成形するために充分な所定の時間、ミル加工手段と接触させるステップと、
該超微細サブミクロン粒子チタニウムまたはチタニウム合金材料を、出口を通してまたは他の方法で前記撹拌チャンバーから取り出すステップとを含む、請求項１記載の方法。
【請求項１９】
前記超微細サブミクロン粒子構造の粒子径が、約１００ナノメートルと４００ナノメートルの間である、請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
前記超微細サブミクロン粒子構造の粒子径が、約１００ナノメートルと３００ナノメートルの間である、請求項１８記載の方法。
【請求項２１】
第１粒子径を持つ粗い粒子チタニウムまたはチタニウム合金材料を提供するステップが、約０．０５ミリメートルの粒子径を持つ粗い粒子状チタニウムまたはチタニウム合金材料を提供するステップを含む、請求項１８記載の方法。
【請求項２２】
前記超微細サブミクロン粒子チタニウムまたはチタニウム合金材料から製品を機械的に成形するステップが、該超微細サブミクロン粒子チタニウムまたはチタニウム合金材料から製品を冷間加工するステップを含む、請求項１８記載の方法。
【請求項２３】
さらに、前記チタニウムまたはチタニウム合金材料を液体水素温度付近に冷却することを含む、請求項１８記載の方法。
【請求項２４】
ミル加工が、ステアリン酸添加物とともにミル加工することを含む、請求項１記載の方法。
【請求項２５】
さらに、
前記超微細サブミクロン粒子チタニウムまたはチタニウム合金材料を機械的成形型の、締結部材または他の締結製品あるいは装置の一般的な形状を持つ空洞内に導入するステップと、
該超微細サブミクロン粒子チタニウムまたはチタニウム合金材料を切断するステップと、切断した超微細サブミクロン粒子チタニウムまたはチタニウム合金材料を前記冷間成形型から取り出すステップとを含む、請求項１４記載の方法。
【請求項２６】
さらに、前記切断された超微細サブミクロン粒子チタニウムまたはチタニウム合金材料
を、人工的に寝かせることを含む、請求項２５記載の方法。
【請求項２７】
超微細サブミクロン粒子チタニウムまたはチタニウム合金材料を冷間成形型の空洞内に導入するステップが、超微細サブミクロン粒子チタニウムまたはチタニウム合金材料を、ラムを使用する冷間成形型の空洞に導入するステップを含む、請求項２５記載の方法。
【請求項２８】
前記超微細サブミクロン粒子チタニウムまたはチタニウム合金材料を切断するステップが、シェア装置を使用して、該超微細サブミクロン粒子チタニウムまたはチタニウム合金材料を切断するステップを含む、請求項２５記載の方法。
【請求項２９】
前記超微細サブミクロン粒子構造の粒子径が、約１００ナノメートルと４００ナノメートルの間である、請求項２５記載の方法。
【請求項３０】
前記超微細サブミクロン粒子構造の粒子径が、約１００ナノメートルと３００ナノメートルの間である、請求項２５記載の方法。
【請求項３１】
超微細サブミクロン粒子チタニウムまたはチタニウム合金製品を製造する方法であって、
第１粒子径を持つ、粗い粒子状チタニウムまたはチタニウム合金材料を提供するステップと、
過冷却された混合チャンバー内で、該粗い粒子チタニウムまたはチタニウム合金材料を低温でミル加工し、前記第１粒子径より小さい超微粒子材料とするステップと、
該超微細サブミクロン粒子チタニウムまたはチタニウム合金材料をガス抜きするステップと、
該超微細サブミクロン粒子材料を圧密化し、緻密化された超微粒子材料を成形するステップと、
該緻密化された超微細サブミクロン粒子チタニウムまたはチタニウム合金材料から製品を成形するステップと、
を含む方法。
【請求項３２】
前記第１粒子径が、約０．０５ミリメートルである、請求項３１記載の方法。
【請求項３３】
前記超微細第２粒子径が、１００ナノメートルと５００ナノメートルの間である、請求項３１記載の方法。
【請求項３４】
前記超微粒子径が、１００ナノメートルと３００ナノメートルの間である、ナノメートル請求項３１記載の方法。
【請求項３５】
低温でのミル加工が、スラリー内のチタニウムを液体窒素で低温ミル加工することを含む、請求項３１記載の方法。
【請求項３６】
低温ミル加工が、スラリー内のチタニウムを液体窒素およびアルゴンまたはヘリウムで低温ミル加工することを含む、請求項３５記載の方法。
【請求項３７】
低温ミル加工が、スラリー内のチタニウムを液体アルゴンまたは液体ヘリウムで低温ミル加工することを含む、請求項３１記載の方法。
【請求項３８】
圧密化が、ＨＩＰ加工を使用して圧密化することを含む、請求項３１記載の方法。
【請求項３９】
圧密化が、セラコン型鍛造を使用して圧密化することを含む、請求項３１記載の方法。
【請求項４０】
ミル加工が、ステアリン酸添加物とともにミル加工することを含む、請求項３１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に、チタニウムおよびチタニウム合金製品を製造する方法に関し、さらに詳しくは、超微細サブミクロン粒子チタニウムおよびチタニウム合金製品を製造する方法、およびそれによって製造される製品に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、チタニウムおよびチタニウム合金製品を製作する場合、熱処理あるいは加熱処理加工がその製造法の中に含まれている。これらのステップで、材料粒子径をできる限り小さなレベルで製造し、それを維持することが確保される。そのようなものとして、材料に施される任意の冷間あるいは熱間加工または形成とともに、完全な焼きなまし、すなわち再結晶、または少なくとも応力除去加熱処理ステップを採用することが通常の慣例である。これらの熱的処理あるいは加熱処理製造ステップをなくすための徹底的な試みがあり、このステップは、チタニウム、チタニウム合金製品またはリベット、締付けボルトまたはねじ付きピンのような締結部材の製造に関連する加工サイクル時間はもとよりコストの約２０％までの割合を占めることもある。
【０００３】
形成された材料の得られた粒子径は、他の特性の中でも、延性と強度にとって重要である。一般に、Ｎｏ６以上と同定される粒子径（すなわち、ＡＳＴＭ  Ｅ  １１２で規定されるＮｏ．５以下）は、殆どの機械的作業または成形操作において望ましくない。現在、成形される材料の粒子径は、普通、粒子径６〜１０の範囲である。存在場所に依って粒子径が著しく相違するとされる二重粒子径も避けるべきである。粒子径は特別に重要なもので、一般的に、材料はより高いレベルで機械的に成形または変形されるので、その重要性の度合いは増す。通例、粒子が細かくなるほど、結果として得られる成形性は良くなる。最近のＧｙｓｌｅｒらによる研究、「時効硬化チタニウム合金の延性における粒子径の影響」によれば、チタニウムおよびチタニウム合金材料において、粒子径が小さくなるほど、それに正比例して材料特性が改良されるという関係があることが実証されている。粒子径が小さくなるほど、材料の強度が改良され、延性が増し、耐腐食性が強化されることが示されている。
【０００４】
現在、チタニウムおよびチタニウム合金製品、または締結部材のような構成品の製作において、付加的な熱または加熱処理ステップは必要であり、製造工程中に含まれている。これら後続のステップは、製造工程中に材料に与えられる、機械的作用または成形によって生じる粒子径への影響を相殺または埋め合わせることを目的とする。
【０００５】
先に示したように、粒子径は特に重要なものであり、一般的に、材料を成形する生産レベルは徐々に高くなっているので、重要性の度合いも増加している。通例、粒子が細かくなるにつれ、成形性およびそれに関連する他の特性は良くなる。このことは、アルミニウムおよびアルミニウム合金の場合には長期間公知であり、したがって十分に実証されている。チタニウムおよびチタニウム合金に関しては、粒子径と他の材料特性との間の関係を実証する研究は多くはなされていない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、最近の研究では、チタニウムおよびチタニウム合金材料において、粒子径がより小さく、すなわち細かくなるほど、それに正比例して材料特性が改良されるという関係があることが実証されている。したがって、加工ステップの数を減らしつつ、粒子径がよ
り小さなチタニウムおよびチタニウム合金製品を成形する方法を提供することが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
発明の概要
本発明は、好ましくは、低温ミル加工（またはクライオミリング）し、圧密化することによってチタニウムまたはチタニウム合金製品を成形し、そうすることで粒子径を非常に小さくし、それと同時に均一性を改良した微細構造の材料を製造することによって達成される、厳密な機械的変形を利用する。
【０００８】
後続の熱的または加熱処理加工ステップなしに超微細サブミクロン粒子冶金学的構造を達成するためには、チタニウムまたはチタニウム合金製品の加工において、厳密な機械的変形を達成する低温ミル加工技術を利用するのが望ましい。低温ミル加工またはクライオミリングは、金属材料の化学的および冶金学的構造組成を変性する粉末冶金加工である。クライオミリング、すなわち高エネルギーアトライタ型ボールミル装置を使用する低温ミル加工を金属合金粉末に適用すると、金属材料の微細構造は、厳密な機械的変形によって非常に小さく、極細かい粉末コンシステンシーとなり、次いで最終的に再び圧密化する。アルミニウムおよびアルミニウム合金材料で実証されているように、クライオミリング加工された材料は、サブミクロン粒子微細構造となる。
【０００９】
アルミニウムおよびアルミニウム合金に関する最近の試験から、そのような方法で製造された、この最終的なクライオミリング加工されたナノ結晶性材料の微細構造は、改良された材料特性を示し、その大部分がサブミクロン粒子径の直接的な結果であることが確認されている。
【００１０】
クライオミリング加工をチタニウムおよびチタニウム合金材料に適用することによって粒子径は非常に小さくなり、それによって、後続の熱処理または加熱処理操作の必要性の代わりに、改良された特性を持つ材料を製造できる。したがって、標準の、より大きな粗い粒子径の焼きなましされた材料の代わりに、クライオミリング加工されたサブミクロン粒子材料を使用することによって、チタニウムおよびチタニウム合金構成品、および締結部材を製造する過程全体を短くすることができ、同時に非常に小さくされた粒子径から直接得られる、劇的に改良された特性を持つナノ結晶性材料を提供できる。
【００１１】
次いで、締結部材または構成品を、クライオミリング加工された、ナノ結晶性材料から、付加的なインプロセス熱処理または加熱処理ステップを必要とすることなく、「成形される」または「Ｆ」条件で、直接製造する。これは、締結部材の製造コストを低減させると同時に締結部材が不適正に熱処理されるかもしれない可能性をなくす。また、クライオミリング加工によって製造される超微細サブミクロン粒子のナノ結晶性冶金学的構造の結果、締結部材の特性および性能の関連する改良を実現できる。
【００１２】
現在の製造慣例によれば、得られる材料の粒子径をできるだけ小さなレベルに維持することを確保するために、チタニウムおよびチタニウム合金材料の加工において行われる付加的な加熱処理加工ステップを始めとして、相当な努力が求められる。低温でミル加工された材料を使用することによって、得られる材料の粒子径が改良されるばかりでなく、他の関連する材料特性も同時に改良しながら、これらの付加的な製造ステップ、すなわち熱処理または加熱処理をなくすことができる。
【００１３】
低温ミル加工、すなわち液体水素または窒素中で過冷却された金属粉末の機械的合金化と、チタニウム粉末冶金とを組合わせることによって、得られる超微細サブミクロン粒子ナノ結晶性材料は、押出しおよび鍛造の形で製造されてもよい。クライオミリングによっ
て、高強度で安定な超微細サブミクロン粒子径材料粉末が製造される。クライオミリング加工された粉末がＨＩＰ加工によって再び圧密化された後の得られたナノ結晶性粒子径は、均一であり、サブミクロンである。一度クライオミリング加工された粉末が圧密化されると、押出しまたは引き抜き加工され、航空宇宙用締結部材のような高強度チタニウムおよびチタニウム合金の構成品および製品の製造に使用することができる種々の形状にしてもよい。
【００１４】
次いで、加工されたナノ結晶性材料は、冷間または熱間加工を含む典型的な締結部材に関連する、普通の製造ステップに供することができるが、付加的な後続の熱処理ステップは必要としない。さらに、Ｔｉ−６Ａ１−４Ｖのような従来の加熱処理されたチタニウム合金締結部材よりも優れた高強度締結部材への要求を満足させるために、加工および合金化学的パラメータをさらに調整することによって、耐腐食性のような機械的および化学的特性を調整することが可能になる。これら改良された長所の根本原因は、チタニウムまたはチタニウム合金の従来の熱的処理において通常存在する、互いに密着した析出硬化相がないことである。これらの相は、塑性ひずみ局所、すなわちひび割れおよび応力腐食割れを促進する。
【００１５】
本発明の一態様では、超微細サブミクロン粒子チタニウムまたはチタニウム合金製品を製造する方法は、第１粒子径を持つ、粗い粒子状チタニウムまたはチタニウム合金材料を提供し、該粗い粒子状チタニウムまたはチタニウム合金材料を、少なくとも部分的に窒素、炭素、水素および鉄雰囲気下で低温ミル加工し、超微細サブミクロン粒子が凝集した材料とし、該超微細サブミクロン粒子チタニウムまたはチタニウム合金の凝集材料をガス抜きし、該超微細サブミクロン粒子材料を緻密化または圧密化して、圧密化されたかまたは充分に緻密化された超微細サブミクロン粒子の高強度および非常に均質な材料を成形し、該完全に緻密化された超微細サブミクロン粒子チタニウムまたはチタニウム合金材料から製品を機械的に成形するかまたは製作することを含む。
【００１６】
本発明の方法は、後続の熱処理あるいは加熱処理を採用することなく、顕著に改良された特性を有する超微細サブミクロン粒子材料微細構造を有利に生産する。したがって、締結部材のような、チタニウムまたはチタニウム合金材料製品を製造する全体の加工時間を短くすることができ、そうすることによって、製造コストおよび関連するサイクル時間を減少させると同時に、不適正に加熱処理されることによって起こる特性のような、締結部材に関する加工ばらつきの可能性をなくすかあるいは減らす。
【００１７】
また、低温ミル加工によって製造された製品内に得られた超微細サブミクロン粒子冶金学的構造の結果として、従来のまたは現在の技術による製造方法を使用して製造された製品と比較して、延性および破壊靭性のような種々の機械的特性の関連する改良が実現できる。これによって、この方法を採用して製造された製品の用途に応じた実質的なコスト削減がもたらされる。たとえば、宇宙産業において使用されるこの新しい方法に従って製造された締結部材は、寸法を減らしつつ、機械的特性のレベルは同じに保つことができる。さらに、これら増強された機械的特性によって、細かい構造的な成品を固定し、連結し、あるいは組立てるために現在必要としている締結部材の量を、全体的に減らすようにすることができる。締結部材の量および寸法の減少によって、従来技術と比較して、さらにコスト削減および労力節約が増大することになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明を実施する好ましい形態
図１を参照すると、超微細サブミクロン粒子冶金学的構造を持つチタニウムまたはチタニウム合金製品を製造する論理フローチャートが、一般的に、１０として示されている。加工は、ステップ１２において、粗い粒子チタニウムまたはチタニウム合金原料粉末を、
高エネルギー低温アトライタ型ボールミル装置へ導入することによって始まる。先に列挙したチタニウムまたはチタニウム合金材料粉末は、当技術分野で周知の任意のチタニウムまたはチタニウム合金材料で構成されていてよい。商業的に純粋な（ＣＰ）および２成分系チタニウム合金、たとえば、Ｔｉ−６Ａｌ−４ＶおよびＴｉ−５Ａｌ−２．５Ｓｎの２つの好ましい組成物を含む、β−Ｔｉ−Ｍｏおよびα−Ｔｉ−Ａｌが、本発明では、特に挙げられる。
【００１９】
温度および他のガスの導入を含む低温ミル加工は、管理されている。ガスは、アルゴン、ヘリウムおよび／または窒素を含み、チタニウム酸化物またはチタニウム硝酸塩を形成してもよい。温度は、液体アルゴンまたは液体窒素のような過冷却された液体ガス源を使用して管理されている。一実施例では、ミルは約−３２０°Ｆに保たれる。
【００２０】
ステップ１４で、最初の粗い粒子チタニウムまたはチタニウム合金原料粉末がミルに導入され、高エネルギー低温アトライタ型ボールミル装置内で、好ましくはステンレス鋼ボールのような手段を使って撹拌することによって加工し、原料供給素材を充分に均質化し、厳密な機械的変形を与え、超微細サブミクロン粒子微細構造を造る。初期粒子径は、ＡＳＴＭ  Ｅ  １１２に規定される粒子径６以下が好ましい。得られる粒子径は、４００〜１００ナノメートルが好ましく、３００ナノメートルと１００ナノメートルの間がさらに好ましい。低温ミル加工装置内における撹拌速度および時間は、装置に導入される材料のタイプおよび量、装置内のチタニウムまたはチタニウム合金材料、およびチタニウムまたはチタニウム合金材料を混合するために使用されるチャンバーの寸法に依る。一実施形態では、アトライタの速度は、約８時間で約１００〜３００ＲＰＭであった。
【００２１】
ステップ１６で、均質化され、凝集した原料粉末をガス抜きする。これは、低温アトライタ型ボールミル装置から取り出された後、別の装置内で行われても良い。ガス抜きは、得られる材料の品質に関し後続の加工ステップの結果を台無しにするガス汚染物を除去するために重要なステップであり、高減圧ターボモレキュラポンプステーション中で行われてもよい。ステップ１８では、粉末材料をガス抜きし、低温ミル加工装置から取り出した後、これを圧密化し、超微細サブミクロンの粒子径を持つチタニウムまたはチタニウム合金材料を成形する。圧密化は、熱間静圧圧縮成形法（ＨＩＰ）の形態をとってもよい。温度および圧力を調整することによって、ＨＩＰ加工で材料が緻密化される。緻密化加工は、管理された、窒素またはアルゴンガス雰囲気下など不活性雰囲気下で行われてもよい。セラコン型、非静圧鍛造加工など他の加工法を使用してもよい。これは準静圧圧密化加工をＨＩＰ加工ステップへ変更することを可能にする。
【００２２】
ステップ２０では、得られたチタニウムまたはチタニウム合金超微細サブミクロン粒子材料を、機械的冷間または熱間加工および冷間または熱間成形加工であるが、関連する熱処理または加熱処理ステップは必要としない加工（しかしこれに限定されない）を含む、典型的な航空宇宙製品または構成品（例えば、締結部材）に関連する通常の製造ステップに供する。以下の図３Ａ〜Ｅでこれについて更に詳しく示す。
【００２３】
本発明によって製造される材料の１つの利点は、殆どの適用で、後続の熱処理を必要としないことである。しかし、必要な場合は、後続の熱的処理を行ってもよい。ステップ２２では、成形された製品または構成品を、オーブン中で所定の時間、人工的に寝かせてもよい。商業的に純粋な（ＣＰ）チタニウムについては、チタニウムをオーブン中に約９００°Ｆと９５０°Ｆの間の温度で約１２時間保つ。次いで、製品または構成品は使用可能となる。航空宇宙産業では、これらの製品または構成品として、宇宙船、航空機や他の関連機体構成組立品の使用のための、リベット、ねじ付きピン、締付けボルトなどの締結部材、シェアクリップおよびブラケットのような他の小さな部品が挙げられる。
【００２４】
全加工は、ステップ１２で、チタニウムまたはチタニウム合金原料粉末を高エネルギー低温アトライタ型ボールミル装置へ導入することによって始める。ステップ１４で、該粉末材料を、図２に示すように、アトライタ型ボールミル装置内で厳密な機械的変形に供する。図２に、高エネルギーアトライタ型低温ボールミル装置の断面を一般的に５０として示す。大量の粗い粒子チタニウムまたはチタニウム合金粉末材料５２を、投入口５６を介して撹拌チャンバー５４に導入する。初期粒子径が約０．０５ミリメートルのチタニウムまたはチタニウム合金材料５２を、約−３２０°Ｆ（−１９６℃）の温度で液体窒素と共に低温ミル加工装置に導入し、スラリー混合物を成形するのが好ましい。スラリー混合物およびミル装置の温度は、液体窒素または液体アルゴンのような外部冷却源５８を使用して維持する。このようにして、ミル装置およびその内容物は、液体窒素の温度とほぼ同じに過冷却され、ミル加工の間中保たれる。もちろん、液体ヘリウムまたはアルゴンのような他のガスもミル装置内部のスラリー混合物に使用し、装置それ自体を冷却するために使用してもよい。さらに、ステアリン酸（０．２０重量％）も、ミル加工に潤滑性を与えるため装置内に導入してもよい。
【００２５】
アトライタ型ボールミル装置においてスラリー混合物に使用されるものとしては、液体窒素が好ましい。アルゴンまたはヘリウムのような他の液状ガスを使用してもよい。窒素を使用することで、付加的な強度および高温安定性も提供される。異なる液体を使用することによって、得られる微細構造において、硝酸塩と関連する利点を持たないチタニウム合金を得ることになる。
【００２６】
撹拌チャンバー５４は、回転速度を調整するモーター６２または類似の回転装置に連結する撹拌棒６０を有する。チタニウムまたはチタニウム合金粉末材料５２は、チャンバー５４内に分散しているステンレス鋼ボール６４のようなミル手段と接触する。撹拌棒または回転式インペラ６０は、ボール６４を動かし、撹拌、粉砕、またはミル作用によって、チタニウムまたはチタニウム合金粉末材料５２の粒子径の減少に必要な厳密な機械的変形を達成する。典型的なチタニウム粉末材料では、回転速度は、約１００〜３００回転／分（ＲＰＭ）である。
【００２７】
一定の混合および動くボール６４によって達成される厳密な機械的変形によって、チタニウムまたはチタニウム合金粉末材料５２は、撹拌チャンバー５４の中を動かされ、サブミクロンの超微粒子径を得る。一度完了すれば、粉末材料は、混合加工の結果として好ましくは約１００ナノメーターと５００ナノメーターの間に減少させられた粒子径を有して、出口６６を通って抜け出るか、あるいは取り出される。得られた粒子径の範囲は、約１００〜３００ナノメーターがさらに好ましい。
【００２８】
チタニウムまたはチタニウム合金粉末材料は、撹拌チャンバーから取り出される。該チタニウム粉末は凝集され、ステアリン酸の存在下で得られた、炭素および水素に加えて高レベルの窒素を含む円形凝集物とされる。また、クライオミリング加工の間中、スチールボール手段と接触して生じた汚染の結果、比較的高い鉄含量も有する。
【００２９】
低温ミル加工の後、ステップ１６で材料をガス抜きして、微細サブミクロンの粒径の粉末を充分きれいにする。ガス抜き加工は、窒素雰囲気中、約＋８５０°Ｆ、約１０-5トールの真空中で約７２時間行う。これはミル加工された粉末の高水素含量を減らすために必要なステップである。
【００３０】
次いで、ステップ１８で、約＋８５０°Ｆで約１５ＫＳＩの圧力下、約４時間ＨＩＰ加工を行うことによって、ガス抜きされた粉末材料を圧密化する。上記したように、セラコン型非静圧鍛造加工を使用してもよい。これは、準静圧圧密化加工をＨＩＰ加工ステップへ変更することを可能にする。
【００３１】
本発明の好ましい一実施形態によれば、以下の図３Ａ〜Ｅに記載するように、超微細サブミクロン粒子チタニウムまたはチタニウム合金材料５２は、次いで、熱間または冷間成形技術によってさらに加工され、締結部材７８を成形してもよい。このように後続の熱的処理の必要がない。
【００３２】
図３Ａ〜３Ｅに示すように、チタニウムまたはチタニウム合金超微細サブミクロン粒子材料を、先ず、ラム６３を使用する金型に挿入する。次いで、冷間成形型７０の中で、成形ラムまたは上部ラム７２によって、チタニウムまたはチタニウム合金材料５２を形作る。成形ラムまたは上部ラム７２は、チタニウム合金材料５２を、金型７０の外表面７４に接するまで反動的に押し、それによって金型７０の内部空洞７５をチタニウムまたはチタニウム合金材料５２で完全に詰める。次に、シェア装置７６または類似の切断装置で、チタニウムまたはチタニウム合金材料５２を切断し、締結部材７８を成形する。次いで、成形ラムまたは上部ラム７２およびせん断片７６を、それらの正常な位置に対して待避させあるいは後退させ、成形された締結部材７８を金型７０の空洞７５から取り外す。次いで、締結部材７８は、当技術分野で周知の後続の加工を施し、最終部品としてもよい。
【００３３】
チタニウムまたはチタニウム合金材料５２に施される熱間または冷間加工のレベルに応じて、たとえば場合によっては、締結部材７８をオーブン中で所定の時間、人工的に寝かせてもよい。商業的に純粋な（ＣＰ）チタニウムに関しては、チタニウム材料をオーブン中に約９００°Ｆと９５０°Ｆの間の温度で約１２時間保つ。重要なことは、別の加熱処理または熱処理ステップは要求されないことである。こうして、締結部材７８は、たとえば、航空宇宙産業または建設産業における用途に使用可能となる。
【００３４】
もちろん、図３Ａ〜３Ｅは締結部材７８を成形する可能性のある製造方法の１つを示しているが、当技術分野で周知の他の製造技術も同様に使用してもよい。たとえば、締結部材７８は冷間加工技術を使用して造られてもよい。さらに、図３Ａ〜３Ｅは、締結部材７８の成形を示しているが、他のタイプの締結部材、製品または構成部品も同じ製造技術を使用してよい。これらとして、ねじ付きピンおよび締付けボルトのようなツーピース非変形性シャンク締結部材、リベットのようなワンピース非変形性シャンク締結部材が挙げられるが、これらに限定されない。
【００３５】
該超微細サブミクロン粒子チタニウムまたはチタニウム合金材料から造られたリベットのような締結部材は、従来技術のチタニウムまたはチタニウム合金締結部材よりは改良された延性と破壊靭性を持つ。また、微細構造によって達成される機械的冷間加工のため、高温温度での安定性も強化されている。これらの締結部材は、特に航空宇宙産業などにおける用途に有用である。さらに、加熱または熱処理ステップの廃止は、熱機械的加工ステップに関連するエラーおよびコスト源をなくすことにもなる。たとえば、熱処理の廃止だけでも、航空宇宙用途において使用される締結部材の製造にかかるコストの約２０％を節約すると考えられる。さらに、熱的処理加工を廃止することによって加工時間の短縮も達成される。
【００３６】
本発明を好ましい実施形態を使用して説明してきたが、変形が特に前記した教示に沿って当業者によってなれるので、本発明はこれらに限定されるものではないことはもちろん理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の好ましい実施形態に依る、チタニウムまたはチタニウム合金原料粉末から、超微細サブミクロン粒子チタニウムまたはチタニウム合金製品を製造するための論理フローチャートである。
【図２】図１によって図解された方法の機械的合金化工程（ステップ１４）において使用される高エネルギー低温アトライタ型ボールミル装置の断面図である。
【図３Ａ】図１において製造された超微細サブミクロン粒子チタニウムまたはチタニウム合金材料から、本発明の好ましい一実施形態による機械的冷間成形技術によって締結部材を成形する分解図である。
【図３Ｂ】図１において製造された超微細サブミクロン粒子チタニウムまたはチタニウム合金材料から、本発明の好ましい一実施形態による機械的冷間成形技術によって締結部材を成形する分解図である。
【図３Ｃ】図１において製造された超微細サブミクロン粒子チタニウムまたはチタニウム合金材料から、本発明の好ましい一実施形態による機械的冷間成形技術によって締結部材を成形する分解図である。
【図３Ｄ】図１において製造された超微細サブミクロン粒子チタニウムまたはチタニウム合金材料から、本発明の好ましい一実施形態による機械的冷間成形技術によって締結部材を成形する分解図である。
【図３Ｅ】図１において製造された超微細サブミクロン粒子チタニウムまたはチタニウム合金材料から、本発明の好ましい一実施形態による機械的冷間成形技術によって締結部材を成形する分解図である。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【国際調査報告】
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