(57)【要約】  Ｔｉ−１７のような市場向けに利用可能な合金に比べて、高い強度レベルで優れた延性を備えたα−βチタン基合金である。この合金は、Ｔｉ−１７合金に比べて、所定の強度レベルにおいて延性が少なくとも２０％向上している。この合金は、質量％で、Ａｌ：３．２〜４．２、Ｓｎ：１．７〜２．３、Ｚｒ：２〜２．６、Ｃｒ：２．９〜３．５、Ｍｏ：２．３〜２．９、Ｖ：２〜２．６、Ｆｅ：０．２５〜０．７５、Ｓｉ：０．０１〜０．８、Ｏ：最大０．２１、残部がチタン及び不可避的不純物からなる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
高い強度と延性の組み合せを有するα−βチタン基合金であって、前記合金は、ここに規定されているように、所与の強度レベルにおいて、Ｔｉ−１７合金に比べて、少なくとも２０％向上した延性を有することを特徴とするα−βチタン基合金。
【請求項２】
ここに規定されているように、少なくとも１３４４．５ＭＰａの二面剪断強度を有することを特徴とする請求項１に記載の合金。
【請求項３】
少なくとも１４８２．４ＭＰａの引張強度を有することを特徴とする請求項２に記載の合金。
【請求項４】
１３４４．５〜１４８２．４ＭＰａの引張強度を有することを特徴とする請求項３に記載の合金。
【請求項５】
質量％で、
Ａｌ：３．２〜４．２、Ｓｎ：１．７〜２．３、Ｚｒ：２〜２．６、Ｃｒ：２．９〜３．５、Ｍｏ：２．３〜２．９、Ｖ：２〜２．６、Ｆｅ：０．２５〜０．７５、Ｓｉ：０．０１〜０．８、Ｏ：最大０．２１、残部がチタン及び不可避的不純物からなることを特徴とするα−βチタン基合金。
【請求項６】
ここに規定されているように、所与の強度レベルにおいて、合金Ｔｉ−１７に比べて、少なくとも２０％向上した延性を有することを特徴とする請求項５に記載の合金。
【請求項７】
ここに規定されているように、少なくとも７５８．４ＭＰａの二面剪断強度を有することを特徴とする請求項６に記載の合金。
【請求項８】
１３４４．５〜１４８２．４ＭＰａの引張強度を有することを特徴とする請求項７に記載の合金。
【請求項９】
質量％で、
Ａｌ：約３．７、Ｓｎ：約２、Ｚｒ：約２．３、Ｃｒ：約３．２、Ｍｏ：約２．６、Ｖ：約２．３、Ｆｅ：約０．５、Ｓｉ：約０．０６、Ｏ：最大約０．１８、残部がチタン及び不可避的不純物からなることを特徴とするα−βチタン基合金。
【請求項１０】
１３７９ＭＰａ超の引張強度、２０％ＲＡ超の延性、７５８．４ＭＰａ超の二面剪断強度を有することを特徴とする請求項９に記載の合金。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、剪断強度を含む引張強度と延性の優れた組み合わせを有するα−βチタン基合金に関する。
【背景技術】
【０００２】
実に、１９５０年代の初めに本格的にチタン工業が始まって以来、多数のチタン合金が開発されてきた。これらさまざまな合金開発の努力は、あるものは高温性能の改善を意図して、あるものは耐食性の改善を、そしてさらにあるものは鍛造／成形性能の改善を意図して開発されるというように、最終製品の合金に対して様々な目標を持っていたが、おそらく最も共通する目標は、事実上、引張強度性能であった。この場合、引張強度は“使用可能な”、すなわち満足できる延性レベルでの、引張強度を意味している。ほとんど全ての焼入れ可能な（hardenable）金属系の場合にそうであるように、強度と延性は互いに逆に変化するので、工学的な用途に使用できる合金を得るためには、通常、強度と延性との間で釣り合いを取らなければならない。
【０００３】
標準の(単軸の)引張特性は、通常、型どおりの引張試験で決定された４つの特性：降伏強度（ＹＳ）、最終強度（ＵＴＳ：普通、単に引張強度と言われる）、％伸び（％ＥＩ）および、％絞り（％ＲＡ）、で記述される。
はじめの２つの値は、通常、ｋｓｉ（平方インチ当たりの千ポンド数）のような単位で報告されるが、後の２つ（両方とも延性の測定）は、単にパーセントで与えられる。
【０００４】
特に止め具（fastener）などに応用するための参照として、しばしば引用される他の引張特性は“二面剪断”強度（double shear strength）であり、これもｋｓｉで報告される。
この特性については、延性も降伏強度も測定されない。一般に、チタン合金の二面剪断強度は、単軸の延性が十分であれば、単軸の引張強度の約６０％である。
【０００５】
ある引張強度／延性の組み合わせの範囲に熱処理された種々の合金の引張り特性を比較しようとする際は、まず、回帰分析でデータを分析するのが便利である。強度／延性の関係は、通常、延性（％ＥＩ又は％ＲＡのいずれかで表される）が従属変数で、強度（通常、ＵＴＳ）が独立変数であるｘ−ｙプロットの直線で記述される。そのような線は簡単な式で記述される。
【０００６】
式１：％ＲＡ＝ｂ−ｍ（ＵＴＳ）；但し、ｍ＝直線の傾き、ｂは強度０での切片である。（なお、回帰分析でこのような式を決める際には、“ｒ-自乗”(r-squared)で示されるパラメーターも計算され、これは０と１の間で変化し、１の値は直線式と完全に一致することを示し、０の値は一致しないことを示す。）
【０００７】
そのような式が一旦制定されると、例えば、仮にある強度レベルでの具体的なデータがなくても、その一定の強度レベルでの“計算された”延性を比較するのに使用することができる。この方法は、合金をランク付けし、比較するために、この開発努力の間じゅう用いられてきた。
【０００８】
合金開発計画を実行する際には、引張強度／延性の関係が、溶融した鋳塊から加工された延伸材（棒のような）に変換される間に金属与えられうる熱間加工量に大きく影響されることを認識しておくことが重要であることにも注意すべきである。これは、鋳塊から延伸材への変換の間にマクロ組織の微細化がおこり、マクロ組織の微細化が大きい程、強度／延性の関係は良くなるという事実によるものである。
【０００９】
フルサイズの製品溶解(heat)に比べ、小さな実験室サイズの溶解に与えられるマクロ組織の微細化の量は、むしろ限られるため、小さな実験溶解での引張強度／延性の関係が、フルサイズの製品溶解から得られた関係を大きく下回るということは、当業者には十分理解される。引張特性を比較するために、フルサイズの溶解を行い、これらを延伸材に変換するのは実際には不可能であるので、実験的な合金調合物（formulations）と現存する市場向けの合金調合物の両方で小さい実験室サイズの溶解を行い、結果を１対１で比較することが実行しうることである。優れた特性を備えた市場向けの合金を選択するのが鍵である。本発明となった開発計画では、実験的な合金と比較するベースラインの市場向け合金として、Ｔｉ−１７（Ｔｉ−５Ａｌ−２Ｓｎ-２Ｚｒ-４Ｃｒ−４Ｍｏ）と称される市場向けの合金を選択した。この合金は、棒の形状で優れた強度／延性特性を示すので選択された。
【００１０】
【表１】
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【００１１】
表１は、公称４５３６ｋｇ（１０，０００ポンド）のフルサイズの市場向けの溶解から製造されたＴｉ−１７の直径９．５２５ｍｍ（０．３７５インチ）の棒製品の引張り及び二面剪断（double shear）の特性データを示している。この表１の引張強度、剪断強度および延性の組み合わせは、明らかにどのチタン合金に対しても優れている。なお、二面剪断強度の値は、平均すると先に述べたＵＴＳの６０％に極めて近い。
【発明の開示】
【００１２】
この合金開発努力の最終目標は、今日、市場向けに利用可能なＴｉ−１７のような熱処理可能なチタン合金と比べて、高い強度レベルにおいて優れた延性を備えた熱処理可能なα―βチタン合金を開発することであった。
この目標はさらに、Ｔｉ−１７に比べて、与えられた高い強度レベルにおいて延性が２０％以上向上している合金を開発することとして規定することができる。
【００１３】
上記した引張強度を備えたチタン合金には重要な用途があるが、もし、そのような合金が、７５８．４ＭＰａ（１１０ｋｓｉ）以上の最小二面剪断強度を有することができれば、さらにより多くの用途があろう。
熱処理したチタン（特に、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ）は、６５５ＭＰａ（９５ｋｓｉ）の保証（すなわち、最小）剪断強度に熱処理された航空宇宙用の止め具（fasteners）に使用されることが知られている。
航空宇宙産業で次に採用される剪断強度レベルは、最小７５８．４ＭＰａ（１１０ｋｓｉ）であり、市場向けに利用できるどのチタン合金でも達成されないが、各種の鋼合金では達成されているレベルである。
従って、高強度の航空宇宙用の止め具において、鋼をチタンに置き換えることによって名目上４０％の重量節約をチタンが提供するにためは、チタン合金は７５８．４ＭＰａ（１１０ｋｓｉ）の最小二面剪断強度を有さなければならない。
そうするためには、そのような試験に伴う典型的なバラツキを考慮すると、代表的な値は、少なくとも約８０６．７ＭＰａ（１１７ｋｓｉ）となる。
【００１４】
チタン合金が、一般的には引張強度の約６０％である二面剪断強度を有するという上述の相関関係から、８０６．７ＭＰａ（１１７ｋｓｉ）以上（最小７５８．４ＭＰａ（１１０ｋｓｉ）を確保するため）の範囲の二面剪断強度を製造するためには、これが“満足しうる延性”を備え、少なくとも１３４４．５ＭＰａ（１９５ｋｓｉ）、（従って、１３４４．５〜約１４８２．４ＭＰａ（１９５ｋｓｉ〜約２１５ｋｓｉ）の範囲）、の引張強度を有することを期待する。
このように、この計画は、上述の引張特性を有するのみならず、最小７５８．４ＭＰａ（１１０ｋｓｉ）の剪断強度の目標を確保する二面剪断強度値を備えるという二次的な目標をもっていた。
【００１５】
本発明により、ここに規定されているように、高い強度と延性の組み合わせを有し、かつ、所定の強度レベルにおいて、Ｔｉ−１７合金と比べ、延性が２０％以上向上しているα−βチタン基合金を提供する。
【００１６】
より具体的には、ここに規定されているように、この合金は、少なくとも７５８．４ＭＰａ（１１０ｋｓｉ）の二面剪断強度を有し得る。
【００１７】
この合金は、さらに引張強度が少なくとも１３４４．５ＭＰａ（１９５ｋｓｉ）を有し得る。より具体的には、引張強度は１３４４．５〜１４８２．４ＭＰａ（１９５〜２１５ｋｓｉ）の範囲であり得る。
【００１８】
本発明のα−βチタン基合金は、質量％で、Ａｌ：３．２〜４．２、Ｓｎ：１．７〜２．３、Ｚｒ：２〜２．６、Ｃｒ：２．９〜３．５、Ｍｏ：２．３〜２．９、Ｖ：２〜２．６、Ｆｅ：０．２５〜０．７５、Ｓｉ：０．０１〜０．８、Ｏ：最大０．２１、残部がチタン及び不可避的不純物からなり得る。
【００１９】
さらに具体的に、本発明によれば、α−βチタン基合金は、質量％で、Ａｌ：約３．７、Ｓｎ：約２、Ｚｒ：約２．３、Ｃｒ：約３．２、Ｍｏ：約２．６、Ｖ：約２．３、Ｆｅ：約０．５、Ｓｉ：約０．０６、Ｏ：最大約０．１８、残部がチタン及び不可避的不純物からなりうる。
【００２０】
この合金は、１３７９．０ＭＰａ（２００ｋｓｉ）超の引張強度、２０％ＲＡ超の延性、７５８．４ＭＰａ（１１０ｋｓｉ）超の二面剪断強度を有してもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
この開発努力において評価されたチタン合金は、全て二重真空アーク溶解した公称４．５ｋｇ／１１４．３ｍｍ（１０ｌｂ／４．５インチ）直径の実験室サイズの鋳塊により製作された。マクロ組織及び／又はミクロ組織の相違による特性のバラツキを最小にするために、これらの鋳塊は全て同じ工程により棒製品に変換された。採用した変換作業は、以下のとおりである。
【００２２】
９８２．２℃（１８００Ｆ）で４４．５ｍｍ角（１．７５インチ）にβ鍛造する。
【００２３】
βトランザスを測定する。
【００２４】
各合金のβトランザスより名目上４．４℃（４０Ｆ）下から、１９．１ｍｍ（０．７５インチ）の角棒にα−β圧延する。
【００２５】
βトランザスより名目上２６．７℃〜６５．６℃（８０Ｆ〜１５０Ｆ）下の範囲で選ばれた温度で棒を溶体化処理し、ファンで空冷する。
【００２６】
強度／延性レベルの範囲を作るために種々の温度で時効する。
【００２７】
全ての材料が、時効されたβマトリックス中の等軸の一次αから実質的に構成される固有のα−βミクロ組織を有していることが確認された。
【００２８】
【表２】
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【００２９】
表２は、実験室サイズの溶解の１回目の繰返しで製造された調合物(formulations)のまとめである。ベースライン（baseline）のＴｉ−１７調合物は、溶解Ｖ８２２６である。なお、Ｔｉ−１７ベースライン合金は、バナジウムが添加されておらず、鉄の添加量は低く（０．２５％未満）、シリコンは意図的に添加されておらず（シリコンが添加されないチタン合金では、０．０１４は、典型的な“残留”レベルを表している。）、そして酸素のレベルは０．０８〜０．１３の範囲であり、Ｔｉ−１７に関する一般の工業的仕様であることが確認される。
【００３０】
表２に挙げた残りの調合物は、Ｔｉ−１７ベースライン合金に相対して添加／制限を組み入れた実験的な合金である。
基本的な添加の一つはバナジウムである。この元素はα相に大きな溶解度（１％超）を持つことが知られており、従って、これは、α−βの合金の生じた２相の内のその相を特に強化するために添加された。
Ｔｉ−１７合金の他のβ安定化元素、Ｃｒ、Ｍｏ及びＦｅは、α相での溶解度が極めて限定されているので、この添加は重要である。他に鉄および高酸素レベルの添加がある。表２は、各調合物のβトランザス温度も示している。
【００３１】
【表３】
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【００３２】
【表４】
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【００３３】
【表５】
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【００３４】
表３は、棒に加工され熱処理された表２に示した実験的な合金調合物の第１回目の繰返しから得られた単軸引張りの結果をまとめている。表４は、表３のデータの回帰分析を示している。
【００３５】
注目すべき第一の事項は、表３（実験室サイズのＴｉ−１７の溶解）に挙げられたＴｉ−１７材と表１（製造サイズのＴｉ−１７の溶解）に挙げられた材料の引張特許性の比較である。１３４４．５ＭＰａ（１９５ｋｓｉ）および１４８２．４ＭＰａ（２１５ｋｓｉ）において、実験室サイズの溶解で計算された％ＥＩ値は、フルサイズの溶解において得られた値のそれぞれ７８％及び８３％であり、計算された％ＲＡ値は、同じそれぞれ強度での６７％および６２％である。
このデータは、フルサイズの溶解に対して実験室サイズの溶解が大きく下落することを明確に示しており、比較可能なサイズの溶解での結果を比較することの必要性を強めている。
【００３６】
表４にまとめた結果は、１３４４．５ＭＰａ（１９５ｋｓｉ）および１４８２．４ＭＰａ（２１５ｋｓｉ）の強度レベルで、溶解Ｖ８２２８が最良の延性の組み合わせを備えており、Ｔｉ−１７ベースライン合金のそれを十分上回っていることを示している。実際にＴｉ−１７ベースライン合金と比較すると、１３４４．５および１４８２．４ＭＰａ（１９５および２１５ｋｓｉ）のそれぞれの強度レベルにおいて、溶解Ｖ８２２８の％ＥＩ値は、３８％および３６％高く、％ＲＡ値は、４６％および５１％高く、２０％以上の向上目標を十分超えている。
【００３７】
さらに、表４のデータを検討すると、２つの場合を除く全ての場合において、表２の実験的合金は、ベースラインのＴｉ−１７合金に比べて、優れた特性を備えたことを示している。１３４４．５ＭＰａ（１９５ｋｓｉ）での溶解Ｖ８２２７の計算された％ＲＡと１４８２．４ＭＰａ（２１５ｋｓｉ）での溶解Ｖ８２２９の％ＲＡのみがＴｉ−１７ベースライン合金を超える向上を示さなかった。これらの結果から以下の結論が導かれた。
【００３８】
バナジウムを添加した合金は、バナジウムのない同様の合金よりも良好になっていた。バナジウム添加の効果は、２．４％の範囲の添加で最高になるようであった。
【００３９】
酸素レベルを上げた合金は、酸素レベルを低減した合金よりも良好であった。
【００４０】
鉄を約０．５％を超えて添加しても効果はないようである。
【００４１】
アルミニウムは、約４％未満の低いレベルが有利なようである。
【００４２】
実験的溶解の全てが、ベースラインＴｉ−１７のレベルに比べて、僅かに高いシリコンレベルであった。（おそらく、バナジウムの母合金が微量のシリコンレベルを伴ったためであろう。）この僅かに高いシリコンレベルは有害ではない。
【００４３】
【表６】
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【００４４】
第１回目の溶解の繰返し（iteration）で得られた優れた特性に鑑み、最良の合金、すなわち溶解Ｖ８２２８、の化学組成を洗練（refine)するためには追加の繰返しが望ましいとされた。表５は、この実験溶解の第２回目の繰返しをまとめている。最初の溶解、Ｖ８２４７は、実質的に溶解Ｈ８２２８の繰返しである。これは、その結果の再現性を測るものである。第２回目の繰り返しの他の溶解は、Ｖ８２２８／Ｖ８２４７調合物に対して以下のような修正を加えている。
【００４５】
−溶解Ｖ８２４８は、第１回目の繰り返し溶解のどれよりも高い、０．２２２ｗｔ％の高い酸素を試験している。
【００４６】
−溶解Ｖ８２４９は、より高い酸素（０．２０８％）を、より高いシリコン、Ｖ８２４７の２倍、と組み合わせて評価している。
【００４７】
−溶解Ｖ８２５０は、より高いシリコンレベルのみを、すなわち、高い酸素なしで、試験している。
【００４８】
−溶解Ｖ８２５１およびＶ８２５２は、より低いアルミニウムレベル（Ｖ８５４７より約０．５％少ない）を、一つの場合（Ｖ８２５１）は、同じシリコンレベルで、他（Ｖ８２５２）は、より高いシリコンレベルで試験している。
【００４９】
【表７】
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【００５０】
【表８】
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【００５１】
【表９】
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【００５２】
実験室サイズの第２回目の繰返し溶解は、第１回目の繰返し溶解で先に略述したように処理した。引張試験を再び行い、その結果を表６にまとめた。このデータを回帰分析で分析し、その結果を表７に示す。
【００５３】
表７からいくつかの結論が導かれる。第一に、第１回目の繰り返し溶解のＶ８２２８とその再現のＶ８２４７の間の相関は全く満足すべきものである。
第二に、合金は、シリコンレベルが低い場合は約０．２２％以下の酸素は許容できるが、より高いシリコンレベルでは、より高い酸素レベルと組み合わさった場合は、僅かな下落があることが明らかである。
酸素レベルが約０．１７％の中間範囲にある限りにおいては、より高いシリコンレベルが特性に重大な損失を与えることはないようである。最後に、より低いアルミニウムレベル（約３．２％より低い）は、より高いレベルより劣っており、アルミニウムは３．２％レベルより上に維持すべきであることを示唆している。これらは全て、３．６％〜３．７％の中間のアルミニウムレベルを有しており、そして、全て、最高の酸素と組み合わさった低いか、あるいは中間の酸素レベルと組み合わさった高いか又は低いか、の何れかのシリコンレベルを有している。
【００５４】
【表１０】
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【００５５】
【表１１】
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【００５６】
製造された合金の特性能力を最終決定するものとして、化学組成の内の４つ（ベースラインＴｉ−１７の溶解Ｖ８２２６、第１回目の繰返しのうちの最良のもの：溶解Ｖ８２２８、Ｖ８２２８を再現したもの：溶解Ｖ８２４７，および溶解Ｖ８２５０）を二面剪断テストのために選択した。各溶解からの棒は、それぞれのβトランザス値より低い種々の温度（degree）で溶体化処理し、ファンで空冷した。そして、目標とした１３４４．５ＭＰａ（１９５ｋｓｉ）〜１４８２．４ＭＰａ（２１５ｋｓｉ）の範囲の強度レベルを製造することを目的とした様々な条件で時効した。これらの棒は、次に、二面剪断ならびに型どおりの単軸引張り特性の試験を行った。その結果を表８に示した。
【００５７】
表８に示されたデータからいくつかの結論を引き出せる。第一に、実験室サイズの溶解の二面剪断強度の値は、それらの対応するＵＴＳ値の５５％の範囲にあり、Ｔｉ−１７ベースライン溶解（Ｖ８２２６）は、５３．４％の最も低い平均を示している。市場向けのＴｉ−１７溶解からの棒は、ＵＴＳの５９．８％の平均二面剪断強度を示していたので、実験室対市場向けの溶解に関連して、ほぼ６．４％ポイントの、全体として１０％を僅かに超える、下落が判る。
延性に関して先に注目したように、小さい実験室溶解によって与えられるマクロ組織の微細化が不足するため、このことは予期されなかったことではない。しかしながらこれは、もし、これらがより大きな市場向けの溶解から処理されたなら、実験室サイズの調合物より名目上１０％高い値を期待出来ることを示している。
そのような増加により、表８に示した実験室溶解のデータは二面剪断強度８０６．７ＭＰａ（１１７ｋｓｉ）〜８８９．４ＭＰａ（１２９ｋｓｉ）の範囲に置かれることになり、最小７５８．４ＭＰａ（１１０ｋｓｉ）の目標に十分適合する。
【国際調査報告】
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2007501901.tif 000014