(57)【要約】【課題】高強度、高延性チタン合金の製造方法が開示される。【解決手段】本発明の高強度、高延性チタン合金の製造方法は、マルテンサイト組織を有するチタン合金を提供するステップと、前記マルテンサイト組織のチタン合金を、熱および機械的処理により微細組織を部分的に動的球状化させるステップとを含む。本発明は、部分的に動的球状化された微細組織を有するチタン合金を製造し、優れた降伏強度（ｙｉｅｌｄ  ｓｔｒｅｎｇｔｈ、ＹＳ）と均一延伸率（ｕｎｉｆｏｒｍ  ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ、Ｕ．ＥＬ）を持たせるものである。層状形態を有する微細組織に対して圧延方向と変形量を調整し、微細な等軸組織と層状組織が同時に存在する微細組織に制御することを特徴とし、本発明によれば、既存の熱処理方法に比べて降伏強度と均一延伸率との積（ＹＳ×Ｕ．ＥＬ）が向上したチタン合金を製造することができる。【選択図】１２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マルテンサイト組織を有するチタン合金を提供するステップと、
前記マルテンサイト組織のチタン合金を、熱および機械的処理により微細組織を部分的に動的球状化させるステップとを含むことを特徴とする高強度、高延性チタン合金の製造方法。
【請求項２】
前記提供されるチタン合金の微細組織は、層状のマルテンサイト組織を含むことを特徴とする請求項１に記載の高強度、高延性チタン合金の製造方法。
【請求項３】
前記熱および機械的処理は、
変形温度は７７５℃〜８７５℃、変形率速度は０．０７ｓ−１〜０．１３ｓ−１、変形量は−０．２〜−１．６の範囲で圧延することを特徴とする請求項１に記載の高強度、高延性チタン合金の製造方法。
【請求項４】
前記熱および機械的処理は、
変形温度８００℃、変形率速度０．１ｓ−１、変形量−０．２〜−１．６で圧延することを特徴とする請求項３に記載の高強度、高延性チタン合金の製造方法。
【請求項５】
前記圧延は、一方向圧延（ｕｎｉ−ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ  ｒｏｌｌｉｎｇ）によって行われることを特徴とする請求項３又は４に記載の高強度、高延性チタン合金の製造方法。
【請求項６】
前記部分的な動的球状化により、前記チタン合金の微細組織は、微細な等軸組織と層状組織が同時に存在することを特徴とする請求項５に記載の高強度、高延性チタン合金の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チタン合金に関し、より詳細には、部分的な動的球状化により微細な等軸組織と層状組織が混在する微細組織を有するチタン合金の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
チタン合金のような、極限の環境で使用される金属素材の場合、降伏強度と均一延伸率は非常に重要な機械的特性である。主に構造用素材として使用されるチタン合金に降伏強度よりも高い強度が外部から加わる場合、素材は永久変形を起こすため、高い降伏強度を得ることは非常に重要である。
【０００３】
また、均一延伸率よりも高い変形が発生する場合、素材の脆弱部分でネッキングが発生して破断が発生し得るため、高い均一延伸率を得ることも構造用素材の信頼性向上のために欠かせない。
【０００４】
しかし、一般的な熱処理によりチタン素材を製造する場合、降伏強度と均一延伸率は互いに反比例する傾向があり、これを克服しようとする様々な方法が提案されている。最近、韓国特許公開番号第２００９−００６９６４７号（２００９年７月１日）に、チタンにニオブを添加した合金を製造し、強度と延性を純チタンに比べて向上させる方法が掲示された。
【０００５】
しかし、この方法の場合、熱／機械的処理前の合金化に関するもので、合金化後に、熱／機械的処理によりすでに開発された合金の強度と延性を増加させる本方法とはその範疇が異なる。
【０００６】
一方、本出願人の先出願である韓国特許出願番号第１０−２００９−００８３９３１号（２００９年９月７日）に、層状の微細組織を有するチタン合金に対して温間領域で交差圧延を施して結晶粒を超微細粒化させる方法が掲示された。
【０００７】
より詳細には、初期微細組織を微細な層構造からなるマルテンサイトに誘導した後、変形量、変形率速度、変形温度などが微細組織の変化に及ぼす影響を観察して工程変数を最適化させ、低変形量においてナノ結晶粒の等軸組織を有するチタン合金を製造するものである。
【０００８】
しかし、前記方法は、降伏強度が大きく向上するという利点があるが、均一延伸率が一般的な熱処理方法に比べて大きく減少するという欠点があり、降伏強度と均一延伸率との積は、一般的な微細組織に比べて向上しないか、むしろ小さくなるという欠点があった。
【０００９】
そのため、チタン合金の信頼性と応用の拡大のためには、熱／機械的処理により降伏強度と均一延伸率の均衡を向上させる技術が必要になる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、降伏強度と均一延伸率の均衡を維持するために、チタン合金に熱および機械的処理を施して微細組織を部分的に動的球状化させ、等軸組織と層状組織が混在したチタン合金の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の好ましい実施形態にかかる高強度、高延性チタン合金の製造方法は、マルテンサイト組織を有するチタン合金を提供するステップと、前記マルテンサイト組織のチタン合金を、熱および機械的処理により微細組織を部分的に動的球状化させるステップとを含む。
【００１２】
前記提供されるチタン合金の微細組織は、層状のマルテンサイト組織を含むことを特徴とする。
【００１３】
前記熱および機械的処理は、変形温度は７７５℃〜８７５℃、変形率速度は０．０７ｓ−１〜０．１３ｓ−１、変形量は−０．２〜−１．６の範囲で圧延することを特徴とする。
【００１４】
また、前記熱および機械的処理は、変形温度８００℃、変形率速度０．１ｓ−１、変形量−０．２〜−１．６で圧延することを特徴とする。
【００１５】
前記圧延は、一方向圧延（ｕｎｉ−ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ  ｒｏｌｌｉｎｇ）によって行われることを特徴とする。
【００１６】
前記部分的な動的球状化により、前記チタン合金の微細組織は、微細な等軸組織と層状組織が同時に存在することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明を利用すれば、優れた降伏強度と均一延伸率を有するチタン合金の生産が可能で、使用環境で信頼性が向上し、その応用範囲も拡大することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】初期等軸組織を有するＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金の光学顕微鏡写真である。
【図２】チタン合金を１，０４０℃で１時間維持後、水冷して得られたマルテンサイト組織を示す写真である。
【図３】チタン合金を１，０４０℃で４時間維持後、空冷し、再び７３０℃で４時間維持後、空冷して得られた粗大な層状組織を示す写真である。
【図４】チタン合金を９５０℃で４時間維持後、水冷し、再び５４０℃で６時間維持後、空冷して得られた二重組織を示す写真である。
【図５】マルテンサイト組織を有するＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金を、変形温度：８００℃、変形率速度：０．１ｓ−１、変形量：−０．２で一方向圧延時の、微細組織の電子後方散乱回折写真である。
【図６】変形温度：８００℃、変形率速度：０．１ｓ−１、変形量：−０．８で一方向圧延時の、微細組織の電子後方散乱回折写真である。
【図７】変形温度：８００℃、変形率速度：０．１ｓ−１、変形量：−１．２で一方向圧延時の、微細組織の電子後方散乱回折写真である。
【図８】変形温度：８００℃、変形率速度：０．１ｓ−１、変形量：−１．６で一方向圧延時の、微細組織の電子後方散乱回折写真である。
【図９】マルテンサイト組織を有するＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金の交差圧延時の電子後方散乱回折写真であり、この時、工程条件は、変形温度：８００℃、変形率速度：０．１ｓ−１、変形量：−１．６である。
【図１０】各微細組織を有するチタン合金の常温引張実験結果である平均降伏強度を示す。
【図１１】各微細組織を有するチタン合金の常温引張実験結果である平均均一延伸率を示す。
【図１２】各微細組織を有するチタン合金の常温引張実験結果である平均降伏強度と平均均一延伸率との積を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明を詳細に説明する。
【００２０】
部分的に動的球状化された微細組織（つまり、微細な等軸組織と層状組織が同時に存在する微細組織）を得るために、初期微細組織を微細な層構造からなるマルテンサイトに誘導した後、圧延方向、変形量、変形率速度、変形温度などが微細組織の変化に及ぼす影響を観察した。
【００２１】
図１ないし図４は、光学顕微鏡を用いて観察された写真で、既存の熱処理方法で得られる代表的な微細組織である。図１は、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金の初期微細組織で、１０μｍ程度の結晶粒大きさを有する等軸組織である。
【００２２】
図２は、図１の微細組織をベータ（β）変態温度（〜１，０００℃）以上の１，０４０℃で１時間維持後、水冷して得られた微細な層構造を有するマルテンサイト組織である。
【００２３】
図３は、図１の微細組織を１，０４０℃で４時間維持後、空冷し、再び７３０℃で４時間維持後、空冷して得られた粗大な層構造を有する層状組織である。
【００２４】
図４は、図１の微細組織を９５０℃で４時間維持後、水冷し、再び５４０℃で６時間維持後、空冷して得られた粗大な等軸組織と層状組織とからなる二重組織である。
【００２５】
図５ないし図８は、図２のようなマルテンサイト組織を有するＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金に対して工程条件を変化させながら一方向圧延（ｕｎｉ−ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ  ｒｏｌｌｉｎｇ）後、電子後方散乱回折（ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｅｄ  ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ、ＥＢＳＤ）装置で観察した逆極点図（ｉｎｖｅｒｓｅ  ｐｏｌｅ  ｆｉｇｕｒｅ、ＩＰＦ）である。
【００２６】
図５の工程条件は、変形温度：８００℃、変形率速度：０．１ｓ−１、変形量：−０．４である。
【００２７】
図６の工程条件は、変形温度：８００℃、変形率速度：０．１ｓ−１、変形量：−０．８である。
【００２８】
図７の工程条件は、変形温度：８００℃、変形率速度：０．１ｓ−１、変形量：−１．２である。
【００２９】
図８の工程条件は、変形温度：８００℃、変形率速度：０．１ｓ−１、変形量：−１．６である。
【００３０】
図５ないし図８に示されているように、一方向圧延時に変形量が増加するにつれて、図２のマルテンサイト組織が分節化されて形成された微細な等軸組織の分率が増加する変化はあるが、図５ないし図８の微細組織は、全て微細な等軸組織と層状組織（赤色で表される部分）が同時に存在している。
【００３１】
図４の組織と、図５ないし図８の微細組織との相違点は、図４の場合、粗大な等軸組織とコロニー（ｃｏｌｏｎｙ）を形成している層状組織が混在している反面、図５ないし図８の場合、微細な等軸組織とコロニーを形成しない層状組織が混在することである。一方、変形量が増加するにつれて微細な等軸組織の分率が増加するのは、各々の層状構造の内部に生成された亜結晶粒が効果的に大傾角境界を有する結晶粒に変化するからである。
【００３２】
結果的に、図５ないし図８の微細組織およびその工程条件が本方法の核心である。
【００３３】
図９は、図２のマルテンサイト組織を有するＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金を、変形温度：８００℃、変形率速度：０．１ｓ−１、変形量：−１．６で交差圧延（ｃｒｏｓｓ−ｒｏｌｌｉｎｇ）後、電子後方散乱回折装置で観察した逆極点図である。
【００３４】
図９は、完全に動的球状化が発生して微細な等軸組織からなる。図９と図８とを比較すると、変形温度、変形率速度、変形量などの工程条件は同一であるが、圧延方向が異なる。
【００３５】
つまり、図８の場合、一方向圧延で得られ、図９の場合、交差圧延で得られた。一方向圧延とは異なって交差圧延を行う場合、奇数の圧延ステップで分節化されていない層状組織が偶数の圧延ステップで効果的に分節化され、結果的に、完全に動的球状化された微細組織が得られるが、これは、部分的に動的球状化されたチタン合金を製造するために避けなければならない条件である。
【００３６】
一方、前述した全ての微細組織について常温機械的特性を調べた。このために、２５ｍｍの標点距離を有する試験片を、圧延方向に対して０°、４５°、９０°の３つの方向で採取した後、伸縮計（ｅｘｔｅｎｓｏｍｅｔｅｒ）を試験片に装着し、ＩＮＳＴＲＯＮ８８０１を用い、各々の方向に対して３回の引張実験を行った。
【００３７】
つまり、各々の微細組織に対して合わせて９回の実験が繰り返し行われた。図１０ないし図１２に常温引張実験結果の平均値を示し、表１に比較例と実施例の微細組織、熱処理法を表示した。
【００３８】
【表１】
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【００３９】
図１０は、各微細組織に対する平均降伏強度であり、図１１は、各微細組織に対する平均均一延伸率、図１２は、各微細組織に対する平均降伏強度と平均均一延伸率との積である。
【００４０】
比較例２、３、４および比較例５などの一般的な熱処理方法を、比較例１の初期微細組織と比較する時、平均降伏強度は増加したが、平均均一延伸率が減少した。
【００４１】
反面、本発明の方法により製造された実施例１の場合、比較例１の初期微細組織と比較する時、平均降伏強度は類似しているが、平均均一延伸率が増加し、実施例２、３の場合、比較例１の初期微細組織と比較する時、平均降伏強度と平均均一延伸率がいずれも増加し、実施例４の場合、比較例１の初期微細組織と比較する時、平均降伏強度が増加し、類似の平均均一延伸率を示した。
【００４２】
結論的に、本発明の方法により製造された実施例１、２、３、４の場合、他の熱処理方法と比較して、２５〜１００％以上向上した平均降伏強度と平均均一延伸率との積を示した。
【００４３】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の権利範囲はこれに限定されるものではなく、特許請求の範囲と発明の詳細な説明および添付した図面の範囲内で多様に変形して実施することが可能であり、これも本発明の範囲に属することはいうまでもない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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