(57)【要約】      （修正有）【課題】着陸装置の構成要素またはタービンディスク等の航空産業用の高性能部品について高品位の機械的特性を有するチタン合金組成物を提供【解決手段】質量％で、４〜7.5％のAl、3.5〜5.5％のV、4.5〜7.5％のMo、1.8〜3.6％のCr、0.2〜0.5％のFe、0.1〜1.1％のHf、0.1〜0.3％のO、0.01〜0.2%のC0.1〜0.7％のZrを有するチタン合金であって、β→α＋βへの多形転移温度に近い温度における熱間鍛造及び熱処理を行うにあたりこれを合金のβ→α＋βの多形転移温度未満の30〜70℃の範囲で2時間〜5時間保持し、冷却後、540℃〜600℃の範囲で8時間〜16時間保持する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
β→α＋βへの多形転移温度に近い温度における熱間鍛造及び前記転移温度に近い温度に加熱する熱処理に特に好適なチタン合金であって、前記合金が、質量比で主成分を構成するチタンに加えて、少なくとも４質量％のアルミニウム、少なくとも０．１質量％の酸素、少なくとも０．０１質量％の炭素を含み、前記合金が、バナジウム、モリブデン、クロム、及び鉄から選択される少なくとも一種の元素をさらに含み、前記チタン合金がまた、少なくとも０．１質量％の比率のハフニウムを含むことを特徴とする、チタン合金。
【請求項２】
質量比で特定される少なくとも以下の元素を含む、請求項１に記載のチタン合金：
アルミニウム  ４．０％〜７．５％
バナジウム    ３．５％〜５．５％
モリブデン    ４．５％〜７．５％
クロム        １．８％〜３．６％
鉄            ０．２％〜０．５％
ハフニウム    ０．１％〜１．１％
酸素          ０．１％〜０．３％
炭素          ０．０１％〜０．２％。
【請求項３】
０．１％〜０．７％の質量比の範囲にあるジルコニウムをさらに含み、ハフニウムの質量比率が０．１％〜０．７％の範囲にあり、ハフニウムとジルコニウムとの合計質量が１％を超えない、請求項２に記載のチタン合金。
【請求項４】
０．０５％〜０．２５％の質量比の範囲にあるシリコンをさらに含む、請求項３に記載の合金。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載のチタン合金から作られる半製品を熱処理する方法であって、
前記合金のβ→α＋βへの多形転移温度未満の３０℃〜７０℃の範囲に加熱する工程；
前記温度にて２時間〜５時間、保持する工程；
冷却工程；
５４０℃〜６００℃の範囲の温度にて、８時間〜１６時間の間、保持する工程；及び
冷却工程、
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高性能部品、特に着陸装置の構成要素またはタービンディスク等の航空産業用の高性能部品を製造するための高品位の機械特性を有する新規なチタン合金組成物に関する。
【背景技術】
【０００２】
高品位の機械特性を有する様々な種類のチタン合金が知られており、例えばＴｉ６−４（６％のアルミニウム及び４％のバナジウム）、Ｔｉ８−１−１（８％のアルミニウム、１％のモリブデン、及び１％のバナジウム）、及びまたＴｉ１０−２−３（１０％のバナジウム、２％の鉄、及び３％のアルミニウム）等の有意な比率のアルミニウムを含むチタン合金が知られている。上記パーセントは全質量に対する質量比を表す。チタン合金はまた、大きな割合のアルミニウム及びまた酸素を有する準β型からなるものが知られている。そのような合金の一例として、文書ＥＰ１３０２５５５に記載されるチタン合金が挙げられ、全質量の割合として表される次の組成を有するチタン合金が記載されている：
【表１】
2015155574.tif 000002
【０００３】
このような合金は、β相をα相と共存させるために、β→α＋βへの多形転移温度に近い温度にて熱間鍛造が行われ、次いでβ→α＋βへの多形転移温度に近い温度に試料片が加熱される際に熱処理に付され、その後、試料片の段階的な冷却及びエージングが行われる。このような処理の目的は、完成部品が優れた機械的強度を得るように、完成部品に大きな割合のβ相を得ることである。この点において、バナジウム、モリブデン、クロム、または鉄等の元素が、試料片が冷却される間、β相を安定化させるのに寄与し、このようにして、合金の大部分をこの相に「固定する」ことが可能となる。
【０００４】
それでも、β相を促進することは概して、試料片の靱性を向上するα層（通常この合金中で作られる部分の質量の６０％〜７０％を示す）を犠牲にして起こる。この欠点を軽減するために、有意な割合のジルコニウムが組成物に加えられ、ジルコニウムと密度及び融点が比較的近いαチタンを有する固溶体を形成することによって、冷却の際のα層の安定化を向上する。
【０００５】
このような組成物の使用並びに適切な鍛造及び熱処理方法の実施（特に上述の固溶体を促進する冷却）は、靱性及び機械的強度の間の有利な妥協を示す頑丈なチタン試料片を形成することを可能にする。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、より良好な機械特性を有することができる新規なチタン合金組成物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】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は、β→α＋βへの多形転移温度に近い温度における熱間鍛造及び前記転移温度に近い温度に加熱する熱処理に特に好適なチタン合金であって、前記合金が、質量比で主成分を構成するチタンに加えて、少なくとも４質量％のアルミニウム、少なくとも０．１質量％の酸素、少なくとも０．０１質量％の炭素を含み、前記合金が、バナジウム、モリブデン、クロム、及び鉄から選択される少なくとも一種の元素をさらに含む、チタン合金を提供する。本発明によれば、チタン合金はまた、少なくとも０．１質量％の比率のハフニウムを含む。
【０００８】
本発明者は、従来の組成物に対して、アルミニウム及び／または酸素の比率を増加することが、β→α＋βへの多形転移温度の上昇につながり、これによって、より高い温度で鍛造を行うことを可能とし、最終部品の機械的強度特性を向上することに寄与するという知見を得た。それでも、本発明者は、上述の合金中のアルミニウム及び酸素の比率の増加が、冷却の際に合金の成分材料が分離し、材料がより脆くなり得るという現象が起こるというリスクをもたらすと考えた。特に、アルミニウム及び酸素は、部品の最終機械特性に悪影響を有する酸化相の析出の原因になると考えられる。
【０００９】
これらの欠点を緩和し、アルミニウム及び酸素の比率を増加することに伴う悪影響が、排除されないにしても、少なくとも大幅に軽減されるように、本発明者は、この増加に、ハフニウムの有意な寄与を付随させることを提案する。ハフニウムは、酸素に対する特に強い親和性を有し、酸素と結合することによって合金相の析出を促進すると考えられ、それによってアルミニウム及びチタンの酸化相の形成が避けられる。
【００１０】
ハフニウムの使用はいくつかの利点を示す。上述したハフニウムの酸素との親和性に加えて、ハフニウムは、ジルコニウムの電子構造に類似する電子構造を有する。それゆえ、本発明者は、ジルコニウムのように、それとともに固溶体を形成することによってチタンのα相の安定化を促進することができる、という知見を得た。さらに、ハフニウムは、β相中での連続的溶解性及びチタンのα相中での完全な混和性を示す。
【００１１】
最後に、ハフニウムは、所定のチタン鉱物中に微量状態で存在する。様々な鉱物に行われる測定によって、鉱物中のハフニウムの比率は０．０５％を超えないことが示される。それゆえ、鉱物からこの成分を排除しようとすることを避けることに利点がみられ、一方で、本発明によって推奨される比率を得るために鉱物にハフニウムを混入することに利点がみられる。
【００１２】
有利には、このような合金は、鍛造後に次の熱処理に送られる：
合金のβ→α＋βへの多形転移温度未満の３０〜７０セルシウス度（℃）の範囲の温度に加熱する工程；
２時間〜５時間、前記温度にて保持する工程；
好ましくは空気中で、冷却する工程；
８時間〜１６時間の間、５４０℃〜６００℃の範囲の温度に保持する工程；及び
好ましくは空気中で、冷却する工程。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
例示的実施形態として３種類の組成物が示され、それぞれにおいて、一つの特定の例が詳細に記載される。示される比率は質量比である。
【表２】
2015155574.tif 000003
※ハフニウムとジルコ0ニウムとの合計質量比は１％未満に留まる。
【００１４】
特に組成番号１にしたがう次の合金番号１が選択される。
【表３】
2015155574.tif 000004
【００１５】
アルミニウムの高比率（Ｔｉ５−５−５−３またはＶＴ２２等の既知の合金中に通常みられる５％と比較しての７．０％）及び酸素の高比率（Ｔｉ５−５−５−３中の０．２％未満と比較しての０．３％）がみられる。また、モリブデンの質量比率が比較的高く、それによりβ相のより強い安定が可能になることも注目される。最後に、ハフニウムの質量比率が、ここでは、酸素の質量比に対しておよそ同等から３倍であるように選択されている。
【００１６】
次の合金番号２もまた、組成番号２にしたがって選択される。
【表４】
2015155574.tif 000005
【００１７】
これは、チタンのα相を安定化するためのジルコニウムの傾向に加えて、酸素との親和性も示すと考えられるジルコニウムの効果を加えるものであり、ジルコニウムがハフニウムとあわせて機能し酸素を捕獲することによって、アルミニウム及びチタンの酸化相の析出が防止される。これらの２つの元素を組み合わせた存在はまた、シナジー効果を示すように考えられ、合金の冷却の際の合金を構成する材料の分離をさらに軽減する。
【００１８】
最後に、合金番号３は、組成番号３にしたがって選択される。
【表５】
2015155574.tif 000006
【００１９】
シリコンは、ジルコニウムまたはハフニウムのようにメンデレーエフの周期表の同じ列にはないが、アルミニウム及びチタンの酸化相の析出を防止する有利な効果を有するように考えられる。
【００２０】
組成例として示される合金において、比率は、相対値で±１０％以内で与えられる。例えば、合金番号１においては、アルミニウムの比率は６．３％〜７．７％の範囲にあり、ハフニウムの比率は０．８１％〜０．９９％の範囲にある。
【００２１】
これらの合金を用いて、α＋β領域の最終変形を有するβ、α＋β、β、α＋β領域の連続的鍛造操作によって半完成品を製造することが提案される。このようにして鍛造された製品は次いで、次の熱処理に送られる：
７９０℃に昇温；
前記温度にて３時間保持；
空気中で冷却；
５６０℃にて８時間保持；及び
空気中で冷却。
【００２２】
本発明は、当然のことながら、上記記載に限定されるものではない。詳細に記載した組成及び合金はバナジウム、モリブデン、クロム、及び鉄を含むが、本発明にはまた、特定した比率において、あるいは他の比率において、それらのいくつかのみを含む合金または実際にそれらの一つのみを含む合金も含まれる。
【００２３】
さらに、酸素の比率は、０．３％より多く増加してもよい。
【００２４】
最後に、本発明のチタンの組成物及び合金は、（微量成分以外の）ジルコニウム、シリコン、または炭素を含まなくてもよい。これらの合金または組成物は、半完成品においてβ相がα相と共存することができるように、β→α＋βへの多形転移温度に近い温度における熱間鍛造のしやすさ、または前記転移温度に近い温度に加熱する熱処理のしやすさを阻害しない比率で、上で挙げたもの以外の元素を含んでもよい。
【手続補正書】
【提出日】平成27年3月4日(2015.3.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
最後に、本発明のチタンの組成物及び合金は、（微量成分以外の）ジルコニウム、シリコン、または炭素を含まなくてもよい。これらの合金または組成物は、半完成品においてβ相がα相と共存することができるように、β→α＋βへの多形転移温度に近い温度における熱間鍛造のしやすさ、または前記転移温度に近い温度に加熱する熱処理のしやすさを阻害しない比率で、上で挙げたもの以外の元素を含んでもよい。
本発明はまた、以下の内容を包含する。
（１）
β→α＋βへの多形転移温度に近い温度における熱間鍛造及び前記転移温度に近い温度に加熱する熱処理に特に好適なチタン合金であって、前記合金が、質量比で主成分を構成するチタンに加えて、少なくとも４質量％のアルミニウム、少なくとも０．１質量％の酸素、少なくとも０．０１質量％の炭素を含み、前記合金が、バナジウム、モリブデン、クロム、及び鉄から選択される少なくとも一種の元素をさらに含み、前記チタン合金がまた、少なくとも０．１質量％の比率のハフニウムを含むことを特徴とする、チタン合金。
（２）
質量比で特定される少なくとも以下の元素を含む、項目１に記載のチタン合金：
アルミニウム  ４．０％〜７．５％
バナジウム    ３．５％〜５．５％
モリブデン    ４．５％〜７．５％
クロム        １．８％〜３．６％
鉄            ０．２％〜０．５％
ハフニウム    ０．１％〜１．１％
酸素          ０．１％〜０．３％
炭素          ０．０１％〜０．２％。
（３）
０．１％〜０．７％の質量比の範囲にあるジルコニウムをさらに含み、ハフニウムの質量比率が０．１％〜０．７％の範囲にあり、ハフニウムとジルコニウムとの合計質量が１％を超えない、項目２に記載のチタン合金。
（４）
０．０５％〜０．２５％の質量比の範囲にあるシリコンをさらに含む、項目３に記載の合金。
（５）
項目１〜４のいずれか一項に記載のチタン合金から作られる半製品を熱処理する方法であって、
前記合金のβ→α＋βへの多形転移温度未満の３０℃〜７０℃の範囲に加熱する工程；
前記温度にて２時間〜５時間、保持する工程；
冷却工程；
５４０℃〜６００℃の範囲の温度にて、８時間〜１６時間の間、保持する工程；及び
冷却工程、
を含む方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
β→α＋βへの多形転移温度に近い温度における熱間鍛造及び前記転移温度に近い温度に加熱する熱処理に特に好適なチタン合金であって、前記合金が、質量比で特定される以下の元素：
アルミニウム  ４．０％〜７．５％
バナジウム    ３．５％〜５．５％
モリブデン    ４．５％〜７．５％
クロム        １．８％〜３．６％
鉄            ０．２％〜０．５％
ハフニウム    ０．１％〜１．１％
酸素          ０．１％〜０．３％
炭素          ０．０１％〜０．２％
チタン        残り
を含み、
０．１％〜０．７％の質量比の範囲にあるジルコニウムをさらに含み、ハフニウムの質量比率が０．１％〜０．７％の範囲にあり、ハフニウムとジルコニウムとの合計質量が１％を超えない、チタン合金。
【請求項２】
０．０５％〜０．２５％の質量比の範囲にあるシリコンをさらに含む、請求項１に記載の合金。
【請求項３】
請求項１または２に記載のチタン合金から作られる半製品を熱処理する方法であって、
前記合金のβ→α＋βへの多形転移温度未満の３０℃〜７０℃の範囲に加熱する工程；
前記温度にて２時間〜５時間、保持する工程；
冷却工程；
５４０℃〜６００℃の範囲の温度にて、８時間〜１６時間の間、保持する工程；及び
冷却工程、
を含む方法。
【外国語明細書】
2015155574000001.pdf