特許第6104164号(P6104164)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2022.1.31 β版

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特許6104164高強度および延性アルファ/ベータチタン合金
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6104164
(24)【登録日】2017年3月10日
(45)【発行日】2017年3月29日
(54)【発明の名称】高強度および延性アルファ/ベータチタン合金
(51)【国際特許分類】
   C22C 14/00 20060101AFI20170316BHJP
   B64C 1/00 20060101ALI20170316BHJP
   A63B 53/04 20150101ALI20170316BHJP
【FI】
   C22C14/00 Z
   B64C1/00 B
   A63B53/04 G
【請求項の数】11
【全頁数】18
(21)【出願番号】特願2013-530169(P2013-530169)
(86)(22)【出願日】2011年9月7日
(65)【公表番号】特表2013-539822(P2013-539822A)
(43)【公表日】2013年10月28日
(86)【国際出願番号】US2011050603
(87)【国際公開番号】WO2012039929
(87)【国際公開日】20120329
【審査請求日】2014年7月24日
(31)【優先権主張番号】13/108,045
(32)【優先日】2011年5月16日
(33)【優先権主張国】US
(31)【優先権主張番号】12/903,851
(32)【優先日】2010年10月13日
(33)【優先権主張国】US
(31)【優先権主張番号】12/888,699
(32)【優先日】2010年9月23日
(33)【優先権主張国】US
(73)【特許権者】
【識別番号】501187033
【氏名又は名称】エイティーアイ・プロパティーズ・エルエルシー
(74)【代理人】
【識別番号】100140109
【弁理士】
【氏名又は名称】小野 新次郎
(74)【代理人】
【識別番号】100075270
【弁理士】
【氏名又は名称】小林 泰
(74)【代理人】
【識別番号】100096013
【弁理士】
【氏名又は名称】富田 博行
(74)【代理人】
【識別番号】100092967
【弁理士】
【氏名又は名称】星野 修
(74)【代理人】
【識別番号】100161595
【弁理士】
【氏名又は名称】森下 梓
(72)【発明者】
【氏名】ブライアン,デヴィッド・ジェイ
(72)【発明者】
【氏名】マンティオーネ,ジョン・ヴイ
(72)【発明者】
【氏名】バイハ,トーマス・ディー
【審査官】 相澤 啓祐
(56)【参考文献】
【文献】 特表2007−501903(JP,A)
【文献】 米国特許第05980655(US,A)
【文献】 特開2010−070833(JP,A)
【文献】 米国特許出願公開第2008/0103543(US,A1)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
C22C 14/00
A63B 53/04
B64C 1/00
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
総合金重量に基づく重量パーセントにおいて、
4.05〜4.40 アルミニウム、
2.2〜3.0 バナジウム、
1.24〜1.56 鉄、
0.24〜0.28 酸素、
最大0.08 炭素、
最大0.05 窒素、
最大0.015 水素、
合計0.30までの、ホウ素、スズ、ジルコニウム、モリブデン、クロム、ニッケル、ケイ素、銅、ニオブ、タンタル、マンガン、イットリウムおよびコバルトのうちの少なくとも1つ、ここで、存在する場合、ホウ素およびイットリウムの各レベルが0.005未満であり、そして、存在する場合、スズ、ジルコニウム、モリブデン、クロム、ニッケル、ケイ素、銅、ニオブ、タンタル、マンガンおよびコバルトの各レベルが0.10以下である、並びに
残部のチタン及び不可避不純物
からなるアルファ/ベータチタン合金であって、
少なくとも6.4のアルミニウム同等価値(Aleqを含み、ここでアルミニウム同等価値は、合金の重量パーセントにおけるアルミニウム濃度と合金の重量パーセントにおける酸素濃度の10倍との合計と等しい値を意味する、および
少なくとも132ksi(910.1MPa)の降伏強度を表し、少なくとも142ksi(979.1MPa)の究極引張強度を表し、そして少なくとも20%の伸び率の延性を示す、
アルファ/ベータチタン合金。
【請求項2】
前記合金が、6.4〜7.2の範囲内のアルミニウム同等価値を含み、132ksi(910.1MPa)〜155ksi(1,069MPa)の範囲での降伏強度を表す、請求項1に記載のアルファ/ベータチタン合金。
【請求項3】
前記合金が、6.4〜7.2の範囲内のアルミニウム同等価値を含み、142ksi(979.1MPa)〜165ksi(1,138MPa)の範囲での究極引張強度を表す、請求項1に記載のアルファ/ベータチタン合金。
【請求項4】
前記合金が、6.4〜7.2の範囲内のアルミニウム同等価値を含み、20〜30%伸び率の範囲での延性を示す、請求項1に記載のアルファ/ベータチタン合金。
【請求項5】
前記合金が、6.4〜7.2の範囲内のアルミニウム同等価値を含み、132ksi(910.1MPa)〜142.2ksi(980.7MPa)の範囲での降伏強度を表し、142.2ksi(980.7MPa)〜153.6ksi(1059MPa)の範囲での究極引張強度を表し、19.5〜22.1%の伸び率の範囲での延性を示す、請求項1に記載のアルファ/ベータチタン合金。
【請求項6】
請求項1に記載の合金を含む製造品。
【請求項7】
前記製造品が、請求項1に記載の合金からなる、請求項6に記載の製造品。
【請求項8】
前記製造品が、航空機エンジン部品、航空機構造部品、自動車部品、医療機器部品、スポーツ器具部品、海洋用途部品および化学的処理器具部品から選択される、請求項6に記載の製造品。
【請求項9】
前記製造品が、航空機エンジン部品、航空機構造部品、自動車部品、医療機器部品、スポーツ器具部品、海洋用途部品および化学的処理器具部品から選択される、請求項7に記載の製造品。
【請求項10】
前記アルファ/ベータチタン合金のksi単位での究極引張強度(UTS)が等式
UTS≧14.767(Aleq)+48.001
を満足し、
前記アルファ/ベータチタン合金のksi単位での降伏強度(YS)が等式
YS≧13.338(Aleq)+46.864
を満足し、
前記アルファ/ベータチタン合金の%延性で測定した延性(%el)が等式
%el≧3.3669(Aleq)−1.9417
を満足し、ここで、Aleq=(重量パーセントでのアルミニウム)+(重量パーセントでの酸素×10)である、
請求項1に記載のアルファ/ベータチタン合金。
【請求項11】
前記アルファ/ベータチタン合金のksi単位での究極引張強度(UTS)が等式
UTS≧12.414(Aleq)+64.429
を満足し、
前記アルファ/ベータチタン合金のksi単位での降伏強度(YS)が等式
YS≧13.585(Aleq)+44.904
を満足し、
前記アルファ/ベータチタン合金の%延性で測定した延性(%el)が等式
%el≧4.1993(Aleq)−7.4409
を満足し、ここで、Aleq=(重量パーセントでのアルミニウム)+(重量パーセントでの酸素×10)である、
請求項1に記載のアルファ/ベータチタン合金。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
(関連明細書の相互参照)
本発明明細書は、2010年9月23日に申請され、「高強度アルファ/ベータチタン合金ファスナーおよびファスナーストック」という表題の、同時係属出願米国特許明細書第12/888,699号明細書からの35U.S.C.§120下の優先権を請求する一部係属出願明細書である、2010年10月13日に申請され、「高強度アルファ/ベータチタン合金ファスナーおよびファスナーストック」という表題の、同時係属出願米国特許第12/903,851号明細書からの、35U.S.C.§120下の優先権を請求する一部係属出願明細書である。米国特許第12/888,699号明細書および米国特許第12/903,851号明細書の前開示物が、本明細書にて参考文献によって組み込まれている。
【0002】
本発明は、高強度および延性アルファ/ベータチタン合金に関する。
【背景技術】
【0003】
チタン合金は典型的に、高強度対重量比を示し、耐腐食性であり、適度に高い温度にてクリープに対して耐性である。これらの理由のために、チタン合金は、例えば着陸装置の部材、エンジンフレーム、弾道装甲車両、船体および機械的ファスナーを含む、航空宇宙、航空、国防、海洋および自動車用途で使用される。
【0004】
航空機または他の移動乗物の重量を減少することによって、結果として燃料の節約となる。したがって、例えば航空機重量を減少させるための強力な意欲が航空宇宙産業にて存在する。チタンおよびチタン合金が、それらの高い強度対重量比のために、航空機適用における重量減少を達成するための、魅力的な物質である。航空宇宙適用において使用されるほとんどのチタン合金部分は、Ti−6Al−4V合金(ASTM Grade5;UNS R56400;AMS 4928、AMS 4911)からできており、これはアルファ/ベータチタン合金である。
【0005】
Ti−6Al−4V合金は、最も一般的なチタンに基づいて製造された物質の一つであり、すべてのチタンに基づく物質市場の50%以上に達すると推定される。Ti−6Al−4V合金は、軽量、耐腐食性、および低〜中温での高強度の合金の有益な組み合わせから利点を得る多数の用途で使用される。例えば、Ti−6Al−4V合金は、航空機エンジン部品、航空機構造部品、ファスナー、高性能自動車部品、医療機器のための部品、スポーツ器具、海洋用途のための部品、化学的処理器具のための部品製造するために使用される。
【0006】
Ti−6Al−4V合金ミル産物は、ミルアニール状態中、または溶液処理および熟成(STA)状態中いずれかが一般に使用される。本明細書で使用するところの「ミルアニール状態」は、約1〜8時間、高温(例えば1200〜1500°F/649〜816℃)にてワークピースをアニールさせ、静止空気中で冷却した「ミルアニーリング」熱処理後のチタン合金の状態を意味する。ミルアニール熱温度は、ワークピースをα+β相位相場中で熱間加工した後に達成される。ミルアニール状態中、約2〜4インチ(5.08〜10.16cm)の直径を持つTi−6Al−4V合金の円形棒が、室温にて、130ksi(896MPa)の最小特異的究極伸長強度を持ち、120ksi(827MPa)の最小特異的降伏強度を持つ。ミルアニールTi−6Al−4Vプレートがしばしば、仕様AMS4911に対して産出され、一方でミルアニールTi−6Al−4V棒がしばしば、仕様AMS4928に対して産出される。
【0007】
その全てが参考文献によって本明細書に組み込まれている、米国特許第5,980,655号明細書(「’655特許」)は、重量パーセントにて、2.90〜5.00アルミニウム、2.00〜3.00バナジウム、0.40〜2.00鉄、0.20〜0.30酸素、偶発的不純物、チタンを含む、アルファ/ベータチタン合金を開示している。’655特許にて開示されたアルファ/ベータチタン合金は、本明細書で「’655合金」として引用される。’655合金内の市販の合金組成物には、総合金重量に基づく重量パーセンテージにおいて、4.00アルミニウム、2.50バナジウム、1.50鉄、0.25酸素、偶発的不純物およびチタンが名目上含まれ、本明細書でTi−4Al−2.5V−1.5Fe−0.25O合金と呼ばれうる。
【0008】
冷間加工Ti−6Al−4V合金の困難さによって、合金は一般的に、高温、一般的にαソルバス温度以上で、加工される(例えば鍛造、ロール、延伸など)。Ti−6Al−4V合金は、例えば冷間変形の間の高頻発のクラッキング(すなわちワーキングピース失敗)のために、強度を増加させるために効果的に冷間加工することができない。しかしながら、そのすべてが参考文献によって本明細書に組み込まれている、米国特許第2004/0221929号明細書にて記述したように、’655合金が、かなりの程度の冷間変形性/加工性を持つことが、驚くべきことに、そして予期せず発見された。
【0009】
’655合金は驚くべきことに、加工可能なレベルの延性を維持する一方で、強度を達成するために冷間加工してよい。加工可能なレベルの延性は、本明細書で合金が6%以上の伸長を示す状態と定義される。また、’655合金の強度は、Ti−6Al−4V合金で達成可能なものと同等である。例えば、’655特許の表6で示されたように、Ti−6Al−4V合金に対して測定された引張応力は145.3ksi(1,002MPa)であり、一方’655合金の試験した試料は、138.7ksi〜142.7ksi(956.3MPa〜983.9MPa)の範囲内の伸長強度を示した。
【0010】
Aerospace Material Specification 6946B(AMS 6946B)は、’655特許の請求項で引用されたもの以上に制限された化学反応範囲を規定する。AMS6946B中に規定された合金は、’655特許のより広い基礎範囲制限の成形性を維持するが、AMS6946Bによって許容される機械的強度特性最低限度は、市販のTi−6Al−4V合金に対して規定されたものよりも低い。例えば、AMS−4911Lにしたがって、0.125インチ(3.175mm)厚Ti−6Al−4Vプレートに対する最小伸長強度は134ksi(923.9MPa)であり、最小降伏強度は126ksi(868.7MPa)である。これに比較して、AMS6946Bよると、0.125インチ(3.175mm)厚Ti−4Al−2.5V−1.5Fe−0.25Oプレートに対する最小伸長強度は130ksi(896.3MPa)であり、最小降伏強度は115ksi(792.9MPa)である。
【0011】
航空機および他の乗り物の重量減少を通して、燃料消費を減少させるための要求が継続していることから、好ましくは、Ti−6Al−4Vアルファ/ベータチタン合金によって示されたものと同等または優れている、機械的特性を示す改良された延性アルファ/ベータチタン合金に対する要求が存在する。
【発明の概要】
【0012】
本開示物の様態にしたがって、アルファ/ベータチタン合金は、総合金重量に基づいた重量パーセントにおいて、3.9〜4.5アルミニウム、2.2〜3.0バナジウム、1.2〜1.8鉄、0.24〜0.30酸素、〜0.08炭素、〜0.05窒素、〜0.015水素、チタンおよび〜合計0.30の他の要素を含む。
【0013】
本開示物の他の様態にしたがって、アルファ/ベータチタン合金は、重量パーセントにて、3.9〜4.5アルミニウム、2.2〜3.0バナジウム、1.2〜1.8鉄、0.24〜0.30酸素、〜0.08炭素、〜0.05窒素、〜0.015水素、チタンおよび〜合計0.30の他の要素から本質的になる。
【0014】
本明細書で記述された合金および関連する方法の特徴および利点は、付随する図面を参照することによってより理解されうる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
図1】本開示物にしたがった合金の非限定実施形態からなる、棒およびワイヤに対するアルミニウム等価物の関数としての、究極伸長強度および降伏強度のプロットである。
図2】本開示物にしたがった合金の非限定実施形態からなる、0.5インチ(1.27cm)直径のアルミニウム等価物の関数としての、究極伸長強度および降伏強度のプロットである。
図3】本開示物にしたがった合金の非限定実施形態からなる1インチ(2.54cm)厚に対するアルミニウム等価物の関数としての、伸長強度、降伏強度および伸び率のプロットである。
【発明を実施するための形態】
【0016】
読者は、本開示物にしたがった合金および関連方法のある非限定実施形態の以下の詳細な記述を考慮することにおいて、以上の詳細ならびに他を理解するであろう。
【0017】
非限定実施形態の本記述において、実施例を動作することにおいて、または他の指摘した場合以外、量または特徴を表している全ての数字が、語句「約」によってすべての例において改変されていると理解されるべきである。したがって、矛盾することが指摘されない限り、以下の記述にて説明される任意の数的パラメータは、物質中で得るために、本開示物にしたがった方法によって見いだされる望む特性に依存して変化してよい近似値である。ぎりぎりで、そして請求項の範囲に対する等価物の原則の適用を制限する取り組みとしてではなく、各数的パラメータは、少なくとも、報告された有意な数字の数に関して、そして通常の丸め技術を適用することによって構築されるべきである。
【0018】
本明細書にて参考文献によって、すべてまたは部分的に、組み込まれていると言われる任意の特許、発行物または開示物は、組み込まれた物質が本開示物で説明された存在する定義、言及または他の開示物と矛盾しない程度までのみ本明細書に組み込まれている。そのようなものとして、そして必要な程度まで、本明細書で説明された開示は、参考文献によって本明細書に組み込まれた任意の矛盾している物に優先する。本明細書にて参考文献によって組み込まれていると言われるが、本明細書で記述された存在する定義、言及または他の開示物と矛盾する、任意の物またはその部分のみが、組み込まれた物と存在する開示物間で矛盾が発生しない程度までのみ組み込まれる。
【0019】
本開示物にしたがった、アルファ/ベータチタン合金の非限定実施形態は、重量パーセントにて、3.9〜4.5アルミニウム、2.2〜3.0バナジウム、1.2〜1.8鉄、0.24〜0.30酸素、〜0.08炭素、〜0.05窒素、〜0.015水素、チタンおよび〜合計0.30の他の要素を含む、からなる、または本質的にからなる。本開示物にしたがったある非限定実施形態において、(〜0.30重量パーセントの他の要素の部分として)アルファ/ベータチタン合金中で存在しうる他の要素には、1つまたはそれ以上のホウ素、スズ、ジルコニウム、モリブデン、クロム、ニッケル、ケイ素、銅、ニオブタンタルマンガン、イットリウムおよびコバルトが含まれ、ある非限定実施形態において、存在する各そのような他の要素の重量レベルは、0.10またはそれ以下であるが、2つの例外がある。例外は、ホウ素とイットリウムであり、他の要素のすべてまたは部分として存在する場合、0.005重量パーセント未満の個々の濃度で存在する。
【0020】
I.合金組成物
本開示物にしたがった合金の非限定実施形態には、チタン、アルミニウム、バナジウム、鉄および酸素が含まれる。合金化要素のみが以下で議論された組成物中で言及される場合、バランスに、チタンと偶発的不純物が含まれることを理解されるべきである。
【0021】
A.アルミニウム
アルミニウムはチタン合金中のアルファ相強化物質である。本開示物にしたがったアルファ/ベータチタン合金の非限定実施形態におけるアルミニウムの組成範囲は、’655特許にて開示されたアルミニウム範囲より狭い。また、本開示物にしたがった合金のある非限定実施形態にしたがったアルミニウムの最小レベルは、AMS6946Bにて説明された最小レベルよりも大きい。これらの組成特徴により、合金が、より一貫して、Ti−6Al−4V合金と同等の機械的特徴を示すことが可能になる。本開示物にしたがったアルファ/ベータチタン合金中のアルミニウムの最小濃度は、3.9重量パーセントである。本開示物にしたがったアルファ/ベータチタン合金におけるアルミニウムの最大濃度は、4.5重量パーセントである。
【0022】
B.バナジウム
バナジウムはチタン合金中のベータ相安定物質である。本開示物にしたがったアルファ/ベータチタン合金中のバナジウムの最小濃度は、’655特許にて開示され、AMS6946Bにて設定された最小濃度よりも大きい。本構成特徴が、アルファおよびベータ相の容量区画の最適な、制御されたバランスを提供することが観察された。アルファおよびベータ相のバランスにより、優れた延性と成形性を持つ、本開示物にしたがった合金が提供される。バナジウムは、2.2重量パーセントの最小濃度にて、本開示物にしたがったアルファ/ベータチタン合金中で存在する。本開示物にしたがったアルファ/ベータチタン合金中のバナジウムの最大濃度は、3.0重量パーセントである。
【0023】
C.鉄
鉄は、チタン合金中の共析ベータ安定物質である。本開示物にしたがったアルファ/ベータチタン合金には、’655特許にて記述された合金と比較して、より大きな最小濃度と、より狭い範囲の鉄が含まれる。これらの特徴が、アルファおよびベータ相の容量区画の最適な、制御されたバランスを提供することが観察されてきた。バランスにより、優れた延性と成形性を持つ、本開示物にしたがった合金が提供される。鉄は、1.2重量パーセントの最小濃度にて、本開示物にしたがったアルファ/ベータ合金中で存在する。本開示物にしたがったアルファ/ベータチタン合金中の鉄の最大濃度は、1.8重量パーセントである。
【0024】
D.酸素
酸素は、チタン合金中のアルファ相強化物質である。本開示物にしたがったアルファ/ベータチタン合金中の酸素の構成範囲は、’655特許およびAMS6946B仕様中で開示された範囲より狭い。また、本開示物にしたがった合金の非限定実施形態中の酸素の最小濃度は、’655特許およびAMS6946B仕様でのものよりも大きい。これらの構成特徴により、本開示物にしたがった合金が、あるTi−6Al−4V機械的特徴と同程度の機械的特徴を一貫して示すことが観察されてきた。本開示物にしたがったアルファ/ベータチタン合金中の酸素の最小濃度は、0.24重量パーセントである。本開示物にしたがったアルファ/ベータチタン合金中の酸素の最大濃度は、0.30重量パーセントである。
【0025】
以上で議論したように、チタン、アルミニウム、バナジウム、鉄および酸素を含むことに加えて、本開示物にしたがったアルファ/ベータチタン合金のある非限定実施形態に、0.30重量パーセントを超えない総濃度中の他の要素が含まれる。ある非限定実施形態において、これらの他の要素には、2つを除いて、各そのような要素の重量パーセントが0.10またはそれ以下である、1つまたはそれ以上の、ホウ素、スズ、ジルコニウム、モリブデン、クロム、ニッケル、ケイ素、銅、ニオブタンタルマンガン、イットリウムおよびコバルトが含まれる。例外はホウ素とイットリウムである。本開示物にしたがった合金中で存在する場合、ホウ素およびイットリウムの各重量パーセントは、0.005未満である。
【0026】
偶発的不純物がまた、本開示物にしたがったアルファ/ベータチタン合金中で存在しうる。例えば、炭素は、約0.08重量パーセントまで存在してよい。窒素は、約0.05重量パーセントまで存在してよい。水素は、約0.015重量パーセントまで存在してよい。他の可能性のある偶発的不純物は、冶金技術分野における当業者に対して明らかであろう。
【0027】
表1は、(i)本開示物にしたがったアルファ/ベータチタン合金のある非限定実施形態、および(ii)’655特許にて開示され、AMS6946Bにて設定されたある合金の組成物の要約を提供する。
【表1】
【0028】
本発明者等は、’655特許にて教示された最小レベルより大きな、アルミニウム、酸素および鉄の最小レベルを持つ本合金を提供することによって、例えばミルアニールTi−6Al−4V合金のある機械的特徴と少なくとも同程度の、強度のような、機械的特徴を一貫して示すアルファ/ベータチタン合金を提供するということを、予期せず発見した。本発明者等はまた、’655特許にて開示されたそれらの最小値および範囲に比べて、鉄およびバナジウムの最小レベルを増加させ、範囲を狭くすることによって、合金がミルアニール形態中のアルファおよびベータ相の容量画分の最適で、制御されたバランスが示すことが可能であることも、予期せず発見した。本開示物にしたがったアルファ/ベータチタン合金中の相の最適なバランスにより、Ti−6Al−4V合金と比較して延性が改善された合金の実施形態が提供され、一方で、’655特許中に開示され、AMS6946Bにて設定された合金の延性が維持される。
【0029】
当業者は、金属物質の強度および延性が一般的に、逆関係を示すことを理解する。言い換えれば、一般に、金属物質の強度が上昇すると、物質の延性は減少する。機械的強度が増加し、本開示物にしたがったアルファ/ベータチタン合金の延性を維持する組み合わせは、強度と延性間の逆関係が一般に、ミルアニールチタン合金で観察されるので、予想されなかった。機械的強度の増加と、延性の維持の予期せず、驚くべき組み合わせがとりわけ、本開示物にしたがった合金実施形態の有益な特徴である。本開示物にしたがったミルアニールした合金の実施形態が、延性の減少を示すことなしに、Ti−6Al−4V合金と同程度の強度を示すということを発見したことは驚くべきことであった。
【0030】
少なくとも6.3、またはより好ましくは少なくとも6.4のアルミニウム同等価値(Aleq)を持つ、本開示物にしたがったアルファ/ベータ合金のある非限定実施形態が、Ti−6Al−4V合金の強度と少なくとも同程度の強度を示したことが観察されてきた。そのような合金はまた、Ti−6Al−4V合金よりも優れた延性を示したことが観察され、典型的に約7.5のアルミニウム同等価値を持つ。本明細書で使用するところの、「アルミニウム同等価値」または「アルミニウム同等」(Aleq)は、合金中の重量パーセントにおけるアルミニウム濃度+合金の重量パーセントにおける酸素濃度の10倍と等しい値を意味する。言い換えれば、合金のアルミニウム同等物は、以下のような、Aleq=Al(wt.%)+10(O(wt.%))のように決定してよい。
【0031】
チタン合金の機械的特徴は一般に、試験している種の大きさによって影響を受け、本開示物にしたがった非限定実施形態において、アルファ/ベータチタン合金には、少なくとも6.4、またはある実施形態で6.4〜7.2の範囲内のアルミニウム同等価値と、少なくとも120ksi(827.4MPa)、またはある実施形態において、少なくとも130ksi(896.3MPa)の降伏強度が含まれる。
【0032】
本開示物にしたがった他の非限定実施形態において、アルファ/ベータチタン合金は、少なくとも6.4、またはある実施形態で6.4〜7.2の範囲内のアルミニウム同等価値と、少なくとも120ksi(827.4MPa)〜155ksi(1,069MPa)の範囲の降伏強度を含む。
【0033】
また他の非限定実施形態において、本開示物にしたがったアルファ/ベータチタン合金は、少なくとも6.4、またはある実施形態で6.4〜7.2の範囲内のアルミニウム同等価値と、少なくとも130ksi(896.3MPa)、ある実施形態において、少なくとも140ksi(965.3MPa)の究極伸長強度を含む。
【0034】
本開示物にしたがったさらなる非限定実施形態において、本開示物にしたがったアルファ/ベータチタン合金は、少なくとも6.4、またはある実施形態で6.4〜7.2の範囲内のアルミニウム同等価値と、130ksi(896.3MPa)〜165ksi(1,138MPa)の範囲の究極伸長強度を含む。
【0035】
またさらなる非限定実施形態において、本開示物にしたがったアルファ/ベータチタン合金は、少なくとも6.4、またはある実施形態で6.4〜7.2の範囲内のアルミニウム同等価値と、少なくとも12%または少なくとも16%(伸び率)の延性を含む。
【0036】
またさらなる非限定実施形態において、本開示物にしたがったアルファ/ベータチタン合金は、少なくとも6.4、またはある実施形態で6.4〜7.2の範囲内のアルミニウム同等価値と、12%〜30%の範囲(伸び率または「%el」)の延性を含む。
【0037】
本開示物のある非限定実施形態にしたがう一方で、6.3はAleqに対する絶対最小値であり、本発明者等は、少なくとも6.4のAleq値が、Ti−6Al−4V合金によって示されたのと同一の強度を達成するために要求されることを決定した。また、本開示物にしたがったアルファ/ベータチタン合金の他の非限定実施形態において、Aleqの最大値が7.5であること、および本明細書で開示した他の非限定実施形態にしたがった延性に対する強度の比が適用されること、も認識される。
【0038】
非限定実施形態にしたがって、本開示物にしたがったアルファ/ベータチタン合金には、少なくとも6.4のアルミニウム同等価値、少なくとも120ksi(827.4MPa)の降伏強度、少なくとも130ksi(896.3MPa)の究極伸長強度、および少なくとも12%(伸び率)の延性が含まれる。
【0039】
他の非限定実施形態にしたがって、本開示物にしたがったアルファ/ベータチタン合金には、少なくとも6.4のアルミニウム同等価値、少なくとも130ksi(896.3MPa)の降伏強度、少なくとも140ksi(965.3MPa)の究極伸長強度、および少なくとも12%の延性が含まれる。
【0040】
また他の非限定実施形態にしたがって、本開示物にしたがったアルファ/ベータチタン合金には、6.4〜7.2の範囲のアルミニウム同等価値、120ksi(827.4MPa)〜155ksi(1,069MPa)の範囲での降伏強度、130ksi(896.3MPa)〜165ksi(1,138MPa)の範囲での究極伸長強度、および12%〜30%(伸び率)の範囲での延性が含まれる。
【0041】
1つの非限定実施形態において、本開示物にしたがったアルファ/ベータチタン合金は、等式
UTS14.767(Aleq)+48.001
を満足する平均究極引張強度(UTS)を示す。
【0042】
他の非限定実施形態において、本開示物にしたがったアルファ/ベータチタン合金は、等式
YS13.338(Aleq)+46.864
を満足する平均降伏強度(YS)を示す。
【0043】
また他の非限定実施形態において、本開示物にしたがったアルファ/ベータチタン合金は、等式
%el≧3.3669(Aleq)−1.9417
の平均延性を示す。
【0044】
また他の非限定実施形態において、本開示物にしたがったアルファ/ベータチタン合金は、等式
UTS≧14.767(Aleq)+48.001
を満足する平均究極引張強度(UTS)、等式
YS≧13.338(Aleq)+46.864
を満足する平均降伏強度(YS)、および等式
%el≧3.3669(Aleq)−1.9417
を満足する平均延性を示す。
【0045】
1つの非限定実施形態において、本開示物にしたがったアルファ/ベータチタン合金は、等式
UTS12.414(Aleq)+64.429
を満足する平均究極引張強度(UTS)を示す。
【0046】
他の非限定実施形態において、本開示物にしたがったアルファ/ベータチタン合金は、等式
YS13.585(Aleq)+44.904
を満足する平均降伏強度(YS)を示す。
【0047】
また他の非限定実施形態において、本開示物にしたがったアルファ/ベータチタン合金は、等式
%el≧4.1993(Aleq7.4409
の平均延性を示す。
【0048】
また他の非限定実施形態において、本開示物にしたがったアルファ/ベータチタン合金は、等式
UTS≧12.414(Aleq)+64.429
を満足する平均究極伸長強度(UTS)、等式
YS≧13.585(Aleq)+44.904
を満足する平均降伏強度(YS)、および等式
%el≧4.1993(Aleq7.4409
を満足する平均延性を示す。
【0049】
1つの非限定実施形態において、本開示物にしたがったアルファ/ベータチタン合金は、等式
UTS10.087(Aleq)+76.785
を満足する平均究極引張強度(UTS)を示す。
【0050】
他の非限定実施形態において、本開示物にしたがったアルファ/ベータチタン合金は、等式
YS13.911(Aleq)+39.435
を満足する平均降伏強度(YS)を示す。
【0051】
また他の非限定実施形態において、本開示物にしたがったアルファ/ベータチタン合金は、等式
%el1.1979(Aleq)+8.5604
の平均延性を示す。
【0052】
また他の非限定実施形態において、本開示物にしたがったアルファ/ベータチタン合金は、等式
UTS10.087(Aleq)+76.785
を満足する平均究極引張強度(UTS)、等式
YS13.911(Aleq)+39.435
を満足する平均降伏強度(YS)、および等式
%el1.1979(Aleq)+8.5604
を満足する平均延性を示す。
【0053】
本開示物にしたがったアルファ/ベータチタン合金の非限定実施形態は、Ti−6Al−4V合金と比較して、同程度またはより高い機械的強度、より高い延性、および改善された成形性を示すことが決定されてきた。したがって、本開示物にしたがった合金からなる品物を、航空宇宙、航空、海洋、自動車および他の用途でのTi−6Al−4V合金品に対する代用品として使用することが可能である。本開示物にしたがった合金の実施形態の高強度および延性により、高い耐性を持つが、Ti−6Al−4V合金からは現在製造不可能なあるミルおよび最終品物の製造が可能となる。
【0054】
本開示物の様態は、本開示物にしたがった合金を含む、および/またはからできている製造品を指向する。製造品のある非限定実施形態は、航空機エンジン部品、航空機構造部品、自動車部品、医療機器部品、スポーツ用装置部品海洋用途の部品および化学的処理器具部品から選択してよい。当業者に対して、現在またはこれ以降公知の本開示物にしたがったアルファ/ベータチタン合金の実施形態を含んでよい、および/またはそれからなってよい他の製造品が、本明細書で開示された実施形態の範囲内である。現在または将来公知の形成および他の加工技術による、本開示物にしたがった合金を含む、および/またはからなる製造品が当業者を抱き込む。
【0055】
以下の実施例は、本発明の範囲を制限はせずに、ある非限定実施形態をさらに記述する意図である。当業者は、以下の実施例、ならびに本明細書で特に記述されていない他の実施形態の変形が、請求項でのみ定義された、本発明の範囲内である可能性を理解するであろう。
実施例1
【0056】
本開示物にしたがった組成物を持つアルファ/ベータチタン合金インゴットを、一次溶解のために、従来の真空アーク再溶解(VAR)、プラズマアーク溶解(PAM)、または電子ビーム冷炉床融解(EB)を用いてキャストし、VARを用いて再溶解した。インゴットの組成物は、以上表1中に含まれる「本開示物にしたがった非限定実施形態」カラム中に列記された範囲内であった。
【0057】
本実施例1にて産出されたインゴット組成物は、約6.0〜約7.1の範囲のアルミニウム同等価値を持った。インゴットを、種々の熱ローリング品物を用いて、0.25インチ(0.635cm)〜3.25インチ(8.255cm)の直径を持つ熱ロール棒およびワイヤに処理した。熱ローリングを、1550°F(843.3℃)〜1650°F(898.9℃)の開始温度で実施した。この温度範囲は、実際の化学反応に依存して、約1750°F〜約1850°F(約954.4℃〜約1010°)である、本実施例の合金のアルファ/ベータトランサス(transus)温度よりも低い。熱ローリングの後、熱ロール棒およびワイヤを、1時間1275°F(690.6℃)にてアニールし、続いて空乾した。実施例1にて産出された各棒およびワイヤ試料の直径、アルミニウム濃度、鉄濃度、酸素濃度および計算Aleqを表2に提供している。
【表2】
【0058】
図1は、試料中の合金のアルミニウム同等価値の関数として、表2中で列記した棒およびワイヤ試料に対する、室温究極引張強度(UTS)、降伏強度(YS)および百分率伸び(%el)を図で表示している。図1はまた、直線回帰によって決定したUTS、YSおよび%elデータ点を通した傾向直線を含む。平均強度および平均伸び率両方が、Aleqの増加とともに増加することが見られた。この関係は、強度の増加が延性の減少を伴う一般に観察される関係とは反対であるので、驚くべきことであり、予期しないことである。
【0059】
UTSおよびYSに対する典型的なTi−6Al−4V最小値は、それぞれ135ksi(930.8MPa)と125ksi(861.8MPa)である。表2中に列記した本発明の試料に対するYSは、約6.0のAleqを持つ試料に対して約125ksi、約7.1のAleqを持つ試料に対して約141ksiの範囲であった。約6.4のAleqを持つ試料は、約130ksi(896.3MPa)のYSを示した。表2にて列記した本発明の試料に対するUTSは、約6.0のAleqを持つ試料に対して約135ksi、約7.1のAleqを持つ試料に対して約153ksiの範囲であった。約6.4のAleqを持つ試料は、約141ksi(972MPa)のYSを示した。
実施例2
【0060】
0.5インチ(1.27cm)の直径と、約6.5、約6.8および約7.15のアルミニウム同等価値を持つ、実施例1からのワイヤ試料番号9〜11を、室温にて伸長強度試験した。伸長強度試験の結果を、図2にて図で示している。これらの試料の全てが、市販のTi−6Al−4V合金によって示された強度と同等か、またはより高い伸長強度と降伏強度を示した。図1でのように、Aleqの増加が、平均伸び率の増加をともなって、結果として強度の増加となることが図2からみられる。以上で議論したように、この傾向は、強度の増加が延性の減少を伴う一般に観察される関係とは反対であるので、驚くべきことであり、予期しないことである。機械的特徴が、試験試料の大きさによりある程度まで影響を受けるため、種々の大きさの試料にて実施した試験での代表である図1と比較して、同一の大きさの試料において実施した試験の代表である図2のデータでは、散乱より少ない。
実施例3
【0061】
熱ロール1インチ(2.54cm)厚プレート試料を、実施例1にて記述した段階にしたがって製造したインゴットから加工した。合金インゴットは、表3にて列記したようなアルミニウムおよび酸素濃度とアルミニウム同等価値をもつ、以上表1中の「本開示物にしたがった非限定実施形態」にて列記された範囲内の組成物を持った。
【表3】
【0062】
すべての熱ローリング温度は、合金のアルファ/ベータトランサス温度以下であった。合金は、約6.5〜約7.1のAleq値を持った。室温引張強度試験を用いて、伸長強度、降伏強度および伸び率(延性)を決定した。引張強度試験の結果を、図3にて図で示している。図3より、計算アルミニウム同等物によって示唆されたように、AlおよびOのレベルの増加を含む合金が、Ti−6Al−4V合金によって示された少なくとも同等の強度レベルにて、室温強度を示した。さらに、強度はAleqの増加をともなって増加することが観察された。さらに、本発明の合金の平均延性が、わずかに増加したか、またはAleqの増加と強度の増加をともなって、一般に変化しないままかいずれかであった。本傾向は、強度の増加が延性の減少を伴う一般に観察される関係とは反対であるので、驚くべきことであり、予期しないことである。
【0063】
本開示物は、種々の例、例示および非限定実施形態に関して記述されている。しかしながら、当業者は、任意の開示した実施形態(またはその部分)の種々の置換、改変または組み合わせを、請求項でのみ定義されるような本発明の範囲から逸脱することなしに実施してよいことを認識するであろう。したがって、本開示物は、本明細書で明確に記述されないさらなる実施形態を包含することが企図され、理解される。そのような実施形態は、例えば、本明細書で記述した実施形態の開示された段階、成分、構成物、構成要素、要素、特徴、様態などを組み合わせること、および/または改変することによって得てよい。したがって、本開示物は、種々の例、例示および非限定実施形態の記述によって制限はされないが、請求項によってのみ制限される。この様式において、請求項が、本明細書で種々記述されたような請求された発明に対して特徴を加えるために、本発明明細書の実行の間に修正されうることが理解されるであろう。
[発明の態様]
[1]
総合金重量に基づく重量パーセントにおいて、
3.9〜4.5 アルミニウム、
2.2〜3.0 バナジウム、
1.2〜1.8 鉄、
0.24〜0.30 酸素、
〜0.08 炭素、
〜0.05 窒素、
〜0.015 水素、
チタン、および
合計0.30までの他の要素
を含むアルファ/ベータチタン合金。
[2]
前記合計0.30までの他の要素に、少なくとも1つのホウ素、スズ、ジルコニウム、モリブデン、クロム、ニッケル、ケイ素、銅、ニオブ、タンタル、マンガン、イットリウムおよびコバルトが含まれ、
存在する場合、各ホウ素およびイットリウムのレベルが、0.005未満であり、
存在する場合スズ、ジルコニウム、モリブデン、クロム、ニッケル、ケイ素、銅、ニオブ、タンタル、マンガンおよびコバルトの各レベルが、0.10より小さい、
1に記載のアルファ/ベータチタン合金。
[3]
前記合金が、少なくとも6.4のアルミニウム同等価値を含み、少なくとも120ksi(827.4MPa)の降伏強度を示す、1に記載のアルファ/ベータチタン合金。
[4]
前記合金が、少なくとも6.4のアルミニウム同等価値を含み、少なくとも130ksi(896.3MPa)の究極引張強度を示す、1に記載のアルファ/ベータチタン合金。
[5]
前記合金が、少なくとも6.4のアルミニウム同等価値を含み、少なくとも12パーセント伸長の延性を示す、1に記載のアルファ/ベータチタン合金。
[6]
前記合金が、少なくとも6.4のアルミニウム同等価値を含み、少なくとも120ksi(827.4MPa)の降伏強度を示し、少なくとも130ksi(896.3MPa)の究極引張強度を示し、少なくとも12伸び率の延性を示す、1に記載のアルファ/ベータチタン合金。
[7]
前記合金が、6.4〜7.2の範囲内のアルミニウム同等価値を含み、120ksi(827.4MPa)〜155ksi(1,069MPa)の範囲での降伏強度を表す、1に記載のアルファ/ベータチタン合金。
[8]
前記合金が、6.4〜7.2の範囲内のアルミニウム同等価値を含み、130ksi(896.3MPa)〜165ksi(1,138MPa)の範囲での究極引張強度を表す、1に記載のアルファ/ベータチタン合金。
[9]
前記合金が、6.4〜7.2の範囲内のアルミニウム同等価値を含み、12〜30伸び率の範囲での延性を示す、1に記載のアルファ/ベータチタン合金。
[10]
前記合金が、6.4〜7.2の範囲内のアルミニウム同等価値を含み、120ksi(827.4MPa)〜155ksi(1,069MPa)の範囲での降伏強度を表し、130ksi(896.3MPa)〜165ksi(1,138MPa)の範囲での究極引張強度を表し、12〜30伸び率の範囲での延性を示す、1に記載のアルファ/ベータチタン合金。
[11]
総合金重量に基づく重量パーセントにおいて、
3.9〜4.5 アルミニウム、
2.2〜3.0 バナジウム、
1.2〜1.8 鉄、
0.24〜0.30 酸素、
〜0.08 炭素、
〜0.05 窒素、
〜0.015 水素、
チタン、および
合計0.30までの他の要素
から本質的になる、アルファ/ベータチタン合金。
[12]
前記合計0.30までの他の要素に、少なくとも1つのホウ素、スズ、ジルコニウム、モリブデン、クロム、ニッケル、ケイ素、銅、ニオブ、タンタル、マンガン、イットリウムおよびコバルトが含まれ、
存在する場合、各ホウ素およびイットリウムのレベルが、0.005未満であり、
存在する場合スズ、ジルコニウム、モリブデン、クロム、ニッケル、ケイ素、銅、ニオブ、タンタル、マンガンおよびコバルトの各レベルが、0.10より小さい、
11に記載のアルファ/ベータチタン合金。
[13]
前記合金が、少なくとも6.4のアルミニウム同等価値を含み、少なくとも120ksi(827.4MPa)の降伏強度を示す、11に記載のアルファ/ベータチタン合金。
[14]
前記合金が、少なくとも6.4のアルミニウム同等価値を含み、少なくとも130ksi(896.3MPa)の究極引張強度を示す、11に記載のアルファ/ベータチタン合金。
[15]
前記合金が、少なくとも6.4のアルミニウム同等価値を含み、少なくとも12伸び率の延性を示す、11に記載のアルファ/ベータチタン合金。
[16]
前記合金が、少なくとも6.4のアルミニウム同等価値を含み、少なくとも120ksi(827.4MPa)の降伏強度を示し、少なくとも130ksi(896.3MPa)の究極引張強度を示し、少なくとも12伸び率の延性を示す、11に記載のアルファ/ベータチタン合金。
[17]
前記合金が、6.4〜7.2の範囲内のアルミニウム同等価値を含み、120ksi(827.4MPa)〜155ksi(1,069MPa)の範囲での降伏強度を表す、11に記載のアルファ/ベータチタン合金。
[18]
前記合金が、6.4〜7.2の範囲内のアルミニウム同等価値を含み、130ksi(896.3MPa)〜165ksi(1,138MPa)の範囲での究極引張強度を表す、11に記載のアルファ/ベータチタン合金。
[19]
前記合金が、6.4〜7.2の範囲内のアルミニウム同等価値を含み、12〜30伸び率の範囲での延性を示す、11に記載のアルファ/ベータチタン合金。
[20]
前記合金が、6.4〜7.2の範囲内のアルミニウム同等価値を含み、120ksi(827.4MPa)〜155ksi(1,069MPa)の範囲での降伏強度を表し、130ksi(896.3MPa)〜165ksi(1,138MPa)の範囲での究極引張強度を表し、12〜30伸び率の範囲での延性を示す、11に記載のアルファ/ベータチタン合金。
[21]
1に記載の合金を含む製造品。
[22]
前記製造品が、1に記載の合金からなる、21に記載の製造品。
[23]
前記製造品が、航空機エンジン部品、航空機構造部品、自動車部品、医療機器部品、スポーツ器具部品、海洋用途部品および化学的処理器具部品から選択される、21に記載の製造品。
[24]
前記製造品が、航空機エンジン部品、航空機構造部品、自動車部品、医療機器部品、スポーツ器具部品、海洋用途部品および化学的処理器具部品から選択される、22に記載の製造品。
[25]
11に記載の合金を含む製造品。
[26]
前記製造品が、11に記載の合金からなる、25に記載の製造品。
[27]
前記製造品が、航空機エンジン部品、航空機構造部品、自動車部品、医療機器部品、スポーツ器具部品、海洋用途部品および化学的処理器具部品から選択される、25に記載の製造品。
[28]
前記製造品が、航空機エンジン部品、航空機構造部品、自動車部品、医療機器部品、スポーツ器具部品、海洋用途部品および化学的処理器具部品から選択される、26に記載の製造品。
図1
図2
図3