(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-09-18
(54)【発明の名称】高温特性が改善されたα-βチタン合金
(51)【国際特許分類】
C22F 1/18 20060101AFI20240910BHJP
C22C 14/00 20060101ALI20240910BHJP
C22F 1/00 20060101ALN20240910BHJP
【FI】
C22F1/18 H
C22C14/00 Z
C22F1/00 623
C22F1/00 650A
C22F1/00 683
C22F1/00 691B
C22F1/00 691C
C22F1/00 692Z
C22F1/00 684B
C22F1/00 601
C22F1/00 630A
C22F1/00 630K
C22F1/00 630G
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2024511986
(86)(22)【出願日】2022-08-24
(85)【翻訳文提出日】2024-04-18
(86)【国際出願番号】 US2022041370
(87)【国際公開番号】W WO2023028140
(87)【国際公開日】2023-03-02
(32)【優先日】2021-08-24
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】514179078
【氏名又は名称】チタニウム メタルズ コーポレーション
【住所又は居所原語表記】181 North Water Street Gate 3,Henderson,NV 89015,U.S.A.
(74)【代理人】
【識別番号】110001737
【氏名又は名称】弁理士法人スズエ国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】ファニング、ジョン・シー
(57)【要約】
α-βチタン合金および製造方法は、5.7~7.5重量%のAl、0.8~4.2重量%のMo、0.0~3.0重量%のNb、0.1~3.5のSn、0.1~3.0重量%のZr、0.1~0.35重量%のSi、0.05~0.25重量%のOを含み、残部がTiおよび付随的な不純物である重量パーセント(重量%)の組成を有するチタン合金からα-β製品を形成すること、およびそれから第1の温度および第1の時間を含む第1の熱処理工程、第2の温度および第2の時間を含む第2の熱処理工程、ならびに第2の温度未満の第3の温度および第2の時間を超える第3の時間を含む第3の熱処理工程でα-β製品を熱処理することを含む。
【選択図】
図4B
【特許請求の範囲】
【請求項1】
α-βチタン合金を製造する方法であって、
5.7~7.5重量%のAl、0.8~4.2重量%のMo、0.0~3.0重量%のNb、0.1~3.5のSn、0.1~3.0重量%のZr、0.1~0.35重量%のSi、0.05~0.25重量%のOを含み、残部がTiおよび付随的不純物である重量パーセント(重量%)の組成を有するチタン合金からα-β製品を形成すること;および
第1の温度および第1の時間を含む第1の熱処理工程、第2の温度および第2の時間を含む第2の熱処理工程、ならびに前記第2の温度未満の第3の温度および前記第2の時間を超える第3の時間を含む第3の熱処理工程で前記α-β製品を熱処理すること、
を含む方法。
【請求項2】
前記第1の温度は、1600°Fと2000°Fの間であり、前記第1の時間は15分と120分間の間である請求項1に記載の方法。
【請求項3】
前記第2の温度は、1400°Fと1900°Fの間であり、前記第2の時間は5分間と90分間の間である請求項2に記載の方法。
【請求項4】
前記第3の温度は、1050°Fと1250°Fの間であり、前記第3の時間は5時間と7時間の間である請求項3に記載の方法。
【請求項5】
前記熱処理されたα-β製品は、針状微細構造を含む請求項1に記載の方法。
【請求項6】
前記針状微細構造は、β相のマトリックスにα相の針状結晶を含む請求項5に記載の方法。
【請求項7】
前記α-β製品組成は、6.4~7.4重量%のAl、2.1~2.6重量%のMo、0.5~1.5重量%のNb、1.0~1.8のSn、0.5~1.5重量%のZr、0.1~0.3重量%のSi、0.1~0.15重量%のOを含み、残部がTiおよび付随的不純物である請求項1に記載の方法。
【請求項8】
前記α-β製品組成は、6.8~7.6重量%のAl、0.8~1.6重量%のMo、1.6~2.4重量%のNb、0.15~0.45のSn、0.1~0.3重量%のZr、0.1~0.3重量%のSi、0.1~0.2重量%のOを含み、残部がTiおよび付随的不純物である請求項1に記載の方法。
【請求項9】
前記α-β製品組成は、5.7~6.7重量%のAl、1.7~2.3重量%のMo、1.8~2.4重量%のNb、2.4~3.2のSn、1.8~2.6重量%のZr、0.1~0.3重量%のSi、0.1~0.2重量%のOを含み、残部がTiおよび付随的不純物である請求項1に記載の方法。
【請求項10】
5.7~7.5重量%のAl、0.8~4.2重量%のMo、0.0~3.0重量%のNb、0.1~3.5のSn、0.1~3.0重量%のZr、0.1~0.35重量%のSi、0.05~0.25重量%のOを含み、残部がTiおよび付随的不純物である重量パーセント(重量%)の組成;
βのマトリクッス中にαの針状結晶を含む針状微細構造;および
1.0E+07サイクルを超えるEN6072試験による疲労寿命
を含むα-βチタン合金。
【請求項11】
前記熱処理されたα-β製品に対する35ksiおよび950°F(510℃)で、0.25%ひずみまでの時間は、50時間を超える、をさらに含む請求項10に記載のα-βチタン合金。
【請求項12】
前記熱処理されたα-β製品に対する35ksiおよび950°F(510℃)で、0.25%ひずみまでの時間は、75時間を超える、請求項11に記載のα-βチタン合金。
【請求項13】
前記熱処理されたα-β製品に対する35ksi および950°F(510℃)で、0.25%ひずみまでの時間は、100時間を超える、請求項12に記載のα-βチタン合金。
【請求項14】
前記組成は、6.4~7.4重量%のAl、2.1~2.6重量%のMo、0.5~1.5重量%のNb、1.0~1.8のSn、0.5~1.5重量%のZr、0.1~0.3重量%のSi、0.1~0.15重量%のOを含み、残部がTiおよび付随的不純物である請求項10に記載のα-βチタン合金。
【請求項15】
75°F(23.9℃)で、約153ksiを超える引張強度、約130ksiを超える降伏強度、約3%を超える伸び率、および約17.5Msiを超える弾性率をさらに含む請求項14に記載のα-βチタン合金。
【請求項16】
1150°F(621.1℃)で、約90ksiを超える引張強度、約68ksiを超える降伏強度、約15%を超える伸び率、および約13.0Msiを超える弾性率をさらに含む請求項14に記載のα-βチタン合金。
【請求項17】
前記組成は、6.8~7.6重量%のAl、0.8~1.6重量%のMo、1.6~2.4重量%のNb、0.15~0.45のSn、0.1~0.3重量%のZr、0.1~0.3重量%のSi、0.1~0.2重量%のOを含み、残部がTiおよび付随的不純物である請求項10に記載のα-βチタン合金。
【請求項18】
1150°F(621.1℃)で、約10.0Msiを超える弾性率をさらに含む請求項19に記載のα-βチタン合金。
【請求項19】
前記組成は、5.7~6.7重量%のAl、1.7~2.3重量%のMo、1.8~2.4重量%のNb、2.4~3.2のSn、1.8~2.6重量%のZr、0.1~0.3重量%のSi、0.1~0.2重量%のOを含み、残部がTiおよび付随的不純物である請求項10に記載のα-βチタン合金。
【請求項20】
75°F(23.9℃)で、約155ksiを超える引張強度、約3%を超える伸び率、および約17.0Msiを超える弾性率をさらに含む請求項19に記載のα-βチタン合金。
【請求項21】
1150°F(621.1℃)で、約95ksiを超える引張強度、約73ksiを超える降伏強度、約16%を超える伸び率、および約12.0Msiを超える弾性率をさらに含む請求項19に記載のα-βチタン合金。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願の相互参照
本出願は、2021年8月24日に出願された米国仮特許出願第63/236,363号の優先権および利益を主張する。前記出願の開示は、参照により本明細書に組み込まれる。
【0002】
本開示は、チタン合金、特にα-βチタン合金に関する。
【背景技術】
【0003】
この段落の記述は、本開示に関連する背景情報を提供するにすぎず、先行技術になり得ない。
【0004】
チタン合金は、民間および軍用の航空宇宙システムで一般的に使用されている。例えば、Ti-6Al-4V合金およびTi6242合金は、とりわけ鋼、ニッケル基合金、およびアルミニウム合金と比較した場合、高温特性と低密度との魅力的な組合せを提供することができる。
【0005】
このような合金、および特性が向上した合金にとって特に関心のある領域の1つは、航空機エンジン排気系統、内壁、熱交換器、および熱シールドで使用するための平圧延製品(シートおよびプレート)である。関心が高まっている別の領域は、積層造形法によって製造された部品である。
【発明の概要】
【0006】
本開示は、チタン合金に関する問題の中でもとりわけ、高温で使用するためのチタン合金に関する問題に対処する。
【0007】
この段落は、本開示の一般的な概要を提供し、その全範囲またはその特徴のすべての包括的な開示ではない。
【0008】
本開示の一形態において、α-βチタン合金を製造する方法は、5.7~7.5重量%のAl、0.8~4.2重量%のMo、0.0~3.0重量%のNb、0.1~3.5のSn、0.1~3.0重量%のZr、0.1~0.35重量%のSi、0.05~0.25重量%のOを含み、残部がTiおよび付随的不純物である重量パーセント(重量%)の組成を持つチタン合金からα-β製品を形成すること、およびそれから第1の温度および第1の時間を有する第1の熱処理工程、第2の温度および第2の時間を有する第2の熱処理工程、ならびに第2の温度未満の第3の温度および第2の時間を超える第3の時間を有する第3の熱処理工程によってα-β製品を熱処理すること、を含む。
【0009】
幾つかの変形において、第1の温度は1600°F(871.1℃)と2000°F(1093℃)の間であり、第1の時間は15分と120分の間である。少なくとも一つの変形において、第2の温度は1400°F(760℃)と1900°F(1037.8℃)の間であり、第2の時間は5分と90分の間であり、第3の温度は1050°F(565.6℃)と1250°F(676.7℃)の間以下であり、第3の時間は5時間と7時間の間である。
【0010】
幾つかの変形において、熱処理されたα-β製品は針状微細構造を含む。例えば、針状微細構造は、β相のマトリックス中にα相の針状結晶を含む。
【0011】
少なくとも一つの変形において、熱処理されたα-β製品に対する35ksiおよび950°F(510℃)でのひずみが0.25%に達するまでの時間は、50時間を超え、例えば75時間を超え、または100時間を超える。
【0012】
幾つかの変形において、熱処理されたα-β製品は1.0E+07サイクルを超えるEN6072試験による疲労寿命を有する。
【0013】
少なくとも一つの変形において、α-β製品の組成は、6.4~7.4重量%のAl、2.1~2.6重量%のMo、0.5~1.5重量%のNb、1.0~1.8のSn、0.5~1.5重量%のZr、0.1~0.3重量%のSi、0.1~0.15重量%のOを含み、残部がTiおよび付随的不純物である。そして、そのような変形において、熱処理されたα-β製品は、75°F(23.9℃)で約153ksiを超える引張強度、約130ksiを超える降伏強度、約3%を超える伸び率および約17.5Msiを超える弾性率を含む。さらに、熱処理されたα-β製品は、1150°F(621.1℃)で、約90ksiを超える引張強度、約68ksiを超える降伏強度、約15%を超える伸び率、および約13.0Msiを超える弾性率を含む。
【0014】
幾つかの変形において、α-β製品の組成は、6.8~7.6重量%のAl、0.8~1.6重量%のMo、1.6~2.4重量%のNb、0.15~0.45のSn、0.1~0.3重量%のZr、0.1~0.3重量%のSi、0.1~0.2重量%のOを含み、残部がTiおよび付随的不純物である。そして、そのような変形において、熱処理されたα-β製品は、1150°F(621.1℃)で約10.0Msiを超える弾性率を有する。
【0015】
少なくとも一つの変形において、α-β製品の組成は、5.7~6.7重量%のAl、1.7~2.3重量%のMo、1.8~2.4重量%のNb、2.4~3.2のSn、1.8~2.6重量%のZr、0.1~0.3重量%のSi、0.1~0.2重量%のOを含み、残部がTiおよび付随的不純物である。そして、そのような変形において、熱処理されたα-β製品は、75°F(23.9℃)で約155ksiを超える引張強度、約3%を超える伸び率、および約17.0Msiを超える弾性率を有する。さらに、熱処理されたα-β製品は、1150°F(621.1℃)で約95ksiを超える引張強度、約73ksiを超える降伏強度、約16%を超える伸び率、および約12.0Msiを超える弾性率を有する。
【0016】
本開示の別の形態では、α-βチタン合金は、5.7~7.5重量%のAl、0.8~4.2重量%のMo、0.0~3.0重量%のNb、0.1~3.5のSn、Zrが0.1~3.0重量%、0.1~0.35重量%のSi、0.05~0.25重量%のOを含み、残部がTiおよび付随的不純物である重量パーセント(重量%)の組成を含む。α-βチタン合金は、また、βのマトリックス中にαの針状結晶を含む針状微細構造、および1.0E+07サイクルを超えるEN6072試験による疲労寿命を有する。
【0017】
幾つかの変形において、α-βチタン合金は、35ksiおよび950°F(510℃)で0.25%のひずみに達するまでの時間が50時間を超え、例えば75時間を超え、または100時間を超える、を有するか、または示す。
【0018】
少なくとも一つの変形において、α-βチタン合金の組成は、6.4~7.4重量%のAl、2.1~2.6重量%のMo、0.5~1.5重量%のNb、1.0~1.8のSn、0.5~1.5重量%のZr、0.1~0.3重量%のSi、0.1~0.15重量%のOを含み、残部がTiおよび付随的不純物である。そして、そのような変形において、α-βチタン合金は75で約153ksiを超える引張強度、約130ksiを超える降伏強度、約3%を超える伸び率、および約17.5Msiを超える弾性率を有する。さらに、α-βチタン合金は、1150°F(621.1℃)で約90ksiを超える引張強度、約68ksiを超える降伏強度、約15%を超える伸び率、および約13.0Msiを超える弾性率を有する。
【0019】
幾つかの変形において、α-βチタン合金は、6.8~7.6重量%のAl、0.8~1.6重量%のMo、1.6~2.4重量%のNb、0.15~0.45のSn、0.1~0.3重量%のZr、0.1~0.3重量%のSi、0.1~0.2重量%のOを含み、残部がTiおよび付随的不純物である組成を有する。そして、そのような変形において、α-βチタン合金は1150°F(621.1℃)で約10.0Msiを超える弾性率を有する。
【0020】
少なくとも一つの変形において、α-βチタン合金の組成は、5.7~6.7重量%のAl、1.7~2.3重量%のMo、1.8~2.4重量%のNb、2.4~3.2のSn、1.8~2.6重量%のZr、0.1~0.3重量%のSi、0.1~0.2重量%のOを含み、残部がTiおよび付随的不純物である。そして、そのような変形において、α-βチタン合金は75°F(23.9℃)で約155ksiを超える引張強度、約3%を超える伸び率、および約17.0Msiを超える弾性率、ならびに1150°F(621.1℃)で約95ksiを超える引張強度、約73ksiを超える降伏強度、約16%を超える伸び率、および約12.0Msiを超える弾性率を有する。
【0021】
さらなる適用領域は、本明細書で提供される説明から明らかになるであろう。説明および特定の例は、例示のみを目的とするものであり、本開示の範囲を限定するものではないことを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【0022】
本開示が十分に理解されるために、その様々な形態を以下、例として挙げ、添付の図面を参照しつつ説明する。
【0023】
【
図1】
図1は、本開示の教示によるある範囲の合金の組成および計算データを含む表を示す図である。
【0024】
【
図2】
図2は、本開示の教示によるある範囲の合金の熱処理条件の表を示す図である。
【0025】
【
図3A】
図3Aは、本開示の教示による標準的な熱処理を施した後のB15043耐熱合金の顕微鏡写真を示す図である。
【0026】
【
図3B】
図3Bは、本開示の教示による標準的な熱処理を施した後のB15043耐熱合金の別の顕微鏡写真を示す図である。
【0027】
【
図4A】
図4Aは、本開示の教示によるTriplex熱処理を施した後のB15046耐熱合金の顕微鏡写真を示す図である。
【0028】
【
図4B】
図4Bは、本開示の教示によるTriplex熱処理を施した後のB15046耐熱合金の別の顕微鏡写真を示す図である。
【0029】
【
図5A】
図5Aは、本開示の教示によるTriplex熱処理を施した後のB15047耐熱合金の顕微鏡写真を示す図である。
【0030】
【
図5B】
図5Bは、本開示の教示によるTriplex熱処理を施した後のB15047耐熱合金の別の顕微鏡写真を示す図である。
【0031】
【
図6A】
図6Aは、本開示の教示によるTriplex熱処理を施した後のB15050耐熱合金の顕微鏡写真を示す図である。
【0032】
【
図6B】
図6Bは、本開示の教示によるTriplex熱処理を施した後のB15050耐熱合金の別の顕微鏡写真を示す図である。
【0033】
【
図7A】
図7Aは、本開示の教示による標準的な熱処理を施した後のH24993耐熱合金の顕微鏡写真を示す図である。
【0034】
【
図7B】
図7Bは、本開示の教示による標準的な熱処理を施した後のH24993耐熱合金の別の顕微鏡写真を示す図である。
【0035】
【
図8A】
図8Aは、本開示の教示による標準的な熱処理を施した後のH19794耐熱合金の顕微鏡写真を示す図である。
【0036】
【
図8B】
図8Bは、本開示の教示による標準的な熱処理を施した後のH19794耐熱合金の別の顕微鏡写真を示す図である。
【0037】
【
図9】
図9は、本開示の教示によるある範囲の合金の75°F(23.9℃)における引張特性データのプロットを示す図である。
【0038】
【
図10】
図10は、本開示の教示によるある範囲の合金の1150°F(621.1℃)における引張特性データのプロットを示す図である。
【0039】
【
図11】
図11は、本開示の教示によるある範囲の合金の75°F(23.9℃)および1150°F(621.1℃)における引張弾性率データのプロットを示す図である。
【0040】
【
図12】
図12は、本開示の教示によるある範囲の合金のクリープデータのプロットを示す図である。
【0041】
【
図13】
図13は、本開示の教示によるある範囲の合金の疲労寿命データのプロットを示す図である。
【0042】
【
図14A】
図14Aは、EN6072標準規格による疲労試験片の線図を示す図である。
【0043】
【
図14B】
図14Bは、EN6072標準規格による疲労試験条件の表を示す図である。
【0044】
【
図15】
図15は、本開示の教示によるある範囲の合金の引張、クリープおよび疲労試験データの要約を示す表を示す図である。
【0045】
【
図16】
図16は、市販のTi21S合金およびTi6242合金と比較した、本開示の教示によるある範囲の合金の改善の概要を示す表を示す図である。
【0046】
【
図17】
図17は、本開示の教示による合金の合金元素の範囲を示す表を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0047】
本明細書に記載の図面は、例示のみを目的としており、決して本開示の範囲を限定することを意図するものではない。
【0048】
以下の説明は、本質的に単なる例示にすぎず、本開示、用途、または使用を限定することを意図するものではない。図面全体を通して、対応する参照番号は、同様のまたは対応する部分および特徴を示すことを理解されたい。
【0049】
本開示は、とりわけ、Ti6242合金およびTi21S合金のような既知の市販の合金と比較して、強度、剛性、クリープ、および疲労寿命のような高温特性が改善された1つ以上のチタン(Ti)合金を提供する。また、本開示の教示による1つ以上のTi合金は、一般にTi6242合金よりも低いか等しい密度およびコスト、ならびにTi21S合金よりも低い密度およびコストを有する。
【0050】
本開示のTi合金は、アルミニウム(Al)、モリブデン(Mo)、スズ(Sn)、ジルコニウム(Zr)、ケイ素(Si)、および酸素(O)を含み、残部がTiおよび不可避的微量元素を有する。そして、幾つかの変形において、Ti合金はニオブ(Nb)を含む。
【0051】
アルミニウムはα安定化元素であり、また強度およびミクロ組織制御を向上する。ミクロ組織が温度、ひずみ速度、ひずみ、およびそれらの相互作用のようなプロセスパラメータに密接に関連しているため、ミクロ組織制御は適切な作製/製造にとって望まれている。アルミニウム含有量が5.5%重量未満の場合、固溶体硬化の効果はあまり顕著ではなく、したがって所期の強度を達成することができない。アルミニウム含有量が7.5重量%を超える場合、βトランザス温度が高くなりすぎ、熱間成形性に対する耐性が増加する。したがって、本開示のアルミニウム含有量は、約5.5重量%~約7.5重量%の範囲内である。
【0052】
モリブデン(Mo)はβ安定化元素であり、結晶粒微細化に有効である。モリブデン含有量が1.0重量%未満である場合、十分なβ安定化が得られない。一方、モリブデン含有量が4.5重量%を超える場合、β相は過度に安定化される可能性があり、モリブデンは、また、約4.60g/cm3未満の目標値を超えて密度を増加させる。したがって、本開示のためのモリブデン含有量は約1.0重量%~約4.5重量%の範囲内に定めた。
【0053】
ニオブは、本開示の教示による1種以上の合金中に存在する場合、β安定化元素であり、室温での強度を増大する、および合金の熱処理および成形能力を向上するのに有効である。しかしながら、Nbが約3.0重量%を超える場合、β相が過度に安定化される可能性があり、Nbは、また、約4.60g/cm3未満の目標値を超えて密度を増加させる。
【0054】
スズおよびZrは両方ともα安定化元素であり、固溶体強化に有効である。SnまたはZrの含有量が約0.1重量%未満である場合、十分なα安定化および強度が得られない。しかしながら、Sn含有量が約3.5重量%を超える、またはZr含有量が3.0重量%を超える場合、合金の延性は所期未満である。したがって、本開示のSn含有量は約0.1重量%~約3.5重量%の範囲内、および本開示のZr含有量は、約0.1重量%~約3.0重量%の範囲内、に定めた。
【0055】
ケイ素は、固溶体強化とケイ化チタンの析出物の形成との組合せによってチタン合金の強度を高めることが知られている。Si含有量が約0.1重量%未満である場合、十分な強度が得られない。しかしながら、Si含有量が約0.35重量%を超える場合、合金の延性は所期未満である。したがって、本開示のSi含有量は約0.1重量%~約0.35重量%の範囲内に定めた。
【0056】
酸素はα安定化元素であり、固溶体強化に有効である。O含有量が約0.05重量%未満である場合、強度が得られない。しかしながら、O含有量が約0.25重量%を超える場合、合金の延性は所期未満である。したがって、本開示のO含有量は約0.05重量%~約0.25重量%の範囲内に定めた。
【0057】
炭素(C)、鉄(Fe)および窒素(N)のような微量元素は、合金中0.1重量%未満に保たれる。例えば、Cは0.05重量%未満に保たれ、幾つかの変形において、Cは0.01重量%未満に保たれる。また、FeおよびNは0.05重量%未満に保つことができる。
【0058】
合金のβトランザス(beta transus,BT)は、約1775°Fと約1925°Fの間であり、華氏度単位のBTは、式:BT=1615+39.3Al+330O+1145C+1020N-32.5Fe-17.3Mo-70Si-5Sn-9Nb-10Zrから算出され、Al、O、C、N、Fe、Mo、Si、Sn、Nb、およびZrは、合金中の各元素の含有量の重量パーセントである。少なくとも一つの変形において、1種以上の合金のBTは、約1790°Fと約1905°Fとの間である。幾つかの変形において、合金のAEは1795°Fと約1900°Fとの間である。また、少なくとも一つの変形において、合金のAEは1799°Fと約1895°Fとの間である。
【0059】
合金のアルミニウム当量(aluminum equivalence,AE)は、約8.0と約9.0との間であり、ここで、AEの重量パーセントは、式:AE=Al+10(O+C+2N)+Sn/3+Zr/6+0.3Siによって定義され、Al、O、C、N、Sn、Zr、およびSiは合金中の各元素の含有量の重量パーセントである。少なくとも一つの変形において、合金のAEは約8.0と約8.8との間である。幾つかの変形において、合金のAEは約8.4と約9.0との間である。また、少なくとも一つの変形において、合金のAEは約8.4と約8.8との間である。
【0060】
合金のモリブデン当量(molybdenum equivalence,ME)は、約1.5と約4.5との間であり、MEの重量パーセントは式:ME=Mo+0.27Nb+Fe/0.35によって定義され、Mo、Nb、およびFeは合金中の各元素の含有量の重量パーセントである。少なくとも一つの変形において、合金のMEは約1.5と約4.0との間である。幾つかの変形において、合金のMEは約1.8と約4.5との間である。また、少なくとも一つの変形において、合金のMEは約1.8と約4.0との間である。
【0061】
したがって、本教示によるTi合金は、5.7~7.5重量%のAl、0.8~4.2重量%のMo、0.0~3.0重量%のNb、0.1~3.5のSn、0.1~3.0重量%のZr、0.1~0.35重量%のSi、0.05~0.25重量%のOを含み、残部がTiおよび付随的不純物である組成を有する。例えば、幾つかの変形において、1種以上のTi合金の組成は6.4~7.4重量%のAl、2.1~2.6重量%のMo、0.5~1.5重量%のNb、1.0~1.8のSn、0.5~1.5重量%のZr、0.1~0.3重量%のSi、0.1~0.15重量%のOを含み、残部がTiおよび付随的不純物である組成を有する。他の変形において、1種以上のTi合金は、6.8~7.6重量%のAl、0.8~1.6重量%のMo、1.6~2.4重量%のNb、0.15~0.45のSn、0.1~0.3重量%のZr、0.1~0.3重量%のSi、0.1~0.2重量%のOを含み、残部がTiおよび付随的不純物である組成を有する。そして、少なくとも一つの変形において、1種以上のTi合金は、5.7~6.7重量%のAl、1.7~2.3重量%のMo、1.8~2.4重量%のNb、2.4~3.2のSn、1.8~2.6重量%のZr、0.1~0.3重量%のSi、0.1~0.2重量%のO
を含み、残部がTiおよび付随的不純物である組成を有する。
【0062】
ここで
図1を参照すると、調製および試験されたTi合金の組成、それとともにTi合金のそれぞれの算出されたBT、AE、およびME値が表に示されている。特に、本開示の教示による合金(耐熱材)の組成および算出されたBT、AE、ME値が示され、または耐熱材B15043(本明細書では単に「B15043」と呼ばれる)、耐熱材B15046(本明細書では単に「B15046」と呼ばれる)、耐熱材B15047(本明細書では単に「B15047」と呼ばれる)、および耐熱材B15050(本明細書では単に「B15050」と呼ばれる)として表示されている。さらに、比較のために「ベースライン合金」として使用される市販の合金の組成および算出されたBT、AE、MEの値が示され、Ti6242合金に対応する耐熱材H19794(本明細書では単に「H19794」と呼ばれる)、Ti21S合金に対応する耐熱材H24993(本明細書では単に「H24993」と呼ばれる)、およびTi21S合金に対応する耐熱材H22672(本明細書では単に「H22672」と呼ばれる)として表示されている。
【0063】
B15043、B15046、B15047、およびB15050合金は、それぞれ、各合金組成を有する350グラム(g)ボタンをプラズマ溶融し、350gボタンをβトランザス以上の温度で中間製品または厚さに熱間圧延し、中間製品をビートトランザス以下の温度で最終製品または厚さに熱間圧延し、最終製品を最終熱処理し、最終製品を約0.116インチ(in)の厚さの試験片に機械加工することによって、調製した。各350g合金ボタンの公称または平均サイズは、厚さ約0.2インチ、幅約2インチ、および長さ約11インチ(すなわち、0.2インチ×2インチ×11インチ)であった。さらに、製造プレートまたはシートに典型的に要求される所定の表面仕上げにおいて、B15043、B15046、B15047、およびB15050合金の圧延されたままの厚さのおおよそ0.2インチは、以下で論じるベースラインTi6242合金試料と同じであった完成延伸材の厚さの0.16インチに相当する。
【0064】
H19794合金、H24993合金、およびH22672合金(すなわち、比較ベースライン合金)は、AMSおよび他の航空宇宙規格の認証を受けたフルスケールの耐熱材から作製または採取された。特に、H19794合金試験片の材料は、AMS4919および他の関連する航空宇宙規格の認証を受けたフルスケール耐熱材から採取され、耐熱材H19794由来の材料は、民間および軍用航空機で航空エンジン排気系統、耐熱シールド、および高温に曝露される他の構造部品のための使用のためにOEMに販売された。また、H24993およびH22672合金試料の材料は、AMS4897および他の関連する航空宇宙規格の認証を受けたフルスケール耐熱材から採取された。耐熱材H19794材料はTi6242合金を代表するものであるが、
図9および
図15に示すように、この特定の耐熱材の強度は従来の製品よりも約7ksiだけ高めであることを理解されたい。さらに、AMS4919規格は、シートおよびプレート用であり、クリープ要件は規定されておらず、したがって、耐熱材H19794材料から製造された平圧延製品は、クリープ要件が極めて重要となる用途のために特別に製造されたTi6242鍛造品と同じクリープ能力を必ずしも有するとは限らない。
【0065】
幾つかの変形において、
図1のB15043組成は、5.7~6.3重量%のAl、3.7~4.3重量%のMo、2.7~3.3のSn、0.1~0.6重量%のZr、0.1~0.4重量%のSi、0.05~0.2重量%のOを含み、残部がTiおよび付随的不純物である組成を有するTi合金の代表である。また、少なくとも一つの変形において、
図1のB15046組成は、6.6~7.2重量%のAl、2.1~2.7重量%のMo、1.1~1.7のSn、0.7~1.3重量%のZr、0.1~0.4重量%のSi、0.05~0.2重量%のOを含み、残部がTiおよび付随的不純物である組成を有するTi合金の代表である。
【0066】
幾つかの変形において、
図1のB15047組成は、6.9~7.5重量%のAl、0.9~1.5重量%のMo、0.1~0.6のSn、0.1~0.5重量%のZr、0.1~0.4重量%のSi、0.05~0.2重量%のOを含み、残部がTiおよび付随的不純物である組成を有するTi合金の代表である。また、少なくとも一つの変形において、
図1のB15050組成は、5.9~6.5重量%のAl、1.8~2.4重量%のMo、2.5~3.1のSn、1.9~2.5重量%のZr、0.1~0.4重量%のSi、0.05~0.2重量%のOを含み、残部がTiおよび付随的不純物である組成を有するTi合金の代表である。
【0067】
各合金の熱処理パラメータを
図2に示される表を提供する。特に、B15043合金試験片には、1650°F(898.9℃)で70分間のサブトランザスアニール(STA)熱処理(すなわち、βトランザスよりも低い温度の最初のサイクルまたはステップ)をした後、ファン空冷を行い、それから1450°F(787.7℃)で15分間加熱後に空冷を行い、それから1150°F(621.1℃)で6時間加熱後に空冷を行った。B15046合金試験片には、1880°F(1026.7℃)で30分間の「Triplex」熱処理(すなわち、βトランザスより高い温度の最初のサイクルまたはステップ)をした後、ファン空冷を行い、次いで1775°F(968.3℃)で1時間加熱後に空冷を行い、次いで1150°F(621.1℃)で6時間加熱後に空冷を行った。B15047合金試験片には、1950°F(1056.6℃)で30分間のTriplex熱処理をした後、ファン空冷を行い、次いで1855°F(1012.8℃)で1時間加熱後に空冷を行い、次いで1150°F(621.1℃)で6時間加熱後に空冷を行った。また、B15050合金試験片には、1880°Fで30分間のTriplex熱処理を施した後、ファン空冷を行い、次いで1770°F(965.6℃)で1時間加熱後に空冷を行い、次いで1150°F(621.1℃)で6時間加熱後に空冷を行った。
【0068】
H24993およびH22672の合金試験片は、1650°Fで6分間加熱後に空冷を行い、次いで1275°F(690.6℃)で8時間加熱後に空冷を行い、次いで1200°F(648.9℃)で8時間加熱後に空冷を行い、次いで1150°F(621.1℃)で24時間加熱後に空冷を行う4サイクル/ステップのサブトランザスアニール熱処理(STOA)を施した。H19794合金試験片には、1650°Fに30分間加熱後に空冷を行い、次いで1450°F(787.8℃)に15分間加熱後に空冷を行う2サイクル/ステップのAMS4919熱処理を施した。これは、AMS4919規格に従ってTi6242合金の平均特性を発現させるために34種の別々の耐熱材に使用され、
図2にも示してある。
【0069】
熱処理された試験片に対するミクロ組織は、
図3A~
図8Bに示され、
図3A~
図3BにはSTA熱処理を施した後のB154043合金試験片のミクロ組織を示し、
図4A~
図4Bは前記のTriplex熱処理を施した後のB154046合金試験片のミクロ組織を示し、
図5A~
図5Bは前記のTriplex熱処理を施した後のB154047合金試験片のミクロ組織を示し、
図6A~
図6Bは前記のTriplex熱処理を施した後のB154050合金試験片のミクロ組織を示す。また、
図7A~
図7Bは、前記のSTOA熱処理を施した後のH24993合金試験片を示し、
図8A~
図8Bは前記のSTOA熱処理を施した後のH19794合金試験片を示す。
【0070】
Triplex熱処理は、以下に説明する高温用途または試験において従来にはないと考えられる、ミクロ組織をB154046、B154047、およびB154050合金試験片(
図4A~
図6B)に生成したことを理解すべきである。特に、βのマトリックス中に針状部分または針状結晶形αを含む針状微細構造は、B154046、B154047、およびB154050合金試料に生成され、そのようなミクロ組織は、これらの合金について以下に説明するように、高温特性の向上、特にクリープおよび高温疲労に関連するとは予想されていない。
【0071】
ここで
図9および
図10を参照すると、
図1に示す合金の室温(すなわち、75°F)および1150°F(621.1℃)での引張特性がそれぞれ示されている。室温での合金試験片の引張試験をASTM E8規格に準拠して実施し、1150°F(621.1℃)での引張試験をASTM E21規格に準拠して実施した。また、コーティングされていない合金試験片の長手方向の引張試験を実験室大気中で行った。
【0072】
B15046合金(Ti-6Al-2.6Mo-1Nb-1.4Sn-1.1Zr-0.24Si)に対する室温引張結果は、157ksiのUTS、135ksiのTYS、5%の伸び、および18.2Msiの弾性率であった。強度値はベースラインの耐熱材と同様であり、Ti6242製品の平均を容易に超えた。また、弾性率は大幅に(約12%)増加した。また、伸び値はベースラインのTi6242の伸び値よりも小さかった(11%に対して5%)が、延性が低い潜在的な影響の少なくとも一部は、以下に論じる良好なノッチ付き高サイクル疲労結果によって説明される。また、B15050合金(Ti-6.2Al-2Mo-2.1Nb-2.8Sn-2.2Zr-0.24Si(B15050))が最も高い強度を示した。
【0073】
B15046合金(Ti-6Al-2.6Mo-1Nb-1.4Sn-1.1Zr-0.24Si)に対する1150°F(621.1℃)の引張試験結果は、93ksiのUTS、71ksiのTYS、18%伸び、および13.7Msiの弾性率であった。強度値は、ベースラインの耐熱材よりも著しく高く(14ksi増加)、弾性率は大幅に(約22%)増加していた。高温での剛性の比較的大きな増加は予想外の結果であることを理解すべきである。さらに、B15050合金(Ti-6.2Al-2Mo-2.1Nb-2.8Sn-2.2Zr-0.24Si(B15050)が再度、最も高い強度を示した。
【0074】
密度は、Ti合金、特に剛性考慮のために最小ゲージで設計された部品、例えば航空機エンジン排気ダクト用途にとって重要な属性であることを理解すべきである。さらに、Ti合金にとって、密度はTi6242合金よりも小さいことが望ましいが、高温での剛性はより高いことが望ましい。また、B15046合金(Ti-6.8Al-2.4Mo-1Nb-1.4Sn-1Zr-0.2Si)の計算された密度がTi6242合金の密度よりも約3.6%小さいことを考慮して、試験した各合金の引張弾性率を室温および1150°F(621.1℃)(
図15)で測定し、次いで、
図11に示すようにAMS4919のTi6242合金規格に対して正規化した。したがって、高温で材料の最小厚さに設計された部品について、B15406は、Ti6242合金と比較して引張弾性率の約33%の増加をもたらす(
図11)。
【0075】
ここで
図12を参照すると、試験した合金のクリープ試験結果が示されており、
図12に示すデータは試験片を35ksiの荷重下で950°F(510℃)に保持したときに0.25%ひずみが達するまでの時間を表す。これらのパラメータは、ほとんどの航空エンジン排気用途で予想されるよりも大きいか、またはより厳しいことが知られているものの、スクリーニングの目的にとっては意味があると考えられることを理解すべきである。また、Triplex熱処理条件のB15046合金(Ti-6.8Al-2.4Mo-1Nb-1.4Sn-1Zr-0.2Si)は、ベースラインTi6242合金と比較して、950°F(510℃)および35ksiにおいて0.25%に達するまでの時間が約8倍を超えていた。また、STA熱処理条件におけるB15403合金(Ti-6Al-4Mo-3Sn-0.3Zr-0.23Si)も、ベ-スラインTi6242合金と比較して8倍の改善を示していた。このことは、予想外の結果であると考えるべきである。1150°F(621.1℃)(
図10)での強度および延性の向上の組合せに関連するB15403合金試験片(
図3A~
図3B)のサブトランザスミクロ組織は、一般にはクリープ特性の向上に関連しないためである。Ti6242AMS4919板は、航空エンジン用途向けに製造されたTi6242鍛造品で予想されるほどには高い耐クリープ性を有するとは思えないことも理解されたい。しかしながら、Ti6242合金が現在の生産航空機で使用されていることを考えると、Ti6242板は、本開示の熱間圧延合金(すなわち、B15403、B15406、B15047、B15050合金)の正当なベースラインであると考えられる。
【0076】
ここで
図13を参照すると、試験した合金の疲労試験結果が示されている。疲労試験片の形状は
図14Aに示されており、各合金の試験片は、すべての合金試験片について同じ表面仕上げおよび寸法が得られるように同じ手法を使用して機械加工が施された。また、合金試験片は、機械加工されたまま、すなわち表面調整またはコーティングなしで疲労試験に供した。疲労パラメータを
図14Bに示し、これらのパラメータは、通常、応力は比較的小さい(約30ksi未満)が、繰り返し回数が非常に多い(約1000万回を超える)高温航空エンジン排気用途に関連するように選択された。
【0077】
Triplex焼鈍が施された実験用合金のミクロ組織に起因して、特に付随する引張伸びの低下により、本発明の組成の疲労寿命が低下することが予想された。これらの組成は、室温での1000万回の全繰り返し回数にも耐えることができず、したがって1150°F(621.1℃)の試験にすら至らない可能性が高いと思われた。本発明の組成の疲労寿命が、特にTi6242のα-βベースライン合金と比較して大幅に増加したことは、予想外の結果であった。本発明の組成は、室温での1000万回の繰り返し回数のすべてに耐えたのみならず、その後の1150°F(621.1℃)における1000万回の繰り返し回数にも耐えることができた。本明細書で特に明示的に示されない限り、機械的/熱的特性、組成百分率、寸法および/もしくは公差、または他の特性を示すすべての数値は、本開示の範囲を説明する際に「約」または「およそ」という語によって修飾されていると理解されたい。この変更は、工業的実施、材料、製造、および組み立ての公差、ならびに試験能力を含む様々な理由で望まれる。
【0078】
図15を参照すると、室温および1150°F(621.1℃)の引張試験データ、クリープ試験データ、および疲労データの要約が示されている。さらに、
図16に、Ti5242合金と比較したB15403、B15406、B15047、B15050合金の改善の概要を示し、
図17に、B15403、B15406、B15047、B15050合金中に存在する合金元素の範囲を示す。
【0079】
本明細書で説明する元素範囲は、最小合金元素組成と最大合金元素組成値との間のすべての増分値を含むことも理解されたい。すなわち、最小合金元素組成値は、最小値以上最大値以下の範囲内にあり得る。同様に、最大合金元素組成値は、示された最大値以上、論じられた最小値以下の範囲内にあり得る。例えば、最小Al含有量は、5.7、5.8、5.9、6.0、6.1、6.2、6.3、6.4、6.5、6.6、6.7、6.8、6.9、7.0、7.1、7.2、7.3、7.4、7.5、およびこれらの増分値の間の任意の値とすることができ、最大Al含有量は、7.5、7.4、7.3、7.2、7.1、7.0、6.9、6.8、6.7、6.6、6.5、6.4、6.3、6.2、6.1、6.0、5.9、5.8、5.7、およびこれらの増分値の間の任意の値とすることができる。
【0080】
本明細書で特に明示的に示されない限り、機械的/熱的特性、組成百分率、寸法および/もしくは公差、または他の特性を示すすべての数値は、本開示の範囲を説明する際に「約」または「およそ」という語によって修飾されていると理解されたい。この変更は、工業的実施、材料、製造、および組み立ての公差、ならびに試験能力を含む様々な理由で望まれる。
【0081】
本明細書で使用される場合、「A、B、およびCのうちの少なくとも1つ」という語句は、非排他的論理和ORを使用する論理式(A OR B OR C)を意味すると解釈すべきであり、「Aのうちの少なくとも1つ、Bのうち少なくとも1つ、およびCのうちの少なくとも1つ」を意味すると解釈すべきではない。
【0082】
本開示の説明は、本質的に単なる例示にすぎず、したがって、本開示の内容から逸脱しない変形形態は、本開示の範囲内であることが意図される。そのような変形形態は、本開示の趣旨および範囲からの逸脱と見なされるべきではない。
【国際調査報告】