JPS5848025B2 - チタン合金の熱処理法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 蒸気タービンなどの回転翼で、特に大型化又は高速化し
た場合、比強度が高くかつ内部摩擦の大きい材料はロー
ターにかかる負荷低減からもまた回転翼の疲労破壊防止
上からも非常に有利である。

本発明はこのような条件を満足させるための（α＋β）
型チタン合金の熱処理法の改良に関する。

蒸気ダービンの回転翼などにおいては、稼動中に振動に
依る疲労破壊が起きないようにすべきである。

この振動の励振力を小さくするには翼が共振しないよう
にすればよいわけであるが、すべての振動モードで翼が
共振しないように設計するのは不可能に近い。

従って共振させにくくするか、又は共振した場合その振
動を減衰させる必要がある。

この振動減衰処理には種々様々な方法があるが、材料の
内部で振動エネルギーを熱エネルギーの形で散逸させ、
振動を減衰させる方法つまり内部摩擦に依る振動減衰方
法も振動の励振力低下に大きな役割を果していると言わ
れている。

これを一般にはマテリアル・ターンピング（ｍａｔｅｒ
ｉａｌ ｄａ−ｍｐｉｎｇ）という。

従って使用中に振動が生じ、そのため疲労破壊が起こる
可能性のある機械及び機械部品等にマテリアル・ターン
ピングの大きい材料を使用することは非常に有効であり
、実際従来も例えばＡＩＳＩ４０３鋼などの１３％Ｃｒ
系ステンレス鋼及びＮＩＶＣＯ−１０と呼ばれる高Ｃ。

合金等が使用されていた。

しかしながら、これら合金は倒れもその０．２％耐力は
せいぜい８ ０ ｋｇ／７ＩＬ１？ｔである。

ただ１３％Ｃｒ系ステンレス鋼はその熱処理や或分の調
整を適当にすることによって延性及び靭性を余り損なわ
ずに強度を増すことが出来るが、このようにして強度を
高くすれば、第３図のＣ材（×印）に示すようにマテリ
アル・ダンピングが極度に小さくなり上述のような振動
の減衰を大きくする効用は期待できなくなる。

なお、第３図においてマテリアル・ダンピング特性は音
叉型試験片を用いて測定し、対数減衰率δに依り表わし
た。

第３図は各種材料の０．２％耐力（横軸，比強度と表示
）と振動応力が１ ０ ｋｇ／ｍ４の時の対数減衰率δ
との関係を示したものである。

なおＡＩＳＩ４０３鋼に関する振動減衰率は文献（ Ｗ
． Ｃ ． Ｈａ−ｇｅｌ ａｎｄ Ｊ ．Ｗ． Ｃ
ｌａｒｋ ； Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ
Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ １ ９ ５ ７
第４２６〜４３０頁）に掲載された数値を引用したもの
で、０．２％耐力ではな＜０．０２％耐力で表現してあ
るので、０．２％耐力は便宜上文献に記載された０．０
２％耐力に７ｋｇ／ｍａ （ １ ０４ｐｓｉ）を加算
した数値で表現し直した。

ここに今後蒸気ダービンは増々犬容量化及び高速化に向
うことが予想されるので、翼材特に低圧段の翼材として
は更に一層機械的性質及びマテリアル・ダンピング特性
がともに優れたものが要求される。

一方、焼鈍処理や溶体化時効処理を施した市販のチタン
合金は比強度が大きく蒸気タービン翼が大型化・高速化
した場合、ロークーにかかる負荷の妖減なとのメリット
から非常に有望な材料であると考えられている。

ここに言う溶体化時効処理とは、例えばＴｉ−６Ａ６−
４Ｖ合金テハ普通９２５’ＣＸ ＩＨ．’ＷＱ．＋５０
０℃Ｘ ４ Ｈ ． ａｇｉｎｇなどの熱処理を意味し
ている。

しかし、現在実用チタン合金として最も実積のあるＴｉ
−６Ａ６−４Ｖ合金などは上記の熱処理状態においてマ
テリアル・ダンピングが小さく、ＡＩＳＩ４０３鋼と比
較して非に不利であった。

そこで本発明者等は、先に既存の（α＋β）型チタン合
金を（α＋β）相領域でかつ５００℃以上の温度範囲で
加熱保持後急冷することによりマテリアル・ターンピン
グを増大させる方法を発明し、特願昭４９−３０７２号
として特許出願した。

更に、既存の（α＋β）型チタン合金、例えばＴｉ−６
Ａｇ−４Ｖ合金を例にとると焼入れ後更に１００℃以上
に加熱保持するとその改善されたマテリアル・ターンピ
ングも低下し熱的に少し不安定であつたので、本発明者
等はマテリアル・ダンピングの熱的安定性が優れかつそ
のマテリアル・タツピングの絶対値も従来の合金よりも
更に大きいＴｉ −Ａ６ −Ｖ Ｍｏ系の（α＋β）
型チタン合金及びその熱処理方法、即ち（α十β）／β
変態点よりも１２５℃低い温度以上の温度領域から焼入
れ処理をする方法を発明し、特願昭５１−４９０５６号
として特許出願した。

しかしこの２発明のいずれにおいても、マテリアル・ダ
ンピングが高くなると同時に０．２％耐力が低下し、即
ち一般にチタン合金の最も優れた特徴の１つとして挙げ
られている比強度が低下するという欠点があった。

本発明はこのような事情に鑑み、前述の熱処理法を改善
し、マテリアル・ダンピングが犬キ＜かつ比強度も高い
チタン合金を提供する目的で提案されたもので、５００
℃以上でかつ（α＋β）相領域内の温度領域で加熱保持
後急冷した（α＋β）型チタン合金を、更に５０〜３０
０℃の温変領域で、３００℃では１ｈ未満、３００℃未
満２７５℃以上では１００ｈ未満、若しくは２７５℃未
満５０℃以上では１００ｈ以下保持する低温時効処理を
施すことを特徴とする（α＋β）型チタン合金の熱処理
法を提供する。

ここで、本発明は特願昭４１−３０７２号及び特願昭５
１−４９０５６号の改良であり、本発明の溶体化処理条
件も前記２出願同様５００℃未満では充分なマテリアル
ターンピングを得られないので５００℃以上とする。

本発明の熱処理法による（α＋β）型チタン合金のマテ
リアル・ダンピングのメカニズムは坦下のように説明で
きる。

（α＋β）型チタン合金においてある温度領域、例えば
（α＋β）相領域でかつ５００℃以上の温度領域から急
冷することによってマテリアル・ダンピングを高め得る
ことはすでに述べたが、この事は急冷処理により室温に
おいても準安定β相が残留するためであり、従ってこの
効果は（α十β）型チタン合金中の同素変態型β安定化
元素（ ｉｓｏ−ｍｏｒｐｈｏｕｓβ一ｓｔａｂｉ Ｉ
ｉｚｅｒ ）が主要な働きをしている。

ところがこの準安定β相の熱的安定性は、３００℃とい
う比較的低温にノーズをもつＴＴＴ曲線に従って分解過
程が進むと考えられ、この時ω相を析出し脆化する場合
がある。

従って低温時効することにより（α十β）型チタン合金
のマテリアル・ダンピングの主因である準安定β相が分
解するとともに一部組織が安定な（α十β）相に変って
いくので、少しマテリアル・ダンピングが低下し、０．
２％耐力が回復していくことになる。

ただ時効中に遷移相であるω相を析出することがあり、
この場合０．２％耐力は大幅に改善されるが呻び絞りが
非常に低下し脆化することになる。

次に本発明法を実施例を参照して詳細に説明するが、そ
の前にまず比強度について説明する。

比重の異なる材料では、同じ０．２％耐力をもっていて
も、例えば回転翼の許される最大半径及び許される最犬
角速度が異なるので、すべての材料について、現在使用
されている鋼系の回転翼材（ここではＡＩＳＩ４０３鋼
とする）と同じ比重をもつものとして０．２％耐力を表
現し直せば、この言わば換算した０．２％耐力（以下便
宜上比強度と表現する）とＡＩＳＴ４０３鋼の比強度（
即ちこの場合０．２％耐力と同じ値でよい）との比較だ
けで簡単に回転体の材料としての優劣を機械的性質の面
から判断できることになる。

今、ある材料について０．２％耐力及び比重を各各σＹ
及びρとする時、この材料で回転体を製作すると遠心力
σは第１式で与えられる。

従って第１式より、この材料の強度と遠Ｉシ・力との関
系を考えると、この材料の許容最犬角速度１ σＹ ωｉＴ！ａＸはωｒｒｉａｘ２−ｆ ｒ ’ ｐとなる
。

同一形状の回転体を仮定すると、許容最大角度速の２乗
はこの材料のσＹ／ρに比例することになり、この値の
大きい材料ほど大きな回転数を許容し得ることになる。

また同じ角速度であれば第１式より回転上．σＹ 体の半径の限界γｍａｘ− −となりγｒＴ１ａ
ｘｆｏｉ２ ρ ・ はσＹ／ρに比例することになるから、この値の犬きい
材料ほど回転体の半径を長くとれることになる。

つまり要約すると、σＹ／ρは回転体の材料の優劣を判
断する１つの基準となる。

そこで第１式を と変形すると（ここにρＦｅは本明細書の場合ＡＩＳＩ
４０３鋼の比重を意味する）、第２式の右辺は同一形状
、同一角速度の回転体をＡＩＳＩ４０３鋼と同じ比重の
材料で製作したとした時の遠心力を意味し、左辺はこの
材料をＡＩＳＩ４０３鋼と同じ比重をもつものとした時
に許される最大応力、即ちこの材料の０．２％耐力をＡ
Ｉ］４０３鋼と同じ比重の材料に換算した場合の０．２
％耐力を意味することになる。

従って、ＡＩＳＩ４０３鋼など既存の鋼系の蒸気ダービ
ン翼材と異なる材料の０．２％耐力を評価するには上記
ＡＩＳＩ４０３鋼と同じ比重をもつものとして（他の鋼
系の蒸気タービン翼材の比重もＡＩＳ’Ｉ４０３鋼の比
重と大差ない）、換算した０．２％耐力即ちσｙ”””
ρ で表現すると便利である。

この値を便宜上、比強度と表現する。

従ってある材料の比強度と現在一番使用実積のある１３
％ｃｒ系鋼、例λばＡＩＳ Ｉ４０３鋼の比強度（この
場合ρ＝ρ，。

であるから当然比強度と０．２％耐力とは同じ値である
）との比較だけで簡単に回転体材料としての機械的性質
の面からの優劣を判断できることになる。

次に本発明法を実施例を参照して詳細に説明する。

第１表にＡ，Ｂで示す化学組成の（α十β）型チタン合
金を消耗電極式アーク溶解法にて１００ｋｇ溶解し、そ
の後β鍜造で５ ５ｍｍＸ ５ ５ｍｍの断面に戊型し
、更に（α＋β）鍜造で２０ｍｍＸ３０間の断面に成型
して以下の試験に供した。

また現在、蒸気タービン翼で多く用いられている１３％
Ｃｒ系鋼のうちＡＩＳＩ４０３鋼の化学成分の１例を第
１表に併記する。

先ず特願昭４９−３０７２号及び特願昭５１４９０５６
号で明らかにしたチタン合金のマテリアル・ダンピング
特性の改善効果について少し触れる。

この効果については、後で述べる他の結果とともに第１
図及び第２図に、また前に述べたように少し形を変えて
第３図に載せてある。

ここに第１図は各種の熱処理を施された第ｌ表のＡ材に
関する対数減衰率δと振動応力との関係を示す線図であ
る。

表中の各曲線の熱処理条件は曲線１（○印）はＳＯＯ℃
ｘ ＩＨ．’ＷＱ． （即ち焼入れ状態）、曲線２（●
印）はＳＯＯ℃×ＩＨ．ＷＱ．＋１００℃Ｘ２Ｈ．ＡＣ
．、曲線３（△印）は８００℃ｘ ＩＨ．ＷＱ．＋２
０ ０℃Ｘ２Ｈ．ＡＣ．、曲線４（▲印）は８００℃Ｘ
Ｉ Ｈ．ＷＱ．＋ ３ ０ ０’ＣＸ２Ｈ．ＡＣ．、
曲線５（×印）は焼鈍状態である。

第２図は焼鈍状態のＡ材（曲線５×印）と各種の熱処理
を施された第■表のＢ材（曲線１〜１１１）に関する対
数減衰率δと振動応力との関係を示す線図である。

各々の熱処理条件は、曲線１（○印）は８５０℃ｘ ｉ
Ｈ．ＷＱ． （即ち焼入れ状態）、曲線１１（●印）
は８５０℃ｘ Ｉ Ｈ．’ＷＱ．＋２ ０ ０℃ＸＩＨ
．ＡＣ．、曲線１１１（△印）は８５０℃×ＩＨ．ＷＱ
．＋２５０℃ＸＩＨ．ＡＣ．である。

第１図から明らかなようにＡ材は曲線１に示すように８
００℃゜から水焼入れすることに依り焼鈍状態に比較し
マテリアル・ダンピング特性は格段に改善される。

次に第２図から明らかなように、Ｂ材は曲線１に示すよ
うに８５０℃から水焼入れすることによりそのマテリア
ル・ダンピング特性は、上記の８００℃から水焼入れさ
れたＡ材のマテリアル・ダンピング特性よりも更に改善
されることが判る。

第２表に上記マテリアル・タツピング特性と同時に実施
された、第１表の２種の（α＋β）型チクン合金の焼鈍
状態の機械的性質及び特願昭４９３０７２号と特願昭５
１−４９０５６号で明らかにされたチタン合金のマテリ
アル・ダンピング特性を改善するための熱処理、即ち８
００℃×ＩＨ．ＷＱ．又は８５０℃ＸＩＨ．ＷＱ．を施
された状態（以下焼入れ状態と表現する）の機械的性質
を示す。

第２表から判るように焼入れ状態の機械的性質は焼鈍状
態と比較して０．２％耐力を除いて殆んど劣下していな
い。

０．２％耐力はＡ材では約２ ０ｋｇ／ｍｍ， Ｂ材で
は約４０ｋｙ／ｍｉ大幅に劣下している。

この事は比強度の面から見てもチタン合金中現在一番使
用実積のあるＡ材の焼鈍状態が１ ７ ０ ｋｇ／ｍｍ
であるのに対して、Ａ材では約１３３ｋｇ／ｍｉ， Ｂ
材では約９６ｋｇ／ｍｍと劣下していることが判る。

しかし劣下しているとは言え、両合金とも比強度がほぼ
１００ｋｇ／一以上あるから、これら２種の（α＋β）
型チタン合金材は焼入れ状態においてもＡＩＳＴ４０３
鋼と対等以上の比強度をもっていることも判る。

以上の説明から判るように特願昭４９−３０７２号及び
特願昭５１−４９０５６号で明らかにされたチタン合金
のマテリアル・ダンピング改善法は０．２％耐力、即ち
比強度の面で、既存の蒸気タービン翼材であるＡＩＳＩ
４０３鋼とほぼ対等以上の性能をもつとは言え、焼鈍状
態のチタン合金に比較して大幅に劣下させることが判っ
た。

そこで本発明者等はこのような事情に鑑み、更にこれら
２種の（α＋β）型チタン合金を焼入れ後低温時効処理
を施してマテリアル・ダンピング特性及び機械的性質を
調査した。

その結果は各々第１図と第２図及び第３表、またこの２
つの特性を併せてまとめた第３図に示してある。

なお、図中記号に関しては前に述べた通りである。

Ａ材の０．２％耐力及び比強度について見ると、１００
℃の低温時効処理後で各々８ ３． １ ｋｇ／ｍｍ、
１４４．２ｋｇ／ｍａ、また２００℃の低温時効処理後
で各々９０．４ｋｇ／ｍａ、１ ５ ６． ８ ｋｇ／
ｍａとほぼ焼鈍状態に近い値に回復しており、またＢ材
も第２表及び第３表から判るように、２００℃及び２５
０℃の両低温時効処理において０．２％耐力は焼入れ状
態よりも格段に回復していることが判る。

ところが第１図及び第２図から容易に判るようにＡ材も
Ｂ材もともに時効時間を一定として時効温度が高くなる
とともにマテリアル・ダンピングが低下してくる。

そこで前に述べたようにＡＩＳＩ４０３鋼の場合と同様
に第３図に比強度とマテリアル・ダンヒ６ングの関係を
Ａ材及びＢ材についても書き表わした。

第３図から容易に判るようにＡ材もＢ材もともにＡＩＳ
Ｉ４０３鋼（Ｃ材）の特性を示す直線よりもはっきりと
右側にある。

即ち低温時効処理された（α＋β）型チタン合金は、Ａ
ＩＳＩ４０３鋼と比較して、同じ比強度レベルでは遥か
に高いマテリアル・ダンピングを持ちまた同じマテリア
ル・タツ．ビングレベルでは遥かに高い比強度を持つこ
とが判る。

比強度とマテリアル・ダンピングとの両面から２種チタ
ン合金について判断すると以上のように低温時効処理は
効果のある方法であることが判るが、他の機械的性質の
面からＢ材について３００℃の低温時効条件を考えると
、第３表には載せていないが３０分間の時効時間で坤び
、絞りが各々１０．２％、１９．５％となり１時間の時
効時間では（第３表）の如く沖、絞りが各々４，８％、
８．７％となる。

Ａ材についても同様な結果が得られた。

従って３００℃は（α＋β）型チタン合金の０．２％耐
力を坤び・絞りを損なわずに改善する限界の温度であり
、１時間以上時効するとω相脆化が起こる危険性がある
ことが判る。

以上の説明から判るように低温時効処理は焼入れままの
（α十β）型チタン合金の機械的性質及びマテリアル・
ダンピング特性を両立させ得る極めて有効な方法である
ことが判った。

しかし、低温時効処理の下限の温度はω相脆化を起こさ
ずしかもマテリアル・ダンピング特性の優れた状態を保
つ温度でなければならず、また下限の温度については０
．２％耐力を回復する効果が顕著な温度でなければなら
ない。

第３表には載せていないが、Ａ材，Ｂ材とも５０℃の温
度では０．２％耐力の回復は５０時間位でほぼ５〜６
ｋｇ／ｍｙ？ｔ程度の改善が見られることも判ったので
、下限の温度は５０℃、また上限の温度は本文中で明ら
かなように３００℃と定める。

保持時間は板厚によって一義的に決められるものではな
いが、３００℃１ｈでω相の析出した例もめるので、３
００℃では１ｈ未満とし、３００℃未満２７５℃以上で
は１００ｈでω相の析出した例もみうけられるので１０
０ｈ未満とし、また、２７５℃未満５０℃以上ではｉｏ
ｏｈ８度保持すれば実用的に充分な場合も多く、ω相の
析出も見られないので１００ｈ以下とする。

以上詳述したように、本発明法は（α＋β）型チクン合
金の機械的性質及び内部摩擦特性を両立させ得る優れた
熱処理法であり、その用途としては振動の減衰処理を必
要とし、かつ良好な機械的性質を必要とする部材に適用
でき、特に高い強度を要求される大形タービンなどの回
転翼に用いて好適である。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明法又はその他の熱処理法を施
した（α十β）型チクン合金の振動応力と対数減衰率δ
との関係を示す線図、第３図は本発明法を施した（α＋
β）型チクン合金及び比較材の比強度と対数減衰率δと
の関係を示す線図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ ５００℃以上でかつ（α＋β）相領域内の温度領域
   で加熱保持後急冷した（α十β）型チタン合金を更に５
   ０℃〜３００’Ｃの温度領域で、３００℃では１ｈ未満
   、３００℃未満２７５℃以上では１００ｈ未満、若しく
   は２７５℃未満５０℃以上では１００ｈ以上保持する低
   温時効処理を施す事を特徴とするチタン合金の熱処理法
   。