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JP7698181B2 - Titanium alloy material and its manufacturing method - Google Patents

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JP7698181B2 JP2021005782A JP2021005782A JP7698181B2 JP 7698181 B2 JP7698181 B2 JP 7698181B2 JP 2021005782 A JP2021005782 A JP 2021005782A JP 2021005782 A JP2021005782 A JP 2021005782A JP 7698181 B2 JP7698181 B2 JP 7698181B2
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Description

本発明は、チタン合金材及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a titanium alloy material and a method for manufacturing the same.

近年、非特許文献1に記載されるように、3次元積層造形技術と呼ばれる新しい製造方法が開発され、金属材料にも適用されている。3次元積層造形技術は、一般には3Dプリンター技術として知られるが、最近では、材料を逐次付加して3次元形状を得て工業製品等の実用部材を製造する種々の技術と併せて、Additive Manufacturing(AM、付加製造)技術と総称され、世界中で注目されている。 In recent years, as described in Non-Patent Document 1, a new manufacturing method called three-dimensional additive manufacturing technology has been developed and is being applied to metal materials. Three-dimensional additive manufacturing technology is generally known as 3D printer technology, but recently, together with various technologies for manufacturing practical components such as industrial products by sequentially adding material to obtain three-dimensional shapes, it has been collectively referred to as additive manufacturing (AM) technology and has attracted attention around the world.

国際標準化機構による用語定義(ISO 52900)では,AM技術は,3Dモデルデータから部材を製造するために材料を結合するプロセスと定義され、以下のカテゴリー、即ち、Binder Jetting(BJT,結合剤噴射)、Directed Energy Deposition(DED,指向性エネルギー堆積)、Materials Extrusion(MEX,材料押出)、Material Jetting(材料噴射,MJT)、Powder Bed Fusion(PBF,粉末床溶融結合)、Sheet Lamination (SHL,シート積層)、Vat Photo Polymerization(VPP,液槽光重合)に分類されている.これらのうち、金属材料に適用されているのは、BJT(結合剤噴射法)、DED(指向性エネルギー堆積法)、PBF(粉末床溶融結合法)の3種とされている。 The International Organization for Standardization's definition (ISO 52900) defines AM technologies as processes that combine materials to produce components from 3D model data, and classifies them into the following categories: Binder Jetting (BJT), Directed Energy Deposition (DED), Materials Extrusion (MEX), Material Jetting (MJT), Powder Bed Fusion (PBF), Sheet Lamination (SHL), and Vacuum Photo Polymerization (VPP). Of these, three methods are applied to metal materials: BJT (binder jet deposition), DED (directed energy deposition), and PBF (powder bed fusion).

金属を対象とするこれらの手法は、従来の金属加工法に比べて製造にかかる工数が少なく、歩留の向上が見込め、製造工期の短縮や製造コスト削減を期待できることから注目されている。 These metal techniques are attracting attention because they require fewer manufacturing steps than conventional metal processing methods, are expected to improve yields, and are expected to shorten manufacturing times and reduce manufacturing costs.

AM技術(付加製造技術)により金属部材を製造する場合、PBF(粉末床溶融結合法)等の上記の方式のいずれにおいても、最終的に金属を溶融、凝固させて造形するため、得られる金属部材は凝固組織を有する。このような金属部材は、更に必要に応じて、HIP処理、鍛造、熱処理、切削加工等により、内部欠陥の低減、材質特性の改善、形状精度の向上などが図られた後に、実部品として使用される。 When manufacturing metal components using AM technology (additive manufacturing technology), in any of the above methods, including PBF (powder bed fusion), the metal is ultimately melted and solidified to form the metal component, so the resulting metal component has a solidified structure. Such metal components are further processed as necessary by HIP treatment, forging, heat treatment, cutting, etc. to reduce internal defects, improve material properties, and increase shape precision, before being used as actual parts.

ところで、金属材料の一種であるチタン合金は、軽量高強度であり、また、生体との親和性が良好であることから、航空機分野やインプラント等の医療分野で用いられている。チタン合金の中でも、高強度で延性とのバランスに優れるα+β型チタン合金であるTi-6Al-4V合金が汎用的に使用されている。 Titanium alloys, a type of metallic material, are lightweight, strong, and have good affinity with the human body, and are therefore used in the aircraft industry and in the medical field, such as for implants. Among titanium alloys, the Ti-6Al-4V alloy, an α+β type titanium alloy that has an excellent balance between high strength and ductility, is widely used.

多くの場合、Ti-6Al-4Vなどのα+β型チタン合金は、スポンジチタンや母合金などが混合された原料を溶融、凝固して鋳塊を製造し、更に鋳塊に対して鍛造や圧延などの展伸加工を加えて板、棒線、形材などの展伸材とした後、所定の部材形状に加工されてチタン合金材とされて使用されている。この場合、チタン合金材は、強度や延性が求められる用途には等軸晶組織が得られるように、また、破壊靭性や耐クリープ性が求められる用途には針状晶組織が得られるように、その製造工程において様々な加工や熱処理がなされている。 In many cases, α+β titanium alloys such as Ti-6Al-4V are made by melting and solidifying a mixture of sponge titanium and mother alloys to produce an ingot, which is then processed by forging, rolling, and other processes to produce wrought materials such as plates, bars, and shapes, and then processed into the desired shape of the titanium alloy material. In this case, the titanium alloy material undergoes various processing and heat treatments in the manufacturing process to obtain an equiaxed crystal structure for applications requiring strength and ductility, and an acicular crystal structure for applications requiring fracture toughness and creep resistance.

しかしながら、先に記載したように、金属材料からなる部材を製造する手段として付加製造技術を採用し、溶融及び凝固を経ることで所定の形状に造形され、凝固組織を有する部材を製造する例が増加している。また、従来から一部用途では、スポンジチタンや母合金などが混合された原料、あるいは、所定の化学組成とされた原料を、溶融、凝固させることで得られる、凝固組織を有する鋳造材が用いられている。これらのように、溶融、凝固を経て製造されるチタン合金材は、圧延や熱処理を経たものではないため、強度や靭性に劣る凝固組織を有することになる。 However, as mentioned above, additive manufacturing technology is being used as a means of producing components made of metallic materials, and there are an increasing number of examples of producing components with a solidified structure that are shaped into a specified shape through melting and solidification. In addition, some applications have traditionally used cast materials with a solidified structure obtained by melting and solidifying raw materials that contain a mixture of titanium sponge and master alloys, or raw materials with a specified chemical composition. Titanium alloy materials produced through melting and solidification in this way have a solidified structure that is inferior in strength and toughness, because they have not been rolled or heat treated.

付加製造技術によって製造されるチタン合金の金属組織形態に関しては、特許文献1に、付加製造プロセスを使用して、(柱状結晶構造を排除するための後続の処理工程なく)等軸結晶構造を有する物体を形成することができるチタン合金が記載されている。これによると、付加製造されたチタン合金は、粗い柱状結晶を生成して望ましくない異方性の機械的特性を生じさせる。しかし、有効量のβ共析安定剤を組み込むことによって、付加製造プロセス中にチタン合金が溶融または焼結されると、等軸結晶構造を生成しうる。ここで、β共析安定剤は、Fe、Ni、Cu、またはこれらの組み合わせから選択され得ると記載されている。 Regarding the metallographic morphology of titanium alloys produced by additive manufacturing techniques, U.S. Patent No. 5,399,433 describes a titanium alloy that can be formed using an additive manufacturing process to form an object having an equiaxed crystal structure (without a subsequent processing step to eliminate the columnar crystal structure). According to this, additively manufactured titanium alloys produce coarse columnar crystals resulting in undesirable anisotropic mechanical properties. However, by incorporating an effective amount of a β-eutectoid stabilizer, an equiaxed crystal structure can be produced when the titanium alloy is melted or sintered during the additive manufacturing process. Here, it is described that the β-eutectoid stabilizer can be selected from Fe, Ni, Cu, or a combination thereof.

ところで、チタン合金の化学組成の面からは、Ti-6Al-4V合金に代わり、安価なAl、Feを配合したTi-Al-Fe系チタン合金が知られている(特許文献2)。また、安価なCuを添加して、工業用純チタンよりも高温強度を向上させたTi-Fe-Cu系チタン合金が知られている(特許文献3)。 In terms of the chemical composition of titanium alloys, Ti-Al-Fe-based titanium alloys containing inexpensive Al and Fe are known as an alternative to Ti-6Al-4V alloys (Patent Document 2). Also, Ti-Fe-Cu-based titanium alloys are known that have improved high-temperature strength over commercially pure titanium by adding inexpensive Cu (Patent Document 3).

また、特許文献4には、コイル圧延可能な既存合金よりも高強度で、高い冷間圧延性を備え、加工性も備わったチタン合金として、Al、O、Cu、Sn、Siの添加量を制御したチタン合金が記載されている。更に、特許文献5には、強度および熱間加工性と、優れた被削性を示すチタン合金として、Al、Cr、Fe、Cu、Ni、Cの添加量を制御したチタン合金が記載されている。 Patent Document 4 describes a titanium alloy with controlled amounts of Al, O, Cu, Sn, and Si added, which has higher strength than existing alloys that can be rolled into coils, high cold rolling properties, and workability. Furthermore, Patent Document 5 describes a titanium alloy with controlled amounts of Al, Cr, Fe, Cu, Ni, and C added, which has strength, hot workability, and excellent machinability.

また、特許文献6には、チタン合金粉末にCu粉末を混合して、素粉末混合法によりCuを1~10%と高濃度域まで含有させることで、引張強さが1000~1500MPa、伸びが9~15%であるチタン合金を製造する方法が記載されている。 Patent Document 6 also describes a method for producing a titanium alloy with a tensile strength of 1000-1500 MPa and an elongation of 9-15% by mixing titanium alloy powder with Cu powder and using an elemental powder mixing method to increase the Cu content to a high concentration of 1-10%.

特表2020-511597号公報Special Publication No. 2020-511597 特開平4-358036号公報Japanese Patent Application Publication No. 4-358036 特開2005-298970号公報JP 2005-298970 A 特開2014-001421号公報JP 2014-001421 A 特開2016-183407号公報JP 2016-183407 A 特開2013-112860号公報JP 2013-112860 A

金属系材料の3次元積層造形技術の基礎,小泉雄一郎、千葉昌彦、野村直之、中野貴由,まてりあ,第56巻第12号(2017),p686-690Fundamentals of 3D additive manufacturing technology for metal-based materials, Yuichiro Koizumi, Masahiko Chiba, Naoyuki Nomura, Takayuki Nakano, Materia, Vol. 56, No. 12 (2017), pp. 686-690

しかし、チタン合金材を製造する手法として付加製造技術を適用し、溶融、凝固させることによって凝固組織を有するチタン合金材を製造した場合は、その後の加工熱処理において金属組織を制御して強度や靭性を向上させることは困難である。そこで、凝固組織の状態においても、強度や靭性が優れるチタン合金が望まれている。 However, when additive manufacturing technology is used to produce titanium alloy materials with a solidified structure by melting and solidifying them, it is difficult to control the metal structure in the subsequent thermomechanical processing to improve strength and toughness. Therefore, there is a demand for titanium alloys that have excellent strength and toughness even in the solidified structure state.

このような課題に対して、特許文献1に記載された技術は、溶融または焼結によって生成される柱状結晶を低減して等軸結晶構造を得ることで、機械的性質の異方性を低減する技術であるが、強度や靭性を向上する方法は記載されていない。
また、特許文献2に記載されたチタン合金は、Ti-Al-V合金の高価なV原料を安価なFeに置き換えることを狙った合金であり、引張特性に関する記載はあるが、衝撃値については触れられていない。
特許文献3は、安価なCuを含有した耐熱チタン合金板に関するものであり、室温および高温の引張特性に関する記載あるが、衝撃値については触れられていない。
特許文献4は、冷間圧延性の良好なチタン合金に関するものであり、強度や靭性に優れた凝固組織については何ら触れられていない。
特許文献5は、冷間圧延性の良好なチタン合金および被削性に優れたチタン合金に関するものであり、溶融、凝固を経て製造されるチタン合金ではない。
特許文献6は、素粉末混合法によりCuを高濃度に含有させたチタン合金を製造する方法であるが、溶融、凝固により形成される凝固組織を有するチタン合金の機械的性質については触れられていない。
To address such issues, the technology described in Patent Document 1 is a technology for reducing the anisotropy of mechanical properties by reducing the columnar crystals generated by melting or sintering to obtain an equiaxed crystal structure, but does not describe a method for improving strength or toughness.
Furthermore, the titanium alloy described in Patent Document 2 is an alloy intended to replace the expensive V raw material of the Ti-Al-V alloy with inexpensive Fe, and although there is a description of the tensile properties, there is no mention of the impact value.
Patent Document 3 relates to a heat-resistant titanium alloy plate containing inexpensive Cu, and describes the tensile properties at room temperature and high temperatures, but does not mention the impact value.
Patent Document 4 relates to a titanium alloy having good cold rolling properties, but makes no mention of a solidification structure having excellent strength and toughness.
Patent Document 5 relates to a titanium alloy having good cold rolling properties and a titanium alloy having excellent machinability, but is not a titanium alloy produced through melting and solidification.
Patent Document 6 describes a method for producing a titanium alloy containing a high concentration of Cu by an elemental powder mixing method, but does not mention the mechanical properties of the titanium alloy having a solidified structure formed by melting and solidifying.

また、付加製造技術に限らず、一般的な鋳造工程によって製造される、凝固組織を有するチタン合金材についても、強度および靭性に優れ、また、強度と靭性のバランスに優れることが求められている。
更には、鋳造工程、熱間加工工程、熱処理工程等を経て製造される、凝固組織とは異なる加工組織を有するチタン合金材についても、強度および靭性に優れ、また、強度と靭性のバランスに優れることが求められている。
In addition, not only additive manufacturing techniques but also titanium alloy materials having a solidified structure produced by general casting processes are required to have excellent strength and toughness, as well as an excellent balance between strength and toughness.
Furthermore, titanium alloy materials having a processed structure different from the solidified structure, which are produced through a casting process, a hot working process, a heat treatment process, etc., are also required to have excellent strength and toughness, and to have an excellent balance between strength and toughness.

本発明は、上記のような実情を鑑みてなされたものであり、従来のチタン合金よりも強度および靭性に優れ、更に、強度および靭性の両特性のバランスにも優れたチタン合金材を得ることを課題とする。 The present invention was made in consideration of the above-mentioned circumstances, and aims to obtain a titanium alloy material that is superior in strength and toughness to conventional titanium alloys, and also has an excellent balance between the strength and toughness properties.

上記課題を解決する本発明は、以下の構成を備える
] 質量%で、Al:4.6%以上8.0%以下、Fe:0.01%以上2.0%以下、Cu:0.3%以上2.5%以下、O:0.03%以上0.25%以下を含有し、残部:Tiおよび不純物であり、
下記式(1)を満たす、チタン合金材。
0.4×TS+CIS≧370 … (1)
式(1)におけるCISは、25℃でのシャルピー試験で求められる衝撃吸収エネルギーを試験片の断面積で除した衝撃値(単位:J/cm)であり、TSは引張強度(単位:MPa)である。
] さらに、Tiの一部に代えて、質量%で、Sn:5.0%以下、Nb:8.0%以下、Si:1.0%以下、Mo:5.0%以下、のうちの1種または2種以上を含有する、[1]に記載のチタン合金材。
] 金属組織の一部または全部が、柱状結晶粒および等軸結晶粒からなる凝固組織である、[1]または[2]に記載のチタン合金材。
] 質量%で、Al:4.6%以上8.0%以下、Fe:0.01%以上2.0%以下、Cu:0.3%以上2.5%以下、O:0.03%以上0.25%以下を含有し、残部がTiおよび不純物であるチタン合金粉末を原料とし、付加製造技術により、[]に記載のチタン合金材を製造する、チタン合金材の製造方法。
] 前記付加製造技術が、指向性エネルギー堆積法または粉末床溶融結合法である、[]に記載のチタン合金材の製造方法。
] 質量%で、Al:4.6%以上8.0%以下、Fe:0.01%以上2.0%以下、Cu:0.3%以上2.5%以下、O:0.03%以上0.25%以下を含有し、残部がTiおよび不純物であるチタン合金粉末を層状に敷き詰めて粉末床とし、前記粉末床の表面に高エネルギービームを照射することにより、前記粉末床の一部を溶解および凝固させる第1工程と、
前記粉末床の上に前記チタン合金粉末を層状に敷き詰めて新たな粉末床とし、この新たな粉末床の表面に高エネルギービームを照射することにより、前記新たな粉末床の一部を溶解および凝固させる第2工程とを、備え、
前記第1工程を行った後に、前記第2工程を少なくとも1回以上繰り返すことによって、[]に記載のチタン合金材を製造する、チタン合金材の製造方法。
] 質量%で、Al:4.6%以上8.0%以下、Fe:0.01%以上2.0%以下、Cu:0.3%以上2.5%以下、O:0.03%以上0.25%以下を含有し、残部がTiおよび不純物であり、粉末または線材からなるチタン合金素材を、基材上に供給しながら、前記チタン合金素材に高エネルギービームを照射して、前記基材上において前記チタン合金素材を溶解および凝固させて前記基材上に凝固金属を堆積させることにより、[]に記載のチタン合金材を製造する、チタン合金材の製造方法。
] 前記チタン合金粉末が、更に、Tiの一部に代えて、質量%で、Sn:5.0%以下、Nb:8.0%以下、Si:1.0%以下、Mo:5.0%以下、のうちの1種または2種以上を含有する、[]乃至[]の何れか一項に記載のチタン合金材の製造方法。
] []乃至[]の何れか一項に記載のチタン合金材の製造方法によって得られたチタン合金材に、熱間加工、冷間加工、矯正加工、切削加工の1種又は2種以上を行う、チタン合金材の製造方法。
The present invention, which solves the above problems, has the following configuration .
[ 1 ] In mass%, it contains Al: 4.6% or more and 8.0% or less, Fe: 0.01% or more and 2.0% or less, Cu: 0.3% or more and 2.5% or less, O: 0.03% or more and 0.25% or less, and the balance: Ti and impurities;
A titanium alloy material satisfying the following formula (1):
0.4 × TS + CIS ≧ 370 … (1)
In formula (1), CIS is an impact value (unit: J/cm 2 ) obtained by dividing the impact absorption energy determined in a Charpy test at 25° C. by the cross-sectional area of the test piece, and TS is tensile strength (unit: MPa).
[ 2 ] The titanium alloy material according to [1], further comprising, in place of a portion of Ti, one or more of the following, by mass%, Sn: 5.0% or less, Nb: 8.0% or less, Si: 1.0 % or less, and Mo: 5.0% or less.
[ 3 ] The titanium alloy material according to [1] or [2] , wherein a part or all of the metal structure is a solidification structure consisting of columnar crystal grains and equiaxed crystal grains.
[ 4 ] A method for producing a titanium alloy material according to [3], using a titanium alloy powder as a raw material, the titanium alloy material containing, by mass%, Al: 4.6% or more and 8.0% or less, Fe: 0.01% or more and 2.0% or less, Cu: 0.3% or more and 2.5% or less, O: 0.03 % or more and 0.25% or less, with the balance being Ti and impurities, by additive manufacturing technology.
[ 5 ] The method for producing a titanium alloy material according to [ 4 ], wherein the additive manufacturing technique is directed energy deposition or powder bed fusion.
[ 6 ] A first step of forming a powder bed by layering titanium alloy powder containing, by mass%, Al: 4.6% to 8.0%, Fe: 0.01% to 2.0%, Cu: 0.3% to 2.5%, O: 0.03% to 0.25%, and the balance being Ti and impurities, and irradiating a surface of the powder bed with a high-energy beam to melt and solidify a part of the powder bed;
a second step of laying the titanium alloy powder in a layer on the powder bed to form a new powder bed, and irradiating a surface of the new powder bed with a high-energy beam to melt and solidify a portion of the new powder bed;
A method for producing a titanium alloy material according to [ 3 ], comprising repeating the second step at least once after carrying out the first step.
[ 7 ] A method for producing a titanium alloy material according to [3], comprising: supplying a titanium alloy material consisting of a powder or a wire, the powder or wire containing, by mass%, Al: 4.6% or more and 8.0% or less, Fe: 0.01% or more and 2.0% or less, Cu: 0.3% or more and 2.5% or less, O: 0.03% or more and 0.25% or less, with the balance being Ti and impurities, onto a substrate; irradiating the titanium alloy material with a high-energy beam while supplying the titanium alloy material onto the substrate; melting and solidifying the titanium alloy material on the substrate ; and depositing solidified metal on the substrate.
[ 8 ] The method for producing a titanium alloy material according to any one of [4] to [7], wherein the titanium alloy powder further contains, in mass%, one or more of Sn: 5.0% or less, Nb: 8.0 % or less, Si: 1.0% or less, and Mo: 5.0 % or less, instead of a part of Ti.
[ 9 ] A method for producing a titanium alloy material, comprising subjecting a titanium alloy material obtained by the method for producing a titanium alloy material according to any one of [ 4 ] to [ 8 ] to one or more of hot working, cold working, straightening, and cutting.

本発明によれば、従来のチタン合金よりも強度および靭性に優れ、更に、強度および靭性の両特性のバランスに優れたチタン合金材を得ることができる。
本発明は、凝固組織を有するチタン合金材に限定されるものではなく、加工組織を有するチタン合金部材であってもよい。加工組織を有する場合は、強度および靭性の両特性のバランスをより高いレベルで達成可能なチタン合金材が得られる。
また、本発明のチタン合金材は、積層造形によって製造される多種多様な用途の部材に利用することができる。さらに、本発明のチタン合金材は、強度および靭性の両特性バランスに優れたチタン合金材として、その軽量高強度な特性を生かして、省エネルギー・省資源に貢献することができる。
According to the present invention, it is possible to obtain a titanium alloy material which is superior in strength and toughness to conventional titanium alloys, and further has an excellent balance between the strength and toughness properties.
The present invention is not limited to a titanium alloy material having a solidified structure, but may be a titanium alloy part having a processed structure. In the case where the titanium alloy material has a processed structure, a titanium alloy material capable of achieving a higher level of balance between the properties of strength and toughness can be obtained.
The titanium alloy material of the present invention can be used for components for a wide variety of applications manufactured by additive manufacturing. Furthermore, the titanium alloy material of the present invention is a titanium alloy material with an excellent balance between strength and toughness, and can contribute to energy and resource conservation by taking advantage of its lightweight and high-strength properties.

本発明者は、凝固組織、加工組織などの様々な金属組織の状態、特に凝固組織の状態で、既存のチタン合金よりも強度及び靭性に優れ、更に強度と靭性のバランスにも優れる化学組成について検討し、良好な特性が得られる成分系を見出した。なお、本明細書において凝固組織の用語は、溶融及び凝固の過程を経ることによって得られた金属組織を指す意味で用いる。また、加工組織の用語は、鋳造材などのような凝固組織を除く、それ以外の金属組織、具体的には、更に熱間加工や焼鈍等を行うことで得られた加工後の組織や焼鈍後の組織等の金属組織を指す意味で用いる。 The inventors have investigated chemical compositions that are superior in strength and toughness to existing titanium alloys and also have an excellent balance between strength and toughness in various metal structure states such as solidified structure and processed structure, particularly in the solidified structure state, and have found a component system that provides good properties. In this specification, the term solidified structure is used to refer to a metal structure obtained by going through the processes of melting and solidification. The term processed structure is used to refer to other metal structures other than solidified structures such as cast materials, specifically, metal structures such as processed structures and annealed structures obtained by further hot working or annealing.

更に言えば、凝固組織は、例えば、柱状結晶粒および等軸結晶粒で構成される組織を例示できる。また、加工組織は、展伸結晶粒と等軸結晶粒にて構成される組織を例示できる。これらは、製造プロセス上の分類に対して、結晶中の形状の違いによって分類したものである。展伸結晶粒は、焼鈍での再結晶により形成される等軸結晶粒を変形により特定方向へ延ばす、縮める、或いは、それらの組合せにより形成される。また、後述するような熱処理、具体的には変態を伴う熱処理にて形成される針状組織(β相)、様々な形状(含等軸粒)の析出物などを含む。チタン合金の任意の断面において断面観察した場合、等軸結晶粒のアスペクト比がほぼ1であるのに対して、展伸結晶粒のアスペクト比は1以外の値となる。焼鈍後の等軸結晶粒が球形状の場合、等軸結晶粒は真円形状、加工後の展伸結晶粒は楕円形状となる。加工組織は、上述したものに限られるものではない。 In addition, the solidification structure can be exemplified by a structure composed of columnar crystal grains and equiaxed crystal grains. The processed structure can be exemplified by a structure composed of wrought crystal grains and equiaxed crystal grains. These are classified according to the difference in the shape of the crystal, as opposed to the classification in the manufacturing process. Wrought crystal grains are formed by stretching or shrinking equiaxed crystal grains formed by recrystallization during annealing in a specific direction by deformation, or by a combination of these. In addition, it includes an acicular structure (β phase) formed by heat treatment, specifically heat treatment accompanied by transformation, as described below, and precipitates of various shapes (including equiaxed grains). When observing an arbitrary cross section of a titanium alloy, the aspect ratio of the equiaxed crystal grains is approximately 1, while the aspect ratio of the wrought crystal grains is a value other than 1. When the equiaxed crystal grains after annealing are spherical, the equiaxed crystal grains are perfectly circular, and the wrought crystal grains after processing are elliptical. The processed structure is not limited to the above.

チタン合金の靭性の指標として、25℃におけるシャルピー試験で求められる衝撃吸収エネルギーを試験片の断面積で除した衝撃値(CIS)を用いた。発明者らによる検討の結果、Ti-6Al-4Vなどの従来のチタン合金は、衝撃値(CIS、単位:J/cm)と引張強度(TS、単位:MPa)の関係が、0.4×TS+CIS<370の範囲にあることがわかった。すなわち、衝撃値(J/cm)の0.4倍の値と強度(MPa)の値の合計値が最大でも370未満であることが分かった。従って、従来のチタン合金では、強度と靭性のバランスが図られたとしても、強度及び靭性自体は高いものではなかった。そこで、靭性と強度の関係が0.4×TS+CIS≧370となり、靭性に関してはCIS≧30となり、強度に関しては既存のTi-3Al-2.5V合金と同等以上であるTS≧620を、同時に達成するため種々の検討を行った。その結果、Al、Fe、Cu、Oの添加量を適正に制御することで、たとえ凝固組織の状態であったとしても、衝撃値及び強度の両方に優れるチタン合金を見出した。
以下、本発明の実施形態であるチタン合金材及びその製造方法について説明する。
As an index of toughness of titanium alloy, impact value (CIS) obtained by dividing impact absorption energy obtained by Charpy test at 25°C by cross-sectional area of test piece was used. As a result of the study by the inventors, it was found that the relationship between impact value (CIS, unit: J/cm 2 ) and tensile strength (TS, unit: MPa) of conventional titanium alloy such as Ti-6Al-4V is in the range of 0.4×TS+CIS<370. That is, it was found that the total value of 0.4 times the value of impact value (J/cm 2 ) and the value of strength (MPa) is less than 370 at the maximum. Therefore, even if the balance between strength and toughness is achieved in conventional titanium alloy, the strength and toughness themselves are not high. Therefore, various studies were conducted to simultaneously achieve the relationship between toughness and strength of 0.4×TS+CIS≧370, CIS≧30 for toughness, and TS≧620, which is equal to or greater than that of existing Ti-3Al-2.5V alloy. As a result, by appropriately controlling the amounts of Al, Fe, Cu, and O added, a titanium alloy that is excellent in both impact value and strength even in a solidified structure state was discovered.
Hereinafter, a titanium alloy material and a manufacturing method thereof according to an embodiment of the present invention will be described.

本実施形態のチタン合金材は、質量%で、Al:4.6%以上8.0%以下、Fe:0.01%以上2.0%以下、Cu:0.3%以上2.5%以下、O:0.03%以上0.25%以下を含有し、残部がTi及び不純物からなる化学組成を有する。また、本実施形態のチタン合金材は、α+β型のチタン合金材である。 The titanium alloy material of this embodiment has a chemical composition containing, by mass%, Al: 4.6% to 8.0%, Fe: 0.01% to 2.0%, Cu: 0.3% to 2.5%, O: 0.03% to 0.25%, and the balance being Ti and impurities. The titanium alloy material of this embodiment is an α+β type titanium alloy material.

以下、本実施形態のチタン合金材の化学組成について説明する。以下の説明において、化学組成の各元素の含有量の「%」表示は、「質量%」を意味する。また、「~」を用いて表される数値範囲は、「~」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。なお、「~」の前後に記載される数値に「超」または「未満」が付されている場合の数値範囲は、これら数値を下限値または上限値として含まない範囲を意味する。 The chemical composition of the titanium alloy material of this embodiment will be described below. In the following description, the "%" for the content of each element in the chemical composition means "mass %". Furthermore, a numerical range expressed using "~" means a range that includes the numerical values written before and after "~" as the lower and upper limits. Note that when "more than" or "less than" is added to the numerical values written before and after "~", the numerical range does not include these numerical values as the lower or upper limit.

Alは、α相安定化元素であり、主にα相を強化する元素である。Al含有量が4.6%未満になると、α+β型チタン合金のTi-3Al-2.5V(ASTM grade 9)に相当する引張強度620MPa以上を確保することが困難になる。一方、Al含有量が8.0%を超えると、延性の低下が著しくなり、靭性が低下する。また、後述するように、AlとCuの複合添加による効果を享受するためには、Al含有量が4.6%未満では不十分であり、4.6%以上とすることで複合添加の効果を得ることができる。従って、Al含有量は4.6%以上8.0%以下とする。Al含有量は、5.0%以上でもよく、5.5%以上でもよく、7.0%以下でもよく、6.5%以下でもよい。 Al is an α-phase stabilizing element and mainly strengthens the α-phase. If the Al content is less than 4.6%, it becomes difficult to secure a tensile strength of 620 MPa or more, which corresponds to Ti-3Al-2.5V (ASTM grade 9) of α+β-type titanium alloy. On the other hand, if the Al content exceeds 8.0%, the ductility decreases significantly and the toughness decreases. Also, as described later, in order to enjoy the effect of the combined addition of Al and Cu, an Al content of less than 4.6% is insufficient, and the effect of the combined addition can be obtained by making it 4.6% or more. Therefore, the Al content is 4.6% or more and 8.0% or less. The Al content may be 5.0% or more, 5.5% or more, 7.0% or less, or 6.5% or less.

Feは、β相安定化元素であり、他の元素と比較してα相への固溶量が少なく、α相への固溶量を超える場合には、チタン合金をα相とβ相に2相化して強度を向上させる。本発明のチタン合金材では、同じβ安定化元素であるCuを同時に添加するため、Feは、0.01%以上あればその効果が得られる。一方、Feが2.0%を超えると、粒界偏析の影響が大きくなり、靭性が低下し始める。さらに、Feの固溶限を超えてTiとの化合物が析出すると、靭性が著しく低下する。従って、Fe含有量は0.01%以上2.0%以下とする。Fe含有量は、0.2%以上でもよく、1.7%以下でもよい。 Fe is a β-phase stabilizing element, and compared to other elements, its amount of solid solution in the α-phase is small. When the amount of solid solution in the α-phase is exceeded, the titanium alloy is transformed into two phases, α and β, to improve strength. In the titanium alloy material of the present invention, Cu, which is also a β-stabilizing element, is added at the same time, so the effect can be obtained if Fe is 0.01% or more. On the other hand, when Fe exceeds 2.0%, the influence of grain boundary segregation becomes large and toughness begins to decrease. Furthermore, when the solid solubility limit of Fe is exceeded and compounds with Ti are precipitated, toughness decreases significantly. Therefore, the Fe content is set to 0.01% or more and 2.0% or less. The Fe content may be 0.2% or more, or 1.7% or less.

Cuは、β安定化元素であり、Feと同様にα相とβ相に2相化して強度を向上させる。同時に、Cuはα相にも最大2.5%程度まで固溶することができ、チタン合金材の強度を向上させる。さらにα相に固溶してもα相の変形機構の一種である双晶変形を抑制しないことからα相の延性および靭性をほとんど損なうことがないため、強度と靭性のバランスの向上に必須の添加元素である。Cuが2.5%を超えると、α相への固溶量が飽和するとともに、TiとCuの化合物が粗大に析出して靭性が低下する。一方、Cuが0.3%未満になると強度と延性バランスの向上の効果が乏しくなる。 Cu is a β-stabilizing element, and like Fe, it improves strength by forming two phases, α and β. At the same time, Cu can dissolve in the α phase up to a maximum of about 2.5%, improving the strength of titanium alloy materials. Furthermore, even when dissolved in the α phase, it does not suppress twin deformation, which is one of the deformation mechanisms of the α phase, so it hardly impairs the ductility and toughness of the α phase, making it an essential additive element for improving the balance between strength and toughness. If Cu exceeds 2.5%, the amount of solid solution in the α phase will saturate, and Ti and Cu compounds will precipitate coarsely, reducing toughness. On the other hand, if Cu is less than 0.3%, the effect of improving the balance between strength and ductility will be poor.

また、α相中へのCuの最大固溶量は、Al含有量が高いほど上昇し、Fe含有量の影響はほとんど受けず、O含有量が高いほど低下する。従って、Alを4.6%以上含有する本発明に係るチタン合金材においては、Cuの効果をより大きく享受することができる。Alが8.0%を超えると強度が高くなるものの、靭性が低下することは前記のとおりである。 The maximum amount of Cu dissolved in the α phase increases with increasing Al content, is hardly affected by the Fe content, and decreases with increasing O content. Therefore, in the titanium alloy material according to the present invention, which contains 4.6% or more Al, the effect of Cu can be enjoyed to a greater extent. As mentioned above, when Al exceeds 8.0%, the strength increases, but the toughness decreases.

従って、Cu含有量は0.3%以上2.5%以下とする。Cu含有量は、0.5%以上であってもよく、2.0%以下であってもよい。 Therefore, the Cu content is 0.3% or more and 2.5% or less. The Cu content may be 0.5% or more and 2.0% or less.

Oは、α相安定化元素であり、α相を強化する元素である。しかし、O含有量が高くなると靭性が低下するため、0.25%以下であることが好ましい。一方で、Oはチタン製錬において除去することが難しい元素であり、0.03%未満とするためには過度なコスト上昇を招く。したがって、下限は0.03%以上が好ましい。 O is an α-phase stabilizing element that strengthens the α-phase. However, as the O content increases, toughness decreases, so it is preferable that the O content be 0.25% or less. On the other hand, O is an element that is difficult to remove in titanium smelting, and keeping it below 0.03% would result in excessive cost increases. Therefore, the lower limit is preferably 0.03% or more.

更に、本発明では、上記元素のほかに、Tiの一部に代えて、Sn:5.0%以下、Nb:8.0%以下、Si:1.0%以下、Mo:5.0%以下、のうちの1種または2種以上を含有することができる。 In addition to the above elements, the present invention may contain one or more of the following elements in place of a portion of Ti: Sn: 5.0% or less, Nb: 8.0% or less, Si: 1.0% or less, and Mo: 5.0% or less.

Snは、α相およびβ相に固溶して両相を強化する元素である。α相に固溶した場合、Cuと同様に、延性および靭性を損なうことなく強化することができるが、その効果はCuと比較して小さい。Sn含有量が、5.0%を超えると靭性が低下する。従って、Sn含有量は5.0%以下とする。Snを含有させる場合は、0.2%以上であってもよく、0.5%以上であってもよく、1.0%以上であってもよい。 Sn is an element that dissolves in the α and β phases to strengthen both phases. When dissolved in the α phase, it can strengthen the material without impairing ductility and toughness, just like Cu, but the effect is smaller than that of Cu. If the Sn content exceeds 5.0%, the toughness decreases. Therefore, the Sn content is set to 5.0% or less. If Sn is contained, it may be 0.2% or more, 0.5% or more, or 1.0% or more.

Nbは、β安定化元素であるが、一部はα相に固溶して強化する。しかし、その質量%あたりの強化能は、Fe、Cu、Snと比較して小さい。Nb含有量が8.0%を超えると、その効果が飽和する。従って、Nb含有量は8.0%以下とする。Nbを含有させる場合は、0.2%以上であってもよく、0.5%以上であってもよく、1.0%以上であってもよい。 Nb is a β-stabilizing element, but some of it dissolves in the α-phase to strengthen it. However, its strengthening ability per mass percent is smaller than that of Fe, Cu, and Sn. When the Nb content exceeds 8.0%, the effect saturates. Therefore, the Nb content is set to 8.0% or less. When Nb is contained, it may be 0.2% or more, 0.5% or more, or 1.0% or more.

Siは、β安定化元素であるが、α相にも固溶し、合金の強度を向上する効果が大きい。しかし、Siが1.0%を超えると、TiとSiの化合物が粗大に析出するため、靭性が低下する。従って、Si含有量は1.0%以下とする。Siを含有させる場合は、0.2%以上であってもよく、0.3%以上であってもよい。 Si is a β-stabilizing element, but it also dissolves in the α-phase, and is highly effective in improving the strength of the alloy. However, if the Si content exceeds 1.0%, Ti and Si compounds precipitate coarsely, reducing toughness. Therefore, the Si content is set to 1.0% or less. If Si is included, it may be 0.2% or more, or 0.3% or more.

Moは、β安定化元素であり、質量%あたりの強化能はCuよりも大きいが、5.0%を超えるとβ相中に析出するα相が微細になりすぎて靭性が著しく低下する。従って、Mo含有量は5.0%以下とする。Moを含有させる場合は、0.2%以上であってもよく、0.5%以上であってもよく、1.0%以上であってもよい。 Mo is a β-stabilizing element, and its strengthening ability per mass percent is greater than that of Cu, but if it exceeds 5.0%, the α-phase that precipitates in the β-phase becomes too fine, causing a significant decrease in toughness. Therefore, the Mo content is set to 5.0% or less. If Mo is contained, it may be 0.2% or more, 0.5% or more, or 1.0% or more.

化学組成における残部は、Ti及び不純物であってよい。不純物とは、具体的に例示すれば、精錬工程で混入するCl、Na、Mg、Caおよびスクラップから混入するZr、Ta、Vなどである。これらの不純物が含有される場合、その含有量は、例えば、それぞれ0.1%以下であり、総量で0.3%以下であれば問題無いレベルである。 The balance in the chemical composition may be Ti and impurities. Specific examples of impurities include Cl, Na, Mg, and Ca that are mixed in during the refining process, and Zr, Ta, and V that are mixed in from scrap. If these impurities are contained, the content is, for example, 0.1% or less for each, and there is no problem if the total amount is 0.3% or less.

また、代表的な共析型β安定化元素であるCrまたはNiは、Feと同様にβ相を安定化して2相化による強度向上に寄与するため、Feの一部または全部の代替として使われることがある。しかし、本発明の基本成分系であるTi-Al-Fe-Cu-O系にCrまたはNiの一方または両方を含有すると、α相中のCuの固溶量を低下させてしまい、Cuによる強度と延性バランスの向上効果が得られなくなる。従って、CrまたはNiは、チタン原料であるスポンジチタンやチタンスクラップなどから不純物として含有されるレベルに留めることが好ましい。そのレベルは、CrまたはNiのそれぞれの濃度が0.1%以下であることが好ましい。 Cr or Ni, which are typical eutectoid β-stabilizing elements, are sometimes used as a partial or complete replacement for Fe, because, like Fe, they stabilize the β-phase and contribute to improving strength by forming a two-phase structure. However, if either or both of Cr and Ni are contained in the Ti-Al-Fe-Cu-O system, which is the basic component system of the present invention, the amount of Cu dissolved in the α-phase is reduced, and the effect of improving the balance between strength and ductility due to Cu cannot be obtained. Therefore, it is preferable to keep Cr or Ni at the level contained as an impurity in titanium raw materials such as sponge titanium and titanium scrap. The level is preferably 0.1% or less for each of the Cr and Ni concentrations.

次に、本実施形態のチタン合金材の凝固組織について説明する。
本実施形態に係るチタン合金材は、一般にα+β型チタン合金と呼ばれる化学組成を有しており、その金属組織は、室温においてα相を70%以上、β相を30%以下含むものである。また、含有する元素および製造履歴によっては、TiとCuの化合物、TiとFeの化合物、TiとSiの化合物が合計で3%以下、存在する場合がある。
Next, the solidification structure of the titanium alloy material of this embodiment will be described.
The titanium alloy material according to the present embodiment has a chemical composition generally called an α+β titanium alloy, and its metal structure contains 70% or more of α phase and 30% or less of β phase at room temperature. Depending on the elements contained and the manufacturing history, compounds of Ti and Cu, compounds of Ti and Fe, and compounds of Ti and Si may be present in a total amount of 3% or less.

本実施形態に係る化学組成を有するチタン合金を、溶融状態から凝固させた場合、凝固方向に連続的に柱状晶が形成されるが、金属相としてはまずβ相(bcc構造)が形成され、温度低下に従って、β相の粒界および粒内にα相(hcp構造)が形成される。 When a titanium alloy having the chemical composition according to this embodiment is solidified from a molten state, columnar crystals are formed continuously in the direction of solidification, but the metal phase first forms a β phase (bcc structure), and as the temperature decreases, an α phase (hcp structure) is formed at the grain boundaries and within the grains of the β phase.

凝固の際に形成されるβ相の結晶粒径は、製造されるチタン合金材のサイズや冷却方法などによって異なるが、一辺が数十mm程度以下の大きさの部材の場合は、凝固方向に対して垂直な断面で観察した場合のβ相の結晶粒径は2mm以下になる。また、一辺の長さが数百mm程度の大きさの部材の場合は、凝固方向に対して垂直な断面で観察した場合のβ相の結晶粒径は50mm程度になる。 The grain size of the β phase formed during solidification varies depending on the size of the titanium alloy material being manufactured and the cooling method, but for components with sides measuring no more than a few tens of mm, the grain size of the β phase when observed in a cross section perpendicular to the solidification direction is 2 mm or less. For components with sides measuring no more than a few hundred mm, the grain size of the β phase when observed in a cross section perpendicular to the solidification direction is approximately 50 mm.

また、凝固組織において、β相の粒界に形成されるα相は、一般に粒界αと呼ばれ、厚みは5μm以下である。冷却速度が速い場合には、粒界αは形成されない。粒内に形成されるα相は、一般に針状αと呼ばれ、厚み5μm以下、アスペクト比3以上の形態を有する。冷却速度が速い場合を除いて、針状αは、ほぼ同じ結晶方位を有する粒が層状に形成されたコロニー組織を形成することが多い。コロニー組織のサイズは、一般的にβ相の結晶粒径と正の相関を有する。 In addition, in the solidification structure, the α phase formed at the grain boundaries of the β phase is generally called grain boundary α, and has a thickness of 5 μm or less. When the cooling rate is fast, grain boundary α is not formed. The α phase formed within the grains is generally called acicular α, and has a thickness of 5 μm or less and an aspect ratio of 3 or more. Except when the cooling rate is fast, the acicular α often forms a colony structure in which grains having approximately the same crystal orientation are formed in layers. The size of the colony structure generally has a positive correlation with the crystal grain size of the β phase.

なお、β相は室温でも残留するほか、一部は、β”相やω相を形成したり、TiとCuの化合物、TiとFeの化合物、TiとSiの化合物が形成されることがある。β相の結晶粒径が大きいほど、あるいは、β相内に形成されるα相のコロニーサイズが大きいほど、強度や靭性は低下する場合がある。また、ω相やTiとFeの化合物は、靭性を著しく低下させる場合がある。β相の結晶粒径やα相のコロニーサイズを小さくするには、溶融金属を凝固させる際の冷却速度を大きくすることが有利である。 The β phase remains even at room temperature, and some of it may form the β" phase or ω phase, or form compounds of Ti and Cu, Ti and Fe, or Ti and Si. The larger the crystal grain size of the β phase, or the larger the size of the α phase colonies formed within the β phase, the more likely it is that strength and toughness will decrease. Furthermore, the ω phase and compounds of Ti and Fe can significantly reduce toughness. To reduce the crystal grain size of the β phase and the colony size of the α phase, it is advantageous to increase the cooling rate when solidifying the molten metal.

本実施形態のチタン合金材は、上述のように、柱状および等軸状(の形状)の結晶粒からなる凝固組織を有していてもよい。 The titanium alloy material of this embodiment may have a solidification structure consisting of columnar and equiaxed crystal grains, as described above.

また、本実施形態のチタン合金材の金属組織は、上述の凝固組織を有するものに限定されるものではなく、加工組織を有するものであってもよい。加工組織としては、例えば、鋳造材などのような凝固組織を有する部材に対して、熱間圧延などの変形をともなう加工を加えた展伸結晶粒、更に焼鈍を行うことで得られた等軸結晶粒、前記のように変態を伴う熱処理で得られる針状結晶粒、様々な形状(含等軸粒)の析出物を含む組織を例示できる。 The metal structure of the titanium alloy material of this embodiment is not limited to the solidified structure described above, but may have a processed structure. Examples of processed structures include elongated grains obtained by subjecting a member having a solidified structure such as a cast material to processing involving deformation such as hot rolling, equiaxed grains obtained by further annealing, acicular grains obtained by heat treatment involving transformation as described above, and structures containing precipitates of various shapes (including equiaxed grains).

本実施形態のチタン合金材は、金属組織が凝固組織、加工組織またはその他の組織の何れであっても、優れた靭性及び強度を有するものとなる。すなわち、本実施形態のチタン合金材は、25℃でのシャルピー試験で求められる衝撃吸収エネルギーを試験片の断面積で除した衝撃値(CIS、単位:J/cm)と、引張強度(TS、単位:MPa)との関係が、0.4×TS+CIS≧370となり、靭性に関してはCIS≧30となり、強度に関してはTS≧620を達成するものとなる。このような靭性及び強度は、本実施形態のチタン合金材が凝固組織を有するものであっても達成することができる。また、本実施形態のチタン合金材が、一般には加工組織よりも靭性が劣るとされる凝固組織を有するものであっても、上記の靭性及び強度を達成することができる。 The titanium alloy material of this embodiment has excellent toughness and strength, whether the metal structure is a solidified structure, a processed structure, or other structure. That is, the titanium alloy material of this embodiment has a relationship between the impact value (CIS, unit: J/cm 2 ) obtained by dividing the impact absorption energy obtained by the Charpy test at 25°C by the cross-sectional area of the test piece and the tensile strength (TS, unit: MPa) of 0.4×TS+CIS≧370, the toughness is CIS≧30, and the strength is TS≧620. Such toughness and strength can be achieved even if the titanium alloy material of this embodiment has a solidified structure. In addition, the above-mentioned toughness and strength can be achieved even if the titanium alloy material of this embodiment has a solidified structure, which is generally considered to have a toughness inferior to that of a processed structure.

次に、本実施形態に係るチタン合金材の製造方法について説明する。
本実施形態に係るチタン合金材の製造方法については特に制限はなく、一般的な鋳造凝固法によって製造することができ、また、付加製造技術によっても製造することができ、更には鋳片に対して熱間圧延等を行うことで板材、棒材、管材などを得る方法によっても製造できる。
Next, a method for producing the titanium alloy material according to this embodiment will be described.
There is no particular limitation on the manufacturing method of the titanium alloy material according to this embodiment, and it can be manufactured by a general casting solidification method, or by additive manufacturing technology. Furthermore, it can also be manufactured by a method of obtaining plate material, bar material, tube material, etc. by performing hot rolling or the like on a cast piece.

一般的な鋳造凝固法によって本実施形態のチタン合金材を製造する場合は、スポンジチタン、アルミニウム、鉄、銅などの金属原料を混合し、必要に応じて圧縮成型した後、消耗電極式真空アーク溶解法(VAR)、電子ビーム溶解法(EBR)、プラズマアーク溶解法(PAM)などにより、鋳塊として製造されることができる。原料には、純金属だけでなく、母合金やスクラップを用いても良い。原料の形態は、塊、板、粉末などを用いることができる。溶融された原料は、一般的には、水冷銅鋳型を用いて冷却され、凝固する。 When the titanium alloy material of this embodiment is manufactured by a general casting solidification method, metallic raw materials such as sponge titanium, aluminum, iron, and copper are mixed and, if necessary, compression molded, and then manufactured into an ingot by a consumable electrode vacuum arc melting method (VAR), an electron beam melting method (EBR), a plasma arc melting method (PAM), or the like. The raw materials may be not only pure metals, but also master alloys and scrap. The raw materials may be in the form of lumps, plates, powders, etc. The molten raw materials are generally cooled and solidified using a water-cooled copper mold.

また、付加製造技術によって本実施形態のチタン合金材を製造する場合は、例えば、指向性エネルギー堆積法または粉末床溶融結合法を用いて製造することができる。 In addition, when manufacturing the titanium alloy material of this embodiment using additive manufacturing technology, it can be manufactured using, for example, directed energy deposition or powder bed fusion.

粉末床溶融結合法の場合は、スポンジチタン、アルミニウム、鉄、銅などの金属原料を混合し、必要に応じて圧縮成型した後、消耗電極式真空アーク溶解法(VAR)、電子ビーム溶解法(EBR)、プラズマアーク溶解法(PAM)などにより溶解し、その後、例えばガスアトマイズ法などの手段により、チタン合金粉末を製造する。 In the case of powder bed fusion, titanium sponge, aluminum, iron, copper and other metal raw materials are mixed and, if necessary, compression molded, then melted using consumable electrode vacuum arc melting (VAR), electron beam melting (EBR), plasma arc melting (PAM) or other methods, and then titanium alloy powder is produced by means of, for example, gas atomization.

次いで、得られたチタン合金粉末を、層状に敷き詰めて粉末床とし、粉末床の表面に高エネルギービームを照射することにより、粉末床の一部を溶解および凝固させる第1工程を行う。 Next, the obtained titanium alloy powder is spread in layers to form a powder bed, and the first step is performed in which a part of the powder bed is melted and solidified by irradiating the surface of the powder bed with a high-energy beam.

次いで、粉末床の上にチタン合金粉末を層状に敷き詰めて新たな粉末床とし、この新たな粉末床の表面に高エネルギービームを照射することにより、新たな粉末床の一部を溶解および凝固させる第2工程を行う。 Next, a layer of titanium alloy powder is laid on top of the powder bed to form a new powder bed, and a second process is carried out in which a high-energy beam is irradiated onto the surface of the new powder bed to melt and solidify part of the new powder bed.

第1工程を行った後に、第2工程を少なくとも1回以上繰り返すことによって、所定の形状を有するチタン合金材を製造することができる。 After carrying out the first step, the second step can be repeated at least once to produce a titanium alloy material having a desired shape.

また、指向性エネルギー堆積法の場合は、スポンジチタン、アルミニウム、鉄、銅などの金属原料を混合し、必要に応じて圧縮成型した後、消耗電極式真空アーク溶解法(VAR)、電子ビーム溶解法(EBR)、プラズマアーク溶解法(PAM)などにより溶解し、その後、例えばガスアトマイズ法などの手段により、チタン合金粉末を製造する。あるいは、溶解後に凝固させて鋳片とし、この鋳片を熱間圧延することによりチタン合金線材とする。これら、チタン合金粉末またはチタン合金線材をチタン合金素材とする。 In the case of directed energy deposition, metal raw materials such as titanium sponge, aluminum, iron, and copper are mixed and compression molded as necessary, then melted by consumable electrode vacuum arc melting (VAR), electron beam melting (EBR), plasma arc melting (PAM), or the like, and then titanium alloy powder is produced by means of, for example, gas atomization. Alternatively, after melting, the mixture is solidified to form a slab, which is then hot rolled to produce titanium alloy wire. These titanium alloy powders or titanium alloy wires are used as titanium alloy materials.

次いで、粉末状または線材状のチタン合金素材を、基材上に供給しながら、チタン合金素材に高エネルギービームを照射して、基材上においてチタン合金素材を溶解および凝固させて基材上に凝固金属を堆積させることにより、所定の形状を有するチタン合金材を製造することができる。 Next, while supplying the powdered or wire-shaped titanium alloy material onto a substrate, the titanium alloy material is irradiated with a high-energy beam to melt and solidify the titanium alloy material on the substrate, thereby depositing the solidified metal on the substrate, thereby producing a titanium alloy material having a predetermined shape.

上記の指向性エネルギー堆積法または粉末床溶融結合法を用いることで製造されたチタン合金材は、いずれも凝固組織を有するものとなる。 Titanium alloy materials produced using the above-mentioned directed energy deposition method or powder bed fusion method have a solidified structure.

一般的な鋳造凝固法や付加製造技術によって製造されたチタン合金材には、内部欠陥の低減や形状制御を目的として、更に、HIP処理、鍛造、押出し、圧延、切削などの一般的な加工・熱処理を施してもよい。 Titanium alloy materials manufactured by typical casting solidification methods or additive manufacturing techniques may be further subjected to typical processing and heat treatments such as HIP treatment, forging, extrusion, rolling, and cutting in order to reduce internal defects and control the shape.

したがって、本実施形態に係るチタン合金材は、前記の柱状晶および等軸晶の結晶粒を含む凝固組織以外に、例えば、それらの展伸粒状の結晶、等軸粒、展伸粒や矩形の形状からなる前記の化合物を含む組織であってもよい。更に言えば、上記の凝固組織を有するチタン合金材に、さらに、鍛造、圧延、押出し、曲げ、切削、熱処理などの一般的なチタン合金の加工・熱処理を施すことにより、板、棒、管などの展伸材としてもよい。 Therefore, the titanium alloy material according to this embodiment may have a solidification structure containing the columnar and equiaxed crystal grains, as well as a structure containing the compounds described above, such as elongated grain crystals, equiaxed grains, elongated grains, or rectangular shapes. Furthermore, the titanium alloy material having the solidification structure described above may be further processed and heat-treated as in general titanium alloys, such as forging, rolling, extrusion, bending, cutting, and heat treatment, to produce elongated materials such as plates, bars, and tubes.

更に、鋳片に対して熱間圧延等を行うことによって本実施形態のチタン合金材を製造する場合は、例えば、上記の一般的な鋳造凝固法によって製造された鋳造材を素材とし、この素材に対して熱間圧延を行う。更に熱間圧延後に、焼鈍、冷間圧延、最終焼鈍などを行ってもよい。このようにして、加工組織を有するチタン合金材を得ることができる。 Furthermore, when manufacturing the titanium alloy material of this embodiment by subjecting a cast piece to hot rolling or the like, for example, a cast material manufactured by the above-mentioned general casting solidification method is used as a raw material, and hot rolling is performed on this raw material. Furthermore, after hot rolling, annealing, cold rolling, final annealing, etc. may be performed. In this way, a titanium alloy material having a processed structure can be obtained.

次に、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、以下に説明する実施例は本発明の実施態様の一例であって、本発明を限定するものではない。 Next, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the examples described below are merely examples of the embodiments of the present invention and do not limit the present invention.

一般的な溶解凝固法によりチタン合金材を製造した。すなわち、表1に示す各化学組成になるように配合を調整した金属原料を真空アーク溶解して溶融金属とし、この溶融金属を水冷銅鋳型に装入することにより、直径60mm、厚み10mm、重量約100gの円板状のチタン合金材(No.1~34)を製造した。表1内の空欄は、合金元素を積極的に含有させなかったことを示す。 Titanium alloy materials were manufactured using a general melting and solidification method. That is, metal raw materials with the composition adjusted to each chemical composition shown in Table 1 were vacuum arc melted to produce molten metal, and this molten metal was charged into a water-cooled copper mold to manufacture disk-shaped titanium alloy materials (Nos. 1 to 34) with a diameter of 60 mm, a thickness of 10 mm, and a weight of approximately 100 g. Blanks in Table 1 indicate that no alloying elements were intentionally included.

No.1~34のチタン合金材は、水冷銅鋳型によって下部から冷却されたため、円板の下面から上面に向かって伸びる柱状結晶粒および等軸結晶粒からなる凝固組織が形成された。このチタン合金材から、試験片長手方向が下面と平行方向となるように、平行部の直径が3mm、平行部の長さが20mmの引張試験片を採取した。また、試験片長手方向が下面と平行でノッチが厚み方向となるように、5mm厚、10mm幅の2mmVノッチサブサイスシャルピー試験片を採取した。 Titanium alloy materials No. 1 to 34 were cooled from below using a water-cooled copper mold, forming a solidification structure consisting of columnar and equiaxed crystal grains extending from the bottom to the top of the disk. Tensile test pieces with a parallel section diameter of 3 mm and a parallel section length of 20 mm were taken from these titanium alloy materials, with the test piece's longitudinal direction parallel to the bottom surface. In addition, 2 mm V-notch subsize Charpy test pieces 5 mm thick and 10 mm wide were taken with the test piece's longitudinal direction parallel to the bottom surface and the notch in the thickness direction.

引張試験は、クロスヘッド変位速度0.3mm/minで、室温で行った。衝撃試験は、300Jシャルピー衝撃試験機にて室温(25℃)で行った。衝撃試験結果は、吸収エネルギーを試験片断面積で除した衝撃値(J/cm)で評価した。 The tensile test was performed at room temperature with a crosshead displacement rate of 0.3 mm/min. The impact test was performed at room temperature (25° C.) using a 300 J Charpy impact tester. The impact test results were evaluated as the impact value (J/cm 2 ) obtained by dividing the absorbed energy by the cross-sectional area of the test piece.

表2に、表1の各化学組成に対応する引張強度と衝撃値の結果を示す。引張強度は、既存合金Ti-3Al-2.5V(JIS61種)の引張強度である620MPaを基準値とし、620MPa以上を合格とした。また、衝撃値は30J/cm以上を合格とした。さらに、引張強度と衝撃値の両特性のバランスの指標として、下記式(1)を満たすかどうかを基準とし、下記式(1)を満たす場合を合格とした。表2の判定欄には、式(1)の左辺が370以上になる場合を〇(達成)とし、式(1)の左辺が370未満の場合を×(未達)で表した。 Table 2 shows the results of the tensile strength and impact value corresponding to each chemical composition in Table 1. The tensile strength was determined to be 620 MPa, which is the tensile strength of the existing alloy Ti-3Al-2.5V (JIS 61 type), and 620 MPa or more was considered to be acceptable. In addition, the impact value was determined to be 30 J/cm 2 or more. Furthermore, as an index of the balance between the properties of tensile strength and impact value, the criteria was whether the following formula (1) was satisfied, and the case where the following formula (1) was satisfied was considered to be acceptable. In the judgment column of Table 2, the case where the left side of formula (1) is 370 or more is represented as ◯ (achieved), and the case where the left side of formula (1) is less than 370 is represented as × (not achieved).

0.4×TS+CIS≧370 … (1) 0.4 x TS + CIS ≥ 370 … (1)

また、表1及び表2の備考欄には、請求項1に対応する実施例を実施例1と表記し、請求項2に対応する実施例を実施例2と表記した。 In addition, in the notes section of Tables 1 and 2, the example corresponding to claim 1 is indicated as Example 1, and the example corresponding to claim 2 is indicated as Example 2.

No.1、2は、Ti-Al-V系の従来の化学組成のチタン合金材であり、強度(TS)と衝撃値(CIS)の関係を示す式(1)を満たさず、好ましい特性ではなかった。また、No.2は、引張強度も低く、合格範囲に未達であった。 Nos. 1 and 2 are titanium alloy materials with a conventional chemical composition of the Ti-Al-V system, and do not satisfy formula (1) showing the relationship between strength (TS) and impact strength (CIS), and therefore do not have desirable characteristics. In addition, No. 2 also had low tensile strength and did not reach the acceptable range.

No.3は、Cuが含有されていないTi-Al-Fe系合金であり、強度と衝撃値の関係を示す式(1)を満たさず、不合格であった。 No. 3 is a Ti-Al-Fe alloy that does not contain Cu, and does not satisfy formula (1) showing the relationship between strength and impact value, so it failed the test.

No.4は、Al含有量が本発明の範囲を下回っており、強度、および、強度と衝撃値の関係を示す式(1)を満たさず、不合格であった。 No. 4 had an Al content below the range of the present invention, did not satisfy the strength and formula (1) showing the relationship between strength and impact value, and was therefore unsuccessful.

No.5~15は、化学組成が、Al:4.6~8.0%、Fe:0.01~2.0%、Cu:0.3~2.5%、O:0.03~0.25%を含有し、残部Ti及び不純物かなるものであって、本発明の範囲を満足し、強度、衝撃値、および、強度と衝撃値の関係を示す式(1)を全て満足し、合格であった。 Nos. 5 to 15 have a chemical composition of Al: 4.6 to 8.0%, Fe: 0.01 to 2.0%, Cu: 0.3 to 2.5%, O: 0.03 to 0.25%, with the remainder being Ti and impurities. They meet the ranges of the present invention, and all of the strength, impact value, and formula (1) showing the relationship between strength and impact value are satisfied, making them pass the test.

No.16は、Al含有量が本発明の範囲を超えており、衝撃値が不合格になった。 No. 16 had an Al content that exceeded the range of the present invention, and the impact value was unacceptable.

No.17は、Fe含有量が本発明の範囲を超えており、衝撃値が不合格になった。 No. 17 had an Fe content that exceeded the range of the present invention, and the impact value was unacceptable.

No.18は、Cu含有量が本発明の範囲を超えており、強度と衝撃値の関係を示す式(1)を満たさず不合格であった。 No. 18 had a Cu content that exceeded the range of the present invention, and did not satisfy formula (1) showing the relationship between strength and impact value, so it was a failure.

No.19は、O含有量が本発明の範囲を下回っており、強度、および、強度と衝撃値の関係を示す式(1)を満たさず、不合格であった。 No. 19 had an O content below the range of the present invention, did not satisfy the strength and formula (1) showing the relationship between strength and impact value, and was therefore unsuccessful.

No.20は、O含有量が本発明の範囲を超えており、衝撃値が不合格になった。 No. 20 had an O content that exceeded the range of the present invention, and the impact value was unacceptable.

No.21~23は、Ti-Al-Fe-Cu系合金に更にSnを含有させた例である。No.21およびNo.21は、本発明の化学組成を満たしており、強度、衝撃値、および、強度と衝撃値の関係を示す式(1)を満たし、合格であった。一方、No.23は、Sn含有量が本発明の範囲を超えており、衝撃値が不合格になった。 Nos. 21 to 23 are examples of Ti-Al-Fe-Cu alloys further containing Sn. Nos. 21 and 21 meet the chemical composition of the present invention, and pass the tests in terms of strength, impact value, and formula (1) showing the relationship between strength and impact value. On the other hand, No. 23 has an Sn content that exceeds the range of the present invention, and fails the impact value test.

No.24~26は、Ti-Al-Fe-Cu系合金に更にSiを含有させた例である。No.24及びNo.25は、本発明の化学組成を満たしており、強度、衝撃値、および、強度と衝撃値の関係を示す式(1)を全て満たし、合格であった。一方、No.26は、Si含有量が本発明の範囲を超えており、衝撃値が不合格になった。 Nos. 24 to 26 are examples of Ti-Al-Fe-Cu alloys that further contain Si. Nos. 24 and 25 meet the chemical composition of the present invention, and all of the strength, impact value, and formula (1) showing the relationship between strength and impact value were passed. On the other hand, No. 26 had a Si content that exceeded the range of the present invention, and the impact value was unsatisfactory.

No.27~29は、Ti-Al-Fe-Cu-Sn系合金に、Si、Nb、Moをそれぞれ組み合わせて含有させた例である。これらは、いずれも本発明の化学組成を満たしており、強度、衝撃値、および、強度と衝撃値の関係を示す式(1)を全て満たし、合格であった。 Nos. 27 to 29 are examples of Ti-Al-Fe-Cu-Sn alloys containing Si, Nb, and Mo in combination. All of these satisfy the chemical composition of the present invention, and all of the strength, impact value, and formula (1) showing the relationship between strength and impact value are met, making them acceptable.

No.30および31は、Ti-Al-Fe-Cu系合金に更にNbを含有させた例である。No.30は本発明の化学組成を満たしており、強度、衝撃値、および、強度と衝撃値の関係を示す式(1)を満たし、合格であった。一方、No.31は、Nb含有量が本発明の範囲を超えており、衝撃値が不合格になった。 Nos. 30 and 31 are examples of Ti-Al-Fe-Cu alloys further containing Nb. No. 30 met the chemical composition of the present invention, and met the strength, impact value, and formula (1) showing the relationship between strength and impact value, so it passed. On the other hand, No. 31 had a Nb content that exceeded the range of the present invention, and the impact value failed.

No.32~34は、Ti-Al-Fe-Cu系合金に更にMoを含有させた例である。No.32及びNo.33は本発明の化学組成を満たしており、強度、衝撃値、および、強度と衝撃値の関係を示す式(1)を満たし、合格であった。一方、No.34は、Mo含有量が本発明の範囲を超えており、衝撃値が不合格になった。 Nos. 32 to 34 are examples of Ti-Al-Fe-Cu alloys further containing Mo. Nos. 32 and 33 meet the chemical composition of the present invention, and pass the tests in terms of strength, impact value, and formula (1) showing the relationship between strength and impact value. On the other hand, No. 34 has a Mo content that exceeds the range of the present invention, and fails the impact value test.

また、No.1~No.34の金属組織は、柱状結晶粒及び等軸結晶粒で構成された凝固組織であった。 The metal structure of No. 1 to No. 34 was a solidification structure composed of columnar grains and equiaxed grains.

次に、チタン合金の線材を素材とする指向性エネルギー堆積法(WAAM法(Wire and arc-based additive manufacturing))によってチタン合金材を製造した。具体的には、チタン合金素材として、表3に示す化学成分のチタン合金線材(φ1.6mm)を用意した。積層造形には、プラズマ溶接トーチを用い、電流値200Aとした。また、基材は、厚み12.7mmのチタン合金板とした。基材上にあらかじめ設定した造形領域をチャンバーで囲い、流量15L/minのArガスでシールドした。そこに、チタン合金の線材を速度200mm/minで供給しながら、プラズマ溶接トーチによって線材を溶解させ、更に基材上で凝固させた。このような操作を複数回繰り返す積層処理を施すことで、幅18mm、長さ100mm、厚さ15mmの積層造形試料からなるチタン合金材を作製した。 Next, titanium alloy materials were manufactured by the directed energy deposition method (WAAM method (wire and arc-based additive manufacturing)) using titanium alloy wire as a material. Specifically, titanium alloy wire (φ1.6 mm) with the chemical composition shown in Table 3 was prepared as the titanium alloy material. A plasma welding torch was used for additive manufacturing, with a current value of 200 A. The substrate was a titanium alloy plate with a thickness of 12.7 mm. A pre-set molding area on the substrate was surrounded by a chamber and shielded with Ar gas at a flow rate of 15 L/min. While supplying titanium alloy wire at a speed of 200 mm/min, the wire was melted by the plasma welding torch and further solidified on the substrate. By performing the additive manufacturing process in which such operations were repeated multiple times, a titanium alloy material consisting of an additive manufacturing sample with a width of 18 mm, a length of 100 mm, and a thickness of 15 mm was manufactured.

先に説明したと同様にして、得られたチタン合金材から引張試験片と2mmVノッチサブサイズのシャルピー試験片を採取し、引張試験とシャルピー衝撃試験を室温(25℃)で行った。表4に、表3の各化学組成に対応する引張強度と衝撃値の結果を示す。 As described above, tensile test pieces and 2 mm V-notch subsize Charpy test pieces were taken from the obtained titanium alloy material, and tensile tests and Charpy impact tests were performed at room temperature (25°C). Table 4 shows the results of tensile strength and impact value corresponding to each chemical composition in Table 3.

No.35~37は、Ti-Al-Fe-Cu-O系合金の例である。また、No.38は、Ti-Al-Fe-Cu-O系合金に更にSiを含有させた例である。いずれも本発明の化学組成を満たしており、強度、衝撃値、および、強度と衝撃値の関係を示す式(1)を満たし、合格であった。 Nos. 35 to 37 are examples of Ti-Al-Fe-Cu-O alloys. No. 38 is an example of a Ti-Al-Fe-Cu-O alloy that further contains Si. All of them meet the chemical composition of the present invention, and satisfy the strength, impact value, and formula (1) showing the relationship between strength and impact value, and were therefore successful.

また、No.35~No.37の金属組織は、柱状結晶粒及び等軸結晶粒で構成された凝固組織であった。 The metal structure of No. 35 to No. 37 was a solidification structure composed of columnar grains and equiaxed grains.

次に、一般的な溶解凝固法によりチタン合金材を製造した後、鍛造、熱間圧延を行い、板形状とした。すなわち、表5に示す各化学組成になるように配合を調整した金属原料を真空アーク溶解して溶融金属とし、この溶融金属を水冷銅鋳型に装入することにより、直径430mm、長さ300mm、重量約200kgの円柱状のチタン合金材(No.41~44)を製造した。表5内の空欄は、合金元素を積極的に含有させなかったことを示す。 Next, titanium alloy materials were produced by a general melting and solidification method, and then forged and hot rolled into plate shapes. That is, metal raw materials with the composition adjusted to obtain each of the chemical compositions shown in Table 5 were vacuum arc melted to produce molten metal, and this molten metal was charged into a water-cooled copper mold to produce cylindrical titanium alloy materials (Nos. 41 to 44) with a diameter of 430 mm, a length of 300 mm, and a weight of approximately 200 kg. Blanks in Table 5 indicate that alloy elements were not actively included.

各チタン合金材を加熱温度1100℃で熱間鍛造を行って厚み220mm、幅100mmとした後、スケールを除去して、加熱温度1050℃で熱間圧延を行い、厚み5mmの板を製造した。 Each titanium alloy material was hot forged at a heating temperature of 1100°C to a thickness of 220 mm and width of 100 mm, after which the scale was removed and hot rolled at a heating temperature of 1050°C to produce a plate with a thickness of 5 mm.

引張試験片を、厚みを板厚まま、平行部の幅6mm、長さを圧延方向と垂直方向に30mmとして製作した。引張試験は、クロスヘッド変位速度0.75mm/minで行った。また、衝撃試験片の厚みを板厚まま、長さを板の圧延方向に55mm、幅を板幅方向に10mm、2mmVノッチを板厚方向に入れて、衝撃試験片を製作した。引張試験および衝撃試験は、いずれも室温(25℃)で行った。表6に、表5の各化学組成に対応する引張強度と衝撃値の結果を示す。 Tensile test pieces were prepared with the same thickness as the plate, a width of the parallel part of 6 mm, and a length of 30 mm perpendicular to the rolling direction. The tensile test was performed at a crosshead displacement rate of 0.75 mm/min. Impact test pieces were also prepared with the same thickness as the plate, a length of 55 mm in the rolling direction of the plate, a width of 10 mm in the plate width direction, and a 2 mm V-notch in the plate thickness direction. Both tensile tests and impact tests were performed at room temperature (25°C). Table 6 shows the results of tensile strength and impact value corresponding to each chemical composition in Table 5.

No.41は、Ti-Al-Fe-O系Ti合金であってCuが含有されておらず、衝撃値が30J/cmを下回り、強度と衝撃値の関係を示す式(1)を満たさず、不合格であった。 No. 41 was a Ti-Al-Fe-O based Ti alloy that did not contain Cu, and had an impact value below 30 J/ cm2 , did not satisfy formula (1) showing the relationship between strength and impact value, and was therefore unsuccessful.

No.42、43は、Cuが含有されたTi合金であって、本発明の成分範囲を満たしており、衝撃値および強度と衝撃値の関係を示す式(1)を満たし、合格であった。 Nos. 42 and 43 are Ti alloys containing Cu, and meet the composition range of the present invention. They also meet the impact value and formula (1) showing the relationship between strength and impact value, and were therefore accepted.

No.44は、さらにSiが含有された例であり、本発明の成分範囲を満たしており、衝撃値および強度と衝撃値の関係を示す式(1)を満たし、合格であった。 No. 44 is an example that further contains Si, and satisfies the composition range of the present invention, and satisfies the impact value and formula (1) showing the relationship between strength and impact value, so it was a pass.

また、No.41~No.44の金属組織は、展伸結晶粒及び等軸結晶粒で構成される加工組織であった。 The metal structure of No. 41 to No. 44 was a processed structure consisting of wrought grains and equiaxed grains.

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Claims (9)

質量%で、Al:4.6%以上8.0%以下、Fe:0.01%以上2.0%以下、Cu:0.3%以上2.5%以下、O:0.03%以上0.25%以下を含有し、残部:Tiおよび不純物であり、
下記式(1)を満たす、チタン合金材。
0.4×TS+CIS≧370 … (1)
式(1)におけるCISは、25℃でのシャルピー試験で求められる衝撃吸収エネルギーを試験片の断面積で除した衝撃値(単位:J/cm)であり、TSは引張強度(単位:MPa)である。
In mass%, the alloy contains Al: 4.6% or more and 8.0% or less, Fe: 0.01% or more and 2.0% or less, Cu: 0.3% or more and 2.5% or less, O: 0.03% or more and 0.25% or less, and the balance is Ti and impurities;
A titanium alloy material satisfying the following formula (1):
0.4 × TS + CIS ≧ 370 … (1)
In formula (1), CIS is an impact value (unit: J/cm 2 ) obtained by dividing the impact absorption energy determined in a Charpy test at 25° C. by the cross-sectional area of the test piece, and TS is tensile strength (unit: MPa).
さらに、Tiの一部に代えて、質量%で、Sn:5.0%以下、Nb:8.0%以下、Si:1.0%以下、Mo:5.0%以下、のうちの1種または2種以上を含有する、請求項1に記載のチタン合金材。 Further, instead of a part of Ti, the titanium alloy material according to claim 1 contains, by mass%, one or more of Sn: 5.0% or less, Nb: 8.0% or less, Si: 1.0% or less, and Mo: 5.0 % or less. 一部または全部の金属組織が柱状結晶粒および等軸結晶粒からなる凝固組織である、請求項1または請求項2に記載のチタン合金材。 3. The titanium alloy material according to claim 1, wherein a part or all of the metal structure is a solidification structure consisting of columnar grains and equiaxed grains. 質量%で、Al:4.6%以上8.0%以下、Fe:0.01%以上2.0%以下、Cu:0.3%以上2.5%以下、O:0.03%以上0.25%以下を含有し、残部がTiおよび不純物であるチタン合金粉末を原料とし、付加製造技術により、請求項3に記載のチタン合金材を製造する、チタン合金材の製造方法。 A method for producing a titanium alloy material according to claim 3, using a titanium alloy powder as a raw material, the titanium alloy powder containing, by mass%, Al: 4.6% to 8.0%, Fe: 0.01% to 2.0%, Cu: 0.3% to 2.5 %, O: 0.03% to 0.25%, and the balance being Ti and impurities, by additive manufacturing technology. 前記付加製造技術が、指向性エネルギー堆積法または粉末床溶融結合法である、請求項4に記載のチタン合金材の製造方法。 The method of claim 4 , wherein the additive manufacturing technique is directed energy deposition or powder bed fusion. 質量%で、Al:4.6%以上8.0%以下、Fe:0.01%以上2.0%以下、Cu:0.3%以上2.5%以下、O:0.03%以上0.25%以下を含有し、残部がTiおよび不純物であるチタン合金粉末を層状に敷き詰めて粉末床とし、前記粉末床の表面に高エネルギービームを照射することにより、前記粉末床の一部を溶解および凝固させる第1工程と、
前記粉末床の上に前記チタン合金粉末を層状に敷き詰めて新たな粉末床とし、この新たな粉末床の表面に高エネルギービームを照射することにより、前記新たな粉末床の一部を溶解および凝固させる第2工程とを、備え、
前記第1工程を行った後に、前記第2工程を少なくとも1回以上繰り返すことによって、請求項3に記載のチタン合金材を製造する、チタン合金材の製造方法。
A first step of forming a powder bed by spreading titanium alloy powder containing, by mass%, Al: 4.6% to 8.0%, Fe: 0.01% to 2.0%, Cu: 0.3% to 2.5%, O: 0.03% to 0.25%, and the balance being Ti and impurities, in a layered form, and irradiating a surface of the powder bed with a high-energy beam to melt and solidify a portion of the powder bed;
a second step of laying the titanium alloy powder in a layer on the powder bed to form a new powder bed, and irradiating a surface of the new powder bed with a high-energy beam to melt and solidify a portion of the new powder bed;
A method for producing a titanium alloy material according to claim 3 , comprising repeating the second step at least once after carrying out the first step.
質量%で、Al:4.6%以上8.0%以下、Fe:0.01%以上2.0%以下、Cu:0.3%以上2.5%以下、O:0.03%以上0.25%以下を含有し、残部がTiおよび不純物であり、粉末または線材からなるチタン合金素材を、基材上に供給しながら、前記チタン合金素材に高エネルギービームを照射して、前記基材上において前記チタン合金素材を溶解および凝固させて前記基材上に凝固金属を堆積させることにより、請求項3に記載のチタン合金材を製造する、チタン合金材の製造方法。 4. A method for producing a titanium alloy material according to claim 3, comprising the steps of: supplying a titanium alloy material consisting of a powder or a wire material containing, by mass%, Al: 4.6% to 8.0%, Fe: 0.01% to 2.0%, Cu: 0.3% to 2.5%, O: 0.03% to 0.25%, and the balance being Ti and impurities, onto a substrate; irradiating the titanium alloy material with a high-energy beam while supplying the titanium alloy material onto the substrate; melting and solidifying the titanium alloy material on the substrate ; and depositing solidified metal on the substrate. 前記チタン合金粉末が、更に、Tiの一部に代えて、質量%で、Sn:5.0%以下、Nb:8.0%以下、Si:1.0%以下、Mo:5.0%以下、のうちの1種または2種以上を含有する、請求項4乃至請求項7の何れか一項に記載のチタン合金材の製造方法。 The method for producing a titanium alloy material according to any one of claims 4 to 7, wherein the titanium alloy powder further contains, in mass%, one or more of the following elements in place of a part of Ti : Sn: 5.0% or less, Nb: 8.0% or less, Si: 1.0% or less, and Mo: 5.0% or less. 請求項4乃至請求項8の何れか一項に記載のチタン合金材の製造方法によって得られたチタン合金材に、熱間加工、冷間加工、矯正加工、切削加工の1種又は2種以上を行う、チタン合金材の製造方法。 A method for producing a titanium alloy material, comprising the steps of: subjecting a titanium alloy material obtained by the method for producing a titanium alloy material according to any one of claims 4 to 8 to one or more of hot working, cold working, straightening, and cutting.
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