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JP7307315B2 - α+β type titanium alloy bar and its manufacturing method - Google Patents
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JP7307315B2 - α+β type titanium alloy bar and its manufacturing method - Google Patents

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Description

本発明は、α+β型チタン合金棒材及びその製造方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to an α+β type titanium alloy bar and a method for producing the same.

チタン合金は軽量高強度の材料として、航空機、自動車、ゴルフクラブ等の民生品などの分野で使用されている。チタン合金の中で汎用的に使われる合金は、主としてα相とβ相から構成され、Ti-6Al-4V、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo、Ti-5Al-1Fe合金などが知られている。 Titanium alloys are used as lightweight and high-strength materials in fields such as aircraft, automobiles, and consumer products such as golf clubs. Titanium alloys that are commonly used are mainly composed of α phase and β phase, and Ti-6Al-4V, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, Ti-5Al-1Fe alloys, etc. are known. there is

稠密六方晶構造からなるチタンのα相は、高い応力が加わると室温などの低温においてもクリープ変形しやすく、α相を含むチタン合金においても室温でクリープ変形を生じることが知られている。さらに、α相を含むチタン合金におけるクリープ変形しやすい特性は、台形波型の負荷サイクルに代表される高負荷状態が一定時間継続する疲労(Dwell疲労)において、寿命低下を招くことが知られている。(非特許文献1~3) It is known that the α-phase of titanium, which has a close-packed hexagonal structure, undergoes creep deformation even at low temperatures such as room temperature when high stress is applied, and even titanium alloys containing the α-phase undergo creep deformation at room temperature. Furthermore, it is known that the tendency of creep deformation in titanium alloys containing the α phase leads to a decrease in life due to fatigue (dwell fatigue) in which a high load condition continues for a certain period of time, as typified by a trapezoidal wave type load cycle. there is (Non-Patent Documents 1-3)

Dwell疲労では、高負荷状態が継続することがない三角波あるいは正弦波の負荷サイクルの場合と比較して、少ないサイクル数で破断に至るため、特に、航空機のジェットエンジン部品として使用される場合に問題になることがある。 Dwell fatigue is particularly problematic when used as aircraft jet engine components, as it leads to fracture in fewer cycles than triangular or sinusoidal duty cycles, which do not sustain high load conditions. can be

特許文献1(特開2016-199796号公報)では、優れた疲労特性を有するチタン合金棒材およびその製造方法が開示されている。特許文献1では、初析α粒のうち、稠密六方構造のc軸方向とチタン合金棒材の長さ方向とのなす角度(c軸の傾き)が25°以上55°以下で、かつ円相当直径が20μm以上である初析α粒の金属組織中の面積率が2.0%以下であることが述べられている。これは特許文献1の段落0020に記載の、「稠密六方晶の底面すべりは、結晶方位(図2においては符号「θ」で示す。)が45°に近いほど生じやすく、結晶方位が25°以上55°以下であると活発になる。また、金属組織に含まれる等軸状の初析α粒の大きさが大きいほど、試験片に付与される応力が集中しやすく、円相当直径が20μm以上であると応力の集中が顕著となる。したがって、c軸の傾きが25°以上55°以下で、かつ円相当直径が20μm以上の初析α粒は、稠密六方晶の底面すべりが生じやすく、しかも応力が集中しやすいため、疲労寿命が短くなったと考えられる。」との技術思想に基づくものであり、通常の疲労破壊の機構として妥当なものである。 Patent Document 1 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2016-199796) discloses a titanium alloy bar having excellent fatigue properties and a method for producing the same. In Patent Document 1, the angle (inclination of the c-axis) between the c-axis direction of the hexagonal close-packed structure and the length direction of the titanium alloy bar in the proeutectoid α grains is 25° or more and 55° or less, and is equivalent to a circle. It is stated that the area ratio of proeutectoid α-grains having a diameter of 20 μm or more in the metal structure is 2.0% or less. This is described in paragraph 0020 of Patent Document 1, "The basal slip of a close-packed hexagonal crystal is more likely to occur as the crystal orientation (indicated by the symbol "θ" in FIG. 2) is closer to 45°, and the crystal orientation is 25°. It becomes active when it is more than 55 degrees or less. In addition, the larger the size of the equiaxed proeutectoid α-grains contained in the metal structure, the more easily the stress applied to the test piece concentrates. . Therefore, proeutectoid α-grains with a c-axis inclination of 25° or more and 55° or less and an equivalent circle diameter of 20 μm or more are likely to cause basal slip of a dense hexagonal crystal, and stress is likely to concentrate, so fatigue life is shortened. presumably shortened. It is based on the technical idea of "", and is appropriate as a normal fatigue fracture mechanism.

一方、(非特許文献1~3に説明されているように、Dwell疲労では、異なる破壊機構が知られている。これらの文献によると、応力方向に対するc軸の傾きが90°付近のα粒(S)と、傾きが0°付近のα粒(H)が隣接する場合、H粒に応力が集中して応力軸に垂直なファセット状破面が生じるとされる。また、このファセットは稠密六方晶の底面とほぼ平行であることが、別の研究により知られている。 On the other hand, as described in Non-Patent Documents 1 to 3, different fracture mechanisms are known for Dwell fatigue. When (S) and an α-grain (H) with an inclination of about 0° are adjacent to each other, the stress is concentrated on the H-grain and a facet-like fracture surface perpendicular to the stress axis is generated. It is known from another study that it is almost parallel to the hexagonal basal plane.

特許文献1には、Dwell疲労について何の言及もされていない。 Patent Document 1 does not mention Dwell fatigue.

特許文献2(特表2009-531546号公報)には、Dwell疲労に対する抵抗力を改善する技術が開示されている。ここでは、TA6Zr4DE(Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo)合金において、β変態点-20~-15℃の温度で4~8時間の熱処理を施すことで、破断寿命が5500回から10000回に向上した。しかし、熱処理以前の工程はβ域におけるスタンピングのみであり、それ以前の加工熱処理工程は不明確であり、充分に微細なミクロ組織を形成することができず、Dwell疲労寿命の異方性に関する効果は不確実である。 Patent Document 2 (Japanese Patent Publication No. 2009-531546) discloses a technique for improving resistance to Dwell fatigue. Here, in the TA6Zr4DE (Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo) alloy, the rupture life is increased from 5500 times to 10000 times by performing heat treatment for 4 to 8 hours at a temperature of -20 to -15 ° C. at the β transformation point. Improved. However, the process before heat treatment is only stamping in the β region, and the heat treatment process before that is unclear and cannot form a sufficiently fine microstructure, and the effect on the anisotropy of Dwell fatigue life is uncertain.

特許文献3(特開2012-224935号公報)には、α相のc軸の特定方向に対する集積度が規定されたチタン合金ビレットが開示されている。しかし、疲労破壊の起点となるα相の粒径については言及されておらず、単に集積度を高めただけで疲労特性が改善されるものではない。 Patent Document 3 (Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2012-224935) discloses a titanium alloy billet in which the degree of accumulation of the α phase with respect to a specific direction of the c-axis is specified. However, the grain size of the α-phase, which is the starting point of fatigue fracture, is not mentioned, and fatigue characteristics cannot be improved simply by increasing the degree of accumulation.

特許文献4(特開2014-65967号公報)には、α相のc軸の特定方向に対する集積度が規定されたチタン合金ビレットが開示されている。しかし、同特許文献は、疲労強度の向上を意図したものではないためその効果は得られず、また、c軸の集積方向は、本発明の形態とは異なっている。 Patent Document 4 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2014-65967) discloses a titanium alloy billet in which the degree of accumulation of the α phase in a specific direction of the c-axis is specified. However, since this patent document does not intend to improve the fatigue strength, the effect cannot be obtained, and the c-axis accumulation direction is different from that of the present invention.

特開2016-199796号公報JP 2016-199796 A 特表2009-531546号公報Japanese translation of PCT publication No. 2009-531546 特開2012-224935号公報JP 2012-224935 A 特開2014-65967号公報JP 2014-65967 A

M.R.Bache, “A review of dwell sensitive fatigue in titanium alloys:the role of microstructure,texture and operating conditions”,International Journal of Fatigue 25 (2003) 1079-1087M.R.Bache, “A review of dwell sensitive fatigue in titanium alloys: the role of microstructure, texture and operating conditions”, International Journal of Fatigue 25 (2003) 1079-1087 V.Sinha,M.J.Mills,J.C.Williams, “Determination of crystallographic orientation of dwell-fatigue fracture facets in Ti-6242 alloy”,J Mater Sci (2007) 42:8334-8341V.Sinha, M.J.Mills, J.C.Williams, “Determination of crystallographic orientation of dwell-fatigue fracture facets in Ti-6242 alloy”, J Mater Sci (2007) 42:8334-8341 Adam L.Pilchak,“Progress in Understanding the Fatigue Behavior of Ti Alloys”,Materials Science Forum Vol.710,pp85-92Adam L. Pilchak, “Progress in Understanding the Fatigue Behavior of Ti Alloys”, Materials Science Forum Vol.710, pp85-92

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、Dwell疲労特性の良好なα+β型チタン合金棒材及びその製造方法を提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide an α+β type titanium alloy bar having good Dwell fatigue characteristics and a method for producing the same.

上記課題を解決する手段は下記の通りである。なお、本発明において良好なDwell疲労特性とは、棒材の長軸方向と、長軸方向に垂直な面内で直径方向に垂直な方向すなわち周方向、の2方向に応力を負荷した際のDwell疲労寿命の差が小さいことを意味する。 Means for solving the above problems are as follows. In the present invention, the good Dwell fatigue property means that stress is applied in two directions, the longitudinal direction of the bar and the direction perpendicular to the diameter direction in the plane perpendicular to the longitudinal direction, that is, the circumferential direction. It means that the difference in Dwell fatigue life is small.

[1] 化学成分が、Al:5.50~6.75質量%、V:3.5~4.5質量%、Fe:0.05~0.40質量%、O:0.05~0.25質量%を含有し、残部がTiおよび不純物からなるα+β型チタン合金棒材、または、化学成分が、Al:5.50~6.50質量%、Sn:1.75~2.25質量%、Zr:3.5~4.5質量%、Mo:1.8~2.2質量%、Fe:0.02~0.25質量%、O:0.02~0.15質量%を含有し、残部がTiおよび不純物からなるα+β型チタン合金棒材であって、
前記α+β型チタン合金棒材の長軸方向に平行な断面において、円相当直径100μm未満かつアスペクト比3.0未満であるα結晶粒集合体の面積率が60%以上であり、
α結晶粒を構成する稠密六方晶の(0001)面の法線方向と、前記α+β型チタン合金棒材の長軸方向および長軸に直交する断面内における前記α+β型チタン合金棒材の周方向のそれぞれとなす角度θ、ωが0°以上55°以下の範囲にある円相当直径が20μm超のα結晶粒の面積率が15%以下であることを特徴とする、α+β型チタン合金棒材
鋳塊を熱間加工して得られたチタン合金ビレットをβ単相域の温度に加熱した後に急冷する第1の工程と、
前記チタン合金ビレットをα+β二相域の温度に加熱し、前記チタン合金ビレットの長軸方向と交差する方向から前記チタン合金ビレットをその全長に渡って鍛造した後に冷却する第2の工程と、
前記チタン合金ビレットを、α+β二相域の温度であって前記第2の工程の加熱温度以下の温度に加熱し、前記チタン合金ビレットの長軸方向と交差する方向から前記チタン合金ビレットをその全長に渡って鍛造し、少なくとも最後に冷却する第3の工程と、をこの順で行う際に、
前記第2の工程は、前記チタン合金ビレットの長軸方向の直交断面において前記直交断面の重心を通る最大幅をW1、前記直交断面の重心を通る最小幅をW2とし、鍛造後のW1/W2が1.3以下、かつ、鍛造前の前記チタン合金ビレットの幅Winiと鍛造後の幅Wafterとの比ΔW(ΔW=Wafter/Wini)が1.05以下の圧下を行う第1鍛造工程と、前記チタン合金ビレットを前記長軸周りに回転させる第1回転工程と、前記チタン合金ビレットを長軸方向に移動する第1送り工程とを行う工程であって、前記第1鍛造工程を少なくとも2回以上行うと共に前記第1鍛造工程の間に前記第1回転工程を行った後に前記第1送り工程を行うことにより前記チタン合金ビレットをその全長に渡って鍛造する工程であり、
前記第3の工程は、鍛造後のW1/W2が1.5以下の圧下を行う工程を第2鍛造工程と、前記チタン合金ビレットを前記長軸周りに回転させる第2回転工程と、前記チタン合金ビレットを長軸方向に移動する第2送り工程とを行う工程であって、前記第2鍛造工程を少なくとも2回以上行うと共に前記第2鍛造工程の間に前記第2回転工程を行った後に前記第2送り工程を行うことにより前記チタン合金ビレットをその全長に渡って鍛造する工程であり、
前記第2の工程における鍛錬比を1.6以下とし、前記第3の工程の鍛錬比を1.5以上2.5以下とする、
ことを特徴とする[1]に記載のα+β型チタン合金棒材の製造方法。
] 前記第1の工程が、前記チタン合金ビレットをβ単相域の温度に加熱した後に、加工してから急冷する工程である、請求項に記載のα+β型チタン合金棒材の製造方法。
] 前記チタン合金ビレットの化学成分が、Al:5.50~6.75質量%、V:3.5~4.5質量%、Fe:0.05~0.40質量%、O:0.05~0.25質量%を含有し、残部がTiおよび不純物からなる[]または[]に記載のα+β型チタン合金棒材の製造方法。
] 前記チタン合金ビレットの化学成分が、Al:5.50~6.50質量%、Sn:1.75~2.25質量%、Zr:3.5~4.5質量%、Mo:1.8~2.2質量%、Fe:0.02~0.25質量%、O:0.02~0.15質量%を含有し、残部がTiおよび不純物からなる[]または[]に記載のα+β型チタン合金棒材の製造方法。
[1] The chemical components are Al: 5.50 to 6.75% by mass, V: 3.5 to 4.5% by mass, Fe: 0.05 to 0.40% by mass, O: 0.05 to 0 α+β type titanium alloy bar material containing .25% by mass and the balance being Ti and impurities, or the chemical components are Al: 5.50 to 6.50% by mass, Sn: 1.75 to 2.25% by mass %, Zr: 3.5 to 4.5% by mass, Mo: 1.8 to 2.2% by mass, Fe: 0.02 to 0.25% by mass, O: 0.02 to 0.15% by mass An α + β type titanium alloy bar material containing and the balance consisting of Ti and impurities ,
In a cross section parallel to the major axis direction of the α+β type titanium alloy bar, the area ratio of α crystal grain aggregates having an equivalent circle diameter of less than 100 μm and an aspect ratio of less than 3.0 is 60% or more,
The normal direction of the (0001) plane of the close-packed hexagonal crystal that constitutes the α crystal grains, the longitudinal direction of the α+β-type titanium alloy rod, and the circumferential direction of the α+β-type titanium alloy rod in the cross section perpendicular to the major axis. The α + β type titanium alloy bar, characterized in that the area ratio of α crystal grains having an equivalent circle diameter of more than 20 μm in the range of 0 ° to 55 ° and ω formed with each is 15% or less .
[ 2 ] A first step of heating a titanium alloy billet obtained by hot working an ingot to a temperature in the β single phase region and then quenching it;
a second step of heating the titanium alloy billet to a temperature in the α+β two-phase region, forging the titanium alloy billet over its entire length in a direction intersecting the longitudinal direction of the titanium alloy billet, and then cooling;
The titanium alloy billet is heated to a temperature in the α + β two-phase region and not higher than the heating temperature in the second step, and the titanium alloy billet is extended from a direction intersecting the major axis direction of the titanium alloy billet to the entire length of the billet. and a third step of forging over and at least finally cooling, in that order,
In the second step, in the cross section perpendicular to the longitudinal direction of the titanium alloy billet, the maximum width passing through the center of gravity of the perpendicular cross section is W1, the minimum width passing through the center of gravity of the perpendicular cross section is W2, and W1/W2 after forging. is 1.3 or less, and the ratio ΔW (ΔW= Wafter/Wini ) between the width Wini of the titanium alloy billet before forging and the width Wafter after forging is 1.05 or less; a step of performing a first rotation step of rotating the titanium alloy billet around the longitudinal axis and a first feeding step of moving the titanium alloy billet in the longitudinal direction, wherein the first forging step is performed at least twice; A step of forging the titanium alloy billet over its entire length by performing the above and performing the first feeding step after performing the first rotating step between the first forging steps,
The third step includes a second forging step of performing a reduction such that W1/W2 after forging is 1.5 or less, a second rotating step of rotating the titanium alloy billet around the long axis, and the titanium a step of performing a second feeding step of moving the alloy billet in the longitudinal direction, wherein the second forging step is performed at least twice, and after performing the second rotating step between the second forging steps a step of forging the titanium alloy billet over its entire length by performing the second feeding step;
The forging ratio in the second step is 1.6 or less, and the forging ratio in the third step is 1.5 or more and 2.5 or less,
The method for producing an α+β type titanium alloy bar according to [1], characterized in that:
[ 3 ] The production of the α+β type titanium alloy bar according to Claim 2 , wherein the first step is a step of heating the titanium alloy billet to a temperature in the β single phase region, working it, and then quenching it. Method.
[ 4 ] The chemical components of the titanium alloy billet are Al: 5.50 to 6.75% by mass, V: 3.5 to 4.5% by mass, Fe: 0.05 to 0.40% by mass, O: The method for producing an α+β type titanium alloy bar according to [ 2 ] or [ 3 ] containing 0.05 to 0.25% by mass, the balance being Ti and impurities.
[ 5 ] The chemical components of the titanium alloy billet are Al: 5.50 to 6.50% by mass, Sn: 1.75 to 2.25% by mass, Zr: 3.5 to 4.5% by mass, Mo: 1.8 to 2.2% by mass, Fe: 0.02 to 0.25% by mass, O: 0.02 to 0.15% by mass, the balance being Ti and impurities [ 2 ] or [ 3 ] .

本発明によれば、Dwell疲労特性の良好なα+β型チタン合金棒材及びその製造方法を提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide an α+β type titanium alloy bar having good Dwell fatigue properties and a method for producing the same.

本実施形態のチタン合金棒材における結晶構造を説明する図であって、チタン合金棒材の長軸方向と、α結晶粒を構成する稠密六方晶の(0001)面の法線方向との方位差を説明する図。FIG. 4 is a diagram for explaining the crystal structure of the titanium alloy bar of the present embodiment, showing the orientation of the major axis direction of the titanium alloy bar and the normal direction of the (0001) plane of the close-packed hexagonal crystal that constitutes the α crystal grains. The figure explaining a difference. 本実施形態のチタン合金棒材における結晶構造を説明する図であって、チタン合金棒材の長軸方向と直交する断面内における、チタン合金棒材の周方向Tと、α結晶粒を構成する稠密六方晶の(0001)面の法線方向との方位差を説明する図。It is a diagram for explaining the crystal structure of the titanium alloy bar of the present embodiment, in which the circumferential direction T of the titanium alloy bar and α crystal grains are formed in a cross section perpendicular to the major axis direction of the titanium alloy bar. FIG. 4 is a diagram for explaining the orientation difference from the normal direction of the (0001) plane of the dense hexagonal crystal. (a)は本実施形態のチタン合金棒材におけるα結晶粒及びα結晶粒集合体を示す模式図であり、(b)は、α結晶粒集合体のアスペクト比を説明する模式図。(a) is a schematic diagram showing α crystal grains and α crystal grain aggregates in the titanium alloy bar material of the present embodiment, and (b) is a schematic diagram for explaining the aspect ratio of the α crystal grain aggregates. 本実施形態のチタン合金棒材の製造方法を説明する模式図であって、チタン合金ビレットと金敷との位置関係図を説明する図。FIG. 4 is a schematic diagram for explaining the method for manufacturing the titanium alloy bar according to the present embodiment, and is a diagram for explaining the positional relationship between the titanium alloy billet and the anvil. 本実施形態のチタン合金棒材の製造方法を説明する模式図であって、チタン合金ビレットの断面形状を説明する図。FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the method for manufacturing the titanium alloy bar according to the present embodiment, and is a diagram for explaining the cross-sectional shape of the titanium alloy billet.

チタン合金の引張特性には、集合組織によって異方性があることが知られている。応力方向に(0001)面の法線方向が集積した場合は0.2%耐力や引張強度が高くなるが、応力方向に(10-10)面の法線方向が集積した場合は0.2%耐力や引張強度が低くなる。通常の三角波あるいは正弦波による疲労特性も同様である。例えば、疲労寿命を横軸に、最大応力(σMAX)を0.2%耐力(σ0.2)で規格化した”σMAX/σ0.2”を縦軸にとってグラフ化(規格化されたS-N線図)した場合、同一のミクロ組織であれば集合組織の集積方向によらずほぼ同一の線上に表される。
なお、「(10-10)面」と表記する場合の「-1」は、「1」の上に線を引いたことを意味する。
It is known that the tensile properties of titanium alloys have anisotropy depending on the texture. When the normal direction of the (0001) plane is accumulated in the stress direction, the proof stress and tensile strength increase by 0.2%, but when the normal direction of the (10-10) plane is accumulated in the stress direction, it is 0.2%. % yield strength and tensile strength are lowered. The same is true for fatigue characteristics with a normal triangular wave or sine wave. For example, a graph (normalized SN ), if the microstructure is the same, it is represented on substantially the same line regardless of the direction of accumulation of the texture.
Note that "-1" in the description of "(10-10) plane" means that a line is drawn on "1".

しかし、Dwell疲労特性は、規格化されたS-N線図で表される挙動が異なっていることがわかった。すなわち、稠密六方晶の底面(以下、(0001)面という場合がある)の法線方向が応力軸に平行に集積した集合組織の場合、異なる方位に集積した集合組織と比較して寿命が大幅に低下する。また、チタン合金棒材の長軸方向と長軸方向に直交する断面内とで、応力軸の方向を変えると、稠密六方晶の(0001)面の配向する比率が変化するため、Dwell疲労寿命が大きく変化する。 However, it was found that the Dwell fatigue characteristics differed in behavior represented by a normalized SN diagram. That is, in the case of a texture in which the normal direction of the basal plane of a dense hexagonal crystal (hereinafter sometimes referred to as (0001) plane) is parallel to the stress axis, the life is significantly longer than that in a texture in which the direction is different. to In addition, when the direction of the stress axis is changed between the major axis direction of the titanium alloy bar and the cross section orthogonal to the major axis direction, the ratio of the (0001) plane orientation of the dense hexagonal crystal changes, so the Dwell fatigue life changes significantly.

航空機エンジン部品の素材として使用されるチタン合金棒材においては、均質な金属組織および材質特性を有していることが好ましく、長軸方向と長軸の直交方向のDwell疲労寿命の差が小さいことが好ましい。 Titanium alloy bars used as materials for aircraft engine parts should preferably have a homogeneous metallographic structure and material properties, and should have a small difference in Dwell fatigue life between the long axis direction and the direction perpendicular to the long axis. is preferred.

Dwell疲労寿命の異方性は以下の機構によるものと考えられる。Dwell疲労では、ひずみ蓄積によりき裂発生が促進され、また、稠密六方晶の(0001)面にほぼ平行なファセット破面の形成によりき裂進展が促進されることから、寿命低下に至る。Dwell疲労寿命は、応力軸方向に対して特定の結晶方位を有する粗大なα相の面積率が大きいほどき裂発生が促進され、低下する。特に、アスペクト比が大きい粗大なα結晶粒集合体(αコロニー)が存在すると、応力やひずみが長辺方向に作用する場合に実質的に粗大なα結晶粒として作用し、き裂発生が著しく早期化されるため、Dwell疲労寿命は著しく低下する。 The anisotropy of Dwell fatigue life is considered to be due to the following mechanism. In Dwell fatigue, crack initiation is accelerated by strain accumulation, and crack propagation is accelerated by the formation of faceted fracture surfaces substantially parallel to the (0001) plane of the dense hexagonal crystal, resulting in a reduction in life. The Dwell fatigue life decreases because crack initiation is accelerated as the area ratio of the coarse α phase having a specific crystal orientation with respect to the stress axis direction increases. In particular, when coarse α-grain aggregates (α-colony) with a large aspect ratio are present, they act as substantially coarse α-grains when stress or strain acts in the long side direction, and cracks occur remarkably. Because it is premature, Dwell fatigue life is significantly reduced.

そこで、アスペクト比が大きい粗大なα結晶粒集合体(αコロニー)が少なく、かつ、応力軸方向に対して特定の結晶方位を有する粗大なα結晶粒が少ないことがDwell疲労寿命向上に有利である。 Therefore, it is advantageous for improving the Dwell fatigue life to have few coarse α crystal grain aggregates (α colonies) with a large aspect ratio and few coarse α crystal grains having a specific crystal orientation with respect to the stress axis direction. be.

また、長軸方向および長軸直交方向におけるDwell疲労特性の異方性を低下させるためには、各方向に対する粗大なα結晶粒(稠密六方晶)の(0001)面が配向する比率が小さい方が有利である。ここで、稠密六方晶の(0001)面の配向について、長軸方向および長軸直交断面における周方向の稠密六方晶の底面の配向で代表できる。そこで、稠密六方晶の(0001)面の法線方向と、チタン合金棒材の長軸方向および長軸方向に直交する断面内における周方向Tのそれぞれとなす角度θ、ωが55°以内である円相当直径が20μm超のα結晶粒の面積率が小さいことが好ましい。 In addition, in order to reduce the anisotropy of the Dwell fatigue properties in the long axis direction and the direction perpendicular to the long axis, the ratio of orientation of the (0001) plane of coarse α crystal grains (close-packed hexagonal crystal) in each direction should be small. is advantageous. Here, the orientation of the (0001) plane of the close-packed hexagonal crystal can be represented by the orientation of the bottom surface of the close-packed hexagonal crystal in the long axis direction and in the cross section orthogonal to the long axis. Therefore, the angles θ and ω formed between the normal direction of the (0001) plane of the dense hexagonal crystal and the major axis direction of the titanium alloy bar and the circumferential direction T in the cross section perpendicular to the major axis direction are within 55°. It is preferable that the area ratio of α crystal grains having a certain equivalent circle diameter exceeding 20 μm is small.

上記のようにα結晶粒集合体のアスペクト比及び存在割合や、α結晶粒の結晶方位を制御するには、チタン合金の熱間加工中の金属組織変化挙動を把握することが重要である。一般に、チタン合金の鍛造工程において、β単相域に加熱することで、それ以前に存在するα相の結晶方位の偏りを軽減してランダム化する工程が組み込まれる。しかし、その後にα+β域で加工することにより、新たにα相の集合組織が形成される。特に、β単相域から冷却した後の最初のα+β域での加工によって形成されるα相の集合組織を、その後のα+β域での加工によって消滅させることは困難である。そのため、β単相域から冷却した後の最初のα+β域での加工方法を制御することが必要である。 In order to control the aspect ratio and existence ratio of the α crystal grain aggregates and the crystal orientation of the α crystal grains as described above, it is important to understand the metal structure change behavior during hot working of the titanium alloy. Generally, in the forging process of a titanium alloy, a step of heating to the β single-phase region to reduce the crystal orientation deviation of the α-phase that previously existed and randomize it is incorporated. However, by processing in the α+β region after that, a new texture of the α phase is formed. In particular, it is difficult to eliminate the α-phase texture formed by the initial processing in the α+β region after cooling from the β single-phase region by subsequent processing in the α+β region. Therefore, it is necessary to control the processing method in the first α+β region after cooling from the β single phase region.

本発明では、β単相域から冷却する工程に次ぐα+β域での加工において、素材の直交断面の重心を通る最大幅をW1とし、直交断面の重心を通る最小幅をW2としたとき、鍛造後のW1/W2が1.3以下、かつ、鍛造前のチタン合金ビレットの幅Wiと鍛造後の幅Waとの比ΔW(ΔW=Wa/Wi)が1.05以下の圧下をチタン合金ビレットを長軸周りに回転させながら行い、続いてチタン合金ビレット全長に渡って同様の鍛造を行い、鍛練比を1.6以下とすることで、ビレット長軸方向および長軸と直交する断面内とのDwell疲労寿命の異方性を軽減できる。また、鍛造後のW1/W2が1.5以下の圧下をチタン合金ビレットを長軸周りに回転させながら行い、続いてチタン合金ビレット全長に渡って同様の鍛造を行う工程を、鍛練比を1.5以上2.5以下で行うと良い。これにより、航空機エンジン部品に使用される素材に適したチタン合金棒材になる。 In the present invention, in the processing in the α + β region subsequent to the step of cooling from the β single phase region, when the maximum width passing through the center of gravity of the orthogonal cross section of the material is W1 and the minimum width passing through the center of gravity of the orthogonal cross section is W2, forging A titanium alloy billet is reduced such that the post-forging W1/W2 is 1.3 or less and the ratio ΔW (ΔW=Wa/Wi) between the width Wi of the titanium alloy billet before forging and the width Wa after forging is 1.05 or less. is rotated around the long axis, and then the same forging is performed over the entire length of the titanium alloy billet. can reduce the anisotropy of Dwell fatigue life. In addition, the step of reducing the titanium alloy billet so that W1/W2 after forging is 1.5 or less while rotating the titanium alloy billet around the long axis, and then performing the same forging over the entire length of the titanium alloy billet is performed at a forging ratio of 1. 0.5 or more and 2.5 or less. This makes the titanium alloy bar material suitable for use in aircraft engine parts.

以下、本実施形態のチタン合金棒材について説明する。
本実施形態のチタン合金棒材は、25℃においてα相を主相としβ相を第2相とする金属組織を有するものがよい。すなわち、α+β二相チタン合金の成分であることが好ましく、5.50~6.75質量%のAlが含まれていることが好ましい。また、TiとAl以外に、3.5~4.5質量%のV、0.05~0.40質量%のFe、0.05~0.25質量%のOを含有してもよい。Al含有量が5.50質量%以上であると、高強度で優れた疲労特性を有するチタン合金棒材が得られる。また、Al含有量が6.75質量%以下であると、TiAl等の金属間化合物が生成することによってチタン合金棒材が脆くなることを防止できる。
The titanium alloy bar of this embodiment will be described below.
The titanium alloy bar material of the present embodiment preferably has a metallographic structure in which the main phase is the α phase and the β phase is the secondary phase at 25°C. That is, it is preferably a component of an α+β two-phase titanium alloy, and preferably contains 5.50 to 6.75% by mass of Al. In addition to Ti and Al, 3.5 to 4.5% by mass of V, 0.05 to 0.40% by mass of Fe, and 0.05 to 0.25% by mass of O may be contained. When the Al content is 5.50% by mass or more, a titanium alloy bar having high strength and excellent fatigue properties can be obtained. Moreover, when the Al content is 6.75% by mass or less, it is possible to prevent the titanium alloy bar from becoming brittle due to the formation of intermetallic compounds such as Ti 3 Al.

本実施形態のチタン合金棒材は、例えば、AMS4928で規定される成分で形成されていてもよい。つまり、Al:5.50~6.75質量%、V:3.5~4.5質量%、Fe:0.05~0.40質量%、O:0.05~0.25質量%を含有し、残部がTiおよび不純物であってもよい。不純物としては、例えば、N:0.08質量%以下、C:0.08質量%以下、H:0.015質量%以下を含有してもよい。 The titanium alloy bar material of the present embodiment may be formed of, for example, components specified by AMS4928. That is, Al: 5.50 to 6.75% by mass, V: 3.5 to 4.5% by mass, Fe: 0.05 to 0.40% by mass, O: 0.05 to 0.25% by mass may be contained, and the balance may be Ti and impurities. As impurities, for example, N: 0.08% by mass or less, C: 0.08% by mass or less, and H: 0.015% by mass or less may be contained.

また、本実施形態のチタン合金棒材は、例えば、AMS4975で規定される成分で形成されていてもよい。つまり、Al:5.5~6.5質量%、Sn:1.75~2.25質量%、Zr:3.5~4.5質量%、Mo:1.8~2.2質量%、Fe:0.02~0.25質量%、O:0.02~0.15質量%を含有し、残部がTiおよび不純物であってもよい。不純物としては、例えば、N:0.08質量%以下、C:0.08質量%以下、H:0.015質量%以下を含有していてもよい。 Further, the titanium alloy bar material of the present embodiment may be formed of, for example, components specified by AMS4975. That is, Al: 5.5 to 6.5% by mass, Sn: 1.75 to 2.25% by mass, Zr: 3.5 to 4.5% by mass, Mo: 1.8 to 2.2% by mass, It may contain 0.02 to 0.25% by mass of Fe, 0.02 to 0.15% by mass of O, and the balance may be Ti and impurities. As impurities, for example, N: 0.08% by mass or less, C: 0.08% by mass or less, and H: 0.015% by mass or less may be contained.

本実施形態のチタン合金棒材は、長軸方向に直交する断面形状が円形の丸棒であり、長軸方向に直交する断面形状は真円であっても良いが、真円である必要はなく、おおよそ円形状であれば良い。その直径は特に限定されるものではないが、100mmから350mmまでの範囲が好ましい。 The titanium alloy bar of the present embodiment is a round bar having a circular cross-sectional shape perpendicular to the major axis direction. It is sufficient if the shape is approximately circular. Although the diameter is not particularly limited, it preferably ranges from 100 mm to 350 mm.

一方で、鋳塊から棒材に製造されるまでの中間形態の形状については、長軸方向に直交する断面形状は円形状に限定されず、四角形や八角形の多角形や、角が丸い多角形であってもよい。 On the other hand, regarding the shape of the intermediate shape from the ingot to the rod material, the cross-sectional shape orthogonal to the long axis direction is not limited to a circular shape, and may be a polygon such as a quadrangle or octagon, or a polygon with rounded corners. It may be rectangular.

次に、本実施形態のチタン合金棒材の結晶組織について図1~図3を参照しながら説明する。
図1は、チタン合金棒材の長軸方向とα結晶粒中の稠密六方晶の(0001)面の配向状態を示している。チタン合金棒材の長軸方向と六方稠密結晶の(0001)面の法線方向とのなす角度をθとする。本実施形態のチタン合金棒材は、チタン合金棒材の長軸方向に平行な断面において、θが0°以上55°以下の範囲にある円相当直径が20μm超のα結晶粒の面積率が15%以下であることが好ましい。前記面積率が15%を超えると、Dwell疲労寿命が低下するため好ましくない。
Next, the crystal structure of the titanium alloy bar material of this embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 3. FIG.
FIG. 1 shows the orientation of the (0001) plane of the hexagonal close-packed crystal in the long axis direction of the titanium alloy bar and the α crystal grains. Let θ be the angle between the major axis direction of the titanium alloy rod and the normal direction of the (0001) plane of the hexagonal close-packed crystal. In the titanium alloy bar of the present embodiment, in a cross section parallel to the major axis direction of the titanium alloy bar, the area ratio of α crystal grains having an equivalent circle diameter of more than 20 μm with θ in the range of 0° or more and 55° or less is It is preferably 15% or less. If the area ratio exceeds 15%, the Dwell fatigue life is lowered, which is not preferable.

図2は、チタン合金棒材の長軸方向の微小長さdLの領域におけるα結晶粒中の稠密六方晶の配向状態を示している。図2(a)はチタン合金棒材の周面側から見た斜視図であり、図2(b)は、チタン合金棒材の長軸方向の直交断面側から見た斜視図である。Tは直交断面における周方向とする。周方向は、直交断面における径方向と直交する方向である。六方稠密結晶の(0001)面の法線方向と周方向Tとのなす角度をωとする。本実施形態のチタン合金棒材は、チタン合金棒材の長軸方向の直交断面において、ωが0°以上55°以下の範囲にある円相当直径が20μm超のα結晶粒の面積率が15%以下であることが好ましい。前記面積率が15%を超えると、Dwell疲労寿命が低下するため好ましくない。 FIG. 2 shows the orientation state of close-packed hexagonal crystals in α crystal grains in a region of minute length dL in the major axis direction of a titanium alloy bar. FIG. 2(a) is a perspective view of the titanium alloy bar seen from the peripheral surface side, and FIG. 2(b) is a perspective view of the titanium alloy bar seen from the cross section perpendicular to the longitudinal direction. T is the circumferential direction in the orthogonal section. The circumferential direction is a direction orthogonal to the radial direction in the orthogonal cross section. Let ω be the angle between the normal direction of the (0001) plane of the hexagonal close-packed crystal and the circumferential direction T. In the titanium alloy bar of the present embodiment, the area ratio of α crystal grains with an equivalent circle diameter of more than 20 μm in the range of ω in the range of 0° to 55° is 15 in the cross section perpendicular to the major axis direction of the titanium alloy bar. % or less. If the area ratio exceeds 15%, the Dwell fatigue life is lowered, which is not preferable.

図3(a)は、α結晶粒とα結晶粒集合体(αコロニー)を示している。結晶粒を模式的に円で示している。円で示すα結晶粒中の矢印は、結晶方位を模式的に示している。結晶方位が近いα結晶粒の集合体をα結晶粒集合体(αコロニー)としている。図3(a)ではαコロニーを模式的に楕円で示している。また、図3(b)は、α結晶粒集合体(αコロニー)のアスペクト比を説明するもので、長軸(a1)/短軸(a2)の比をアスペクト比としている。 FIG. 3(a) shows α crystal grains and α crystal grain aggregates (α colonies). Crystal grains are schematically indicated by circles. The arrows in the circled α crystal grains schematically indicate the crystal orientation. An aggregate of α crystal grains having similar crystal orientations is called an α crystal grain aggregate (α colony). In FIG. 3(a), α colonies are schematically indicated by ellipses. FIG. 3(b) explains the aspect ratio of the α crystal grain aggregate (α colony), and the aspect ratio is defined as the ratio of major axis (a1)/minor axis (a2).

本実施形態のチタン合金棒材は、長軸方向に平行な断面において、円相当直径100μm未満かつアスペクト比3.0未満であるα結晶粒集合体の面積率が60%以上であることが好ましい。この条件を満たすことにより、Dwell疲労寿命を向上させることができる。 In the titanium alloy bar of the present embodiment, in a cross section parallel to the major axis direction, the area ratio of α crystal grain aggregates having an equivalent circle diameter of less than 100 μm and an aspect ratio of less than 3.0 is preferably 60% or more. . By satisfying this condition, the Dwell fatigue life can be improved.

本実施形態のチタン合金棒材の結晶組織は、EBSD(電子線後方散乱回折;Electron Backscatter Diffraction)を用いて測定することができる。 The crystal structure of the titanium alloy bar material of this embodiment can be measured using EBSD (Electron Backscatter Diffraction).

まず、チタン合金棒材の長さ方向中心部より、長さ方向断面を観察面とする試験片を採取する。観察面における測定箇所は、断面が半径rの円形の棒材については表面からr/2の深さの位置とする。次に、試験片の観察面の測定箇所における、縦3mm横3mmの矩形の領域を視野とし、測定間隔は2.0μm、加速電圧15kVで、EBSDを用いて測定する。 First, a test piece having a cross section in the longitudinal direction as an observation surface is taken from the central part in the longitudinal direction of the titanium alloy bar. The measurement point on the observation plane is a position at a depth of r/2 from the surface of a circular bar whose cross section has a radius of r. Next, a rectangular area of 3 mm in length and 3 mm in width at the measurement point on the observation surface of the test piece is set as a field of view, and measurement is performed using EBSD at a measurement interval of 2.0 μm and an acceleration voltage of 15 kV.

得られた測定結果を、OIM(株式会社 TSLソリューションズ製の結晶方位解析ソフト)を用いて解析する。まず、α相のみを対象とするPartitonを作成し、解析の対象とする。
次に、隣り合うEBSD測定点の方位(c軸方向)の角度差(ミスオリエンテーション角)を5°以下としてα結晶粒を決定し、そのα結晶粒の測定点数から各α結晶粒の面積を求め、各α結晶粒の円相当直径を算出する。
The obtained measurement results are analyzed using OIM (crystal orientation analysis software manufactured by TSL Solutions Co., Ltd.). First, a Partiton for only the α phase is created and analyzed.
Next, α crystal grains are determined by setting the angle difference (misorientation angle) between the orientations (c-axis direction) of adjacent EBSD measurement points to 5° or less, and the area of each α crystal grain is calculated from the number of measurement points of the α crystal grains. , and the circle-equivalent diameter of each α crystal grain is calculated.

また、各α結晶粒内のEBSD測定点におけるc軸方向の平均値を算出し、それを用いて各α結晶粒について、α結晶粒の(0001)面の法線方向と、チタン合金棒材の長軸方向とのなす角度θを算出する。 In addition, the average value of the c-axis direction at the EBSD measurement points in each α crystal grain is calculated, and using it, the normal direction of the (0001) plane of the α crystal grain and the titanium alloy bar Calculate the angle θ formed with the major axis direction of .

そして、α結晶粒のうち、角度θが0°~55°のα結晶粒の面積率を求める。また、円相当直径が20μm超のα結晶粒の面積率を求める。 Then, among the α crystal grains, the area ratio of the α crystal grains with an angle θ of 0° to 55° is obtained. Also, the area ratio of α-crystal grains having an equivalent circle diameter of more than 20 μm is determined.

あるいは、Partation PropertiesでGrain Sizeを20μm超とした後、Crystal Direction Mapを使い、α結晶粒の(0001)面の法線方向と、チタン合金棒材の長軸方向とのなす角度θが0°から55°となるα結晶粒の面積率(Total Fraction)を求める。 Alternatively, after setting the grain size to more than 20 μm in Partition Properties, use the Crystal Direction Map to determine that the angle θ formed by the normal direction of the (0001) plane of the α crystal grain and the major axis direction of the titanium alloy bar is 0°. Determine the area ratio (Total Fraction) of α crystal grains from 55°.

さらに、Partation PropertiesでGrain Sizeを20μm超とした後、Crystal Direction Mapを作成し、α結晶粒の(0001)面の法線方向と、チタン合金棒材の周方向とのなす角度が0°以上55°以下の範囲にあるα結晶粒の面積率(Total Fraction)を求める。 Furthermore, after setting the grain size to more than 20 μm in the partition properties, a crystal direction map is created and the angle between the normal direction of the (0001) plane of the α crystal grain and the circumferential direction of the titanium alloy bar is 0° or more. Determine the area ratio (Total Fraction) of α crystal grains in the range of 55° or less.

α結晶粒集合体(αコロニー)については、隣り合うEBSD測定点の結晶方位の角度差(ミスオリエンテーション角)を15°以下としてα結晶粒集合体(αコロニー)を決定し、そのα結晶粒集合体(αコロニー)の測定点数から各α結晶粒集合体(αコロニー)の面積を求め、α結晶粒集合体(αコロニー)の円相当直径を算出する。アスペクト比は、各α結晶粒集合体(αコロニー)の領域を楕円形に近似して求める。具体的には、Partation PropertiesでGrain Sizeを100μm未満、Aspect Ratioを0.334以上とした後、Phase Mapを作成し、α結晶粒集合体(αコロニー)の面積率(Total Fraction)を求める。ここで、Aspect Ratioを0.334は、逆数で2.994であり、アスペクト比3.0未満に相当する。 Regarding the α crystal grain aggregate (α colony), the α crystal grain aggregate (α colony) is determined by setting the angle difference (misorientation angle) between the crystal orientations of adjacent EBSD measurement points to 15° or less, and the α crystal grain The area of each α crystal grain aggregate (α colony) is obtained from the number of measurement points of the aggregate (α colony), and the equivalent circle diameter of the α crystal grain aggregate (α colony) is calculated. The aspect ratio is determined by approximating the region of each α crystal grain aggregate (α colony) to an elliptical shape. Specifically, after setting the Grain Size to less than 100 μm and the Aspect Ratio to 0.334 or more in the Partition Properties, a Phase Map is created to determine the area ratio (Total Fraction) of α crystal grain aggregates (α colonies). Here, the Aspect Ratio of 0.334 is the reciprocal of 2.994, which corresponds to an aspect ratio of less than 3.0.

次に、本実施形態のチタン合金棒材の製造方法について説明する。
本実施形態のチタン合金棒材は、所定の化学成分に調整された原料を溶解して鋳塊を得た後、得られた鋳塊をβ単相域に加熱し加工するβ鍛造と、α+β二相域に加熱して加工するα+β鍛造とを経て得られたチタン合金ビレットを、以下の工程に供することで得られる。
Next, a method for manufacturing a titanium alloy bar according to this embodiment will be described.
The titanium alloy bar material of the present embodiment is produced by melting a raw material adjusted to a predetermined chemical composition to obtain an ingot, and then heating and processing the obtained ingot to a β single phase region. It is obtained by subjecting a titanium alloy billet obtained through α+β forging, which is heated to a two-phase region and processed, to the following steps.

本実施形態のチタン合金棒材は、所定の化学成分を有する上記チタン合金ビレットを、β単相域の温度に加熱した後に急冷する第1の工程と、チタン合金ビレットをα+β二相域の温度に加熱し、鍛造した後に冷却する第2の工程と、チタン合金ビレットを、α+β二相域の温度であって第2の工程の加熱温度以下の温度に加熱し、鍛造する第3の工程と、をこの順で行うことにより製造される。
以下、各工程について説明する。
The titanium alloy bar material of the present embodiment is produced by a first step of heating the above titanium alloy billet having a predetermined chemical composition to a temperature in the β single phase region and then quenching it, and then heating the titanium alloy billet to a temperature in the α + β two phase region. A second step of heating to, forging and then cooling, and a third step of heating and forging the titanium alloy billet to a temperature in the α + β two-phase region that is equal to or lower than the heating temperature in the second step. , in this order.
Each step will be described below.

第1の工程では、チタン合金ビレットを加熱炉内でβ単相温度域に加熱し、その後、急冷することで、金属組織を均質化させ、結晶粒の粗大化を抑制する。β単相温度領域の加熱は、加熱炉内の温度をβ変態点温度より30℃高い温度以上、β変態点温度より100℃高い温度以下(β変態点温度+30℃~β変態点温度+100℃の温度範囲)とすることが好ましい。加熱炉内の温度が、β変態点温度より30℃高い温度であると、加熱炉内に温度が不均一な部分があったり、チタン合金ビレットの大きさが大きいものであったりしても、ビレット全体がβ変態点温度以上に加熱されるため好ましい。また、加熱炉内の温度が、β変態点温度より100℃高い温度以下であると、チタン合金ビレットの表層の酸化が抑制されるとともに、チタン合金ビレット中の金属組織の粗大化が抑制されるため、高品質のチタン合金棒材が得られる。 In the first step, the titanium alloy billet is heated to the β single-phase temperature range in a heating furnace and then quenched to homogenize the metal structure and suppress coarsening of crystal grains. Heating in the β single-phase temperature region is performed by setting the temperature in the heating furnace to a temperature higher than the β transformation point temperature by 30°C or higher and a temperature higher than the β transformation point temperature by 100°C or lower (β transformation point temperature +30°C to β transformation point temperature +100°C). temperature range). When the temperature in the heating furnace is 30° C. higher than the β transformation temperature, even if there are portions where the temperature is uneven in the heating furnace or the size of the titanium alloy billet is large, This is preferable because the entire billet is heated to a temperature equal to or higher than the β transformation temperature. Further, when the temperature in the heating furnace is 100° C. or lower than the β transformation point temperature, oxidation of the surface layer of the titanium alloy billet is suppressed, and coarsening of the metal structure in the titanium alloy billet is suppressed. Therefore, a high-quality titanium alloy bar can be obtained.

第1の工程では、β単相温度域に加熱後、チタン合金ビレットを加熱炉から取り出して速やかに急冷するか、加工を加えた後に急冷することが好ましい。急冷は充分な冷却速度を得るために、十分な量の水にチタン合金ビレットを浸漬することで行う水冷が一般的であるが、水冷相当以上の冷却速度が得られる他の手段を用いても良い。急冷はチタン合金ビレットの表面温度が300℃以下になるまで続けることが好ましい。 In the first step, after heating to the β-single-phase temperature range, the titanium alloy billet is preferably taken out from the heating furnace and rapidly cooled, or it is preferably processed and then rapidly cooled. Rapid cooling is generally performed by immersing the titanium alloy billet in a sufficient amount of water in order to obtain a sufficient cooling rate. good. Rapid cooling is preferably continued until the surface temperature of the titanium alloy billet reaches 300° C. or lower.

第1の工程では、β単相温度域に加熱して加熱炉から取り出した後に加工を行うことで、チタン合金ビレットに歪みを与えてもよい。歪みを与えることで再結晶を生じ、金属組織の結晶粒の粗大化が抑制される。 In the first step, strain may be imparted to the titanium alloy billet by heating it to the β single-phase temperature range, removing it from the heating furnace, and then working it. Recrystallization is caused by applying strain, and coarsening of crystal grains in the metal structure is suppressed.

次に、第2の工程では、第1の 工程後のチタン合金ビレットを、α+β二相域の温度に加熱し、チタン合金ビレットの長軸方向と交差する方向からチタン合金ビレットをその全長に渡って鍛造した後に冷却する。第2の工程では、被加工材料であるチタン合金ビレットがα相およびβ相の二相の状態で加工される。特に、β相が組織中に50%程度の割合で存在する温度域で加工することが好ましい。 Next, in the second step, the titanium alloy billet after the first step is heated to a temperature in the α+β two-phase region, and the titanium alloy billet is heated over its entire length in a direction intersecting the longitudinal direction of the titanium alloy billet. forging and then cooling. In the second step, a titanium alloy billet, which is a material to be worked, is worked in a two-phase state of α phase and β phase. In particular, it is preferable to work in a temperature range where the β phase exists in the structure at a rate of about 50%.

第2の工程において、チタン合金ビレットを加熱する加熱炉内の温度は、β変態点温度より60℃低い温度以上、β変態点温度未満(β変態点温度-60℃~β変態点温度未満の温度範囲)とすることが好ましい。加工発熱による温度上昇を加味すると、加熱温度の上限はβ変態点温度より20℃低い温度未満(β変態点温度-20℃未満)であることが好ましい。 In the second step, the temperature in the heating furnace for heating the titanium alloy billet is 60° C. lower than the β transformation point temperature or higher and lower than the β transformation point temperature (β transformation point temperature −60° C. to less than the β transformation point temperature. temperature range). Considering the temperature rise due to the heat generated during processing, the upper limit of the heating temperature is preferably less than 20° C. lower than the β transformation temperature (β transformation temperature −20° C.).

加熱炉内の温度が、β変態点温度より60℃低い温度以上であると、熱間加工を施す際のチタン合金ビレットの変形抵抗が大きくなりすぎることを防止でき、容易に効率よく熱間加工を行うことができる。また、加熱炉内の温度が、β変態点温度未満であると、チタン合金ビレットの金属組織中にα結晶粒が十分に析出するため、粒成長が抑制されるとともに、α+β二相温度域で熱間加工を施すことによる効果が十分に得られる。 When the temperature in the heating furnace is at least 60°C lower than the β transformation point temperature, the deformation resistance of the titanium alloy billet during hot working can be prevented from becoming too large, and hot working can be performed easily and efficiently. It can be performed. In addition, when the temperature in the heating furnace is lower than the β transformation point temperature, α crystal grains are sufficiently precipitated in the metal structure of the titanium alloy billet, so grain growth is suppressed, and in the α + β two-phase temperature range, A sufficient effect can be obtained by applying hot working.

チタン合金ビレットの表面温度は鍛造中に徐々に低下するため、表面性状が悪化したり表面割れが生じやすくなったりする場合には、第2の工程の終了前に、鍛造を一旦中断し、再度、チタン合金ビレットを加熱してから鍛造することが好ましい。 Since the surface temperature of the titanium alloy billet gradually decreases during forging, if the surface quality deteriorates or surface cracks are likely to occur, the forging is temporarily interrupted before the end of the second step, and then forged again. , It is preferable to forge after heating the titanium alloy billet.

第2の工程について、更に図4を参照して説明する。図4は、チタン合金ビレットと金敷とを示す図であり、図4(a)は圧下前の側面図であり、図4(b)は圧下前の平面図であり、図4(c)は圧下後の側面図であり、図4(d)は圧下後の平面図である。図4(e)はチタン合金ビレットを軸周りに回転させた後の側面図であり、図4(f)はチタン合金ビレットを軸周りに回転させた後の平面図である。なお、図4において、符号1は金敷であり、符号2がビレットである。 The second step will be further described with reference to FIG. FIG. 4 is a diagram showing a titanium alloy billet and an anvil, FIG. 4(a) is a side view before rolling, FIG. 4(b) is a plan view before rolling, and FIG. It is a side view after the reduction, and FIG. 4(d) is a plan view after the reduction. FIG. 4(e) is a side view after rotating the titanium alloy billet around the axis, and FIG. 4(f) is a plan view after rotating the titanium alloy billet around the axis. In addition, in FIG. 4, the code|symbol 1 is an anvil, and the code|symbol 2 is a billet.

第2の工程では、ビレットの長軸方向とほぼ直交する方向から一対の金敷による圧下を加える。第2の工程によって、チタン合金中のα結晶粒集合体(αコロニー)の分断および微細化を促進するとともに、棒材の長軸方向、および長軸に直交する断面内における棒材の周方向のそれぞれとに対する(0001)面方位の異方性の増加を抑制する。 In the second step, a pair of anvils is applied from a direction substantially perpendicular to the longitudinal direction of the billet. The second step promotes the division and refinement of α crystal grain aggregates (α colonies) in the titanium alloy, and the longitudinal direction of the bar and the circumferential direction of the bar in the cross section perpendicular to the major axis. suppresses an increase in the anisotropy of the (0001) plane orientation with respect to each of

より詳細には、第2の工程は、所定の条件でチタン合金ビレットを金敷により鍛造する第1鍛造工程と、チタン合金ビレットを長軸周りに回転させる第1回転工程と、チタン合金ビレットを長軸方向に移動する第1送り工程とを行う。この際、第1鍛造工程を少なくとも2回以上行うと共に第1鍛造工程の間に第1回転工程を行い、次いで、第1送り工程を行う。このようにして、チタン合金ビレットをその全長に渡って鍛造する。 More specifically, the second step includes a first forging step of forging a titanium alloy billet with an anvil under predetermined conditions, a first rotating step of rotating the titanium alloy billet around its major axis, and a longitudinal rotation of the titanium alloy billet. and a first feeding step of moving in the axial direction. In this case, the first forging process is performed at least twice, the first rotating process is performed between the first forging processes, and then the first feeding process is performed. Thus, the titanium alloy billet is forged over its entire length.

具体的には、図4(a)及び図4(b)から図4(c)及び図4(d)に示すように、第1鍛造工程を行ってチタン合金ビレットの外周面の一部である被加工部位を金敷によって圧下した後、図4(c)及び図4(d)から図4(e)及び図4(f)に示すように、第1回転工程を行ってチタン合金ビレットを長軸周りに回転させる。そして、新たな方向からチタン合金ビレットを圧下する。このようにして第1鍛造工程による圧下を2回以上行った後、第1送り工程を行ってチタン合金ビレットを長軸方向に所定の送り量だけ相対移動させる。第1送り工程を行うと、金敷は新たな被加工部位と対向することになる。この新たな被加工部位に対して、再び、第1鍛造工程、第1回転工程及び第1送り工程を行う。この動作を、チタン合金ビレットの長手方向一端から他端に向けて順次行い、必要に応じて掴み替えを行い、チタン合金ビレット全体に対して鍛造を行う。第1回転工程におけるチタン合金ビレットの長軸周りの回転は、たとえば、矩形断面の場合には90°毎、八角形断面の場合には45°毎としてもよい。 Specifically, as shown in FIGS. 4(a) and 4(b) to 4(c) and 4(d), a first forging step is performed to partially form the outer peripheral surface of the titanium alloy billet. After pressing down a part to be processed with an anvil, as shown in FIGS. 4(c) and 4(d) to FIGS. Rotate around the long axis. Then, the titanium alloy billet is rolled down from a new direction. After the reduction in the first forging step is performed two or more times in this manner, the first feeding step is performed to relatively move the titanium alloy billet in the longitudinal direction by a predetermined feeding amount. When the first feeding step is performed, the anvil will face a new portion to be processed. The first forging process, the first rotating process, and the first feeding process are performed again on this new part to be machined. This operation is performed sequentially from one longitudinal end of the titanium alloy billet to the other end, and if necessary, gripping is changed, and the entire titanium alloy billet is forged. The rotation of the titanium alloy billet around the long axis in the first rotation step may be, for example, every 90° for a rectangular cross section and every 45° for an octagonal cross section.

第1鍛造工程の回数の上限は第2工程前後での鍛錬比で制限する。第2工程前後での鍛錬比が1.6以下の範囲で鍛伸加工を繰り返す。 The upper limit of the number of times of the first forging process is restricted by the forging ratio before and after the second process. Forging and stretching are repeated within the range of the forging ratio before and after the second step being 1.6 or less.

第1鍛造工程では、図5に示すように、チタン合金ビレットの長軸方向の直交断面において直交断面の重心を通る最大幅をW1とし、直交断面の重心を通る最小幅をW2としたとき、鍛造後のW1/W2が1.3以下になるように、かつ、鍛造前のチタン合金ビレットの幅Wini(以下、Wiと表記する場合がある)と鍛造後の幅Wafter(以下、Waと表記する場合がある)との比ΔW(ΔW=Wa/Wi)が1.05以下になるように鍛造することが好ましい。
鍛造前のチタン合金ビレットの幅Winiとは、図4(b)に示すように、金敷の圧下方向からチタン合金ビレットを見た場合のチタン合金ビレットの最大投影幅である。また、鍛造後のチタン合金ビレットの幅Wafterは、圧下終了後のチタン合金ビレットの最大投影幅である。
なお、図5(a)は、直交断面形状が略矩形の場合のW1とW2を示す図であり、図5(b)は直交断面が略円形の場合であり、図5(c)は直交断面が略六角形の場合である。
In the first forging step, as shown in FIG. 5, in the cross section perpendicular to the longitudinal direction of the titanium alloy billet, the maximum width passing through the center of gravity of the cross section is W1, and the minimum width passing through the center of gravity of the cross section is W2. The width Wini of the titanium alloy billet before forging (hereinafter sometimes referred to as Wi) and the width Wafter after forging (hereinafter referred to as Wa It is preferable to perform forging so that the ratio ΔW (ΔW=Wa/Wi) to 1.05 or less.
The width Wini of the titanium alloy billet before forging is the maximum projected width of the titanium alloy billet when viewed from the pressing direction of the anvil, as shown in FIG. 4(b). Further, the width Wafter of the titanium alloy billet after forging is the maximum projected width of the titanium alloy billet after completion of reduction.
FIG. 5(a) is a diagram showing W1 and W2 when the orthogonal cross-section shape is substantially rectangular, FIG. 5(b) is a diagram when the orthogonal cross-section is substantially circular, and FIG. This is the case where the cross section is substantially hexagonal.

これらの条件はいずれも、棒材の長軸方向と、長軸方向に直交する面内の棒材の周方向とに対する、チタン合金中のα結晶粒の結晶方位の集積の程度を近づけるための条件である。チタン合金ビレットを圧下した後にチタン合金ビレットを回転させて、再び圧下することにより、金敷とチタン合金ビレットの長軸方向の表面との接触面積が増加することにより、チタン合金ビレットの長軸方向の伸びが抑制され、長軸方向へのα結晶粒の(0001)面法線方向の集積が増加する。一方、直交断面内においては、圧下方向に対して垂直な周方向へのα結晶粒の(0001)面法線方向の集積が増加する。また、金敷とチタン合金ビレット表面との接触面積が増加することで、チタン合金ビレット内部へのひずみ蓄積が増加し、α結晶粒およびα結晶粒集合体(αコロニー)の分断が促進される。さらに、鍛練比の上限を規定することで、α結晶粒集合体(αコロニー)のアスペクト比の上昇を抑制できる。これらの作用により、長軸方向および周方向に対する粗大なα結晶粒の(0001)面法線方向の集積の程度を近づけるとともに、α結晶粒集合体(αコロニー)のアスペクト比を低減することができる。つまり、鍛造後のW1/W2が1.3以下になるように、かつ、鍛造前のチタン合金ビレットの幅Winiと鍛造後の幅Wafterとの比ΔW(ΔW=Wa/Wi)が1.05以下になるようにチタン合金ビレットを鍛造し、鍛錬比1.6以下の範囲で行う。鍛錬比が1.6超では、α結晶粒の結晶方位の異方性が上昇してしまう。 All of these conditions are for making the degree of accumulation of the crystal orientation of the α crystal grains in the titanium alloy closer to the long axis direction of the bar and the circumferential direction of the bar in the plane perpendicular to the long axis direction. It is a condition. After the titanium alloy billet is rolled down, the titanium alloy billet is rotated and rolled down again to increase the contact area between the anvil and the surface of the titanium alloy billet in the longitudinal direction. Elongation is suppressed, and the accumulation of α crystal grains in the direction normal to the (0001) plane in the long axis direction increases. On the other hand, in the orthogonal section, the accumulation of α crystal grains in the direction normal to the (0001) plane increases in the circumferential direction perpendicular to the rolling direction. In addition, increasing the contact area between the anvil and the surface of the titanium alloy billet increases the accumulation of strain inside the titanium alloy billet, promoting the division of α crystal grains and α crystal grain aggregates (α colonies). Furthermore, by defining the upper limit of the forging ratio, it is possible to suppress an increase in the aspect ratio of the α crystal grain aggregate (α colony). By these actions, the degree of accumulation of coarse α crystal grains in the (0001) plane normal direction with respect to the long axis direction and the circumferential direction can be brought closer, and the aspect ratio of α crystal grain aggregates (α colonies) can be reduced. can. That is, W1/W2 after forging is 1.3 or less, and the ratio ΔW (ΔW=Wa/Wi) between the width Wini of the titanium alloy billet before forging and the width Wafter after forging is 1.05. A titanium alloy billet is forged so that the forging ratio is 1.6 or less. If the forging ratio exceeds 1.6, the anisotropy of the crystal orientation of the α crystal grains increases.

このような集積度あるいは面積率の変化を効率的に行うためには、第1の工程においてβ熱処理後に冷却することで結晶方位がランダム化されたチタン合金ビレットに対して、最初に行う加工を制御することが重要である。 In order to efficiently change the degree of integration or the area ratio, the titanium alloy billet in which the crystal orientation is randomized by cooling after the β heat treatment in the first step is processed first. Control is important.

次に、第3の工程では、α+β二相域の温度であって第2の工程の加熱温度以下の温度に加熱し、前記チタン合金ビレットの長軸方向と交差する方向から前記チタン合金ビレットをその全長に渡って鍛造し、少なくとも最後に冷却する。第3の工程では、鍛造後のW1/W2が1.5以下になるように第2鍛造工程を行う。第2鍛造工程を行う際には、チタン合金ビレットをその長軸を中心にして回転させて鍛造方向を各回毎に変更させる。これにより、α結晶粒の(0001)面方位の異方性を低減させる。 Next, in the third step, the titanium alloy billet is heated to a temperature in the α+β two-phase region that is equal to or lower than the heating temperature in the second step, and the titanium alloy billet is separated from the longitudinal direction of the titanium alloy billet. It is forged along its entire length and cooled at least at the end. In the third step, the second forging step is performed so that W1/W2 after forging is 1.5 or less. When performing the second forging step, the titanium alloy billet is rotated around its longitudinal axis to change the forging direction each time. This reduces the anisotropy of the (0001) plane orientation of the α crystal grains.

第3の工程において、チタン合金ビレットを加熱する加熱炉内の温度は、β変態点温度より80℃低い温度以上、第2の工程の加熱温度以下とすることが好ましい。加工発熱による温度上昇を加味すると、加熱温度の上限はβ変態点温度より20℃低い温度未満(β変態点温度-20℃未満)であることが好ましい。 In the third step, the temperature in the heating furnace for heating the titanium alloy billet is preferably at least 80° C. lower than the β transformation point temperature and at most the heating temperature in the second step. Considering the temperature rise due to the heat generated during processing, the upper limit of the heating temperature is preferably less than 20° C. lower than the β transformation temperature (β transformation temperature −20° C.).

加熱炉内の温度が、β変態点温度より80℃低い温度以上であると、熱間加工を施す際のチタン合金ビレットの変形抵抗が大きくなりすぎることを防止でき、容易に効率よく熱間加工を行うことができる。また、加熱炉内の温度が、第2の工程の温度以上の温度になると、(0001)面方位の集積度が低下してしまうので好ましくない。 When the temperature in the heating furnace is at least 80°C lower than the β transformation point temperature, the deformation resistance of the titanium alloy billet during hot working can be prevented from becoming too large, and hot working can be performed easily and efficiently. It can be performed. Further, if the temperature in the heating furnace is equal to or higher than the temperature in the second step, the degree of integration of the (0001) plane orientation is lowered, which is not preferable.

第3の工程においても、チタン合金ビレットの温度が鍛造中に徐々に低下するため、表面性状が悪化したり表面割れが生じやすくなったりする場合には、第3の工程の終了前に、鍛造を一旦中断し、再度、チタン合金ビレットを加熱してから鍛造することが好ましい。 Also in the third step, the temperature of the titanium alloy billet gradually decreases during forging, so if the surface quality is deteriorated or surface cracks are likely to occur, forging should be performed before the end of the third step. is suspended once, and the titanium alloy billet is heated again before forging.

第3の工程では、所定の条件でチタン合金ビレットを金敷により鍛造する第2鍛造工程と、チタン合金ビレットを長軸周りに回転させる第2回転工程と、チタン合金ビレットを長軸方向に移動する第2送り工程とを行う。この際、第2鍛造工程を少なくとも2回以上行うと共に第2鍛造工程の間に第2回転工程を行い、次いで、第2送り工程を行う。このようにして、チタン合金ビレットをその全長に渡って鍛造する。 The third step includes a second forging step of forging the titanium alloy billet with an anvil under predetermined conditions, a second rotating step of rotating the titanium alloy billet around its long axis, and moving the titanium alloy billet in its long axis direction. and a second feeding step. In this case, the second forging process is performed at least twice, the second rotating process is performed between the second forging processes, and then the second feeding process is performed. Thus, the titanium alloy billet is forged over its entire length.

より具体的には、第2鍛造工程を行ってチタン合金ビレットの外周面の一部である被加工部位を金敷によって圧下した後、第2回転工程を行ってチタン合金ビレットを長軸周りに回転させる。そして、新たな方向からチタン合金ビレットを圧下する。このように第2鍛造工程による圧下を2回以上行った後、第2送り工程を行ってチタン合金ビレットを長軸方向に所定の送り量だけ相対移動させる。第2送り工程を行うと、金敷は新たな被加工部位と対向することになる。この新たな被加工部位に対して、再び、第2鍛造工程、第2回転工程及び第2送り工程を行う。この動作を、チタン合金ビレットの長手方向一端から他端に向けて順次行い、必要に応じて掴み替えを行い、チタン合金ビレット全体に対して鍛造を行う。第2回転工程におけるチタン合金ビレットの長軸周りの回転は、たとえば、矩形断面の場合には90°毎、八角形断面の場合には45°毎としてもよい。 More specifically, after the second forging step is performed to press down a part of the outer peripheral surface of the titanium alloy billet to be machined with an anvil, the second rotating step is performed to rotate the titanium alloy billet around its long axis. Let Then, the titanium alloy billet is rolled down from a new direction. After the reduction in the second forging step is performed two or more times in this manner, the second feeding step is performed to relatively move the titanium alloy billet in the longitudinal direction by a predetermined amount. When the second feeding step is performed, the anvil faces a new portion to be processed. The second forging process, the second rotating process, and the second feeding process are again performed on this new part to be machined. This operation is performed sequentially from one longitudinal end of the titanium alloy billet to the other end, and if necessary, gripping is changed, and the entire titanium alloy billet is forged. The rotation of the titanium alloy billet about its major axis in the second rotation step may be, for example, every 90° for a rectangular cross section and every 45° for an octagonal cross section.

第3の工程では、鍛錬比が1.5~2.5になるまで、鍛造後のW1/W2が1.5以下になるように鍛造する第2鍛造工程を繰り返し行う。鍛錬比が1.5未満では、α結晶粒の大きさを微細化することができなくなり、疲労寿命が悪化する。また、鍛錬比が2.5を超えると、ビレットの長軸方向にα結晶粒集合体が延伸してアスペクト比が大きくなり、疲労寿命が悪化するので好ましくない。 In the third step, the second forging step is repeated until the forging ratio reaches 1.5 to 2.5 so that W1/W2 after forging is 1.5 or less. If the forging ratio is less than 1.5, the size of the α crystal grains cannot be refined, and the fatigue life deteriorates. On the other hand, if the forging ratio exceeds 2.5, the α crystal grain aggregates are elongated in the long axis direction of the billet, the aspect ratio is increased, and the fatigue life is deteriorated, which is not preferable.

以上説明したように、本実施形態のチタン合金棒材によれば、円相当直径100μm未満かつアスペクト比3.0未満であるα結晶粒集合体の面積率が60%以上であり、α結晶粒を構成する稠密六方晶の(0001)面の法線方向と、チタン合金棒材の長軸方向および長軸に直交する断面内におけるチタン合金棒材の周方向のそれぞれとなす角度θ、ωが0°以上55°以下の範囲にある円相当直径が20μm超のα結晶粒の面積率が15%以下であるので、Dwell疲労特性の異方性を低減し、チタン合金棒材の品質を向上させることができる。 As described above, according to the titanium alloy bar of the present embodiment, the area ratio of the α crystal grain aggregates having an equivalent circle diameter of less than 100 μm and an aspect ratio of less than 3.0 is 60% or more, and the α crystal grains The angles θ and ω formed between the normal direction of the (0001) plane of the close-packed hexagonal crystal that constitutes Since the area ratio of α crystal grains with an equivalent circle diameter of more than 20 μm in the range of 0° or more and 55° or less is 15% or less, the anisotropy of the Dwell fatigue characteristics is reduced, and the quality of the titanium alloy bar is improved. can be made

また、本実施形態によれば、第1の工程、第2の工程及び第3の工程を順次行うことで、Dwell疲労特性に優れたチタン合金棒材を製造できる。 Further, according to the present embodiment, by sequentially performing the first step, the second step and the third step, it is possible to manufacture a titanium alloy bar having excellent Dwell fatigue characteristics.

本実施形態のチタン合金棒材は、例えば、航空機エンジンのタービンブレードやタービンディスクの素材として好適に用いることができる。すなわち、本実施形態のチタン合金棒材に対して更に加工を施してタービンブレードあるいはタービンディスクとすることで、Dwell疲労特性に優れたタービンブレードあるいはタービンディスクとすることができる。 The titanium alloy bar of the present embodiment can be suitably used as a material for turbine blades and turbine disks of aircraft engines, for example. That is, by further working the titanium alloy bar of the present embodiment to form a turbine blade or turbine disk, a turbine blade or turbine disk having excellent Dwell fatigue characteristics can be obtained.

次に、本発明の実施例について説明する。
以下に示す方法によりチタン合金棒材を製造し、評価した。
Next, examples of the present invention will be described.
Titanium alloy bars were produced and evaluated by the method described below.

(事前工程)
溶解して得られた、表1に示す組成を有する直径約750mmの円柱状の鋳塊を、β変態温度以上の1020℃以上1200℃以下に加熱した加熱炉内でβ単相温度域に加熱した後、加熱炉から取り出して鍛造するβ鍛造と、β変態温度以下の900℃以上980℃以下のα+βの二相域に加熱した後、加熱炉から取り出して鍛造するα+β鍛造を、それぞれ1回または複数回繰り返して、長手方向に直交する断面形状が表1に示す断面形状の棒状のビレットを得た。前記棒状のビレットを中間ビレット(チタン合金ビレット)とした。表1に示すチタン合金ビレットのβ変態点温度は990℃~1010℃の範囲であった。
(pre-process)
A cylindrical ingot having a diameter of about 750 mm and having the composition shown in Table 1 obtained by melting is heated to the β single-phase temperature range in a heating furnace heated to 1020° C. or higher and 1200° C. or lower, which is higher than the β transformation temperature. After that, β forging, which is forged after being removed from the heating furnace, and α + β forging, which is removed from the heating furnace and forged after being heated to a two-phase region of α + β from 900 ° C to 980 ° C below the β transformation temperature, are performed once. Alternatively, the process was repeated several times to obtain a rod-shaped billet having a cross-sectional shape shown in Table 1 perpendicular to the longitudinal direction. The rod-shaped billet was used as an intermediate billet (titanium alloy billet). The β transformation temperature of the titanium alloy billet shown in Table 1 was in the range of 990°C to 1010°C.

なお、表1の中間ビレットの形状の欄において、「ψ510」「ψ380」はそれぞれ断面形状が直径510mm、380mmの円形状であることを意味し、「480八角」「600八角」は断面形状が八角形であって相対する平行な2辺の間隔が480mmまたは600mmである八角形状であることを意味し、「260*260」は断面形状が一辺長さ260mmの四角形であることを意味し、「610*320」は断面形状が縦610mm、横320mmの四角形であることを意味し、「600*300」は断面形状が縦600mm、横300mmの四角形であることを意味する。 In the column of the shape of the intermediate billet in Table 1, "ψ510" and "ψ380" mean that the cross-sectional shape is circular with a diameter of 510 mm and 380 mm, respectively, and "480 octagon" and "600 octagon" mean that the cross-sectional shape is It is octagonal and means an octagonal shape in which the distance between two opposing parallel sides is 480 mm or 600 mm, and "260 * 260" means that the cross-sectional shape is a square with a side length of 260 mm, "610*320" means that the cross-sectional shape is a square with a length of 610 mm and a width of 320 mm, and "600*300" means that the cross-section is a square with a length of 600 mm and a width of 300 mm.

(第1の工程)
事前工程で得た中間ビレットを、表2に示す加熱温度の加熱炉内で加熱した後、加熱炉から取り出して、表2に示す条件のように、鍛造(加工)後に水冷、あるいは、鍛造(加工)を行わないで水冷した。水冷は、十分な量の水を入れた水槽に浸漬することで行った。また、水冷は、インゴット表面温度が少なくとも300℃を下回る温度になるまで行った。
(First step)
After heating the intermediate billet obtained in the preliminary step in a heating furnace at a heating temperature shown in Table 2, it is taken out of the heating furnace and subjected to forging (processing) followed by water cooling or forging ( It was water-cooled without processing). Water cooling was performed by immersion in a water tank containing a sufficient amount of water. Further, water cooling was performed until the ingot surface temperature became at least less than 300°C.

(第2の工程)
第1の工程で得たチタン合金ビレットを、表2に示す加熱温度の加熱炉内で加熱した後、加熱炉から取り出して鍛造した。鍛造は、表2に示すW1/W2、ΔWとなる第1鍛造工程を2~6回行った。第1造工程の回数は表2に示した。各第1鍛造工程の間で第1回転工程を行うことで第1鍛造工程の圧下方向を各回毎に変更させた。その後、第1送り工程を行った。このような第1鍛造工程、第1回転工程及び第1送り工程を複数回に渡って繰り返すことで、チタン合金ビレットをその全長に渡って鍛造した。なお、鍛造中に温度低下した際には加熱炉で再加熱した。このようにして、断面形状が円形または多角形であるビレットを得た。第2の工程での加熱温度は、いずれの試料においても、β変態点温度-60℃~β変態点未満の範囲(α+β二相域の温度)だった。
(Second step)
After heating the titanium alloy billet obtained in the first step in a heating furnace at the heating temperature shown in Table 2, it was removed from the heating furnace and forged. For the forging, the first forging process with W1/W2 and ΔW shown in Table 2 was performed 2 to 6 times. Table 2 shows the number of times of the first manufacturing process. By performing the first rotation process between each first forging process, the rolling direction of the first forging process was changed each time. Then, the 1st sending process was performed. By repeating the first forging process, the first rotating process, and the first feeding process a plurality of times, the titanium alloy billet was forged over its entire length. In addition, when the temperature dropped during forging, it was reheated in a heating furnace. Thus, a billet having a circular or polygonal cross-sectional shape was obtained. The heating temperature in the second step was in the range from the β-transformation temperature −60° C. to less than the β-transformation temperature (the temperature in the α+β two-phase region) for all samples.

(第3の工程)
第2の工程後のチタン合金ビレットを、表2に示す加熱温度の加熱炉内で加熱した後、表2に示す条件で鍛造した。鍛造は、表2に示すW1/W2となる第2鍛造工程を2~6回行った。第2造工程の回数は表2に示した。各第2鍛造工程の間で第2回転工程を行うことで第2鍛造工程の圧下方向を各回毎に変更させた。その後、第2送り工程を行った。このような第2鍛造工程、第2回転工程及び第2送り工程を複数回に渡って繰り返すことで、チタン合金ビレットをその全長に渡って鍛造した。なお、鍛造中に温度低下した際には加熱炉で再加熱した。このようにして、断面形状が円形であるチタン合金棒材を製造した。第3の工程での加熱温度は、No.10以外はいずれも、α+β二相域の温度であり、かつ、第2工程の加熱温度未満の温度であったが、No.10の加熱温度は第2の工程の加熱温度を超えていた。
(Third step)
After the titanium alloy billet after the second step was heated in a heating furnace at the heating temperature shown in Table 2, it was forged under the conditions shown in Table 2. For forging, the second forging step with W1/W2 shown in Table 2 was performed 2 to 6 times. Table 2 shows the number of times of the second manufacturing process. By performing the second rotation process between each second forging process, the rolling direction of the second forging process was changed for each time. After that, the second feeding process was performed. By repeating such a second forging process, a second rotating process and a second feeding process a plurality of times, the titanium alloy billet was forged over its entire length. In addition, when the temperature dropped during forging, it was reheated in a heating furnace. Thus, a titanium alloy bar having a circular cross section was produced. The heating temperature in the third step is No. All of the samples other than No. 10 had a temperature in the α+β two-phase region and a temperature lower than the heating temperature in the second step. The heating temperature of No. 10 exceeded the heating temperature of the second step.

第2工程及び第3工程の後は、インゴット表面温度が少なくとも300℃を下回る温度になるまで空冷(放冷)した。 After the second step and the third step, the ingot was air-cooled (allowed to cool) until the surface temperature of the ingot fell below 300°C.

得られたチタン合金棒材について、結晶組織の測定を行った。
まず、チタン合金棒材の長さ方向中心部より、長軸方向に平行な断面を観察面とする試験片を採取した。観察面における測定箇所は、断面が半径rの円形の試料については表面からr/2の深さの位置とした。次に、試験片の観察面の測定箇所における、縦3mm横3mmの矩形の領域を視野とし、測定間隔は2.0μm、加速電圧15kVで、EBSDを用いて測定した。
得られた測定結果を、OIM(株式会社 TSLソリューションズ製の結晶方位解析ソフト)を用いて解析した。まず、α相のみを対象とするPartitonを作成し、解析の対象とした。隣り合うEBSD測定点の方位(c軸方向)の角度差(ミスオリエンテーション角)を5°以下としてα結晶粒を決定した。
The crystal structure of the obtained titanium alloy bar was measured.
First, a test piece having a cross section parallel to the longitudinal direction as an observation surface was taken from the longitudinal center of a titanium alloy bar. The measurement point on the observation plane was a position at a depth of r/2 from the surface for a circular sample with a cross section of radius r. Next, measurement was performed using EBSD at a measurement interval of 2.0 μm, an acceleration voltage of 15 kV, and a rectangular region of 3 mm in length and 3 mm in width at the measurement point on the observation surface of the test piece.
The obtained measurement results were analyzed using OIM (crystal orientation analysis software manufactured by TSL Solutions Co., Ltd.). First, a Partiton targeting only the α phase was created and used as an analysis target. α crystal grains were determined by setting the angular difference (misorientation angle) between the orientations (c-axis direction) of adjacent EBSD measurement points to 5° or less.

直交断面内の異方性については、Crystal Direction Mapを作成し、直交断面内の径方向および周方向とα結晶粒の(0001)面の法線方向との方位差が25°以内となるα結晶粒の面積率(Total Fraction)を求めた。
また、Crystal Direction Mapを使い、α結晶粒の(0001)面の法線方向と、チタン合金棒材の長軸方向とのなす角度θが65°から90°となるα結晶粒の面積率(Total Fraction)を求めた。
For the anisotropy in the orthogonal cross section, a Crystal Direction Map is created, and the orientation difference between the radial direction and the circumferential direction in the orthogonal cross section and the normal direction of the (0001) plane of the α crystal grain is within 25 °. The area ratio (Total Fraction) of crystal grains was determined.
In addition, using the Crystal Direction Map, the area ratio of α crystal grains ( Total Fraction) was obtained.

さらに、PartationのGrain PropertiesでGrain Sizeを20μm超とした後、Crystal Direction Mapを作成し、α結晶粒の(0001)面の法線方向と、チタン合金棒材の径方向および周方向とのなす角度が0°以上55°以下の範囲にあるα結晶粒の面積率(Total Fraction)を求めた。 Furthermore, after setting the grain size to more than 20 μm in the grain properties of the partition, a crystal direction map is created, and the normal direction of the (0001) plane of the α crystal grain and the radial direction and the circumferential direction of the titanium alloy bar are formed. The area ratio (Total Fraction) of α-crystal grains having an angle in the range of 0° or more and 55° or less was obtained.

また、得られたチタン合金棒材のDwell疲労特性を測定した。
試験片として、チタン合金棒材の径方向および周方向が長手方向となるように引張試験片と疲労試験片を採取した。
In addition, the Dwell fatigue properties of the obtained titanium alloy bar were measured.
As the test pieces, tensile test pieces and fatigue test pieces were taken such that the radial direction and the circumferential direction of the titanium alloy bar were the longitudinal directions.

引張試験の測定条件は以下の通りとした。
試験片形状:平行部φ5×30mm、ゲージ長さ25mm、ひずみ速度:8.3×10-5-1
The measurement conditions of the tensile test were as follows.
Specimen shape: parallel part φ5×30 mm, gauge length 25 mm, strain rate: 8.3×10 −5 s −1 .

疲労試験の測定条件は以下の通りとした。
疲労試験片形状:平行部φ5.08mm×15.24mm、ゲージ長さ12mm。
疲労試験方法:軸力、片振り、応力比0.05。最大応力=同材料(同方向)の0.2%耐力の95%。
通常疲労:三角波、負荷1s、除荷1s
Dwell疲労:台形波、負荷1s、保持120s、除荷1s
The measurement conditions of the fatigue test were as follows.
Fatigue test piece shape: Parallel part φ5.08 mm×15.24 mm, gauge length 12 mm.
Fatigue test method: axial force, pulsating, stress ratio 0.05. Maximum stress = 95% of the 0.2% proof stress of the same material (same direction).
Normal fatigue: triangular wave, load 1s, unload 1s
Dwell fatigue: trapezoidal wave, load 1s, hold 120s, unload 1s

表3に、チタン合金棒材の長軸方向に平行な断面において、円相当直径100μm未満かつアスペクト比3.0未満であるα結晶粒集合体の面積率、α結晶粒の(0001)面の法線方向とチタン合金棒材の長軸方向となす角度θが0°以上55°以下の範囲にある円相当直径が20μm超のα結晶粒の面積率、および、(0001)面の法線方向とチタン合金棒材の周方向となす角度ωが0°以上55°以下の範囲にある円相当直径が20μm超のα結晶粒の面積率を示す。また、表3には、直交断面内の径方向及び周方向のDwell疲労寿命の長い方を短い方で割った比を示す。本発明の範囲にある実施例では、Dwell疲労の破断寿命は、5000回以上であった。 Table 3 shows the area ratio of α crystal grain aggregates having an equivalent circle diameter of less than 100 μm and an aspect ratio of less than 3.0 in a cross section parallel to the major axis direction of the titanium alloy bar, and the number of (0001) planes of the α crystal grains. The area ratio of α-crystal grains with an equivalent circle diameter of more than 20 μm, where the angle θ between the normal direction and the major axis direction of the titanium alloy rod is in the range of 0° to 55°, and the normal to the (0001) plane The angle ω between the direction and the circumferential direction of the titanium alloy bar is in the range of 0° or more and 55° or less, and shows the area ratio of α crystal grains with an equivalent circle diameter of more than 20 μm. Table 3 also shows the ratio of the longer of the Dwell fatigue life divided by the shorter of the radial and circumferential Dwell fatigue lives in the orthogonal cross section. In the examples within the scope of the present invention, the Dwell fatigue rupture life was greater than 5000 cycles.

表3に示すように、本発明の範囲にある実施例は直交断面内でのDwell疲労寿命の比が2.0以下と異方性が小さくなっていることが分かる。一方、本発明の範囲外である比較例では、Dwell疲労特性の異方性が増大していることが分かる。 As shown in Table 3, in the examples within the scope of the present invention, the ratio of the Dwell fatigue life in the orthogonal cross section is 2.0 or less, indicating that the anisotropy is small. On the other hand, in the comparative example, which is outside the scope of the present invention, it can be seen that the anisotropy of the Dwell fatigue characteristics is increased.

Figure 0007307315000001
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Figure 0007307315000002
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Figure 0007307315000003
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1…金敷、2…ビレット。 1... Anvil, 2... Billet.

Claims (5)

化学成分が、Al:5.50~6.75質量%、V:3.5~4.5質量%、Fe:0.05~0.40質量%、O:0.05~0.25質量%を含有し、残部がTiおよび不純物からなるα+β型チタン合金棒材、または、化学成分が、Al:5.50~6.50質量%、Sn:1.75~2.25質量%、Zr:3.5~4.5質量%、Mo:1.8~2.2質量%、Fe:0.02~0.25質量%、O:0.02~0.15質量%を含有し、残部がTiおよび不純物からなるα+β型チタン合金棒材であって、
前記α+β型チタン合金棒材の長軸方向に平行な断面において、円相当直径100μm未満かつアスペクト比3.0未満であるα結晶粒集合体の面積率が60%以上であり、
α結晶粒を構成する稠密六方晶の(0001)面の法線方向と、前記α+β型チタン合金棒材の長軸方向および長軸に直交する断面内における前記α+β型チタン合金棒材の周方向のそれぞれとなす角度θ、ωが0°以上55°以下の範囲にある円相当直径が20μm超のα結晶粒の面積率が15%以下であることを特徴とする、α+β型チタン合金棒材。
The chemical components are Al: 5.50 to 6.75% by mass, V: 3.5 to 4.5% by mass, Fe: 0.05 to 0.40% by mass, O: 0.05 to 0.25% by mass % with the balance being Ti and impurities, or the chemical components are Al: 5.50 to 6.50% by mass, Sn: 1.75 to 2.25% by mass, Zr : 3.5 to 4.5% by mass, Mo: 1.8 to 2.2% by mass, Fe: 0.02 to 0.25% by mass, O: 0.02 to 0.15% by mass, An α+β-type titanium alloy bar, the balance of which is Ti and impurities ,
In a cross section parallel to the major axis direction of the α+β type titanium alloy bar, the area ratio of α crystal grain aggregates having an equivalent circle diameter of less than 100 μm and an aspect ratio of less than 3.0 is 60% or more,
The normal direction of the (0001) plane of the close-packed hexagonal crystal that constitutes the α crystal grains, the longitudinal direction of the α+β-type titanium alloy rod, and the circumferential direction of the α+β-type titanium alloy rod in the cross section perpendicular to the major axis. The α + β type titanium alloy bar, characterized in that the area ratio of α crystal grains having an equivalent circle diameter of more than 20 μm in the range of 0 ° to 55 ° and ω formed with each is 15% or less .
鋳塊を熱間加工して得られたチタン合金ビレットをβ単相域の温度に加熱した後に急冷する第1の工程と、
前記チタン合金ビレットをα+β二相域の温度に加熱し、前記チタン合金ビレットの長軸方向と交差する方向から前記チタン合金ビレットをその全長に渡って鍛造した後に冷却する第2の工程と、
前記チタン合金ビレットを、α+β二相域の温度であって前記第2の工程の加熱温度以下の温度に加熱し、前記チタン合金ビレットの長軸方向と交差する方向から前記チタン合金ビレットをその全長に渡って鍛造し、少なくとも最後に冷却する第3の工程と、をこの順で行う際に、
前記第2の工程は、前記チタン合金ビレットの長軸方向の直交断面において前記直交断面の重心を通る最大幅をW1、前記直交断面の重心を通る最小幅をW2とし、鍛造後のW1/W2が1.3以下、かつ、鍛造前の前記チタン合金ビレットの幅Winiと鍛造後の幅Wafterとの比ΔW(ΔW=Wafter/Wini)が1.05以下の圧下を行う第1鍛造工程と、前記チタン合金ビレットを前記長軸周りに回転させる第1回転工程と、前記チタン合金ビレットを長軸方向に移動する第1送り工程とを行う工程であって、前記第1鍛造工程を少なくとも2回以上行うと共に前記第1鍛造工程の間に前記第1回転工程を行った後に前記第1送り工程を行うことにより前記チタン合金ビレットをその全長に渡って鍛造する工程であり、
前記第3の工程は、鍛造後のW1/W2が1.5以下の圧下を行う工程を第2鍛造工程と、前記チタン合金ビレットを前記長軸周りに回転させる第2回転工程と、前記チタン合金ビレットを長軸方向に移動する第2送り工程とを行う工程であって、前記第2鍛造工程を少なくとも2回以上行うと共に前記第2鍛造工程の間に前記第2回転工程を行った後に前記第2送り工程を行うことにより前記チタン合金ビレットをその全長に渡って鍛造する工程であり、
前記第2の工程における鍛錬比を1.6以下とし、前記第3の工程の鍛錬比を1.5以上2.5以下とする、
ことを特徴とする請求項1に記載のα+β型チタン合金棒材の製造方法。
A first step of heating a titanium alloy billet obtained by hot working an ingot to a temperature in the β single phase region and then quenching it;
a second step of heating the titanium alloy billet to a temperature in the α+β two-phase region, forging the titanium alloy billet over its entire length in a direction intersecting the longitudinal direction of the titanium alloy billet, and then cooling;
The titanium alloy billet is heated to a temperature in the α + β two-phase region and not higher than the heating temperature in the second step, and the titanium alloy billet is extended from a direction intersecting the major axis direction of the titanium alloy billet to the entire length of the billet. and a third step of forging over and at least finally cooling, in that order,
In the second step, in the cross section perpendicular to the longitudinal direction of the titanium alloy billet, the maximum width passing through the center of gravity of the perpendicular cross section is W1, the minimum width passing through the center of gravity of the perpendicular cross section is W2, and W1/W2 after forging. is 1.3 or less, and the ratio ΔW (ΔW= Wafter/Wini ) between the width Wini of the titanium alloy billet before forging and the width Wafter after forging is 1.05 or less; a step of performing a first rotation step of rotating the titanium alloy billet around the longitudinal axis and a first feeding step of moving the titanium alloy billet in the longitudinal direction, wherein the first forging step is performed at least twice; A step of forging the titanium alloy billet over its entire length by performing the above and performing the first feeding step after performing the first rotating step between the first forging steps,
The third step includes a second forging step of performing a reduction such that W1/W2 after forging is 1.5 or less, a second rotating step of rotating the titanium alloy billet around the long axis, and the titanium a step of performing a second feeding step of moving the alloy billet in the longitudinal direction, wherein the second forging step is performed at least twice, and after performing the second rotating step between the second forging steps a step of forging the titanium alloy billet over its entire length by performing the second feeding step;
The forging ratio in the second step is 1.6 or less, and the forging ratio in the third step is 1.5 or more and 2.5 or less,
The method for producing an α+β type titanium alloy bar according to claim 1, characterized in that:
前記第1の工程が、前記チタン合金ビレットをβ単相域の温度に加熱した後に、加工してから急冷する工程である、請求項に記載のα+β型チタン合金棒材の製造方法。 3. The method for producing an α+β type titanium alloy bar according to claim 2 , wherein said first step is a step of heating said titanium alloy billet to a temperature in the β single phase region, working it, and then quenching it. 前記チタン合金ビレットの化学成分が、Al:5.50~6.75質量%、V:3.5~4.5質量%、Fe:0.05~0.40質量%、O:0.05~0.25質量%を含有し、残部がTiおよび不純物からなる請求項または請求項に記載のα+β型チタン合金棒材の製造方法。 The chemical components of the titanium alloy billet are Al: 5.50 to 6.75 mass%, V: 3.5 to 4.5 mass%, Fe: 0.05 to 0.40 mass%, O: 0.05. 4. The method for producing an α+β type titanium alloy bar according to claim 2 or 3 , wherein the Ti content is 0.25% by mass and the balance is Ti and impurities. 前記チタン合金ビレットの化学成分が、Al:5.50~6.50質量%、Sn:1.75~2.25質量%、Zr:3.5~4.5質量%、Mo:1.8~2.2質量%、Fe:0.02~0.25質量%、O:0.02~0.15質量%を含有し、残部がTiおよび不純物からなる請求項または請求項に記載のα+β型チタン合金棒材の製造方法。 The chemical components of the titanium alloy billet are Al: 5.50 to 6.50% by mass, Sn: 1.75 to 2.25% by mass, Zr: 3.5 to 4.5% by mass, Mo: 1.8 2.2% by mass, Fe: 0.02 to 0.25% by mass , O: 0.02 to 0.15% by mass, and the balance consisting of Ti and impurities. A method for producing an α + β type titanium alloy bar.
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