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JP7741445B2 - Titanium alloy material, titanium alloy wire, titanium alloy powder, and method for producing titanium alloy material - Google Patents
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JP7741445B2 - Titanium alloy material, titanium alloy wire, titanium alloy powder, and method for producing titanium alloy material - Google Patents

Titanium alloy material, titanium alloy wire, titanium alloy powder, and method for producing titanium alloy material

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JP7741445B2 JP2024508835A JP2024508835A JP7741445B2 JP 7741445 B2 JP7741445 B2 JP 7741445B2 JP 2024508835 A JP2024508835 A JP 2024508835A JP 2024508835 A JP2024508835 A JP 2024508835A JP 7741445 B2 JP7741445 B2 JP 7741445B2
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Description

本発明は、チタン合金材、チタン合金線材、チタン合金粉末およびチタン合金材の製造方法に関する。 The present invention relates to titanium alloy materials, titanium alloy wires, titanium alloy powders, and methods for producing titanium alloy materials.

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 known as 3D additive manufacturing (AM) has been developed and is now being applied to metal materials. 3D additive manufacturing (AM) is generally known as 3D printer technology, but it has recently come to be collectively referred to as additive manufacturing (AM), along with various other techniques for manufacturing practical components such as industrial products by sequentially adding material to obtain three-dimensional shapes, and is attracting attention worldwide.

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 technology as a process for combining materials to manufacture components from 3D model data, and classifies it 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 jetting), 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, 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 (additive manufacturing) technology, whether using the above-mentioned methods or powder bed fusion (PBF), the metal is ultimately melted and solidified to form the desired shape, resulting in a solidified structure. Such metal components can then be further processed as needed by HIP, 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 biocompatibility, making them popular in the aircraft and medical fields, such as for implants. Among titanium alloys, Ti-6Al-4V alloy, an α+β titanium alloy with an excellent balance of 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, alpha-beta titanium alloys such as Ti-6Al-4V are made by melting and solidifying a raw material mixture of sponge titanium and master alloy to produce an ingot. The ingot is then subjected to wrought processes such as forging and rolling to produce wrought materials such as plates, bars, and shapes, which are then processed into the desired shape to produce the titanium alloy material. In this case, the titanium alloy material undergoes various processing and heat treatments during 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、溶融およ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 adopted as a means of producing components made from metallic materials, and there are increasing examples of components being produced that are shaped into a predetermined shape through melting and solidification, and have a solidified structure. Furthermore, some applications have traditionally used cast materials with a solidified structure obtained by melting and solidifying raw materials containing a mixture of titanium sponge or master alloys, or raw materials with a predetermined chemical composition. Titanium alloy materials produced through melting and solidification in this way have not undergone rolling or heat treatment, and therefore have a solidified structure that is inferior in strength and toughness.

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, Patent Document 1 describes a titanium alloy that can be formed using an additive manufacturing process to have an equiaxed crystal structure (without a subsequent processing step to eliminate the columnar crystal structure). According to this document, additively manufactured titanium alloys produce coarse columnar crystals, resulting in undesirable anisotropic mechanical properties. However, by incorporating an effective amount of a β-eutectic stabilizer, an equiaxed crystal structure can be produced when the titanium alloy is melted or sintered during the additive manufacturing process. It is stated that the β-eutectic 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 known is a Ti-Fe-Cu-based titanium alloy that adds inexpensive Cu to improve high-temperature strength over commercially pure titanium (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, excellent 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 exhibits 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 Cu powder with titanium alloy powder and using an elemental powder mixing method to increase the Cu content to a high concentration of 1-10%.

日本国特表2020-511597号公報Japan Special Table Publication No. 2020-511597 日本国特開平4-358036号公報Japanese Patent Publication No. 4-358036 日本国特開2005-298970号公報Japanese Patent Application Publication No. 2005-298970 日本国特開2014-001421号公報Japanese Patent Application Publication No. 2014-001421 日本国特開2016-183407号公報Japanese Patent Application Publication No. 2016-183407 日本国特開2013-112860号公報Japanese Patent Application Publication No. 2013-112860

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 metallic 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 subsequent thermomechanical processing to improve strength and toughness. Therefore, there is a demand for titanium alloys that have excellent strength and toughness even in their 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 these issues, the technology described in Patent Document 1 is a technology that reduces 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 regarding tensile properties, there is no mention of impact values.
Patent Document 3 relates to a heat-resistant titanium alloy plate containing inexpensive Cu, and describes the tensile properties at room temperature and at 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 with good cold rolling properties and a titanium alloy with 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 solidification.

したがって、凝固組織を有するチタン合金材について、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。
Therefore, titanium alloy materials having a solidified structure are required to have excellent strength and toughness, and also to have an excellent balance between strength and toughness.
Furthermore, titanium alloy materials having a processed structure different from the solidified structure, which are manufactured through a casting process, a hot working process, a heat treatment process, etc., are also required to have excellent strength and toughness, as well as 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、チタン合金線材、チタン合金粉末、およびチタン合金材の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention was made in consideration of the above-mentioned circumstances, and aims to provide titanium alloy materials, titanium alloy wires, titanium alloy powders, and methods for manufacturing titanium alloy materials that are superior in strength and toughness to conventional titanium alloys and also have an excellent balance of both strength and toughness properties.

上記課題を解決する本発明の要旨は以下のとおりである。
[1] 本発明の一態様に係るチタン合金材は、質量%で、Al:4.6%以上8.0%以下、Fe:0.2%以上1.5%以下、Cu:0.3%以上2.0%以下、O:0.03%以上0.20%以下、Sn:0%以上3.0%以下、Nb:0%以上8.0%以下、Si:0%以上0.80%以下、ならびに、Mo:0%以上2.0%以下、を含有し、残部:Tiおよび不純物であり、少なくとも一部が、金属組織として、α相およびβ相を含み、前記α相の楕円近似した長軸長さの平均が、20μm以上80μm以下、前記α相のアスペクト比の平均が、3.0以上5.0以下であり、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値である衝撃値CISが40J/cm以上であり、引張強さTSが900MPa以上であり、前記衝撃値CISおよび前記引張強さTSが、0.3×TS+CIS≧340を満足する。
[2] 上記[1]に記載のチタン合金材は、質量%で、Sn:0.2%以上3.0%以下、Nb:0.2%以上8.0%以下、Si:0.20%以上0.80%以下、および、Mo:0.2%以上2.0%以下、からなる群から選択される1種以上を含有していていもよい。
The gist of the present invention, which solves the above problems, is as follows.
[1] A titanium alloy material according to one embodiment of the present invention contains, by mass%, Al: 4.6% or more and 8.0% or less, Fe: 0.2% or more and 1.5% or less, Cu: 0.3% or more and 2.0% or less, O: 0.03% or more and 0.20% or less, Sn: 0% or more and 3.0% or less, Nb: 0% or more and 8.0% or less, Si: 0% or more and 0.80% or less, and Mo: 0% or more and 2.0% or less, with the balance being Ti and impurities. At least a portion of the titanium alloy material contains an α phase and a β phase as a metallographic structure, the average of the elliptical approximate major axis lengths of the α phases is 20 μm or more and 80 μm or less, the average of the aspect ratios of the α phases is 3.0 or more and 5.0 or less, and the impact value CIS, which is the value obtained by dividing the impact absorption energy obtained in a Charpy test at 25°C by the cross-sectional area of the test piece, is 40 J/cm 2 or more, the tensile strength TS is 900 MPa or more, and the impact value CIS and the tensile strength TS satisfy 0.3×TS+CIS≧340.
[2] The titanium alloy material described in the above [1] may contain, by mass%, one or more selected from the group consisting of Sn: 0.2% or more and 3.0% or less, Nb: 0.2% or more and 8.0% or less, Si: 0.20% or more and 0.80% or less, and Mo: 0.2% or more and 2.0% or less.

[3] 本発明の別の態様に係るチタン合金線材は、上記[1]に記載のチタン合金材を製造するためのチタン合金線材であって、質量%で、Al:4.6%以上8.0%以下、Fe:0.2%以上1.5%以下、Cu:0.3%以上2.0%以下、O:0.03%以上0.20%以下、Sn:0%以上3.0%以下、Nb:0%以上8.0%以下、Si:0%以上0.80%以下、ならびにMo:0%以上2.0%以下、を含有し、残部:Tiおよび不純物であり、最大径が1.0mm以上8.0mm以下であり、引張強さが900MPa以上である。 [3] Another aspect of the present invention relates to a titanium alloy wire rod for producing the titanium alloy material described in [1] above, which contains, by mass%, Al: 4.6% or more and 8.0% or less, Fe: 0.2% or more and 1.5% or less, Cu: 0.3% or more and 2.0% or less, O: 0.03% or more and 0.20% or less, Sn: 0% or more and 3.0% or less, Nb: 0% or more and 8.0% or less, Si: 0% or more and 0.80% or less, and Mo: 0% or more and 2.0% or less, with the balance being Ti and impurities, and has a maximum diameter of 1.0 mm or more and 8.0 mm or less, and a tensile strength of 900 MPa or more.

[4] 本発明のさらに別の態様に係るチタン合金粉末は、上記[1]に記載のチタン合金材を製造するためのチタン合金粉末であって、質量%で、Al:4.6%以上8.0%以下、Fe:0.2%以上1.5%以下、Cu:0.3%以上2.0%以下、O:0.03%以上0.20%以下、Sn:0%以上3.0%以下、Nb:0%以上8.0%以下、Si:0%以上0.80%以下、ならびにMo:0%以上2.0%以下、を含有し、残部:Tiおよび不純物であり、平均粒径が10μm以上100μm以下であり、粒径の標準偏差が5μm以上15μm以下である。 [4] A titanium alloy powder according to yet another aspect of the present invention is a titanium alloy powder for producing the titanium alloy material described in [1] above, containing, by mass%, Al: 4.6% or more and 8.0% or less, Fe: 0.2% or more and 1.5% or less, Cu: 0.3% or more and 2.0% or less, O: 0.03% or more and 0.20% or less, Sn: 0% or more and 3.0% or less, Nb: 0% or more and 8.0% or less, Si: 0% or more and 0.80% or less, and Mo: 0% or more and 2.0% or less, the balance being Ti and impurities, and having an average particle size of 10 μm or more and 100 μm or less, and a standard deviation of the particle size of 5 μm or more and 15 μm or less.

[5] 本発明のさらに別の態様に係るチタン合金材の製造方法は、上記[1]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であって、質量%で、Al:4.6%以上8.0%以下、Fe:0.2%以上1.5%以下、Cu:0.3%以上2.0%以下、O:0.03%以上0.20%以下、Sn:0%以上3.0%以下、Nb:0%以上8.0%以下、Si:0%以上0.80%以下、ならびにMo:0%以上2.0%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。 [5] A further aspect of the present invention relates to a method of manufacturing a titanium alloy material for manufacturing the titanium alloy material described in [1] above, which contains, by mass%, Al: 4.6% or more and 8.0% or less, Fe: 0.2% or more and 1.5% or less, Cu: 0.3% or more and 2.0% or less, O: 0.03% or more and 0.20% or less, Sn: 0% or more and 3.0% or less, Nb: 0% or more and 8.0% or less, Si: 0% or more and 0.80% or less, and Mo: 0% or more and 2.0% or less, with the balance being Ti and impurities. The method comprises a first step of spreading pure titanium alloy powder in a layer to form a powder bed, and irradiating the surface of the powder bed with a high-energy beam to melt and solidify a portion of the powder bed, and a second step of spreading the titanium alloy powder in a layer on top of the powder bed to form a new powder bed, and irradiating the surface of the new powder bed with a high-energy beam to melt and solidify a portion of the new powder bed, and after performing the first step, the second step is repeated at least once.

[6] 本発明のさらに別の態様に係るチタン合金材の製造方法は、上記[1]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であって、質量%で、Al:4.6%以上8.0%以下、Fe:0.2%以上1.5%以下、Cu:0.3%以上2.0%以下、O:0.03%以上0.20%以下、Sn:0%以上3.0%以下、Nb:0%以上8.0%以下、Si:0%以上0.80%以下、ならびにMo:0%以上2.0%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。
[7] 上記[5]または[6]に記載のチタン合金材の製造方法では、上記[5]または[6]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種または2種以上を行うってもよい。
[6] A method for producing a titanium alloy material according to yet another embodiment of the present invention is a method for producing the titanium alloy material described in [1] above, comprising the steps of: supplying a titanium alloy material comprising, by mass%, Al: 4.6% or more and 8.0% or less, Fe: 0.2% or more and 1.5% or less, Cu: 0.3% or more and 2.0% or less, O: 0.03% or more and 0.20% or less, Sn: 0% or more and 3.0% or less, Nb: 0% or more and 8.0% or less, Si: 0% or more and 0.80% or less, and Mo: 0% or more and 2.0% or less, with the balance being Ti and impurities, in the form of a powder or wire rod, onto a substrate; irradiating the titanium alloy material with a high-energy beam to melt and solidify the titanium alloy material on the substrate, thereby depositing a solidified metal on the substrate.
[7] In the method for producing a titanium alloy material according to the above [5] or [6], the titanium alloy material obtained by the method for producing a titanium alloy material according to the above [5] or [6] may be subjected to one or more of hot working, cold working, straightening, and cutting.

本開示によれば、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、チタン合金線材、およびチタン合金粉末を得ることができる。
本開示は、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、本開示のチタン合金材は、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、本開示のチタン合金材は、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 disclosure, it is possible to obtain titanium alloy materials, titanium alloy wires, and titanium alloy powders that are superior in strength and toughness to conventional titanium alloys and that have an excellent balance between the strength and toughness properties.
The present disclosure is not limited to titanium alloy materials having a solidified structure, but may also be a titanium alloy material having a worked structure. In the case of a worked structure, a titanium alloy material can be obtained that can achieve a higher level of balance between the properties of strength and toughness.
Furthermore, the titanium alloy material of the present disclosure can be used for components for a wide variety of applications manufactured by additive manufacturing. Furthermore, as a titanium alloy material with an excellent balance of strength and toughness, the titanium alloy material of the present disclosure can contribute to energy and resource conservation by taking advantage of its lightweight and high-strength properties.

EBSDによる、本発明の一実施形態に係るチタン合金材のImage Qualityマップの例を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing an example of an Image Quality map of a titanium alloy material according to an embodiment of the present invention, obtained by EBSD. EBSDによる、従来のチタン合金材のImage Qualityマップの例を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing an example of an Image Quality map of a conventional titanium alloy material by EBSD.

<チタン合金材>
チタン合金材は、一部に又は全部に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材も含む。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および靭性に優れ、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、溶融およ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、更に熱間加工や熱処理等を行うことで得られた加工後の組織や熱処理後の組織等の金属組織を指す意味で用いる。
<Titanium alloy material>
Titanium alloy materials are not limited to titanium alloy materials having a solidification structure in part or in whole, but also include titanium alloy materials having a processed structure. The inventors have investigated chemical compositions that are superior in strength and toughness to existing titanium alloys and also have an excellent balance of strength and toughness in various metallographic states such as solidification structures and processed structures, particularly in solidification structure states, and have discovered a component system that provides favorable properties. In this specification, the term "solidification structure" is used to refer to a metallographic structure obtained through the processes of melting and solidification. Furthermore, the term "processed structure" is used to refer to a metallographic structure other than a solidification structure such as a cast material, specifically a metallographic structure obtained by further hot working, heat treatment, etc., such as a processed structure or a heat-treated structure.

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、延伸結晶粒と再結晶によって形成される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。柱状結晶粒は、一般にチタン合金材の表面から中心部に向かって柱状に形成される。中心部には等軸結晶粒が形成されることがある。延伸結晶粒は、凝固組織あるいは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。等軸結晶粒は、加工後の延伸結晶粒に熱処理を加えることで再結晶により形成される。また、加工組織は、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(主としてα相とβ相)、等軸組織(主としてα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、延伸結晶粒のアスペクト比は1以外の値となる。熱処理後の等軸結晶粒が球形状の場合、等軸結晶粒は真円形状、加工後の延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。 Furthermore, examples of solidification structures include structures composed of columnar grains and equiaxed grains. Examples of processed structures include structures composed of elongated grains and equiaxed grains formed by recrystallization. These are classified based on the differences in the crystal shape, in contrast to classifications based on the manufacturing process. Columnar grains generally form in a columnar shape from the surface toward the center of a titanium alloy material. Equiaxed grains may form in the center. Elongated grains are formed by stretching or shrinking the solidification structure or equiaxed grains in a specific direction through deformation, or a combination of these. Equiaxed grains are formed by recrystallization through heat treatment of elongated grains after processing. Processed structures include acicular structures (mainly α and β phases), equiaxed structures (mainly α phases), and precipitates of various shapes (including equiaxed grains) formed by heat treatment, as described below, specifically heat treatment involving transformation. When observing an arbitrary cross section of a titanium alloy, the aspect ratio of equiaxed crystal grains is approximately 1, while the aspect ratio of elongated crystal grains is a value other than 1. If the equiaxed crystal grains after heat treatment are spherical, the equiaxed crystal grains will be circular, and the elongated crystal grains after processing will be elliptical. The processed structure is not limited to the above.

チタン合金材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)と引張強さ(TS、単位:MPa)の関係が、0.3×TS+CIS<340の範囲にあることがわかった。すなわち、引張強さ(MPa)の0.3倍の値と衝撃値(J/cm))の値の合計値が最大でも340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、強度およ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0.3×TS+CIS≧340となり、靭性に関してはCIS≧40となり、強度に関しては既存のTi-3Al-2.5V合金を超えるTS≧900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、衝撃値およ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およびその製造方法、ならびに、当該チタン合金の製造に使用可能なチタン合金線材およびチタン合金粉末について説明する。
As an index of the toughness of titanium alloy materials, the impact value (CIS), calculated by dividing the impact absorption energy determined in a Charpy impact test at 25°C by the cross-sectional area of the test piece, was used. As a result of studies 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 alloys such as Ti-6Al-4V is in the range of 0.3×TS+CIS<340. That is, it was found that the maximum sum of the value of 0.3 times the tensile strength (MPa) and the impact value (J/cm 2 ) is less than 340. Therefore, even if a balance between strength and toughness is achieved in conventional titanium alloys, the strength and toughness themselves are not high. Therefore, various studies were conducted to simultaneously achieve a relationship between toughness and strength of 0.3×TS+CIS≧340, which means that CIS≧40 in terms of toughness, and a strength of TS≧900, which exceeds that of the existing Ti-3Al-2.5V alloy. As a result, by appropriately controlling the amounts of Al, Fe, Cu, and O added, a titanium alloy was discovered that exhibits excellent impact value and strength even in the solidified structure state.
Hereinafter, a titanium alloy material according to an embodiment of the present invention, a method for producing the same, and a titanium alloy wire and titanium alloy powder that can be used to produce the titanium alloy 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:0.2%以上1.5%以下、Cu:0.3%以上2.0%以下、O:0.03%以上0.20%以下、Sn:0%以上3.0%以下、Nb:0%以上8.0%以下、Si:0%以上0.8%以下、ならびに、Mo:0%以上2.0%以下、を含有し、残部:Tiおよび不純物および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: 0.2% to 1.5%, Cu: 0.3% to 2.0%, O: 0.03% to 0.20%, Sn: 0% to 3.0%, Nb: 0% to 8.0%, Si: 0% to 0.8%, and Mo: 0% to 2.0%, with the balance being Ti and impurities. Furthermore, the titanium alloy material of this embodiment is an α+β 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、「~」を用いて表される場合、その数値範囲は、「~」の前後に記載される数値を下限値およ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 "%" used to indicate the content of each element in the chemical composition means "mass %." Furthermore, when a numerical range is expressed using "to", it means a range that includes the numerical values written before and after "to" as the lower and upper limits. Furthermore, when the numerical values written before and after "to" are followed by "greater than" or "less than", it means a range that 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)に対して同等以上となる引張強さ900MPa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、好ましくは4.8%以上、より好ましくは5.0%以上である。Al含有量は、好ましくは7.8%以下でもよく、より好ましくは7.5%以下でもよい。Al is an α-phase stabilizer and primarily strengthens the α-phase. If the Al content is less than 4.6%, it becomes difficult to achieve a tensile strength of 900 MPa or more, which is equivalent to or greater than that of the α+β titanium alloy Ti-3Al-2.5V (ASTM grade 9). On the other hand, if the Al content exceeds 8.0%, ductility decreases significantly, resulting in a decrease in toughness. Furthermore, as described below, an Al content of less than 4.6% is insufficient to achieve the combined effects of Al and Cu, but an Al content of 4.6% or more can achieve the combined effects. Therefore, the Al content is set to 4.6% or more and 8.0% or less. The Al content is preferably 4.8% or more, more preferably 5.0% or more. The Al content may be preferably 7.8% or less, more preferably 7.5% 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。本開示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、0.2%以上あればその効果が得られる。一方、Feが1.5%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0.2%以上1.5%以下とする。Fe含有量は、好ましくは0.3%以上、より好ましくは、0.5%以上でもよい。また、Fe含有量は、好ましくは1.3%以下、より好ましくは、1.0%以下でもよい。Fe is a β-phase stabilizing element, and its solid solubility in the α-phase is low compared to other elements. However, when its solid solubility in the α-phase is exceeded, the titanium alloy undergoes a two-phase transformation into α and β phases, improving strength. In the titanium alloy material disclosed herein, Cu, another β-stabilizing element, is also added, so an Fe content of 0.2% or more provides this effect. On the other hand, when Fe exceeds 1.5%, the effects of grain boundary segregation become significant, and toughness begins to decrease. Furthermore, when Fe exceeds its solid solubility limit and compounds with Ti precipitate, toughness decreases significantly. Therefore, the Fe content is set to 0.2% or more and 1.5% or less. The Fe content may be preferably 0.3% or more, more preferably 0.5% or more. The Fe content may also be preferably 1.3% or less, more preferably 1.0% 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。しかしながら、Cuが2.0%を超えると、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 that, like Fe, improves strength by forming a two-phase structure consisting of α and β phases. At the same time, Cu can dissolve in the α phase up to a maximum of 2.5%, improving the strength of titanium alloy materials. Furthermore, even when dissolved in the α phase, it does not inhibit twinning, a type of deformation mechanism in the α phase, and therefore hardly impairs the ductility and toughness of the α phase. Therefore, Cu is an essential additive element for improving the balance between strength and toughness. However, if Cu exceeds 2.0%, coarse Ti and Cu compounds precipitate, reducing toughness. On the other hand, if Cu is less than 0.3%, the effect of improving the balance between strength and ductility is diminished.

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%以上含有する本開示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。 In addition, 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, the titanium alloy material according to the present disclosure, which contains 4.6% or more Al, can enjoy the effects of Cu to a greater extent. As mentioned above, when Al exceeds 8.0%, strength increases, but toughness decreases.

従って、Cu含有量は0.3%以上2.0%以下とする。Cu含有量は、0.5%以上であってもよい。また、Cu含有量は、1.5%以下であってもよい。Therefore, the Cu content is set to 0.3% or more and 2.0% or less. The Cu content may be 0.5% or more. The Cu content may also be 1.5% 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、O含有量は0.20%以下であることが好ましい。O含有量は、好ましくは0.18%以下、より好ましくは0.16%以下、更に好ましくは0.15%以下である。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、O含有量は0.03%以上が好ましい。O含有量は、より好ましくは0.04%以上、より一層好ましくは0.05%以上である。 O is an α-phase stabilizer and strengthens the α-phase. However, as a high O content reduces toughness, it is preferable that the O content be 0.20% or less. The O content is preferably 0.18% or less, more preferably 0.16% or less, and even more preferably 0.15% or less. On the other hand, O is an element that is difficult to remove during titanium smelting, and keeping it below 0.03% would result in excessive cost increases. Therefore, an O content of 0.03% or more is preferable. The O content is more preferably 0.04% or more, and even more preferably 0.05% or more.

更に、本開示では、上記元素のほかに、Tiの一部に代えて、Sn:3.0%以下、Nb:8.0%以下、Si:0.80%以下、Mo:2.0%以下、からなる群から選択される1種以上を含有することができる。 Furthermore, in this disclosure, in addition to the above elements, one or more elements selected from the group consisting of Sn: 3.0% or less, Nb: 8.0% or less, Si: 0.80% or less, and Mo: 2.0% or less may be contained in place of a portion of Ti.

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、3.0%を超えると靭性が低下する。従って、Snを含有させる場合、Sn含有量は3.0%以下とする。Sn含有量は、好ましくは2.0%以下である。また、Snを含有させる場合は、Sn含有量は、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. Toughness decreases when the Sn content exceeds 3.0%. Therefore, when Sn is contained, the Sn content should be 3.0% or less. The Sn content is preferably 2.0% or less. Furthermore, when Sn is contained, the Sn content 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を含有させる場合、Nb含有量は8.0%以下とする。Nb含有量は、好ましくは5.0%以下である。また、Nbを含有させる場合は、Nb含有量は、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, if Nb is contained, the Nb content should be 8.0% or less. The Nb content is preferably 5.0% or less. Furthermore, if Nb is contained, the Nb content 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0.80%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を含有させる場合、Si含有量は0.80%以下とする。Si含有量は、好ましくは0.50%以下である。また、Siを含有させる場合は、Si含有量は、0.20%以上であってもよく、0.30%以上であってもよい。 Si is a β-stabilizing element, but it also dissolves in the α-phase, significantly improving the strength of the alloy. However, if the Si content exceeds 0.80%, coarse Ti and Si compounds precipitate, reducing toughness. Therefore, if Si is included, the Si content should be 0.80% or less. The Si content is preferably 0.50% or less. Furthermore, if Si is included, the Si content may be 0.20% or more, or even 0.30% 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、2.0%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を含有させる場合、Mo含有量は2.0%以下とする。Mo含有量は、好ましくは1.8%以下である。また、Moを含有させる場合は、Mo含有量は、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 has a greater strengthening ability per mass percent than Cu. However, if it exceeds 2.0%, the α-phase precipitated in the β-phase becomes too fine, significantly reducing toughness. Therefore, if Mo is added, the Mo content should be 2.0% or less. The Mo content is preferably 1.8% or less. Furthermore, if Mo is added, the Mo content 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および不純物であってよい。不純物とは、C、N、Hおよびその他の不純物をいう。これらはチタン合金材に含まれなくてもよいが不可避的に混入する不純物であるため、チタン合金材への含有が避けられない。C含有量は0.20%以下、N含有量は0.20%以下、及びH含有量は0.0150%以下であれば、問題のないレベルである。また、その他の不純物を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、Pt、Pd、Mn、Co、Y、B、Ru、W、Cr、Niなどである。不純物としての、C、N、H以外の元素の含有量は、例えば、それぞれ0.1%以下であり、総量で0.5%以下であれば問題無いレベルである。The remainder in the chemical composition may consist of Ti and impurities. Impurities include C, N, H, and other impurities. While these do not necessarily need to be present in titanium alloy materials, they are unavoidable impurities that are inevitably mixed in, making their inclusion in titanium alloy materials unavoidable. A C content of 0.20% or less, an N content of 0.20% or less, and an H content of 0.0150% or less are considered acceptable. Specific examples of other impurities include Cl, Na, Mg, and Ca, which are mixed in during the refining process, and Zr, Ta, V, Pt, Pd, Mn, Co, Y, B, Ru, W, Cr, and Ni, which are mixed in from scrap. The content of elements other than C, N, and H as impurities is, for example, 0.1% or less each, and a total of 0.5% or less is considered acceptable.

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、本開示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。 Furthermore, Cr or Ni, which are typical eutectoid β-stabilizing elements, are sometimes used as partial or complete substitutes for Fe because, like Fe, they stabilize the β phase and contribute to improving strength through the two-phase formation. However, adding either or both of Cr and Ni to the Ti-Al-Fe-Cu-O system, which is the basic component system of this disclosure, reduces the amount of Cu dissolved in the α phase, preventing the improvement in the balance between strength and ductility provided by Cu. Therefore, it is preferable to limit the amount of Cr or Ni to the level contained as an impurity in titanium raw materials such as sponge titanium and titanium scrap. Preferably, the concentration of each of Cr and Ni is 0.1% or less.

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。図1に、EBSDによる、本発明の一実施形態に係るチタン合金材のImage Qualityマップの例を示す。図2に、EBSDによる、従来のチタン合金材のImage Qualityマップの例を示す。熱間加工および熱処理後の従来のチタン合金材は、図2に示すように、数十μm程度の結晶粒で構成され、図1に示す本実施形態に係るチタン合金材の凝固組織とは明確に異なる。以下に、本実施形態に係るチタン合金材は、その一部に凝固組織を有する。本実施形態に係るチタン合金材が有する凝固組織を詳細に説明する。なお、本実施形態に係るチタン合金材の金属組織の全部が凝固組織であってもよい。 Next, the solidification structure of the titanium alloy material of this embodiment will be described. Figure 1 shows an example of an Image Quality map of a titanium alloy material according to one embodiment of the present invention, obtained by EBSD. Figure 2 shows an example of an Image Quality map of a conventional titanium alloy material, obtained by EBSD. As shown in Figure 2, a conventional titanium alloy material after hot working and heat treatment is composed of crystal grains of approximately several tens of μm, and is clearly different from the solidification structure of the titanium alloy material according to this embodiment, shown in Figure 1. The titanium alloy material according to this embodiment has a solidification structure in part below. The solidification structure of the titanium alloy material according to this embodiment will be described in detail. Note that the entire metal structure of the titanium alloy material according to this embodiment may be a solidification structure.

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チタン合金の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。 The titanium alloy material according to this embodiment has the chemical composition of a titanium alloy commonly known as an α+β titanium alloy, and its metal structure contains 70% or more of the α phase and 30% or less of the 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 of this embodiment is solidified from a molten state, columnar crystals are formed continuously in the solidification direction, but the metal phase is first formed as 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高温での保持時間、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チタン合金材の場合は、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程度以下になることが多い。また、一辺の長さが数百mm程度の大きさのチタン合金材の場合は、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程度以下になることが多い。 The grain size of the beta phase formed during solidification varies depending on the size of the titanium alloy material being manufactured, the holding time at high temperatures, the cooling method, etc., but for titanium alloy materials with sides measuring no more than a few tens of millimeters, the grain size of the beta phase when observed in a cross section perpendicular to the solidification direction is often no more than about 2 mm. Furthermore, for titanium alloy materials with sides measuring no more than a few hundred millimeters, the grain size of the beta phase when observed in a cross section perpendicular to the solidification direction is often no more than about 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と呼ばれる。冷却速度が速い場合には、粒界αは形成されず、β相の粒内に針状のα相またはα’相が形成される。β相内に形成される針状のα相は、一般に針状αと呼ばれる。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。
本実施形態に係るチタン合金材におけるα相では、その楕円近似した長軸長さの平均が20μm以上80μm以下である。ここでいうα相の楕円近似した長軸長さの平均は、粒界αおよび針状αの長軸長さを楕円近似した平均とする。α相の楕円近似した長軸長さの平均が20μm以上であれば、き裂偏向(crack deflection)の効果により衝撃値が向上する。α相の楕円近似した長軸長さの平均は、好ましくは25μm以上であり、より好ましくは30μm以上である。また、α相の楕円近似した長軸長さの平均が80μm以下であれば、延性が低下しすぎることがなく高い衝撃値が得られる。α相の楕円近似した長軸長さの平均は、好ましくは70μm以下であり、より好ましくは60μm以下である。
In addition, in solidification structures, the α phase formed at the grain boundaries of the β phase is generally called grain boundary α. When the cooling rate is fast, grain boundary α is not formed, and acicular α phase or α' phase is formed within the grains of the β phase. The acicular α phase formed within the β phase is generally called acicular α. Except when the cooling rate is fast, the acicular α often forms a colony structure in which grains with 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.
In the α phase in the titanium alloy material according to this embodiment, the average length of the long axis of the ellipsoid is 20 μm or more and 80 μm or less. The average length of the long axis of the α phase is the average length of the long axis of the grain boundary α and the acicular α, which are ellipsoidally approximated. If the average length of the long axis of the α phase is 20 μm or more, the impact value is improved due to the effect of crack deflection. The average length of the long axis of the α phase is preferably 25 μm or more, more preferably 30 μm or more. Furthermore, if the average length of the long axis of the α phase is 80 μm or less, a high impact value can be obtained without excessively decreasing ductility. The average length of the long axis of the α phase is preferably 70 μm or less, more preferably 60 μm or less.

また、α相のアスペクト比の平均は、3.0以上5.0以下である。ここでいうα相のアスペクト比の平均は、粒界αおよび針状αのアスペクト比の平均とする。α相のアスペクト比の平均が3.0以上であれば、き裂偏向(crack deflection)の効果により衝撃値が向上する。α相のアスペクト比の平均は、好ましくは3.2以上であり、より好ましくは3.4以上である。また、α相のアスペクト比の平均が5.0以下であれば、延性が低下しすぎることがなく高い衝撃値が得られる。α相のアスペクト比の平均は、好ましくは4.8以下であり、より好ましくは4.6以下である。 The average aspect ratio of the α phase is 3.0 or more and 5.0 or less. The average aspect ratio of the α phase here refers to the average aspect ratio of the grain boundary α and acicular α. If the average aspect ratio of the α phase is 3.0 or more, the impact value is improved due to the effect of crack deflection. The average aspect ratio of the α phase is preferably 3.2 or more, and more preferably 3.4 or more. If the average aspect ratio of the α phase is 5.0 or less, a high impact value can be obtained without excessively reducing ductility. The average aspect ratio of the α phase is preferably 4.8 or less, and more preferably 4.6 or less.

α相の楕円近似した長軸長さの平均およびアスペクト比の平均は、以下の方法で測定する。チタン合金材から高さ3~20mm×幅3~20mmであって、長さ1/4~3/4の範囲から、任意の直方体試験片を採取する。このとき、直方体試験片の高さ方向及び幅方向を、それぞれチタン合金材の高さ方向及び幅方向に一致させ、直方体試験片の高さ方向と幅方向からなる面の中心を、チタン合金材の高さ1/2かつ幅1/2の位置に一致させて上記直方体試験を採取する。直方体試験片の高さ方向と幅方向からなる面を観察面とし、エメリー紙を用いて観察面を粗研磨する。幅方向は、チタン合金材を製造する際のビームの照射方向に対して垂直な方向である。幅方向の特定が困難な場合には、積層方向に垂直な面内で長さの短い方を幅方向とする。高さは積層方向と一致する。上記観察面を粗研磨した後、コロイダルシリカを用いてバフ研磨して、当該観察面を鏡面仕上げとする。組織解析には、走査電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope;SEM)(日本電子株式会社製JSM―7200F)、電子線後方散乱回折(Electron BackScatter Diffraction;EBSD)(株式会社TSLソリューションズ製EBSD検出器Velocity)、および解析ソフトウェアOIM analysis V7を使用する。測定条件および解析条件は、加速電圧15kV、測定倍率250倍、測定視野300μm角以上、測定ステップ0.5μm、Grain Toleranceを5°とし、菊池パターン解析からα相と判定された結晶粒の形状を楕円近似して得られる長軸長さとアスペクト比を求める。測定視野は300μm角以上であれば問題無い。平均値の算出には、面積を考慮したArea法を採用した。これらの解析は、OIM Analysis上でGUI操作により行う。また、楕円近似方法はOIM Analysis7のマニュアル442頁に記載の「Method 2 - Major = Maximum Distance, Minor = averaging scheme」に従い行う。 The average length of the long axis of the ellipsoid-approximated α phase and the average aspect ratio are measured using the following method. A rectangular parallelepiped test specimen measuring 3 to 20 mm in height and 3 to 20 mm in width, with a length of 1/4 to 3/4, is taken from the titanium alloy material. The height and width directions of the rectangular parallelepiped test specimen are aligned with the height and width directions of the titanium alloy material, respectively, and the center of the plane defined by the height and width directions of the rectangular parallelepiped test specimen is aligned with the half-height and half-width positions of the titanium alloy material. The plane defined by the height and width directions of the rectangular parallelepiped test specimen is used as the observation surface, and is roughly polished using emery paper. The width direction is perpendicular to the beam irradiation direction used in manufacturing the titanium alloy material. If it is difficult to determine the width direction, the shorter length within the plane perpendicular to the lamination direction is taken as the width direction. The height corresponds to the lamination direction. After rough polishing, the observation surface is buffed using colloidal silica to achieve a mirror finish. For the structural analysis, a scanning electron microscope (SEM) (JSM-7200F manufactured by JEOL Ltd.), electron backscatter diffraction (EBSD) (EBSD detector Velocity manufactured by TSL Solutions Co., Ltd.), and analysis software OIM analysis V7 are used. The measurement and analysis conditions are an acceleration voltage of 15 kV, a measurement magnification of 250x, a measurement field of view of 300 μm square or more, a measurement step of 0.5 μm, and a grain tolerance of 5°. The major axis length and aspect ratio obtained by elliptical approximation of the shape of the crystal grains determined to be α-phase from Kikuchi pattern analysis are obtained. There is no problem if the measurement field of view is 300 μm square or more. The area method, which takes into account the area, was used to calculate the average value. These analyses are performed using GUI operations on OIM Analysis. The ellipse approximation method is performed according to "Method 2 - Major = Maximum Distance, Minor = averaging scheme" described on page 442 of the OIM Analysis 7 manual.

なお、β相は室温でも残留するほか、一部は、α”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。 In addition, the β phase remains even at room temperature, and some of it may form α" phase or ω phase, or 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. In order 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延伸結晶粒、更に熱処理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、等軸粒を含む様々な形状の析出物を含む組織を例示できる。 Furthermore, the metal structure of the titanium alloy material of this embodiment is not limited to that having the solidification structure described above, but may also have a processed structure. Examples of processed structures include elongated grains obtained by subjecting a member having a solidification structure, such as a cast material, to processing involving deformation, such as hot rolling, equiaxed grains obtained by further heat treatment, 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、優れた靭性およ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、引張強さ(TS、単位:MPa)との関係が、0.3×TS+CIS≧340となり、靭性に関してはCIS≧40となり、強度に関してはTS≧900を達成するものとなる。このような靭性および強度は、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、上記の靭性および強度を達成することができる。CISは、好ましくは45以上である。また、TSは、好ましくは950MPa以上である。 The titanium alloy material of this embodiment has excellent toughness and strength regardless of whether the metal structure is a solidified structure, a processed structure, or other structure. That is, the relationship between the impact value (CIS, unit: J/cm 2 ) obtained by dividing the impact absorption energy obtained in a Charpy test at 25°C by the cross-sectional area of the test piece and the tensile strength (TS, unit: MPa) of the titanium alloy material of this embodiment is 0.3 × TS + CIS ≥ 340, and the toughness is CIS ≥ 40, while the strength is TS ≥ 900. Such toughness and strength can be achieved even if the titanium alloy material of this embodiment has a solidified structure. Furthermore, 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 inferior toughness to a processed structure. CIS is preferably 45 or more. TS is preferably 950 MPa or more.

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は、上述した付加製造技術によって製造され、本実施形態に係るチタン合金材の製造方法には、粉末床溶融結合法または指向性エネルギー堆積法が適用される。以下に、粉末床溶融結合法および指向性エネルギー堆積法によるチタン合金材の製造方法を説明する。
Next, a method for manufacturing a titanium alloy material according to this embodiment will be described.
The titanium alloy material according to this embodiment is manufactured by the additive manufacturing technology described above, and the manufacturing method of the titanium alloy material according to this embodiment is applied by powder bed fusion or directed energy deposition. The manufacturing methods of the titanium alloy material according to powder bed fusion and directed energy deposition will be described below.

(粉末床溶融結合法)
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、必要に応じて鍛造や圧延などを行って棒材とし、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。
(Powder Bed Fusion)
In the case of powder bed fusion, metallic raw materials such as sponge titanium, aluminum, iron, copper, etc. are mixed and, if necessary, compression molded, and then melted by a consumable electrode vacuum arc melting method (VAR), electron beam melting method (EBR), plasma arc melting method (PAM), etc., and, if necessary, forged or rolled into a rod, after which 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。粉末床の厚さは、例えば、20~150μmである。Next, the obtained titanium alloy powder is spread in layers to form a powder bed, and the first step is carried out in which a high-energy beam is irradiated onto the surface of the powder bed to melt and solidify part of the powder bed. The thickness of the powder bed is, for example, 20 to 150 μm.

次いで、粉末床の上にチタン合金粉末を層状に敷き新たな粉末床とし、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。第2工程における粉末床の厚さも、第1工程における粉末床と同様に、例えば、20~150μmである。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 this new powder bed to melt and solidify part of the new powder bed. The thickness of the powder bed in the second process is also the same as that of the powder bed in the first process, for example, 20 to 150 μm.

第1工程および第2工程のそれぞれにおける、レーザービームの入熱量は、例えば、5.0~30.0J/mmである。レーザービームの走査速度は、例えば、400~900mm/秒であり、レーザー出力は、70~200Wである。レーザービーム径は、例えば、30~70μmである。レーザービームの照射間隔は、例えば、50~150μmである。溶け込み深さは、例えば、10~150μmである。また、第1工程および第2工程におけるレーザービーム照射雰囲気は、酸化を防止するため、不活性ガス雰囲気、例えばアルゴン雰囲気である。 The heat input of the laser beam in each of the first and second steps is, for example, 5.0 to 30.0 J/ mm3 . The scanning speed of the laser beam is, for example, 400 to 900 mm/sec, and the laser output is 70 to 200 W. The laser beam diameter is, for example, 30 to 70 μm. The laser beam irradiation interval is, for example, 50 to 150 μm. The penetration depth is, for example, 10 to 150 μm. Furthermore, the laser beam irradiation atmosphere in the first and second steps is an inert gas atmosphere, for example, an argon atmosphere, to prevent oxidation.

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 performing the first step, the second step can be repeated at least once to produce a titanium alloy material having a predetermined shape.

なお、粉末床溶融結合法に使用する粉末には、後述するチタン合金粉末を使用することができるが、当該チタン合金粉末に限らず、チタン粉、アルミニウム粉、鉄粉、銅粉、および他の金属粉、ならびにそれぞれの一部を含む合金粉をチタン合金材の化学組成になるように調整した混合粉末を用いてもよい。 The powder used in the powder bed fusion method can be the titanium alloy powder described below, but it is not limited to this titanium alloy powder. It is also possible to use a mixed powder of titanium powder, aluminum powder, iron powder, copper powder, and other metal powders, as well as alloy powders containing portions of each, adjusted to have the chemical composition of a titanium alloy material.

(指向性エネルギー堆積法)
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、必要に応じて鍛造や圧延などを行って棒材とし、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、この鋳片を鍛造、圧延、伸線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。
(Directed Energy Deposition)
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 forged or rolled as necessary to form a rod, which is then subjected to gas atomization or other methods to produce titanium alloy powder. Alternatively, the melted mixture is solidified to form a slab, which is then forged, rolled, and drawn to form a 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。高エネルギービームには、例えば、電子ビーム、プラズマアーク、またはレーザービームが挙げられる。以下に、電子ビームを照射する場合およびプラズマアークを使用する場合の例について説明する。 Next, while supplying the titanium alloy material in powder or wire form onto a substrate, a high-energy beam is irradiated onto the titanium alloy material, melting and solidifying the titanium alloy material on the substrate and depositing the solidified metal on the substrate, thereby producing a titanium alloy material having a predetermined shape. Examples of high-energy beams include electron beams, plasma arcs, and laser beams. Below, we will explain examples of when an electron beam is irradiated and when a plasma arc is used.

[電子ビーム照射による例]
チタン合金素材には、例えば、φ1.0~8.0mmの線材または当該線材の断面積と等しい断面積を有する角棒が用いられる。電子ビームの電流は、例えば10~100mAであり、チタン合金素材の送り速度は、例えば、1000~3000mm/分とする。チタン合金基材の厚さは、例えば10~20mmとし、当該チタン合金基材は冷却されている。チタン合金基材の温度が1000~700℃の範囲の冷却速度は、例えば3.0℃/秒以上とする。700℃未満の範囲の冷却速度は、例えば、0.2℃/秒以上2.0℃/秒以下とする。電子ビーム照射雰囲気は、真空雰囲気であり、例えば、圧力が1.3×10-3Pa以下の雰囲気である。
[Example using electron beam irradiation]
The titanium alloy material may be, for example, a wire rod having a diameter of 1.0 to 8.0 mm or a square bar having a cross-sectional area equal to that of the wire rod. The electron beam current may be, for example, 10 to 100 mA, and the feed rate of the titanium alloy material may be, for example, 1000 to 3000 mm/min. The thickness of the titanium alloy substrate may be, for example, 10 to 20 mm, and the titanium alloy substrate is cooled. The cooling rate when the temperature of the titanium alloy substrate is in the range of 1000 to 700°C may be, for example, 3.0°C/sec or more. The cooling rate when the temperature is less than 700°C may be, for example, 0.2°C/sec or more and 2.0°C/sec or less. The electron beam irradiation atmosphere is a vacuum atmosphere, for example, an atmosphere with a pressure of 1.3 × 10 -3 Pa or less.

[プラズマアークによる例]
チタン合金素材には、例えば、φ1.0~8.0mmの線材または当該線材の断面積と等しい断面積を有する角棒が用いられる。プラズマ電流は、例えば100~300Aであり、チタン合金素材の送り速度は、例えば、10~400mm/分とする。チタン合金基材の厚さは、例えば10~20mmとし、当該チタン合金基材は冷却されている。チタン合金基材の温度が1000~700℃の範囲の冷却速度は、例えば3.0℃/秒以上とする。700℃未満の範囲の冷却速度は、例えば、0.2℃/秒以上3.0℃/秒以下とする。プラズマアーク雰囲気は、酸化を防止するため、不活性ガス雰囲気、例えばアルゴン雰囲気である。なお、チタン合金基材の冷却は、熱影響による変形が抑制され、積層体の冷却速度が得られるのであれば、上述した範囲から外れていてもよい。
[Plasma arc example]
The titanium alloy material may be, for example, a wire rod with a diameter of 1.0 to 8.0 mm or a square bar with a cross-sectional area equal to that of the wire rod. The plasma current may be, for example, 100 to 300 A, and the feed rate of the titanium alloy material may be, for example, 10 to 400 mm/min. The thickness of the titanium alloy substrate may be, for example, 10 to 20 mm, and the titanium alloy substrate is cooled. The cooling rate when the temperature of the titanium alloy substrate is in the range of 1000 to 700°C is, for example, 3.0°C/sec or more. The cooling rate when the temperature is less than 700°C is, for example, 0.2°C/sec or more and 3.0°C/sec or less. The plasma arc atmosphere is an inert gas atmosphere, such as an argon atmosphere, to prevent oxidation. The cooling rate of the titanium alloy substrate may be outside the above-mentioned range, as long as deformation due to thermal effects is suppressed and the cooling rate of the laminate is obtained.

レーザービームを照射する場合も、製造するチタン合金材に要求される特性に応じて、エネルギー密度、チタン合金基材の送り速度、冷却速度、照射雰囲気を定めればよい。 When irradiating with a laser beam, the energy density, feed speed of the titanium alloy substrate, cooling rate, and irradiation atmosphere can be determined according to the properties required for the titanium alloy material to be manufactured.

指向性エネルギー堆積法においては、粉末状のチタン合金素材を用いてもよく、粉末状のチタン合金素材の送入速度は、例えば、電子ビーム照射の場合は6cm/分程度であり、プラズマ照射の場合は、1cm/分程度である。 In the directed energy deposition method, a powdered titanium alloy material may be used, and the feed rate of the powdered titanium alloy material is, for example, about 6 cm 3 /min in the case of electron beam irradiation and about 1 cm 3 /min in the case of plasma irradiation.

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 or powder bed fusion methods will both have a solidified structure.

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、圧延などの一般的な加工を施してもよい。鍛造・圧延等の加工時の加熱温度はβ変態温度以上であってもよいし、β変態温度以下であってもよい。上記加工の後、熱処理を行う。 Titanium alloy materials produced by additive manufacturing technology may be further subjected to common processes such as HIP treatment, forging, extrusion, and rolling in order to reduce internal defects and control the shape. The heating temperature during processes such as forging and rolling may be above the β transformation temperature or below the β transformation temperature. After the above processing, heat treatment is performed.

上記熱処理では、β変態温度または1000℃の高い方の温度以上に加熱して、60分以下の時間保持した後、チタン材の温度が1000℃から700℃までの範囲にある間、チタン材表面を3.0℃/秒以上の冷却速度で冷却する。上記保持時間は、結晶粒が粗大になり過ぎて強度が低下することを抑制するという点から、30分以下であることが好ましい。上記冷却速度は、5.0℃/秒以上であることが好ましい。 The heat treatment involves heating the titanium material to the higher of the β transformation temperature or 1000°C and holding the temperature for 60 minutes or less, and then cooling the surface of the titanium material at a cooling rate of 3.0°C/second or more while the temperature of the titanium material is in the range of 1000°C to 700°C. The holding time is preferably 30 minutes or less to prevent the crystal grains from becoming too coarse and reducing strength. The cooling rate is preferably 5.0°C/second or more.

熱処理前の上記加工は、省略されてもよい。また、切断や切削、または研磨などの表面仕上げが施されてもよく、切断や切削、または研磨などの表面仕上げを行う場合は、加工・熱処理の後に行う。 The above processing before heat treatment may be omitted. Surface finishing such as cutting, milling, or polishing may also be performed. If surface finishing such as cutting, milling, or polishing is performed, it should be performed after processing and heat treatment.

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、それらの延伸粒状の結晶、等軸粒、延伸粒や矩形を含む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 described above, as well as a structure containing the compounds described above, such as elongated crystals, equiaxed grains, elongated grains, or shapes including rectangular crystals. Furthermore, titanium alloy materials 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 wrought materials such as plates, rods, and tubes.

<チタン合金線材>
チタン合金材の製造に用いられるチタン合金線材は、上述したチタン合金材の化学組成と同様の化学組成を有し、最大径が1.0mm以上8.0mm以下であり、引張強さが900MPa以上である。
<Titanium alloy wire>
The titanium alloy wire used to manufacture the titanium alloy material has the same chemical composition as that of the titanium alloy material described above, a maximum diameter of 1.0 mm or more and 8.0 mm or less, and a tensile strength of 900 MPa or more.

チタン合金線材の最大径は、1.0mm以上8.0mm以下である。チタン合金線材の最大径を1.0mmより小さくするためには、伸線工程を増加させる必要があり、伸線工程が増加すると製造コストが著しく増加する。したがって、チタン合金線材の最大径は1.0mm以上である。チタン合金線材の最大径は、好ましくは1.2mm以上であり、より好ましくは1.4mm以上である。一方、チタン合金線材の最大径が8.0mm以下であると、チタン合金材の製造において、当該チタン合金線材を均一に溶融することができる。したがって、チタン合金線材の最大径は8.0mm以下である。チタン合金線材の最大径が4.8mm以下であると、指向性エネルギー堆積法エネルギーを照射した際により均一に溶融させることができる。したがって、チタン合金線材の最大径は、好ましくは3.2mm以下である。チタン合金線材の最大径は、より好ましくは、2.0mm以下である。 The maximum diameter of the titanium alloy wire is 1.0 mm or more and 8.0 mm or less. To reduce the maximum diameter of titanium alloy wire to less than 1.0 mm, an additional wiredrawing process is required, which significantly increases manufacturing costs. Therefore, the maximum diameter of the titanium alloy wire is 1.0 mm or more. The maximum diameter of the titanium alloy wire is preferably 1.2 mm or more, and more preferably 1.4 mm or more. On the other hand, if the maximum diameter of the titanium alloy wire is 8.0 mm or less, the titanium alloy wire can be melted uniformly during the production of titanium alloy material. Therefore, the maximum diameter of the titanium alloy wire is 8.0 mm or less. If the maximum diameter of the titanium alloy wire is 4.8 mm or less, the titanium alloy wire can be melted more uniformly when irradiated with directed energy deposition energy. Therefore, the maximum diameter of the titanium alloy wire is preferably 3.2 mm or less. The maximum diameter of the titanium alloy wire is more preferably 2.0 mm or less.

チタン合金線材の最大径は以下の方法で測定する。すなわち、線材の直径方向の寸法を1断面につき2か所以上、各ロットにつき2断面以上を、マイクロメーターあるいはノギスで測定し、最大値を最大径とする。 The maximum diameter of titanium alloy wire is measured using the following method: the diameter of the wire is measured with a micrometer or vernier calipers at two or more locations per cross section, and at two or more cross sections per lot, and the maximum value is taken as the maximum diameter.

本実施形態に係るチタン合金線材の引張強さは900MPa以上である。本実施形態に係るチタン合金線材の引張強さが900MPa以上であると、従来の方法で製造されるチタン合金Ti-3Al-2.5V以上の高い引張強さが得られるためである。チタン合金線材の引張強さは、好ましくは920MPa以上であり、より好ましくは930MPa以上である。一方、チタン合金線材の引張強さの上限は特段制限されず、チタン合金線材の引張強さは、例えば、1300MPa以下とすることができ、1400MPa以下であってもよい。 The tensile strength of the titanium alloy wire rod according to this embodiment is 900 MPa or more. This is because a tensile strength of 900 MPa or more for the titanium alloy wire rod according to this embodiment achieves a high tensile strength equal to or greater than that of titanium alloy Ti-3Al-2.5V manufactured by conventional methods. The tensile strength of the titanium alloy wire rod is preferably 920 MPa or more, and more preferably 930 MPa or more. On the other hand, there is no particular upper limit to the tensile strength of the titanium alloy wire rod, and the tensile strength of the titanium alloy wire rod can be, for example, 1300 MPa or less, or may be 1400 MPa or less.

チタン合金線材の引張強さは、以下の方法で測定する。最大径が6.0mm以上8.0mm以下のチタン合金線材では、当該チタン合金線材から作製した平行部φ3mm、長さ20mm、標点間距離10mmの丸棒試験片を室温(25℃)にて引張速度10mm/minで行う。最大径が6.0mm未満のチタン合金線材では、当該チタン合金線材から評点間距離100mmの丸棒試験片を切り出し、室温(25℃)にて引張速度30mm/minで行う。 The tensile strength of titanium alloy wire is measured using the following method. For titanium alloy wire with a maximum diameter of 6.0 mm or more and 8.0 mm or less, a round bar test specimen with a parallel section of φ3 mm, length of 20 mm, and gauge length of 10 mm is prepared from the titanium alloy wire and subjected to a tension speed of 10 mm/min at room temperature (25°C). For titanium alloy wire with a maximum diameter of less than 6.0 mm, a round bar test specimen with a gauge length of 100 mm is cut from the titanium alloy wire and subjected to a tension speed of 30 mm/min at room temperature (25°C).

チタン合金線材では、そのビッカース硬さは、320Hv以上380Hv以下が好ましい。ビッカース硬さが380Hv以下であると、伸線加工中の割れが抑制される。ビッカース硬さが320Hv以上であると、線材を使用してチタン合金材を製造した場合に、高い強度を得ることができる。 For titanium alloy wire, the Vickers hardness is preferably 320 Hv or more and 380 Hv or less. If the Vickers hardness is 380 Hv or less, cracking during wire drawing is suppressed. If the Vickers hardness is 320 Hv or more, high strength can be achieved when titanium alloy material is manufactured using the wire.

チタン合金線材のビッカース硬さは、各材料の長軸に対して垂直の断面の中心部で、荷重1Kgf(9.8N)として、JIS Z 2244:2020に準拠して測定される。標準試験片は、長さ55mmで、一遍が10mmの正方形断面を持つ形状とする。長さの中心に、ノッチ角度45度、ノッチ深さ2mm、ノッチ底半径0.25mmのVノッチをつける。標準試験片を採取できない場合には、厚さが7.5mm、5mmまたは2.5mmのサブサイズ試験片を用いても良い。 The Vickers hardness of titanium alloy wire is measured in accordance with JIS Z 2244:2020 at the center of a cross section perpendicular to the long axis of each material, using a load of 1 kgf (9.8 N). The standard test specimen is 55 mm long and has a square cross section with sides of 10 mm. A V-notch is made at the center of the length, with a notch angle of 45 degrees, a notch depth of 2 mm, and a notch base radius of 0.25 mm. If a standard test specimen cannot be obtained, sub-size test specimens with thicknesses of 7.5 mm, 5 mm, or 2.5 mm may be used.

次いで、チタン合金線材の製造方法の一例を説明する。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、鋳塊を製造する。チタン合金の鋳塊を鍛造してφ100mmのビレットを製造し、当該ビレットを950℃に加熱した後、圧延する。圧延後のチタン合金に、700~800℃、5~60分の焼鈍とカセットローラーダイスまたはダイス引き抜きによる伸線加工を繰り返して、所望の直径にする。その後、伸線加工後のチタン合金に対し、700~750℃の温度で1時間、空冷の焼鈍を行う。Next, we will explain one example of a method for manufacturing titanium alloy wire. Metal raw materials such as sponge titanium, aluminum, iron, and copper are mixed and compression molded as necessary, and then an ingot is produced using a method such as consumable electrode vacuum arc melting (VAR), electron beam melting (EBR), or plasma arc melting (PAM). The titanium alloy ingot is forged to produce a φ100 mm billet, which is heated to 950°C and then rolled. The rolled titanium alloy is repeatedly annealed at 700-800°C for 5-60 minutes and drawn using a cassette roller die or die drawing to achieve the desired diameter. The drawn titanium alloy is then annealed at a temperature of 700-750°C for 1 hour with air cooling.

<チタン合金粉末>
チタン合金材の製造に用いられるチタン合金粉末は、上述したチタン合金材の化学組成と同様の化学組成を有し、平均粒径が10μm以上100μm以下であり、粒径の標準偏差が5μm以上15μm以下である。
<Titanium alloy powder>
The titanium alloy powder used to manufacture the titanium alloy material has the same chemical composition as the above-mentioned titanium alloy material, an average particle size of 10 μm or more and 100 μm or less, and a standard deviation of the particle size of 5 μm or more and 15 μm or less.

チタン合金粉末の平均粒径は、10μm以上100μm以下である。チタン合金粉末の平均粒径が10μm未満であると、流動性が悪化する。チタン合金粉末の平均粒径は、好ましくは15μm以上であり、より好ましくは20μm以上である。一方、チタン合金粉末の平均粒径が100μm超であると、未溶融による欠陥が発生しやすくなる。チタン合金粉末の平均粒径は、好ましくは90μm以下であり、より好ましくは、80μm以下である。 The average particle size of the titanium alloy powder is 10 μm or more and 100 μm or less. If the average particle size of the titanium alloy powder is less than 10 μm, the flowability will be poor. The average particle size of the titanium alloy powder is preferably 15 μm or more, and more preferably 20 μm or more. On the other hand, if the average particle size of the titanium alloy powder exceeds 100 μm, defects due to unmelted particles are more likely to occur. The average particle size of the titanium alloy powder is preferably 90 μm or less, and more preferably 80 μm or less.

チタン合金粉末の粒径の標準偏差は、5μm以上15μm以下である。チタン合金粉末の粒径の標準偏差が5μm未満であると、篩い分けによる歩留り低下が著しくなる。チタン合金粉末の粒径の標準偏差は、好ましくは6μm以上であり、より好ましくは7μm以上である。一方、チタン合金粉末の粒径の標準偏差が15μm超であると、流動性が低下したり欠陥が発生しやすくなる。チタン合金粉末の粒径の標準偏差は、好ましくは14μm以下であり、より好ましくは、13μm以下である。 The standard deviation of the particle size of the titanium alloy powder is 5 μm or more and 15 μm or less. If the standard deviation of the particle size of the titanium alloy powder is less than 5 μm, the yield will decrease significantly due to sieving. The standard deviation of the particle size of the titanium alloy powder is preferably 6 μm or more, and more preferably 7 μm or more. On the other hand, if the standard deviation of the particle size of the titanium alloy powder exceeds 15 μm, the flowability will decrease and defects will be more likely to occur. The standard deviation of the particle size of the titanium alloy powder is preferably 14 μm or less, and more preferably 13 μm or less.

チタン合金粉末の平均粒径および粒径の標準偏差はJIS Z 8825:2013 粒子径解析-レーザ回折・散乱法に準拠した方法で測定する。 The average particle size and standard deviation of particle size of titanium alloy powder are measured using a method in accordance with JIS Z 8825:2013 Particle size analysis - Laser diffraction and scattering method.

次いで、チタン合金粉末の製造方法の一例を説明する。チタン合金粉末は、上述したとおり、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、鍛造、圧延により棒材を製造し、その後、例えばガスアトマイズ法により製造する。Next, we will explain one example of a method for producing titanium alloy powder. As mentioned above, titanium alloy powder is produced by mixing metal raw materials such as sponge titanium, aluminum, iron, and copper, and then compression molding the mixture as necessary.The mixture is then melted using a method such as consumable electrode vacuum arc melting (VAR), electron beam melting (EBR), or plasma arc melting (PAM), and then forged and rolled into rods, which are then further processed using a method such as gas atomization.

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 using examples. However, the examples described below are examples of embodiments of the present invention and do not limit the present invention.

<実施例1>
No.1~36として、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))または粉末床溶融結合法によってチタン合金材を製造した。具体的には、指向性エネルギー堆積法による製造においては、チタン合金素材として、表1に示す化学成分のチタン合金線材(φ1.6mm)を用意した。
No.1~22および27~33の例では、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。チタン合金基材の温度が1000~700℃の範囲の冷却速度は、10℃/秒とした。700℃未満の範囲の冷却速度は、2℃/秒とした。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基材上に作製した。
Example 1
Titanium alloy materials Nos. 1 to 36 were manufactured by directed energy deposition (WAAM) or powder bed fusion using titanium alloy wire as the raw material. Specifically, in the manufacturing by directed energy deposition, titanium alloy wire (φ1.6 mm) having the chemical composition shown in Table 1 was prepared as the titanium alloy raw material.
In Examples Nos. 1-22 and 27-33, 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 manufacturing area on the substrate was enclosed in a chamber and shielded with Ar gas at a flow rate of 15 L/min. A titanium alloy wire was supplied therein at a rate of 200 mm/min, melted using a plasma welding torch, and then solidified on the substrate. The cooling rate for the titanium alloy substrate temperature range of 1000-700°C was 10°C/sec. The cooling rate for temperatures below 700°C was 2°C/sec. By repeating this process multiple times, a titanium alloy material consisting of an additive manufacturing sample measuring 18 mm in width, 100 mm in length, and 15 mm in thickness was produced on the substrate.

No.23~26の例は、電子ビーム照射によりチタン合金材を製造した例である。チタン合金素材には、φ1.6mmの線材を用いた。電子ビームの電流は、50mAであり、チタン合金素材の送り速度は、300mm/分とした。チタン合金基材の厚さは、12.7mmとし、チタン合金基材の温度が1000~700℃の範囲の冷却速度は、5℃/秒とし、700℃未満の範囲の冷却速度は、2℃/秒とした。電子ビーム照射雰囲気の圧力は、(1×10-2)Paとした。 Examples Nos. 23 to 26 are examples in which titanium alloy materials were produced by electron beam irradiation. A wire rod with a diameter of 1.6 mm was used as the titanium alloy material. The electron beam current was 50 mA, and the feed rate of the titanium alloy material was 300 mm/min. The thickness of the titanium alloy substrate was 12.7 mm, and the cooling rate in the temperature range of the titanium alloy substrate from 1000 to 700°C was 5°C/sec, and the cooling rate in the range below 700°C was 2°C/sec. The pressure of the electron beam irradiation atmosphere was (1×10 −2 ) Pa.

No.34~36の例は、粉末床溶融結合法を用いた例である。表1に示した化学組成を有し、平均粒径が30μmであり、標準偏差が8μmであるチタン合金粉末を、30μmの厚さで敷き粉末床とした。当該粉末床の表面にアルゴン雰囲気下で、レーザービームを照射した。レーザービームの入熱量は、19.5J/mmとし、レーザービームの走査速度は、650mm/秒とし、レーザー出力は、95Wとした。レーザービーム径は、50μmとした。レーザービームの照射間隔は、100μmとした。溶け込み深さは、75μmとした。 Examples Nos. 34 to 36 are examples using the powder bed fusion method. Titanium alloy powder having the chemical composition shown in Table 1, an average particle size of 30 μm, and a standard deviation of 8 μm was spread to a thickness of 30 μm to form a powder bed. A laser beam was irradiated onto the surface of the powder bed in an argon atmosphere. The heat input of the laser beam was 19.5 J/ mm3 , the scanning speed of the laser beam was 650 mm/sec, and the laser output was 95 W. The laser beam diameter was 50 μm. The irradiation interval of the laser beam was 100 μm. The penetration depth was 75 μm.

次いで、レーザービーム照射後の粉末床の上に上記チタン合金粉末を層状に敷き新たな粉末床とし、この新たな粉末床の表面に上記と同様の雰囲気および条件でレーザービームを照射した。この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, a layer of the titanium alloy powder was laid on top of the powder bed after laser beam irradiation to create a new powder bed, and the surface of this new powder bed was irradiated with the laser beam under the same atmosphere and conditions as above. This process was repeated multiple times to produce a titanium alloy material consisting of an additive manufacturing sample measuring 18 mm wide, 100 mm long, and 15 mm thick.

No.37、38として、200kgの鋳塊を鍛造してφ100mmのビレットに加工した後、950℃に加熱してφ32mmまで熱延して丸棒を得た。 For Nos. 37 and 38, 200 kg ingots were forged and processed into billets with a diameter of 100 mm, which were then heated to 950°C and hot rolled to a diameter of 32 mm to obtain round bars.

No.39、40として、200kgの鋳塊を鍛造してφ100mmのビレットに加工した後、950℃に加熱してφ32mmまで熱延して丸棒を得た。当該丸棒を950℃の温度で1時間加熱し、その後空冷した。For Nos. 39 and 40, a 200 kg ingot was forged and processed into a φ100 mm billet, which was then heated to 950°C and hot-rolled to a φ32 mm round bar. The round bar was heated at 950°C for 1 hour and then air-cooled.

No.41~43として、上記と同様の方法で、幅18mm、長さ100mm、高さ30mmの積層造形試料からなるチタン合金材を基材上に作製した。当該チタン合金材を950℃に加熱した後、ひずみ速度を0.5/秒として高さ15mmまで圧下した。その後、1100℃に加熱して、10分間保持した後、水冷を行った。水冷時の1000~700℃の範囲の冷却速度は5℃/秒程度であった。 For Nos. 41 to 43, titanium alloy materials consisting of additively manufactured samples measuring 18 mm in width, 100 mm in length, and 30 mm in height were fabricated on a substrate using the same method as above. The titanium alloy materials were heated to 950°C and then reduced to a height of 15 mm at a strain rate of 0.5/s. They were then heated to 1100°C, held there for 10 minutes, and then water-cooled. The cooling rate during water-cooling in the range of 1000 to 700°C was approximately 5°C/s.

No.44として、上記と同様の方法で、幅18mm、長さ100mm、高さ30mmの積層造形試料からなるチタン合金材を基材上に作製した。当該チタン合金材を950℃に加熱した後、ひずみ速度を0.5/秒として高さ15mmまで圧下した。その後、1100℃に加熱して、10分間保持した後、炉冷を行った。炉冷時の1000~700℃の範囲の冷却速度は0.1℃/秒程度であった。 No. 44 was prepared on a substrate using the same method as above, consisting of an additively manufactured titanium alloy sample measuring 18 mm in width, 100 mm in length, and 30 mm in height. The titanium alloy sample was heated to 950°C and then reduced to a height of 15 mm at a strain rate of 0.5/sec. The sample was then heated to 1100°C, held there for 10 minutes, and then furnace-cooled. The cooling rate during furnace cooling in the range of 1000 to 700°C was approximately 0.1°C/sec.

α相の楕円近似した長軸長さの平均およびアスペクト比の平均は、以下の方法で測定した。高さ10mm×幅10mm×厚み5mmの直方体試験片を採取した。このとき、直方体試験片の高さ方向及び幅方向を、それぞれチタン合金材の高さ方向及び幅方向に一致させ、直方体の試験片の厚み方向を、チタン合金材の長手方向に一致させた。直方体試験片の高さ1/2かつ幅1/2の位置を、チタン合金材の高さ1/2かつ幅1/2の位置に一致させ、直方体試験片の観察面となる面(高さ方向及び幅方向で構成される面)をチタン合金材の長手1/2の位置に一致させるように研磨代の分(1mm程度)だけ厚く、上記直方体試験を採取した。上記直方体試験片の高さ10mm×幅10mm面を観察面とし、観察面がチタン合金材長手方向1/2となるように、エメリー紙を用いて観察面を粗研磨した。上記観察面を粗研磨した後、コロイダルシリカを用いてバフ研磨して、当該観察面を鏡面仕上げとした。組織解析には、走査電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope;SEM)(日本電子株式会社製JSM―7200F)、電子線後方散乱回折(Electron BackScatter Diffraction;EBSD)(株式会社TSLソリューションズ製EBSD検出器Velocity)、および解析ソフトウェアOIM analysis V7を使用した。測定条件および解析条件は、加速電圧15kV、測定倍率250倍、測定視野X方向468μm、Y方向366μm、測定ステップ0.5μmで測定した。OIM Analysis上で、Grain Toleranceを5°とし、菊池パターン解析からα相と判定された結晶粒の形状を楕円近似して得られる長軸長さとアスペクト比を求めた。平均値の算出には、面積を考慮したArea法を採用した。また、楕円近似方法はOIM Analysis7のマニュアル442頁に記載の「Method 2 - Major = Maximum Distance, Minor = averaging scheme」に従い行った。直方体試験片の幅1/2かつ高さ1/2を中心とし、前記測定視野X方向は直方体試験片の幅方向、前記測定視野Y方向は直方体試験片の高さ方向に一致させ前記測定を実施した。The average length of the long axis of the ellipsoid-approximated α phase and the average aspect ratio were measured using the following method. Rectangular specimens measuring 10 mm high x 10 mm wide x 5 mm thick were prepared. The height and width directions of the rectangular specimens were aligned with the height and width directions of the titanium alloy material, respectively, and the thickness direction of the rectangular specimens was aligned with the longitudinal direction of the titanium alloy material. The rectangular specimens were prepared with a thickness of approximately 1 mm, adjusted so that the half-height and half-width positions of the rectangular specimens were aligned with the half-height and half-width positions of the titanium alloy material. The observation surface of the rectangular specimen (the surface formed by the height and width directions) was aligned with the half-long direction of the titanium alloy material. The 10 mm high x 10 mm wide surface of the rectangular specimen was used as the observation surface, and the observation surface was roughly polished using emery paper so that the observation surface was aligned with the half-long direction of the titanium alloy material. The observation surface was roughly polished and then buffed with colloidal silica to give a mirror finish. For the structure analysis, a scanning electron microscope (SEM) (JSM-7200F manufactured by JEOL Ltd.), an electron backscatter diffraction (EBSD) (VELOCITY EBSD detector manufactured by TSL Solutions Co., Ltd.), and analysis software OIM analysis V7 were used. The measurement and analysis conditions were an acceleration voltage of 15 kV, a measurement magnification of 250x, a measurement field of view of 468 μm in the X direction and 366 μm in the Y direction, and a measurement step of 0.5 μm. In OIM Analysis, the grain tolerance was set to 5°, and the major axis length and aspect ratio were determined by elliptical approximation of the shape of the crystal grains determined to be α-phase by Kikuchi pattern analysis. The average value was calculated using the Area method, which takes area into consideration. The elliptical approximation method was performed according to "Method 2 - Major = Maximum Distance, Minor = averaging scheme" described on page 442 of the OIM Analysis 7 manual. The measurement was performed with the rectangular parallelepiped test specimen centered at half the width and half the height, with the measurement field of view X direction aligned with the width direction of the rectangular parallelepiped test specimen and the measurement field of view Y direction aligned with the height direction of the rectangular parallelepiped test specimen.

シャルピー衝撃試験に供する試験片は以下のとおりとした。試験片寸法は10mm×10mm×55mmであり、2mmのVノッチを有する試験片であるとした。試験片長手方向が基材と平行となり、ノッチが基材と垂直となるように、試験片長手方向をチタン合金材の長さ方向と一致させ、試験片の幅方向の中央位置(1/2位置)をチタン合金材の幅方向1/2位置と一致させ、積層材の高さ方向5~25mmの範囲から、試験片を採取した。シャルピー衝撃試験はJIS Z 2242:2018に準拠して室温(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 test specimens used in the Charpy impact test were as follows. The dimensions of the test specimen were 10 mm x 10 mm x 55 mm, and the specimens had a 2 mm V-notch. The longitudinal direction of the test specimen was aligned with the length direction of the titanium alloy material, so that the longitudinal direction of the test specimen was parallel to the substrate and the notch was perpendicular to the substrate. The central position (half position) of the width direction of the test specimen was aligned with the half position of the width direction of the titanium alloy material, and the test specimen was taken from a range of 5 to 25 mm in the height direction of the laminate. The Charpy impact test was performed at room temperature (25°C) in accordance with JIS Z 2242:2018. The impact test results were evaluated as an impact value (J/cm 2 ) obtained by dividing the absorbed energy by the cross-sectional area of the test specimen.

引張試験片として、平行部φ6.25mm×32mm、標点間距離25mmの丸棒試験片を採取した。このとき、試験片長手方向が基材と平行になるように、試験片長手方向をチタン合金材の長さ方向と一致させ、試験片の幅方向の中央位置(1/2位置)をチタン合金材の幅方向1/2位置と一致させ、積層材の高さ方向5~25mmの範囲から、上記丸棒試験片を採取した。引張試験は、引張速度を0.2%耐力測定までは1mm/min、以降は10mm/minとし、室温(25℃)にて行った。表1に、チタン合金材の化学組成を示し、表2に、結果を示す。なお、表1中の「-」は、当該合金元素を積極的に含有させなかったことを示す。 Round bar specimens with a parallel section of 6.25 mm diameter x 32 mm and a gauge length of 25 mm were used for the tensile test. The longitudinal direction of the specimen was aligned with the length of the titanium alloy material so that the longitudinal direction was parallel to the substrate, and the center position (halfway point) of the width of the specimen was aligned with the halfway point of the titanium alloy material. The round bar specimens were taken from a height range of 5 to 25 mm in the laminate. The tensile test was performed at room temperature (25°C) with a tension speed of 1 mm/min up to the 0.2% proof stress measurement and 10 mm/min thereafter. Table 1 shows the chemical composition of the titanium alloy material, and Table 2 shows the results. Note that a "-" in Table 1 indicates that the alloying element was not actively included.

表2に、結果を示す。引張強さTSは、既存合金Ti-3Al-2.5V(JIS61種)を超える引張強さである900MPaを基準値とし、900MPa以上を合格とした。また、衝撃値CISは40J/cm以上を合格とした。さらに、引張強さ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。 The results are shown in Table 2. The tensile strength TS was determined to be 900 MPa, which exceeds the tensile strength of the existing alloy Ti-3Al-2.5V (JIS type 61), and a value of 900 MPa or more was considered to be acceptable. Furthermore, the impact value CIS was determined to be 40 J/ cm2 or more. Furthermore, as an index of the balance between the properties of tensile strength and impact value, whether or not the following formula (1) is satisfied was used as the criterion, and a sample was considered to be acceptable when the following formula (1) was satisfied.

0.3×TS+CIS≧340 … (1) 0.3 × TS + CIS ≧ 340 … (1)

No.1、2の例は、Ti-Al-V系の従来の化学組成のチタン合金材であり、No.1の例は、Fe、及びCuを含有しておらず、衝撃値CISが小さく、また、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の例は、Al含有量が小さく、Fe、及びCuを含有しておらず、長軸長さの平均値および引張強さが低く、強度(TS)と衝撃値(CIS)の関係を示す式(1)も満たさず合格範囲に未達であった。 Examples No. 1 and 2 are titanium alloy materials with a conventional Ti-Al-V chemical composition. Example No. 1 did not contain Fe or Cu, had a low impact strength (CIS), and did not satisfy formula (1) showing the relationship between strength (TS) and impact strength (CIS), resulting in undesirable characteristics. Example No. 2 also had a low Al content, did not contain Fe or Cu, and had low average major axis length and tensile strength. It also did not satisfy formula (1) showing the relationship between strength (TS) and impact strength (CIS), falling short of the acceptable range.

No.3の例は、Ti-Al-Fe系合金であるが、Cuが含有されておらず、O含有量が過剰であったため、衝撃値が小さく、また、強度(TS)と衝撃値(CIS)の関係を示す式(1)を満たさず、不合格であった。 Example No. 3 is a Ti-Al-Fe alloy, but because it did not contain Cu and had an excessive O content, it had a low impact value and did not satisfy equation (1) showing the relationship between strength (TS) and impact value (CIS), and was therefore unsuccessful.

No.4の例は、Cuが含有されておらず、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。 Example No. 4 did not contain Cu and did not satisfy formula (1), which shows the relationship between strength and impact value, and was therefore unsuccessful.

No.5の例は、Al含有量が少なかったため引張強さTSが小さく、不合格であった。 Example No. 5 had a low Al content, resulting in a low tensile strength TS and failing the test.

No.6~17の例は、化学組成が、Al:4.6~8.0%、Fe:0.2~1.5%、Cu:0.3~2.0%、O:0.03~0.20%を含有しており、強度、衝撃値、および、強度と衝撃値の関係を示す式(1)を全て満足し、合格であった。 Examples No. 6 to 17 had a chemical composition containing Al: 4.6 to 8.0%, Fe: 0.2 to 1.5%, Cu: 0.3 to 2.0%, and O: 0.03 to 0.20%, and met all of the strength, impact value, and formula (1) showing the relationship between strength and impact value, making them pass the test.

No.18の例は、Al含有量が過剰であり、衝撃値が不合格であった。 Example No. 18 had excessive Al content and failed the impact value.

No.19の例は、Fe含有量が過剰であり、衝撃値が不合格であった。 Example No. 19 had an excessive Fe content and failed the impact value.

No.20の例は、Cu含有量が過剰であり、衝撃値が小さく、強度と衝撃値の関係を示す式(1)も満たさず不合格であった。 Example No. 20 had an excessive Cu content, resulting in a low impact value and not satisfying equation (1) showing the relationship between strength and impact value, and was therefore unsuccessful.

No.21の例は、O含有量が過少であり、引張強さが小さく、不合格であった。 Example No. 21 had an insufficient oxygen content, resulting in low tensile strength and failure.

No.22は、Fe含有量が過少であり、O含有量が過剰であり、衝撃値が不合格であった。 No. 22 had an insufficient Fe content and an excessive O content, resulting in an unacceptable impact value.

No.23~25の例は、Ti-Al-Fe-Cu系合金に更にSnを含有させた例である。No.23およびNo.24の例は、Al:4.6~8.0%、Fe:0.2~1.5%、Cu:0.3~2.0%、O:0.03~0.20%、Sn:5.0%以下を含有しており、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.25の例は、Sn含有量が過剰であり、衝撃値が不合格であった。 Examples No. 23 to 25 are Ti-Al-Fe-Cu alloys further containing Sn. Examples No. 23 and No. 24 contained Al: 4.6-8.0%, Fe: 0.2-1.5%, Cu: 0.3-2.0%, O: 0.03-0.20%, and Sn: 5.0% or less. They met the strength, impact value, and formula (1) showing the relationship between strength and impact value, and were therefore acceptable. On the other hand, Example No. 25 had an excessive Sn content, and its impact value was unacceptable.

No.26~28の例は、Ti-Al-Fe-Cu系合金に更にSiを含有させた例である。No.26、27の例は、Al:4.6~8.0%、Fe:0.2~1.5%、Cu:0.3~2.0%、O:0.03~0.20%、Si:0.80%以下を含有しており、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.28の例は、Si含有量が過剰であり、衝撃値が不合格であった。 Examples No. 26 to 28 are Ti-Al-Fe-Cu alloys further containing Si. Examples No. 26 and 27 contained Al: 4.6-8.0%, Fe: 0.2-1.5%, Cu: 0.3-2.0%, O: 0.03-0.20%, and Si: 0.80% or less. They met all of the following criteria: strength, impact value, and formula (1) showing the relationship between strength and impact value, making them pass the test. On the other hand, Example No. 28 had an excessive Si content and failed the impact value test.

No.29、30の例は、Ti-Al-Fe-Cu-Si系合金に、Nbを含有させた例である。No.29、30の例は、Al:4.6~8.0%、Fe:0.2~1.5%、Cu:0.3~2.0%、O:0.03~0.20%、Si:0.80%以下、Nb:8.0%以下を含有しており、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。 Examples No. 29 and 30 are Ti-Al-Fe-Cu-Si alloys containing Nb. Examples No. 29 and 30 contain Al: 4.6-8.0%, Fe: 0.2-1.5%, Cu: 0.3-2.0%, O: 0.03-0.20%, Si: 0.80% or less, and Nb: 8.0% or less. They met all of the requirements for strength, impact value, and formula (1) showing the relationship between strength and impact value, and were therefore accepted.

No.31~33の例は、Ti-Al-Fe-Cu系合金に更にNbを含有させた例である。No.31、32の例は、Al:4.6~8.0%、Fe:0.2~1.5%、Cu:0.3~2.0%、O:0.03~0.20%、Nb:8.0%以下を含有しており、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.33の例は、Nb含有量が過剰であり、衝撃値が不合格であった。 Examples No. 31 to 33 are Ti-Al-Fe-Cu alloys further containing Nb. Examples No. 31 and 32 contain Al: 4.6-8.0%, Fe: 0.2-1.5%, Cu: 0.3-2.0%, O: 0.03-0.20%, and Nb: 8.0% or less. They met the strength, impact value, and formula (1) showing the relationship between strength and impact value, and were therefore acceptable. On the other hand, Example No. 33 had an excessive Nb content, and its impact value was unacceptable.

No.34~36は、Ti-Al-Fe-Cu系合金に更にMoを含有させた例である。No.34およびNo.35の例は、Al:4.6~8.0%、Fe:0.2~1.5%、Cu:0.3~2.0%、O:0.03~0.20%、Mo:2.0%以下を含有しており、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.36の例は、Mo含有量が過剰であり、衝撃値が不合格であった。 Nos. 34 to 36 are examples of Ti-Al-Fe-Cu alloys that further contain Mo. Examples No. 34 and No. 35 contain Al: 4.6-8.0%, Fe: 0.2-1.5%, Cu: 0.3-2.0%, O: 0.03-0.20%, and Mo: 2.0% or less. They met the strength, impact value, and formula (1) showing the relationship between strength and impact value, and were therefore acceptable. On the other hand, Example No. 36 had an excessive Mo content, and its impact value was unacceptable.

No.37~40の例は、製造条件が適切でなく、アスペクト比、長軸長さの平均値、引張強さ、衝撃値または強度と衝撃値の関係が不合格であった。 Examples No. 37 to 40 were manufactured using inappropriate conditions, and the aspect ratio, average major axis length, tensile strength, impact value, or relationship between strength and impact value were unacceptable.

No.41~43の例は、1000~700℃の範囲の冷却速度が5℃/秒であり、適切な冷却速度であったため、アスペクト比、長軸長さの平均値、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.44の例は、1000~700℃の範囲の冷却速度が0.1℃/秒であり、冷却速度が遅く、長軸長さの平均値、強度、および、強度と衝撃値の関係を示す式(1)が不合格であった。 Examples No. 41 to 43 had an appropriate cooling rate of 5°C/sec in the range of 1000 to 700°C, which satisfied the aspect ratio, average major axis length, strength, impact value, and formula (1) showing the relationship between strength and impact value, making them pass. On the other hand, Example No. 44 had a cooling rate of 0.1°C/sec in the range of 1000 to 700°C, which was too slow, and failed the average major axis length, strength, and formula (1) showing the relationship between strength and impact value.

<実施例2>
200kgの鋳塊を鍛造してφ100mmのビレットを製造した。次いで、φ100mmのビレットを950℃に加熱した後、圧延してφ9.5mmの棒材を製造した。φ9.5mmの棒材に、750℃の温度での5~60分の焼鈍とカセットローラーダイスまたはダイス引き抜きによる伸線加工を繰り返して、φ4.8mm、またはφ1.2mmとした。各材料に、750℃の温度で1時間の焼鈍を行い、その後、空冷し、線材を得た。
Example 2
A 200 kg ingot was forged to produce a φ100 mm billet. The φ100 mm billet was then heated to 950°C and rolled to produce a φ9.5 mm rod. The φ9.5 mm rod was repeatedly annealed at 750°C for 5 to 60 minutes and drawn using a cassette roller die or die drawing to produce a φ4.8 mm or φ1.2 mm rod. Each material was annealed at 750°C for 1 hour, then air-cooled to obtain a wire rod.

製造された各線材の最大径を以下の方法で測定した。すなわち、線材の直径方向の寸法を1断面につき2か所以上、各ロットにつき2断面以上を、マイクロメーターあるいはノギスで測定し、最大値を最大径とした。The maximum diameter of each manufactured wire was measured using the following method: the diameter of the wire was measured at two or more locations per cross section, and at two or more cross sections per lot, using a micrometer or calipers, and the maximum value was recorded as the maximum diameter.

また、各線材に対して引張試験を行った。φ10mm以上のチタン材では、平行部φ6.25mm×32mm、標点間距離25mmの丸棒試験片を使用した。引張速度は10mm/minで室温(25℃)にて行った。
φ6mm以上10mm未満のチタン材では、平行部φ3×20mmの丸棒試験片を使用した。引張速度は6mm/minで室温(25℃)にて行った。
φ6mm未満のチタン材では、機械加工無しで標点間距離100mmの試験片を使用した。引張速度は30mm/minで室温(25℃)にて行った。
Tensile tests were also conducted on each wire. For titanium materials with a diameter of 10 mm or more, round bar specimens with a parallel section of 6.25 mm diameter x 32 mm and a gauge length of 25 mm were used. The test was conducted at room temperature (25°C) at a tension speed of 10 mm/min.
For titanium materials with a diameter of 6 mm or more and less than 10 mm, round bar test pieces with a parallel section of 3 mm diameter and 20 mm length were used. The test was carried out at a tensile speed of 6 mm/min at room temperature (25°C).
For titanium materials with a diameter of less than 6 mm, test pieces with a gauge length of 100 mm were used without machining. The test was carried out at a tensile speed of 30 mm/min at room temperature (25°C).

また、各材料の長軸に対して垂直の断面の中心部で、荷重1Kgf(9.8N)で、JIS Z 2244:2020に準拠してビッカース硬さ測定を行った。 In addition, Vickers hardness measurements were performed at the center of a cross section perpendicular to the long axis of each material at a load of 1 kgf (9.8 N) in accordance with JIS Z 2244:2020.

表3に、各チタン材の化学組成を示し、表4に、引張強さとビッカース硬さ測定の結果を示す。なお、表3中の「-」は、当該合金元素を積極的に含有させなかったことを示す。 Table 3 shows the chemical composition of each titanium material, and Table 4 shows the results of tensile strength and Vickers hardness measurements. Note that a "-" in Table 3 indicates that the alloying element in question was not actively included.

表3、4に示すように、Al:4.6%以上8.0%以下、Fe:0.2%以上1.5%以下、Cu:0.3%以上2.0%以下、O:0.03%以上0.20%以下、Sn:0%以上3.0%以下、Nb:0%以上8.0%以下、Si:0%以上0.80%以下、ならびに、Mo:0%以上2.0%以下、を含有し、最大径が1.0mm以上8.0mm以下であり、引張強さが900MPa以上であるチタン合金線材を製造することができた。
No.45~47の線材を使い、プラズマ溶接トーチを用いる方法で、積層材を製造した。具体的には、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、実施例2で作製した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。チタン合金基材の温度が1000~700℃の範囲の冷却速度は、10℃/秒とした。700℃未満の範囲の冷却速度は、2℃/秒とした。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基材上に作製した。
各チタン合金材の、α相のアスペクト比、α相の長軸長さの平均値、引張強さ、および衝撃値を実施例1と同様の方法で評価した。結果を表5に示す。
As shown in Tables 3 and 4, a titanium alloy wire containing Al: 4.6% or more and 8.0% or less, Fe: 0.2% or more and 1.5% or less, Cu: 0.3% or more and 2.0% or less, O: 0.03% or more and 0.20% or less, Sn: 0% or more and 3.0% or less, Nb: 0% or more and 8.0% or less, Si: 0% or more and 0.80% or less, and Mo: 0% or more and 2.0% or less, a maximum diameter of 1.0 mm or more and 8.0 mm or less, and a tensile strength of 900 MPa or more could be produced.
Laminated materials were manufactured using wire rods Nos. 45 to 47 using a plasma welding torch. Specifically, a plasma welding torch was used, with a current value of 200 A. The substrate was a titanium alloy plate with a thickness of 12.7 mm. A pre-set build area on the substrate was enclosed in a chamber and shielded with Ar gas at a flow rate of 15 L/min. The titanium alloy wire rod prepared in Example 2 was melted using a plasma welding torch and further solidified on the substrate while being fed into the chamber at a rate of 200 mm/min. The cooling rate for the titanium alloy substrate temperature range of 1000 to 700°C was 10°C/sec. The cooling rate for temperatures below 700°C was 2°C/sec. By repeating this lamination process multiple times, a titanium alloy material consisting of an additive manufacturing sample measuring 18 mm in width, 100 mm in length, and 15 mm in thickness was manufactured on the substrate.
The aspect ratio of the α phase, the average value of the major axis length of the α phase, the tensile strength, and the impact value of each titanium alloy material were evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 5.

No.45~47の結果に示されるように、Al:4.6%以上8.0%以下、Fe:0.2%以上1.5%以下、Cu:0.3%以上2.0%以下、O:0.03%以上0.20%以下、Sn:0%以上3.0%以下、Nb:0%以上8.0%以下、Si:0%以上0.80%以下、並びに、Mo:0%以上2.0%以下、を含有し、残部:Ti及び不純物であり、最大径が1.0mm以上8.0mm以下であり、引張強さが900MPa以上であるチタン合金線材を用いて、適切な条件で製造されたチタン合金材は、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.48,49は、線径が大きすぎて均一な溶融ができず、積層材を製造できなかった。
As shown in the results of Nos. 45 to 47, titanium alloy materials produced under appropriate conditions using titanium alloy wire rods containing Al: 4.6% or more and 8.0% or less, Fe: 0.2% or more and 1.5% or less, Cu: 0.3% or more and 2.0% or less, O: 0.03% or more and 0.20% or less, Sn: 0% or more and 3.0% or less, Nb: 0% or more and 8.0% or less, Si: 0% or more and 0.80% or less, and Mo: 0% or more and 2.0% or less, the balance being Ti and impurities, and having a maximum diameter of 1.0 mm or more and 8.0 mm or less and a tensile strength of 900 MPa or more, all satisfied the strength, impact value, and formula (1) showing the relationship between the strength and impact value, and were accepted.
On the other hand, Nos. 48 and 49 had wire diameters that were too large to achieve uniform melting, and a laminate could not be produced.

Claims (7)

質量%で、
Al:4.6%以上8.0%以下、
Fe:0.2%以上1.5%以下、
Cu:0.3%以上2.0%以下、
O:0.03%以上0.20%以下、
Sn:0%以上3.0%以下、
Nb:0%以上8.0%以下、
Si:0%以上0.80%以下、並びに
Mo:0%以上2.0%以下、
を含有し、残部:Ti及び不純物であり、
少なくとも一部が、
金属組織として、α相及びβ相を含み、前記α相の楕円近似した長軸長さの平均が、20μm以上80μm以下、前記α相のアスペクト比の平均が、3.0以上5.0以下であり、
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値である衝撃値CISが40J/cm以上であり、
引張強さTSが900MPa以上であり、
前記衝撃値CIS及び前記引張強さTSが、0.3×TS+CIS≧340を満足する、チタン合金材。
In mass%,
Al: 4.6% or more and 8.0% or less,
Fe: 0.2% or more and 1.5% or less,
Cu: 0.3% or more and 2.0% or less,
O: 0.03% or more and 0.20% or less,
Sn: 0% or more and 3.0% or less,
Nb: 0% or more and 8.0% or less,
Si: 0% or more and 0.80% or less, and Mo: 0% or more and 2.0% or less,
and the balance being Ti and impurities,
At least some of
The metal structure includes an α phase and a β phase, the average length of the major axis of the α phase approximated to an ellipse is 20 μm or more and 80 μm or less, and the average aspect ratio of the α phase is 3.0 or more and 5.0 or less,
The impact value CIS, which is the value obtained by dividing the impact absorption energy obtained in a Charpy test at 25 ° C. by the cross-sectional area of the test piece, is 40 J / cm 2 or more,
The tensile strength TS is 900 MPa or more,
A titanium alloy material, wherein the impact value CIS and the tensile strength TS satisfy 0.3 x TS + CIS ≥ 340.
質量%で、Sn:0.2%以上3.0%以下、Nb:0.2%以上8.0%以下、Si:0.20%以上0.80%以下、及び、Mo:0.2%以上2.0%以下、からなる群から選択される1種以上を含有する、請求項1に記載のチタン合金材。 The titanium alloy material described in claim 1 contains, by mass%, one or more elements selected from the group consisting of Sn: 0.2% or more and 3.0% or less, Nb: 0.2% or more and 8.0% or less, Si: 0.20% or more and 0.80% or less, and Mo: 0.2% or more and 2.0% or less. 請求項1に記載のチタン合金材を製造するためのチタン合金線材であって、
質量%で、
Al:4.6%以上8.0%以下、
Fe:0.2%以上1.5%以下、
Cu:0.3%以上2.0%以下、
O:0.03%以上0.20%以下、
Sn:0%以上3.0%以下、
Nb:0%以上8.0%以下、
Si:0%以上0.80%以下、並びに
Mo:0%以上2.0%以下、
を含有し、残部:Ti及び不純物であり、
最大径が1.0mm以上8.0mm以下であり、引張強さが900MPa以上であるチタン合金線材。
A titanium alloy wire for producing the titanium alloy material according to claim 1,
In mass%,
Al: 4.6% or more and 8.0% or less,
Fe: 0.2% or more and 1.5% or less,
Cu: 0.3% or more and 2.0% or less,
O: 0.03% or more and 0.20% or less,
Sn: 0% or more and 3.0% or less,
Nb: 0% or more and 8.0% or less,
Si: 0% or more and 0.80% or less, and Mo: 0% or more and 2.0% or less,
and the balance being Ti and impurities,
A titanium alloy wire having a maximum diameter of 1.0 mm or more and 8.0 mm or less and a tensile strength of 900 MPa or more.
請求項1に記載のチタン合金材を製造するためのチタン合金粉末であって、
質量%で、
Al:4.6%以上8.0%以下、
Fe:0.2%以上1.5%以下、
Cu:0.3%以上2.0%以下、
O:0.03%以上0.20%以下、
Sn:0%以上3.0%以下、
Nb:0%以上8.0%以下、
Si:0%以上0.80%以下、並びに
Mo:0%以上2.0%以下、
を含有し、残部:Ti及び不純物であり、
平均粒径が10μm以上100μm以下であり、
粒径の標準偏差が5μm以上15μm以下である、チタン合金粉末。
A titanium alloy powder for producing the titanium alloy material according to claim 1,
In mass%,
Al: 4.6% or more and 8.0% or less,
Fe: 0.2% or more and 1.5% or less,
Cu: 0.3% or more and 2.0% or less,
O: 0.03% or more and 0.20% or less,
Sn: 0% or more and 3.0% or less,
Nb: 0% or more and 8.0% or less,
Si: 0% or more and 0.80% or less, and Mo: 0% or more and 2.0% or less,
and the balance being Ti and impurities,
The average particle size is 10 μm or more and 100 μm or less,
A titanium alloy powder having a standard deviation of particle size of 5 μm or more and 15 μm or less.
請求項1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であって、
質量%で、Al:4.6%以上8.0%以下、Fe:0.2%以上1.5%以下、Cu:0.3%以上2.0%以下、O:0.03%以上0.20%以下、Sn:0%以上3.0%以下、Nb:0%以上8.0%以下、Si:0%以上0.80%以下、並びにMo:0%以上2.0%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新たな粉末床とし、前記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、チタン合金材の製造方法。
A method for producing the titanium alloy material according to claim 1, comprising the steps of:
a first step of spreading titanium alloy powder containing, by mass%, Al: 4.6% to 8.0%, Fe: 0.2% to 1.5%, Cu: 0.3% to 2.0%, O: 0.03% to 0.20%, Sn: 0% to 3.0%, Nb: 0% to 8.0%, Si: 0% to 0.80%, and Mo: 0% to 2.0%, with the balance being Ti and impurities, in a layered form to form a powder bed, 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, wherein the second step is repeated at least once after the first step is performed.
請求項1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であって、質量%で、Al:4.6%以上8.0%以下、Fe:0.2%以上1.5%以下、Cu:0.3%以上2.0%以下、O:0.03%以上0.20%以下、Sn:0%以上3.0%以下、Nb:0%以上8.0%以下、Si:0%以上0.80%以下、並びにMo:0%以上2.0%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、チタン合金材の製造方法。 A method for producing the titanium alloy material described in claim 1, comprising: supplying a titanium alloy material in the form of powder or wire rod containing, by mass%, Al: 4.6% to 8.0%, Fe: 0.2% to 1.5%, Cu: 0.3% to 2.0%, O: 0.03% to 0.20%, Sn: 0% to 3.0%, Nb: 0% to 8.0%, Si: 0% to 0.80%, and Mo: 0% to 2.0%, with the balance being Ti and impurities, onto a substrate; and irradiating the titanium alloy material with a high-energy beam to melt and solidify the titanium alloy material on the substrate, thereby depositing a solidified metal on the substrate. 請求項5又は6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 titanium alloy material, comprising subjecting the titanium alloy material obtained by the method for producing titanium alloy material described in claim 5 or 6 to one or more of hot working, cold working, straightening, and cutting.
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