强度以及韧性优异的资源节约型钛合金构件及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及使用资源丰富且可以廉价地获得的合金元素，并且能够以少于以往合 金的添加量兼具高强度以及高韧性的资源节约型钛合金构件及其制造方法。
【背景技术】
[0002] 轻量、高比强度且耐腐蚀性优异的钛合金用于航空器用途以及汽车部件、民用品 等广泛的用途。其中，强度延性平衡优异的α+β型合金的Ti-6A1_4V为其的代表例子。一 方面，为了减轻作为妨碍普及扩大的因素之一的成本高，作为添加元素，利用资源丰富且可 以廉价地获得的Fe，开发了具有可以代替Ti-6A1-4V的特性的合金。
[0003] α+β型钛合金可以通过加工热处理而谋求高强度化，但通常由于高强度化而使 延性、韧性降低。但是，由于用在汽车等的驱动部、高尔夫球杆那样直接受到冲击的部位等， 因此期望高强度的同时也期望高韧性。
[0004] 对α+β型钛合金的微观组织的形态进行大致区分时，存在等轴组织和针状组 织。针状组织在韧性上有利但强度差。此外，在针状组织中，在β单相域的熔体化处理后 进行骤冷而得到的微细针状组织与进行缓慢冷却而得到的粗大针状组织相比为高强度且 低韧性。此外，粗大针状组织容易以粗大化的α相为起点产生疲劳破坏，因此与微细针状 组织相比疲劳强度差。
[0005] 此外，工业上作为用于高强度化的简便的方法、或者作为提高生产率的方法，有在 Ti-6A1_4V的制造工序中将在β单相域的熔体化处理后的冷却速度加快的情况。但是，在 熔体化处理后进行骤冷时，存在微观组织变成微细针状组织，Ti-6A1_4V合金的韧性大幅地 降低的问题。
[0006] 非专利文献1以及非专利文献2中记载的Ti-6A1-1. 7Fe-0. ISi合金为高强度、高 刚性的合金，但存在Al添加量多、韧性差的问题。
[0007] 专利文献1中，作为具有与以往的Ti-Al-Fe系钛合金同等且稳定的偏差少的疲劳 强度、以及比其高的热加工性的α+β型钛合金，公开了包含Al :4.4%以上且不足5.5%、 Fe :0. 5%以上且不足1. 4%的合金。其中，对于Si添加量，以疲劳强度降低为理由设为不 足0. 25 %，未涉及对于固溶强化、韧性的贡献。
[0008] 专利文献2中，作为具有与以往的Ti-Al-Fe系钛合金同等的疲劳强度以及比其高 的热加工性或者冷加工性的钛合金，公开了包含Al :4. 4%以上且不足5. 5%、Fe :1. 4%以 上且不足2. 1 %的合金。其中，对于Si添加量，以疲劳强度降低为理由设为不足0. 25%，未 涉及对于固溶强化、韧性的贡献。
[0009] 专利文献3中，作为工业上可以廉价地制造、具有与Ti-6A1-4V合金同等以上的机 械性质的α +β型钛合金，公开了包含Al :5. 5?7. 0%、Fe :0. 5?4. 0%、0:0. 5%以下的 合金。但是，存在Al添加量多、韧性差，此外Fe含量高时由Fe偏析产生的特性的不均一性 以及韧性降低的问题。
[0010] 专利文献4中，作为与Ti-6A1-4V相比强度高、铸造性优异的铸造用α + β型钛合 金，公开了包含 Al :5. O ?7· 0%、Fe+Cr+Ni :0· 5 ?10. 0%、C+N+O :0· Ol ?0· 5%、在维持 铸造的状态下拉伸强度为890MPa以上、熔点为1650°C以下的钛合金。该钛合金是得到熔融 时的良好的流动性及凝固后的优异的强度的合金，但强度不充分。
[0011] 专利文献 5 中公开了 Al :4· 4 ?5. 5%、Fe :1· 4 ?2· 1%、Μο :1· 5 ?5. 5%、Si :不 足〇. !^且具有与Ti-6A1_4V同等以上的室温强度、疲劳强度的高强度α+β型合金。但 是，专利文献5中记载的钛合金大量地包含昂贵且价格变动大的Μο,因此存在难以低成本 且稳定地制造的问题。
[0012] 专利文献6中公开了 Mo当量为6.0?12.0、微观组织受控的高强度、高韧性的 α+β型钛合金。但是，专利文献6中记载的钛合金需要大量包含昂贵的合金元素 Mo,为高 成本。
[0013] 专利文献7中公开了包含Si的近β型钛合金。但是，专利文献7以近β型钛合 金为对象，如说明书中所例示的Ti-10V-2Fe-3Al、Ti-5Al-2Sn-2Zr-4M〇-4Cr的那样，大量 含有昂贵的合金元素 V、Mo,为高成本。
[0014] 现有技术文献
[0015] 专利文献
[0016] 专利文献1 :特许第3076697号公报
[0017] 专利文献2 :特许第3076696号公报
[0018] 专利文献3 :特许第3306878号公报
[0019] 专利文献4 :日本特开2010-7166号公报
[0020] 专利文献5 :日本特开2005-320618号公报
[0021] 专利文献6 :日本特开2001-288518号公报
[0022] 专利文献7 :特许第3409278号公报
[0023] 非专利文献
[0024] 非专利文献 I :P. Bania，Metallugy and Technology of Practical Titanium Alloys, p. 9, TMS, ffarrendale, PA(1994)
[0025] 非专利文献 2 :F. H. FROES and I. L. CAPLAN，TITANIUM' 92 SCIENCE AND TECHNOLOGY, p.2787
【发明内容】
[0026] 发明要解决的问题
[0027] 对于使用廉价原料并且合金添加量比β型钛合金少的α + β型钛合金构件，以往 未公开以高水平同时满足强度和韧性的技术。
[0028] 为了提高α+β型钛合金构件的韧性而制成针状组织时，存在强度降低的问题。
[0029] 所以，本发明提供有利地解决上述问题、与以往的α+β型钛合金构件相比廉价 地以高水平兼具强度和韧性的钛合金构件及其制造方法。
[0030] 用于解决问题的方案
[0031] 本发明人等为了达成上述问题，对于如下的钛合金构件的强度和韧性进行深入研 宄，该钛合金构件作为强化元素添加与V、Mo相比廉价的Fe以及即便少量地添加、强度和韧 性的强化能力也高的Si，实施各种热处理。
[0032] 本发明人等将均在室温下的、拉伸强度985MPa以上、使用2mmV切口试验片的夏 氏冲击值30J/cm 2以上分别作为强度以及韧性的指标。关于室温强度，由于广泛使用的 Ti-6A1-4V被规定为895MPa以上，因此本发明的室温强度设为超过上述值10%以上。此外， Ti-6A1-4V的标准的夏氏冲击吸收能量为24J即30J/cm2,因此将具有超过上述值的冲击值 作为指标。
[0033] 向钛合金添加 Si大多是在要求耐热性的用途中意图提高耐蠕变性而添加的。并 且，对于Si添加量的上限，为了抑制硅化物的生成而设为固溶度极限附近的情况很多。
[0034] 本发明人等对添加了 Al、Fe以及Si的钛合金构件实施各种的热处理，评价强度以 及韧性。其结果发现，通过适量地调整Al、Fe、O以及Si的成分范围、并且进行使微观组织 成为针状α相的平均宽度不足5μπι的针状组织的热处理，从而可以制造强度以及韧性优 异的钛