チタンおよびチタン合金の熱処理 (1）

熱処理は、製品の形状を変えることなく金属の物理的または機械的特性を変更するために、非常に正確な環境条件下で金属の制御された加熱と冷却を実行するプロセスです。熱処理が正しく行われない場合、金属はエンジニアの設計仕様を満たすために必要な望ましい特性を達成できない可能性があります。
熱処理は通常、材料の強度を高めることに関連していますが、機械加工性の向上、成形性の向上、延性の向上、または耐食性の向上にもよく使用されます。したがって、これは金属の指定された特性が確実に達成されるようにする重要なプロセスです。

チタン合金熱処理の利点:

製造時に発生する残留応力を低減（応力緩和）
延性、機械加工性、寸法安定性および構造安定性の最適な組み合わせを実現します (焼きなまし)
強度の向上（溶体化処理と時効処理）

破壊靱性、疲労強度、高温クリープ強度などの特殊特性を最適化

チタンの応力緩和

チタンおよびチタン合金は、強度や延性に悪影響を与えることなく応力を緩和できます。

応力除去処理は、第 1 に不均一な熱間鍛造や冷間成形と矯正による変形、第 2 にプレートや鍛造品の非対称機械加工、第 3 に鋳物の溶接や冷却によって生じる望ましくない残留応力を減少させます。このような応力を除去すると、形状の安定性が維持され、一般にバウシンガー効果として知られる圧縮降伏強度の損失などの不利な条件が排除されます。

応力除去は、おそらくチタンおよびチタン合金に施される最も一般的な熱処理です。不均一な熱間鍛造変形、不均一な冷間成形と矯正、プレート (ホグアウト) または鍛造品の非対称加工、鍛錬、鋳造、または粉末冶金 (P/M) 部品の溶接から生じる望ましくない残留応力を軽減するために使用されます。鋳物の冷却。

応力緩和は形状安定性の維持に役立ち、チタン合金で特に深刻な圧縮降伏強さの損失 (バウシンガー効果) などの不利な条件を排除することもできます。強度や延性に悪影響を与えることなく応力緩和が可能です。

アニーリング

チタンおよびチタン合金の焼きなましは、主に破壊靱性、室温での延性、寸法安定性および熱安定性、および耐クリープ性を向上させるのに役立ちます。多くのチタン合金は、焼きなましされた状態で使用されます。一般に、1 つまたは複数の特性の改善は他の特性を犠牲にして得られるため、アニーリング サイクルは処理の目的に応じて選択する必要があります。
一般的なアニーリング処理は次のとおりです。

ミルアニーリングは、あらゆるミル製品に施される汎用処理です。これは完全な焼きなましではなく、重加工された製品、特にシートの微細構造に冷間または温間加工の痕跡が残る場合があります。

二相焼鈍により、相の形状、サイズ、分布が、耐クリープ性や破壊靱性の向上に必要なものに変化します。たとえば、コロナ 5 合金の二相焼鈍では、変形部分を球状化し、その体積分率を最小限に抑えるために、最初の焼鈍はトランザス付近で行われます。これに続いて、球状粒子の間に新しいレンチキュラー (針状) を析出させるために 2 回目の低温アニールが行われます。この針状の形成は、クリープ強度と破壊靱性の向上に関連しています。

破壊靱性を向上させるために、再結晶焼鈍と焼鈍が使用されます。再結晶焼鈍では、合金は - 範囲の上限まで加熱され、しばらく保持された後、非常にゆっくりと冷却されます。近年、破壊が重要な機体部品の焼鈍は再結晶焼鈍に取って代わられています。

(ベータ) アニーリング。再結晶焼鈍と同様に、焼鈍により破壊靱性が向上します。ベータ焼鈍は、焼鈍される合金のトランサスを超える温度で行われます。過剰な結晶粒の成長を防ぐために、アニーリングの温度はトランザスよりわずかに高くする必要があります。アニーリング時間は断面の厚さに依存し、完全な変形には十分な時間でなければなりません。結晶粒の成長を制御するには、変態後の温度での時間を最小限に抑える必要があります。より大きなセクションは、粒界での相の形成を防ぐためにファンで冷却するか水冷する必要があります。

溶液処理とエージング

溶体化処理と時効処理により、合金の幅広い強度レベルを得ることができます。独特の Ti-2.5Cu 合金を除いて、チタン合金の熱処理応答の原因は、低温での高温相の不安定性にあります。
合金を溶体化処理温度まで加熱すると、より高い相の比率が生成されます。この相の分割は急冷によって維持されます。その後の老化により不安定相の分解が起こり、高い強度が得られます。市販の合金は通常、溶体化処理された状態で供給され、時効処理のみが必要です。チタン合金の溶体化処理には、通常、トランザス温度よりわずかに高いかわずかに低い温度まで加熱することが含まれます。
(ベータ) 合金は通常、溶体化処理された状態で製造業者から入手されます。再加熱が必要な場合、浸漬時間は完全に溶解するのに必要な時間だけにしてください。合金の溶体化処理温度はトランサスを超えます。第二相が存在しないため、粒子成長が急速に進行します。
- (アルファ-ベータ) 合金。合金の溶体化処理温度の選択は、時効後に望ましい機械的特性の組み合わせに基づいて行われます。合金の溶体化処理温度を変更すると、相の量が変化し、その結果、時効に対する応答が変化します。
十分な延性を備えた高強度を得るには、現場での高温、通常は合金のトランザスより 25 ～ 85 度 (50 ～ 150 度 F) 低い温度で溶体化処理する必要があります。高い破壊靱性や応力腐食に対する耐性の向上が必要な場合は、焼きなましまたは溶体化処理が望ましい場合があります。ただし、この範囲の合金を熱処理すると、延性が大幅に低下します。これらの合金は通常、延性、破壊靱性、クリープ、および応力破断特性の最適なバランスを得るために、トランザスの下で溶体化熱処理されます。

焼入れ

合金がオールベータ領域から水焼入れにより急冷されると、アルファ相の生成傾向が抑制され、ベータ相が保持されます。ただし、特定の合金組成は焼入れ時に独特の変態を示します。マルテンサイト変態またはせん断様変態のこのメカニズムは完全には理解されていません。この構造、いわゆるアルファプライムの形成により、格子に多少の歪みが生じます。この歪みとその結果として生じるひずみにより、硬くて靭性があり、アルファよりも優れた疲労特性を備えた材料が生成されます。この焼入れプロセスは、焼き戻しの最初のポイントでもあります。

テンパリング

チタンを高温から急冷し、ベータトランザス以下の温度まで再加熱し、一定時間保持して再度急冷すると、焼き戻されたと言われます。焼き戻しには、存在する相、保持時間、および焼き戻し温度の 3 つの変数が存在します。

初期構造にアルファ素数が含まれる場合、2 つの変化が発生します。アルファ素数はアルファに変形し、長い時間ではアルファが鋸歯状になります。その結果、硬度と強度が失われ、延性と衝撃が増加します。ただし、アルファ-ベータ構造はこのパターンに従いません。アルファは主に変更されません。ベータは分解して、ベータ相を犠牲にしてさらに多くのアルファを形成します。低温ではより多くのアルファが形成されます。したがって、同じ時間間隔で高温で焼き戻しした場合よりも、低い焼き戻し温度では強度と硬度が大幅に低下し、延性が大幅に増加します。

等温変態

合金をオールベータ領域からアルファベータ領域の温度まで熱間急冷し、一定時間保持した後、さらに室温まで急冷すると、材料は等温変態します。この方法で処理すると、ベータ相からアルファ相が析出します。高温では、アルファは最初に粒界で析出し、その後ベータ粒子自体の中に析出します。
この処理を変態温度直下の温度に保持すると、最初はベータプライムの形成により非常に硬い材料が得られます。保持時間が長くなると、硬度と強度が低下し、それに伴って延性と靭性が増加します。低温では硬度が徐々に上昇し脆くなり、長時間処理すると短時間の高温処理よりも高い硬度が得られる場合があります。

（つづく）