Ti6Al4Vチタン合金の熱処理

ご存知のように、チタンは非常に活性な金属であり、水素、酸素、炭素によって汚染されやすく、これらの物質のいずれかがチタン合金に影響を与える可能性があるため、材料、設備、プロセス、テスト、メンテナンスなどの項目から管理することが不可欠です。チタン合金の熱処理工程は、アルゴン保護された真空炉を使用することに加え、酸化性雰囲気中でチタン合金を加熱する必要があり、厳格な管理の下で行われなければなりません。このプロセスには精密な管理が必要であり、ワークピース表面の酸化膜を除去する必要があります。合理的な合金化と熱処理は、チタン合金の特性を効果的に改善することができます。多くの熱処理方法がありますが、Grade5チタン合金の場合、焼きなまし、焼き入れ時効処理、化学熱処理が一般的に使用されます。

焼鈍は純チタンとαチタン合金の唯一の熱処理方法です。焼鈍は、応力を除去し、合金の塑性と安定した微細構造を改善するために、あらゆる種類のチタン合金に適しています。焼鈍プロセスは様々なチタン合金に使用されます。焼鈍の目的は、材料の塑性を改善し、その構造を安定させることです。このプロセスには、応力除去焼鈍、再結晶焼鈍、二重焼鈍の3つの形態があります。

アニールは空気炉で行われ、部品の表面汚染が要求される場合は不活性ガス炉または真空炉でアニールされる。等温焼鈍の際、冷却速度が遅すぎて組織が大きくなりすぎるのを避けるため、部品のサイズが大きすぎる場合は、転炉または空冷を使用する。二重焼鈍の場合、最初の加熱後に空冷し、チタン部品は冷却速度が遅すぎて性能に影響を与えないように、必要に応じて強制空冷、分散冷却する必要があります。

グレード5チタンのアニール

グレード	チタンシート/ストリップ			チタン・バー/ワイヤー
	温度	時間/分	冷却	温度	時間	冷却
グレード5	700℃-870℃	15-60	空冷	700℃-800℃	60-120	空冷

注：空冷または徐冷。二重焼鈍の場合、β遷移温度15～30℃以下、1～2h、空冷または急冷、705～760℃、1～2h、空冷。

チタン合金の熱処理の制御パラメータには、溶体化温度、溶体化時間、冷却モード（水冷、油冷、炉冷）、時効温度が含まれる。異なるチタン合金は異なるアニール温度を必要とする。β焼鈍またはβ溶体化熱処理が必要な場合、 Gr.5合金 または他のα-β型合金は、その部品のβ遷移温度（30±15）℃以上で少なくとも 30 分間保持した後、大気または不活性ガス中で室温まで冷却する。水冷が必要な場合は、水冷後、730～760℃で1～3時間保持した後、2回目の焼鈍を行う。

焼鈍は純チタンとαチタン合金の唯一の熱処理方法です。焼鈍は、応力を除去し、合金の塑性と安定した微細構造を改善するために、あらゆる種類のチタン合金に適しています。焼鈍プロセスは様々なチタン合金に使用されます。焼鈍の目的は、材料の塑性を改善し、その構造を安定させることです。このプロセスには、応力除去焼鈍、再結晶焼鈍、二重焼鈍の3つの形態があります。

アニールは空気炉で行われ、部品の表面汚染が要求される場合は不活性ガス炉または真空炉でアニールされる。等温焼鈍の際、冷却速度が遅すぎて組織が大きくなりすぎるのを避けるため、部品のサイズが大きすぎる場合は、転炉または空冷を使用する。二重焼鈍の場合、最初の加熱後に空冷し、チタン部品は冷却速度が遅すぎて性能に影響を与えないように、必要に応じて強制空冷、分散冷却する必要があります。

グレード5チタンのアニール

グレード	チタンシート/ストリップ			チタン・バー/ワイヤー
	温度	時間/分	冷却	温度	時間	冷却
グレード5	700℃-870℃	15-60	空冷	700℃-800℃	60-120	空冷

注：空冷または徐冷。二重焼鈍の場合、β遷移温度15～30℃以下、1～2h、空冷または急冷、705～760℃、1～2h、空冷。

チタン合金の熱処理の制御パラメータには、溶体化温度、溶体化時間、冷却モード（水冷、油冷、炉冷）、時効温度が含まれる。β焼鈍またはβ溶体化熱処理が必要な場合、Gr5合金または他のα-β型合金は、少なくとも30分間、部品のバッチのβ遷移温度（30±15）℃以上に保持しなければならず、その後、空気中または不活性ガス中で室温まで冷却しなければならない。水冷が必要な場合は、水冷後、730～760℃で1～3時間保持した後、2回目の焼鈍を行う。

応力除去アニーリング

チタンの加熱と断熱の応力除去焼き戻しは、規格に従わなければならない。断熱後、空気中、不活性ガス中、または炉で冷却する。応力除去焼なましの加熱温度は、溶体化時効処理または二重焼なましを行ったチタン合金の時効処理温度または第2段階焼なまし温度を超えないこと。

応力除去焼鈍に使用される温度は再結晶焼鈍よりも低く、焼鈍時間は一般に再結晶焼鈍よりも短い。この工程は、加工中の残留応力を低減するために行われる。このプロセスにより、強度、延性、寸法安定性の最適な組み合わせが得られる。また、機械加工や熱処理など、その後の工程で望ましくない残留応力を低減するためにも使用できる。二相チタン合金に最適で、応力腐食に対する耐性も向上させることができます。しかし、熱処理を避けたい場合は、この方法はお勧めできません。

このプロセスは、α相が消滅し、微細構造が立方晶のような構造に変化するポイントであるβトランスウス温度（β転移）以上の温度で実施することができる。この方法は、複雑な形状に成形する必要があるチタン合金部品の機械的特性を改善するために使用されます。

グレード5チタンの応力除去焼鈍

合金	温度	時間/分
グレード5	480℃ -650℃	60-240

注：応力除去焼鈍は、熱間成形と同時に760～790℃で完了させることができる。

等温アニーリング

等温焼鈍は最高の塑性と熱安定性を提供します。b安定化元素を多量に含む二相チタン合金には良い選択です。このプロセスでは、合金を再結晶温度以上に加熱し、低温の炉に移す必要があります。この過程で保存された熱は、空冷によって合金の表面に伝達される。この工程は、望ましい結果を得るために数回繰り返すことができる。

再結晶アニーリング

再結晶焼鈍プロセスは、基本応力を除去するために、特定のタイプのチタン合金の温度を調整する方法です。再結晶焼鈍の目的は、所望の塑性と強度特性を達成することです。再結晶焼鈍の温度は通常450～650℃です。

引張焼鈍の過程で、チタン合金の再結晶は転位すべりと同時に起こる。これは二重降伏現象として知られています。920℃の焼鈍温度は強度を増加させ、塑性を減少させます。再結晶後、二次相が析出する。長時間の焼鈍はチタン合金の最終的な機械的特性を決定する上で重要ではありません。

焼入れ時効処理は、強化熱処理としても知られている強化を生成するために相変態を使用するTi6Al4Vチタン合金の熱処理強化の主な方法です。溶体化処理後、チタン合金部品は規定（下表参照）に従って時効処理を行う必要があります。時効処理後、部品は空気中、不活性ガス中、または炉で冷却される。

Gr.5チタンの急冷時効 

グレード	温度	時間/h
グレード5	480℃ -690℃	2-8

チタン合金の化学熱処理は、主に耐摩耗性、熱安定性、表面強度を向上させます。ご存知のように、チタン合金は摩擦係数が大きく、耐摩耗性に劣り（一般に鋼より40%程度低い）、その接触面は結合しやすく、摩擦腐食の原因となります。また、チタン合金は酸化性媒体に対しては強い耐食性を示しますが、還元性媒体（塩酸、硫酸など）に対しては耐食性が劣ります。これらの特性を改善するために、電気めっき、溶射、化学熱処理、すなわち窒化処理、酸素化処理などの方法を用いることができる。窒化処理後、窒化処理表面の硬度は、窒化処理を行わない場合よりも2～4倍高くなり、合金の耐摩耗性を明らかに向上させ、還元性媒体中での耐食性を向上させることができます。酸素処理によって合金の耐食性は7～9倍に向上するが、欠点は塑性と疲労強度が多少低下することである。