チタン金属は、その優れた性能により、現代の工業分野において重要な地位を占めています。その比強度はあらゆる金属の強度を上回り、耐食性と耐熱性にも優れており、航空宇宙・防衛分野の高性能材料に対する厳しい要求に完璧に応えています。科学技術の発展と産業の高度化に伴い、チタンの応用範囲は拡大し続け、その使用量は着実に増加し、不可欠な基幹金属材料となっています。多くの種類のチタン合金の中で、最も広く使用されているのは、二相α-βチタン合金Ti-6Al-4Vで、チタン金属全体の約45%を占めています。一般的に、Ti-6Al-4V合金の真空ろう付け後の熱処理工程では、主に焼鈍処理が採用されています。
本研究では、材料の性能ポテンシャルをさらに探求し、強度指数を向上させるため、Ti-6Al-4V合金の真空ろう付け後の溶体化時効熱処理工程に焦点を当て、この工程が材料性能に及ぼす影響を深く探究し、従来の真空ろう付け後焼鈍処理工程と比較・分析しました。研究開始当初は、田口メソッドを用いて溶体化処理および時効熱処理のパラメータを体系的に最適化し、材料の硬度と引張強度を最大化するための最適な工程条件を得ることを目指しました。試験結果から、最適な工程の組み合わせは、時効温度を482℃に設定し、溶体化処理時間を60分に制御し、焼入れ遅延時間を合理的に設定し、時効時間を6時間に設定し、溶体化処理温度を960℃に設定し、冷却方法をファン冷却とし、処理環境を静水冷および乾燥空気雰囲気とすることが示されました。この溶体化時効熱処理後、材料の硬度はHRc43以上に達し、丸棒試験片の引張強度は1165MPaに達し、板状試験片の引張強度も1082MPaを超えました。焼鈍後の硬度HRc36、引張強度990MPaと比較すると、性能が大幅に向上しています。
さらに、本研究では、チタンベースと銀ベースの2種類の異なるろう材を用いて真空ろう付けし、その後溶体化時効熱処理を行ったTi-6Al-4V合金の性能を比較・分析しました。その中で、チタンベースろう材Ti-15Cu-15Niの真空ろう付けプロセスパラメータは、それぞれ970℃、15分、30分、60分です。この条件下では、溶体化処理および時効処理後、溶接界面の平均せん断強度は476MPaに達し、せん断強度の変動範囲は474±47MPaでした。銀系ろう材Ag-26.7Cu-4.5Tiの真空ろう付け温度と保持時間は、それぞれ900℃×30分と960℃×5分/10分である。溶接継手界面の平均せん断強度は470MPa、せん断強度の変動範囲は464.5±23.5MPaである。200MPaで熱処理を行わないAg-26.7Cu-4.5Ti真空ろう付けのせん断強度と比較すると、真空ろう付け焼鈍後のTi-15Cu-15Niチタン系ろう材のせん断強度はそれぞれ16%と240%増加した。注目すべきは、ろう材Ti-15Cu-15Niの初期組成中の15Cuが15Niと結合して30wwt.%の特定の組成を形成することである。ろう付け工程における温度と保持時間が不十分な場合、溶接部中心部に連続した化合物帯が残留し、その偏析組成は共晶点に近くなります。Ti-(Cu,Ni)ろう付け溶接部におけるフィラーの組成分布は、擬似状態図に類似した特性を示します。本研究では、ろう付け後の熱処理工程である焼鈍処理または溶体化時効処理によって、溶接部中心部の誘電体化合物の連続帯を効果的に除去できることが分かりました。共晶温度において、βTiの最大溶解度は12wt.%に達する可能性があります。適切な熱処理工程を経ることで、濃度が≤6wt.%の共晶点または亜共析組織を得ることができ、この効果はろう付けパラメータの選択に影響を受けません。ろう付けパラメータを意図的に溶接部中心部の誘電体化合物の連続帯を除去するように設定しなくても、その後の熱処理でこの目標を達成できます。
