專利名稱：制造β－鈦合金的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于制造鈦合金，尤其是β-鈦合金的方法。本發(fā)明包括冷加工β-鈦合金，隨后直接使合金老化小于4小時(shí)。
描述鈦合金的獨(dú)特特性，使其適用于要求高抗腐蝕性、高強(qiáng)度、和低的物重的應(yīng)用中。鑒于價(jià)格的原因，要求抗腐蝕的應(yīng)用，常常使用低強(qiáng)度非合金的鈦軋材。非合金鈦可制造成例如在化學(xué)加工、脫鹽、和發(fā)電中所使用的設(shè)備。與之相反，高性能的應(yīng)用，常常根據(jù)一些設(shè)計(jì)因素，包括重量、強(qiáng)度、延展性，和可靠性的要求，以一種極優(yōu)選的方式，使用高強(qiáng)度的鈦合金。為了滿足這種特殊使用的要求，用于高性能使用的合金，通常比用于耐腐蝕用的鈦，進(jìn)行更為嚴(yán)格的處理，隨之帶來額外的費(fèi)用。盡管如此，各種鈦合金所固有的高強(qiáng)度、高硬度、良好的韌性、低密度、和優(yōu)良的抗腐蝕能力，等綜合特性，適用于低到中溫的應(yīng)用中，主要是以重量輕，用于航天結(jié)構(gòu)和其他高性能的應(yīng)用中。這種重量輕常常又會(huì)增加有關(guān)處理鈦合金的費(fèi)用。
鈦合金可以以幾種冶金類型中的一種進(jìn)行分類，例如有α、近似α、α-β、或β型的。β-鈦合金尤其適用于航天結(jié)構(gòu)。熱加工的β-鈦合金可冷加工成最終或近似最終的形式。冷加工過程使合金具有高水平強(qiáng)度和/或適宜的延展性/強(qiáng)度的性能關(guān)系。某些“Aerospace Material Specifications”，AMS4957A和AMS 4958A中，確實(shí)說明了對(duì)β-鈦合金Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo(此處稱為Ti-38-644合金)的推薦處理?xiàng)l件以制造主要用作航天盤簧圓棒或線。通常，航天彈簧的應(yīng)用要求高的抗拉強(qiáng)度，低的密度和抗腐蝕性。Ti-38-644合金，以重量計(jì)，含有3.0-4.0％的鋁、7.5-8.5％的釩、5.5-6.5％的鉻、3.5-4.5％的鉬、3.5-4.5％的鋯、最大0.14％的氧，最大0.05％的碳、最大0.03％的氮，其余為鈦。AMS 4957B對(duì)合金成分也提出了一些另外的限定，包括最大0.30％的鐵、最大0.10％的鈀、最大300ppm的氫、最大50ppm的釔，其余元素總共最大為0.40％。根據(jù)AMS的技術(shù)要求，合金必須通過在850°F～1050°F(454℃～566℃)下加熱，并在所擇溫度±10°F(6℃)下，保持6～20小時(shí)以進(jìn)行老化。所要求的最小拉伸性能，作為適用的，根據(jù)ASTME8或ASTME8M確定，取決于最終產(chǎn)品圓棒或絲的額定直徑，但是，沒有任何一種情況，是小于180ksi的最小抗拉強(qiáng)度，8％的最小延伸度，和20％的最小面積減少(“RA”)。
不管鈦合金的冶金類型是α、近似α、α-β、或β中的哪一種，都受合金的化學(xué)組成，施加的熱處理、和其它因素所影響。冶金類型的規(guī)定，都涉及室溫下存在于合金微觀結(jié)構(gòu)中的主要結(jié)晶相。鈦金屬在室溫下具有稱為“α”的緊密堆積的六方晶結(jié)構(gòu)(“hcp”)。在高溫度下，該結(jié)構(gòu)可轉(zhuǎn)變成體心立方晶結(jié)構(gòu)(“bcc”)(“β”)。發(fā)生這種轉(zhuǎn)變的溫度稱為“β轉(zhuǎn)變溫度”。對(duì)于工業(yè)上純鈦合金的β轉(zhuǎn)變溫度約為1625°F(885℃)，在純鈦中添加某些合金的元素可促進(jìn)形成α和β晶體結(jié)構(gòu)的一種或另一種。有利于α結(jié)構(gòu)的元素稱為“α穩(wěn)定劑”，有利于β結(jié)構(gòu)的元素稱為“β穩(wěn)定劑”。例如，鋁是一種α穩(wěn)定劑，將鋁添加到鈦合金中可增β轉(zhuǎn)變溫度。鉻、鐵、鉬、和釩是β穩(wěn)定劑，它們的添加可降低β轉(zhuǎn)變溫度，在低溫下可穩(wěn)定β結(jié)構(gòu)。合金中α和β的相對(duì)量和施用于合金的熱處理，在特定的溫度范圍內(nèi)，決定合金的微觀結(jié)構(gòu)是否主要是單-α相、單-β相、或α、β的混合相。
鈦合金的特性與它的微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，α-β兩相合金一般呈現(xiàn)的拉伸強(qiáng)度，大于α單相合金或β單相合金。通過熱處理可進(jìn)一步增強(qiáng)α-β合金，這是因?yàn)橥ㄟ^控制加熱、淬火和老化循環(huán)，可控制微觀結(jié)構(gòu)。
許多β-鈦合金和一種以上的β穩(wěn)定劑形成合金。用足夠量的β穩(wěn)定劑，并在熱處理和冷卻過程的適當(dāng)控制，可在低于合金通常的β轉(zhuǎn)變溫度的相當(dāng)?shù)偷臏囟认卤３枝孪?。例如，通過從高于或經(jīng)β轉(zhuǎn)變溫度迅速冷卻，如通過淬火處理，可在鈦合金中保持β相。然而，鈦合金必須具有足夠量的β穩(wěn)定劑，以阻止β相通過馬氏體轉(zhuǎn)變而轉(zhuǎn)變成α相。含有足量β穩(wěn)定劑的鈦合金，其量要足以降低合金的馬氏體轉(zhuǎn)變溫度到低于室溫，但不能足以降低β轉(zhuǎn)變溫度到室溫以下，這已知稱為“亞穩(wěn)”β鈦合金，這種亞穩(wěn)β鈦合金，在熱處理并冷卻到室溫后，至少能保持部分β結(jié)構(gòu)。本文中所用的對(duì)β鈦合金的參考文獻(xiàn)正如上述對(duì)亞穩(wěn)β鈦合金。
此外，除了另有說明，本說明書和權(quán)利要求中所使用的表示組份、時(shí)間、溫度、等量的所有數(shù)值，都應(yīng)理解成在所有實(shí)例中以術(shù)語“約”改變。因此，除非作出相反說明，在下面說明書和權(quán)利要求中列出的數(shù)字參量都是近似值，該值可根據(jù)本發(fā)明獲得的要求特性進(jìn)行變化。至少?zèng)]有打算限定相當(dāng)于權(quán)利要求范圍原則的申請(qǐng)，每個(gè)數(shù)字參量至少應(yīng)認(rèn)為在所報(bào)導(dǎo)的有效數(shù)的范圍內(nèi)和通過使用一般的舍入技術(shù)。
盡管本發(fā)明設(shè)定的寬的數(shù)字范圍和參量，都是近似值。在具體實(shí)例中設(shè)定的數(shù)值是以盡可能準(zhǔn)確的報(bào)導(dǎo)。然而，任何數(shù)值肯定含有某種誤差，這種誤差必然是由各次試驗(yàn)中求得的標(biāo)準(zhǔn)偏差引起的。
本發(fā)明的實(shí)施方案通過包括對(duì)合金進(jìn)行冷加工，然后直接將合金進(jìn)行總老化時(shí)間少于4小時(shí)的老化的步驟的方法而處理β-鈦合金。例如β-鈦合金可以是Ti-38-644合金。該方法可包括將合金制成制品，例如如棒、絲、盤簧。
本發(fā)明的另一實(shí)施方案是由β-鈦合金生產(chǎn)彈簧或其他制品的方法。例如β-鈦合金可以是含有如下成分的合金，以重量計(jì)，為3.0-4.0％的鋁、7.5-8.5％的釩、5.5-6.5％的鉻、3.5-4.5％的鉬、3.5-4.5％的鋯，其余為鈦。對(duì)合金進(jìn)行熱加工、冷加工，以提供5-60％的壓縮，并直接老化，其總老化時(shí)間少于4小時(shí)。作為本文中使用的冷加工定義為可在低于合金的有效老化溫度的溫度下進(jìn)行的各種處理過程。因此，鈦合金的冷加工可在低于合金的β轉(zhuǎn)變溫度的溫度下進(jìn)行。冷加工永久變形加工件，在去除引起變形的負(fù)載時(shí)，不會(huì)返回到原來的形狀。通常，冷加工的程度是以加工件橫截面積的縮小百分?jǐn)?shù)來確定。因此，由冷加工獲得的5％壓縮是指在冷加工過程中使加工件的橫截面積縮小5％。本發(fā)明的實(shí)施方案中可使用任何冷加工技術(shù)。有用的冷加工技術(shù)包括，但不限定于壓縮加工、拉制、拉絲、拉管、深拉、軋制、異形模壓成形、擠壓、冷鐓、型鍛、精壓、鍛造、拉伸過程、拉伸成形、和旋壓。
可以利用冷加工改進(jìn)合金的機(jī)械性能，包括硬度、屈服強(qiáng)度、和抗拉強(qiáng)度。然而，冷加工時(shí)，可降低延展性。延展性是材料對(duì)塑性變形而不斷裂的能力的量度。拉伸度或抗拉試驗(yàn)中的RA一般用作材料延展性的量度。本發(fā)明的方法可以用于增加β-鈦合金的強(qiáng)度，同時(shí)還能保持好的延展性，并能顯著增加合金的老化響應(yīng)。
按照本發(fā)明的方法制備和處理β-鈦合金。然后，將它的性能與使用包括冷加工和熱處理步驟的傳統(tǒng)方法處理同樣組分合金進(jìn)行比較。以下對(duì)這種試驗(yàn)進(jìn)行更詳細(xì)的描述。
制備Ti38-644合金的熔體，并鑄造成坯錠。合金具有的平均組成，以重量百分比計(jì)，示于表1。第1個(gè)坯錠在不超過1750°F的溫度下進(jìn)行熱軋，退火和空氣中冷卻。
表1第1個(gè)坯錠的組成

部分經(jīng)熱軋、退火和空氣冷卻的坯錠，用本發(fā)明的方法進(jìn)行處理，而另一部分經(jīng)熱軋、退火和空氣冷卻的坯錠，以傳統(tǒng)方式進(jìn)行處理，以作比較之用，以傳統(tǒng)方式處理的部分，經(jīng)熱加工，然后固溶熱處理，和接著老化。改變熱處理參量，以評(píng)價(jià)機(jī)械性能的影響。正如從現(xiàn)有技術(shù)中所知，固溶熱處理是一種熱處理步驟，其中，將合金加熱到適宜的溫度，并在此溫度下保持一段時(shí)間，足以使合金的一種或多種成分進(jìn)入到固溶體中。然后將該合金迅速冷卻，以使一種或多種成分保持在固溶體中。對(duì)合金進(jìn)行固溶熱處理主要是改進(jìn)在給定強(qiáng)度下的延展性。
幾種類型的傳統(tǒng)熱處理方法與本發(fā)明的方法進(jìn)行比較。表2中包括在各種條件下通過傳統(tǒng)熱處理方法處理表1合金，在室溫下進(jìn)行抗拉試驗(yàn)的結(jié)果。表2中報(bào)導(dǎo)的所有拉伸性能，都是按照ASTM E8測(cè)定的。使用拉伸試驗(yàn)測(cè)定試驗(yàn)件的最大抗拉強(qiáng)度(“UTS”)，0.2％的屈服強(qiáng)度、延伸率、和RA。RA和延伸率是試驗(yàn)件的延展性的量度。延伸率是在加應(yīng)力時(shí)，試驗(yàn)件的延伸量?？股煸囼?yàn)中，延伸率是在原長(zhǎng)度的樣品斷裂后所測(cè)量的原標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度的增加量，通常在試驗(yàn)件上標(biāo)注的，以原標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度的百分比表示。
表2傳統(tǒng)方法加工的Ti-38-644合金特性軋制和熱處理的室溫拉伸數(shù)據(jù)

*＝失敗的近沖壓標(biāo)志表2中列出的試驗(yàn)件是從直徑4英寸的坯料熱軋成直徑為0.569英寸的棒，并在老化前經(jīng)固溶熱處理，表2中的數(shù)據(jù)清楚地表明合金需要大于8小時(shí)的長(zhǎng)時(shí)間老化，才能獲得大于180ksi的高強(qiáng)度。對(duì)于二個(gè)試驗(yàn)，固溶熱處理過程(1400°F(760℃)下1小時(shí)和1400°F(760℃)下20分鐘)，對(duì)于AMS 4957A和AMS 4958B規(guī)定的Ti-38-644棒和絲，傳統(tǒng)的過程需要大于8小時(shí)的老化，才能獲得最小的抗拉強(qiáng)度。AMS 4958A規(guī)定在熱軋和固溶熱處理后，β-鈦合金必須獲得不大于5％的冷加工壓縮，AMS 4958A也要求合金在老化溫度下經(jīng)受至少12小時(shí)老化。此外，由于在增高溫度下進(jìn)行固溶熱處理和老化，合金表面上可形成一氧化物層。AMS 4958A還需要酸浸步驟以去除該層。
發(fā)明實(shí)施方案的描述合金的老化時(shí)間可利用不同的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)定和表示。例如，老化過程的長(zhǎng)度可以以合金曝露在爐內(nèi)老化的溫度下的總時(shí)間，或者以合金的表面或內(nèi)部組分保持在老化溫度范圍內(nèi)的總時(shí)間，進(jìn)行測(cè)量。除另有指出外，本文中對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方案報(bào)導(dǎo)的所有老化時(shí)間是在約所要求的老化溫度下，合金曝露于環(huán)境中的總時(shí)間，實(shí)例中列出的試驗(yàn)件樣品的老化是在實(shí)驗(yàn)爐內(nèi)進(jìn)行的。加熱合金更有效的裝置，例如產(chǎn)生對(duì)流爐，可對(duì)合金迅速傳熱，因此可降低對(duì)合金賦予所要求的性能所必要的最小老化時(shí)間。本發(fā)明的方法并不限于本文描述的實(shí)施方案，包括所用的特殊老化裝置，但包括各種其他實(shí)施方案。因此，本文中呈現(xiàn)的本發(fā)明實(shí)施方案僅是發(fā)明的實(shí)例，而本發(fā)明的范圍不受其限制。
本發(fā)明方法的實(shí)施方案包括在冷加工步驟后直接老化β-鈦合金少于4小時(shí)。在冷加工前，β-鈦合金可進(jìn)行熱加工。在熱加工后，和冷加工前，合金也可以退火。β-鈦合金的優(yōu)選退火溫度是1425°F(774℃)。對(duì)于利用本發(fā)明方法，冷加工和老化前，進(jìn)行退火的試驗(yàn)件和未進(jìn)行退火的試驗(yàn)件，其強(qiáng)度和延展性表明幾乎一致。
本發(fā)明實(shí)施方案的特征和優(yōu)點(diǎn)，參照附圖，可得到更好的理解。


圖1是說明Ti-38-644合金經(jīng)受13％或15％冷加工壓縮和950°F(510℃)下老化，老化時(shí)間對(duì)UTS，0.2％屈服強(qiáng)度，延伸率、和RA的影響。
圖2是說明Ti-38-644合金經(jīng)受13％或15％冷加工壓縮和在950°F(510℃)、1000°F(538℃)，和1050°F(566℃)下老化，老化時(shí)間和老化溫度對(duì)UTS的影響。和圖3是說明Ti-38-644合金經(jīng)受13％或15％冷加工壓縮和在950°F(510℃)、1000°F(538℃)，或1050°F(566℃)下老化，老化時(shí)間和老化溫度對(duì)RA的影響。
表1中的合金試驗(yàn)片是根據(jù)本發(fā)明方法處理的。應(yīng)理解，本發(fā)明的方法也適用于其他合金組合物，并不限定本文描述的方法應(yīng)用。通過使用本發(fā)明，可在相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)出強(qiáng)度相當(dāng)高的β-鈦合金，同時(shí)能保持延展性。表3-9中列出了本發(fā)明的實(shí)施方案。每種情況，都是在冷加工步驟后，試驗(yàn)件直接老化，總時(shí)間少于4小時(shí)。直接老化合金包括加工后老化合金，而沒有中間加熱處理步驟，諸如固溶熱處理。直接老化并不排除冷加工合金后和老化合金前所進(jìn)行的其他處理步驟。這些加工可以是例如機(jī)械加工，諸如修邊，或化學(xué)處理，諸如酸浸。各表中列出了所使用的處理步驟和從室溫下拉伸試驗(yàn)得到的處理合金樣品的機(jī)械特性。
表3-9列出施加到具有表1組成的β-鈦合金的本發(fā)明方法的實(shí)施方案。冷加工的量可以是任何程度，在本發(fā)明方法的實(shí)施方案中，β-鈦合金優(yōu)選冷加工到5％～60％的壓縮。更優(yōu)選是冷加工β-鈦合金到小于35％的壓縮。最好本發(fā)明方法的實(shí)施方案包括將β-鈦合金冷加工到15～35％的壓縮。關(guān)于表3，對(duì)試驗(yàn)片進(jìn)行熱軋、冷拔得到8％的壓縮，然后按照各表所示的溫度和時(shí)間進(jìn)行直接老化。表3中描述的試驗(yàn)片在冷拔前還進(jìn)行退火和無心研磨。在表3列出的實(shí)施方案，直接老化不到4小時(shí)，就能產(chǎn)生很高的強(qiáng)度(UTS大于170ksi)，并能保持延展性(延伸率大于8％，RA大于20％)。在所列實(shí)施方案中，可實(shí)施UTS值大于180ksi，并高達(dá)199ksi。在950°F(510℃)的老化溫度下實(shí)現(xiàn)了最高的UTS值，在該溫度下，僅以166分鐘的老化總時(shí)間，就獲得了199ksi的UTS。
通過延伸率和RA的測(cè)量，在1050°F(566℃)的較高老化溫度下得以實(shí)現(xiàn)最高延展性。
表3具有8％的冷加工壓縮的本發(fā)明實(shí)施方案的拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表4中列出了本發(fā)明的實(shí)施方案，其中試驗(yàn)片是經(jīng)過熱軋，冷拔到13％壓縮，和直接老化。此外，表4中描述的實(shí)施方案是在熱軋后，冷拔前，進(jìn)行退火和無心研磨。表4中的本發(fā)明方法的實(shí)施方案，在僅20分鐘的老化時(shí)間后，呈現(xiàn)強(qiáng)度明顯地增加。在950°F(510℃)和1000°F(538℃)的老化溫度下，進(jìn)一步老化，強(qiáng)度增加到大于AMS 4958A和AMS 4957B規(guī)定中所要求的值。然而，在1050°F(565℃)下老化的試驗(yàn)件，沒有獲得在較低老化溫度下老化的試驗(yàn)片所得的同樣高的強(qiáng)度。但在1050°F(565℃)下老化的試驗(yàn)片，保持了通過延伸率和RA所測(cè)量的較大的延展性。
表4具有13％的冷加工壓縮的本發(fā)明實(shí)施方案的拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表5中列出的本發(fā)明實(shí)施方案，其中，試驗(yàn)片是經(jīng)過熱軋，冷拔到13％壓縮，和直接老化，形式類似于表4中示出的實(shí)施方案。然而，在表5中列出的試驗(yàn)片在冷拔前沒有進(jìn)行退火和無心研磨。盡管如此，表5中列出的本發(fā)明實(shí)施方案，制造的試驗(yàn)片呈現(xiàn)出很高的強(qiáng)度和延展性。表5中的實(shí)施方案，在老化時(shí)間縮短到69～72分鐘時(shí)，使β-鈦合金產(chǎn)生非常高的強(qiáng)度(UTS在190ksi以上)。結(jié)果表明當(dāng)本發(fā)明施用于表1中的β-鈦合金時(shí)在本發(fā)明的實(shí)施方案中可以排除退火步驟，而不會(huì)明顯影響機(jī)械性能。
表5具有13％的冷加工壓縮，并沒有退火的本發(fā)明實(shí)施方案的拉伸試驗(yàn)結(jié)果


表6中列出的本發(fā)明實(shí)施方案，其中，試驗(yàn)片是經(jīng)過熱軋、冷拔到15％壓縮，和直接老化。此外，表6中的試驗(yàn)片在冷拔前，不進(jìn)行退火和無心研磨。表6中本發(fā)明的某些實(shí)施方案包括不到60分鐘的老化時(shí)間。包括冷卻加工到15％壓縮的實(shí)施方案，呈現(xiàn)出的強(qiáng)度高于包括冷加工到8％壓縮的實(shí)施方案，而且延展性沒有相應(yīng)損失。冷加工到15％壓縮的實(shí)施方案，在900°F(482℃)和950°F(510℃)下，老化總時(shí)間僅45分鐘后，就能獲得大于190ksi的UTS，在同樣的溫度下，老化時(shí)間僅60分鐘后，獲得的UTS大于200ksi。
表6具有15％的冷加工壓縮的本發(fā)明實(shí)施方案的拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表7中列出的本發(fā)明實(shí)施方案，其中，試驗(yàn)片是經(jīng)過熱軋、冷拔到19％、和直接老化。除此之外，表7中描述的實(shí)施方案是在冷拔前進(jìn)行退火和無心研磨。
表7具有19％的冷加工壓縮的本發(fā)明實(shí)施方案的拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表8列出的本發(fā)明實(shí)施方案，其中，試驗(yàn)件是經(jīng)過熱軋、冷拔到20％壓縮，和直接老化。此外，表8中的試驗(yàn)片，在冷拔前未進(jìn)行退火和無心研磨。表8中的本發(fā)明實(shí)施方案，有大約5％的UTS增加和6％的0.2％屈服強(qiáng)度的增加，超過了使用15％壓縮的冷加工實(shí)施方案。冷加工到20％壓縮的實(shí)施方案，降低了延展性5％(以延伸率測(cè)量)或9％(以RA測(cè)量)。
表8具有20％的冷加工壓縮的本發(fā)明實(shí)施方案的抗拉試驗(yàn)結(jié)果

表9中列出的本發(fā)明實(shí)施方案，其中，試驗(yàn)片是經(jīng)過熱軋、冷拔到25％壓縮、和直接老化。此外，在冷拔前，表9中描述的實(shí)施方案未經(jīng)退火和無心研磨。表9中列出的本發(fā)明實(shí)施方案，平均顯示UTS增加了約7％，和0.2％屈服強(qiáng)度增加了9％，超過了使用加工到15％壓縮的實(shí)施方案。與利用冷加工到15％壓縮的實(shí)施方案比較，冷加工到25％壓縮的實(shí)施方案，降低延展性11％(以延伸率測(cè)量)或2％(以RA測(cè)量)。
表9具有25％的冷加工壓縮的本發(fā)明實(shí)施方案的拉伸試驗(yàn)結(jié)果

包括冷加工到13％或15％壓縮步驟的本發(fā)明實(shí)施方案的拉伸性能示于圖1-3中。圖1是老化時(shí)間對(duì)具有表1所示組成的Ti-38-644β-鈦合金樣品影響的說明圖。其中方法包括冷加工到13％或15％壓縮的步驟。對(duì)于老化總時(shí)間的最初至少60分鐘，UTS和0.2％屈服強(qiáng)度迅速增加。對(duì)于這些實(shí)施方案，試驗(yàn)件的UTS在大約30分鐘的老化時(shí)間內(nèi)，就達(dá)到180ksi。這些試驗(yàn)件通常在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)試驗(yàn)爐中進(jìn)行老化，生產(chǎn)老化爐似乎是更有效地加熱制品并因此在生產(chǎn)爐內(nèi)，預(yù)計(jì)可減少達(dá)到高強(qiáng)度時(shí)本發(fā)明方法所需用的總老化時(shí)間，在某些情況下，有可能只需2/3或更多一些時(shí)間。
β-鈦合金可在低于β轉(zhuǎn)變的溫度下進(jìn)行老化。β-鈦合金的老化最好在800°F(427℃)～1100°F(538℃)的溫度下進(jìn)行。對(duì)于某些應(yīng)用，β鈦合金的老化可在800°F(427℃)～1000°F(538℃)，最好在900°F(482℃)～1000°F(538℃)下進(jìn)行。
從圖1可以看到，以延伸率或RA測(cè)量的試驗(yàn)件的延展性，隨老化總時(shí)間而降低。然而，延展性隨著總老化時(shí)間緩慢降低，仍可獲得超過200ksi的UTS，同時(shí)又保持了相當(dāng)良好的延展性。對(duì)于某些應(yīng)用，諸如汽車、雪地機(jī)動(dòng)車、摩托車和其他再造車輛的懸掛彈簧，和活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的閥彈簧最好是短時(shí)間老化。汽車生產(chǎn)線可包括生產(chǎn)所要求的卷繞和老化彈簧的安裝。例如，彈簧可以是卷繞，然后在傳送帶上以帶狀通過老化爐進(jìn)行老化。在這些和另一些應(yīng)用中，β鈦合金優(yōu)選老化不到3小時(shí)。最好是使β鈦合金老化不到2小時(shí)，甚至對(duì)于某些時(shí)間敏感的應(yīng)用中，老化要少于1小時(shí)，最好少于45分鐘。本發(fā)明生產(chǎn)的合金不僅可用于彈簧，以外其他應(yīng)用中，例如在生物醫(yī)藥工業(yè)中用于外科手術(shù)器械或植入物中。
圖2是說明老化時(shí)間和老化溫度對(duì)包括冷加工到13％或15％壓縮的本發(fā)明實(shí)施方案處理的β鈦合金試驗(yàn)件的UTS產(chǎn)生影響。本發(fā)明的實(shí)施方案使用低溫下老化獲得了較高的UTS?？梢灶A(yù)測(cè)到，由于晶體是在較高溫度下生長(zhǎng)和由于加工條件導(dǎo)致合金中存在少量體積的α相，這兩種情況對(duì)β鈦合金都會(huì)產(chǎn)生負(fù)影響。
圖3是說明老化時(shí)間和老化溫度對(duì)使用包括冷加工到13％或15％壓縮的本發(fā)明實(shí)施方案，以面積減少測(cè)量表1中β鈦合金試驗(yàn)件的延展性所產(chǎn)生的影響。本發(fā)明的實(shí)施方案，使用較高溫度下老化，試驗(yàn)件隨時(shí)間產(chǎn)生較高的延展性?？梢灶A(yù)測(cè)到，由于晶體是在較高溫度下生長(zhǎng)，雖然對(duì)強(qiáng)度有負(fù)影響，但提高了β鈦合金的延展性。
根據(jù)本發(fā)明的方法制造和處理第2個(gè)鈦坯料。表10中示出了第2坯料在三個(gè)部位的組成。對(duì)合金三個(gè)部分的組成進(jìn)行試驗(yàn)，以證實(shí)其成分，確保整個(gè)坯錠具有一個(gè)良好的一致性組成。
表10第2個(gè)坯錠的組成

根據(jù)本發(fā)明的方法對(duì)第2坯錠進(jìn)行處理，第2坯錠在不超過1825°F(996℃)的溫度下進(jìn)行熱軋，并進(jìn)行退火和空氣中冷卻。關(guān)于表11，由第2坯錠制造的試驗(yàn)片，進(jìn)行熱軋，冷拔以獲得16.5％的壓縮，然后在表中所示的溫度和時(shí)間下進(jìn)行直接老化。表11中描述試驗(yàn)片，在冷拔前，在不超過1450°F(774℃)的溫度下進(jìn)行退火，并在空氣中冷卻。表11中列出的實(shí)施方案，用不到30分鐘的直接老化，就獲得了較高的強(qiáng)度(大于190ksi的UTS)，并保持了延展性(延伸率大于8％，RA大于20％)。在列出的實(shí)施方案中，實(shí)現(xiàn)了大于200ksi，甚至達(dá)到220ksi的UTS。再有，在較低的老化溫度下實(shí)施了最高的UTS值，在900°F(482℃)下，總老化時(shí)間只有60分鐘，就獲得了220ksi的UTS。在1050°F(566℃)的較高老化溫度下，實(shí)施了由延伸率和RA測(cè)量的最高延展性。
表11對(duì)由第2坯錠制造的具有16.5％冷加工壓縮的本發(fā)明實(shí)施方案抗拉伸試驗(yàn)結(jié)果

通常，由表11描述的本發(fā)明方法的實(shí)施方案制造的試驗(yàn)片，與利用表3-9描述的本發(fā)明方法實(shí)施方案制造的試驗(yàn)件相比，在較短的老化時(shí)間內(nèi)就獲得了較高的抗拉強(qiáng)度。然而，總體講，表11中描述的試驗(yàn)片，延展性都較低，可以認(rèn)為，第2坯錠經(jīng)受較高的熱軋溫度，可獲得較低的延展性，這是因?yàn)檩^高的處理溫度有利于較大尺寸的β粒子?？紤]到較高強(qiáng)度與退火后的較低冷卻有關(guān)，所以對(duì)于某些老化，退火要在冷加工之前進(jìn)行。
表12示出了通過本發(fā)明方法制備的制品進(jìn)行旋轉(zhuǎn)梁式疲勞試驗(yàn)的結(jié)果，其中制品經(jīng)過熱軋、冷拔到15％壓縮，和950°F(510℃)下直接老化1小時(shí)，根據(jù)國際試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)ISO1143，在50Hz的頻率，R＝-1，利用平滑棒，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)梁式疲勞試驗(yàn)，以測(cè)定彎曲疲勞。結(jié)果表示在斷裂前每個(gè)樣品經(jīng)受的循環(huán)數(shù)，或者，如果未發(fā)生斷裂，對(duì)樣品進(jìn)行循環(huán)的總數(shù)。
表12對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方案進(jìn)行旋轉(zhuǎn)梁式疲勞試驗(yàn)的結(jié)果，本發(fā)明方案包括15％的冷加工壓縮和950°F下直接老化1小時(shí)。

表13表示對(duì)利用本發(fā)明方法制備的制品進(jìn)行負(fù)載荷控制的軸向疲勞試驗(yàn)結(jié)果，其中試驗(yàn)片經(jīng)過熱軋、冷拔到15％壓縮、和950°F(510℃)下直接老化1小時(shí)。根據(jù)ASTM E-466-96，用29Hz頻率，在R＝0.1，進(jìn)行載荷控制的軸向疲勞試驗(yàn)，以測(cè)定制品的疲勞程度。結(jié)果表示斷裂前，每個(gè)樣品經(jīng)受的循環(huán)數(shù)。以本發(fā)明的方法，使用不同的條件制備的制品，諸如較長(zhǎng)的老化時(shí)間、不同的老化溫度，或不同的冷加工程度，在疲勞試驗(yàn)中，都可導(dǎo)致斷裂前的循環(huán)數(shù)的增加。
表13對(duì)本發(fā)明實(shí)施方案的負(fù)載荷控制的軸向疲勞試驗(yàn)結(jié)果，其中包括15％的冷加工壓縮和950°F(510℃)下直接老化1小時(shí)。

雖然以上對(duì)某些組成的β鈦合金描述了本發(fā)明方法，但是，可以認(rèn)為本發(fā)明的方法具有廣泛的應(yīng)用，對(duì)于其他的β鈦合金也可進(jìn)行處理。例如，沒有對(duì)本發(fā)明方法進(jìn)行限定，從本發(fā)明中可獲益的某些另外商售β鈦合金是具有如下額定組成的鈦合金，以重量百分比計(jì)。例如有Ti-12Mo-6Zr-2Fe(合金含有12％鉬、6％鋯、2％鐵和鈦，商業(yè)上至少可以ALLVAC TMZF合金的一種形式購得)；Ti-4.5Fe-6.8Mo-1.5Al(該合金含有4.5％鐵、6.8％鉬、1.5％鋁和鈦，商業(yè)上至少可以TIMETAL LCB合金的一種形式購得)；Ti-15Mo-2.6Nb-3Al-0.2Si(合金含有15％鉬、2.6％鈮、3％鋁、0.2％硅和鈦，商業(yè)上至少可以TIMETAL 21S合金的一種形式購得)；Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al(合金含有15％釩、3％鉻、3％錫、3％鋁和鈦，商業(yè)上至少可以ALLVAC 15-3合金的一種形式購得)；Ti-11.5Mo-6Zr-4.5Sn(合金含有11.5％鉬、6％鋯、4.5％錫和鈦，商業(yè)上至少可以UNITEK βIII合金的一種形式購得)；和Ti-6V-6Mo-5.7Fe-2.7Al(合金含有6％釩、6％鉬、5.7％鐵、2.7％鋁和鈦，商業(yè)上至少可以TIMETAL 125合金的一種形式購得)。以上給出的合金組成是額定組成，每種元素的含量可以變化，至少2％或更多，合金也可以含有其他組分。
應(yīng)當(dāng)理解本說明書說明有關(guān)清晰理解本發(fā)明的那些方面。本發(fā)明的某些方面對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員將是清晰的，并不促進(jìn)對(duì)本發(fā)明更好理解的某些方面，為了簡(jiǎn)化本說明書，而沒有給出。雖然結(jié)合某些實(shí)施方案描述了本發(fā)明，但本技術(shù)領(lǐng)域中的技術(shù)人員，根據(jù)以上描述，都會(huì)認(rèn)識(shí)到可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行多種改進(jìn)與變化，本發(fā)明的所有這些改進(jìn)與變化，都由上述描述和以下權(quán)利要求所覆蓋。
權(quán)利要求
1.一種處理鈦合金的方法，方法包括冷加工β-鈦合金，和直接老化β-鈦合金，其老化總時(shí)間少于4小時(shí)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，β-鈦合金至少含有鋁、釩、鉬、鉻、和鋯中的一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括冷加工β鈦合金前，對(duì)β鈦合金進(jìn)行熱軋。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中冷加工β鈦合金，包括冷加工β-鈦合金到至少5％壓縮。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中冷加工β鈦合金，包括冷加工β-鈦合金到至少15％壓縮。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中冷加工β鈦合金，包括冷加工β-鈦合金到小于60％壓縮。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中冷加工β鈦合金，包括冷加工β-鈦合金到小于35％壓縮。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中冷加工β鈦合金，包括冷加工β-鈦合金到小于20％壓縮。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中直接老化β鈦合金，包括將β鈦合金在約800°F(427℃)～約1200°F(649℃)的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行直接老化。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中直接老化β鈦合金，包括將β鈦合金在約800°F(427℃)～約1000°F(538℃)的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行直接老化。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中直接老化β鈦合金，包括將β鈦合金在約900°F(482℃)～約1000°F(538℃)的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行直接老化。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中直接老化β鈦合金，包括將β鈦合金直接老化少于3小時(shí)。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中直接老化β鈦合金，包括將β鈦合金直接老化少于2小時(shí)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中直接老化β鈦合金，包括將β鈦合金直接老化少于1小時(shí)。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中直接老化β鈦合金，包括將β鈦合金直接老化少于45分鐘。
16.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中以重量計(jì)，β合金含有3.0～4.0％的鋁、7.5～8.5％的釩、5.5～6.5％的鉻、3.5～4.5％的鉬、3.5～4.5的鋯、和鈦。
17.一種制造加工制品的方法，包括，提供β鈦合金，以重量計(jì)它含有3.0～4.0％鋁、7.5～8.5％釩、5.5～6.5％鉻、3.5～4.5％鉬、3.5～4.5鋯、和鈦，對(duì)β鈦合金進(jìn)行熱加工，對(duì)β鈦合金進(jìn)行冷加工，以獲得5～60％壓縮，在約800°F(427℃)～約1100°F(593℃)的溫度范圍下，對(duì)β鈦合金進(jìn)行總時(shí)間少于2小時(shí)的直接老化。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中加工制品是彈簧。
19.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中，冷加工β鈦合金，包括通過模具冷拔β鈦合金。
20.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中，熱加工β鈦合金包括將β鈦合金加工成棒、條、帶卷。
21.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中，直接老化β鈦合金，包括老化總時(shí)間少于1小時(shí)。
22.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中，直接老化β鈦合金，包括老化總時(shí)間少于45分鐘。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其中，直接老化β鈦合金，包括在約900°F(482℃)～約1000°F(538℃)的溫度范圍下進(jìn)行直接老化。
24.根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中，彈簧是汽車、雪地機(jī)動(dòng)車、摩托車、再造車輛、或發(fā)動(dòng)機(jī)的零件。
25.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中，還包括對(duì)β鈦合金進(jìn)行無心研磨，和在對(duì)β鈦合金進(jìn)行冷加工前，對(duì)β鈦合金進(jìn)行退火。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中，冷加工β鈦合金，包括通過模具冷拔β鈦合金。
27.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中，冷加工合金，以獲得5～35％的壓縮。
28.一種處理鈦合金的方法，包括對(duì)冷加工的β鈦合金進(jìn)行總時(shí)間少于4小時(shí)的直接老化。
29.根據(jù)權(quán)利要求28的方法，其中，β鈦合金含有鋁、釩、鉬、鉻、和鋯中的至少一種。
30.根據(jù)權(quán)利要求28的方法，還包括在冷加工β鈦合金前，對(duì)β鈦合金進(jìn)行熱軋。
31.根據(jù)權(quán)利要求28的方法，其中，直接老化β鈦合金，包括在約800°F(427℃)～約1200°F(649℃)的溫度范圍下，對(duì)β鈦合金進(jìn)行直接老化。
32.根據(jù)權(quán)利要求28的方法，其中，直接老化β鈦合金，包括在約800°F(427℃)～約1000°F(538℃)的溫度范圍下，對(duì)β鈦合金進(jìn)行直接老化。
33.根據(jù)權(quán)利要求28的方法，其中，直接老化β鈦合金，包括在約900°F(482℃)～約1000°F(538℃)的溫度范圍內(nèi)，對(duì)β鈦合金進(jìn)行直接老化。
34.根據(jù)權(quán)利要求28的方法，其中，直接老化β鈦合金，包括對(duì)β鈦合金直接老化少于3小時(shí)。
35.根據(jù)權(quán)利要求28的方法，其中，直接老化β鈦合金，包括對(duì)β鈦合金直接老化少于2小時(shí)。
36.根據(jù)權(quán)利要求28的方法，其中，直接老化β鈦合金，包括對(duì)β鈦合金直接老化少于1小時(shí)。
37.根據(jù)權(quán)利要求28的方法，其中，直接老化β鈦合金，包括對(duì)β鈦合金直接老化少于45分鐘。
38.根據(jù)權(quán)利要求28的方法，其中，以重量計(jì)，β鈦合金含有3.0～4.0％鋁、7.5～8.5％釩、5.5～6.5％鉻、3.5～4.5％鉬、3.5～4.5鋯、和鈦。
39.利用上述方法制備的制品，包括冷加工制品，其中制品含有β鈦合金，和直接老化制品的總時(shí)間少于4小時(shí)的制品。
40.根據(jù)權(quán)利要求39的制品，其中，制品是棒、條、或帶卷中的一種。
41.根據(jù)權(quán)利要求39的制品，其中，以重量計(jì)，β鈦合金含有3.0～4.0％鋁、7.5～8.5％釩、5.5～6.5％鉻、3.5～4.5％鉬、3.5～4.5鋯、和鈦。
42.根據(jù)權(quán)利要求39的制品，其中，直接老化β鈦合金，包括在約800°F(427℃)～約1200°F(649℃)的溫度范圍下對(duì)β鈦合金進(jìn)行直接老化。
43.根據(jù)權(quán)利要求39的制品，其中，直接老化β鈦合金，包括對(duì)β鈦合金直接老化少于2小時(shí)。
44.根據(jù)權(quán)利要求39的制品，其中，直接老化β鈦合金，包括對(duì)β鈦合金直接老化少于1小時(shí)。
45.根據(jù)權(quán)利要求39的制品，其中，直接老化β鈦合金，包括對(duì)β鈦合金直接老化少于45分鐘。
全文摘要
本發(fā)明的實(shí)施方案通過包括以下步驟的方法處理β鈦合金冷加工合金，和進(jìn)行直接老化合金的總時(shí)間少于4小時(shí)。該方法包括將合金制成制品，例如，棒、絲、或盤簧。方法可用于制造具有高抗拉強(qiáng)度，同時(shí)保留延展性。β－鈦合金可以是任何β－鈦合金，例如，以重量計(jì)，合金含有3.0～4.0％鋁、7.5～8.5％釩、5.5～6.5％鉻、3.5～4.5％鉬、3.5～4.5鋯、和鈦。合金可以熱加工，冷加工以獲得5～60％的壓縮，和直接老化的總時(shí)間少于4小時(shí)。
文檔編號(hào)C22F1/00GK1602369SQ02824857
公開日2005年3月30日 申請(qǐng)日期2002年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月14日
發(fā)明者布賴恩·J·馬夸特 申請(qǐng)人:Ati資產(chǎn)公司