專利名稱：高強(qiáng)度和延展性α/β鈦合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高強(qiáng)度和延展性α/β鈦合金。
背景技術(shù)：
鈦合金通常具有高強(qiáng)度重量比、耐腐蝕，并且在適度高溫下耐蠕變。出于這些原因，鈦合金被用于各種航天、航空、國(guó)防、海洋和汽車應(yīng)用，包括，例如，起落架構(gòu)件、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)架、防彈產(chǎn)品、船體以及機(jī)械緊固件。減輕飛機(jī)或其它移動(dòng)交通工具的重量能夠節(jié)省燃料。因此，例如，航天工業(yè)中存在減輕飛機(jī)重量的強(qiáng)勁需求。鈦和鈦合金由于具有高強(qiáng)度重量比，因此是在飛機(jī)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)減輕重量的優(yōu)良材料。用于航天應(yīng)用中的多數(shù)鈦合金零件由T1-6A1-4V合金(ASTMGrade5 ；UNS R56400 ;AMS4928、AMS4911)制成，這種合金是 α/β 鈦合金。T1-6A1-4V合金是一種最常見的鈦基制造材料，估計(jì)占總鈦基材料市場(chǎng)的50%以上。T1-6A1-4V合金由于將輕質(zhì)、耐腐蝕，以及在低到中溫下的高強(qiáng)度有利組合，因此被用于若干應(yīng)用中。例如，T1-6A1-4V合金被用于制備飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)部件、飛機(jī)結(jié)構(gòu)部件、緊固件、高性能汽車部件、醫(yī)療裝置的部件、體育器械、海洋應(yīng)用的部件，以及化學(xué)加工設(shè)備的部件。T1-6A1-4V合金軋制產(chǎn)品通常用于軋制退火條件或固溶處理和時(shí)效處理(STA)條件中。本文所用術(shù)語(yǔ)“軋制退火條件”是指鈦合金在“軋制退火”熱處理后的條件，在“軋制退火”熱處理中，工件在高溫(例如，1200-1500 0F /649-816°C)下退火約I至8小時(shí)并在靜止空氣中冷卻。軋制退火熱處理在工件在α+β相場(chǎng)中熱加工之后進(jìn)行。在室溫下，處于軋制退火條件下的直徑為約2英寸至4英寸(5.08cm至10.16cm)的圓條材Ti_6Al_4V合金具有130ksi (896MPa)的最小指定極限拉伸強(qiáng)度以及120ksi (827MPa)的最小指定屈服強(qiáng)度。軋制退火的T1-6A1-4V板通常被生產(chǎn)成規(guī)格AMS4911，而軋制退火的T1-6A1-4V條材通常被生產(chǎn)成規(guī)格AMS4928。以引用方式全文并入本文中的美國(guó)專利號(hào)5，980，655 (“’655專利”)中公開了一種α/β鈦合金，所述α/β鈦合金包括(以重量百分?jǐn)?shù)計(jì))2.90至5.00的鋁；2.00至3，00的釩；0.40至2.00的鐵；0.20至0.30的氧；附帶雜質(zhì)；以及鈦。本文中將’ 655專利中公開的ct / β鈦合金稱為“’655合金”。’ 655合金內(nèi)可商購(gòu)合金成分標(biāo)稱地包括(以基于總合金重量的重量百分?jǐn)?shù)計(jì)算)4.0O鋁、2.50釩、1.50鐵、0.25氧、附帶雜質(zhì)和鈦，并且本文中可以稱為 Τ -4Α1-2.5V-1.5Fe-0.250 合金。由于難以對(duì)T1-6A1-4V合金進(jìn)行冷加工，因此通常在高溫下，通常在α2溶線溫度以上，對(duì)合金進(jìn)行加工(例如，鍛造、軋制、拉制等)。T1-6A1-4V合金無(wú)法有效地冷加工以提高強(qiáng)度，原因在于，例如，冷變形期間的高斷裂(即，工件故障)發(fā)生率。但是，如以引用方式全文并入本文中的美國(guó)專利申請(qǐng)公開N0.2004/0221929所述，人們驚奇且意外地發(fā)現(xiàn)，’ 655合金具有很大程度的冷變形性/可加工性。令人驚奇地，’ 655合金可以進(jìn)行冷加工以獲得高強(qiáng)度，同時(shí)維持可加工的延展性水平。本文定義的可加工的延展性水平是指合金伸長(zhǎng)率大于6%的條件。此外，’655合金的強(qiáng)度與T1-6A1-4V所能獲得的強(qiáng)度相當(dāng)。例如，如’ 655專利的表6所示，針對(duì)Ti_6Al_4V測(cè)量的拉伸應(yīng)力是145.3ksi (I, 002MPa)，而’ 655合金的試驗(yàn)樣本的拉伸輕度為138.7ksi至 142.7ksi (956.3MPa 至 983.9MPa)。航天材料技術(shù)規(guī)格6946B (AMS6946B)指定了相較于’ 655專利的權(quán)利要求中所述范圍更有限的化學(xué)組成范圍。AMS6946B中指定的合金保留了 ’655專利的較寬元素范圍限制的成形性，但AMS6946B允許的機(jī)械強(qiáng)度性質(zhì)下限低于對(duì)市售Ti_6Al_4V合金指定的下限。例如，根據(jù)AMS-4911L，厚0.125英寸(3.175mm)的Ti_6Al_4V板的最低拉伸強(qiáng)度為134ksi (923.9MPa)，并且最低屈服強(qiáng)度為126ksi (868.7MPa)。相比較而言，根據(jù)AMS6946B,厚 0.125 英寸(3.175mm)的 Τ -4Α1-2.5V-1.5Fe_0.250 板的最低拉伸強(qiáng)度為130ksi (896.3MPa)，并且最低屈服強(qiáng)度為 115ksi (792.9MPa)。由于持續(xù)需要通過(guò)減輕飛機(jī)和其它交通工具的重量來(lái)減少燃料消耗，因此需要一種改良的可延展α/β鈦合金，這種鈦合金的機(jī)械性質(zhì)優(yōu)選地相當(dāng)于或優(yōu)于T1-6Al_4Va/β鈦合金的機(jī)械性質(zhì)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一方面，一種α/β鈦合金包括(以基于總合金重量的重量百分?jǐn)?shù)計(jì)算):3.9至4.5的鋁；2.2至3.0的釩；1.2至1.8的鐵；0.24至0.30的氧；多達(dá)0.08的碳；多達(dá)0.05的氮；多達(dá)0.015的氫；鈦；以及多達(dá)總共0.30的其它元素。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種α/β鈦合金基本上由以下成分組成(重量百分?jǐn)?shù)):
3.9至4.5的鋁；2.2至3.0的釩；1.2至1.8的鐵；0.24至0.30的氧；多達(dá)0.08的碳；多達(dá)0.05的氮；多達(dá)0.015的氫；鈦；以及多達(dá)總共0.30的其它元素。附圖簡(jiǎn)述參考以下附圖可以更清楚地了解 本文所述合金和相關(guān)方法的特征和優(yōu)點(diǎn)，其中:

圖1是極限拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨由根據(jù)本發(fā)明的鋁的非限制實(shí)施方案組成的條材和線材的鋁當(dāng)量變化的圖表；圖2是極限拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨由根據(jù)本發(fā)明的鋁的非限制實(shí)施方案組成的0.5英寸(1.27cm)直徑的線材的鋁當(dāng)量變化的圖表；以及圖3是拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率隨由根據(jù)本發(fā)明的鋁的非限制實(shí)施方案組成的厚I英寸(2.54cm)的板的鋁當(dāng)量變化的圖表。
在考慮以下對(duì)根據(jù)本發(fā)明的合金和相關(guān)方法的特定非限制實(shí)施方案的詳細(xì)說(shuō)明之后，讀者將了解前述細(xì)節(jié)以及其它內(nèi)容。
具體實(shí)施例方式在本非限制實(shí)施方案說(shuō)明中，除了操作實(shí)例之外或除非另作說(shuō)明，否則表示數(shù)量或性質(zhì)的所有數(shù)字均理解成在任何情況下由“約”修飾。因此，除非指出相反意思，否則以下說(shuō)明中的所有數(shù)值參數(shù)均為近似值，可以隨著意圖獲得的目標(biāo)材料性質(zhì)以及根據(jù)本發(fā)明的方法而變。至少，并且不意圖限制權(quán)利要求范圍等效物教義的應(yīng)用，每個(gè)數(shù)值參數(shù)應(yīng)至少符合報(bào)告的有效數(shù)位的數(shù)目，并且使用普通四舍五入技術(shù)。被描述成以引用方式全文或部分并入本文的任何專利、出版物或其它公開材料必須滿足以下前提:并入的材料不得與本公開內(nèi)容中闡明的現(xiàn)有定義、聲明或其它公開材料沖突。因此，在必要情況下，本文中闡明的公開內(nèi)容優(yōu)先于以引用方式并入本文的任何沖突材料。被描述成以引用方式并入本文中、但與本文闡明的現(xiàn)有定義、聲明或其它公開材料沖突的任何材料，或者這些材料的任何部分，僅在并入材料與現(xiàn)有公開材料之間不存在沖突的情況下并入。根據(jù)本發(fā)明的α/β鈦合金的非限制實(shí)施方案包括以下成分、由以下成分組成或基本上由以下成分組成(重量百分?jǐn)?shù)):3.9至4.5的鋁；2.2至3.0的釩；1.2至1.8的鐵；
0.24至0.30的氧；多達(dá)0.08的碳；多達(dá)0.05的氮；多達(dá)0.015的氫；鈦；以及多達(dá)總共
0.30的其它元素。在根據(jù)本發(fā)明的某些非限制實(shí)施方案中，所述α/β鈦合金中可能存在的其它元素(作為多達(dá)0.30重量％的其它元素的一部分)包括以下元素中的一種或多種:硼、錫、鋯、鑰、鉻、鎳、硅、銅、鈮、鉭、錳、釔和鈷，并且在某些非限制實(shí)施方案中，每種此類其它元素的重量百分?jǐn)?shù)為0.10及以下，但存在兩個(gè)例外。這兩個(gè)例外就是硼和釔，如果這兩個(gè)元素作為其它元素的一部分存在，那么這兩個(gè)元素各自的濃度小于0.005重量％。1.合金成分根據(jù)本發(fā)明的非限制合金實(shí)施方案包括鈦、鋁、釩、鐵和氧。如果下述成分只包括合金元素，則應(yīng)了解，剩余部分中包括鈦和附帶雜質(zhì)。Α.鋁鋁是鈦合金中的α相加強(qiáng)物。根據(jù)本發(fā)明的α/β鈦合金的非限制實(shí)施方案中的鋁成分范圍小于’ 655專利中公開的鋁范圍。此外，本發(fā)明的某些非限制鋁實(shí)施方案的最低鋁含量大于AMS6946B中闡明的最低含量。已證實(shí)，這些組成特征使得合金能夠更為一致地具備相當(dāng)于T1-6A1_4V合金的機(jī)械性質(zhì)。根據(jù)本發(fā)明的α/β鈦合金中的最小鋁濃度為3.9重量％。根據(jù)本發(fā)明的α/β鈦合金中的最大鋁濃度為4.5重量％。
B.釩鑰;是鈦合金的β相穩(wěn)定物。根據(jù)本發(fā)明的ct/β鈦合金中的最小I凡濃度大于’655專利中公開以及AMS6946B中闡明的最小濃度。已證實(shí)，這種組成特征使得α相和β相的體積分?jǐn)?shù)能夠達(dá)到最優(yōu)且可控的平衡。α相和β相的平衡提供了根據(jù)本發(fā)明的具有絕佳延展性和成形性的合金。釩以2.2重量％的最小濃度存在于根據(jù)本發(fā)明的α/β鈦合金中。根據(jù)本發(fā)明的α/β鈦合金中的最大釩濃度為3.0重量％。C.鐵
鐵是鈦合金中的類低共熔合金β穩(wěn)定物。相對(duì)于’655中所述的合金，根據(jù)本發(fā)明的α/β鈦合金中鐵的最小濃度較大且范圍較窄。已證實(shí)，這些特征使α相和β相的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到最佳且可控的平衡。這種平衡提供了根據(jù)本發(fā)明的具備絕佳延展性和成形性的合金。鐵以1.2重量％的最小濃度存在于根據(jù)本發(fā)明的α/β合金中。根據(jù)本發(fā)明的α/β鈦合金中的最大鐵濃度為1.8重量％。D.氧氧是鈦合金中的α相加強(qiáng)物。根據(jù)本發(fā)明的α/β鈦合金中的氧成分范圍小于’655專利中公開以及AMS6946B規(guī)格中的范圍。此外，根據(jù)本發(fā)明的鋁的非限制實(shí)施方案中的最小氧濃度大于’ 655專利和AMS6946B規(guī)格中的最小濃度。已證實(shí)，這些組成特征使得根據(jù)本發(fā)明的合金能夠一致地具備相當(dāng)于特定T1-6A1-4V機(jī)械性質(zhì)的機(jī)械性質(zhì)。根據(jù)本發(fā)明的α/β鈦合金中的最小氧濃度為0.24重量％。根據(jù)本發(fā)明的α/β鈦合金中的最大氧濃度為0.30重量％。除了包括上述鈦、鋁、釩、鐵和氧之外，根據(jù)本發(fā)明的α/β鈦合金的某些非限制實(shí)施方案包括其它元素，這些元素的總濃度不超過(guò)0.30重量％。在某些非限制實(shí)施方案中，這些其它元素包括以下元素中的一種或多種:硼、錫、錯(cuò)、鑰、鉻、鎳、娃、銅、銀、鉭、猛、乾和鈷，其中每種此類元素的重量百分?jǐn)?shù)為0.10及以下，但存在兩個(gè)例外。這兩個(gè)例外就是硼和釔。如果硼和釔存在于根據(jù)本發(fā)明的合金中，則它們各自的重量百分?jǐn)?shù)小于0.005。附帶雜質(zhì)也可以存在于根據(jù)本發(fā)明的α/β鈦合金中。例如，可以存在多達(dá)約
0.008重量％的碳?？梢源嬖诙噙_(dá)約0.05重量％的氮?？梢源嬖诙噙_(dá)約0.015重量％的氫。其它可能的附帶雜質(zhì)對(duì)冶金領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員而言是顯而易見的。表1中概括地列出了以下合金的成分:(i)根據(jù)本發(fā)明的α/β鈦合金的某些非限制實(shí)施方案，以及(ii) ’ 655專利中公開以及AMS6946B中指定的某些合金。表權(quán)利要求
1.一種α/β鈦合金，其包括(以基于總合金重量的重量百分?jǐn)?shù)計(jì)算): 3.9至4.5的鋁； 2.2至3.0的釩； 1.2至1.8的鐵； 0.24至0.30的氧； 多達(dá)0.08的碳； 多達(dá)0.05的氮； 多達(dá)0.015的氫； 鈦；以及 多達(dá)0.30的其它元素。
2.按權(quán)利要求1所述的α/ β鈦合金，其中: 所述多達(dá)0.30的其它元素包括以下元素中的至少一種:硼、錫、鋯、鑰、鉻、鎳、硅、銅、銀、組、猛、乾和鉆； 硼和釔(如果存在)各自的含量均小于0.005 ；以及 錫、鋯、鑰、鉻、鎳、硅、銅、鈮、鉭、錳和鈷(如果存在)各自的含量不超過(guò)0.10。
3.按權(quán)利要求1所述的α/β鈦合金，其中所述合金的鋁當(dāng)量值為至少6.4，并且屈服強(qiáng)度為至少 120ksi (827.4MPa)。
4.按權(quán)利要求1所述的α/β鈦合金，其中所述合金的鋁當(dāng)量值為至少6.4，并且極限拉伸強(qiáng)度為至少130ksi (896.3MPa)。
5.按權(quán)利要求1所述的α/β鈦合金，其中所述合金的鋁當(dāng)量值為至少6.4，并且延展性為至少12%伸長(zhǎng)率。
6.按權(quán)利要求1所述的α/β鈦合金，其中所述合金的鋁當(dāng)量值為至少6.4;屈服強(qiáng)度為至少120ksi (827.4MPa);極限拉伸強(qiáng) 度為至少130ksi (896.3MPa);并且延展性為至少12%伸長(zhǎng)率。
7.按權(quán)利要求1所述的α/β鈦合金，其中所述合金的鋁當(dāng)量值在6.4至7.2范圍內(nèi)，并且屈服強(qiáng)度在120ksi (827.4MPa)至155ksi (1，069MPa)范圍內(nèi)。
8.按權(quán)利要求1所述的α/β鈦合金，其中所述合金的鋁當(dāng)量值在6.4至7.2范圍內(nèi)，并且極限拉伸強(qiáng)度在130ksi (896.3MPa)至165ksi (1，138MPa)范圍內(nèi)。
9.按權(quán)利要求1所述的α/β鈦合金，其中所述合金的鋁當(dāng)量值在6.4至7.2范圍內(nèi)，并且延展性在12%至30%伸長(zhǎng)率的范圍內(nèi)。
10.按權(quán)利要求1所述的a/β鈦合金，其中所述合金的鋁當(dāng)量值在6.4至7.2范圍內(nèi)，屈服強(qiáng)度在120ksi (827.4MPa)至155ksi (l，069MPa)的范圍內(nèi)，極限拉伸強(qiáng)度在130ksi(896.3MPa)至165ksi (I, 138MPa)的范圍內(nèi)，并且延展性在12%至30%伸長(zhǎng)率的范圍內(nèi)。
11.一種α/β鈦合金，其基本上由以下成分組成(以基于總合金重量的重量百分?jǐn)?shù)計(jì)算): · 3.9至4.5的鋁； · 2.2至3.0的釩； · 1.2至1.8的鐵； · 0.24至0.30的氧；多達(dá)0.08的碳； 多達(dá)0.05的氮； 多達(dá)0.015的氫； 鈦；以及 多達(dá)0.30的其它元素。
12.按權(quán)利要求11所述的α/ β鈦合金，其中: 所述總共多達(dá)0.30的其它元素包括以下元素中的至少一種:硼、錫、鋯、鑰、鉻、鎳、硅、銅、銀、組、猛、乾和鉆； 硼和釔(如果存在)各自的含量小于0.005 ；以及 錫、鋯、鑰、鉻、鎳、硅、銅、鈮、鉭、錳和鈷(如果存在)各自的含量不超過(guò)0.10。
13.按權(quán)利要求11所述的α/β鈦合金，其中所述合金的鋁當(dāng)量值為至少6.4，并且屈服強(qiáng)度為至少120ksi (827.4MPa)。
14.按權(quán)利要求11所述的α/β鈦合金，其中所述合金的鋁當(dāng)量值為至少6.4，并且極限拉伸強(qiáng)度為至少130ksi (896.3MPa)。
15.按權(quán)利要求11所述的α/β鈦合金，其中所述合金的鋁當(dāng)量值為至少6.4，并且延展性為至少12%伸長(zhǎng)率。
16.按權(quán)利要求11所述的α /β鈦合金，其中所述合金的鋁當(dāng)量值為至少6.4;屈服強(qiáng)度為至少120ksi (827.4MPa);極限拉伸強(qiáng)度為至少130ksi (896.3MPa);并且延展性為至少12%伸長(zhǎng)率。
17.按權(quán)利要求11所述的α/β鈦合金，其中所述合金的鋁當(dāng)量值在6.4至7.2范圍內(nèi)，并且屈服強(qiáng)度在120ksi (827.4MPa)至155ksi (1，069MPa)范圍內(nèi)。
18.按權(quán)利要求11所述的α/β鈦合金，其中所述合金的鋁當(dāng)量值在6.4至7.2范圍內(nèi)，并且極限拉伸強(qiáng)度在130ksi (896.3MPa)至165ksi (1，138MPa)范圍內(nèi)。
19.按權(quán)利要求11所述的α/β鈦合金，其中所述合金的鋁當(dāng)量值在6.4至7.2范圍內(nèi)，并且延展性在12%至30%伸長(zhǎng)率的范圍內(nèi)。
20.按權(quán)利要求11所述的α/β鈦合金，其中所述合金的鋁當(dāng)量值在6.4至7.2范圍內(nèi)，屈服強(qiáng)度在120ksi(827.4MPa)至155ksi( 1，069MPa)的范圍內(nèi)，極限拉伸強(qiáng)度在130ksi(896.3MPa)至165ksi (I, 138MPa)的范圍內(nèi)，并且延展性在12%至30%伸長(zhǎng)率的范圍內(nèi)。
21.一種包括如權(quán)利要求1所述的合金的制品。
22.按權(quán)利要求21所述的制品，其中所述制品由如權(quán)利要求1所述的合金組成。
23.按權(quán)利要求21所述的制品，其中所述制品選自以下:飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)部件、飛機(jī)結(jié)構(gòu)部件、汽車部件、醫(yī)療裝置部件、體育器械部件、海洋應(yīng)用部件以及化學(xué)加工設(shè)備部件。
24.按權(quán)利要求22所述的制品，其中所述制品選自以下:飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)部件、飛機(jī)結(jié)構(gòu)部件、汽車部件、醫(yī)療裝置部件、體育器械部件、海洋應(yīng)用部件以及化學(xué)加工設(shè)備部件。
25.一種包括如權(quán)利要求11所述的合金的制品。
26.按權(quán)利要求25所述的制品，其中所述制品由如權(quán)利要求11所述的合金組成。
27.按權(quán)利要求25所述的制品，其中所述制品選自以下:飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)部件、飛機(jī)結(jié)構(gòu)部件、汽車部件、醫(yī)療裝置部件、體育器械部件、海洋應(yīng)用部件以及化學(xué)加工設(shè)備部件。
28.按權(quán)利要求26所述的制品，其中所述制品選自以下:飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)部件、飛機(jī)結(jié)構(gòu)部件、汽車部件、醫(yī)療裝置部件、體育器械部件、 海洋應(yīng)用部件以及化學(xué)加工設(shè)備部件。
全文摘要
一種α/β鈦合金，包括(以基于總合金重量的重量百分?jǐn)?shù)計(jì)算)3.9至4.5的鋁；2.2至3.0的釩；1.2至1.8的鐵；0.24至0.30的氧；多達(dá)0.08的碳；多達(dá)0.05的氮；多達(dá)0.015的氫；鈦；以及多達(dá)0.30的其它元素。所述α/β鈦合金的非限制實(shí)施方案的鋁當(dāng)量值在6.4至7.2范圍內(nèi)，屈服強(qiáng)度在120ksi(827.4MPa)至155ksi(1,069MPa)的范圍內(nèi)，極限拉伸強(qiáng)度在130ksi(896.3MPa)至165ksi(1,138MPa)的范圍內(nèi)，并且延展性在12%至30%伸長(zhǎng)率的范圍內(nèi)。
文檔編號(hào)C22C14/00GK103097559SQ201180043312
公開日2013年5月8日 申請(qǐng)日期2011年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月23日
發(fā)明者D.J.布萊恩, J.V.曼蒂昂, T.D.貝哈 申請(qǐng)人:Ati資產(chǎn)公司