專利名稱：具有優(yōu)異的耐高溫氧化性和耐腐蝕性的鈦合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有優(yōu)異的耐高溫氧化性和耐腐蝕性的鈦合金材料，例如它適合用作車輛或摩托車的排氣系統(tǒng)材料。更具體而言，本發(fā)明涉及一種在不損害經(jīng)濟(jì)和可用性的情況下具有改善的高溫耐氧化性和耐腐蝕性的鈦合金，它同時(shí)具有內(nèi)在優(yōu)異的強(qiáng)度性質(zhì)和耐腐蝕性。
本發(fā)明的鈦合金可以廣泛用于各種應(yīng)用中，它可以暴露于在高溫氧化氣氛或腐蝕環(huán)境中，表現(xiàn)出優(yōu)異的耐高溫氧化和耐腐蝕性。此處將主要闡述鈦合金用作排氣系統(tǒng)材料的情況。
背景技術(shù)：
用于車輛或摩托車的排氣系統(tǒng)包括從發(fā)動(dòng)機(jī)排出氣體輸出側(cè)起按順序排列的排氣總管、排氣管、催化式消聲器、前消聲器和消音器(主消聲器)。(在下面的描述中，這些構(gòu)件的個(gè)別或全體都稱作“排氣系統(tǒng)”。)雖然在現(xiàn)有技術(shù)中鋼材通常用作這些排氣系統(tǒng)的構(gòu)成材料，但是最近主要使用具有良好耐腐蝕性的不銹鋼。
然而，在最近幾年，主要用于摩托車的由鈦構(gòu)成的排氣系統(tǒng)引起了人們的注意。因?yàn)榕c傳統(tǒng)的普通鋼和不銹鋼相比，鈦具有包括質(zhì)量輕、良好的耐振動(dòng)疲勞性、優(yōu)異的耐腐蝕性、小的熱膨脹系數(shù)和優(yōu)異的耐熱疲勞性的各種特性。因此，鈦排氣系統(tǒng)日益成為不僅用于比賽的大多數(shù)摩托車，而且用于大規(guī)模生產(chǎn)摩托車中的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。
已經(jīng)被投入實(shí)際使用的多數(shù)鈦排氣系統(tǒng)是由工業(yè)應(yīng)用的JIS等級(jí)2的純鈦構(gòu)成的。從車輛或摩托車的發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的廢氣溫度通常估定為大于700℃。在表面是大開口并暴露于外部空氣的構(gòu)件如摩托車的排氣系統(tǒng)的情況下，因?yàn)闊釓谋砻鏀U(kuò)散到空氣中，因此排氣系統(tǒng)自身的溫度不會(huì)變得太高，因而可以使用JIS等級(jí)2的純鈦材料而不會(huì)產(chǎn)生問題。另一方面，沒有直接對(duì)外面的空氣開口的車輛的排氣系統(tǒng)或位于與排氣管合并在一起的部件的摩托車構(gòu)件可能被加熱到高溫。因此，需要具有與現(xiàn)有的JIS等級(jí)2的純鈦材料相比有更高的耐熱性的鈦合金。
從這觀點(diǎn)考慮，在現(xiàn)有鈦合金中，某些鈦合金如Ti-3Al-2.5V合金或Ti-6Al-4V合金可能是用于排氣系統(tǒng)的有用材料。然而，為了排氣系統(tǒng)的形成和組裝，該材料需要制成薄板并具有優(yōu)異的可加工性。因此，上述兩種現(xiàn)存的缺乏可成型性的鈦合金是不能滿足這些需要的。
因此，本申請(qǐng)人以前一直在研究鈦合金，為的是開發(fā)具有優(yōu)異耐熱性和耐腐蝕性并具有良好可成型性的鈦合金。因此，開發(fā)出了在后面提到的美國(guó)專利6,531,091中公開的鈦合金。
鈦合金含有0.5～2.3質(zhì)量％的Al。鈦合金的金相結(jié)構(gòu)優(yōu)選包括α-相90體積％或更大，和β-相10體積％或更小。該鈦合金預(yù)期用作有用的排氣系統(tǒng)材料，在改善可成型性的同時(shí)，該材料保持固有的質(zhì)輕和耐腐蝕性并提高了耐熱性和耐氧化性，作為排氣系統(tǒng)材料，這是很重要的。
發(fā)明人先前對(duì)鈦合金進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在美國(guó)專利6,531,091中公開的鈦合金中仍然有改善耐腐蝕性(尤其是耐缺口腐蝕)和耐高溫氧化的空間。也就是說，在該鈦合金中的Al含量限制于上面提到的范圍以便同時(shí)具有可成型性和高溫強(qiáng)度。而且，發(fā)明人認(rèn)為根據(jù)有用性Al含量?jī)?yōu)選不低于約1.5％。然而，當(dāng)合金置于更劇烈的腐蝕環(huán)境或高溫氧化氣氛中時(shí)，該Al含量水平限制了耐久性。因此，為滿足消費(fèi)者的進(jìn)一步需求而需要考慮進(jìn)一步的改善。
而且，發(fā)明人提出了在JP-A-55725/2003中公開的另一個(gè)發(fā)明，這作為關(guān)于鈦合金的另一種補(bǔ)救技術(shù)。該本發(fā)明的主要用途是用于眼鏡支架中，這是最近日益需求的。在該文獻(xiàn)中公開的Al含量為0.5～2.3％，這含量與在美國(guó)專利6,531,091中的上述含量相同，在基本上不包含任何β-穩(wěn)定化元素的情況下該合金中包括4％或更低的Ga和1％或更低的Si，因而在銅焊后改善了可冷加工性和疲勞特性。在該文獻(xiàn)公開的發(fā)明中，最大Al含量限制為2.3％，由此確保穩(wěn)定的可成型性。并且，加入Si形成微觀的硅化鈦以抑制銅焊后顆粒的生長(zhǎng)，由此改善疲勞強(qiáng)度。作為主要用途應(yīng)用于眼鏡架的鈦合金在普通溫度環(huán)境中使用，并且屬于與在劇烈腐蝕環(huán)境或高溫氧化環(huán)境如排氣系統(tǒng)材料中使用的鈦合金不相同的合金。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上面提到的現(xiàn)有技術(shù)，發(fā)明人的目的在于改善鈦合金，尤其是在前面的美國(guó)專利6,531,091中公開的鈦合金，并且在于提供一種具有顯著改善的耐高溫氧化性和耐腐蝕性的鈦合金，同時(shí)該合金保持原來鈦合金的其它特性。
可以解決上述問題的具有優(yōu)異耐高溫氧化性和耐腐蝕性的鈦合金的特征在于所述合金包括Al0.30-1.50％和Si0.10-1.0％(均為質(zhì)量比)，優(yōu)選Si/Al的質(zhì)量比不小于1/3。本發(fā)明的鈦合金還可以包括0.1-0.5質(zhì)量％的作為另外添加元素的Nb。該合金還可以包括作為另外添加元素的選自由Ta、W、Mo、Cr、Zr和Hf組成的組中的至少一種元素，其中包括Al、Si和Nb的添加合金化元素的總量需為不超過2.5質(zhì)量％。
雖然本發(fā)明自身的鈦合金本身具有優(yōu)異的耐高溫氧化性，但是更優(yōu)選在鈦合金材料表面上形成鋁基電鍍層，因?yàn)檫@可以表現(xiàn)出顯著杰出的耐高溫氧化性。
這樣獲得的本發(fā)明的鈦合金可以有效用作各種可以暴露在高溫氧化氣氛和劇烈腐蝕環(huán)境中的元件。更具體而言，該合金作為用于車輛或摩托車的排氣系統(tǒng)(包括單獨(dú)的排氣系統(tǒng)元件如排氣總管、排氣管、催化式消聲器、預(yù)消聲器和消音器(主消聲器))是非常有用的。而且，該合金也可以用作用于輪船的排氣系統(tǒng)、用于工廠的廢氣管、用于煙筒或煙道的襯里材料等。
與傳統(tǒng)鈦合金相比，在本發(fā)明的鈦合金中，Al含量相對(duì)較少，而是添加少量的Si和/或Nb，由此進(jìn)一步改善耐腐蝕性并表現(xiàn)出優(yōu)越于傳統(tǒng)材料的耐高溫氧化性，從而提高了鈦合金排氣系統(tǒng)的質(zhì)量。


圖1是示出在Ti-Al合金的最外面以下的氧擴(kuò)散區(qū)域的深度和在該深度某點(diǎn)的維氏硬度(Hv)之間關(guān)系的圖。
圖2示出JIS等級(jí)2的純鈦在800℃空氣中暴露10小時(shí)前后以及在800℃暴露100小時(shí)前后的微觀結(jié)構(gòu)。
圖3是示出在耐高溫氧化性的評(píng)價(jià)測(cè)試中使用的測(cè)試片的尺寸和外形的說明圖。
圖4是示出包含在Ti合金中的Al和Si含量對(duì)于抗張性和Erichsen值的影響的圖。
圖5是示出包含在Ti合金中的Al和Si含量對(duì)于耐腐蝕性(通常的腐蝕速率和縫隙腐蝕發(fā)生率)影響的圖。
圖6是示出包含在Ti合金中的Al含量以及包括Si的添加元素的總含量對(duì)于通常的腐蝕速率影響的圖。
圖7是示出包含在Ti合金中的Al含量以及包括Si的添加元素的總含量對(duì)于縫隙腐蝕發(fā)生率影響的圖。
圖8是示出包含在Ti合金中的Al和Si含量對(duì)于耐高溫氧化性(抗厚度減小性、抗氧擴(kuò)散區(qū)域的形成性、抗顆粒生長(zhǎng)性、耐脆化性)影響的圖。
具體實(shí)施例方式
發(fā)明人研究了鈦合金，用于進(jìn)行評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)，以使發(fā)展比在上面提到的美國(guó)專利6,531,091中公開的鈦合金以及在前面背景技術(shù)中描述的條件下傳統(tǒng)用作排氣系統(tǒng)材料的純鈦具有更好質(zhì)量的鈦合金。該研究的原因如下。
也就是說，在上面提到的美國(guó)專利6,531,091的公開中所采用的耐氧化性的評(píng)價(jià)方法通過在700℃保持20或40小時(shí)后由于氧化作用而導(dǎo)致重量增加來評(píng)價(jià)每個(gè)合金的耐氧化性程度。當(dāng)測(cè)試溫度達(dá)到超過700℃的高溫時(shí)，氧化鱗層劇烈形成，而且增厚鱗層脫落，這樣就導(dǎo)致了厚度減小。結(jié)果，因?yàn)橛捎谘趸鴮?dǎo)致合金重量大大下降，因此耐高溫氧化性不能使用由于氧化的重量增加來進(jìn)行評(píng)價(jià)。此外，當(dāng)溫度達(dá)到不低于700℃的高溫時(shí)，氧化鱗層顯著形成，同時(shí)氧擴(kuò)散進(jìn)入并侵?jǐn)_鈦金屬，以致形成硬而脆的氧擴(kuò)散區(qū)域(當(dāng)氧擴(kuò)散區(qū)域的氧濃度超過預(yù)定程度時(shí)，它轉(zhuǎn)變成氧化鱗層)?；谘趸瘜?dǎo)致重量增加的氧擴(kuò)散區(qū)域的形成條件不能控制。而且，當(dāng)測(cè)試溫度超過700℃時(shí)，顆粒生長(zhǎng)顯著發(fā)生，這會(huì)導(dǎo)致脆化和疲勞強(qiáng)度的減小。
因此，耐氧化性評(píng)價(jià)除需要考慮氧化重量增加、厚度減小和氧化擴(kuò)散區(qū)域形成程度外還需要考慮顆粒的生長(zhǎng)條件。
也就是說，本發(fā)明擬假定的用于進(jìn)行與實(shí)際使用相匹配的性能評(píng)價(jià)的嚴(yán)酷高溫氧化氣氛，它需要建立能夠定量獲得如下特征的測(cè)試方法1)由于厚度減小導(dǎo)致的樣品鈦合金板的厚度減小，這可以直接導(dǎo)致合金板穿孔，2)氧擴(kuò)散區(qū)域的形成條件，這可以導(dǎo)致強(qiáng)度下降，3)顆粒的粗化，這可直接導(dǎo)致鈦合金脆化和疲勞強(qiáng)度降低，以及其它等。
因此，為區(qū)分本發(fā)明鈦合金與傳統(tǒng)純鈦材料和在上面提到的美國(guó)專利6,531,091公開的鈦合金之間的差異，耐高溫氧化性的評(píng)價(jià)方法定義如下。
厚度約為1mm的樣品鈦合金板(長(zhǎng)度為100mm，寬度為10mm)插入到爐子中，所述爐子內(nèi)部保持在大氣組成的環(huán)境中，加熱并在800℃保持100小時(shí)。然后通過光學(xué)顯微鏡觀察板的斷面。
在光學(xué)顯微鏡觀察中，以觀察斷面中普通微觀結(jié)構(gòu)的相同方式，將樣板在可觀察斷面的方向上放入樹脂中，然后該斷面進(jìn)行鏡面拋光。隨后，測(cè)定板的金屬部分的厚度(X1)。當(dāng)用光學(xué)顯微鏡觀察經(jīng)過上述加工的樣板時(shí)，可看到金屬部分是白色部分。(因?yàn)橄鄳?yīng)于在表面形成的氧化鱗的部分被觀察為黑灰色部分，所以該金屬部分可以清楚地區(qū)別于氧化鱗部分。)以測(cè)定值為基礎(chǔ)，使用下列公式，板厚度減小率可以從板厚度與在高溫氧化之前的厚度(X0)相比的減少量進(jìn)行測(cè)定。此外，抗厚度減小性可以通過將10的測(cè)定點(diǎn)的減小率進(jìn)行平均。
板厚度減小率(％)＝[(X0-X1)/X0]×100[抗氧擴(kuò)散區(qū)域的形成]厚度約為1mm的樣品鈦合金板(長(zhǎng)度為100mm，寬度為10mm)插入到爐子中，所述爐子內(nèi)部保持在大氣組成的環(huán)境中，加熱并在800℃保持100小時(shí)。然后樣板在中心切開。在金屬鈦合金部分的切開橫截面以下的10μm深度的10點(diǎn)的維氏微硬度(Hv)進(jìn)行平均以評(píng)價(jià)抗氧擴(kuò)散區(qū)域形成性。應(yīng)該理解維獲得的維氏值Hv越小，抗氧擴(kuò)散區(qū)域形成性越好。
注意圖1是示出每個(gè)這些鈦合金板的樣品表面以下深度與其維氏微硬度(Hv)之間關(guān)系的圖。在氧化氣氛中800℃放置100小時(shí)后，切開以獲得作為在氧化鱗層和基材部分之間界面的樣品表面。在該圖中，具有比基板(相應(yīng)于非氧化部分的硬度)硬度更大硬度的部分的范圍相應(yīng)于氧擴(kuò)散區(qū)域的厚度。厚度等級(jí)可以通過比較在最外表面以下10μm的深度處一些點(diǎn)的維氏微硬度(Hv)而提供。應(yīng)該理解為維氏硬度(Hv)值越大，氧擴(kuò)散區(qū)域越深。
厚度約為1mm的樣品鈦合金板(長(zhǎng)度為100mm，寬度為10mm)插入到爐子中，所述爐子內(nèi)部保持在大氣組成的環(huán)境中，加熱并在800℃放置100小時(shí)。然后樣板在中心切開。使用放大100倍的顯微鏡對(duì)切開的橫截面拍照。該表面圖像進(jìn)行圖像分析以確定在10個(gè)測(cè)試點(diǎn)的每一個(gè)上的顆粒大小。在這些10個(gè)點(diǎn)上的所有顆粒大小平均以確定平均顆粒大小。
注意，圖2示出用于參考的JIS等級(jí)2純鈦板的耐高溫氧化性的測(cè)試前后的橫截面顯微鏡照片，其中左邊的照片相應(yīng)于在測(cè)試前的板(加熱之前)，中間照片相應(yīng)于在800℃加熱10小時(shí)后的板，而右邊照片相應(yīng)于在800℃加熱100小時(shí)后的板。從這些照片可看出，在加熱測(cè)試后的顆粒尺寸變得比測(cè)試前的平均顆粒大小大些。應(yīng)該指出加熱時(shí)間從10小時(shí)增加到100小時(shí)會(huì)導(dǎo)致板厚度的相應(yīng)減小。
在圖3示出的尺寸形狀的測(cè)試片從具有1mm厚度的樣品鈦合金板中切割。該測(cè)試片插入到爐子中，該爐子內(nèi)部保持在大氣組成環(huán)境中，加熱并在800℃中保持100小時(shí)。然后，使用Shimadzu Corporation生產(chǎn)的張力測(cè)試儀“Autograph AG-D精密通用測(cè)試儀”對(duì)該測(cè)試片進(jìn)行張力測(cè)試。該測(cè)試進(jìn)行10次，因而以所獲得的板在常溫測(cè)定的伸長(zhǎng)率(l1)以及在常溫非氧化狀態(tài)的板的伸長(zhǎng)率(l0)為基礎(chǔ)，可以將10次的測(cè)定結(jié)果平均以確定耐脆化性[(l1/l0)×100(％)]。
另一方面，作為傳統(tǒng)材料的純鈦具有優(yōu)異的耐腐蝕性。為提高耐高溫氧化性而加入的合金化元素如Al或Si會(huì)導(dǎo)致耐腐蝕性的降低，這可能引起腐蝕問題。因此，本發(fā)明在評(píng)價(jià)項(xiàng)目中還加了耐腐蝕性一項(xiàng)，這是在現(xiàn)有技術(shù)的排氣系統(tǒng)材料中沒有進(jìn)行評(píng)價(jià)的。
也就是說，在寒冷地區(qū)的道路上，為防止道路表面凍結(jié)而灑鹽(氯化鈉、氯化鈣等)，這將導(dǎo)致鹽在道路上行走的車輛或摩托車的排氣系統(tǒng)表面上沉積。鹽在與水共存狀態(tài)中通過排氣系統(tǒng)的加熱而加熱，由此導(dǎo)致縫隙腐蝕，這還可導(dǎo)致穿孔缺陷。為處理這樣的問題，下面的兩個(gè)測(cè)試方法用于評(píng)價(jià)耐腐蝕性。
作為模擬在排氣系統(tǒng)內(nèi)部的腐蝕環(huán)境的加速測(cè)試，樣品鈦合金板在沸騰的1％H2SO4溶液中浸泡48小時(shí)，然后測(cè)定板重量。以該測(cè)定的重量為基礎(chǔ)，從腐蝕測(cè)試前的板重量可計(jì)算出重量的減小。10個(gè)樣品進(jìn)行該測(cè)試以測(cè)定相應(yīng)的重量減小，然后取平均值。該平均重量減小和測(cè)試前所有樣品的區(qū)域都用于計(jì)算由于每年的腐蝕導(dǎo)致的重量減小(mm/年)。
作為模擬在與鹽和水共存狀態(tài)中縫隙腐蝕環(huán)境的加速測(cè)試中，樣品鈦合金在沸騰的10％NaCl溶液中浸泡240小時(shí)，然后測(cè)定縫隙腐蝕發(fā)生率。更具體而言，在該測(cè)試中，通過多縫隙方法形成32條縫隙，測(cè)定其中被腐蝕多少條縫隙以確定發(fā)生率(要更詳細(xì)的該測(cè)試方法，參見日本專利申請(qǐng)2871867)。
當(dāng)該鈦合金實(shí)際用作代替?zhèn)鹘y(tǒng)純鈦的排氣系統(tǒng)材料時(shí)，該鈦合金的重要的所需要性質(zhì)仍是強(qiáng)度和可加工性。在這些性質(zhì)中，抗張性質(zhì)(張力強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率)都是根據(jù)JIS H4600、JIS Z2201和2241的通常方法以及Erichsen測(cè)試(JIS Z2247)的可成型性進(jìn)行評(píng)價(jià)。
本發(fā)明人采用上面提到的測(cè)試方法，以評(píng)價(jià)包含在鈦中的Al和Si的合適含量以及這樣的效果。
如公眾熟知的那樣，鋁(Al)是具有提高鈦材料耐熱性效果的合金化元素。隨著Al含量變大，耐熱性和耐高溫氧化性可以改善(抗厚度減小性、抗氧擴(kuò)散區(qū)域形成性和抗顆粒生長(zhǎng)性)。另一方面，隨著Al含量變大，延展性可顯著減小，同時(shí)耐腐蝕性也減小。考慮到這些優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，因而為確保排出系統(tǒng)材料所需的最小可成型性和耐腐蝕性并同時(shí)獲得耐高位熱和耐高溫氧化性，需要Al含量應(yīng)該至少為0.30％，或優(yōu)選不小于0.40％；并且不大于1.50％，優(yōu)選1.0％或更小，更優(yōu)選0.8％或更小。
其次，已經(jīng)表明Si表現(xiàn)出優(yōu)異的抑制鈦合金顆粒生長(zhǎng)的作用，并有助于疲勞性質(zhì)的改善。該作用有效地表現(xiàn)在本發(fā)明中。值得特別提出的本發(fā)明Si的加入作用是Al和Si的加入組合有助于高溫強(qiáng)度的改善，同時(shí)使耐腐蝕性降低最小，并提高耐高溫氧化性，尤其是在抗厚度減小和抗氧擴(kuò)散區(qū)域的形成性的提高。此外，這有助于通過抑制顆粒生長(zhǎng)而使疲勞性和脆化改善。
為有效產(chǎn)生Si的該作用，需要在合金中包含0.10％或更多的Si，優(yōu)選0.20％或更多，更優(yōu)選0.30％或更多。過量的Si對(duì)于耐腐蝕性有不能忽略的不良影響，并降低了可成型性。因此，需要Si含量應(yīng)該不超過1.0％，優(yōu)選0.8％或更低，更優(yōu)選0.7％或更低。
如上面提到的，由于Al的加入，Si使耐腐蝕性降低最小，同時(shí)表現(xiàn)出改善耐高溫性的作用，該作用與只有Al的情況下有幾乎相同的作用。換句話說，為了有效地表現(xiàn)作為Al的取代元素的Si的作用，Si含量與Al含量的質(zhì)量比為不少于1/3，優(yōu)選為不小于一半，或更優(yōu)選為不少于4/5。該注意的是，因?yàn)檫^大的質(zhì)量比使得難于有效產(chǎn)生預(yù)期來自Al的作用，特別是改善耐高溫性的作用，因此該比例應(yīng)該限制于優(yōu)選2.0或更小，更優(yōu)選為1.5或更小。
如上面提到的，本發(fā)明的鈦合金的特征在于Al和Si的合適含量包含在合金中，以便確保排氣系統(tǒng)材料等所需要的可成型性，并同時(shí)提高優(yōu)異的耐高溫氧化性和耐腐蝕性?？紤]原料成本和規(guī)模生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)的優(yōu)選構(gòu)成的最簡(jiǎn)單合金組成為由Ti-(0.30-1.50％)Al-(0.10-1.0％)Si組成的三元合金的組成。合適量Nb的加入在沒有對(duì)耐腐蝕性有不良影響的情況下還可以提高抗厚度減小性和抗氧擴(kuò)散區(qū)域形成。當(dāng)Nb含量為不小于0.10質(zhì)量％、優(yōu)選0.15質(zhì)量％或更大時(shí)，Nb的該作用可有效產(chǎn)生。過量的Nb反向影響耐腐蝕性和可成型性，并且從經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)考慮是不利的，因?yàn)镹b是相對(duì)昂貴的元素。為此，Nb含量?jī)?yōu)選為不大于0.5％，更優(yōu)選為0.3％或更少。
除上面提到的元素外允許加入的元素有Ta、W、Mo、Cr、Zr、Hf等。這些元素中各種單一元素的使用或者兩種或更多種元素的任意組合使用都有助于改善抗厚度減小和抗氧氣擴(kuò)散區(qū)域的形成，并且表現(xiàn)出抑制顆粒生長(zhǎng)的作用(該作用沒有Si效果明顯)，也表現(xiàn)出提高疲勞性質(zhì)和脆化的另一種作用。以總量計(jì)，包含0.1質(zhì)量％或更大的這些元素中的至少一種就可以有效產(chǎn)生這些作用。然而，過量的這些合金化元素對(duì)可成型性有不利的影響。為此，包括上面提到的Al、Si和Nb含量的合金化元素的總量應(yīng)該調(diào)節(jié)為不超過2.5％，優(yōu)選2.0％。
本發(fā)明的鈦合金的殘余基本上為鈦。術(shù)語“基本上”在這里表示取決于原料鈦(礦石、廢料、精煉方法等)的非常少量的元素的自然添加是允許的。這些元素的實(shí)例為O、Fe、H、C、N等。確定該元素含量的具體上限以便元素不會(huì)對(duì)本發(fā)明的上述性質(zhì)產(chǎn)生不良影響。上限根據(jù)元素不同而變化。在本發(fā)明中，這些元素的可允許上限確定為0.15％或更小(優(yōu)選0.12％或更小)的O、0.20％或更小(優(yōu)選0.15％或更小)的Fe、0.03％或更小(優(yōu)選0.015％或更小)的H、0.08％或更小(優(yōu)選0.03％或更小)的C、0.15％或更小(優(yōu)選0.12％或更小)的O、以及0.05％或更小(優(yōu)選0.03％或更小)的N。
除上述元素外，包含在本發(fā)明鈦合金中可以自然加入的元素有Ni、Cl、Mg、Mn、Na、Cu、V、Sn、Pb、Ru、Co和S。可以允許本發(fā)明的鈦合金包含非常少量的這些元素，不管這些元素加入到合金中的途徑如何，只要這些元素對(duì)上述性質(zhì)(耐熱性、耐腐蝕性、可成型性等)不會(huì)產(chǎn)生不良影響就可。含量應(yīng)該限制在幾百個(gè)ppm水平。
要注意的是如上所述因?yàn)榕c傳統(tǒng)純鈦相比，本發(fā)明的鈦合金具有冷扎性質(zhì)和可成型性，因此作為利用該合金生產(chǎn)排氣系統(tǒng)材料或排氣系統(tǒng)的方法可以采用已知的使用純鈦的方法。例如，原材料的組成在溶液中調(diào)節(jié)為預(yù)定合金組成以生產(chǎn)出錠塊，然后該錠塊以通常方式進(jìn)行鍛造和熱軋。隨后，該錠塊進(jìn)行退火以去除在其表面的鱗層。然后，退火的錠塊進(jìn)行冷扎直到它具有預(yù)定的厚度，然后再次退火。這樣獲得的卷撕開形成環(huán)。隨后該環(huán)利用制造管的儀器形成管狀，然后進(jìn)行TIG焊接以制備焊接管。然后，該管可以與由純鈦或鈦合金(優(yōu)選本發(fā)明鈦合金)制備的具有所需尺寸和外形的末端板結(jié)合以加工成排氣系統(tǒng)形狀。
在該加工過程中，熱軋、冷扎、退火、管焊接等的條件可以根據(jù)在每種情況中使用的鈦合金的組分組成而恰當(dāng)調(diào)節(jié)。
如上所述，在本發(fā)明中，包含在鈦中的Al和Si含量是指定的，或者另外在鈦中包括有合適量的Nb或者備選地在鈦中包括選自由Ta、W、Mo、Cr、Zr和Hf組成的組中的至少一種元素。這保證了優(yōu)異的可成型性，并同時(shí)提高了耐腐蝕性、耐高溫氧化性(抗厚度減小性、氧擴(kuò)散區(qū)域形成性和抗顆粒生長(zhǎng)抑制性)、耐熱性等。應(yīng)該指出賦予由本發(fā)明鈦合金構(gòu)成的產(chǎn)品表面的改善耐高溫氧化性和耐腐蝕性的表面處理在進(jìn)一步延長(zhǎng)排氣系統(tǒng)材料等的壽命周期方面是非常有用的。
這樣的保護(hù)膜優(yōu)選由熱浸鍍鋁層或鍍鋁合金層制成。該熱浸鍍鋁層或鍍鋁合金層優(yōu)選為具有耐熱性的鍍鋁合金層，在該板中Al的總含量或者Al和Si的總含量不少于90質(zhì)量％。鍍鋁板的厚度優(yōu)選為1μm或更大，更優(yōu)選為5μm或更大。Al-Ti基的中間化合物如Al3Ti優(yōu)選在Al基熱浸鍍層和鈦合金基材之間插入，由此而提高在基材和鍍層之間的粘附力。
下面使用表示包括以下所述實(shí)施例的附圖，進(jìn)行描述本發(fā)明鈦合金中的Al和Si含量對(duì)于張力性質(zhì)、Erichsen值(可成型性)、耐腐蝕性和耐氧化性的影響。
圖4是示出包含在本發(fā)明鈦合金中的Al和Si含量對(duì)于張力性質(zhì)、Erichsen值的影響的圖。在該圖中，在由○標(biāo)記表示的測(cè)定點(diǎn)上，由正方形包圍的數(shù)值表示伸長(zhǎng)率(％)、由圓括號(hào)()包圍的值表示Erichsen值，而單個(gè)數(shù)值表示張力強(qiáng)度(MPa)。要注意的是，Al0％和Si0％的位置表示為JIS等級(jí)2的純鈦。
位于該圖右側(cè)的縮圖是說明圖，其中標(biāo)記數(shù)字A、B、C、D、CD、CC和DD以區(qū)域形式說明隨本發(fā)明權(quán)利要求需要的各自關(guān)系。向上斜的直線表示“Si＝1/3×Al”，而區(qū)域A和B表示滿足在本發(fā)明中限定的下列兩個(gè)條件的區(qū)域Al＝0.30-1.50％；和Si＝0.10-1.0％。區(qū)域C對(duì)應(yīng)于Al和Si之一的質(zhì)量含量合適，但另一種質(zhì)量含量不足的比較材料。區(qū)域D對(duì)應(yīng)于Al和Si之一的質(zhì)量含量合適，但另一種質(zhì)量含量過量的比較材料。區(qū)域CD對(duì)應(yīng)于Al和Si之一的質(zhì)量含量不足，但另一種質(zhì)量含量過量的比較材料。區(qū)域CC對(duì)應(yīng)于Al和Si質(zhì)量含量都沒有達(dá)到預(yù)定范圍的比較材料。區(qū)域DD對(duì)應(yīng)于Al和Si質(zhì)量含量都超過各自預(yù)定范圍的比較材料的區(qū)域。在圖中各個(gè)點(diǎn)指定的張力強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率和Erichsen值的綜合分析可以讀出下列趨勢(shì)。
即，在區(qū)域CC中，Al和Si含量的任一種都不能滿足預(yù)定范圍，因此，Erichsen值高。從可成型性考慮該區(qū)域是沒有問題的區(qū)域。在區(qū)域C中Al和Si質(zhì)量含量的一種都是合適的，但另一種不足，這導(dǎo)致Erichsen值相對(duì)較高并且成型性良好。在區(qū)域D中，Al和Si質(zhì)量含量的一種都是合適的，但另一種太多，這導(dǎo)致強(qiáng)度和Erichsen值相對(duì)較高并且可成型性差。在區(qū)域CD中，Al和Si中的一種的質(zhì)量含量過量，而另一種質(zhì)量含量不足，這由于過量組分而導(dǎo)致Erichsen值顯著降低并缺乏可成型性。區(qū)域DD是Al和Si的質(zhì)量含量都過量的區(qū)域，這導(dǎo)致高強(qiáng)度、低Erichsen值和差的可成型性。
相反，區(qū)域A和B都滿足本發(fā)明的預(yù)限確定的需要。與JIS等級(jí)2的純鈦相比(其中Al和Si的含量設(shè)定為0％)，區(qū)域A和B具有稍高的張力強(qiáng)度以及稍低的伸長(zhǎng)率和Erichsen值。即使這樣，從實(shí)際觀點(diǎn)看，該類型的合金測(cè)定為具有與純鈦相同的可成型性。
圖5是包含在鈦合金中的Al和Si的含量對(duì)于耐腐蝕性的影響。在該圖中，在由○標(biāo)記表示的測(cè)定點(diǎn)上，由正方形包圍的數(shù)值表示整個(gè)表面腐蝕速度(mm/年)、由圓括號(hào)()包圍的值縫隙腐蝕發(fā)生的比例(％)。要注意的是因?yàn)檫@些測(cè)試的條件都是上面提到的那些條件，而這些條件中的任一個(gè)都比實(shí)際使用的條件苛刻，因此在實(shí)際使用的條件下腐蝕都不會(huì)以所示水平發(fā)生。
以位于圖右邊的縮圖解釋的標(biāo)記數(shù)字A、B、C、D、CD、CC和DD表示與在圖4的上述縮圖中解釋的那些數(shù)字相同。
在圖中每一點(diǎn)上指定的整個(gè)表面的腐蝕速度和縫隙腐蝕的發(fā)生比例的綜合分析可以讀出下列趨勢(shì)。
即，在區(qū)域CC中，Al和Si含量都不能滿足各自的預(yù)定范圍，因此，在該區(qū)域的整個(gè)表面的腐蝕速度和縫隙腐蝕的發(fā)生比例具有與JIS等級(jí)2的純鈦材料幾乎相同的程度。在區(qū)域C中，Al和Si質(zhì)量含量的一種都是合適的，但另一種含量不足，與其它區(qū)域相比，這使耐腐蝕性和整個(gè)表面的腐蝕速度和縫隙腐蝕發(fā)生比例降低都較少。在區(qū)域D和DD中，Al和Si的一種或兩種都過量，與其它區(qū)域相比，這表現(xiàn)出更高的整個(gè)表面腐蝕速度和縫隙腐蝕發(fā)生比例。在區(qū)域CD中，Al和Si中的一種的質(zhì)量含量缺乏，而另一種的質(zhì)量含量過量，這導(dǎo)致由于過量合金元素的強(qiáng)烈影響而具有不合適的整個(gè)表面腐蝕速度以及縫隙腐蝕發(fā)生的比例。
相反，區(qū)域A和B優(yōu)選滿足本發(fā)明的預(yù)定需要的區(qū)域。雖然，區(qū)域A和B都具有比區(qū)域CC和C差的耐腐蝕性，但是與其它區(qū)域相比，它們具有稍低程度的降解。
正如圖所示，如果每一個(gè)元素Al和Si都單獨(dú)加入到鈦中，則Al的加入比Si的加入導(dǎo)致耐腐蝕性更大程度的降低。而且，當(dāng)Al和Si的總加入量與Al的單獨(dú)加入量相等時(shí)，Al和Si的混合加入比Al的單獨(dú)加入更明顯地降低了整個(gè)表面腐蝕速度和縫隙腐蝕發(fā)生比例的向上趨勢(shì)。
圖6和圖7是表示在只加入元素Al以及在元素Al和Si組合加入的情況下，加入的合金化元素對(duì)于整個(gè)表面腐蝕速度和縫隙腐蝕發(fā)生的比例影響的圖。從這些圖可以看出，如果是只加入Al，可以發(fā)現(xiàn)整個(gè)表面腐蝕速度和縫隙腐蝕發(fā)生的比例都幾乎呈線性增加，而當(dāng)部分Al被Si取代時(shí)，所取代的量越大，腐蝕速度和腐蝕發(fā)生的比例向上的趨勢(shì)降低的程度越大。該趨勢(shì)表明，Si取代部分Al可以使耐腐蝕性的降低最小化。
圖8是包含在鈦合金中的Al和Si含量對(duì)于耐高溫氧化性(抗厚度減小、抗氧擴(kuò)散區(qū)域的形成、抗顆粒生長(zhǎng))的影響。在該圖中，由各個(gè)測(cè)試點(diǎn)標(biāo)明的標(biāo)記○、灰色標(biāo)記○、標(biāo)記●表示分別1％或更低、不低于1％到低于5％、5％或更大的板厚度減小比例(X)，這些比例通過前面所述的抗厚度減小測(cè)試獲得。由每個(gè)標(biāo)記○標(biāo)明部分的數(shù)值表示對(duì)于氧擴(kuò)散區(qū)域形成的抵制性，即在800℃氧化處理100小時(shí)后，在最外表面以下10μm的深度上橫截面的維氏硬度。由正方形包圍的數(shù)值表示抗顆粒生長(zhǎng)性，即進(jìn)行相同處理即在800℃氧化處理100小時(shí)后的顆粒的平均顆粒尺寸。由圓括號(hào)()包圍的數(shù)值表示耐脆化性即在800℃進(jìn)行相同的氧化處理100小時(shí)后，常溫下伸長(zhǎng)率的減小的比例(％)。
在位于圖右側(cè)的縮圖中說明的標(biāo)記數(shù)A、B、C、D、CD、CC和DD表示與在圖4的上述縮圖中解釋的那些數(shù)字相同。
在圖中示出的抗厚度減小、對(duì)氧擴(kuò)散區(qū)域形成的抵抗性、抗顆粒生長(zhǎng)性和耐脆化性的綜合分析可以讀出下面趨勢(shì)。
在區(qū)域DD中，有益于改善耐高溫氧化性的Al和Si的任一含量都過量。在該區(qū)域中任一個(gè)上面提到的四個(gè)性質(zhì)都很優(yōu)異。在區(qū)域CC中，Al和Si的任一含量都不足。在該區(qū)域中任一個(gè)上面提到的四個(gè)性質(zhì)都較差，這導(dǎo)致不能確保滿意的耐高溫氧化性。在區(qū)域C中，Al和Si的任一含量恰當(dāng)，而另一含量不足。在該區(qū)域中上面提到的四個(gè)性質(zhì)的任一個(gè)都較差，這導(dǎo)致不能確保滿意的耐高溫氧化性。在區(qū)域D中，Al和Si的任一含量恰當(dāng)，而另一含量過量，這形成了良好的耐高溫氧化性。在區(qū)域CD中，Al和Si的任一含量不足，而另一含量過量，因而由于過量的Al或Si的作用而導(dǎo)致獲得較好的耐高溫氧化性。
相反，區(qū)域A和B是包括合適量的Al和Si的實(shí)例的區(qū)域，沒有表現(xiàn)出區(qū)域D那樣的優(yōu)異的耐高溫氧化性，但與區(qū)域CC和C相比具有更優(yōu)異的耐高溫氧化性。其中區(qū)域A為Si含量不小于Al含量的1/3的優(yōu)選實(shí)例，它明顯比區(qū)域B具有更優(yōu)異的耐高溫氧化性。
對(duì)上面提到的圖4～8的綜合分析可以確定下列趨勢(shì)。
向本發(fā)明人已經(jīng)開發(fā)的包含相對(duì)較少Al含量的Ti-Al合金中加入合適含量Si(優(yōu)選通過用Si取代部分Al加入合適量Si)，這可以提供在耐高溫氧化性的嚴(yán)格評(píng)價(jià)測(cè)試中表現(xiàn)出優(yōu)異的耐高溫氧化性和耐腐蝕性的鈦合金。該測(cè)試對(duì)于已知的鈦合金從來沒有進(jìn)行過。此外，鑒于實(shí)際應(yīng)用，使合金化元素的總含量最小可以確保其可使用性與純鈦合金相同。而且，當(dāng)根據(jù)添加的合金化元素的總量進(jìn)行比較時(shí)，與Al單獨(dú)添加的情況相比，Si和Al結(jié)合添加的情況可以使耐腐蝕性的降低最小，同時(shí)具有耐高溫氧化性和耐腐蝕性。
正如從下面描述的實(shí)施例看到的那樣，合適量的作為另外添加元素的Nb的添加或者合適量的作為另外添加元素的選自由Ta、W、Mo、Cr、Zr和Hf中的一種或多種元素的添加可以提供在耐高溫氧化性、耐腐蝕性和可成型性這三種性能之間具有更好平衡的鈦合金。
下面通過具體實(shí)施例更具體地說明本發(fā)明的構(gòu)造、效果和優(yōu)點(diǎn)。此處應(yīng)該理解為本發(fā)明并不是限制于下面的實(shí)施例，而是在此處描述的說明書實(shí)質(zhì)可接受的范圍內(nèi)的可以進(jìn)行各種包括在本發(fā)明的技術(shù)范圍之內(nèi)改進(jìn)。
實(shí)施例1使用真空按鈕熔爐制備具有表1示出的組分組成(100-200g)的鈦合金錠的樣品。該鈦合金錠通過向JIS類型1純鈦加入必需的元素制備。樣品加熱并在1000℃保持2小時(shí)，然后進(jìn)行熱軋直到它的厚度減小為6mm。然后，樣品在1000℃再加熱20分鐘，隨后在840°加熱并保持1小時(shí)，然后立即進(jìn)行熱軋直到它的厚度從6mm減小到2.5mm。
所得熱軋板在800℃退火20分鐘，然后空氣冷卻。隨后，該板進(jìn)行表面研磨并將它的側(cè)面研磨掉0.5mm，以便將在表面上形成的氧化鱗層去除掉。然后，該板進(jìn)行冷扎以制成具有約1mm厚度的樣品鈦合金板。作為修整過程，板在650℃的真空中退火3小時(shí)(均熱時(shí)間)。
張力測(cè)試(如上所述)和Erichsen測(cè)試(正如上所述)在常溫下(25℃)進(jìn)行，張力測(cè)試在高溫(600℃、800℃)下進(jìn)行，以便評(píng)價(jià)所得樣品板的張力性能和可使用性。盡管在該測(cè)試中張力測(cè)試的最大溫度設(shè)定在800℃，但是不用說，本發(fā)明鈦合金使用的溫度就并沒有限定在800℃或更低溫度。
此外，所得樣品板通過通常的腐蝕測(cè)試和縫隙腐蝕測(cè)試進(jìn)行耐腐蝕性評(píng)價(jià)。板的耐高溫氧化性也獲得評(píng)價(jià)。在通常腐蝕測(cè)試中，腐蝕速度從板在沸騰的1％H2SO4溶液中浸泡48小時(shí)后重量的改變進(jìn)行確定。該測(cè)試環(huán)境擬表示在消聲器中的腐蝕環(huán)境。在縫隙腐蝕測(cè)試中，在樣品條上通過多-縫隙方法形成32條縫隙。樣品條在沸騰的10％NaCl溶液中浸泡240小時(shí)后，在32條縫隙中有多少條縫隙被腐蝕從而確定縫隙腐蝕發(fā)生率。該測(cè)試環(huán)境擬表示在排氣系統(tǒng)外部的環(huán)境。這些腐蝕測(cè)試比得上比實(shí)際使用條件更苛刻的條件下的結(jié)果。這并不意味著腐蝕在實(shí)際使用條件下以相同程度發(fā)生。
在耐高溫氧化性的評(píng)價(jià)方法中，抗厚度減小性通過在800℃氧化100小時(shí)后板厚度的減小率評(píng)價(jià)。如上所述，抗氧氣擴(kuò)撒區(qū)域形成性通過測(cè)定在800℃氧化100小時(shí)后在最外面以下約10μm的深度的點(diǎn)的維氏微硬度加以評(píng)價(jià)。抗顆粒生長(zhǎng)性通過測(cè)定在800℃氧化100小時(shí)后的顆粒大小加以評(píng)價(jià)。耐脆化性通過計(jì)算[800℃氧化100小時(shí)后在常溫的伸長(zhǎng)率/在非氧化狀態(tài)中常溫的伸長(zhǎng)率]×100(％)。
注意雖然在該耐氧化性的評(píng)價(jià)中測(cè)試溫度設(shè)定為800℃，但是這并不意味著本發(fā)明材料的使用中的溫度是限制在800℃或更低。所得結(jié)果在表1和表2中示出。
表1

表2

以表1和2為基礎(chǔ)，鈦合金的分析可以進(jìn)行如下。
樣品編號(hào)1～4是本發(fā)明的包括適量Al和Si的鈦合金。例如，與具有耐熱和耐氧化性的傳統(tǒng)類型的包括相對(duì)較高的Al含量的鈦合金如在編號(hào)10和11所示的鈦合金相比，本發(fā)明的這些合金具有高的伸長(zhǎng)率和Erichsen值和優(yōu)異的可使用性。此外，這些樣品具有與純鈦幾乎相同水平的耐腐蝕性。與純鈦相比，每個(gè)樣品都具有更小的板厚度減小率，這是抗厚度減小性的標(biāo)尺，并且每個(gè)樣品在最外表面附近都具有更低硬度的橫截面，該硬度是抗氧擴(kuò)散區(qū)域形成的標(biāo)尺。與純鈦相比，這些樣品800℃保持100小時(shí)后具有更小的顆粒生長(zhǎng)，并且具有更高的[800℃保持100小時(shí)后在常溫的伸長(zhǎng)率/在常溫的伸長(zhǎng)率]的值，這是耐脆化性的標(biāo)尺。因此認(rèn)為該樣品具有優(yōu)異的耐脆化性。
相反，只加入Al而沒有加入Si的樣品6～8沒有足夠的高溫強(qiáng)度，并且在耐高溫氧化性(抗厚度減小性、抗氧擴(kuò)散區(qū)域的形成下、抗顆粒生長(zhǎng)性和耐脆化性)上比樣品編號(hào)1～4的鈦合金差。樣品編號(hào)9包括Si和Al，但Si的量小。因此，與鈦合金編號(hào)1～4相比，樣品編號(hào)9在在耐高溫氧化性(抗厚度減小性、抗氧擴(kuò)散區(qū)域的形成性、抗顆粒生長(zhǎng)性和耐脆化性)上差些。
每個(gè)樣品編號(hào)10和11都是傳統(tǒng)類型的包括較大量的含有Al的添加合金化元素的Ti-Al基合金。因?yàn)榇罅刻砑雍辖鸹?，這些樣品具有好的耐高溫氧化性，但具有差的伸長(zhǎng)率和低的Erichsen值，這導(dǎo)致差的可成型性和差的耐腐蝕性。
實(shí)施例2正如采用實(shí)施例1的情況那樣，制備具有表3示出的組分組成的鈦合金錠樣品。然后樣品以與實(shí)施例1相同的順序和方式進(jìn)行熱軋、退火、空氣冷卻、為去除氧化鱗層的表面研磨和冷扎，形成具有約1mm厚度的樣品鈦板。作為修整過程，該板在650℃的真空中退火3小時(shí)(均熱時(shí)間)。
這樣獲得的樣品板以與實(shí)施例1相同方式進(jìn)行張力測(cè)試、Erichsen測(cè)試、耐腐蝕性測(cè)試和耐高溫氧化性測(cè)試，這些結(jié)果在表3和4中示出。
表3

表4

在表3和表4中，樣品編號(hào)1～14(除編號(hào)10以外)都是滿足本發(fā)明限定的樣品，并且在可成型性、耐腐蝕性和耐高溫氧化性這三種性能之間有更好的平衡。另一方面，樣品編號(hào)10是包括最小量Al和不足量的Si的比較材料，而且它具有好的可成型性和耐腐蝕性，但在耐高溫氧化性中具有差的抗氧擴(kuò)散區(qū)域形成性和差的抗顆粒生長(zhǎng)性。注意純鈦材料編號(hào)15和鈦合金材料編號(hào)16～20相應(yīng)于在實(shí)施例1的表1和表2示出的樣品編號(hào)5～11。這些材料的任一種都以綜合方式挫敗了本發(fā)明的目的。
實(shí)施例3正如采用實(shí)施例1的情況那樣，制備具有表5示出的組分組成的鈦合金錠。然后樣品以與實(shí)施例1相同的順序和方式進(jìn)行熱軋、退火、空氣冷卻、為去除氧化鱗層的表面研磨和冷扎，形成具有約1mm厚度的樣品鈦板。作為修整過程，該板在650℃的真空中退火3小時(shí)(均熱時(shí)間)。
這樣獲得的樣品板以與實(shí)施例1相同方式進(jìn)行張力測(cè)試、Erichsen測(cè)試、耐腐蝕性測(cè)試和耐高溫氧化性測(cè)試，這些結(jié)果在表5和6中示出。
表5

表6

制備這些鈦合金，是為了確定加入Nb以及Al和Si后產(chǎn)生的效果。加入Nb并沒有發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致與加入Al或Si一樣的優(yōu)異效果，但是發(fā)現(xiàn)在沒有反向影響可成型性這么多的情況下，可以提高耐高溫氧化性，尤其是抗氧擴(kuò)散區(qū)域形成性。
實(shí)施例4正如實(shí)施例1的情況那樣，制備具有表7示出的組分組成的鈦合金錠。然后樣品以與實(shí)施例1相同的順序進(jìn)行熱軋、退火、空氣冷卻、為去除氧化鱗層的表面研磨和冷扎，形成具有約1mm厚度的純鈦板。作為修整過程，該板在650℃的真空中退火3小時(shí)(均熱時(shí)間)。
這樣獲得的樣品板以與實(shí)施例1相同方式進(jìn)行張力測(cè)試、Erichsen測(cè)試、耐腐蝕性測(cè)試和耐高溫氧化性測(cè)試，這些結(jié)果在表7和8中示出。
表7

*1Ta、W、Mo、Cr、Zr和Hf各以0.1質(zhì)量％加入，總加入量為0.6質(zhì)量％
表8

制備這些鈦合金是為了確定通過加入Ta、W、Mo、Cr、Zr和/或Hf以及Al、Si和Nb而產(chǎn)生的效果。可以確定任一元素都具有在降低伸長(zhǎng)率的同時(shí)稍微提高張力強(qiáng)度的趨勢(shì)，該趨勢(shì)很小，但具有提高屬于耐高溫氧化性質(zhì)的抗氧氣擴(kuò)散區(qū)域形成性和耐脆化性。
實(shí)施例5由在實(shí)施例2示出的表3的合金編號(hào)4制備的Ti-Al-Si合金板進(jìn)行具有下面條件的熱浸鍍Al過程，然后在板上形成具有耐氧化性的約2μm厚度的膜。隨后，這樣獲得的板以與實(shí)施例1相同的方式進(jìn)行張力測(cè)試、Erichsen測(cè)試和耐高溫氧化測(cè)試，這些結(jié)果在表9和表10中示出。
熱浸鍍Al過程每個(gè)樣品鈦合金板在700℃加熱并熔化的熔融Al(Al含量97％或更多)中浸漬10分鐘，然后從熔體中移開以形成具有約2μm平均厚度的鍍Al層。
表9

表10

正如表9和表10示出的那樣，在滿足本發(fā)明限定的Ti-Al-Si合金板表面上的熱浸鍍Al膜的形成可以在沒有對(duì)反向影響張力性質(zhì)和可成型性造成那么多負(fù)面影響的情況下能有效改善耐高溫氧化性，尤其是抗氧擴(kuò)散區(qū)域的形成性和耐脆化性。
使用熔化電極類型自耗電極型電弧熔爐熔融Ti-0.5％Al-0.6％Si合金以形成一噸的錠子。該錠子進(jìn)行如下過程如鍛造、熱軋、退火、除鱗層、冷扎以及以常規(guī)方式真空退火，從而制備具有0.75mm板厚的卷。在該試驗(yàn)中，Ti-0.5％Al-0.6％Si合金可以通過采用基本上如它們那樣的JIS等級(jí)2純鈦的生產(chǎn)方法而加工成薄板。
這樣獲得的卷用于制備具有50.8mm和60.5mm的對(duì)應(yīng)外部直徑的焊接管。從卷切出的鈦板焊接到所得的管上，這可用作排氣管或作為靜音管的外置油缸和靜音管內(nèi)部包裝的部件，以制備摩托車排氣系統(tǒng)。該情況并沒有在排氣系統(tǒng)的組裝上提出任何問題。此外，在實(shí)際使用車輛的評(píng)價(jià)測(cè)試中，該排氣系統(tǒng)并沒有引起耐腐蝕性和耐高溫氧化性方面的任何問題。該評(píng)價(jià)測(cè)試適用于這樣的車輛因?yàn)榕艢夤鼙患訜岬礁邷?，而現(xiàn)有鈦合金排氣系統(tǒng)會(huì)發(fā)生高溫氧化，從而導(dǎo)致該車輛產(chǎn)生裂縫。
權(quán)利要求
1.一種包括0.30-1.50質(zhì)量％的Al和0.10-1.0質(zhì)量％的Si的鈦合金。
2.如權(quán)利要求1所述的鈦合金，其中Si/Al的質(zhì)量比為不小于1/3。
3.如權(quán)利要求1所述的鈦合金，它還包括0.1-0.5質(zhì)量％的Nb。
4.如權(quán)利要求1所述的鈦合金，它還包括作為另一種元素的選自Ta、W、Mo、Cr、Zr和Hf中的至少一種元素，其中包括Al和Si的另外的合金化元素的總量為不超過2.5質(zhì)量％。
5.如權(quán)利要求1所述的鈦合金，其中鈦合金具有進(jìn)行了鍍Al基操作的表面。
6.如權(quán)利要求5所述的鈦合金，其中Al基鍍層的厚度為1μm或更厚。
7.如權(quán)利要求1所述的鈦合金，其中所述合金用作排氣系統(tǒng)材料。
8.一種由根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦合金制備的排氣系統(tǒng)。
全文摘要
公開了一種具有優(yōu)異的耐高溫氧化性和耐腐蝕性的鈦合金，它包括0.30－1.50質(zhì)量％的Al和0.10－1.0質(zhì)量％的Si，優(yōu)選Si/Al的質(zhì)量比為不小于1/3。更優(yōu)選所述鈦合金還包括0.1－0.5質(zhì)量％的Nb。所述鈦合金用作用于車輛或摩托車的排氣系統(tǒng)材料，在不損害經(jīng)濟(jì)性和可使用性的情況下，在可利用原始鈦合金的固有的質(zhì)輕和耐腐蝕性的同時(shí)，能夠提高耐腐蝕性和耐高溫氧化性。
文檔編號(hào)F01N13/16GK1667141SQ20051005502
公開日2005年9月14日 申請(qǐng)日期2005年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月12日
發(fā)明者屋敷貴司, 山本兼司, 漆原亙 申請(qǐng)人:株式會(huì)社神戶制鋼所