BR112013005248B1

BR112013005248B1 - Liga de titânio alfa / beta de alta resistência e ductilidade

Info

Publication number: BR112013005248B1
Application number: BR112013005248-1A
Authority: BR
Inventors: David J. Bryan; John V. Mantione; Thomas D. Bayha
Original assignee: Ati Properties Llc
Priority date: 2010-09-23
Filing date: 2011-09-07
Publication date: 2019-10-01
Also published as: KR20130099001A; JP2013539822A; BR112013005248A2; MX2013002312A; KR102056035B1; NZ607852A; RU2616676C2; TWI631222B; CA2809035A1; US20120076686A1; TW201224163A; JP6104164B2; EP2619340A1; IL224802A; AU2011305924A1; RU2013118571A; KR20180049165A; AU2011305924B2; WO2012039929A1; MX368806B

Abstract

liga de titânio alfa / beta de alta resistência e ductilidade uma liga de titânio alfa / beta compreendendo, em percentagem em peso com base no peso da liga total: 3,9 a 4,5 de alumínio; 2,2 a 3,0 de vanádio; 1,2 a 1,8 de ferro; 0,24 a 0,30 de oxigênio; até 0,08 de carbono; até 0,05 de nitrogênio; até 0,05 de hidrogênio; titânio; e até um total de 0,30 de outros elementos. uma modalidade não limitativa da liga de titânio alfa / beta compreende um valor de equivalente de alumínio de pelo menos 6,4 a 7,2, exibe uma resistência à ruptura de pelo menos 120 ksi (827,4 mpa) a 155 ksi (1069 mpa), exibe uma resistência à tração extrema na faixa de 130 ksi (896,3 mpa) a 165 ksi (1138 mpa), e apresenta uma ductilidade na faixa de 12 até 30 por cento de alongamento.

Description

[001]O presente pedido é um pedido de continuação em parte reivindicando prioridade de acordo com USC 35 § 120 do pedido copendente US 12/903.851, depositado em 13 de outubro de 2010, e intitulado “High Strength Alpha/Beta Titanium Alloy Fasteners and Fastener Stock”, o qual é um pedido de continuação em parte reivindicando prioridade de acordo com USC 35 § 120 do pedido de patente copendente US 12/888.699, depositado em 23 de setembro de 2010, e intitulado “High Strength Alpha/Beta Titanium Alloy Fasteners and Fastener Stock”. As descrições completas dos pedidos com número de série 12/903.851 e 12/888.699 são aqui incorporadas por referência.

FUNDAMENTOS DA TECNOLOGIA

CAMPO DA TECNOLOGIA [002]A presente divulgação se refere a ligas de titânio alfa / beta de elevada resistência e dúcteis.

DESCRIÇÃO DOS FUNDAMENTOS DA TECNOLOGIA [003]As ligas de titânio apresentam tipicamente uma alta razão de resistência para peso, são resistentes à corrosão, e são resistentes à deformação a temperaturas moderadamente elevadas. Por estas razões, as ligas de titânio são utilizadas na indústria aeroespacial, aeronáutica, defesa, marítima e aplicações automotivas, incluindo, por exemplo, membros de trem de pouso, quadros de motor, blindagem balística, cascos e fixadores mecânicos.

[004]Reduzir o peso de uma aeronave ou de outro veículo em movimento resulta na economia de combustível. Assim, por exemplo, existe uma forte tendência na indústria aeroespacial para reduzir o peso da aeronave. Titânio e ligas de titânio são materiais atrativos para alcançar a redução de peso em aplicações de aerona

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2/21 ves devido à sua alta razão de resistência para peso. A maioria das peças em liga de titânio usadas em aplicações aeroespaciais são feitas a partir de liga Ti-6Al-4V (ASTM Grau 5; UNS R56400; AMS 4928, AMS 4911), a qual é uma liga de titânio alfa / beta.

[005]A liga Ti-6Al-4V é um dos materiais manufaturados mais comuns à base de titânio, estimada responder por mais de 50% do total do mercado de materiais à base de titânio. A liga Ti-6Al-4V é utilizada em várias aplicações que se beneficiam da combinação vantajosa de peso leve, resistência à corrosão e alta resistência a temperaturas baixas a moderadas da liga. Por exemplo, a liga Ti-6Al-4V é utilizada para a produção de componentes para motores de aeronaves, componentes estruturais de aeronaves, fixadores e componentes automotivos de alto desempenho, componentes para dispositivos médicos, equipamentos esportivos, componentes para aplicações marítimas e componentes para equipamentos de processamento químico.

[006]Os produtos laminados de liga Ti-6Al-4V são geralmente utilizados ou em uma condição recozida laminada ou em uma condição tratada e envelhecida em solução (STA). Como aqui utilizado, a “condição de recozida em laminação” se refere à condição de uma liga de titânio depois de um tratamento térmico de “recozimento em laminação”, no qual uma peça de trabalho é recozida a uma temperatura elevada (por exemplo, 1200-1500°F/649-816°C) durante cerca de 1 a 8 horas e resfriada em ar estático. Um tratamento térmico de recozimento em laminação é realizado após uma peça de trabalho ser laminada a quente no campo da fase α + β. Barra redonda de liga Ti6Al-4V tendo um diâmetro de cerca de 2 a 4 polegadas (5,08-10,16 cm) em uma condição recozida por laminação tem uma resistência à tração extrema especificada mínima de 130 ksi (896 MPa) e uma resistência à ruptura mínima especificada de 120 ksi (827 MPa), à temperatura ambiente. Placa de Ti-6Al-4V recozida por laminação, muitas vezes, é produzida para a especificação AMS 4911, enquanto a barra de Ti-6Al-4V recozida por laminação, muitas vezes, é produzida para a especificação AMS 4928.

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3/21 [007]A Patente US 5.980.655 (“a patente '655”), que é por este documento aqui incorporada por referência na sua totalidade, descreve uma liga de titânio alfa / beta que compreende, em percentagens em peso, de 2,90 a 5,00 de alumínio, de 2,00 a 3,00 de vanádio, de 0,40 a 2,00 de ferro, de 0,20 a 0,30 de oxigênio, impurezas incidentais e titânio. As ligas de titânio alfa / beta divulgadas na patente '655 são referidas aqui como “as ligas '655”. Uma composição de liga disponível comercialmente dentro das ligas ‘655 nominalmente inclui, em percentagens em peso com base no peso total da liga, 4,00 de alumínio, 2,50 de vanádio, 1,50 de ferro, 0,25 de oxigênio, impurezas acidentais e titânio, e pode ser aqui referida como liga Ti-4Al2,5V-1,5Fe-0,25O.

[008]Devido à dificuldade em trabalhar a frio a liga Ti-6Al-4V, a liga é geralmente usinada (por exemplo, forjada, laminada, estirada e semelhantes) a temperaturas elevadas, em geral, acima da temperatura de α2 solvus. A liga Ti-6Al-4V não pode ser efetivamente trabalhada a frio para aumentar a resistência devido, por exemplo, a uma elevada incidência de fissuras (isto é, falha da peça de trabalho) durante a deformação a frio. No entanto, tal como descrito na Publicação de Pedido de Patente US 2004/0221929, a qual é aqui incorporada por referência na sua totalidade, foi surpreendentemente e inesperadamente descoberto que as ligas '655 têm um grau substancial de deformabilidade/trabalhabilidade a frio.

[009]As ligas '655 surpreendentemente podem ser trabalhadas a frio para alcançar alta resistência, embora mantendo um nível trabalhável de ductilidade. Um nível trabalhável de ductilidade é aqui definido como uma condição em que uma liga exibe mais do que 6% de alongamento. Além disso, a resistência das ligas '655 é comparável àquela que pode ser alcançada com a liga Ti-6Al-4V. Por exemplo, como é mostrado na Tabela 6 da patente '655, a tensão de tração medida para uma liga Ti-6Al-4V é de 145,3 ksi (1.002 MPa), enquanto que as amostras testadas de ligas '655 exibiram resistências à tração em uma faixa de 138,7 ksi a 142,7 ksi

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4/21 (956,3 MPa a 983,9 MPa).

[0010]A Aerospace Material Specification 6946B (AMS 6946B) especifica uma faixa de química mais limitada do que é recitado nas reivindicações da patente '655. As ligas especificadas na AMS 6946B retêm a formabilidade dos limites de faixa elementar mais amplas da patente '655, mas os mínimos de propriedade de resistência mecânica permitidos pela AMS 6946B são mais baixos do que aqueles especificados para a liga Ti-6Al-4V comercialmente disponível. Por exemplo, de acordo com a AMS-4911L, a resistência à tração mínima para placa de Ti-6Al-4V de 0,125 polegada (3,175 mm) de espessura é de 134 ksi (923,9 MPa) e a resistência à ruptura mínima é de 126 ksi (868,7 MPa). Em comparação, de acordo com a AMS 6946B, a resistência à tração mínima para a placa de Ti-4Al-2,5V-1,5Fe-0,25O de 0,125 polegada (3,175 mm) de espessura é de 130 ksi (896,3 MPa) e a resistência à ruptura mínima é de 115 ksi (792,9 MPa).

[0011]Dada a necessidade contínua de consumo de combustível reduzido através da redução de peso de aeronave e outros veículos, existe uma necessidade de uma liga de titânio alfa / beta dúctil aperfeiçoada que apresente, de preferência, propriedades mecânicas comparáveis ou superiores àquelas apresentadas pela liga de titânio alfa / beta Ti-6Al-4V.

SUMÁRIO [0012]De acordo com um aspecto da presente divulgação, uma liga de titânio alfa / beta compreende, em percentagem em peso com base no peso da liga total: 3,9 a

4,5 de alumínio; 2,2 a 3,0 de vanádio, 1,2 a 1,8 de ferro; 0,24 a 0,30 de oxigênio, até 0,08 de carbono; até 0,05 de nitrogênio; até 0,015 de hidrogênio; titânio, e até um total de 0,30 de outros elementos.

[0013]De acordo com outro aspecto da presente descrição, uma liga de titânio alfa / beta consiste essencialmente em, em percentagem em peso: 3,9 a 4,5 de alumínio; 2,2 a 3,0 de vanádio; 1,2 a 1,8 de ferro; 0,24 a 0,30 de oxigênio; até 0,08

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5/21 de carbono; até 0,05 de nitrogênio; até 0,015 de hidrogênio; titânio, e até um total de 0,30 de outros elementos.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [0014]As características e vantagens das ligas e dos respectivos métodos aqui descritos podem ser mais bem compreendidas por referência aos desenhos anexos, nos quais:

[0015]Figura 1 é um gráfico de resistência à tração extrema e a resistência à ruptura em função de equivalente de alumínio para barra e arame compreendidos de modalidades não limitativas de ligas de acordo com a presente divulgação.

[0016]Figura 2 é um gráfico de resistência à tração extrema e resistência à ruptura em função de equivalente de alumínio para arame de diâmetro de 0,5 polegada (1,27 centímetros) compreendido de modalidades não limitativas de ligas de acordo com a presente divulgação; e [0017]Figura 3 é um gráfico de resistência à tração, resistência à ruptura e alongamento percentual em função de equivalente de alumínio por placa de 1 polegada (2,54 cm) de espessura compreendida de modalidades não limitativas de ligas de acordo com a presente divulgação.

[0018]O leitor apreciará os detalhes anteriores, bem como outros, ao considerar a descrição detalhada a seguir de certas modalidades não limitativas de ligas e respectivos métodos de acordo com a presente divulgação.

DESCRIÇÃO DETALHADA DE CERTAS MODALIDADES NÃOLIMITANTES [0019]Na presente descrição de modalidades não limitativas, exceto nos exemplos de operação ou onde indicado em contrário, todos os números que expressam quantidades ou características são para ser entendidos como sendo modificados em todos os casos pelo termo “cerca de”. Por conseguinte, a menos que indicado em contrário, todos os parâmetros numéricos constantes da descrição a se

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6/21 guir são aproximações que podem variar dependendo das propriedades desejadas que se buscam obter nos materiais e pelos métodos de acordo com a presente divulgação. No mínimo, e não como uma tentativa de limitar a aplicação da doutrina de equivalentes ao escopo das reivindicações, cada parâmetro numérico deve pelo menos ser interpretado à luz do número de algarismos significativos e relatados por aplicação de técnicas de arredondamento comuns.

[0020]Qualquer patente, publicação ou outro material de divulgação, que se diz ser incorporado, em todo ou em parte, por referência aqui, é incorporado aqui apenas na medida em que o material incorporado não entra em conflito com as definições existentes, instruções ou outros materiais de divulgação estabelecidos na presente descrição. Como tal, e na medida do necessário, a divulgação como aqui estabelecida substitui qualquer material conflitante aqui incorporado por referência. Qualquer material, ou porção do mesmo, que está sendo incorporado por referência, mas que entra em conflito com as definições existentes, declarações, ou outro material de divulgação apresentado aqui, é apenas incorporado na medida em que não exista qualquer conflito entre o material incorporado e o material de divulgação existente.

[0021]As modalidades não limitantes de ligas de titânio alfa / beta de acordo com a presente divulgação compreendem, consistem em, ou consistem essencialmente em, em percentagem em peso: 3,9 a 4,5 de alumínio; 2,2 a 3,0 de vanádio,

1,2 a 1,8 de ferro; 0,24 a 0,30 de oxigênio; até 0,08 de carbono; até 0,05 de nitrogênio; até 0,015 de hidrogênio; titânio, e até um total de 0,30 de outros elementos. Em certas modalidades, não limitativas, de acordo com a presente divulgação, os outros elementos que possam estar presentes na liga de titânio alfa / beta (como parte dos até 0,30 por cento em peso de outros elementos) incluem um ou mais de boro, estanho, zircônio, molibdênio, cromo, níquel, silício, cobre, tântalo, nióbio, manganês, ítrio e cobalto e, em certas modalidades não limitativas, o nível do peso de cada tal

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7/21 outro elemento presente é de 0,10 ou menos, mas, com duas exceções. As exceções são boro e ítrio que, se presentes absolutamente como parte de outros elementos, estão presentes em concentrações individuais menores que 0,005 por cento em peso.

I. Composição da liga [0022]Modalidades não limitativas de ligas de acordo com a presente divulgação compreendem titânio, alumínio, vanádio, ferro e oxigênio. Se somente os elementos de liga são declarados nas composições discutidas abaixo, é para ser entendido que o equilíbrio compreende titânio e impurezas acidentais.

A. Alumínio [0023]O alumínio é um fortalecedor de fase alfa em ligas de titânio. A faixa de composição de alumínio em modalidades não limitativas de ligas de titânio alfa / beta de acordo com a presente divulgação é mais estreita do que a faixa de alumínio divulgada na patente '655. Além disso, o nível mínimo de alumínio de acordo com certas modalidades não limitativas de ligas de acordo com a presente divulgação é maior do que o nível mínimo estabelecido na AMS 6946B. Foi observado que estas características de composição permitem que a liga de forma mais consistente exiba propriedades mecânicas comparáveis à liga Ti-6Al-4V. A concentração mínima de alumínio em ligas de titânio alfa / beta de acordo com a presente divulgação é de 3,9 por cento em peso. A concentração máxima de alumínio em ligas de titânio alfa / beta de acordo com a presente divulgação é de 4,5 por cento em peso.

B. Vanádio [0024]O vanádio é um estabilizador de fase beta em ligas de titânio. A concentração mínima de vanádio em ligas de titânio alfa / beta de acordo com a presente divulgação é maior do que a concentração mínima apresentada na patente '655 e constante da AMS 6946B. Foi observado que esta característica composicional prevê um equilíbrio ótimo, controlado das frações de volume das fases alfa e beta. O

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8/21 equilíbrio de fases alfa e beta fornece ligas de acordo com a presente divulgação com excelente ductilidade e formabilidade. O vanádio está presente em ligas de titânio alfa / beta de acordo com a presente divulgação, em uma concentração mínima de 2,2 por cento em peso. A concentração máxima de vanádio em ligas de titânio alfa / beta de acordo com a presente descrição é de 3,0 por cento em peso.

C. Ferro [0025]O ferro é um estabilizador beta eutetoide em ligas de titânio. As ligas de titânio alfa / beta de acordo com a divulgação da presente invenção incluem uma concentração mínima maior e uma faixa mais estreita de ferro em comparação com a liga descrita na patente '655. Estas características foram observadas como fornecendo um equilíbrio ótimo, controlado das frações de volume das fases alfa e beta. O equilíbrio fornece ligas de acordo com a presente divulgação com excelente ductilidade e formabilidade. O ferro está presente nas ligas alfa / beta de acordo com a presente divulgação, em uma concentração mínima de 1,2 por cento em peso. A concentração máxima de ferro em ligas de titânio alfa / beta de acordo com a presente descrição é de 1,8 por cento, em peso.

D. Oxigênio [0026]O oxigênio é um fortalecedor de fase alfa em ligas de titânio. A faixa de composição de oxigênio em ligas de titânio alfa / beta de acordo com a presente divulgação é mais estreita do que as faixas divulgadas na patente '655 e na especificação AMS 6946B. Além disso, a concentração mínima de oxigênio em modalidades não limitativas, de ligas de acordo com a presente divulgação é maior do que na patente '655 e na especificação AMS 6946B. Foi observado que estas características composicionais permitem ligas de acordo com a presente divulgação que consistentemente apresentam propriedades mecânicas comparáveis a certas propriedades mecânicas de Ti-6Al-4V. A concentração mínima de oxigênio em ligas de titânio alfa / beta de acordo com a presente divulgação é de 0,24 por cento em peso. A concen

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9/21 tração máxima de oxigênio em ligas de titânio alfa / beta de acordo com a presente divulgação é de 0,30 por cento em peso.

[0027]Além da inclusão de titânio, alumínio, vanádio, ferro e oxigênio, como discutido acima, certas modalidades não limitativas de ligas de titânio alfa / beta de acordo com a presente divulgação incluem outros elementos em uma concentração total não superior a 0,30 por cento em peso. Em certas modalidades não limitativas estes outros elementos incluem um ou mais de boro, estanho, zircônio, molibdênio, cromo, níquel, silício, cobre, nióbio, tântalo, manganês, ítrio, e cobalto, em que, com duas exceções, a porcentagem em peso de cada um desses elementos é de 0,10 ou menos. As exceções são boro e ítrio. Se estiverem presentes em ligas de acordo com a presente divulgação, a percentagem em peso de cada, boro e ítrio, é menor do que 0,005.

[0028]Impurezas incidentais também podem estar presente nas ligas de titânio alfa / beta de acordo com a presente divulgação. Por exemplo, carbono pode estar presente até cerca de 0,008 por cento em peso. Nitrogênio pode estar presente até cerca de 0,05 por cento em peso. Hidrogênio pode estar presente até cerca de 0,015 por cento em peso. Outras possíveis impurezas acidentais serão evidentes para aqueles com conhecimentos correntes na técnica de metalurgia.

[0029]A Tabela 1 apresenta um sumário das composições de (i) certas modalidades não limitativas de ligas de titânio alfa / beta de acordo com a presente divulgação, e (ii) certas ligas divulgadas na patente '655 e especificadas na AMS 6946B.

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Tabela 1

Composições de Liga
	Percentual em Peso
Elemento de Liga	Modalidades não limitativas de acordo com a presente divulgação	US 5.980.655	AMS 6946B
Alumínio	3,9 a 4,5	2,5 a 5,4	3,5 a 4,5
Vanádio	2,2 a 3,0	2,0 a 3,4	2,0 a 3,0
Ferro	1,2 a 1,8	0,2 a 2,0	1,2 a 1,8
Oxigênio	0,24 a 0,30	0,2 a 0,3	0,20 a 0,30
Carbono	0,08 máximo	0,1 máximo	0,08 máximo
Nitrogênio	0,05 máximo	0,1 máximo	0,03 máximo
Hidrogênio	0,015 máximo	não especificado	0,015 máximo
Outros elementos	0,10 cada máximo, 0,30 máximo total	0,10 cada máximo, nenhum total especificado	0,10 cada máxi- mo, 0,30 máximo total

[0030]Os presentes inventores descobriram inesperadamente que o fornecimento da presente liga com níveis mínimos de alumínio, oxigênio e ferro maiores do que os níveis mínimos ensinados na patente '655 proporciona uma liga de titânio alfa / beta que consistentemente exibe propriedades mecânicas, tais como resistência, por exemplo, pelo menos comparável a certas propriedades mecânicas da liga Ti-6Al-4V recozida por laminação. Os inventores também descobriram inesperadamente que aumentando os níveis mínimos e estreitando as faixas de ferro e vanádio em relação a esses mínimos e faixas divulgados na patente '655 se proporcionam ligas que exibem um equilíbrio ótimo e controlado das frações de volume das fases

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11/21 alfa e beta em uma forma recozida por laminação. Este equilíbrio ótimo entre as fases nas ligas de titânio alfa / beta de acordo com a presente divulgação fornece modalidades das ligas com ductilidade melhorada em comparação com as ligas Ti-6Al4V, enquanto retém a ductilidade das ligas divulgadas na patente '655 e especificadas na AMS 6946B.

[0031]Um perito na técnica compreende que a resistência e ductilidade dos materiais metálicos em geral exibem uma relação inversa. Em outras palavras, em geral, à medida que a resistência de um material metálico aumenta, a ductilidade do material diminui. A combinação de resistência mecânica aumentada e ductilidade retida das ligas de titânio alfa / beta de acordo com a presente divulgação não era esperada, porque uma relação inversa entre resistência e ductilidade geralmente é observada para ligas de titânio recozidas por laminação. A combinação inesperada e surpreendente de resistência mecânica aumentada e a ductilidade retida é uma característica particularmente vantajosa das modalidades da liga de acordo com a presente divulgação. Foi surpreendente observar que modalidades de ligas recozidas por laminação de acordo com a presente divulgação exibem resistências comparáveis às das ligas Ti-6Al-4V sem exibir ductilidade decrescente.

[0032]Algumas modalidades não limitativas de ligas alfa / beta de acordo com a presente divulgação tendo um valor de equivalente de alumínio (Aleq) de pelo menos 6,3, ou mais, preferivelmente pelo menos 6,4, foram observadas como exibindo resistência pelo menos comparável à resistência de ligas Ti-6Al-4V. Tais ligas também foram observadas como exibindo ductilidade superior às ligas Ti-6Al-4V, que tipicamente têm um valor de equivalente de alumínio de cerca de 7,5. Como usado aqui, “valor de equivalente de alumínio” ou “equivalente de alumínio” (Aleq), significa um valor igual à concentração em percentagem em peso de alumínio em uma liga mais de dez vezes a concentração de oxigênio em percentual em peso da liga. Em outras palavras, o equivalente de alumínio de pode ser determinado da se

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12/21 guinte forma: Aleq = Al(% em peso) + 10 (O(% em peso)).

[0033]Embora seja reconhecido que as propriedades mecânicas de ligas de titânio são geralmente influenciadas pelo tamanho da amostra sendo testada, em modalidades não limitativas de acordo com a presente descrição uma liga de titânio alfa / beta compreende um valor de equivalente de alumínio de pelo menos 6,4, ou seja, em certas modalidades dentro da faixa de 6,4 a 7,2, e uma resistência à ruptura de pelo menos 120 ksi (827,4 MPa), ou em certa modalidade é de pelo menos 130 ksi (896,3 MPa).

[0034]Em outras modalidades não limitativas de acordo com a presente divulgação, uma liga de titânio alfa / beta compreende um valor de equivalente de alumínio de pelo menos 6,4 ou, em certas modalidades está em uma faixa de 6,4 a

7,2, e uma resistência à ruptura na faixa de 120 ksi (827,4 MPa) a 155 ksi (1,069 MPa).

[0035]Em ainda outras modalidades não limitativas, uma liga de titânio alfa / beta de acordo com a presente divulgação compreende um valor de equivalente de alumínio de pelo menos 6,4 ou, em certas modalidades está em uma faixa de 6,4 a

7,2, e uma resistência à tração extrema de pelo menos 130 ksi (896,3 MPa) ou, em certas modalidades, é de pelo menos 140 ksi (965,3 MPa).

[0036]Em outras modalidades não limitativas de acordo com a presente divulgação, uma liga de titânio alfa / beta de acordo com a presente divulgação compreende um valor de equivalente de alumínio de pelo menos 6,4 ou, em certas modalidades, está em uma faixa de 6,4 a 7,2, e uma resistência à tração extrema na faixa de 130 ksi (896,3MPa) a 165 ksi (1.138 MPa).

[0037]Em ainda mais modalidades não limitativas, uma liga de titânio alfa / beta de acordo com a presente divulgação compreende um valor de equivalente de alumínio de pelo menos 6,4 ou, em certas modalidades está em uma faixa de 6,4 a

7,2, e uma ductilidade de menos pelo menos 12% ou pelo menos 16% (alongamento

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13/21 percentual).

[0038]Em ainda mais modalidades não limitativas, uma liga de titânio alfa / beta de acordo com a presente divulgação compreende um valor de equivalente de alumínio de pelo menos 6,4 ou, em certas modalidades, está em uma faixa de 6,4 a

7,2, e uma ductilidade na faixa de 12% a 30% (alongamento percentual ou “% el”).

[0039]Embora de acordo com certas modalidades não limitativas da presente divulgação 6,3 seja o valor mínimo absoluto para Aleq, os inventores determinaram que um valor Aleq de pelo menos 6,4 é necessário para conseguir a mesma resistência que a exibida pela liga Ti-6Al-4V. É também reconhecido que, em outras modalidades não limitativas de uma liga de titânio alfa / beta de acordo com esta divulgação, o valor máximo para Aleq é de 7,5 e que a relação de resistência para ductilidade de acordo com outras modalidades não limitativas aqui divulgadas se aplica.

[0040]De acordo com uma modalidade não limitativa, de uma liga de titânio alfa / beta de acordo com a presente divulgação compreende um valor de equivalente de alumínio de pelo menos 6,4, uma resistência à ruptura de pelo menos 120 ksi (827,4 MPa), uma resistência à tração extrema de pelo menos 130 ksi (896,3 MPa) e uma ductilidade de pelo menos 12% (alongamento percentual).

[0041]De acordo com outra modalidade não limitativa, uma liga de titânio alfa / beta de acordo com a presente divulgação compreende um valor de equivalente de alumínio de pelo menos 6,4, uma resistência à ruptura de pelo menos 130 ksi (896,3 MPa), uma resistência à tração extrema de pelo menos 140 ksi (965,3 MPa), e uma ductilidade de, pelo menos, 12%.

[0042]Em ainda outra modalidade não limitativa, uma liga de titânio alfa / beta de acordo com a presente divulgação compreende um valor de equivalente de alumínio na faixa de 6,4 a 7,2, uma resistência à ruptura na faixa de 120 ksi (827,4 MPa) a 155 ksi (1.069 MPa), uma resistência à tração extrema na faixa de 130 ksi (896.3MPa) a 165 ksi (1.138 MPa) e uma ductilidade na faixa de 12% a 30% (alon

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14/21 gamento percentual).

[0043]Em uma modalidade não limitativa, uma liga de titânio alfa / beta de acordo com a presente divulgação apresenta uma resistência à tração extrema média (UTS) que satisfaz a equação:

[0044]Em outra modalidade não limitativa, uma liga de titânio alfa / beta de acordo com a presente divulgação apresenta uma resistência à ruptura média (YS) que satisfaz a equação:

[0045]Em ainda outra modalidade não limitativa, uma liga de titânio alfa / beta de acordo com a presente divulgação apresenta uma ductilidade média de:

[0046]Em ainda outra modalidade não limitativa, uma liga de titânio alfa / beta de acordo com a presente divulgação apresenta uma resistência à tração extrema média (UTS) que satisfaz a equação:

UTS > 14.767 (Al_eq) + 48.001;

uma resistência à ruptura média (YS) que satisfaz a equação:

YS > 13.338 (Al_eq) + 46.864;

e uma ductilidade média que satisfaz a equação:

%el> 3.3669 (Al_eq) - 1.9417.

[0047]Em uma modalidade não limitativa, uma liga de titânio alfa / beta de acordo com a presente divulgação apresenta uma resistência à tração extrema média (UTS) que satisfaz a equação:

[0048]Em outra modalidade não limitativa, uma liga de titânio alfa / beta de acordo com a presente divulgação apresenta uma resistência à ruptura média (YS) que satisfaz a equação:

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15/21

[0049]Em ainda outra modalidade não limitativa, uma liga de titânio alfa / beta de acordo com a presente divulgação apresenta uma ductilidade média de:

[0050]Em ainda outra modalidade não limitativa, uma liga de titânio alfa / beta de acordo com a presente divulgação apresenta uma resistência à tração extrema média (UTS) que satisfaz a equação:

UTS> 12.414 (Al_eq) + 64.429;

uma resistência à ruptura média (YS) que satisfaz a equação:

YS> 13.585 (Al_eq) + 44.904;

e uma ductilidade média que satisfaz a equação:

%el > 4.1993 (Al_eq) + 7.4409.

[0051]Em uma modalidade não limitativa, uma liga de titânio alfa / beta de acordo com a presente divulgação apresenta uma resistência à tração extrema média (UTS) que satisfaz a equação:

[0052]Em outra modalidade não limitativa, uma liga de titânio alfa / beta de acordo com a presente divulgação apresenta uma resistência à ruptura média (YS) que satisfaz a equação:

[0053]Em ainda outra modalidade não limitativa, uma liga de titânio alfa / beta de acordo com a presente divulgação apresenta uma ductilidade média de:

[0054]Em ainda outra modalidade não limitativa, uma liga de titânio alfa / beta de acordo com a presente divulgação apresenta uma resistência à tração extrema média (UTS) que satisfaz a equação.

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16/21 uma resistência à ruptura média (YS) que satisfaz a equação: YS > 13.911 (Aleq) + 39.435;

e uma ductilidade média em alongamento percentual (% el), que satisfaz a equação:

%el > 1.1979 (Al_eq) + 8.5604.

[0055]Foi determinado que modalidades não limitativas das ligas de titânio alfa / beta de acordo com a presente divulgação exibem resistência mecânica com parável ou superior, ductilidade mais alta e formabilidade melhorada em comparação com liga Ti-6Al-4V. Portanto, é possível a utilização de artigos formados de ligas de acordo com a presente divulgação como substitutos para artigos de liga Ti-6Al-4V na indústria aeroespacial, aeronáutica, naval, automotiva e outras aplicações. A alta resistência e ductilidade de modalidades de ligas de acordo com a presente divulga ção permitem a fabricação de certas formas de artigos laminados e acabados com tolerâncias elevadas e que não podem presentemente ser fabricados a partir de liga

Ti-6Al-4V.

[0056]Um aspecto da presente divulgação é dirigido a artigos de fabricação que compreendem e / ou são feitos a partir de uma liga de acordo com a presente divulgação. Certas modalidades não limitativas dos artigos de fabricação podem ser selecionadas a partir de um componente de motor de avião, um componente estrutu ral de aeronave, um componente de automóvel, um componente de dispositivo mé dico, um componente de equipamento esportivo, um componente de aplicações ma rítimas e um componente de equipamento de processamento químico. Outros arti gos de fabricação que podem compreender e / ou serem feitos de modalidades das ligas de titânio alfa / beta de acordo com a presente divulgação que são conhecidos agora ou no futuro para uma pessoa com conhecimentos correntes na técnica estão dentro do escopo das modalidades aqui reveladas. Artigos de fabricação compreen dendo e / ou feitos de ligas de acordo com a presente descrição por técnicas de for

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17/21 mação e outras técnicas de fabricação conhecidas agora ou no futuro por aqueles tendo habilidade normal na técnica.

[0057]Os exemplos a seguir destinam-se a descrever adicionalmente certas modalidades não limitativas, sem restringir o escopo da presente invenção. As pessoas que tenham conhecimentos normais na técnica apreciarão que variações dos exemplos seguintes, bem como outras modalidades que não sejam especificamente aqui descritas, são possíveis dentro do escopo da invenção, que é definido apenas pelas reivindicações.

EXEMPLO 1 [0058]Lingotes de liga de titânio alfa / beta tendo uma composição de acordo com a presente divulgação foram fundidos usando refusão de arco a vácuo convencional (VAR), fusão de arco de plasma (PAM), ou fusão de núcleo frio de feixe de elétrons (EB) para fusão primária, e foram refundidos usando VAR. As composições dos lingotes estavam dentro das faixas listadas na coluna “modalidades não limitativas de acordo com a presente divulgação” incluída na Tabela 1 acima.

[0059]As composições de lingotes produzidos neste Exemplo 1 tinham valores de equivalente de alumínio variando de cerca de 6,0 a cerca de 7,1. Os lingotes foram processados utilizando várias práticas de laminação a quente em barras e arames laminados a frio e arames com diâmetros entre 0,25 polegada (0,635 cm) e 3,25 polegadas (8,255 cm). Laminação a quente foi realizada a temperaturas de partida entre 1550°F (843,3°C) e 1650°F (898,9°C). Esta faixa de temperatura é inferior à temperatura transus alfa / beta das ligas deste exemplo, a qual é de cerca de 1750°F até cerca de 1850°F (cerca de 954,4°C a cerca de 1010°C), dependendo da química real. Após a laminação a quente, as barras e arames laminados a quente foram recozidos a 1275°F (690,6°C) durante uma hora, seguidos por resfriamento a ar. O diâmetro, a concentração de alumínio, a concentração de ferro, a concentração de oxigênio, e Aleq calculado, de cada uma das amostras de barras e arames produPetição 870190072454, de 29/07/2019, pág. 33/41

18/21 zidos no Exemplo 1 são apresentados na Tabela 2.

Tabela 2
Amostra No.	Diâmetro (pol))	Al (% peso)	Fe(% peso)	O (% peso)	Al_eq (Al%+10 0%)
1	3.25	4.07	1.56	0.25	6.53
2	3.25	4.10	1.77	0.19	5.96
3	3.25	4.27	1.90	0.19	6.13
					O C~7
<4	£	4.UO	1 .□<+	υ,ζυ	U.U 1
5	2	4.05	1.55	0.25	6.58
6	2	4.26	1.88	0.21	6.38
7	1	4.35	1.44	0.24	6.74
8	1	4.36	1.28	0.27	7.08
9	0.5	4.38	1.24	0.28	7.15
10	0.5	4.33	1.42	0.25	6.81
11	0.5	4.14	1.47	0.24	6.51
12	0.344	4.37	1.50	0.26	6.95
13	0.25	3.93	1.58	0.23	6.27
14	0.25	4.12	1.56	0.25	6.65
15	0.25	4.40	1.35	0.27	7.10
16	0.25	3.95	1.53	0.24	6.30
17	0.25	4.33	1.35	0.27	7.06

[0060]A Figura 1 mostra graficamente as resistências à tração finais à temperatura ambiente (UTS), resistências ao escoamento (YS) e alongamento percentual (% el) para as amostras de barras e arames listadas na Tabela 2 em função do valor de equivalente de alumínio da liga na amostra. A Figura 1 inclui também linhas de tendência através dos pontos de UTS, YS e %el determinados por regressão linear. É visto que tanto a resistência média quanto o alongamento percentual médio aumentam com Al_eq crescente. Esta relação é surpreendente e inesperada, uma vez que ela é contra a relação geralmente observada que resistência crescente é acompanhada por ductilidade decrescente.

[0061 ]Os mínimos de TÍ-6AI-4V típicos para UTS e YS são de 135 ksi (930,8 MPa) e 125 ksi (861 MPa 0,8), respectivamente. A YS para as amostras da invenção listadas na Tabela 2 foi de cerca de 125 ksi para uma amostra com Al_eq de cerca de

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6,0 até cerca de 141 ksi para uma amostra com Aleq de cerca de 7,1. Uma amostra tendo Aleq de cerca de 6,4 exibiu YS de cerca de 130 ksi (896,3 MPa). A UTS para as amostras da invenção listadas na Tabela 2 variou de cerca de 135 ksi para uma amostra com Aleq de cerca de 6,0 até cerca de 153 ksi para uma amostra com Aleq de cerca de 7,1 . Uma amostra tendo Aleq de cerca de 6,4 exibiu YS de cerca de 141 ksi (972 MPa).

EXEMPLO 2 [0062]Amostras de arames números 9 a 11 do Exemplo 1, tendo um diâmetro de 0,5 polegada (1,27 centímetros) e valores de equivalente de alumínio iguais a cerca de 6,5, cerca de 6,8 e cerca de 7,15, foram testadas à tração à temperatura ambiente. Os resultados dos testes de tração são apresentados graficamente na Figura 2. Todas estas amostras exibiram resistências à tração e ao escoamento que são comparáveis ou superiores às resistências exibidas pela liga Ti-6Al-4V comercial. Como com a Figura 1, vê-se a partir da Figura 2, que Aleq crescente resulta em resistência elevada juntamente com um aumento do alongamento percentual médio. Como discutido acima, esta tendência é surpreendente e inesperada, porque ela é contrária à relação geralmente observada que resistência crescente é acompanhada por ductilidade decrescente. Há menos dispersão nos dados da Figura 2, que são representativos de testes realizados em amostras do mesmo tamanho, em comparação com a Figura 1, que é representativa de testes feitos em amostras de tamanhos diferentes, porque as propriedades mecânicas são influenciadas em certo grau pelo tamanho da amostra de teste.

EXEMPLO 3 [0063]Amostras de placa laminada a quente de 1 polegada (2,54 cm) de espessura foram fabricadas a partir de lingotes fabricados de acordo com as etapas descritas no Exemplo 1. Os lingotes de ligas tinham composições dentro das faixas listadas na coluna “modalidades não limitativas de acordo coma presente divulga

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20/21 ção” na Tabela 1 acima, com concentrações de alumínio e oxigênio e valores de equivalentes de alumínio como listados na Tabela 3.

Tabela 3
Amostra No.	Diâmetro (pol))	Al (% peso)	Fe(% peso)	O (% peso)	Al_eq (Al%+10-0%)
18	1	4.08	1.53	0.24	6.43
19	1	4.13	1.44	0.24	6.48
20	1	4.22	1.49	0.29	7.12
21	1	4.25	1.40	0.28	7.05
22	1	4.21	1.38	0.29	7.08

[0064]Todas as temperaturas de laminação a quente estavam abaixo das temperaturas transus alfa / beta das ligas. As ligas tinham valores de Aleq de cerca de 6,5 a cerca de 7,1. Os testes de tração à temperatura ambiente foram utilizados para determinar a resistência à tração, resistência à ruptura e alongamento percentual (ductilidade). Os resultados de testes de tensão são mostrados graficamente na Figura 3. Vê-se a partir da Figura 3 que as ligas incluindo níveis elevados de Al e O, como indicado por equivalentes de alumínio calculados, exibiram resistência à temperatura ambiente pelo menos comparáveis a níveis de resistência exibidos pela liga TÍ-6AI-4V. Além disso, a resistência foi observada como aumentando com o Aleq crescente. Além disso, a ductilidade média das ligas da invenção ou aumentaram ligeiramente ou permaneceram inalteradas em geral com Aleq crescente e resistência crescente. Esta tendência é surpreendente e inesperada, uma vez que ela é contra a relação geralmente observada que resistência crescente é acompanhada por ductilidade decrescente.

[0065]A presente divulgação foi escrita com referência a várias modalidades exemplares, ilustrativas e não limitativas. No entanto, será reconhecido por pessoas com conhecimentos correntes na técnica que várias substituições, modificações ou combinações de qualquer uma das modalidades divulgadas (ou porções das mes

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21/21 mas) podem ser feitas sem sair do escopo da invenção tal como definido apenas pelas reivindicações. Assim, contempla-se e entende-se que a presente divulgação engloba modalidades adicionais que não estão expressamente aqui estabelecidas. Tais modalidades podem ser obtidas, por exemplo, através da combinação e / ou da modificação de qualquer das etapas descritas, dos ingredientes, dos constituintes, dos componentes, dos elementos, das características, dos aspectos, e similares, das modalidades aqui descritas. Assim, esta divulgação não é limitada pela descrição das diversas modalidades exemplares, ilustrativas e não limitativas, mas sim apenas pelas reivindicações. Deste modo, deverá ser entendido que as reivindicações podem ser alteradas durante o andamento do pedido de patente para adicionar recursos à invenção reivindicada como descrita aqui de forma variada.

Claims

1. Liga de titânio alfa / beta, CARACTERIZADA pelo fato de que consiste em, em percentagem em peso com base no peso total da liga:

4,05 a 4,40 de alumínio;

2,2 a 3,0 de vanádio;

1,24 a 1,56 de ferro;

0,24 a 0,28 de oxigênio;

até o máximo de 0,08 de carbono;

até o máximo de 0,05 de nitrogênio;

até o máximo de 0,015 de hidrogênio;

até um total de 0,30 de outros elementos, incluindo pelo menos um de boro, estanho, zircônio, molibdênio, cromo, níquel, silício, cobre, nióbio, tântalo, manganês, ítrio e cobalto; e o equilíbrio de titânio e impurezas acidentais;

em que a concentração de cada um de boro e ítrio, se presente, é menor do que 0,005;

em que a concentração de cada um de estanho, zircônio, molibdênio, cromo, níquel, silício, cobre, nióbio, tântalo, manganês e cobalto, se presente, é não maior que 0,10; e em que a liga compreende um valor equivalente de alumínio de pelo menos 6,8, apresenta uma resistência à ruptura de pelo menos 141 ksi (972 MPa), apresenta uma resistência à tração extrema de pelo menos 142 ksi (979,1 MPa) e apresenta uma ductilidade de pelo menos 20 por cento de alongamento.

2. Liga de titânio alfa / beta, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que a liga compreende um valor equivalente de alumínio na faixa de 6,8 a 7,2, e apresenta uma resistência à ruptura na faixa de 141 ksi (972 MPa) a 155 ksi (1.069 MPa).

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3. Liga de titânio alfa / beta, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que a liga compreende um valor equivalente de alumínio na faixa de 6,8 a 7,2, e apresenta uma resistência à tração extrema na faixa de 142 ksi (979,1 MPa) a 165 ksi (1.138 MPa).

4. Liga de titânio alfa / beta, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que a liga compreende um valor equivalente de alumínio na faixa de 6,8 a 7,2, e apresenta uma ductilidade na faixa de 20 a 30 por cento de alongamento.

5. Liga de titânio alfa / beta, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que a liga compreende um valor equivalente de alumínio na faixa de 6,8 a 7,2, apresenta uma resistência à ruptura na faixa de 141 ksi (972 MPa) a 143,1 ksi (986,6 MPa), apresenta uma resistência à tração extrema na faixa de 142,3 ksi (981,1 MPa) a 154,6 ksi (1.066 MPa), e apresenta uma ductilidade na faixa de 20 até 22 por cento de alongamento.

6. Liga de titânio alfa/beta, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que uma resistência à tração extrema média (UTS) em unidades de ksi da liga de titânio alfa/beta satisfaz a equação:

UTS > 14,767 (Aleq) + 48,001, com um desvio padrão de 0,6213;

em que uma resistência à ruptura média (YS) em unidades de ksi da liga de titânio alfa/beta satisfaz a equação:

YS > 13,338 (Aleq) + 46,864; com um desvio padrão de 0,4519; e em que uma ductilidade média medida em porcentagem de alongamento da liga de titânio alfa/beta satisfaz a equação:

%el > 3,3669 (Aleq) - 1,9417, com um desvio padrão de 0,1746;

em que Aleq = alumínio em porcentagem em peso + 10 (oxigênio) em porcentagem em peso.

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7. Liga de titânio alfa/beta, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que uma resistência à tração extrema média (UTS) em unidades de ksi da liga de titânio alfa/beta satisfaz a equação:

UTS > 12,414 (Aleq) + 64,429, com um desvio padrão de 0,9576;

YS > 13,585 (Aleq) + 44,904; com um desvio padrão de 0,8138; e em que uma ductilidade média medida em porcentagem de alongamento da liga de titânio alfa/beta satisfaz a equação:

%el > 4,1993 (Aleq) - 7,4409, com um desvio padrão de 0,1731;