CN102953024A - 高强度-高刚度β钛合金的制备方法 - Google Patents

高强度-高刚度β钛合金的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种制备高强度、高刚度β钛合金的方法，包括：将硼引入β钛合金以产生TiB沉淀物；在所述合金的β转变温度以上通过均化作用加热用TiB沉淀物处理的所述钛合金；在所述β转变温度以下将所述热处理的合金进行一种金属热加工操作；在所述β转变温度以下加热用一种处理溶液处理的所述加工的合金；及在所述β转变温度以下对所述溶液处理的合金进行时效处理。

Description

高强度-高刚度β钛合金的制备方法
技术领域
本发明涉及一种改善β（BETA）钛合金机械性能的方法，尤其涉及一种在不影响韧性的情况下提高Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr（Ti-5553）合金的强度及刚度的方法。
背景技术
β钛合金因其更高的比强度（specific strength）（强度与密度之比）而具有改善的工作性能，其能降低重量。这些合金在航空航天工业中有应用，例如可应用于起落架组件、直升机旋翼系统等机构中（参见由R.R.Boyer与R.D.Briggs所著发表在材料、工程与工作性能杂志2005年第14（6）册第681-685页中的β钛合金在航空航天工业中的应用的文章）。在这些应用中，钛合金取代了像高强度低合金钢与4340M钢等钢材，因其具有优越的耐腐蚀性而降低了维护费用，且可降低重量。近来所述合金Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr（Ti-5553）（所有成分均以重量百分比表示）作为替代更成熟的合金Ti-10V-2Fe-3Cr的一种选择受到越来越多的关注。Ti-5553合金具有改善的加工性能、对尺寸高达6英寸的部分进行热处理的能力及更优的强度-韧性-硬度的组合性能。Ti-5553在热处理的条件下的典型目标属性是极限抗拉强度为180ksi，延伸率为5%，及拉伸弹性模量为16.2Msi。β钛合金在强度与刚度方面的改善的有益效果是提高加工性能及进一步的降低重量。
因此，在不影响延伸率的情况下提高β钛合金机械性能的新的一种改善方法是有需求的。而本发明的该种方法满足了该需求。
发明内容
根据本发明新的改善方法，硼化钛（TiB）沉淀物被掺入像Ti-5553的β钛合金，相比于基线合金，所述β钛合金通过均化作用、热加工及最终热处理等加工工序获得在机械性能上的改善。通过合适的方法将硼引入所述钛合金的成分从而产生TiB沉淀物，例如通过预合金粉末冶金技术。如图解示例，本发明的方法可用来提高通过气体雾化预合金粉末方法制备的Ti-5553合金的机械性能。
附图说明
图1是一种根据本发明通过预合金粉末冶金方法制备高强度-高刚度Ti-5553合金的流程图；及
图2是在不同均化作用温度与无均化作用情况下加强的Ti-5553合金的抗拉屈服强度（TYS）、极限抗拉强度（UTS）与延伸率（TE）的曲线图。在于1100℉时效处理6小时后，所有样品通过在1500℉处理的溶液做最终热处理一个小时。
具体实施方式
下面将描述一种提高像Ti-5553的多组分β钛合金的机械性能的新的改善方法。
在此披露、描述的方法包含四个关键要素：
1.将TiB沉淀物掺入β钛合金基质中；
2.在所述β转变温度以上进行均化作用热处理；
3.在所述β转变温度以下进行热加工；及
4.在所述β转变温度以下进行最终热处理。
可用几个不同的方法完成将硼引入所述钛合金组分以产生TiB沉淀物的过程，例如可用铸造、铸锻加工、像气体雾化法或元素混合法等粉末冶金技术。在所述β转变温度（在该温度完成由α相到β相的转变）以上进行的均化作用热处理产生具有良好强度-伸长率组合的平衡微细组织（equilibriummicrostructure）。在所述β转变温度以下进行的像锻造、滚压与挤压等通常的金属热加工操作能用来产生细晶组织。最终热处理包括溶液处理以使所需量的粗α板部分在经过时效处理而使细α小板沉淀后产生沉淀，这两个沉淀过程均在所述β转变温度以下进行，所述热处理提供了在成品中所需的强度-伸长率组合。溶液处理一般为本领域技术人员所熟知（参见G.Lutjering与J.C.Williams在Springer的2007年第二版的第289页的文章<<钛>>）。
本方法被如图1所示的一种雾化粉末冶金工艺流程图所实践。将所述硼加入到熔化的钛合金中后使该熔融物在惰性气体中雾化以获得钛合金粉末。每个粉末颗粒均包含均匀分布且随机取向地针状的TiB沉淀物。钛合金粉末使用一般技术被固化，例如使用在1475℉与15ksi的条件下3个小时的热等静压法（HIP）获得完全致密的粉末压坯。所述合金的β转变温度被确定为1580℉。所述粉末压坯在1900-2200℉的温度范围被均化作用以从所述钛晶格中逼出饱和的硼，从而产生平衡微细组织。然后在所述β转变温度以下将所述热处理压坯进行例如锻造、滚压或挤压等的金属加工操作。一种Ti-5553-1B的物品由一种直径为3”的粉末压坯在1500℉下以约120英寸/分钟的冲压速度被挤压成为一种直径为0.75”的棒，该棒作为一种样品。在所述β转变温度以下挤压棒通过在1500℉下使用溶液处理1小时然后以约200℉/分钟的冷却速率被气炉冷却到室温，再加上在1100℉进行时效处理6个小时后在空气中冷却到室温的组合进行热处理。
根据本发明的所述方法，对于一种给出的硼的加强作用，通过一系列的实验便可确定均化作用与时效处理对于获得改善机械性能的组合是关键的步骤。图2示出均化作用热处理对挤压的Ti-5553-1B的室温拉伸性能的影响。在本研究中所述热加工的温度（1500℉）、溶液处理（1500℉/1小时）及时效处理（1100℉/6小时）均保持一致。未经均化作用的所述合金显示出高强度（极限抗拉强度为230ksi），但其延伸率很差（2%）。热加工之前在1900-2200℉的温度范围进行2-4小时的均化作用在保持高抗拉强度的情况下能显著改善延伸率（8%或更高）。所述抗拉强度可提高高达50ksi，或相比于Ti-5553的典型强度可得到28%的改善（参见由J.C.Fanning所著发表在材料、工程与工作性能杂志2005年第14（6）册第788-791页中的TIMETAL55的工作性能的文章）。Ti-5553-1B的拉伸模量为19Msi，相比于基线Ti-5553的16.2Msi其有17％的提高。
下面的表格1显示时效处理对挤压的Ti-5553-1B在不同均化作用温度的室温拉伸性能的影响。在本研究中所述热加工的温度（1500℉）、溶液处理（1500℉/1小时）及时效处理时间（6小时）均保持一致。经过时效处理，相比于无后热处理的情况在不影响延伸率的情况下抗拉强度提高50-60ksi，拉伸模量提高4-5Msi。如表1所示，通过选择合适的均化作用温度与时效处理温度能获得优化的强度-模量-韧性的组合。
表1：在不同温度均化作用的Ti-5553-1B合金的拉伸性能与包含或不包含最终溶液处理加时效处理的热处理的测试。使用了1500℉下1小时的溶液处理。（TYS:抗拉屈服强度，UTS:极限抗拉强度，TE：延伸率，RA：面积减量，TM：拉伸模量）。
虽然本发明所描述的为有关当今被认为最实际且最优的实施例，但应可理解本发明不是对所披露实施例的限制，恰恰相反，本发明应覆盖包括在从属权利要求范围及精神内的各种修改与等同方案。

Claims (16)

1.一种制备高强度、高刚度β钛合金的方法，包括：
将硼引入β钛合金以产生TiB沉淀物；
在所述合金的β转变温度以上通过均化作用热处理带有TiB沉淀物的所述钛合金；
在所述β转变温度以下将所述热处理的合金进行一种金属热加工操作；
在所述β转变温度以下用一种处理溶液热处理所述加工的合金；及
在所述β转变温度以下对所述溶液处理的合金进行时效处理。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述TiB沉淀物在所述合金中通过铸造、铸锻加工、粉末冶金技术而生成，所述粉末冶金技术例如为气体雾化法或元素混合法。
3.根据权利要求2所述的方法，其中将所述硼加入到熔化的钛合金中后使该熔融物雾化以获得含有TiB沉淀物的钛合金粉末，之后将所述钛合金粉末固化以获得一种完全致密的粉末压坯。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述钛合金粉末是通过热等静压法被固化。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述合金的β转变温度为约1580℉，且该合金在约1900-2200℉的温度范围通过均化作用被热处理2-4小时。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述金属热加工为在约1500℉的温度下的锻造、滚压或挤压。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述热处理合金以约120英寸/分钟的冲压速度被挤压。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述热处理合金从一种粉末压坯被挤压成一种棒。
9.根据权利要求5所述的方法，其中所述被加工的合金在约1500℉下被一种处理溶液热处理约1个小时，然后被冷却至室温。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述被热处理及被加工的合金以约200℉/分钟的冷却速率被气炉冷却到室温。
11.根据权利要求9所述的方法，其中被所述溶液处理的合金在约1100℉下被时效处理约6个小时。
12.根据权利要求11所述的方法，其中被时效处理的合金在空气中被冷却到室温。
13.根据权利要求1所述的方法，其中通过均化作用对所述钛合金的热处理在保持所述钛合金抗拉强度的情况下改善了所述延伸率。
14.根据权利要求1所述的方法，其中对所述溶液处理的合金的时效处理在没有降低其延伸率的情况下提高了所述抗拉强度与拉伸模量。
15.根据权利要求1所述的方法，其中所述钛合金为Ti-5553。
16.根据权利要求5所述的方法，其中所述钛合金为Ti-5553。
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