CN107109541B - 钛合金 - Google Patents

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Abstract

一种α‑β钛合金，按重量百分比计，包含：在2.0至10.0范围内的铝当量；在0至20.0范围内的钼当量；0.3至5.0的钴；和钛。在某些实施方案中，所述α‑β钛合金表现出至少25％的冷加工压缩延性限度，至少130KSI(896.3MPa)的屈服强度及至少10％的伸长率。一种形成包括所述含钴α‑β钛合金的制品的方法包括冷加工所述含钴α‑β钛合金至横截面积减小至少25％。所述含钴α‑β钛合金在冷加工期间未表现出实质性破裂。

Description

钛合金
技术背景
技术领域
本公开涉及高强度α-β钛合金。
技术背景描述
钛合金通常表现出高的强度重量比，抗腐蚀并且在适度高温下抗蠕变。出于这些原因，钛合金被用于航天、航空、国防、船舶和汽车应用，例如起落架构件、发动机机架、弹道装甲、船体和机械紧固件。
降低飞机或其它机动车辆的重量可节省燃料。因此，例如，在航天业上存在减轻飞机重量的强大驱动力。钛和钛合金，由于其高的强度重量比，是有吸引力的用于在飞机应用中实现重量减轻的材料。航天应用中使用的大多数钛合金部件由Ti-6Al-4V合金(ASTM 5级；UNS R56400；AMS 4928、AMS 4911)制成，其为α-β钛合金。
Ti-6Al-4V合金是最常见的钛基制造材料之一，估计占钛基材料总市场的50％以上。Ti-6Al-4V合金用于许多应用中，这些应用受益于合金在低至中等温度下轻质、抗腐蚀和高强度的有利组合。例如，Ti-6Al-4V合金用于生产飞机发动机部件、飞机结构部件、紧固件、高性能汽车部件、医疗装置、运动设备的部件、海洋应用部件和化学加工设备部件。
延性是任何给定金属材料(即，金属和金属合金)的性质。金属材料的冷成形性多少基于近室温延性和材料变形而不破裂的能力。高强度α-β钛合金，例如Ti-6Al-4V合金，通常在室温或近室温下具有较低的冷成形性。这限制了它们对低温加工的接受度，例如冷轧，因为这些合金在低温下加工时易于破裂和断裂。因此，由于其在室温或近室温下的冷成形性有限，所以α-β钛合金通常通过涉及热加工的技术来进行加工。
表现出室温延性的钛合金通常也表现出相对低的强度。其结果是，高强度合金通常成本更高并且由于磨削裕量而具有减小的厚度控制。这个问题源于在几百摄氏度以下的温度下这些较高强度的β合金中的密排六方(HCP)晶体结构的变形。
HCP晶体结构对许多工程材料是常见的，包括镁、钛、锆和钴合金。HCP晶体结构具有ABABAB堆积顺序，而其它金属合金，如不锈钢、黄铜、镍和铝合金，通常具有带ABCABCABC堆积顺序的面心立方体(FCC)晶体结构。由于这种堆积顺序的差异，相对于FCC材料，HCP金属和合金数学上可能的独立滑移系统数量明显减少。HCP金属和合金中的许多独立滑移系统需要明显更高的应力来激活，而这些“高阻力”变形模式仅在极少数情况下被激活。这种影响是温度敏感的，使得低于几百摄氏度的温度，钛合金具有显著较低的可锻性。
结合HCP材料中存在的滑移系统，许多孪晶系统在非合金HCP金属中是可能的。滑移系统和孪晶系统在钛中的组合使得足够的独立变形模式成为可能，使得“工业纯的”(CP)钛可以在接近室温的温度下(即，在-100℃至+200℃的近似温度范围内)冷加工。
钛和其它HCP金属及合金中的合金效应往往会增加“高阻力”滑移模式的不对称性或难度，并抑制孪晶系统激活。结果是合金诸如Ti-6Al-4V合金和Ti-6Al-2-Sn-4Zr-2Mo-0.1Si合金中的冷加工能力的宏观性丧失。Ti-6Al-4V和Ti-6Al-2-Sn-4Zr-2Mo-0.1S合金由于其α相的浓度高且合金元素的水平高，表现出相对高的强度。具体而言，已知铝在室温和高温下都能增加钛合金的强度。然而，也已知铝会对室温加工能力产生不利影响。
一般而言，就能量消耗和加工期间产生的废料量而言，可以更有效地制造出表现出冷变形能力的合金。因此，通常，配制可以在相对低的温度下加工的合金是有利的。
一些已知的钛合金通过包括高浓度的β相稳定合金化添加物来提供更高的室温加工能力。此类合金的实例包括βC钛合金(Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr；UNS R58649)，其可呈如
Figure BDA0001342971930000031
38-644TMβ钛合金的形式从Allegheny Technologies Incorporated,Pittsburgh,Pennsylvania USA购买获得。该合金和类似配制的合金通过减少和或消除微观结构中的α相来提供有利的冷加工能力。通常，这些合金可以在低温老化处理期间使α相沉淀。
尽管它们具有有利的冷加工能力，但是一般而言，β钛合金有两个缺点：合金添加物昂贵且高温蠕变强度差。高温蠕变强度差是这些合金在高温例如500℃下表现出显著浓度的β相的结果。β相由于其体心立方结构而不能很好地抵抗蠕变，这提供了大量的变形机制。还已知由于合金相对较低的弹性模量，这允许更显著的回弹，所以加工β钛合金会很困难。由于这些缺陷，β钛合金的使用受到限制。
如果现有的钛合金在冷加工期间更耐破裂，则成本较低的钛产品将是可能的。因为α-β钛合金代表生产的所有合金钛的大部分，所以如果保持这种类型的合金，则可以通过体积尺寸进一步降低成本。因此，要研究的令人感有趣的合金是高强度、可冷变形的α-β钛合金。最近开发了这种合金类别中的几种合金。例如，在过去15年里，开发了Ti-4Al-2.5V合金(UNS R54250)、Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe合金、Ti-5Al-4V-0.7Mo-0.5Fe合金和Ti-3Al-5Mo-5V-3Cr-0.4Fe合金。这些合金中的许多以昂贵的合金添加物，例如V和/或Mo为特色。
Ti-6Al-4Vα-β钛合金是航天业中使用的标准钛合金，并且就吨数而言它代表了所有合金钛的很大一部分。该合金在航天业中已知不可在室温下冷加工。较低氧含量等级的Ti-6Al-4V合金，命名为Ti-6Al-4V ELI(“超低间隙”)合金(UNS 56401)，通常表现出与较高氧等级相比提高的室温延性、韧性和可成形性。然而，随着氧含量的降低，Ti-6Al-4V合金的强度显著降低。本领域技术人员会认为添加氧气对冷成形能力有害而有利于Ti-6Al-4V合金的强度。
然而，尽管具有比标准级Ti-6Al-4V合金更高的氧含量，但已知Ti-4Al-2.5V-1.5Fe-0.25O合金(也称为Ti-4Al-2.5V合金)与Ti-6Al-4V合金相比在室温或接近室温下具有优异的成形能力。Ti-4Al-2.5V-1.5Fe-0.25O合金可作为ATI
Figure BDA0001342971930000041
钛合金从AlleghenyTechnologies Incorporated购买获得。美国专利第8,048,240、8,597,442和8,597,443号以及美国专利公开第2014-0060138A1号中讨论了ATI
Figure BDA0001342971930000042
合金有利的近室温成形能力，其各自据此通过引用整体并入本文。
另一种可冷变形的高强度α-β钛合金是Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe合金，也称为SP-700合金。与Ti-4Al-2.5V合金不同，SP-700合金含有较高成本的合金成分。与Ti-4Al-2.5V合金相似，由于β相含量增加，SP-700合金相对于Ti-6Al-4V合金具有降低的抗蠕变性。
Ti-3Al-5Mo-5V-3Cr合金也表现出良好的室温成形能力。然而，这种合金在室温下包括显著的β相含量，因此表现出较差的抗蠕变性。此外，它含有显著水平的昂贵合金成分，如钼和铬。
通常理解，与替代性合金添加物相比，钴基本上不影响大多数钛合金的机械强度和延性。已经描述的是，虽然钴添加物增加二元和三元钛合金的强度，但是钴添加物通常也比添加铁、钼或钒(典型的合金添加物)更剧烈地降低延性。已经证明，虽然在Ti-6Al-4V合金中添加钴可以提高强度和延性，但Ti3X型的金属间沉淀物可在老化期间形成并且对其它机械性能产生有害影响。
有利的是提供一种钛合金，其包括相对较低水平的昂贵合金添加物，表现出强度和延性的有利组合，并且不会产生显著的β相含量。
概述
根据本公开的一个非限制性方面，一种α-β钛合金，按重量百分比计，包含：在2.0至10.0范围内的铝当量；在0至20.0范围内的钼当量；0.3至5.0的钴；钛；和附带杂质。如本文所定义的铝当量是依据铝的当量百分比并且通过以下方程式计算，其中每个α相稳定剂元素的含量按重量百分比计：
[Al]当量＝[Al]+1/3[Sn]+1/6[Zr+Hf]+10[O+2N+C]+[Ga]+[Ge]。
如本文所定义的钼当量是依据钼的当量百分比并且通过以下方程式计算，其中每个β相稳定剂元素的含量按重量百分比计：
[Mo]当量＝[Mo]+2/3[V]+3[Mn+Fe+Ni+Cr+Cu+Be]+1/3[Ta+Nb+W]。
根据本公开的另一个非限制性方面，一种α-β钛合金，按重量百分比计，包含：2.0至7.0的铝；在2.0至5.0范围内的钼当量；0.3至4.0的钴；高达0.5的氧；高达0.25的氧；高达0.3的碳；高达0.4的附带杂质；和钛。钼当量由以下方程式提供：
[Mo]当量＝[Mo]+2/3[V]+3[Mn+Fe+Ni+Cr+Cu+Be]+1/3[Ta+Nb+W]。
本公开的另一非限制性方面涉及一种由α-β钛合金形成制品的方法。在一个非限制性实施方案中，形成α-β钛合金的方法包括冷加工金属形式至横截面积减小至少25％，其中所述金属形式在冷加工期间或之后未表现出实质性破裂。在一个非限制性实施方案中，所述金属形式包括α-β钛合金，其按重量百分比计，包含：在2.0至10.0范围内的铝当量；在0至20.0范围内的钼当量；0.3至5.0的钴；钛；和附带杂质。铝当量是依据铝的当量百分比并且通过以下方程式计算，其中每个α相稳定剂元素的含量按重量百分比计：
[Al]当量＝[Al]+1/3[Sn]+1/6[Zr+Hf]+10[O+2N+C]+[Ga]+[Ge]。
钼当量是依据钼的当量百分比并且通过以下方程式计算，其中每个β相稳定剂元素的含量按重量百分比计：
[Mo]当量＝[Mo]+2/3[V]+3[Mn+Fe+Ni+Cr+Cu+Be]+1/3[Ta+Nb+W]。
本公开的另一非限制性方面涉及一种由α-β钛合金形成制品的方法。在一个非限制性实施方案中，形成α-β钛合金包括提供按重量百分比计包含以下的α-β钛合金：2.0至7.0的铝；在2.0至5.0范围内的钼当量；0.3至4.0的钴；高达0.5的氧；高达0.25的氧；高达0.3的碳；高达0.2的附带杂质；和钛。所述方法还包括产生可冷加工的结构，其中所述材料易受横截面积冷压缩25％或更多。
应当理解，在本说明书中公开和描述的本发明不限于发明内容中总结的实施方案。
附图简述
通过参考附图可以更好地理解本说明书中公开和描述的非限制性和非全面性实施方案的各种特征和特性，其中：
图1是根据本公开的方法的一个非限制性实施方案的流程图；及
图2是根据本公开的方法的另一个非限制性实施方案的流程图。
描述
在考虑到以下对根据本公开的各种非限制性和非全面性实施方案的详细描述之后，读者将意识到前述细节以及其它细节。
在本说明书中描述和说明了各种实施方案，以提供对所公开的方法和产品的结构、功能、操作、制造和用途的全面了解。应当理解，在本说明书中描述和说明的各种实施方案是非限制性和非全面性的。因此，本发明不受本说明书中公开的各种非限制性和非全面性实施方案的描述的限制。相反，本发明仅由权利要求书限定。结合各种实施方案说明和/或描述的特征和特性可以与其它实施方案的特征和特性组合。此类修改和变化旨在被包括在本说明书的范围内。因此，可以将权利要求修改为叙述本说明书中明确或固有地描述或以其它方式明确或固有地支持的任何特征或特性。此外，申请人保留修改权利要求的权利，以肯定地放弃现有技术中可能存在的特征或特性。因此，任何此类修改都符合美国法典第35篇第112条第1段及美国法典第35篇第132条第(a)项的要求。在本说明书中公开和描述的各种实施方案可以包括，或由或基本上由本文中有多种描述的特征和特性组成。
除非另有说明，否则所提供的合金组成的所有百分比和比例都基于特定合金组成的总重量。
被称为是全部或部分通过引用并入本文的任何专利、出版物或其它公开材料仅在所并入的材料与本公开中提出的现有定义、声明或其它公开材料不冲突的情况下并入本文。因此，并且在必要的程度上，本文所提出的公开内容取代了通过引用并入本文的任何冲突的材料。被称为是通过引用并入本文但与本文提出的现有定义、声明或其它公开材料相冲突的任何材料或其部分仅在所并入的材料与现有公开材料之间不产生冲突的情况下并入。
在本说明书中，除另有说明外，所有数值参数应被理解为在所有情况下以术语“约”开始并修饰，其中数值参数具有用于测定参数数值的基础测量技术的固有可变特性。至少并非试图将等同原则的应用限于权利要求书的范围，本说明书中描述的每个数值参数应至少根据报告的有效数位的数量和应用一般的舍入技术来解释。
同样，本说明书中列举的任何数值范围旨在包括归入所列范围内的相同数值精度的所有子范围。例如，“1.0至10.0”的范围旨在包括介于(并包括)所列最小值1.0和所列最大值为10.0之间，即，具有等于或大于1.0的最小值和等于或小于10.0的最大值的所有子范围，例如2.4至7.6。本说明书中列举的任何最大数值限制旨在包括归入其中的所有数值下限，并且本说明书中列举的任何最小数值限制旨在包括归入其中的所有数值上限。因此，申请人保留修改本说明书(包括权利要求书)的权利，以明确地列举归入本文明确列举的范围内的任何子范围。旨在于本说明书中固有地描述任何此类范围，使得明确列举任何此类子范围的修改都将符合美国法典第35篇第112条第1段及美国法典第35篇第132条第(a)项的要求。
除非另有说明，否则本说明书中使用的语法冠词“一个”、“一”、“一种”和“所述(该)”旨在包括“至少一个”或“一个或多个”。因此，冠词在本说明书中用于指一个或一个以上(即，"至少一个")该冠词的语法对象。举例而言，“组分”是指一种或多种组分，并且因此可能预期多于一种组分，并且可以在所述实施方案的执行中采用或使用。进一步地，除非使用的上下文另有要求，否则单数名词的包括复数，而复数名词的使用包括单数。
如本文中所用，术语“坯料”是指已经通过锻造、辊轧或挤出热加工的通常具有大致为圆形或正方形的横截面的固体半成品。这种定义与，例如ASM Materials EngineeringDictionary,J.R.Davis编辑，ASM International(1992)，第40页中对“坯料”的定义一致。
如本文中所用，术语“棒”是指由坯料锻造、辊轧或挤出成通常具有对称的，大致为圆形、六边形、八边形、正方形或矩形横截面的形式的固体产品，具有尖锐或圆形边缘，并且其长度大于其横截面尺寸。这种定义与，例如ASM Materials Engineering Dictionary,J.R.Davis编辑，ASM International(1992)，第32页中对“棒”的定义一致。应当认识到，如本文中所用，术语“棒”可以指上述形式，不同之处在于该形式可以不具有对称的横截面，例如手轧棒的非对称横截面。
如本文中所用，短语“冷加工”是指在低于材料的流动应力显著减小的温度下加工金属(即，金属或金属合金)制品。冷加工的实例涉及在此类温度下使用选自以下的一种或多种技术加工金属制品：辊轧、锻造、挤出、皮尔格式轧管、摇动、拉伸、变薄旋压、液体压缩成形、气体压缩成形、液压成形、流动成形、挤胀成形、辊轧成形、冲压、精冲、模压、深冲压、压印、旋压、型锻、冲挤、爆炸成形、橡胶成形、反向挤出、穿孔、拉伸成形、压弯、电磁成形和冷镦。如本文中连同本发明所用，“冷加工”、“冷加工的”、“冷成形”等术语以及连同特定加工或成形技术使用的“冷”是指视情况而定，在不高于约1250℉(677℃)的温度下加工或已经加工的特性。在某些实施方案中，此类加工在不高于约1000℉(538℃)的温度下进行。在某些其它实施方案中，此类加工在不高于约575℉(300℃)的温度下进行。术语“加工”和“成形”通常在本文中可互换使用，如同术语“可加工性”和“可成形性”等术语一样。
如本文中所用，短语“延性限度”是指金属材料可承受压缩或塑性变形而不会发生断裂或破裂的限度或最大量。这种定义与，例如ASM Materials Engineering Dictionary,J.R.Davis编辑，ASM International(1992)，第131页中对“延性限度”的定义一致。如本文中所用，短语“压缩延性限度(reduction ductility limit)”是指金属材料在破裂或断裂之前可承受的压缩量或程度。
本文提到“包含”特定组合物的α-β钛合金旨在涵盖“基本上由”或“由”所述组合物组成的合金。应当理解，本文所述的“包含”、“由”或“基本上由”特定组合物组成的α-β钛合金组合物还可包括附带杂质。
本公开的非限制性方面涉及表现出优于Ti-6Al-4V合金的某些冷变形性质，但与Ti-6Al-4V合金相比不需要提供附加的β相或进一步限制氧含量的含钴α-β钛合金。与Ti-6Al-4V合金相比，本公开的合金的延性限度显著增加。
与目前对钛合金的氧添加降低合金成形性的理解相反，本文公开的含钴α-β钛合金具有比Ti-6Al-4V合金更高的成形性，同时包含比Ti-6Al-4V合金高66％的氧含量。本文公开的含钴α-β钛合金实施方案的组成范围使得合金使用的灵活性更大，而不增加与合金添加物相关的实质成本。虽然根据本公开的合金的各种实施方案在原材料成本方面可能比Ti-4Al-2.5V合金更贵，但是本文公开的含钴α-β钛合金的合金添加物成本可能低于某些其它可冷成形的α-β钛合金。
已经发现在本文公开的α-β钛合金中添加钴，在合金还包括低水平的铝时，会增加合金的延性。另外，已经发现向根据本公开的α-β钛合金中添加钴会增加合金强度。
根据本公开的一个非限制性实施方案，一种α-β钛合金，按重量百分比计，包含：在2.0至10.0范围内的铝当量；在0至20.0范围内的钼当量；0.3至5.0的钴；钛；和附带杂质。
在另一个非限制性实施方案中，α-β钛合金，按重量百分比计，包含在2.0至10.0范围内的铝当量；在0至10.0范围内的钼当量；0.3至5.0的钴；和钛。再一个非限制性实施方案中，α-β钛合金，按重量百分比计，包含在1.0至6.0范围内的铝当量；在0至10.0范围内的钼当量；0.3至5.0的钴；和钛。对于本文公开的每个实施方案而言，铝当量是依据铝的当量百分比并且通过以下方程式计算，其中每个α相稳定剂元素的含量按重量百分比计：
[Al]当量＝[Al]+1/3[Sn]+1/6[Zr+Hf]+10[O+2N+C]+[Ga]+[Ge]。
虽然已知钴是钛的β相稳定剂，但对于本文公开的所有实施方案而言，钼当量是依据钼的当量百分比并且在本文中通过以下方程式计算，其中每个β相稳定剂元素的含量按重量百分比计：
[Mo]当量＝[Mo]+2/3[V]+3[Mn+Fe+Ni+Cr+Cu+Be]+1/3[Ta+Nb+W]。
在根据本公开的某些非限制性实施方案中，本文公开的含钴α-β钛合金包括高于0至0.3总重量百分比的一种或多种晶粒细化添加剂。一种或多种晶粒细化添加剂可以是本领域中普通技术人员已知的任何晶粒细化添加剂，包括但不一定限于铈、镨、钕、钐、钆、钬、铒、铥、钇、钪、铍和硼。
在其它非限制性实施方案中，本文公开的任何含钴α-β钛合金还可包括高于0至0.5总重量百分比的一种或多种防蚀金属添加剂。所述防蚀添加剂可以是已知用于α-β钛合金中的任一种或多种防蚀添加剂。此类添加剂包括但不限于金、银、钯、铂、镍和铱。
在其它非限制性实施方案中，本文公开的任何含钴α-β钛合金，按重量百分比计，可包括以下的一种或多种：高于0至6.0的锡；高于0至0.6的硅；高于0至10的锆。据信添加在这些浓度范围内的这些元素不会影响合金中α相和β相的浓度比。
在根据本公开的α-β钛合金的某些非限制性实施方案中，α-β钛合金表现出至少130KSI(896.3MPa)的屈服强度和至少10％的伸长率。在其它非限制性实施方案中，α-β钛合金表现出至少150KSI(1034MPa)的屈服强度和至少16％的伸长率。
在根据本公开的α-β钛合金的某些非限制性实施方案中，α-β钛合金表现出至少20％的冷加工压缩延性限度。在其它非限制性实施方案中，α-β钛合金表现出至少25％或至少35％的冷加工压缩延性限度。
在根据本公开的α-β钛合金的某些非限制性实施方案中，α-β钛合金还包含铝。在一个非限制性实施方案中，α-β钛合金，按重量百分比计，包含：2.0至7.0的铝；在2.0至5.0范围内的钼当量；0.3至4.0的钴；高达0.5的氧；高达0.25的氧；高达0.3的碳；高达0.2的附带杂质；和钛。如本文所述测定钼当量。在某些非限制性实施方案中，本文包含铝的α-β钛合金，按重量百分比计，还包含以下的一种或多种：高于0至6的锡；高于0至0.6的硅；高于0至10的锆；高于0至0.3的钯；和高于0至0.5的硼。
在根据本公开的包含铝的α-β钛合金的某些非限制性实施方案中，该合金还可包括高于0至0.3总重量百分比的一种或多种晶粒细化添加剂。所述一种或多种晶粒细化添加剂可以是，例如晶粒细化添加剂铈、镨、钕、钐、钆、钬、铒、铥、钇、钪、铍和硼中的任一种。
在根据本公开的包含铝的α-β钛合金的某些非限制性实施方案中，该合金还可包括高于0至0.5总重量百分比的本领域普通技术人员已知的一种或多种耐蚀添加剂，包括但不一定限于金、银、钯、铂、镍和铱。
本文公开的包含钴和铝的α-β钛合金的某些非限制性实施方案表现出至少130KSI(896MPa)的屈服强度和至少10％的伸长率。本文公开的包含钴和铝的α-β钛合金的其它非限制性实施方案表现出至少150KSI(1034MPa)的屈服强度和至少16％的伸长率。
本文公开的包含钴和铝的α-β钛合金的某些非限制性实施方案表现出至少25％的冷加工压缩延性限度。本文公开的包含钴和铝的α-β钛合金的其它非限制性实施方案表现出至少35％的冷加工压缩延性限度。
参考图1，本公开的另一方面涉及一种由包括根据本公开的α-β钛合金的金属形式形成制品的方法100。该方法100包括冷加工102金属形式至横截面积减小至少25％。所述金属形式包括本文公开的任何α-β钛合金。冷加工102期间，根据本公开的一个方面，所述金属形式未表现出实质性破裂。术语“实质性破裂”在本文中定义为形成超过大约0.5英寸的裂纹。在根据本公开形成制品的方法的另一个非限制性实施方案中，包括如本文所公开的α-β钛合金的金属形式经冷加工102至横截面积减小至少35％。冷加工102期间，所述金属形式未表现出实质性破裂。
在一个特定实施方案中，冷加工102所述金属形式包括冷轧所述金属形式。
在根据本公开的方法的一个非限制性实施方案中，在低于1250℉(676.7℃)的温度下冷加工102所述金属形式。在根据本公开的方法的另一个非限制性实施方案中，在低于392℉(200℃)的温度下冷加工102所述金属形式。在根据本公开的方法的另一个非限制性实施方案中，在不高于575℉(300℃)的温度下冷加工102所述金属形式。在根据本公开的方法的再一个非限制性实施方案中，在-100℃至200℃范围的温度下冷加工102所述金属形式。
在根据本公开的方法的一个非限制性实施方案中，在中间退火(未示出)间期冷加工102所述金属形式至减小至少25％或至少35％。金属形式可在中间多个冷加工步骤间期在低于合金的β转变温度的温度下退火，以便减轻内应力并将边缘破裂的可能性降到最低。在一个非限制性实施方案中，退火步骤(未示出)中间冷加工步骤102可包括使金属形式在Tβ-20℃和Tβ-300℃范围的温度下退火5分钟至2小时。本公开的合金的Tβ通常介于900℃和1100℃之间。本公开的任何特定合金的Tβ可以由本领域的普通技术人员使用常规技术测定，无需过度实验。
在冷加工102所述金属形式的步骤之后，在本方法的某些非限制性实施方案中，可将金属形式轧制退火(未示出)以获得合金的所需强度和延性及α-β微观结构。在一个非限制性实施方案中，轧制退火可包括将所述金属形式加热到在600℃至930℃范围内的温度并保持5分钟至2小时。
根据本文公开的方法的各种实施方案加工的金属形式可选自任何轧制产品或轧制半成品。轧制产品或轧制半成品可选自锭、坯料、初轧坯、棒、梁、板坯、杆、金属丝、金属板、薄板、挤出物和铸件。
本文公开的方法的非限制性实施方案还包括在冷加工102所述金属形式之前，热加工(未示出)所述金属形式。本领域技术人员理解，热加工涉及在高于包括所述金属形式的合金的再结晶温度的温度下使金属形式塑性变形。在某些非限制性实施方案中，金属形式可以在α-β钛合金的β相区内的温度下热加工。在一个特定非限制性实施方案中，将所述金属形式加热到至少Tβ+30℃的温度，并热加工。在某些非限制性实施方案中，金属形式可以在钛合金的β相区内的温度下热加工至减小至少20％。在某些非限制性实施方案中，在β相区内热加工所述金属形式之后，可按至少比得上空气冷却的速率将所述金属形式冷却至环境温度。
在β相区内热加工之后，在根据本公开的方法的各种非限制性实施方案中，所述金属形式可在α-β相区内的温度下进一步热加工。在α-β相区内热加工可包括将所述金属形式重新加热到在α-β相区内的温度。可选地，在β相区内加工所述金属形式之后，可将所述金属形式冷却到在α-β相区内的温度，然后进一步热加工。在一个非限制性实施方案中，在α-β相区内的热加工温度是在Tβ-300℃至Tβ-20℃的范围内。在一个非限制性实施方案中，在α-β相区内热加工所述金属形式至减小至少30％。在一个非限制性实施方案中，在α-β相区内热加工之后，可按至少比得上空气冷却的速率将所述金属形式冷却至环境温度。冷却后，在一个非限制性实施方案中，所述金属形式可在Tβ-20℃至Tβ-300℃范围内的温度下退火5分钟至2小时。
现参考图2，本公开的另一个非限制性方面涉及由α-β钛合金形成制品的方法200，其中所述方法包括提供202按重量百分比计包含以下的α-β钛合金：2.0至7.0的铝；在2.0至5.0范围内的钼当量；0.3至4.0的钴；高达0.5的氧；高达0.25的氧；高达0.3的碳；高达0.2的附带杂质；和钛。因此，将所述合金称为含钴、含铝的α-β钛合金。该合金经冷加工204至横截面积减小至少25％。含钴、含铝的α-β钛合金在冷加工204期间未表现出实质性破裂。
通过以下方程式提供含钴、含铝的α-β钛合金的钼当量，其中方程式中所列的β相稳定剂按重量百分比计：
[Mo]当量＝[Mo]+2/3[V]+3[Mn+Fe+Ni+Cr+Cu+Be]+1/3[Ta+Nb+W]。
在本公开的另一个非限制性实施方案中，含钴、含铝的α-β钛合金经冷加工至横截面积减小至少35％。
在一个非限制性实施方案中，冷加工204含钴、含铝的α-β钛合金至减小至少25％或至少35％，可以在一个或多个冷轧步骤中进行。含钴、含铝的α-β钛合金可在中间多个冷加工步骤204间期在低于β转变温度的温度下退火(未示出)，以便减轻内应力并将边缘破裂的可能性降到最低。在非限制性实施方案中，退火步骤中间冷加工步骤可包括使含钴、含铝的α-β钛合金在Tβ-20℃和Tβ-300℃范围的温度下退火5分钟至2小时。本公开的合金的Tβ通常介于900℃和1200℃之间。本公开的任何特定合金的Tβ可以由本领域的普通技术人员测定，无需过度实验。
冷加工204之后，在一个非限制性实施方案中，可将含钴、含铝的α-β钛合金轧制退火(未示出)以获得所需强度和延性。在一个非限制性实施方案中，轧制退火可包括将含钴、含铝的α-β钛合金加热到在600℃至930℃范围内的温度并保持5分钟至2小时。
在一个特定实施方案中，本文公开的含钴、含铝的α-β钛合金的冷加工204包括冷轧。
在一个非限制性实施方案中，本文公开的含钴、含铝的α-β钛合金在低于1250℉(676.7℃)的温度下冷加工204。在根据本公开的方法的另一个非限制性实施方案中，在不高于575℉(300℃)的温度下冷加工204本文公开的含钴、含铝的α-β钛合金。在另一个非限制性实施方案中，本文公开的含钴、含铝的α-β钛合金在低于392℉(200℃)的温度下冷加工204。再一个非限制性实施方案中，本文公开的含钴、含铝的α-β钛合金在-100℃至200℃范围的温度下冷加工204。
冷加工步骤204之前，本文公开的含钴、含铝的α-β钛合金可以是选自以下一种形式的轧制产品或轧制半成品：锭、坯料、初轧坯、梁、板坯、杆、棒、管材、金属丝、金属板、薄板、挤出物和铸件。
同样在冷加工步骤之前，可热加工(未示出)本文公开的含钴、含铝的α-β钛合金。上文对金属形式公开的热加工方法同样适用于本文公开的含钴、含铝的α-β钛合金。
具有比例如在Ti-6Al-4V合金中所发现的更高含氧量的本文公开的含钴、含铝的α-β钛合金的冷成形性与直觉相反。例如，已知具有相对较高(高达0.4重量％)的含氧量的4级CP(工业纯)钛，比其它CP等级成形性低。虽然4级CP合金的强度比1、2或3级CP更高，但是表现出的强度比本文公开的合金的实施方案更低。
可随本文公开的含钴α-β钛合金使用的冷加工技术包括，例如但不限于冷轧、冷拉伸、冷挤出、冷锻造、摇动/皮尔格式轧管、冷锻、旋压和变薄旋压。如本领域已知，冷轧通常由以下组成：使先前热轧制品如棒、薄板、金属板或钢带通过一组辊，通常几次，直至获得所需规格。根据热(α-β)轧和退火之后的起始结构，据信通过冷轧含钴α-β钛合金可以实现至少35-40％的面积减小(RA)，之后在进一步冷轧之前需要进行任何退火。根据产品宽度和轧机配置，认为随后至少20-60％或至少25％或至少35％冷压缩是可能的。
基于本发明人的观察，也可以对本文公开的含钴α-β钛合金实现在各种棒式轧机(包括Koch型轧机)上对棒、杆和金属丝的冷轧。可用于由本文公开的含钴α-β钛合金形成制品的冷加工技术的其它非限制性实例包括用于制造无缝钢管、管材和管道的挤压管状空心件的皮尔格式轧管(摇动)。基于观察到的本文公开的含钴α-β钛合金的性质，据信在压缩成形中可以实现比用扁平孔型轧制更大的面积减小(RA)。也可以实现杆、金属丝、棒和管状空心件的拉伸。本文公开的含钴α-β钛合金特别有吸引力的应用是用于生产无缝管材的管状空心件的拉伸或皮尔格式轧管，这特别难以用Ti-6Al-4V合金来实现。流动成形(本领域中也称为剪切旋压)可以使用本文公开的含钴α-β钛合金来实现，以产生轴向对称的空心形式，包括锥体、圆柱体、飞机管道、喷嘴和其它“气流导向”型部件。可以使用各种液体或气体类型的压缩、膨胀型成形操作，例如液压成形或挤胀成形。可以实现连续型原料的辊轧成形，以形成“角铁”或“单钢撑杆(uni-strut)”通用结构元件的结构变型。另外，根据发明人的发现，通常与板金加工相关的操作，例如冲压、精冲、模压、深冲压和压印也可应用于本文公开的含钴α-β钛合金。
除上述冷成形技术外，据信可以用于由本文公开的含钴α-β钛合金形成制品的其它“冷”技术包括但不一定限于锻造、挤出、变薄旋压、液压成形、挤胀成形、辊轧成形、型锻、冲挤、爆炸成形、橡胶成形、反向挤出、穿孔、旋压、拉伸成形、压弯、电磁成形和冷镦。普通技术人员在考虑发明人的观察结果和结论及在本发明的说明书中提供的其它细节时，可以容易地理解可应用于本文公开的含钴α-β钛合金的其它冷加工/成形技术。同样，普通技术人员也可以容易地将此类技术应用于合金而无需过度实验。因此，本文仅描述合金冷加工的某些实例。应用此类冷加工和成形技术可提供各种制品。此类制品包括但不限于以下：薄板、钢带、箔、金属板、棒、杆、金属丝、管状空心件、管、管材、布、网、结构元件、锥体、圆柱体、管道、管、喷嘴、蜂窝结构、紧固件、铆钉和垫圈。
本文公开的含钴α-β钛合金出乎意外的冷加工性导致更细的表面光洁度并且减少了对表面修整以去除重的表面氧化皮和扩散的氧化物层的需要，这通常在Ti-6Al-4V合金叠轧薄板上产生。鉴于本发明人已经观察到的冷加工性水平，据信可以由本文公开的具有类似于Ti-6Al-4V合金的性质的含钴α-β钛合金生产呈箔长度的箔厚度产品。
下面的实施例旨在进一步描述某些非限制性实施方案，而不限制本发明的范围。本领域普通技术人员将意识到，在仅由权利要求限定的本发明的范围内，以下实施例的变型是可能的。
实施例1
制备两种合金，其组成使得预期到冷成形性有限。表1中呈现了这些合金按重量百分比计的组成及其观察到的可轧制性。
表1
Figure BDA0001342971930000181
通过非自耗电弧熔炼将合金熔融并铸成钮扣。在β相区内，然后在α-β相区内进行后续热轧，以产生可冷轧的微观结构。在这个热轧操作期间，不含钴的合金以灾难性方式失效，这是由于缺乏延性。相比之下，含钴合金成功地从约1.27cm(0.5英寸)厚热轧到约0.381cm(0.15英寸)厚。然后冷轧含钴合金。
随后边进行中间退火和修整，再将含钴合金冷轧到0.76mm(0.030英寸)的最终厚度。进行冷轧，直至出现总长度等于0.635cm(0.25英寸)的裂纹，本文将这定义为“实质性破裂”。记录冷加工期间，直至观察到边缘裂缝时所达到的压缩百分比，即冷压缩延性限度。在该实例中令人惊讶地观察到，含钴α-β钛合金成功地热轧，然后冷轧，而未表现出实质性裂纹，达到至少25％的冷轧压缩量，而缺少钴添加物的对比合金无法热轧，而未以灾难性的方式失效。
实施例2
将本公开范围内的第二合金(炉5)的机械性能与Ti-4Al-2.5V合金的小试样进行比较。表2列出了炉5的组成，并且出于比较的目的，列出了一炉Ti-4Al-2.5V(其缺乏Co)的组成。表2中的组成是按重量百分比提供的。
表2
Figure BDA0001342971930000182
Figure BDA0001342971930000191
按照与实施例1的含钴合金相同的方式，通过熔融、热轧，然后冷轧制备炉5和对比Ti-4Al-2.5V合金的钮扣。根据ASTM E8/E8M-13a测量屈服强度(YS)、极限抗拉强度(UTS)和伸长率(％El.)并在表2中列出。冷轧期间两种合金都未表现出破裂。炉5合金的强度和延性(El.％)超过T-4Al-2.5V钮扣的强度和延性。
实施例3
基于合金组成比较冷轧能力或压缩延性限度。将合金炉1-4的钮扣与具有和实施例2中所用的Ti-4Al-2.5V合金相同的组成的钮扣进行比较。按照用于实施例1的含钴合金的方式，通过熔融、热轧，然后冷轧制备钮扣。钮扣经冷轧，直至观察到实质性破裂，即，直至达到冷加工压缩延性限度。表3按重量百分比列出了本发明和对比钮扣的组成(其余为钛和附带杂质)，以及以热轧钮扣的压缩百分比表示的冷加工压缩延性限度。
表3
Figure BDA0001342971930000192
从表3的结果看，观察到在含有钴的合金中，可以耐受较高的氧含量而不损失冷延性。本发明α-β钛合金炉(炉1-4)表现出优于Ti-4Al-2.5V合金钮扣的冷压缩延性限度。为了比较，值得注意的是Ti-6Al-4V合金不能冷轧用于商业目的，不会发生破裂，并且通常含有0.14至0.18重量％的氧。这些结果清楚地表明，本公开的含钴的α-β合金惊人地表现出至少比得上Ti-4Al-2.5合金的强度和冷延性，比得上Ti-6Al-4V合金的强度，及明显优于Ti-6Al-4V合金的冷延性。
在表2中，本公开的含钴α-β钛合金表现出比Ti-4Al-2.5V合金更高的延性和强度。表1-3中列出的结果表明，本公开的含钴α-β钛合金，尽管具有多33-66％的间隙含量(这往往会降低延性)，但是表现出比Ti-6Al-4V合金显著更高的冷延性。
不曾预料到钴添加物会增加含有高水平的间隙合金元素如氧的合金的冷轧能力。从普通技术人员的角度来看，意想不到的是，钴添加物会增加冷延性，而不会降低强度水平。Ti3X型的金属间析出物，其中X表示金属，通常相当显著地降低冷延性，并且在本领域已经表明，钴基本上不增加强度或延性。大多数α-β钛合金含有大约6％的铝，当与钴添加物组合时，其可以形成Ti3Al。这可以对延性产生有害影响。
上文呈现的结果令人惊讶地证明，与Ti-4Al-2.5V合金和其它可冷变形α+β合金相比，钴添加物实际上改善了本发明钛合金的延性和强度。本发明合金的实施方案包括α稳定剂、β稳定剂和钴的组合。
钴添加物明显与其它合金添加物一起作用，以使本公开的合金具有高耐氧量，而不会对延性或冷加工能力产生不利影响。传统上，高耐氧量与冷延性和高强度不同时相称。
通过维持合金中高水平的α相，与具有更高β相含量的其它合金，例如Ti-5553合金、Ti-3553合金和SP-700合金相比，可能保持含钴合金的机械加工性。与其它不能在轧制产品中冷变形的高强度α-β钛合金相比，冷延性也可提高可实现的尺寸控制和表面光洁度控制的程度。
应当理解，本说明书说明了与清楚理解本发明相关的本发明的那些方面。为了简化本说明书，尚未提出本领域普通技术人员显而易见，因此不利于更好地理解本发明的某些方面。尽管本文必要性地描述了本发明数量有限的实施例，但是本领域普通技术人员在考虑到前面的描述后，将认识到可以采用本发明的许多修改和变型。本发明的所有此类变型和修改都旨在被前面的描述和以下权利要求书所覆盖。

Claims (55)

1.一种α-β钛合金，其按重量百分比计，包含：
0.24至0.5的氧；
在2.0至10.0范围内的铝当量；
在0至20.0范围内的钼当量；
0.3至5.0的钴；
附带杂质；及
余量钛。
2.根据权利要求1所述的α-β钛合金，其中所述钼当量是在2.0至20.0的范围内。
3.根据权利要求1所述的α-β钛合金，其中所述α-β钛合金表现出至少25％的冷加工压缩延性限度。
4.根据权利要求1所述的α-β钛合金，其中所述α-β钛合金表现出至少35％的冷加工压缩延性限度。
5.根据权利要求1所述的α-β钛合金，其中所述α-β钛合金表现出至少130KSI(896.3MPa)的屈服强度和至少10％的伸长率。
6.根据权利要求1所述的α-β钛合金，其还包含高于0至0.3总重量百分比的铈、镨、钕、钐、钆、钬、铒、铥、钇、钪、铍和硼中的一种或多种。
7.根据权利要求6所述的α-β钛合金，其中所述钼当量是在0 至10的范围内。
8.根据权利要求1所述的α-β钛合金，其还包含高于0至0.5总重量百分比的金、银、钯、铂、镍和铱中的一种或多种。
9.根据权利要求8所述的α-β钛合金，其中所述铝当量是在1.0至6.0的范围内并且所述钼当量是在0至10的范围内。
10.根据权利要求6所述的α-β钛合金，其还包含高于0至0.5总重量百分比的金、银、钯、铂、镍和铱中的一种或多种。
11.根据权利要求1所述的α-β钛合金，其还包含以下的一种或多种：
高于0至6的锡；
高于0至0.6的硅；和
高于0至10的锆。
12.一种α-β钛合金，其按重量百分比计，包含：
2.0至7.0的铝；
在2.0至5.0范围内的钼当量；
0.3至4.0的钴；
0.24至0.5的氧；
高达0.25的氮；
高达0.3的碳；
高达0.4的附带杂质；和
余量钛。
13.根据权利要求12所述的α-β钛合金，其还包含以下的一种或多种：
高于0至6的锡；
高于0至0.6的硅；
高于0至10的锆：
高于0至0.3的钯；和
高于0至0.5的硼。
14.根据权利要求12所述的α-β钛合金，其还包含高于0至0.3总重量百分比的铈、镨、钕、钐、钆、钬、铒、铥、钇、钪、铍和硼中的一种或多种。
15.根据权利要求12所述的α-β钛合金，其还包含高于0至0.5总重量百分比的金、银、钯、铂、镍和铱中的一种或多种。
16.根据权利要求12所述的α-β钛合金，其中所述α-β钛合金表现出至少25％的冷加工压缩延性限度。
17.根据权利要求12所述的α-β钛合金，其中所述α-β钛合金表现出至少35％的冷加工压缩延性限度。
18.根据权利要求12所述的α-β钛合金，其中所述α-β钛合金表现出至少130KSI(896.3MPa)的屈服强度和至少10％的伸长率。
19.一种由包括α-β钛合金的金属形式形成制品的方法，所述方法包括：
冷加工金属形式至横截面积减小至少25％；
其中所述金属形式包括根据权利要求1所述的α-β钛合金；并且
其中所述金属形式在冷加工之后未表现出实质性破裂。
20.根据权利要求19所述的方法，其中冷加工所述金属形式包括冷加工所述金属形式至减小至少35％。
21.根据权利要求19所述的方法，其中冷加工所述金属形式包括以下的一种或多种：辊轧、锻造、挤出、摇动、拉伸、气体压缩成形、液压成形、挤胀成形、冲压、模压、压印、旋压、爆炸成形、橡胶成形、穿孔、压弯和电磁成形。
22.根据权利要求19所述的方法，其中冷加工所述金属形式包括以下的一种或多种：液体压缩成形、辊压成形和拉伸成形。
23.根据权利要求19所述的方法，其中冷加工所述金属形式包括以下的一种或多种：深冲压、精冲、冲挤、冷镦、变薄旋压、皮尔格式轧管、反向挤出和型锻。
24.根据权利要求19所述的方法，其中冷加工所述金属形式包括冷轧。
25.根据权利要求19所述的方法，其中冷加工所述金属形式包括在低于1250℉(676.7℃)的温度下加工所述金属形式。
26.根据权利要求19所述的方法，其中冷加工所述金属形式包括在不高于575℉(300℃)的温度下加工所述金属形式。
27.根据权利要求19所述的方法，其中冷加工所述金属形式包括在低于392℉(200℃)的温度下加工所述金属形式。
28.根据权利要求19所述的方法，其中冷加工所述金属形式包括在-100℃至200℃范围的温度下加工所述金属形式。
29.根据权利要求19所述的方法，其中所述金属形式选自锭、坯料、梁、棒、管材、杆、金属丝、金属板、挤出物和铸件。
30.根据权利要求19所述的方法，其中所述金属形式选自初轧坯、板坯和薄板。
31.根据权利要求19所述的方法，其还包括在冷加工所述金属形式之前热加工所述金属形式。
32.一种由α-β钛合金形成制品的方法，其包括：
提供按重量百分比计包含以下的α-β钛合金：
2.0至7.0的铝，
在2.0至5.0范围内的钼当量，
0.3至4.0的钴，
0.24至0.5的氧，
高达0.25的氮，
高达0.3的碳，
高达0.4的附带杂质和
余量钛；
冷加工所述α-β钛合金至减小至少25％；
其中所述α-β钛合金在冷加工之后未表现出实质性破裂。
33.根据权利要求32所述的方法，其中冷加工所述α-β钛合金包括冷加工所述α-β钛合金至减小至少35％。
34.根据权利要求32所述的方法，其中冷加工所述α-β钛合金包括以下的一种或多种：辊轧、锻造、挤出、摇动、拉伸、气体压缩成形、液压成形、挤胀成形、冲压、模压、压印、旋压、爆炸成形、橡胶成形、穿孔、压弯和电磁成形。
35.根据权利要求32所述的方法，其中冷加工所述α-β钛合金包括以下的一种或多种：液体压缩成形、辊压成形和拉伸成形。
36.根据权利要求32所述的方法，其中冷加工所述α-β钛合金包括以下的一种或多种：深冲压、精冲、冲挤、冷镦、变薄旋压、皮尔格式轧管、反向挤出和型锻。
37.根据权利要求32所述的方法，其中冷加工所述α-β钛合金包括冷轧所述α-β钛合金。
38.根据权利要求32所述的方法，其中冷加工所述α-β钛合金包括在低于1250℉(676.7℃)的温度下加工所述α-β钛合金。
39.根据权利要求32所述的方法，其中冷加工所述α-β钛合金包括在低于392℉(200℃)的温度下加工所述α-β钛合金。
40.根据权利要求32所述的方法，其中冷加工所述α-β钛合金包括在低于-100℃至200℃范围的温度下加工所述α-β钛合金。
41.根据权利要求32所述的方法，其中所述α-β钛合金呈选自锭、坯料、梁、棒、管材、杆、金属丝、金属板、挤出物和铸件的形式。
42.根据权利要求32所述的方法，其中所述α-β钛合金呈选自初轧坯、板坯和薄板的形式。
43.根据权利要求32所述的方法，其还包括在冷加工所述α-β钛合金之前热加工所述α-β钛合金。
44.一种α-β钛合金，其按重量百分比计，包含：
2.0至4.1的铝；
在6.8至10.0范围内的铝当量；
0.3至5.0的钴；和
余量钛和附带杂质。
45.根据权利要求44所述的α-β钛合金，其中按重量百分比计，所述α-β钛合金进一步包括在0至20.0的范围内的钼当量。
46.根据权利要求45所述的α-β钛合金，其中所述钼当量在2.0至20.0的范围内。
47.根据权利要求45所述的α-β钛合金，其中所述钼当量在0至10的范围内。
48.根据权利要求44所述的α-β钛合金，其中所述α-β钛合金表现出至少25％的冷加工压缩延性限度。
49.根据权利要求44所述的α-β钛合金，其中所述α-β钛合金表现出至少35％的冷加工压缩延性限度。
50.根据权利要求44所述的α-β钛合金，其中所述α-β钛合金表现出至少130KSI(896.3MPa)的屈服强度和至少10％的伸长率。
51.根据权利要求44所述的α-β钛合金，其进一步包括多达0.3总重量百分比的铈、镨、钕、钐、钆、钬、铒、铥、钇、钪、铍和硼中的一种或多种。
52.根据权利要求50所述的α-β钛合金，其中按重量百分比计，所述α-β钛合金进一步包括在0至10的范围内的钼当量。
53.根据权利要求44所述的α-β钛合金，其还包含高达0.5总重量百分比的金、银、钯、铂、镍和铱中的一种或多种。
54.根据权利要求50所述的α-β钛合金，其还包含高达0.5总重量百分比的金、银、钯、铂、镍和铱中的一种或多种。
55.根据权利要求44所述的α-β钛合金，其还包含以下的一种或多种：
高达6的锡；
高达0.6的硅；和
高达10的锆。
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