JP2016517471A - アルファ−ベータチタン合金の熱機械処理 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、米国国立標準技術研究所(NIST)、米国商務省によって授与されたNIST契約番号70NANB7H7038の下、米国政府の支援を受けて行われた。米国政府は、本発明においてある特定の権利を有し得る。
実質的に球状化一次アルファ微細構造を形成する当該分野に精通している当業者にとって通常の方法に従って、Ti−6Al−4V合金を含む加工物を、第1の加工温度範囲に加熱し鍛造した。加工物を、次いで、(図1のボックス110のように)18時間にわたって第1の鍛造温度範囲にある1800°Fの温度に加熱した。次いで、その加工物を、1時間当たり−100°Fかまたは1分当たり1.5〜2°Fで1200°Fに下がるまで炉の中において徐冷し、次いで、外界温度に空冷した。鍛造され徐冷された合金の微細構造の後方散乱電子(BSE)顕微鏡写真を、図3および4に提示する。
実施例1に類似の方法を用いて生成されたTi−6−4材料の4インチ立方体の形をした2つの加工物を、1300°Fに加熱し、約0.1〜1/秒のひずみ速度で作業されたむしろ急速な自由多軸鍛造の2つのサイクル(3.5インチ高さまで6回のヒット)を通じて鍛造し、少なくとも3つの中心ひずみに到達した。15個の第2の把持部をヒットとヒットの間に作製し、断熱加熱のいくつかの放散を可能にした。加工物を、引き続いて、ほぼ1時間1450°Fで焼鈍し、次いで、1300°Fで炉に移動させ、約20分浸漬した。第1の加工物を、最終的に空冷した。第2の加工物を、約0.1〜1/秒のひずみ速度で作業されたむしろ急速な自由多軸鍛造の2つのサイクル(3.5インチ高さまで6回のヒット)を通じて再度鍛造し、少なくとも3つの中心ひずみ、すなわち、合計6つのひずみを付与した。15個の第2の把持部をヒットとヒットの間に同様に作製し、断熱加熱のいくつかの放散を可能にした。図6Aおよび6Bは、それぞれ、第1および第2の試料が処理を経た後のBSE顕微鏡写真である。繰り返すが、灰色で網掛けしているレベルは、平均原子番号に関し、よって、化学組成変分、および結晶配向に対する局所的変分もまた示す。図6Aおよび6Bに示される本試料では、淡色区域がベータ相である一方で、濃い色の区域は、球状アルファ相粒子である。球状化アルファ相粒子内部の灰色レベルの変分は、亜粒および再結晶化粒の存在ような結晶配向の変化を明らかにする。
実施例1に類似の方法を用いて生成されたATI 425(登録商標)合金材料の4インチ立方体に成形された2つの加工物を、1300°Fに加熱し、約0.1〜1/秒のひずみ速度で作業されたむしろ急速な自由多軸鍛造の1つのサイクル(3.5インチ高さまで3回のヒット)を通じて鍛造し、少なくとも1.5個の中心ひずみに到達した。15個の第2の把持部をヒットとヒットの間に作製し、断熱加熱のいくつかの放散を可能にした。加工物を、引き続いて、1時間1400°Fで焼鈍し、次いで、1300°Fで炉に移動させ、30分浸漬した。第1の加工物を、最終的に空冷した。第2の加工物を、約0.1〜1/秒のひずみ速度で作業されたむしろ急速な自由多軸鍛造の1つのサイクル(3.5インチ高さまで3回のヒット)を通じて再度鍛造し、少なくとも1.5個の中心ひずみ、すなわち、合計3つのひずみを付与した。15個の第2の把持部をヒットとヒットの間に同様に作製し、断熱加熱のいくつかの放散を可能にした。
実施例1に類似の方法を用いて生成されたTi−6−4材料の10インチ直径の加工物を、1450°F〜1300°Fの温度で実施された4回の据え込みおよび引き出しを通じて更に鍛造し、これらは1450°Fで1回目の一連の引き出しおよび再加熱をして7.5インチ直径へ戻し、次いで2回目に、1450°Fで約20%の据え込みからなる2つの類似の据え込みおよび引き出しシーケンス、および1300°Fで7.5インチ直径へ引き戻し、次いで3回目に、1300°Fで5.5インチ直径まで引き戻し、次いで4回目に、1400°Fでの約20%の据え込みからなる2つの類似の据え込みおよび引き出しシーケンス、および1300°Fで5.0インチ直径へ引き戻し、最終的に、1300°Fで4インチ直径へ引き戻す、の4回に分解される。
Ti−6−4の大規模ビレットを、ベータ領域において実施されたいくつかの鍛造作業後に焼き入れした。この加工物を、次のアプローチで合計5回の据え込みおよび引き出しを通じて更に鍛造した。最初に、第1の温度範囲において2回の据え込みおよび引き出しを実施してラメラ分解および球状化プロセスを開始し、約22インチ〜約32インチの範囲にその加工物の大きさおよび約40インチ〜75インチの長さまたは高さ範囲を維持した。次いで、実施例1の試料の微細構造に類似の微細構造を獲得する目的で、1750°Fで6時間にわたって焼鈍し、1時間当たり−100°Fで1400°Fまで炉冷した。その加工物を、次いで、1400°F〜1350°Fで再加熱して2回の据え込みおよび引き出しを通じて鍛造し、約40インチ〜75インチの長さまたは高さを有して約22インチ〜約32インチの範囲にその加工物の大きさを維持した。次いで、1300°F〜1400°Fで再加熱して別の据え込みおよび引き出しを実施し、約20インチ〜約30インチの大きさの範囲および約40インチ〜70インチの長さまたは高さ範囲にした。後続の約14インチ直径への引き出しを、1300°F〜1400°Fの再加熱で実施した。これは、いくつかのVダイ鍛造ステップを含む。最終的に、加工物を1300°F〜1400°Fの温度範囲でラジアル鍛造して約10インチ直径にした。このプロセス全体にわたって、中間調整および端部切断を挿入して亀裂伝播を阻止した。
Claims (44)
- アルファ−ベータチタン合金のアルファ相粒度を微細化する方法であって、
第1の温度範囲内の第1の加工温度でアルファ−ベータチタン合金を加工することであり、前記第1の温度範囲が、前記アルファ−ベータチタン合金の前記アルファ−ベータ相領域内にある、加工することと、
前記第1の加工温度から前記アルファ−ベータチタン合金を徐冷することであり、前記第1の加工温度で加工することおよび前記第1の加工温度から徐冷することの完了時に、前記アルファ−ベータチタン合金が、一次球状化アルファ相粒子微細構造を含む、徐冷することと、
第2の温度範囲内の第2の加工温度でアルファ−ベータチタン合金を加工することであり、前記第2の加工温度が、前記第1の加工温度より低く、前記第2の温度範囲が、前記アルファ−ベータチタン合金の前記アルファ−ベータ相領域内にある、加工することと、
第3の温度範囲内の第3の加工温度で前記アルファ−ベータチタン合金を加工することであり、前記第3の加工温度が、前記第2の加工温度より低く、前記第3の温度範囲が、前記アルファ−ベータチタン合金の前記アルファ−ベータ相領域内にあり、前記第3の加工温度で加工した後に、前記アルファ−ベータチタン合金が、所望の微細化されたアルファ相粒度を含む、加工することと、を含む、前記方法。 - 前記アルファ−ベータチタン合金が、Ti−6Al−4V合金(UNS R56400)、Ti−6Al−4V ELI合金(UNS R56401)、Ti−6Al−2Sn−4Zr−2Mo合金(UNS R54620)、Ti−6Al−2Sn−4Zr−6Mo合金(UNS R56260)、およびTi−4Al−2.5V−1.5Fe合金(UNS 54250)から選択される、請求項1に記載の方法。
- 前記アルファ−ベータチタン合金が、Ti−6Al−4V合金(UNS R56400)およびTi−6Al−4V ELI合金(UNS R56401)から選択される請求項1に記載の方法。
- 前記アルファ−ベータチタン合金が、Ti−4Al−2.5V−1.5Fe合金(UNS 54250)である、請求項1に記載の方法。
- 前記第1の温度範囲が、前記アルファ−ベータチタン合金のベータトランザスを300°F下回る温度からベータトランザス温度を30°F下回る温度にまで及ぶ、請求項1に記載の方法。
- 前記第2の温度範囲が、前記ベータトランザスを600°F〜350°F下回る、請求項1に記載の方法。
- 前記第3の温度範囲が、1000°F〜1400°Fである、請求項1に記載の方法。
- 徐冷することが、炉冷することを含む、請求項1に記載の方法。
- 徐冷することが、1分当たり5°Fを超えない冷却速度で加工物を冷却することを含む、請求項1に記載の方法。
- 徐冷することが、前記第1の加工温度の炉チャンバから前記第2の加工温度の炉チャンバに前記アルファ−ベータチタン合金を移動させることを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記第1の加工温度から前記アルファ−ベータチタン合金を徐冷する前記ステップの前に、
前記アルファ−ベータチタン合金の前記ベータトランザスを300°F下回る温度からベータトランザス温度を30°F下回る温度にまで及ぶ熱処理温度範囲内の熱処理温度で、前記アルファ−ベータチタン合金を熱処理することと、
前記アルファ−ベータチタン合金を前記熱処理温度に保持することと、を更に含む、請求項1に記載の方法。 - 前記アルファ−ベータチタン合金を前記熱処理温度に保持することが、1時間〜48時間にわたって前記アルファ−ベータチタン合金を前記熱処理温度に保持することを含む、請求項11に記載の方法。
- 前記第2の加工温度で前記アルファ−ベータチタン合金を加工した後に、前記アルファ−ベータチタン合金を焼鈍することを更に含む、請求項1に記載の方法。
- 前記1つ以上の第2の加工温度で1回以上前記アルファ−ベータチタン合金を加工した後に、前記アルファ−ベータチタン合金を焼鈍することを更に含む、請求項1に記載の方法。
- 前記アルファ−ベータチタン合金を焼鈍することが、30分〜12時間にわたって前記ベータトランザスを500°F〜250°F下回る焼鈍温度範囲内の温度で前記アルファ−ベータチタン合金を加熱することを含む、請求項13または請求項14に記載の方法。
- 前記第1の温度で前記アルファ−ベータチタン合金を加工すること、前記第2の温度で前記アルファ−ベータチタン合金を加工すること、および前記第3の温度で前記アルファ−ベータチタン合金を加工すること、のうちの少なくとも1つが、少なくとも1つの自由プレス鍛造ステップを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記第1の温度で前記アルファ−ベータチタン合金を加工すること、前記第2の温度で前記アルファ−ベータチタン合金を加工すること、および前記第3の温度で前記アルファ−ベータチタン合金を加工すること、のうちの少なくとも1つが、複数の自由プレス鍛造ステップを含み、前記方法が、2つの連続的プレス鍛造ステップの中間で前記アルファ−ベータチタン合金を再加熱することを更に含む、請求項1に記載の方法。
- 前記アルファ−ベータチタン合金を再加熱することが、前の加工温度に前記アルファ−ベータチタン合金を加熱することと、30分〜12時間にわたって前記アルファ−ベータチタン合金を前記前の加工温度に保持することと、を含む、請求項17に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの自由プレス鍛造ステップが、据え込み鍛造することを含む、請求項16に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの自由プレス鍛造ステップが、引き出し鍛造することを含む、請求項16に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの自由プレス鍛造ステップが、据え込み鍛造および引き出し鍛造のうちの少なくとも1つを含む、請求項16に記載の方法。
- 前記第3の加工温度で前記アルファ−ベータチタン合金を加工することが、前記アルファ−ベータチタン合金をラジアル鍛造することを含む、請求項16に記載の方法。
- 前記第1の加工温度で前記アルファ−ベータチタン合金を加工する前に、ベータ熱処理温度で前記アルファ−ベータチタン合金をベータ熱処理することであり、
前記ベータ熱処理温度が、前記アルファ−ベータチタン合金のベータトランザス温度から前記アルファ−ベータチタン合金の前記ベータトランザス温度を300°F上回る温度までの温度範囲内にある、ベータ熱処理することと、
前記アルファ−ベータチタン合金を焼き入れすることと、を更に含む、請求項1に記載の方法。 - 前記アルファ−ベータチタン合金をベータ熱処理することが、前記ベータ熱処理温度で前記アルファ−ベータチタン合金を加工することを更に含む、請求項26に記載の方法。
- 前記ベータ熱処理温度で前記アルファ−ベータチタン合金を加工することが、ロール鍛造、スウェージング、展伸鍛錬、自由鍛造、インプレッション型鍛造、プレス鍛造、自動熱間鍛造、ラジアル鍛造、据え込み鍛造、引き出し鍛造、および多軸鍛造のうちの1つ以上を含む、請求項27に記載の方法。
- アルファ−ベータチタン合金加工物のアルファ相粒度を微細化する方法であって、
第1の鍛造温度範囲内の第1の鍛造温度でアルファ−ベータチタン合金を鍛造することであり、
前記第1の鍛造温度で前記アルファ−ベータチタン合金を鍛造することが、据え込み鍛造および引き出し鍛造の両方のうちの少なくとも1つのパスを含み、
前記第1の鍛造温度範囲が、前記アルファ−ベータチタン合金の前記ベータトランザスを300°F下回る温度からベータトランザス温度を30°F下回る温度にまで及ぶ、鍛造することと、
前記第1の鍛造温度から前記アルファ−ベータチタン合金を徐冷することと、
第2の鍛造温度範囲内の第2の鍛造温度で前記アルファ−ベータチタン合金を鍛造することであり、
前記第2の鍛造温度で前記アルファ−ベータチタン合金を鍛造することが、据え込み鍛造および引き出し鍛造の両方のうちの少なくとも1つのパスを含み、
前記第2の鍛造温度範囲が、前記ベータトランザスを600°F〜350°F下回る範囲に及ぶ温度範囲を含み、
前記第2の鍛造温度が、前記第1の鍛造温度より低い、鍛造することと、
第3の鍛造温度範囲内の第3の鍛造温度で前記アルファ−ベータチタン合金を鍛造することであり、
前記第3の鍛造温度で前記アルファ−ベータチタン合金を鍛造することが、ラジアル鍛造することを含み、
前記第3の鍛造温度範囲が、1000°F〜1400°Fであり、
前記第3の鍛造温度が、前記第2の鍛造温度より低い、鍛造することと、を含む、前記方法。 - 前記アルファ−ベータチタン合金が、Ti−6Al−4V合金(UNS R56400)、Ti−6Al−4V ELI合金(UNS R56401)、Ti−6Al−2Sn−4Zr−2Mo合金(UNS R54620)、Ti−6Al−2Sn−4Zr−6Mo合金(UNS R56260)、およびTi−4Al−2.5V−1.5Fe合金(UNS 54250)のうちの1つである、請求項26に記載の方法。
- 前記アルファ−ベータチタン合金が、Ti−6Al−4V合金(UNS R56400)およびTi−6Al−4V ELI合金(UNS R56401)のうちの1つである、請求項26に記載の方法。
- 前記アルファ−ベータチタン合金が、Ti−4Al−2.5V−1.5Fe合金(UNS 54250)である、請求項26に記載の方法。
- 前記徐冷することが、炉冷することを含む、請求項26に記載の方法。
- 前記徐冷することが、1分当たり5°Fを超えない冷却速度で前記アルファ−ベータチタン合金を冷却することを含む、請求項26に記載の方法。
- 徐冷することが、前記第1の鍛造温度に設定された炉から前記第2の鍛造温度に設定された炉に前記アルファ−ベータチタン合金を移動させることを含む、請求項26に記載の方法。
- 前記第1の鍛造温度から前記アルファ−ベータチタン合金を徐冷するステップの後に、前記第1の鍛造温度範囲内の熱処理温度で前記アルファ−ベータチタン合金を熱処理することと、前記アルファ−ベータチタン合金を前記熱処理温度に保持することと、を更に含む、請求項26に記載の方法。
- 前記アルファ−ベータチタン合金を前記熱処理温度に保持することが、1時間〜48時間の時間範囲内の熱処理時間にわたって前記アルファ−ベータチタン合金を前記熱処理温度に保持することを含む、請求項33に記載の方法。
- 前記第2の鍛造温度で鍛造した後に、前記アルファ−ベータチタン合金を焼鈍することを更に含む、請求項26に記載の方法。
- 焼鈍することが、前記ベータトランザスを500°F〜250°F下回る温度に及ぶ焼鈍温度範囲内の焼鈍温度で、および30分〜12時間にわたって、前記アルファ−ベータチタン合金を加熱することを含む、請求項35に記載の方法。
- 前記少なくとも1つ以上のプレス鍛造ステップのうちのいずれかの中間で、前記アルファ−ベータチタン合金を再加熱することを更に含む、請求項26に記載の方法。
- 再加熱することが、前の加工温度に戻って前記アルファ−ベータチタン合金を加熱することと、30分〜6時間に及ぶ範囲内の再加熱時間にわたって前記アルファ−ベータチタン合金を前記前の加工温度に保持することと、を含む、請求項37に記載の方法。
- ラジアル鍛造が、1回の一連の少なくとも2つであるが6つを超えない縮小を含み、前記ラジアル鍛造温度範囲が、1100°F〜1400°Fである、請求項26に記載の方法。
- ラジアル鍛造が、各縮小の前に再加熱ステップを伴う、1400°Fを超えない温度で開始し、1000°Fを下回らない温度まで低下するラジアル鍛造温度で、複数回の一連の少なくとも2つであるが6つを超えない縮小を含む、請求項26に記載の方法。
- 前記第1の鍛造温度で前記チタン合金を鍛造する前に、ベータ熱処理温度で前記アルファ−ベータチタン合金をベータ熱処理することであり、
前記ベータ熱処理温度が、前記アルファ−ベータチタン合金のベータトランザス温度から前記アルファ−ベータチタン合金の前記ベータトランザス温度を300°F上回る温度までの範囲にある、ベータ熱処理することと、
前記アルファ−ベータチタン合金を焼き入れすることと、を更に含む、請求項26に記載の方法。 - 前記アルファ−ベータチタン合金をベータ熱処理することが、前記ベータ熱処理温度で前記アルファ−ベータチタン合金を加工することを更に含む、請求項41に記載の方法。
- 前記ベータ熱処理温度で前記アルファ−ベータチタン合金を加工することが、ロール鍛造、スウェージング、展伸鍛錬、自由鍛造、インプレッション型鍛造、プレス鍛造、自動熱間鍛造、ラジアル鍛造、据え込み鍛造、引き出し鍛造、および多軸鍛造のうちの1つ以上を含む、請求項42に記載の方法。
- アルファ−ベータチタン合金のアルファ相粒度を微細化する方法であって、
初期鍛造温度範囲内の初期鍛造温度で球状化アルファ相粒子微細構造を含むアルファ−ベータチタン合金を鍛造することであり、
前記初期鍛造温度で前記加工物を鍛造することが、据え込み鍛造および引き出し鍛造の両方のうちの少なくとも1つのパスを含み、
前記初期鍛造温度が、前記ベータトランザスを500°F〜350°F下回る、鍛造することと、
最終鍛造温度範囲内の最終鍛造温度で前記アルファ−ベータチタン合金を鍛造することであり、
前記最終鍛造温度で前記アルファ−ベータチタン合金を鍛造することが、ラジアル鍛造することを含み、
前記最終鍛造温度範囲が、1000°F〜1400°Fであり、
前記最終鍛造温度が、前記初期鍛造温度より低い、鍛造することと、を含む、前記方法。
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