KR101758956B1

KR101758956B1 - 알파/베타 티타늄 합금의 가공

Info

Publication number: KR101758956B1
Application number: KR1020137001388A
Authority: KR
Inventors: 데이비드 제이. 브라이언
Original assignee: 에이티아이 프로퍼티즈 엘엘씨
Priority date: 2010-07-19
Filing date: 2011-06-27
Publication date: 2017-07-17
Also published as: CA2803355A1; AU2011280078B2; CN103025906A; PL2596143T3; TWI602935B; AU2011280078A1; JP6084565B2; PE20131104A1; EP2596143B1; KR20130138169A; ES2670297T3; WO2012012102A1; TW201224162A; TW201638360A; US20180016670A1; BR112013001367A2; RU2013107028A; TWI547565B; DK2596143T3; UA112295C2

Abstract

α+β 티타늄 합금으로부터 물품을 형성하기 위한 방법이 개시된다. 상기 α+β 티타늄 합금은, 중량 퍼센트 단위로, 2.90 내지 5.00의 알루미늄, 2.00 내지 3.00의 바나듐, 0.40 내지 2.00의 철, 및 0.10 내지 0.30의 산소를 포함한다. α+β 티타늄 합금은 상온 내지 500℉의 온도에서 냉간 가공되고, 그 후 700℉ 내지 1200℉의 온도에서 시효 처리된다.

Description

알파/베타 티타늄 합금의 가공{PROCESSING OF ALPHA/BETA TITANIUM ALLOYS}

발명자

데이비드 제이. 브라이언

기술 분야

본원은 고강도 알파/베타(α+β) 티타늄 합금을 생산하기 위한 공정 및 개시된 공정에 의해 생산되는 물품에 관한 것이다.

배경기술

티타늄 및 티타늄계 합금은 이들 물질의 비교적 높은 강도, 낮은 밀도, 및 우수한 내부식성 때문에, 다양한 적용 분야에서 사용된다. 예를 들어, 티타늄 및 티타늄계 합금은 물질의 높은 강도 대 중량 비(strength-to-weight ratio)와 내부식성 때문에 항공우주 산업에서 널리 사용된다. 다양한 적용 분야에서 널리 사용되는 것으로 알려진 티타늄 합금의 하나의 군으로는, 6 중량 퍼센트의 알루미늄, 4 중량 퍼센트의 바나듐, 0.20 중량 퍼센트 미만의 산소, 및 티타늄의 공칭 조성을 포함하는 알파/베타(α+β) Ti-6Al-4V 합금이 있다.

Ti-6Al-4V 합금은 전체 티타늄계 물질 시장의 50%를 넘게 차지하는 것으로 추정되는 가장 일반적인 티타늄계 제조 물질 중 하나이다. Ti-6Al-4V 합금은 중저 온도에서의 고강도, 경량, 및 내부식성의 조합으로부터 이득을 보는 많은 적용 분야에서 사용된다. 예를 들어, Ti-6Al-4V 합금은 항공기 엔진 부품, 항공기 구조 부품, 패스너(fastener), 고성능 자동차 부품, 의료 장치용 부품, 스포츠 기구, 해양 적용 분야를 위한 부품, 및 화학 처리 기구용 부품을 생산하기 위해 사용된다.

일반적으로 Ti-6Al-4V 합금 밀(mill) 제품은 밀 소둔(mill anneal)된 상태로, 또는 용체화 처리 및 시효 처리된(STA: solution treated and aged) 상태로 사용된다. 비교적 낮은 강도의 Ti-6Al-4V 합금 밀 제품은 밀 소둔된 상태로 제공될 수 있다. 본원에서 사용될 때, "밀 소둔된 상태(mill-annealed condition)"는 상승된 온도(가령, 1200-1500℉/649-816℃)에서 약 1-8시간 동안 작업부재가 소둔되고 정체 공기에서 냉각되는 "밀 소둔" 열 처리 후의 티타늄 합금의 상태를 일컫는다. 밀 소둔 열 처리는 작업부재가 α+β 상 장(phase field)에서 열간 가공(hot work)된 후 수행된다. 밀 소둔된 상태의 Ti-6Al-4V 합금은 실온에서 130ksi(896Mpa)의 최소 규정 극한 인장 강도와 120ksi(827Mpa)의 최소 규정 항복 강도를 가진다. 예를 들어, 항공우주 재료 규격서(AMS: Aerospace Material Specifications) 4928 및 6931A을 참조할 수 있으며, 상기 항공우주 재료 규격서는 본원에 참조로서 포함된다.

Ti-6Al-4V 합금의 강도를 증가시키기 위해, 일반적으로 물질은 STA 열 처리의 대상이 된다. 일반적으로 STA 열 처리는 작업부재가 α+β 상 장에서 열간 가공된 후 수행된다. STA는 고정온도에서 비교적 짧은 시간 동안(가령, 약 1시간 동안) β-변태 온도(β-transus temperature) 미만의 상승된 온도(가령, 1725-1775℉/940-968℃)에서 작업부재를 열 처리하고, 그 후, 물 또는 이와 균등한 매질을 이용해 작업부재를 빠르게 담금질(quenching)하는 것을 일컫는다. 담금질된 작업부재가 상승된 온도(가령, 900-1200℉/482-649℃)에서 약 4-8시간 동안 시효 처리되고, 정체 공기에서 냉각된다. STA 상태의 Ti-6Al-4V 합금은 실온에서 STA 처리된 물품의 지름 또는 두께 치수에 따라 달라지는, 150-165ksi(1034-1138MPa)의 최소 규정 극한 인장 강도와 140-155ksi(965-1069MPa)의 최소 규정 항복 강도를 가진다. 예를 들어, AMS 4965 및 AMS 6930A를 참조할 수 있고, 이들은 본원에 참조로서 포함된다.

그러나 Ti-6Al-4V 합금에서 고강도를 얻기 위해 STA 열 처리를 이용할 때 많은 한계점이 있다. 예를 들어, STA 공정 동안 물질의 내재적인 물리적 속성 및 고속 담금질에 대한 요건이 고강도를 획득할 수 있는 물품 크기 및 치수를 제한하고, 비교적 큰 열응력, 내부 응력, 뒤틀림(warping), 치수 왜곡을 보여줄 수 있다. 본원은 STA 상태의 Ti-6Al-4V 합금의 특성과 동등하거나 더 우수하지만, STA 공정의 한계로부터 영향받지 않는 기계적 속성을 제공하기 위해 특정 α+β 티타늄 합금을 처리하기 위한 방법에 관한 것이다.

발명의 요약

본원에 개시된 구체 예는 α+β 티타늄 합금으로부터 물품을 성형하기 위한 공정과 관련된다. 공정은 주변 온도 내지 500℉ (260℃)의 범위의 온도에서 α+β 티타늄 합금을 냉간 가공(cold work)하는 단계와, 상기 냉간 가공하는 단계 후, 700℉ 내지 1200℉(371-649℃)의 범위의 온도에서 α+β 티타늄 합금을 시효 처리하는 단계를 포함한다. α+β 티타늄 합금은, 중량 퍼센트 단위로, 2.90% 내지 5.00%의 알루미늄, 2.00% 내지 3.00%의 바나듐, 0.40% 내지 2.00%의 철, 0.10% 내지 0.30%의 산소, 불가피한 불순물, 및 티타늄을 포함한다.

본원에 개시 및 기재된 발명은 이 발명의 요약에 개시된 구체 예로 한정되지 않음이 이해된다.

도면의 간단한 설명
본원에 개시 및 기재된 다양한 비제한적 구체 예의 특성이 다음의 첨부된 도면을 참조함으로써 더 잘 이해될 수 있다.
도 1은 냉간 인발된 α+β 티타늄 합금 바의 인발만된 상태(as-drawn condition)에 대한, 평균 극한 인장 강도 및 평균 항복 강도 대(versus) 퍼센트 면적 감소(%RA)로서 정량화된 냉간 가공율의 그래프이다.
도 2는 냉간 인발된 α+β 티타늄 합금 바의 인발만된 상태(as-drawn condition)에 대한, 인장 연신률 퍼센트로서 정량화된 평균 연성의 그래프이다.
도 3은 본원에 개시된 공정의 구체 예에 따라, 냉간 가공되고 직접 시효 처리된 후의 α+β 티타늄 합금 바에 대한 극한 인장 강도 및 항복 강도 대(versus) 연신률 퍼센트의 그래프이다.
도 4는 본원에 개시된 공정의 구체 예에 따라, 냉간 가공되고 직접 시효 처리된 후의 α+β 티타늄 합금 바에 대한 평균 극한 인장 강도 및 평균 항복 강도 대(versus) 평균 연신률 퍼센트의 그래프이다.
도 5는 20% 면적 감소까지 냉간 가공되고 고정 온도로 1시간 또는 8시간 동안 시효 처리된 α+β 티타늄 합금 바에 대한, 평균 극한 인장 강도 및 평균 항복 강도 대 시효 처리 온도의 그래프이다.
도 6은 30% 면적 감소까지 냉간 가공되고 고정 온도로 1시간 또는 8시간 동안 시효 처리된 α+β 티타늄 합금 바에 대한, 평균 극한 인장 강도 및 평균 항복 강도 대 시효 처리 온도의 그래프이다.
도 7은 40% 면적 감소까지 냉간 가공되고 고정 온도로 1시간 또는 8시간 동안 시효 처리된 α+β 티타늄 합금 바에 대한 평균 극한 인장 강도 및 평균 항복 강도 대 시효 처리 온도의 그래프이다.
도 8은 20% 면적 감소까지 냉간 가공되고 고정 온도로 1시간 또는 8시간 동안 시효 처리된 α+β 티타늄 합금 바에 대한 평균 연신률 대 시효 처리 온도의 그래프이다.
도 9는 30% 면적 감소까지 냉간 가공되고 고정 온도로 1시간 또는 8시간 동안 시효 처리된 α+β 티타늄 합금 바에 대한 평균 연신률 대 시효 처리 온도의 그래프이다.
도 10은 40% 면적 감소까지 냉간 가공되고 고정 온도로 1시간 또는 8시간 동안 시효 처리된 α+β 티타늄 합금 바에 대한 평균 연신률 대 시효 처리 온도의 그래프이다.
도 11은 20% 면적 감소까지 냉간 가공되고 850℉(454℃) 또는 1100℉(593℃)로 시효 처리된 α+β 티타늄 합금 바에 대한 평균 극한 인장 강도 및 평균 항복 강도 대 시효 처리 시간의 그래프이다.
도 12는 20% 면적 감소까지 냉간 가공되고 850℉(454℃) 또는 1100℉(593℃)로 시효 처리된 α+β 티타늄 합금 바에 대한 평균 연신률 대 시효 처리 시간의 그래프이다.
독자는 본원에 따르는 다양한 비제한적 구체 예에 대한 이하의 구체적인 설명을 고려하면 상기의 세부사항뿐 아니라 그 밖의 다른 것들까지 이해할 것이다. 독자는 또한 본원에 기재된 구체 예를 구현하거나 이용할 때 추가적인 세부사항을 이해할 수 있다.

비제한적 구체 예 들의 구체적인 설명

본원의 구체 예들에 대한 기재는 본원의 구체 예들의 명료한 이해와 관련된 특징 및 특성만 설명하도록 단순화되었고, 명료성의 목적을 위해 그 밖의 다른 특징 및 특성은 생략되었다. 당해분야의 숙련가라면 본원의 구체 예에 대한 이 기재를 고려하면 본원의 구체 예의 특정 실시 또는 적용에서 다른 특징 및 특성도 바람직할 수 있음을 인식할 것이다. 그러나 이러한 또 다른 특징 및 특성은, 본원의 구체 예에 대한 이 기재를 고려하면 당해분야의 숙련가에 의해 쉽게 이해 및 실시될 수 있으며, 따라서 본원의 구체 예의 완벽한 이해를 위해 반드시 필요한 것은 아니며, 이러한 특징, 특성, 등에 대한 기재는 본원에서 제공되지 않는다. 따라서 본원에서 언급된 기재는 본원의 구체 예의 실시예 및 설명에 불과하며, 특허청구범위에 의해 한정되는 발명의 범위를 제한하는 의도를 갖지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본원에서, 달리 언급되지 않는다면, 모든 수치 파라미터는 모든 경우에서 용어 "약"이 선두에 위치하고 수정되는 것으로 이해되어야 하며, 여기서 수치 파라미터는 파라미터의 수치 값을 결정하기 위해 사용되는 기저 측정 기법의 내재적 가변 특성을 가진다. 적어도, 그리고 특허청구범위의 균등론의 적용을 제한하려는 시도로서가 아니라, 본원의 기재에 기재된 각각의 수치 파라미터는 적어도 보고된 유의미한 자릿수의 숫자의 측면에서 그리고 통상의 반올림 기법을 적용하여 해석되어야 한다.

또한 본원에 나열된 임의의 수치 범위는 상기 언급된 범위 내에 포함되는 모든 부분 범위를 포함하는 것으로 의도된다. 예를 들어, "1 내지 10"이라는 범위는, 언급된 최솟값 1과 언급된 최댓값 10 (을 포함하고) 사이의 모든 부분 범위, 즉, 1 이상의 최솟값을 갖고, 10 이하의 최댓값을 갖는 부분 범위를 포함하는 것으로 의도된다. 본원에 언급된 임의의 최대 수치 한계는 상기 최대 수치 한계에 포함되는 모든 하위 수치 한계를 포함하는 것으로 의도되고, 본원에 언급된 임의의 최소 수치 한계는 상기 최소 수치 한계에 포함되는 모든 상위 수치 한계를 포함하는 것으로 의도된다. 따라서 출원인은 본원에 명시적으로 언급된 범위 내에 포함되는 임의의 부분 범위를 명시적으로 언급하기 위해 청구항을 포함해 본원을 보정할 권리를 가진다. 이러한 부분 범위를 명시적으로 언급하도록 하는 보정은 35 U.S.C.§112 1항 및 35 U.S.C.§132(a)의 요건에 부합하도록, 이러한 모든 범위는 내재적으로 본원에 개시된 것으로 의도된다.

본원에서 사용될 때, 달리 언급되지 않는 한, 문법적 관사 "하나(one)", "a", "an", 및 "the"는 "적어도 하나", 또는 "하나 이상"을 포함하는 것으로 의도된다. 따라서 관사는 본원에서 관사의 문법적 목적어의 하나 또는 둘 이상(즉, "적어도 하나")을 지칭하도록 사용된다. 예를 들면, "구성요소"는 하나 이상의 구성요소를 의미하고, 따라서 기재된 구체 예의 구현에서, 둘 이상의 구성요소가 고려되고, 채용 또는 사용될 수 있다

본원에 참조로서 포함되는 것으로 언급되는 임의의 특허, 간행물, 또는 그 밖의 다른 개시 사항의 전체 내용은, 달리 지칭되지 않는 한, 그 전체가 본원에 포함되나, 포함되는 내용이 기존 정의, 서술, 또는 본원에서 명시적으로 제공되는 그 밖의 다른 개시 사항과 충돌하지 않는 범위까지만 본원에 포함된다. 따라서 필요한 범위까지, 본원에 제공된 바와 같은 명시적 개시 사항이 본원에 참조로서 포함된 임의의 충돌하는 사항을 대체한다. 본원에 참조로서 포함된다고 언급되지만 기존 정의, 서술, 또는 그 밖의 다른 개시 사항과 충돌하는 임의의 사항, 또는 그 일부분이, 포함된 사항과 기존의 개시된 사항 간에 어떠한 충돌도 발생하지 않는 범위까지만 포함된다. 출원인은 본원에 참조로서 포함되는 임의의 주제, 또는 그 일부분을 명시적으로 언급하도록 본 명세서를 보정할 권리를 가진다.

본원은 다양한 구체 예들에 대한 기재를 포함한다. 본원에 기재된 다양한 구체 예는 예시적, 설명적, 및 비제한적임이 이해될 것이다. 따라서 본 발명은 다양한 예시적, 설명적, 및 비-제한적 구체 예의 기재에 의해 제한되지 않는다. 오히려, 본 발명은 청구항에 의해 한정되고, 명시적으로 또는 내재적으로 기재되거나 그 밖의 다른 방식으로 본원에 의해 명시적으로 또는 내재적으로 뒷받침되는 임의의 특징 또는 특성을 언급하도록 보정될 수 있다. 덧붙여, 출원인은 종래 기술에 존재할 수 있는 특징 또는 특성을 확정적으로 부인하도록 청구항을 보정할 권리를 가진다. 따라서 임의의 이러한 보정은 35 U.S.C.§112, 1항, 및 35 U.S.C.§132(a)의 요건에 부합할 것이다. 본원에 개시되고 기재된 다양한 구체 예는 본원에 다양하게 기재된 것과 같은 특징 및 특성을 포함하거나, 상기 특징 및 특성으로 이루어지거나, 상기 특징 및 특성으로 본질적으로 이루어질 수 있다.

본원에 개시된 다양한 구체 예들은 Ti-6Al-4V 합금과 상이한 화학적 조성을 갖는 α+β 티타늄 합금으로부터 물품(article)을 형성하기 위한 가공 열 처리(thermomechanical process)와 관련된다. 다양한 구체 예에서, α+β 티타늄 합금은, 중량 퍼센트 단위로, 2.90 내지 5.00의 알루미늄, 2.00 내지 3.00의 바나듐, 0.40 내지 2.00의 철, 0.20 내지 0.30의 산소, 불가피한 불순물(incidental impurity), 및 티타늄을 포함한다. 이들 α+β 티타늄 합금(본원에서 "코사카 합금(Kosaka alloy)"이라고 지칭됨)은 코사카(Kosaka)에게 허여된 미국 특허 제5,980,655호에 기재되어 있으며, 상기 미국 특허는 본원에 참조로서 포함된다. 코사카 합금의 공칭 상업적 조성은, 중량 퍼센트 단위로, 4.00의 알루미늄, 2.50의 바나듐, 1.50의 철, 0.25의 산소, 불가피한 불순물, 및 티타늄을 포함하며, Ti-4Al-2.5V-1.5Fe-0.25O 합금이라고 지칭될 수 있다.

미국 특허 제5,980,655호("'655 특허")는 코사카 합금 잉곳(ingot)로부터 판(plate)을 형성하기 위해 α+β 가공 열 처리(thermomechanical processing)를 사용하는 것을 기재한다. 코사카 합금은 방탄 장갑판 적용 분야에서 Ti-6Al-4V 합금의 더 저렴한 대체물질로서 개발되었다. '655 특허에 기재된 α+β 가공 열 처리는 다음을 포함한다:

(a) 코사카 합금 조성을 갖는 잉곳을 성형하는 단계,

(b) 합금의 β-변태 온도보다 높은 온도(예를 들어, 1900℉ (1038℃)보다 높은 온도)에서 잉곳을 β 단조하여, 중간 슬래브(slab)를 성형하는 단계,

(c) 상기 합금의 β-변태 온도보다 낮은 온도, 예를 들어, 1500-1775℉(815-968℃)의 온도에서, 그러나 α+β 상 장에서 중간 슬래브를 α+β 단조하는 단계,

(d) 상기 합금의 β-변태 온도보다 낮은 온도에서, 가령, 1500-1775℉(815-968℃)의 온도에서, 그러나 α+β 상 장에서, 슬래브를 최종 판 두께까지 α+β 압연하는 단계, 및

(e) 1300-1500℉(704-815℃)의 온도에서 밀 소둔하는 단계.

'655 특허에서 개시된 공정에 따라 형성된 판은 Ti-6Al-4V 판과 동등한, 또는 더 우수한 방탄 특성을 보였다. 그러나 '655 특허에 개시된 공정에 따라 형성된 판은 STA 공정 후의 Ti-6Al-4V 합금에 의해 수득되는 고강도보다 낮은 실온 인장 강도를 보였다.

STA 상태의 Ti-6Al-4V 합금은 실온에서 약 160-177ksi(1103-1220Mpa)의 극한 인장 강도와 약 150-164ksi(1034-1131Mpa)의 항복 강도를 보일 수 있다. 그러나 Ti-6Al-4V의 특정 물리적 속성, 가령, 비교적 낮은 열 전도율 때문에, STA 공정을 통해 Ti-6Al-4V 합금에 의해 수득될 수 있는 극한 인장 강도 및 항복 강도는 STA 공정을 겪는 Ti-6Al-4V 합금 물품의 크기에 따라 달라진다. 이와 관련해, Ti-6Al-4V 합금의 비교적 낮은 열 전도율이 STA 공정을 이용해 완전히 경화/강화될 수 있는 물품의 지름/두께를 제한하는데, 이는 알파-프라임 상(α'-상)을 형성하기 위한 담금질 동안 큰 지름 또는 두꺼운 섹션의 합금 물품의 내부 부분이 충분한 속도로 냉각되지 않기 때문이다. 이러한 방식으로 큰 지름 또는 두꺼운 섹션의 Ti-6Al-4V 합금의 STA 가공은 석출 강화(precipitation strengthen)된 케이스를 갖는 물품을 생산하며, 상기 케이스는 동일한 석출 강화 수준을 갖지 않는 비교적 약한 심(core)을 둘러싸며, 이는 물품의 전체 강도를 상당히 감소시킬 수 있다. 예를 들어, Ti-6Al-4V 합금 물품의 강도는 약 0.5인치(1.27cm) 초과의 작은 치수(가령, 지름 또는 두께)를 갖는 물품에 대해 감소하기 시작하며, STA 공정은 약 3인치 (7.62cm) 초과의 작은 치수를 갖는 Ti-6Al-4V 합금 물품에게 어떠한 이익도 제공하지 않는다.

STA 상태의 Ti-6Al-4V 합금에 대한 가장 높은 강도 최소치가 0.5인치(1.27cm) 미만의 지름 또는 두께를 갖는 물품에 대응하는 재료 규격서, 가령, AMS 6930A의 경우, 증가하는 물품 크기가 감소하는 강도 최소치에 대응한다는 점에서, STA 상태의 Ti-6Al-4V 합금의 인장 강도의 크기 종속성이 자명하다. 예를 들어, AMS 6930A는, STA 상태에 있고 0.5인치(1.27cm) 미만의 지름 또는 두께를 갖는 Ti-6Al-4V 합금 물품의 경우 165ksi(1138MPa)의 최소 극한 인장 강도와 155ksi(1069MPa)의 최소 항복 강도를 규정한다.

덧붙여, STA 공정은 비교적 큰 열 응력 및 내부 응력을 유도하고, 담금질 단계 동안 티타늄 합금 물품의 뒤틀림(warping)을 야기한다. 그 한계점에도 불구하고, Ti-6Al-4V 합금은 일반적으로 냉간 변형성이 아니며, 따라서 강도를 증가시키기 위해 효과적으로 냉간 가공(cold work)될 수 없기 때문에, STA 공정은 Ti-6Al-4V 합금에서 고강도를 수득하기 위한 표준 방법이다. 이론에 구애받지 않고, 냉간 변형성/가공성은 Ti-6Al-4V 합금에서의 슬립 띠 현상(slip banding phenomenon)이 원인이라고 알려져 있다.

Ti-6Al-4V 합금의 알파 상(α-상)은 정합(coherent) Ti₃Al(알파-2) 입자를 석출한다. 이들 정합 알파-2(α₂) 석출물은 합금의 강도를 증가시키지만, 소성 변형 동안 전위를 이동시킴으로써 정합 석출물이 전단가공되기 때문에, 석출물은 합금의 미세구조물 내에 확연한 평면 슬립 띠의 형성을 야기한다. 덧붙여, Ti-6Al-4V 합금 결정은 알루미늄과 산소 원자의 단범위 규칙의 국소 영역, 즉, 결정 구조 내 알루미늄 및 산소 원자의 균질 분포로부터의 국소 편차를 형성하는 것으로 보인다. 이들 감소된 엔트로피의 국소 영역은 Ti-6Al-4V 합금의 미세구조 내에 확연한 평면 슬립 띠의 형성을 촉진하는 것으로 보인다. Ti-6Al-4V 합금 내 이들 미세구조적 및 열역학적 특징의 존재가 변형 동안 슬립 전위(slipping dislocation)의 뒤엉킴을 야기하거나, 전위가 슬립하는 것을 막을 수 있다. 이것이 발생할 때, 슬립은 슬립 띠라고 일컬어지는 합금 내 확연한 평면 영역으로 국소화된다. 슬립 띠는, 냉간 가공 동안 Ti-6Al-4V 합금의 파손을 초래하는 연성의 손실, 균열 핵생성, 및 균열 전파를 야기한다.

따라서, 일반적으로 Ti-6Al-4V 합금은 상승된 온도, 일반적으로 α₂ 솔버스 온도 이상에서 가공(가령, 단조, 압연, 인발, 등)된다. Ti-6Al-4V 합금은 냉간 변형 동안 높은 빈도의 균열(즉, 작업부재 파손) 때문에, 강도를 증가시키기 위해 효과적으로 냉간 가공될 수 없다. 그러나 미국 특허 출원 공개 번호 제2004/0221929호에 기재된 바와 같이 코사카 합금이 상당한 정도의 냉간 변형성/가공성을 가짐이 예기치않게 발견되었으며, 상기 미국 특허 출원은 본원에서 참조로서 포함된다.

코사카 합금은 냉간 가공 동안 슬립 띠를 보이지 않으며, 따라서 냉간 가공 동안 Ti-6Al-4V 합금보다 상당히 더 적은 균열을 보이는 것으로 판단됐다. 이론에 구애받지 않고, 코사카 합금에서의 슬립 띠의 부재는 알루미늄 및 산소 단범위 규칙의 최소화에 기여할 수 있다고 여겨진다. 덧붙이자면, 예를 들어, α₂-상 솔버스 온도(미국, 위스콘신, 매디슨에 소재하는 CompuTherm LLC의 Pandat software를 이용해 결정된, Ti-6Al-4V에 대한 1305℉/707℃ (최대 0.15 중량% 산소) 및 Ti-4Al-2.5V-1.5Fe-0.25O에 대한 1062℉/572℃)에 대한 균형 모델에 의해 증명되는 것처럼, α₂-상 안정도는 Ti-6Al-4V에 비교할 때 코사카 합금에서 더 낮다. 따라서 코사카 합금은 고강도를 수득하고 가공 가능한 수준의 연성을 유지하도록 냉간 가공될 수 있다. 덧붙여, 코사카 합금은 냉간 가공되고 시효 처리되어, 냉간 가공만 할 때보다 향상된 강도 및 향상된 연성을 수득하도록 할 수 있다. 따라서 코사카 합금은 STA 상태의 Ti-6Al-4V 합금의 강도 및 연성에 비교될만한 또는 더 우수한 강도 및 연성을, STA 공정에 대한 필요성과 한계 없이, 수득할 수 있다.

일반적으로 "냉간 가공(cold working)"은 물질의 유동 응력이 유의미하게 약화되는 온도보다 낮은 온도에서 합금을 가공하는 것을 일컫는다. 개시된 공정과 관련하여 본원에서 사용될 때, "냉간 가공", "냉간 가공된", "냉간 성형", 및 이와 유사한 용어, 또는 특정 가공 또는 형성 기법과 관련하여 사용되는 "냉간"은 경우에 따라, 약 500℉(260℃) 이하의 온도에서의 가공이나, 가공의 특성을 지칭한다. 따라서 예를 들어, 본원에서, 주변 온도 내지 500℉(260℃)의 범위의 온도로 코사카 합금 작업부재에 수행되는 인발 작업이 냉간 가공이라고 간주된다. 또한, 일반적으로 본원에서 용어 "가공", "성형", 및 "변형"은 상호교체 가능하게 사용되며, 용어 "가공성(workability)", "성형성(formability)", 및 "변형성(deformability)" 등도 마찬가지이다. 본 출원과 관련하여, "냉간 가공", "냉간 가공된", "냉간 성형", 및 이와 유사한 용어에 적용되는 의미는 다른 맥락에서 또는 다른 발명과 관련해서 사용되는 이들 용어의 의미를 제한하려는 의도를 갖지 않으며 제한하지도 않는다.

다양한 구체 예에서, 본원에 개시된 공정은 주변 온도 내지 500℉ (260℃)의 범위의 온도에서 α+β 티타늄 합금을 냉간 가공하는 것을 포함할 수 있다. 냉간 가공 작업 후, α+β 티타늄 합금은 700℉ 내지 1200℉(371-649℃)의 범위의 온도에서 시효 처리될 수 있다.

기계적 작업, 가령, 냉간 인발 통과(cold draw pass)가 특정 온도에서, 또는 특정 온도 범위 내에서 실시 또는 수행되는 것 등으로 기재될 때, 기계적 작업은 상기 기계적 작업의 개시 시에 특정 온도이거나 특정 온도 범위 내에 있는 작업부재에서 수행된다. 기계적 작업의 과정 동안, 작업부재의 온도는 기계적 작업의 개시 시의 작업부재의 초기 온도에서부터 변할 수 있다. 예를 들어, 작업부재의 온도는 단열 가열(adiabatic heating)로 인해 증가하거나, 가공 작업 동안의 전도성, 대류성, 및/또는 복사성 냉각으로 인해 감소할 수 있다. 기계적 작업의 개시 시의 초기 온도에서부터의 온도 변동의 크기 및 방향은 다양한 파라미터, 가령, 작업부재에 수행되는 가공의 수준, 가공이 수행되는 오염률, 기계적 작업의 개시 시의 작업부재의 초기 온도, 및 주위 환경의 온도에 따라 달라질 수 있다.

본원에서 열 작업, 가령, 시효 열 처리가 특정 온도에서 특정 시간 동안, 또는 특정 온도 범위 및 시간 범위 내에서 실시되는 것으로 기재될 때, 작업은 작업부재를 일정 온도로 유지하는 특정 시간 동안 수행된다. 본원에 기재된 열 작업, 가령, 시효 열 처리에 대한 시간은, 가령, 작업부재의 크기와 형태에 따라 달라질 수 있는 승온(heat-up) 및 강온(cool-down) 시간을 포함하지 않는다.

다양한 구체 예에서, α+β 티타늄 합금은 주변 온도 내지 500℉(260℃)의 범위의 온도에서, 또는 이의 임의의 부분 범위에서, 가령, 주변 온도 내지 450℉(232℃), 주변 온도 내지 400℉(204℃), 주변 온도 내지 350℉(177℃), 주변 온도 내지 300℉(149℃), 주변 온도 내지 250℉(121℃), 주변 온도 내지 200℉(93℃), 또는 주변 온도 내지 150℉ (65℃)에서 냉간 가공될 수 있다. 다양한 구체 예에서, α+β 티타늄 합금은 주변 온도에서 냉간 가공된다.

다양한 구체 예에서, 인발, 심가공(deep drawing), 압연, 롤 성형(roll forming), 단조, 압출, 필거링(pilgering), 로킹(rocking), 플로우 터닝(flow-turning), 전단 스피닝(shear-spinning), 액압 성형(hydro-forming), 벌지 성형(bulge forming), 스웨이징(swaging), 충격 압출, 폭발 성형, 고무 성형, 후방 압출, 피어싱(piercing), 스피닝(spinning), 인장 성형(stretch forming), 프레스 굽힘(press bending), 전자기 성형, 압조(heading), 코이닝(coining), 및 이들의 임의의 조합 등의, 그러나 이에 국한되지 않는 성형 기법을 이용하여 α+β 티타늄 합금의 냉간 가공이 수행될 수 있다. 본원에 개시된 공정과 관련하여, 이들 성형 기법은 500℉(260℃) 이하의 온도에서 수행될 때 α+β 티타늄 합금에 냉간 가공을 적용한다.

다양한 구체 예에서, α+β 티타늄 합금은 20% 내지 60%의 범위의 면적 감소까지 냉간 가공될 수 있다. 예를 들어, 20% 내지 60%의 퍼센트만큼 작업부재의 단면적이 감소되도록, α+β 티타늄 합금 작업부재, 가령, 잉곳, 빌렛(billet), 바(bar), 로드(rod), 관(tube), 슬래브(slab), 또는 판이, 예를 들어 냉간 인발, 냉간 압연, 냉간 압출, 또는 냉간 단조 작업으로 소성 변형될 수 있다. 원통형 작업부재, 가령, 라운드형 잉곳, 빌렛, 바, 로드, 및 관의 경우, 인발 다이, 압출 다이, 등을 통과하는 작업부재의 움직임 방향에 일반적으로 수직인 작업부재의 원형 또는 환형 단면에 대해 면적 감소가 측정된다. 마찬가지로, 압연가공된 작업부재의 면적 감소는, 압연 장치의 롤(roll) 등을 통과하는 작업부재의 움직임 방향에 일반적으로 수직인 작업부재의 단면에 대해 측정된다.

다양한 구체 예에서, α+β 티타늄 합금은 20% 내지 60%의 면적 감소까지, 또는 이의 임의의 부분 범위, 가령, 30% 내지 60%, 40% 내지 60%, 50% 내지 60%, 20% 내지 50%, 20% 내지 40%, 20% 내지 30%, 30% 내지 50%, 30% 내지 40%, 또는 40% 내지 50%까지 냉간 가공될 수 있다. α+β 티타늄 합금은, 어떠한 식별될 수 있는 에지 균열(edge cracking) 또는 그 밖의 다른 표면 균열 없이, 20% 내지 60%의 면적 감소까지 냉간 가공될 수 있다. 냉간 가공은 어떠한 중간 응력제거 소둔(stress-relief annealing) 없이 수행될 수 있다. 이러한 방식으로, 본원에 개시된 공정의 다양한 구체 예는 순차적인 냉간 가공 작업들, 예를 들어, 냉간 인발 장치의 2회 이상 통과(pass) 사이에 어떠한 중간 응력제거 소둔 없이도 최대 60%의 면적 감소를 수득할 수 있다.

다양한 구체 예에서, 냉간 가공 작업은 적어도 2회의 변형 사이클(deformation cycle)을 포함할 수 있으며, 각각의 변형 사이클은 α+β 티타늄 합금을 적어도 10% 면적 감소까지 냉간 가공하는 것을 포함한다. 다양한 구체 예에서, 냉간 가공 작업은 적어도 2회의 변형 사이클을 포함하고, 각각의 변형 사이클은 α+β 티타늄 합금을 적어도 20% 면적 감소까지 냉간 가공하는 것을 포함한다. 상기 적어도 2회의 변형 사이클은 어떠한 중간 응력제거 소둔 없이, 최대 60%의 면적 감소를 수득할 수 있다.

예를 들어, 냉간 인발 작업에서, 주변 온도에서의 제 1 인발 통과(draw pass)에서 바(bar)가 20% 초과의 면적 감소까지 냉간 인발될 수 있다. 그 후, 20% 초과의 냉간 인발된 바는, 주변 온도에서의 제 2 인발 통과에서, 두 번째의 20% 초과의 면적 감소까지 냉간 인발될 수 있다. 두 번의 냉간 인발 통과는 상기 두 번의 통과 사이에 어떠한 중간 응력제거 소둔 없이도 수행될 수 있다. 이러한 방식으로, α+β 티타늄 합금은 적어도 2회의 변형 사이클을 이용해 냉간 가공되어, 더 큰 총 면적 감소를 수득할 수 있다. 냉간 가공 작업의 특정 구현예에서, α+β 티타늄 합금의 냉간 변형을 위해 필요한 힘은 파라미터, 가령, 작업부재의 크기 및 형태, 합금 물질의 항복 강도, 변형의 정도(가령, 면적 감소), 및 구체적 냉간 가공 기법에 따라 달라질 것이다.

다양한 구체 예에서, 냉간 가공 작업 후, 냉간 가공된 α+β 티타늄 합금은 700℉ 내지 1200℉(371-649℃)의 온도에서, 또는 이의 임의의 부분 범위에서, 가령, 800℉ 내지 1150℉, 850℉ 내지 1150℉, 800℉ 내지 1100℉, 또는 850℉ 내지 1100℉(즉, 427-621℃, 454-621℃, 427-593℃, 또는 454-593℃)에서 시효 처리될 수 있다. 시효 열 처리는 기계적 속성, 가령, 규정 극한 인장 강도, 규정 항복 강도, 및/또는 규정 연신률(elongation)의 규정 조합을 제공하기에 충분한 온도 및 시간 동안 수행될 수 있다. 다양한 구체 예에서, 가령, 시효 열 처리는 고정 온도에서 최대 50시간 동안 수행될 수 있다. 다양한 구체 예에서, 시효 열 처리는 고정 온도에서 0.5 내지 10 시간 동안, 또는 이의 임의의 부분 범위, 가령, 고정온도에서 1 내지 8시간 동안 수행될 수 있다. 시효 열 처리는 온도 제어식 노(temperature-controlled furnace), 가령, 옥외 가스로에서 수행될 수 있다.

다양한 구체 예에서, 본원에 개시된 공정은 냉간 가공 작업 전에 수행되는 열간 가공 작업을 더 포함할 수 있다. 열간 가공 작업은 α+β 상 장(α+β phase field)에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 열간 가공 작업은 α+β 티타늄 합금의 β-변태 온도보다 300℉ 내지 25℉(167-15℃)의 범위만큼 낮은 온도에서 수행될 수 있다. 일반적으로 코사카 합금은 약 1765℉ 내지 1800℉(963-982℃)의 β-변태 온도를 가진다. 다양한 구체 예에서, α+β 티타늄 합금은 1500℉ 내지 1775℉(815-968℃)의 범위의 온도에서, 또는 이의 임의의 부분 범위, 가령, 1600℉ 내지 1775℉, 1600℉ 내지 1750℉, 또는 1600℉ 내지 1700℉ (즉, 871-968℃, 871-954℃, 또는 871-927℃)에서 열간 가공될 수 있다.

냉간 가공 작업 전에 열간 가공 작업을 포함하는 구체 예에서, 본원에 개시된 공정은 열간 가공 작업과 냉간 가공 작업 사이에 선택사항적 소둔, 또는 응력제거 열 처리를 더 포함할 수 있다. 열간 가공된 α+β 티타늄 합금은 1200℉ 내지 1500℉ (649-815℃)의 범위의 온도에서, 또는 이의 임의의 부분 범위, 가령, 1200℉ 내지 1400℉ 또는 1250℉ 내지 1300℉ (즉, 649-760℃ 또는 677-704℃)에서 소둔될 수 있다.

다양한 구체 예에서, 본원에 개시된 공정은, α+β 상 장에서 수행되는 열간 가공 작업 전에 β-상 장에서 수행되는 선택사항적 열간 가공 작업을 포함할 수 있다. 예를 들어, 티타늄 합금 잉곳이 β-상 장에서 열간 가공되어 중간 물품을 성형할 수 있다. 상기 중간 물품은 α+β 상 장에서 열간 가공되어 α+β 상 미세구조를 전개할 수 있다. 열간 가공 후, 중간 물품은 응력제거 소둔되고, 그 후 주변 온도 내지 500℉(260℃)의 범위의 온도에서 냉간 가공될 수 있다. 냉간 가공된 물품은 700℉ 내지 1200℉(371-649℃)의 범위의 온도에서 시효 처리될 수 있다. β-상 장에서 선택사항적 열간 가공이 합금의 β-변태 온도보다 높은 온도에서, 가령, 1800℉ 내지 2300℉(982-1260℃)의 범위의 온도에서, 또는 이의 임의의 부분 범위, 가령, 1900℉ 내지 2300℉ 또는 1900℉ 내지 2100℉ (즉, 1038-1260℃ 또는 1038-1149℃)에서 수행된다.

다양한 구체 예에서, 본원에 개시된 공정은 주변 온도에서 155ksi 내지 200ksi(1069-1379MPa)의 범위의 극한 인장 강도 및 8% 내지 20%의 범위의 연신률을 갖는 α+β 티타늄 합금 물품의 성형에 의해 특징지어질 수 있다. 또한 다양한 구체 예에서, 본원에 개시된 공정은 주변 온도에서 160ksi 내지 180ksi(1103-1241MPa)의 범위의 극한 인장 강도 및 8% 내지 20%의 범위의 연신률을 갖는 α+β 티타늄 합금 물품의 성형에 의해 특징지어질 수 있다. 덧붙이자면, 다양한 구체 예에서, 본원에 개시된 공정은 주변 온도에서 165ksi 내지 180ksi(1138-1241MPa)의 범위의 극한 인장 강도 및 8% 내지 17%의 범위의 연신률을 갖는 α+β 티타늄 합금 물품의 성형에 의해 특징지어질 수 있다.

다양한 구체 예에서, 본원에 개시된 공정은 주변 온도에서 140ksi 내지 165ksi(965-1138MPa)의 범위의 항복 강도 및 8% 내지 20%의 범위의 연신률을 갖는 α+β 티타늄 합금 물품의 성형에 의해 특징지어질 수 있다. 덧붙이자면, 다양한 구체 예에서, 본원에 개시된 공정은 주변 온도에서 155ksi 내지 165ksi(1069-1138MPa)의 범위의 항복 강도 및 8% 내지 15%의 범위의 연신률을 갖는 α+β 티타늄 합금 물품의 성형에 의해 특징지어질 수 있다.

다양한 구체 예에서, 본원에 개시된 공정은, 주변 온도에서, 155ksi 내지 200ksi (1069-1379Mpa) 내에 포함되는 임의의 부분 범위의 극한 인장 강도, 140ksi 내지 165ksi (965-1138Mpa) 내에 포함되는 임의의 부분 범위의 항복 강도, 및 8% 내지 20% 내에 포함되는 임의의 부분 범위의 연신률을 갖는 α+β 티타늄 합금 물품의 성형에 의해 특징지어질 수 있다.

다양한 구체 예에서, 본원에 개시된 공정은 주변 온도에서 155ksi보다 큰 극한 인장 강도, 140ksi보다 큰 항복 강도, 및 8%보다 큰 연신률을 갖는 α+β 티타늄 합금 물품의 성형에 의해 특징지어질 수 있다. 다양한 구체 예에 따라 성형되는 α+β 티타늄 합금 물품은 주변 온도에서 166ksi 초과, 175ksi 초과, 185ksi 초과, 또는 195ksi 초과의 극한 인장 강도를 가질 수 있다. 다양한 구체 예에 따라 성형되는 α+β 티타늄 합금 물품은 주변 온도에서 145ksi 초과, 155ksi 초과, 또는 160ksi 초과의 항복 강도를 가질 수 있다. 다양한 구체 예에 따라 성형되는 α+β 티타늄 합금 물품은 주변 온도에서 8% 초과, 10% 초과, 12% 초과, 14% 초과, 16% 초과, 또는 18% 초과의 연신률을 가질 수 있다.

다양한 구체 예에서, 본원에 개시된 공정은, 용체화 처리 및 시효 처리된(STA) 상태의 Ti-6Al-4V 합금으로 이루어진 다른 경우의 동일한 물품의 주변 온도에서의 극한 인장 강도, 항복 강도, 및 연신률 이상의, 주변 온도에서의 극한 인장 강도, 항복 강도, 및 연신률을 갖는 α+β 티타늄 합금 물품의 성형에 의해 특징지어질 수 있다.

다양한 구체 예에서, 본원에 개시된 공정은, 중량 퍼센트 단위로, 2.90% 내지 5.00%의 알루미늄, 2.00% 내지 3.00%의 바나듐, 0.40% 내지 2.00%의 철, 0.10% 내지 0.30%의 산소, 불가피한 원소, 및 티타늄을 포함하는, 또는 이들로 이루어진, 또는 이들로 본질적으로 이루어진 α+β 티타늄 합금을 가공 열(thermomechanically) 처리하도록 사용될 수 있다.

본원에 개시된 공정에 따라 가공 열 처리된 α+β 티타늄 합금 내 알루미늄 농도는 2.90 내지 5.00의 범위의 중량 퍼센트, 또는 이의 임의의 부분 범위, 가령, 3.00% 내지 5.00%, 3.50% 내지 4.50%, 3.70% 내지 4.30%, 3.75% 내지 4.25%, 또는 3.90% 내지 4.50%일 수 있다. 본원에 개시된 공정에 따라 가공 열 처리된 α+β 티타늄 합금 내 바나듐 농도는 2.00 내지 3.00의 범위의 중량 퍼센트, 또는 이의 부분 범위, 가령, 2.20% 내지 3.00%, 2.20% 내지 2.80%, 또는 2.30% 내지 2.70%일 수 있다. 본원에 개시된 공정에 따라 가공 열 처리된 α+β 티타늄 합금 내 철 농도는 0.40 내지 2.00의 범위의 중량 퍼센트, 또는 이의 임의의 부분 범위, 가령, 0.50% 내지 2.00%, 1.00% 내지 2.00%, 1.20% 내지 1.80%, 또는 1.30% 내지 1.70%일 수 있다. 본원에 개시된 공정에 따라 가공 열 처리된 α+β 티타늄 합금 내 산소 농도는 0.10 내지 0.30의 범위의 중량 퍼센트, 또는 이의 임의의 부분 범위, 가령, 0.15% 내지 0.30%, 0.10% 내지 0.20%, 0.10% 내지 0.15%, 0.18% 내지 0.28%, 0.20% 내지 0.30%, 0.22% 내지 0.28%, 0.24% 내지 0.30%, 또는 0.23% 내지 0.27%일 수 있다.

다양한 구체 예에서, 본원에 개시된 공정은, 4.00 중량 퍼센트 알루미늄, 2.50 중량 퍼센트 바나듐, 1.50 중량 퍼센트 철, 및 0.25 중량 퍼센트 산소, 티타늄, 및 불가피한 불순물의 공칭 조성(Ti-4Al-2.5V-1.5Fe-0.25O)을 포함하는, 또는 이로 이루어지는, 또는 이로 본질적으로 이루어진 α+β 티타늄 합금을 가공 열 처리하도록 사용될 수 있다. 공칭 조성 Ti-4Al-2.5V-1.5Fe-0.25O을 갖는 α+β 티타늄 합금은 Allegheny Technologies Incorporated의 ATI 425^® 합금으로서 상용화되어 있다.

다양한 구체 예에서, 본원에 개시된 공정이, 티타늄, 알루미늄, 바나듐, 철, 산소, 불가피한 불순물, 및 0.50 중량 퍼센트 미만의 그 밖의 다른 임의의 의도한 합금 원소를 포함하는, 또는 이들로 이루어진, 또는 이들로 본질적으로 이루어진 α+β 티타늄 합금을 가공 열 처리하도록 사용될 수 있다. 다양한 구체 예에서, 본원에 개시된 공정은, 티타늄, 알루미늄, 바나듐, 철, 산소, 및 0.50 중량 퍼센트 미만의 의도한 합금 원소 및 불가피한 불순물을 포함하는 그 밖의 다른 임의의 원소를 포함하는, 또는 이들로 이루어진, 또는 이들로 본질적으로 이루어진 α+β 티타늄 합금을 가공 열 처리하도록 사용될 수 있다. 다양한 구체 예에서, 티타늄, 알루미늄, 바나듐, 철, 및 산소가 아닌 전체 원소(불가피한 불순물 및/또는 의도한 합금 첨가물)의 최대 수준은 0.40 중량 퍼센트, 0.30 중량 퍼센트, 0.25 중량 퍼센트, 0.20 중량 퍼센트, 또는 0.10 중량 퍼센트일 수 있다.

다양한 구체 예에서, 본원에 기재된 바에 따라 처리되는 α+β 티타늄 합금은 본원에 참조로서 포함되며 표 1에서 (중량 퍼센트로) 제공되는 조성을 규정하는 AMS 6946A, 섹션 3.1에 따르는 조성을 포함하거나, 이로 이루어지거나, 또는 이로 본질적으로 이루어질 수 있다.

다양한 구체 예에서, 본원에 기재된 바와 같이 처리되는 α+β 티타늄 합금은 티타늄, 알루미늄, 바나듐, 철, 및 산소외의 다양한 원소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 이러한 기타 원소들, 및 그들의 중량 퍼센트는 다음 중 하나 이상을 포함할 수 있지만, 이에 한정될 필요는 없다: (a) 크롬, 0.10% 최댓값, 일반적으로 0.0001% 내지 0.05%, 또는 최대 약 0.03%까지; (b) 니켈, 0.10% 최댓값, 일반적으로 0.001% 내지 0.05%, 또는 최대 약 0.02%까지; (c) 몰리브덴, 0.10% 최댓값; (d) 지르코늄, 0.10% 최댓값; (e) 주석, 0.10% 최댓값; (f) 탄소, 0.10% 최댓값, 일반적으로 0.005% 내지 0.03%, 또는 최대 약 0.01%까지; 및/또는 (g) 질소, 0.10% 최댓값, 일반적으로 0.001% 내지 0.02%, 또는 최대 약 0.01%까지.

본원에 개시된 공정은 물품, 가령, 빌렛, 바, 로드, 선(wire), 관(tube), 파이프(pipe), 슬래브, 판, 구조 부재, 패스너(fastener), 리벳(rivet), 등을 성형하기 위해 사용될 수 있다. 다양한 구체 예에서, 본원에 개시된 공정은 주변 온도에서 155ksi 내지 200ksi(1069-1379Mpa)의 범위의 극한 인장 강도, 140ksi 내지 165ksi(965-1138Mpa)의 범위의 항복 강도, 및, 8% 내지 20%의 범위의 연신률을 가지며, 0.5인치 초과, 1.0인치 초과, 2.0인치 초과, 3.0인치 초과, 4.0인치 초과, 5.0인치 초과, 또는 10.0인치 초과(즉, 1.27cm, 2.54cm, 5.08cm, 7.62cm, 10.16cm, 12.70cm, 또는 24.50cm 초과)의 최소 치수(가령, 지름 또는 두께)를 갖는 물품을 생산한다.

덧붙여, 본원에 개시된 공정의 구체 예의 다양한 이점들 중 하나가 고강도 α+β 티타늄 합금 물품이, STA 공정의 내재적 한계인 크기 한계 없이 형성될 수 있다는 것이다. 따라서 본원에 개시된 공정은, 물품의 작은 치수(가령, 지름이나 두께)의 최댓값에 어떠한 내재적 한계도 없이 주변 온도에서 165ksi(1138MPa) 초과의 극한 인장 강도, 155ksi(1069MPa) 초과의 항복 강도, 및 8% 초과의 연신률을 갖는 물품을 생산할 수 있다. 따라서 최대 크기 한계는 본원에 개시된 구체 예에 따라 냉간 가공을 수행하도록 사용되는 냉간 가공 기기의 크기 한계에 의해서만 발생한다. 이와 달리, STA 공정은 고강도를 수득할 수 있는 물품의 작은 치수의 최댓값에 내재적 한계를 두는데, 가령, 실온에서 적어도 165ksi(1138MPa)의 극한 인장 강도 및 적어도 155ksi(1069MPa)의 항복 강도를 보이는 Ti-6Al-4V 물품의 경우 최댓값이 0.5인치(1.27cm)이다. AMS 6930A를 참조할 수 있다.

덧붙여, 본원에 개시된 공정은, 낮거나 0인 열응력을 가지며, STA 공정을 이용해 생산된 고강도 물품보다 더 우수한 치수 허용오차(dimensional tolerance)를 갖는 고강도의 α+β 티타늄 합금 물품을 생산할 수 있다. 본원에 개시된 공정에 따르는 냉간 인발 및 직접 시효 처리는 문제적 내부 열응력을 주지 않고, 물품의 뒤틀림을 초래하지 않으며, α+β 티타늄 합금 물품의 STA 공정의 경우 발생하는 것으로 알려진 물품의 치수 왜곡을 초래하지 않는다.

또한 본원에 개시된 공정은 냉간 가공의 수준 및 시효 처리의 시간/온도에 따라 달라지는 넓은 범위에 속하는 기계적 속성을 갖는 α+β 티타늄 합금 물품을 성형하도록 사용될 수 있다. 다양한 구체 예에서, 극한 인장 강도는 약 155ksi에서부터 180ksi 초과까지(약 1069MPa에서부터 1241MPa 초과까지)의 범위일 수 있고, 항복 강도는 약 140ksi 내지 약 163ksi(965-1124MPa)의 범위일 수 있고, 연신률은 약 8%에서부터 19% 초과까지의 범위일 수 있다. 냉간 가공과 시효 처리의 상이한 조합들을 통해 상이한 기계적 속성들이 얻어질 수 있다. 다양한 구체 예에서, 높은 수준의 냉각 가공(가령, 감소)일수록 높은 강도 및 높은 연성(ductility)과 상호관련될 수 있고, 높은 시효 온도일수록 낮은 강도 및 높은 연성과 상호관련될 수 있다. 이러한 방식으로, 본원에 개시된 구체 예에 따라 냉간 가공 및 시효 사이클이 특정되어, α+β 티타늄 합금 물품에서 제어되고 재현 가능한 수준의 강도 및 연성을 수득할 수 있다. 이는 맞춤 기계적 속성을 갖는 α+β 티타늄 합금 물품을 가능하게 한다.

이하의 예시적이며 비제한적인 실시예들이 본 발명의 범위를 한정하지 않고 다양한 비제한적 구체 예를 추가로 설명하도록 의도된다. 당해분야의 숙련가라면 실시예들의 변형이 청구항에 의해 규정되는 발명의 범위 내에서 가능함을 알 것이다.

실시예

실시예 1

표 2에 제공되는 평균 화학 조성(불가피한 불순물은 불포함)을 갖는 2개의 서로 다른 히트로부터의 합금의 5.0인치 지름의 원통형 빌렛이 α+β 상 장에서 1600℉(871℃)의 온도로 열간 압연되어 1.0인치 지름의 라운드형 바를 성형하였다.

1.0인치 의 라운드형 바는 1시간 동안 1275℉의 온도로 소둔되었고, 주변 온도까지 공기 냉각되었다. 바의 지름을 감소시키기 위해, 인발 작업을 이용해, 소둔된 바가 주변 온도에서 냉간 가공되었다. 냉간 인발 작업 동안 바에 수행된 냉간 가공의 정도가 냉간 인발 동안 라운드형 바의 원형 단면적의 퍼센트 감소로 정량화되었다. 수득된 냉간 가공 퍼센트는 20%, 30%, 또는 40%의 면적 감소(RA)였다. 인발 작업은 어떠한 중간 소둔 없이, 20% 면적 감소의 단일 인발 통과 및 30% 및 40% 면적 감소율의 2회 인발 통과를 이용해 수행되었다.

주변 온도에서 각각의 냉간 인발된 바(20%, 30%, 및 40% RA)와 냉간 인발되지 않은 1-인치 지름 바(0% RA)에 대해 극한 인장 강도(UTS), 항복 강도(YS), 및 연신률(%)이 측정되었다. 평균낸 결과가 표 3과 도 1 및 2에서 제공된다.

일반적으로 극한 인장 강도는 냉간 가공 수준이 증가함에 따라 증가하는 반면에, 연신률은 냉간 가공 수준이 최대 약 20-30% 냉간 가공까지 증가함에 따라 감소한다. 30% 및 40%까지 냉간 가공된 합금은 180ksi를 초과하고 190ksi에 근접하는 극한 인장 강도와 함께 약 8%의 연신률을 유지했다. 30% 및 40%로 냉간 가공된 합금은 또한, 150ksi 내지 170ksi의 범위의 항복 강도를 보였다.

실시예 2

표 1에 제공되는 히트 X(1790℉의 β-변태 온도)의 평균 화학 조성을 갖는 5-인치 지름의 원통형 빌렛이, 실시예 1에서 기재된 것처럼 가공 열 처리되어, 20%, 30%, 또는 40%의 면적 감소의 냉간 가공 퍼센트 비율을 갖는 라운드형 바를 성형하였다. 냉간 인발 후, 바는 표 4에 제공되는 시효 사이클들 중 하나를 이용해 직접 시효 처리되었고, 그 후 주변 온도까지 공기 냉각되었다.

주변 온도에서, 각각의 냉간 인발되고 시효 처리된 바에 대해 극한 인장 강도, 항복 강도, 및 연신률이 측정되었다. 원 데이터가 도 3에 제공되고, 평균낸 데이터가 도 4와 표 5에 제공된다.

냉간 인발되고 시효 처리된 합금은 냉간 가공 수준 및 시효 처리의 시간/온도 사이클에 따르는 기계적 속성의 범위를 보인다. 극한 인장 강도는 약 155ksi에서부터 180ksi 초과까지의 범위를 가졌다. 항복 강도는 약 140ksi 내지 약 163ksi의 범위를 가졌다. 연신률은 약 11%에서부터 19% 초과까지의 범위를 가졌다. 따라서 냉간 가공 수준 및 시효 처리의 상이한 조합을 통해 상이한 기계적 속성이 수득될 수 있다.

일반적으로 높은 냉간 가공 수준일수록 높은 강도 및 낮은 연성과 상호관련되었다. 일반적으로 높은 시효 처리 온도일수록 낮은 강도와 상호관련되었다. 이는 각각 20%, 30%, 및 40% 면적 감소의 냉간 가공 퍼센트에 대한 강도(평균 UTS 및 평균 YS) 대 온도의 그래프인 도 5, 6 및 7에서 나타난다. 일반적으로 높은 시효 처리 온도일수록 높은 연성과 상호관련되었다. 이는 각각 20%, 30%, 및 40%의 면적 감소의 냉간 가공 퍼센트에 대한 평균 연신률 대 온도의 그래프인 도 8, 9, 및 10에서 나타난다. 각각 20% 면적 감소의 냉간 가공 퍼센트에 대한 강도 대 시간 및 연신률 대 시간의 그래프인 도 11 및 12에 나타난 것처럼, 시효 처리의 지속시간은 기계적 속성에 유의미한 영향을 미치는 것으로 보이지 않는다.

실시예 3

표 1에 제공된 히트 X의 화학적 조성을 갖고 0.75인치 의 지름을 가지며, 실시예 1 및 2에서 기재된 바에 따라 인발 작업 동안 40% 면적 감소까지 처리된 냉간 인발된 라운드형 바가 NASM 1312-13(Aerospace Industries Association, 2003년02월01일, 본원에서 참조로서 포함됨)에 따라 이면 전단 시험(double shear test)되었다. 이면 전단 시험은 고강도 패스너 스톡(fastener stock)의 생산을 위해 합금 화학 및 가공 열 처리의 이러한 조합의 적용 가능성에 대한 평가를 제공한다. 라운드 바의 제 1 세트가 인발만된 상태(as-drawn condition)에서 시험되었고 라운드 바의 제 2 세트는 1시간 동안 850℉에서 시효 처리되고 주변 온도까지 공기 냉각된 후 시험되었다(850/1/AC). 이면 전단 강도 결과가 극한 인장 강도, 항복 강도, 및 연신률에 대한 평균 값들과 함께, 표 5에 제공된다. 비교 목적으로, Ti-6Al-4V 패스너 스톡의 이들 기계적 속성에 대한 최소 규정 값도 표 6에 제공된다.

냉간 인발되고 시효 처리된 합금이 Ti-6Al-4V 패스너 스톡 적용 분야에 대한 최소 규정 값보다 우수한 기계적 속성을 보였다. 따라서 본원에 개시된 공정은 STA 공정을 이용한 Ti-6Al-4V 물품의 생산의 더 효과적인 대안을 제시할 수 있다.

본원에 개시된 다양한 구체 예에 따라, 중량 퍼센트 단위로, 2.90 내지 5.00의 알루미늄, 2.00 내지 3.00의 바나듐, 0.40 내지 2.00의 철, 0.10 내지 0.30의 산소, 및 티타늄을 포함하는 α+β 티타늄 합금을 냉간 가공 및 시효 처리하는 것은, 가령 일반적인 우주항공 적용 분야 및 패스너 적용 분야를 포함해 다양한 적용 분야에 대한 Ti-6Al-4V 합금의 최소 규정 기계적 속성을 초과하는 기계적 속성을 갖는 합금 물품을 생산한다. 앞서 언급된 바와 같이, Ti-6Al-4V 합금은 예를 들어 우주항공 적용 분야와 같은 중요 적용 분야의 경우 필요한 강도를 수득하기 위해 STA 공정을 필요로 한다. 따라서 고강도 Ti-6Al-4V 합금은, 물질의 내재적 물리적 속성과 STA 공정 동안의 고속 담금질에 대한 요건 때문에 물품의 크기에 의해 제한된다. 이와 달리, 본원에 기재된 바에 따르는, 고강도의 냉간 가공되고 시효 처리된 α+β 티타늄 합금은, 물품 크기 및 치수와 관련해 제한되지 않는다. 더욱이, 본원에 기재된 바에 따르는 고강도의 냉간 가공되고 시효 처리된 α+β 티타늄 합금은, STA 공정 동안 더 두꺼운 섹션의 Ti-6Al-4V 합금 물품의 특성일 수 있는 큰 열 응력 및 내부 응력 또는 뒤틀림을 겪지 않는다.

본원은 다양한 예시적, 설명적, 및 비제한적 구체 예를 참조하여 기재되었다. 그러나 당해분야의 숙련가라면 다양한 치환예, 수정예, 또는 개시된 구체 예들 중 임의의 구체 예(또는 그 부분)의 조합이 본 발명의 범위 내에서 이뤄질 수 있음을 알 것이다. 따라서 본 발명은 본원에 명시적으로 제공되지 않은 추가적인 구체 예들을 포함함이 이해된다. 이러한 구체 예는 예를 들어, 본원에 개시된 구체 예의 개시된 단계, 구성요소, 원소, 특징, 형태, 특성, 한정, 등 중 임의의 것을 조합, 수정, 또는 재구성함으로써, 얻어질 수 있다. 이와 관련해, 출원인은 사건 진행 동안 본원에서 다양하게 기재된 특징들을 추가하기 위해 청구항을 보정할 권리를 가진다.

Claims

α+β 티타늄 합금으로부터 물품을 성형하기 위한 방법에 있어서, 상기 방법은
상온(ambient temperature) 내지 500℉의 범위의 온도에서 α+β 티타늄 합금을 냉간 가공하는 단계, 및
700℉ 내지 1200℉의 범위의 온도에서 냉간 가공된 α+β 티타늄 합금을 직접 시효 처리하는 단계
를 포함하며, 상기 α+β 티타늄 합금은, 중량 퍼센트 단위로, 2.90 내지 5.00의 알루미늄, 2.00 내지 3.00의 바나듐, 0.40 내지 2.00의 철, 0.10 내지 0.30의 산소, 잔량부로서 티타늄 및 불가피한 불순물을 포함하고
냉간 가공 및 직접 시효 처리는 상온에서 155ksi 내지 200ksi의 범위의 극한 인장 강도 및 8% 내지 20%의 범위의 연신률을 갖는 α+β 티타늄 합금 물품을 성형하는, 물품을 성형하기 위한 방법.
청구항 1에 있어서, 냉간 가공 및 시효 처리는 상온에서 165ksi 내지 180ksi의 범위의 극한 인장 강도 및 8% 내지 17%의 범위의 연신률을 갖는 α+β 티타늄 합금 물품을 성형하는, 물품을 성형하기 위한 방법.
청구항 1에 있어서, 냉간 가공 및 시효 처리는 상온에서 140ksi 내지 165ksi의 범위의 항복 강도 및 8% 내지 20%의 범위의 연신률을 갖는 α+β 티타늄 합금 물품을 성형하는, 물품을 성형하기 위한 방법.
청구항 1에 있어서, 냉간 가공 및 시효 처리는 상온에서 155ksi 내지 165ksi의 범위의 항복 강도 및 8% 내지 15%의 범위의 연신률을 갖는 α+β 티타늄 합금 물품을 성형하는, 물품을 성형하기 위한 방법.
삭제
청구항 1에 있어서, α+β 티타늄 합금을 20% 내지 60%의 면적 감소까지 냉간 가공하는 단계를 포함하는, 물품을 성형하기 위한 방법.
청구항 1에 있어서, α+β 티타늄 합금을 20% 내지 40%의 면적 감소까지 냉간 가공하는 단계를 포함하는, 물품을 성형하기 위한 방법.
청구항 1에 있어서, α+β 티타늄 합금의 냉간 가공은, 적어도 2회의 변형 사이클(deformation cycle)을 포함하고, 각각의 사이클은 α+β 티타늄 합금을 적어도 10% 면적 감소까지 냉간 가공하는 것을 포함하는, 물품을 성형하기 위한 방법.
청구항 1에 있어서, α+β 티타늄 합금의 냉간 가공은 적어도 2회의 변형 사이클을 포함하고, 각각의 사이클은 α+β 티타늄 합금을 적어도 20% 면적 감소까지 냉간 가공하는 것을 포함하는, 물품을 성형하기 위한 방법.
청구항 1에 있어서, 상온 내지 400℉의 범위의 온도에서 α+β 티타늄 합금을 냉간 가공하는 단계를 포함하는, 물품을 성형하기 위한 방법.
청구항 1에 있어서, 상온에서, α+β 티타늄 합금을 냉간 가공하는 단계를 포함하는, 물품을 성형하기 위한 방법.
청구항 1에 있어서, 냉간 가공 후, 800℉ 내지 1150℉의 범위의 온도에서 α+β 티타늄 합금을 시효 처리하는 단계를 포함하는, 물품을 성형하기 위한 방법.
청구항 1에 있어서, 냉간 가공 후, 850℉ 내지 1100℉의 범위의 온도에서 α+β 티타늄 합금을 시효 처리하는 단계를 포함하는, 물품을 성형하기 위한 방법.
청구항 1에 있어서, 최대 50시간 동안 α+β 티타늄 합금을 시효 처리하는 단계를 포함하는, 물품을 성형하기 위한 방법.
청구항 14에 있어서, 0.5 내지 10시간 동안 α+β 티타늄 합금을 시효 처리하는 단계를 포함하는, 물품을 성형하기 위한 방법.
청구항 1에 있어서, α+β 티타늄 합금을, α+β 티타늄 합금의 β-변태 온도(β-transus temperature)보다 300℉ 내지 25℉의 범위만큼 낮은 온도에서 열간 가공하는 단계를 더 포함하며, 상기 열간 가공하는 단계는 냉간 가공하는 단계 전에 수행되는, 물품을 성형하기 위한 방법.
청구항 16에 있어서, 1200℉ 내지 1500℉의 범위의 온도에서 α+β 티타늄 합금을 소둔하는 단계를 더 포함하며, 상기 소둔하는 단계는 열간 가공하는 단계와 냉간 가공하는 단계 사이에 수행되는, 물품을 성형하기 위한 방법.
청구항 16에 있어서, 1500℉ 내지 1775℉의 범위의 온도에서 α+β 티타늄 합금을 열간 가공하는 단계를 포함하는, 물품을 성형하기 위한 방법.
청구항 1에 있어서, α+β 티타늄 합금은, 중량 퍼센트 단위로, 2.90 내지 5.00의 알루미늄, 2.00 내지 3.00의 바나듐, 0.40 내지 2.00의 철, 0.10 내지 0.30의 산소, 잔량부로서 티타늄 및 불가피한 불순물로 이뤄지는, 물품을 성형하기 위한 방법.
청구항 1에 있어서, α+β 티타늄 합금은, 중량 퍼센트 단위로, 3.50 내지 4.50의 알루미늄, 2.00 내지 3.00의 바나듐, 1.00 내지 2.00의 철, 0.10 내지 0.30의 산소, 잔량부로서 티타늄 및 불가피한 불순물을 포함하는, 물품을 성형하기 위한 방법.
청구항 1에 있어서, α+β 티타늄 합금은, 중량 퍼센트 단위로, 3.70 내지 4.30의 알루미늄, 2.20 내지 2.80의 바나듐, 1.20 내지 1.80의 철, 0.22 내지 0.28의 산소, 잔량부로서 티타늄 및 불가피한 불순물을 포함하는, 물품을 성형하기 위한 방법.
청구항 1에 있어서, α+β 티타늄 합금을 냉간 가공하는 단계는 압연, 단조, 압출, 필거링(pilgering), 로킹(rocking), 및 인발로 구성된 군 중에서 선택된 적어도 하나의 작업에 의해 냉간 가공하는 단계를 포함하는, 물품을 성형하기 위한 방법.
청구항 1에 있어서, α+β 티타늄 합금을 냉간 가공하는 단계는 α+β 티타늄 합금을 냉간 인발하는 단계를 포함하는, 물품을 성형하기 위한 방법.
청구항 1의 방법에 따라 성형된 α+β 티타늄 합금 물품.
청구항 24에 있어서, 상기 물품은 빌렛, 바(bar), 로드(rod), 관(tube), 슬래브(slab), 판(plate), 및 패스너(fastener)로 구성된 군 중에서 선택되는, 물품.
청구항 24에 있어서, 물품은 0.5인치 (inch) 초과의 지름 또는 두께, 165ksi 초과의 극한 인장 강도, 155ksi 초과의 항복 강도, 및 12% 초과의 연신률을 갖는, 물품.
청구항 24에 있어서, 물품은 3.0인치 초과의 지름 또는 두께, 165ksi 초과의 극한 인장 강도, 155ksi 초과의 항복 강도, 및 12% 초과의 연신률을 갖는, 물품.
α+β 티타늄 합금으로부터 물품을 성형하기 위한 방법에 있어서, 상기 방법은
α+β 티타늄 합금을, α+β 티타늄 합금의 β-변태 온도(β-transus temperature)보다 300℉ 내지 25℉의 범위만큼 낮은 온도에서 열간 가공하는 단계,
1200℉ 내지 1500℉의 범위의 온도에서 α+β 티타늄 합금을 소둔하는 단계 - 상기 소둔하는 단계는 상기 열간 가공하는 단계 후에 수행됨 - ,
상온 내지 500℉의 범위의 온도에서 α+β 티타늄 합금을 냉간 가공하는 단계 - 상기 냉간 가공하는 단계는 상기 소둔하는 단계 후에 수행됨 - , 및
700℉ 내지 1200℉의 범위의 온도에서 냉간 가공된 α+β 티타늄 합금을 직접 시효 처리하는 단계
를 포함하며, 상기 α+β 티타늄 합금은, 중량 퍼센트 단위로, 2.90 내지 5.00의 알루미늄, 2.00 내지 3.00의 바나듐, 0.40 내지 2.00의 철, 0.10 내지 0.30의 산소, 잔량부로서 티타늄 및 불가피한 불순물을 포함하고,
상기 냉간 가공 및 상기 직접 시효 처리는 상온에서 155ksi 내지 200ksi의 범위의 극한 인장 강도 및 8% 내지 20%의 범위의 연신률을 갖는 α+β 티타늄 합금 물품을 성형하는, 물품을 성형하기 위한 방법.
α+β 티타늄 합금으로부터 물품을 성형하기 위한 방법에 있어서, 상기 방법은
상온 내지 500℉의 범위의 온도에서 α+β 티타늄 합금 바를 인발 처리하여 상기 바의 단면적을 감소시키는 단계, 및
700℉ 내지 1200℉의 범위의 온도에서 인발 처리된 α+β 티타늄 합금 바를 직접 시효 처리하는 단계
를 포함하며, 상기 α+β 티타늄 합금은, 중량 퍼센트 단위로, 2.90 내지 5.00의 알루미늄, 2.00 내지 3.00의 바나듐, 0.40 내지 2.00의 철, 0.10 내지 0.30의 산소, 잔량부로서 티타늄 및 불가피한 불순물을 포함하고
상기 인발 처리 및 상기 직접 시효 처리는 상온에서 155ksi 내지 200ksi의 범위의 극한 인장 강도 및 8% 내지 20%의 범위의 연신률을 갖는 α+β 티타늄 합금 물품을 성형하는, 물품을 성형하기 위한 방법.
청구항 28에 있어서, 1500℉ 내지 1775℉의 범위의 온도에서 α+β 티타늄 합금을 열간 가공하는 단계를 더 포함하는, 물품을 성형하기 위한 방법.
청구항 29에 있어서,
상온 내지 500℉의 범위의 온도에서 α+β 티타늄 합금 바를 인발 처리하기 전에,
α+β 티타늄 합금을, α+β 티타늄 합금의 β-변태 온도(β-transus temperature)보다 300℉ 내지 25℉의 범위만큼 낮은 온도에서 열간 가공함으로써, α+β 티타늄 합금 바를 성형하는 단계를 더 포함하는, 물품을 성형하기 위한 방법.
청구항 31에 있어서, 1200℉ 내지 1500℉의 범위의 온도에서 α+β 티타늄 합금을 소둔하는 단계 - 상기 소둔하는 단계는 상기 열간 가공과 상기 인발 처리 사이에서 수행됨 - 를 더 포함하는, 물품을 성형하기 위한 방법.
상온 내지 500℉의 범위의 온도에서 α+β 티타늄 합금 작업부재를 냉간 인발(cold drawing)하는 단계, 및
700℉ 내지 1200℉의 범위의 온도에서 냉간 인발된 α+β 티타늄 합금 작업부재를 직접 시효 처리하는 단계
를 포함하며, 상기 α+β 티타늄 합금은, 중량 퍼센트 단위로, 2.90 내지 5.00의 알루미늄, 2.00 내지 3.00의 바나듐, 0.40 내지 2.00의 철, 0.10 내지 0.30의 산소, 잔량부로서 티타늄 및 불가피한 불순물을 포함하는, 방법.
청구항 33에 있어서, α+β 티타늄 합금 작업부재를 20% 내지 60%의 면적 감소까지 냉간 인발하는 단계를 포함하는, 방법.
청구항 33에 있어서, α+β 티타늄 합금 작업부재의 냉간 인발은 적어도 2회의 인발 사이클을 포함하며, 각각의 인발 사이클은 α+β 티타늄 합금 부재를 적어도 10% 면적 감소까지 냉간 인발하는 것을 포함하는, 방법.
청구항 33에 있어서, 상온에서 α+β 티타늄 합금 작업부재를 냉간 인발하는 단계를 포함하는, 방법.
청구항 33에 있어서, 800℉ 내지 1100℉의 범위의 온도에서 α+β 티타늄 합금 작업부재를 직접 시효 처리하는 단계를 포함하는, 방법.
청구항 33에 있어서, 온도에서 0.5 내지 10시간 동안 α+β 티타늄 합금 작업부재를 직접 시효 처리하는 단계를 포함하는, 방법.
청구항 33에 있어서, α+β 티타늄 합금 작업부재를, α+β 티타늄 합금의 β-변태 온도(β-transus temperature)보다 300℉ 내지 25℉의 범위만큼 낮은 온도에서 열간 가공하는 단계 - 상기 열간 가공하는 단계는 냉간 인발하는 단계 전에 수행됨 - 를 더 포함하는, 방법.
청구항 33에 있어서, 1500℉ 내지 1775℉의 범위의 온도에서 α+β 티타늄 합금 작업부재를 열간 가공하는 단계 - 상기 열간 가공하는 단계는 냉간 인발하는 단계 전에 수행되는, 방법.
청구항 39에 있어서, 1200℉ 내지 1500℉의 범위의 온도에서 α+β 티타늄 합금을 소둔하는 단계 - 상기 소둔하는 단계는 상기 열간 가공하는 단계와 상기 냉간 인발하는 단계 사이에서 수행됨 - 를 더 포함하는, 방법.
청구항 33에 있어서, 상기 냉간 인발 및 상기 직접 시효 처리는 상온에서 155ksi 내지 200ksi의 범위의 극한 인장 강도 및 8% 내지 20%의 범위의 연신률을 갖는 α+β 티타늄 합금 물품을 성형하는, 방법.
청구항 42에 있어서, α+β 티타늄 합금 물품은 빌렛, 바(bar), 로드(rod), 관(tube), 슬래브(slab), 판(plate), 및 패스너(fastener)로 구성된 군 중에서 선택되는, 방법.
청구항 42에 있어서, α+β 티타늄 합금 물품은 0.5인치 (inch) 초과의 지름 또는 두께, 165ksi 초과의 극한 인장 강도, 155ksi 초과의 항복 강도, 및 12% 초과의 연신률을 갖는, 방법.
상온 내지 500℉의 범위의 온도에서 α+β 티타늄 합금 작업부재를 냉간 가공하는 단계, 및
700℉ 내지 1200℉의 범위의 온도에서 냉간 가공된 α+β 티타늄 합금 작업부재를 직접 시효 처리하는 단계
를 포함하며, 상기 α+β 티타늄 합금은, 중량 퍼센트 단위로, 2.90 내지 5.00의 알루미늄, 2.00 내지 3.00의 바나듐, 0.40 내지 2.00의 철, 0.10 내지 0.30의 산소, 잔량부로서 티타늄 및 불가피한 불순물을 포함하는, 방법.
청구항 45에 있어서, 상기 α+β 티타늄 합금 작업부재를 냉간 가공하는 단계는 압연, 단조, 압출, 필거링(pilgering), 로킹(rocking), 및 인발로 구성된 군 중에서 선택된 적어도 하나의 작업에 의해 냉간 가공하는 단계를 포함하는, 방법.
청구항 45에 있어서, 온도에서 0.5 내지 10시간 동안 α+β 티타늄 합금 작업부재를 직접 시효 처리하는 단계를 포함하는, 방법.
청구항 45에 있어서, α+β 티타늄 합금 작업부재를, α+β 티타늄 합금의 β-변태 온도(β-transus temperature)보다 300℉ 내지 25℉의 범위만큼 낮은 온도에서 열간 가공하는 단계 - 상기 열간 가공하는 단계는 냉간 가공하는 단계 전에 수행됨 - 를 더 포함하는, 방법.
청구항 48에 있어서, 1200℉ 내지 1500℉의 범위의 온도에서 α+β 티타늄 합금을 소둔하는 단계 - 상기 소둔하는 단계는 상기 열간 가공하는 단계와 상기 냉간 가공하는 단계 사이에서 수행됨 - 를 더 포함하는, 방법.
청구항 45에 있어서, 상기 냉간 가공 및 상기 직접 시효 처리는 상온에서 155ksi 내지 200ksi의 범위의 극한 인장 강도 및 8% 내지 20%의 범위의 연신률을 갖는 α+β 티타늄 합금 물품을 성형하는, 방법.
청구항 50에 있어서, α+β 티타늄 합금 물품은 빌렛, 바(bar), 로드(rod), 관(tube), 슬래브(slab), 판(plate), 및 패스너(fastener)로 구성된 군 중에서 선택되는, 방법.
청구항 50에 있어서, α+β 티타늄 합금 물품은 0.5인치 (inch) 초과의 지름 또는 두께, 165ksi 초과의 극한 인장 강도, 155ksi 초과의 항복 강도, 및 12% 초과의 연신률을 갖는, 방법.
1500℉ 내지 1775℉의 범위의 온도에서 α+β 티타늄 합금 작업부재를 열간 가공하는 단계,
1200℉ 내지 1500℉의 범위의 온도에서 α+β 티타늄 합금을 소둔하는 단계,
상온에서 α+β 티타늄 합금 작업부재를 20% 내지 60%의 면적 감소까지 냉간 가공하는 단계, 및
800℉ 내지 1100℉의 범위의 온도에서 냉간 가공된 α+β 티타늄 합금 작업부재를 직접 시효 처리하는 단계
를 포함하며, 상기 α+β 티타늄 합금은, 중량 퍼센트 단위로, 2.90 내지 5.00의 알루미늄, 2.00 내지 3.00의 바나듐, 0.40 내지 2.00의 철, 0.10 내지 0.30의 산소, 잔량부로서 티타늄 및 불가피한 불순물을 포함하는, 방법.