KR102056035B1 - High strength and ductility alpha/beta titanium alloy - Google Patents

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KR102056035B1 KR1020197010036A KR20197010036A KR102056035B1 KR 102056035 B1 KR102056035 B1 KR 102056035B1 KR 1020197010036 A KR1020197010036 A KR 1020197010036A KR 20197010036 A KR20197010036 A KR 20197010036A KR 102056035 B1 KR102056035 B1 KR 102056035B1
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존 브이. 만티온
토마스 디. 바이하
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에이티아이 프로퍼티즈 엘엘씨
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Abstract

총 합금 중량을 기준으로 하기를 중량 퍼센트로 포함하는 알파/베타 티타늄 합금: 3.9 내지 4.5 알루미늄; 2.2 내지 3.0 바나듐; 1.2 내지 1.8 철; 0.24 내지 0.30 산소; 최대 0.08 탄소; 최대 0.05 질소; 최대 0.015 수소; 티타늄; 및 최대 총 0.30 다른 원소들. 알파/베타 티타늄 합금의 비제한적 구현예는 범위 6.4 내지 7.2의 알루미늄 당량 값을 포함하고, 범위 120 ksi (827.4 MPa) 내지 155 ksi (1,069 MPa)의 항복강도를 나타내고, 범위 130 ksi (896.3 MPa) 내지 165 ksi (1,138 MPa)의 최대 인장강도를 나타내고, 범위 12 내지 30 신장 퍼센트의 전성을 나타낸다.Alpha / beta titanium alloys comprising, by weight percent, based on total alloy weight: 3.9 to 4.5 aluminum; 2.2 to 3.0 vanadium; 1.2 to 1.8 iron; 0.24 to 0.30 oxygen; Up to 0.08 carbon; Up to 0.05 nitrogen; Up to 0.015 hydrogen; titanium; And a maximum of 0.30 other elements in total. Non-limiting embodiments of alpha / beta titanium alloys include aluminum equivalent values in the range 6.4 to 7.2, exhibit yield strengths in the range 120 ksi (827.4 MPa) to 155 ksi (1,069 MPa), and range 130 ksi (896.3 MPa) A maximum tensile strength of from 1 to 138 ksi (1,138 MPa) and a malleability in the range of 12 to 30 percent elongation.

Figure R1020197010036
Figure R1020197010036

Description

높은 강도 및 전성 알파/베타 티타늄 합금 {HIGH STRENGTH AND DUCTILITY ALPHA/BETA TITANIUM ALLOY}High Strength and Malleable Alpha / Beta Titanium Alloy {HIGH STRENGTH AND DUCTILITY ALPHA / BETA TITANIUM ALLOY}

관련 출원에 대한 교차 참조 Cross Reference to Related Applications

본원은 2010년 10월 13일에 출원되고, 그 명칭이 "High Strength Alpha/Beta Titanium Alloy Fasteners and Fastener Stock"인 공동계류중 미국 특허 출원 시리즈 번호 12/903,851로부터 35 U.S.C. § 120 하에서 우선권을 주장하는 일부계속 출원이고, 이는 2010년 9월 23일에 출원되고, 그 명칭이 "High Strength Alpha/Beta Titanium Alloy Fasteners and Fastener Stock"인 공동계류중 미국 특허 출원 시리즈 번호 12/888,699로부터 35 U.S.C. § 120 하에서 우선권을 주장하는 일부계속 출원이다. 출원 시리즈 번호 12/903,851 및 12/888,699의 전체 개시내용은 참고로 본원에 통합되어 있다.This application is filed on Oct. 13, 2010, and is incorporated under 35 U.S.C. from US Patent Application Serial No. 12 / 903,851, entitled “High Strength Alpha / Beta Titanium Alloy Fasteners and Fastener Stock”. US Patent Application Series No. 12 /, filed on September 23, 2010, filed September 23, 2010, entitled “High Strength Alpha / Beta Titanium Alloy Fasteners and Fastener Stock” 888,699 from 35 USC Some continuing applications claiming priority under § 120. The entire disclosures of application series numbers 12 / 903,851 and 12 / 888,699 are incorporated herein by reference.

본원은 높은 강도 및 전성(ductile) 알파/베타 티타늄 합금에 관한 것이다.The present application relates to high strength and ductile alpha / beta titanium alloys.

티타늄 합금은 전형적으로 높은 강도-대-중량비를 나타내고, 내부식성이며, 적당한 고온에서 휘어짐 저항성이 있다. 이들 이유들 때문에, 티타늄 합금은, 예를 들면, 착륙 기어 부재, 엔진 프레임, 탄도 방호, 선체, 및 기계적 패스너(fastener)를 포함하는 항공우주, 항공기, 국방, 해양, 및 자동차 적용에서 사용된다. Titanium alloys typically exhibit a high strength-to-weight ratio, are corrosion resistant, and bend resistant at moderately high temperatures. For these reasons, titanium alloys are used in aerospace, aircraft, defense, marine, and automotive applications, including, for example, landing gear members, engine frames, ballistic protection, hulls, and mechanical fasteners.

항공기 또는 다른 이동 차량의 중량 감소로 인해 연료가 절감된다. 따라서, 예를 들면, 항공기 중량을 감소시키기 위해 항공우주 산업에서 강한 욕구가 있다. 티타늄 및 티타늄 합금이 항공기 적용에서 중량 감소를 달성하기 위한 매력적인 재료인 것은, 그의 높은 강도-대-중량비 때문이다. 항공우주 적용에서 사용된 대부분의 티타늄 합금 부품은 알파/베타 티타늄 합금인 Ti-6Al-4V 합금 (ASTM 등급 5; UNS R56400; AMS 4928, AMS 4911)로 만들어진다.Fuel savings result from weight reduction of aircraft or other moving vehicles. Thus, for example, there is a strong desire in the aerospace industry to reduce aircraft weight. Titanium and titanium alloys are attractive materials for achieving weight reduction in aircraft applications because of their high strength-to-weight ratio. Most titanium alloy parts used in aerospace applications are made of Ti-6Al-4V alloy (ASTM class 5; UNS R56400; AMS 4928, AMS 4911), an alpha / beta titanium alloy.

Ti-6Al-4V 합금은 총 티타늄-기반 재료 시장의 50% 초과를 설명하는 것으로 추정된 대부분의 공통 티타늄-기반 제조된 재료 중의 하나이다. Ti-6Al-4V 합금은 낮은 내지 적정 온도에서 경중량, 내부식성, 및 높은 강도의 합금의 유리한 조합으로부터 유리한 수많은 적용에서 사용된다. 예를 들면, Ti-6Al-4V 합금은 항공기 엔진 구성요소, 항공기 구조 구성요소, 패스너, 고-성능 자동차 구성요소, 의료 기기의 구성요소, 스포츠 장비, 해양 적용의 구성요소, 및 화학 가공 장비의 구성요소를 생산하기 위해 사용된다. Ti-6Al-4V alloys are one of the most common titanium-based manufactured materials estimated to account for more than 50% of the total titanium-based material market. Ti-6Al-4V alloys are used in numerous applications that benefit from the advantageous combination of light weight, corrosion resistance, and high strength alloys from low to moderate temperatures. For example, Ti-6Al-4V alloys may be used in aircraft engine components, aircraft structural components, fasteners, high-performance automotive components, medical device components, sports equipment, marine applications components, and chemical processing equipment. Used to produce components.

Ti-6Al-4V 합금 밀(mill) 생산물은 밀 어널링된 조건 또는 용액 처리 및 시효 (STA) 조건에서 일반적으로 사용된다. 본원에서 사용된 바와 같이, "밀 어널링된 조건"는 "밀-어널링" 열처리 후의 티타늄 합금의 상태를 의미하고, 상기 열처리에서 공정중 제품은 고온 (예들 들면, 1200 내지 1500℉ / 649-816℃)에서 약 1-8 시간 동안에 어널링되고 정체 공기에서 냉각된다. 밀-어널링 열처리는, 공정중 제품이 α+β 상영역에서 열간가공 후 수행된다. 밀 어널링된 조건에서 직경 약 2 내지 4 인치 (5.08 내지 10.16 cm)을 갖는 Ti-6Al-4V 합금의 환봉은 최소 규정 극한 인장강도 130 ksi (896 MPa) 및 최소 규정 항복강도 120 ksi (827 MPa)를 실온에서 갖는다. 밀 어널링된 Ti-6Al-4V 플레이트는 사양 AMS 4911에 따라 종종 생산되고, 반면에 밀 어널링된 Ti-6Al-4V bar은 사양 AMS 4928에 따라 종종 생산된다. Ti-6Al-4V alloy mill products are commonly used in mill annealed conditions or in solution treatment and aging (STA) conditions. As used herein, "mill annealed condition" refers to the state of the titanium alloy after a "mill-annealing" heat treatment, in which the product in the process is subjected to high temperatures (e.g., 1200 to 1500 F / 649-). 816 ° C.) for about 1-8 hours and cooled in stagnant air. The mill annealing heat treatment is performed after the product has been hot worked in the α + β phase region. Round bars of Ti-6Al-4V alloys having a diameter of about 2 to 4 inches (5.08 to 10.16 cm) in mill annealed conditions have a minimum specified ultimate tensile strength of 130 ksi (896 MPa) and a minimum specified yield strength of 120 ksi (827 MPa). ) At room temperature. Mill annealed Ti-6Al-4V plates are often produced according to specification AMS 4911, while mill annealed Ti-6Al-4V bars are often produced according to specification AMS 4928.

그 전체가 참고로 본원에 통합되어 있는 미국 특허 번호 5,980,655 ("'655 특허")는 2.90 내지 5.00 알루미늄, 2.00 내지 3.00 바나듐, 0.40 내지 2.00 철, 0.20 내지 0.30 산소, 부수적인 불순물, 및 티타늄을 중량 백분율로 포함하는 알파/베타 티타늄 합금을 개시한다. '655 특허에 개시된 알파/베타 티타늄 합금은 본원에서 "'655 합금"으로 칭한다. '655 합금 내의 상업적으로 이용가능한 합금 조성물은 명목상으로, 총 합금 중량을 기준으로 한 중량 백분율로, 4.00 알루미늄, 2.50 바나듐, 1.50 철, 0.25 산소, 부수적인 불순물, 및 티타늄을 포함하고, 본원에서 Ti-4Al-2.5V-1.5Fe-0.25O 합금로 칭할 수 있다. US Patent No. 5,980,655 ("'655 Patent"), which is hereby incorporated by reference in its entirety, discloses 2.90 to 5.00 aluminum, 2.00 to 3.00 vanadium, 0.40 to 2.00 iron, 0.20 to 0.30 oxygen, incidental impurities, and titanium. Disclosed is an alpha / beta titanium alloy comprising a percentage. The alpha / beta titanium alloys disclosed in the '655 patent are referred to herein as "' 655 alloys". Commercially available alloy compositions in the '655 alloy nominally include 4.00 aluminum, 2.50 vanadium, 1.50 iron, 0.25 oxygen, incidental impurities, and titanium, in weight percentages based on total alloy weight, and herein include Ti It may be referred to as -4Al-2.5V-1.5Fe-0.25O alloy.

Ti-6Al-4V 합금을 냉간 가공시 어려움 때문에, 합금은 일반적으로 고온에서, 일반적으로 α2 솔버스(solvus) 온도 초과에서 (예들 들면, 단조, 압연, 인발 등) 가공된다. Ti-6Al-4V 합금은, 예를 들면, 냉각 변형 동안에 크래킹의 높은 발생정도 (즉, 공정중 제품 실패) 때문에 강도를 증가시키기 위해 효과적으로 냉간 가공될 수 없다. 그러나, 그 전체가 참고로 본원에 통합되어 있는 미국 특허출원 공개 번호 2004/0221929에 기재된 바와 같이, '655 합금은 실질 정도의 냉간 변형능력/가공성을 갖는다는 것을 놀랍게도 그리고 예상치 못하게 발견했다.Because of the difficulty in cold working Ti-6Al-4V alloys, the alloys are generally processed at high temperatures, generally above α 2 Solvus temperatures (eg forging, rolling, drawing, etc.). Ti-6Al-4V alloys cannot be effectively cold worked, for example, to increase strength due to the high incidence of cracking during cold deformation (ie product failure during the process). However, it has surprisingly and unexpectedly found that the '655 alloy has a substantial degree of cold deformation / processability, as described in US Patent Application Publication No. 2004/0221929, which is hereby incorporated by reference in its entirety.

'655 합금은, 가공가능 수준의 전성을 유지하면서 놀랍게도 높은 강도를 달성하기 위해 냉간 가공될 수 있다. 가공가능 수준의 전성은, 합금이 6% 초과 신장률을 나타내는 조건으로 정의된다. 또한, '655 합금의 강도는 Ti-6Al-4V 합금으로 달성될 수 있는 강도에 필적한다. 예를 들면, '655 특허의 표 6에서 보여진 바와 같이, Ti-6Al-4V 합금에 대해 측정된 인장 응력은 145.3 ksi (1,002 MPa)이고, 반면에 '655 합금의 시험 샘플들은 범위 138.7 ksi 내지 142.7 ksi (956.3 MPa 내지 983.9 MPa)의 인장강도를 나타내었다.The '655 alloy can be cold worked to achieve surprisingly high strength while maintaining machinability levels of malleability. The machinability of the machinable level is defined as the condition that the alloy exhibits greater than 6% elongation. In addition, the strength of the '655 alloy is comparable to the strength achievable with Ti-6Al-4V alloys. For example, as shown in Table 6 of the '655 patent, the tensile stress measured for the Ti-6Al-4V alloy was 145.3 ksi (1,002 MPa), while the test samples of the' 655 alloy ranged from 138.7 ksi to 142.7. Tensile strength of ksi (956.3 MPa to 983.9 MPa) is shown.

항공우주 재료 사양 6946B (AMS 6946B)은 '655 특허의 청구범위에서 인용된 것보다 더 제한적인 화합 범위를 명시한다. AMS 6946B에서 명시된 합금은 '655 특허의 더 넓은 원소 범위의 성형성을 보유하지만, AMS 6946B에 의해 허용된 기계적 강도 특성 최소값은 상업적으로 이용가능한 Ti-6Al-4V 합금에 대해 명시된 것보다 더 낮다. 예를 들면, AMS-4911L에 따라, 0.125 인치 (3.175 mm) 두께 Ti-6Al-4V 플레이트에 대한 최소 인장강도는 134 ksi (923.9 MPa)이고 최소 항복강도는 126 ksi (868.7 MPa)이다. 비교하면, AMS 6946B에 따라, 0.125 인치 (3.175 mm) 두께 Ti-4Al-2.5V-1.5Fe-0.25O 플레이트에 대한 최소 인장강도는 130 ksi (896.3 MPa)이고 최소 항복강도는 115 ksi (792.9 MPa)이다. Aerospace material specification 6946B (AMS 6946B) specifies a more restrictive compounding range than recited in the claims of the '655 patent. The alloy specified in AMS 6946B retains the formability of the broader element range of the '655 patent, but the minimum mechanical strength property allowed by AMS 6946B is lower than that specified for commercially available Ti-6Al-4V alloys. For example, according to AMS-4911L, the minimum tensile strength for a 0.125 inch (3.175 mm) thick Ti-6Al-4V plate is 134 ksi (923.9 MPa) and the minimum yield strength is 126 ksi (868.7 MPa). In comparison, according to AMS 6946B, the minimum tensile strength is 130 ksi (896.3 MPa) and the minimum yield strength is 115 ksi (792.9 MPa) for 0.125 inch (3.175 mm) thick Ti-4Al-2.5V-1.5Fe-0.25O plates. )to be.

항공기 및 다른 차량의 중량 감소를 통한 감소된 연료 소비에 대한 계속적인 필요가 있으면, Ti-6Al-4V 알파/베타 티타늄 합금에 의해 나타낸 것과 필적하거나 더 탁월한 기계적 특성을 나타내는 것이 바람직한 개선된 전성 알파/베타 티타늄 합금에 대한 필요가 존재한다.If there is a continuing need for reduced fuel consumption through weight reduction of aircraft and other vehicles, improved malleable alpha / which is desirable to exhibit comparable or better mechanical properties than those shown by Ti-6Al-4V alpha / beta titanium alloys. There is a need for beta titanium alloys.

요약summary

본 명서서의 측면에 따라, 알파/베타 티타늄 합금은 총 합금 중량을 기준으로 한 중량 퍼센트로 하기를 포함한다: 3.9 내지 4.5 알루미늄; 2.2 내지 3.0 바나듐; 1.2 내지 1.8 철; 0.24 내지 0.30 산소; 최대 0.08 탄소; 최대 0.05 질소; 최대 0.015 수소; 티타늄; 및 최대 총 0.30 다른 원소들. According to aspects of this specification, alpha / beta titanium alloys comprise the following by weight percent based on total alloy weight: 3.9 to 4.5 aluminum; 2.2 to 3.0 vanadium; 1.2 to 1.8 iron; 0.24 to 0.30 oxygen; Up to 0.08 carbon; Up to 0.05 nitrogen; Up to 0.015 hydrogen; titanium; And a maximum of 0.30 other elements in total.

본 명세서의 또 하나의 측면에 따라, 알파/베타 티타늄 합금은 중량 퍼센트로, 하기로 본질적으로 이루어진다: 3.9 내지 4.5 알루미늄; 2.2 내지 3.0 바나듐; 1.2 내지 1.8 철; 0.24 내지 0.30 산소; 최대 0.08 탄소; 최대 0.05 질소; 최대 0.015 수소; 티타늄; 및 최대 총 0.30 다른 원소들.According to another aspect of the present disclosure, the alpha / beta titanium alloy consists essentially of weight percent, consisting of: 3.9 to 4.5 aluminum; 2.2 to 3.0 vanadium; 1.2 to 1.8 iron; 0.24 to 0.30 oxygen; Up to 0.08 carbon; Up to 0.05 nitrogen; Up to 0.015 hydrogen; titanium; And a maximum of 0.30 other elements in total.

본원에 기재된 합금 및 관련 방법의 특징 및 이점은 수반되는 도면들을 참조하여 더 이해될 수 있다:
도 1은 본 개시내용에 따른 합금의 비-제한 구현예로 구성된 바 및 와이어용 알루미늄 당량의 함수로서 극한 인장강도 및 항복강도의 플롯이다;
도 2는 본 개시내용에 따른 합금의 비-제한 구현예로 구성된0.5 인치 (1.27 cm) 직경 와이어용 알루미늄 당량의 함수로서 극한 인장강도 및 항복강도의 플롯이다;
도 3은 본 개시내용에 따른 합금의 비-제한 구현예로 구성된 1 인치 (2.54 cm) 두께의 플레이트용 알루미늄 당량의 함수로서 인장강도, 항복강도, 및 신장 퍼센트의 플롯이다.
독자는 본 개시내용에 따른 합금 및 관련 방법의 특정 비-제한 구현예의 하기 상세한 설명을 고려하여 상기 세부사항, 뿐만 아니라 다른 것들을 인식할 것이다.
The features and advantages of the alloys and related methods described herein can be further understood with reference to the accompanying drawings:
1 is a plot of ultimate tensile and yield strengths as a function of aluminum equivalents for bars and wires composed of non-limiting embodiments of alloys according to the present disclosure;
FIG. 2 is a plot of ultimate tensile and yield strength as a function of aluminum equivalent for 0.5 inch (1.27 cm) diameter wire constructed of a non-limiting embodiment of an alloy according to the present disclosure; FIG.
3 is a plot of tensile strength, yield strength, and percent elongation as a function of aluminum equivalent for a 1 inch (2.54 cm) thick plate constructed of a non-limiting embodiment of an alloy according to the present disclosure.
The reader will appreciate the above details, as well as others, in light of the following detailed description of certain non-limiting embodiments of alloys and related methods in accordance with the present disclosure.

특정 비-제한 구현예의 상세한 설명Detailed Description of Certain Non-Limiting Embodiments

비제한적인 구현예들의 본 설명에서, 작동 실시예에서 또는 달리 나타내는 경우 외에는, 양 또는 특징을 표현하는 모든 수는 용어 "약"에 의해 모든 경우에 변형되는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 상반되게 지적되지 않으면, 하기 설명에서 제시된 임의의 대수적 파라미터는, 재료에서 그리고 본 개시내용에 따른 방법에 의해 얻고자 하는 원하는 특성에 따라 변할 수 있는 대략적인 값이다. 적어도, 그리고 청구범위의 범위에 대한 균등론의 적용을 제한하지 시도가 아니라면, 각각의 대수적 파라미터는 보고된 유의미한 숫자에 비추어 그리고 통상의 반올림 기법을 적용하여 적어도 이해되어야 한다. In this description of the non-limiting embodiments, it is to be understood that all numbers expressing quantities or features are to be modified in all cases by the term “about”, except in the operating embodiments or otherwise indicated. Thus, unless stated to the contrary, any algebraic parameters set forth in the following description are approximate values that may vary depending on the desired properties desired in the material and by the method according to the present disclosure. At the very least, and unless an attempt is made to limit the application of the doctrine of equivalents to the scope of the claims, each algebraic parameter should be at least understood in light of the significant numbers reported and by applying conventional rounding techniques.

본원에서 참고로 전체 또는 부분적으로 통합된 것으로 언급된 임의의 특허, 공보, 또는 다른 개시 재료는, 통합되어 있는 재료가 본 개시내용에서 제시된 존재하는 정의, 언급, 또는 다른 개시내용 재료와 충돌하지 않는 정도로만 통합되어 있다. 그것으로서, 그리고 필요한 정도로, 본원에 제시된 개시내용은 참조로 통합되는 있는 임의의 충돌 재료를 대체한다. 참조로 통합되는 있지만 본원에 제시된 존재하는 정의, 언급, 또는 다른 개시내용 재료와 충돌하지 않는 임의의 재료, 또는 그의 부분은, 통합되어 있는 재료와 존재 개시내용 재료 사이에 충돌하지 않는 정도로만 통합되어 있다. Any patent, publication, or other starting material referred to herein in its entirety or in part by reference does not conflict with the existing definitions, references, or other disclosure materials set forth in this disclosure. Only integrated to the extent that As such and to the extent necessary, the disclosure presented herein replaces any collision material that is incorporated by reference. Any material, or portion thereof, incorporated by reference but not conflicting with an existing definition, reference, or other disclosure material presented herein is incorporated only to the extent that there is no conflict between the integrated material and the presence disclosure material. .

본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금의 비-제한 구현예는 중량 퍼센트로, 하기를 포함하고, 하기로 이루어지거나 또는 하기로 본질적으로 이루어진다: 3.9 내지 4.5 알루미늄; 2.2 내지 3.0 바나듐; 1.2 내지 1.8 철; 0.24 내지 0.30 산소; 최대 0.08 탄소; 최대 0.05 질소; 최대 0.015 수소; 티타늄; 및 최대 총 0.30 다른 원소들. 본 개시내용에 따른 특정 비-제한 구현예에서, (최대 0.30 중량 퍼센트의 다른 원소들의 일부로서) 알파/베타 티타늄 합금에서 존재할 수 있는 다른 원소들은 붕소, 주석 지르코늄, 몰리브데늄, 크로뮴, 니켈, 규소, 구리, 니오븀, 탄탈럼, 망간, 이트륨, 및 코발트 중 하나 이상을 포함하고, 특정 비-제한 구현예에서 존재하는 그와 같은 다른 원소 각각의 중량 수준은 0.10 또는 그 미만이지만, 2개의 예외가 있다. 그 예외는 붕소 및 이트륨이고, 이들이 존재하면 어쨌든 일부의 다른 원소들은 0.005 중량 퍼센트 미만의 개별적인 농도로 존재한다. Non-limiting embodiments of alpha / beta titanium alloys according to the present disclosure, in weight percent, include, consist of, or consist essentially of: 3.9 to 4.5 aluminum; 2.2 to 3.0 vanadium; 1.2 to 1.8 iron; 0.24 to 0.30 oxygen; Up to 0.08 carbon; Up to 0.05 nitrogen; Up to 0.015 hydrogen; titanium; And a maximum of 0.30 other elements in total. In certain non-limiting embodiments according to the present disclosure, other elements that may be present in the alpha / beta titanium alloy (as part of up to 0.30 weight percent of other elements) include boron, tin zirconium, molybdenum, chromium, nickel, The weight level of each such other element comprising at least one of silicon, copper, niobium, tantalum, manganese, yttrium, and cobalt, and which is present in certain non-limiting embodiments, is 0.10 or less, with two exceptions There is. The exceptions are boron and yttrium, and if they are present some other elements are present in individual concentrations of less than 0.005 weight percent.

I. 합금 조성물I. Alloy Composition

본 개시내용에 따른 합금의 비-제한 구현예는 티타늄, 알루미늄, 바나듐, 철, 및 산소를 포함한다. 단지 합금 원소들이 이하에서 논의된 조성물에서 언급되면, 밸런스는 티타늄 및 부수적인 불순물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. Non-limiting embodiments of alloys according to the present disclosure include titanium, aluminum, vanadium, iron, and oxygen. If only alloying elements are mentioned in the compositions discussed below, the balance should be understood to include titanium and incidental impurities.

A. 알루미늄A. Aluminum

알루미늄은 티타늄 합금에서 알파상 강화재이다. 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금의 비-제한 구현예에서 알루미늄의 조성 범위는 '655 특허에서 개시된 알루미늄 범위보다 더 좁다. 또한, 본 개시내용에 따른 합금의 특정 비-제한 구현예에 따른 알루미늄의 최소 수준은 AMS 6946B에서 설정된 최소 수준보다 더 크다. 이들 조성 특징은, 합금이 Ti-6Al-4V 합금에 필적하는 기계적 특성을 더 일관되게 나타내는 것을 허용하는 것으로 관찰되었다. 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금에서 알루미늄의 최소 농도는 3.9 중량 퍼센트이다. 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금에서 알루미늄의 최대 농도는 4.5 중량 퍼센트이다. Aluminum is an alpha phase reinforcement in titanium alloys. In a non-limiting embodiment of an alpha / beta titanium alloy according to the present disclosure, the composition range of aluminum is narrower than the aluminum range disclosed in the '655 patent. In addition, the minimum level of aluminum according to certain non-limiting embodiments of the alloy according to the present disclosure is greater than the minimum level set in AMS 6946B. These compositional features have been observed to allow the alloy to exhibit more consistent mechanical properties comparable to the Ti-6Al-4V alloy. The minimum concentration of aluminum in the alpha / beta titanium alloy according to the present disclosure is 3.9 weight percent. The maximum concentration of aluminum in the alpha / beta titanium alloy according to the present disclosure is 4.5 weight percent.

B. 바나듐B. Vanadium

바나듐은 티타늄 합금에서 베타 상 안정화제이다. 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금 중 최소 농도 바나듐은 '655 특허에서 개시되고 AMS 6946B에서 설정된 최소 농도 보다 더 크다. 이 조성 특징은 알파 및 베타 상의 용적 분율의 최적의, 조절된 밸런스를 제공한다는 것이 관찰되었다. 알파 및 베타 상의 밸런스는 탁월한 전성 및 성형성을 갖는 본 개시내용에 따른 합금을 제공한다. 바나듐은2.2 중량 퍼센트의 최소 농도로 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금에서 존재한다. 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금 중 바나듐의 최대 농도는 3.0 중량 퍼센트이다. Vanadium is a beta phase stabilizer in titanium alloys. The minimum concentration vanadium in the alpha / beta titanium alloy according to the present disclosure is greater than the minimum concentration disclosed in the '655 patent and set in AMS 6946B. This compositional feature was observed to provide an optimal, controlled balance of volume fractions of alpha and beta phases. The balance of alpha and beta phases provides alloys according to the present disclosure with excellent malleability and formability. Vanadium is present in the alpha / beta titanium alloy according to the present disclosure at a minimum concentration of 2.2 weight percent. The maximum concentration of vanadium in the alpha / beta titanium alloy according to the present disclosure is 3.0 weight percent.

C. 철 C. Iron

철은 티타늄 합금에서 공석 베타 안정화제이다. 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금은 '655 특허에서 기재된 합금과 할 때 더 큰 최소 농도 및 더 좁은 범위의 철을 포함한다. 이들 특징은 알파 및 베타 상의 용적 분율의 최적의, 조절된 밸런스를 제공하는 것으로 관찰되었다. 밸런스는 탁월한 전성 및 성형성을 갖는 본 개시내용에 따른 합금을 제공한다. 철은 최소 농도 1.2 중량 퍼센트로 본 개시 내용에 따른 알파/베타 합금에서 존재한다. 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금 중 철의 최대 농도는 1.8 중량 퍼센트이다. Iron is a vacancy beta stabilizer in titanium alloys. Alpha / beta titanium alloys according to the present disclosure include larger minimum concentrations and a narrower range of iron as compared to the alloys described in the '655 patent. These features were observed to provide an optimal, controlled balance of the volume fractions of alpha and beta phases. Balance provides an alloy according to the present disclosure with excellent malleability and formability. Iron is present in the alpha / beta alloy according to the present disclosure at a minimum concentration of 1.2 weight percent. The maximum concentration of iron in the alpha / beta titanium alloy according to the present disclosure is 1.8 weight percent.

D. 산소 D. Oxygen

산소는 티타늄 합금에서 알파상 강화재이다. 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금 중 산소의 조성 범위는 '655 특허 및 AMS 6946B 사양에서 개시된 범위보다 더 좁다. 또한, 본 개시내용에 따른 합금의 비-제한 구현예에서 산소의 최소 농도는 '655 특허 및 AMS 6946B 사양에서보다 더 크다. 이들 조성 특징은, 본 개시내용에 따른 합금이 특정 Ti-6Al-4V 기계적 특성에 필적하는 기계적 특성을 일관되게 나타내는 것을 허용하는 것으로 관찰되었다. 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금 중 산소의 최소 농도는 0.24 중량 퍼센트이다. 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금 중 산소의 최대 농도는 0.30 중량 퍼센트이다. Oxygen is an alpha phase reinforcement in titanium alloys. The composition range of oxygen in the alpha / beta titanium alloy according to the present disclosure is narrower than the range disclosed in the '655 patent and AMS 6946B specification. In addition, in non-limiting embodiments of alloys according to the present disclosure, the minimum concentration of oxygen is greater than in the '655 patent and the AMS 6946B specification. These compositional features have been observed to allow alloys according to the present disclosure to consistently exhibit mechanical properties comparable to certain Ti-6Al-4V mechanical properties. The minimum concentration of oxygen in the alpha / beta titanium alloy according to the present disclosure is 0.24 weight percent. The maximum concentration of oxygen in the alpha / beta titanium alloy according to the present disclosure is 0.30 weight percent.

상기에서 논의된 바와 같이 티타늄, 알루미늄, 바나듐, 철, 및 산소를 포함하는 것에 추가하여, 특정 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금 중의 비-제한 구현예는 0.30 중량 퍼센트를 초과하지 않는 총 농도로 다른 원소들을 포함한다. 특정 비-제한 구현예에서, 이들 다른 원소들은 붕소, 주석 지르코늄, 몰리브데늄, 크로뮴, 니켈, 규소, 구리, 니오븀, 탄탈럼, 망간, 이트륨, 및 코발트 중 하나 이상을 포함하고, 여기서, 2개의 예외로, 그와 같은 원소 각각의 중량 퍼센트는 0.10 또는 그 미만이다. 그 예외는 붕소 및 이트륨이다. 본 개시내용에 따른 합금에서 존재하면, 붕소 및 이트륨 각각의 중량 백분율은 0.005 미만이다. In addition to including titanium, aluminum, vanadium, iron, and oxygen as discussed above, non-limiting embodiments in alpha / beta titanium alloys according to certain disclosures do not exceed 0.30 weight percent. Contains other elements. In certain non-limiting embodiments, these other elements include one or more of boron, tin zirconium, molybdenum, chromium, nickel, silicon, copper, niobium, tantalum, manganese, yttrium, and cobalt, wherein 2 Exceptions, the weight percentage of each such element is 0.10 or less. The exceptions are boron and yttrium. When present in alloys according to the present disclosure, the weight percentage of each of boron and yttrium is less than 0.005.

부수적 불순물은 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금에서 또한 존재할 수 있다. 예를 들면, 탄소는 최대 약 0.008 중량 퍼센트로 존재할 수 있다. 질소는 최대 약 0.05 중량 퍼센트로 존재할 수 있다. 수소는 최대 약 0.015 중량 퍼센트로 존재할 수 있다. 다른 가능한 부수적인 불순물은 야금 분야의 숙련가에게 명백할 것이다. Incidental impurities may also be present in the alpha / beta titanium alloys according to the present disclosure. For example, carbon may be present at up to about 0.008 weight percent. Nitrogen may be present at up to about 0.05 weight percent. Hydrogen may be present at up to about 0.015 weight percent. Other possible incidental impurities will be apparent to those skilled in the metallurgical art.

표 1은 하기의 조성물의 요약을 제공한다: (i) 특정 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금 중의 비-제한 구현예 및 (ii) '655 특허에서 개시되고 AMS 6946B에서 명시된 특정 합금.Table 1 provides a summary of the following compositions: (i) non-limiting embodiments in alpha / beta titanium alloys according to certain disclosures and (ii) certain alloys disclosed in the '655 patent and specified in AMS 6946B.

표 1Table 1

Figure 112019035754648-pat00001
Figure 112019035754648-pat00001

본 발명자들은, '655 특허에서 교시된 최소 수준보다 더 높은 알루미늄, 산소, 및 철의 최소 수준을 갖는 본 합금을 제공하는 것은 기계적 특성, 예컨대 강도, 예를 들면 밀 어널링된 Ti-6Al-4V 합금의 특정 기계적 특성에 적어도 필적하는 강도와 같은 기계적 특성을 일관되게 나타내는 알파/베타 티타늄 합금을 제공한다는 것을 예기치 못하게 발견했다. 발명자들은 또한, '655 특허에서 개시된 최소값 및 범위에 대한 철 및 바나듐의 최소 수준 증가 및 그의 범위 폭 감소는 밀 어널링된 형태로 알파 및 베타 상의 용적 분율의 최적의 및 조절 밸런스를 나타내는 합금을 제공한다는 것을 예기치 못하게 발견했다. 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금에서의 상들의 이러한 최적의 밸런스는 Ti-6Al-4V 합금과 비교하여 개선된 전성을 갖는 합금의 구현예를 제공하고, '655 특허에서 개시되고 AMS 6946B에서 명시된 합금의 전성을 유지한다. The inventors have found that providing an alloy having a minimum level of aluminum, oxygen, and iron that is higher than the minimum level taught in the '655 patent provides mechanical properties such as strength, for example mill annealed Ti-6Al-4V. It has unexpectedly been found to provide alpha / beta titanium alloys that consistently exhibit mechanical properties such as strength that are at least comparable to the specific mechanical properties of the alloy. The inventors also found that an increase in the minimum level of iron and vanadium and a decrease in the range width thereof for the minimum values and ranges disclosed in the '655 patent provide alloys that exhibit optimal and controlled balance of volume fractions of alpha and beta phases in mill annealed form Unexpectedly found out. This optimal balance of phases in alpha / beta titanium alloys according to the present disclosure provides an embodiment of an alloy with improved malleability compared to Ti-6Al-4V alloys, disclosed in the '655 patent and disclosed in AMS 6946B. Maintain the malleability of the specified alloy.

당해분야의 숙련가는, 금속 재료의 강도 및 전성이 일반적으로 역전 관계를 나타내는 것을 이해한다. 환언하면, 일반적으로, 금속 재료의 강도가 증가함에 따라, 재료의 전성은 감소한다. 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금의 증가된 기계적 강도 및 유지된 전성의 조합이 기대되지 않는 것은, 강도 및 전성의 역전 관계가 일반적으로 밀 어널링된 티타늄 합금에 대해 관찰되기 때문이다. 증가된 기계적 강도 및 유지된 전성의 예기치 못하고 놀라운 조합은 본 개시내용에 따른 합금 구현예의 특히 유리한 특징이다. 밀 어널링된 본 개시내용에 따른 합금의 구현예가 전성의 감소를 나타내지 않으면서 Ti-6Al-4V 합금에 필적하는 강도를 나타낸다는 것을 관찰한 것을 놀라웠다. Those skilled in the art understand that the strength and malleability of metal materials generally exhibit a reverse relationship. In other words, in general, as the strength of a metal material increases, the malleability of the material decreases. The combination of increased mechanical strength and retained malleability of alpha / beta titanium alloys according to the present disclosure is not expected because the inverse relationship of strength and malleability is generally observed for mill annealed titanium alloys. The unexpected and surprising combination of increased mechanical strength and retained malleability is a particularly advantageous feature of the alloy embodiments according to the present disclosure. It was surprising to observe that embodiments of alloys according to the mill annealed exhibit strengths comparable to Ti-6Al-4V alloys without showing a decrease in malleability.

적어도 6.3, 또는 더 바람직하게는 적어도 6.4의 알루미늄 당량 값 (Aleq)을 갖는 본 개시 내용에 따른 알파/베타 합금의 특정 비-제한 구현예는 Ti-6Al-4V 합금의 강도에 적어도 필적하는 강도를 나타내는 것으로 관찰되었다. 그와 같은 합금은 또한, 전형적으로 약 7.5의 알루미늄 당량 값을 갖는 Ti-6Al-4V 합금보다 탁월한 전성을 갖는 것으로 관찰되었다. 본원에서 사용된 바와 같이, "알루미늄 당량 값" 또는 "알루미늄 당량" (Aleq) 은 합금 중 중량 퍼센트의 알루미늄 농도 플러스 중량 퍼센트의 합금 중 산소 농도의 열 배에 해당하는 갓을 의미한다. 환언하면, 합금의 알루미늄 당량은 하기와 같이 측정될 수 있다: Aleq = Al(wt.%) + 10 (O(wt.%)).Certain non-limiting embodiments of alpha / beta alloys according to the present disclosure having an aluminum equivalent value (Al eq ) of at least 6.3, or more preferably at least 6.4, have at least a strength comparable to that of the Ti-6Al-4V alloy. Was observed. Such alloys have also been observed to have superior malleability than Ti-6Al-4V alloys, which typically have aluminum equivalent values of about 7.5. As used herein, "aluminum equivalent value" or "aluminum equivalent" (Al eq ) means a lamp that corresponds to 10 times the aluminum concentration in weight alloy plus the oxygen concentration in the weight percent alloy. In other words, the aluminum equivalent of the alloy can be measured as follows: Al eq = Al (wt.%) + 10 (O (wt.%) ).

티타늄 합금의 기계적 특성은 시험될 시료의 크기에 의해 일반적으로 영향을 받는 것으로 인식되지만, 본 개시내용에 따른 비-제한 구현예에서, 알파/베타 티타늄 합금은 적어도 6.4의 알루미늄 당량 값을 포함하거나, 특정 구현예에서 범위 6.4 내지 7.2 내이고, 그 항복강도는 적어도 120 ksi (827.4 MPa)이거나, 특정 구현예에서는 적어도 130 ksi (896.3 MPa)이다. It is recognized that the mechanical properties of the titanium alloy are generally affected by the size of the sample to be tested, but in a non-limiting embodiment according to the present disclosure, the alpha / beta titanium alloy comprises an aluminum equivalent value of at least 6.4, or In certain embodiments it is within the range of 6.4 to 7.2 and its yield strength is at least 120 ksi (827.4 MPa), or in certain embodiments at least 130 ksi (896.3 MPa).

본 명세서에 따른 다른 비제한적인 구현예들에서, 알파/베타 티타늄 합금은 적어도 6.4의 알루미늄 당량 값을 포함하거나, 특정 구현예에서 6.4 내지 7.2의 범위이고, 그 항복강도는 범위 120 ksi (827.4 MPa) 내지 155 ksi (1,069 MPa)이다. In other non-limiting embodiments according to the present disclosure, the alpha / beta titanium alloy comprises an aluminum equivalent value of at least 6.4 or, in certain embodiments, in the range of 6.4 to 7.2, the yield strength being in the range 120 ksi (827.4 MPa). ) To 155 ksi (1,069 MPa).

또 다른 비제한적인 구현예들에서, 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금 적어도 6.4의 알루미늄 당량 값을 포함하거나, 특정 구현예에서 범위 6.4 내지 7.2이고, 그 최대 인장강도는 적어도 130 ksi (896.3 MPa)이거나, 특정 구현예에서 적어도 140 ksi (965.3 MPa). In another non-limiting embodiment, an aluminum equivalent value of at least 6.4 of the alpha / beta titanium alloy according to the present disclosure, or in certain embodiments ranges from 6.4 to 7.2, the maximum tensile strength of at least 130 ksi (896.3) MPa) or in certain embodiments at least 140 ksi (965.3 MPa).

본 명세서에 따른 추가 비제한적인 구현예들에서, 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금 적어도 6.4의 알루미늄 당량 값을 포함하거나, 특정 구현예에서 범위 6.4 내지 7.2이고, 그 최대 인장강도는 범위 130 ksi (896.3 MPa) 내지 165 ksi (1,138 MPa)이다. In further non-limiting embodiments according to the present disclosure, an alpha / beta titanium alloy according to the present disclosure comprises an aluminum equivalent value of at least 6.4, or in certain embodiments ranges from 6.4 to 7.2, the maximum tensile strength being in the range 130 ksi (896.3 MPa) to 165 ksi (1,138 MPa).

추가의 비제한적인 구현예들에서, 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금은 적어도 6.4의 알루미늄 당량 값을 포함하거나, 특정 구현예에서 범위 6.4 내지 7.2이고, 그 전성은 적어도 12%, 또는 적어도 16% (신장 퍼센트)이다. In further non-limiting embodiments, the alpha / beta titanium alloy according to the present disclosure comprises an aluminum equivalent value of at least 6.4, or in certain embodiments ranges from 6.4 to 7.2, the malleability of at least 12%, or at least 16% (percent tall).

추가의 비제한적인 구현예들에서, 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금은 적어도 6.4의 알루미늄 당량 값을 포함하거나, 특정 구현예에서 범위 6.4 내지 7.2이고, 그 전성은 범위 12% 내지 30% (신장 퍼센트 또는 "%el")이다. In further non-limiting embodiments, the alpha / beta titanium alloy according to the present disclosure comprises an aluminum equivalent value of at least 6.4, or in certain embodiments ranges from 6.4 to 7.2, the malleability of which ranges from 12% to 30% (Percent height or "% el").

본 개시내용의 특정 비-제한 구현예에 따라, 6.3은 for Aleq의 절대 최소 값이지만, 본 발명자들은, 적어도 6.4의 Aleq 값이 Ti-6Al-4V 합금에 의해 나타낸 바와 같이 동일한 강도를 달성하는데 필요하다는 것을 측정했다. 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금의 다른 비-제한 구현예에서, Aleq의 최대 값은 7.5이고 본 명세서에 개시된 다른 비-제한 구현예에 따른 전성에 대한 강도의 관계가 적용된다는 것이 또한 인식된다. According to certain non-limiting embodiments of the present disclosure, 6.3 is an absolute minimum value of for Al eq , but we achieve that the Al eq value of at least 6.4 achieves the same strength as indicated by the Ti-6Al-4V alloy. It was measured that it is necessary. In another non-limiting embodiment of the alpha / beta titanium alloy according to the present disclosure, it is also noted that the maximum value of Al eq is 7.5 and the relationship of strength to malleability according to other non-limiting embodiments disclosed herein applies. It is recognized.

비제한적인 구현예에 따라, 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금은 적어도 6.4의 알루미늄 당량 값을 포함하고, 그 항복강도는 적어도 120 ksi (827.4 MPa), 그 최대 인장강도는 적어도 130 ksi (896.3 MPa), 그리고 그 전성은 적어도 12% (신장 퍼센트)이다. According to a non-limiting embodiment, the alpha / beta titanium alloy according to the present disclosure comprises an aluminum equivalent value of at least 6.4, the yield strength of at least 120 ksi (827.4 MPa), and the maximum tensile strength of at least 130 ksi ( 896.3 MPa), and its malleable is at least 12% (height percent).

또 하나의 비제한적인 구현예에 따라, 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금은 적어도 6.4의 알루미늄 당량 값을 포함하고, 그 항복강도는 적어도 130 ksi (896.3 MPa), 그 최대 인장강도는 적어도 140 ksi (965.3 MPa), 그리고 그 전성은 적어도 12%이다. According to another non-limiting embodiment, the alpha / beta titanium alloy according to the present disclosure comprises an aluminum equivalent value of at least 6.4, the yield strength of at least 130 ksi (896.3 MPa), the maximum tensile strength of at least 140 ksi (965.3 MPa), and its malleable is at least 12%.

또 하나의 비제한적인 구현예에서, 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금은 범위 6.4 내지 7.2의 알루미늄 당량 값을 포함하고, 그 항복강도는 범위 120 ksi (827.4 MPa) 내지 155 ksi (1,069 MPa), 그 최대 인장강도는 범위 130 ksi (896.3 MPa) 내지 165 ksi (1,138 MPa), 그리고 그 전성은 범위 12% 내지 30% (신장 퍼센트)이다. In another non-limiting embodiment, the alpha / beta titanium alloy according to the present disclosure comprises an aluminum equivalent value in the range 6.4 to 7.2, the yield strength of which ranges from 120 ksi (827.4 MPa) to 155 ksi (1,069 MPa). ), Its maximum tensile strength is in the range of 130 ksi (896.3 MPa) to 165 ksi (1,138 MPa), and its malleability is in the range of 12% to 30% (extension percent).

하나의 비제한적인 구현예에서, 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금은 하기 방정식을 만족시키는 평균 극한 인장강도 (UTS)를 나타낸다: In one non-limiting embodiment, the alpha / beta titanium alloy according to the present disclosure exhibits an average ultimate tensile strength (UTS) that satisfies the following equation:

UTS ≥ 14.767 (Aleq) + 48.001.UTS ≥ 14.767 (Al eq ) + 48.001.

또 하나의 비제한적인 구현예에서, 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금은 하기 방정식을 만족시키는 평균 항복강도 (YS)를 나타낸다: In another non-limiting embodiment, the alpha / beta titanium alloy according to the present disclosure exhibits an average yield strength (YS) that satisfies the following equation:

YS ≥ 13.338 (Aleq) + 46.864.YS ≥ 13.338 (Al eq ) + 46.864.

또 하나의 비제한적인 구현예에서, 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금은 하기의 평균 전성을 나타낸다:In another non-limiting embodiment, the alpha / beta titanium alloy according to the present disclosure exhibits the following average malleability:

%el ≥ 3.3669 (Aleq) - 1.9417.% el ≥ 3.3669 (Al eq )-1.9417.

또 하나의 비제한적인 구현예에서, 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금은 하기를 나타낸다:In another non-limiting embodiment, the alpha / beta titanium alloy according to the present disclosure represents the following:

하기 방정식을 만족시키는 평균 극한 인장강도 (UTS): Mean ultimate tensile strength (UTS) satisfying the following equation:

UTS ≥ 14.767 (Aleq) + 48.001;UTS ≧ 14.767 (Al eq ) +48.001;

하기 방정식을 만족시키는 평균 항복강도 (YS): Average yield strength (YS) satisfying the following equation:

YS ≥ 13.338 (Aleq) + 46.864; 및YS ≧ 13.338 (Al eq ) +46.864; And

하기 방정식을 만족시키는 평균 전성: Mean malleable to satisfy the following equation:

%el ≥ 3.3669 (Aleq) - 1.9417.% el ≥ 3.3669 (Al eq )-1.9417.

하나의 비제한적인 구현예에서, 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금은 하기 방정식을 만족시키는 평균 극한 인장강도 (UTS)를 나타낸다: In one non-limiting embodiment, the alpha / beta titanium alloy according to the present disclosure exhibits an average ultimate tensile strength (UTS) that satisfies the following equation:

UTS ≥ 12.414 (Aleq) + 64.429.UTS ≥ 12.414 (Al eq ) + 64.429.

또 하나의 비제한적인 구현예에서, 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금은 하기 방정식을 만족시키는 평균 항복강도 (YS)를 나타낸다: In another non-limiting embodiment, the alpha / beta titanium alloy according to the present disclosure exhibits an average yield strength (YS) that satisfies the following equation:

YS ≥ 13.585 (Aleq) + 44.904.YS ≧ 13.585 (Al eq ) +44.904.

또 하나의 비제한적인 구현예에서, 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금은 하기의 평균 전성을 나타낸다: In another non-limiting embodiment, the alpha / beta titanium alloy according to the present disclosure exhibits the following average malleability:

%el ≥ 4.1993 (Aleq) + 7.4409.% el ≧ 4.1993 (Al eq ) + 7.4409.

또 하나의 비제한적인 구현예에서, 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금은 하기를 나타낸다:In another non-limiting embodiment, the alpha / beta titanium alloy according to the present disclosure represents the following:

하기 방정식을 만족시키는 평균 극한 인장강도 (UTS): Mean ultimate tensile strength (UTS) satisfying the following equation:

UTS ≥ 12.414 (Aleq) + 64.429;UTS ≧ 12.414 (Al eq ) + 64.429;

하기 방정식을 만족시키는 평균 항복강도 (YS): Average yield strength (YS) satisfying the following equation:

YS ≥ 13.585 (Aleq) + 44.904; 및YS ≧ 13.585 (Al eq ) + 44.904; And

하기 방정식을 만족시키는 평균 전성:Mean malleable to satisfy the following equation:

%el ≥ 4.1993 (Aleq) + 7.4409.% el ≧ 4.1993 (Al eq ) + 7.4409.

하나의 비제한적인 구현예에서, 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금은 하기 방정식을 만족시키는 평균 극한 인장강도 (UTS)를 나타낸다: In one non-limiting embodiment, the alpha / beta titanium alloy according to the present disclosure exhibits an average ultimate tensile strength (UTS) that satisfies the following equation:

UTS ≥ 10.087 (Aleq) + 76.785.UTS> 10.087 (Al eq ) + 76.785.

또 하나의 비제한적인 구현예에서, 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금은 하기 방정식을 만족시키는 평균 항복강도 (YS)를 나타낸다: In another non-limiting embodiment, the alpha / beta titanium alloy according to the present disclosure exhibits an average yield strength (YS) that satisfies the following equation:

YS ≥ 13.911 (Aleq) + 39.435.YS ≥ 13.911 (Al eq ) + 39.435.

또 하나의 비제한적인 구현예에서, 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금은 하기의 평균 전성을 나타낸다: In another non-limiting embodiment, the alpha / beta titanium alloy according to the present disclosure exhibits the following average malleability:

%el ≥ 1.1979 (Aleq) + 8.5604.% el ≧ 1.1979 (Al eq ) +8.5604.

또 하나의 비제한적인 구현예에서, 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금은 하기를 나타낸다:In another non-limiting embodiment, the alpha / beta titanium alloy according to the present disclosure represents the following:

하기 방정식을 만족시키는 평균 극한 인장강도 (UTS):Mean ultimate tensile strength (UTS) satisfying the following equation:

UTS ≥ 10.087 (Aleq) + 76.785;UTS ≧ 10.087 (Al eq ) + 76.785;

하기 방정식을 만족시키는 평균 항복강도 (YS): Average yield strength (YS) satisfying the following equation:

YS ≥ 13.911 (Aleq) + 39.435; 및YS> 13.911 (Al eq ) + 39.435; And

하기 방정식을 만족시키는 신장 퍼센트 (%el)의 평균 전성:Average malleability of percent elongation satisfying the following equation:

%el ≥ 1.1979 (Aleq) + 8.5604.% el ≧ 1.1979 (Al eq ) +8.5604.

본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금의 비-제한 구현예는 Ti-6Al-4V 합금와 비교하여 필적하거나 더 높은 기계적 강도, 더 높은 전성, 및 개선된 성형성을 나타낸다는 것으로 측정되었다. 따라서, 항공우주, 항공기, 해양, 자동차, 및 다른 적용에서 Ti-6Al-4V 합금 물품의 대용물로서 본 개시내용에 따른 합금으로 형성된 물품을 사용할 수 있다. 본 개시내용에 따른 합금의 구현예의 높은 강도 및 전성은 높은 내성을 가지며 Ti-6Al-4V 합금으로부터 현재 제조될 수 없는 특정 밀 및 마무리 물품 형상의 제조를 허용한다. Non-limiting embodiments of alpha / beta titanium alloys according to the present disclosure were determined to exhibit comparable or higher mechanical strength, higher malleability, and improved formability compared to Ti-6Al-4V alloys. Thus, articles formed of alloys according to the present disclosure can be used as a substitute for Ti-6Al-4V alloy articles in aerospace, aircraft, marine, automotive, and other applications. The high strength and malleability of embodiments of the alloys according to the present disclosure have high resistance and allow the production of certain mill and finish article shapes that cannot currently be produced from Ti-6Al-4V alloys.

본 명세서의 측면은 본 개시내용에 따른 합금을 포함하고/하거나 그것으로부터 만들어진 제조 물품에 관한 것이다. 제조 물품의 특정 비-제한 구현예는 항공기 엔진 구성요소, 항공기 구조 구성요소, 자동차 구성요소, 의료 기기 구성요소, 스포츠 장비 구성요소, 해양 적용 구성요소, 및 화학 가공 장비 구성요소로부터 선택될 수 있다. 당해분야의 숙련가에게 지금 또는 이하에서 공지되어 있는 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금의 구현예로부터 포함될 수 있고/있거나 그로부터 만들어질 수 있는 다른 제조 물품은 본원에서 개시된 구현예의 범위 내에 있다. 성형 또는 지금 또는 미래에 공지된 다른 제작 기술로 본 개시내용에 따른 합금을 포함하고/하거나 그로부터 만들어진 제조 물품을 당해분야의 숙련가가 구매한다. Aspects of the present disclosure relate to articles of manufacture comprising and / or made from alloys according to the present disclosure. Certain non-limiting embodiments of the article of manufacture can be selected from aircraft engine components, aircraft structural components, automotive components, medical device components, sports equipment components, marine application components, and chemical processing equipment components. . Other articles of manufacture that may be included from and / or may be made from embodiments of alpha / beta titanium alloys according to the present disclosure, now or below known to those skilled in the art, are within the scope of the embodiments disclosed herein. Those skilled in the art purchase articles of manufacture comprising and / or made from alloys according to the present disclosure by molding or other fabrication techniques known now or in the future.

하기의 실시예는 본 발명의 범위를 제한하지 않으면서 특정 비-제한 구현예를 추가로 기재하는 것으로 의도된다. 당해분야의 숙련가는, 하기 실시예뿐만 아니라 본원에 구체적으로 기재되지 않은 다른 구현예의 변화는 청구범위에 의해서만 한정되는 발명의 범위내에서 가능하다는 것을 인식할 것이다.The following examples are intended to further describe certain non-limiting embodiments without limiting the scope of the invention. Those skilled in the art will recognize that changes in the following examples as well as other embodiments not specifically described herein, are possible within the scope of the invention as defined only by the claims.

실시예 1Example 1

본 개시내용에 따른 조성물을 갖는 알파/베타 티타늄 합금 잉곳을, 일차 용융을 위해 종래의 진공 아크 재용해법 (VAR), 플라즈마 아크 용융법 (PAM), 또는 전자 빔 냉 노상 용융법 (EB)를 사용하여 캐스팅하고, VAR를 사용하여 재용융시켰다. 잉곳의 조성물은 "본 개시내용에 따른 비-제한 구현예" 칼럼에서 열거된 범위 내였고, 상기 표 1을 포함한다. An alpha / beta titanium alloy ingot having a composition according to the present disclosure is used for conventional melting using conventional vacuum arc remelting (VAR), plasma arc melting (PAM), or electron beam cold hearth melting (EB). Cast and remelted using VAR. The composition of the ingot was in the range listed in the "Non-limiting embodiment according to the present disclosure" column and includes Table 1 above.

본 실시예 1에서 생산된 잉곳 조성물 약 6.0 내지 약 7.1 범위의 알루미늄 당량 값을 갖는다. 잉곳을, 다양한 핫 롤링 실시를 사용하여 직경 0.25 인치 (0.635 cm) 및 3.25 인치 (8.255 cm)를 갖는 핫 롤링된 바 및 와이어로 가공했다. 핫 롤링을 개시 온도 1550℉ (843.3℃) 및 1650℉ (898.9℃)에서 수행했다. 이 온도 범위는 본 실시예의 합금의 알파/베타 천이온도 미만이고, 이 온도는 실제 화학에 따라 약 1750℉ 내지 약 1850℉ (약 954.4℃ 내지 약 1010℃)이다. 핫 롤링 후, 핫 롤링된 바 및 와이어를 1275℉ (690.6℃)에서 1시간 동안 어널링하고, 그 다음 공기 냉각했다. 실시예 1에서 생산된 각각의 바 및 와이어 샘플들의 직경, 알루미늄 농도, 철 농도, 산소 농도, 및 계산된 Aleq는 표 2에서 제공된다.The ingot composition produced in Example 1 has an aluminum equivalent value in the range of about 6.0 to about 7.1. Ingots were processed into hot rolled bars and wires having a diameter of 0.25 inches (0.635 cm) and 3.25 inches (8.255 cm) using various hot rolling runs. Hot rolling was performed at start temperatures of 1550 ° F. (843.3 ° C.) and 1650 ° F. (898.9 ° C.). This temperature range is below the alpha / beta transition temperature of the alloy of this example, which is about 1750 ° F. to about 1850 ° F. (about 954.4 ° C. to about 1010 ° C.), depending on the actual chemistry. After hot rolling, the hot rolled bars and wires were annealed at 1275 ° F. (690.6 ° C.) for 1 hour and then air cooled. The diameter, aluminum concentration, iron concentration, oxygen concentration, and calculated Al eq of each bar and wire samples produced in Example 1 are provided in Table 2.

Figure 112019035754648-pat00002
Figure 112019035754648-pat00002

도 1은 샘플에서 합금의 알루미늄 당량 값의 함수로서 표 2에서 열거된 바 및 와이어 샘플들에 대한 실온 극한 인장강도 (UTS), 항복강도 (YS), 및 신장 퍼센트 (%el)를 그래프로 나타낸다. 도 1은 선형회귀에 의해 측정된 UTS, YS, 및 %el 데이타 포인트를 통한 추세 선을 또한 포함한다. 평균 강도와 평균 신장 퍼센트 모두는 Aleq 증가와 함께, 증가한다는 것을 알 수 있다. 이 관계는, 강도 증가가 전성 감소에 의해 수반된다는 일반적으로 관찰된 관계와는 반대인 것으로 놀랍고 예상치 못한 것이다. 1 graphically displays room temperature ultimate tensile strength (UTS), yield strength (YS), and percent elongation (% el) for wire samples and as listed in Table 2 as a function of the aluminum equivalent value of the alloy in the sample. . 1 also includes trend lines through the UTS, YS, and% el data points measured by linear regression. It can be seen that both mean intensity and mean percent elongation increase with increasing Al eq . This relationship is surprising and unexpected as opposed to the generally observed relationship that increased strength is accompanied by reduced malleability.

UTS 및 YS에 대한 전형적인 Ti-6Al-4V 최소는, 각각 135 ksi (930.8 MPa) 및 125 ksi (861.8 MPa)이다. 표 2에서 열거된 본 발명의 샘플들에 대한 YS는 Aleq 약 6.0을 갖는 샘플에 대해 약 125 ksi로부터, Aleq 약 7.1을 갖는 샘플에 대해 최대 약 141 ksi 까지 범위였다. Aleq 약 6.4를 갖는 샘플은 약 130 ksi (896.3 MPa)의 YS를 나타내었다. 표 2에서 열거된 본 발명의 샘플들에 대한 UTS는 Aleq 약 6.0을 갖는 샘플에 대해 약 135 ksi로부터, Aleq 약 7.1을 갖는 샘플에 대해 최대 약 153 ksi까지 범위였다. Aleq 약 6.4를 갖는 샘플은 약 41 ksi (972 MPa)의 YS를 나타내었다.Typical Ti-6Al-4V minimums for UTS and YS are 135 ksi (930.8 MPa) and 125 ksi (861.8 MPa), respectively. The YS for the samples of the invention listed in Table 2 ranged from about 125 ksi for samples with Al eq about 6.0 and up to about 141 ksi for samples with Al eq about 7.1. The sample with Al eq about 6.4 exhibited an YS of about 130 ksi (896.3 MPa). UTSs for the samples of the invention listed in Table 2 ranged from about 135 ksi for samples with Al eq about 6.0 and up to about 153 ksi for samples with Al eq about 7.1. The sample with Al eq about 6.4 exhibited an YS of about 41 ksi (972 MPa).

실시예 2Example 2

직경 0.5 인치 (1.27 cm) 및 알루미늄 당량 값 약 6.5, 약 6.8 및 약 7.15를 갖는 실시예 1의 와이어 샘플 번호 9-11에 대해, 실온에서 인장 시험했다. 인장 시험의 결과는 도 2에서 그래프로 나타낸다. 모든 이들 샘플들은 상업적 Ti-6Al-4V 합금에 의해 보여진 강도와 비교가능하거나 그 초과인 인장 강도 및 항복 강도를 나타내었다. 도 1에서와 같이, Aleq 증가로 강도가 증가하고, 평균 신장 퍼센트도 함께 증가한다는 것을 도 2로부터 알 수 있다. 상기에서 논의된 바와 같이, 이러한 경향이 놀랍게 예상치 못한 것은, 강도 증가가 전성 감소에 의해 수반되는 일반적으로 관찰된 관계와 반대이기 때문이다. 다양한 크기의 샘플에 대해 수행된 시험의 대표적인, 도 1와 비교된 바와 같이 동일한 크기의 샘플들에 대해 수행된 시혐의 대표적인 도 2의 데이터에서 덜 흩어지는 것은, 기계적 특성이 시험 샘플의 크기에 의해 어느 정도 영향을 받기 때문이다.Tensile tests were made at room temperature for wire sample Nos. 9-11 of Example 1 having a diameter of 0.5 inches (1.27 cm) and aluminum equivalent values of about 6.5, about 6.8, and about 7.15. The results of the tensile test are shown graphically in FIG. All these samples exhibited tensile strength and yield strength comparable or greater than the strength seen by commercial Ti-6Al-4V alloys. As shown in FIG. 1, it can be seen from FIG. 2 that the intensity increases with increasing Al eq and the average percent elongation also increases. As discussed above, this trend is surprisingly unexpected because the increase in strength is contrary to the generally observed relationship that is accompanied by a decrease in malleability. Less scatter in the representative FIG. 2 data of trials performed on samples of the same size as compared to FIG. 1, representative of the tests performed on samples of various sizes, indicates that the mechanical properties are dependent on the size of the test sample. This is because it is somewhat affected.

실시예 3Example 3

핫 롤링된 1 인치 (2.54 cm) 두께의 플레이트 샘플들을 실시예 1에 기재된 단계에 따라 제조된 잉곳으로부터 제작했다. 합금 잉곳은, 표 3에서 열거된 알루미늄 및 산소 농도 및 알루미늄 당량 값과 함께 상기 표 1의 "본 개시내용에 따른 비-제한 구현예" 칼럼에서 열거된 범위 내의 조성들을 가졌다.Hot rolled 1 inch (2.54 cm) thick plate samples were made from ingots prepared according to the steps described in Example 1. The alloy ingot had the compositions in the ranges listed in the "Non-limiting Embodiments According to the Present Disclosure" column of Table 1 above, with the aluminum and oxygen concentrations and aluminum equivalent values listed in Table 3.

Figure 112019035754648-pat00003
Figure 112019035754648-pat00003

모든 핫 롤링 온도는 합금의 알파/베타 천이온도 미만이었다. 합금은 약 6.5 내지 약 7.1의 Aleq 값을 가졌다. 실온 인장 시험을 사용하여 인장강도, 항복강도, 및 신장 퍼센트 (전성)를 측정했다. 인장 시험의 결과는 도 3에서 그래프로 나타낸다. 계산된 알루미늄 당량에 의해 나타낸 바와 같이 Al 및 O의 증가 수준을 포함하는 합금이, Ti-6Al-4V 합금에 의해 나타낸 강도 수준과 적어도 비교가능한 실온 강도를 나타내었다는 것을 도 3으로부터 알 수 있다. 더욱이, 강도는 Aleq 증가와 함께 증가하는 것으로 관찰되었다. 또한, 본 발명의 합금의 평균 전성은 Aleq 증가 및 강도 증가와 함께 약간 증가되거나 일반적으로 변하지 않은 채로 존재한다. 이 경향은, 강도 증가가 전성 감소에 의해 수반되는 일반적으로 관찰된 관계와는 반대인 것과 같이 놀랍고 예상치 못한 것이다. All hot rolling temperatures were below the alpha / beta transition temperature of the alloy. The alloy had an Al eq value of about 6.5 to about 7.1. The room temperature tensile test was used to measure tensile strength, yield strength, and percent elongation (allelicity). The results of the tensile test are shown graphically in FIG. 3. It can be seen from FIG. 3 that the alloy comprising increasing levels of Al and O, as indicated by the calculated aluminum equivalents, exhibited room temperature strength at least comparable to that shown by the Ti-6Al-4V alloy. Moreover, the strength was observed to increase with increasing Al eq . In addition, the average malleability of the alloy of the present invention remains slightly increased or generally unchanged with increasing Al eq and increasing strength. This tendency is surprising and unexpected, as the increase in strength is in contrast to the generally observed relationship that is accompanied by a decrease in malleability.

본 개시내용은 다양한 예시적인, 설명적인, 및 비-제한 구현예를 참조로 쓰여졌다. 그러나, 임의의 개시된 구현예 (또는 그의 일부)의 다양한 치환, 변형, 또는 조합은, 오로지 청구범위에 의해 정의된 바와 같이 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 만들어질 수 있다는 것을 당해분야의 숙련가에 의해 인식될 것이다. 따라서, 본 개시내용은 본 명세서에서 명백하게 제시되지 않은 추가 구현예를 포함하는 것으로 검토되고 이해된다. 그와 같은 구현예는, 예를 들면, 본 명세서에 기재된 구현예의 임의의 개시된 단계, 성분, 구성요소, 구성성분, 원소들, 특징, 측면 등을 조합하고/하거나 변형시켜 얻을 수 있다. 따라서, 본 개시내용은 다양한 예시적인, 설명적인, 및 비-제한 구현예의 설명에 의해 제한되지 않지만, 오히려 청구범위에 의해서만 제한된다. 이런 식으로, 청구범위는 본 명세서에서 다양하게 기재된 바와 같이 특징들을 청구된 발명에 부가하기 위해 본 특허 출원의 기소 동안에 보정될 수 있는 것으로 이해될 것이다.The present disclosure has been written with reference to various illustrative, illustrative, and non-limiting embodiments. However, one of ordinary skill in the art appreciates that various substitutions, modifications, or combinations of any disclosed embodiments (or portions thereof) may be made without departing from the scope of the invention as defined by the claims. Will be. Accordingly, the present disclosure is to be considered and understood to encompass additional embodiments that are not explicitly set forth herein. Such embodiments can be obtained, for example, by combining and / or modifying any of the disclosed steps, components, components, components, elements, features, aspects, etc. of the embodiments described herein. Thus, the present disclosure is not limited by the description of the various illustrative, illustrative, and non-limiting embodiments, but rather by the claims only. In this way, it will be understood that the claims may be amended during the prosecution of this patent application to add features to the claimed invention as variously described herein.

Claims (28)

티타늄 합금 패스너 스톡을 제조하기 위한 방법이되, 다음을 포함하는 방법:
총 합금 중량을 기준으로 하기를 중량 퍼센트로 포함하는 알파/베타 티타늄 합금을 제공하는 단계:
3.9 내지 4.5 알루미늄;
2.2 내지 3.0 바나듐;
1.2 내지 1.8 철;
0.24 내지 0.30 산소;
최대 0.08 탄소;
최대 0.05 질소;
최대 0.015 수소,
최대 총 0.30 다른 원소들, 여기서 최대 총 0.30 다른 원소들은 각각 0.005 미만인 붕소 및 이트륨, 및 각각 0.10 이하인 주석, 지르코늄, 몰리브데늄, 크로뮴, 니켈, 규소, 구리, 니오븀, 탄탈럼, 망간, 및 코발트를 포함함, 및
잔부 티타늄 및 부수적 불순물;
상기 티타늄 합금을 상기 티타늄 합금의 알파/베타 천이온도 미만에서 열간 압연하는 단계;
상기 티타늄 합금을 1,200°F (648.9℃) 내지 1,500°F (816℃) 범위의 어닐링 온도에서 1시간 내지 8시간의 범위의 어닐링 시간 동안 어닐링하는 단계;
상기 티타늄 합금을 공기 냉각시키는 단계; 및
상기 티타늄 합금을 미리 결정된 크기로 기계가공하는 단계;
여기서 알루미늄 당량 값을 6.4 내지 7.2의 범위에서 증가시킬 때 상기 티타늄 합금의 평균 항복 강도와 평균 최대 인장강도는 증가하고 평균 전성은 감소하지 않음.
A method for producing a titanium alloy fastener stock, the method comprising:
Providing an alpha / beta titanium alloy comprising the following weight percent based on total alloy weight:
3.9 to 4.5 aluminum;
2.2 to 3.0 vanadium;
1.2 to 1.8 iron;
0.24 to 0.30 oxygen;
Up to 0.08 carbon;
Up to 0.05 nitrogen;
0.015 hydrogen max,
At most 0.30 other elements, wherein at most 0.30 other elements are each less than 0.005 boron and yttrium, and tin, zirconium, molybdenum, chromium, nickel, silicon, copper, niobium, tantalum, manganese, and cobalt less than 0.15 each Including, and
Balance titanium and incidental impurities;
Hot rolling the titanium alloy below the alpha / beta transition temperature of the titanium alloy;
Annealing the titanium alloy at an annealing temperature in the range of 1,200 ° F. (648.9 ° C.) to 1,500 ° F. (816 ° C.) for an annealing time in the range of 1 hour to 8 hours;
Air cooling the titanium alloy; And
Machining the titanium alloy to a predetermined size;
Herein, when the aluminum equivalent value is increased in the range of 6.4 to 7.2, the average yield strength and the average maximum tensile strength of the titanium alloy increase but the average malleability does not decrease.
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