KR102482145B1 - 고강도 티탄 합금 - Google Patents

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KR102482145B1 KR1020227002388A KR20227002388A KR102482145B1 KR 102482145 B1 KR102482145 B1 KR 102482145B1 KR 1020227002388 A KR1020227002388 A KR 1020227002388A KR 20227002388 A KR20227002388 A KR 20227002388A KR 102482145 B1 KR102482145 B1 KR 102482145B1
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    • C22F1/183—High-melting or refractory metals or alloys based thereon of titanium or alloys based thereon

Abstract

티탄 합금의 비제한적인 실시형태는, 전체 합금 중량을 기준으로 한 중량 백분율로, 2.0 내지 5.0의 알루미늄; 3.0 내지 8.0의 주석; 1.0 내지 5.0의 지르코늄; 0 내지 16.0의 전체의 산소, 바나듐, 몰리브덴, 니오븀, 크롬, 철, 구리, 질소 및 탄소로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 원소; 티탄; 및 불순물을 포함한다. 티탄 합금의 비제한적인 실시형태는, 연성을 유지시키면서 실온 인장 강도를 증가시키는 것으로 관찰된, 취화 상을 형성할 위험 없이, α 상을 안정화시키고 α 상의 용적 분획을 증가시키기 위한, 소정의 다른 합금 첨가물, 예컨대, 알루미늄, 산소, 바나듐, 몰리브덴, 니오븀 및 철과 함께 주석 및 지르코늄의 의도적인 첨가물을 포함한다.

Description

고강도 티탄 합금{High Strength Titanium Alloys}
본 개시내용은 고강도 티탄 합금에 관한 것이다.
티탄 합금은 통합적으로 높은 강도-대-중량 비율을 나타내고, 내부식성이고, 적당하게 높은 온도에서 내크리프성이다. 이 이유로, 티탄 합금은, 예를 들어, 착륙 기어 부재, 엔진 프레임 및 다른 중요한 구조 부품을 포함하는 항공우주 및 항공학 분야에서 사용된다. 예를 들어, Ti-10V-2Fe-3Al 티탄 합금(UNS 56410에 기재된 조성을 갖는 "Ti 10-2-3 합금"이라고도 칭해짐) 및 Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr 티탄 합금("Ti 5553 합금"이라고도 칭해짐; UNS 미지정)은 착륙 기어 분야 및 다른 대형 부품에 사용되는 상업용 합금이다. 이 합금은 170 내지 180ksi 범위의 극한 인장 강도를 나타내고, 이 섹션에서 열 처리 가능하다. 그러나, 이들 합금은 높은 강도 조건에서 실온에서 제한된 연성을 갖는 경향이 있다. 이 제한된 연성은 통합적으로 취화 상, 예컨대, Ti3Al, TiAl 또는 오메가 상에 의해 발생한다.
또한, Ti-10V-2Fe-3Al 티탄 합금은 가공처리하기 어려울 수 있다. 합금은 생성물의 원하는 기계적 특성을 달성하기 위해 용액 처리 후 신속히, 예컨대, 물 또는 공기 급랭에 의해 냉각되어야 하고, 이는 3인치(7.62㎝) 미만의 섹션 두께로 이의 이용 가능성을 제한할 수 있다. Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr 티탄 합금은 용액 온도로부터 공기 냉각될 수 있고, 따라서 6인치(15.24㎝) 이하의 섹션 두께에서 사용될 수 있다. 그러나, 이의 강도 및 연성은 Ti-10V-2Fe-3Al 티탄 합금보다 낮다. 현재의 합금은 또한 취화하는 2차 준안정한 상의 침전으로 인해 높은 강도 조건에서 제한된 연성, 예를 들어, 6% 미만을 나타낸다.
따라서, 실온에서 약 170ksi 초과의 극한 인장 강도에서 두꺼운 섹션 경화성 및/또는 개선된 연성을 갖는 티탄 합금에 대한 필요성이 생겼다.
본 개시내용의 비제한적인 일 양태에 따르면, 티탄 합금은, 전체 합금 중량을 기준으로 한 중량 백분율로, 2.0 내지 5.0의 알루미늄; 3.0 내지 8.0의 주석; 1.0 내지 5.0의 지르코늄; 0 내지 16.0의 전체의 산소, 바나듐, 몰리브덴, 니오븀, 크롬, 철, 구리, 질소 및 탄소로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 원소; 티탄; 및 불순물을 포함한다.
본 개시내용의 또 다른 비제한적인 양태에 따르면, 티탄 합금은, 전체 합금 중량을 기준으로 한 중량 백분율로, 8.6 내지 11.4의 바나듐 및 니오븀으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 원소; 4.6 내지 7.4의 주석; 2.0 내지 3.9의 알루미늄; 1.0 내지 3.0의 몰리브덴; 1.6 내지 3.4의 지르코늄; 0 내지 0.5의 크롬; 0 내지 0.4의 철; 0 내지 0.25의 산소; 0 내지 0.05의 질소; 0 내지 0.05의 탄소; 티탄; 및 불순물을 포함한다.
본 개시내용의 더욱 또 다른 비제한적인 양태에 따르면, 티탄 합금은, 전체 합금 중량을 기준으로 한 중량 백분율로, 2.0 내지 5.0의 알루미늄; 3.0 내지 8.0의 주석; 1.0 내지 5.0의 지르코늄; 0 내지 전체 16.0의 산소, 바나듐, 몰리브덴, 니오븀, 크롬, 철, 구리, 질소 및 탄소로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 원소; 티탄; 및 불순물로 본질적으로 이루어진다.
본 명세서에서 기재된 합금, 물품 및 방법의 특징 및 이점은 수반된 도면을 참조하면 더 잘 이해될 수 있고, 여기서,
도 1은 본 개시내용에 따른 티탄 합금의 비제한적인 실시형태의 가공처리의 방법의 비제한적인 실시형태를 예시하는 선도; 및
도 2는 소정의 관습적인 티탄 합금과 비교하여 본 개시내용에 따른 티탄 합금의 비제한적인 실시형태의 극한 인장 강도(UTS) 및 연신율을 작도한 그래프.
독자는 본 개시내용에 따른 소정의 비제한적인 실시형태의 하기 상세한 설명을 고려할 때 상기 상세내용뿐만 아니라 기타 사항도 이해할 것이다.
조작 실시예 이외의 비제한적인 실시형태의 본 설명에서, 또는 달리 표시되지 않는 한, 분량 또는 특징을 나타내는 모든 숫자는 모든 경우에 용어 "약"에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 반대로 표시되지 않는 한, 하기 설명에 기재된 임의의 숫자 매개변수는 본 개시내용에 따른 재료에서 및 방법에 의해 얻고자 추구하는 원하는 특성에 따라 변할 수 있는 근사치이다. 적어도, 그리고 청구항의 범위로 균등물의 정책의 적용을 제한하고자 의도하지 않으면서, 각각의 숫자 매개변수는 보고된 유효 숫자의 수의 견지에서 및 보통의 올림 기법을 적용함으로써 적어도 해석되어야 한다. 본 명세서에서 기재된 모든 범위는, 달리 기재되지 않는 한, 기재된 종점을 포함한다.
전부 또는 부분적으로 본 명세서에서 참고로 포함된다고 말해지는, 임의의 특허, 공보 또는 다른 개시내용 자료는 포함된 자료가, 오직 본 개시내용에 기재된 기존의 정의, 서술 또는 다른 개시내용 자료와 상충하지 않는 정도로, 본 명세서에서 포함된다. 그러므로, 필요한 정도로, 본 명세서에서 기재된 바와 같은 개시내용은 본 명세서에서 참고로 포함된 임의의 상충하는 자료를 대체한다. 본 명세서에서 참고로 포함된다고 말해지지만, 본 명세서에서 기재된 기존의 정의, 서술 또는 다른 개시내용 자료와 상충하는, 임의의 자료 또는 이의 일부는, 오직 포함된 자료와 기존의 개시내용 자료 사이에 상충이 발생하지 않는 정도로 포함된다.
본 명세서에 사용된 바대로, 용어 "연성" 또는 "연성 한계"는 금속 재료가 프래킹 또는 크래킹 없이 견딜 수 있는 감소 또는 플라스틱 변형의 한계 또는 최대 양을 의미한다. 이 정의는, 예를 들어, 문헌[ASM Materials Engineering Dictionary, J.R. Davis, ed., ASM International (1992), p. 131]에서 주어진 의미와 일치한다.
특정한 조성물을 "포함하는" 티탄 합금에 대한 본 명세서에서의 언급은 기재된 조성물로 "본질적으로 이루어지거나", 또는 "이루어진" 합금을 포함하도록 의도된다. 특정한 조성물을 "포함하거나", 이들로 "이루어지거나", 또는 "본질적으로 이루어진" 본 명세서에서 기재된 티탄 합금 조성물이 또한 불순물을 포함할 수 있다고 이해될 것이다.
본 개시내용은, 부분적으로, 관습적인 티탄 합금의 소정의 한계를 해결하는 합금에 관한 것이다. 본 개시내용에 따른 티탄 합금의 일 비제한적인 실시형태는, 전체 합금 중량을 기준으로 한 중량 백분율로, 2.0 내지 5.0의 알루미늄; 3.0 내지 8.0의 주석; 1.0 내지 5.0의 지르코늄; 0 내지 16.0의 전체의 산소, 바나듐, 몰리브덴, 니오븀, 크롬, 철, 구리, 질소 및 탄소로부터 선택된 하나 이상의 원소; 티탄; 및 불순물을 포함하거나 이들로 본질적으로 이루어질 수 있다. 그 티탄 합금의 소정의 실시형태는, 전체 합금 중량을 기준으로 한 중량 백분율로, 6.0 내지 12.0, 또는 몇몇 실시형태에서 6.0 내지 10.0의, 바나듐 및 니오븀으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 원소; 0.1 내지 5.0의 몰리브덴; 0.01 내지 0.40의 철; 0.005 내지 0.3의 산소; 0.001 내지 0.07의 탄소; 및 0.001 내지 0.03의 질소를 추가로 포함하거나 이들로 본질적으로 이루어질 수 있다. 본 개시내용에 따른 티탄 합금의 또 다른 비제한적인 실시형태는, 전체 합금 중량을 기준으로 한 중량 백분율로, 8.6 내지 11.4의 바나듐 및 니오븀으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 원소; 4.6 내지 7.4의 주석; 2.0 내지 3.9의 알루미늄; 1.0 내지 3.0의 몰리브덴; 1.6 내지 3.4의 지르코늄; 0 내지 0.5의 크롬; 0 내지 0.4의 철; 0 내지 0.25의 산소; 0 내지 0.05의 질소; 0 내지 0.05의 탄소; 티탄; 및 불순물을 포함하거나 이들로 본질적으로 이루어질 수 있다.
본 개시내용에 따른 합금의 비제한적인 실시형태에서, 합금 조성물 내의 부수적인 원소 및 불순물은 수소, 텅스텐, 탄탈럼, 망간, 니켈, 하프늄, 갈륨, 안티몬, 규소, 황, 칼륨 및 코발트 중 하나 이상을 포함하거나 이들로 본질적으로 이루어질 수 있다. 본 개시내용에 따른 티탄 합금의 소정의 비제한적인 실시형태는, 전체 합금 중량을 기준으로 한 중량 백분율로, 0 내지 0.015의 수소, 및 0 내지 0.1의 텅스텐, 탄탈럼, 망간, 니켈, 하프늄, 갈륨, 안티몬, 규소, 황, 칼륨 및 코발트의 각각을 포함할 수 있다.
본 티탄 합금의 소정의 비제한적인 실시형태에서, 티탄 합금은 6.0 내지 9.0의 알루미늄 등가값(equivalent value) 및 5.0 내지 10.0의 몰리브덴 등가값을 포함하고, 본 발명자들은 이것이, 바람직하지 않은 상을 피하고, 침전 역동학을 가속시키고, 가공처리 동안 마텐자이트 변태를 촉진하면서, 실온에서 약 170ksi 초과의 극한 인장 강도에서 연성을 개선한다는 것을 발견하였다. 본 명세서에 사용된 바대로, "알루미늄 등가값" 또는 "알루미늄 등가"(Aleq)는 하기와 같이 결정될 수 있다(여기서, 모든 원소 농도는 표시된 바대로 중량 백분율임): Aleq = Al(wt.%) + [(1/6) x Zr(wt.%)] + [(1/3) x Sn(wt.%)] + [10 x O(wt.%)]. 본 명세서에 사용된 바대로, "몰리브덴 등가값" 또는 "몰리브덴 등가"(Moeq)는 하기와 같이 결정될 수 있다(여기서, 모든 원소 농도는 표시된 바대로 중량 백분율임): Moeq = Mo(wt.%) + [(1/5) x Ta(wt.%)] + [(1/3.6) x Nb(wt.%)] + [(1/2.5) x W(wt.%)] + [(1/1.5) x V(wt.%)] + [1.25 x Cr(wt.%)] + [1.25 x Ni(wt.%)] + [1.7 x Mn(wt.%)] + [1.7 x Co(wt.%)] + [2.5 x Fe(wt.%)].
본 티탄 합금의 소정의 비제한적인 실시형태에서, 티탄 합금은 Ti3X-타입(식 중, X는 금속을 나타냄)의 취성인 금속간 상의 형성을 막는 비교적 낮은 알루미늄 함량을 포함한다. 티탄은 2개의 동소체 형태를 갖는다: 베타("β")-상(체심 입방("body centered cubic: bcc") 결정 구조를 가짐); 및 알파("α")-상(조밀 육방("hexagonal close packed: hcp") 결정 구조를 가짐). 대부분의 α-β 티탄 합금은 열 처리 시 Ti3Al을 형성할 수 있는 대략 6% 알루미늄을 함유한다. 이는 연성에 해로운 효과를 가질 수 있다. 따라서, 본 개시내용에 따른 티탄 합금의 소정의 실시형태는 약 2.0중량% 내지 약 5.0중량%의 알루미늄을 포함한다. 본 개시내용에 따른 티탄 합금의 소정의 다른 실시형태에서, 알루미늄 함량은 약 2.0중량% 내지 약 3.4중량%이다. 추가의 실시형태에서, 본 개시내용에 따른 티탄 합금의 알루미늄 함량은 약 3.0중량% 내지 약 3.9중량%일 수 있다.
본 티탄 합금의 소정의 비제한적인 실시형태에서, 티탄 합금은 소정의 다른 합금 첨가물, 예컨대, 알루미늄, 산소, 바나듐, 몰리브덴, 니오븀 및 철과 함께 주석 및 지르코늄의 의도적인 첨가물을 포함한다. 어떤 이론에 구속되고자 의도하지 않으면서, 주석 및 지르코늄의 의도적인 첨가물이 α 상을 안정화시켜서, 취성 상을 형성할 위험 없이 α 상의 용적 분획을 증가시킨다고 여겨진다. 주석 및 지르코늄의 의도적인 첨가물이 연성을 유지하면서 실온 인장 강도를 증가시킨다고 관찰되었다. 주석 및 지르코늄의 첨가는 α 및 β 상 둘 다에서 고체 용액 강화를 또한 제공한다. 본 개시내용에 따른 티탄 합금의 소정의 실시형태에서, 알루미늄, 주석 및 지르코늄 함량의 합은, 전체 합금 중량을 기준으로, 8중량% 내지 15중량%이다.
본 개시내용에 따른 소정의 비제한적인 실시형태에서, 본 명세서에 개시된 티탄 합금은 β 상 필드로부터 재료를 냉각시키면서 α 상의 침전 및 성장을 느리게 하고 원하는 두께 섹션 경화성을 달성하도록 바나듐, 몰리브덴, 니오븀, 철 및 크롬으로부터 선택된 하나 이상의 β 안정화 원소를 포함한다. 본 개시내용에 따른 티탄 합금의 소정의 실시형태는 약 6.0중량% 내지 약 12.0중량%의 바나듐 및 니오븀으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 원소를 포함한다. 추가의 실시형태에서, 본 개시내용에 따른 티탄 합금 내의 바나듐 및 니오븀 함량의 합은, 모두 티탄 합금의 전체 중량을 기준으로 한 중량 백분율로, 약 8.6% 내지 약 11.4%, 약 8.6% 내지 약 9.4%, 또는 약 10.6% 내지 약 11.4%일 수 있다.
본 개시내용에 따른 제1 비제한적인 티탄 합금은, 전체 합금 중량을 기준으로 한 중량 백분율로, 2.0 내지 5.0의 알루미늄; 3.0 내지 8.0의 주석; 1.0 내지 5.0의 지르코늄; 0 내지 16.0의 전체의 산소, 바나듐, 몰리브덴, 니오븀, 크롬, 철, 구리, 질소 및 탄소로부터 선택된 하나 이상의 원소; 티탄; 및 불순물을 포함하거나 이들로 본질적으로 이루어진다.
제1 실시형태에서, 알루미늄은 알파 상의 안정화 및 강화에 포함될 수 있다. 제1 실시형태에서, 알루미늄은, 전체 합금 중량을 기준으로, 2.0 내지 5.0중량%의 범위의 임의의 농도로 존재할 수 있다.
제1 실시형태에서, 주석은 합금의 고체 용액 강화 및 알파 상의 안정화에 포함될 수 있다. 제1 실시형태에서, 주석은, 전체 합금 중량을 기준으로, 3.0 내지 8.0중량%의 범위의 임의의 농도로 존재할 수 있다.
제1 실시형태에서, 지르코늄은 합금의 고체 용액 강화 및 알파 상의 안정화에 포함될 수 있다. 제1 실시형태에서, 지르코늄은, 전체 합금 중량을 기준으로, 1.0 내지 5.0중량%의 범위의 임의의 농도로 존재할 수 있다.
제1 실시형태에서, 몰리브덴은, 존재하는 경우, 합금의 고체 용액 강화 및 베타 상의 안정화에 포함될 수 있다. 제1 실시형태에서, 몰리브덴은, 전체 합금 중량을 기준으로, 임의의 하기 중량 농도 범위로 존재할 수 있다: 0 내지 5.0; 1.0 내지 5.0; 1.0 내지 3.0; 1.0 내지 2.0; 및 2.0 내지 3.0.
제1 실시형태에서, 철은, 존재하는 경우, 합금의 고체 용액 강화 및 베타 상의 안정화에 포함될 수 있다. 제1 실시형태에서, 철은, 전체 합금 중량을 기준으로, 임의의 하기 중량 농도 범위로 존재할 수 있다: 0 내지 0.4; 및 0.01 내지 0.4.
제1 실시형태에서, 크롬은, 존재하는 경우, 합금의 용액 강화 및 베타 상의 안정화에 포함될 수 있다. 제1 실시형태에서, 크롬은, 전체 합금 중량을 기준으로, 0 내지 0.5중량%의 범위 내의 임의의 농도로 존재할 수 있다.
본 개시내용에 따른 제2 비제한적인 티탄 합금은, 전체 합금 중량을 기준으로 한 중량 백분율로, 8.6 내지 11.4의 바나듐 및 니오븀으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 원소; 4.6 내지 7.4의 주석; 2.0 내지 3.9의 알루미늄; 1.0 내지 3.0의 몰리브덴; 1.6 내지 3.4의 지르코늄; 0 내지 0.5의 크롬; 0 내지 0.4의 철; 0 내지 0.25의 산소; 0 내지 0.05의 질소; 0 내지 0.05의 탄소; 티탄; 및 불순물을 포함하거나 이들로 본질적으로 이루어진다.
제2 실시형태에서, 바나듐 및/또는 니오븀은 합금의 용액 강화 및 베타 상의 안정화에 포함될 수 있다. 제2 실시형태에서, 바나듐 및 니오븀 알루미늄의 전체 조합된 함량은, 전체 합금 중량을 기준으로, 8.6 내지 11.4중량%의 범위의 임의의 농도일 수 있다.
어떤 이론에 구속되고자 바라지 않으면서, 더 큰 알루미늄 등가값이 본 명세서에서 합금의 α 상을 안정화시킬 수 있다고 여겨진다. 다른 한편, 더 큰 몰리브덴 등가값은 β 상을 안정화시킬 수 있다. 본 개시내용에 따른 티탄 합금의 소정의 실시형태에서, 알루미늄 등가값 대 몰리브덴 등가값의 비율은 합금의 강화를 허용하도록 0.6 내지 1.3이어서, 취화 상의 형성의 위험을 감소시켜서, 양호한 높은 사이클 피로 특성을 제공하는 초미세 마이크로구조의 형성 및 양호한 단조성을 허용한다.
본 개시내용에 따른 고강도 티탄 합금에 대한 공칭 제조 방법은 캐스트 가공된(cast-wrought) 티탄 및 티탄 합금에 통상적이고, 당업자에게 친숙할 것이다. 합금 제조에 대한 일반적인 공정 흐름은 도 1에 제공되고 하기한 바대로 기재된다. 이 설명이 캐스트 가공되는 합금을 제한하지 않는다는 것에 주목해야 한다. 본 개시내용에 따른 합금은, 예를 들어, 통합 및/또는 부가 제조 방법을 포함할 수 있는 분말-대-부분 제조 방법에 의해 또한 제조될 수 있다.
본 개시내용에 따른 소정의 비제한적인 실시형태에서, 합금을 제조하는 데 사용되는 원료를 제조한다. 소정의 비제한적인 실시형태에 따르면, 원료는 티탄 스펀지 또는 분말, 원소 첨가물, 마스터 합금, 이산화티탄 및 재순환 재료를 포함할 수 있지만, 이들로 제한되지는 않는다. 리버트(revert) 또는 스크랩으로도 공지된 재순환 재료는 티탄 및 티탄 합금 터닝(turning) 또는 칩, 작은 및/또는 큰 고체, 분말, 및 사용을 위해 이전에 재생되고 재가공처리된 티탄 또는 티탄 합금의 다른 형태로 이루어지거나 이들을 포함할 수 있다. 사용되는 원료의 형태, 크기 및 형상은 합금을 용융하기 위해 사용되는 방법에 따라 달라질 수 있다. 소정의 비제한적인 실시형태에 따르면, 재료는 미립자의 형태일 수 있고 용융 퍼니스에 느슨하게 도입될 수 있다. 다른 실시형태에 따르면, 원료의 전부 또는 일부는 작은 또는 큰 단광(briquette)으로 압축될 수 있다. 특정한 용융 방법의 요건 또는 선호에 따라, 원료는 용융을 위해 소모 가능한 전극으로 조립될 수 있거나, 퍼니스에 미립자로서 공급될 수 있다. 캐스트 가공된 공정에 의해 가공처리된 원료는 최종 잉곳 생성물로 1회 또는 다회 용융될 수 있다. 소정의 비제한적인 실시형태에 따르면, 잉곳은 형상이 원통형일 수 있다. 그러나, 다른 실시형태에서, 잉곳은 직사각형 또는 다른 단면을 갖는 잉곳(이들로 제한되지는 않음)을 포함하는 임의의 기하 형태를 띨 수 있다.
소정의 비제한적인 실시형태에 따르면, 캐스트 가공된 경로를 통한 합금의 제조를 위한 용융 방법은 플라즈마 콜드 할스(plasma cold hearth: PAM) 또는 전자빔 콜드 할스(electron beam cold hearth: EB) 용융, 진공 아크 재용융(vacuum arc remelting: VAR), 일렉트로-슬래그 재용융(electro-slag remelting)(ESR 또는 ESRR), 및/또는 스컬 멜팅(skull melting)을 포함할 수 있다. 분말의 제조를 위한 방법의 비제한적인 목록은 유도 용융/가스 분무화, 플라즈마 분무화, 플라즈마 회전 전극, 전극 유도 가스 분무화, 또는 TiO2 또는 TiCl4로부터의 직접적인 감소 기법 중 하나를 포함한다.
소정의 비제한적인 실시형태에 따르면, 원료는 하나 이상의 제1 용융 전극(들)을 형성하도록 용융될 수 있다. 전극(들)은 최종 용융 잉곳을 제조하기 위해 통합적으로 VAR을 이용하여 1회 이상 제조되고 재용융된다. 예를 들어, 원료는 26인치 직경의 원통형 전극을 생성하도록 플라즈마 아크 콜드 할스 용융(PAM)될 수 있다. 이후, PAM 전극은 제조되고 후속하여 대략 20,000lb의 통상적인 중량을 갖는 30인치 직경의 최종 용융 잉곳으로 진공 아크 재용융(VAR)될 수 있다. 이후, 합금의 최종 용융 잉곳은, 예를 들어, 와이어, 바, 빌릿, 시트, 플레이트 및 다른 형상을 갖는 생성물일 수 있는 원하는 생성물로의 가공 가공처리 수단에 의해 전환된다. 생성물은 합금이 사용되는 최종 형태로 제조될 수 있거나, 예를 들어, 단조, 롤링, 인발, 압출, 열 처리, 기계가공 및 용접을 포함할 수 있는 하나 이상의 기법에 의해 최종 성분으로 추가로 가공처리되는 중간 형태로 제조될 수 있다.
소정의 비제한적인 실시형태에 따르면, 티탄 및 티탄 합금 잉곳의 가공 전환은 통합적으로 개방 다이 단조 프레스를 사용하는 초기 핫 단조 사이클을 수반한다. 공정의 이 부분은 잉곳의 주물 방치 내부 그레인 구조를 취하고 이것을 더 개선된 크기로 감소시키도록 설계되고, 이는 원하는 합금 특성을 적합하게 나타낼 수 있다. 잉곳은 승온으로, 예를 들어, 합금의 β-트랜서스(transus) 초과로 가열되고, 시간의 기간 동안 유지될 수 있다. 온도 및 시간은 합금이 원하는 온도에 완전히 도달하도록 허용하도록 확립되고, 합금의 화학을 균질화시키도록 더 긴 시간 동안 연장될 수 있다. 이후, 합금은 축박 및/또는 인발 조작의 조합에 의해 더 작은 크기로 단조될 수 있다. 재료는 순차적으로 단조되고 재가열될 수 있고, 재가열 사이클은, 예를 들어, β-트랜서스 초과 및/또는 미만의 온도에서 가열 단계의 하나 또는 조합을 포함한다. 후속하는 단조 사이클은 개방 다이 단조 프레스, 회전 포지(rotary forge), 롤링 밀, 및/또는 승온에서 원하는 크기 및 형상으로 금속 합금을 변형시키도록 사용된 다른 유사한 장비에서 수행될 수 있다. 당업자라면 원하는 합금 크기, 형상 및 내부 그레인 구조를 얻도록 단조 단계의 다양한 순서 및 온도 사이클에 친숙할 것이다. 예를 들어, 가공처리를 위한 하나의 이러한 방법은 미국 특허 제7,611,592호(본 명세서에서 그 전문이 참고로 포함됨)에 제공된다.
본 개시내용에 따른 티탄 합금을 제조하는 방법의 비제한적인 실시형태는 기계적 특성의 원하는 균형을 얻도록 α-β 또는 β 상 필드에서의 최종 단조, 및 후속하여 어닐링, 용액 처리 및 어닐링, 용액 처리 및 시효(solution treating and aging: STA), 직접적인 시효, 또는 열 사이클의 조합에 의한 열 처리를 포함한다. 소정의 가능한 비제한적인 실시형태에서, 본 개시내용에 따른 티탄 합금은 다른 관습적인 높은 강도 합금과 비교하여 주어진 온도에서 개선된 작업성을 나타낸다. 이 특징은 덜한 크래킹 또는 다른 해로운 효과에 의해 α-β 및 β 상 필드 둘 다에서 열간 가공(hot working)에 의해 합금이 처리될 수 있게 하여, 수율을 개선하고 생성물 비용을 감소시킨다.
본 명세서에 사용된 바대로, "용액 처리 및 시효" 또는 "STA" 공정은 티탄 합금의 β-트랜서스 온도보다 낮은 용액 처리 온도에서 티탄 합금을 처리하는 용액을 포함하는 티탄 합금에 적용되는 열 처리 공정을 의미한다. 비제한적인 실시형태에서, 용액 처리 온도는 약 760℃ 내지 840℃의 범위의 온도이다. 다른 실시형태에서, 용액 처리 온도는 β-트랜서스에 의해 이동할 수 있다. 예를 들어, 용액 처리 온도는 β-트랜서스 영하(minus) 10℃ 내지 β-트랜서스 영하 100℃, 또는 β-트랜서스 영하 15℃ 내지 β-트랜서스 영하 70℃의 온도 범위일 수 있다. 비제한적인 실시형태에서, 용액 처리 시간은 약 30분 내지 약 4시간의 범위이다. 소정의 비제한적인 실시형태에서, 용액 처리 시간이 30분 미만 또는 4시간 초과일 수 있고, 일반적으로 티탄 합금의 크기 및 횡단면에 따라 달라진다고 인식된다. 본 개시내용에 따른 소정의 실시형태에서, 티탄 합금은 용액 처리의 완료 시 주변 온도로 물 급랭된다. 본 개시내용에 따른 소정의 다른 실시형태에서, 티탄 합금은 티탄 합금의 횡단면 두께에 따라 일정 속도에서 주변 온도로 냉각된다.
용액 처리된 합금은 후속하여 α+β 2개 상 필드에서 티탄 합금의 β-트랜서스 온도의 미만 및 티탄 합금의 용액 처리 온도 미만인 본 명세서에서 "시효 경화 온도"라고도 칭해지는 시효 온도로 시간의 기간 동안 합금을 가열함으로써 시효된다. 본 명세서에 사용된 바대로, 온도, 온도 범위 또는 최소 온도와 관련하여 "로 가열된" 또는 "로 가열하는" 등과 같은 용어는 적어도 합금의 원하는 부분이 기재된 또는 최소 온도와 적어도 동등하거나 또는 부분의 정도에 걸쳐 기재된 온도 범위 내인 온도를 가질 때까지 합금이 가열된다는 것을 의미한다. 비제한적인 실시형태에서, 시효 온도는 약 482℃ 내지 약 593℃의 범위의 온도이다. 소정의 비제한적인 실시형태에서, 시효 시간은 약 30분 내지 약 16시간의 범위일 수 있다. 소정의 비제한적인 실시형태에서, 시효 시간은 30분 미만 또는 16시간 초과일 수 있고, 일반적으로 티탄 합금 생성물 형태의 크기 및 횡단면에 따라 달라진다고 인식된다. 티탄 합금의 용액 처리 및 시효(STA) 가공처리에서 사용된 일반적인 기법은 당업계의 실행자에게 공지되어 있고, 따라서 본 명세서에서 추가로 기재되어 있지 않다.
도 2는 STA 공정을 이용하여 가공처리될 때 상기 언급된 합금에 의해 나타난 극한 인장 강도(UTS) 및 연성의 유용한 조합을 제시하는 그래프이다. 도 2에서 UTS 및 연성의 유용한 조합을 포함하는 선도의 하부 경계는 선 x + 7.5y = 260.5(식 중 "x"는 ksi의 단위의 UTS이고, "y"는 %의 연신율 단위의 연성임)에 의해 근사치화될 수 있는 것이 보여진다. 하기 본 명세서에서 제시된 실시예 1에 포함된 데이터는 본 개시내용에 따른 티탄 합금의 실시형태가 소정의 선행 기술 합금에 의해 얻어진 것을 초과하는 UTS 및 연성의 조합을 생성시킨다는 것을 입증한다. 티탄 합금의 기계적 특성이 일반적으로 시험되는 시편의 크기에 의해 영향을 받지만, 본 개시내용에 따른 비제한적인 실시형태에서, 티탄 합금은 하기 식 (1)에 따라 적어도 170ksi의 UTS 및 연성을 나타낸다:
(7.5 x 연신율(%)) + (UTS(ksi)) ≥ 260.5 (1)
본 티탄 합금의 소정의 비제한적인 실시형태에서, 티탄 합금은 실온에서 적어도 170ksi의 UTS 및 적어도 6%의 연신율을 나타낸다. 본 개시내용에 따른 다른 비제한적인 실시형태에서, 티탄 합금은 6.0 내지 9.0, 또는 소정의 실시형태에서 7.0 내지 8.0의 범위 내의 알루미늄 등가값, 5.0 내지 10.0, 또는 소정의 실시형태에서 6.0 내지 7.0의 범위 내의 몰리브덴 등가값을 포함하고, 실온에서 적어도 170ksi의 UTS 및 적어도 6%의 연신율을 나타낸다. 더욱 다른 비제한적인 실시형태에서, 본 개시내용에 따른 티탄 합금은 6.0 내지 9.0, 또는 소정의 실시형태에서 7.0 내지 8.0의 범위 내의 알루미늄 등가값, 5.0 내지 10.0, 또는 소정의 실시형태에서 6.0 내지 7.0의 범위 내의 몰리브덴 등가값을 포함하고, 실온에서 적어도 180ksi의 UTS 및 적어도 6%의 연신율을 나타낸다.
하기하는 실시예는, 본 발명의 범위를 제한하지 않으면서, 본 개시내용에 따른 비제한적인 실시형태를 추가로 기재하도록 의도된다. 당업자라면 하기 실시예의 변경이, 오로지 청구항에 의해 정의된, 본 발명의 범위 내에 가능하다는 것을 이해할 것이다.
실시예 1
표 1은 본 개시내용에 따른 티탄 합금("실험 티탄 합금 1호" 및 "실험 티탄 합금 2호")의 소정의 비제한적인 실시형태, 및 소정의 관습적인 티탄 합금의 실시형태의 원소 조성, Aleq 및 Moeq를 기재한다.
Figure 112022008105103-pat00001
표 1에 기재된 실험 티탄 합금 1호 및 실험 티탄 합금 2호의 플라스마 아크 용융(PAM) 열은 각각 대략 400 내지 800lb의 중량인 9인치 직경 전극을 제조하도록 플라즈마 아크 퍼니스를 사용하여 제조되었다. 전극은 10인치 직경 잉곳을 제조하도록 진공 아크 재용융(VAR) 퍼니스에서 재용융되었다. 각각의 잉곳은 열간 가공 프레스를 사용하여 3인치 직경 빌릿으로 전환되었다. 7인치 직경으로의 β 단조 단계, 5인치 직경으로의 α+β 예비변형 단조 단계 및 3인치 직경으로의 β 최종 단조 단계 후, 각각의 빌릿의 말단은 석-인(suck-in) 및 엔드-크랙(end-crack)을 제거하도록 잘리고, 빌릿은 다수의 조각으로 절단되었다. 각각의 빌릿의 상부 및 7인치 직경에서의 최하위 빌릿의 하부는 화학 및 β 트랜서스에 대해 샘플링되었다. 중간 빌릿 화학 결과에 기초하여, 2인치 길이의 샘플은 빌릿으로부터 절단되고, 프레스에서 "팬케이크" 단조된다. 팬케이크 시편은 용액 처리된 및 시효된 조건에 상응하는 하기 열 처리 프로필을 이용하여 열 처리되었다: 1400℉(760℃)의 온도에서 2시간 동안의 티탄 합금의 용액 처리; 주변 온도로의 티탄 합금의 공기 냉각; 약 482℃ 내지 약 593℃에서 8시간 동안의 티탄 합금의 시효; 및 티탄 합금의 공기 냉각.
룸 및 인장 시험 및 마이크로구조 분석을 위한 시험 블랭크는 STA 가공처리된 팬케이크 시편으로부터 절단되었다. 최종 화학 분석은 화학적 특성과 기계적 특성 사이에 정확한 상관관계를 보장하도록 시험 후 파괴 인성 쿠폰에서 수행되었다. 최종 3인치 직경 빌릿의 검사는, 해당 빌릿을 통해 베타 매트릭스 마이크로구조에서 미세한 알파 라스(lath)를 센터링시키는 한결같은 표면을 밝혀냈다.
도 2를 참조하면, 표 1에 기재된 실험 티탄 합금 1호(도 2에서 "B5N71"이라 지칭) 및 표 1에 기재된 실험 티탄 합금 2호(도 2에서 "B5N72"라 지칭)의 기계적 특성은 측정되고, 관습적인 Ti 5553 합금(UNS 미지정) 및 Ti 10-2-3 합금(UNS 56410에 기재된 조성을 가짐)의 것과 비교된다. 인장 시험은 미국 시험 재료 협회(American Society for Testing and Materials: ASTM) 표준 E8/E8M-09("금속 재료의 인장 시험에 대한 표준 시험 방법(Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials)", ASTM International, 2009)에 따라 수행되었다. 표 2에서의 실험 결과로 표시된 것처럼, 실험 티탄 합금 1호 및 실험 티탄 합금 2호는 (주석 및 지르코늄의 의도적인 첨가물을 포함하지 않는) 관습적인 Ti 5553 및 Ti 10-2-3 티탄 합금에 비해 극한 인장 강도, 수율 강도 및 연성(%의 연신율로서 보고)의 상당히 더 큰 조합을 나타냈다.
Figure 112022008105103-pat00002
본 개시내용에 따른 합금의 가능한 사용은 많다. 상기 기재되고 입증된 바대로, 본 명세서에서 기재된 티탄 합금은 높은 강도 및 연성의 조합이 중요한 다양한 분야에서 유리하게 사용된다. 본 개시내용에 따른 티탄 합금이 특히 유리한 제조 물품은, 예를 들어, 착륙 기어 부재, 엔진 프레임 및 다른 중요한 구조 부품을 포함하는 소정의 항공우주 및 항공학 분야를 포함한다. 당업자라면, 본 명세서에서 추가의 설명을 제공할 필요 없이, 본 개시내용에 따른 상기 설비, 부품 및 합금으로부터의 다른 제조 물품을 제작할 것이다. 본 개시내용에 따른 합금에 대한 가능한 분야의 상기 실시예는 오직 예로서 제공되고, 본 합금 생성물 형태가 적용될 수 있는 모든 분야를 망라하는 것은 아니다. 당업자라면, 본 개시내용을 읽을 때, 본 명세서에 기재된 바와 같이 합금에 대해 추가적인 분야를 용이하게 확인할 수 있다.
본 개시내용에 따른 신규한 합금의 다양한 불완전한 비제한적인 양태는 단독으로 또는 본 명세서에서 기재된 하나 이상의 다른 양태와 조합되어 유용할 수 있다. 상기 설명을 제한하지 않으면서, 본 개시내용의 제1 비제한적인 양태에서, 티탄 합금은, 전체 합금 중량을 기준으로 한 중량 백분율로, 2.0 내지 5.0의 알루미늄; 3.0 내지 8.0의 주석; 1.0 내지 5.0의 지르코늄; 0 내지 16.0의 전체의 산소, 바나듐, 몰리브덴, 니오븀, 크롬, 철, 구리, 질소 및 탄소로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 원소; 티탄; 및 불순물을 포함한다.
상기 언급된 양태의 각각 또는 임의의 것과 조합되어 사용될 수 있는, 본 개시내용의 제2의 비제한적인 양태에 따르면, 티탄 합금은, 전체 합금 중량을 기준으로 한 중량 백분율로, 6.0 내지 12.0의 바나듐 및 니오븀으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 원소를 포함한다.
상기 언급된 양태의 각각 또는 임의의 것과 조합되어 사용될 수 있는, 본 개시내용의 제3의 비제한적인 양태에 따르면, 티탄 합금은, 전체 합금 중량을 기준으로 한 중량 백분율로, 0.1 내지 5.0의 몰리브덴을 포함한다.
상기 언급된 양태의 각각 또는 임의의 것과 조합되어 사용될 수 있는, 본 개시내용의 제4의 비제한적인 양태에 따르면, 티탄 합금은 6.0 내지 9.0의 알루미늄 등가값을 갖는다.
상기 언급된 양태의 각각 또는 임의의 것과 조합되어 사용될 수 있는, 본 개시내용의 제5의 비제한적인 양태에 따르면, 티탄 합금은 5.0 내지 10.0의 몰리브덴 등가값을 갖는다.
상기 언급된 양태의 각각 또는 임의의 것과 조합되어 사용될 수 있는, 본 개시내용의 제6의 비제한적인 양태에 따르면, 티탄 합금은 6.0 내지 9.0의 알루미늄 등가값 및 5.0 내지 10.0의 몰리브덴 등가값을 갖는다.
상기 언급된 양태의 각각 또는 임의의 것과 조합되어 사용될 수 있는, 본 개시내용의 제7의 비제한적인 양태에 따르면, 티탄 합금은, 전체 합금 중량을 기준으로 한 중량 백분율로, 6.0 내지 12.0, 또는 몇몇 실시형태에서 6.0 내지 10.0의, 바나듐 및 니오븀으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 원소; 0.1 내지 5.0의 몰리브덴; 0.01 내지 0.40의 철; 0.005 내지 0.3의 산소; 0.001 내지 0.07의 탄소; 및 0.001 내지 0.03의 질소를 포함한다.
상기 언급된 양태의 각각 또는 임의의 것과 조합되어 사용될 수 있는, 본 개시내용의 제8의 비제한적인 양태에 따르면, 알루미늄, 주석 및 지르코늄 함량의 합은, 전체 합금 중량을 기준으로 한 중량 백분율로, 8 내지 15이다.
상기 언급된 양태의 각각 또는 임의의 것과 조합되어 사용될 수 있는, 본 개시내용의 제9의 비제한적인 양태에 따르면, 알루미늄 등가값 대 몰리브덴 등가값의 비율은 0.6 내지 1.3이다.
본 개시내용의 제10의 비제한적인 양태에 따르면, 티탄 합금을 제조하는 방법은 760℃ 내지 840℃에서 1 내지 4시간 동안 티탄 합금을 용액 처리하는 단계; 티탄 합금을 주변 온도로 공기 냉각시키는 단계; 티탄 합금을 482℃ 내지 593℃에서 8 내지 16시간 동안 시효시키는 단계; 및 티탄 합금을 공기 냉각시키는 단계를 포함하고, 티탄 합금은 상기 언급된 양태의 각각 또는 임의의 것에 언급된 조성을 갖는다.
상기 언급된 양태의 각각 또는 임의의 것과 조합되어 사용될 수 있는, 본 개시내용의 제11의 비제한적인 양태에 따르면, 티탄 합금은 실온에서 적어도 170ksi의 극한 인장 강도(UTS)를 나타내고, 티탄 합금의 극한 인장 강도 및 연신율은 (7.5 x 연신율(%)) + UTS ≥ 260.5의 식을 만족시킨다.
본 개시내용의 제12의 비제한적인 양태에 따르면, 본 개시내용은 또한, 전체 합금 중량을 기준으로 한 중량 백분율로, 8.6 내지 11.4의 바나듐 및 니오븀으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 원소; 4.6 내지 7.4의 주석; 2.0 내지 3.9의 알루미늄; 1.0 내지 3.0의 몰리브덴; 1.6 내지 3.4의 지르코늄; 0 내지 0.5의 크롬; 0 내지 0.4의 철; 0 내지 0.25의 산소; 0 내지 0.05의 질소; 0 내지 0.05의 탄소; 티탄; 및 불순물을 포함하는 티탄 합금을 제공한다.
상기 언급된 양태의 각각 또는 임의의 것과 조합되어 사용될 수 있는, 본 개시내용의 제13의 비제한적인 양태에 따르면, 티탄 합금은, 전체 합금 중량을 기준으로 한 중량 백분율로, 8.6 내지 9.4의 바나듐 및 니오븀으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 원소를 포함한다.
상기 언급된 양태의 각각 또는 임의의 것과 조합되어 사용될 수 있는, 본 개시내용의 제14의 비제한적인 양태에 따르면, 티탄 합금은, 전체 합금 중량을 기준으로 한 중량 백분율로, 10.6 내지 11.4의 바나듐 및 니오븀으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 원소를 포함한다.
상기 언급된 양태의 각각 또는 임의의 것과 조합되어 사용될 수 있는, 본 개시내용의 제15의 비제한적인 양태에 따르면, 티탄 합금은, 전체 합금 중량을 기준으로 한 중량 백분율로, 2.0 내지 3.0의 몰리브덴을 추가로 포함한다.
상기 언급된 양태의 각각 또는 임의의 것과 조합되어 사용될 수 있는, 본 개시내용의 제16의 비제한적인 양태에 따르면, 티탄 합금은, 전체 합금 중량을 기준으로 한 중량 백분율로, 1.0 내지 2.0의 몰리브덴을 포함한다.
상기 언급된 양태의 각각 또는 임의의 것과 조합되어 사용될 수 있는, 본 개시내용의 제17의 비제한적인 양태에 따르면, 티탄 합금은 7.0 내지 8.0의 알루미늄 등가값을 갖는다.
상기 언급된 양태의 각각 또는 임의의 것과 조합되어 사용될 수 있는, 본 개시내용의 제18의 비제한적인 양태에 따르면, 티탄 합금은 6.0 내지 7.0의 몰리브덴 등가값을 갖는다.
상기 언급된 양태의 각각 또는 임의의 것과 조합되어 사용될 수 있는, 본 개시내용의 제19의 비제한적인 양태에 따르면, 티탄 합금은 7.0 내지 8.0의 알루미늄 등가값 및 6.0 내지 7.0의 몰리브덴 등가값을 갖는다.
상기 언급된 양태의 각각 또는 임의의 것과 조합되어 사용될 수 있는, 본 개시내용의 제20의 비제한적인 양태에 따르면, 티탄 합금은, 전체 합금 중량을 기준으로 한 중량 백분율로, 8.6 내지 9.4의 바나듐 및 니오븀으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 원소; 4.6 내지 5.4의 주석; 3.0 내지 3.9의 알루미늄; 2.0 내지 3.0의 몰리브덴; 및 2.6 내지 3.4의 지르코늄을 포함한다.
상기 언급된 양태의 각각 또는 임의의 것과 조합되어 사용될 수 있는, 본 개시내용의 제21의 비제한적인 양태에 따르면, 티탄 합금은, 전체 합금 중량을 기준으로 한 중량 백분율로, 10.6 내지 11.4의 바나듐 및 니오븀으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 원소; 6.6 내지 7.4의 주석; 2.0 내지 3.4의 알루미늄; 1.0 내지 2.0의 몰리브덴; 및 1.6 내지 2.4의 지르코늄을 포함한다.
본 개시내용의 제22의 비제한적인 양태에 따르면, 티탄 합금을 제조하는 방법은 760℃ 내지 840℃에서 2 내지 4시간 동안 티탄 합금을 용액 처리하는 단계; 티탄 합금을 주변 온도로 공기 냉각시키는 단계; 티탄 합금을 482℃ 내지 593℃에서 8 내지 16시간 동안 시효시키는 단계; 및 티탄 합금을 공기 냉각시키는 단계를 포함하고, 티탄 합금은 상기 언급된 양태의 각각 또는 임의의 것에 언급된 조성을 갖는다.
상기 언급된 양태의 각각 또는 임의의 것과 조합되어 사용될 수 있는, 본 개시내용의 제23의 비제한적인 양태에 따르면, 티탄 합금은 실온에서 적어도 170ksi의 극한 인장 강도(UTS)를 나타내고, 티탄 합금의 극한 인장 강도 및 연신율은 (7.5 x 연신율(%)) + UTS ≥ 260.5의 식을 만족시킨다.
본 개시내용의 제24의 비제한적인 양태에 따르면, 본 개시내용은 또한, 전체 합금 중량을 기준으로 한 중량 백분율로, 2.0 내지 5.0의 알루미늄; 3.0 내지 8.0의 주석; 1.0 내지 5.0의 지르코늄; 0 내지 16.0의 전체의 산소, 바나듐, 몰리브덴, 니오븀, 크롬, 철, 구리, 질소 및 탄소로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 원소; 티탄; 및 불순물로 본질적으로 이루어진 티탄 합금을 제공한다.
상기 언급된 양태의 각각 또는 임의의 것과 조합되어 사용될 수 있는, 본 개시내용의 제25의 비제한적인 양태에 따르면, 합금 내의 바나듐 및 니오븀 함량의 합은, 전체 합금 중량을 기준으로 한 중량 백분율로, 6.0 내지 12, 또는 6.0 내지 10.0이다.
상기 언급된 양태의 각각 또는 임의의 것과 조합되어 사용될 수 있는, 본 개시내용의 제26의 비제한적인 양태에 따르면, 합금 내의 몰리브덴 함량은, 전체 합금 중량을 기준으로 한 중량 백분율로, 0.1 내지 5.0이다.
상기 언급된 양태의 각각 또는 임의의 것과 조합되어 사용될 수 있는, 본 개시내용의 제27의 비제한적인 양태에 따르면, 티탄 합금의 알루미늄 등가값은 6.0 내지 9.0이다.
상기 언급된 양태의 각각 또는 임의의 것과 조합되어 사용될 수 있는, 본 개시내용의 제28의 비제한적인 양태에 따르면, 티탄 합금의 몰리브덴 등가값은 5.0 내지 10.0이다.
상기 언급된 양태의 각각 또는 임의의 것과 조합되어 사용될 수 있는, 본 개시내용의 제29의 비제한적인 양태에 따르면, 티탄 합금의 알루미늄 등가값은 6.0 내지 9.0이고, 티탄 합금의 몰리브덴 등가값은 5.0 내지 10.0이다.
상기 언급된 양태의 각각 또는 임의의 것과 조합되어 사용될 수 있는, 본 개시내용의 제30의 비제한적인 양태에 따르면, 티탄 합금 내에, 바나듐 및 니오븀 함량의 합은 6.0 내지 12.0, 또는 6.0 내지 10.0이고; 몰리브덴 함량은 0.1 내지 5.0이고; 철 함량은 0.01 내지 0.30이고; 산소 함량은 0.005 내지 0.3이고; 탄소 함량은 0.001 내지 0.07이고; 질소 함량은 0.001 내지 0.03이고, 모두 티탄 합금의 전체 중량을 기준으로 한 중량 백분율이다.
상기 언급된 양태의 각각 또는 임의의 것과 조합되어 사용될 수 있는, 본 개시내용의 제31의 비제한적인 양태에 따르면, 알루미늄, 주석 및 지르코늄 함량의 합은, 전체 합금 중량을 기준으로 한 중량 백분율로, 8 내지 15이다.
상기 언급된 양태의 각각 또는 임의의 것과 조합되어 사용될 수 있는, 본 개시내용의 제32의 비제한적인 양태에 따르면, 티탄 합금의 알루미늄 등가값 대 몰리브덴 등가값의 비율은 0.6 내지 1.3이다.
본 개시내용의 제33의 비제한적인 양태에 따르면, 티탄 합금을 제조하는 방법은 760℃ 내지 840℃에서 2 내지 4시간 동안 티탄 합금을 용액 처리하는 단계; 티탄 합금을 주변 온도로 공기 냉각시키는 단계; 티탄 합금을 482℃ 내지 593℃에서 8 내지 16시간 동안 시효시키는 단계; 및 티탄 합금을 공기 냉각시키는 단계를 포함하고, 티탄 합금은 상기 언급된 양태의 각각 또는 임의의 것에 언급된 조성을 갖는다.
상기 언급된 양태의 각각 또는 임의의 것과 조합되어 사용될 수 있는, 본 개시내용의 제34의 비제한적인 양태에 따르면, 티탄 합금은 실온에서 적어도 170ksi의 극한 인장 강도(UTS)를 나타내고, 티탄 합금의 극한 인장 강도 및 연신율은 (7.5 x 연신율(%)) + UTS ≥ 260.5의 식을 만족시킨다.
본 개시내용의 제35의 비제한적인 양태에 따르면, 티탄 합금을 제조하는 방법은 합금의 베타 트랜서스 영하 10℃ 내지 베타 트랜서스 영하 100℃의 온도 범위에서 2 내지 4시간 동안 티탄 합금을 용액 처리하는 단계; 티탄 합금을 주변 온도로 공기 냉각 또는 팬 냉각시키는 단계; 티탄 합금을 482℃ 내지 593℃에서 8 내지 16시간 동안 시효시키는 단계; 및 티탄 합금을 공기 냉각시키는 단계를 포함하고, 티탄 합금은 상기 언급된 양태의 각각 또는 임의의 것에 언급된 조성을 갖는다.
본 설명이 본 발명의 명확한 이해에 관한 본 발명의 이들 양태를 예시한다고 이해될 것이다. 당업자에게 명확하고, 따라서 본 발명의 더 양호한 이해를 수월하게 하지 않는 소정의 양태는 본 설명을 단순하게 하도록 제시되지 않는다. 본 발명의 실시형태의 오직 제한된 수가 반드시 본 명세서에서 기재되어 있지만, 당업자라면, 상기 설명을 고려하면서, 본 발명의 많은 변형 및 변경이 이용될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 본 발명의 모든 이러한 변경 및 변형이 이전의 설명 및 하기 청구항에 의해 포함되도록 의도된다.

Claims (20)

  1. 티탄 합금으로서, 전체 합금 중량을 기준으로 한 중량 백분율로,
    6.0 내지 12.0의 바나듐;
    3.0 내지 8.0의 주석;
    2.0 내지 5.0의 알루미늄;
    1.0 내지 5.0의 지르코늄;
    0.1 내지 5.0의 몰리브덴;
    0.005 내지 0.3의 산소;
    0 내지 0.40의 철;
    0 내지 0.5의 크롬;
    0 내지 0.05의 탄소;
    0 내지 0.05의 질소;
    티탄; 및
    불순물을 포함하는, 티탄 합금.
  2. 제1항에 있어서, 전체 합금 중량을 기준으로 한 중량 백분율로,
    8.6 내지 11.4의 바나듐을 포함하는, 티탄 합금.
  3. 제1항에 있어서, 전체 합금 중량을 기준으로 한 중량 백분율로,
    8.6 내지 9.4의 바나듐을 포함하는, 티탄 합금.
  4. 제1항에 있어서, 전체 합금 중량을 기준으로 한 중량 백분율로,
    4.6 내지 7.4의 주석을 포함하는, 티탄 합금.
  5. 제1항에 있어서, 전체 합금 중량을 기준으로 한 중량 백분율로,
    2.0 내지 3.9의 알루미늄을 포함하는, 티탄 합금.
  6. 제1항에 있어서, 전체 합금 중량을 기준으로 한 중량 백분율로,
    3.0 내지 3.9의 알루미늄을 포함하는, 티탄 합금.
  7. 제1항에 있어서, 전체 합금 중량을 기준으로 한 중량 백분율로,
    2.0 내지 3.4의 알루미늄을 포함하는, 티탄 합금.
  8. 제1항에 있어서, 전체 합금 중량을 기준으로 한 중량 백분율로,
    1.6 내지 3.4의 지르코늄을 포함하는, 티탄 합금.
  9. 제1항에 있어서, 전체 합금 중량을 기준으로 한 중량 백분율로,
    1.0 내지 3.0의 몰리브덴을 포함하는, 티탄 합금.
  10. 제1항에 있어서, 전체 합금 중량을 기준으로 한 중량 백분율로,
    2.0 내지 3.0의 몰리브덴을 포함하는, 티탄 합금.
  11. 제1항에 있어서, 전체 합금 중량을 기준으로 한 중량 백분율로,
    0.005 내지 0.25의 산소를 포함하는, 티탄 합금.
  12. 제1항에 있어서, 전체 합금 중량을 기준으로 한 중량 백분율로,
    0.01 내지 0.40의 철을 포함하는, 티탄 합금.
  13. 제1항에 있어서, 상기 티탄 합금은 니오븀을 추가로 포함하고, 니오븀과 바나듐은 전체 합금 중량을 기준으로, 함께 6.0 초과 내지 12.0 중량%를 구성하는, 티탄 합금.
  14. 제1항에 있어서, 전체 합금 중량을 기준으로 한 중량 백분율로,
    8.6 내지 11.4의 바나듐;
    4.6 내지 7.4의 주석;
    2.0 내지 3.9의 알루미늄;
    1.6 내지 3.4의 지르코늄
    2.0 내지 3.0의 몰리브덴;
    0.005 내지 0.3의 산소;
    0.01 내지 0.4의 철;
    0 내지 0.5의 크롬;
    0.001 내지 0.05의 탄소;
    0.001 내지 0.03의 질소;
    티탄; 및
    불순물을 포함하는, 티탄 합금.
  15. 제1항에 있어서, 상기 티탄 합금은 6.0 내지 9.0의 알루미늄 등가값, 및 5.0 내지 10.0의 몰리브덴 등가값을 포함하는, 티탄 합금.
  16. 제1항에 있어서, 상기 티탄 합금은 7.0 내지 8.0의 알루미늄 등가값, 및 6.0 내지 7.0의 몰리브덴 등가값을 포함하는, 티탄 합금.
  17. 제1항에 있어서, 알루미늄 등가값 대 몰리브덴 등가값의 비율은 0.6 내지 1.3인, 티탄 합금.
  18. 제1항에 있어서, 상기 티탄 합금은 실온에서 적어도 170ksi의 극한 인장 강도(ultimate tensile strength: UTS) 및 적어도 6%의 연신율을 나타내는, 티탄 합금.
  19. 제1항에 있어서, 상기 티탄 합금은 실온에서 적어도 180ksi의 극한 인장 강도(ultimate tensile strength: UTS) 및 적어도 6%의 연신율을 나타내는, 티탄 합금.
  20. 티탄 합금으로서, 전체 합금 중량을 기준으로 한 중량 백분율로,
    6.0 내지 12.0의 바나듐;
    3.0 내지 8.0의 주석;
    2.0 내지 5.0의 알루미늄;
    1.0 내지 5.0의 지르코늄;
    1.0 내지 5.0의 몰리브덴;
    0.005 내지 0.3의 산소;
    0.01 내지 0.40의 철;
    0 내지 0.5의 크롬;
    0 내지 0.05의 탄소;
    0 내지 0.05의 질소;
    티탄; 및
    불순물로 이루어진, 티탄 합금.
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