KR102627655B1 - Titanium-Cobalt alloy and associated thixoforming method - Google Patents
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Abstract
중량으로 약 5에서 약 27퍼센트의 코발트 및 티타늄을 포함하는 티타늄 합금 및 그것을 만드는 방법.A titanium alloy containing from about 5 to about 27 percent by weight cobalt and titanium and a method of making the same.
Description
본 출원은 티타늄 합금에 관한 것으로, 특히 티타늄 합금을 틱소포밍하는 것에 관한 것이다.This application relates to titanium alloys, and in particular to thixoforming titanium alloys.
티타늄 합금은 넓은 온도 범위에 걸쳐 높은 긴장력(tensile strength)을 제공하지만, 상대적으로 가볍다. 게다가, 티타늄 합금은 부식(corrosion)에 대한 저항력이 있다. 그러므로, 티타늄 합금은 항공기 구성요소, 의료 장비, 등등과 같은, 다양하게 요구되는 애플리케이션에서 이용된다.Titanium alloys offer high tensile strength over a wide temperature range, but are relatively light. Additionally, titanium alloys are resistant to corrosion. Therefore, titanium alloys are used in a variety of demanding applications, such as aircraft components, medical equipment, etc.
티타늄 합금의 플라스틱 성형(plastic forming)은 많은 비용이 드는 프로세스이다. 티타늄 합금의 플라스틱 성형을 위해 요구되는 툴링(tooling)은 변형(deformation) 동안 무거운 부하를 견뎌낼 수 있어야 한다. 그러므로, 티타늄 합금의 플라스틱 성형을 위한 툴링은 제조하기에 비싸고 높은 마모율(wear rate)에 기인하여 유지하기 어렵다. 게다가, 티타늄 합금을 플라스틱 성형할 때 복잡한 기하학적 구조를 획득하기 어렵다. 그러므로, 실질적으로 추가적인 가공이 최종 제품의 원하는 모양을 달성하기 위해 종종 요구되고, 그러므로써 비용이 더 증가한다. Plastic forming of titanium alloys is an expensive process. The tooling required for plastic forming of titanium alloys must be able to withstand heavy loads during deformation. Therefore, tooling for plastic forming of titanium alloys is expensive to manufacture and difficult to maintain due to high wear rates. Moreover, it is difficult to obtain complex geometric structures when plastic forming titanium alloy. Therefore, substantially additional processing is often required to achieve the desired shape of the final product, thereby further increasing the cost.
캐스팅(casting;주물)은 더욱 복잡한 모양을 갖는 티타늄 합금 제품을 획득하기 위한 일반적인 대안이다. 그러나, 티타늄 합금의 캐스팅은 티타늄 합금의 높은 녹는점뿐만 아니라, 몰드(mold;주형) 재료 및 주변 산소와 녹은 티타늄 합금의 과도한 반응성(reactivity)에 의해 복잡해진다.Casting is a common alternative for obtaining titanium alloy products with more complex shapes. However, casting of titanium alloys is complicated by the high melting point of titanium alloys, as well as the excessive reactivity of the molten titanium alloys with the mold material and ambient oxygen.
따라서, 티타늄 합금은 비용-효율면에서 처리되기에 가장 어려운 금속 중 일부이다. 그러므로, 당업자는 티타늄 합금의 분야에서 연구 및 개발 노력을 지속하고있다.Therefore, titanium alloys are some of the most difficult metals to process from a cost-effective perspective. Therefore, those skilled in the art are continuing research and development efforts in the field of titanium alloys.
일 실시예에서, 개시된 티타늄 합금은 중량으로 약 5에서 약 27퍼센트의 코발트를 포함한다.In one embodiment, the disclosed titanium alloy includes from about 5 to about 27 percent cobalt by weight.
또다른 실시예에서, 개시된 티타늄 합금은 필수적으로 중량으로 약 5에서 약 27퍼센트의 코발트, 및 발란스(balance;나머지) 티타늄으로 이루어져있다.In another embodiment, the disclosed titanium alloy consists essentially of about 5 to about 27 percent by weight cobalt, and the balance titanium.
또다른 실시예에서, 개시된 티타늄 합금은 필수적으로 중량으로 약 13에서 약 27퍼센트의 코발트 및 발란스 티타늄으로 이루어져있다.In another embodiment, the disclosed titanium alloy consists essentially of about 13 to about 27 percent by weight cobalt and balanced titanium.
일 실시예에서, 금속성의 물품을 제조하기 위한 개시된 방법은 (1) 틱소포밍 온도로 티타늄 합금의 덩어리(mass)를 가열하는 단계로서, 틱소포밍 온도가 티타늄 합금의 고상선 온도(solidus temperature) 및 티타늄 합금의 액상선 온도(liquidus temperature) 사이에 있고, 티타늄 합금이 코발트 및 티타늄을 포함하는, 가열하는 단계;와 (2) 덩어리가 틱소포밍 온도에 있는 동안 금속성 물품으로 덩어리를 형성하는 단계;를 갖추어 이루어진다.In one embodiment, the disclosed method for making a metallic article includes (1) heating a mass of titanium alloy to a thixoforming temperature, wherein the thixoforming temperature is the solidus temperature of the titanium alloy and heating the titanium alloy, the titanium alloy comprising cobalt and titanium; and (2) forming the agglomerate with the metallic article while the agglomerate is at the thixoforming temperature. It is completed and completed.
또다른 실시예에서, 금속성의 물품을 제조하기 위한 개시된 방법은 (1) 틱소포밍 온도로 티타늄 합금의 덩어리(mass)를 가열하는 단계로서, 틱소포밍 온도가 티타늄 합금의 고상선 온도(solidus temperature) 및 티타늄 합금의 액상선 온도(liquidus temperature) 사이에 있고, 티타늄 합금이 중량으로 약 5에서 약 27퍼센트의 코발트, 및 티타늄을 포함하는, 가열하는 단계;와 (2) 덩어리가 틱소포밍 온도에 있는 동안 금속성 물품으로 덩어리를 형성하는 단계;를 갖추어 이루어진다.In another embodiment, the disclosed method for making a metallic article includes the steps of (1) heating a mass of titanium alloy to a thixoforming temperature, wherein the thixoforming temperature is the solidus temperature of the titanium alloy; and (2) the mass is at the thixoforming temperature. It is comprised of a step of forming a lump with a metallic article.
개시된 티타늄-코발트 합금 및 관련된 틱소포밍 방법의 다른 실시예는 다음의 상새한 설명, 첨부된 도면 및 첨부된 청구항으로부터 명백해질 것이다.Other embodiments of the disclosed titanium-cobalt alloy and related thixoforming method will become apparent from the following detailed description, accompanying drawings, and appended claims.
도 1은 티타늄-코발트 합금의 상태도(phase diagram)이다;
도 2a 및 도 2b는 평형상태(도 2a) 및 Scheil 조건(도 2b)을 가정하여 발생된 3개의 예시적인 티타늄 합금에 대한 온도 대비 액상률(liquid fraction)의 그래프이다;
도 3a 내지 도 3d는 4개의 예시적인 티타늄 합금, 특히 Ti-17.5Co(도 3a), Ti-18.5Co(도 3b), Ti-19.5Co(도 3c) 및 Ti-20.5Co(도 3d)에 대한 시간 대비 마이크로 구조를 (1060℃로 유지될 때) 나타내는 사진이다;
도 4는 금속성 물품을 제조하기 위한 개시된 방법의 일 실시예를 나타내는 플로우도이다;
도 5는 항공기 제조 및 서비스 방법의 플로우도이다;
도 6은 항공기의 블록도이다.Figure 1 is a phase diagram of a titanium-cobalt alloy;
Figures 2A and 2B are graphs of liquid fraction versus temperature for three exemplary titanium alloys generated assuming equilibrium (Figure 2A) and Scheil conditions (Figure 2B);
3A-3D show four exemplary titanium alloys, specifically Ti-17.5Co (FIG. 3A), Ti-18.5Co (FIG. 3B), Ti-19.5Co (FIG. 3C), and Ti-20.5Co (FIG. 3D). This is a picture showing the microstructure (when maintained at 1060℃) versus time;
4 is a flow diagram illustrating one embodiment of the disclosed method for manufacturing a metallic article;
5 is a flow diagram of an aircraft manufacturing and servicing method;
Figure 6 is a block diagram of the aircraft.
티타늄-코발트 합금이 개시된다. 개시된 티타늄-코발트 합금에서 구리 첨가 및 철 첨가의 구성적 제한(compositional limit)이 이곳에서 개시된바와 같이 제어될 때, 최종적인 티타늄-코발트 합금은 틱소포밍 방법으로의 금속성 물품의 제조용으로 특히 제일-적절할 수 있다.A titanium-cobalt alloy is disclosed. When the compositional limits of copper addition and iron addition in the disclosed titanium-cobalt alloy are controlled as disclosed herein, the resulting titanium-cobalt alloy will be particularly best suited for the manufacture of metallic articles by the thixoforming method. You can.
임의의 특정 이론에 제한되지 않고, 개시된 티타늄-코발트 합금이 상대적으로 넓은 응고 범위(solidification range)를 갖기 때문에, 개시된 티타늄-코발트 합금이 틱소포밍 방법으로의 금속성 물품의 제조용으로 제일-적절하다고 여겨진다. 이곳에서 이용되는 바와 같이, "응고 범위"는 티타늄-코발트 합금의 고상선 온도 및 액상선 온도 사이의 차이(ΔT)를 지칭하고, 합금 구성(alloy composition)에 매우 의존적이다. 일 예시로서, 개시된 티타늄-코발트 합금의 응고 범위는 적어도 약 50℃일 수 있다. 또다른 예시로서, 개시된 티타늄-코발트 합금의 응고 범위는 적어도 약 100℃일 수 있다. 또다른 예시로서, 개시된 티타늄-코발트 합금의 응고 범위는 적어도 약 150℃일 수 있다. 또다른 예시로서, 개시된 티타늄-코발트 합금의 응고 범위는 적어도 약 200℃일 수있다. 또다른 예시로서, 개시된 티타늄-코발트 합금의 응고 범위는 적어도 약 250℃일 수 있다. 또다른 예시로서, 개시된 티타늄-코발트 합금의 응고 범위는 적어도 약 300℃일 수 있다.Without being bound by any particular theory, it is believed that the disclosed titanium-cobalt alloy is best-suited for the manufacture of metallic articles by thixoforming methods because the disclosed titanium-cobalt alloy has a relatively wide solidification range. As used herein, “solidification range” refers to the difference (ΔT) between the solidus temperature and liquidus temperature of a titanium-cobalt alloy and is highly dependent on alloy composition. As an example, the solidification range of the disclosed titanium-cobalt alloy may be at least about 50°C. As another example, the solidification range of the disclosed titanium-cobalt alloy may be at least about 100°C. As another example, the solidification range of the disclosed titanium-cobalt alloy may be at least about 150°C. As another example, the solidification range of the disclosed titanium-cobalt alloy may be at least about 200°C. As another example, the solidification range of the disclosed titanium-cobalt alloy may be at least about 250°C. As another example, the solidification range of the disclosed titanium-cobalt alloy may be at least about 300°C.
개시된 티타늄-코발트 합금은 티타늄-코발트 합금의 고상선 온도와 액상선 온도 사이의 온도로 가열될 때 틱소포밍된다. 그러나, 틱소포밍의 장점은 티타늄-코발트 합금의 액상률이 너무 높거나(프로세스가 캐스팅과 비슷해진다) 또는 너무 낮을 때(프로세스가 플라스틱 금속 성형과 비슷해진다) 제한된다. 그러므로, 티타늄-코발트 합금의 액상률이 약 30퍼센트와 약 50퍼센트일 때 틱소포밍하기에 유리하다.The disclosed titanium-cobalt alloy thixoforms when heated to a temperature between the solidus temperature and the liquidus temperature of the titanium-cobalt alloy. However, the benefits of thixoforming are limited when the liquidus fraction of the titanium-cobalt alloy is too high (making the process similar to casting) or too low (making the process similar to plastic metal forming). Therefore, it is advantageous for thixoforming when the liquid phase ratio of the titanium-cobalt alloy is about 30 percent and about 50 percent.
임의의 특정 이론에 제한되지 않고, 개시된 티타늄-코발트 합금이 실질적으로 종래의 티타늄 합금 캐스팅 온도 아래의 온도에서 약 30퍼센트와 약 50퍼센트 사이의 액상률을 달성하기 때문에, 개시된 티타늄-코발트 합금이 금속성 물품의 제조용으로 제일-적합하다고 더 여겨진다. 하나의 형식에서, 개시된 티타늄-코발트 합금은 1,200℃ 미만의 온도에서 약 30퍼센트와 약 50퍼센트 사이의 액상률이 달성된다. 또다른의 형식에서, 개시된 티타늄-코발트 합금은 1,150℃ 미만의 온도에서 약 30퍼센트와 약 50퍼센트 사이의 액상률이 달성된다. 또다른 형식에서, 개시된 티타늄-코발트 합금은 1,100℃ 미만의 온도에서 약 30퍼센트와 약 50퍼센트 사이의 액상률이 달성된다. 또다른 형식에서, 개시된 티타늄-코발트 합금은 1,050℃ 미만의 온도에서 약 30퍼센트와 약 50퍼센트 사이의 액상률이 달성된다. 또다른 형식에서, 개시된 티타늄-코발트 합금은 1,025℃ 미만의 온도에서 약 30퍼센트와 약 50퍼센트 사이의 액상률이 달성된다.Without being bound by any particular theory, the disclosed titanium-cobalt alloy may be metallic because the disclosed titanium-cobalt alloy achieves a liquidus content of between about 30 percent and about 50 percent at temperatures substantially below conventional titanium alloy casting temperatures. It is further considered to be best suited for the manufacture of articles. In one form, the disclosed titanium-cobalt alloy achieves a liquidus content of between about 30 percent and about 50 percent at temperatures below 1,200°C. In another form, the disclosed titanium-cobalt alloy achieves a liquidus content of between about 30 percent and about 50 percent at temperatures below 1,150°C. In another form, the disclosed titanium-cobalt alloy achieves a liquidus content of between about 30 percent and about 50 percent at temperatures below 1,100°C. In another form, the disclosed titanium-cobalt alloy achieves a liquidus content of between about 30 percent and about 50 percent at temperatures below 1,050°C. In another form, the disclosed titanium-cobalt alloy achieves a liquidus content of between about 30 percent and about 50 percent at temperatures below 1,025°C.
일 실시예에서, 표 1에서 보여지는 구성을 갖는 티타늄-코발트 합금이 개시된다.In one embodiment, a titanium-cobalt alloy having the composition shown in Table 1 is disclosed.
따라서, 개시된 티타늄-코발트 합금은 티타늄(Ti) 및 코발트(Co)로 (필수적으로 이루어질) 이루어질 수 있다.Accordingly, the disclosed titanium-cobalt alloy may consist (essentially) of titanium (Ti) and cobalt (Co).
개시된 티타늄-코발트 합금의 물리적인 성질에 실질적으로 영향을 끼치지 않는, 다양한 불순물(impurity)이 또한 존재할 수 있고, 이러한 불순물의 존재가 본 개시의 범위로부터 벗어나지 않을 것임을 당업자는 이해할 것이다. 예를 들어, 개시된 티타늄-코발트 합금의 불순물 함유량(impurity content)은 표 2에서 보여지는 바와 같이 제어될 수 있다.Those skilled in the art will understand that various impurities may also be present that do not substantially affect the physical properties of the disclosed titanium-cobalt alloy, and that the presence of such impurities will not depart from the scope of the present disclosure. For example, the impurity content of the disclosed titanium-cobalt alloy can be controlled as shown in Table 2.
임의의 특정 이론에 제한되지 않고, 코발트 첨가는 주조 및 단조 합금의 경도(hardness)를 약간 증가시키고, 개시된 티타늄-코발트 합금의 틱소포밍어빌리티(the thixoformability)에 기여한다고 여겨진다.Without wishing to be bound by any particular theory, it is believed that the addition of cobalt slightly increases the hardness of the cast and forged alloy and contributes to the thixoformability of the disclosed titanium-cobalt alloy.
표 1에서 보여진 바와 같이, 개시된 티타늄-코발트 합금에 대한 코발트 첨가의 구성 제한은 중량으로 약 5퍼센트에서 27퍼센트 사이이다. 하나의 변형에서, 코발트 첨가의 구성 제한은 중량으로 약 10퍼센트에서 약 27퍼센트 사이이다. 또다른 변형에서, 코발트 첨가의 구성 제한은 중량으로 약 13퍼센트에서 27퍼센트 사이이다. 또다른 변형에서, 코발트 첨가의 구성 제한은 중량으로 약 15퍼센트에서 25퍼센트 사이이다 또다른 변형에서, 코발트 첨가의 구성 제한은 중량으로 약 17퍼센트에서 23퍼센트 사이이다. 또다른 변형에서, 코발트 첨가의 구성 제한은 중량으로 약 17퍼센트에서 약 21퍼센트 사이이다.As shown in Table 1, the compositional limits for cobalt addition for the disclosed titanium-cobalt alloys range from about 5 percent to 27 percent by weight. In one variation, the compositional limit for cobalt addition is between about 10 percent and about 27 percent by weight. In another variation, the compositional limit for cobalt addition is between about 13 percent and 27 percent by weight. In another variation, the composition limit for the cobalt addition is between about 15 percent and 25 percent by weight. In another variation, the composition limit for the cobalt addition is between about 17 percent and 23 percent by weight. In another variation, the compositional limit for cobalt addition is between about 17 percent and about 21 percent by weight.
예시 1Example 1
(Ti-13-27Co)(Ti-13-27Co)
하나의 일반적인 개시된 티타늄-코발트 합금의, 비-제한적인 예시는 표 3에서 보여지는 구성을 갖는다.A non-limiting example of one typical disclosed titanium-cobalt alloy has the configuration shown in Table 3.
도 1의 상태도, 특히, 도 1의 격자무늬 영역을 참조하면, 개시된 Ti-13-27Co 합금은 상대적으로 낮은 고상선 온도(약 1,015℃) 및 상대적으로 넓은 응고 범위를 갖는다. 그러므로, 개시된 Ti-13-27Co 합금은 틱소포밍하기에 제일-적합하다.Referring to the phase diagram of FIG. 1 and, in particular, the lattice pattern region of FIG. 1, the disclosed Ti-13-27Co alloy has a relatively low solidus temperature (about 1,015° C.) and a relatively wide solidification range. Therefore, the disclosed Ti-13-27Co alloy is best-suited for thixoforming.
예시 2Example 2
(Ti-17.5Co)(Ti-17.5Co)
하나의 특정, 개시된 티타늄-코발트 합금의 비-제한적인 예시는 다음의 명목상의 구성(nominal composition)을 갖는다:One particular, non-limiting example of the disclosed titanium-cobalt alloy has the following nominal composition:
Ti-17.5CoTi-17.5Co
및 표 4에서 보여지는 측정된 구성.and the measured constructs shown in Table 4.
위스콘신, 미들턴의 CompuTherm LLC의 PANDAT 소프트웨어(2014 2.0 버전)는 평형 조건 및 Scheil 조건 양쪽 모두를 가정하는, 개시된 Ti-17.5Co 합금에 대한 온도 데이터 대비 액상률을 발생시키기 위해 이용되었다. 결과는 도 2a(평형 조건) 및 도 2b(Scheil 조건)에서 보여진다. 도 2a(평형 조건)로부터의 데이터에 기초하여, 개시된 Ti-17.5Co 합금은 약 335℃의 응고 범위를 가지며, 약 1,015℃의 고상선 온도 및 약 1,350℃의 액상선 온도를 갖는다. PANDAT software (2014 version 2.0) from CompuTherm LLC, Middleton, Wisconsin, was used to generate liquidus versus temperature data for the disclosed Ti-17.5Co alloy, assuming both equilibrium and Scheil conditions. The results are shown in Figure 2a (equilibrium conditions) and Figure 2b (Scheil conditions). Based on the data from Figure 2A (equilibrium conditions), the disclosed Ti-17.5Co alloy has a solidification range of about 335°C, a solidus temperature of about 1,015°C, and a liquidus temperature of about 1,350°C.
도 3a를 참조하면, 개시된 Ti-17.5Co 합금은 1,060℃ -고상선과 액상선 온도 사이의 온도(즉, 틱소포밍 온도)- 로 가열되고 마이크로그래프(micrograph)는 0초, 60초, 300초 및 600초에서 촬영되었다. 마이크로그래프는 어떻게 개시된 Ti-17.5Co 합금이 시간이 흐름에 따라 점점 더 구형(globular)이 되는 1,060℃ 에서의 구형 마이크로구조(microstructure)를 갖는지 보여준다. 그러므로, 개시된 Ti-17.5Co 합금은 틱소포밍하기에 특히 제일-적합하다.Referring to FIG. 3A, the disclosed Ti-17.5Co alloy is heated to 1,060°C—a temperature between the solidus and liquidus temperatures (i.e., thixoforming temperature)—and micrographs are taken at 0 seconds, 60 seconds, 300 seconds, and Filmed at 600 seconds. The micrograph shows how the disclosed Ti-17.5Co alloy has a spherical microstructure at 1,060°C that becomes increasingly globular over time. Therefore, the disclosed Ti-17.5Co alloy is particularly best-suited for thixoforming.
예시 3Example 3
(Ti-18.5Co)(Ti-18.5Co)
또다른 특정, 개시된 티타늄-코발트 합금의 비-제한적인 예시는 다음의 형식적인 구성을 갖는다:Another specific, non-limiting example of the disclosed titanium-cobalt alloy has the following formal configuration:
Ti-18.5CoTi-18.5Co
및 표 5에서 보여지는 측정된 구성.and the measured constructs shown in Table 5.
PANDAT 소프트웨어(2014 2.0 버전)는 평형 조건 및 Scheil 조건 양쪽 모두를 가정하며, 개시된 Ti-18.5Co 합금에 대한 온도 데이터 대비 액상률을 발생시키도록 이용되었다. 결과는 도 2a(평형 조건) 및 도 2b(Scheil 조건)에서 보여진다. 도 2a(평형 조건)로부터의 데이터에 기초하여, 개시된 Ti-18.5Co 합금은 약 306℃의 응고 범위를 가지며, 약 1,015℃의 고상선 온도 및 약 1,321℃ 액상선 온도를 갖는다.PANDAT software (2014 version 2.0) was used to generate liquidus versus temperature data for the disclosed Ti-18.5Co alloy, assuming both equilibrium and Scheil conditions. The results are shown in Figure 2a (equilibrium conditions) and Figure 2b (Scheil conditions). Based on the data from Figure 2A (equilibrium conditions), the disclosed Ti-18.5Co alloy has a solidification range of about 306°C, a solidus temperature of about 1,015°C, and a liquidus temperature of about 1,321°C.
도 3b를 참조하면, 개시된 Ti-18.5Co 합금은 1,060℃ -고상선과 액상선 온도 사이의 온도(즉, 틱소포밍 온도)- 로 가열되고 마이크로그래프는 0초, 60초, 300초, 및 600초에 촬영되었다. 마이크로그래프는 어떻게 개시된 Ti-18.5Co 합금이 시간이 흐름에 따라 점점 더 구형이 되는 1,060℃에서의 구형 마이크로구조를 갖는지를 보여준다. 그러므로, 개시된 Ti-18.5Co 합금은 틱소포밍하기에 특히 제일-적합하다.Referring to FIG. 3B, the disclosed Ti-18.5Co alloy was heated to 1,060°C—a temperature between the solidus and liquidus temperatures (i.e., thixoforming temperature)—and micrographed at 0 seconds, 60 seconds, 300 seconds, and 600 seconds. was filmed in The micrograph shows how the disclosed Ti-18.5Co alloy has a spherical microstructure at 1,060°C that becomes increasingly spherical over time. Therefore, the disclosed Ti-18.5Co alloy is particularly best-suited for thixoforming.
예시 4Example 4
(Ti-19.5Co)(Ti-19.5Co)
또다른 특정, 개시된 티타늄-코발트 합금의 비-제한적인 예시는 다음의 형식적인 구성을 갖는다:Another specific, non-limiting example of the disclosed titanium-cobalt alloy has the following formal configuration:
Ti-19.5CoTi-19.5Co
및 표 6에서 보여지는 측정된 구성.and the measured constructs shown in Table 6.
PANDAT 소프트웨어(2014 2.0 버전)는 평형 조건 및 Scheil 조건 양쪽 모두를 가정하며, 개시된 Ti-19.5Co 합금에 대한 온도 데이터 대비 액상률을 발생시키도록 이용되었다. 결과는 도 2a(평형 조건) 및 도 2b(Scheil 조건)에서 보여진다. 도 2a(평형 조건)로부터의 데이터에 기초하여, 개시된 Ti-19.5Co 합금은 약 276℃의 응고 범위를 가지며, 약 1,015℃의 고상선 온도 및 약 1,291℃ 액상선 온도를 갖다.PANDAT software (2014 version 2.0) was used to generate liquidus versus temperature data for the disclosed Ti-19.5Co alloy, assuming both equilibrium and Scheil conditions. The results are shown in Figure 2a (equilibrium conditions) and Figure 2b (Scheil conditions). Based on the data from Figure 2A (equilibrium conditions), the disclosed Ti-19.5Co alloy has a solidification range of about 276°C, a solidus temperature of about 1,015°C, and a liquidus temperature of about 1,291°C.
도 3c를 참조하면, 개시된 Ti-19.5Co 합금은 1,060℃ -고상선과 액상선 온도 사이의 온도(즉, 틱소포밍 온도)- 로 가열되고 마이크로그래프는 0초, 60초, 300초, 및 600초에 촬영되었다. 마이크로그래프는 어떻게 개시된 Ti-19.5Co 합금이 시간이 흐름에 따라 점점 더 구형이 되는 1,060℃에서의 구형 마이크로구조를 갖는지를 보여준다. 그러므로, 개시된 Ti-19.5Co 합금은 틱소포밍하기에 특히 제일-적합하다.Referring to Figure 3C, the disclosed Ti-19.5Co alloy was heated to 1,060°C—a temperature between the solidus and liquidus temperatures (i.e., thixoforming temperature)—and micrographed at 0 seconds, 60 seconds, 300 seconds, and 600 seconds. was filmed in The micrograph shows how the disclosed Ti-19.5Co alloy has a spherical microstructure at 1,060°C that becomes increasingly spherical over time. Therefore, the disclosed Ti-19.5Co alloy is particularly best-suited for thixoforming.
예시 5Example 5
(Ti-20.5Co)(Ti-20.5Co)
또다른 특정, 개시된 티타늄-코발트 합금의 비-제한적인 예시는 다음의 형식적인 구성을 갖는다:Another specific, non-limiting example of the disclosed titanium-cobalt alloy has the following formal configuration:
Ti-20.5CoTi-20.5Co
및 표 7에서 보여지는 측정된 구성.and the measured constructs shown in Table 7.
PANDAT 소프트웨어(2014 2.0 버전)는 평형 조건 및 Scheil 조건 양쪽 모두를 가정하며, 개시된 Ti-20.5Co 합금에 대한 온도 데이터 대비 액상률을 발생시키도록 이용되었다. 결과는 도 2a(평형 조건) 및 도 2b(Scheil 조건)에서 보여진다. 도 2a(평형 조건)로부터의 데이터에 기초하여, 개시된 Ti-20.5Co 합금은 약 244℃의 응고 범위를 가지며, 약 1,015℃의 고상선 온도 및 약 1,259℃ 액상선 온도를 갖다.PANDAT software (2014 version 2.0) was used to generate liquidus versus temperature data for the disclosed Ti-20.5Co alloy, assuming both equilibrium and Scheil conditions. The results are shown in Figure 2a (equilibrium conditions) and Figure 2b (Scheil conditions). Based on the data from Figure 2A (equilibrium conditions), the disclosed Ti-20.5Co alloy has a solidification range of about 244°C, a solidus temperature of about 1,015°C, and a liquidus temperature of about 1,259°C.
도 3d를 참조하면, 개시된 Ti-20.5Co 합금은 1,060℃ -고상선과 액상선 온도 사이의 온도(즉, 틱소포밍 온도)- 로 가열되고 마이크로그래프는 0초, 60초, 300초, 및 600초에 촬영되었다. 마이크로그래프는 어떻게 개시된 Ti-20.5Co 합금이 시간이 흐름에 따라 점점 더 구형이 되는 1,060℃에서의 구형 마이크로구조를 갖는지를 보여준다. 그러므로, 개시된 Ti-20.5Co 합금은 틱소포밍하기에 특히 제일-적합하다.Referring to Figure 3D, the disclosed Ti-20.5Co alloy was heated to 1,060°C—a temperature between the solidus and liquidus temperatures (i.e., thixoforming temperature)—and micrographed at 0 seconds, 60 seconds, 300 seconds, and 600 seconds. was filmed in The micrograph shows how the disclosed Ti-20.5Co alloy has a spherical microstructure at 1,060°C that becomes increasingly spherical over time. Therefore, the disclosed Ti-20.5Co alloy is particularly best-suited for thixoforming.
따라서, 틱소포밍하기에 제일-적합한 티타늄-코발트 합금이 개시된다. 또한, 틱소포밍의 방법으로, 금속 물품, 특히 티타늄 합금 물품을 제조하기 위한 방법이 개시된다.Accordingly, the best-suited titanium-cobalt alloy for thixoforming is disclosed. Also disclosed is a method for producing metal articles, particularly titanium alloy articles, by a method of thixoforming.
도 4를 참조하면, 일반적으로 참조번호(10)로 지정된, 금속 물품을 제조하기 위한 개시딘 방법의 일 실시예는 출발 물질(starting material)로 이용하기 위한 티타늄 합금의 선택으로 블록(12)에서 시작할 수 있다. 티타늄 합금의 선택(블록(12))은 위의, 표 1에서 보여진 구성을 갖는 티타늄-코발트 합금을 선택하는 단계를 포함할 수 있다.Referring to Figure 4, one embodiment of a method for manufacturing a metal article, generally designated 10, involves the selection of a titanium alloy for use as a starting material in a block 12. You can start. Selection of the titanium alloy (block 12) may include selecting a titanium-cobalt alloy having the composition shown in Table 1, above.
이 시점에서, 티타늄 합금의 선택(블록(12))은 상업적으로 이용가능한 티타늄 합금을 선택하는 단계 또는, 그렇지 않으면 비-상업적으로 이용가능한 티타늄 합금을 선택하는 단계를 포함할 수 있음을 당업자는 이해할 것이다. 비-상업적으로 이용가능한 티타늄 합금의 경우, 티타늄 합금은 개시된 방법(10) 용으로 주문 제작된 것일 수 있다.At this point, one skilled in the art will understand that the selection of a titanium alloy (block 12) may include selecting a commercially available titanium alloy, or otherwise selecting a non-commercially available titanium alloy. will be. For non-commercially available titanium alloys, the titanium alloy may be custom-made for the disclosed method (10).
이곳에서 개시된 바와 같이, 응고 범위는 티타늄 합금의 선택(블록(12)) 동안 하나의 고려사항일 수 있다. 예를 들어, 티타늄 합금의 선택(블록(12))은 예를 들어, 적어도 100℃, 또는 적어도 150℃, 또는 적어도 200℃, 또는 적어도 250℃, 또는 적어도 300℃에서, 적어도 50℃의 응고 범위를 갖는 티타늄-코발트 합금을 선택하는 단계를 포함할 수 있다.As disclosed herein, the extent of solidification may be a consideration during selection of titanium alloy (block 12). For example, the selection of titanium alloy (block 12) may be such that the solidification range is at least 50°C, for example at least 100°C, or at least 150°C, or at least 200°C, or at least 250°C, or at least 300°C. It may include the step of selecting a titanium-cobalt alloy having.
또한 이곳에서 개시된 바와 같이, 약 30퍼센트 및 약 50퍼센트 사이의 액상률에서 달성된 온도는 티타늄 합금의 선택(블록(12)) 동안 또다른 고려사항일 수 있다. 예를 들어, 티타늄 합금의 선택(블록(12))은 예를 들어, 1,200℃ 미만의 온도, 또는 1,150℃ 미만의 온도, 또는 1,100℃ 미만의 온도, 또는 1,050℃ 미만의 온도에서, 약 30퍼센트 및 약 50퍼센트 사이의 액상률을 달성하는 티타늄-코발트 합금을 선택하는 단계를 포함할 수 있다.Also disclosed herein, the temperature achieved at a liquidus content of between about 30 percent and about 50 percent may be another consideration during selection of the titanium alloy (block 12). For example, the selection of titanium alloy (block 12) may be such that, for example, at temperatures below 1,200°C, or below 1,150°C, or below 1,100°C, or below 1,050°C, about 30 percent and selecting a titanium-cobalt alloy that achieves a liquidus content of between about 50 percent.
블록(14)에서, 티타늄 합금의 덩어리는 틱소포밍 온도(즉, 티타뉴 합금의 고상선과 액상선 온도 사이의 온도)로 가열될 수 있다. 하나의 특정한 구현에서, 티타늄 합금의 덩어리는 특정 틱소포밍 온도로 가열될 수 있고, 특정 틱소포밍 온도는 티타늄 합금의 덩어리에서 원하는 액상률을 달성하도록 선택될 수 있다. 하나의 예시로서, 원하는 액상률은 약 10퍼센트에서 약 70퍼센트일 수 있다. 또다른 예시로서, 원하는 액상률은 약 20퍼센트에서 약 60퍼센트일 수 있다. 또다른 예시로서, 원하는 액상률은 약 30퍼센트에서 약 50퍼센트일 수 있다.In block 14, a chunk of titanium alloy may be heated to the thixoforming temperature (i.e., a temperature between the solidus and liquidus temperatures of the titanium alloy). In one particular implementation, a chunk of titanium alloy can be heated to a specific thixoforming temperature, and the specific thixoforming temperature can be selected to achieve a desired liquidus rate in the chunk of titanium alloy. As an example, the desired liquid content may be from about 10 percent to about 70 percent. As another example, the desired liquid content may be from about 20 percent to about 60 percent. As another example, the desired liquid content may be about 30 percent to about 50 percent.
블록(16)에서, 티타늄 합금의 덩어리는 다음 단계(블록(18))로 진행하기 전에 소정의 최소 시간 동안 틱소포밍 온도에서 선택적으로 유지될 수 있다. 하나의 예시로서, 소정의 최소 시간은 약 10초일 수 있다. 또다른 예시로서, 소정의 최소 시간은 약 30초일 수 있다. 또다른 예시로서, 소정의 최소 시간은 약 60초일 수 있다. 또다른 예시로서, 소정의 최소 시간은 약 300초일 수 있다. 또다른 예시로서, 소정의 최소 시간은 약 600초일 수 있다.In block 16, the mass of titanium alloy may optionally be maintained at the thixoforming temperature for a certain minimum time before proceeding to the next step (block 18). As one example, the predetermined minimum time may be approximately 10 seconds. As another example, the predetermined minimum time may be approximately 30 seconds. As another example, the predetermined minimum time may be approximately 60 seconds. As another example, the predetermined minimum time may be approximately 300 seconds. As another example, the predetermined minimum time may be approximately 600 seconds.
블록(18)에서, 티타늄 합금의 덩어리는 덩어리가 틱소포밍 온도에 있는 동안 금속성 물품으로 형성될 수 있다. 다양한 성형 기술은, 제한 없이, 예를 들어, 캐스팅 및 몰딩이 이용될 수 있다.In block 18, a lump of titanium alloy can be formed into a metallic article while the lump is at the thixoforming temperature. Various forming techniques may be used, for example, without limitation, casting and molding.
따라서, 개시된 티타늄-코발트 합금 및 관련된 틱소포밍 방법은 티타늄 합금의 플라스틱 성형과 일반적으로 관련된 복잡하고 값비싼 툴링의 필요 없이, 종래의 티타늄 캐스팅 온도보다 실질적으로 낮은 온도에서 그물 모양(또는 그물 모양에 가까운) 티타늄 합금 물품의 제조를 가능하게 할 수 있다. 그러므로, 개시된 티타늄-코발트 합금 및 관련된 틱소포밍 방법은 티타늄 합금 물품의 비용을 실질적으로 감소시킬 수 있는 잠재력을 갖는다.Accordingly, the disclosed titanium-cobalt alloy and related thixoforming method provide a net-shape (or near-net shape) at temperatures substantially lower than conventional titanium casting temperatures, without the need for complex and expensive tooling typically associated with plastic forming of titanium alloys. ) can enable the manufacture of titanium alloy articles. Therefore, the disclosed titanium-cobalt alloy and associated thixoforming method have the potential to substantially reduce the cost of titanium alloy articles.
본 개시의 예시는 도 5에서 보여지는, 항공기 제작 및 서비스 방법(100) 및 도 6에서 보여지는, 항공기(102)의 문맥에서 설명될 수 있다. 선-제작 동안, 항공기 제조 및 서비스 방법(100)은 항공기(102)의 사양(specification) 및 설계(design)와 자재 조달(106;material procurement)을 포함할 수 있다. 제작 동안, 항공기(102)의 구성요소/서브어셈블리 제조(108;component/subassembly manufacturing) 및 시스템 통합(110;system integration)이 발생한다. 그 다음에, 항공기(102)는 서비스 중(114;in service)에 위치되도록 인증 및 인도(112;certification and delivery)를 통해 갈 수 있다. 고객에 의해 서비스 중에 있는 동안, 항공기(102)는 변경(modification), 재구성(reconfiguration), 정비(refurbishment), 등등을 포함할 수 있는, 유지보수 및 점검(116;routine maintenance and service)을 위해 예정된다.Examples of the present disclosure may be described in the context of aircraft manufacturing and servicing method 100, shown in FIG. 5, and aircraft 102, shown in FIG. 6. During pre-production, aircraft manufacturing and servicing methods 100 may include specification and design of aircraft 102 and material procurement 106. During fabrication, component/subassembly manufacturing 108 and system integration of the aircraft 102 occur. Aircraft 102 may then go through certification and delivery 112 to be placed in service 114. While in service by a customer, the aircraft 102 is scheduled for routine maintenance and service (116), which may include modification, reconfiguration, refurbishment, etc. do.
방법(100)의 각 프로세스는 시스템 통합자, 제 3자, 및/또는 작동자(예를 들어, 고객)에 의해 수행 또는 실시될 수 있다. 이러한 설명의 목적을 위해, 시스템 통합자는 제한 없이, 임의의 수의 항공기 제조업체 및 주요-시스템 하청업자를 포함할 수 있고; 제 3자는 제한 없이, 임의의 수의 판매자, 하청업자, 및 공급자를 포함할 수 있으며; 작동자는 항공사, 임대 회사, 군수 업체, 서비스 단체, 등 일 수 있다.Each process of method 100 may be performed or implemented by a system integrator, a third party, and/or an operator (e.g., a customer). For purposes of this description, system integrators may include, without limitation, any number of aircraft manufacturers and major-system subcontractors; Third parties may include, without limitation, any number of sellers, subcontractors, and suppliers; The operator may be an airline, leasing company, military contractor, service organization, etc.
도 6에서 보여지는 바와 같이, 예시적인 방법(100)에 의해 생산된 항공기(102)는 복수의 시스템(120) 및 내부(122)를 갖는 기체(118;airframe)를 포함할 수 있다. 복수의 시스템(120)의 예시는 추진 시스템(124;propulsion system),전기 시스템(126;electrical system), 유압 시스템(128;hydraulic system), 및 환경 시스템(130;environmental system) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.As shown in FIG. 6 , aircraft 102 produced by example method 100 may include an airframe 118 having a plurality of systems 120 and interiors 122 . Examples of the plurality of systems 120 include one or more of a propulsion system 124, an electrical system 126, a hydraulic system 128, and an environmental system 130. can do.
개시된 티타늄-코발트 합금 및 관련된 틱소포밍 방법은 임의의 하나 이상의 항공기 제조 및 서비스 방법(100)의 단계 동안 사용될 수 있다. 하나의 예시로서, 구성요소/서브어셈블리 제조(108), 시스템 통합(110), 및 또는 유지보수 및 서비스(116)에 대응하는 구성요소 및 서브어셈블리는 개시된 티타늄-코발트 합금 및 관련된 틱소포밍 방법을 이용하여 제작 및 제조될 수 있다. 또다른 예시로서, 기체(118)는 개시된 티타늄-코발트 합금 및 관련된 틱소포밍 방법을 이용하여 구성될 수 있다. 또한, 하나 이상의 장치 예시, 방법 예시, 또는 이들의 조합은 구성요소/서브어셈블리 제작(108) 및/또는 시스템 통합(110) 동안, 예를 들어, 기체(118) 및/또는 내부(122)와 같은 항공기(102)의 비용을 감소시킴으로써 또는 항공기의 어셈블리를 실질적으로 빠르게 처리함으로써 활용될 수 있다. 유사하게, 시스템 예시, 방법 예시, 또는 이들의 조합 중 하나 이상은 예를 들어, 제한 없이, 유지보수 및 서비스(116)를 위해 서비스 중(102)인 동안 활용될 수 있다.The disclosed titanium-cobalt alloy and related thixoforming method may be used during any one or more steps of the aircraft manufacturing and servicing method 100. As one example, components and subassemblies corresponding to component/subassembly manufacturing 108, system integration 110, and/or maintenance and service 116 may be performed using the disclosed titanium-cobalt alloy and associated thixoforming method. It can be manufactured and manufactured using. As another example, airframe 118 can be constructed using the disclosed titanium-cobalt alloy and related thixoforming methods. Additionally, one or more device examples, method examples, or combinations thereof may be used during component/subassembly fabrication 108 and/or system integration 110, e.g., with the airframe 118 and/or interior 122. This could be utilized by reducing the cost of the same aircraft 102 or by substantially speeding up assembly of the aircraft. Similarly, one or more of the system examples, method examples, or combinations thereof may be utilized while in service (102), for example, without limitation, for maintenance and service (116).
개시된 티타늄-코발트 합금 및 관련된 틱소포밍 방법은 항공기의 문맥에서 설명지만; 하나 이상의 당업자는 개시된 티타늄-코발트 합금 및 관련된 틱소포밍 방법이 다양한 애플리케이션을 위해 활용될 수 있음을 쉽게 알아차릴 수 있을것이다. 예를 들어, 개시된 티타늄-코발트 합금 및 관련된 틱소포밍 방법은 예를 들어, 헬리콥터, 여객 수송선, 자동차, 해상 관련 제품(보트, 모터, 등), 등등을 포함하는 다양한 유형의 운송수단으로 구현될 수 있다. 의학 애플리케이션과 같은, 다양한 비-운송수단 애플리케이션도 고려된다.The disclosed titanium-cobalt alloy and related thixoforming method are described in the context of an aircraft; One or more skilled in the art will readily appreciate that the disclosed titanium-cobalt alloy and related thixoforming methods can be utilized for a variety of applications. For example, the disclosed titanium-cobalt alloy and related thixoforming methods can be implemented in various types of vehicles, including, for example, helicopters, passenger carriers, automobiles, marine-related products (boats, motors, etc.), etc. there is. Various non-vehicle applications, such as medical applications, are also considered.
개시된 티타늄-코발트 합금 및 관련된 틱소포밍 방법의 다양한 실시예가 보여지고 설명됨에도 불구하고, 수정이 본 출원을 읽으면서 당업자에게 발생할 수 있다. 본 출원은 이러한 수정을 포함하며 오직 청구항의 범위에 의해 제한된다.Although various embodiments of the disclosed titanium-cobalt alloy and related thixoforming methods have been shown and described, modifications may occur to those skilled in the art upon reading this application. This application includes such modifications and is limited only by the scope of the claims.
Claims (15)
30퍼센트와 50퍼센트 사이의 액상률을 갖기 위해 티타늄 합금을 선택하는 단계로서, 상기 티타늄 합금이: 중량으로 17.6에서 20.5퍼센트의 코발트, 발란스 티타늄 및 불순물로 이루어지고, 상기 불순물은 중량으로 최대 0.25퍼센트의 산소, 중량으로 최대 0.03퍼센트의 질소, 중량으로 최대 0.1퍼센트의 다른 원소들 각각 및 중량으로 최대 0.3퍼센트의 다른 원소들 전체를 함유하는, 단계;
티타늄 합금의 덩어리를 틱소포밍 온도로 가열하는 단계로서, 틱소포밍 온도는 상기 티타늄 합금의 고상선 온도 및 상기 티타늄 합금의 액상선 온도 사이인, 단계;
상기 덩어리를 상기 틱소포밍 온도에서 적어도 600초 동안 유지하는 단계; 및
상기 유지하는 단계 이후, 상기 덩어리가 상기 틱소포밍 온도에 있는 동안 상기 덩어리를 상기 금속 물품으로 성형하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 물품을 제조하기 위한 방법.A method for manufacturing a metal article, comprising:
Selecting a titanium alloy to have a liquidus content of between 30 percent and 50 percent, wherein the titanium alloy: consists of 17.6 to 20.5 percent by weight cobalt, balanced titanium and impurities, wherein the impurities are up to 0.25 percent by weight. containing oxygen, up to 0.03 percent by weight nitrogen, up to 0.1 percent by weight each of the other elements, and up to 0.3 percent by weight all of the other elements;
heating the mass of titanium alloy to a thixoforming temperature, wherein the thixoforming temperature is between the solidus temperature of the titanium alloy and the liquidus temperature of the titanium alloy;
maintaining the mass at the thixoforming temperature for at least 600 seconds; and
After the holding step, forming the lump into the metal article while the lump is at the thixoforming temperature.
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