KR20170113639A - 티탄 물품 및 티탄 합금 물품을 제조하는 방법 - Google Patents

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에이티아이 프로퍼티즈 엘엘씨
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Abstract

티탄 물품 및 티탄 합금 물품으로부터 선택된 물품을 제조하는 방법은 공급 물질들을 수소 공급원과 함께 용융시켜= 티탄 또는 티탄 합금의 융해열을 형성시키고, 융해열의 적어도 일부를 캐스팅하여 수소화된 티탄 또는 티탄 합금 잉곳을 형성시키는 것을 포함한다. 수소화된 잉곳은 상승된 온도에서 변형되어 수소화된 잉곳의 단면적보다 작은 단면적을 포함하는 가공된 물품을 형성시킨다. 가공된 물품은 탈수소화되어 가공된 물품의 수소 함량을 감소시킨다. 본 방법의 비제한적인 특정의 실시형태에서, 탈수소화된 물품은 가장 긴 치수가 10 마이크론 미만인 평균 α-상 입자 크기를 포함한다.

Description

티탄 물품 및 티탄 합금 물품을 제조하는 방법
본 개시내용은 티탄 물품 및 티탄 합금 물품을 제조하는 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명의 비제한적인 특정의 양태는 수소화된 티탄 또는 티탄 합금을 제조하고, 티탄 또는 티탄 합금을 변형시키고(가공하고), 후속하여 물질을 탈수소화시켜 물품의 수소 함량을 감소시키는 것을 포함하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 방법의 비제한적인 특정의 실시형태에서, 본 방법은 초미세 α-상 입자 크기, 예를 들어, 가장 긴 치수가 10 마이크론 미만인 평균 α-상 입자 크기를 갖는 티탄 합금 또는 티탄 합금 물품을 제공한다.
강도, 연성(ductility), 모듈러스(modulus), 및 온도 수용성(temperature capability)을 포함하는 물질 성질들의 이의 유리한 균형을 위한 다양한 적용들에서 티탄 합금들이 사용되고 있다. 예를 들어, Ti-6Al-4V 합금(UNS R56400에서 특정된 조성을 갖는 "Ti-6-4 합금"으로도 나타냄)은 항공우주 산업 및 생물의학 산업에서 널리 사용되고 있는 상업용 합금(commercial alloy)이다.
티탄은 두 가지의 동소체 형태(allotropic form), 즉, 체심 입방(body centered cubic)("bcc") 결정 구조를 갖는 "고온" 베타("β")-상; 및 육방 밀집(hexagonal close packed)("hcp") 결정 구조를 갖는 "저온" 알파("α")-상을 갖는다. 티탄 합금이 가열될 때 α-상이 β-상으로 완전히 변형되는 온도는 β-트랜서스 온도(β-transus temperature)(또는 간단하게, "β-트랜서스" 또는 "Tβ")로서 알려져 있다. 빌렛(billet) 또는 다른 밀(mill) 제품을 형성시키기 위한 티탄 합금의 캐스트 잉곳(cast ingot)의 통상적인 가공은 일반적으로, 제공된 적용을 위한 요망되는 구조 및 물질 성질 요건들에 따라 β-트랜서스 초과 및 미만에서의 변형 단계들의 조합을 수반한다.
보다 미세한 α 입자 크기는 보다 높은 인장 성질들, 개선된 피로 강도, 및 티탄 합금 물품에 대한 개선된 초음파 검사능력을 야기시킬 수 있다. 티탄 합금 물품에서 보다 미세한 α 입자 크기를 달성하기 위한 통상적인 방법은 대개 복잡한 열-기계적 가공을 관리하는 것, 예를 들어, β-상 영역으로부터의 빠른 켄칭 이후 비교적 대량의 α+β상 영역에서의 열간 가공(hot working) 또는 변형(strain) 및 가능하게, 입자 정제(particle refinement)를 향상시키기 위한 α+β상 영역에서의 변형후 어닐(post-deformation anneal)을 포함한다. 특히, 가장 미세한 α 입자 크기를 달성하기 위하여, 매우 낮은 그리고 아마도 약간 실용적인 온도에서 및 비교적 느린, 조절된 변형률(strain rate)을 이용한 열간 가공이 요구된다. 그러나, 단조 하중 증가, 크래킹(cracking)으로 인한 공정 수율 저하, 및 특히, 큰 섹션 크기에서 실제 변형률 조절의 부족 또는 한계로 인해, 이러한 통상적인 방법으로 달성될 수 있는 것에 대한 제조 한계가 존재한다. 통상적인 방법은 또한, 저온 및/또는 높은 변형률과 같은 특정 가공 조건 하에서 합금에 작은 보이드(void) 또는 기공(pore)을 형성하는 경향의 증가로 인하여 제한될 수 있다. 이러한 현상은 "변형-유발 다공도(strain-induced porosity)" 또는 "SIP"로서 알려져 있다. 합금에서 SIP의 존재는 합금 성질들에 특히 유해할 수 있고, 상당한 공정 수율 손실을 야기시킬 수 있다. 심각한 경우에, 추가적이고 고가의 가공 단계들, 예를 들어, 열간 등방압 가압(hot-isostatic pressing)이 형성된 SIP를 제거하기 위해 요구될 수 있다. 이에 따라, 열간 가공 온도 및/또는 변형률에 의해 부과된 한계를 피하면서 보다 미세한 α 입자 크기를 갖는 티탄 합금 물품을 제조하는 방법에 대한 필요성이 발달하고 있다.
본 개시내용은 일부, 티탄 합금 물품을 제조하기 위한 통상적인 방법들의 특정 한계들을 다루는 방법 및 합금 물품에 관한 것이다. 본 명세서의 특정 실시형태는 특정의 티탄 물품 및 티탄 합금 물품에서 보다 미세한 α 입자 크기를 달성하기 위한 통상적인 기술들의 한계를 다룬다. 본 개시내용의 비제한적인 일 양태는 티탄 물품 및 티탄 합금 물품으로부터 선택된 물품을 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 방법은 공급 물질들을 수소 공급원과 함께 용융시켜(melting) 티탄 또는 티탄 합금의 융해열(molten heat)을 형성시키고; 융해열의 적어도 일부를 캐스팅하여(casting) 수소화된 티탄 또는 티탄 합금 잉곳(ingot)을 형성시키고; 수소화된 잉곳을 상승된 온도에서 변형시켜(deforming) 수소화된 잉곳의 단면적보다 작은 단면적을 포함하는 가공된 물품(worked article)을 형성시키고; 가공된 물품을 탈수소화시켜(dehydrogenating) 가공된 물품의 수소 함량을 감소시키는 것을 포함한다. 본 방법의 비제한적인 특정의 실시형태에서, 탈수소화된 물품은 가장 긴 치수가 10 마이크론 미만인 평균 α-상 입자 크기를 포함한다. 본 방법의 비제한적인 특정의 실시형태에서, 티탄 또는 티탄 합금은 상업용 순수 티탄(commercially pure titanium), 거의-α 티탄 합금(near-α titanium alloy), α+β 티탄 합금, 거의-β 티탄 합금, 및 티탄 알루미나이드 합금(titanium aluminide alloy)으로 이루어진 군으로부터 선택된다.
본 개시내용의 다른 비제한적인 양태는 α+β 티탄 합금 물품을 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 방법은 공급 물질들을 수소 공급원과 함께 용융시켜 융해열을 형성시키고; 융해열의 적어도 일부를 캐스팅하여 α+β 티탄 합금의 수소화된 잉곳을 형성시키고; 수소화된 잉곳을 초기에 β상 영역(β phase field)의 온도에서 그리고 후속하여 α+β+δ 상 영역의 온도에서 변형시켜 수소화된 잉곳의 단면적보다 작은 단면적을 포함하는 가공된 물품을 형성시키고; 가공된 물품을 진공 열 처리하여(vacuum heat treating) 가공된 물품의 수소 함량을 감소시키는 것을 포함한다.
본 개시내용의 다른 비제한적인 양태는 α+β 티탄 합금 물품을 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 방법은 공급 물질들을 수소 공급원과 함께 용융시켜 융해열을 형성시키고; 융해열의 적어도 일부를 캐스팅하여 α+β 티탄 합금의 수소화된 잉곳을 형성시키고; 잉곳을 제1의 상승된 온도에서 변형시켜 수소화된 잉곳의 단면적보다 작은 단면적을 포함하는 초기 가공된 물품을 형성시키고; 초기 가공된 물품을 제2의 상승된 온도에서 수소화하고; 초기 가공된 물품을 제3의 상승된 온도에서 변형시켜 초기 가공된 물품의 단면적보다 작은 단면적을 갖는 중간 가공된 물품(intermediate worked article)을 형성시키고; 중간 가공된 물품을 진공 열 처리하여 중간 가공된 물품의 수소 함량을 감소시키는 것을 포함한다.
본 명세서에 기술된 방법 및 합금 물품의 특성들 및 장점들은 첨부된 도면을 참조하여 보다 잘 이해될 수 있다:
도 1은 본 개시내용에 따른 티탄 물품 또는 티탄 합금 물품을 제조하는 방법의 비제한적인 실시형태의 흐름도이다.
본 발명이 이의 적용에 있어서 전술한 도면에서 예시된 배열로 제한되지 않는 것으로 이해되어야 한다. 독자(reader)는 본 개시내용에 따른 방법 및 합금 물품의 비제한적인 특정의 실시형태들의 하기 상세한 설명을 고려하여, 상기 세부사항, 뿐만 아니라, 다른 세부사항들을 인식할 것이다. 독자는 또한, 본 명세서에 기술된 방법 및 합금 물품을 사용할 때 특정의 이러한 추가적인 세부사항들을 이해할 수 있다.
비제한적인 실시형태의 설명에서 그리고 청구범위에서, 작동예(operating example) 이외에 또는 달리 명시하지 않는 한, 구성성분들 및 생성물들, 가공 조건들, 등의 양 또는 특징들을 표현하는 모든 숫자들은 모든 경우에서 용어 "약"에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 이에 따라, 상반되게 명시하지 않는 한, 하기 설명 및 첨부된 청구범위에 기술된 임의 수치 파라미터는 본 개시내용에 따른 방법 및 합금 물품에서 얻고자 하는 요망되는 성질들에 따라 달라질 수 있는 근사치이다. 최소한, 그리고 청구범위에 대한 균등물론의 적용을 제한하고자 하는 시도가 아닌 것으로서, 각 수치 파라미터는 적어도, 보고된 유효 자릿수를 고려하여 그리고 일반적인 반올림 기술을 적용함으로써 해석되어야 한다.
본 개시내용은 일부, 특정의 티탄 합금 물품에서 보다 미세한 α 입자 크기를 달성하기 위한 통상적인 방법들의 특정 한계를 다루는 방법 및 티탄 물품 및 티탄 합금 물품에 관한 것이다. 도 1을 참조하여, 본 개시내용에 따른 α+β 티탄 합금 잉곳을 제조하는 방법의 비제한적인 실시형태가 예시된다. 본 방법은 공급 물질들을 수소 공급원과 함께 용융시켜 융해열을 형성시키고(블록 100), 융해열의 적어도 일부를 캐스팅하여 수소화된(즉, 수소-함유) α+β 티탄 합금 잉곳을 형성시키는 것(블록 110)을 포함한다. 비제한적인 특정의 실시형태에서, 공급 물질들은 용융 직후에, 5.50 중량% 내지 6.75 중량%의 알루미늄, 3.50 중량% 내지 4.50 중량%의 바나듐, 티탄, 수소, 및 불순물들(본 명세서에서 모든 백분율은 달리 명시하지 않는 한, 중량 백분율임)을 포함하는 Ti-6-4 티탄 합금(UNS R56400에 기술된 조성을 갖음)을 제조하는 물질들로 이루어질 수 있다. 당업자는 특정의 요망되는 조성을 갖는 합금 열(alloy heat)을 형성할 수 있는 출발 물질들을 용이하게 식별할 수 있다.
더욱 일반적으로, 본 명세서에 기술된 방법은 임의의 상업용 순수 티탄, 거의-α 티탄 합금, α+β 티탄 합금, 거의-β 티탄 합금, 및 티탄 알루미나이드 합금의 잉곳 및 다른 물품의 제조와 관련하여 사용될 수 있다. 본 명세서에 기술된 방법의 다양한 비제한적인 실시형태에 따라 가공될 수 있는 거의-α 티탄 합금의 비제한적인 예는 (UNS R54810에 기술된 조성을 갖는) Ti-8Al-1Mo-1V 합금을 포함한다. 본 명세서에 기술된 방법의 다양한 비제한적인 실시형태에 따라 가공될 수 있는 α+β 티탄 합금의 비제한적인 예는 (UNS R54620에 기술된 조성을 갖는) Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo 합금, (UNS R56400에 기술된 조성을 갖는) Ti-6Al-4V 합금, 및 (UNS R56620에 기술된 조성을 갖는) Ti-6Al-6V-2Sn 합금을 포함한다. 본 명세서에 기술된 방법의 다양한 비제한적인 실시형태에 따라 가공될 수 있는 거의-β 티탄 합금의 비제한적인 예는 Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr 합금(또한, "Ti-17" 합금으로 나타냄, UNS-R58650에 기술된 조성을 갖음), Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Cr-2Mo-0.15Si 합금(또한, "Ti-62222" 합금으로 나타냄), 및 Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe 합금(또한, "SP-700" 합금으로 나타냄)을 포함한다. 본 명세서에 기술된 방법의 다양한 비제한적인 실시형태에 따라 가공될 수 있는 티탄 알루미나이드 합금의 비제한적인 예는 Ti-24Al-11Nb 합금 및 수퍼-α2 기반 Ti-25Al-10Nb-3V-1Mo 합금을 포함한다. 전술한 합금 명칭들이 단지, 전체 합금 중량 기준의 중량 퍼센트로, 티탄 합금에 함유된 특정의 주요 합금화 원소들(alloying elements)의 공칭 농도(nominal concentration)로만 나타내며, 이러한 합금들이 또한 거의-α 티탄 합금, α+β 티탄 합금, 거의-β 티탄 합금, 및 티탄 알루미나이드 합금으로서 합금의 명칭에 영향을 미치지 않는, 합금화 원소, 뿐만 아니라 부수적인 불순물의 다른 최소 첨가를 포함할 수 있다는 것이 당업자에 의해 인식될 것이다. 또한, 본 개시내용의 설명이 특정의 특정 합금을 언급하지만, 이와 관련하여 본 명세서에 기술된 방법 및 합금 물품이 제한되지 않는다. 이해되는 바와 같이, 출발 물질은 요망되는 조성 및 다른 요망되는 성질들을 갖는 합금 잉곳을 제공하기 위해 당업자에 의해 선택될 수 있다.
비제한적인 특정의 실시형태에 따르면, 본 방법에 따른 용융 단계 및 캐스팅 단계에서 생성된 수소화된 잉곳의 적어도 일부는 수소화된 잉곳의 총 중량을 기준으로 하여 0 초과 내지 1.5 중량%의 수소 함량을 갖는다. 특정의 다른 비제한적인 실시형태에 따르면, 수소화된 잉곳의 적어도 일부의 수소 함량은 0.05 중량% 내지 1.0 중량%이다. 또 다른 비제한적인 실시형태에서, 수소화된 잉곳의 적어도 일부는 0.05 중량% 내지 0.8 중량%, 또는 0.2 중량% 내지 0.8 중량%의 수소 함량을 갖는다. 특정의 합금 물품을 위한 조성물에 따라, 1.5 중량% 초과의 수소 함량은 실온으로의 냉각 동안에 크래킹을 증진시킬 수 있고, 이에 따라, 필수적인 물질 성질들을 제공하지 못할 수 있다.
티탄 합금 물품 중에 수소를 도입하기 위한 통상적인 방법은 수소의 존재 하에 고형화된 합금의 열 처리를 통한 후-용융(post-melt)이다. 이러한 통상적인 방법은 수소의 고체-상태 확산에 의존하고, 이에 따라, 통상적으로, 긴 기간 동안 고온 열처리를 필요로 하여, 섹션 크기에 따라 크게 증가한다. 대조적으로, 본 개시내용에 따른 α+β 티탄 합금 물품 또는 다른 티탄 또는 티탄 합금 물품을 제조하는 방법의 비제한적인 특정의 실시형태는 공급 물질들을 수소 공급원과 함께 용융시켜 수소화된 티탄 또는 티탄 합금 잉곳을 제공하는 것을 포함한다. 다른 말로는, 수소 공급원은 융해열의 생성 동안 존재하며, 공급원으로부터의 수소는 캐스트 물질(cast material)에 도입된다. 비제한적인 특정의 실시형태에 따르면, 수소 공급원은 동시에 수행되는, 용융 단계 및 캐스팅(고형화) 단계 동안 존재한다.
수소는 티탄 또는 티탄 합금 매트릭스에서, 예를 들어, 하이드라이드 침전 또는 침입형 고용체(interstitial solid solution) 형태로 캐스트 티탄 또는 티탄 합금에 도입될 수 있으며, 수소는 합금 조성 및 가공 조건들에 의해 촉진되는 임의 형태로 존재할 수 있다. 하기에 추가로 설명되는 바와 같이, 본 개시내용에 따른 방법의 다양한 실시형태에 따라 가공된 티탄 물품 및 티탄 합금 물품은 개선된 가공능력(workability) 및 공정 수율을 야기시키고 이에 의해 생산 비용을 감소시킬 수 있고/거나, 통상적인 티탄 전환 방법을 통해 가능한 것 보다 더욱 미세한 α 입자 크기를 달성할 수 있다. 또한, 본 명세서의 특정 실시형태와 관련하여 하기에 추가로 설명되는 바와 같이, 최종 열간 가공되고 거친-기계가공된(rough-machined) 물품을 통해 수소화된 상태를 유지시킴으로써, 탈수소화를 위해(즉, 수소 함량을 감소시키기 위해) 요구되는 어닐링 시간(annealing time)은 비교적 짧고 경제적으로 실용적일 수 있다.
비제한적인 특정의 실시형태에서, 수소 공급원은 예를 들어, 용융된 공급 물질들과 접촉하는 수소 분압(partial pressure)을 포함하는 가스상 환경; 용융된 공급 물질들과 접촉하는 수소 분압 및 불활성 가스(예를 들어, 헬륨 또는 아르곤)를 포함하는 가스상 환경; 및/또는 다른 공급 물질들과 함께 용융되는 하나 이상의 수소-함유 물질들(예를 들어, 티탄 하이드라이드 분말, 하이드라이드 티탄 칩 또는 터닝(turning))일 수 있다. 당업자는, 본 설명을 읽을 때, 티탄 물품 또는 티탄 합금 물품의 수소 함량을 증가시키기 위해 본 개시내용에 따른 방법에서 사용될 수 있는 추가적인 수소 공급원을 식별할 수 있다. 이러한 모든 추가적인 수소 공급원들이 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 의도된다.
도 1을 계속 참조하면, 본 개시내용에 따른 α+β 티탄 합금 물품 또는 다른 티탄 합금 물품을 제조하는 방법의 비제한적인 실시형태에서, 수소화된 티탄 합금 잉곳은 수소화된 잉곳의 단면적보다 작은 단면적을 포함하는 가공된 물품을 형성시키기 위해 상승된 온도(즉, 실온 보다 높은 온도로서 잉곳을 가공하기에 적합한 온도)에서 변형된다(즉, 가공된다)(블록 120 내지 블록 140). "가공된 물품(worked article)"의 의미는 티탄 합금 물품의 생산에서의 당업자에 의해 용이하게 이해될 것이다. 일 예로서, 그리고 비제한적으로, 가공된 물품은 중간 빌렛(intermediate billet), 최종 빌렛(final billet), 바(bar), 플레이트(plate), 시트(sheet), 가공된(as-worked) 또는 거친-기계가공된(rough-machined) 상태 중 어느 하나의 최종 물품, 또는 다른 밀 제품(mill product)을 미리 형성시키는 것을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 초기 잉곳이 예를 들어, 단조 또는 다른 열간 가공 기술에 의해 변형된 직후에, 얻어진 가공된 물품은 통상적으로, 예비성형품(preform) 또는 중간 빌렛으로서 당해 분야에서 언급된다. 본 명세서에서 사용되는 "가공된 물품"은 이러한 모든 물품들을 포함한다. 또한, "예비성형품" 또는 "빌렛"이 물품의 특정 형상으로 제한되지 않는 것으로 이해되어야 한다. 예비성형품 또는 빌렛의 특정 형상은 특정 합금 물품의 가공 조건들 및 디자인 기준에 따라 달라질 수 있다.
본 방법의 비제한적인 특정의 실시형태에서, 수소화된 잉곳은 초기에 특정 합금의 β상 영역에서의 온도에서 변형되고(블록 120), 후속하여 그러한 합금의 α+β+δ 상 영역에서 변형되어(블록 130), 수소화된 잉곳의 단면적보다 작은 단면적을 포함하는 가공된 물품을 형성한다. β상 영역에서의 변형 및 후속하여 α+β+δ 상 영역에서의 변형을 포함하는 본 방법의 특정 실시형태에서, 합금은 α+β 티탄 합금이다. 빌렛 또는 다른 밀 제품들을 형성시키기 위한 α+β 합금의 캐스트 잉곳의 통상적인 가공은 통상적으로, 잉곳의 캐스트 구조를 파괴하기 위해 β-트랜서스 초과에서의(즉, β상 영역에서의) 물질의 초기 변형을 포함한다. 어떠한 이론으로도 제한하고자 의도하는 것은 아니지만, 본 개시내용에 따른 방법을 이용하여 수소 함량이 증가된 α+β 티탄 합금 물품을 제공하는 것은 합금의 β-트랜서스 온도를 감소시키고 합금의 β상을 안정화시킴으로써 α+β 티탄 합금의 열간 가공능력(hot workability) 또는 연성을 개선시킬 수 있다.
본 개시내용에 따른 방법의 비제한적인 특정의 실시형태에서, 공급 물질들을 수소 공급원과 함께 용융시킴으로써 생성된 용융물(melt)을 캐스팅함으로써 제조된 티탄 물품 또는 티탄 합금 물품은 초기에 β-트랜서스 온도 보다 약간 높은 온도에서 변형되어 중간 빌렛을 형성시킨다(블록 120). 본 명세서에 기술된 다양한 비제한적인 실시형태에 따른 티탄 물품 또는 티탄 합금 물품을 변형시키는 것은 물품의 일부 또는 전체 물품을 변형시키는 것을 포함할 수 있다. 추가로, 온도, 온도 범위 또는 최소 온도에 관하여, 본 명세서에서 사용되는 "~에서 변형시키는(deforming at)" 및 "~에서 바디를 변형시키는(deforming the body at)," 등과 같은 구들은 변형될 물체의 적어도 일부가 적어도 언급된 온도와 동일한 온도, 언급된 온도 범위 내의 온도, 또는 적어도 변형 동안 언급된 최소 온도 정도로 높은 온도에서의 온도를 가짐을 의미한다. 본 명세서에 기술된 다양한 비제한적인 실시형태에 따라 사용될 수 있는 티탄 물품 또는 티탄 합금 물품을 변형시키는 방법의 비제한적인 예는 단조, 코깅(cogging), 압출, 드로잉(drawing) 및 압연 중 하나 또는 조합을 포함한다. 예를 들어, 하나의 비제한적인 특정의 실시형태에 따르면, 온도 T1에서 물품의 적어도 일부를 변형시키는 것은 물품의 적어도 일부가 온도 T1에 있는 조건에서 물품을 단조하는 것을 포함할 수 있다. α+β 티탄 합금에 대하여, α+β 티탄 합금의 수소 함량의 증가가 β-트랜서스 온도를 감소시키기 때문에, 초기 β 단조 작업의 온도는 통상적인 가공과 비교하여 더욱 낮을 수 있으며, 여기서, 합금의 수소 함량은 더 낮을 수 있다. 초기 β 단조 작업 동안 보다 낮은 온도를 사용하는 것은 β-그레인 크기(grain size)를 최소화하고 후속 가공 동안 미세구조 정제를 촉진시킬 수 있는 보다 고밀도의 전위(dislocation)를 유지하는 이점들을 제공할 수 있다.
또한, 도 1의 블록 120를 참조하면, 비제한적인 특정의 실시형태에 따르면, 초기 저온 β 변형에 후속하여, 중간 빌렛은 중간 빌렛의 적어도 일부를 재결정화하기 위해 보다 높은 β 변형 온도에서 변형된다. 예를 들어, 초기 저온 β 변형에 후속하여, 중간 빌렛은 초기 β 단조 작업의 온도(T1) 보다 더 높은 온도(T2)에서 단조될 수 있다. 비제한적인 특정의 실시형태에서, T2는 T1 보다 적어도 27℃ 더 높다. 예를 들어, 본 명세서에 기술된 다양한 비제한적인 실시형태에 따르면, T1에서 β상 영역에서 잉곳을 변형시키기 전에, 중간 빌렛은 예를 들어, 로(furnace)에서, T1으로 또는 T1 보다 높은 온도로 가열되어, 중간 빌렛, 또는 변형될 중간 빌렛의 적어도 일부가 적어도 T1의 온도를 달성할 수 있게 할 수 있다. 온도, 온도 범위, 또는 최소 온도에 관하여, 본 명세서에서 사용되는 "~로 가열된(heated to)" 및 "~로 가열하는(heating to)," 등과 같은 용어는 적어도 물품의 요망되는 부분이 언급되거나 최소의 온도와 적어도 동일한 온도 또는 부분의 범위 전반에 걸쳐 언급된 온도 범위 내에서의 온도를 가질 때까지 물품이 가열됨을 의미한다. 가열 후에, 중간 빌렛(또는 이의 임의 부분)은 T1에서 변형될 수 있다.
비제한적인 특정의 실시형태에 따르면, 용융물로부터 형성된 수소-함유 중간 빌렛은 중간 빌렛에서 하이드라이드 침전물을 형성시키기 위해 냉각된다. 수소화된 잉곳의 수소 함량은, α+β+δ 상 영역의 온도에서 유지될 때, 형태 β ↔ α + β + δ (티탄 하이드라이드)의 아공융 상 변환(eutectoid phase transformation)을 증진시킬 수 있다. 본 명세서에서 사용되는, 온도, 온도 범위 또는 최소 온도와 관련하여 "~에서 유지하는(hold at)," 등과 같은 구는 티탄 또는 티탄 합금의 적어도 요망되는 부분이 언급되거나 최소의 온도와 적어도 동일하거나 언급된 온도 범위 내의 온도에서 유지됨을 의미한다. 비제한적인 특정의 실시형태에서, 티탄 또는 티탄 합금은 아공융 트랜서스(eutectoid transus)를 통한 조절된 방식으로 실온으로 냉각된다. 대안적으로, 물질은 조절된 방식으로 아공융 트랜서스 미만으로 냉각되고, 수소의 더욱 균질한 분포를 발달시키기 위해 소정 시간 동안 아공융 트랜서스 미만의 온도 또는 온도 범위에서 유지되고(에이징되고), 이후에, 조절된 방식으로 실온으로 냉각된다. δ-상 침전물은, 하기에 추가로 설명되는 바와 같이, α+β 미세구조물을 정제하고 통상적인 가공과 비교하여, 보다 미세한 α 입자 크기의 형성을 잠재적으로 촉진시키기 위해 사용될 수 있다. 본 설명이 α+β 티탄 합금을 언급하고 있지만, 본 명세서에 기술된 방법들 및 합금 물품들은 이와 관련하여 제한되지 않는다. 본 개시내용에 따른 방법의 다른 비제한적인 실시형태에서, 당업자에게 명백한 바와 같이 본 개시내용의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 변형(modification)들이 이루어질 수 있는 것으로 인식될 것이다. 이러한 변경 및 변형은 본 명세서에 첨부된 청구범위에서 규정된 바와 같이 본 개시내용의 범위 및 교시 내에 있다.
도 1을 계속 참조하면, 중간 빌렛은 최종 빌렛을 형성시키기 위해, α+β 티탄 합금의 α+β+δ 상 영역 또는 부분(region)의 온도에서 열간 가공, 즉 변형된다(블록 130). 비제한적인 특정의 실시형태에서, 중간 빌렛은 티탄 합금의 α+β+δ 상 영역 또는 부분에서 변형하기 전에 티탄 합금의 α+β+δ 상 영역의 온도에서 에이징된다(블록 140). 다른 비제한적인 실시형태에서, 중간 빌렛은 티탄 합금의 α+β+δ 상 영역에서의 별도의 에이징 단계 없이 티탄 합금의 α+β 또는 α+β+δ 상 영역에서 변형된다.
비제한적인 특정의 실시형태에서, 수소화된 잉곳은 실린더형이다. 추가의 실시형태에서, 수소화된 잉곳은 다른 기하학적 형태를 취할 수 있으며, 단면은 예를 들어, 대략 직사각형일 수 있다. 본 명세서에 기술된 비제한적인 특정의 실시형태에 따르면, 수소화된 잉곳을 최종 빌렛으로 변형시키는 것은 열간 가공 동안 적어도 15% 내지 98%의 단면적의 총 감소율(total percent reduction)을 달성하기 위해, 잉곳을 하나 이상의 과정(pass) 또는 단계로 변형시키거나 달리 가공시키는 것을 포함할 수 있다.
Ti-6-4 티탄 합금 물품의 가공을 포함하는 비제한적인 특정의 실시형태에 따르면, 잉곳이 가공되는(블록 130) α+β 티탄 합금의 α+β+δ 상 영역에서의 온도는 800℃ 미만이다. 본 명세서의 실시형태에서 형성된 δ-상 하이드라이드 침전물은 통상적인 가공과 비교하여 보다 미세한 α 입자 크기의 형성을 촉진시킬 수 있다. 어떠한 이론으로도 한정하고자 의도되는 것은 아니지만, δ-상 하이드라이드 침전물은 열간 가공 동안 α 상의 재결정화를 위한 핵형성 사이트(nucleation site)로서 작용할 수 있고, 또한, 정제된 α 입자를 안정화시키기 위해 핀닝 사이트(pinning site)로서 작용할 수 있다.
비제한적인 특정의 실시형태에 따르면, 본 개시내용에 따른 Ti-6-4 티탄 합금 물품을 제조하는 방법은 본 명세서에 기술된 바와 같은 수소 공급원을 사용하여 제조된 잉곳으로부터 캐스팅된 수소화된 잉곳을 제1의 상승된 온도에서 변형시켜 수소화된 잉곳의 단면적보다 작은 단면적을 포함하는 초기 가공 물품을 형성시키고, 초기 가공된 물품을 제2의 상승된 온도에서 수소화시키는 것을 포함한다(블록 150). 비제한적인 특정의 실시형태에서, 용융 가공 동안의 수소화(블록 100)가 요망되는 최종 함량 보다 더 낮은 중간 함량으로 수소를 증가시키기 위해 사용되며, 나머지의 요망되는 수소는 이후에, 예를 들어, β 단조 후에, 적용된 후속의 짧은 시간, 고온 열처리에 의해 합금을 수소화하기 위해 첨가된다. 추가의 수소화된 합금은 추가적으로, 상술된 바와 같은 티탄 하이드라이드 입자들을 침전시키기 위해 가공될 수 있다.
도 1을 계속 참조하면, 최종 빌렛은 α+β 또는 α+β+δ 영역에서 통상적인 또는 초가소성 방법(superplastic method)에 의해 추가적으로 가공되어 요망되는 최종 형상을 갖는 물품을 형성시키고/거나(블록 160), 거친-기계가공된다(블록 170). Ti-6-4 티탄 합금 물품의 가공을 포함하는 비제한적인 특정의 실시형태에 따르면, 최종 α+β+δ 단조는 850℃ 내지 650℃ 보다 낮은 온도에서 수행될 수 있다. 통상적인 가공 동안에, 본 개시내용에 따른 방법에서 수행되는 일시적 부분 수소화 없이, β-트랜서스 보다 훨씬 낮은 온도에서 Ti-6-4 티탄 합금을 열간 가공하는 것은 과도한 크래킹 및 대량의 변형 유도된 다공성을 불리하게 초래할 수 있다.
비제한적인 특정의 실시형태에 따르면, 제공된 최종 물품은 최종 물품의 수소 함량을 감소시키기 위해 가공된(as-worked) 또는 거친-기계가공된 상태 중 어느 하나에서 탈수소화된다(블록 180). 본 명세서에서 사용되는 "탈수소화시키는(dehydrogenating)"은 최종 물품의 수소 함량을 임의 정도로 감소시키는 것을 의미한다. 비제한적인 특정의 실시형태에서, 물품을 탈수소화시키는 것은 수소 함량을 150 ppm 이하까지 감소시킨다. 비제한적인 특정의 실시형태에서, 최종 물품을 탈수소화시키는 것은 저온 취성을 억제하거나 방지하기 위해 및/또는 특정 합금에 대한 산업 표준 화학적 사양을 충족시키기 위해 최종 물품의 수소 함량을 임의 적합한 감소된 수소 함량으로 감소시킬 수 있다. 탈수소화 공정 동안에, δ-상(티탄 하이드라이드) 침전물은 분해되고 공정 조건에 따라 약간의 침상 내지 등축(equiaxed)의 범위인 모폴로지(morphology)를 갖는 비교적 미세한 α+β 미세구조를 남길 수 있다.
비제한적인 특정의 실시형태에서, 탈수소화 처리는 탈수소화된 가공된 물품을 생성시킨다. 다양한 비제한적인 실시형태에서, 탈수소화된 가공된 물품은 가장 긴 치수가 10 마이크론 미만인 평균 α-상 입자 크기를 포함한다. 추가의 비제한적인 실시형태에서, 탈수소화된 가공된 물품은 가장 긴 치수가 3 마이크론 미만인 평균 α-상 입자 크기를 포함할 수 있다. 추가의 비제한적인 실시형태에서, 탈수소화된 가공된 물품은 가장 긴 치수가 1 마이크론 미만인 평균 α-상 입자 크기를 포함할 수 있다. 정제된 α+β 미세구조는 최종 물품의 기계적 성질들을 개선시키고/거나 초음파 검사능력을 개선시킬 수 있다. 당업자는 현미경에 의해 탈수소화된 가공된 물품에 대한 α-상 입자 크기를 용이하게 결정할 수 있다.
비제한적인 특정의 실시형태에 따르면, 물품을 탈수소화시키는 것은 물품을 진공 열 처리하는 것을 포함한다. 비제한적인 특정의 실시형태에서, 물품을 진공 열 처리하는 것은 최종 물품을 실질적인 진공 중에서 물품으로부터 수소의 적어도 일부를 제거하기에 충분한 온도에서 가열하는 것을 포함한다. 단지 제한된 수의 탈수소화 방법이 본 명세서에 기술되어 있지만, 본 발명은 이러한 것으로 제한되지 않는다. 당업자는 특정의 수소화된 가공된 물품을 위한 적합한 탈수소화 기술을 용이하게 결정할 수 있다.
수소화된 상태의 티탄 물품 또는 티탄 합금 물품을 모두 최종 가공 또는 거친-기계처리된 상태로 유지시키는 것은 예를 들어, 개선된 수율(적은 크래킹), 낮은 단조 유동 응력, 낮은 허용 가능한 열간 가공 온도, 개선된 기계가공성, 및 현저하게 감소된 탈수소화 어닐링 시간을 포함하는 여러 공정 장점들을 야기시킬 수 있다. 변경된 공정 조건들은 초미세 구조 및 개선된 인장 강도, 피로 저항, 및 초음파 검사가능성을 갖는 최종 티탄 물품 또는 티탄 합금 물품을 형성시킬 수 있다.
전술한 설명이 반드시 한정된 수의 실시형태들만을 기술하였지만, 관련 기술의 당업자는, 본 명세서에 기술되고 예시된 예들의 방법 및 다른 세부사항들에서의 다양한 변경이 당업자에 의해 이루어질 수 있다는 것을 인식할 것이며, 이러한 모든 변형들은 본 명세서 및 첨부된 청구범위에 표현된 바와 같이 본 발명의 원리 및 범위 내에 있을 것이다. 이에 따라, 본 발명이 본 명세서에 개시되거나 도입된 특정 실시형태들로 제한되지 않고, 청구범위에 의해 규정된 바와 같이, 본 발명의 원리 및 범위 내에 있는 변형을 포함하도록 의도되는 것으로 이해된다. 또한, 본 발명의 넓은 개념으로부터 벗어나지 않으면서, 상기 실시형태들에 대한 변경이 이루어질 수 있다는 것이 인식될 것이다.

Claims (40)

  1. 티탄 물품 및 티탄 합금 물품으로부터 선택된 물품을 제조하는 방법으로서,
    공급 물질들을 수소 공급원과 함께 용융시켜(melting) 티탄 또는 티탄 합금의 융해열(molten heat)을 형성시키는 단계;
    융해열의 적어도 일부를 캐스팅하여(casting) 수소화된 티탄 또는 티탄 합금 잉곳(ingot)을 형성시키는 단계;
    수소화된 잉곳을 상승된 온도에서 변형시켜(deforming) 상기 수소화된 잉곳의 단면적보다 작은 단면적을 포함하는 가공된 물품(worked article)을 형성시키는 단계; 및
    상기 가공된 물품을 탈수소화시켜(dehydrogenating) 상기 가공된 물품의 수소 함량을 감소시키는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 물품은 상업용 순수 티탄 물품(commercially pure titanium article), 거의-α 티탄 합금 물품(near-α titanium alloy article), α+β 티탄 합금 물품, 거의-β 티탄 합금 물품(near-β titanium alloy article), 및 티탄 알루미나이드 합금 물품(titanium aluminide alloy article)으로 이루어진 군으로부터 선택되는, 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 수소화된 잉곳의 적어도 일부가 0.05 중량% 내지 1.5 중량%의 수소 함량을 갖는, 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 수소화된 잉곳의 적어도 일부가 0 초과 내지 0.8 중량%의 수소 함량을 갖는, 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 수소화된 잉곳의 적어도 일부가 0.2 중량% 내지 0.8 중량%의 수소 함량을 갖는, 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 수소 공급원은 수소 분압(partial pressure)을 포함하는 가스상 환경, 수소 분압 및 불활성 가스를 포함하는 가스상 환경, 및 티탄 하이드라이드 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
  7. 제1항에 있어서, 공급 물질들을 용융시키는 것이 수소 분압을 포함하는 가스상 환경에서 상기 공급 물질을 용융시키는 것을 포함하는, 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 수소 공급원은 상기 공급 물질들 중에 수소-함유 물질을 포함하는, 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 수소-함유 물질은 티탄 하이드라이드인 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 상승된 온도는 상기 티탄 합금의 β상 영역(β phase field)에 있는, 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 방법은 상기 수소화된 잉곳을 변형시키는 것과 상기 가공된 물품을 탈수소화시키는 것 중간에,
    상기 가공된 물품을 상기 β상 영역에서 실온으로 냉각시키는 단계;
    상기 가공된 물품을 상기 티탄 합금의 α+β+δ 상 영역에서의 온도에서 에이징(aging)시키는 단계; 및
    상기 가공된 물품을 상기 티탄 합금의 α+β+δ 상 영역에서 변형시켜 상기 잉곳의 단면적보다 작은 단면적을 포함하는 중간 가공된 물품(intermediate worked article)을 형성시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 수소화된 잉곳을 변형시키는 것 및 상기 가공된 물품을 변형시키는 것 중 적어도 하나가 단조(forging) 및 압연(rolling) 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 가공된 물품을 탈수소화시키는 것이 상기 가공된 물품을 실질적인 진공 중에서, 상기 가공된 물품으로부터 수소의 적어도 일부를 제거하기에 충분한 온도에서 가열시키는 것을 포함하는, 방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 가공된 물품을 탈수소화시키는 것이 수소 함량을 150 ppm 이하로 감소시키는, 방법.
  15. 제1항에 있어서, 상기 탈수소화된 가공된 물품이 가장 긴 치수가 10 마이크론 미만인 평균 α-상 입자 크기를 포함하는, 방법.
  16. 제1항에 있어서, 상기 탈수소화된 가공된 물품이 가장 긴 치수가 3 마이크론 미만인 평균 α-상 입자 크기를 포함하는, 방법.
  17. 제1항에 있어서, 상기 탈수소화된 가공된 물품이 가장 긴 치수가 1 마이크론 미만인 평균 α-상 입자 크기를 포함하는, 방법.
  18. 제1항에 있어서, 상기 물품은 α+β 티탄 합금 물품이며, 상기 α+β 티탄 합금이 5.50 중량% 내지 6.75 중량%의 알루미늄, 3.50 중량% 내지 4.50 중량%의 바나듐, 티탄, 수소, 및 불순물들을 포함하는, 방법.
  19. α+β 티탄 합금 물품을 제조하는 방법으로서,
    공급 물질들을 수소 공급원과 함께 용융시켜 융해열을 형성시키는 단계;
    상기 융해열의 적어도 일부를 캐스팅하여 α+β 티탄 합금의 수소화된 잉곳을 형성시키는 단계;
    상기 수소화된 잉곳을 초기에 β상 영역의 온도에서 그리고 후속하여 α+β+δ 상 영역의 온도에서 변형시켜 상기 수소화된 잉곳의 단면적보다 작은 단면적을 포함하는 가공된 물품을 형성시키는 단계; 및
    상기 가공된 물품을 진공 열 처리하여(vacuum heat treating) 상기 가공된 물품의 수소 함량을 감소시키는 단계를 포함하는, 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 α+β 티탄 합금은 5.50 중량% 내지 6.75 중량%의 알루미늄, 3.50 중량% 내지 4.50 중량%의 바나듐, 티탄, 수소, 및 불순물들을 포함하는, 방법.
  21. 제19항에 있어서, 상기 수소화된 잉곳의 적어도 일부가 0 초과 내지 1.5 중량%의 수소 함량을 포함하는, 방법.
  22. 제19항에 있어서, 상기 수소화된 잉곳의 적어도 일부가 0.05 중량% 내지 1.5 중량%의 수소 함량을 포함하는, 방법.
  23. 제19항에 있어서, 상기 수소화된 잉곳의 적어도 일부가 0.2 중량% 내지 0.8 중량%의 수소 함량을 포함하는, 방법.
  24. 제19항에 있어서, 상기 수소 공급원은 수소 분압을 포함하는 가스상 환경, 수소 분압 및 불활성 가스를 포함하는 가스상 환경, 및 티탄 하이드라이드 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
  25. 제19항에 있어서, 상기 공급 물질들을 용융시키는 것이 수소 분압을 포함하는 가스상 환경에서 상기 공급 물질을 용융시키는 것을 포함하는, 방법.
  26. 제19항에 있어서, 상기 수소 공급원은 상기 공급 물질들 중에 수소-함유 물질을 포함하는, 방법.
  27. 제26항에 있어서, 상기 수소-함유 물질은 티탄 하이드라이드인 방법.
  28. 제19항에 있어서, 상기 가공된 물품을 진공 열 처리하는 것이 상기 가공된 물품을 실질적인 진공 중에서, 상기 가공된 물품으로부터 수소의 적어도 일부를 제거하기에 충분한 온도에서 가열시키는 것을 포함하는, 방법.
  29. 제19항에 있어서, 상기 가공된 물품을 진공 열 처리하는 것이 상기 가공된 물품의 수소 함량을 150 ppm 이하로 감소시키는, 방법.
  30. 제19항에 있어서, 상기 진공 열 처리된 가공된 물품이 가장 긴 치수가 10 마이크론 미만인 평균 α-상 입자 크기를 포함하는, 방법.
  31. 제19항에 있어서, 상기 진공 열 처리된 가공된 물품이 가장 긴 치수가 3 마이크론 미만인 평균 α-상 입자 크기를 포함하는, 방법.
  32. 제19항에 있어서, 상기 진공 열 처리된 가공된 물품이 가장 긴 치수가 1 마이크론 미만인 평균 α-상 입자 크기를 포함하는, 방법.
  33. α+β 티탄 합금 물품을 제조하는 방법으로서,
    공급 물질들을 수소 공급원과 함께 용융시켜 융해열을 형성시키는 단계;
    상기 융해열의 적어도 일부를 캐스팅하여 α+β 티탄 합금의 수소화된 잉곳을 형성시키는 단계;
    상기 수소화된 잉곳을 제1 상승된 온도에서 변형시켜 상기 수소화된 잉곳의 단면적보다 작은 단면적을 포함하는 초기 가공된 물품을 형성시키는 단계;
    상기 초기 가공된 물품을 제2 상승된 온도에서 수소화시키는 단계;
    상기 초기 가공된 물품을 제3 상승된 온도에서 변형시켜 상기 초기 가공된 물품의 단면적보다 작은 단면적을 갖는 중간 가공된 물품을 형성시키는 단계; 및
    상기 중간 가공된 물품을 진공 열 처리하여 상기 중간 가공된 물품의 수소 함량을 감소시키는 단계를 포함하는, 방법.
  34. 제33항에 있어서, 상기α+β 티탄 합금은 5.50 중량% 내지 6.75 중량%의 알루미늄, 3.50 중량% 내지 4.50 중량%의 바나듐, 티탄, 수소, 및 불순물들을 포함하는, 방법.
  35. 제33항에 있어서, 상기 수소 공급원은 수소 분압을 포함하는 가스상 환경, 수소 분압 및 불활성 가스를 포함하는 가스상 환경, 및 티탄 하이드라이드 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
  36. 제33항에 있어서, 상기 중간 가공된 물품을 진공 열 처리하는 것이 상기 중간 가공된 물품을 중간 가공된 물품으로부터 수소의 적어도 일부를 제거하기에 충분한 온도에서 가열시키는 것을 포함하는, 방법.
  37. 제33항에 있어서, 상기 중간 가공된 물품을 진공 열 처리하는 것이 상기 중간 가공된 물품의 수소 함량을 150 ppm 이하로 감소시키는, 방법.
  38. 제33항에 있어서, 상기 진공 열 처리된 중간 가공된 물품이 가장 긴 치수가 10 마이크론 미만인 평균 α-상 입자 크기를 포함하는, 방법.
  39. 제33항에 있어서, 상기 진공 열 처리된 중간 가공된 물품이 가장 긴 치수가 3 마이크론 미만인 평균 α-상 입자 크기를 포함하는, 방법.
  40. 제33항에 있어서, 상기 진공 열 처리된 중간 가공된 물품이 가장 긴 치수가 1 마이크론 미만인 평균 α-상 입자 크기를 포함하는, 방법.
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