KR20230085948A - 내크리프성 티타늄 합금 - Google Patents

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KR20230085948A
KR20230085948A KR1020237018720A KR20237018720A KR20230085948A KR 20230085948 A KR20230085948 A KR 20230085948A KR 1020237018720 A KR1020237018720 A KR 1020237018720A KR 20237018720 A KR20237018720 A KR 20237018720A KR 20230085948 A KR20230085948 A KR 20230085948A
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titanium
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KR1020237018720A
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존 브이. 만티온
데이비드 제이. 브라이언
마티아스 가르시아-아빌라
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에이티아이 프로퍼티즈 엘엘씨
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    • C22C14/00—Alloys based on titanium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
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    • C22F1/16—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of other metals or alloys based thereon
    • C22F1/18—High-melting or refractory metals or alloys based thereon
    • C22F1/183—High-melting or refractory metals or alloys based thereon of titanium or alloys based thereon

Abstract

티타늄 합금의 비제한적 구체예는 총 합금 중량을 기준으로 중량 백분율로: 5.5 내지 6.5 알루미늄; 1.5 내지 2.5 주석; 1.3 내지 2.3 몰리브데넘; 0.1 내지 10.0 지르코늄; 0.01 내지 0.30 규소; 0.1 내지 2.0 게르마늄; 티타늄; 및 불순물을 포함한다. 티타늄 합금의 비제한적 구체예는 지르코늄-규소-게르마늄 금속간 석출물을 포함하고, 890℉ 이상의 온도에서 52 ksi의 하중 하에 8×10-4 (24 hrs)-1 미만의 정상 상태 크리프 속도를 나타낸다.

Description

내크리프성 티타늄 합금{Creep Resistant Titanium Alloys}
본 개시는 내크리프성 티타늄 합금에 관한 것이다.
티타늄 합금은 전형적으로 높은 비강도(strength-to-weight ratio)를 나타내고, 내부식성이며, 적당히 높은 온도에서 크리프에 저항성이다. 예를 들어, Ti-5Al-4Mo-4Cr-2Sn-2Zr 합금("Ti-17 합금"으로도 나타나며 UNS R58650에 명시된 조성을 가짐)은 최대 800℉의 작동 온도에서 고강도, 내피로성, 및 인성의 조합을 필요로 하는 제트 엔진 응용분야에서 널리 사용되는 상용 합금이다. 고온 응용분야에서 사용되는 티타늄 합금의 다른 예는 Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo 합금(UNS R54620에 명시된 조성을 가짐) 및 Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr 합금("Beta-C"로도 나타나며, UNS R58640에 명시된 조성을 가짐)을 포함한다. 그러나, 이들 합금에서 상승된 온도에서의 내크리프성에 한계가 있다. 따라서, 상승된 온도에서 개선된 내크리프성을 갖는 티타늄 합금에 대한 요구가 나타났다.
요약
본 개시의 한 비제한적 양태에 따르면, 티타늄 합금은 총 합금 중량을 기준으로 중량 퍼센트로: 5.5 내지 6.5 알루미늄; 1.5 내지 2.5 주석; 1.3 내지 2.3 몰리브데넘; 0.1 내지 10.0 지르코늄; 0.01 내지 0.30 규소; 0.1 내지 2.0 게르마늄; 티타늄; 및 불순물을 포함한다.
본 개시의 또 다른 비제한적 양태에 따르면, 티타늄 합금은 총 합금 중량을 기준으로 중량 백분율로: 5.5 내지 6.5 알루미늄; 1.5 내지 2.5 주석; 1.3 내지 2.3 몰리브데넘; 0.1 내지 10.0 지르코늄; 0.01 내지 0.30 규소; 0.1 내지 2.0 게르마늄; 티타늄; 및 불순물로 본질적으로 구성된다.
본 개시의 또 다른 비제한적 양태에 따르면, 티타늄 합금은 총 합금 중량을 기준으로 중량 퍼센트로: 2 내지 7 알루미늄; 0 내지 5 주석; 0 내지 5 몰리브데넘; 0.1 내지 10.0 지르코늄; 0.01 내지 0.30 규소; 0.05 내지 2.0 게르마늄; 0 내지 0.30 산소; 0 내지 0.30 철; 0 내지 0.05 질소; 0 내지 0.05 탄소; 0 내지 0.015 수소; 티타늄; 및 불순물을 포함한다.
본원에 기재된 합금, 물품 및 방법의 특징 및 이점은 다음과 같은 첨부 도면을 참조하여 더 잘 이해될 수 있다:
도 1은 특정한 종래의 티타늄 합금과 비교하여 본 개시에 따른 티타늄 합금의 특정한 비제한적 구체예에 대해 시간 경과에 따른 크리프 변형률을 도시하는 그래프이다.
도 2는 지속적인 하중 노출 전, 본 개시에 따른 티타늄 합금의 비제한적 구체예의 현미경사진 및 합금의 에너지 분산 X-선(XRD) 스캔의 결과를 보여주는 그래프를 포함한다;
도 3은 합금이 52 ksi의 지속적인 하중 하에 125 시간 동안 900℉에서 가열된 후, 도 2의 티타늄 합금의 현미경사진 및 합금 및 Zr/Si/Ge의 금속간 석출물로의 분배의 XRD 스캔 결과를 보여주는 그래프이다;
도 4는 도 3의 티타늄 합금에 대한 원소 지도를 보여준다.
독자는 다음의 본 개시에 따른 특정한 비제한적 구체예의 상세한 설명을 고려 시 전술한 세부사항분만 아니라 다른 것도 이해할 것이다.
특정한 비제한적 구체예의 상세한 설명
비제한적 구체예의 본 설명에서, 조작 실시예 이외에 또는 달리 지시된 경우에, 수량 또는 특징을 표현하는 모든 숫자는 모든 경우에서 용어 "약"에 의해 수정되는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 반대로 지시되지 않는 한, 다음 설명에 제시된 임의의 수치 파라미터는 본 개시에 따라 물질에서 방법에 의해 획득하도록 추구하는 원하는 특성에 따라 변할 수 있는 근사치이다. 적어도 균등론의 적용을 청구범위의 범위로 제한하려는 시도는 아니지만, 각각의 수치 파라미터는 적어도 보고된 유효 자릿수의 수에 비추어 그리고 일반적인 반올림 기법을 적용하여 해석되어야 한다. 본원에 기재된 모든 범위는 달리 언급되지 않는 한 기재된 종점을 포함한다.
전체적으로 또는 부분적으로 참조에 의해 본원에 통합되는 것으로 언급되는 임의의 특허, 간행물 또는 기타 공개 자료는 통합된 자료가 본 개시에 제시된 기존 정의, 진술 또는 기타 공개 자료와 상충하지 않는 정도까지만 본원에 통합된다. 그와 같이, 그리고 필요한 범위까지, 본원에 제시된 개시 내용은 참조에 의해 본원에 통합된 임의의 상충하는 자료를 대체한다. 참조에 의해 본원에 통합되는 것으로 언급되지만 본원에 제시된 기존 정의, 진술 또는 기타 공개 자료와 상충하는 임의의 자료 또는 이의 일부는 통합된 자료와 기존 공개 자료 간에 상충이 일어나지 않는 정도까지만 포함된다.
본원에서 특정 조성을 "포함하는" 티타늄 합금에 대한 언급은 언급된 조성으로 "구성되는" 또는 "필수적으로 구성되는" 합급을 포함하도록 의도된다. 특정 조성을 "포함하는", 이로 "구성되는" 또는 "필수적으로 구성되는" 본원에 기재된 티타늄 합금 조성물은 불순물을 또한 포함할 수 있음이 이해될 것이다.
물품 및 부품은 고온 환경에서 크리프를 겪을 수 있다. 본원에서 사용된 "고온"은 약 200℉ 초과의 온도를 지칭한다. 크리프는 응력 하에 발생하는 시간 의존성 변형이다. 감소하는 변형률 속도에서 일어나는 크리프는 일차 크리프로 지칭되고; 최소 및 거의 일정한 변형률 속도에서 일어나는 크리프는 이차 (정상 상태) 크리프로 지칭되고; 가속하는 변형률 속도에서 일어나는 크리프는 삼차 크리프로 지칭된다. 크리프 강도는 지정된 일정한 환경에서 주어진 시간에 크리프 시험에서 주어진 크리프 변형률을 야기할 응력이다.
고온 및 지속적인 하중 하에서 티타늄 및 티타늄 합금의 내크리프성 거동은 주로 미세구조 특징에 따라 달라진다. 티타늄은 두 가지 동소체 형태: 체심 입방 ("bcc") 결정 구조를 갖는 베타 ("β")-상; 및 육방 밀집 ("hcp") 결정 구조를 갖는 알파 ("α")-상을 갖는다. 일반적으로, β 티타늄 합금이 미흡한 승온 크리프 강도를 나타낸다. 미흡한 승온 크리프 강도는 900℉와 같은 승온에서 이들 합금이 나타내는 β 상의 상당한 농축의 결과이다. β 상은 더 많은 수의 변형 메커니즘을 제공하는 체심 입방 구조로 인해 크리프에 잘 견디지 못한다. 이러한 단점으로 인해, β 티타늄 합금의 사용은 제한되었다.
다양한 응용분야에서 널리 사용되는 티타늄 합금 중 한 그룹은 α/β 티타늄 합금이다. α/β 티타늄 합금에서, 일차 α 입자의 분포 및 크기는 내크리프성에 직접 영향을 미칠 수 있다. 규소를 포함하는 α/β 티타늄 합금에 대한 다양한 발표된 연구에 따르면, 결정립계에서 실리사이드의 석출은 내크리프성을 더욱 개선할 수 있지만, 실온 인장 연성을 손상시킬 수 있다. 규소 첨가 시 발생하는 실온 인장 연성의 감소는 첨가될 수 있는 규소의 농도를 전형적으로 (중량으로) 0.3%로 제한한다.
본 개시는, 부분적으로, 종래의 티타늄 합금의 특정 한계를 해결하는 합금에 관한 것이다. 본 개시에 따른 티타늄 합금의 구체예는 총 합금 중량을 기준으로 퍼센트로: 5.5 내지 6.5 알루미늄; 1.5 내지 2.5 주석; 1.3 내지 2.3 몰리브데넘; 0.1 내지 10.0 지르코늄; 0.01 내지 0.30 규소; 0.1 내지 2.0 게르마늄; 티타늄; 및 불순물을 포함한다. 본 개시에 따른 티타늄 합금의 또 다른 구체예는 총 합금 중량을 기준으로 중량 백분율로: 5.5 내지 6.5 알루미늄; 1.7 내지 2.1 주석; 1.7 내지 2.1 몰리브데넘; 3.4 내지 4.4 지르코늄; 0.03 내지 0.11 규소; 0.1 내지 0.4 게르마늄; 티타늄; 및 불순물을 포함한다. 본 개시에 따른 티타늄 합금의 또 다른 구체예는 총 합금 중량을 기준으로 중량 백분율로: 5.9 내지 6.0 알루미늄; 1.9 내지 2.0 주석; 1.8 내지 1.9 몰리브데넘; 3.7 내지 4.0 지르코늄; 0.06 내지 0.11 규소; 0.1 내지 0.4 게르마늄; 티타늄; 및 불순물을 포함한다. 본 개시에 따른 합금의 비제한적 구체예에서, 합금 조성물 중의 부수적인 원소 및 기타 불순물은 산소, 철, 질소, 탄소, 수소, 니오븀, 텅스텐, 바나듐, 탄탈럼, 망간, 니켈, 하프늄, 갈륨, 안티몬, 코발트, 및 구리 중 하나 이상을 포함하거나 이로 필수적으로 구성될 수 있다. 본 개시에 따른 티타늄 합금의 특정한 비제한적 구체예는 총 합금 중량을 기준으로 중량 백분율로, 0.01 내지 0.25 산소, 0 내지 0.30 철, 0.001 내지 0.05 질소, 0.001 내지 0.05 탄소, 0 내지 0.015 수소, 및 각각 0 내지 0.1의 니오븀, 텅스텐, 하프늄, 니켈, 갈륨, 안티몬, 바나듐, 탄탈럼, 망간, 코발트, 및 구리를 포함할 수 있다.
알루미늄은 알파 함량을 증가시키고 증가된 강도를 제공하기 위해 본 개시에 따른 합금에 포함될 수 있다. 본 개시에 따른 특정한 비제한적 구체예에서, 알루미늄은 총 합금 중량을 기준으로 2-7%의 중량 농도로 존재할 수 있다. 특정한 비제한적 구체예에서, 알루미늄은 총 합금 중량을 기준으로 5.5-6.5%, 또는 특정한 구체예에서, 5.9-6.0%의 중량 농도로 존재할 수 있다.
주석은 알파 함량을 증가시키고 증가된 강도를 제공하기 위해 본 개시에 따른 합금에 포함될 수 있다. 본 개시에 따른 특정한 비제한적 구체예에서, 주석은 총 합금 중량을 기준으로 0-4%의 중량 농도로 존재할 수 있다. 특정한 비제한적 구체예에서, 주석은 총 합금 중량을 기준으로 1.5-2.5%, 또는 특정한 구체예에서, 1.7-2.1%의 중량 농도로 존재할 수 있다.
몰리브데넘은 베타 함량을 증가시키고 증가된 강도를 제공하기 위해 본 개시에 따른 합금에 포함될 수 있다. 본 개시에 따른 특정한 비제한적 구체예에서, 몰리브데넘은 총 합금 중량을 기준으로 0-5%의 중량 농도로 존재할 수 있다. 특정한 비제한적 구체예에서, 몰리브데넘은 총 합금 중량을 기준으로 1.3-2.3%, 또는 특정한 구체예에서, 1.7-2.1%의 중량 농도로 존재할 수 있다.
지르코늄은 알파 함량을 증가시키고, 증가된 강도를 제공하고 금속간 석출물 형성에 의해 증가된 내크리프성을 제공하기 위해 본 개시에 따른 합금에 포함될 수 있다. 본 개시에 따른 특정한 비제한적 구체예에서, 지르코늄은 총 합금 중량을 기준으로 1-10%의 중량 농도로 존재할 수 있다. 특정한 비제한적 구체예에서, 지르코늄은 총 합금 중량을 기준으로 3.4-4.4%, 또는 특정한 구체예에서, 3.5-4.3%의 중량 농도로 존재할 수 있다.
규소는 금속간 석출물 형성에 의해 증가된 내크리프성을 제공하기 위해 본 개시에 따른 합금에 포함될 수 있다. 본 개시에 따른 특정한 비제한적 구체예에서, 규소는 총 합금 중량을 기준으로 0.01-0.30%의 중량 농도로 존재할 수 있다. 특정한 비제한적 구체예에서, 규소는 총 합금 중량을 기준으로 0.03-0.11%, 또는 특정한 구체예에서, 0.06-0.11%의 중량 농도로 존재할 수 있다.
게르마늄은 본 개시에 따른 티타늄 합금의 구체예에서 승온에서의 이차 크리프 속도 거동을 개선하기 위해 포함될 수 있다. 본 개시에 따른 특정한 비제한적 구체예에서, 게르마늄은 총 합금 중량을 기준으로 0.05-2.0%의 중량 농도로 존재할 수 있다. 특정한 비제한적 구체예에서, 게르마늄은 총 합금 중량을 기준으로 0.1-2.0%, 또는 특정한 구체예에서, 0.1-0.4%의 중량 농도로 존재할 수 있다. 이론에 얽매이지 않고, 합금 중의 게르마늄 함량은 적합한 열처리와 함께 지르코늄-규소-게르마늄 금속간 석출물의 석출을 촉진할 수 있는 것으로 생각된다. 게르마늄 첨가는, 예를 들어, 순수한 금속 또는 게르마늄 및 하나 이상의 다른 적합한 금속 원소의 모합금에 의한 것일 수 있다. Si-Ge 및 Al-Ge는 모합금의 적합한 예일 수 있다. 특정 모합금은 분말, 펠렛, 와이어, 파쇄된 칩 또는 시트 형태일 수 있다. 본원에 기재된 티타늄 합금은 이와 관련하여 제한되지 않는다. 티타늄 및 합금 원소의 실질적으로 균질한 혼합물을 얻기 위한 최종 용융 후, 주조된 잉곳은 원하는 미세구조를 달성하기 위해 단조, 압연, 압출, 인발, 스웨이징, 업세팅 및 어닐링 중 하나 이상의 단계를 통해 열-기계적으로 가공될 수 있다. 본 개시의 합금은 열-기계적으로 가공되고 및/또는 다른 적합한 방법에 의해 처리될 수 있음을 이해해야 한다.
본 개시에 따른 티타늄 합금 제조 방법의 비제한적 구체예는 기계적 특성의 원하는 균형을 얻기 위해 어닐링, 용체화 처리 및 어닐링, 용체화 처리 및 시효(solution treating and aging, STA), 직접 시효, 또는 열 사이클의 조합에 의한 열처리를 포함한다. 본원에서 사용된 "용체화 처리 및 시효(STA)" 공정은 티타늄 합금의 β-트랜서스 온도 아래의 용체화 처리 온도에서 티타늄 합금을 용체화 처리하는 것을 포함하는, 티타늄 합금에 적용되는 열처리 공정을 지칭한다. 비제한적 구체예에서, 용체화 처리 온도는 약 1780℉ 내지 약 1800℉의 온도 범위에 있다. 용체화 처리된 합금은 이후 β-트랜서스 온도보다 낮고 티타늄 합금의 용체화 처리 온도보다 낮은 시효 온도 범위로 일정 기간 동안 합금을 가열함으로써 시효된다. 온도, 온도 범위, 또는 최소 온도와 관련하여 "가열된" 또는 "가열되는" 등과 같은 본 명세서에서 사용된 용어는, 적어도 합금의 원하는 부분이 기준 또는 최소 온도와 적어도 동일하거나, 부분의 범위 전반에 걸쳐 기준 온도 범위 내인 온도를 가질 때까지 합금이 가열됨을 의미한다. 비제한적 구체예에서, 용체화 처리 시간은 약 30 분 내지 약 4 시간 범위이다. 특정한 비제한적 구체예에서, 용체화 처리 시간은 30 분 이하이거나 4 시간 이상일 수 있고 일반적으로 티타늄 합금의 크기 및 단면에 의존함이 인식된다. 용체화 처리가 완료되면, 티타늄 합금은 티타늄 합금의 단면 두께에 따른 속도로 주위 온도까지 냉각된다.
용체화 처리된 티타늄 합금은 이후, 본원에서 티타늄 합금의 β 트랜서스 온도 아래의 α+β 2-상 필드인 "시효 경화 온도"로도 지칭되는 시효 온도에서 시효된다. 비제한적 구체예에서, 시효 온도는 약 1075℉ 내지 약 1125℉의 온도 범위에 있다. 특정한 비제한적 구체예에서, 시효 시간은 약 30 분 내지 약 8 시간 범위일 수 있다. 특정한 비제한적 구체예에서, 시효 시간은 30 분 이하이거나 8 시간 이상일 수 있고 일반적으로 티타늄 합금 제품 형태의 크기 및 단면에 의존함이 인식된다. 티타늄 합금의 STA 가공에서 사용되는 일반적 기술은 당업자에게 공지되어 있으므로 본원에서 추가로 논의되지 않는다.
티타늄 합금의 기계적 특성은 일반적으로 시험되는 시편의 크기에 의해 영향을 받는 것으로 인식되지만, 본 개시에 따른 티타늄 합금의 특정한 비제한적 구체예에서, 티타늄 합금은 890℉ 이상의 온도에서 52 ksi의 하중 하에 8×10-4 (24 hrs)-1 미만의 정상 상태 (이차 또는 "단계 II"로도 알려짐) 크리프 속도를 나타낸다. 또한, 예를 들어, 본 개시에 따른 티타늄 합금의 특정한 비제한적 구체예는 900℉의 온도에서 52 ksi의 하중 하에 8×10-4 (24 hrs)-1 미만의 정상 상태 (이차 또는 단계 II) 크리프 속도를 나타낼 수 있다. 본 개시에 따른 특정한 비제한적 구체예에서, 티타늄 합금은 900℉에서 130 ksi 이상의 극한 인장 강도를 나타낸다. 다른 비제한적 구체예에서, 본 개시에 따른 티타늄 합금은 900℉에서 52 ksi의 하중 하에 20 시간 이상의 0.1% 크리프 변형률까지의 시간을 나타낸다.
다음의 실시예는 본 발명의 범위를 제한하지 않고 본 개시에 따른 비제한적 구체예를 추가로 설명하도록 의도된다. 당업자는 다음 실시예의 변형이 청구범위에 의해서만 정의되는 본 발명의 범위 내에서 가능함을 이해할 것이다.
실시예 1
표 1은 의도적으로 첨가한 게르마늄을 포함하지 않는 비교 티타늄 합금("비교 티타늄 합금")과 함께, 본 개시에 따른 티타늄 합금의 특정한 비제한적 구체예("실험 티타늄 합금 No. 1," "실험 티타늄 합금 No. 2," 및 "실험 티타늄 합금 No. 3")의 원소 조성을 나열한다.
합금 Al (wt%) Sn (wt%) Zr (wt%) Mo (wt%) Si (wt%) O (wt%) Ge (wt%) C (wt%) N (wt%)
비교 티타늄 합금,
UNS R58650
(B5P41) 		5.9 1.8 4.1 1.9 0.07 0.16 0.0 0.013 0.001
실험 티타늄 합금 No. 1 (B5P42) 5.9 1.9 4.0 1.8 0.06 0.12 0.1 0.003 0.001
실험 티타늄 합금 No. 2 (B5P43) 5.9 1.9 3.9 1.9 0.07 0.13 0.2 0.003 0.001
실험 티타늄 합금 No. 3 (B4M35) 6.0 2.0 3.7 1.8 0.11 0.13 0.4 0.008 0.001
표 1에 나열된 비교 티타늄 합금, 실험 티타늄 합금 No. 1, 실험 티타늄 합금 No. 2, 및 실험 티타늄 합금 No. 3의 플라스마 아크 용융의 플라스마 아크 용융(plasma arc melt, PAM) 열이 플라스마 아크로를 사용하여 생성되어 각각 무게가 약 400-800 lb인 9 인치 직경 전극을 제조했다. 전극은 진공 아크 재용해(VAR) 노에서 재용해되어 10 인치 직경 잉곳을 생성했다.각 잉곳은 열간 가공 프레스를 사용하여 3 인치 직경 빌렛으로 전환되었다. 7 인치 직경으로의 β 단조 단계, 5 인치 직경으로의 α+ β예비변형 단조 단계 및 3 인치 직경으로의 β 마감 단조 단계 후, 각 빌렛의 끝을 잘라 흡인부 및 말단 균열을 제거하고, 빌렛을 다중 조각으로 절단했다. 각 빌렛의 상단 및 7 인치 직경의 최하단 빌렛의 하단이 화학 및 β 트랜서스를 위해 샘플링되었다. 중간 빌렛 화학 결과에 기반하여, 2 인치 길이 샘플이 빌렛으로부터 절단되고 프레스에서 "팬케이크" 단조되었다. 팬케이크 시편은 용체화 처리 및 시효 조건으로 다음과 같이 열처리되었다: 1780℉ 내지 1800℉에서 4 시간 동안 티타늄 합금을 용체화 처리; 티타늄 합금의 단면 두께에 따른 속도로 티타늄 합금을 주위 온도까지 냉각; 1025℉ 내지 1125℉에서 8 시간 동안 티타늄 합금을 시효; 및 티타늄 합금을 공기 냉각.
실온 및 고온 인장 시험, 크리프 시험, 파괴 인성 및 미세구조 분석을 위한 테스트 블랭크가 STA 가공된 팬케이크 시편으로부터 절단되었다. 최종 화학 분석이 화학적 특성과 기계적 특성 사이의 정확한 상관 관계를 확인하기 위해 시험 후 파괴 인성 쿠폰에서 수행되었다. 표 1에 나열된 실험 티타늄 합금의 특정한 기계적 특성이 측정되고 표 1에 나열된 비교 티타늄 합금과 비교되었다. 결과는 표 2에 나열된다. 인장 시험은 미국 재료 시험 협회(American Society for Testing and Materials, ASTM) 표준 E8/E8M-09 ("Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials", ASTM International, 2009)에 따라 수행되었다. 표 2에 나열된 결과에 의해 나타나는 바와 같이, 실험 티타늄 합금 샘플은 의도적으로 첨가한 게르마늄을 포함하지 않는 비교 티타늄 합금과 유사한 실온에서의 극한 인장 강도 및 항복 강도를 나타냈다.

합금
열처리		 실온 (72℉) 승온 (900℉)
UTS (ksi) YS (ksi) %el %RA UTS (ksi) YS (ksi) %el %RA
비교 티타늄 합금,
UNS R58650
(B5P41) 		1 178 163 13 45 125 109 17 63
실험 티타늄 합금 No. 1 (B5P42) 1 175 157 13 39 130 103 18 64
실험 티타늄 합금 No. 2 (B5P43) 1 178 157 14 39 130 95 17 59
실험 티타늄 합금 No. 3 (B4M35) 2 177 158 6 12 133 106 13 41
열처리:1 - 17854℉에서 4 시간 동안 용체화 처리, 수중 퀀칭, 1100℉에서 8 시간 동안 시효, 및 공기 냉각
2 - 1800℉에서 4 시간 동안 용체화 처리, 수중 퀀칭, 1100℉에서 8 시간 동안 시효, 및 공기 냉각
ASTM E139에 따른 크리프-파열 시험이 표 1에 나열된 합금에 대해 수행되었다. 결과는 도 1에 제시된다. 본 개시의 실험 티타늄 합금은 비교 티타늄 합금에 비해 매우 양호한 이차 크리프 속도를 나타냈다. 도 2-4를 참조하면, 지르코늄-규소-게르마늄 금속간 상의 석출은 일차 (또는 단계 I) 크리프에 대한 시간을 초과하여 지속적인 하중 및 승온에 크리프 노출 후 실험 티타늄 합금 No. 2에서 검출되었다. 도 1에 의해 나타나는 바와 같이, 본 개시의 실험 티타늄 합금 샘플은 900℉에서 52 ksi의 하중 하에 약 30 시간 후 정상 상태 크리프를 나타냈다. 비교 티타늄 합금은 900℉에서 52 ksi의 하중 하에 19.4 시간의 0.1% 크리프 변형률까지의 시간을 나타냈다. 실험 티타늄 합금 No. 1, 실험 티타늄 합금 No. 2, 및 실험 티타늄 합금 No. 3은 모두 900℉에서 52 ksi의 하중 하에: 각각 32.6 시간, 55.3 시간, 및 93.3 시간의 현저하게 더 큰 0.1% 크리프 변형률까지의 시간을 나타냈다.
크리프 노출 전 (그러나 열처리 후) 검사한 샘플은 금속간 석출물의 존재를 나타내지 않았다. 도 2를 참조하면, 크리프 노출 전 실험 티타늄 합금 No. 2의 에너지 분산 x-선(EDS)에 의한 원소 스캔은 금속간 입자가 없는 α/β 미세구조에서 실질적으로 균일한 게르마늄 분포를 보여주었다. 도 3-4에서, 지르코늄, 규소, 및 게르마늄의 금속간 입자로의 분배가 크리프 노출 후 가시적이다. 금속간 입자는 일반적으로 주변 알파 입자에 비해 알루미늄의 고갈을 나타낸다. 크리프 노출 후 금속간 입자의 석출은 특히 예상치 못했고 놀라웠다. 이론에 얽매이지 않고, 금속간 입자는 고온 항복 강도에 실질적으로 영항을 주지 않으면서 합금의 이차 크리프를 개선할 수 있는 것으로 생각된다.
본 개시에 따른 합금의 잠재적인 용도는 다양하다. 위에서 설명되고 입증된 바와 같이, 본원에 기재된 티타늄 합금은 승온에서 내크리프성이 중요한 다양한 응용분야에서 유리하게 사용된다. 본 개시에 따른 티타늄 합금이 특히 유리할 제조 물품은 예를 들어, 제트 엔진 터빈 디스크 및 터보팬 블레이드를 포함하여 특정 항공우주 및 항공 응용분야를 포함한다. 당업자는 본원에서 추가 설명을 제공할 필요 없이 본 개시에 따른 합금으로부터 전술한 장치, 부품 및 기타 제조 물품을 제작할 수 있을 것이다. 본 개시에 따른 합금에 대해 가능한 응용분야의 전술한 예는 단지 예로서 제공되며, 본 합금 제품 형태가 적용될 수 있는 모든 응용분야를 망라한 것은 아니다. 당업자는 본 개시를 읽으면, 본원에 기재된 합금에 대한 추가 응용분야를 쉽게 확인할 수 있다.
본 개시에 따른 신규한 합금 및 방법의 다양한 비포괄적, 비제한적 양태는 단독으로 또는 본원에 기재된 하나 이상의 다른 양태와 조합으로 유용할 수 있다. 전술한 설명의 제한 없이, 본 개시의 제1 비제한적 양태에서, 티타늄 합금은 총 합금 중량을 기준으로 중량 퍼센트로: 5.5 내지 6.5 알루미늄; 1.5 내지 2.5 주석; 1.3 내지 2.3 몰리브데넘; 0.1 내지 10.0 지르코늄; 0.01 내지 0.30 규소; 0.1 내지 2.0 게르마늄; 티타늄; 및 불순물을 포함한다.
제1 양태와 조합으로 사용될 수 있는 본 개시의 제2 비제한적 양태에 따르면, 티타늄 합금은 총 합금 중량을 기준으로 중량 백분율로: 5.5 내지 6.5 알루미늄; 1.7 내지 2.1 주석; 1.7 내지 2.1 몰리브데넘; 3.4 내지 4.4 지르코늄; 0.03 내지 0.11 규소; 0.1 내지 0.4 게르마늄; 티타늄; 및 불순물을 포함한다.
상기 언급된 양태 중 각각 또는 임의의 양태와 조합으로 사용될 수 있는 본 개시의 제3 비제한적 양태에 따르면, 티타늄 합금은 총 합금 중량을 기준으로 중량 백분율로: 5.9 내지 6.0 알루미늄; 1.9 내지 2.0 주석; 1.8 내지 1.9 몰리브데넘; 3.5 내지 4.3 지르코늄; 0.06 내지 0.11 규소; 0.1 내지 0.4 게르마늄; 티타늄; 및 불순물을 포함한다.
상기 언급된 양태 중 각각 또는 임의의 양태와 조합으로 사용될 수 있는 본 개시의 제4 비제한적 양태에 따르면, 티타늄 합금은 총 합금 중량을 기준으로 중량 백분율로: 0 내지 0.30 산소; 0 내지 0.30 철; 0 내지 0.05 질소; 0 내지 0.05 탄소; 0 내지 0.015 수소; 및 각각 0 내지 0.1의 니오븀, 텅스텐, 하프늄, 니켈, 갈륨, 안티몬, 바나듐, 탄탈럼, 망간, 코발트, 및 구리를 추가로 포함한다.
상기 언급된 양태 중 각각 또는 임의의 양태와 조합으로 사용될 수 있는 본 개시의 제5 비제한적 양태에 따르면, 티타늄 합금은 지르코늄-규소-게르마늄 금속간 석출물을 포함한다.
상기 언급된 양태 중 각각 또는 임의의 양태와 조합으로 사용될 수 있는 본 개시의 제6 비제한적 양태에 따르면, 티타늄 합금은 890℉ 이상의 온도에서 52 ksi의 하중 하에 8×10-4 (24 hrs)-1 미만의 정상 상태 크리프 속도를 나타낸다.
본 개시의 제7 비제한적 양태에 따르면, 티타늄 합금 제조 방법은 다음 단계를 포함한다: 1780℉ 내지 1800℉에서 4 시간 동안 티타늄 합금을 용체화 처리하는 단계; 티타늄 합금의 단면 두께에 따른 속도로 티타늄 합금을 주위 온도까지 냉각하는 단계; 1025℉ 내지 1125℉에서 8 시간 동안 티타늄 합금을 시효하는 단계; 및 티타늄 합금을 공기 냉각하는 단계, 여기서 티타늄 합금은 상기 언급된 양태 중 각각 또는 임의의 양태에서 언급된 조성을 갖는다.
상기 언급된 양태 중 각각 또는 임의의 양태와 조합으로 사용될 수 있는 본 개시의 제8 비제한적 양태에 따르면, 티타늄 합금은 900℉에서 130 ksi 이상의 극한 인장 강도를 나타낸다.
본 개시의 제9 비제한적 양태에 따르면, 본 개시는 또한 총 합금 중량을 기준으로 중량 백분율로: 5.5 내지 6.5 알루미늄; 1.5 내지 2.5 주석; 1.3 내지 2.3 몰리브데넘; 0.1 내지 10.0 지르코늄; 0.01 내지 0.30 규소; 0.1 내지 2.0 게르마늄; 티타늄; 및 불순물으로 필수적으로 구성된 티타늄 합금을 제공한다.
상기 언급된 양태 중 각각 또는 임의의 양태와 조합으로 사용될 수 있는 본 개시의 제10 비제한적 양태에 따르면, 합금 중의 알루미늄 함량은, 총 합금 중량을 기준으로 중량 백분율로, 5.9 내지 6.0이다.
상기 언급된 양태 중 각각 또는 임의의 양태와 조합으로 사용될 수 있는 본 개시의 제11 비제한적 양태에 따르면, 합금 중의 주석 함량은, 총 합금 중량을 기준으로 중량 백분율로, 1.7 내지 2.1이다.
상기 언급된 양태 중 각각 또는 임의의 양태와 조합으로 사용될 수 있는 본 개시의 제12 비제한적 양태에 따르면, 합금 중의 주석 함량은, 총 합금 중량을 기준으로 중량 백분율로, 1.9 내지 2.0이다.
상기 언급된 양태 중 각각 또는 임의의 양태와 조합으로 사용될 수 있는 본 개시의 제13 비제한적 양태에 따르면, 합금 중의 몰리브데넘 함량은, 총 합금 중량을 기준으로 중량 백분율로, 1.7 내지 2.1이다.
상기 언급된 양태 중 각각 또는 임의의 양태와 조합으로 사용될 수 있는 본 개시의 제14 비제한적 양태에 따르면, 합금 중의 몰리브데넘 함량은, 총 합금 중량을 기준으로 중량 백분율로, 1.8 내지 1.9이다.
상기 언급된 양태 중 각각 또는 임의의 양태와 조합으로 사용될 수 있는 본 개시의 제15 비제한적 양태에 따르면, 합금 중의 지르코늄 함량은, 총 합금 중량을 기준으로 중량 백분율로, 3.4 내지 4.4이다.
상기 언급된 양태 중 각각 또는 임의의 양태와 조합으로 사용될 수 있는 본 개시의 제16 비제한적 양태에 따르면, 합금 중의 지르코늄 함량은, 총 합금 중량을 기준으로 중량 백분율로, 3.5 내지 4.3이다.
상기 언급된 양태 중 각각 또는 임의의 양태와 조합으로 사용될 수 있는 본 개시의 제17 비제한적 양태에 따르면, 합금 중의 규소 함량은, 총 합금 중량을 기준으로 중량 백분율로, 0.03 내지 0.11이다.
상기 언급된 양태 중 각각 또는 임의의 양태와 조합으로 사용될 수 있는 본 개시의 제18 비제한적 양태에 따르면, 합금 중의 규소 함량은, 총 합금 중량을 기준으로 중량 백분율로, 0.06 내지 0.11이다.
상기 언급된 양태 중 각각 또는 임의의 양태와 조합으로 사용될 수 있는 본 개시의 제19 비제한적 양태에 따르면, 합금 중의 게르마늄 함량은, 총 합금 중량을 기준으로 중량 백분율로, 0.1 내지 0.4이다.
상기 언급된 양태 중 각각 또는 임의의 양태와 조합으로 사용될 수 있는 본 개시의 제20 비제한적 양태에 따르면, 티타늄 합금 중의: 산소 함량은 0 내지 0.30; 철 함량은 0 내지 0.30; 질소 함량은 0 내지 0.05; 탄소 함량은 0 내지 0.05; 수소 함량은 0 내지 0.015; 및 니오븀, 텅스텐, 하프늄, 니켈, 갈륨, 안티몬, 바나듐, 탄탈럼, 망간, 코발트, 및 구리 각각의 함량은 0 내지 0.1이고, 모두 티타늄 합금의 총 중량을 기준으로 중량 백분율이다.
상기 언급된 양태 중 각각 또는 임의의 양태와 조합으로 사용될 수 있는 본 개시의 제21 비제한적 양태에 따르면, 티타늄 합금 제조 방법은 다음 단계를 포함한다: 1780℉ 내지 1800℉에서 4 시간 동안 티타늄 합금을 용체화 처리하는 단계; 티타늄 합금의 단면 두께에 따른 속도로 티타늄 합금을 주위 온도까지 냉각하는 단계; 1025℉ 내지 1125℉에서 8 시간 동안 티타늄 합금을 시효하는 단계; 및 티타늄 합금을 공기 냉각하는 단계, 여기서 티타늄 합금은 상기 언급된 양태 중 각각 또는 임의의 양태에서 언급된 조성을 갖는다.
상기 언급된 양태 중 각각 또는 임의의 양태와 조합으로 사용될 수 있는 본 개시의 제22 비제한적 양태에 따르면, 티타늄 합금은 890℉ 이상의 온도에서 52 ksi의 하중 하에 8×10-4 (24 hrs)-1 미만의 정상 상태 크리프 속도를 나타낸다.
상기 언급된 양태 중 각각 또는 임의의 양태와 조합으로 사용될 수 있는 본 개시의 제23 비제한적 양태에 따르면, 티타늄 합금은 900℉에서 130 ksi 이상의 극한 인장 강도를 나타낸다.
본 개시의 제24 비제한적 양태에 따르면, 본 개시는 또한 총 합금 중량을 기준으로 중량 백분율로: 2 내지 7 알루미늄; 0 내지 5 주석; 0 내지 5 몰리브데넘; 0.1 내지 10.0 지르코늄; 0.01 내지 0.30 규소; 0.05 내지 2.0 게르마늄; 0 내지 0.30 산소; 0 내지 0.30 철; 0 내지 0.05 질소; 0 내지 0.05 탄소; 0 내지 0.015 수소; 티타늄; 및 불순물을 포함하는 티타늄 합금을 제공한다.
상기 언급된 양태 중 각각 또는 임의의 양태와 조합으로 사용될 수 있는 본 개시의 제25 비제한적 양태에 따르면, 티타늄 합금은 890℉ 이상의 온도에서 52 ksi의 하중 하에 8×10-4 (24 hrs)-1 미만의 정상 상태 크리프 속도를 나타낸다.
상기 언급된 양태 중 각각 또는 임의의 양태와 조합으로 사용될 수 있는 본 개시의 제26 비제한적 양태에 따르면, 티타늄 합금은, 총 합금 중량을 기준으로 중량 백분율로: 0 내지 5 크롬을 추가로 포함한다.
상기 언급된 양태 중 각각 또는 임의의 양태와 조합으로 사용될 수 있는 본 개시의 제27 비제한적 양태에 따르면, 티타늄 합금은, 총 합금 중량을 기준으로 중량 백분율로: 각각 0 내지 6.0의 니오븀, 텅스텐, 바나듐, 탄탈럼, 망간, 니켈, 하프늄, 갈륨, 안티몬, 코발트 및 구리를 추가로 포함한다.
상기 언급된 양태 중 각각 또는 임의의 양태와 조합으로 사용될 수 있는 본 개시의 제28 비제한적 양태에 따르면, 티타늄 합금은 890℉ 이상의 온도에서 52 ksi의 하중 하에 8×10-4 (24 hrs)-1 미만의 정상 상태 크리프 속도를 나타낸다.
상기 언급된 양태 중 각각 또는 임의의 양태와 조합으로 사용될 수 있는 본 개시의 제29 비제한적 양태에 따르면, 티타늄 합금은, 총 합금 중량을 기준으로 중량 백분율로: 0 내지 5 크롬을 추가로 포함한다.
본 설명은 본 발명의 명확한 이해와 관련된 본 발명의 양태를 예시하는 것으로 이해될 것이다. 당업자에게 자명하므로 본 발명의 더 나은 이해를 용이하게 하지 않을 특정 양태는 본 설명을 단순화하기 위해 제시되지 않았다. 본 발명의 제한된 수의 구체예만이 본원에 설명될 필요가 있지만, 당업자는 전술한 설명을 고려하면 본 발명의 많은 수정 및 변형이 사용될 수 있음을 인식할 것이다. 본 발명의 모든 변형 및 수정은 전술한 설명 및 다음의 청구범위에 포함되도록 의도된다.

Claims (12)

  1. 총 합금 중량을 기준으로 중량 백분율로 다음을 포함하는 티타늄 합금:
    5.5 내지 6.5 알루미늄;
    1.7 내지 2.1 주석;
    1.7 내지 2.1 몰리브데넘;
    3.4 내지 4.4 지르코늄;
    0.03 내지 0.11 규소;
    0.1 내지 0.4 게르마늄;
    0 내지 0.30 산소;
    0 내지 0.30 철;
    0 내지 0.05 질소;
    0 내지 0.05 탄소;
    0 내지 0.015 수소;
    각각 0 내지 0.1의 니오븀, 텅스텐, 하프늄, 니켈, 갈륨, 안티몬, 바나듐, 탄탈럼, 망간, 코발트, 및 구리;
    0 내지 5 크롬;
    불순물; 및
    나머지의 티타늄.
  2. 제 1항에 있어서, 총 합금 중량을 기준으로 중량 백분율로 다음을 포함하는 티타늄 합금:
    5.9 내지 6.0 알루미늄;
    1.9 내지 2.0 주석;
    1.8 내지 1.9 몰리브데넘;
    3.5 내지 4.3 지르코늄;
    0.06 내지 0.11 규소;
    0.1 내지 0.4 게르마늄;
    0 내지 0.30 산소;
    0 내지 0.30 철;
    0 내지 0.05 질소;
    0 내지 0.05 탄소;
    0 내지 0.015 수소;
    각각 0 내지 0.1의 니오븀, 텅스텐, 하프늄, 니켈, 갈륨, 안티몬, 바나듐, 탄탈럼, 망간, 코발트, 및 구리;
    0 내지 5 크롬;
    불순물; 및
    나머지의 티타늄.
  3. 제 1항에 있어서, 지르코늄-규소-게르마늄 금속간 석출물을 포함하는 티타늄 합금.
  4. 제 1항에 있어서, 티타늄 합금은 890°F 의 온도에서 52 ksi의 하중 하에 8Х10-4 (24 시간)-1 미만의 정상 상태 크리프 속도를 나타내는 티타늄 합금.
  5. 제 1항에 있어서, 티타늄 합금은 900°F에서 130 ksi 이상의 극한 인장 강도를 나타내는 티타늄 합금.
  6. 제 2항에 있어서, 지르코늄-규소-게르마늄 금속간 석출물을 포함하는 티타늄 합금.
  7. 제 2항에 있어서, 티타늄 합금은 890°F 의 온도에서 52 ksi의 하중 하에 8Х10-4 (24 시간)-1 미만의 정상 상태 크리프 속도를 나타내는 티타늄 합금.
  8. 제 2항에 있어서, 티타늄 합금은 900°F에서 130 ksi 이상의 극한 인장 강도를 나타내는 티타늄 합금.
  9. 다음을 포함하는 티타늄 합금 제조방법:
    1780μ내지 1800μ에서 4 시간 동안 티타늄 합금을 용체화 처리;
    티타늄 합금의 단면 두께에 따른 속도로 티타늄 합금을 주위 온도까지 냉각;
    1025μ내지 1125μ에서 8 시간 동안 티타늄 합금을 시효; 및
    티타늄 합금을 공기 냉각,
    여기서 티타늄 합금은 제1항에 기재된 조성을 가짐.
  10. 다음을 포함하는 티타늄 합금 제조방법:
    1780μ내지 1800μ에서 4 시간 동안 티타늄 합금을 용체화 처리;
    티타늄 합금의 단면 두께에 따른 속도로 티타늄 합금을 주위 온도까지 냉각;
    1025μ내지 1125μ에서 8 시간 동안 티타늄 합금을 시효; 및
    티타늄 합금을 공기 냉각,
    여기서 티타늄 합금은 제2항에 기재된 조성을 가짐.
  11. 총 합금 중량을 기준으로 중량 백분율로 다음을 포함하는 티타늄 합금:
    2 내지 7 알루미늄;
    0 내지 5 주석;
    0 내지 5 몰리브데넘;
    3.5 내지 4.3 지르코늄;
    0.03 내지 0.11 규소;
    0.05 내지 2.0 게르마늄;
    0 내지 0.30 산소;
    0 내지 0.30 철;
    0 내지 0.05 질소;
    0 내지 0.05 탄소;
    0 내지 0.015 수소;
    각각 0 내지 0.1의 니오븀, 텅스텐, 하프늄, 니켈, 갈륨, 안티몬, 바나듐, 탄탈럼, 망간, 코발트, 및 구리;
    0 내지 5 크롬;
    불순물; 및
    나머지의 티타늄.
  12. 제 11항에 있어서, 티타늄 합금은 890°F 의 온도에서 52 ksi의 하중 하에 8Х10-4 (24 시간)-1 미만의 정상 상태 크리프 속도를 나타내는 티타늄 합금.
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