MX2013002246A - Sujetadores y materia prima para sujetadores de aleacion de titanio alfa/beta de alta resistencia. - Google Patents
Sujetadores y materia prima para sujetadores de aleacion de titanio alfa/beta de alta resistencia.Info
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Abstract
Un artículo de fabricación seleccionado de un sujetador de aleación de titanio y una materia prima para sujetadores de aleación de titanio que incluye una aleación de titanio alfa/beta que comprende, en por ciento en peso: 3.9 a 4.5 de aluminio; 2.2 a 3.0 de vanadio; 1.2 a 1.8 de hierro; 0.24 a 0.3 de oxígeno; hasta 0.08 de carbono; hasta 0.05 de nitrógeno; titanio; y hasta un total de 0.3 de otros elementos. En ciertas modalidades, el artículo de fabricación tiene una resistencia máxima a la tracción de al menos 170 ksi (1,172 MPa) y una resistencia a cizalladura doble de al menos 103 ksi (710.2 MPa). Se describe un método para fabricar un sujetador de aleación de titanio y una materia prima para sujetadores de aleación de titanio que comprenden la aleación alfa/beta.
Description
SUJETADORES Y MATERIA PRIMA PARA SUJETADORES DE ALEACIÓN DE TITANIO ALFA/BETA DE ALTA RESISTENCIA
REFERENCIA CRUZADA A LAS SOLICITUDES RELACIONADAS
La presente solicitud es una solicitud de continuación en parte que reivindica prioridad, la bajo 35 U.S.C. § 120, de la solicitud de patente de los Estados Unidos copendiente con número de serie. 12/888,699, presentada el 23 de septiembre de 2010, y titulada "Sujetadores y materia prima para sujetadores de aleación de titanio alfa/beta de alta resistencia", cuya descripción se incorpora en su totalidad como referencia en la presente.
ANTECEDENTES DE LA TECNOLOGÍA CAMPO DE LA TECNOLOGÍA
La presente descripción se refiere a sujetadores mecánicos y materia prima para sujetadores, y en particular a sujetadores y materia prima para sujetadores que comprende aleaciones de titanio alfa/beta.
DESCRIPCIÓN DE LOS ANTECEDENTES DE LA TECNOLOGÍA
Las aleaciones de titanio exhiben típicamente una alta relación de resistencia a peso, son resistentes a la corrosión, y son resistentes a la fluencia a temperaturas moderadamente altas. Por estas razones, las aleaciones de titanio se usan en aplicaciones aeroespaciales y aeronáuticas que incluyen, por ejemplo, miembros del tren de aterrizaje, armazones de motor, y sujetadores mecánicos.
Reducir el peso de un avión resulta en ahorros de combustible, y por lo tanto hay un fuerte impulso en la industria aeroespacial para reducir el peso de los aviones. El titanio y las aleaciones de titanio son materiales atractivos para lograr la reducción de peso en aplicaciones aeronáuticas debido a su alta relación de resistencia a peso. Actualmente, los sujetadores de aleación de titanio se usan en aplicaciones aeroespaciales de baja demanda. En ciertas aplicaciones aeroespaciales en las cuales las aleaciones de titanio no exhiben suficiente resistencia para alcanzar los requisitos mecánicos particulares de la aplicación, se usan sujetadores de una aleación basada en hierro y níquel más pesada.
La mayoría de las partes de aleación de titanio usadas en aplicaciones aeroespaciales se elaboran a partir de la aleación TÍ-6AI-4V (AST de grado 5; UNS R56400; AMS 4965), la cual es una aleación de titanio alfa/beta. La especificación mínima típica para la materia prima para sujetadores de pequeños diámetros de TÍ-6AI-4V, es decir, la materia prima para sujetadores que tiene un diámetro menor que 0.5 pulgadas (1.27 cm), son 170 ksi (1 ,172 MPa) de resistencia máxima a la tracción (UTS), como se determina de acuerdo con ASTM E8 / E8M - 09 ("Standard Test Methods for Tensión Tésting of Metallic Materials" ASTM International, 2009), y 103 ksi (710 MPa) de resistencia a cizalladura doble (DSS), como se determina de acuerdo con NASM 1312-13 ("Method 13-Double Shear", Aerospace Industries Association - National Aerospace Standard (Metric), 1 de febrero de 2003).
Las superaleaciones basadas en hierro y níquel, tales como, por ejemplo, la superaleación a base de hierro A286 (UNS S66286), son representativas de materiales usados en aplicaciones de sujetadores aeroespaciales que tienen el próximo grado de resistencia. Las resistencias mínimas especificadas típicas para sujetadores de aleación A286 estirada en frío y envejecida son 180 ksi (1 ,241 MPa) de UTS y 108 ksi (744 MPa) de DSS.
La superaleación basada en níquel Aleación 718 (N07718) es un material usado en sujetadores aeroespaciales que representa el más alto grado de resistencia. Los mínimos típicos de las especificaciones para los sujetadores de la superaleación Aleación 718 estirada en frío y envejecida son 220 ksi (1 ,517 MPa) de UTS y 120 ksi (827 MPa) de DSS.
Adicionalmente, dos aleaciones de titanio beta que actualmente se usan o están bajo consideración para su uso como materiales para sujetadores de alta resistencia exhiben una resistencia máxima a la tracción mínima de 180 ksi (1 ,241.1 MPa) y una DSS mínima de 108 ksi (744.6 MPa). SPS Technologies, Jenkintown, PA, ofrece un sujetador de aleación de titanio fabricado a partir de una aleación de titanio beta optimizada que obedece a la química de la aleación de titanio Ti-3AI-8V-6Cr-4Zr-4Mo (AMS 4958). Los pernos de SPS están disponibles en diámetros de hasta 1 pulgada (2.54 cm). Alcoa Fastening Systems (AFS) ha desarrollado un sujetador de titanio de alta resistencia fabricado a partir de una aleación de titanio que obedece a la química nominal de la aleación de titanio Ti-5AI-5Mo-5V-3Cr-0.5Fe (también conocida como Ti-5553; con UNS no asignada), una aleación de titanio beta cercana. Los sujetadores de la aleación Ti-5553 de AFS exhiben según se reporta una resistencia a la tracción de 190 ksi (1 ,309 MPa), un alargamiento mayor que 10%, y una DSS mínima de 1 13 ksi (779 MPa) para partes no recubiertas y 108 ksi (744 MPa) para partes recubiertas.
Las aleaciones de titanio beta incluyen generalmente un alto contenido de aleación, lo cual aumenta el costo de los componentes y el procesamiento comparado con las aleaciones de titanio alfa/beta. Las aleaciones de titanio beta además generalmente tienen una densidad más alta que las aleaciones de titanio alfa/beta. Por ejemplo la aleación de titanio alfa/beta ATI 425® tiene una densidad de aproximadamente 0.161 Ibs/pulg3 (4.5 g/cm3), mientras que la aleación de titanio beta Ti-3AI-8V-6Cr-4Zr-4Mo tiene una densidad de aproximadamente 0.174 Ibs/pulg3 (4.8 g/cm3), y la aleación de titanio beta próxima Ti-5AI-5Mo-5V-3Cr-0.5Fe tiene una densidad de aproximadamente 0.168 Ibs/pulg3 (4.7 g/cm3). Los sujetadores fabricados a partir de aleaciones de titanio que son menos densos pueden proporcionar ahorros adicionales de peso para aplicaciones aeroespaciales. Adicionalmente, la microestructura bimodal que se obtiene, por ejemplo, en las aleaciones de titanio alfa/beta tratadas con solución y envejecidas puede proporcionar propiedades mecánicas mejoradas tales como una fatiga de ciclo alto comparada con las aleaciones de titanio beta. Las aleaciones de titanio alfa/beta además tienen una temperatura de transición de la fase beta más alta (T^) que las aleaciones de titanio beta. Por ejemplo, la ?ß de la aleación de titanio alfa/beta ATI 425® es aproximadamente 1 ,800°F (982.2°C), mientras que la aleación de titanio beta Ti-5AI-5Mo-5V-3Cr-0.5Fe tiene una T^ de aproximadamente 1 ,500°F (815.6"C). La diferencia en ?ß para las dos formas de aleaciones de titanio permite una ventana de temperatura más grande para el procesamiento termomecánico y el tratamiento térmico en el campo de la fase alfa beta para las aleaciones de titanio alfa/beta.
Dada la necesidad continua de reducir el consumo de combustible mediante la reducción del peso del avión, existe una necesidad de sujetadores livianos mejorados para aplicaciones aeroespaciales. Particularmente, sería ventajoso proporcionar sujetadores y materia prima para sujetadores aeroespaciales de aleación de titanio alfa/beta livianos que exhiben una resistencia más alta que la generación actual de sujetadores aeroespaciales fabricados a partir de una aleación de titanio alfa/beta TÍ-6AI-4V.
SUMARIO
En una modalidad no limitante de acuerdo con la presente descripción, un artículo de fabricación seleccionado de un sujetador de aleación de titanio y una materia prima para sujetadores de aleación de titanio incluye una aleación de titanio alfa/beta que comprende, en por ciento en peso: 3.9 a 4.5 de aluminio; 2.2 a 3.0 de vanadio; 1.2 a 1.8 de hierro; 0.24 a 0.3 de oxígeno; hasta 0.08 de carbono; hasta 0.05 de nitrógeno; titanio; y hasta un total de 0.3 de otros elementos. En una modalidad no limitante, el sujetador o la materia prima para sujetadores de aleación de titanio alfa/beta exhibe una resistencia máxima a la tracción de al menos 170 ksi (1,172 MPa) y una resistencia a cizalladura doble de al menos 103 ksi (710.2 MPa).
En una modalidad adicional no limitante de acuerdo con la presente descripción, un artículo de fabricación seleccionado de un sujetador de aleación de titanio y una materia prima para sujetadores de aleación de titanio comprende una aleación de titanio alfa/beta que consiste sustancialmente en, en por ciento en peso: 3.9 a 4.5 de aluminio; 2.2 a 3.0 de vanadio; 1.2 a 1.8 de hierro; 0.24 a 0.3 de oxígeno; hasta 0.08 de carbono; hasta 0.05 de nitrógeno; hasta un total de 0.3 de otros elementos; titanio; impurezas incidentales; y en donde los otros elementos consisten sustancialmente en uno o más de estaño, circonio, molibdeno, cromo, níquel, silicio, cobre, niobio, tántalo, manganeso, y cobalto, en donde el por ciento en peso de cada uno de esos elementos es 0.1 o menos, y boro e itrio, en donde el por ciento en peso de cada uno de esos elementos es menos que 0.005. En una modalidad no limitante, el sujetador o la materia prima para sujetadores de aleación de titanio alfa/beta exhibe una resistencia máxima a la tracción de al menos 170 ksi (1 ,172 MPa) y una resistencia a cizalladura doble de al menos 103 ksi (710.2 MPa).
En otra modalidad no limitante de acuerdo con la presente descripción, un método para producir una materia prima para sujetadores de aleación de titanio incluye proporcionar una aleación de titanio alfa/beta que comprende, en por ciento en peso: 3.9 a 4.5 de aluminio; 2.2 a 3.0 de vanadio; 1.2 a 1.8 de hierro; 0.24 a 0.3 de oxígeno; hasta 0.08 de carbono; hasta 0.05 de nitrógeno; titanio; y hasta un total de 0.3 de otros elementos. La aleación de titanio alfa/beta se lamina en caliente y, subsecuentemente, se recoce a una temperatura de recocido en un intervalo de 1 ,200°F (648.9°C) a 1 ,400°F (760°C) durante un tiempo de recocido en un intervalo de 1 hora a 2 horas. Después del recocido, la aleación de titanio alfa/beta se enfría al aire, y después se maquina hasta las dimensiones predeterminadas. La aleación de titanio alfa/beta después se trata con solución a una temperatura de tratamiento con solución en un intervalo de 1 ,500°F (815.6°C) a 1 ,700°F (926.7°C) durante un tiempo de tratamiento con solución en un intervalo de 0.5 horas a 2 horas. Después del tratamiento con solución, la aleación de titanio alfa/beta se enfría a una velocidad de enfriamiento que es al menos tan rápida como el enfriamiento al aire, y después se envejece a una temperatura de tratamiento de envejecimiento en un intervalo de 80Q°F (426.7°C) a 1 ,000°F (537.8°C) durante un tiempo de envejecimiento en un Intervalo de 4 horas a 16 horas. Después del envejecimiento, la aleación de titanio se enfría al aire. En una modalidad no limitante, una aleación de titanio alfa/beta fabricada de acuerdo con la modalidad del método anterior exhibe una resistencia máxima a la tracción de al menos 170 ksi (1 ,172 MPa) y una resistencia a cizalladura doble de al menos 103 ksi (710.2 MPa).
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Las características y ventajas de los métodos descritos en la presente se pueden entender mejor con referencia a los dibujos acompañantes en los cuales:
La Fig. 1 es una representación esquemática de modalidades no limitantes de sujetadores de acuerdo con la presente descripción;
La Fig. 2 es un diagrama de proceso de una modalidad no limitante de un método para producir sujetadores y materia prima para sujetadores de acuerdo con la presente descripción;
La Fig. 3 es un gráfico de resistencia máxima a la tracción de una materia prima en barra y alambre para sujetadores fabricada mediante modalidades no limitantes de acuerdo con la presente descripción, comparando esas propiedades con los requisitos para la materia prima en barra y alambre para sujetadores de aleación de titanio TÍ-6AI-4V;
La Fig. 4 es un gráfico de límite de elasticidad de una materia prima en barra y alambre para sujetadores fabricada mediante modalidades no limitantes de acuerdo con la presente descripción, comparando esas propiedades con los requisitos para la materia prima en barra y alambre para sujetadores de aleación de titanio TÍ-6AI-4V; y
La Fig. 5 es un gráfico de por ciento de alargamiento de una materia prima en barra y alambre para sujetadores fabricada mediante modalidades no limitantes de acuerdo con la presente descripción, comparando esas propiedades con los requisitos para la materia prima en barra y alambre para sujetadores de aleación de titanio TÍ-6AI-4V.
El lector apreciará los detalles anteriores, así como otros, al leer la siguiente descripción detallada de ciertas modalidades no limitantes de los métodos de acuerdo con la presente invención.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE CIERTAS MODALIDADES NO LIMITANTES
En la presente descripción de las modalidades no limitantes, en los casos en que no se trate de ejemplos operativos o donde se indique otra cosa, se debe entender que todos los números que expresan cantidades o características se modifican en todos los casos por el término "aproximadamente". En consecuencia, a menos que se indique lo contrario, cualquiera de los parámetros numéricos establecidos en la siguiente descripción son aproximaciones que pueden variar en dependencia de las propiedades que se busca obtener en lo materiales y mediante los métodos de acuerdo con la presente invención. Por lo menos, y no como un intento de limitar la aplicación de la doctrina de los equivalentes al alcance de las reivindicaciones, cada parámetro numérico se debería interpretar al menos, a la luz del número de dígitos significativos reportado y aplicando las técnicas ordinarias de redondeo.
Cualquier patente, publicación, u otro material descriptivo, que se dice incorporado en su totalidad o en parte, como referencia en la presente, se incorpora en la presente solo si el material incorporado no entra en conflicto con las definiciones, declaraciones existentes, u otro material descriptivo expuesto en esta descripción. Como tal, y en la medida en que sea necesario, la descripción expuesta aquí reemplaza cualquier material contradictorio incorporado en la presente como referencia. Cualquier material, o parte del mismo, que se mencione en la presente como referencia, pero que entre en conflicto con las definiciones, declaraciones existentes, u otro material descriptivo expuesto en esta descripción solo se incorpora si no surge ningún conflicto entre dicho material incorporado y el material descriptivo existente.
Con referencia ahora a la Fig. 1 , un aspecto de esta descripción se dirige a un artículo de fabricación seleccionado de un sujetador de aleación de titanio 10 y una materia prima para sujetadores de aleación de titanio (no mostrada). En una modalidad no limitante, el artículo incluye una aleación de titanio alfa/beta que comprende, en por ciento en peso: 3.9 a 4.5 de aluminio; 2.2 a 3.0 de vanadio; 1.2 a 1.8 de hierro; 0.24 a 0.3 de oxígeno; hasta 0.08 de carbono; hasta 0.05 de nitrógeno; titanio; y hasta un total de 0.3 de otros elementos. En modalidades no limitantes de esta descripción los otros elementos mencionados en la composición de la aleación comprenden o consisten sustancialmente en uno o más de estaño, circonio, molibdeno, cromo, níquel, silicio, cobre, niobio, tántalo, manganeso, y cobalto, cada uno que tiene una concentración máxima de 0.1 por ciento en peso como elementos individuales, y boro e itrio, cada uno que tiene una concentración máxima de 0.005% como elementos individuales, con la suma total de todos los otros elementos que no excede 0.3 por ciento en peso. En una modalidad no limitante, el artículo de titanio alfa/beta de fabricación de acuerdo con la presente descripción exhibe una resistencia máxima a la tracción de al menos 170 ksi (1 ,172 MPa) y una resistencia a cizalladura doble (DSS) de al menos 103 ksi (710.2 MPa) para sujetadores que tienen diámetros en el intervalo de 0.18 pulgadas (4.57 mm) a 1.25 pulgadas (31.8 mm). En una modalidad no limitante de esta descripción, los sujetadores pueden tener diámetros tan pequeños como puedan fabricarse. En una modalidad no limitante, los sujetadores de acuerdo con la presente descripción exhiben un por ciento de alargamiento de al menos un 10%.
En ciertas modalidades no limitantes, la composición elemental de una aleación de titanio alfa/beta incluida en el sujetador o en la materia prima para sujetadores de acuerdo con la presente descripción se abarca por la composición de la aleación descrita en la patente de los Estados Unidos núm. 5,980,655 ("la patente '655"), la cual se incorpora como referencia en la presente en su totalidad. La patente '655 describe una aleación que tiene la composición mostrada en la siguiente Tabla 1.
Tabla 1
Una versión comercial de la aleación de la patente '655 es la aleación ATI 425®, la cual está disponible de ATI Aerospace, un negocio de Allegheny Technologies Incorporated, Pittsburgh, PA. La resistencia máxima a la tracción de aleaciones que tienen la composición elemental descrita en la patente '655 varía de aproximadamente 130 a 133 ksi (896 a 917 MPa). Sin embargo, el presente inventor descubrió sorprendentemente que el intervalo significativamente más estrecho de la química en la presente descripción resulta en sujetadores de titanio alfa/beta que pueden exhibir las resistencias máximas a la tracción significativamente más altas descritas en la presente. En una modalidad no limitante, la resistencia máxima a la tracción de los sujetadores descritos en la presente, fabricados a partir de la composición de la aleación descrita en la presente, fue hasta 22% mayor que la UTS descrita en la patente '655. Sin pretender estar ligado a ninguna teoría de operación, se cree que la resistencia sorprendentemente alta de las composiciones de aleación para sujetadores descritas en la presente puede haber sido al menos en parte un resultado del aumento significativo de los niveles de aluminio y de oxígeno por encima de los niveles mínimos descritos en la patente '655, que pueden haber aumentado la resistencia de la fase alfa dominante en la aleación de titanio alfa/beta.
El inventor además descubrió sorprendentemente que estrechar los intervalos admisibles de aluminio, vanadio, hierro, oxígeno, carbono, y nitrógeno en la aleación para sujetadores descrita en la presente con relación a la aleación descrita en la patente '655 reduce la variabilidad de las propiedades mecánicas y la variabilidad de la temperatura de transición de la fase beta de la aleación para sujetadores descrita en la presente. Esta variabilidad reducida es importante para que la optimización del proceso y de la microestructura logre las propiedades mecánicas superiores descritas en la presente.
En otra modalidad no limitante, un sujetador de aleación de titanio y una materia prima para sujetadores de aleación de titanio descritos en la presente comprenden un diámetro de hasta 0.75 pulgadas (1.91 cm), y tienen una resistencia máxima a la tracción de al menos 180 ksi (1 ,241 MPa) y una resistencia a cizalladura doble de al menos 108 ksi (744.6 MPa). En una modalidad no limitante, los sujetadores o la materia prima para sujetadores de acuerdo con esta descripción tienen una resistencia máxima a la tracción de hasta aproximadamente 26% mayor que la resistencia máxima a la tracción descrita en la patente '655.
Con referencia nuevamente a la Fig. 1 , de acuerdo con otro aspecto no limitante de esta descripción, un artículo de fabricación seleccionado de un sujetador de aleación de titanio 10 y una materia prima para sujetadores de aleación de titanio (no mostrada) incluye una aleación de titanio alfa/beta que consiste sustancialmente en, en por ciento en peso: 3.9 a 4.5 de aluminio; 2.2 a 3.0 de vanadio; 1.2 a 1.8 de hierro; 0.24 a 0.3 de oxígeno; hasta 0.08 de carbono; hasta 0.05 de nitrógeno; no más que un total de 0.3 de otros elementos; con el resto de titanio; e impurezas incidentales. En modalidades no limitantes de esta descripción los otros elementos mencionados en la composición de la aleación comprenden o consisten sustancialmente en uno o más de estaño, circonio, molibdeno, cromo, níquel, silicio, cobre, niobio, tántalo, manganeso, y cobalto, en donde el por ciento en peso de cada uno de esos elementos es 0.1 o menos, y boro e itrio, en donde el por ciento en peso de cada uno de esos elementos es menos que 0.005, con la suma total de todos los otros elementos que no excede 0.3 por ciento en peso. En una modalidad no limitante, el artículo de fabricación tiene una resistencia máxima a la tracción de al menos 170 ksi (1 ,172 MPa) y una resistencia a cizalladura doble de al menos 103 ksi (710.2 MPa).
En una modalidad no limitante, un sujetador de titanio y una materia prima para sujetadores de aleación de titanio de acuerdo con la presente descripción comprenden un diámetro de hasta 0.75 pulgadas (1.91 cm), una resistencia máxima a la tracción de al
menos 180 ks¡ (1 ,241 MPa), y una resistencia a cizalladura doble de al menos 108 ksi (744.6 MPa).
Como se usa en la presente, el término "sujetador" se refiere a un dispositivo de piezas metálicas que une o fija mecánicamente dos o más objetos entre sí. Un sujetador incluye, pero no se limita a, un perno, una tuerca, un pasador, un tornillo, un remache, una arandela, y una arandela de seguridad. Como se usa en la presente, la frase "materia prima para sujetadores" se refiere a un artículo que se procesa para formar uno o más sujetadores a partir del artículo.
Con referencia a la Fig. 2, un aspecto no limitante de acuerdo con la presente descripción es un método 20 para producir un sujetador o materia prima para sujetadores de aleación de titanio. El método comprende proporcionar 21 una aleación de titanio alfa/beta que comprende, en por ciento en peso: 3.9 a 4.5 de aluminio; 2.2 a 3.0 de vanadio; 1.2 a 1.8 de hierro; 0.24 a 0.3 de oxígeno; hasta 0.08 de carbono; hasta 0.05 de nitrógeno; titanio; y hasta un total de 0.3 de otros elementos. En modalidades no limitantes de esta descripción los otros elementos mencionados en la composición de la aleación comprenden o consisten sustancialmente en uno o más de estaño, circonio, molibdeno, cromo, níquel, silicio, cobre, niobio, tántalo, manganeso, y cobalto, en donde el por ciento en peso de cada uno de esos elementos es 0.1 o menos, y boro e itrio, en donde el por ciento en peso de cada uno de esos elementos es menos que 0.005, con la suma total de todos los otros elementos que no excede 0.3 por ciento en peso. La aleación de titanio alfa/beta se lamina en caliente 22 a una temperatura en el campo de la fase alfa/beta de la aleación de titanio alfa/beta. En una modalidad no limitante, una temperatura de laminado en caliente es al menos 50°F (27.8°C) por debajo de la temperatura de transición de la fase beta de la aleación de titanio alfa/beta, pero no más de 600°F (333.3°C) por debajo de la temperatura de transición de la fase beta de la aleación de titanio alfa/beta.
Después del laminado en caliente 22, la aleación de titanio alfa/beta opcionalmente se estira en frío y se recoce para reducir el tamaño sin cambiar sustancialmente las propiedades mecánicas de la aleación de titanio alfa/beta. En una modalidad no limitante, estirar en frío reduce el área de la sección transversal de la pieza de trabajo de aleación de titanio en menos de 10%. Antes de estirar en frío, la aleación de titanio alfa/beta puede recubrirse con un lubricante sólido, tal como, pero sin limitarse a, disulfuro de molibdeno (MoS2).
En una modalidad no limitante, después del laminado en caliente 22, la aleación de titanio alfa/beta se recoce 23 y se enfría 24 para proporcionar una materia prima para sujetadores de aleación de titanio alfa/beta. En una modalidad no limitante, recocer 23 incluye recocer la aleación de titanio alfa/beta laminada en caliente a una temperatura de recocido en un intervalo de temperatura de recocido de 1 ,200°F a 1 ,400°F (649°C a 760°C). En otra modalidad no limitante, un tiempo de recocido varía de aproximadamente 1 hora a aproximadamente 2 horas. En aún otra modalidad no limitante, recocer 23 comprende recocer la aleación de titanio alfa/beta laminada en caliente a aproximadamente 1 ,275°F (690.6°C) durante aproximadamente una hora. En una modalidad no limitante, después de recocer 23, la aleación de titanio alfa/beta recocida se enfría 24 a la temperatura del local o a la temperatura ambiente. En ciertas modalidades no limitantes, después de recocer 23, la aleación de titanio alfa/beta recocida se enfría al aire o se enfría en agua a la temperatura del local o a la temperatura ambiente.
Después de recocer 23 y enfriar 24, en una modalidad no limitante, la materia prima para sujetadores de aleación de titanio alfa/beta se maquina 25 hasta una dimensión útil para conformar un sujetador a partir de la materia prima. Opcionalmente, puede aplicarse un recubrimiento a la materia prima para sujetadores de aleación de titanio alfa/beta antes de maquinar. Los recubrimientos de maquinado convencionales se conocen por los expertos en la materia y no necesitan detallarse en la presente.
En una modalidad no limitante, la materia prima para sujetadores de aleación de titanio maquinada se trata con solución 26 a una temperatura de tratamiento con solución en un intervalo de tratamiento con solución de 1 ,500°F (815.6°C) a 1 ,700°F (926.7°C) durante un tiempo de tratamiento con solución en un intervalo de 0.5 horas a 2 horas. En una modalidad no limitante específica, la materia prima para sujetadores de aleación de titanio maquinada se trata con solución 26 a una temperatura de tratamiento con solución de aproximadamente 1610°F (876.7°C).
Después del tratamiento con solución 26, la materia prima para sujetadores de aleación de titanio maquinada se enfría 27. En modalidades no limitantes, enfriar 27 puede llevarse a cabo usando, enfriamiento al aire, enfriamiento en agua, y/o apagado en agua, y puede referirse como "enfriamiento rápido". Preferentemente, la velocidad de enfriamiento lograda durante el enfriamiento 27 es tan rápida como el enfriamiento al aire. En una modalidad no limitante, enfriar 27 comprende una velocidad de enfriamiento de al menos 1 ,000°F (555.6°C) por minuto. En una modalidad no limitante, enfriar 27 comprende cualquier proceso de enfriamiento conocido por un experto en la materia que logre la velocidad de enfriamiento indicada. El enfriamiento rápido 27 se usa para preservar la microestructura obtenida por el tratamiento con solución 26.
En una modalidad no limitante, la materia prima para sujetadores de aleación de titanio tratada con solución 26 y enfriada rápido 27 se envejece 28 a una temperatura de tratamiento de envejecimiento en un intervalo de temperatura de tratamiento de envejecimiento de aproximadamente 800°F (426.7°C) a aproximadamente 1 ,000°F (537.8°C) durante un tiempo de envejecimiento en un intervalo de tiempo de tratamiento de envejecimiento de aproximadamente 4 horas a aproximadamente 16 horas. En una modalidad no limitante específica, la materia prima para sujetadores de aleación de titanio tratada con solución 26 y enfriada rápido 27 se envejece 28 a 850°F (454.4°C) durante 10 horas. En ciertas modalidades no limitantes, después de envejecer 28, la materia prima para sujetadores de aleación de titanio alfa/beta se enfría al aire 29 o se enfría rápido para producir un sujetador de aleación de titanio alfa/beta como se describe en la presente.
Se ha determinado que la materia prima para sujetadores fabricada de acuerdo con esta descripción tiene propiedades mecánicas más altas comparada con la materia prima para sujetadores fabricada a partir de la aleación de titanio Ti-6-4. Por lo tanto, es posible usar sujetadores fabricados de acuerdo con esta descripción en dimensiones más pequeñas para sustituir los sujetadores de Ti-6-4 en las mismas aplicaciones. Esto conduce a ahorros en peso, que es de valor en las aplicaciones aeroespaciales. Además se ha determinado que en ciertas aplicaciones, los sujetadores fabricados de acuerdo con esta descripción pudieran sustituir sujetadores de aleación de acero que tienen las mismas dimensiones y resultan en ahorros en peso de valor para las aplicaciones aeroespaciales.
Los ejemplos que siguen pretenden describir más aun ciertas modalidades no limitantes, sin restringir el alcance de la presente invención. Los expertos en la materia apreciarán que son posibles variaciones de los Ejemplos siguientes dentro del alcance de la invención, el cual se define solamente por las reivindicaciones.
EJEMPLO 1
Un lingote se produjo a partir de compactos fabricados de materias primas usando tecnología de refundición de arco al vacío (VAR) dpble. Las muestras se tomaron a partir del lingote para el análisis químico, y la química promedio medida del lingote se proporciona en la Tabla 2. La temperatura de transición de la fase beta de la aleación se determinó que es 1 ,785°F (973.9°C).
Tabla 2
EJEMPLO 2
Un lingote de la aleación de titanio a partir de varias series que tienen composiciones químicas de acuerdo con esta descripción se laminó en caliente a una temperatura de laminado en caliente de aproximadamente 1 ,600°F (871.1 °C). El material laminado en caliente se recoció a 1 ,275°F (690.6°C) durante 1 hora y se enfrió al aire. El material recocido se maquinó en barras y alambres de materia prima para sujetadores que tenían varios diámetros de aproximadamente 0.25 pulgadas (6.35 mm) a aproximadamente 3.5 pulgadas (88.9 mm). Las barras y alambres de materia prima para sujetadores se trataron con solución a aproximadamente 1 ,610°F (876.7°C) durante aproximadamente 1 hora y se apagaron en agua. Después del tratamiento con solución y el apagado en agua, las barras y alambres de materia prima para sujetadores se envejecieron a aproximadamente 850°F (454.4°C) durante aproximadamente 10 horas y se enfriaron al aire.
EJEMPLO 3
Las barras y alambres de materia prima para sujetadores del Ejemplo 2 se probaron a la tracción a la temperatura ambiente. Las resistencias máximas a la tracción de las barras y alambres de materia prima para sujetadores se presentan gráficamente en la Fig. 3. Los límites de elasticidad de las barras y alambres de materia prima para sujetadores se presentan gráficamente en la Fig. 4, y los alargamientos en por ciento de las barras y alambres de materia prima para sujetadores se presentan gráficamente en la Fig. 5. La resistencia máxima a la tracción, el límite de elasticidad, y el alargamiento en por ciento mínimos requeridos para tratar la aleación de TÍ-6AI-4V tratada con solución y envejecida en las aplicaciones de sujetadores aeroespaciales (AMS 4965) se ¡lustran además en las Figs. 3-5, respectivamente. De la Fig. 3 se observa que las resistencias máximas a la tracción medidas para la barra y alambre de materia prima para sujetadores fabricada de acuerdo con esta descripción excedieron las especificaciones de la aleación TÍ-6AI-4V ilustradas en la cantidad significativa de aproximadamente 20 ksi (138 MPa) en todos los tamaños de diámetro medidos. Más aun, de la Fig. 5 se observa que la materia prima para sujetadores que tiene composiciones químicas de acuerdo con esta descripción exhibieron alargamientos en por ciento en el intervalo de al menos 10 por ciento a aproximadamente 19 por ciento.
EJEMPLO 4
La materia prima para sujetadores que tiene un diámetro de aproximadamente 0.25 pulgadas (6.35 mm), que tiene la composición química del Ejemplo 1 , y tratada con solución y envejecida como en el Ejemplo 2 se probó a la tracción. Los resultados de las pruebas a la tracción se enumeran en la Tabla 3.
Tabla 3
Las resistencias máximas a la tracción variaron de aproximadamente 196 ksi a aproximadamente 200 ksi (1351 MPa a 1379 MPa), las cuales son más altas que los requisitos mínimos para la materia prima para sujetadores de TÍ-6AI-4V de 170 ksi (1 ,172 MPa) de UTS y 103 ksi (710 MPa) de DSS. Se observó además que las propiedades concuerdan con la relación empírica aceptada de que DSS = 0.6 X UTS.
EJEMPLO 5
La materia prima para sujetadores que tiene un diámetro de aproximadamente 0.75 pulgadas (1.91 cm), que tiene una química del Ejemplo 1 , y tratada térmicamente de acuerdo con el Ejemplo 2 se probó a la tracción. Los resultados de las pruebas a la tracción se enumeran en la Tabla 4.
Tabla 4
La resistencia máxima a la tracción promedio de las barras de materia prima para sujetadores de 0.75 pulgadas (1.91 cm) fue 186 ksi (1 ,282 MPa), que satisface la especificación mínima para sujetadores fabricados a partir de la superaleación a base de hierro A286. Basado en la relación empírica aceptada entre la DSS y la UTS presentada anteriormente, las barras de 0.75 pulgadas (1.91 cm) se espera que además cumplan el requisito de 108 ksi (744 MPa) de DSS para sujetadores fabricados a partir de la superaleación a base de hierro A286.
EJEMPLO 6
Un lingote que tiene la composición química como en el Ejemplo 1 se lamina en caliente, se recoce, y se maquina como en el Ejemplo 2 para formar una materia prima para sujetadores que tiene un diámetro de aproximadamente 0.75 pulgadas (1.91 cm). La materia prima para sujetadores se maquina con control numérico computarizado en un sujetador que tiene una forma de un pasador. El pasador se trata con solución y se envejece como en el Ejemplo 2 para formar una modalidad no limitante de un sujetador de esta descripción.
EJEMPLO 7
Un lingote que tiene la composición química como en el Ejemplo 1 se lamina en caliente, se recoce, y se maquina como en el Ejemplo 2 para formar una materia prima para sujetadores que tiene un diámetro de aproximadamente 1 pulgada (2.54 cm). A la materia prima para sujetadores se le hacen roscas por laminado y se corta en piezas que tienen longitudes de aproximadamente 2 pulgadas (5.08 cm). Las piezas se forjan en frío para formar pernos de cabeza hexagonal. Los pernos de cabeza hexagonal se tratan con solución y se envejecen como en el Ejemplo 2 para formar una modalidad no limitante de un sujetador de acuerdo con esta descripción.
EJEMPLO 7
Un lingote que tiene la composición química como en el Ejemplo 1 se lamina en caliente, se recoce, y se maquina como en el Ejemplo 2 para formar una materia prima para sujetadores que tiene un diámetro de aproximadamente 1 pulgada (2.54 cm). El centro de la materia prima para sujetadores se maquina para proporcionar un agujero de 0.5 pulgadas (1.27 cm) de diámetro. La materia prima para sujetadores se corta después en piezas que tienen un grosor de 0.125 pulgadas (0.318 cm). La materia prima para sujetadores se trata con solución y se envejece como en el Ejemplo 2 para formar una modalidad no limitante de un sujetador en la forma de una arandela de acuerdo con esta descripción.
La presente descripción se ha escrito con referencia a varias modalidades ejemplares, ilustrativas, y no limitantes. Sin embargo, las personas con conocimiento ordinario en la materia reconocerán que pueden realizarse varias sustituciones, modificaciones, o combinaciones de cualquiera de las modalidades descritas (o porciones de estas) sin apartarse del alcance de la invención definido solamente por las reivindicaciones. Así, se contempla y entiende que la presente descripción abarca modalidades adicionales que no se exponen expresamente en la presente descripción. Tales modalidades pueden obtenerse, por ejemplo, al combinar, y/o modificar, cualquiera de las etapas, ingredientes, constituyentes, componentes, elementos, rasgos y aspectos descritos y similares, de las modalidades descritas en la presente. Así, esta descripción no se limita por la descripción de las varias modalidades ejemplares, ilustrativas, y no limitantes, sino más bien únicamente por las reivindicaciones. En esta manera, se debe entender que las reivindicaciones pueden modificarse durante la tramitación de la presente solicitud de patente para añadir características a la invención reivindicada como las varias descritas en la presente.
Claims (18)
1. Un artículo de fabricación seleccionado de un sujetador de aleación de titanio y una materia prima para sujetadores de aleación de titanio, el artículo de fabricación que incluye una aleación de titanio alfa/beta que comprende, en por ciento en peso: 3.9 a 4.5 de aluminio; 2.2 a 3.0 de vanadio; 1.2 a 1.8 de hierro; 0.24 a 0.3 de oxígeno; hasta 0.08 de carbono; hasta 0.05 de nitrógeno; titanio; y hasta un total de 0.3 de otros elementos; en donde el artículo de fabricación tiene una resistencia máxima a la tracción de al menos 170 ksi (1,172 MPa) y una resistencia a cizalladura doble de al menos 103 ksi (710.2 MPa).
2. El artículo de fabricación de la reivindicación 1 , en donde el artículo de fabricación comprende un diámetro de hasta 0.75 pulgadas (1.91 cm), y tiene una resistencia máxima a la tracción de al menos 180 ksi (1 ,241 MPa) y una resistencia a cizalladura doble de al menos 108 ksi (744.6 MPa).
3. El artículo de fabricación de la reivindicación 1 , en donde los otros elementos consisten sustancialmente en uno o más de estaño, circonio, molibdeno, cromo, níquel, silicio, cobre, niobio, tántalo, manganeso, y cobalto, en donde el por ciento en peso de cada uno de esos elementos es 0.1 o menos, y boro e itrio, en donde el por ciento en peso de cada uno de esos elementos es menos que 0.005.
4. El artículo de fabricación de acuerdo con las reivindicaciones 1 ó 2, en donde el sujetador comprende uno de un perno, una tuerca, un pasador, µ? tornillo, una arandela, una arandela de seguridad, y un remache.
5. Un artículo de fabricación seleccionado de un sujetador de aleación de titanio y una materia prima para sujetadores de aleación de titanio, el artículo de fabricación que incluye una aleación de titanio alfa/beta que consiste sustancialmente en, en por ciento en peso: 3.9 a 4.5 de aluminio; 2.2 a 3.0 de vanadio; 1.2 a 1.8 de hierro; 0.24 a 0.3 de oxígeno; hasta 0.08 de carbono; hasta 0.05 de nitrógeno; no más de un total de 0.3 de otros elementos; titanio; impurezas incidentales; en donde los otros elementos consisten sustancialmente en uno o más de estaño, circonio, molibdeno, cromo, níquel, silicio, cobre, niobio, tántalo, manganeso, y cobalto, en donde el por ciento en peso de cada uno de esos elementos es 0.1 o menos, y boro e itrio, en donde el por ciento en peso de cada uno de esos elementos es menos que 0.005; y en donde el artículo de fabricación tiene una resistencia máxima a la tracción de al menos 170 ksi (1,172 MPa) y una resistencia a cizalladura doble de al menos 103 ksi (710.2 MPa).
6. El artículo de fabricación de la reivindicación 5, en donde el artículo de fabricación comprende un diámetro de hasta 0.75 pulgadas (1.91 cm), y tiene una resistencia máxima a la tracción de al menos 180 ksi (1 ,241 MPa) y una resistencia a cizalladura doble de al menos 108 ksi (744.6 MPa).
7. El artículo de fabricación de acuerdo con las reivindicaciones 5 ó 6, en donde el sujetador comprende uno de un perno, una tuerca, un pasador, un tornillo, una arandela, una arandela de seguridad, y un remache.
8. Un método para producir una materia prima para sujetadores de aleación de titanio, el método que comprende: proporcionar una aleación de titanio alfa/beta que comprende, en por ciento en peso: 3.9 a 4.5 de aluminio; 2.2 a 3.0 de vanadio; 1.2 a 1.8 de hierro; 0.24 a 0.3 de oxígeno; hasta 0.08 de carbono; hasta 0.05 de nitrógeno; titanio; y hasta un total de 0.3 de otros elementos; laminar en caliente la aleación de titanio en una fase alfa/beta de la aleación de titanio; recocer la aleación de titanio a una temperatura de recocido en un intervalo de 1 ,200°F (648.9°C) a 1 ,400°F (760°C) durante un tiempo de recocido en un intervalo de 1 hora a 2 horas; enfriar al aire la aleación de titanio; maquinar la aleación de titanio a una dimensión predeterminada; tratar con solución la aleación de titanio en un intervalo de tratamiento con solución de 1 ,500°F (815.6°C) a 1 ,700°F (926.7°C) durante un tiempo de tratamiento con solución en un intervalo de 0.5 horas a 2 horas; enfriar la aleación de titanio a una velocidad de enfriamiento que es al menos equivalente al enfriamiento al aire, envejecer la aleación de titanio a una temperatura de tratamiento de envejecimiento en un intervalo de 800°F (426.7°C) a 1 ,000°F (537.8°C) durante un tiempo de envejecimiento en un intervalo de 4 horas a 16 horas; y enfriar al aire la aleación de titanio.
9. El método de la reivindicación 8, en donde los otros elementos de la aleación de titanio alfa/beta consisten sustancialmente en uno o más de estaño, circonio, molibdeno, cromo, níquel, silicio, cobre, niobio, tántalo, manganeso, y cobalto, en donde el por ciento en peso de cada uno de esos elementos es 0.1 o menos, y boro e itrio, en donde el por ciento en peso de cada uno de esos elementos es menos que 0.005.
10. El método de la reivindicación 8, en donde el laminado en caliente se conduce a una temperatura en el intervalo de 50°F (27.8°C) por debajo de una temperatura de transición de la fase beta de la aleación de titanio a 600°F (333.3°C) por debajo de la temperatura de transición de la fase beta de la aleación de titanio.
11. El método de la reivindicación 8, que además comprende después de laminar en caliente y antes de recocer la aleación de titanio, estirar en frío la aleación de titanio para una reducción en el área de la sección transversal menos que el 10% y recocer.
12. El método de la reivindicación 11 , que además comprende recubrir la aleación de titanio con un lubricante sólido antes de estirar en frío.
13. El método de la reivindicación 12, en donde el lubricante sólido es disulfuro de molibdeno.
14. El método de la reivindicación 8, en donde la temperatura de recocido es 1 ,275°F (690.6°C) y el tiempo de recocido es 1 hora.
15. El método de la reivindicación 8, en donde la aleación de titanio se recubre antes de maquinar la aleación de titanio.
16. El método de la reivindicación 8, en donde enfriar después de la etapa de tratar con solución comprende uno de enfriar al aire, enfriar en agua, y apagar en agua.
17. El método de la reivindicación 8, en donde la temperatura de tratamiento con solución es 1 ,610°F (876.7°C) y enfriar la aleación de titanio comprende apagar en agua.
18. El método de la reivindicación 8, en donde envejecer la aleación de titanio comprende envejecer a 850°F (454.4°C) durante 10 horas. RESUMEN Un artículo de fabricación seleccionado de un sujetador de aleación de titanio y una materia prima para sujetadores de aleación de titanio que incluye una aleación de titanio alfa/beta que comprende, en por ciento en peso: 3.9 a 4.5 de aluminio; 2.2 a 3.0 de vanadio; 1.2 a 1.8 de hierro; 0.24 a 0.3 de oxígeno; hasta 0.08 de carbono; hasta 0.05 de nitrógeno; titanio; y hasta un total de 0.3 de otros elementos. En ciertas modalidades, el artículo de fabricación tiene una resistencia máxima a la tracción de al menos 170 ksi (1 ,172 MPa) y una resistencia a cizalladura doble de al menos 103 ksi (710.2 MPa). Se describe un método para fabricar un sujetador de aleación de titanio y una materia prima para sujetadores de aleación de titanio que comprenden la aleación alfa/beta.
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