TWI547565B - α/β鈦合金之加工 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種製造高強度α/β(α+β)鈦合金之方法,及藉由本發明方法所製得之產品。
由於鈦及鈦基合金之相對高強度、低密度及良好的耐腐蝕性,所以此等材料被用於多種應用中。例如,由於鈦及鈦基合金之高強度對重量比及耐腐蝕性,因此該材料被廣泛用於航空航天工業中。一組已知被廣泛用於多種應用中之鈦合金係α/β(α+β) Ti-6Al-4V合金,其包含6重量%鋁、4重量%釩、少於0.20重量%氧及鈦之標稱組成。
Ti-6Al-4V合金係一種最常見的鈦基製造材料,其據估計佔總鈦基材料市場的50%以上。Ti-6Al-4V合金係用於諸多獲益於該合金在低溫至中溫下之高強度、輕重量、及耐腐蝕性之組合之諸多應用中。例如,Ti-6Al-4V合金係用於生產飛機引擎組件、飛機結構組件、緊固件、高性能汽車組件、用於醫學裝置之組件、運動器材、用於航海應用之組件、及用於化學處理設備之組件。
一般使用呈軋製退火狀態或固溶處理及老化(STA)狀態之Ti-6Al-4V合金軋製成品。可提供呈軋製退火狀態之強度相對較低的Ti-6Al-4V合金軋製成品。本文使用之「軋製退火狀態」係指鈦合金在「軋製退火」熱處理(其中在高溫(例如1200至1500℉/649至816℃)下使工件退火約1至8小時並在靜止空氣中冷卻)之後之狀態。在於α+β相場中熱加工工件之後,進行軋製退火熱處理。呈軋製退火狀態之Ti-6Al-4V合金在室溫下具有130 ksi(896 MPa)之最小指定極限抗拉強度及120 ksi(827 MPa)之最小指定屈服強度。參見(例如)Aerospace Material Specifications(AMS) 4928及6931A,其以引用的方式併入本文中。
為了提高Ti-6Al-4V合金之強度,通常使該等材料接受STA熱處理。通常在於α+β相場中熱加工工件之後,進行STA熱處理。STA係指在低於β轉變溫度之高溫(例如,1725至1775℉/940至968℃)下,將工件熱處理相對短暫的定溫時間(例如約1小時),且隨後用水或等效介質使該工件快速淬火。在高溫(例如,900至1200℉/482至649℃)下,使該淬火工件老化約4至8小時,且在靜止空氣中冷卻。呈STA狀態之Ti-6Al-4V合金在室溫下具有150至165 ksi(1034至1138 MPa)之最小指定極限抗拉強度及140至155 ksi(965至1069 MPa)之最小指定屈服強度,其取決於該STA加工物件之直徑或厚度尺寸。參見(例如)AMS 4965及AMS 6930A,其以引用的方式併入本文中。
然而,在利用STA熱處理實現Ti-6Al-4V合金之高強度時存在諸多限制。例如,該材料之固有物理性質及對STA處理期間快速淬火之要求限制可實現高強度的物件大小及尺寸,且可顯示相對較大的熱應力、內應力、翹曲、及尺寸變形。本發明係關於一種加工某些鈦合金之方法,其提供相當於或優於呈STA狀態之Ti-6Al-4V合金之性質,但不受STA加工限制之機械特性。
本文所揭示之實施例係關於一種自α+β鈦合金形成物件之方法。該方法包括在周圍溫度至500℉(260℃)範圍內之溫度下,冷加工該α+β鈦合金,且在該冷加工步驟之後,在700℉至1200℉(371至649℃)範圍內之溫度下,使該α+β鈦合金老化。該α+β鈦合金包含2.90重量%至5.00重量%鋁、2.00重量%至3.00重量%釩、0.40重量%至2.00重量%鐵、及0.10重量%至0.30重量%氧、偶然雜質及鈦。
應瞭解,本文所揭示及描述之本發明不限於本發明內容中所揭示之實施例。
藉由參考附圖,可更好地理解本文所揭示及描述之多項非限制性實施例之特徵。
讀者在考慮以下根據本發明之多項非限制性實施例之詳細描述後,將瞭解上述細節及其他內容。讀者在實施或使用本文所述之實施例後,亦可理解其他細節。
應瞭解,已將所揭示之實施例之描述簡化至僅說明彼等與清楚瞭解所揭示之實施例相關之特徵及特性,同時為便於闡明,略去其他特徵及特性。一般技藝者在考慮所揭示實施例之此描述之後,將認識到可希望在該等所揭示實施例之特定實施或應用中出現其他特徵及特性。然而,因為該等其他特徵及特性可容易由一般技藝者在考慮所揭示實施例之此描述之後確定並實施,且因此其對於完全理解所揭示之實施例並不必要,所以本文未提供此等特徵、特性及類似物之描述。因此,應瞭解,本文之描述內容僅示例說明所揭示之實施例且無意限制由申請專利範圍所限定之本發明之範圍。
在本發明中,除非另有說明,否則所有數值參數應被理解為在所有情況下皆由術語「約」開頭及修飾,其中該等數值參數具有用於測定參數數值之基本測量技術的固有可變性特徵。至少而非試圖限制申請專利範圍等效物之教義之應用,本發明中所述之各數值參數應至少根據所記錄之有效數字之數值且藉由應用普通的四捨五入技術來解釋。
此外,本文所述之任何數值範圍意欲包括所述範圍內所含之所有子範圍。例如,「1至10」之範圍意欲包括介於(及包括)所述之最小值1與所述之最大值10之間的所有子範圍,即,具有等於或大於1之最小值且等於或小於10之最大值者。本文所述之任何最大數值限制係意欲包括其中所含之所有更低數值限制且本文所述之任何最小數值限制係意欲包括其中所含之所有更高數值限制。因此,申請人保留修正本發明(包括申請專利範圍)以明確描述本文所明確描述之範圍內所包含之任何子範圍的權利。所有此等範圍係意欲固有地揭示於本文中,以使得修正至明確描述任何此等子範圍將符合35 U.S.C. § 112第一段及35 U.S.C. § 132(a)之要求。
除非另外說明,否則本文使用之語法冠詞「一個」、「一」、及「該」意欲包括「至少一個」或「一或多個」。因此,該等冠詞在文中係用於指示一個或多於一個(即,「至少一個」)該冠詞之語法目標。舉例而言,「一組件」意指一或多個組件,且因此可涵蓋多於一個組件且可應用於或使用於所述實施例之實施中。
除非另外說明,否則據稱以引用方式併入之任何專利案、公開案、或其他揭示材料係以全文引用的方式併入本文中,但引用的程度僅為所併入之材料不與此描述中明確所述之現有定義、聲明、或其他揭示材料矛盾。因此,且在必要情況下,本文所述之明確揭示內容取代以引用方式併入本文中之任何相矛盾之材料。據稱以引用方式併入本文中,但與本文所述之現有定義、聲明、或其他揭示材料相矛盾之任何材料或其部份係僅以在併入材料與現有揭示材料之間不出現矛盾之程度併入。申請人保留修正本發明,以明確引述以引用的方式併入本文中之任何標的物或其部份之權利。
本發明包括多項實施例之描述。應瞭解,本文所述之多項實施例係示例性、說明性且非限制性。因此,本發明不限於多項示例性、說明性及非限制性實施例之描述。相反地,本發明係由申請專利範圍所限定,且可修正該申請專利範圍以描述本發明中明確或內在描述或本發明所另外明確或內在支持之任何特徵或特性。此外,申請人有權修正申請專利範圍,以明確放棄對可存在於先前技術中之特徵或特性之權利。因此,任何該等修正將符合35 U.S.C. § 112第一段及35 U.S.C. § 132(a)之要求。本文所揭示及描述之多項實施例可包括本文所述之多種特徵及特性、由其組成、或基本上由其組成。
本文所揭示之各項實施例係關於自具有與Ti-6Al-4V合金不同的化學組成之α+β鈦合金形成物件之熱機械方法。在多項實施例中,該α+β鈦合金包含2.90至5.00重量%鋁、2.00至3.00重量%釩、0.40至2.00重量%鐵、及0.20至0.30重量%氧、偶然雜質及鈦。此等α+β鈦合金(其在本文被稱為「小坂(Kosaka)合金」)係描述於頒予Kosaka之美國專利第5,980,655號中,該案以引用的方式併入本文中。小坂合金之標稱商業組成包括4.00重量%鋁、2.50重量%釩、1.50重量%鐵、及0.25重量%氧、偶然雜質、及鈦,且可稱為Ti-4Al-2.5V-1.5Fe-0.25O合金。
美國專利第5,980,655號(「該'655專利」)描述α+β熱機械加工於自小坂合金鑄錠形成板之用途。小坂合金被開發為Ti-6Al-4V合金之較低成本替代物,以用於彈道裝甲板應用。該'655專利中所述之α+β熱機械加工包括:
(a)形成具有小坂合金組成之鑄錠;
(b)在高於該合金之β轉變溫度之溫度下(例如,在高於1900℉(1038℃)之溫度下),β鍛造該鑄錠,以形成中間片板;
(c)在低於該合金之β轉變溫度,但是處於α+β相場中之溫度下(例如,在1500至1775℉(815至968℃)之溫度下),α+β鍛造該中間片板;
(d)在低於該合金之β轉變溫度,但是處於α+β相場中之溫度下(例如,在1500至1775℉(815至968℃)之溫度下),將該片板α+β軋製至最終板厚度;及
(e)在1300至1500℉(704至815℃)之溫度下,軋製退火。
根據該'655專利中所揭示之方法形成之板顯示相當於或優於Ti-6Al-4V板之彈道特性。然而,根據該'655專利中所揭示之方法形成之板所顯示之室溫抗拉強度低於由Ti-6Al-4V合金在STA加工後所實現之高強度。
呈STA狀態Ti-6Al-4V合金可在室溫下顯示約160至177 ksi(1103至1220 MPa)之極限抗拉強度,及約150至164 ksi(1034至1131 MPa)之屈服強度。然而,由於Ti-6Al-4V之某些物理性質(如相對較低之導熱率),Ti-6Al-4V合金可經由STA加工實現之極限抗拉強度及屈服強度係取決於該進行STA加工之Ti-6Al-4V合金物件之尺寸。就此而言,Ti-6Al-4V合金之相對較低之導熱率限制可使用STA加工完全硬化/強化之物件之直徑/厚度,因為較大直徑或厚截面合金物件之內部在淬火期間冷卻速率不夠快,而形成α基本相(α'相)。以此方式,大直徑或厚截面Ti-6Al-4V合金之STA加工產生具有圍繞無相同沉澱強化程度之相對較弱核心之沉澱強化外殼之物件,其可顯著降低該物件之整體強度。例如,Ti-6Al-4V合金物件之強度對於具有大於約0.5英寸(1.27 cm)之小尺寸(例如直徑或厚度)之物件而言開始下降,且STA加工未提供任何效益給具有大於約3英寸(7.62 cm)之小尺寸之Ti-6Al-4V合金物件。
對於材料規格(如AMS 6930A,其中呈STA狀態之Ti-6Al-4V合金之最高強度最小值對應於具有小於0.5英寸(1.27 cm)之直徑或厚度之物件)而言,呈STA狀態之Ti-6Al-4V合金之抗拉強度之尺寸依賴性係明顯,因為增加物件尺寸對應於減小強度最小值。例如,對於呈STA狀態且直徑或厚度小於0.5英寸(1.27 cm)之Ti-6Al-4V合金物件而言,AMS 6930A指定最小極限抗拉強度係165 ksi(1138 MPa),且最小屈服強度係155 ksi(1069 MPa)。
此外,STA加工可引起相對較大的熱應力及內應力且造成鈦合金物件在淬火步驟期間翹曲。儘管有其局限性,但是STA加工係獲得Ti-6Al-4V合金之高強度之標準方法,因為Ti-6Al-4V合金一般不可冷變形,且因此不能經有效冷加工以提高強度。雖然不希望受限於理論,但一般據信冷變形性/可加工性之缺乏係可歸因於Ti-6Al-4V合金中之滑移帶現象。
Ti-6Al-4V合金之α相(α-相)使共格Ti3Al(α-2)顆粒沉澱。此等共格α-2(α2)沉澱物提高合金之強度,但是因為塑性變形期間的運動位錯剪切該等共格沉澱物,所以該等沉澱物造成在該等合金之微結構內形成明顯的平面滑移帶。此外,已顯示Ti-6Al-4V合金晶體形成鋁及氧原子之短程有序之局部區域,即,自該結晶結構內之鋁及氧原子之均勻分佈之局部偏離。已顯示此等熵降低之局部區域促進在Ti-6Al-4V合金之微結構內形成明顯的平面滑移帶。此等Ti-6Al-4V合金內之微結構及熱力學特徵之存在可導致在變形期間滑移位錯之纏結或另外阻止位錯滑移。當此情況發生時,滑移係定位於合金中稱為滑移帶之明顯的平面區域。滑移帶造成延展性損失、裂紋成核及裂紋擴展,其導致Ti-6Al-4V合金在冷加工期間之破壞。
因此,一般係在高溫(通常係高於α2溶線溫度)下,加工(例如,鍛造、軋製、拉拔等等)Ti-6Al-4V合金。因為冷變形期間破裂(即,工件破壞)之高發生率,故無法有效冷加工Ti-6Al-4V合金,以提高強度。然而,出乎意料地發現,小坂合金具有實質程度之冷變形性/可加工性,如美國專利申請公開案第2004/0221929號中所述,其以引用的方式併入本文中。
已確定小坂合金在冷加工期間不顯示滑移帶,且因此在冷加工期間顯示比Ti-6Al-4V合金顯著更少之破裂。雖然不希望受限於理論,但據信小坂合金中不含滑移帶之原因可能係由於鋁及氧短程有序之最小化所致。此外,α2相安定性於小坂合金中比Ti-6Al-4V更低,例如,如α2相溶線溫度(對於Ti-6Al-4V(最大0.15重量%氧)而言係1305℉/707℃及對於Ti-4Al-2.5V-1.5Fe-0.25O而言係1062℉/572℃,使用Pandat軟體,CompuTherm LLC,Madison,Wisconsin,USA測定)之平衡模型所證實。因此,可冷加工小坂合金以獲得高強度且保留可加工程度之延展性。此外,已發現可冷加工及老化小坂合金以獲得比單獨冷加工增強的強度及增強的延展性。因此,小坂合金可實現相當於或優於在STA狀態中之Ti-6Al-4V合金之強度及延展性,但是無需STA加工及無其限制。
一般而言,「冷加工」係指在低於該材料之流動應力明顯減弱時之溫度之溫度下,加工合金。在本文中與本發明方法結合使用之「冷加工」、「經冷加工」、「冷成形」、及類似術語或與特定的加工或成形技術結合使用之「冷」係指在不高於約500℉(260℃)之溫度下加工或已經加工之特徵(視情況而定)。因此,例如,在周圍溫度至500℉(260℃)範圍內之溫度下,在小坂合金工件上進行之拉拔操作在本文中可被視為冷加工。此外,術語「加工」、「成形」、及「變形」在本文中一般可互換使用,術語「可加工性」、「可成形性」、「可變形性」、及類似術語亦如此。應瞭解,應用至與本發明申請案相關之「冷加工」、「經冷加工」、「冷成形」、及類似術語之含義無意且不會限制此等術語在其他文中或與其他發明相關之含義。
在多項實施例中,本文所揭示之方法可包括在周圍溫度至最高500℉(260℃)範圍內之溫度下,冷加工α+β鈦合金。在該冷加工操作之後,可在700℉至1200℉(371至649℃)範圍內之溫度下,使該α+β鈦合金老化。
當在本文中描述在指定溫度或指定溫度範圍內執行、進行或類似地實施機械操作(例如,冷拉操作)時,該機械操作係在工件上進行,該工件在該機械操作開始時係在該指定溫度或指定溫度範圍內。在機械操作過程中,工件溫度可自該工件在機械操作開始時之初始溫度變化。例如,在加工操作期間,工件溫度可由於絕熱加熱而增加或由於傳導、對流、及/或輻射冷卻而降低。自開始該機械操作時之初始溫度之溫度變化的大小及方向可取決於多個參數,例如,對該工件進行加工之程度、進行加工之應變速率、該工件在該機械操作開始時之初始溫度、及周圍環境之溫度。
當在本文中描述在指定溫度下進行熱操作(例如,老化熱處理)且持續指定時間或在指定溫度範圍內進行該熱操作且持續指定時間範圍時,則在將工件保持在溫度下的同時進行該操作達指定時間。本文所述之熱操作(如老化熱處理)之時間不包括加熱及冷卻時間,其可取決於(例如)該工件之尺寸及形狀。
在多項實施例中,可在周圍溫度至最高500℉(260℃)之範圍或其任何子範圍(例如,周圍溫度至450℉(232℃)、周圍溫度至400℉(204℃)、周圍溫度至350℉(177℃)、周圍溫度至300℉(149℃)、周圍溫度至250℉(121℃)、周圍溫度至200℉(93℃)、或周圍溫度至150℉(65℃))內之溫度下,冷加工α+β鈦合金。在多項實施例中,在周圍溫度下,冷加工α+β鈦合金。
在多項實施例中,可使用成形技術(包括(但不一定限於)拉拔、深拉拔、軋製、輥壓成形、鍛造、擠壓、皮爾格式軋製、擺碾、強力旋壓、剪切旋轉、液壓成形、膨脹成形、旋鍛、衝擊擠壓、爆炸成形、橡膠成形、反向擠壓、衝孔、旋壓、拉伸成形、壓力彎曲、電磁成形、鐓鍛、模壓及其任何組合),進行α+β鈦合金之冷加工。就本文所揭示之方法而言,當此等成形技術在不高於500℉(260℃)之溫度下進行時,其將冷加工賦予α+β鈦合金。
在多項實施例中,可將α+β鈦合金冷加工至面積減少20%至60%。例如,可在冷拉、冷軋製、冷擠壓、或冷鍛造操作中,使工件(例如,鑄錠、坯錠、棒、桿、管、片板、或板)塑性變形,以使得該工件之橫截面面積減少20%至60%之百分比。對於圓柱形工件(例如圓鑄錠、坯錠、棒、桿、及管)而言,測量該工件之圓形或環形橫截面之面積減少率,該橫截面一般係垂直於該工件在拉拔模、擠壓模或類似物中移動之方向。類似地,軋製工件之面積減少率係測量該工件之橫截面,其一般係垂直於該工件在軋製裝置或類似物之輥中移動之方向。
在多項實施例中,可將α+β鈦合金冷加工至面積減少20%至60%或其任何子範圍,例如,30%至60%、40%至60%、50%至60%、20%至50%、20%至40%、20%至30%、30%至50%、30%至40%、或40%至50%。可將α+β鈦合金冷加工至面積減少20%至60%,而無可觀察到之邊緣破裂或其他表面破裂。可在無任何中間應力消除退火之情況下,進行該冷加工。以此方式,本文所揭示之方法之多項實施例可實現面積減少至多60%,而在連續的冷加工操作(例如,在冷拉裝置通過兩次或多次)之間無任何中間應力消除退火。
在多項實施例中,冷加工操作可包括至少兩次變形循環,其中各變形循環包括將α+β鈦合金冷加工至面積減少至少10%。在多項實施例中,冷加工操作可包括至少兩次變形循環,其中各變形循環包括將α+β鈦合金冷加工至面積減少至少20%。該至少兩次變形循環可實現面積減少至多60%,而無任何中間應力消除退火。
例如,在冷拉操作中,可在周圍溫度下,於第一拉拔操作中將棒冷拉至面積減少大於20%。隨後,可在周圍溫度下,於第二拉拔操作中將該大於20%冷拉棒冷拉至第二次面積減少大於20%。可在該兩次操作之間無任何中間應力消除退火之情況下,進行該兩次冷拉操作。以此方式,可使用至少兩次變形循環冷加工α+β鈦合金,以實現更大整體面積減少。在冷加工操作之特定實施中,α+β鈦合金冷變形所需之力將取決於以下參數,其包括(例如)該工件之尺寸及形狀、該合金材料之屈服強度、變形程度(例如,面積減少率)、及特定的冷加工技術。
在多項實施例中,在冷加工操作之後,可在700℉至1200℉(371至649℃)範圍或其任何子範圍(例如,800℉至1150℉、850℉至1150℉、800℉至1100℉、或850℉至1100℉(即,427至621℃、454至621℃、427至593℃、或454至593℃))內之溫度下,使冷加工之α+β鈦合金老化。可在某溫度下進行該老化熱處理達一段足以提供機械特性之特定組合(例如,特定的極限抗拉強度、特定的屈服強度、及/或特定的伸長率)之時間。在多項實施例中,例如,可在某溫度下,進行老化熱處理達至多50小時。在多項實施例中,可在某溫度下,進行老化熱處理達0.5至10小時或其任何子範圍,例如,1至8小時。可在溫度控制爐(例如,露天氣體爐)中,進行該老化熱處理。
在多項實施例中,本文所揭示之方法可另外包括在該冷加工操作之前進行之熱加工操作。可在α+β相場中進行熱加工操作。例如,可在比該合金之β轉變溫度低300℉至25℉(167至15℃)之溫度下,進行熱加工操作。一般而言,小坂合金具有約1765℉至1800℉(963至982℃)之β轉變溫度。在多項實施例中,可在1500℉至1775℉(815至968℃)範圍或其任何子範圍(例如,1600℉至1775℉、1600℉至1750℉、或1600℉至1700℉(即,871至968℃、871至954℃、或871至927℃))內之溫度下,熱加工α+β鈦合金。
在該冷加工操作之前包括熱加工操作之實施例中,本文所揭示之方法可另外在該熱加工操作與該冷加工操作之間的視需要之退火或應力消除熱處理。可在1200℉至1500℉(649至815℃)範圍或其任何子範圍(例如,1200℉至1400℉或1250℉至1300℉(即,649至760℃或677至704℃))內之溫度下,使熱加工之α+β鈦合金退火。
在多項實施例中,本文所揭示之方法可包括視需要之在α+β相場中進行熱加工操作之前,在β相場中進行之熱加工操作。例如,可在β相場中熱加工鈦合金鑄錠,以形成中間物件。可在α+β相場中熱加工該中間物件,以發展α+β相微結構。在熱加工之後,可使該中間物件應力消除退火,且隨後在周圍溫度至500℉(260℃)範圍內之溫度下冷加工。可在700℉至1200℉(371至649℃)範圍內之溫度下,使該冷加工之物件老化。在高於該合金之β轉變溫度之溫度下,例如,在1800℉至2300℉(982至1260℃)範圍或其任何子範圍(例如,1900℉至2300℉或1900℉至2100℉(即,1038至1260℃或1038至1149℃))內之溫度下,進行視需要之在β相場中之熱加工。
在多項實施例中,本文所揭示之方法特徵可為形成在周圍溫度下具有155 ksi至200 ksi(1069至1379 MPa)之極限抗拉強度及8%至20%之伸長率之α+β鈦合金物件。此外,在多項實施例中,本文所揭示之方法特徵可為形成在周圍溫度下具有160 ksi至180 ksi(1103至1241 MPa)之極限抗拉強度及8%至20%之伸長率之α+β鈦合金物件。此外,在多項實施例中,本文所揭示之方法特徵可為形成在周圍溫度下具有165 ksi至180 ksi(1138至1241 MPa)之極限抗拉強度及8%至17%之伸長率之α+β鈦合金物件。
在多項實施例中,本文所揭示之方法特徵可為形成在周圍溫度下具有140 ksi至165 ksi(965至1138 MPa)之屈服強度及8%至20%之伸長率之α+β鈦合金物件。此外,在多項實施例中,本文所揭示之方法特徵可為形成在周圍溫度下具有155 ksi至165 ksi(1069至1138 MPa)之屈服強度及8%至15%之伸長率之α+β鈦合金物件。
在多項實施例中,本文所揭示之方法特徵可為形成在周圍溫度下具有包括在155 ksi至200 ksi(1069至1379 MPa)內之任何子範圍內之極限抗拉強度、包括在140 ksi至165 ksi(965至1138 MPa)內之任何子範圍內之屈服強度、及包括在8%至20%內之任何子範圍內之伸長率之α+β鈦合金物件。
在多項實施例中,本文所揭示之方法特徵可為形成在周圍溫度下具有大於155 ksi之極限抗拉強度、大於140 ksi之屈服強度、及大於8%之伸長率之α+β鈦合金物件。根據多項實施例形成之α+β鈦合金物件可在周圍溫度下具有大於166 ksi、大於175 ksi、大於185 ksi、或大於195 ksi之極限抗拉強度。根據多項實施例形成之α+β鈦合金物件可在周圍溫度下具有大於145 ksi、大於155 ksi、或大於160 ksi之屈服強度。根據多項實施例形成之α+β鈦合金物件可在周圍溫度下具有大於8%、大於10%、大於12%、大於14%、大於16%、或大於18%之伸長率。
在多項實施例中,本文所揭示之方法特徵可為形成在周圍溫度下具有至少與由呈固溶處理及老化(STA)狀態的Ti-6Al-4V合金組成之另外相同物件在周圍溫度下之極限抗拉強度、屈服強度、及伸長率一樣大之極限抗拉強度、屈服強度、及伸長率之α+β鈦合金物件。
在多項實施例中,本文所揭示之方法可用於熱機械加工α+β鈦合金,該α+β鈦合金包括2.90重量%至5.00重量%鋁、2.00重量%至3.00重量%釩、0.40重量%至2.00重量%鐵、0.10重量%至0.30重量%氧、偶然元素及鈦,由其組成,或基本上由其組成。
根據本文所揭示之方法熱機械加工之α+β鈦合金中之鋁濃度可在2.90至5.00重量%之範圍或其任何子範圍內,例如,3.00%至5.00%、3.50%至4.50%、3.70%至4.30%、3.75%至4.25%、或3.90%至4.50%。根據本文所揭示之方法熱機械加工之α+β鈦合金中之釩濃度可在2.00至3.00重量%之範圍或其任何子範圍內,例如,2.20%至3.00%、2.20%至2.80%、或2.30%至2.70%。根據本文所揭示之方法熱機械加工之α+β鈦合金中之鐵濃度可在0.40至2.00重量%之範圍或其任何子範圍內,例如,0.50%至2.00%、1.00%至2.00%、1.20%至1.80%、或1.30%至1.70%。根據本文所揭示之方法熱機械加工之α+β鈦合金中之氧濃度可在0.10至0.30重量%之範圍或其任何子範圍內,例如,0.15%至0.30%、0.10%至0.20%、0.10%至0.15%、0.18%至0.28%、0.20%至0.30%、0.22%至0.28%、0.24%至0.30%、或0.23%至0.27%。
在多項實施例中,本文所揭示之方法可用於熱機械加工α+β鈦合金,該α+β鈦合金包括4.00重量%鋁、2.50重量%釩、1.50重量%鐵、及0.25重量%氧、鈦、及偶然雜質之標稱組成(Ti-4Al-2.5V-1.5Fe-0.25O),s由其組成,或基本上由其組成。具有標稱組成Ti-4Al-2.5V-1.5Fe-0.25O之α+β鈦合金可以ATI 合金購自Allegheny Technologies Incorporated。
在多項實施例中,本文所揭示之方法可用於熱機械加工α+β鈦合金,該α+β鈦合金包括鈦、鋁、釩、鐵、氧、偶然雜質、及少於0.50重量%之任何其他有意合金元素,由其組成,或基本上由其組成。在多項實施例中,本文所揭示之方法可用於熱機械加工α+β鈦合金,該α+β鈦合金包括鈦、鋁、釩、鐵、氧、及少於0.50重量%之任何其他元素(包括有意合金元素及偶然雜質),由其組成,或基本上由其組成。在多項實施例中,除鈦、鋁、釩、鐵、及氧以外之總元素(偶然雜質及/或有意的合金添加物)之最大含量可係0.40重量%、0.30重量%、0.25重量%、0.20重量%、或0.10重量%。
在多項實施例中,如本文所述般加工之α+β鈦合金可包含根據AMS 6946A章節3.1之組成,基本上由其組成或由其組成,該標準係以引用的方式併入本文中且指定表1中所提供之組成(重量百分比)。
在多項實施例中,如本文所述般加工之α+β鈦合金可包括除鈦、鋁、釩、鐵、及氧以外之多種元素。例如,此等其他元素及其重量百分比可包括(但不一定限於)下列中之一或多者:(a)鉻,最多0.10%,一般係0.0001%至0.05%,或至多約0.03%;(b)鎳,最多0.10%,一般係0.001%至0.05%,或至多約0.02%;(c)鉬,最多0.10%;(d)鋯,最多0.10%;(e)錫,最多0.10%;(f)碳,最多0.10%,一般係0.005%至0.03%,或至多約0.01%;及/或(g)氮,最多0.10%,一般係0.001%至0.02%,或至多約0.01%。
本文所揭示之方法可用於形成諸如坯錠、棒、桿、金屬線、管、管道、片板、板、結構元件、緊固件、鉚釘、及類似物之物件。在多項實施例中,本文所揭示之方法產生在周圍溫度下具有155 ksi至200 ksi(1069至1379 MPa)之極限抗拉強度、140 ksi至165 ksi(965至1138 MPa)之屈服強度、及8%至20%之伸長率,且具有大於0.5英寸、大於1.0英寸、大於2.0英寸、大於3.0英寸、大於4.0英寸、大於5.0英寸、大於10.0英寸(即,大於1.27 cm、2.54 cm、5.08 cm、7.62 cm、10.16 cm、12.70 cm、或24.50 cm)之最小尺寸(例如直徑或厚度)之物件。
此外,本文所揭示之方法之實施例之多個優點之一係可在無尺寸限制(其係STA加工之固有限制)下形成高強度α+β鈦合金物件。因此,本文所揭示之方法可製造在周圍溫度下具有大於165 ksi(1138 MPa)之極限抗拉強度、大於155 ksi(1069 MPa)之屈服強度、及大於8%之伸長率之物件,且對該物件之小尺寸(例如直徑或厚度)之最大值無固有限制。因此,最大尺寸限制係僅受用於根據本文所揭示之實施例進行冷加工之冷加工設備的尺寸限制影響。相比而言,STA加工對可獲得高強度之物件之小尺寸的最大值具有固有限制,例如,對於在室溫下顯示至少165 ksi(1138 MPa)極限抗拉強度及至少155 ksi(1069 MPa)屈服強度之物件而言,最大值係0.5英寸(1.27 cm)。參見AMS 6930A。
此外,本文所揭示之方法可製造具有高強度與低熱應力或零熱應力且尺寸容限比使用STA加工製造之高強度物件更佳之α+β鈦合金物件。根據本文所揭示之方法冷拉及直接老化不產生有問題的內部熱應力,不造成物件翹曲,且不造成物件之尺寸變形,而已知α+β鈦合金物件之STA加工會發生上述問題。
本文所揭示之方法亦可用於形成機械特性在取決於冷加工量及老化處理之時間/溫度之寬廣範圍內之α+β鈦合金物件。在多項實施例中,極限抗拉強度可在約155 ksi至超過180 ksi(約1069 MPa至超過1241 MPa)之範圍內,屈服強度可在約140 ksi至約163 ksi(965至1124 MPa)之範圍內,及伸長率可在約8%至超過19%之範圍內。可經由冷加工及老化處理之不同組合,獲得不同的機械特性。在多項實施例中,較高之冷加工量(例如減少率)可與較高強度及較低延展性相關,而較高的老化溫度可與較低強度及較高延展性相關。以此方式,可根據本文所揭示之實施例指定冷加工及老化循環,以實現α+β鈦合金物件之控制及可再現程度之強度及延展性。此允許製造具有可定製機械特性之α+β鈦合金物件。
以下說明性及非限制性實例意欲進一步描述各種非限制性實施例,而不限制該等實施例之範圍。一般技藝者將瞭解,在由申請專利範圍所限定之本發明範圍內,可改變該等實例。
在1600℉(871℃)之溫度下,於α+β相場中熱軋製由具有表2中所示之平均化學組成(不包含偶然雜質)之兩種不同熱度形成之合金的5.0英寸直徑的圓柱形坯錠,以形成1.0英寸直徑的圓形棒。
在1275℉之溫度下,使該1.0英寸之圓形棒退火1小時,並空氣冷卻至周圍溫度。在周圍溫度下,使用拉拔操作冷加工該退火棒,以縮小該等棒之直徑。將在該冷拉操作期間對該等棒進行之冷加工量量化為該等圓形棒在冷拉期間之圓形橫截面積減少之百分比。所實現之冷加工百分比係20%、30%、或40%之面積減少率(RA)。在無中間退火之情況下,使用單次拉拔操作進行拉拔操作,以使面積減少20%,及使用兩次拉拔操作,以使面積減少30%及40%。
在周圍溫度下,測量各冷拉棒(20%、30%、及40% RA)及未經冷拉之1英寸直徑棒(0% RA)之極限抗拉強度(UTS)、屈服強度(YS)、及伸長率(%)。平均值結果係示於表3及圖1及2中。
極限抗拉強度一般隨冷加工量之增加而增加,而伸長率一般隨著冷加工量增加至最多約20-30%冷加工而降低。冷加工至30%及40%之合金保持約8%之伸長率,且極限抗拉強度大於180 ksi且接近190 ksi。冷加工至30%及40%之合金亦顯示150 ksi至170 ksi之屈服強度。
如實例1中所述,熱機械加工具有表1中所示之熱度X之平均化學組成之5英寸直徑的圓柱形坯錠(1790℉之β轉變溫度),以形成具有20%、30%、或40%面積減少率之冷加工百分比之圓形棒。冷拉之後,使用表4中所示之老化循環中之一者,使該等棒直接老化,接著空氣冷卻至周圍溫度。
在周圍溫度下,測量各冷拉及老化棒之極限抗拉強度、屈服強度、及伸長率。原始數據係示於圖3中,且數據平均值係示於圖4及表5中。
該等經冷拉及老化之合金顯示一系列取決於冷加工量及老化處理之時間/溫度循環之機械特性。極限抗拉強度範圍係約155 ksi至超過180 ksi。屈服強度範圍係約140 ksi至約163 ksi。伸長率範圍係約11%至超過19%。因此,可經由冷加工量及老化處理之不同組合,獲得不同的機械特性。
較高之冷加工量一般與較高的強度及較低的延展性相關。較高的老化溫度一般與較低的強度相關。此係示於圖5、6、及7中,該等圖分別係針對面積減少20%、30%、及40%之冷加工百分比之強度(平均UTS及平均YS)相對於溫度之圖示。較高的老化溫度一般與較高的延展性相關。此係示於圖8、9、及10中,該等圖分別係針對面積減少20%、30%、及40%之冷加工百分比之平均伸長率相對於溫度之圖示。如圖11及12所示,老化處理之持續時間對機械特性沒有顯著影響,該等圖分別係針對面積減少20%之冷加工百分比之強度及伸長率相對於時間之圖示。
根據NASM 1312-13(Aerospace Industries Association,2003年2月1日,其以引用的方式併入本文中),雙剪切測試冷拉圓形棒,該等棒具有表1中所示之熱度X之化學組成,且如實例1及2中所述在拉拔操作期間加工至面積減少2至40%。雙剪切測試提供此合金化學及熱機械加工之組合用於製造高強度緊固件材料之適用性之評估。在拉拔態條件下測試第一組圓形棒,且在於850℉下老化1小時並空氣冷卻至周圍溫度之後(850/1/AC),測試第二組圓形棒。雙剪切強度結果係連同極限抗拉強度、屈服強度、及伸長率之平均值示於表6中。就比較目的而言,Ti-6Al-4V緊固件材料之此等機械特性之最小指定值亦示於表6中。
該等經冷拉及老化之合金顯示優於Ti-6Al-4V緊固件材料應用之最小指定值之機械特性。因此,本文所揭示之方法可更有效地代替使用STA加工方法製造Ti-6Al-4V物件。
對於多種應用(包括(例如)一般航空航天應用及緊固件應用)而言,根據本文所揭示之多項實施例冷加工及老化包含2.90至5.00重量%鋁、2.00至3.00重量%釩、0.40至2.00重量%鐵、0.10至0.30重量%氧、及鈦之α+β鈦合金產生機械特性超過Ti-6Al-4V合金之機械特性最小指定值之合金物件。如上所述,Ti-6Al-4V合金需要STA加工,以實現關鍵應用(例如,航空航天應用)所需之必需強度。因此,高強度Ti-6Al-4V合金由於該材料之固有物理性質及在STA加工期間之快速淬火要求而受限於物件尺寸。相比而言,本文所述之高強度冷加工及老化α+β鈦合金不受物件大小及尺寸限制。此外,本文所述之高強度冷加工及老化α+β鈦合金未經歷較大的熱-及內應力或翹曲,而此可係較厚截面之Ti-6Al-4V合金物件在STA加工期間之特徵。
已參考多項示例性、說明性及非限制性實施例描述本發明。然而,一般技藝者應認識到,在不偏離本發明之範圍的情況下,可對任何所揭示之實施例(或其部份)進行多種取代、改良、或組合。因此,應預期及瞭解,本發明包括本文中未明確描述之其他實施例。可藉由(例如)組合、修改、或重組本文所述實施例之任何所揭示之步驟、組分、元素、特徵、態樣、特性、限值等等,獲得此等實施例。就此而言,申請人保留在執行期間修正申請專利範圍以添加如本文所述之各種特徵之權利。
圖1係對於呈拉拔狀態之冷拉α+β鈦合金棒而言,平均極限抗拉強度及平均屈服強度相對於量化成面積減少百分比(%RA)之冷加工之圖示;
圖2係對於呈拉拔狀態之冷拉α+β鈦合金棒而言,量化成拉伸伸長百分比之平均延展性之圖示;
圖3係對於根據本文所揭示之方法之實施例冷加工及直接老化後之α+β鈦合金棒而言,極限抗拉強度及屈服強度相對於伸長百分比之圖示;
圖4係對於根據本文所揭示之方法之實施例冷加工及直接老化後之α+β鈦合金棒而言,平均極限抗拉強度及平均屈服強度相對於平均伸長率之圖示;
圖5係對於冷加工至面積減少20%且在不同溫度下老化1小時至8小時之α+β鈦合金棒而言,平均極限抗拉強度及平均屈服強度相對於老化溫度之圖示;
圖6係對於冷加工至面積減少30%且在不同溫度下老化1小時至8小時之α+β鈦合金棒而言,平均極限抗拉強度及平均屈服強度相對於老化溫度之圖示;
圖7係對於冷加工至面積減少40%且在不同溫度下老化1小時至8小時之α+β鈦合金棒而言,平均極限抗拉強度及平均屈服強度相對於老化溫度之圖示;
圖8係對於冷加工至面積減少20%且在不同溫度下老化1小時至8小時之α+β鈦合金棒而言,平均伸長率相對於老化溫度之圖示;
圖9係對於冷加工至面積減少30%且在不同溫度下老化1小時至8小時之α+β鈦合金棒而言,平均伸長率相對於老化溫度之圖示;
圖10係對於冷加工至面積減少40%且在不同溫度下老化1小時至8小時之α+β鈦合金棒而言,平均伸長率相對於老化溫度之圖示;
圖11係對於冷加工至面積減少20%且在850℉(454℃)或1100℉(593℃)下老化之α+β鈦合金棒而言,平均極限抗拉強度及平均屈服強度相對於老化時間之圖示;及
圖12係對於冷加工至面積減少20%且在850℉(454℃)或1100℉(593℃)下老化之α+β鈦合金棒而言,平均伸長率相對於老化時間之圖示。
(無元件符號說明)
Claims (31)
- 一種自α+β鈦合金形成物件之方法,其包括:在周圍溫度至500℉範圍內之溫度下,冷加工該α+β鈦合金;及在該冷加工之後,在700℉至1200℉範圍內之溫度下,使該α+β鈦合金老化;其中該方法在冷加工與老化之間不包括固溶處理;該α+β鈦合金包含2.90至5.00重量%鋁、2.00至3.00重量%釩、0.40至2.00重量%鐵、0.10至0.30重量%氧、鈦、及偶然雜質。
- 如請求項1之方法,其中該冷加工及老化形成在周圍溫度下具有155ksi至200ksi之極限抗拉強度及8%至20%之伸長率之α+β鈦合金物件。
- 如請求項1之方法,其中該冷加工及老化形成在周圍溫度下具有165ksi至180ksi之極限抗拉強度及8%至17%之伸長率之α+β鈦合金物件。
- 如請求項1之方法,其中該冷加工及老化形成在周圍溫度下具有140ksi至165ksi之屈服強度及8%至20%之伸長率之α+β鈦合金物件。
- 如請求項1之方法,其中該冷加工及老化形成在周圍溫度下具有155ksi至165ksi之屈服強度及8%至15%之伸長率之α+β鈦合金物件。
- 如請求項1之方法,其中該冷加工及老化形成在周圍溫度下具有至少與由呈固溶處理及老化狀態的Ti-6Al-4V合 金組成之另外相同物件在周圍溫度下之極限抗拉強度、屈服強度、及伸長率一樣大之極限抗拉強度、屈服強度、及伸長率之α+β鈦合金物件。
- 如請求項1之方法,其包括將該α+β鈦合金冷加工至面積減少20%至60%。
- 如請求項1之方法,其包括將該α+β鈦合金冷加工至面積減少20%至40%。
- 如請求項1之方法,其中該α+β鈦合金之冷加工包括至少兩次變形循環,其中各循環包括將該α+β鈦合金冷加工至面積減少至少10%。
- 如請求項1之方法,其中該α+β鈦合金之冷加工包括至少兩次變形循環,其中各循環包括將該α+β鈦合金冷加工至面積減少至少20%。
- 如請求項1之方法,其包括在周圍溫度至400℉範圍內之溫度下冷加工該α+β鈦合金。
- 如請求項1之方法,其包括在周圍溫度下冷加工該α+β鈦合金。
- 如請求項1之方法,其包括在該冷加工之後,在800℉至1150℉範圍內之溫度下使該α+β鈦合金老化。
- 如請求項1之方法,其包括在該冷加工之後,在850℉至1100℉範圍內之溫度下使該α+β鈦合金老化。
- 如請求項1之方法,其包括使該α+β鈦合金老化至多50小時。
- 如請求項15之方法,其包括使該α+β鈦合金老化0.5至10 小時。
- 如請求項1之方法,其另外包括在比該α+β鈦合金之β轉變溫度低300℉至25℉之溫度下,熱加工該α+β鈦合金,其中該熱加工係在該冷加工之前進行。
- 如請求項17之方法,其另外包括在1200℉至1500℉範圍內之溫度下使該α+β鈦合金退火,其中該退火係在該熱加工與該冷加工之間進行。
- 如請求項17之方法,其包括在1500℉至1775℉範圍內之溫度下熱加工該α+β鈦合金。
- 如請求項1之方法,其中該α+β鈦合金係由2.90至5.00重量%鋁、2.00至3.00重量%釩、0.40至2.00重量%鐵、0.10至0.30重量%氧、偶然雜質、及鈦組成。
- 如請求項1之方法,其中該α+β鈦合金基本上係由3.50至4.50重量%鋁、2.00至3.00重量%釩、1.00至2.00重量%鐵、0.10至0.30重量%氧、及鈦組成。
- 如請求項1之方法,其中該α+β鈦合金基本上係由3.70至4.30重量%鋁、2.20至2.80重量%釩、1.20至1.80重量%鐵、0.22至0.28重量%氧、及鈦組成。
- 如請求項1之方法,其中冷加工該α+β鈦合金包括藉由至少一種選自由軋製、鍛造、擠壓、皮爾格式軋製(pilgering)、擺碾、及拉拔組成之群之操作進行冷加工。
- 如請求項1之方法,其中冷加工該α+β鈦合金包括冷拉該α+β鈦合金。
- 一種α+β鈦合金物件,其係藉由如請求項1之方法形成。
- 如請求項25之物件,其中該物件係選自由坯錠、棒、桿、管、片板、板及緊固件組成之群。
- 如請求項25之物件,其中該物件具有大於0.5英寸之直徑或厚度、大於165ksi之極限抗拉強度、大於155ksi之屈服強度、及大於12%之伸長率。
- 如請求項25之物件,其中該物件具有大於3.0英寸之直徑或厚度、大於165ksi之極限抗拉強度、大於155ksi之屈服強度、及大於12%之伸長率。
- 如請求項1之方法,其中該老化直接在該冷加工後施行。
- 一種自α+β鈦合金形成物件之方法,其包括:在周圍溫度至500℉範圍內之溫度下,冷加工該α+β鈦合金;及在該冷加工之後,在700℉至1200℉範圍內之溫度下,使該α+β鈦合金老化;其中該方法在該冷加工與該老化之間不包含熱處理;且該α+β鈦合金包含2.90至5.00重量%鋁、2.00至3.00重量%釩、0.40至2.00重量%鐵、0.10至0.30重量%氧、鈦、及偶然雜質。
- 如請求項30之方法,其中該老化直接在該冷加工後施行。
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