專利名稱：高強度α/β加工鈦的熱拉伸矯直的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開涉及用于矯直在a+p相場中時效的高強度鈦合金的方法?！?br> 技術(shù)背景描述鈦合金通常表現(xiàn)出高強度重量比，是耐腐蝕的并且在中等高溫下是抗蠕變的。出于這些原因，鈦合金被用于航天和航空應(yīng)用中，這些應(yīng)用包括例如起落架構(gòu)件、弓I擎框架以及其它關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件。鈦合金還被用于噴氣引擎部件如轉(zhuǎn)子、壓縮機葉片、液壓系統(tǒng)部件以及引擎機艙中。近年來,在航天工業(yè)中對P鈦合金的關(guān)注和應(yīng)用變得更多了。P鈦合金能夠被加エ成具有非常高的強度同時維持合理的韌性和延展性特性。另外，^鈦合金在升高的溫度下的低流動應(yīng)カ能使加工得到改進。然而，^鈦合金在a+0相場中可能是難以加工的，因為例如合金的0轉(zhuǎn)變溫度通常在1400° F至1600° F(760° C至871.1° C)的范圍中。另外，為達到產(chǎn)品所需要的機械特性,在a+P固溶處理和時效之后需要快速冷卻,如水或空氣淬火。例如,直的經(jīng)a+0固溶處理和時效的P鈦合金棒可能在淬火過程中彎曲和/或扭曲(在本文中，“經(jīng)固溶處理和時效”有時稱為“STA”)。另外，對于P鈦合金所必須使用的低時效溫度(例如890° F至950° F(477° C至510° C))嚴格限制能夠被用于后繼矯直的溫度。最終的矯直必須發(fā)生在低于時效溫度的溫度下以防止在矯直操作過程中機械特性發(fā)生顯著的變化。對于呈長形產(chǎn)品或棒形式的a+0鈦合金，例如像T1-6A1_4V合金來說，常規(guī)地采用昂貴的豎式溶解熱處理和時效エ藝來使變形最小化?，F(xiàn)有技術(shù)STA加工的ー個典型例子包括將長形部件如棒懸掛在ー個豎式熔爐中，在a+0相場中在ー個溫度下固溶處理棒，以及在相場中在ー個更低溫度下時效棒。在快速淬火(例如水淬火)之后，可能在低于時效溫度的溫度下可以矯直棒。懸掛在垂直方向上，棒桿中的應(yīng)カ在本質(zhì)上更加呈徑向并且導(dǎo)致較少的變形。經(jīng)STA加工的T1-6A1-4V合金(UNS R56400)棒從而能夠通過例如在燃氣爐中加熱至低于時效溫度的溫度來矯直，并且從而可以使用2面、7面或普通技術(shù)人員已知的其它矯直機來矯直。然而，垂直熱處理和水淬火操作成本很高，并且不是所有鈦合金制造商都具有這種能力。因為經(jīng)固溶處理和時效的P鈦合金的高的室溫強度，常規(guī)矯直方法(如垂直熱處理)對于矯直長形產(chǎn)品(如棒)不是很有效。例如，在800° F至900° F(427° C至482° C)下時效之后，STA亞穩(wěn)態(tài)P鈦T1-15Mo合金(UNS R58150)在室溫下能夠具有200ksi (1379MPa)的極限拉張強度。因此，傳統(tǒng)矯直方法對于STA Ti_15Mo合金來說不適合，因為不會影響機械特性的可供使用的矯直溫度足夠低，所以當施加矯直カ吋，由該合金組成的棒可能粉碎。因此，需要一種用于經(jīng)固溶處理和時效的金屬及金屬合金的不會顯著影響經(jīng)時效的金屬或金屬合金的強度的矯直エ藝。
簡述根據(jù)本公開的ー個方面，ー種用于矯直選自金屬和金屬合金中之一的時效硬化金屬形式的方法的一個非限制性實施方案包括將時效硬化金屬形式加熱至矯直溫度。在某些實施方案中，矯直溫度在以下矯直溫度范圍內(nèi)從時效硬化金屬形式的0. 3個開氏熔解溫度(0.3Tm)至低于被用于硬化時效硬化金屬形式的時效溫度至少25° F(13.9° C)。向時效硬化金屬形式施加伸長拉張應(yīng)カ達足以伸長并且矯直時效硬化金屬形式以提供矯直的時效硬化金屬形式的時間。在任何5英尺長度(152.4cm)或更短長度范圍內(nèi)，矯直的時效硬化金屬形式偏離直線不大于0. 125英寸(3. 175mm)。冷卻矯直的時效硬化金屬形式，同時向矯直的時效硬化金屬形式施加冷卻拉張應(yīng)力，其中該冷卻拉張應(yīng)力足以平衡合金中的熱冷卻應(yīng)カ并且維持在矯直的時效硬化金屬形式的任何5英尺長度(152. 4cm)或更短長度范圍內(nèi)離直線的偏差不大于0. 125英寸(3. 175mm)。一種用于矯直經(jīng)固溶處理和時效的鈦合金形式的方法包括將經(jīng)固溶處理和時效 的鈦合金形式加熱至矯直溫度。該矯直溫度包括經(jīng)固溶處理和時效的鈦合金形式的a+運相場中的矯直溫度。在某些實施方案中，矯直溫度范圍為低于經(jīng)固溶處理和時效的鈦合金形式的P轉(zhuǎn)變溫度1100° F(611. 1° C)至低于經(jīng)固溶處理和時效的鈦合金形式的時效硬化溫度25° F(13.9° C)。向經(jīng)固溶處理和時效的鈦合金形式施加伸長拉張應(yīng)カ達足以伸長并且矯直經(jīng)固溶處理和時效的鈦合金形式的時間，以便形成矯直的經(jīng)固溶處理和時效的鈦合金形式。在任何5英尺長度(152.4cm)或更短長度范圍內(nèi)，矯直的經(jīng)固溶處理和時效的鈦合金形式偏離直線不大于0. 125英寸(3. 175mm)。冷卻矯直的經(jīng)固溶處理和時效的鈦合金形式，同時向矯直的經(jīng)固溶處理和時效的鈦合金形式施加冷卻拉張應(yīng)力。該冷卻拉張應(yīng)力足以平衡矯直的經(jīng)固溶處理和時效的鈦合金形式中的熱冷卻應(yīng)カ并且維持在矯直的經(jīng)固溶處理和時效的鈦合金形式的任何5英尺長度(152. 4cm)或更短長度范圍內(nèi)離直線的偏差不大于0. 125英寸(3. 175mm)。附圖簡述通過參照附圖可以更好地理解本文描述的方法的特征和優(yōu)點，在所述附圖中

圖1是根據(jù)本公開的ー種用于鈦合金的熱拉伸矯直方法的一個非限制性實施方案的流程圖；圖2是測量金屬棒材料離直線的偏差的示意性圖示；圖3是根據(jù)本公開的ー種用于金屬產(chǎn)品形式的熱拉伸矯直方法的一個非限制性實施方案的流程圖；圖4是經(jīng)固溶處理和時效的T1-10V-2Fe_3Al合金棒的照片；圖5是矯直實施例7的非限制性例子的序列號#1的棒的溫度比時間圖表；圖6是矯直實施例7的非限制性例子的序列號#2的棒的溫度比時間圖表；圖7是根據(jù)本公開的ー個非限制性實施方案個熱拉伸矯直之后的經(jīng)固溶處理和時效的T1-10V-2Fe-3Al合金棒的照片；圖8包括非限制性例子7的熱拉伸矯直的棒的微型結(jié)構(gòu)的顯微圖像；并且圖9包括實施例9的未矯直的經(jīng)固溶處理和時效的對照棒的顯微圖像。鑒于以下根據(jù)本公開的方法的某些非限制性實施方案的詳細描述，讀者將理解前述細節(jié)及其它。
某些非限制性實施方案的詳述在非限制性實施方案的本說明中，除了在操作例子中或在其它地方指出之外，所有表達數(shù)量或特征的數(shù)字在所有情況下應(yīng)當被理解為由術(shù)語“約”修飾。因此，除非相反地指示，以下說明中提出的任何數(shù)值參數(shù)是近似值，這些近似值可以根據(jù)在根據(jù)本公開的方法中尋求獲得的所需要的特性發(fā)生改變。至少并且不作為限制與權(quán)利要求的范圍等價的教義的應(yīng)用的嘗試，每個數(shù)值參數(shù)應(yīng)當至少被解釋為依據(jù)所報告的有效位數(shù)并且通過應(yīng)用普通的舍入技術(shù)的數(shù)字。據(jù)稱要并入本文的任何專利、出版物或其它公開材料只在某種程度以引用的方式總體或部分地并入本文，所并入的材料不會與在本公開中提出的現(xiàn)有定義、聲明或其它公開材料相沖突。同樣地并且在某種必要的程度上，如本文提出的公開取代以引用的方式并入本文的任何沖突材料。據(jù)稱要以引用的方式并入本文但是不與本文提出的現(xiàn)有定義、聲明或其它公開材料相沖突的任何材料或其部分只在某種程度上并入在那并入的材料與所述現(xiàn)有公開材料之間不會發(fā)生沖突。 現(xiàn)在參照圖1的流程圖，根據(jù)本公開的ー種用于矯直經(jīng)固溶處理和時效的鈦合金形式的熱拉伸矯直方法10的非限制性實施方案包括將經(jīng)固溶處理和時效的鈦合金形式加熱至矯直溫度12。在一個非限制性實施方案中，矯直溫度是在a+0相場內(nèi)的溫度。在另一個非限制性實施方案中，矯直溫度在以下矯直溫度范圍內(nèi)從低于鈦合金的P轉(zhuǎn)變溫度約1100° F(611. 1° C)至低于經(jīng)固溶處理和時效的合金形式的時效硬化溫度約25°。如本文所使用，“經(jīng)固溶處理和時效” (STA)是指ー種用于鈦合金的熱處理工藝，該熱處理工藝包括在兩相域(即鈦合金的a+0相場)中以固溶處理溫度來固溶處理鈦合金。在一個非限制性實施方案中，固溶處理溫度在以下范圍內(nèi)從低于鈦合金的P轉(zhuǎn)變溫度約50° F(27.8° C)至低于鈦合金的P轉(zhuǎn)變溫度約200° F(lll. 1° C)。在另ー個非限制性實施方案中，固溶處理時間的范圍為從30分鐘至2小吋。應(yīng)當認識到，在某些非限制性實施方案中，固溶處理時間可以是短于30分鐘或長于2小時并且大體上取決于鈦合金形式的大小和橫截面。這個兩相域固溶處理溶解了大量的存在于鈦合金中的a相,但剩下在某種程度上壓制晶粒生長的ー些a相殘留。在完成固溶處理時，對鈦合金進行水淬火，這樣使得相當一部分的合金元素被保留在P相中。然后，在兩相場中在時效溫度(在本文中也稱為時效硬化溫度)下對經(jīng)固溶處理的鈦合金進行時效達足以沉淀細粒度a相的時效時間，其中時效溫度的范圍為從低于固溶處理溫度400° F(222. 2° C)至低于固溶處理溫度900° F(500° C)。在一個非限制性實施方案中，時效時間可以為從30分鐘至8小吋。應(yīng)當認識到，在某些非限制性實施方案中，時效時間可以是短于30分鐘或長于8小時并且大體上取決于鈦合金形式的大小和橫截面。STA加工產(chǎn)生表現(xiàn)出高屈服強度和高極限拉張強度的鈦合金。本領(lǐng)域普通技術(shù)實踐者已知用于STA加工合金中的一般技木，并且因此在本文中未進行進一步詳盡闡述。再次參照圖1，在加熱12之后，向STA鈦合金形式施加伸長拉張應(yīng)カ14達足以伸長并且矯直STA鈦合金形式并且提供矯直的STA鈦合金形式的時間。在一個非限制性實施方案中，伸長拉張應(yīng)カ是STA鈦合金形式在矯直溫度下的屈服應(yīng)カ的至少約20%并且不等于或大于STA鈦合金形式在矯直溫度下的屈服應(yīng)力。在一個非限制性實施方案中，為維持伸長率，可以在矯直步驟過程中増加所施加的伸長拉張應(yīng)力。在一個非限制性實施方案中，在伸長過程中通過因子2來増加伸長拉張應(yīng)力。在一個非限制性實施方案中，STA形式包含鈦合金產(chǎn)品形式包含T1-10V-2Fe-3Al合金(UNS56410)，T1-10V-2Fe_3Al合金在900° F(482. 2° C)下具有約60ksi的屈服強度，并且在900° F下在開始矯直時所施加的伸長應(yīng)カ約為12. 7ksi并且在伸長步驟結(jié)束時約為25. 5ksi。在另ー個非限制性實施方案中，在施加伸長拉張應(yīng)カ14之后，在任何5英尺長度(152.4cm)或更短長度范圍內(nèi)，矯直的STA鈦合金形式偏離直線不大于0. 125英寸(3. 175mm)。應(yīng)當認識到，在本公開的非 限制性實施方案的范圍內(nèi)能在允許冷卻所述形式的同時施加伸長拉張應(yīng)力。然而，應(yīng)當理解，因為應(yīng)カ是溫度的ー個函數(shù)，隨著溫度下降，所需要的伸長應(yīng)カ將必須増加以便繼續(xù)伸長并且矯直所述形式。在一個非限制性實施方案中，當STA鈦合金形式被充分地矯直時，冷卻STA鈦合金形式16，同時向矯直的經(jīng)固溶處理和時效的鈦合金形式施加冷卻拉張應(yīng)力18。在一個非限制性實施方案中，冷卻拉張應(yīng)力足以平衡矯直的STA鈦合金形式中的熱冷卻應(yīng)力，這樣使得STA鈦合金形式在冷卻過程中不會彎曲、變彎或以其它方式變形。在一個非限制性實施方案中，冷卻應(yīng)カ等于伸長應(yīng)力。應(yīng)當認識到，因為產(chǎn)品形式的溫度在冷卻過程中下降，施加等于伸長拉張應(yīng)力的冷卻拉張應(yīng)力將不會進ー步引起產(chǎn)品形式伸長，但可用于防止產(chǎn)品形式中的冷卻應(yīng)カ使產(chǎn)品形式彎曲并且維持在伸長步驟中建立的離直線的偏差。在一個非限制性實施方案中，冷卻拉張應(yīng)力足以維持在矯直的STA鈦合金形式的任何5英尺長度(152. 4cm)或較短長度范圍內(nèi)離直線的偏差不大于0. 125英寸(3. 175mm)。在一個非限制性實施方案中，伸長拉張應(yīng)カ和冷卻拉張應(yīng)力足以實現(xiàn)STA鈦合金形式的蠕變成形。蠕變成形發(fā)生在通常的弾性范圍內(nèi)。雖然不想受任何特定的理論的束縛，但應(yīng)當認為在矯直溫度下在通常的弾性范圍內(nèi)的所施加的應(yīng)カ允許致使矯直產(chǎn)品形式的晶界滑動和動態(tài)錯位回復(fù)。在冷卻和通過在產(chǎn)品形式上維持冷卻拉張應(yīng)力來補償熱冷卻應(yīng)カ之后，被移動的錯位和晶界使STA鈦合金產(chǎn)品形式具有新的彈性狀態(tài)。參照圖2，在一種用于確定產(chǎn)品形式例如像棒22離直線的偏差的方法20中，棒22排列在直尺24旁邊。在棒22上的彎曲的或扭曲的位置用一種用于測量長度的裝置如卷尺來測量棒的曲率作為棒彎離直尺24的距離。沿棒28的規(guī)定的長度來測量每個扭曲或彎曲離直尺的距離以確定離直線的最大偏差(圖2中的26)，即在棒22的規(guī)定的長度內(nèi)棒22離直尺24的最大距離。同樣的技術(shù)可以用于量化其它產(chǎn)品形式離直線的偏差。在另ー個非限制性實施方案中，在根據(jù)本公開施加伸長拉張應(yīng)カ之后，在矯直的STA鈦合金形式的任何5英尺長度(152. 4cm)或較短長度范圍內(nèi)，矯直的STA鈦合金形式偏離直線不大于0. 094英寸(2. 388mm)。在又另ー個非限制性實施方案中，在根據(jù)本公開冷卻同時施加冷卻拉張應(yīng)力之后，在矯直的STA鈦合金形式的任何5英尺長度(152.4cm)或較短長度范圍內(nèi)，矯直的STA鈦合金形式偏離直線不大于0. 094英寸(2. 388mm)。在又另ー個非限制性實施方案中，在根據(jù)本公開施加伸長拉張應(yīng)カ之后，在矯直的STA鈦合金形式的任何10英尺長度(304. 80cm)或較短長度范圍內(nèi)，矯直的STA鈦合金形式偏離直線不大于
0.25英寸(6. 35_)。在又另ー個非限制性實施方案中，在根據(jù)本公開冷卻同時施加冷卻拉張應(yīng)カ之后，在矯直的STA鈦合金形式的任何10英尺長度(304.8cm)或較短長度范圍內(nèi)，矯直的STA鈦合金形式偏離直線不大于0. 25英寸(6. 35mm)。
為均勻地施加伸長和冷卻拉張應(yīng)力，在根據(jù)本公開的ー個非限制性實施方案中，STA鈦合金形式必須能夠被橫穿STA鈦合金形式的整個橫截面牢固地夾緊。在一個非限制性實施方案中，STA鈦合金形式的形狀可以是任何軋制產(chǎn)品的形狀，對于該軋制產(chǎn)品能夠制造足夠的把手以便根據(jù)本公開的方法施加拉張應(yīng)力。如本文使用的“軋制產(chǎn)品”是隨后用作制造的或進ー步制造成半成品或制成品的軋制的任何金屬的(即金屬或金屬合金)產(chǎn)品。在一個非限制性實施方案中，STA鈦合金形式包含以下ー種鋼坯、鋼錠、圓鋼、方鋼、擠壓件、管件、管材、板坯、片材以及板材。用于根據(jù)本公開施加伸長和冷卻拉張應(yīng)力的把手和機械可從例如美國北卡羅來納州門羅的Cyril Bath Co.獲得。本公開的ー個令人驚訝的方面是熱拉伸矯直STA鈦合金形式而不會顯著降低STA鈦合金形式的拉張強度的能力。例如，在一個非限制性實施方案中，根據(jù)本公開的非限制性方法的熱拉伸矯直的STA鈦合金形式的平均屈服強度和平均極限拉張強度比熱拉伸矯直之前的值降低了不超過5%。在特性上所觀察到的由熱拉伸矯直產(chǎn)生的最大變化是在伸長率百分比上。例如，在根據(jù)本公開的ー個非限制性實施方案中，鈦合金形式的伸長率百分比的平均值在熱拉伸矯直之后表現(xiàn)出約2. 5%的絕對下降。不g在受任何操作理論的束縛，應(yīng)當認為伸長率百分比可以因STA鈦合金形式在根據(jù)本公開的熱拉伸矯直的非限制性實施方 案過程中發(fā)生伸長而發(fā)生下降。例如，在一個非限制性實施方案中，在本公開的熱拉伸矯直之后，矯直的STA鈦合金形式比STA鈦合金形式在熱拉伸矯直之前的長度可以伸長約1. 0%至約1. 6%。根據(jù)本公開將STA鈦合金形式加熱至矯直溫度可以采用能夠維持棒的矯直溫度的任何單ー或組合形式的加熱，例如但不限于在箱式爐中加熱所述形式、輻射加熱所述形式以及感應(yīng)加熱所述形式。必須監(jiān)控所述形式的溫度以確保所述形式的溫度保持在低于用于STAエ藝過程中的時效溫度至少25° F(13.9° C)。在一個非限制性實施方案中，使用熱電偶或紅外線傳感器來監(jiān)控所述形式的溫度。然而，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的加熱和監(jiān)控溫度的其它裝置在本公開的范圍之內(nèi)。在一個非限制性實施方案中，STA鈦合金形式的矯直溫度應(yīng)當是始終相對均勻的并且隨位置的變化其變化應(yīng)當不超過100° F(55. 6° C)。在STA鈦合金形式的任何位置的溫度優(yōu)選地不會增加到超過STA時效溫度，因為包括但不限于屈服強度和極限拉張強度的機械特性可能會受到不利的影響。將STA鈦合金形式加熱至矯直溫度的速率不是關(guān)鍵性的，要注意較快加熱速率可能導(dǎo)致超出矯直溫度范圍并且導(dǎo)致機械特性的損失。通過采取不會超出目標矯直溫度或不會超出低于STA時效溫度至少25° F(13.9° C)的溫度的預(yù)防措施，更快的加熱速率能夠?qū)е虏考g的更短的矯直周期時間和提高的生產(chǎn)力。在一個非限制性實施方案中，加熱至矯直溫度包括以從 500° F/min(277.8° C/min)至 1000° F/min(555.6° C/min)的加熱速率來加熱。STA鈦合金形式的任何局部區(qū)域優(yōu)選地應(yīng)當不會達到等于或大于STA時效溫度的溫度。在一個非限制性實施方案中，所述形式的溫度應(yīng)當一直為低于STA時效溫度至少25° F(13.9° C)。在一個非限制性實施方案中，STA時效溫度(在本文中不同地也稱為時效硬化溫度、在a+0相場中的時效硬化溫度以及時效溫度)可以在以下范圍內(nèi)低于鈦合金的P轉(zhuǎn)變溫度500° F(277.8° C)至低于鈦合金的P轉(zhuǎn)變溫度900° F(500° C)。在其它非限制性實施方案中，矯直溫度在以下矯直溫度范圍內(nèi)低于STA鈦合金形式的時效硬化溫度50° F(27.8° C)至低于STA鈦合金形式的時效硬化溫度200° F(lll.l° C);或在以下矯直溫度范圍內(nèi)低于時效硬化溫度25° F(13.9° C)至低于時效硬化溫度300° F(166. 7° C)。根據(jù)本公開的ー種方法的一個非限制性實施方案包括將矯直的STA鈦合金形式冷卻至最終溫度，在最終溫度點下可以去除冷卻拉張應(yīng)力而不會改變矯直的STA鈦合金形式離直線的偏差。在一個非限制性實施方案中，冷卻包括冷卻至不大于250° F(121. 1° C)的最終溫度。冷卻至高于室溫的溫度同時能夠減少冷卻拉張應(yīng)カ而STA鈦合金形式的直度不會發(fā)生偏差的能力允許部件之間的更短的矯直周期時間和提高的生產(chǎn)力。在另ー個非限制性實施方案中，冷卻包括冷卻至在本文中定義為約64° F(18° C)至約77° F(25° C)的室溫。如將要看到的，本公開的ー個方面是本文所公開的熱拉伸矯直的某些非限制性 實施方案能夠被用在任何金屬形式上，金屬形式大致上包括許多(如果不是全部的話)金屬和金屬合金，包括但不限于常規(guī)上被認為是難以矯直的金屬和金屬合金。令人驚訝地，本文所公開的熱拉伸矯直方法的非限制性實施方案對于常規(guī)上被認為難以矯直的鈦合金是有效的。在本公開的范圍內(nèi)的一個非限制性實施方案中，鈦合金形式包含近a鈦合金。在一個非限制性實施方案中，鈦合金形式包含選自T1-8Al-lMo-lV合金(UNS54810)和T1-6Al-2Sn-4Zr-2Mo 合金(UNS R54620)中的至少ー種。在本公開的范圍內(nèi)的一個非限制性實施方案中，鈦合金形式包含a+0鈦合金。在另ー個非限制性實施方案中，鈦合金形式包含以下至少ー種T1-6Al_4V合金(UNSR56400)、T1-6A1-4V ELI 合金(UNS R56401)、T1-6Al-2Sn-4Zr_6Mo 合金(UNS R56260)、T1-5A1-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr 合金(UNS R58650)以及 T1-6Al-6V_2Sn 合金(UNS R56620)。在又另ー個非限制性實施方案中，鈦合金形式包含P鈦合金。如本文使用的“ 3鈦合金”包括但不限于近3鈦合金和亞穩(wěn)態(tài)3鈦合金。在一個非限制性實施方案中，鈦合金形式包含以下ー種T1-10V-2Fe-3Al 合金(UNS56410)、T1-5Al-5V-5Mo_3Cr 合金(UNS未指定)、T1-5Al-2Sn-4Mo-2Zr-4Cr 合金(UNS R58650)以及 Ti_15Mo 合金(UNS R58150)。在ー個具體的非限制性實施方案中，鈦合金形式是T1-10V-2Fe-3Al合金(UNS56410)形式。應(yīng)當注意，對于某些P鈦合金，例如T1-10V-2Fe_3Al合金，在同樣維持合金所需要的機械特性的同時，無法使用常規(guī)矯直エ藝將這些合金的STA形式矯直至本文所公開的容差。對于P鈦合金來說，P轉(zhuǎn)變溫度固有地低于エ業(yè)純鈦。因此，STA時效溫度也必須更低。另外，例如但不限于T1-10V-2Fe-3Al合金的STAP鈦合金能夠表現(xiàn)出高于200ksi(1379MPa)的極限拉張強度。當在低于STA時效溫度不超過25° F(13.9° C)的溫度下嘗試使用常規(guī)拉伸方法(如使用雙面矯直機)來矯直具有如此高強度的STAP鈦合金棒時，棒表現(xiàn)出要粉碎的強烈趨勢。令人驚訝地，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)使用根據(jù)本公開的非限制性熱拉伸矯直方法實施方案能夠?qū)⑦@些高強度STAP鈦合金矯直至本文所公開的容差而沒有斷裂，并且屈服和極限拉張強度的平均損失只有約5%。當在上文的論述主要關(guān)注矯直的鈦合金形式和矯直STA鈦合金形式的方法時，本文所公開的熱拉伸矯直的非限制性實施方案可以實際上成功地用于任何時效硬化金屬產(chǎn)品形式，即包括任何金屬或金屬合金的金屬產(chǎn)品。
參照圖3，在根據(jù)本公開的非限制性實施方案中，一種用于矯直經(jīng)固溶處理和時效硬化的金屬形式(包括金屬和金屬合金之一)的方法30包括將經(jīng)固溶處理和時效硬化的金屬形式加熱32至以下矯直溫度范圍內(nèi)的矯直溫度從時效硬化金屬形式的0. 3個開氏熔化溫度(0.3TJ至低于用于硬化時效硬化金屬形式的時效溫度至少25° F(13.9° C)的溫度。·
根據(jù)本公開的ー個非限制性實施方案包括向經(jīng)固溶處理和時效硬化金屬形式施加伸長拉張應(yīng)カ34達足以伸長并且矯直時效硬化金屬形式以提供矯直的時效硬化金屬形式的時間。在一個非限制性實施方案中，伸長拉張應(yīng)カ是時效硬化金屬形式在矯直溫度下的屈服應(yīng)カ的至少約20%并且不等于或大于STA鈦合金形式在矯直溫度下的屈服應(yīng)カ。在一個非限制性實施方案中，為維持伸長率，可以在矯直步驟過程中増加所施加的伸長拉張應(yīng)力。在一個非限制性實施方案中，在伸長過程中通過因子2來増加伸長拉張應(yīng)力。在一個非限制性實施方案中，在任何5英尺長度(152. 4cm)或更短長度范圍內(nèi)，矯直的時效硬化金屬形式偏離直線不大于0. 125英寸(3. 175mm)。在一個非限制性實施方案中,在矯直的時效硬化金屬形式的任何5英尺長度(152. 4cm)或更短長度范圍內(nèi)，矯直的時效硬化金屬形式偏離直線不大于0. 094英寸(2. 388mm)。在又另ー個非限制性實施方案中，在矯直的時效硬化金屬形式的任何10英尺(304. 8cm)長度范圍內(nèi)，矯直的時效硬化金屬形式偏離直線不大于 0. 25 英寸(6. 35mm)。根據(jù)本公開的ー個非限制性實施方案包括冷卻矯直的時效硬化金屬形式36，同時向矯直的時效硬化金屬形式施加冷卻拉張應(yīng)力38。在另ー個非限制性實施方案中，冷卻拉張應(yīng)力足以平衡矯直的時效硬化金屬形式中的熱冷卻應(yīng)力，這樣使得時效硬化金屬形式在冷卻過程中不會彎曲、變彎或以其它方式變形。在一個非限制性實施方案中，冷卻應(yīng)カ等于拉長應(yīng)力。應(yīng)當認識到，因為產(chǎn)品形式的溫度在冷卻過程中下降，施加等于伸長拉張應(yīng)力的冷卻拉張應(yīng)力將不會引起產(chǎn)品形式的進ー步伸長，但可用于防止產(chǎn)品形式中的冷卻應(yīng)カ使產(chǎn)品形式彎曲并且維持在伸長步驟中建立的離直線的偏差。在另ー個非限制性實施方案中，冷卻拉張應(yīng)力足以平衡合金中的熱冷卻應(yīng)力，這樣使得時效硬化金屬形式在冷卻過程中不會彎曲、變彎或以其它方式變形。在又一個非限制性實施方案中，冷卻拉張應(yīng)力足以平衡合金中的熱冷卻應(yīng)力，這樣使得時效硬化金屬形式維持在時效硬化金屬形式的任何5英尺長度(152.4cm)或更短長度范圍內(nèi)離直線的偏差不大于0. 125英寸(3. 175mm)。在又一個非限制性實施方案中，冷卻拉張應(yīng)力足以平衡合金中的熱冷卻應(yīng)力，這樣使得時效硬化金屬形式維持在任何5英尺長度(152.4cm)或更短長度范圍內(nèi)離直線的偏差不大于0. 094英寸(2. 388_)。在又一個非限制性實施方案中，冷卻拉張應(yīng)力足以平衡合金中的熱冷卻應(yīng)力，這樣使得時效硬化金屬形式維持在時效硬化金屬形式的任何10英尺(304. 8cm)長度范圍內(nèi)離直線的偏差不大于0. 25英寸(6. 35mm)。在根據(jù)本公開的各種非限制性實施方案中，經(jīng)固溶處理和時效硬化的金屬形式包含以下ー種鈦合金、鎳合金、鋁合金以及鐵基合金。同樣，在根據(jù)本公開的某些非限制性實施方案中，經(jīng)固溶處理和時效硬化的金屬形式選自以下鋼坯、鋼錠、圓鋼、方鋼、擠壓件、管件、管材、板坯、片材以及板材。在根據(jù)本公開的ー個非限制性實施方案中，矯直溫度在以下范圍內(nèi)從低于被用于硬化時效硬化金屬形式的時效硬化溫度200° F(lll. 1° C)直到低于被用于硬化時效硬化金屬形式的時效硬化溫度25° F(13.9° C)。以下實施例g在進ー步描述某些非限制性實施方案而不限制本發(fā)明的范圍。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當理解，以下實施例的變化在僅由權(quán)利要求書定義的本發(fā)明的范圍內(nèi)是可能的。實施例1在這個對比性實施例中，使用固溶處理、時效和常規(guī)矯直的幾種排列來制造并加エ幾個10英尺長的T1-10V-2Fe-3Al合金棒，以便嘗試找到矯直棒的強效エ藝。棒的直徑在從0.5英寸至3英寸(1. 27cm至7. 62cm)的范圍內(nèi)。棒在從1375° F(746. 1 ° C)至1475 ° F(801.7° C)的溫度下被固溶處理。然后，棒在從900 ° F(482. 2 ° C)至1000° F(537. 8° C)范圍內(nèi)的時效溫度下被時效。被評估的用于矯直的エ藝包括(a)在低于時效溫度下進行豎式固溶處理和2面矯直；(b)在2面矯直之前在1400° F(760° C)下進行豎式固溶熱處理、進行時效并且在低于時效溫度25° F(13.9° C)下進行2面矯直；(c)在豎式固溶處理和時效之前在1400° F(760° C)下進行矯直，并且在低于時效溫度 25。F(13. 9° F)下進行2面矯直；(d)在2面矯直之前在1400° F(760° C)下進行高溫固溶熱處理、進行豎式固溶處理和時效，并且在低于時效溫度25° F(13.9° C)下進行2面矯直；以及(e)在2面矯直之前在1100° F(593. 3° C)下進行軋制退火、進行豎式固溶熱處理，并且在低于時效溫度25° F(13.9° C)下進行2面矯直。在視覺上檢查經(jīng)加工的棒的直度并且將經(jīng)加工的棒分類為合格或不合格。觀察到標號(e)的エ藝是最成功的。然而，所有使用豎式STA熱處理嘗試的合格率不超過50%。實施例2針對這個實施例，使用兩根直徑1. 875英寸(47. 625mm)、10英尺(3. 048m)長的T1-10V-2Fe_3Al合金棒。棒是由旋轉(zhuǎn)鍛造軋制品在a+0相場中以一定溫度軋制的，旋轉(zhuǎn)鍛造軋制品由鐓鍛和単一的再結(jié)晶的鋼坯產(chǎn)生。在900° F(482.2° C)下執(zhí)行高溫拉張試驗以確定能夠用可供使用的裝備矯直的棒的最大直徑。高溫拉カ試驗表明直徑1.0英寸(2.54cm)的棒在裝備極限內(nèi)。棒被削成直徑1.0英寸(2.54cm)的棒。然后，棒在1460° F(793. 3。C)下被固溶處理達2小時并且被水淬火。棒在940° F(504. 4° C)下被時效達8小吋。帶有ー些扭曲和卷曲，棒的直度被測量為偏離直線近似2英寸(5.08cm)。STA棒表現(xiàn)出兩種不同類型的弓形。觀察到第一棒(序列號#I)在末端處是相對直的并且在中間處具有離直線約2.1英寸(5. 334cm)的平緩的弓形。第二棒(序列號#2)在接近中間處是相當直的，但是在接近末端處具有扭結(jié)。離直線的最大偏差是大約2.1英寸(5. 334cm)。在淬火條件下的棒的表面拋光表現(xiàn)為相當均勻的氧化表面。圖4是棒在固溶處理和時效之后的代表性照片。實施例3根據(jù)本公開的ー個非限制性實施方案熱拉伸矯直實施例2的經(jīng)固溶處理和時效的棒。溫度反饋經(jīng)由定位在部件的中間處的熱電偶用于控制棒溫度。然而，為解決熱電偶安裝的固有的困難，兩個另外的熱電偶被焊接在部件的末端處。第一棒經(jīng)歷了失敗的主控熱電偶，在加熱傾斜升溫過程中導(dǎo)致振動。第一棒連同另ー個控制異常致使部件超過為900° F(482.2° C)的所需要的溫度。所達到的高溫近似1025° F(551.7° C)達小于2分鐘。再次用另ー個熱電偶裝備第一棒，并且由于來自先前運行的軟件控制程序中的錯誤而發(fā)生類似的過沖。用所允許的最大功率加熱第一棒，這能夠在近似2分鐘內(nèi)將用于這個實施例的大小的棒從室溫加熱至1000° F(537. 8° C)。重置程序并且允許進行第一棒矯直程序。通過被放置在接近棒的一端的編號2的熱電偶(TC#2)記錄的最高溫度是944° F(506.7° C)。應(yīng)當認為當在低功率下吋，TC#2經(jīng)歷了輕微的熱結(jié)點失敗。在這個周期過程中，被放置在棒的中心的編號0的熱電偶(TC#0)記錄了 908° F(486.7° C)的最大溫度。在矯直過程中，被放置在接近根據(jù)TC#2的棒的另一端的編號I的熱電偶(TC#1)從棒上跌落并且停止讀取棒的溫度。圖5示出在序列號#1的棒上的這個最終加熱周期的溫度圖。第一棒(序列號#I)的周期時間是50分鐘。棒被冷卻至250° F(121. 1° C)同時維持棒上的在伸長步驟結(jié)束時施加的載重量。第一棒在3分鐘跨度內(nèi)被伸長0.5英寸(1. 27cm)。在那個階段過程中的載重量從最初的5噸(44. 5kN)增加至完成后的10噸(89. OkN)。因為棒的直徑為I英寸(2. 54cm)，這些載重量轉(zhuǎn)化成12. 7ksi (87. 6MPa)和25. 5ksi (175. 8MPa)的拉張應(yīng)力。部件在因溫度控制失敗而停止的先前的加熱周期中還經(jīng)歷了伸長。矯直之后的總測量伸長是1. 31英寸(3. 327cm)。 小心地清潔熱電偶安裝點附近的第二棒(序列號#2)，并且安裝熱電偶并且檢查其明顯的缺陷。第二棒被加熱至900° F(482.2° C)的目標設(shè)定值。TC#1記錄了 973° F(522.8° C)的溫度，而 TC#0 和 TC#2 分別記錄了 只有 909 ° F(487.2° C)和911° F(488.3° C)的溫度。如圖6所示，另外兩個熱電偶良好地追蹤TC#1直至大約700° F(371. 1° C)，在這一點上觀察到ー些偏差。再一次，安裝熱電偶可能被認為是偏差的來源。這個部分的總周期時間是45分鐘。第二棒(序列號#2)未如針對第一棒(序列號#I)所描述的一祥被熱拉伸。圖7的照片示出熱拉伸矯直的棒(序列號#I和序列號#2)。在任何5英尺(1. 524m)長度范圍內(nèi)，棒離直線的偏差為0.094英寸(2.387mm)。在熱拉伸矯直過程中，序列號#1的棒被加長了1. 313英寸(3. 335cm)，并且序列號#2的棒被加長了 2. 063英寸(5. 240cm)。實施例4棒序列號#1和序列號#2在根據(jù)實施例3的熱拉伸矯直之后的化學與實施例2的1.875英寸(47. 625mm)的棒的化學相比較。實施例3的棒由與矯直的棒序列號#1和序列號#2相同的熱度生成。表I呈現(xiàn)化學分析的結(jié)果。表I
權(quán)利要求
1.一種用于矯直選自金屬和金屬合金中之一的時效硬化金屬形式的方法，所述方法包括將時效硬化金屬形式加熱至矯直溫度，其中所述矯直溫度在以下矯直溫度范圍內(nèi)從所述時效硬化金屬形式的O. 3個開氏熔化溫度(O. 3TJ至低于被用于硬化所述時效硬化金屬形式的時效溫度25。F(13. 9°C )；向所述時效硬化金屬形式施加伸長拉張應(yīng)力達足以伸長并且矯直所述時效硬化金屬形式以提供矯直的時效硬化金屬形式的時間，其中在任何5英尺長度(152.4cm)或更短長度范圍內(nèi)，所述矯直的時效硬化金屬形式偏離直線不大于O. 125英寸(3. 175mm);以及冷卻所述矯直的時效硬化金屬形式，同時向所述矯直的時效硬化金屬形式施加冷卻拉張應(yīng)力，其中所述冷卻拉張應(yīng)力足以平衡所述合金中的熱冷卻應(yīng)力并且維持在所述矯直的時效硬化金屬形式的任何5英尺長度(152.4cm)或更短長度范圍內(nèi)離直線的偏差不大于O.125 英寸(3. 175mm)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述伸長應(yīng)力是所述時效硬化金屬形式在所述矯直溫度下的屈服應(yīng)力的至少20%，并且不等于或大于所述屈服應(yīng)力。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中在所述矯直的時效硬化金屬形式的任何5英尺長度 (152. 4cm)或更短長度范圍內(nèi)，所述矯直的時效硬化金屬形式偏離直線不大于O. 094英寸 (2. 388mm)。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中在所述矯直的時效硬化金屬形式的任何10英尺(304.8cm)長度范圍內(nèi)，所述矯直的時效硬化金屬形式偏離直線不大于O. 25英寸 (6. 35mm)。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述時效硬化金屬形式包含選自由以下組成的組的材料鈦合金、鎳合金、招合金以及鐵基合金。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述時效硬化金屬形式是選自由以下組成的組的形式鋼坯、鋼錠、圓鋼、方鋼、擠壓件、管件、管材、板坯、片材以及板材。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述矯直溫度在以下范圍內(nèi)從低于被用于硬化所述時效硬化金屬形式的所述時效硬化溫度200° Fdll. rc)至低于被用于硬化所述時效硬化金屬形式的所述時效硬化溫度25。F(13. 9°C )。
8.一種用于矯直經(jīng)固溶處理和時效的鈦合金形式的方法，所述方法包括將經(jīng)固溶處理和時效的鈦合金形式加熱至矯直溫度，其中所述矯直溫度包括在以下矯直溫度范圍內(nèi)的在α+β相場中的矯直溫度低于所述經(jīng)固溶處理和時效的鈦合金形式的β轉(zhuǎn)變溫度1100° F(611. rc )至低于所述經(jīng)固溶處理和時效的鈦合金形式的時效硬化溫度25。F(13. 9°C );向所述經(jīng)固溶處理和時效的鈦合金形式施加伸長拉張應(yīng)力達足以伸長并且矯直所述經(jīng)固溶處理和時效的鈦合金形式以提供矯直的經(jīng)固溶處理和時效的鈦合金形式的時間，其中在任何5英尺長度(152.4cm)或更短長度范圍內(nèi)，所述矯直的經(jīng)固溶處理和時效的鈦合金形式偏離直線不大于O. 125英寸(3. 175mm);以及冷卻所述矯直的經(jīng)固溶處理和時效的鈦合金形式，同時向所述矯直的經(jīng)固溶處理和時效的鈦合金形式施加冷卻拉張應(yīng)力；其中所述冷卻拉張應(yīng)力足以平衡所述矯直的經(jīng)固溶處理和時效的鈦合金形式中的熱冷卻應(yīng)力并且維持在所述矯直的經(jīng)固溶處理和時效的鈦合金形式的任何5英尺長度 (152. 4cm)或更短長度范圍內(nèi)離直線的偏差不大于O. 125英寸(3. 175mm)。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中在施加伸長拉張應(yīng)力并且冷卻之后，在所述矯直的經(jīng)固溶處理和時效的鈦合金形式的任何5英尺長度(152.4cm)或更短長度范圍內(nèi)，所述矯直的經(jīng)固溶處理和時效的鈦合金形式偏離直線不大于O. 094英寸(2. 388mm)。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其中在所述矯直的經(jīng)固溶處理和時效的鈦合金形式的任何10英尺(304. 8cm)長度范圍內(nèi)，所述矯直的經(jīng)固溶處理和時效的鈦合金形式偏離直線不大于O. 25英寸(6. 35mm)。
11.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述矯直的經(jīng)固溶處理和時效的鈦合金形式是選自由以下組成的組的形式鋼坯、鋼錠、圓鋼、方鋼、擠壓件、管件、管材、板坯、片材以及板材。
12.如權(quán)利要求8所述的方法，其中加熱包括以從500°F/min(277. 8°C/min)至 1000° F/min(555.6°C/min)的加熱速率來加熱。
13.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述被用于硬化所述經(jīng)固溶處理和時效的鈦合金形式的時效硬化溫度在以下范圍內(nèi)低于所述鈦合金的β轉(zhuǎn)變溫度500° F(277.8°C)至低于所述鈦合金的所述β轉(zhuǎn)變溫度900° F(5000C )。
14.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述矯直溫度在以下矯直溫度范圍內(nèi)低于所述經(jīng)固溶處理和時效的鈦合金形式的所述時效硬化溫度200° Fdll. rc )至低于所述經(jīng)固溶處理和時效的鈦合金形式的所述時效硬化溫度25。F(13. 9V )。
15.如權(quán)利要求8所述的方法，其中冷卻包括冷卻至最終溫度，在所述最終溫度下能夠去除所述冷卻拉張應(yīng)力而不會改變所述矯直的經(jīng)固溶處理和時效的鈦合金形式離直線的所述偏差。
16.如權(quán)利要求8所述的方法，其中冷卻包括冷卻至不大于250°F(121. TC )的最終溫度。
17.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述鈦合金形式包含近α鈦合金。
18.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述鈦合金形式包含選自由以下組成的組的合金 T1-8Al-lMo-lV 合金(UNS R54810)和 T1-6Al-2Sn-4Zr_2Mo 合金(UNS R54620)。
19.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述鈦合金形式包含α+β鈦合金。
20.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述鈦合金形式包含選自由以下組成的組的合金 T1-6A1-4V 合金(UNS R56400)、Ti_6Al_4V ELI 合金(UNSR56401)、T1-6Al-2Sn-4Zr_6Mo 合金(UNS R56260)、T1-5A1-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr 合金(UNS R58650)以及 T1-6Al-6V_2Sn 合金 (UNS R56620)。
21.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述鈦合金形式包含β鈦合金。
22.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述鈦合金形式包含選自由以下組成的組的合金T1-10V-2Fe-3Al 合金(UNS56410)、T1-5Al-5V-5Mo_3Cr 合金(UNS 未指定)、 T1-5Al-2Sn-4Mo-2Zr-4Cr 合金(UNS R58650)以及 Ti_15Mo 合金(UNS R58150)。
23.如權(quán)利要求8所述的方法，其中矯直之后的所述經(jīng)固溶處理和時效的鈦合金形式的 屈服強度和極限拉張強度在所述經(jīng)固溶處理和時效的鈦合金形式矯直之前的屈服強度和極限拉張強度的5%以內(nèi)。
全文摘要
一種用于矯直經(jīng)固溶處理和時效(STA)的鈦合金形式的方法包括將STA鈦合金形式加熱至矯直溫度，所述矯直溫度比時效硬化溫度低至少25°F，并且施加伸長拉張應(yīng)力達足以伸長并且矯直所述形式的時間。所述伸長拉張應(yīng)力是在所述矯直溫度下的屈服應(yīng)力的至少20%，并且不等于或大于所述屈服應(yīng)力。在任何5英尺長度或更短長度范圍內(nèi)，矯直的形式偏離直線不大于0.125英寸。冷卻所述矯直的形式，同時施加平衡所述鈦合金形式中的熱冷卻應(yīng)力的冷卻拉張應(yīng)力，從而維持在任何5英尺長度或更短長度范圍內(nèi)離直線的偏差不大于0.125英寸。
文檔編號B21D3/00GK103025907SQ201180035819
公開日2013年4月3日 申請日期2011年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月28日
發(fā)明者D.J.布萊恩 申請人:Ati資產(chǎn)公司