專利名稱：高強度鈦合金的制造技術
技術領域：
本公開涉及用于制造高強度和高韌度鈦合金的方法。根據(jù)本公開的方法不需要用在某些現(xiàn)有鈦合金制造方法中的多步熱處理。
背景技術：
鈦合金通常呈現(xiàn)高強度重量比，耐腐蝕并且在適度高溫下抗蠕變。由于這些原因，鈦合金被用在航空和航天應用中，例如包括諸如起落架構件和發(fā)動機機架的關鍵結構部件。鈦合金還被用在諸如轉子、壓縮機葉片的部件、液壓系統(tǒng)部件和發(fā)動機艙的噴氣式發(fā)動機中。
純鈦在大約882°C處經(jīng)受同素異形相變。在所述溫度以下，鈦采用稱為a相的六方緊密堆積晶體結構。在這個溫度以上，鈦具有稱為P相的體心立方結構。在其下發(fā)生自a相至P相轉變的溫度被稱為P轉變溫度(Te)。所述P轉變溫度受間隙元素和置換元素影響，且因此，取決于雜質(zhì)，且更重要的是，取決于合金元素。在鈦合金中，合金元素大體上分類為a穩(wěn)定化元素或者3穩(wěn)定化元素。穩(wěn)定化元素(“a穩(wěn)定劑”)加入至鈦會增加P轉變溫度。例如，鋁為鈦的置換元素并且為a穩(wěn)定劑。例如，為a穩(wěn)定劑的鈦間隙合金元素包括氧、氮和碳。^穩(wěn)定化元素加入至鈦會降低P轉變溫度。根據(jù)所得相圖，P穩(wěn)定化元素可為^同形元素或者P共析元素。鈦的P同形合金元素的實例為釩、鑰和鈮。通過將足夠濃度的這些P同形合金元素合金化，有可能將P轉變溫度降低為室溫或者室溫以下。P共析合金元素的實例為鉻和鐵。另外，例如，諸如硅、鋯和鉿的其它元素為中性，在某種意義上，這些元素對鈦和鈦合金的3轉變溫度幾乎沒有影響。圖IA描繪示出將a穩(wěn)定劑加入至鈦的效果的示意相圖。通過P轉變溫度線10的正斜率可以看出，隨著a穩(wěn)定劑濃度增加，P轉變溫度也增加。P相場12位于@轉變溫度線10之上，并且為鈦合金中僅存在P相的相圖區(qū)域。圖IA中，相場14位于^轉變溫度線10之下，并且代表在鈦合金中存在a相和P相兩者(a+P)的相圖區(qū)域。a相場16在a相場14以下，其中鈦合金中僅存在a相。圖IB描繪示出將同形0穩(wěn)定劑加入至鈦的效果的示意相圖。如P轉變溫度線10的負斜率所示，較高濃度P穩(wěn)定劑降低P轉變溫度。P相場12在P轉變溫度線10之上。在圖IB中具有同形P穩(wěn)定劑的鈦的示意相圖中也存在a-0相場14和相場16。圖IC描繪示出將共析P穩(wěn)定劑加入至鈦的效果的示意相圖。所述相圖呈現(xiàn)3相場12、P轉變溫度線10、a相場14和a相場16。此外，圖IC相圖中有另外兩個雙相場，所述雙相場含有伴隨鈦和共析3穩(wěn)定化合金添加劑(Z)的反應產(chǎn)物的a相或者@相。鈦合金大體上根據(jù)其化學成分及其在室溫下的顯微結構來分類。僅含諸如鋁的a穩(wěn)定劑的市售純(CP)鈦和鈦合金被視為a合金。這些主要為基本上由a相組成的單相合金。然而，在3轉變溫度以下退火之后，CP鈦和其它a合金大體上含有大約2-5體積百分比P相，所述P相通常通過a鈦合金中的鐵雜質(zhì)來穩(wěn)定。小體積P相在合金中對于控制再結晶a相晶粒大小是有用的。近a鈦合金具有小量P相，通常小于10體積百分比，與a合金相比，這導致室溫抗拉強度增加以及在400°C以上使用溫度下抗蠕變性增加。示例性近a鈦合金可含有大約I重量百分比的鑰。諸如Ti-6Al-4V(Ti 6-4)合金和 Ti-6Al-2Sn-4Zr_2Mo (Ti 6-2_4_2)合金的 a /^ (a+3)鈦合金含有a相和P相兩者，并且被廣泛用在航空和航天產(chǎn)業(yè)中。a/P合金的顯微結構和性能可通過熱處理和熱力學處理來改變。共同分類為“ 0合金”的穩(wěn)定P鈦合金、亞穩(wěn)P鈦合金和近P鈦合金含有比a /^合金大體上更多的P穩(wěn)定化元素。例如，諸如Ti-10V-2Fe-3Al合金的近P鈦合金含有足以在水淬時而非在空淬時維持全P相結構的大量P穩(wěn)定化元素。例如，諸如Ti-15Mo合金的亞穩(wěn)P鈦合金包含較高級別的P穩(wěn)定劑，并且在空氣冷卻之后保留全P相結構， 但是可經(jīng)過老化以析出a相用于強化。例如，諸如Ti_30Mo合金的穩(wěn)定P鈦合金在冷卻之后保留全P相顯微結構，但是不可經(jīng)過老化以析出a相。據(jù)悉，a/0合金在從0轉變溫度以上冷卻時對冷卻速度敏感。冷卻期間，a相在晶界處析出降低了這些合金的韌度。目前，高強度和高韌度鈦合金的制造需要使用高溫變形的組合，其后接著復雜的多步熱處理，所述多步熱處理包括謹慎控制的加熱速度和直接老化。例如，美國專利申請公開2004/250932A1公開了在P轉變溫度以上的第一溫度下將含有至少5%鑰的鈦合金形成為有用形狀，或者在3轉變溫度以上的第一溫度下對鈦合金進行熱處理，其后接著以不超過每分鐘5 T (2.8° C)的速度受控冷卻至P轉變溫度以下的第二溫度。鈦合金還可在第三溫度下進行熱處理。圖2中示出用于制造高韌度和高強度鈦合金的典型現(xiàn)有技術方法的溫度-時間示意值圖。所述方法大體上包括在3轉變溫度以下進行的高溫變形步驟；以及熱處理步驟，所述熱處理步驟包括在3轉變溫度以上進行加熱，其后接著受控冷卻。用于制造具有高強度和高韌度兩者的鈦合金的現(xiàn)有技術熱力學處理步驟是昂貴的，并且目前只有數(shù)量有限的制造商有能力進行這些步驟。因此，提供用于增加鈦合金強度和/或韌度的改良工藝將是 有利的。
發(fā)明概要根據(jù)本公開的一個方面，用于增加鈦合金強度和韌度的方法的非限制性實施方案包括在鈦合金的a相場中，在一個溫度下使鈦合金塑性變形為至少25%面積減少的等效塑性變形。在a相場中在一個溫度下使鈦合金塑性變形之后，鈦合金未被加熱至在鈦合金P轉變溫度或者鈦合金P轉變溫度以上的溫度。此外，根據(jù)本非限制性實施方案，在使鈦合金塑性變形之后，在小于或者等于P轉變溫度減去20° F的熱處理溫度下對鈦合金進行熱處理達足以制造具有斷裂韌度(Klc)的熱處理合金的熱處理時間，所述斷裂韌度(Klc)根據(jù)方程式KIc;彡173-(0. 9) YS與屈服強度(YS)有關。在另一非限制性實施方案中，在塑性變形之后，可在鈦合金的相場中在小于或者等于P轉變溫度減去20° F的一個溫度下，將鈦合金熱處理為至少25%面積減少的等效塑性變形達足以制造具有斷裂韌度(Klc)的熱處理合金的熱處理時間，所述斷裂韌度(Klc)根據(jù)方程式Kle彡217. 6-(0. 9)YS與屈服強度(YS)有關。根據(jù)本公開的另一方面，用于對鈦合金進行熱力學處理的非限制性方法包括在鈦合金P轉變溫度以上200 °F (lire )至鈦合金P轉變溫度以下400 0F (2220C )的加工溫度范圍內(nèi)加工鈦合金。在非限制性實施方案中，當加工步驟結束時，在鈦合金相場中可能出現(xiàn)至少25%面積減少的等效塑性變形，以及在鈦合金相場中至少25%面積減少的等效塑性變形之后，鈦合金未被加熱至P轉變溫度以上。根據(jù)一個非限制性實施方案，在加工鈦合金之后，可在介于15 00 °F (816° C)和900 °F (482° C)之間的熱處理溫度范圍內(nèi)對鈦合金進行熱處理達介于0. 5小時和24小時之間的熱處理時間?？稍诮橛?500 °F (816° C)和900 °F (482° C)之間的熱處理溫度范圍內(nèi)對鈦合金進行熱處理達足以制造具有斷裂韌度(Klc)的熱處理合金的熱處理時間，所述斷裂韌度(Klc)根據(jù)方程式Klc ^ 173-(0. 9) YS與熱處理合金屈服強度(YS)有關，或者在另一非限制性實施方案中，所述斷裂韌度(Klc)根據(jù)方程式Klc;彡217. 6-(0. 9) YS與熱處理合金屈服強度(YS)有關。根據(jù)本公開的又一方面，用于處理鈦合金的方法的非限制性實施方案包括在鈦合金的相場中加工鈦合金，以提供至少25%鈦合金面積減少的等效塑性變形。在所述方法的一個非限制性實施方案中，鈦合金能夠在室溫下保留P相。在非限制性實施方案中，在加工鈦合金之后，可在不大于P轉變溫度減去20° F的熱處理溫度下對鈦合金進行熱處理達足以提供鈦合金至少150ksi平均極限抗拉強度和至少70ksi - in172的Kle斷裂韌度的熱處理時間。在非限制性實施方案中，熱處理時間在0. 5小時至24小時范圍內(nèi)。本公開的又一方面涉及已經(jīng)根據(jù)本公開所涵蓋的方法進行處理的鈦合金。一個非限制性實施方案涉及已經(jīng)通過根據(jù)本公開的方法進行處理的Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr合金，所述方法包括以下步驟使鈦合金塑性變形；以及對鈦合金進行熱處理，且其中所述熱處理合金具有根據(jù)方程式Kle彡217. 6-(0. 9) YS與熱處理合金屈服強度(YS)有關的斷裂韌度(Kle)。如本技術中眾所周知，Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr合金-也稱為Ti-5553合金或者Ti5-5-5-3合金，包含標稱5重量百分比鋁、5重量百分比釩、5重量百分比鑰、3重量百分比鉻以及平衡鈦和附帶雜質(zhì)。在非限制性實施方案中，在鈦合金的相場中，在一個溫度下使鈦合金塑性變形為至少25%面積減少的等效塑性變形。在相場中在一個溫度下使鈦合金塑性變形之后，未將鈦合金加熱至鈦合金3轉變溫度或者鈦合金3轉變溫度以上的溫度。此外，在一個非限制性實施方案中，在小于或者等于P轉變溫度減去20° F(ll.r C)的熱處理溫度下對鈦合金進行熱處理達足以制造具有斷裂韌度(Klc)的熱處理合金的熱處理時間，所述斷裂韌度(Klc)根據(jù)方程式Kle彡217. 6-(0. 9) YS與熱處理合金屈服強度(YS)有關。根據(jù)本公開的又一方面涉及適合用于航天應用和航空應用中至少一個的物品，并且所述物品包含已經(jīng)通過包括以下步驟的方法進行處理的Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr合金使鈦合金塑性變形；以及以足以使得熱處理合金斷裂韌度(Klc)根據(jù)方程式Klc;彡217. 6-(0. 9)YS與熱處理合金屈服強度(YS)有關的方式對鈦合金進行熱處理。在非限制性實施方案中，可在鈦合金的相場中，在一個溫度下使鈦合金塑性變形為至少25%面積減少的等效塑性變形。在a相場中在一個溫度下使鈦合金塑性變形之后，未將鈦合金加熱至鈦合金@轉變溫度或者鈦合金P轉變溫度以上的溫度。在非限制性實施方案中，可在小于或者等于(即，不大于)P轉變溫度減去20° F (I I. 1° C)的熱處理溫度下對鈦合金進行熱處理達足以制造具有斷裂韌度(Klc)的熱處理合金的熱處理時間，所述斷裂韌度(Klc)根據(jù)方程式Klc;彡217. 6-(0. 9) YS與熱處理合金屈服強度(YS)有關。附圖簡述參考附圖可更好地理解本文所述方法的特征和優(yōu)點。圖IA是與a穩(wěn)定化元素合金化的鈦相圖實例；圖IB是與同形P穩(wěn)定化元素合金化的鈦相圖實例；圖IC是與共析0穩(wěn)定化元素合金化的鈦相圖實例；

圖2是用于制造高韌度、高強度鈦合金的現(xiàn)有技術熱力學處理方案的示意圖；圖3是根據(jù)本公開的方法的非限制性實施方案的時間-溫度圖，其包括大體上全a相塑性變形；圖4是根據(jù)本公開的方法的另一非限制性實施方案的時間-溫度圖，其包括“通過 轉變”塑性變形；圖5是根據(jù)現(xiàn)有技術工藝進行熱處理的不同鈦合金的斷裂韌度!^。-屈服強度曲線圖；圖6是根據(jù)本公開的方法的非限制性實施方案進行塑性變形和熱處理的鈦合金的斷裂韌度K1。-屈服強度曲線圖，并且將這些實施方案與根據(jù)現(xiàn)有技術工藝進行熱處理的合金進行比較；圖7A是在軋制并且在1250 °F (677°C )下進行熱處理達4小時之后Ti5-5_5_3合金在縱向方向上的顯微照片；以及圖7B是在軋制并且在1250 0F (677°C )下進行熱處理達4小時之后Ti5-5_5_3合金在橫向方向上的顯微照片。在考慮根據(jù)本公開的方法的某些非限制性實施方案的以下詳細描述之后，讀者將明白前述細節(jié)以及其它細節(jié)。
具體實施例方式在非限制性實施方案的描述中，除了在操作實例中或者另有指明，表示數(shù)量或者特性的所有數(shù)字應當理解為在所有情況下通過術語“大約”來修改。因此，除非指明為相反，以下描述中提出的任何數(shù)值參數(shù)為可根據(jù)旨在獲得用于制造根據(jù)本公開的高強度、高韌度鈦合金的方法的期望性能而改變的近似。至少并且并不試圖限制權力要求范圍的等同物的教義的應用，每個數(shù)值參數(shù)至少應當鑒于所記載的有效數(shù)字并且通過應用普通四舍五入技術來構建。被稱作以引用的方式整體或部分并入本文的任何專利、公布或其它公開材料僅僅是在所公開的材料不與現(xiàn)有定義沖突的程度下并入本文如此一來，且在必要程度下，如本文提出的本公開替代以引用的方式并入本文的任何沖突材料。被稱作以引用的方式并入本文，但是與本文所提出的現(xiàn)有定義、聲明或其它公開材料沖突的任何材料，或其部分僅僅是在不在所并入的材料和現(xiàn)有公開材料之間產(chǎn)生沖突的程度下并入。。根據(jù)本公開的某些非限制性實施方案涉及用于制造高韌度和高強度鈦合金的熱力學方法，并且所述方法不需要使用復雜的多步熱處理。令人驚訝并且目前與以前和鈦合金搭配使用的復雜熱力學工藝相反的是，本文中所公開的熱力學方法的某些非限制性實施方案僅包括高溫變形步驟，其后接著單步式熱處理，為鈦合金賦予某些航空和航天材料中所需抗拉強度、延展性和斷裂韌度的組合。據(jù)預測，本公開內(nèi)的熱力學處理的實施方案可在合理良好配備用于執(zhí)行鈦熱力學熱處理的任何設施處進行。所述實施方案與用于將高韌度和高強度賦予鈦合金的常用熱處理做法、通常需要用于嚴密控制合金冷卻速度的精密設備的做法作對比。參考圖3的示意溫度-時間值圖，根據(jù)本公開用于增加鈦合金強度和韌度的一個非限制性方法20包括在鈦合金的相場中，在一個溫度下使鈦合金塑性變形22為至少25%面積減少的等效塑性變形。(參見

圖1A-1C以及以上與鈦合金的相場有關的討論)。a-0相場中等效25%的塑性變形涉及相場中的最后塑性變形溫度24。術語“最后塑性變形溫度”在本文中定義為當鈦合金塑性變形結束時且在對鈦合金進行老化處理之前的鈦合金溫度。如圖3進一步所示，在塑性變形22之后，鈦合金在方法20期間未被加熱至鈦合金P轉變溫度(Te)以上。在某些非限制性實施方案中，并且如圖3所示，在最后塑性變形溫度24下塑性變形之后，在小于3轉變溫度的溫度下對鈦合金進行熱處理26達足以將高強度和高斷裂韌度賦予鈦合金的時間。在非限制性實施方案中，可在3轉變溫度以下至少20 T的溫度下進行熱處理26。在另一非限制性實施方案中，可在P轉 變溫度以下至少50 °F的溫度下進行熱處理26。在某些非限制性實施方案中，熱處理26的溫度可為最后塑性變形溫度24以下。在其它非限制性實施方案中，圖3中未示出，為了進一步增加鈦合金斷裂韌度，熱處理的溫度可為最后塑性變形溫度以上，但是小于P轉變溫度。應當理解，雖然圖3示出塑性變形22和熱處理26的恒定溫度，但是在根據(jù)本公開的方法的其它非限制性實施方案中，塑性變形22和/或熱處理26的溫度可變化。例如，在塑性變形期間出現(xiàn)的鈦合金工件溫度的自然下降在本文所公開的實施方案范圍內(nèi)。圖3的示意溫度-時間值圖示出本文中所公開對鈦合金進行熱處理以賦予其高強度和高韌度的方法的某些實施方案，與用于將高強度和高韌度賦予鈦合金的常用熱處理做法作對比。例如，常用熱處理做法通常需要多步熱處理以及用于嚴密控制合金冷卻速度的精密設備，且因此是昂貴的且無法在所有熱處理設施處實施。然而，由圖3所示的工藝實施方案不包括多步熱處理并且可使用常用熱處理設備來進行。一般而言，具體鈦合金成分確定使用根據(jù)本公開的方法來賦予期望力學性能的熱處理時間(S)和熱處理溫度⑴的組合。此外，可調(diào)整熱處理時間和溫度以獲得特定合金成分的強度和斷裂韌度的具體期望平衡。在本文中所公開的某些非限制性實施方案中，例如，通過調(diào)整用于通過根據(jù)本公開的方法對Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr(Ti 5-5-5-3)合金進行處理的熱處理時間和溫度，得以實現(xiàn)140ksi至180ksi極限抗拉強度結合60ksi in1/2KIC至IOOksi -in172的斷裂韌度。在考慮本公開之后，在無需不必要努力的情況下，所屬領域技術人員可確定將最佳強度和韌度性能賦予其預期應用的特定鈦合金的熱處理時間和溫度的特定組合。本文中使用術語“塑性變形”來指材料在所施加使所述材料超出其彈性限制而應變的應力或多個應力下的非彈性扭變。本文中使用術語“面積減少”來指塑性變形之前鈦合金形態(tài)的橫截面面積與塑性變形之后鈦合金形態(tài)的橫截面面積之間的差，其中在等效位置處剪裁橫截面。用于評估面積減少的鈦合金形態(tài)可為(但不限于)任何坯材、棒材、板材、桿材、卷材、片材、軋制形狀和擠壓形狀。用于通過將坯材軋制為2. 5英寸(inch)圓鈦合金棒材以使5英寸直徑圓鈦合金坯材塑性變形的面積減少計算實例如下。5英寸直徑圓坯材的橫截面面積為(pi)乘以半徑平方，或者大約為(3. 1415)X(2. 5英寸)2，或者19.625in2。2. 5英寸圓棒材的橫截面面積大約為(3. 1415) X (I. 25)2或者4. 91in2。起始坯材至軋制之后的棒材的橫截面面積比為4. 91/19. 625或者25%。面積減少為100%_25%，例如75%面積減少。本文中使用術語“等效塑性變形”來指材料在所施加使所述材料超出其彈性限制而應變的應力或多個應力下的非彈性扭變。等效塑性變 形可涉及將導致以單軸變形獲得的具體面積減少的應變，但是出現(xiàn)使得變形之后合金形態(tài)的尺寸大體上不同于變形之前合金形態(tài)的尺寸。例如，并且在無限制情況下，可使用多軸鍛造來使平鍛鈦合金坯材遭受大量的塑性變形，將變位引入至合金中，但大體上不改變坯材的最后尺寸。在等效塑性變形為至少25%的非限制性實施方案中，實際面積減少可達5%或者5%以下。在等效塑性變形為至少25%的非限制性實施方案中，實際面積減少可達1%或者1%以下。多軸鍛造是所屬領域技術人員已知的技術，因此，本文中不作進一步描述。在根據(jù)本公開的某些非限制性實施方案中，鈦合金可被塑性變形為大于25%面積減少至99%面積減少的等效塑性變形。在等效塑性變形為大于25%面積減少的某些非限制性實施方案中，在塑性變形結束時a相場中出現(xiàn)至少25%面積減少的等效塑性變形，且在塑性變形之后，鈦合金未被加熱至鈦合金3轉變溫度(Te)以上。在根據(jù)本公開的方法的一個非限制性實施方案中，并且如圖3中大體上示出，使鈦合金塑性變形包括使鈦合金塑性變形，使得在a相場中出現(xiàn)等效塑性變形。雖然圖3描繪a相場中的恒定塑性變形溫度，但是在不同溫度下，在a-P相場中出現(xiàn)至少25%面積減少的等效塑性變形也在本文的實施方案范圍內(nèi)。例如，鈦合金可在a-0相場中加工，同時合金溫度逐漸下降。在相場中，在至少25%面積減少的等效塑性變形期間對鈦合金加熱以便維持恒定或者接近恒定溫度或限制鈦合金溫度減少也在本文的實施方案范圍內(nèi)，只要鈦合金未被加熱至鈦合金P轉變溫度或者鈦合金P轉變溫度以上。在非限制性實施方案中，使鈦合金在a-0相區(qū)中塑性變形包括在P轉變溫度以下或者3轉變溫度以下大約18 0F (10°C )至P轉變溫度以下400 0F (2220C )的塑性變形溫度范圍內(nèi)使合金塑性變形。在另一非限制性實施方案中，使鈦合金在相區(qū)中塑性變形包括在@轉變溫度以下400 0F (2220C )至P轉變溫度以下20 0F (11. 1°C )的塑性變形溫度范圍內(nèi)使合金塑性變形。在又一非限制性實施方案中，使鈦合金在相區(qū)中塑性變形包括在P轉變溫度以下50 0F (27. 8°C )至P轉變溫度以下400 0F (222°C )的塑性變形溫度范圍內(nèi)使合金塑性變形。參考圖4的示意溫度-時間值圖，根據(jù)本公開的另一非限制性方法30包括在本文中稱為“通過P轉變”處理的特征。在包括通過P轉變處理的非限制性實施方案中，在鈦合金P轉變溫度(Te)或者鈦合金P轉變溫度(Te)以上的鈦合金溫度下開始塑性變形(本文中也稱為“起反應”)。此外，在通過3轉變處理中，塑性變形32包括使鈦合金從^轉變溫度或者P轉變溫度以上的溫度34塑性變形為鈦合金a相場中的最后塑性變形溫度24。因此，鈦合金溫度在塑性變形32期間“通過” P轉變溫度。此外，在通過P轉變處理中，在a-0相場中出現(xiàn)與至少25%面積減少等效的塑性變形，并且在相場中使鈦合金塑性變形之后，鈦合金未被加熱至鈦合金3轉變溫度(Te)或者鈦合金3轉變溫度(Te)以上的溫度。圖4的示意溫度-時間值圖示出本文中所公開對鈦合金進行熱處理以賦予高強度和高韌度的方法的非限制性實施方案，與用于將高強度和高韌度賦予鈦合金的常用熱處理做法作對比。例如，常用熱處理做法通常需要多步熱處理以及用于嚴密控制合金冷卻速度的精密設備，因此是昂貴的并且無法在所有熱處理設施處實施。然而，由圖4所示的工藝實施方案不包括多步熱處理，并且可使用常用熱處理設備來進行。在根據(jù)本公開的方法的某些非限制性實施方案中，在通過P轉變工藝中使鈦合金塑性變形包括在鈦合金P轉變溫度以上200 °F (111° C)至P轉變溫度以下400 0F (222° C)的溫度范圍內(nèi)使鈦合金塑性變形，在塑性變形期間通過P轉變溫度。本發(fā)明人已經(jīng)確定，只要(i)在a-0相場中出現(xiàn)與至少25%面積減少等效的塑性變形；以及
(ii)在相場中塑性變形之后，鈦合金未被加熱至P轉變溫度或者P轉變溫度以上的溫度，那么所述溫度范圍為有效。在根據(jù)本公開的實施方案中，通過包括但不限于鍛造、旋鍛、模鍛、多軸鍛造、棒材 軋制、板材軋制和擠壓的技術，或者通過這些技術中兩個或者兩個以上的技術組合，鈦合金可塑性變形。只要所使用的處理技術能夠在a-P相區(qū)中使鈦合金塑性變形為至少25%面積減少的等效塑性變形，可通過現(xiàn)在或者下文中所屬領域技術人員已知的任何合適軋制處理技術來完成塑性變形。如上所示，在根據(jù)本公開的方法的某些非限制性實施方案中，在a相區(qū)中出現(xiàn)的鈦合金塑性變形為至少25%面積減少的等效塑性變形大體上不改變鈦合金的最后尺寸。例如，這可通過諸如多軸鍛造技術來實現(xiàn)。在其它實施方案中，塑性變形包括在塑性變形完成之后實際減少鈦合金的橫截面面積。所屬領域技術人員認識到，由于與至少25%面積減少等效的塑性變形造成的鈦合金面積減少可導致例如實際上改變鈦合金的參考橫截面面積，即，任何處從盡可能0%或者1%，且高達25%的實際面積減少。此外，因為總塑性變形可包括與高達99%面積減少等效的塑性變形，所以在與高達99%面積減少等效的塑性變形之后，工件的實際尺寸可在任何處產(chǎn)生從盡可能0%或者1%且高達99%鈦合金的參考橫截面面積的實際改變。根據(jù)本公開的方法的非限制性實施方案包括在使鈦合金塑性變形之后并且在對鈦合金進行熱處理之前，將鈦合金冷卻至室溫?？赏ㄟ^現(xiàn)在或者下文中所屬領域技術人員已知的爐內(nèi)冷卻、空氣冷卻、水冷卻或者任何其它合適冷卻技術來實現(xiàn)冷卻。本公開的一方面為使得在對根據(jù)本文中所公開的實施方案的鈦合金進行熱加工之后，所述鈦合金未被加熱至3轉變溫度或者3轉變溫度以上。因此，在合金3轉變溫度或者P轉變溫度以上未出現(xiàn)熱處理步驟。在某些非限制性實施方案中，熱處理包括在900 0F (482° C)至1500 0F (816° C)范圍內(nèi)溫度(“熱處理溫度”)下對鈦合金進行加熱達0.5小時至24小時范圍內(nèi)的時間(“熱處理時間”)。在其它非限制性實施方案中，為了增加斷裂韌度，熱處理溫度可為最后塑性變形溫度以上，但是小于合金P轉變溫度。在另一非限制性實施方案中，熱處理溫度(Th)小于或者等于P轉變溫度減去20 T (11. I0C )，即ThS (Te-20T)。在另一非限制性實施方案中，熱處理溫度(Th)小于或者等于P轉變溫度減去50 0F (27. 8°C )，即Th彡(T0-50 0F )。在其它非限制性實施方案中，熱處理溫度可在從至少900 0F (482° C)至P轉變溫度減去20 0F (11. 1°C )的范圍內(nèi)，或者在從至少900 °F (482° C)至P轉變溫度減去50 °F (27. 8°C )的范圍內(nèi)。應當理解，例如，當部件厚度需要長加熱時間時，熱處理時間可為24小時以上。根據(jù)本公開的方法的另一非限制性實施方案包括在使鈦合金塑性變形之后，對鈦合金進行直接老化處理，其中在a相場中使鈦合金塑性變形之后，鈦合金被直接冷卻或者加熱至熱處理溫度。據(jù)信，在本方法的某些非限制性實施方案中，其中在塑性變形之后鈦合金被直接冷卻至熱處理溫度，冷卻速度對通過熱處理步驟實現(xiàn)的強度和韌度性能不會產(chǎn)生顯著的負面影響。在本方法的非限制性實施方案中，其中在最后塑性變形溫度以上但在P轉變溫度以下的熱處理溫度下對鈦合金進行熱處理，在相場中使鈦合金塑性變形之后，鈦合金可被直接加熱至熱處理溫度。根據(jù)本公開的熱力學方法的某些非限制性實施方案包括將所述工藝應用至能夠 在室溫下保留P相的鈦合金。如此一來，可通過根據(jù)本公開的方法的不同實施方案來有利加工的鈦合金包括&鈦合金、亞穩(wěn)3鈦合金、近3鈦合金、a 鈦合金和近a鈦合金。據(jù)設想，本文中所公開的方法還可增加a鈦合金強度和韌度，這是因為，如上所討論，甚至 CP鈦等級包括在室溫下的低濃度P相。在根據(jù)本公開的方法的其它非限制性實施方案中，所述方法可被用于加工能夠在室溫下保留P相并且能夠在老化處理之后保留或者析出a相的鈦合金。這些合金包括但不限于一般類別的P鈦合金、a-0鈦合金以及包括小體積百分比0相的a合金?？墒褂酶鶕?jù)本公開的方法的實施方案進行處理的鈦合金非限制性實例包括a /3 鈦合金,例如，諸如 Ti-6A1-4V 合金(UNS 編號 R56400 和 R54601)和 Ti-6Al-2Sn-4Zr_2Mo合金(UNS編號R54620和R54621);近P鈦合金，例如，諸如Ti-10V-2Fe_3Al合金(UNS R54610);以及亞穩(wěn)P鈦合金，例如，諸如Ti-15Mo合金(UNS R58150)和Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr 合金(UNS 未分配)。在根據(jù)本文中所公開的某些非限制性實施方案對鈦合金進行熱處理之后，所述鈦合金可具有在138ksi至179ksi范圍內(nèi)的極限抗拉強度。本文中所討論的極限抗拉強度性能可根據(jù)ASTM E8-04規(guī)范“金屬材料抗拉試驗的標準試驗方法”來測量。此外，在對根據(jù)本公開的方法的某些非限制性實施方案的鈦合金進行熱處理之后，所述鈦合金可具有在59ksi in172至IOOksi in172范圍內(nèi)的斷裂韌度KIe。本文中所討論的Kle斷裂韌度值可根據(jù)ASTM E399-08規(guī)范“金屬材料的線性彈性平面應變的Kle斷裂韌度的標準試驗方法”來測量。此外，在對根據(jù)本公開范圍內(nèi)某些非限制性實施方案的鈦合金進行熱處理之后，所述鈦合金可具有在134ksi至170ksi范圍內(nèi)的屈服強度。此外，在對根據(jù)本公開范圍內(nèi)某些非限制性實施方案的鈦合金進行熱處理之后，所述鈦合金可具有在4. 4%至20. 5%范圍內(nèi)的伸長率。一般而言，可通過實施根據(jù)本公開的方法的實施方案來實現(xiàn)的鈦合金強度和斷裂韌度的有利范圍包括但不限于140ksi至180ksi極限抗拉強度連同從大約40ksi ^in172Kle至IOOksi In172Klc范圍的斷裂韌度，或者140ksi至160ksi極限抗拉強度連同從60ksi Inv2K1。至80ksi In172K1。范圍的斷裂韌度。仍在其它非限制性實施方案中，強度和斷裂韌度的有利范圍包括160ksi至180ksi極限抗拉強度連同從40ksi In172Klc至60ksi Inv2K1。范圍的斷裂韌度?？赏ㄟ^實施根據(jù)本公開的方法的某些實施方案來實現(xiàn)的強度和斷裂韌度的其它有利范圍包括但不限于135ksi至ISOksi極限抗拉強度連同從55ksi In172Klc至IOOksi in1/2KIC范圍的斷裂韌度；從160ksi至180ksi范圍的極限抗拉強度連同從60ksi Inv2K1。至90ksi Inv2K1。范圍的斷裂韌度；以及從135ksi至160ksi范圍的極限抗拉強度連同從85ksi In172K1。至95ksi In172K1。范圍的斷裂韌度值。在根據(jù)本公開的方法的非限制性實施方案中，在對鈦合金進行熱處理之后，所述鈦合金具有至少166ksi的平均極限抗拉強度；至少148ksi的平均屈服強度；至少6%的伸長率；以及至少65ksi in172的斷裂韌度Klc;。根據(jù)本公開的方法的其它非限制性實施方案使熱處理鈦合金具有至少150ksi的極限抗拉強度；以及至少70ksi in172的斷裂韌度Klc0根據(jù)本公開的方法的其它非限制性實施方案使熱處理鈦合金具有至少135ksi的極限抗拉強度；以及至少55ksi in172的斷裂韌度。根據(jù)本公開用于對鈦合金進行熱力學處理的非限制性方法包括在鈦合金P轉變溫度以上200 °F (111° C)至鈦合金P轉變溫度以下400 °F (222° C)的溫度范圍內(nèi)加工(即，塑性變形)鈦合金。在加工步驟最后部分期間，在鈦合金的相場中出現(xiàn)至少25%面積減少的等效塑性變形。在加工步驟之后，鈦合金未被加熱至P轉變溫度以上。在非限制性實施方案中，在加工步驟之后，可在900 °F (482° C)和1500 °F (816° C)之間范 圍的內(nèi)熱處理溫度下對鈦合金進行熱處理達0. 5小時和24小時之間范圍內(nèi)的熱處理時間。在根據(jù)本公開的某些非限制性實施方案中，加工鈦合金提供大于25%面積減少至99%面積減少的等效塑性變形，其中在加工步驟的鈦合金的a相場中出現(xiàn)至少25%的等效塑性變形，并且在塑性變形之后，所述鈦合金未被加熱至3轉變溫度以上。非限制性實施方案包括在a - 0相場中加工鈦合金。在其它非限制性實施方案中，加工包括在a - 3相場中，在3轉變溫度或者3轉變溫度以上至最后加工溫度的溫度下加工鈦合金，其中加工包括在鈦合金的a-P相場中的25%面積減少的等效塑性變形，并且在塑性變形之后，鈦合金未被加熱至P轉變溫度以上。為了確定對某些航空和航天應用有用的鈦合金熱力學性能，收集根據(jù)ATIAllvac現(xiàn)有技術做法進行處理的鈦合金力學試驗數(shù)據(jù)以及從技術文獻收集的數(shù)據(jù)。如本文中所使用，如果合金韌度和強度至少為特定應用所需范圍一樣高或者為在所述范圍內(nèi)，那么所述合金具有對特定應用“有用”的力學性能。收集以下對某些航空和航天應用有用的合金的力學性能Ti-10V-2Fe-3-Al (Ti 10-2-3;UNS R54610)、Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr (Ti5-5-5-3;UNS 未分配)、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo 合金(Ti 6-2-4-2;UNS 編號 R54620 和R54621)、Ti-6Al-4V(Ti 6-4; UNS 編號 R56400 和 R54601)、Ti-6Al-2Sn-4Zr_6Mo (Ti6-2-4-6;UNS R56260)、Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Cr-2Mo-0. 25Si(Ti 6-22-22;AMS 4898)和Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo (Ti 3-8-6-4-4; AMS 4939,4957,4958)。這些合金每個成分在文獻中均有記載并且眾所周知。表I中以重量百分比示出適合本文中所公開方法的非限制性示例性鈦合金的典型化學成分范圍。應當理解，表I中示出的合金僅為當根據(jù)本文中所公開實施方案進行處理時可呈現(xiàn)增加的強度和韌度的合金非限制性實例，并且所屬領域技術人員現(xiàn)在或者將來將明白，其它鈦合金也為在本文中所公開的實施方案范圍內(nèi)。
權利要求
1.一種用于增加鈦合金強度和韌度的方法，所述方法包括以下步驟 在鈦合金的相場中，在一個溫度下使鈦合金塑性變形為至少25%面積減少的等效塑性變形，其中，在a相場中，在一個溫度下使鈦合金塑性變形之后，鈦合金未被加熱至鈦合金3轉變溫度的溫度或者所述溫度以上；以及 在小于或者等于P轉變溫度減去20 T的熱處理溫度下對鈦合金進行熱處理達足以制造熱處理合金的熱處理時間，其中，所述熱處理合金的斷裂韌度(Klc)根據(jù)以下方程式與所述熱處理合金的屈服強度(YS)有關Klc ≥ 173-(0. 9)YS。
2.根據(jù)權利要求I所述的方法，其中所述熱處理合金的斷裂韌度(Klc)根據(jù)以下方程式與所述熱處理合金的屈服強度(YS)有關217. 6-(0. 9) YS ≥ Klc ≥ 173-(0. 9)YS。
3.根據(jù)權利要求I所述的方法，其中所述熱處理合金的斷裂韌度(Klc)根據(jù)以下方程式與所述熱處理合金的屈服強度(YS)有關Klc ≥ 217. 6-(0. 9)YS。
4.根據(jù)權利要求I所述的方法，其中在所述a相場中使所述鈦合金塑性變形包括使所述鈦合金塑性變形為在大于25%面積減少至99%面積減少范圍內(nèi)的等效塑性變形。
5.根據(jù)權利要求I所述的方法，其中在所述a相場中使所述鈦合金塑性變形包括在所述P轉變溫度以下20 °F (11. TC )至所述P轉變溫度以下400 0F (222 0C )的溫度范圍內(nèi)使所述鈦合金塑性變形。
6.根據(jù)權利要求I所述的方法，還包括在所述a-0相場中，在一個溫度下使所述鈦合金塑性變形之前，在所述3轉變溫度或者所述3轉變溫度以上的溫度下并且通過所述&轉變溫度使所述鈦合金塑性變形。
7.根據(jù)權利要求6所述的方法，其中在所述P轉變溫度或者所述P轉變溫度以上使所述鈦合金塑性變形包括在所述P轉變溫度以上200 T (lire)至所述P轉變溫度的溫度范圍內(nèi)使所述鈦合金塑性變形。
8.根據(jù)權利要求I所述的方法，還包括在使所述鈦合金塑性變形之后并且在對所述鈦合金進行熱處理之前，將所述鈦合金冷卻至室溫。
9.根據(jù)權利要求I所述的方法，還包括在使所述鈦合金塑性變形之后并且在對所述鈦合金進行熱處理之前，將所述鈦合金冷卻至熱處理溫度。
10.根據(jù)權利要求I所述的方法，其中對所述鈦合金進行熱處理包括在900 0F (4820C )至1500 0F (816°C )范圍內(nèi)的熱處理溫度下對所述鈦合金進行加熱達0. 5小時至24小時范圍內(nèi)的熱處理時間。
11.根據(jù)權利要求I所述的方法，其中使所述鈦合金塑性變形包括對所述鈦合金進行鍛造、旋鍛、模鍛、多軸鍛造、棒材軋制、板材軋制和擠壓中至少一項。
12.根據(jù)權利要求I所述的方法，其中等效塑性變形包括所述鈦合金橫截面面積的實際減少。
13.根據(jù)權利要求I所述的方法，其中使所述鈦合金塑性變形導致所述鈦合金橫截面面積實際減少5%或者5%以下。
14.根據(jù)權利要求4所述的方法，其中所述等效塑性變形包括所述鈦合金橫截面面積的實際減少。
15.根據(jù)權利要求I所述的方法，其中所述鈦合金為能夠在室溫下保留P相的鈦合金。
16.根據(jù)權利要求15所述的方法，其中所述鈦合金選自P鈦合金、亞穩(wěn)P鈦合金、a 鈦合金和近a鈦合金。
17.根據(jù)權利要求15所述的方法，其中所述鈦合金為Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr合金。
18.根據(jù)權利要求15所述的方法，其中所述鈦合金為Ti-15Mo。
19.根據(jù)權利要求I所述的方法，其中在對所述鈦合金進行熱處理之后，所述鈦合金呈現(xiàn)在138ksi至179ksi范圍內(nèi)的極限抗拉強度。
20.根據(jù)權利要求I所述的方法，其中在對所述鈦合金進行熱處理之后，所述鈦合金呈現(xiàn)在59ksi in172至IOOksi in172范圍內(nèi)的Klc斷裂韌度。
21.根據(jù)權利要求I所述的方法，其中在對所述鈦合金進行熱處理之后，所述鈦合金呈現(xiàn)在134ksi至170ksi范圍內(nèi)的屈服強度。
22.根據(jù)權利要求I所述的方法，其中在對所述鈦合金進行熱處理之后，所述鈦合金呈現(xiàn)在4. 4%至20. 5%范圍內(nèi)的伸長率。
23.根據(jù)權利要求I所述的方法，其中在對所述鈦合金進行熱處理之后，所述鈦合金呈現(xiàn)至少166ksi的平均極限抗拉強度、至少148ksi的平均屈服強度、至少6%的伸長率以及至少65ksi in172的Kle斷裂韌度。
24.根據(jù)權利要求I所述的方法，其中在對所述鈦合金進行熱處理之后，所述鈦合金具有至少150ksi的極限抗拉強度以及至少70ksi in172的Klc;斷裂韌度。
25.一種用于對鈦合金進行熱力學處理的方法，所述方法包括 在鈦合金的P轉變溫度以上200 0F (lire )至所述鈦合金P轉變溫度以下400 0F (2220C )的加工溫度范圍內(nèi)加工鈦合金，其中在所述鈦合金的a-0相場中出現(xiàn)至少25%的所述鈦合金面積減少；且其中在所述鈦合金的a - 0相場中有至少25%的所述鈦合金面積減少之后，所述鈦合金未被加熱至3轉變溫度以上；以及 對所述鈦合金進行熱處理至介于900 °F (482° C)和1500 °F (816° C)之間的熱處理溫度范圍內(nèi)的熱處理溫度達足以制造具有斷裂韌度(Klc)的熱處理合金的熱處理時間，所述斷裂韌度(Klc)根據(jù)以下方程式與所述熱處理合金的屈服強度(YS)有關Klc ≥ 173-(0. 9)YS。
26.根據(jù)權利要求25所述的方法，其中所述熱處理時間為在0.5小時至24小時的范圍內(nèi)。
27.根據(jù)權利要求25所述的方法，其中加工所述鈦合金提供在大于25%面積減少至99%面積減少范圍內(nèi)的等效塑性變形。
28.根據(jù)權利要求25所述的方法，其中加工所述鈦合金包括基本上完全在所述a相場中加工所述鈦合金。
29.根據(jù)權利要求25所述的方法，其中加工所述鈦合金包括將所述鈦合金從在所述^轉變溫度或者所述P轉變溫度以上的溫度加工成a相場，并且在所述a相場中加工至最后加工溫度。
30.根據(jù)權利要求25所述的方法，還包括在加工所述鈦合金之后并且在對所述鈦合金進行熱處理之前，將所述鈦合金冷卻至室溫。
31.根據(jù)權利要求25所述的方法，還包括在加工所述鈦合金之后，將所述鈦合金冷卻至所述熱處理溫度范圍內(nèi)的所述熱處理溫度。
32.根據(jù)權利要求25所述的方法，其中所述鈦合金為能夠在室溫下保留P相的鈦合金。
33.根據(jù)權利要求25所述的方法，其中在對所述鈦合金進行熱處理之后，所述鈦合金具有至少166ksi的平均極限抗拉強度、至少148ksi的平均屈服強度、至少65ksi in1/2的斷裂韌度Kle以及至少6%的伸長率。
34.根據(jù)權利要求25所述的方法，其中所述熱處理合金的斷裂韌度(Klc)根據(jù)以下方程式與所述熱處理合金的屈服強度(YS)有關217. 6-(0. 9) YS 彡 Klc 彡 173-(0. 9)YS。
35.根據(jù)權利要求25所述的方法，其中所述熱處理合金的斷裂韌度(Klc)根據(jù)以下方程式與所述熱處理合金的屈服強度(YS)有關Klc 彡.217. 6-(0. 9)YS。
36.一種用于加工鈦合金的方法，所述方法包括 在所述鈦合金的相場中加工鈦合金以提供至少25%的鈦合金等效面積減少，其中所述鈦合金能夠在室溫下保留P相；以及 在不大于所述3轉變溫度減去20 T的熱處理溫度下對所述鈦合金進行熱處理達足以提供所述鈦合金至少150ksi的平均極限抗拉強度以及至少70ksi ^inv2的Klc;斷裂韌度的熱處理時間。
37.根據(jù)權利要求36所述的方法，其中所述熱處理時間在0.5小時至24小時的范圍內(nèi)。
全文摘要
一種用于增加鈦合金強度和韌度的方法的某些實施方案包括在所述鈦合金的α-β相場中，在一個溫度下使鈦合金塑性變形為至少25%面積減少的等效塑性變形。在所述α-β相場中使所述鈦合金塑性變形之后，所述鈦合金未被加熱至所述鈦合金的β轉變溫度或者所述鈦合金的β轉變溫度以上。在塑性變形之后，在小于或者等于β轉變溫度減去20F(11.1℃)的熱處理溫度下對所述鈦合金進行熱處理。
文檔編號C22C14/00GK102712967SQ201080060773
公開日2012年10月3日 申請日期2010年12月29日 優(yōu)先權日2010年1月22日
發(fā)明者D.J.布賴恩 申請人:Ati資產(chǎn)公司