專利名稱：鈦合金的制作方法
鈦合金
相關(guān)申請的交叉引用
本申請要求2010年4月30號提交的美國臨時專利申請?zhí)?1/330，081的權(quán)利，其內(nèi)容在此全文引用作為參考。技術(shù)領(lǐng)域
與本發(fā)明的主題有關(guān)的事物至少部分受到美國政府資助，軍隊合同號為 W15QKN-09-C-0144和W15QKN-09-C-0026。因此，美國政府可享有本發(fā)明的一定權(quán)利。
背景技術(shù)：
鈦合金能提供低重量、耐腐蝕結(jié)構(gòu)，并因此用于各種應(yīng)用。例如，Ti - 6A1 - 4V,以質(zhì)量百分表示，是商業(yè)合金，被廣泛用于航空和醫(yī)藥的應(yīng)用。其它的應(yīng)用也能從使用鈦合金中獲得好處，在各種工業(yè)部門，比如防御、能源、化學(xué)加工、航海和運(yùn)輸。但是，鈦的材料和加工成本可能抑制這些應(yīng)用。
鈦合金的材料成本普遍高，至少一部分是因?yàn)槲⒘吭乇热玷F和氧的含量需要嚴(yán)格控制在熔體庫中。當(dāng)熔體凝固時，元素如鐵和氧可能偏析，導(dǎo)致非均勻的機(jī)械性能。為了消除這個影響，已經(jīng)研發(fā)了超低間隙(ELI)級合金。例如，航空材料規(guī)格在ELI級Ti-6A1 -4V上限制鐵的質(zhì)量百分比為O. 25，氧的質(zhì)量百分比為O. 13。
鈦的加工成本普遍高，至少一部分是因?yàn)殁伜辖鹗堑湫偷劐懼频摹Ｍㄟ^操作過程使鈦合金形成近終形可能涉及昂貴的加工。此外，操作和加工可能產(chǎn)生顯著的材料浪費(fèi)。發(fā)明內(nèi)容
一方面，本申請涉及一種合金，該合金包括按質(zhì)量百分比計，約3. 09Γ約6. 0%的鋁，0% 約I. 5%的錫，約2. 0% 約4. 0%的釩，約O. 5% 約4. 5%的鑰，約I. 0% 約2. 5%的鉻， 約O. 20% 約O. 55%的鐵，0% 約O. 35%的氧，0% 約O. 007%的硼，和0% 約O. 60%的其它偶存元素和雜質(zhì)，以及包括鈦的質(zhì)量百分比余量。
一個方面，本申請涉及一種方法，該方法包括提供一種基于至少50%的鈦基合金的材料，所述鈦基合金包括按質(zhì)量百分比計，約6%的鋁和約4%的釩，包含鈦的質(zhì)量百分比余量，該材料進(jìn)一步包括按質(zhì)量百分比計，09Γ約O. 35%的氧，09Γ約O. 55%的鐵和其它偶存元素和雜質(zhì)；熔化該材料從而提供一種合金，該合金包括按質(zhì)量百分比計，約3. 09Γ約6.0%的鋁，0% 約I. 5%的錫，約2. 0% 約4. 0%的釩，約O. 5% 約4. 5%的鑰，約I. 0% 約2. 5% 的鉻，約O. 20% 約O. 55%的鐵，0% 約O. 35%的氧，0% 約O. 007%的硼，和0% 約O. 60%的其它偶存元素和雜質(zhì)，包含鈦的質(zhì)量百分比余量；以及，以加壓至約2atm (2個大氣壓)的氣體冷卻所述合金。
另一方面，本申請涉及將合金加工成近終形或熔模鑄件的方法，近終形或熔模鑄件能避免需要熱操作以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度和韌性的良好結(jié)合。相反，熱加工是許多傳統(tǒng)的鈦合金如鈦-6wt%招-4wt%鑰;的重要特征,所述鈦_6wt%招-4wt%鑰;依賴于從低于β轉(zhuǎn)變溫度的溫度下的鍛造和冷卻而引起的晶粒細(xì)化。控制鐵含量是被公開特征的重要特征，從而在沒有熱撕裂的情況下使鑄態(tài)晶粒尺寸最小化，熱撕裂可能由于過多的鐵含量引起。此外，當(dāng)從高于β轉(zhuǎn)變溫度冷卻時，在該合金中能通過本發(fā)明的方法實(shí)現(xiàn)晶粒內(nèi)微觀結(jié)構(gòu)α板條網(wǎng)籃形態(tài)。與Ti-6-4合金的平行或片狀α板條相反，本發(fā)明的一方面實(shí)現(xiàn)交錯的網(wǎng)籃形態(tài)。
其它方面和具體實(shí)施例包含在本申請的范圍內(nèi)，并根據(jù)下面的說明和附圖中進(jìn)行詳細(xì)說明。


圖I為展示了在落入本申請范圍內(nèi)的合金的非限制實(shí)施例中，加工-結(jié)構(gòu)-性能之間關(guān)系的系統(tǒng)設(shè)計圖。
圖2為描述了一組集成的，適于設(shè)計落入，如在此描述的包括，例如圖I的本申請范圍內(nèi)的合金的計算機(jī)模型圖。
圖3展示了落入本文所公開的范圍內(nèi)(包括，例如圖I)的合金的非限制性實(shí)施例中、對應(yīng)于β轉(zhuǎn)變溫度的α相粗化率常數(shù)。
圖4為圖3的放大圖，描述了落入本申請范圍內(nèi)的合金的非限制實(shí)施例的、對應(yīng)于 β轉(zhuǎn)變溫度的α相粗化率常數(shù)。
圖5展示了落入本文所公開的范圍內(nèi)(包括，例如圖I)的合金的非限制性實(shí)施例中、在603°C時對應(yīng)于鑰含量的α相粗化率常數(shù)。
圖6展示了落入本文所公開的范圍內(nèi)(包括，例如圖I)的合金的非限制性實(shí)施例中、α相粗化率常數(shù)在603°C時隨鑰和鉻含量的變化而變化的曲線圖。
圖7展示了落入本文所公開的范圍內(nèi)(包括，例如圖I)的合金的非限制性實(shí)施例中、Scheil凍結(jié)范圍和生長限制參數(shù)隨鐵和硼含量的變化而變化的曲線圖。
圖8為掃描電鏡照片，其展示了落入本文所公開的范圍內(nèi)(包括，例如圖I)的合金的非限制性實(shí)施例中、網(wǎng)籃形態(tài)的α相板條。
圖9為與圖8類似的金相顯微鏡照片，展示了非限制性實(shí)施例中在950° C退火后、以約O. 03° C/秒的冷卻速率冷卻的網(wǎng)籃形態(tài)的α相板條。
圖10為與圖9類似的金相顯微鏡照片，展示了非限制實(shí)施例中在950° C退火后、 以約O. 5° C/秒的冷卻速率冷卻的網(wǎng)籃形態(tài)的α相板條。
圖11為與圖9和10類似的金相顯微鏡照片，展示了非限制實(shí)施例中在950° C退火后、以約7. 5° C/秒的冷卻速率冷卻的網(wǎng)籃形態(tài)的α相板條。
圖12為金相顯微鏡照片，展示了非限制實(shí)施例中在950° C退火后、以約150° C/ 秒的冷卻速率冷卻的、馬氏體微觀結(jié)構(gòu)中具有高縱橫比的α相板條。
圖13展示了落入本文所公開的范圍內(nèi)(包括，例如圖8 11)的合金的非限制性實(shí)施例中、對應(yīng)于冷卻速率的、在變化的退火溫度下的維氏硬度值。
圖14展示了落入本文所公開的范圍內(nèi)(包括，例如圖8 11)的合金的非限制性實(shí)施例中、對應(yīng)于α相粗化率常數(shù)的、在變化的退火溫度下的維氏硬度值。
圖15展示了落入本文所公開的范圍內(nèi)(包括，例如圖8 11)的合金的非限制性實(shí)施例中的合金強(qiáng)度和延展性。具體實(shí)施例
應(yīng)該理解的是，在本申請中，權(quán)利要求不限于描述了本發(fā)明的非限制性實(shí)施例的以下說明中所描述或附圖所示意的組分的具體結(jié)構(gòu)和設(shè)置。以下更具體描述其它方面和實(shí)施例。
在此列舉的范圍被認(rèn)為涵蓋并包含在范圍內(nèi)的所有值，不需要明確敘述。
一般來說，發(fā)明人意外發(fā)現(xiàn)鈦合金能通過選擇合適的加工，成本和微觀結(jié)構(gòu)的成分，以低成本實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度和高韌性的結(jié)合。所披露的合金包括網(wǎng)籃形態(tài)的α相板條。網(wǎng)籃形態(tài)的α相板條能實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度和高韌性的結(jié)合。所披露的合金的成本可能是低的，因?yàn)榈统杀驹牧夏苡糜诮K形鑄件中，然后以穩(wěn)定的和工業(yè)上可行的冷卻速率冷卻。
低成本原材料的一個來源是廢棄鈦合金。被稱為Ti 6 _ 4的鈦合金是可用于重熔的最廣泛的合金之一。Ti 6-4包括按質(zhì)量百分比計，約6%的鋁和約4%的銀，包含鈦的質(zhì)量百分比余量。用于生產(chǎn)本發(fā)明所披露的合金的原材料投入可以是至少50%、或至少70%的 Ti 6-4。所披露的合金的成本可以比較低，這也是因?yàn)樵摵辖鹂梢匀菰S含有按質(zhì)量百分比計，09Γ約O. 35%的氧，09Γ約O. 55%的鐵和其它偶存元素和雜質(zhì)。鐵是鈦合金中的常見雜質(zhì)元素，其可能由海綿加工期間的污染引起。通過含有鐵，氧，和其它偶存元素和雜質(zhì)，使所披露的合金能使用如回收和加工車削的低質(zhì)量廢料為原材料。
所披露的合金的制造成本也可能低，因?yàn)椴恍枰懺欤瑥亩芙档图庸こ杀?。鍛造和加工成本根?jù)鈦組分的幾何形狀可構(gòu)成鈦組分成本的大約一半。因此，使合金適用于近終形鑄件(near-net-shape casting)同時維持好的機(jī)械性能是有利的。而在一些實(shí)施例中所披露的合金是鑄造出來的，另一些可被鍛造和加工。所披露的合金的加工成本也可以很低，因?yàn)樵摵辖鹂梢砸苑€(wěn)定的和工業(yè)上可行的冷卻速率冷卻。由于鑄件的較厚部分比較薄的部分冷卻得慢，如果冷卻速率不是穩(wěn)定的，微觀結(jié)構(gòu)可能由于部分的不同而不同。所披露的合金能以便宜但穩(wěn)定的方式加工。
一方面，本申請涉及合金，包括按質(zhì)量百分比計，約3. 09Γ約6. 0%的鋁，09Γ約I.5%的錫，約2. 0% 約4. 0%的釩，約O. 5% 約4. 5%的鑰，約I. 0% 約2. 5%的鉻，約O. 20% 約O. 55%的鐵，09Γ約O. 35%的氧，09Γ約O. 007%的硼，0°/Γ約O. 60%的其它偶存元素和雜質(zhì)，以及包含鈦的質(zhì)量百分比余量。應(yīng)該注意的是，在此描述的實(shí)施例包括每個組分在所列舉的值的正負(fù)百分之十的變化。也應(yīng)該理解的是，在此描述的合金可能僅由上述的組分組成，或可能主要由這些組分組成，或者在其它實(shí)施例中，可能包括另外的組分。
在實(shí)施例中，鋁的含量可能為約4. 09Γ約5. 5%，錫的含量可能為0°/Γ約I. 0%，釩的含量可能為約2. 59Γ約3. 5%，鑰的含量可能為約I. 09Γ約2. 0%，鉻的含量可能為約I. 09Γ 約2. 0%，鐵的含量可能為O. 309Γ0. 55%，氧的含量可能為0°/Γ約O. 20%,硼的含量可能為0°/Γ 約O. 005%，以及其它偶存元素和雜質(zhì)的含量可能為09Γ約O. 20%。
在實(shí)施例中，該合金以冷卻速率從β相冷卻到α相，從而形成網(wǎng)籃形態(tài)的α相板條。高溫時，鈦合金能形成具有體心立方晶體結(jié)構(gòu)的β相。當(dāng)以高于約10° C/秒的冷卻速率冷卻時，一些鈦合金的β相能轉(zhuǎn)變成馬氏體α相，導(dǎo)致強(qiáng)度加大但也降低了延展性。然而，當(dāng)以約O. 03° C/秒至約10° C/秒之間的冷卻速率冷卻時，一些鈦合金的β相能轉(zhuǎn)變成包含具有密排六方晶體結(jié)構(gòu)的α相的微觀結(jié)構(gòu)，所述密排六方晶體結(jié)構(gòu)形成網(wǎng)籃形態(tài)的板條。該網(wǎng)籃狀微觀結(jié)構(gòu)是由于晶粒內(nèi)α變體的均相成核提高而引起的，所述晶6粒內(nèi)α變體以高達(dá)12種晶體取向生長為β晶粒。相反，當(dāng)Ti 6-4以達(dá)到約10° C/秒的工業(yè)相關(guān)冷卻速率從β相冷卻至α相時，其常常表現(xiàn)出具有粗大的、高度平行的α薄片群的微觀結(jié)構(gòu)。一般來說，通過鑄造過程產(chǎn)生的成分不會繼續(xù)在用于重結(jié)晶的α和β相的兩相區(qū)域中鍛造或退火，并且，因此以粗大的薄片狀微觀結(jié)構(gòu)組成鈦合金的組分不顯示強(qiáng)度和韌性的最好的結(jié)合。但是，如在所披露的合金中，網(wǎng)籃形態(tài)的α相板條能大致實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度和高韌性的結(jié)合。因此，網(wǎng)籃形態(tài)通常組成所披露的合金的微觀結(jié)構(gòu)的四分之三或更多。
在一個實(shí)施例中，測得板條的最長尺寸不大于約100微米，不大于約80微米，不大于約25微米，或不大于約6微米。
在一個實(shí)施例中，該合金具有至少約10%的拉伸伸長率并具有大于約960MPa的拉伸強(qiáng)度，其中該合金被鑄造，在900° C和約IOOMPa熱等靜壓(HIP)處理2個小時并退火。 在其它實(shí)施例中，該合金具有至少約4%的拉伸伸長率并具有大于約1170MPa的拉伸強(qiáng)度， 其中該合金被鑄造，在900° C和IOOMPa熱等靜壓處理2個小時并退火。
一方面，根據(jù)在此描述的實(shí)施例的合金可使用低成本原材料鑄造，并能通過商業(yè)可行的熱處理形成網(wǎng)籃微觀結(jié)構(gòu)，該熱處理不需要熱加工或快速冷卻速率。相反，表I展示了幾種鈦合金的成分，所述鈦合金要么呈現(xiàn)貧乏的可鑄性要么使用高成本的原材料。一些可能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)籃微觀結(jié)構(gòu)的鈦合金可能具有普遍貧乏的可鑄性，因?yàn)槠淞鲃有员萒i 6-4的流動性更低。這些鈦合金可能包括被稱為β穩(wěn)定劑的合金元素，比如鐵。雖然β穩(wěn)定劑可有助于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)籃微觀結(jié)構(gòu)，其也可能在凝固期間造成鑄件易受熱撕裂缺陷的影響。熱撕裂是由液體和固體之間顯著的體積差異引起的。其它β穩(wěn)定劑，比如釩，鈮和鑰作為原材料可能是昂貴的。例如，合金比如β-CEZ和Ti-17使用昂貴的鋯。在表一的合金中，只有 SP-700可能使用普通的Ti 6-4作為鑄造廢料，因?yàn)镾P-700具有與Ti 6_4相同的鋁/釩質(zhì)量比。但是，SP-700具有質(zhì)量百分比為2%的鐵。該鐵含量能使鑄件易于受熱撕裂的影響， 并因此使SP-700與鑄件不能相容。相反，所披露的合金可使用低成本原材料鑄造，并能以商業(yè)上可行的冷卻速率形成網(wǎng)籃微觀結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)比Ti 6-4更好的強(qiáng)度和延展性的組合。
表I
權(quán)利要求
1.一種鈦合金制品的鑄造方法，該方法包括以下步驟(a)形成熔體，該熔體包括按質(zhì)量百分比計，約3.09Γ約6. 0%的鋁，09Γ約I. 5%的錫， 約2. 0% 約4. 0%的釩，約O. 5% 約4. 5%的鑰，約I. 0% 約2. 5%的鉻，0% 約O. 35%的氧， 09Γ約O. 007%的硼，09Γ約O. 60%的其它偶存元素和雜質(zhì)，約O. 209Γ約O. 55%的鐵，以及包含鈦的質(zhì)量百分比余量；(b)鑄造所述熔體；以及(c)將鑄件冷卻。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，包括在沒有熱加工的情況下，初步形成鑄件作為所述制品。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述熔體由起始材料組成，該起始材料在所述熔體內(nèi)結(jié)合了至少25%的鈦基合金，所述鈦基合金包括按質(zhì)量百分比計，約6%的鋁和約4%的釩，包括鈦的百分比余量；所述起始材料進(jìn)一步包括按質(zhì)量百分比計，09Γ約.O.35%的氧，09Γ約O. 55%的鐵和其它偶存元素和雜質(zhì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括以下熱處理步驟將鑄件和形成的合金在900° C和約IOOMPa的氬氣中熱等靜壓處理2小時；使合金退火，從而形成β相單相微觀結(jié)構(gòu)；以及然后將合金從β相按一冷卻速率冷卻至α相，以形成網(wǎng)籃形態(tài)的α相板條。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述冷卻步驟包括用加壓至2atm的氣體冷卻所述鑄件。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，退火在高于合金β轉(zhuǎn)變溫度的溫度下進(jìn)行。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，退火在達(dá)到約950°C的溫度下進(jìn)行。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述冷卻速率在約O.03° C/秒 約 10° C/秒之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，鈦基熔體包括按質(zhì)量百分比計，約.4.0% 5. 5%的鋁，0% 約I. 0%的錫，約2. 5% 約3. 5%的釩，約I. 0% 約2. 0%的鑰，約I. 0% 約2. 0%的鉻，約O. 30% 0· 55%的鐵，O. 25% 約O. 3%的氧，0% 約O. 005%的硼，和0% 約O. 2% 的其它偶存元素和雜質(zhì)，以及包含鈦的質(zhì)量百分比余量。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括將鑄造合金在900° C和約IOOMPa的氬氣中熱等靜壓處理2小時；使合金退火，從而形成β相單相微觀結(jié)構(gòu)；以及將合金從β相按一冷卻速率冷卻至α相，以形成網(wǎng)籃形態(tài)的α相板條。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，退火在高于合金的β轉(zhuǎn)變溫度的溫度下進(jìn)行。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述冷卻速率在約O.03° C/秒 約 10° C/秒之間。
13.一種用權(quán)力要求I所述的方法制造的制品。
14.一種鈦合金，包括約3. 0% 約6. 0%的鋁，0% 約I. 5%的錫，約2. 0% 約4. 0%的釩，約O. 5% 約4. 5%的鑰，約I. 0% 約2. 5%的鉻，0% 約O. 35%的氧，0% 約O. 007%的硼，09Γ約O. 60%的其它偶存元素和雜質(zhì)，約O. 209Γ約O. 55%的鐵，以及包括鈦的百分比余量； 其特征在于，所述合金具有基本為網(wǎng)籃狀的α相板條結(jié)構(gòu)，并具有至少約10%的伸長率和大于約960Mpa的拉伸強(qiáng)度。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的合金，其特征在于，所述板條結(jié)構(gòu)的板條最長尺寸不超過約100微米。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的合金，其特征在于，鋁的含量為約4.09Γ5. 5%，錫的含量為09Γ約I. 0%，釩的含量為約2. 59Γ約3. 5%，鑰的含量為約I. 0°/Γ約2. 0%，鉻的含量為約I.09Γ約2. 0%，鐵的含量為約O. 309Γ約O. 55%，氧的含量為0°/Γ約O. 2%，硼的含量為0°/Γ約O.005%,以及其它偶存元素和雜質(zhì)的含量為09Γ約O. 2%。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的合金，其特征在于，所述α相板條包括網(wǎng)籃形態(tài)。
18.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，鐵的質(zhì)量百分比由O.209Γ0. 55%組成。
全文摘要
在此提供一種鈦合金和生產(chǎn)該合金的方法，所述鈦合金能實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度和高韌性或伸長率的結(jié)合。通過含有鐵，氧和其它偶存元素和雜質(zhì)，該合金能使用較低質(zhì)量的廢料作為原材料。該合金是可鑄造的，并能通過不需要熱加工或快速冷卻速率的商業(yè)可行的熱處理形成網(wǎng)籃形態(tài)的α薄板板條。該合金包括按質(zhì)量百分比計，約3.0%~約6.0%的鋁，0%~約1.5%的錫，約2.0%~約4.0%的釩，約0.5%~約4.5%的鉬，約1.0%~約2.5%的鉻，約0.20%~約0.55%的鐵，0%~約0.35%的氧，0%~約0.007%的硼，和0%~約0.60%的其它偶存元素和雜質(zhì)，并且百分比余量包括鈦。
文檔編號C22F1/18GK102939398SQ201180030176
公開日2013年2月20日 申請日期2011年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月30日
發(fā)明者詹姆斯·A·懷特, 賈森·塞巴斯蒂安, 周恒杰 申請人:奎斯泰克創(chuàng)新公司