用于制造α-β TI-AL-V-MO-FE合金板的方法
【專(zhuān)利摘要】公開(kāi)了一種用于制造適于超塑性形成(SPF)的細(xì)晶粒鈦合金板的方法。在一個(gè)實(shí)施方式中，高強(qiáng)度鈦合金包括：Al：約4.5％-約5.5％、V：約3.0％-約5.0％、Mo：約0.3％-約1.8％、Fe：約0.2％-約0.8％、O：約0.12％-約0.25％和余量的鈦，該鈦合金被鍛造并且熱軋成板條，其然后從高于β轉(zhuǎn)化的溫度快速冷卻。按照這個(gè)實(shí)施方式，在約1400°F至約1550°F之間加熱所述板條并且輥軋至中間厚度。在再次加熱至約1400°F至約1550°F的溫度之后，在與先前輥軋方向垂直的方向上進(jìn)行熱軋，以最小化機(jī)械性質(zhì)的各向異性。然后在約1300°F至約1550°F之間的溫度下退火，之后研磨和酸洗。
【專(zhuān)利說(shuō)明】用于制造Cl — β T1-AL-V-MO-FE合金板的方法
[0001]本申請(qǐng)根據(jù)35U.S.C.119(e)要求于2011年6月17日提交的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)第61 / 498，447的優(yōu)先權(quán)，其全文通過(guò)引用結(jié)合入本說(shuō)明書(shū)。
[0002]背景
[0003]大多數(shù)α / β鈦合金顯示超塑性，即當(dāng)在亞轉(zhuǎn)變溫度下使用較慢的應(yīng)變速率變形時(shí)，大于500%的伸長(zhǎng)率。超塑性發(fā)生的溫度和應(yīng)變速率根據(jù)合金組成和微結(jié)構(gòu)而變化
(1)。在α/ β鈦合金中，超塑性形成(SPF)的最優(yōu)溫度是從1832° F(100(TC )到低至
1382° F(750°C)(2)。如果其他條件相同，SPF溫度和β轉(zhuǎn)變溫度顯示相當(dāng)良好的相關(guān)性
[0004]在生產(chǎn)方面，降低SPF溫度產(chǎn)生顯著的益處。例如，降低SPF溫度能夠引起模成本的降低，延長(zhǎng)壽命以及使用較便宜鋼模的可能性(7)。另外，抑制了富氧層(α層(alphacase))的形成。降低積垢和α層形成能夠改善產(chǎn)率并且消除化學(xué)研磨的需要。另外，較低的溫度可抑制晶粒生長(zhǎng)，因此在SPF操作之后維持較細(xì)的晶粒的優(yōu)勢(shì)(8’9)。
[0005]由于晶粒邊界滑移是超塑性變形的主要機(jī)制，晶粒尺寸或粒度是對(duì)于SPF最重要的影響因素之一。具有較細(xì)的晶粒尺寸的材料減少了晶粒邊界滑移所需要的壓力并且降低了 SPF溫度(2_4)。之前已經(jīng)在T1-6A1-4V和其他合金中報(bào)道了降低SPF溫度中較細(xì)的晶粒的效果(5’6)。
[0006]存在兩種用于改善鈦合金超塑性成形性的方法。第一個(gè)方法是建立熱-機(jī)械加工，其產(chǎn)生小至I一2 μ m或更小的細(xì)晶粒以增強(qiáng)晶粒邊界滑移。研究了在相比常規(guī)熱輥軋或鍛造低的溫度下的變形并且建立了用于T1-64的SPF工藝(5’6)。
[0007]第二個(gè)方法是建立一種新的在較低溫度和較高應(yīng)變速率下顯示出超塑性的合金體系。有幾個(gè)材料因素增強(qiáng)在較低的溫度下的超塑性(1)，如(a) α晶粒尺寸，(b)兩相的體積分?jǐn)?shù)和形態(tài)，以及(C)較快的擴(kuò)散速度以加速晶粒邊界滑移(11’16)。因此，具有較低β轉(zhuǎn)化的合金具有展示出低溫超塑性的潛力。合金的良好示例是SP700 (T1-4.5Al-3V-2Mo-2Fe)，其在低至1400° F(760°C )的溫度下展現(xiàn)出超塑性(8)。圖1顯示β轉(zhuǎn)化和報(bào)道的SPF溫度之間的關(guān)系(1’7’9’12’16-2°)。作為一般的趨勢(shì)，低β轉(zhuǎn)化的合金展示出較低溫度的超塑性。由于T1-54M具有較低的β轉(zhuǎn)化并且含有Fe作為快速擴(kuò)散劑，因此預(yù)期合金展現(xiàn)出相比T1-64較低溫度的超塑性和較低的流動(dòng)應(yīng)力。因此，在該合金中實(shí)現(xiàn)令人滿(mǎn)意的低溫超塑性成形特性而不需要采用實(shí)現(xiàn)非常細(xì)晶粒尺寸所需要的特定的加工方法是可能的。
[0008]由于T1-6A1-4V(T1-64)合金的已經(jīng)有良好表征，Ti_6Al_4V(Ti_64)是在實(shí)際應(yīng)用中最常用的合金。然而，T1-64被認(rèn)為不是用于SPF的最佳合金，因?yàn)樵摵辖鹦枰^高的溫度，通常高于1607° F(875°C )，以及慢的應(yīng)變速率以最大化SPF。在較高的溫度和較慢應(yīng)變速率下的SPF導(dǎo)致較短的模壽命、過(guò)量的α層和較低的生產(chǎn)率。
[0009]鈦金屬公司(Titanium Metals Corporation)開(kāi)發(fā)的Ti_54M在大多數(shù)產(chǎn)品形式中展現(xiàn)出與T1-6A1-4V相等的機(jī)械性質(zhì)。相對(duì)于Ti6Al-4V，Ti_54M顯示出優(yōu)良的機(jī)械加工性、可鍛性、較低的流動(dòng)應(yīng)力和較高的延展性_。另外，已經(jīng)報(bào)道T1-54M具有相比T1-6A1-4V優(yōu)良的超塑性，而T1-6A1-4V是在此應(yīng)用中最常用的合金⑵。這個(gè)結(jié)果部分是由于所述合金的化學(xué)組成和較細(xì)的晶粒尺寸，其是增強(qiáng)鈦材料的超塑性的關(guān)鍵因素(21)。
[0010]鈦合金的常規(guī)加工方法如圖2A所示。首先，在約1650 ° F(900°C)_約1800° F(9820C )下加熱之后，將板條熱軋板至中間厚度。中間板的一般厚度是約0.10”-約
0.60”。然后將中間板加熱至約1650° F(900°C )_約1800° F(982°C )，隨后通過(guò)熱軋至最終的板。最終板的一般厚度是約0.01” (0.25mm)-約0.20” (5mm)。在最終的熱橫輥軋(cross-rolling)之后,板可以在鋼包裝中疊置以避免棍軋過(guò)程中的過(guò)度冷卻。在棍軋至最終的厚度之后，該板在約1300° F(704°C )_約1550° F(843°C )下退火，然后用空氣冷卻。該過(guò)程的最后階段是研磨和酸洗表面以去除在熱-機(jī)械加工過(guò)程中在表面上形成的α層。
[0011]之前在美國(guó)專(zhuān)利號(hào)7，708，845中，VSMPO研究用于制造高強(qiáng)度鈦合金(主要是Ti6Al-4V)板條的方法，并且如圖2Β所示(22)。美國(guó)專(zhuān)利號(hào)7，708，845需要在非常低的溫度下熱軋以得到實(shí)現(xiàn)低溫超塑性的細(xì)晶粒。能夠用具有非常高功率的軋機(jī)(rolling mill)實(shí)現(xiàn)在美國(guó)專(zhuān)利號(hào)7，708，845中公開(kāi)的方法，其通常缺少滿(mǎn)足很多種厚度的小批量的要求的彈性(22)。在美國(guó)專(zhuān)利7，708，845中描述的過(guò)程在圖中提供作為比較。在美國(guó)專(zhuān)利7，708，845中，在非常低的溫度下實(shí)施輥軋，這會(huì)造成過(guò)量的軋機(jī)負(fù)荷，因此限制其實(shí)用性。[0012]因此，在工業(yè)中存在提供用于制造鈦合金的新方法的需求，這種方法與常規(guī)和現(xiàn)有技術(shù)的方法相比具有更大的實(shí)用性。
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【發(fā)明內(nèi)容】

[0038]本發(fā)明涉及制造能夠低溫SPF操作的鈦合金板的方法。通過(guò)具體合金化學(xué)和板輥軋加工的組合實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方法。所述方法包括以下步驟:(a)將鈦坯鍛造為板條，中間厚度的板；(b)加熱所述的板條至高于β轉(zhuǎn)化的溫度，然后冷卻；(c)加熱所述板條，然后熱軋成中間厚度的板；(d)加熱中間厚度的板，然后熱軋成最終的厚度的板；(e)退火最終厚度的板，然后冷卻；以及(f)研磨經(jīng)退火的板，然后酸洗。
[0039]在優(yōu)選的實(shí)施方式中(如圖2C所示)，通過(guò)熱軋過(guò)程生產(chǎn)細(xì)晶粒鈦合金板的方法包括，
[0040]a.鈦坯煅造成板條，中間厚度的板；
[0041]b.加熱所述板條至比β轉(zhuǎn)化的溫度高約100° F(37.8°C )_約250° F(121°C )的溫度，維持15 — 30分鐘，然后冷卻；
[0042]c.加熱所述板條至約1400° F(760°C)_約1550。F(843°C )之間的溫度，然后熱軋成中間厚度的板；
[0043]d.加熱所述中間厚度的板至約1400° F(760°C )_約1550° F(843°C )之間的溫度下，然后熱軋成最終厚度的板；
[0044]e.退火所述最終厚度的板至約1300° F(704°C ) _約1550° F(843°C )之間的溫度，維持約30分鐘-約I小時(shí)，然后冷卻；以及
[0045]f.用板磨機(jī)(sheet grinder)研磨經(jīng)退火的板,然后酸洗以去除在熱-機(jī)械加工中形成的氧化物和α層。
[0046]在一個(gè)實(shí)施方式中，所述鈦合金是Ti_54M，其先前已經(jīng)在Kosaka等的題為“ α —β T1-Al-V-Mo-Fe 合金(Alpha-Beta T1-Al-V-Mo-Fe Alloy) ” 的美國(guó)專(zhuān)利號(hào) 6，786，985 中描述，其通過(guò)引用全文結(jié)合入本說(shuō)明書(shū)。
[0047]附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明
[0048]圖1.示意性顯示對(duì)于選定的市售合金，β轉(zhuǎn)化和SPF溫度之間的關(guān)系圖。
[0049]圖2Α.常規(guī)途徑的板加工步驟。
[0050]圖2Β.生產(chǎn)細(xì)晶粒板的現(xiàn)有技術(shù)的板加工步驟。
[0051]圖2C.所揭示的生產(chǎn)細(xì)晶粒板的方法的板加工步驟。
[0052]圖3Α.顯示在SPF測(cè)試之前，按照本文所述的方法A加工的鈦合金微結(jié)構(gòu)的照片。
[0053]圖3Β.顯示在SPF測(cè)試之前，按照本文所述的方法B加工的鈦合金微結(jié)構(gòu)的照片。
[0054]圖4.顯示Ti_54M方法A板和Ti_64板的測(cè)試溫度下的伸長(zhǎng)率。
[0055]圖5A.在1450° F(788°C )下測(cè)試的SPF試樣樣品的抓牢區(qū)域(grip area)的縱向微結(jié)構(gòu)。
[0056]圖5B.在1450° F(788°C )下測(cè)試的SPF試樣樣品的收縮斷面(reduced section)的縱向微結(jié)構(gòu)。
[0057]圖6.顯示通過(guò)在5xl(T4 / S下對(duì)Ti_54M(方法Α)的跳躍應(yīng)變速率測(cè)試(jumpstrain rate test)得到的真實(shí)應(yīng)力-真實(shí)應(yīng)變(true stress一true strain)曲線(xiàn)。
[0058]圖7A.通過(guò)在0.2的真實(shí)應(yīng)變，5xl0_4 / S的應(yīng)變速率下對(duì)三種板的SPF測(cè)試得到的流動(dòng)應(yīng)力的比較。
[0059]圖7B.通過(guò)在0.8的真實(shí)應(yīng)變，5xl0_4 / S的應(yīng)變速率下對(duì)三種板的SPF測(cè)試得到的流動(dòng)應(yīng)力的比較。
[0060]圖8A.通過(guò)在5xl(T4 / S和1χ10-4 / S的應(yīng)變速率下使用方法A對(duì)Ti_54M板進(jìn)行SPF測(cè)試得到的平均m值。
[0061]圖8B.通過(guò)在5xl(T4 / S和1χ10-4 / S的應(yīng)變速率下使用方法B對(duì)Ti_54M板進(jìn)行SPF測(cè)試得到的平均m值。
[0062]圖9A.在1350° F(732°C )和5xl0_4 / S的應(yīng)變速率下測(cè)試的采用方法A的跳躍應(yīng)變速率測(cè)試之后的收縮斷面的微結(jié)構(gòu)。(朝向水平方向的負(fù)荷軸
[0063]圖9B.在1550° F(843°C )和5xl(T4 / S的應(yīng)變速率下測(cè)試的采用方法A的跳躍應(yīng)變速率測(cè)試之后的收縮斷面的微結(jié)構(gòu)。(朝向水平方向的負(fù)荷軸)
[0064]圖9C.在1550° F(843°C )和lxl0_4 / S的應(yīng)變速率下測(cè)試的采用方法B的跳躍應(yīng)變速率測(cè)試之后的收縮斷面的微結(jié)構(gòu)。(朝向水平方向的負(fù)荷軸)
[0065]圖9D.在1650° F(899°C )和1χ10-4 / S的應(yīng)變速率下測(cè)試的采用方法B的跳躍應(yīng)變速率測(cè)試之后的收縮斷面的微結(jié)構(gòu)。(朝向水平方向的負(fù)荷軸)
[0066]圖10Α.用 Fovea Pr0.Grain Boundary Density (晶粒邊界密度)，方法 A 分析在圖3A中得到的微結(jié)構(gòu)的主要α相的晶粒邊界的圖像(0.25μπι / μ m2)。
[0067]圖 10B.用 Fovea Pr0.Grain Boundary Density (晶粒邊界密度)，方法 B 分析在圖2B中得到的微結(jié)構(gòu)的主要α相的晶粒邊界的圖像(0.53μπι / μ m2)。
[0068]圖11.在0.8的真實(shí)應(yīng)變下流動(dòng)應(yīng)力與在5xl0_4 / S和lxl0_4 / S下測(cè)試的溫度的倒數(shù)I / T之間的關(guān)系。
[0069]圖12A.標(biāo)準(zhǔn)晶粒的Ti_54M板的微結(jié)構(gòu)。
[0070]圖12B.細(xì)晶粒的Ti_54M板的微結(jié)構(gòu)。
[0071]圖13.在升高的溫度下，T1-54M(SG)和(FG)之間的總伸長(zhǎng)率比較。
[0072]圖14A.在1500° F(815°C )下測(cè)試的Ti_54M(FG)的拉伸測(cè)試樣品的表現(xiàn)。
[0073]圖14B.在1400° F(760°C )下測(cè)試的Ti_54M(FG)的拉伸測(cè)試樣品的表現(xiàn)。
[0074]圖15A.由跳躍應(yīng)變速率測(cè)試得到的標(biāo)準(zhǔn)晶粒的Ti_54M的流動(dòng)曲線(xiàn)。
[0075]圖15B.由跳躍應(yīng)變速率測(cè)試得到的細(xì)晶粒的Ti_54M的流動(dòng)曲線(xiàn)。
[0076]圖16.在多個(gè)測(cè)試溫度和應(yīng)變速率下對(duì)Ti_54M(FG)材料測(cè)量的平均應(yīng)變速率靈敏度(m-值)。
[0077]圖17.在Ti_54M(F G)材料的真實(shí)應(yīng)變=0.2的情況下，溫度和應(yīng)變速率對(duì)于流動(dòng)應(yīng)力的影響。
[0078]圖18A.T1-54M(SG) 1350° F(732°C )在SPF試樣測(cè)試之后收縮斷面的截面的微結(jié)構(gòu)。
[0079]圖18B.T1-54M(SG) 1450° F(788°C )在SPF試樣測(cè)試之后收縮斷面的截面的微結(jié)構(gòu)。
[0080]圖18C.T1-54M(FG) 1350° F(732°C )在SPF試樣測(cè)試之后收縮斷面的截面的微結(jié)構(gòu)。
[0081]圖18D.T1-54M(FG) 1450° F(788°C )在SPF試樣測(cè)試之后收縮斷面的截面的微結(jié)構(gòu)。
[0082]圖19.在真實(shí)應(yīng)變=0.2下，Ti_54M和Ti_64之間的流動(dòng)應(yīng)力的比較。
[0083]圖20A.細(xì)晶粒的Ti_54M材料的微結(jié)構(gòu)。在0.180”厚度的板上平均α粒度測(cè)定為 2.0 μ m。
[0084]圖20B.細(xì)晶粒的Ti_54M材料的微結(jié)構(gòu)。在0.100”厚度的板上平均α粒度測(cè)定為 2.4 μ m。
[0085]圖20C.細(xì)晶粒的Ti_54M材料的微結(jié)構(gòu)。在0.040”厚度的板上平均α粒度測(cè)定為 4.9 μ m。
[0086]圖21.通過(guò)跳躍應(yīng)變速率測(cè)試得到的流動(dòng)曲線(xiàn)顯示按照本發(fā)明的實(shí)施方式加工的T1-54M相比T1-64有明顯較低和穩(wěn)定的流動(dòng)應(yīng)力。
[0087]圖22L 在 14δ0。F(788°C )下輥軋和在 I35CT F(732°C )下退火的 Ti_54M 板上觀(guān)察到的微結(jié)構(gòu)。
[0088]圖MB.在 14δ0。F(788°C )下輥軋和在 14δ0。F(788°C )下退火的 Ti_54M 板上觀(guān)察到的微結(jié)構(gòu)。
[0089]圖22C.在 14δ0。F(788°C )下輥軋和在 1550。F(843°C )下退火的 Ti_54M 板上觀(guān)察到的微結(jié)構(gòu)。[0090]圖23A.在 1550。F(843°C )下輥軋和在 1350。F(732°C )下退火的 Ti_54M 板上觀(guān)察到的微結(jié)構(gòu)。
[0091]圖23B.在 1550。F(843°C )下輥軋和在 1450。F(788°C )下退火的 Ti_54M板上觀(guān)察到的微結(jié)構(gòu)。
[0092]圖23C.在 1550。F(843°C )下輥軋和在 1550。F(843°C )下退火的 Ti_54M 板上觀(guān)察到的微結(jié)構(gòu)。
[0093]圖24A.在 1650。F(899°C )下輥軋和在 1350。F(732°C )下退火的 Ti_54M 板上觀(guān)察到的微結(jié)構(gòu)。
[0094]圖24B.在 1650。F(899°C )下輥軋和在 1450。F(788°C )下退火的 Ti_54M 板上觀(guān)察到的微結(jié)構(gòu)。
[0095]圖24C.在 1650。F(8"°C )下輥軋和在 1550。F(843°C )下退火的 Ti_54M 板上觀(guān)察到的微結(jié)構(gòu)。
[0096]圖25.顯示α粒度和輥軋溫度之間的關(guān)系圖。
[0097]圖26.顯示研磨分離力(mill separating force)和棍軋溫度之間的關(guān)系圖。[0098]發(fā)明詳述
[0099]本發(fā)明涉及制造能夠低溫SPF操作的鈦合金板的方法。通過(guò)具體合金化學(xué)和板輥軋加工的組合實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方法。所述方法包括以下步驟
[0100]a.將鈦坯煅造成板條，中間厚度的板；
[0101]b.加熱所述的板條至高于β轉(zhuǎn)化的溫度，然后冷卻；
[0102]c.加熱板條，然后熱軋成中間厚度的板；
[0103]d.加熱中間厚度的板，然后熱軋成最終厚度的板；
[0104]e.退火最終厚度的板，然后冷卻；以及
[0105]f.研磨經(jīng)退火的板，然后酸洗。
[0106]步驟A-板備
[0107]在優(yōu)選的實(shí)施方式中，根據(jù)完成的厚度板的厚度，步驟(a)的板條具有約
0.2” (0.51cm)-約1.5” (3.8cm)的厚度。在本實(shí)施方式的變體中，步驟(a)的板條能夠是約 0.2”、約 0.3”、約 0.4”、約 0.5”、約 0.6”、約 0.7”、約 0.8”、約 0.9”、約 1.0”、約 1.1”、約
1.2”、約1.3”、約1.4”、約1.5”或之間的任意增量。在步驟(a)中的板條的厚度通常基于需要的最終厚度選擇。
[0108]步驟B — β驟冷
[0109]在優(yōu)選的實(shí)施方式中，優(yōu)選在比β轉(zhuǎn)化高約100° F(37.8°C)_約250° F(121°C)之間的溫度下實(shí)施步驟(b)中的板條的加熱。在這個(gè)實(shí)施方式的一個(gè)變體中，在比β轉(zhuǎn)化高約125° F(51.7°C)_約225° F(107°C )之間的溫度下實(shí)施所述的加熱步驟。在其他變體中，在比β轉(zhuǎn)化高約150° F(65.6V )和約200° F(93.3°C )之間的溫度下實(shí)施所述的加熱步驟。在一個(gè)具體的實(shí)施方式中，在比β轉(zhuǎn)化高約175° F(79.4°C)的溫度下實(shí)施所述的加熱步驟。
[0110]在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，在步驟(b)中板條的加熱維持加熱約15-約30分鐘。在這個(gè)實(shí)施方式的一個(gè)變體中，加熱所述板條約20分鐘。在這個(gè)實(shí)施方式的另一個(gè)變體中，加熱所述板條約25分鐘。[0111]能夠在環(huán)境氣氛下通過(guò)增加氬氣壓力或通過(guò)水冷卻實(shí)施在步驟(b)中的冷卻步驟。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，通過(guò)風(fēng)扇冷卻實(shí)施或加速在步驟(b)中的冷卻。根據(jù)所述板條的厚度，水驟冷可被用于厚的板條(通常在約0.5”的厚度以上)。風(fēng)扇冷卻可能對(duì)于較薄的板條是足夠的(通常低于約0.5”的厚度)。如果冷卻速率太慢，在冷卻之后會(huì)形成具有厚α -條的結(jié)構(gòu)，其會(huì)在中間輥軋或最后輥軋中阻止材料形成細(xì)晶粒。
[0112]步驟C-中間熱乳
[0113]在優(yōu)選的實(shí)施方式中，在約1400° F(760°C )_約1550° F(843°C )之間的溫度下實(shí)施在步驟(c)中的板條的加熱。在這個(gè)實(shí)施方式的變體中，在約1450° F(788°C)_約1500° F(816°C )之間的溫度下實(shí)施所述的加熱步驟。在一個(gè)具體的實(shí)施方式中，在約1475° F(802°C)的溫度下實(shí)施所述的加熱步驟。 [0114]如果加熱溫度過(guò)高，可能發(fā)生晶粒變粗造成甚至在熱軋之后的粗晶粒結(jié)構(gòu)。如果加熱溫度太低，材料的流動(dòng)應(yīng)力增加造成軋機(jī)過(guò)載。優(yōu)選用級(jí)聯(lián)輥軋方法實(shí)施熱軋而不用在每次通過(guò)之后再加熱。鋼包裝能夠，但不必須用于這個(gè)中間熱軋。然而，如果需要，能夠進(jìn)行再加熱。
[0115]在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，在步驟(C)中的板條被加熱維持約30分鐘-約I小時(shí)。在這個(gè)實(shí)施方式的變體中，加熱所述板條約40分鐘-約50分鐘。在這個(gè)實(shí)施方式的另一個(gè)變體中，加熱所述板條約45分鐘。
[0116]在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，中間厚度(在步驟c中形成)具有約0.10”(0.3cm)-約0.60”(1.5cm)的厚度。在這個(gè)實(shí)施方式的變體中，中間厚度具有約0.10”、約0.20”、約0.30”、約0.40”、約0.50”、約0.60”或之間的任意增量。中間厚度板的厚度通常根據(jù)需要
的最終厚度選擇。
[0117]在步驟(C)中的減少量(reduction)被定義為(Ho-Hf) / Ho*100,其中Ho是輸入的板的厚度而Hf是完成的厚度板(finished gage)的厚度。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，步驟(c)的熱軋步驟具有控制在約40%-約80%的總減少量。在這個(gè)實(shí)施方式的變體中，熱軋步驟(c)具有控制在約60%-約70%的總減少量。在這個(gè)實(shí)施方式的其他變體中，所述熱軋步驟(c)具有控制在約40 %、45 %、50 %、約55 %、約60 %、約65 %、約70 %、約75 %或約80%的總減少量。
[0118]在步驟(c)中的加熱和輥軋之后，中間厚度的板能直接進(jìn)行最后的熱軋步驟(步驟d)或其能在進(jìn)行之前通過(guò)許多方法冷卻。例如，能夠使用環(huán)境氣氛通過(guò)增加氬氣壓力或通過(guò)水冷卻來(lái)冷卻中間厚度的板。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，通過(guò)環(huán)境氛圍實(shí)施冷卻。
[0119]步驟D-最后的熱乳
[0120]在優(yōu)選的實(shí)施方式中，在約1400 ° F(760°C )_約1550 ° F(843°C)之間的溫度下實(shí)施在步驟⑷中的中間厚度的板的加熱。在這個(gè)實(shí)施方式的變體中，在約1450° F(788°C )_約1500° F(816°C )之間的溫度下實(shí)施所述的加熱步驟。在一個(gè)具體的實(shí)施方式中，在約1475° F(802°C)的溫度下實(shí)施所述的加熱步驟。
[0121]如果加熱溫度過(guò)高，發(fā)生晶粒變粗造成粗晶粒結(jié)構(gòu)。如果加熱溫度太低，材料的流動(dòng)應(yīng)力增加造成軋機(jī)過(guò)載。應(yīng)該用級(jí)聯(lián)輥軋方法實(shí)施最終的熱軋而不用在每次通過(guò)之后再加熱。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，用與步驟(C)的輥軋方向相垂直的輥軋方向進(jìn)行步驟(d)的熱軋。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，步驟(d)的熱軋采用鋼包裝以避免在輥軋中的過(guò)度熱損失。
[0122]在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，在步驟(d)中的中間厚度的板被加熱維持約30分鐘-約3小時(shí)。在這個(gè)實(shí)施方式的變體中，加熱所述板條約I小時(shí)-約2小時(shí)。在這個(gè)實(shí)施方式的另一個(gè)變體中，加熱所述板條約I小時(shí)30分鐘。
[0123]在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，最終厚度的板(在步驟d中形成)具有約0.01”(0.025cm)-約0.20”(0.51cm)的厚度。在這個(gè)實(shí)施方式的變體中，最終厚度的板具有約0.025”-約0.15”的厚度。在這個(gè)實(shí)施方式的其他變體中，最終厚度的板具有約0.05”-約0.1”的厚度。在這個(gè)實(shí)施方式的其他變體中，最終厚度的板具有約0.010”、約0.020”、約 0.030”、約 0.040”、約 0.050”、約 0.060”、約 0.070”、約 0.080”、約 0.090”、約0.100”、約 0.110”、約 0.120”、約 0.130”、約 0.140”、約 0.150”、約 0.160”、約 0.170”、約0.180”、約0.190”、約0.200”或之間的任意增量。最終需要的厚度的板的厚度通常根據(jù)合金的最終應(yīng)用選擇。
[0124]在步驟(d)中的減少量被定義為(Ho-Hf) / Ho*100，其中Ho是輸入的板的厚度而Hf是完成的厚度板的厚度。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，(d)的熱軋步驟具有控制在約40%-約75%的總減少量。在這個(gè)實(shí)施方式的變體中，熱軋步驟(d)具有控制在約50%-約60%的總減少量。在這個(gè)實(shí)施方式的其他變體中，所述熱軋步驟(c)具有控制在約45%、約50%、約55%、約60%、約65%、約70%或約75%的總減少量。
[0125]在步驟(d)中的加熱和輥軋之后，最終厚度的板能直接進(jìn)行退火步驟(步驟e)或其能在進(jìn)行之前的通過(guò)許多方法冷卻。例如，能夠使用環(huán)境氣氛通過(guò)增加氬氣壓力或通過(guò)水冷卻來(lái)冷卻最終厚度的板。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，通過(guò)環(huán)境氛圍實(shí)施冷卻。
[0126]步驟E-退火
[0127]在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，在約1300° F(704°C )_約1550° F(843°C)之間的溫度下實(shí)施在步驟(e)中的最終厚度的板的加熱。在這個(gè)實(shí)施方式的一個(gè)變體中，在約1350° F(732°C )_約1500° F(816°C )之間的溫度下實(shí)施所述的加熱步驟。在這個(gè)實(shí)施方式的另一個(gè)變體中，在約1400° F(760°C )_約1450° F(788°C )之間的溫度下實(shí)施所述的加熱步驟。在這個(gè)實(shí)施方式的另一個(gè)變體中，在約1300° F(704°C )_約1400° F(760°C )之間的溫度下實(shí)施所述的加熱步驟。在一個(gè)具體的實(shí)施方式中，在約1425° F(774°C)的溫度下實(shí)施所述的加熱步驟。
[0128]如果退火溫度過(guò)低，來(lái)自熱軋的壓力不會(huì)被釋放并且輥軋的微結(jié)構(gòu)不會(huì)完全恢復(fù)。
[0129]在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，在步驟(e)中的最終厚度的板被加熱維持約30分鐘-約I小時(shí)。在這個(gè)實(shí)施方式的變體中,加熱所述板條約40分鐘-約50分鐘。在這個(gè)實(shí)施方式的另一個(gè)變體中，加熱所述板條約45分鐘。
[0130]能夠在環(huán)境氣氛下通過(guò)增加氬氣壓力或通過(guò)水冷卻實(shí)施在步驟(e)中的冷卻步驟。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，通過(guò)環(huán)境氛圍實(shí)施步驟(e)中的冷卻。
[0131]步驟F
[0132]通過(guò)任意合適的研磨機(jī)實(shí)施步驟(f)中的經(jīng)退火的厚度板的研磨。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，通過(guò)板磨機(jī)實(shí)施所述研磨。
[0133]在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，對(duì)步驟(f)中的經(jīng)退火的厚度板進(jìn)行酸洗，以去除在研磨步驟之后的熱-機(jī)械加工中形成的氧化物和α層。
[0134]在一個(gè)實(shí)施方式中，所述鈦合金是Ti_54M，其先前已經(jīng)在Kosaka等的題為“ α —β T1-Al-V-Mo-Fe 合金(Alpha-Beta T1-Al-V-Mo-Fe Alloy) ” 的美國(guó)專(zhuān)利號(hào) 6，786，985 中描述，其通過(guò)引用全文結(jié)合入本說(shuō)明書(shū)。
[0135]實(shí)施例1
[0136]研究了T1-54M(T1-5Al-4V-0.6Mo_0.4Fe)板的超塑性形成(SPF)特性。在 750°C和850°C之間的溫度下，在10_3 / S的應(yīng)變速率下，T1-54M的總伸長(zhǎng)率超過(guò)500%。在730°C _900°C范圍的溫度下，在5xl0_4 / S或Ixl0_4 / S的應(yīng)變速率下，由跳躍應(yīng)變速率測(cè)試得到的應(yīng)變速率靈敏度的值(m-值)為0.45-約0.6。所述合金的流動(dòng)應(yīng)力比T1-6A1-4V(T1-64)研磨退火板的流動(dòng)應(yīng)力低約20% -約40%。在測(cè)試后觀(guān)察到的微結(jié)構(gòu)揭示了在寬范圍的溫度和應(yīng)變速率下晶粒邊界滑移的指示。
[0137]材料
[0138]—片Ti_54M生產(chǎn)還被用于本實(shí)驗(yàn)。使用成為方法A和方法B的不同的熱-機(jī)械加工過(guò)程在實(shí)驗(yàn)室裝置中生產(chǎn)兩塊T1-54M板0.375” (0.95cm)。評(píng)估Ti_64生產(chǎn)板樣品
0.375”(0.95cm)用于比較。所述材料的化學(xué)組成示于表1。能夠看出，相比Ti_64，較高濃度β穩(wěn)定劑的T1-54M含有較低的Al含量。一般T1-54M板的室溫拉伸性質(zhì)示于表2。
[0139]表1.用于SPF評(píng)估的板的化學(xué)組成。[重量％ ]
[0140]
【權(quán)利要求】
1.一種通過(guò)熱軋加工生產(chǎn)細(xì)晶粒鈦合金板的方法，所述方法包括， a.將鈦合金坯煅造成板條，中間厚度的板； b.加熱所述板條至比β轉(zhuǎn)化的溫度高約100°F-約250° F的溫度，維持約15-約30分鐘，然后冷卻；c.加熱所述板條至約1400°F-約1550° F之間的溫度，然后熱軋成中間厚度的板； d.加熱所述中間厚度的板至約1400°F-約1550° F之間的溫度，然后熱軋成最終厚度的板； e.退火所述最終厚度的板至約1300°F-約1550° F的溫度，維持約30分鐘-約I小時(shí)，然后冷卻；以及 f.用板磨機(jī)研磨經(jīng)退火的厚度板，然后酸洗以去除在熱-機(jī)械加工中形成的氧化物和α相。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述鈦合金是Ti_54M。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，根據(jù)完成的厚度板的厚度，步驟a的所述板條具有約0.2"-約1.5"的厚度。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，通過(guò)風(fēng)扇冷卻實(shí)施或加速所述冷卻步驟b。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟c的熱軋具有控制在約40%-約80%之間的總減少量。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述減少量被定義為(Ho-Hf)/ Ho*100，其中Ho是輸入的板的厚度而Hf是完成的厚度板的厚度。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，用與步驟c的輥軋方向相垂直的輥軋方向?qū)嵤┎襟Ed的熱軋。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，d的熱軋步驟具有控制在約40%-約75%之間的總減少量。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述減少量被定義為(Ho-Hf)/ Ho*100，其中Ho是輸入的板的厚度而Hf是完成的厚度板的厚度。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟d的熱軋采用鋼包裝以避免在輥軋中的過(guò)度熱損失。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在空氣氛圍下實(shí)施步驟e的冷卻。
12.—種通過(guò)熱軋加工生產(chǎn)細(xì)晶粒T1-54M板的方法，所述方法包括， a.將T1-54M坯煅造成板條，中間厚度的板； b.加熱所述板條至比β轉(zhuǎn)化的溫度高約100°F-約250° F的溫度，維持約15-約30分鐘，然后冷卻；c.加熱所述板條至約1400°F-約1550° F之間的溫度，然后熱軋成中間厚度的板； d.加熱所 述中間厚度的板至約1400°F-約1550° F之間的溫度，然后熱軋成最終厚度的板； e.退火所述最終厚度的板至約1300°F-約1400° F之間的溫度，維持約30分鐘-約I小時(shí)，然后冷卻；以及 f.用板磨機(jī)研磨經(jīng)退火的厚度板，然后酸洗以去除在熱-機(jī)械加工中形成的氧化物和α相。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，根據(jù)完成的厚度板的厚度，步驟a的所述板條具有約0.2"-約1.5"的厚度。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，通過(guò)風(fēng)扇冷卻實(shí)施或加速所述冷卻步驟b0
15.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，步驟c的熱軋具有控制在約40%-約80%之間的總減少量。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述減少量被定義為(Ho-Hf)/ Ho*100，其中Ho是輸入的板的厚度而Hf是完成的厚度板的厚度。
17.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，用與步驟c的輥軋方向相垂直的輥軋方向進(jìn)行步驟d的所述熱軋。
18.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，步驟d的熱軋具有控制在約40%-約75%之間的總減少量。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，所述減少量被定義為(Ho— Hf) /Ho*100，其中Ho是輸入的板的厚度而Hf是完成的厚度板的厚度。
20.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，步驟d的熱軋采用鋼包裝以避免在輥軋中的過(guò)度熱損失。
21.如權(quán)利要求12所述的方法`，其特征在于，在空氣氛圍下實(shí)施步驟e的冷卻。
【文檔編號(hào)】C22C14/00GK103732770SQ201280029491
【公開(kāi)日】2014年4月16日 申請(qǐng)日期:2012年6月17日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月17日
【發(fā)明者】高坂洋司, P·古蒂帕提 申請(qǐng)人:鈦金屬公司