具有改良性能的鈦合金的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有高強(qiáng)度、細(xì)小晶粒尺寸、和低成本的鈦合金，以及制造所述鈦合金的方法。具體地，本發(fā)明的合金提供了比Ti6-4增加100MPa強(qiáng)度，且具有類似的密度和接近相等的延展性。本發(fā)明的合金特別適用于包括飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)組件的各種應(yīng)用中。所述Ti合金包括以重量百分比計(jì)，約6.0-6.7％的鋁，約1.4-2.0％的釩，約1.4-2.0％的鉬，約0.20-0.42％的硅，約0.17-0.23％的氧，最大約0.24％的鐵，最大約0.08％的碳，以及附帶雜質(zhì)的余量鈦。
【專利說明】具有改良性能的鈦合金
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求2012年I月12日提交的美國申請(qǐng)N0.13/349483和2012年2月17日提交的英國專利申請(qǐng)N0.1202769.4的優(yōu)先權(quán)，如在本說明書中充分提到，上述申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容在此以引文形式并入。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本公開文本通常涉及鈦(Ti)合金。具體而言，描述了具有相對(duì)低成本且改善機(jī)械性能的ct-β的Ti合金，以及制造該Ti合金的方法。

【背景技術(shù)】
[0004]在要求高強(qiáng)度重量比、良好的抗腐蝕性、以及在更高的溫度下這些性能的保持度的應(yīng)用中，已經(jīng)廣泛使用Ti合金。盡管具有這些優(yōu)勢(shì)，與鋼鐵和其它合金相比，Ti合金較高的原料和生產(chǎn)成本嚴(yán)格限制了其在對(duì)于提高效率和性能的需要遠(yuǎn)高于其相對(duì)較高成本中的應(yīng)用。受益于以各種加工方式加入Ti合金的一些典型應(yīng)用包括但不限于:航空發(fā)動(dòng)機(jī)盤、套管、風(fēng)扇和壓縮機(jī)扇葉；飛機(jī)機(jī)身組件；外科手術(shù)組件；裝甲板和各種工業(yè)/工程應(yīng)用。
[0005]已被成功的用于各種應(yīng)用的常規(guī)Ti基合金是T1-6A1_4V，又名Ti 6_4。顧名思義，這種Ti合金通常包括6wt.%的鋁(Al)和4wt.%的釩(V)。Ti6-4也通常包括至多0.30wt.%的鐵(Fe)和至多0.3 0wt.%的氧(O)。Τ?6-4已經(jīng)成為鈦合金“主力”，其中在中等溫度下強(qiáng)度/重量比是材料選擇的關(guān)鍵參數(shù)。Τ?6-4的性能平衡，適用于各種各樣的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的結(jié)構(gòu)應(yīng)用中，其能夠被穩(wěn)妥的加工來提供穩(wěn)定的性能，且其相對(duì)便宜。
[0006]目前，航空公司對(duì)于降低大氣排放和噪音，降低燃料成本和降低維護(hù)和備件成本的需要推動(dòng)了新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)。發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)商通過具有更高旁通比、壓縮機(jī)中更高壓力、渦輪機(jī)中更高溫度的發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)回應(yīng)他們之間的競(jìng)爭(zhēng)。這些增強(qiáng)的機(jī)械性能需要合金具有比Ti6-4更高強(qiáng)度，但是具有相同的密度和接近相等的延展性。
[0007]其他合金，如TIMETAL?550(T1-4.0A1-4.0Mo-2.0Sn-0.5Si)和 VT8 (T1-6.0A1-3.2Mo-0.4Fe-0.3Si_0.150)，與Ti6_4相比，從合金中包含的硅獲得接近10MPa的強(qiáng)度。但是，這些合金與Ti6-4相比具有更高的密度和更高的生產(chǎn)成本，因?yàn)椴挥免C而使用鑰作為主要β穩(wěn)定元素。附加費(fèi)用的升高不僅因?yàn)殍€相對(duì)于釩具有更高價(jià)格，還因?yàn)樵谶@些合金中包含了作為原材料的Ti6-4切屑和加工碎屑。
[0008]因此，工業(yè)上需要提供一種與Ti6_4相比，具有更高強(qiáng)度、更細(xì)小晶粒尺寸和特別改良的低周疲勞壽命的成本效益好的合金。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明公開了一種具有高強(qiáng)度、細(xì)小晶粒尺寸、和低成本的鈦合金，以及制造該鈦合金的方法。具體而言，本發(fā)明的合金提供了與Ti6-4相比，增加10MPa的強(qiáng)度，且具有類似的密度和接近相等的延展性。所述強(qiáng)度和延展性的改良組合在高應(yīng)變率下得以保持。與Ti6-4相比，本發(fā)明合金的高強(qiáng)度使其能夠獲得明顯增加的壽命，使其在給定壓力的低周疲勞負(fù)載下失效。本發(fā)明的合金特別適用于包括飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)組件的多種應(yīng)用中。本發(fā)明的合金在整個(gè)公開中被稱為“本發(fā)明合金”或“Ti639”。
[0010]本發(fā)明的Ti合金包括，以重量百分比計(jì)，約6.0-6.7%的鋁，約1.4-2.0%的釩，約1.4-2.0 %的鑰，約0.20-0.42 %的硅，約0.17-0.23 %的氧，最高約0.24 %的鐵，最高約0.08%的碳，以及附帶雜質(zhì)的余量鈦。優(yōu)選地，本發(fā)明Ti合金包括，以重量百分比計(jì)，約6.0-6.7%的鋁，約1.4-2.0 %的釩，約1.4-2.0%的鑰，約0.20-0.42%的硅，約0.17-0.23%的氧，約0.1-0.24%的鐵，最高約0.08%的碳，以及附帶雜質(zhì)的余量鈦。更優(yōu)選，所述合金包括約6.3-6.7%的鋁，約1.5-1.9%的釩，約1.5-1.9%的鑰，約0.33-0.39%的硅，約0.18-0.21%的氧，0.1-0.2%的鐵，0.01-0.05%的碳，以及附帶雜質(zhì)的余量鈦。再更優(yōu)選地，本發(fā)明的Ti合金包括以重量百分比計(jì)，約6.5%的鋁，約1.7%的釩，約1.7%的鑰，約0.36%的硅，約0.2%的氧，約0.16%的鐵，約0.03%的碳，以及附帶雜質(zhì)的余量鈦。
[0011]本發(fā)明的Ti合金也可以包括附帶雜質(zhì)或其它添加的元素，如Co、Cr、Cu、Ga、Hf、Mn、N、Nb、N1、S、Sn、P、Ta、和Zr，對(duì)于每個(gè)元素，其濃度與雜質(zhì)的水平相關(guān)聯(lián)。任意一種附帶雜質(zhì)元素或其它添加元素的最大濃度優(yōu)選為約0.1wt.%，且所有雜質(zhì)和/或添加元素組合的濃度優(yōu)選總體不超過約0.4wt.%。
[0012]根據(jù)本發(fā)明公開的合金基本上由列舉的元素構(gòu)成。將理解的是，除了這些必須加入的元素，也可以在組分中加入其它非特定的元素，只要這些元素的存在并沒有對(duì)組分的基本性能有實(shí)質(zhì)的影響。。
[0013]具有公開組分的本發(fā)明合金在縱向和橫向兩個(gè)方向上具有拉伸屈服強(qiáng)度(TYS)至少為約145ksi (100MPa)和極限拉伸強(qiáng)度(UTS)至少為約160ksi (1103MPa)，且當(dāng)使用ASTM E8標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估時(shí)，斷面縮減(RA)至少為約25%且伸長(zhǎng)量(EI)至少為約10%。
[0014]本發(fā)明的Ti合金能夠制成最普通的產(chǎn)品形式，包括坯狀、棒狀，線狀、板狀和片狀。所述Ti合金能夠軋成具有厚度為0.020英寸(0.508mm)-4英寸(101.6mm)的板。在具體的應(yīng)用中，本發(fā)明的合金可以制成具有厚度為約0.8英寸(20.23_)的板。
[0015]本發(fā)明也描述了制造本發(fā)明合金的方法，其包括:以重量百分比計(jì)，約6.0-6.7%的鋁，約1.4-2.0 %的釩，約1.4-2.0 %的鑰，約0.20-0.42 %的硅，約0.17-0.23 %的氧，約0.1-0.24%的鐵，最高約0.08%的碳，以及附帶雜質(zhì)的余量鈦。優(yōu)選地，Ti合金通過在冷卻的床式反射爐中熔融包括適量比例的鋁、釩、鑰、硅、氧、鐵、碳和鈦的回收和/或原材料的組合來形成熔態(tài)合金，并向模具中鑄造所述熔態(tài)合金。所述回收材料可以包括，例如Ti6-4的切屑和加工碎屑以及工業(yè)純(CP)的鈦廢料。原材料可以包括例如海綿鈦、鐵粉和鋁珠。任選地，回收材料可以包括Ti6-4的切屑、海綿鈦、和/或主合金、鐵和鋁珠的組合。
[0016]當(dāng)滿足或超過航天工業(yè)使用的Ti6_4的機(jī)械性能時(shí)，在此說明書中公開的本發(fā)明合金提供了常規(guī)Ti6-4合金的類似替換。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017] 附圖，并入此公開文本并作為其一部分，圖解了所公開發(fā)明的示意性實(shí)施例并用于解釋所公開發(fā)明的原理。
[0018]圖1是圖解根據(jù)本發(fā)明公開文本的實(shí)施方案的本發(fā)明的合金的制備方法的流程圖。
[0019]圖2A是Ti6_4合金的顯微照片。
[0020]圖2B是包含T1-6A1_2.6V-1Mo的對(duì)照合金的顯微照片。
[0021]圖2C是包含T1-6A1_2.6V-lMo_0.5Si的對(duì)照合金的顯微照片。
[0022]圖2D是根據(jù)本公開文本的示意性實(shí)施方案的Ti合金的顯微照片。
[0023]圖3是圖解基于合金的組成影響合金各種性能的考慮因素的示意圖。
[0024]圖4是顯示使用沿著橫穿板的最終延展方向取得的本發(fā)明合金的平滑實(shí)驗(yàn)片與Τ?6-4相比的室溫低周疲勞結(jié)果曲線圖。
[0025]圖5是顯示使用沿著橫穿板的最終延展方向取得的本發(fā)明合金的缺口實(shí)驗(yàn)片與Τ?6-4相比的室溫低周疲勞結(jié)果曲線圖。
[0026]圖6是顯示使用沿著縱穿板的最終延展方向取得的本發(fā)明合金的平滑實(shí)驗(yàn)片與Τ?6-4相比的室溫低周疲勞結(jié)果曲線圖。
[0027]圖7是顯示使用沿著縱穿板的最終延展方向取得的本發(fā)明合金的缺口實(shí)驗(yàn)片與Τ?6-4相比的室溫低周疲勞結(jié)果曲線圖。
[0028]圖8是顯示與Ti6_4相比本發(fā)明合金的高應(yīng)變率的曲線圖。
[0029]除非另加說明，所有附圖中同樣的引用數(shù)字和字母都用于表示所述實(shí)施方案的如特征、元素、組分或部分。當(dāng)參考附圖表示所公開的發(fā)明時(shí)，其與所示實(shí)施方案相聯(lián)系如上進(jìn)行。

【具體實(shí)施方式】
[0030]本發(fā)明描述了具有良好機(jī)械性能的典型Ti合金，其使用合理的低成本材料形成。與Ti6-4相比，這些Ti合金尤其適用于包括飛機(jī)組件的多種應(yīng)用中，所述組件要求更高強(qiáng)度和低周疲勞抗性，這些應(yīng)用包括但不限于扇葉、盤、套管、塔橋結(jié)構(gòu)或飛機(jī)起落架。任選地，所述Ti合金適于使用鈦合金的一般工程組件，其中更高的強(qiáng)度質(zhì)量比將是有益的。本發(fā)明的合金在整個(gè)公開中被稱為“本發(fā)明合金”或“Ti639”。
[0031]本發(fā)明的Ti合金包括以重量百分比計(jì)，約6.0-6.7%的鋁，約1.4-2.0%的釩，約1.4-2.0%的鑰，約0.20-0.42%的硅，約0.17-0.23%的氧，最高約0.24%的鐵，最高約0.08%的碳，以及附帶雜質(zhì)的余量鈦。優(yōu)選地，本發(fā)明的Ti合金包括，以重量百分比計(jì)，約6.0-6.7 %的鋁，約1.4-2.0 %的釩，約1.4-2.0 %的鑰，約0.20-0.42 %的硅，約0.17-0.23%的氧，約0.1-0.24%的鐵，最高約0.08%的碳，以及附帶雜質(zhì)的余量鈦。更優(yōu)選，所述合金包括約6.3-6.7%的鋁，約1.5-1.9%的釩，約1.5-1.9%的鑰，約0.33-0.39%的硅，約0.18-0.21%的氧，0.1-0.2%的鐵，0.01-0.05%的碳，以及附帶雜質(zhì)的余量鈦。甚至更優(yōu)選地，本發(fā)明的Ti合金包括以重量百分比計(jì)，約6.5%的鋁，約1.7%的釩，約1.7%的鑰，約0.36%的硅，約0.20%的氧，約0.16%的鐵，約0.03%的碳，以及附帶雜質(zhì)的余量鈦。
[0032]鋁作為鈦中的合金元素是α穩(wěn)定劑，其升高了 α相穩(wěn)定時(shí)的溫度。存在于本發(fā)明合金中鋁的重量百分比為約6.0-6.7%。具體而言，存在的鋁為約6.0、約6.1、約6.2、約
6.3、約6.4約6.5、約6.6或約6.7wt.%。優(yōu)選地，存在的鋁的重量百分比約為6.4-6.7%。甚至更優(yōu)選地，存在的鋁約為6.5 wt.%。如果鋁含量超過本說明書公開的上限，所述合金的可用性明顯下降且延展性和韌性變差。另一方面，鋁含量水平低于本說明書公開的下限時(shí)，不能獲得具有足夠強(qiáng)度的合金。
[0033]釩作為鈦中的合金元素是同晶型的β穩(wěn)定劑，其降低了 β轉(zhuǎn)化溫度。存在于本發(fā)明合金中釩的重量百分比為約1.4-2.0%。具體而言，存在的釩為約1.4，約1.5，約1.6，約1.7，約1.8，約1.9，或2.0wt.%。優(yōu)選地，存在的釩的重量百分比約為1.5-1.9%。更優(yōu)選地，存在的釩約為1.7wt.%。如果釩含量超過本說明書公開的上限，合金的β穩(wěn)定劑的含量將過高而導(dǎo)致相對(duì)于Ti6-4密度升高。同樣，如果釩的濃度相對(duì)于鑰含量增加，合金的初始α晶粒尺寸將增加。另一方面，使用釩的水平太低時(shí)，合金將趨于接近α，而非真正的α-β合金，導(dǎo)致合金強(qiáng)度和延展性變差。附圖3提供了優(yōu)化本發(fā)明合金中釩和鑰的含量的考量曲線圖。
[0034]鑰作為鈦中的合金元素是同晶型的β穩(wěn)定劑，其降低了 β轉(zhuǎn)化溫度。使用適量的鑰使初始α晶粒尺寸得到精制，可以提供與僅使用釩作為β穩(wěn)定元素的合金相比，改良的延展性和疲勞壽命。存在于本發(fā)明合金中鑰的重量百分比為約1.4-2.0%。具體而言，存在的鑰為約1.4，約1.5，約1.6，約1.7，約1.8，約1.9或約2.0wt.%。優(yōu)選地，存在的鑰的重量百分比為約1.5-1.9%。更優(yōu)選地，存在的鑰為約1.7wt.%。如果鑰含量超過本說明書公開的上限，將產(chǎn)生與Ti6-4相比，密度升高的技術(shù)缺陷，且由于Ti6-4作為工業(yè)鈦合金的優(yōu)越性導(dǎo)致大多數(shù)可加入鑄塊的廢料具有該組分，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)上和工業(yè)上的后果。由于限制合金中β穩(wěn)定劑的總含量來控制密度，限制加入β穩(wěn)定劑例如鑰的比例來優(yōu)化生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性。另一方面，使用鑰的水平低于本說明書公開的下限時(shí)，由于合金將接近α，而非真正的α而非合金，導(dǎo)致合金的強(qiáng)度和延展性變差。
[0035]硅作為鈦中的合金元素是共析體的β穩(wěn)定劑，其降低了 β轉(zhuǎn)化溫度。硅能夠增加鈦合金的強(qiáng)度且降低其密度。另外，尤其是當(dāng)優(yōu)化鑰和釩的平衡時(shí)，添加硅提供了所需的拉伸強(qiáng)度而未嚴(yán)重犧牲延展性。另外，硅提供了與Ti6-4相比，并類似于TIMETAL?550的在較高溫度下的拉伸性能。存在于本發(fā)明合金中硅的重量百分比為約0.2-0.42%。具體而言，存在的硅為約0.20，約0.22，約0.24，約0.26，約0.28，約0.30，約0.32，約0.34，約0.36，約0.38，約0.40，或約0.42wt.%。優(yōu)選地，存在的硅的重量百分比為約0.34-0.38%。更優(yōu)選地，存在的硅為約0.36wt.%。如果硅含量超過本說明書公開的上限，合金的延展性和韌性將會(huì)變差。另一方面，使用的硅的水平低于本說明書公開的下限時(shí)，能生產(chǎn)具有較差強(qiáng)度的合金。
[0036]鐵作為鈦中的合金元素是共析體的β穩(wěn)定劑，其降低了 β轉(zhuǎn)化溫度，且鐵在環(huán)境溫度下在鈦中是增強(qiáng)元素。存在于本發(fā)明合金中鐵的最大重量百分比為0.24%。具體而言，存在的鐵為約0.04，約0.8，約0.10，約0.12，約0.15，約0.16，約0.20，或約0.24wt.%。優(yōu)選地，存在的鐵的重量百分比為約0.10-0.20%。更優(yōu)選地，存在的鐵為約0.16wt.%。如果鐵含量超過本說明書公開的上限，合金將潛在易分離問題，并且延展性和韌性將會(huì)變差。另一方面，使用鐵的水平低于本說明書公開的下限時(shí)，生產(chǎn)的合金不能達(dá)到希望的高強(qiáng)度、深層硬化性以及優(yōu)越的延展性。
[0037]氧作為鈦中的合金元素是α穩(wěn)定劑，且氧在環(huán)境溫度下在鈦合金中是有效的增強(qiáng)元素。存在于本發(fā)明合金中氧的重量百分比為約0.17-0.23%。具體而言，存在的氧為約0.17，約0.18，約0.19，約0.20，約0.21，約0.22，或約0.23wt.%.。優(yōu)選地，存在的氧的重量百分比為約0.19-0.21%。更優(yōu)選地，存在的氧為約0.20wt.%。如果氧含量太低，則強(qiáng)度過低且Ti合金的成本升高因?yàn)閺U金屬將不適用于Ti合金的熔融。另一方面，如果氧含量過高，延展性、韌性和可成型性將變差。
[0038]碳作為鈦中的合金元素是α穩(wěn)定劑，其提高了 α相穩(wěn)定的溫度。存在于本發(fā)明合金中碳的最大重量百分比為約0.08%。具體而言，存在的碳為約0.01，約0.02，約0.03，約0.04，約0.05，約0.06，約0.07，或約0.08wt.%。優(yōu)選地，存在的碳的重量百分比為約0.01-0.05%。更優(yōu)選地，存在的碳為約0.03wt.%。如果碳含量過低，則合金的強(qiáng)度可過低且Ti合金的成本可升高因?yàn)閺U金屬將不適用于Ti合金的熔融。另一方面，如果碳含量太高，合金的延展性將降低。
[0039]根據(jù)本發(fā)明公開文本的合金基本上由列舉的元素構(gòu)成。將理解的是，除了這些必須加入的元素，可以在組合物中加入其它非特定的元素，只要這些元素的存在并沒有對(duì)組分的基本性能有實(shí)質(zhì)的影響。
[0040]本發(fā)明的Ti合金也可以包括附帶雜質(zhì)或其它添加的元素，如Co、Cr、Cu、Ga、Hf、Mn、N、Nb、N1、S、Sn、P、Ta、和Zr，對(duì)于每個(gè)元素，其濃度與雜質(zhì)的水平相關(guān)聯(lián)。任意一種附帶雜質(zhì)元素或其它添加元素的最大濃度優(yōu)選為約0.1wt.%，且所有雜質(zhì)和/或添加元素組合的濃度優(yōu)選總體不超過約0.4wt.%。
[0041]計(jì)算出本發(fā)明合金的密度為約0.1614磅/立方英寸(lb/in3) (4.47g/cm3)至約0.16391b/in3(4.54g/cm3)具有名義密度為約 0.16251b/in3(4.50g/cm3)。
[0042]本發(fā)明合金具有β轉(zhuǎn)變線約為1850 0F (1lO0C )-1904 0F (1040°C )。本發(fā)明合金的微觀結(jié)構(gòu)是在β轉(zhuǎn)變線下加工合金時(shí)顯示的。通常，本發(fā)明合金的微觀結(jié)構(gòu)具有初始α晶粒尺寸至少如Ti6_4 —樣細(xì)小或比Ti6_4更細(xì)小。具體而言，本發(fā)明合金的微觀結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)變的β相背景下(暗色背景)包括初始α相(白色晶粒)。優(yōu)選獲得的微觀結(jié)構(gòu)中主要α晶粒尺寸盡量細(xì)小，從而隨著改變組分增加合金強(qiáng)度的同時(shí)保持延展性。在一個(gè)實(shí)施方案中，初始α晶粒尺寸可小于約15μπι。
[0043]本發(fā)明Ti合金達(dá)到優(yōu)越的拉伸性能。例如，根據(jù)ASTM Ε8標(biāo)準(zhǔn)分析時(shí)，本發(fā)明Ti合金在橫向或縱向上具有拉伸屈服強(qiáng)度(TYS)至少為約145ksi (100MPa)和極限拉伸強(qiáng)度(UTS)至少為約160ksi(1103MPa)。另外，所述Ti合金具有至少約10%的伸長(zhǎng)量和至少約25%的斷面收縮率(RA)。
[0044]本發(fā)明的鈦合金具有2.6-4.0的鑰當(dāng)量(Moeq)，其中鑰當(dāng)量定義為=Moeq =Mo+0.67V+2.9Fe。在一個(gè)具體的應(yīng)用中，所述Moeq為3.3。
[0045]本發(fā)明的鈦合金具有10.6-約12.9的鋁當(dāng)量(Aleq)，其中鋁當(dāng)量定義為:Aleq =A1+270。在一個(gè)具體的應(yīng)用中，所述Aleq為11.9。
[0046] 另外，本發(fā)明合金表現(xiàn)出與Ti6_4相同延展性的同時(shí)保持其在高應(yīng)變率上優(yōu)于Ti6_4的強(qiáng)度。而且，彈道實(shí)驗(yàn)表明本發(fā)明合金表現(xiàn)出對(duì)模擬彈片的抗性大于或等于Ti6-4。具體而言,本發(fā)明合金在使用0.50Cal.(12.7mm)模擬彈片(Fragment SimulatingProjectiles) (FSP)的彈道實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出至少60fps的V50。在具體應(yīng)用中，本發(fā)明合金表現(xiàn)出至少80fps的V50。本發(fā)明合金也表現(xiàn)出與Ti6-4相比相似的斷裂韌性。與Ti6_4 —樣，根據(jù)材料的加工和加熱處理，認(rèn)為本發(fā)明合金能夠是一系列性能的組合。
[0047]本發(fā)明合金能夠制成不同的產(chǎn)品或具有多種用途的零件。例如，本發(fā)明的合金可以形成飛機(jī)組件如盤、套管、塔橋結(jié)構(gòu)或飛機(jī)起落架以及機(jī)動(dòng)車部件。在一個(gè)具體應(yīng)用中，本發(fā)明的合金用作扇葉。
[0048]本發(fā)明還公開了一種制造具有良好機(jī)械性能的Ti合金的方法。該方法包括以適當(dāng)?shù)谋壤廴谠辖M合來生產(chǎn)本發(fā)明的鈦合金，其包括，以重量計(jì)，約6.0-6.7 %的鋁，約1.4-2.0%的釩，約1.4-2.0%的鑰，約0.20-0.42%的硅，約0.17-0.23%的氧，約0.1-0.24%的鐵，最高約0.08%的碳，以及附帶雜質(zhì)的余量鈦。熔融可以在例如冷床爐中進(jìn)行，任選地隨后在真空電弧熔爐(VAR)中再熔融。任選地，鑄塊可以通過在VAR熔爐中多重熔融形成。原料可以包括回收和原材料的組合，如鈦廢料和海綿鈦與少量的鐵結(jié)合。在大多行情下，使用回收材料顯著節(jié)約成本。使用的回收材料可包括但不限于Ti 6-4、T1-10V-2Fe-3Al、其它T1-Al-V-Fe合金、和CP鈦。回收材料可以是加工碎屑(切屑)的形式、固體塊或再熔融的電極。使用的原材料可包括但不限于海綿鈦、鋁-釩；鋁-鑰；和鈦-硅主合金、鐵粉、硅顆粒、或鋁珠。由于T1-Al-V合金回收材料的使用允許減少使用鈦-釩主合金或不使用鈦-釩主合金，能夠顯著節(jié)約成本。然而，如果需要的話，也不排除使用和添加包括海綿鈦和合金元素的原材料而不是回收材料。
[0049]所述制造方法也能包括合金的熔融鑄塊，且依次在β轉(zhuǎn)化溫度以上和以下下鍛造本發(fā)明合金，隨后在β轉(zhuǎn)化溫度以下鍛造和/或軋制。在一個(gè)具體的應(yīng)用中，制造Ti合金的方法用于生產(chǎn)航天系統(tǒng)的組件，再更具體的是生產(chǎn)用于制造扇葉的板。
[0050]附圖1提供了顯示制造Ti合金示例方法的流程圖。首先，在步驟100中制備具有適當(dāng)濃度和比例的所需量的原材料。盡管回收材料可能與任意組成的原始材料任意組合，所述原料能夠包括回收材料。
[0051]制備后，在步驟110中溶融原材料并鑄造來生廣鑄塊。溶融可以通過例如VAR、等離子弧熔融、電子束熔融、自耗電極渣殼熔融或其結(jié)合進(jìn)行。在具體應(yīng)用中，雙重熔融鑄塊通過VAR制備，且直接在圓柱型熔爐中澆鑄。
[0052]在步驟120中，鑄塊進(jìn)行初步的鍛造或軋制。在β轉(zhuǎn)化溫度以上進(jìn)行初始鍛造和軋制。如果在這個(gè)步驟中實(shí)行軋制，隨后的軋制在縱向上實(shí)行。在具體的應(yīng)用中，鈦合金鑄塊加熱至β轉(zhuǎn)化溫度以上約40-200攝氏度之間，且鍛造分解鑄塊的鑄造組織并隨后冷卻。優(yōu)選地，鈦合金的鑄塊加熱至β轉(zhuǎn)變溫度以上約90-115攝氏度之間。甚至更優(yōu)選地，將鑄塊加熱至β轉(zhuǎn)變線以上約90攝氏度。
[0053]在任選的步驟130中，鑄塊在β轉(zhuǎn)化溫度以下再加熱，且鍛造使轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)變形。在一個(gè)具體應(yīng)用中，鑄塊在β轉(zhuǎn)變線以下約30-100攝氏度之間再加熱。優(yōu)選地，鑄塊在β轉(zhuǎn)變線以下約40-60攝氏度之間再加熱。更優(yōu)選地，鑄塊在β轉(zhuǎn)變線以下約50攝氏度再加熱。
[0054]下一步，在任選的步驟140中，鑄塊在β轉(zhuǎn)化溫度以上再加熱使β相重結(jié)晶，隨后鍛造至張力至少為百分之十并用水淬火。在一個(gè)具體的應(yīng)用中，鑄塊在β轉(zhuǎn)變線以上約30-150攝氏度之間再加熱。優(yōu)選地，鑄塊在β轉(zhuǎn)變線以上約40-60攝氏度之間再加熱。甚至更優(yōu)選地，鑄塊在β轉(zhuǎn)變溫度以上約45攝氏度再加熱。
[0055]在步驟150中，將鑄塊進(jìn)一步鍛造和/或軋制來制成板狀、棒狀或坯狀。如果通過步驟120、或任選步驟130或140制備鍛造鑄塊，將鍛造的鑄塊在β轉(zhuǎn)變溫度以下約30-100攝氏度之間再加熱并軋制成所需尺寸的板狀、棒狀或坯狀，如所需將金屬再加熱以獲得所需的尺寸和微觀結(jié)構(gòu)。在具體應(yīng)用中，將鑄塊在β轉(zhuǎn)變溫度以下30-100攝氏度之間再加熱。優(yōu)選地，鑄塊在β轉(zhuǎn)變線以下約40-60攝氏度之間再加熱。更優(yōu)選地，鑄塊在β轉(zhuǎn)變線以下約50攝氏度再加熱。
[0056]軋制板通常(但任選地)在至少兩個(gè)階段完成，以至于材料能夠在兩個(gè)階段之間被旋轉(zhuǎn)90度，從而促進(jìn)板的微觀結(jié)構(gòu)的發(fā)展。最后的鍛造和軋制在β轉(zhuǎn)化溫度以下進(jìn)行，在相對(duì)于鑄塊軸的橫向或縱向上進(jìn)行軋制。
[0057]鑄塊隨后在步驟160中退火，其優(yōu)選在β轉(zhuǎn)化溫度以下進(jìn)行。最后軋制的產(chǎn)品具有厚度的范圍是但不限于約0.020英寸(0.508mm)-4.0英寸(101.6mm)。在一些變化中，板的退火可以與板的約束一起進(jìn)行來確保板在冷卻后是要求的幾何形狀。在另一應(yīng)用中，板可以加熱到退火溫度隨后在退火前拉平。
[0058]在一些應(yīng)用中，車L制至約0.4英寸(10.16mm)以下樣板可以通過熱軋制來完成以生產(chǎn)圈形或條形產(chǎn)品。在再另一個(gè)應(yīng)用中，軋制薄樣板片產(chǎn)品可以通過熱軋制板材來完成，如單片或多片在鋼鐵包中包裝。
[0059]所述典型鈦合金及其制造方法的其它細(xì)節(jié)在下述實(shí)施例中描述。
[0060]典型實(shí)施方案
[0061]該部分提供的實(shí)施方案用于解釋說明所用的加工步驟、獲得的組分以及隨后根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案制備的Ti合金的性能。以下描述的Ti合金及其有關(guān)的制造方法將作為實(shí)施例而不用于限定本發(fā)明。
[0062]實(shí)施例1
[0063] 元素對(duì)Ti6_4某的影響
[0064] 首先制備一些具有本說明書公開的元素范圍之外組分的Ti合金，作為對(duì)照實(shí)施例。在評(píng)估包含于提供合金中元素的作用時(shí)，熔融兩個(gè)系列的200g金屬小塊且隨后(β隨后α / β )軋制成13mm的方條。獲得的結(jié)果在下表1中概括。
[0065]表1
[0066]

【權(quán)利要求】
1.一種鈦合金，包括以重量％計(jì)，約6.0-6.7的鋁，約1.4-2.0的釩，約1.4-2.0的鑰，約0.20-0.42的硅，約0.17-0.23的氧，至多約0.24的鐵，至多約0.08的碳，以及附帶雜質(zhì)的余量鈦。
2.一種鈦合金，包括以重量％計(jì)，約6.3-6.7的鋁，約1.5-1.9的釩，約1.5-1.9的鑰，約0.34-0.38的硅，約0.18-0.21的氧，0.1-0.2的鐵，0.01-0.05的碳，以及附帶雜質(zhì)的余量鈦。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦合金，其中鋁的重量％為約6.5。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦合金，其中釩的重量％為約1.7。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦合金，其中鑰的重量％為約1.7。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦合金，其中硅的重量％為約0.36。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦合金，其中氧的重量％為約0.20。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦合金，其中鐵的重量％為約0.16。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦合金，其中碳的重量％為約0.03。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的合金，其中存在于鈦合金中任一種雜質(zhì)兀素最大含量為0.1wt.%，且所有雜質(zhì)的組合含量小于或等于0.4wt.%。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的合金，其具有大于950MPa的UTS。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的合金，其具有約100MPa的拉伸屈服強(qiáng)度。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的合金，其具有至少約10%的伸長(zhǎng)量。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的合金，其具有至少約25%的斷面收縮率(RA)。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的合金，其具有2.6-4.0的鑰當(dāng)量(Mo』，其中鑰當(dāng)量定義為:Moeq = Mo+0.67V+2.9Fe。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的合金，其具有10.6-約12.9的鋁當(dāng)量(A1J，其中鋁當(dāng)量定義為:Aleq = A1+270。
17.包括權(quán)利要求1所述鈦合金的航空組件。
18.包括權(quán)利要求1所述鈦合金的扇葉。
19.一種鈦合金，包括以重量％計(jì)，約6.5的鋁，約1.7的銀，約1.7的鑰，約0.36的硅，約0.20的氧，約0.16的鐵，約0.03的碳，以及附帶雜質(zhì)的余量鈦。
20.—種制造鈦合金的方法,包括: a提供一種鈦合金，包括以重量％計(jì)，約6.0-6.7的鋁，約1.4-2.0的釩，約1.4-2.0的鑰，約0.20-0.42的硅，約0.17-0.23的氧，至多約0.24的鐵，至多約0.08的碳，以及附帶雜質(zhì)的余量鈦； b在β轉(zhuǎn)化溫度以 上40-200攝氏度之間進(jìn)行(a)合金的第一熱處理，且鍛造以破壞鑄塊的鑄造組織并隨后冷卻合金； c在β轉(zhuǎn)化溫度以下30-100攝氏度之間進(jìn)行(b)合金的第二熱處理，且將合金軋制成板狀、棒狀或還狀；且 d將(c)合金在β轉(zhuǎn)化溫度以下退火。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其還包括步驟:在步驟(b)中再加熱合金至β轉(zhuǎn)化溫度以上50-150攝氏度，使β相重結(jié)晶。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其還包括步驟:再加熱合金至β轉(zhuǎn)化溫度以上.30-150攝氏度，使β相重結(jié)晶，隨后鍛造拉伸至少百分之10并水淬火。
【文檔編號(hào)】C22C14/00GK104169449SQ201380013790
【公開日】2014年11月26日 申請(qǐng)日期:2013年1月12日 優(yōu)先權(quán)日:2012年1月12日
【發(fā)明者】羅杰·托馬斯, 保羅·蓋瑞特, 約翰·范寧 申請(qǐng)人:鈦金屬公司