鈦合金的制作方法
技術(shù)背景
本公開涉及高強(qiáng)度α-β鈦合金。
技術(shù)背景描述
鈦合金通常表現(xiàn)出高的強(qiáng)度重量比，抗腐蝕并且在適度高溫下抗蠕變。出于這些原因，鈦合金被用于航天、航空、國防、船舶和汽車應(yīng)用，例如起落架構(gòu)件、發(fā)動機(jī)機(jī)架、彈道裝甲、船體和機(jī)械緊固件。
降低飛機(jī)或其它機(jī)動車輛的重量可節(jié)省燃料。因此，例如，在航天業(yè)上存在減輕飛機(jī)重量的強(qiáng)大驅(qū)動力。鈦和鈦合金，由于其高的強(qiáng)度重量比，是有吸引力的用于在飛機(jī)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)重量減輕的材料。航天應(yīng)用中使用的大多數(shù)鈦合金部件由ti-6al-4v合金(astm5級；unsr56400；ams4928、ams4911)制成，其為α-β鈦合金。
ti-6al-4v合金是最常見的鈦基制造材料之一，估計占鈦基材料總市場的50％以上。ti-6al-4v合金用于許多應(yīng)用中，這些應(yīng)用受益于合金在低至中等溫度下輕質(zhì)、抗腐蝕和高強(qiáng)度的有利組合。例如，ti-6al-4v合金用于生產(chǎn)飛機(jī)發(fā)動機(jī)部件、飛機(jī)結(jié)構(gòu)部件、緊固件、高性能汽車部件、醫(yī)療裝置、運(yùn)動設(shè)備的部件、海洋應(yīng)用部件和化學(xué)加工設(shè)備部件。
延性是任何給定金屬材料(即，金屬和金屬合金)的性質(zhì)。金屬材料的冷成形性多少基于近室溫延性和材料變形而不破裂的能力。高強(qiáng)度α-β鈦合金，例如ti-6al-4v合金，通常在室溫或近室溫下具有較低的冷成形性。這限制了它們對低溫加工的接受度，例如冷軋，因?yàn)檫@些合金在低溫下加工時易于破裂和斷裂。因此，由于其在室溫或近室溫下的冷成形性有限，所以α-β鈦合金通常通過涉及熱加工的技術(shù)來進(jìn)行加工。
表現(xiàn)出室溫延性的鈦合金通常也表現(xiàn)出相對低的強(qiáng)度。其結(jié)果是，高強(qiáng)度合金通常成本更高并且由于磨削裕量而具有減小的厚度控制。這個問題源于在幾百攝氏度以下的溫度下這些較高強(qiáng)度的β合金中的密排六方(hcp)晶體結(jié)構(gòu)的變形。
hcp晶體結(jié)構(gòu)對許多工程材料是常見的，包括鎂、鈦、鋯和鈷合金。hcp晶體結(jié)構(gòu)具有ababab堆積順序，而其它金屬合金，如不銹鋼、黃銅、鎳和鋁合金，通常具有帶abcabcabc堆積順序的面心立方體(fcc)晶體結(jié)構(gòu)。由于這種堆積順序的差異，相對于fcc材料，hcp金屬和合金數(shù)學(xué)上可能的獨(dú)立滑移系統(tǒng)數(shù)量明顯減少。hcp金屬和合金中的許多獨(dú)立滑移系統(tǒng)需要明顯更高的應(yīng)力來激活，而這些“高阻力”變形模式僅在極少數(shù)情況下被激活。這種影響是溫度敏感的，使得低于幾百攝氏度的溫度，鈦合金具有顯著較低的可鍛性。
結(jié)合hcp材料中存在的滑移系統(tǒng)，許多孿晶系統(tǒng)在非合金hcp金屬中是可能的?；葡到y(tǒng)和孿晶系統(tǒng)在鈦中的組合使得足夠的獨(dú)立變形模式成為可能，使得“工業(yè)純的”(cp)鈦可以在接近室溫的溫度下(即，在-100℃至+200℃的近似溫度范圍內(nèi))冷加工。
鈦和其它hcp金屬及合金中的合金效應(yīng)往往會增加“高阻力”滑移模式的不對稱性或難度，并抑制孿晶系統(tǒng)激活。結(jié)果是合金諸如ti-6al-4v合金和ti-6al-2-sn-4zr-2mo-0.1si合金中的冷加工能力的宏觀性喪失。ti-6al-4v和ti-6al-2-sn-4zr-2mo-0.1s合金由于其α相的濃度高且合金元素的水平高，表現(xiàn)出相對高的強(qiáng)度。具體而言，已知鋁在室溫和高溫下都能增加鈦合金的強(qiáng)度。然而，也已知鋁會對室溫加工能力產(chǎn)生不利影響。
一般而言，就能量消耗和加工期間產(chǎn)生的廢料量而言，可以更有效地制造出表現(xiàn)出冷變形能力的合金。因此，通常，配制可以在相對低的溫度下加工的合金是有利的。
一些已知的鈦合金通過包括高濃度的β相穩(wěn)定合金化添加物來提供更高的室溫加工能力。此類合金的實(shí)例包括βc鈦合金(ti-3al-8v-6cr-4mo-4zr；unsr58649)，其可呈如
盡管它們具有有利的冷加工能力，但是一般而言，β鈦合金有兩個缺點(diǎn)：合金添加物昂貴且高溫蠕變強(qiáng)度差。高溫蠕變強(qiáng)度差是這些合金在高溫例如500℃下表現(xiàn)出顯著濃度的β相的結(jié)果。β相由于其體心立方結(jié)構(gòu)而不能很好地抵抗蠕變，這提供了大量的變形機(jī)制。還已知由于合金相對較低的彈性模量，這允許更顯著的回彈，所以加工β鈦合金會很困難。由于這些缺陷，β鈦合金的使用受到限制。
如果現(xiàn)有的鈦合金在冷加工期間更耐破裂，則成本較低的鈦產(chǎn)品將是可能的。因?yàn)棣?β鈦合金代表生產(chǎn)的所有合金鈦的大部分，所以如果保持這種類型的合金，則可以通過體積尺寸進(jìn)一步降低成本。因此，要研究的令人感有趣的合金是高強(qiáng)度、可冷變形的α-β鈦合金。最近開發(fā)了這種合金類別中的幾種合金。例如，在過去15年里，開發(fā)了ti-4al-2.5v合金(unsr54250)、ti-4.5al-3v-2mo-2fe合金、ti-5al-4v-0.7mo-0.5fe合金和ti-3al-5mo-5v-3cr-0.4fe合金。這些合金中的許多以昂貴的合金添加物，例如v和/或mo為特色。
ti-6al-4vα-β鈦合金是航天業(yè)中使用的標(biāo)準(zhǔn)鈦合金，并且就噸數(shù)而言它代表了所有合金鈦的很大一部分。該合金在航天業(yè)中已知不可在室溫下冷加工。較低氧含量等級的ti-6al-4v合金，命名為ti-6al-4veli(“超低間隙”)合金(uns56401)，通常表現(xiàn)出與較高氧等級相比提高的室溫延性、韌性和可成形性。然而，隨著氧含量的降低，ti-6al-4v合金的強(qiáng)度顯著降低。本領(lǐng)域技術(shù)人員會認(rèn)為添加氧氣對冷成形能力有害而有利于ti-6al-4v合金的強(qiáng)度。
然而，盡管具有比標(biāo)準(zhǔn)級ti-6al-4v合金更高的氧含量，但已知ti-4al-2.5v-1.5fe-0.25o合金(也稱為ti-4al-2.5v合金)與ti-6al-4v合金相比在室溫或接近室溫下具有優(yōu)異的成形能力。ti-4al-2.5v-1.5fe-0.25o合金可作為ati
另一種可冷變形的高強(qiáng)度α-β鈦合金是ti-4.5al-3v-2mo-2fe合金，也稱為sp-700合金。與ti-4al-2.5v合金不同，sp-700合金含有較高成本的合金成分。與ti-4al-2.5v合金相似，由于β相含量增加，sp-700合金相對于ti-6al-4v合金具有降低的抗蠕變性。
ti-3al-5mo-5v-3cr合金也表現(xiàn)出良好的室溫成形能力。然而，這種合金在室溫下包括顯著的β相含量，因此表現(xiàn)出較差的抗蠕變性。此外，它含有顯著水平的昂貴合金成分，如鉬和鉻。
通常理解，與替代性合金添加物相比，鈷基本上不影響大多數(shù)鈦合金的機(jī)械強(qiáng)度和延性。已經(jīng)描述的是，雖然鈷添加物增加二元和三元鈦合金的強(qiáng)度，但是鈷添加物通常也比添加鐵、鉬或釩(典型的合金添加物)更劇烈地降低延性。已經(jīng)證明，雖然在ti-6al-4v合金中添加鈷可以提高強(qiáng)度和延性，但ti3x型的金屬間沉淀物可在老化期間形成并且對其它機(jī)械性能產(chǎn)生有害影響。
有利的是提供一種鈦合金，其包括相對較低水平的昂貴合金添加物，表現(xiàn)出強(qiáng)度和延性的有利組合，并且不會產(chǎn)生顯著的β相含量。
概述
根據(jù)本公開的一個非限制性方面，一種α-β鈦合金，按重量百分比計，包含：在2.0至10.0范圍內(nèi)的鋁當(dāng)量；在0至20.0范圍內(nèi)的鉬當(dāng)量；0.3至5.0的鈷；鈦；和附帶雜質(zhì)。如本文所定義的鋁當(dāng)量是依據(jù)鋁的當(dāng)量百分比并且通過以下方程式計算，其中每個α相穩(wěn)定劑元素的含量按重量百分比計：
[al]當(dāng)量＝[al]+1/3[sn]+1/6[zr+hf]+10[o+2n+c]+[ga]+[ge]。
如本文所定義的鉬當(dāng)量是依據(jù)鉬的當(dāng)量百分比并且通過以下方程式計算，其中每個β相穩(wěn)定劑元素的含量按重量百分比計：
[mo]當(dāng)量＝[mo]+2/3[v]+3[mn+fe+ni+cr+cu+be]+1/3[ta+nb+w]。
根據(jù)本公開的另一個非限制性方面，一種α-β鈦合金，按重量百分比計，包含：2.0至7.0的鋁；在2.0至5.0范圍內(nèi)的鉬當(dāng)量；0.3至4.0的鈷；高達(dá)0.5的氧；高達(dá)0.25的氧；高達(dá)0.3的碳；高達(dá)0.4的附帶雜質(zhì)；和鈦。鉬當(dāng)量由以下方程式提供：
[mo]當(dāng)量＝[mo]+2/3[v]+3[mn+fe+ni+cr+cu+be]+1/3[ta+nb+w]。
本公開的另一非限制性方面涉及一種由α-β鈦合金形成制品的方法。在一個非限制性實(shí)施方案中，形成α-β鈦合金的方法包括冷加工金屬形式至橫截面積減小至少25％，其中所述金屬形式在冷加工期間或之后未表現(xiàn)出實(shí)質(zhì)性破裂。在一個非限制性實(shí)施方案中，所述金屬形式包括α-β鈦合金，其按重量百分比計，包含：在2.0至10.0范圍內(nèi)的鋁當(dāng)量；在0至20.0范圍內(nèi)的鉬當(dāng)量；0.3至5.0的鈷；鈦；和附帶雜質(zhì)。鋁當(dāng)量是依據(jù)鋁的當(dāng)量百分比并且通過以下方程式計算，其中每個α相穩(wěn)定劑元素的含量按重量百分比計：
[al]當(dāng)量＝[al]+1/3[sn]+1/6[zr+hf]+10[o+2n+c]+[ga]+[ge]。
鉬當(dāng)量是依據(jù)鉬的當(dāng)量百分比并且通過以下方程式計算，其中每個β相穩(wěn)定劑元素的含量按重量百分比計：
[mo]當(dāng)量＝[mo]+2/3[v]+3[mn+fe+ni+cr+cu+be]+1/3[ta+nb+w]。
本公開的另一非限制性方面涉及一種由α-β鈦合金形成制品的方法。在一個非限制性實(shí)施方案中，形成α-β鈦合金包括提供按重量百分比計包含以下的α-β鈦合金：2.0至7.0的鋁；在2.0至5.0范圍內(nèi)的鉬當(dāng)量；0.3至4.0的鈷；高達(dá)0.5的氧；高達(dá)0.25的氧；高達(dá)0.3的碳；高達(dá)0.2的附帶雜質(zhì)；和鈦。所述方法還包括產(chǎn)生可冷加工的結(jié)構(gòu)，其中所述材料易受橫截面積冷壓縮25％或更多。
應(yīng)當(dāng)理解，在本說明書中公開和描述的本發(fā)明不限于
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
中總結(jié)的實(shí)施方案。
附圖簡述
通過參考附圖可以更好地理解本說明書中公開和描述的非限制性和非全面性實(shí)施方案的各種特征和特性，其中：
圖1是根據(jù)本公開的方法的一個非限制性實(shí)施方案的流程圖；及
圖2是根據(jù)本公開的方法的另一個非限制性實(shí)施方案的流程圖。
描述
在考慮到以下對根據(jù)本公開的各種非限制性和非全面性實(shí)施方案的詳細(xì)描述之后，讀者將意識到前述細(xì)節(jié)以及其它細(xì)節(jié)。
在本說明書中描述和說明了各種實(shí)施方案，以提供對所公開的方法和產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、功能、操作、制造和用途的全面了解。應(yīng)當(dāng)理解，在本說明書中描述和說明的各種實(shí)施方案是非限制性和非全面性的。因此，本發(fā)明不受本說明書中公開的各種非限制性和非全面性實(shí)施方案的描述的限制。相反，本發(fā)明僅由權(quán)利要求書限定。結(jié)合各種實(shí)施方案說明和/或描述的特征和特性可以與其它實(shí)施方案的特征和特性組合。此類修改和變化旨在被包括在本說明書的范圍內(nèi)。因此，可以將權(quán)利要求修改為敘述本說明書中明確或固有地描述或以其它方式明確或固有地支持的任何特征或特性。此外，申請人保留修改權(quán)利要求的權(quán)利，以肯定地放棄現(xiàn)有技術(shù)中可能存在的特征或特性。因此，任何此類修改都符合美國法典第35篇第112條第1段及美國法典第35篇第132條第(a)項(xiàng)的要求。在本說明書中公開和描述的各種實(shí)施方案可以包括，或由或基本上由本文中有多種描述的特征和特性組成。
除非另有說明，否則所提供的合金組成的所有百分比和比例都基于特定合金組成的總重量。
被稱為是全部或部分通過引用并入本文的任何專利、出版物或其它公開材料僅在所并入的材料與本公開中提出的現(xiàn)有定義、聲明或其它公開材料不沖突的情況下并入本文。因此，并且在必要的程度上，本文所提出的公開內(nèi)容取代了通過引用并入本文的任何沖突的材料。被稱為是通過引用并入本文但與本文提出的現(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僅在所并入的材料與現(xiàn)有公開材料之間不產(chǎn)生沖突的情況下并入。
在本說明書中，除另有說明外，所有數(shù)值參數(shù)應(yīng)被理解為在所有情況下以術(shù)語“約”開始并修飾，其中數(shù)值參數(shù)具有用于測定參數(shù)數(shù)值的基礎(chǔ)測量技術(shù)的固有可變特性。至少并非試圖將等同原則的應(yīng)用限于權(quán)利要求書的范圍，本說明書中描述的每個數(shù)值參數(shù)應(yīng)至少根據(jù)報告的有效數(shù)位的數(shù)量和應(yīng)用一般的舍入技術(shù)來解釋。
同樣，本說明書中列舉的任何數(shù)值范圍旨在包括歸入所列范圍內(nèi)的相同數(shù)值精度的所有子范圍。例如，“1.0至10.0”的范圍旨在包括介于(并包括)所列最小值1.0和所列最大值為10.0之間，即，具有等于或大于1.0的最小值和等于或小于10.0的最大值的所有子范圍，例如2.4至7.6。本說明書中列舉的任何最大數(shù)值限制旨在包括歸入其中的所有數(shù)值下限，并且本說明書中列舉的任何最小數(shù)值限制旨在包括歸入其中的所有數(shù)值上限。因此，申請人保留修改本說明書(包括權(quán)利要求書)的權(quán)利，以明確地列舉歸入本文明確列舉的范圍內(nèi)的任何子范圍。旨在于本說明書中固有地描述任何此類范圍，使得明確列舉任何此類子范圍的修改都將符合美國法典第35篇第112條第1段及美國法典第35篇第132條第(a)項(xiàng)的要求。
除非另有說明，否則本說明書中使用的語法冠詞“一個”、“一”、“一種”和“所述(該)”旨在包括“至少一個”或“一個或多個”。因此，冠詞在本說明書中用于指一個或一個以上(即，"至少一個")該冠詞的語法對象。舉例而言，“組分”是指一種或多種組分，并且因此可能預(yù)期多于一種組分，并且可以在所述實(shí)施方案的執(zhí)行中采用或使用。進(jìn)一步地，除非使用的上下文另有要求，否則單數(shù)名詞的包括復(fù)數(shù)，而復(fù)數(shù)名詞的使用包括單數(shù)。
如本文中所用，術(shù)語“坯料”是指已經(jīng)通過鍛造、輥軋或擠出熱加工的通常具有大致為圓形或正方形的橫截面的固體半成品。這種定義與，例如asmmaterialsengineeringdictionary,j.r.davis編輯，asminternational(1992)，第40頁中對“坯料”的定義一致。
如本文中所用，術(shù)語“棒”是指由坯料鍛造、輥軋或擠出成通常具有對稱的，大致為圓形、六邊形、八邊形、正方形或矩形橫截面的形式的固體產(chǎn)品，具有尖銳或圓形邊緣，并且其長度大于其橫截面尺寸。這種定義與，例如asmmaterialsengineeringdictionary,j.r.davis編輯，asminternational(1992)，第32頁中對“棒”的定義一致。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，如本文中所用，術(shù)語“棒”可以指上述形式，不同之處在于該形式可以不具有對稱的橫截面，例如手軋棒的非對稱橫截面。
如本文中所用，短語“冷加工”是指在低于材料的流動應(yīng)力顯著減小的溫度下加工金屬(即，金屬或金屬合金)制品。冷加工的實(shí)例涉及在此類溫度下使用選自以下的一種或多種技術(shù)加工金屬制品：輥軋、鍛造、擠出、皮爾格式軋管、搖動、拉伸、變薄旋壓、液體壓縮成形、氣體壓縮成形、液壓成形、流動成形、擠脹成形、輥軋成形、沖壓、精沖、模壓、深沖壓、壓印、旋壓、型鍛、沖擠、爆炸成形、橡膠成形、反向擠出、穿孔、拉伸成形、壓彎、電磁成形和冷鐓。如本文中連同本發(fā)明所用，“冷加工”、“冷加工的”、“冷成形”等術(shù)語以及連同特定加工或成形技術(shù)使用的“冷”是指視情況而定，在不高于約1250℉(677℃)的溫度下加工或已經(jīng)加工的特性。在某些實(shí)施方案中，此類加工在不高于約1000℉(538℃)的溫度下進(jìn)行。在某些其它實(shí)施方案中，此類加工在不高于約575℉(300℃)的溫度下進(jìn)行。術(shù)語“加工”和“成形”通常在本文中可互換使用，如同術(shù)語“可加工性”和“可成形性”等術(shù)語一樣。
如本文中所用，短語“延性限度”是指金屬材料可承受壓縮或塑性變形而不會發(fā)生斷裂或破裂的限度或最大量。這種定義與，例如asmmaterialsengineeringdictionary,j.r.davis編輯，asminternational(1992)，第131頁中對“延性限度”的定義一致。如本文中所用，短語“壓縮延性限度(reductionductilitylimit)”是指金屬材料在破裂或斷裂之前可承受的壓縮量或程度。
本文提到“包含”特定組合物的α-β鈦合金旨在涵蓋“基本上由”或“由”所述組合物組成的合金。應(yīng)當(dāng)理解，本文所述的“包含”、“由”或“基本上由”特定組合物組成的α-β鈦合金組合物還可包括附帶雜質(zhì)。
本公開的非限制性方面涉及表現(xiàn)出優(yōu)于ti-6al-4v合金的某些冷變形性質(zhì)，但與ti-6al-4v合金相比不需要提供附加的β相或進(jìn)一步限制氧含量的含鈷α-β鈦合金。與ti-6al-4v合金相比，本公開的合金的延性限度顯著增加。
與目前對鈦合金的氧添加降低合金成形性的理解相反，本文公開的含鈷α-β鈦合金具有比ti-6al-4v合金更高的成形性，同時包含比ti-6al-4v合金高66％的氧含量。本文公開的含鈷α-β鈦合金實(shí)施方案的組成范圍使得合金使用的靈活性更大，而不增加與合金添加物相關(guān)的實(shí)質(zhì)成本。雖然根據(jù)本公開的合金的各種實(shí)施方案在原材料成本方面可能比ti-4al-2.5v合金更貴，但是本文公開的含鈷α-β鈦合金的合金添加物成本可能低于某些其它可冷成形的α-β鈦合金。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在本文公開的α-β鈦合金中添加鈷，在合金還包括低水平的鋁時，會增加合金的延性。另外，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)向根據(jù)本公開的α-β鈦合金中添加鈷會增加合金強(qiáng)度。
根據(jù)本公開的一個非限制性實(shí)施方案，一種α-β鈦合金，按重量百分比計，包含：在2.0至10.0范圍內(nèi)的鋁當(dāng)量；在0至20.0范圍內(nèi)的鉬當(dāng)量；0.3至5.0的鈷；鈦；和附帶雜質(zhì)。
在另一個非限制性實(shí)施方案中，α-β鈦合金，按重量百分比計，包含在2.0至10.0范圍內(nèi)的鋁當(dāng)量；在0至10.0范圍內(nèi)的鉬當(dāng)量；0.3至5.0的鈷；和鈦。再一個非限制性實(shí)施方案中，α-β鈦合金，按重量百分比計，包含在1.0至6.0范圍內(nèi)的鋁當(dāng)量；在0至10.0范圍內(nèi)的鉬當(dāng)量；0.3至5.0的鈷；和鈦。對于本文公開的每個實(shí)施方案而言，鋁當(dāng)量是依據(jù)鋁的當(dāng)量百分比并且通過以下方程式計算，其中每個α相穩(wěn)定劑元素的含量按重量百分比計：
[al]當(dāng)量＝[al]+1/3[sn]+1/6[zr+hf]+10[o+2n+c]+[ga]+[ge]。
雖然已知鈷是鈦的β相穩(wěn)定劑，但對于本文公開的所有實(shí)施方案而言，鉬當(dāng)量是依據(jù)鉬的當(dāng)量百分比并且在本文中通過以下方程式計算，其中每個β相穩(wěn)定劑元素的含量按重量百分比計：
[mo]當(dāng)量＝[mo]+2/3[v]+3[mn+fe+ni+cr+cu+be]+1/3[ta+nb+w]。
在根據(jù)本公開的某些非限制性實(shí)施方案中，本文公開的含鈷α-β鈦合金包括高于0至0.3總重量百分比的一種或多種晶粒細(xì)化添加劑。一種或多種晶粒細(xì)化添加劑可以是本領(lǐng)域中普通技術(shù)人員已知的任何晶粒細(xì)化添加劑，包括但不一定限于鈰、鐠、釹、釤、釓、鈥、鉺、銩、釔、鈧、鈹和硼。
在其它非限制性實(shí)施方案中，本文公開的任何含鈷α-β鈦合金還可包括高于0至0.5總重量百分比的一種或多種防蝕金屬添加劑。所述防蝕添加劑可以是已知用于α-β鈦合金中的任一種或多種防蝕添加劑。此類添加劑包括但不限于金、銀、鈀、鉑、鎳和銥。
在其它非限制性實(shí)施方案中，本文公開的任何含鈷α-β鈦合金，按重量百分比計，可包括以下的一種或多種：高于0至6.0的錫；高于0至0.6的硅；高于0至10的鋯。據(jù)信添加在這些濃度范圍內(nèi)的這些元素不會影響合金中α相和β相的濃度比。
在根據(jù)本公開的α-β鈦合金的某些非限制性實(shí)施方案中，α-β鈦合金表現(xiàn)出至少130ksi(896.3mpa)的屈服強(qiáng)度和至少10％的伸長率。在其它非限制性實(shí)施方案中，α-β鈦合金表現(xiàn)出至少150ksi(1034mpa)的屈服強(qiáng)度和至少16％的伸長率。
在根據(jù)本公開的α-β鈦合金的某些非限制性實(shí)施方案中，α-β鈦合金表現(xiàn)出至少20％的冷加工壓縮延性限度。在其它非限制性實(shí)施方案中，α-β鈦合金表現(xiàn)出至少25％或至少35％的冷加工壓縮延性限度。
在根據(jù)本公開的α-β鈦合金的某些非限制性實(shí)施方案中，α-β鈦合金還包含鋁。在一個非限制性實(shí)施方案中，α-β鈦合金，按重量百分比計，包含：2.0至7.0的鋁；在2.0至5.0范圍內(nèi)的鉬當(dāng)量；0.3至4.0的鈷；高達(dá)0.5的氧；高達(dá)0.25的氧；高達(dá)0.3的碳；高達(dá)0.2的附帶雜質(zhì)；和鈦。如本文所述測定鉬當(dāng)量。在某些非限制性實(shí)施方案中，本文包含鋁的α-β鈦合金，按重量百分比計，還包含以下的一種或多種：高于0至6的錫；高于0至0.6的硅；高于0至10的鋯；高于0至0.3的鈀；和高于0至0.5的硼。
在根據(jù)本公開的包含鋁的α-β鈦合金的某些非限制性實(shí)施方案中，該合金還可包括高于0至0.3總重量百分比的一種或多種晶粒細(xì)化添加劑。所述一種或多種晶粒細(xì)化添加劑可以是，例如晶粒細(xì)化添加劑鈰、鐠、釹、釤、釓、鈥、鉺、銩、釔、鈧、鈹和硼中的任一種。
在根據(jù)本公開的包含鋁的α-β鈦合金的某些非限制性實(shí)施方案中，該合金還可包括高于0至0.5總重量百分比的本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的一種或多種耐蝕添加劑，包括但不一定限于金、銀、鈀、鉑、鎳和銥。
本文公開的包含鈷和鋁的α-β鈦合金的某些非限制性實(shí)施方案表現(xiàn)出至少130ksi(896mpa)的屈服強(qiáng)度和至少10％的伸長率。本文公開的包含鈷和鋁的α-β鈦合金的其它非限制性實(shí)施方案表現(xiàn)出至少150ksi(1034mpa)的屈服強(qiáng)度和至少16％的伸長率。
本文公開的包含鈷和鋁的α-β鈦合金的某些非限制性實(shí)施方案表現(xiàn)出至少25％的冷加工壓縮延性限度。本文公開的包含鈷和鋁的α-β鈦合金的其它非限制性實(shí)施方案表現(xiàn)出至少35％的冷加工壓縮延性限度。
參考圖1，本公開的另一方面涉及一種由包括根據(jù)本公開的α-β鈦合金的金屬形式形成制品的方法100。該方法100包括冷加工102金屬形式至橫截面積減小至少25％。所述金屬形式包括本文公開的任何α-β鈦合金。冷加工102期間，根據(jù)本公開的一個方面，所述金屬形式未表現(xiàn)出實(shí)質(zhì)性破裂。術(shù)語“實(shí)質(zhì)性破裂”在本文中定義為形成超過大約0.5英寸的裂紋。在根據(jù)本公開形成制品的方法的另一個非限制性實(shí)施方案中，包括如本文所公開的α-β鈦合金的金屬形式經(jīng)冷加工102至橫截面積減小至少35％。冷加工102期間，所述金屬形式未表現(xiàn)出實(shí)質(zhì)性破裂。
在一個特定實(shí)施方案中，冷加工102所述金屬形式包括冷軋所述金屬形式。
在根據(jù)本公開的方法的一個非限制性實(shí)施方案中，在低于1250℉(676.7℃)的溫度下冷加工102所述金屬形式。在根據(jù)本公開的方法的另一個非限制性實(shí)施方案中，在低于392℉(200℃)的溫度下冷加工102所述金屬形式。在根據(jù)本公開的方法的另一個非限制性實(shí)施方案中，在不高于575℉(300℃)的溫度下冷加工102所述金屬形式。在根據(jù)本公開的方法的再一個非限制性實(shí)施方案中，在-100℃至200℃范圍的溫度下冷加工102所述金屬形式。
在根據(jù)本公開的方法的一個非限制性實(shí)施方案中，在中間退火(未示出)間期冷加工102所述金屬形式至減小至少25％或至少35％。金屬形式可在中間多個冷加工步驟間期在低于合金的β轉(zhuǎn)變溫度的溫度下退火，以便減輕內(nèi)應(yīng)力并將邊緣破裂的可能性降到最低。在一個非限制性實(shí)施方案中，退火步驟(未示出)中間冷加工步驟102可包括使金屬形式在tβ-20℃和tβ-300℃范圍的溫度下退火5分鐘至2小時。本公開的合金的tβ通常介于900℃和1100℃之間。本公開的任何特定合金的tβ可以由本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員使用常規(guī)技術(shù)測定，無需過度實(shí)驗(yàn)。
在冷加工102所述金屬形式的步驟之后，在本方法的某些非限制性實(shí)施方案中，可將金屬形式軋制退火(未示出)以獲得合金的所需強(qiáng)度和延性及α-β微觀結(jié)構(gòu)。在一個非限制性實(shí)施方案中，軋制退火可包括將所述金屬形式加熱到在600℃至930℃范圍內(nèi)的溫度并保持5分鐘至2小時。
根據(jù)本文公開的方法的各種實(shí)施方案加工的金屬形式可選自任何軋制產(chǎn)品或軋制半成品。軋制產(chǎn)品或軋制半成品可選自錠、坯料、初軋坯、棒、梁、板坯、桿、金屬絲、金屬板、薄板、擠出物和鑄件。
本文公開的方法的非限制性實(shí)施方案還包括在冷加工102所述金屬形式之前，熱加工(未示出)所述金屬形式。本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，熱加工涉及在高于包括所述金屬形式的合金的再結(jié)晶溫度的溫度下使金屬形式塑性變形。在某些非限制性實(shí)施方案中，金屬形式可以在α-β鈦合金的β相區(qū)內(nèi)的溫度下熱加工。在一個特定非限制性實(shí)施方案中，將所述金屬形式加熱到至少tβ+30℃的溫度，并熱加工。在某些非限制性實(shí)施方案中，金屬形式可以在鈦合金的β相區(qū)內(nèi)的溫度下熱加工至減小至少20％。在某些非限制性實(shí)施方案中，在β相區(qū)內(nèi)熱加工所述金屬形式之后，可按至少比得上空氣冷卻的速率將所述金屬形式冷卻至環(huán)境溫度。
在β相區(qū)內(nèi)熱加工之后，在根據(jù)本公開的方法的各種非限制性實(shí)施方案中，所述金屬形式可在α-β相區(qū)內(nèi)的溫度下進(jìn)一步熱加工。在α-β相區(qū)內(nèi)熱加工可包括將所述金屬形式重新加熱到在α-β相區(qū)內(nèi)的溫度。可選地，在β相區(qū)內(nèi)加工所述金屬形式之后，可將所述金屬形式冷卻到在α-β相區(qū)內(nèi)的溫度，然后進(jìn)一步熱加工。在一個非限制性實(shí)施方案中，在α-β相區(qū)內(nèi)的熱加工溫度是在tβ-300℃至tβ-20℃的范圍內(nèi)。在一個非限制性實(shí)施方案中，在α-β相區(qū)內(nèi)熱加工所述金屬形式至減小至少30％。在一個非限制性實(shí)施方案中，在α-β相區(qū)內(nèi)熱加工之后，可按至少比得上空氣冷卻的速率將所述金屬形式冷卻至環(huán)境溫度。冷卻后，在一個非限制性實(shí)施方案中，所述金屬形式可在tβ-20℃至tβ-300℃范圍內(nèi)的溫度下退火5分鐘至2小時。
現(xiàn)參考圖2，本公開的另一個非限制性方面涉及由α-β鈦合金形成制品的方法200，其中所述方法包括提供202按重量百分比計包含以下的α-β鈦合金：2.0至7.0的鋁；在2.0至5.0范圍內(nèi)的鉬當(dāng)量；0.3至4.0的鈷；高達(dá)0.5的氧；高達(dá)0.25的氧；高達(dá)0.3的碳；高達(dá)0.2的附帶雜質(zhì)；和鈦。因此，將所述合金稱為含鈷、含鋁的α-β鈦合金。該合金經(jīng)冷加工204至橫截面積減小至少25％。含鈷、含鋁的α-β鈦合金在冷加工204期間未表現(xiàn)出實(shí)質(zhì)性破裂。
通過以下方程式提供含鈷、含鋁的α-β鈦合金的鉬當(dāng)量，其中方程式中所列的β相穩(wěn)定劑按重量百分比計：
[mo]當(dāng)量＝[mo]+2/3[v]+3[mn+fe+ni+cr+cu+be]+1/3[ta+nb+w]。
在本公開的另一個非限制性實(shí)施方案中，含鈷、含鋁的α-β鈦合金經(jīng)冷加工至橫截面積減小至少35％。
在一個非限制性實(shí)施方案中，冷加工204含鈷、含鋁的α-β鈦合金至減小至少25％或至少35％，可以在一個或多個冷軋步驟中進(jìn)行。含鈷、含鋁的α-β鈦合金可在中間多個冷加工步驟204間期在低于β轉(zhuǎn)變溫度的溫度下退火(未示出)，以便減輕內(nèi)應(yīng)力并將邊緣破裂的可能性降到最低。在非限制性實(shí)施方案中，退火步驟中間冷加工步驟可包括使含鈷、含鋁的α-β鈦合金在tβ-20℃和tβ-300℃范圍的溫度下退火5分鐘至2小時。本公開的合金的tβ通常介于900℃和1200℃之間。本公開的任何特定合金的tβ可以由本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員測定，無需過度實(shí)驗(yàn)。
冷加工204之后，在一個非限制性實(shí)施方案中，可將含鈷、含鋁的α-β鈦合金軋制退火(未示出)以獲得所需強(qiáng)度和延性。在一個非限制性實(shí)施方案中，軋制退火可包括將含鈷、含鋁的α-β鈦合金加熱到在600℃至930℃范圍內(nèi)的溫度并保持5分鐘至2小時。
在一個特定實(shí)施方案中，本文公開的含鈷、含鋁的α-β鈦合金的冷加工204包括冷軋。
在一個非限制性實(shí)施方案中，本文公開的含鈷、含鋁的α-β鈦合金在低于1250℉(676.7℃)的溫度下冷加工204。在根據(jù)本公開的方法的另一個非限制性實(shí)施方案中，在不高于575℉(300℃)的溫度下冷加工204本文公開的含鈷、含鋁的α-β鈦合金。在另一個非限制性實(shí)施方案中，本文公開的含鈷、含鋁的α-β鈦合金在低于392℉(200℃)的溫度下冷加工204。再一個非限制性實(shí)施方案中，本文公開的含鈷、含鋁的α-β鈦合金在-100℃至200℃范圍的溫度下冷加工204。
冷加工步驟204之前，本文公開的含鈷、含鋁的α-β鈦合金可以是選自以下一種形式的軋制產(chǎn)品或軋制半成品：錠、坯料、初軋坯、梁、板坯、桿、棒、管材、金屬絲、金屬板、薄板、擠出物和鑄件。
同樣在冷加工步驟之前，可熱加工(未示出)本文公開的含鈷、含鋁的α-β鈦合金。上文對金屬形式公開的熱加工方法同樣適用于本文公開的含鈷、含鋁的α-β鈦合金。
具有比例如在ti-6al-4v合金中所發(fā)現(xiàn)的更高含氧量的本文公開的含鈷、含鋁的α-β鈦合金的冷成形性與直覺相反。例如，已知具有相對較高(高達(dá)0.4重量％)的含氧量的4級cp(工業(yè)純)鈦，比其它c(diǎn)p等級成形性低。雖然4級cp合金的強(qiáng)度比1、2或3級cp更高，但是表現(xiàn)出的強(qiáng)度比本文公開的合金的實(shí)施方案更低。
可隨本文公開的含鈷α-β鈦合金使用的冷加工技術(shù)包括，例如但不限于冷軋、冷拉伸、冷擠出、冷鍛造、搖動/皮爾格式軋管、冷鍛、旋壓和變薄旋壓。如本領(lǐng)域已知，冷軋通常由以下組成：使先前熱軋制品如棒、薄板、金屬板或鋼帶通過一組輥，通常幾次，直至獲得所需規(guī)格。根據(jù)熱(α-β)軋和退火之后的起始結(jié)構(gòu)，據(jù)信通過冷軋含鈷α-β鈦合金可以實(shí)現(xiàn)至少35-40％的面積減小(ra)，之后在進(jìn)一步冷軋之前需要進(jìn)行任何退火。根據(jù)產(chǎn)品寬度和軋機(jī)配置，認(rèn)為隨后至少20-60％或至少25％或至少35％冷壓縮是可能的。
基于本發(fā)明人的觀察，也可以對本文公開的含鈷α-β鈦合金實(shí)現(xiàn)在各種棒式軋機(jī)(包括koch型軋機(jī))上對棒、桿和金屬絲的冷軋?？捎糜谟杀疚墓_的含鈷α-β鈦合金形成制品的冷加工技術(shù)的其它非限制性實(shí)例包括用于制造無縫鋼管、管材和管道的擠壓管狀空心件的皮爾格式軋管(搖動)?；谟^察到的本文公開的含鈷α-β鈦合金的性質(zhì)，據(jù)信在壓縮成形中可以實(shí)現(xiàn)比用扁平孔型軋制更大的面積減小(ra)。也可以實(shí)現(xiàn)桿、金屬絲、棒和管狀空心件的拉伸。本文公開的含鈷α-β鈦合金特別有吸引力的應(yīng)用是用于生產(chǎn)無縫管材的管狀空心件的拉伸或皮爾格式軋管，這特別難以用ti-6al-4v合金來實(shí)現(xiàn)。流動成形(本領(lǐng)域中也稱為剪切旋壓)可以使用本文公開的含鈷α-β鈦合金來實(shí)現(xiàn)，以產(chǎn)生軸向?qū)ΨQ的空心形式，包括錐體、圓柱體、飛機(jī)管道、噴嘴和其它“氣流導(dǎo)向”型部件?？梢允褂酶鞣N液體或氣體類型的壓縮、膨脹型成形操作，例如液壓成形或擠脹成形?？梢詫?shí)現(xiàn)連續(xù)型原料的輥軋成形，以形成“角鐵”或“單鋼撐桿(uni-strut)”通用結(jié)構(gòu)元件的結(jié)構(gòu)變型。另外，根據(jù)發(fā)明人的發(fā)現(xiàn)，通常與板金加工相關(guān)的操作，例如沖壓、精沖、模壓、深沖壓和壓印也可應(yīng)用于本文公開的含鈷α-β鈦合金。
除上述冷成形技術(shù)外，據(jù)信可以用于由本文公開的含鈷α-β鈦合金形成制品的其它“冷”技術(shù)包括但不一定限于鍛造、擠出、變薄旋壓、液壓成形、擠脹成形、輥軋成形、型鍛、沖擠、爆炸成形、橡膠成形、反向擠出、穿孔、旋壓、拉伸成形、壓彎、電磁成形和冷鐓。普通技術(shù)人員在考慮發(fā)明人的觀察結(jié)果和結(jié)論及在本發(fā)明的說明書中提供的其它細(xì)節(jié)時，可以容易地理解可應(yīng)用于本文公開的含鈷α-β鈦合金的其它冷加工/成形技術(shù)。同樣，普通技術(shù)人員也可以容易地將此類技術(shù)應(yīng)用于合金而無需過度實(shí)驗(yàn)。因此，本文僅描述合金冷加工的某些實(shí)例。應(yīng)用此類冷加工和成形技術(shù)可提供各種制品。此類制品包括但不限于以下：薄板、鋼帶、箔、金屬板、棒、桿、金屬絲、管狀空心件、管、管材、布、網(wǎng)、結(jié)構(gòu)元件、錐體、圓柱體、管道、管、噴嘴、蜂窩結(jié)構(gòu)、緊固件、鉚釘和墊圈。
本文公開的含鈷α-β鈦合金出乎意外的冷加工性導(dǎo)致更細(xì)的表面光潔度并且減少了對表面修整以去除重的表面氧化皮和擴(kuò)散的氧化物層的需要，這通常在ti-6al-4v合金疊軋薄板上產(chǎn)生。鑒于本發(fā)明人已經(jīng)觀察到的冷加工性水平，據(jù)信可以由本文公開的具有類似于ti-6al-4v合金的性質(zhì)的含鈷α-β鈦合金生產(chǎn)呈箔長度的箔厚度產(chǎn)品。
下面的實(shí)施例旨在進(jìn)一步描述某些非限制性實(shí)施方案，而不限制本發(fā)明的范圍。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將意識到，在僅由權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)，以下實(shí)施例的變型是可能的。
實(shí)施例1
制備兩種合金，其組成使得預(yù)期到冷成形性有限。表1中呈現(xiàn)了這些合金按重量百分比計的組成及其觀察到的可軋制性。
表1
通過非自耗電弧熔煉將合金熔融并鑄成鈕扣。在β相區(qū)內(nèi)，然后在α-β相區(qū)內(nèi)進(jìn)行后續(xù)熱軋，以產(chǎn)生可冷軋的微觀結(jié)構(gòu)。在這個熱軋操作期間，不含鈷的合金以災(zāi)難性方式失效，這是由于缺乏延性。相比之下，含鈷合金成功地從約1.27cm(0.5英寸)厚熱軋到約0.381cm(0.15英寸)厚。然后冷軋含鈷合金。
隨后邊進(jìn)行中間退火和修整，再將含鈷合金冷軋到0.76mm(0.030英寸)的最終厚度。進(jìn)行冷軋，直至出現(xiàn)總長度等于0.635cm(0.25英寸)的裂紋，本文將這定義為“實(shí)質(zhì)性破裂”。記錄冷加工期間，直至觀察到邊緣裂縫時所達(dá)到的壓縮百分比，即冷壓縮延性限度。在該實(shí)例中令人驚訝地觀察到，含鈷α-β鈦合金成功地?zé)彳垼缓罄滠?，而未表現(xiàn)出實(shí)質(zhì)性裂紋，達(dá)到至少25％的冷軋壓縮量，而缺少鈷添加物的對比合金無法熱軋，而未以災(zāi)難性的方式失效。
實(shí)施例2
將本公開范圍內(nèi)的第二合金(爐5)的機(jī)械性能與ti-4al-2.5v合金的小試樣進(jìn)行比較。表2列出了爐5的組成，并且出于比較的目的，列出了一爐ti-4al-2.5v(其缺乏co)的組成。表2中的組成是按重量百分比提供的。
表2
按照與實(shí)施例1的含鈷合金相同的方式，通過熔融、熱軋，然后冷軋制備爐5和對比ti-4al-2.5v合金的鈕扣。根據(jù)astme8/e8m-13a測量屈服強(qiáng)度(ys)、極限抗拉強(qiáng)度(uts)和伸長率(％el.)并在表2中列出。冷軋期間兩種合金都未表現(xiàn)出破裂。爐5合金的強(qiáng)度和延性(el.％)超過t-4al-2.5v鈕扣的強(qiáng)度和延性。
實(shí)施例3
基于合金組成比較冷軋能力或壓縮延性限度。將合金爐1-4的鈕扣與具有和實(shí)施例2中所用的ti-4al-2.5v合金相同的組成的鈕扣進(jìn)行比較。按照用于實(shí)施例1的含鈷合金的方式，通過熔融、熱軋，然后冷軋制備鈕扣。鈕扣經(jīng)冷軋，直至觀察到實(shí)質(zhì)性破裂，即，直至達(dá)到冷加工壓縮延性限度。表3按重量百分比列出了本發(fā)明和對比鈕扣的組成(其余為鈦和附帶雜質(zhì))，以及以熱軋鈕扣的壓縮百分比表示的冷加工壓縮延性限度。
表3
從表3的結(jié)果看，觀察到在含有鈷的合金中，可以耐受較高的氧含量而不損失冷延性。本發(fā)明α-β鈦合金爐(爐1-4)表現(xiàn)出優(yōu)于ti-4al-2.5v合金鈕扣的冷壓縮延性限度。為了比較，值得注意的是ti-6al-4v合金不能冷軋用于商業(yè)目的，不會發(fā)生破裂，并且通常含有0.14至0.18重量％的氧。這些結(jié)果清楚地表明，本公開的含鈷的α-β合金驚人地表現(xiàn)出至少比得上ti-4al-2.5合金的強(qiáng)度和冷延性，比得上ti-6al-4v合金的強(qiáng)度，及明顯優(yōu)于ti-6al-4v合金的冷延性。
在表2中，本公開的含鈷α-β鈦合金表現(xiàn)出比ti-4al-2.5v合金更高的延性和強(qiáng)度。表1-3中列出的結(jié)果表明，本公開的含鈷α-β鈦合金，盡管具有多33-66％的間隙含量(這往往會降低延性)，但是表現(xiàn)出比ti-6al-4v合金顯著更高的冷延性。
不曾預(yù)料到鈷添加物會增加含有高水平的間隙合金元素如氧的合金的冷軋能力。從普通技術(shù)人員的角度來看，意想不到的是，鈷添加物會增加冷延性，而不會降低強(qiáng)度水平。ti3x型的金屬間析出物，其中x表示金屬，通常相當(dāng)顯著地降低冷延性，并且在本領(lǐng)域已經(jīng)表明，鈷基本上不增加強(qiáng)度或延性。大多數(shù)α-β鈦合金含有大約6％的鋁，當(dāng)與鈷添加物組合時，其可以形成ti3al。這可以對延性產(chǎn)生有害影響。
上文呈現(xiàn)的結(jié)果令人驚訝地證明，與ti-4al-2.5v合金和其它可冷變形α+β合金相比，鈷添加物實(shí)際上改善了本發(fā)明鈦合金的延性和強(qiáng)度。本發(fā)明合金的實(shí)施方案包括α穩(wěn)定劑、β穩(wěn)定劑和鈷的組合。
鈷添加物明顯與其它合金添加物一起作用，以使本公開的合金具有高耐氧量，而不會對延性或冷加工能力產(chǎn)生不利影響。傳統(tǒng)上，高耐氧量與冷延性和高強(qiáng)度不同時相稱。
通過維持合金中高水平的α相，與具有更高β相含量的其它合金，例如ti-5553合金、ti-3553合金和sp-700合金相比，可能保持含鈷合金的機(jī)械加工性。與其它不能在軋制產(chǎn)品中冷變形的高強(qiáng)度α-β鈦合金相比，冷延性也可提高可實(shí)現(xiàn)的尺寸控制和表面光潔度控制的程度。
應(yīng)當(dāng)理解，本說明書說明了與清楚理解本發(fā)明相關(guān)的本發(fā)明的那些方面。為了簡化本說明書，尚未提出本領(lǐng)域普通技術(shù)人員顯而易見，因此不利于更好地理解本發(fā)明的某些方面。盡管本文必要性地描述了本發(fā)明數(shù)量有限的實(shí)施例，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在考慮到前面的描述后，將認(rèn)識到可以采用本發(fā)明的許多修改和變型。本發(fā)明的所有此類變型和修改都旨在被前面的描述和以下權(quán)利要求書所覆蓋。
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