α/β鈦合金的加工的制作方法
【專利摘要】本發明涉及α/β鈦合金的加工，并公開了用于從α+β鈦合金形成制品的工藝。所述α+β鈦合金包含按重量百分比從2.90至5.00的鋁、從2.00至3.00的釩、從0.40至2.00的鐵和從0.10至0.30的氧。將所述α+β鈦合金在環境溫度至500°F范圍內的溫度冷加工，并且隨后在700°F至1200°F范圍內的溫度時效。
【專利說明】ot/β鈦合金的加工
[00011 本申請是申請日為2011年6月27日，申請號為201180035692.8，發明名稱為"α/β鈦 合金的加工"的申請的分案申請。
技術領域
[0002] 本公開涉及用于生產高強度α/β(α+β)鈦合金的工藝并且涉及通過所公開的工藝 生產的產品。
【背景技術】
[0003] 鈦和鈦基合金用于多種應用中，原因在于這些材料相對高的強度、低密度和良好 的耐蝕性。例如，鈦和鈦基合金因為這種材料的高強度-重量比和耐蝕性而廣泛地用于航天 工業中。已知廣泛用于多種應用中的一組鈦合金是α/β(α+β)Τ?-6Α1_4ν合金，其包含以重量 計6 %的鋁、4 %的釩、小于0.20 %的氧和鈦的名義成分。
[0004] Ti-6A1-4V合金是最常見的鈦基制造的材料之一，據估計占據超過50%的總鈦基 材料市場。Ti-6A1-4V合金用于眾多應用中，這些應用得益于該合金在低溫至中等溫度下的 高強度、輕重量和耐蝕性的組合。例如，Ti-6A1-4V合金用來生產飛行器發動機組件、飛行器 結構性組件、緊固件、高性能汽車組件、醫療器械的組件、運動裝備、海洋應用的組件和化學 加工設備的組件。
[0005] Ti-6A1-4V合金乳制產品一般上在乳制退火條件下或在經固溶處理和時效（STA) 條件下使用。可在乳制退火條件下提供相對較低強度的Ti-6A1-4V合金乳制產品。如本文所 用，"乳制退火條件"指在"乳制退火"熱處理后鈦合金的條件，在"乳制退火"熱處理中，工件 在升高的溫度(例如，1200-1500°F/649-816°C)下退火約1-8小時并且在靜止空氣中冷卻。 在工件于α+β相場中熱加工后，對其進行乳制退火熱處理。在室溫下，在乳制退火條件下的 Ti-6A1-4V合金具有130ksi(896MPa)的最低規定的極限拉張強度和120ksi(827MPa)的最低 規定的屈服強度。參見例如航天材料規范(AMS)4928和6931A，這些文獻通過引用的方式并 入本文。
[0006] 為增加 Ti-6A1-4V合金的強度，這些材料通常經過STA熱處理。STA熱處理通常在工 件于α+β相場中被熱加工后進行。STA指在低于β轉變溫度的升高溫度(例如，1725-1775° F/ 940-968Γ)下熱處理工件持續相對短暫的保溫時間（例如，約1小時）并且隨后用水或等同 介質快速地對工件進行淬火。淬火的工件在升高的溫度(例如，900-1200°F/482-649°C)下 時效約4-8小時并且在靜止空氣中冷卻。在室溫下，根據STA加工制品的直徑或厚度尺度，在 STA條件下的Ti-6A1-4V合金具有150-165ksi(1034-1138MPa)的最低規定的極限拉張強度 和140-155ksi(965-1069MPa)的最低規定的屈服強度。參見例如AMS4965和AMS 6930A，這些 文獻通過引用的方式并入本文。
[0007] 然而，在使用STA熱處理來實現Ti-6A1_4V合金的高強度時存在眾多限制。例如，材 料的固有物理特性和在STA加工期間對快速淬火的要求限制了可以實現高強度的制品大小 和尺寸，并且可能展現出相對較大的熱應力、內應力、翹曲和維度扭曲。本公開涉及用于加 工某些α+β鈦合金以提供可媲美或優于STA條件下的Ti-6A1-4V合金的特性但又不遭受STA 加工的限制的機械特性的方法。
【發明內容】
[0008] 本文中公開的實施方案涉及用于從α+β鈦合金形成制品的工藝。所述工藝包括將 所述α+β鈦合金在環境溫度至500°F(260°C)范圍內的溫度冷加工，并且在冷加工步驟后，在 700°F至1200°F(371_649°C)范圍內的溫度時效所述α+β鈦合金。所述α+β鈦合金包含按重量 百分比從2.90%至5.00%的鋁、從2.00%至3.00%的釩、從0.40%至2.00%的鐵、從0.10% 至0.30 %的氧、附帶雜質和鈦。
[0009] 可以理解，公開和本文所述的本發明不限于在此簡述中所公開的實施方案。
【附圖說明】
[0010] 本文公開和描述的多個非限制性實施方案的特征可以通過參考附圖更好地理解， 其中：
[0011] 圖1是平均極限拉張強度和平均屈服強度對冷加工的圖，所述冷加工量化為冷拉 態條件下冷拉α+β鈦合金棒的斷面收縮率％ ( %RA);
[0012] 圖2是平均延性的圖，所述平均延性量化為冷拉態條件下冷拉α+β鈦合金棒的拉張 伸長％ ;
[0013] 圖3是在根據本文中公開的工藝的實施方案冷加工和直接時效后，極限拉張強度 和屈服強度對α+β鈦合金棒的延伸％的圖；
[0014] 圖4是在根據本文中公開的工藝的實施方案冷加工和直接時效后，平均極限拉張 強度和平均屈服強度對α+β鈦合金棒的平均伸長率的圖；
[0015] 圖5是平均極限拉張強度和平均屈服強度對α+β鈦合金棒的圖，所述α+β鈦合金棒 經冷加工至20%斷面收縮率和在溫度下時效1小時或8小時；
[0016] 圖6是平均極限拉張強度和平均屈服強度對α+β鈦合金棒的圖，所述α+β鈦合金棒 經冷加工至30%斷面收縮率和在溫度下時效1小時或8小時；
[0017] 圖7是平均極限拉張強度和平均屈服強度對α+β鈦合金棒的圖，所述α+β鈦合金棒 經冷加工至40%斷面收縮率和在溫度下時效1小時或8小時；
[0018] 圖8是平均伸長率對α+β鈦合金棒的時效溫度的圖，所述α+β鈦合金棒經冷加工至 20%斷面收縮率和在溫度下時效1小時或8小時；
[0019] 圖9是平均伸長率對α+β鈦合金棒的時效溫度的圖，所述α+β鈦合金棒經冷加工至 30%斷面收縮率和在溫度下時效1小時或8小時；
[0020] 圖10是平均伸長率對α+β鈦合金棒的時效溫度的圖，所述α+β鈦合金棒經冷加工至 40%斷面收縮率和在溫度下時效1小時或8小時；
[0021] 圖11是平均極限拉張強度和平均屈服強度對α+β鈦合金棒的時效時間的圖，所述α +β鈦合金棒經冷加工至20%斷面收縮率和在850°F(454°C)或1100°F(593°C)時效;并且 [0022]圖12是平均伸長率對α+β鈦合金棒的時效時間的圖，所述α+β鈦合金棒經冷加工至 20%斷面收縮率和在850°F(454°C)或1100°F(593°C)時效。
[0023]當考慮對本公開的多個非限制性實施方案的以下詳細描述時，讀者將理解前述細 節以及其他。當實施或使用本文所述的實施方案時，讀者也可以理解額外的細節。
【具體實施方式】
[0024] 應當理解對所公開實施方案的描述已經簡化，以便僅顯示與清晰理解所公開實施 方案有關的那些特點和特征，同時出于清晰性目的，消除特點和特征。當考慮所公開實施方 案的這種描述時，本領域普通技術人員會認識到其他特點和特征可能在所公開實施方案的 具體實施或應用中是合乎需要的。然而，因為這類其他特點和特征可以由本領域普通技術 人員在考慮所公開實施方案的這種描述時輕易地確定并實施，并且因此對于完全理解所公 開的實施方案而言不是必需的，所以本文中沒有提供這類特點、特征等的描述。因而，應當 理解，本文中所述的描述僅是所公開實施方案的示例和說明，并且不意在限制由權利要求 書限定的本發明范圍。
[0025] 在本公開中，除非另外指明，全部數字參數應理解為在全部情況下前置有術語 "約"并受其修飾，其中所述數字參數擁有固有變異性，所述固有變異性是用來測定參數數 值的潛在測量技術的特征。最低限度地并且不企圖限制等同物原則適用于權利要求書的范 圍，本發明描述中所述的每個數字參數應當至少根據所報道的有效數字的數目并且通過普 通修約技術加以解釋。
[0026] 另外，本文中描述的任何數字范圍意在包括隸屬于所述范圍內的全部子范圍。例 如，范圍"1至10"意在包括在所述最小值1和所述最大值10之間（并且包括最小值和最大值） 的全部子范圍，即，具有等于或大于1的最小值和等于或小于10的最大值。本文中描述的任 何最大數字限制意在包括隸屬于其中的全部較低數字限制并且本文中描述的任何最小數 字限制意在包括隸屬于其中的全部較高數字限制。因此，
【申請人】保留修訂本公開(包括權利 要求書）的權利以明確地描述隸屬于本文中明確所述的范圍內部的任何子范圍。全部這類 范圍意在本文中內在地公開，從而明確描述任何這類子范圍的修訂將符合35U. S. C. §112， 第一段和35U.S.C.§132(a)的要求。
[0027] 除非另外說明，否則語法冠詞"a(-個)"、"an(-個)"和"the(該)"意在包括"至少 一個"或"一個或多個"。因此，這些冠詞在本文中用來指該冠詞的語法對象的一個或多于一 個（即指"至少一個"）。以舉例方式，"一個組件"意指一個或多個組件，并且因此，可能構思 多于一個組件并且可以在所述實施方案的實施中采用或使用之。
[0028] 除非另外說明，否則將所稱通過引用方式并入本文中的任何專利、出版物或其他 披露材料完整并入本文，但是僅至這樣的程度，從而所并入的材料不與本說明書中明確所 述的現有定義、聲明或其他披露材料矛盾。因此并且至必需程度，如本文中所述的明確披露 內容優先于通過引用方式并入本文中的任何矛盾性材料。僅將所稱通過引用方式并入本文 中，但是與本文中所述的現有定義、聲明或其他披露材料矛盾的任何材料或其部分以如此 程度并入，從而在所并入的材料和現有的披露材料之間不發生矛盾。
【申請人】保留修訂本公 開的權利以明確地描通過引用方式并入本文中的任何主題或其部分。
[0029] 本公開包括對多種實施方案的描述。應當理解本文所述的多種實施方案是示例 性、說明性和非限制性的。因此，本公開不受對多種示例性、說明性和非限制性實施方案的 描述限制。相反，本發明由權利要求書限定，其中可以修訂權利要求書以描述在本公開中明 確或內在描述或由本公開明確或內在支持的任何特點或特征。另外，
【申請人】保留修訂權利 要求書的權利以明確放棄可能在現有技術中存在的特點或特征。因此，任何這類修訂將符 合35U.S.C.§112,第一段和35U.S.C.§132(a)的要求。本文公開和描述的多種實施方案可以 包含如本文多樣描述的特點和特征、由其組成或基本上由其組成。
[0030]本文中公開的多種實施方案涉及用于從具有與Ti-6A1_4V合金不同的化學成分的 α+β鈦合金形成制品的熱機械工藝。在多個實施方案中，α+β鈦合金包含按重量百分比從 2.90至5.00的鋁、從2.00至3.00的釩、從0.40至2.00的鐵、從0.20至0.30的氧、附帶雜質和 鈦。在授予Kosaka的美國專利號5，980，655(其通過引用方式并入本文）中描述了這些α+β鈦 合金(在本文中稱作1〇881?1合金"）。1(〇8&1?1合金的名義商業成分包含按重量百分比4.00的 鋁、2.50的釩、1.50的鐵、0.25的氧、附帶雜質和鈦，并且可以稱作Ti-4Al-2.5V-1.5Fe-0.250合金。
[0031]美國專利號5,980,655( "'655專利"）描述了使用α+β熱機械加工方法從Kosaka合 金鑄錠形成板材。Kosaka合金被研發作為Ti-6A1-4V合金的較低成本替代物，用于防彈裝甲 板應用。' 655專利中所述的α+β熱機械加工方法包括：
[0032] (a)形成具有Kosaka合金成分的鑄錠；
[0033] (b)在高于所述合金的β轉變溫度的溫度(例如，在高于1900°F(1038°C)的溫度)下 β鍛造所述鑄錠以形成中間板坯；
[0034] (c)在低于所述合金的β轉變溫度但處于α+β相場內的溫度（例如，在1500_1775°F (815-968 °C)的溫度)下α+β鍛造所述中間板坯；
[0035] (d)在低于所述合金的β轉變溫度但處于α+β相場內的溫度（例如，在1500_1775°F (815-968 °C)的溫度)下α+β滾壓所述板坯至最終板材厚度；以及
[0036] (e)在 1300-1500°F(704-815°C)的溫度下乳制退火。
[0037]根據'655專利中所公開的工藝形成的板材展現出可媲美或優于Ti-6A1_4V板材的 防彈特性。然而，根據'655專利中所公開的工藝形成的板材展現出低于經STA加工后Ti-6A1-4V合金實現的高強度的室溫拉張強度。
[0038] 在室溫下，在STA條件下的Ti-6A1-4V合金可以展現出約160-177ksi(1103-1220MPa)的極限拉張強度和約150-164ksi(1034-1131MPa)的屈服強度。然而，因為Ti-6A1-4V的某些物理特性(如相對低的導熱性），所以可以通過STA加工用Ti-6A1-4V合金實現的極 限拉張強度和屈服強度取決于經歷STA加工的Ti-6A1-4V合金制品的大小。就這個方面而 言，Ti-6A1-4V合金的相對低的導熱性限制了可以使用STA加工充分硬化/強化的制品的直 徑/厚度，因為大直徑或厚截面合金制品的內在部分在淬火期間不以足以形成α'相(α'_相） 的速率冷卻。以這種方式，大直徑或厚截面Ti-6A1-4V合金的STA加工產生一種具有包圍不 具有相同水平的析出強化的相對較弱的核心的析出強化殼體(這可以顯著降低制品的總強 度）的制品。例如，對于具有大于約0.5英寸（1.27cm)的小尺度(例如，直徑或厚度）的制品， 11-641-4￥合金制品的強度開始下降，并且3了4加工對于具有大于約3英寸（7.62(^)的小尺 度的Ti-6A1-4V合金制品不提供任何益處。
[0039]在STA條件下的Ti-6A1-4V合金的拉張強度的尺寸依賴性在材料規范（如AMS 6930A)的與增加的制品尺寸相對應的下降的強度最小值中是明顯的，其中在STA條件下的 Ti-6A1-4V合金的最高強度最小值對應于具有小于0.5英寸（1.27cm)的直徑或厚度的制品。 例如，對于在STA條件下且具有小于0.5英寸（1.27cm)的直徑或厚度的Ti-6A1-4V合金制品， AMS 6930A規定了 165ksi(1138MPa)的最小極限拉張強度和155ksi(1069MPa)的最小屈服強 度。
[0040] 另外，STA加工可導致相對大的熱應力和內應力并且在淬火步驟期間可造成鈦合 金制品的翹曲。盡管有其限制性，但STA加工仍是在Ti-6A1-4V合金中實現高強度的標準方 法，因為Ti-6A1-4V合金通常不是可冷變形的并且因此不能被有效地冷加工以提高強度。不 意圖受理論約束，通常認為冷可變形性/可加工性的缺乏可歸因于Ti-6A1-4V合金中的滑移 成帶(slip banding)現象。
[0041] Ti-6A1_4V合金的α相(α-相)使共格的Ti3Al(a-2)粒子析出。這些共格的α-2(α2)析 出物增加了合金的強度，但是因為共格析出物在塑性變形期間因移動位錯而被剪切，所以 沉淀物導致明顯的平面滑移帶在合金的微結構內部形成。另外，已經顯示Ti-6A1_4V合金晶 體形成鋁和氧原子的短程有序的局部區域，即，局部偏離于鋁和氧原子在晶體結構內部的 均勻分布。已經顯示熵減少的這些局部區域促進明顯的平面滑移帶在Ti-6A1-4V合金的微 結構內部的形成。這些微結構和熱力學特征在Ti-6A1-4V合金內的存在可以在變形期間造 成滑移位錯的糾纏或以其它方式防止位錯滑移。當這種情況出現時，滑移被定位至合金中 明顯的平面區域(稱作滑移帶）。滑移帶造成延性損失、裂紋形核和裂紋擴展，這導致冷加工 期間T i -6A1-4V合金的失效。
[0042]因此，Ti-6A1_4V合金通常在通常高于a2溶線溫度的升高的溫度下被加工（例如， 鍛造、滾壓、拉延等hTi-eAiiv合金不能被有效地冷加工以增加強度，原因在于冷變形期 間開裂（即工件失效）的高發生率。然而，出乎意料地發現了 Kosaka合金具有相當大的冷可 變形/可加工度，如美國專利申請公開號2004/0221929(其通過引用方式并入本文）中所述。 [0043]已經確定，Kosaka合金在冷加工期間不展現出滑移成帶，并且因此在冷加工期間 展現出比Ti-6A1_4V合金明顯更少的開裂。不意圖受理論約束，據信Kosaka合金中滑移帶的 缺少可以歸因于鋁和氧短程有序的最小化。此外，α 2_相穩定性在Kosaka合金中相對于Ti-6A1-4V較低，例如，如α2-相溶線溫度(對于Ti-6A1-4V是1305°F/707°C (最大0.15重量百分 比的氧)且對于Ti-4Al-2.5V-1.5Fe-0.250是1062°F/572°C，使用美國威斯康星州麥迪遜的 CompuTherm LLC的Pandat軟件測定）的平衡模型所展示。因此，Kosaka合金可以被冷加工以 實現高強度并且保留可加工水平的延性。此外，已經發現可以將Kosaka合金冷加工和時效 以實現勝過僅僅冷加工的增強的強度和增強的延性。如此，Kosaka合金可以實現可媲美或 優于在STA條件下的Ti-6A1-4V合金的強度和延性，但是不需要STA加工并且沒有STA加工的 限制。
[0044]通常。"冷加工"指在顯著削弱材料流變應力的溫度加工合金。如本文中關于所公 開的方法所用，"冷加工"、"冷加工的"、"冷成型"和類似術語或與其中特定加工或形成技術 相聯系使用的"冷"，指不高于500°F(260°C)的溫度加工或（依情形而定）已經在這個溫度加 工的特征。因此，例如，在環境溫度至500° F( 260 °C)范圍內的溫度對Kosaka合金工件進行拉 延操作在本文中視為冷加工。另外，術語"加工"、"成型"和"變形"在本文中總體上可互換地 使用，術語"可加工性"、"可成型性"、"可變形性"和類似術語也是如此。應當理解，與本申請 有關的適用于"冷加工"、"冷加工"、"冷成型"和類似術語的意思不意在并且沒有限制這些 術語在其他語境下或與其他發明相關情況下的意思。
[0045] 在多個實施方案中，本文中公開的工藝可以包括在環境溫度至直至500°F(260°C) 范圍內的溫度冷加工α+β鈦合金。在冷加工操作后，α+β鈦合金可以在700° F至1200° F(371-649°C)范圍內的溫度時效。
[0046] 當一種機械操作（例如冷拉伸展)在本文中描述為在指定溫度或在指定溫度范圍 內實施、進行等時，這種機械操作是對這種機械操作開始時處于該指定溫度或處于該指定 溫度范圍內的工件進行。在機械操作過程期間，工件的溫度可能從機械操作開始時工件的 初始溫度變動。例如，工件的溫度可以因加工操作期間的絕熱加熱而提高或因加工操作期 間的傳導性、對流性和/或輻射性冷卻而下降。偏離機械操作開始時的初始溫度的溫度變動 的幅度和方向可取決于多種參數，例如，對工件進行的加工水平、進行加工時的應變率、機 械操作開始時工件的初始溫度和周圍環境的溫度。
[0047] 當一種熱操作（如時效熱處理)在本文中描述為在指定溫度和指定時間段或在指 定的溫度范圍和時間范圍內實施時，將這種操作進行指定的時間，同時維持工件處于所述 溫度。本文對熱操作（如時效熱處理)所述的時間段不包括加熱時間和冷卻時間，這可以取 決于例如工件的尺寸和形狀。
[0048] 在多個實施方案中，α+β鈦合金可以在環境溫度直至500°F(260°C)范圍或其中任 何子范圍（例如，環境溫度至450°F(232°C )、環境溫度至400° F(204°C )、環境溫度至350° F (177。〇、環境溫度至300°?(149。(：）、環境溫度至250°?(121°(：)、環境溫度至200°?(93°(：)或 環境溫度至150° F(65°C))內的溫度被冷加工。在多個實施方案中，α+β鈦合金在環境溫度被 冷加工。
[0049] 在多個實施方案中，α+β鈦合金的冷加工可以使用成型技術進行，所述成型技術包 括但不必然限于拉延、深拉延、滾壓、滾壓成型、鍛造、擠壓、皮爾格式乳管(pilgering)、擺 輾、變薄旋壓、剪切-旋壓、液壓成型、擠脹成型、模鍛、沖擊擠壓、爆炸成型、橡膠成型、反擠 壓、沖孔、旋壓、拉伸成型、壓彎、電磁成型、鐓制(heading)、壓印（coining)及其任意組合。 就本文中公開的工藝而言，在不大于500°F(260°C)的溫度進行時，這些成型技術對α+β鈦合 金提供冷加工。
[0050] 在多個實施方案中，可以將α+β鈦合金冷加工至20%至60%的斷面收縮率。例如， 可以將α+β鈦合金工件（例如，鑄錠、鋼坯、棒、桿、管件、板坯或板材)塑性變形（例如，在冷 拉、冷乳、冷擠或冷鍛操作中），從而使工件的橫截面面積收縮達20%至60 %范圍內的百分 比。對于圓柱形工件，例如，圓形鑄錠、鋼坯、棒、桿和管件，針對工件的圓形或環形截面測量 斷面收縮率，所述截面大體上垂直于工件穿過拉延模、擠壓模等運動的方向。同樣，針對工 件的大體上垂直于工件穿過滾壓設備等的乳輥運動的方向的截面測量被滾壓的工件的斷 面收縮率。
[0051 ]在多個實施方案中，可以將α+β鈦合金冷加工至20%至60或其中的任何子范圍（例 如，30%至60%、40%至60%、50%至60%、20%至50%、20%至40%、20%至30%、30%至 50%、30%至40%或40%至50% )的斷面收縮率。可以將α+β鈦合金冷加工至20%至60%的 斷面收縮率，而沒有可觀察到的邊裂或其他表面開裂。可以在沒有任何中間應力消除退火 的情況下進行冷加工。以這種方式，本文中公開的工藝的多種實施方案可以在沒有任何中 間應力消除退火的情況下在連續的冷加工操作(例如兩次或更多次通過冷拉設備)之間實 現達60%的斷面收縮率。
[0052]在多個實施方案中，冷加工操作可以包括至少兩個變形循環，其中每個變形循環 包括冷加工α+β鈦合金到至少10%的斷面收縮率。在多個實施方案中，冷加工操作可以包括 至少兩個變形循環，其中每個變形循環包括冷加工α+β鈦合金到至少20%的斷面收縮率。這 至少兩個變形循環可以在沒有任何中間應力消除退火的情況下實現達60%的斷面收縮率。 [0053] 例如，在冷拉操作中，可以將棒在環境溫度下在第一次拉伸中冷拉至大于20%的 斷面收縮率。可以隨后將大于20%冷拉的棒在環境溫度下在第二次拉伸中冷拉至大于20% 的第二斷面收縮率。兩次冷拉伸可以在其間沒有任何中間應力消除退火的情況下進行。以 這種方式，可以使用至少兩個變形循環冷加工α+β鈦合金，以實現較大的總體斷面收縮率。 在給定的冷加工操作的實施中，使α+β鈦合金冷變形所需的力將取決于多種參數，包括例如 工件的尺寸和形狀、合金材料的屈服強度、變形程度(例如，斷面收縮率)和特定的冷加工技 術。
[0054] 在多種實施方案中，在冷加工操作后，冷加工的α+β鈦合金可以在700°F至1200°F (371-649。(：）范圍或其任何子范圍（例如，800°?至1150°?、850°?至1150°?、800°?至1100°卩 或 850°F至 1100。卩（8口，427-621°(：、454-621°(：、427-593°(：或454-593°(：))內的溫度被時效。 時效熱處理可在足以提供規定的機械特性（例如，規定的極限拉張強度、規定的屈服強度 和/或規定的伸長率)組合的溫度下和時間長度內進行。例如，在多個實施方案中，時效熱處 理可以在某個溫度下進行達50小時。在多個實施方案中，時效熱處理可以在某個溫度下進 行0.5至10小時或其中的任何子范圍，例如在該溫度下進行1至8小時。時效熱處理可以在溫 控爐(例如，戶外煤氣爐(open-air gas furnace))中進行。
[0055] 在多個實施方案中，本文中公開的工藝還可以包括在冷加工操作之前進行的熱加 工操作。熱加工操作可以在α+β相場內進行。例如，熱加工操作可以在低于α+β鈦合金的β轉 變溫度300° F至25° F(167-15°C )范圍內的溫度下進行。通常，Kosaka合金具有約1765° F至 1800°F(963-982°C)的β轉變溫度。在多種實施方案中，α+β鈦合金可以在1500°F至1775°F (815-968°C)范圍或其中的任何子范圍（例如，1600°F至1775°F、1600°F至1750°F或1600°F 至 1700° F( BP，871-968°C、871-954°C或871-927°C))內的溫度下被熱加工。
[0056] 在冷加工操作之前包括熱加工操作的實施方案中，本文中公開的工藝還可以包括 在熱加工操作和冷加工操作之間的任選的退火或應力消除熱處理。熱加工的α+β鈦合金可 以在1200°F至1500°F(649-815°C)范圍或其中的任何子范圍（例如，1200°F至1400°F或 1250° F至 1300° F( 即，649-760 °C 或677-704°C))內的溫度下被退火。
[0057]在多個實施方案中，本文中公開的工藝可以包括在α+β相場內進行的熱加工操作 之前，在β相場內進行的任選的熱加工操作。例如，可以在β相場內熱加工鈦合金鑄錠以形成 中間制品。這種中間制品可以在α+β相場內被熱加工以形成α+β相微結構。在熱加工后，中間 制品可以被應力消除退火并且隨后在環境溫度至500°F(260°C)范圍內的溫度被冷加工。冷 加工的制品可以在700°F至1200°F(371-649°C)范圍內的溫度被時效。在高于合金的β轉變 溫度的溫度，例如，在1800°F至2300°F(982-1260°C)范圍或其中的任何子范圍（例如，1900° F 至 2300°F 或 1900°F 至 2100。卩（8口，1038-1260°(：或1038-1149°(：))內的溫度，進行財目場內的 任選的熱加工。
[0058]在多種實施方案中，本文中公開的工藝可以以形成α+β鈦合金制品為特征，所述α+ β鈦合金制品在環境溫度下具有155ksi至200ksi(1069-1379MPa)范圍內的極限拉張強度和 8%至20%范圍內的伸長率。另外，在多種實施方案中，本文中公開的工藝可以以形成α+?3鈦 合金制品為特征，所述α+β鈦合金制品在環境溫度下具有160ksi至180ksi(1103-1241MPa) 范圍內的極限拉張強度和8%至20%范圍內的伸長率。此外，在多種實施方案中，本文中公 開的工藝可以以形成α+齡太合金制品為特征，所述α+齡太合金制品在環境溫度下具有165ksi 至180ksi(1138-1241MPa)范圍內的極限拉張強度和8%至17%范圍內的伸長率。
[0059]在多種實施方案中，本文中公開的工藝可以以形成α+β鈦合金制品為特征，所述α+ β鈦合金制品在環境溫度下具有140ksi至165ksi(965-1138MPa)范圍內的屈服強度和8%至 20%范圍內的伸長率。此外，在多種實施方案中，本文中公開的工藝可以以形成α+β鈦合金 制品為特征，所述α+β鈦合金制品在環境溫度下具有155ksi至165ksi(1069-1138MPa)范圍 內的屈服強度和8%至15%范圍內的伸長率。
[0060] 在多種實施方案中，本文中公開的工藝可以以形成α+β鈦合金制品為特征，所述α+ β鈦合金制品在環境溫度下具有在包括于155ksi至200ksi(1069-1379MPa)內的任何子范圍 內的極限拉張強度、在包括于140ksi至165ksi(965-1138MPa)內的任何子范圍內的屈服強 度和在包括于8%至20%內的任何子范圍內的伸長率。
[0061] 在多種實施方案中，本文中公開的工藝可以以形成α+β鈦合金制品為特征，所述α+ β鈦合金制品在環境溫度下具有大于155ksi的極限拉張強度、大于140ksi的屈服強度和大 于8%的伸長率。根據多種實施方案形成的α+β鈦合金制品可以在環境溫度下具有大于 166ksi、大于175ksi、大于185ksi或大于195ksi的極限拉張強度。根據多種實施方案形成的 α+β鈦合金制品可以在環境溫度下具有大于145ksi、大于155ksi或大于160ksi的屈服強度。 根據多種實施方案形成的α+β鈦合金制品可以在環境溫度下具有大于8%、大于10%、大于 12%、大于14%、大于16%或大于18%的伸長率。
[0062] 在多種實施方案中，本文中公開的工藝可以以形成α+β鈦合金制品為特征，所述α+ β鈦合金制品在環境溫度下具有與由經固溶處理和時效(STA)條件下的Ti-6A1_4V合金組成 的其它相同制品在環境溫度下的極限拉張強度、屈服強度和伸長率至少同樣大的極限拉張 強度、屈服強度和伸長率。
[0063]在多種實施方案中，本文中公開的工藝可以用來熱機械地加工α+β鈦合金，所述α+ β鈦合金包含、其成分為或其成分基本為按重量百分比從2.90 %至5.00 %的鋁、從2.00 %至 3.00 %的釩、從0.40 %至2.00 %的鐵、從0.10 %至0.30 %的氧、附帶元素和鈦。
[0064]根據本文所公開的工藝熱機械地加工的α+β鈦合金中的鋁濃度可以是在按重量百 分比從2.90至5.00的范圍或其任何子范圍（例如，3.00 %至5.00%、3.50 %至4.50%、 3.70 %至4.30 %、3.75 %至4.25 %或3.90 %至4.50 % )內。根據本文所公開的工藝熱機械地 加工的α+β鈦合金中的釩濃度可以是在按重量百分比從2.00至3.00的范圍或其任何子范圍 (例如，2.20%至3.00%、2.20%至2.80%或2.30%至2.70%)內。根據本文所公開的工藝熱 機械地加工的α+β鈦合金中的鐵濃度可以是在按重量百分比從0.40至2.00的范圍或其任何 子范圍（例如，0.50%至2.00%、1.00%至2.00%、1.20%至 1.80%或1.30%至1.70%)內。 根據本文所公開的工藝熱機械地加工的α+β鈦合金中的氧濃度可以是在按重量百分比從 0.10至0.30的范圍或其任何子范圍（例如，0.15 %至0.30 %、0.10 %至0.20 %、0.10 %至 0.15%、0.18%至0.28%、0.20%至0.30%、0.22%至0.28%、0.24%至0.30%或0.23%至 0.27%)內。
[0065]在多種實施方案中，本文中公開的工藝可以用來熱機械地加工α+β鈦合金，所述α+ β鈦合金名義上包含、其成分為或其成分基本為4.00%重量的鋁、2.50%重量的釩、1.50% 重量的鐵和〇. 25 %重量的氧、鈦和附帶雜質（Ti-4Al-2.5V-1.5Fe-0.250)。具有名義成分 Ti_4Al_2 · 5V-1 · 5Fe_0 · 250的α+β欽合金是可從Allegheny Technologies Incorporated作 為ATi425fe合金可商業獲得的。
[0066]在多種實施方案中，本文中公開的工藝可以用來熱機械地加工α+β鈦合金，所述α+ β鈦合金包含、其成分為或其成分基本為鈦、鋁、釩、鐵、氧、附帶雜質和按重量計小于0.50 % 的任何其它有意添加的合金成分。在多種實施方案中，本文中公開的工藝可以用來熱機械 地加工α+β鈦合金，所述α+β鈦合金包含、其成分為或其成分基本為鈦、鋁、銀、鐵、氧和按重 量計小于0.50%的任何其它成分(包括有意添加的合金成分和附帶雜質）。在多種實施方案 中，除鈦、鋁、釩、鐵和氧之外的總成分(附帶雜質和/或有意添加的合金添加物)的最大水平 可以是按重量計 0.40%、0.30%、0.25%、0.20%或0.10%。
[0067] 在多種實施方案中，如本文所述那樣加工的α+β鈦合金可以包含、其成分基本為或 其成分為根據AMS 6946Α的3.1部分的成分(該文獻通過引用方式并入本文中并且其規定了 在表1中提供的成分（以重量計的百分比））。
[0068] 表 1
[0069]
[0070]在多種實施方案中，如本文所述那樣加工的α+β鈦合金可以包括除鈦、鋁、釩、鐵和 氧之外的多種元素。例如，這類其它元素及其重量百分比可以包括但不必然地限于以下中 的一個或多個：（a)鉻，0.10%最大值，通常從0.0001 %至0.05%或達約0.03% ;(b)鎳， 0.10 %最大值，通常從0.001 %至0.05 %或達約0.02% ;(c)鉬，0.10 %最大值；（d)鋯， 0.10%最大值；（e)錫，0.10%最大值；（f)碳，0.10%最大值，通常從0.005%至0.03%或達 約0.01 %;和/或(g)氮，0.10%最大值，通常從0.001 %至0.02%或達約0.01 %。
[0071]本文中公開的工藝可以用來形成制品，例如，鋼坯、棒、桿、線、管件、管材、板坯、板 材、結構件、緊固件、鉚釘等。在多種實施方案中，本文中公開的工藝產生在環境溫度下具有 155ksi至200ksi(1069-1379MPa)范圍內的極限拉張強度、140ksi至 165ksi(965-1138MPa) 范圍內的屈服強度和8%至20%范圍內的伸長率并且具有大于0.5英寸、大于1.0英寸、大于 2.0英寸、大于3.0英寸、大于4.0英寸、大于5.0英寸、或大于10.0英寸（即，大于1.27cm、 2.54〇11、5.08〇11、7.62〇11、10.16〇11、12.70〇11或24.50〇11)的最小尺度(例如，直徑或厚度）的制 品。
[0072] 另外，本文中所公開的工藝的實施方案的各種優勢之一是可以不受尺寸限制地形 成高強度α+β鈦合金制品（尺寸限制是STA加工的一個固有限制）。因此，本文中公開的工藝 可以產生在環境溫度下具有大于165ksi(1138MPa)的極限拉張強度、大于155ksi(1069MPa) 的屈服強度和大于8%的伸長率的制品，同時對制品的小尺度(例如，直徑或厚度)的最大值 沒有固有的限制。因此，根據本文中公開的實施方案，最大尺寸限制僅由用來進行冷加工的 冷加工設備的尺寸限制決定。相反，STA加工對可以實現高強度的制品的小尺度的最大值具 有固有的限制，例如對于在室溫下展現出至少165ksi(1138MPa)的極限拉張強度和至少 155ksi(1069MPa)的屈服強度的Ti-6A1-4V制品，最大值為0.5英寸（1.27〇1〇。參見八13 6930A。
[0073] 此外，本文中公開的工藝可以產生具有高強度和低或零熱應力以及比使用STA加 工產生的高強度制品更好的尺寸容差的α+β鈦合金制品。根據本文中公開的工藝冷拉和直 接時效不產生成問題的內部熱應力、不引起制品的翹曲，并且不引起制品的維度扭曲（已知 對于α+β鈦合金制品的STA加工會出現這種現象）。
[0074] 本文中公開的工藝也可以用來形成α+β鈦合金制品，所述α+β鈦合金制品具有落入 取決于冷加工水平和時效處理的時間/溫度的寬范圍內的機械特性。在多種實施方案中，極 限拉張強度可以是在從約155ksi至超過180ksi(約1069MPa至超過1241MPa)的范圍內，屈服 強度可以是在從約140ksi至約163ksi(965-1124MPa)的范圍內，并且伸長率可以是在從約 8%至超過19%的范圍內。可以通過冷加工和時效處理的不同組合實現不同的機械特性。在 多種實施方案中，較高水平的冷加工(例如，收縮)可以與較高的強度和較低的延性相關，而 較高的時效溫度可以與較低的強度和較高的延性相關。以這種方式，可以根據本文中公開 的實施方案規定冷加工和時效循環，以在α+β鈦合金制品中實現受控和可再現水平的強度 和延性。這允許生產具有可定制機械特性的α+β鈦合金制品。
[0075] 以下的說明性和非限制性實施例意在進一步描述多種非限制性實施方案，而不限 制實施方案的范圍。本領域普通技術人員將理解在權利要求書限定的本發明的范圍內實施 例的變型是可能的。
[0076] 實施例
[0077] 實施例1
[0078] 將來自兩次不同加熱的5.0英寸直徑圓柱形合金的鋼坯在α+β相場內在1600° F (87ΓΟ的溫度熱乳以形成1.0英寸直徑的圓棒，其中所述合金的鋼坯具有表2中呈現的平 均化學成分(不包括附帶雜質）。
[0079] 整
[0081 ]將1.0英寸的圓棒在1275° F的溫度退火1小時并且空氣冷卻至環境溫度。將退火的 棒在環境溫度下使用拉延操作進行冷加工以縮減棒的直徑。將冷拉操作期間對棒進行的冷 加工的量量化為冷拉期間圓棒的圓形截面面積的收縮百分比。實現的冷加工百分比是 20%、30%或40%的斷面收縮率(RA)。對于20%的斷面收縮率，通過單次拉伸進行拉延操 作，并且對于30 %和40 %的斷面收縮率，通過兩次拉伸進行拉延操作，沒有中間退火。
[0082] 在環境溫度下測量每根冷拉棒(20%、30%和40%RA)和未冷拉的1英寸直徑的棒 (0%RA)的極限拉張強度(UTS)、屈服強度(YS)和伸長率（％)。在表3和圖1和圖2中呈現了平 均化的結果。
[0085] 極限拉張強度通常隨增加的冷加工水平而增加，而伸長率通常隨增加的冷加工水 平(直至約20-30%冷加工)而下降。冷加工至30%和40%的合金保留約8%的伸長率，同時 極限拉張強度大于180ksi并且逼近190ksi。冷加工至30%和40%的合金也展現出在1501^1 至170ksi范圍內的屈服強度。
[0086] 實施例2
[0087]將具有表1中所呈現的平均化學成分的加熱Χ(β轉變溫度為1790° F)的5英寸直徑 圓柱形鋼坯如實施例1中所述那樣進行熱機械地加工以形成具有冷加工百分比20%、30% 或40 %的斷面收縮率的圓棒。在冷拉后，使用表4中呈現的時效循環之一將棒直接時效，隨 后空氣冷卻至環境溫度。
[0088] ^4
[0090]在環境溫度下測量每根冷拉和時效的棒的極限拉張強度、屈服強度和伸長率。圖3 中呈現了原始數據并且在圖4和表5中呈現了平均化的數據。
[0091] ^5
[0093] 冷拉和時效的合金展現出取決于冷加工水平和時效處理的時間/溫度循環的機械 特性的范圍。極限拉張強度的范圍是從約155ksi至超過180ksi。屈服強度的范圍是從約 1401^1至約1631^1。伸長率的范圍是從約11%至超過19%。因此，可以通過冷加工水平和時 效處理的不同組合實現不同的機械特性。
[0094] 較高水平的冷加工大體上與較高的強度和較低的延性相關。較高的時效溫度大體 上與較低的強度相關。這在圖5、6和7中示出，這些圖分別是對于冷加工百分比為20%、30% 和40%的斷面收縮率而言強度(平均UTS和平均YS)對溫度的圖。較高的時效溫度大體上與 較高的延性相關。這在圖8、9和10中示出，這些圖分別是對于冷加工百分比為20%、30%和 40%的斷面收縮率而言平均伸長率對溫度的圖。時效處理的持續期似乎對機械特性沒有明 顯影響，如圖11和12中所示(這兩個圖分別是對于冷加工百分比為20%的斷面收縮率而言 強度和伸長率對時間的圖）。
[0095] 實施例3
[0096] 根據NASM 1312-13(宇航工業學會，2003年2月1日，通過引用方式將該文獻并入本 文中）將冷拉的圓棒進行雙剪切測試，所述圓棒具有表1中所呈現的加熱X的化學成分、0.75 英寸的直徑并且如實施例1和2中所述那樣在拉延操作期間被加工至40%的斷面收縮率。雙 剪切測試提供了對這種合金化學和熱機械加工組合生產高強度緊固件材料的適用性的評 價。第一組圓棒在冷拉態條件下測試并且第二組圓棒在在850°F下時效1小時并且空氣冷卻 至環境溫度(850/1/AC)后測試。在表5中呈現了雙剪切強度結果以及極限拉張強度、屈服強 度和伸長率的平均值。出于比較目的，還在表6中呈現了Ti-6A1-4V緊固件材料的的這些機 械特性的最小規定值。
[0097] 表 6
[0098]
[0099] 冷拉和時效的合金展現出優于Ti-6A1_4V緊固件材料應用的最小規定值的機械特 性。因此，本文中公開的工藝可以對使用STA加工生產Ti-6A1-4V制品提供更有效的替代方 式。
[0100] 根據本文中公開的多種實施方案冷加工和時效α+β鈦合金(其按重量百分比包含 從2.90至5.00的鋁、從2.00至3.00的釩、從0.40至2.00的鐵、從0.10至0.30的氧和鈦)產生 具有超過Ti-6A1-4V合金相對于多種應用(包括例如一般航天應用和緊固件應用)而言的最 小規定機械特性的機械特性的合金制品。如上文指出，Ti-6A1-4V合金需要STA加工以實現 關鍵應用（例如，航天應用)所要求的必需強度。因此，高強度Ti-6A1-4V合金因材料的固有 物理特性和在STA加工期間快速淬火的要求而受制品的尺寸限制。相反，就制品尺寸和尺度 而言，如本文所述的冷加工和時效的高強度α+β鈦合金不受限制。另外，如本文所述的冷加 工和時效的高強度α+β鈦合金沒有經歷可以作為STA加工期間較厚截面Ti-6A1-4V合金制品 之特征的巨大熱應力和內應力或翹曲。
[0101] 已經參考多種示例性、說明性和非限制性實施方案來撰寫本公開。然而，本領域普 通技術人員將認識到，可以進行所公開的實施方案(或其部分）中的任一個的各種替換、修 改或組合而不脫離本發明的范圍。因此，應考慮到并理解，本公開包括本文中沒有明確闡述 的額外的實施方案。這類實施方案可以例如通過組合、修改或重新組織任何本文所述實施 方案的所公開的步驟、部件、元件、特征、方面、特點、限制等而獲得。就此而言，
【申請人】保留 在審查答辯期間修訂權利要求書以添加如本文多樣化地描述的特征的權利。
【主權項】
1. 一種方法，其包括： 在環境溫度至500° F范圍內的溫度下冷拉α+β鈦合金工件;并且 在700° F至1200° F范圍內的溫度下直接時效冷拉的所述α+β鈦合金工件； 所述α+β鈦合金包含按重量百分比從2.90至5.00的鋁、從2.00至3.00的釩、從0.40至 2.00的鐵、從0.10至0.30的氧、鈦和附帶雜質。2. 根據權利要求1所述的方法，其包括冷拉所述α+β鈦合金工件至20 %至60 %的斷面收 縮率。3. 根據權利要求1所述的方法，其中所述α+β鈦合金的所述冷拉包括至少兩個拉延循 環，其中每個拉延循環包括冷拉所述α+β鈦合金工件至至少10 %的斷面收縮率。4. 根據權利要求1所述的方法，其包括在環境溫度下冷拉所述α+β鈦合金工件。5. 根據權利要求1所述的方法，其包括在800°F至1100°F范圍內的溫度下直接時效所述 α+β鈦合金工件。6. 根據權利要求1所述的方法，其包括在溫度下將所述α+β鈦合金工件直接時效達0.5 至10小時。7. 根據權利要求1所述的方法，其還包括在低于所述α+β鈦合金的β轉變溫度300°F至 25°F范圍內的溫度下熱加工所述α+β鈦合金工件，其中所述熱加工在所述冷拉之前進行。8. 根據權利要求1所述的方法，其還包括在1500° F至1775°F范圍內的溫度下熱加工所 述α+β鈦合金工件，其中所述熱加工在所述冷拉之前進行。9. 根據權利要求7所述的方法，其還包括在1200° F至1500° F范圍內的溫度下使所述α+β 鈦合金退火，其中所述退火在所述熱加工和所述冷拉之間進行。10. 根據權利要求1所述的方法，其中所述冷拉和直接時效形成α+β鈦合金制品，所述α+ β鈦合金制品在環境溫度下具有在155ksi至200ksi范圍內的極限拉張強度和在8%至20% 范圍內的伸長率。11. 根據權利要求10所述的方法，其中所述α+?3鈦合金制品選自由以下所組成的群組： 鋼坯、棒、桿、管件、板坯、板材和緊固件。12. 根據權利要求10所述的方法，其中所述α+β鈦合金制品具有大于0.5英寸的直徑或 厚度、大于165ksi的極限拉張強度、大于155ksi的屈服強度和大于12%的伸長率。13. -種方法，其包括： 在環境溫度至500° F范圍內的溫度下冷加工α+β鈦合金工件;并且 在700° F至1200° F范圍內的溫度下直接時效冷加工的所述α+β鈦合金工件； 所述α+β鈦合金包含按重量百分比從2.90至5.00的鋁、從2.00至3.00的釩、從0.40至 2.00的鐵、從0.10至0.30的氧、鈦和附帶雜質。14. 根據權利要求13所述的方法，其中冷加工所述α+?3鈦合金包括通過選自由以下所組 成的群組的至少一種操作進行冷加工:滾壓、鍛造、擠壓、皮爾格式乳管和拉延。15. 根據權利要求13所述的方法，其包括在溫度下將所述α+β鈦合金工件直接時效達 0.5至10小時。16. 根據權利要求13所述的方法，其還包括在低于所述α+?3鈦合金的轉變溫度300° F至 25°F范圍內的溫度下熱加工所述α+β鈦合金工件，其中所述熱加工在所述冷加工之前進行。17. 根據權利要求16所述的方法，其還包括在1200°F至1500°F范圍內的溫度下使所述α +齡太合金退火，其中所述退火在所述熱加工和所述冷加工之間進行。18. 根據權利要求13所述的方法，其中所述冷加工和直接時效形成α+β鈦合金制品，所 述α+β鈦合金制品在環境溫度下具有在155ksi至200ksi范圍內的極限拉張強度和在8%至 20%范圍內的伸長率。19. 根據權利要求18所述的方法，其中所述α+β鈦合金制品選自由以下所組成的群組： 鋼坯、棒、桿、管件、板坯、板材和緊固件。20. 根據權利要求18所述的方法，其中所述α+β鈦合金制品具有大于0.5英寸的直徑或 厚度、大于165ksi的極限拉張強度、大于155ksi的屈服強度和大于12%的伸長率。21. -種方法，其包括： 在1500°F至1775°F范圍內的溫度下熱加工α+β鈦合金工件； 在1200° F至1500° F范圍內的溫度下使所述α+β鈦合金退火； 在環境溫度下冷加工所述α+齡太合金工件至20 %至60 %的斷面收縮率;并且 在800° F至1100° F范圍內的溫度下直接時效冷加工的所述α+β鈦合金工件； 所述α+β鈦合金包含按重量百分比從2.90至5.00的鋁、從2.00至3.00的釩、從0.40至 2.00的鐵、從0.10至0.30的氧、鈦和附帶雜質。
【文檔編號】C22F1/18GK105951017SQ201610397441
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2011年6月27日
【發明人】D·J·布萊恩
【申請人】冶聯科技地產有限責任公司