[发明专利]α/β钛合金的加工

说明书

发明人

David J.Bryan

技术领域

本公开涉及用于生产高强度α/β(α+β)钛合金的工艺并且涉及通过所公开的工艺生产的产品。

背景

钛和钛基合金用于多种应用中，原因在于这些材料相对高的强度、低密度和良好的耐蚀性。例如，钛和钛基合金因为这种材料的高强度-重量比和耐蚀性而广泛地用于航天工业中。已知广泛用于多种应用中的一组钛合金是α/β(α+β)Ti-6Al-4V合金，其包含以重量计6%的铝、4%的钒、小于0.20%的氧和钛的名义成分。

Ti-6Al-4V合金是最常见的钛基制造的材料之一，据估计占据超过50%的总钛基材料市场。Ti-6Al-4V合金用于众多应用中，这些应用得益于该合金在低温至中等温度下的高强度、轻重量和耐蚀性的组合。例如，Ti-6Al-4V合金用来生产飞行器发动机组件、飞行器结构性组件、紧固件、高性能汽车组件、医疗器械的组件、运动装备、海洋应用的组件和化学加工设备的组件。

Ti-6Al-4V合金轧制产品一般上在轧制退火条件下或在经固溶处理和时效(STA)条件下使用。可在轧制退火条件下提供相对较低强度的Ti-6Al-4V合金轧制产品。如本文所用，“轧制退火条件”指在“轧制退火”热处理后钛合金的条件，在“轧制退火”热处理中，工件在升高的温度(例如，1200-1500°F/649-816°C)下退火约1-8小时并且在静止空气中冷却。在工件于α+β相场中热加工后，对其进行轧制退火热处理。在室温下，在轧制退火条件下的Ti-6Al-4V合金具有130ksi(896MPa)的最低规定的极限拉张强度和120ksi(827MPa)的最低规定的屈服强度。参见例如航天材料规范(AMS)4928和6931A，这些文献通过引用的方式并入本文。

为增加Ti-6Al-4V合金的强度，这些材料通常经过STA热处理。STA热处理通常在工件于α+β相场中被热加工后进行。STA指在低于β转变温度的升高温度(例如，1725-1775°F/940-968°C)下热处理工件持续相对短暂的保温时间(例如，约1小时)并且随后用水或等同介质快速地对工件进行淬火。淬火的工件在升高的温度(例如，900-1200°F/482-649°C)下时效约4-8小时并且在静止空气中冷却。在室温下，根据STA加工制品的直径或厚度尺度，在STA条件下的Ti-6Al-4V合金具有150-165ksi(1034-1138MPa)的最低规定的极限拉张强度和140-155ksi(965-1069MPa)的最低规定的屈服强度。参见例如AMS4965和AMS6930A，这些文献通过引用的方式并入本文。

然而，在使用STA热处理来实现Ti-6Al-4V合金的高强度时存在众多限制。例如，材料的固有物理特性和在STA加工期间对快速淬火的要求限制了可以实现高强度的制品大小和尺寸，并且可能展现出相对较大的热应力、内应力、翘曲和维度扭曲。本公开涉及用于加工某些α+β钛合金以提供可媲美或优于STA条件下的Ti-6Al-4V合金的特性但又不遭受STA加工的限制的机械特性的方法。

发明简述

本文中公开的实施方案涉及用于从α+β钛合金形成制品的工艺。所述工艺包括将所述α+β钛合金在环境温度至500°F(260°C)范围内的温度冷加工，并且在冷加工步骤后，在700°F至1200°F(371-649°C)范围内的温度时效所述α+β钛合金。所述α+β钛合金包含按重量百分比从2.90%至5.00%的铝、从2.00%至3.00%的钒、从0.40%至2.00%的铁、从0.10%至0.30%的氧、附带杂质和钛。

可以理解，公开和本文所述的本发明不限于在此简述中所公开的实施方案。

附图简述

本文公开和描述的多个非限制性实施方案的特征可以通过参考附图更好地理解，其中：

图1是平均极限拉张强度和平均屈服强度对冷加工的图，所述冷加工量化为冷拉态条件下冷拉α+β钛合金棒的断面收缩率%(%RA)；

图2是平均延性的图，所述平均延性量化为冷拉态条件下冷拉α+β钛合金棒的拉张伸长%；

图3是在根据本文中公开的工艺的实施方案冷加工和直接时效后，极限拉张强度和屈服强度对α+β钛合金棒的延伸%的图；