[发明专利]高强度α/β 钛合金紧固件和紧固件坯料

说明书

发明人

David J.Bryan

相关申请的交叉引用

本申请是部分继续申请，依据美国法典第35篇第120条的规定要求2010年9月23日提交、发明名称为“High Strength Alpha/Beta Titanium Alloy Fasteners and Fastener Stock”的共同待决的美国专利申请号12/888,699的优先权，该申请的全部公开内容以引用方式并入本文中。

技术背景

技术领域

本发明涉及机械紧固件和紧固件坯料，确切地说，涉及包括α/β钛合金的紧固件和紧固件坯料。

发明背景

钛合金通常具有高强度重量比、耐腐蚀，并且在适度高温下耐蠕变。出于这些原因，钛合金被用于各种航天与航空应用，包括，例如，起落架构件、发动机机架以及机械紧固件。

减轻飞机重量能够节省燃料，因此航天工业中存在减轻飞机重量的强劲需求。钛和钛合金由于具有高强度重量比，因此是在飞机应用中实现减轻重量的优良材料。目前，钛合金紧固件被用于要求不高的航天应用中。在某些航天应用中，如果钛合金的强度不足以满足特定应用的特殊机械要求，则使用较重的铁基和镍基合金紧固件。

用于航天应用中的多数钛合金零件由Ti-6Al-4V钛合金（ASTM Grade5、UNS R56400、AMS4965）制成，这种钛合金是α/β钛合金。小直径Ti-6Al-4V紧固件坯料，即，直径小于0.5英寸（1.27cm）的紧固件坯料的典型最低规格是根据ASTM E8/E8M-09（“Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials”，ASTM International，2009）确定的170ksi（1,172MPa）极限拉伸强度（UTS），以及根据NASM1312-13（“Method13-Double Shear”、Aerospace Industries Association-National Aerospace Standard（Metric），2003年2月1日）确定的103ksi（710MPa）双剪切强度（DSS）。

铁基和镍基超合金，例如，A286铁基超合金（UNS S66286）是具有下一等级强度的用于航天紧固件应用中的代表材料。冷拉和时效A286金属紧固件的典型最低强度规格是180ksi（1,241MPa）UTS和108ksi（744MPa）DSS。

合金718镍基超合金（N07718）是具有最高等级强度的用于航天紧固件中的材料。冷拉和时效合金718超合金紧固件的典型规格下限是220ksi（1,517MPa）UTS和120ksi（827MPa）DSS。

此外，目前用作或者考虑用作高强度紧固件材料的两种β钛合金具有180ksi（1,241.1MPa）的最低极限拉伸强度以及108ksi（744.6MPa）的最低DSS。宾夕法尼亚州Jenkintown的SPS Technologies提供一种钛合金紧固件，所述紧固件由符合Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo钛合金（AMS4958）的化学组成的优化β钛合金制成。还市售有直径最大为1英寸（2.54cm）的SPS螺栓。Alcoa Fastening Systems（AFS）已开发出一种高强度钛紧固件，所述紧固件由符合Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-0.5Fe钛合金（也称为Ti-5553、UNS未指定）的标称化学组成的钛合金制成，所述Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-0.5Fe钛合金为近β钛合金。据称，AFS Ti-5553合金紧固件具有190ksi（1,309MPa）的拉伸强度，大于10%的伸长率，以及对于无涂层零件113ksi（779MPa）的最低DSS和对于有涂层零件108ksi（744MPa）的最低DSS。