[发明专利]用于制造α-β TI-AL-V-MO-FE合金板的方法

说明书

本申请根据35U.S.C.119(e)要求于2011年6月17日提交的美国临时专利申请第61／498,447的优先权，其全文通过引用结合入本说明书。

背景

大多数α／β钛合金显示超塑性，即当在亚转变温度下使用较慢的应变速率变形时，大于500％的伸长率。超塑性发生的温度和应变速率根据合金组成和微结构而变化⁽¹⁾。在α／β钛合金中，超塑性形成(SPF)的最优温度是从1832°F(1000℃)到低至1382°F(750℃)⁽²⁾。如果其他条件相同，SPF温度和β转变温度显示相当良好的相关性⁽²⁾。

在生产方面，降低SPF温度产生显著的益处。例如，降低SPF温度能够引起模成本的降低，延长寿命以及使用较便宜钢模的可能性⁽⁷⁾。另外，抑制了富氧层(α层(alpha case))的形成。降低积垢和α层形成能够改善产率并且消除化学研磨的需要。另外，较低的温度可抑制晶粒生长，因此在SPF操作之后维持较细的晶粒的优势^(8，9)。

由于晶粒边界滑移是超塑性变形的主要机制，晶粒尺寸或粒度是对于SPF最重要的影响因素之一。具有较细的晶粒尺寸的材料减少了晶粒边界滑移所需要的压力并且降低了SPF温度^(2-4)。之前已经在Ti-6Al-4V和其他合金中报道了降低SPF温度中较细的晶粒的效果^(5，6)。

存在两种用于改善钛合金超塑性成形性的方法。第一个方法是建立热-机械加工，其产生小至1—2μm或更小的细晶粒以增强晶粒边界滑移。研究了在相比常规热辊轧或锻造低的温度下的变形并且建立了用于Ti-64的SPF工艺^(5，6)。

第二个方法是建立一种新的在较低温度和较高应变速率下显示出超塑性的合金体系。有几个材料因素增强在较低的温度下的超塑性⁽¹⁾，如(a)α晶粒尺寸，(b)两相的体积分数和形态，以及(c)较快的扩散速度以加速晶粒边界滑移^(11，16)。因此，具有较低β转化的合金具有展示出低温超塑性的潜力。合金的良好示例是SP700(Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe)，其在低至1400°F(760℃)的温度下展现出超塑性⁽⁸⁾。图1显示β转化和报道的SPF温度之间的关系^{(1,7，9，12，16-20)}。作为一般的趋势，低β转化的合金展示出较低温度的超塑性。由于Ti-54M具有较低的β转化并且含有Fe作为快速扩散剂，因此预期合金展现出相比Ti-64较低温度的超塑性和较低的流动应力。因此，在该合金中实现令人满意的低温超塑性成形特性而不需要采用实现非常细晶粒尺寸所需要的特定的加工方法是可能的。

由于Ti-6Al-4V(Ti-64)合金的已经有良好表征，Ti-6Al-4V(Ti-64)是在实际应用中最常用的合金。然而，Ti-64被认为不是用于SPF的最佳合金，因为该合金需要较高的温度，通常高于1607°F(875℃)，以及慢的应变速率以最大化SPF。在较高的温度和较慢应变速率下的SPF导致较短的模寿命、过量的α层和较低的生产率。

钛金属公司(Titanium Metals Corporation)开发的Ti-54M在大多数产品形式中展现出与Ti-6Al-4V相等的机械性质。相对于Ti6Al-4V，Ti-54M显示出优良的机械加工性、可锻性、较低的流动应力和较高的延展性⁽¹⁰⁾。另外，已经报道Ti-54M具有相比Ti-6Al-4V优良的超塑性，而Ti-6Al-4V是在此应用中最常用的合金⁽²⁾。这个结果部分是由于所述合金的化学组成和较细的晶粒尺寸，其是增强钛材料的超塑性的关键因素⁽²¹⁾。

钛合金的常规加工方法如图2A所示。首先，在约1650°F(900℃)-约1800°F(982℃)下加热之后，将板条热轧板至中间厚度。中间板的一般厚度是约0.10”-约0.60”。然后将中间板加热至约1650°F(900℃)-约1800°F(982℃)，随后通过热轧至最终的板。最终板的一般厚度是约0.01”(0.25mm)-约0.20”(5mm)。在最终的热横辊轧(cross-rolling)之后，板可以在钢包装中叠置以避免辊轧过程中的过度冷却。在辊轧至最终的厚度之后，该板在约1300°F(704℃)-约1550°F(843℃)下退火，然后用空气冷却。该过程的最后阶段是研磨和酸洗表面以去除在热-机械加工过程中在表面上形成的α层。