[发明专利]热机械加工α-β钛合金

说明书

关于联邦资助的研究或研发的声明

本发明是在美国政府支持下、根据美国商务部的国家标准和技术研究所(National Institute of Standards and Technology；NIST)授予的NIST合同号70NANB7H7038来进行的。美国政府可享有本发明的某些权利。

技术背景

技术领域

本公开涉及用于加工α-β钛合金的方法。更具体地说，本公开针对加工α-β钛合金以促进细颗粒、过细颗粒或超细颗粒微观结构的方法。

技术背景描述

具有细颗粒(FG)、过细颗粒(SFG)或超细颗粒(UFG)微观结构的α-β钛合金已被证明展现许多有利性质例如像改进的可成形性、较低成形流动应力(其有利于蠕变成形)，和环境至中等操作温度下的较高屈服应力。

如本文使用，在涉及钛合金的微观结构时：术语“细颗粒”是指15μm下至大于5μm范围内的α颗粒大小；术语“过细颗粒”是指5μm下至大于1.0μm的α颗粒大小；并且术语“超细颗粒”是指1.0μm或更小的α颗粒大小。

锻造钛和钛合金以便产生粗颗粒或细颗粒微观结构的已知商业方法通过使用多个再加热和锻造步骤来采用0.03s^-1至0.10s^-1的应变率。

意图用于制造细颗粒、极细颗粒或超细颗粒微观结构的已知方法应用0.001s^-1或更慢的超慢应变率下的多轴锻造(MAF)过程(参见例如，G.Salishchev等，Materials Science Forum，第584-586卷，第783-788页(2008))。一般MAF过程描述于例如C.Desrayaud等，Journal of Materials Processing Technology，172，第152-156页(2006)。除了MAF过程以外，另外被称为相等通道角挤压(ECAP)过程的已知相等通道角挤塑(ECAE)可用于获得钛和钛合金中的细颗粒、极细颗粒或超细颗粒微观结构。ECAP过程的描述发现于例如V.M.Segal，USSR专利号575892(1977)中，并且对于钛和Ti-6-4，发现于S.L.Semiatin和D.P.DeLo，Materials and Design，第21卷，第311-322页(2000)中。然而，ECAP过程也需要极低应变率和恒温或接近恒温条件下的极低温度。通过使用这类较高力过程如MAF和ECAP，任何起始微观结构可最终转化成超细颗粒化微观结构。然而，出于在本文中进一步描述的经济原因，目前只进行实验室规模MAF和ECAP加工。

超慢应变率MAF和ECAP过程中的颗粒细化的关键是在由所使用的超慢应变率，即0.001s^-1或更慢的应变率所产生的动态再结晶状况下连续运作的能力。在动态再结晶期间，颗粒同时成核、生长并且积累位移。新成核颗粒内的位移的产生连续地减少颗粒生长的驱动力，并且颗粒成核在能量方面为有利的。超慢应变率MAF和ECAP过程使用动态再结晶以便在锻造过程期间连续地使颗粒再结晶。

加工钛合金以便颗粒细化的方法公开于国际专利公开号WO98/17386(“WO′386公开”)中，其全部以引用方式并入本文。WO′386公开中的方法公开加热并且使合金变形以便由于动态再结晶来形成细颗粒微观结构。

超细颗粒Ti-6-4合金(UNS R56400)的相对均匀的立方体可使用超慢应变率MAF或ECAP过程来生产，但是在商业情形中为了执行MAF或ECAP步骤所耗费的累积时间可为过度的。另外，常规大规模、可商购开式压模锻造设备可能不具有实现这类实施方案中所需要的超慢应变率的能力，并且因此，可能需要定制锻造设备来用于进行生产规模超慢应变率MAF或ECAP。

总体上已知较精细的片状起始微观结构需要较小应变以产生球状精细至超细微观结构。然而，虽然可通过使用恒温或接近恒温条件来产生实验室规模数量的精细至超细α-颗粒大小钛和钛合金，但是按比例放大实验室规模过程可能由于产率损失而成问题的。另外，工业规模恒温加工由于操作设备的费用而证明是成本过高的。涉及非恒温、开式模过程的高产率技术证明是困难的，这是由于需要长期设备使用的极慢所需锻造速度，并且由于减少产率的冷却相关开裂。另外，已经淬火的片状α结构展现较低延展性，尤其在较低加工温度下。