[发明专利]变形钛合金的高强度紧固件坯料及其制造方法

说明书

本发明大体涉及有色冶金领域，即涉及具有用于制造飞行器紧固件的指定机械性能的钛合金材料。由变形钛合金制造用于高强度紧固件的坯料，该变形钛合金以重量百分比计含有5.5至6.5的Al、3.0至4.5的V、1.0至2.0的Mo、0.3至1.5的Fe、0.3至1.5的Cr、0.05至0.5的Zr、0.15至0.3的O、最大0.05的N、最大0.08的C、最大0.25的Si、余量的钛和不可避免的杂质，其铝结构当量值[Al]eq在7.5至9.5的范围内且钼结构当量值[Mo]eq在6.0至8.5的范围内，其中当量由以下等式定义：[Al]eq＝[Al]+[O]×10+[Zr]/6；[Mo]eq＝[Mo]+[V]/1.5+[Cr]×1.25+[Fe]×2.5。用于高强度紧固件的坯料的制造方法包括熔融钛合金铸锭，在β和/或α‑β相场温度下由铸锭生产煅造的坯锭，在β和/或α‑β相场的加热温度下进行热轧以生产圆坯料，随后在550℃至705℃(1022°F至1300°F)的温度下将轧材退火至少0.5小时，随后拉制以生产直径至多为10mm(0.394英寸)的线材，随后在550℃至705℃(1022°F至1300°F)的温度下退火至少0.5小时。技术结果是生产用于高强度紧固件的钛合金坯料，其具有高极限拉伸强度和双剪切强度，同时在退火条件下保持高水平的塑性性能。12项权利要求，5个附图。

技术领域

本发明总体上涉及有色冶金领域，即涉及用于制造飞行器紧固件的具有指定机械性能的钛合金材料。

背景技术

飞行器工程是现代高科技机器制造中最复杂的领域之一，并且特点为某些特殊性。设计、开发和生产的独特特征是由机身结构中由各种材料制成的部件的大量不同制造工艺所限定的。飞行器作为交通工具必须确保飞行安全性、可靠性并且还必须满足某些性能要求。质量和效率是任何飞行器的关键特征。飞行器设计是通过紧固件接合的组件和模块的组合。现代宽体客机中的紧固件数量可能高达数十万。飞行安全性取决于结构紧固件的质量和性能。这就是为什么紧固件制造需要特殊方法的原因。

为了获得最大的飞行性能和耐用性，螺栓、螺钉、双头螺栓、铆钉和螺母由专用材料制成。根据装配应用和操作条件选择机身结构中使用的紧固件材料。传统上，用于紧固件制造的材料对温度变化和冲击应力是抗性的。钛合金在紧固件的制造中起着重要作用。与其它类型的紧固件相比，钛紧固件的最重要优势包括其高的强度与重量比和高温稳定性以及高的耐腐蚀性。钛紧固件的上述特性为它们在飞行器工程中的应用提供了巨大的机会。

在市场经济环境下，开发和制造用于紧固件应用的具有竞争力的高寿命材料尤为重要和相关。应特别注意保证紧固件坯料(stock)的高质量，同时确保紧固件大批量和大规模生产的高产量和最小化成本。

存在一种已知的用于α-β钛合金的紧固件的制造方法，该方法包括α-β钛合金的热轧、固溶热处理和老化，以重量百分比计，该α-β钛合金由以下组成：

3.9至4.5的铝；

2.2至3.0的钒；

1.2至1.8的铁；

0.24至0.3的氧；

最大0.08的碳；

最大0.05的氮；

最大0.3的其它元素(合计)，

其中，事实上，其它元素至少是硼、钇(各自小于0.005的浓度)，或锡、锆、钼、铬、镍、硅、铜、铌、钽、锰、钴(各自具有0.1或更小的浓度)，余量为钛和固有杂质；在α-β相场中热轧钛合金以产生坯料；在1200°F(648.9℃)至1400°F(760℃)的温度下将所产生的坯料退火1至2小时；空气冷却；机加工至指定产品尺寸；在1500°F(815.6℃)至1700°F(926.7℃)的温度下固溶热处理0.5至2小时；以至少等于在空气中冷却的速率下冷却；在800°F(426.7℃)至1000°F(537.8℃)的温度下老化4至16小时；和空气冷却(RF发明专利号2581332，IPCC22C 14/00，C22F 1/18，2016年4月20日公开)。