具有改良性能的钛合金制造技术

本发明专利技术公开了一种具有高强度、细小晶粒尺寸、和低成本的钛合金，以及制造所述钛合金的方法。具体地，本发明专利技术的合金提供了比Ti6‑4增加100MPa强度，且具有类似的密度和接近相等的延展性。本发明专利技术的合金特别适用于包括飞机发动机组件的各种应用中。所述Ti合金包括以重量百分比计，约6.0‑6.7％的铝，约1.4‑2.0％的钒，约1.4‑2.0％的钼，约0.20‑0.42％的硅，约0.17‑0.23％的氧，最大约0.24％的铁，最大约0.08％的碳，以及附带杂质的余量钛。

Titanium alloys with improved properties

【技术实现步骤摘要】
具有改良性能的钛合金相关申请的交叉引用本申请要求2012年1月12日提交的美国申请No.13/349483和2012年2月17日提交的英国专利申请No.1202769.4的优先权，如在本说明书中充分提到，上述申请的全部内容在此以引文形式并入。
本公开文本通常涉及钛(Ti)合金。具体而言，描述了具有相对低成本且改善机械性能的α-β的Ti合金，以及制造该Ti合金的方法。
技术介绍
在要求高强度重量比、良好的抗腐蚀性、以及在更高的温度下这些性能的保持度的应用中，已经广泛使用Ti合金。尽管具有这些优势，与钢铁和其它合金相比，Ti合金较高的原料和生产成本严格限制了其在对于提高效率和性能的需要远高于其相对较高成本中的应用。受益于以各种加工方式加入Ti合金的一些典型应用包括但不限于：航空发动机盘、套管、风扇和压缩机扇叶；飞机机身组件；外科手术组件；装甲板和各种工业/工程应用。已被成功的用于各种应用的常规Ti基合金是Ti-6Al-4V，又名Ti6-4。顾名思义，这种Ti合金通常包括6wt.％的铝(Al)和4wt.％的钒(V)。Ti6-4也通常包括至多0.30wt.％的铁(Fe)和至多0.30wt.％的氧(O)。Ti6-4已经成为钛合金“主力”，其中在中等温度下强度/重量比是材料选择的关键参数。Ti6-4的性能平衡，适用于各种各样的静态和动态的结构应用中，其能够被稳妥的加工来提供稳定的性能，且其相对便宜。目前，航空公司对于降低大气排放和噪音，降低燃料成本和降低维护和备件成本的需要推动了新型航空发动机的设计。发动机生产商通过具有更高旁通比、压缩机中更高压力、涡轮机中更高温度的发动机的设计回应他们之间的竞争。这些增强的机械性能需要合金具有比Ti6-4更高强度，但是具有相同的密度和接近相等的延展性。其他合金，如550(Ti-4.0Al-4.0Mo-2.0Sn-0.5Si)和VT8(Ti-6.0Al-3.2Mo-0.4Fe-0.3Si-0.15O)，与Ti6-4相比，从合金中包含的硅获得接近100MPa的强度。但是，这些合金与Ti6-4相比具有更高的密度和更高的生产成本，因为不用钒而使用钼作为主要β稳定元素。附加费用的升高不仅因为钼相对于钒具有更高价格，还因为在这些合金中包含了作为原材料的Ti6-4切屑和加工碎屑。因此，工业上需要提供一种与Ti6-4相比，具有更高强度、更细小晶粒尺寸和特别改良的低周疲劳寿命的成本效益好的合金。
技术实现思路
本专利技术公开了一种具有高强度、细小晶粒尺寸、和低成本的钛合金，以及制造该钛合金的方法。具体而言，本专利技术的合金提供了与Ti6-4相比，增加100MPa的强度，且具有类似的密度和接近相等的延展性。所述强度和延展性的改良组合在高应变率下得以保持。与Ti6-4相比，本专利技术合金的高强度使其能够获得明显增加的寿命，使其在给定压力的低周疲劳负载下失效。本专利技术的合金特别适用于包括飞机发动机组件的多种应用中。本专利技术的合金在整个公开中被称为“本专利技术合金”或“Ti639”。本专利技术的Ti合金包括，以重量百分比计，约6.0-6.7％的铝，约1.4-2.0％的钒，约1.4-2.0％的钼，约0.20-0.42％的硅，约0.17-0.23％的氧，最高约0.24％的铁，最高约0.08％的碳，以及附带杂质的余量钛。优选地，本专利技术Ti合金包括，以重量百分比计，约6.0-6.7％的铝，约1.4-2.0％的钒，约1.4-2.0％的钼，约0.20-0.42％的硅，约0.17-0.23％的氧，约0.1-0.24％的铁，最高约0.08％的碳，以及附带杂质的余量钛。更优选，所述合金包括约6.3-6.7％的铝，约1.5-1.9％的钒，约1.5-1.9％的钼，约0.33-0.39％的硅，约0.18-0.21％的氧，0.1-0.2％的铁，0.01-0.05％的碳，以及附带杂质的余量钛。再更优选地，本专利技术的Ti合金包括以重量百分比计，约6.5％的铝，约1.7％的钒，约1.7％的钼，约0.36％的硅，约0.2％的氧，约0.16％的铁，约0.03％的碳，以及附带杂质的余量钛。本专利技术的Ti合金也可以包括附带杂质或其它添加的元素，如Co、Cr、Cu、Ga、Hf、Mn、N、Nb、Ni、S、Sn、P、Ta、和Zr，对于每个元素，其浓度与杂质的水平相关联。任意一种附带杂质元素或其它添加元素的最大浓度优选为约0.1wt.％，且所有杂质和/或添加元素组合的浓度优选总体不超过约0.4wt.％。根据本专利技术公开的合金基本上由列举的元素构成。将理解的是，除了这些必须加入的元素，也可以在组分中加入其它非特定的元素，只要这些元素的存在并没有对组分的基本性能有实质的影响。。具有公开组分的本专利技术合金在纵向和横向两个方向上具有拉伸屈服强度(TYS)至少为约145ksi(1000MPa)和极限拉伸强度(UTS)至少为约160ksi(1103MPa)，且当使用ASTME8标准评估时，断面缩减(RA)至少为约25％且伸长量(EI)至少为约10％。本专利技术的Ti合金能够制成最普通的产品形式，包括坯状、棒状，线状、板状和片状。所述Ti合金能够轧成具有厚度为0.020英寸(0.508mm)-4英寸(101.6mm)的板。在具体的应用中，本专利技术的合金可以制成具有厚度为约0.8英寸(20.23mm)的板。本专利技术也描述了制造本专利技术合金的方法，其包括：以重量百分比计，约6.0-6.7％的铝，约1.4-2.0％的钒，约1.4-2.0％的钼，约0.20-0.42％的硅，约0.17-0.23％的氧，约0.1-0.24％的铁，最高约0.08％的碳，以及附带杂质的余量钛。优选地，Ti合金通过在冷却的床式反射炉中熔融包括适量比例的铝、钒、钼、硅、氧、铁、碳和钛的回收和/或原材料的组合来形成熔态合金，并向模具中铸造所述熔态合金。所述回收材料可以包括，例如Ti6-4的切屑和加工碎屑以及工业纯(CP)的钛废料。原材料可以包括例如海绵钛、铁粉和铝珠。任选地，回收材料可以包括Ti6-4的切屑、海绵钛、和/或主合金、铁和铝珠的组合。当满足或超过航天工业使用的Ti6-4的机械性能时，在此说明书中公开的本专利技术合金提供了常规Ti6-4合金的类似替换。附图说明附图，并入此公开文本并作为其一部分，图解了所公开专利技术的示意性实施例并用于解释所公开专利技术的原理。图1是图解根据本专利技术公开文本的实施方案的本专利技术的合金的制备方法的流程图。图2A是Ti6-4合金的显微照片。图2B是包含Ti-6Al-2.6V-1Mo的对照合金的显微照片。图2C是包含Ti-6Al-2.6V-1Mo-0.5Si的对照合金的显微照片。图2D是根据本公开文本的示意性实施方案的Ti合金的显微照片。图3是图解基于合金的组成影响合金各种性能的考虑因素的示意图。图4是显示使用沿着横穿板的最终延展方向取得的本专利技术合金的平滑实验片与Ti6-4相比的室温低周疲劳结果曲线图。图5是显示使用沿着横穿板的最终延展方向取得的本专利技术合金的缺口实验片与Ti6-4相比的室温低周疲劳结果曲线图。图6是显示使用沿着纵穿板的最终延展方向取得的本专利技术合金的平滑实验片与Ti6-4相比的室温低周疲劳结果曲线图。图7是显示使用沿着纵穿板的最终延展方向取得的本专利技术合金的缺口实验片与Ti6-4相比的室温低周疲劳结果本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钛合金，以重量％计由以下组成：6.0‑6.7的铝，1.4‑2.0的钒，1.4‑2.0的钼，0.20‑0.35的硅，0.18‑0.23的氧，0.16‑0.24的铁，0.02至0.06的碳，以及附带杂质的余量钛；其中存在于钛合金中任一种杂质元素最大含量为0.1wt.％，且所有杂质的组合含量小于或等于0.4wt.％，所述钛合金具有‑大于950MPa的UTS，‑至少1000MPa的拉伸屈服强度，‑至少10％的伸长量，‑当测试0.616英寸厚的板抵抗12.7mm直径的模拟弹片时，至少80英尺/秒的V50弹道极限大于对Ti6‑4合金测量的基准V50弹道极限，并且‑当使用ASTM E8标准评估时,断裂后所述合金的拉伸样本具有至少25％的所述样本的原始横截面积的断面收缩率RA。

【技术特征摘要】
2012.02.17 GB 1202769.4;2012.01.12 US 13/349,4831.一种钛合金，以重量％计由以下组成：6.0-6.7的铝，1.4-2.0的钒，1.4-2.0的钼，0.20-0.35的硅，0.18-0.23的氧，0.16-0.24的铁，0.02至0.06的碳，以及附带杂质的余量钛；其中存在于钛合金中任一种杂质元素最大含量为0.1wt.％，且所有杂质的组合含量小于或等于0.4wt.％，所述钛合金具有-大于950MPa的UTS，-至少1000MPa的拉伸屈服强度，-至少10％的伸长量，-当测试0.616英寸厚的板抵抗12.7mm直径的模拟弹片时，至少80英尺/秒的V50弹道极限大于对Ti6-4合金测量的基准V50弹道极限，并且-当使用ASTME8标准评估时,断裂后所述合金的拉伸样本具有至少25％的所述样本的原始横截面积的断面收缩率RA。2.根据权利要求1所述的钛合金，以重量％计由以下组成：6.3-6.7的铝，1.5-1.9的钒，1.5-1.9的钼，0.34-0.35的硅，0.18-0.21的氧，0.16-0.2的铁，0.02-0.05的碳，以及附带杂质的余量钛。3.根据权利要求1所述的钛合金，其中铝的重量％为6.5。4.根据权利要求1所述的钛合金，其中钒的重量％为1.7。5.根据权利要求1所述的钛合金，其中钼的重量％为...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗杰·托马斯，保罗·盖瑞特，约翰·范宁，
申请(专利权)人：钛金属公司，
类型：发明
国别省市：美国,US