钛合金制造技术

一种α‑β钛合金，按重量百分比计，包含：在2.0至10.0范围内的铝当量；在0至20.0范围内的钼当量；0.3至5.0的钴；和钛。在某些实施方案中，所述α‑β钛合金表现出至少25％的冷加工压缩延性限度，至少130KSI(896.3MPa)的屈服强度及至少10％的伸长率。一种形成包括所述含钴α‑β钛合金的制品的方法包括冷加工所述含钴α‑β钛合金至横截面积减小至少25％。所述含钴α‑β钛合金在冷加工期间未表现出实质性破裂。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】钛合金技术背景
本公开涉及高强度α-β钛合金。技术背景描述钛合金通常表现出高的强度重量比，抗腐蚀并且在适度高温下抗蠕变。出于这些原因，钛合金被用于航天、航空、国防、船舶和汽车应用，例如起落架构件、发动机机架、弹道装甲、船体和机械紧固件。降低飞机或其它机动车辆的重量可节省燃料。因此，例如，在航天业上存在减轻飞机重量的强大驱动力。钛和钛合金，由于其高的强度重量比，是有吸引力的用于在飞机应用中实现重量减轻的材料。航天应用中使用的大多数钛合金部件由Ti-6Al-4V合金(ASTM5级；UNSR56400；AMS4928、AMS4911)制成，其为α-β钛合金。Ti-6Al-4V合金是最常见的钛基制造材料之一，估计占钛基材料总市场的50％以上。Ti-6Al-4V合金用于许多应用中，这些应用受益于合金在低至中等温度下轻质、抗腐蚀和高强度的有利组合。例如，Ti-6Al-4V合金用于生产飞机发动机部件、飞机结构部件、紧固件、高性能汽车部件、医疗装置、运动设备的部件、海洋应用部件和化学加工设备部件。延性是任何给定金属材料(即，金属和金属合金)的性质。金属材料的冷成形性多少基于近室温延性和材料变形而不破裂的能力。高强度α-β钛合金，例如Ti-6Al-4V合金，通常在室温或近室温下具有较低的冷成形性。这限制了它们对低温加工的接受度，例如冷轧，因为这些合金在低温下加工时易于破裂和断裂。因此，由于其在室温或近室温下的冷成形性有限，所以α-β钛合金通常通过涉及热加工的技术来进行加工。表现出室温延性的钛合金通常也表现出相对低的强度。其结果是，高强度合金通常成本更高并且由于磨削裕量而具有减小的厚度控制。这个问题源于在几百摄氏度以下的温度下这些较高强度的β合金中的密排六方(HCP)晶体结构的变形。HCP晶体结构对许多工程材料是常见的，包括镁、钛、锆和钴合金。HCP晶体结构具有ABABAB堆积顺序，而其它金属合金，如不锈钢、黄铜、镍和铝合金，通常具有带ABCABCABC堆积顺序的面心立方体(FCC)晶体结构。由于这种堆积顺序的差异，相对于FCC材料，HCP金属和合金数学上可能的独立滑移系统数量明显减少。HCP金属和合金中的许多独立滑移系统需要明显更高的应力来激活，而这些“高阻力”变形模式仅在极少数情况下被激活。这种影响是温度敏感的，使得低于几百摄氏度的温度，钛合金具有显著较低的可锻性。结合HCP材料中存在的滑移系统，许多孪晶系统在非合金HCP金属中是可能的。滑移系统和孪晶系统在钛中的组合使得足够的独立变形模式成为可能，使得“工业纯的”(CP)钛可以在接近室温的温度下(即，在-100℃至+200℃的近似温度范围内)冷加工。钛和其它HCP金属及合金中的合金效应往往会增加“高阻力”滑移模式的不对称性或难度，并抑制孪晶系统激活。结果是合金诸如Ti-6Al-4V合金和Ti-6Al-2-Sn-4Zr-2Mo-0.1Si合金中的冷加工能力的宏观性丧失。Ti-6Al-4V和Ti-6Al-2-Sn-4Zr-2Mo-0.1S合金由于其α相的浓度高且合金元素的水平高，表现出相对高的强度。具体而言，已知铝在室温和高温下都能增加钛合金的强度。然而，也已知铝会对室温加工能力产生不利影响。一般而言，就能量消耗和加工期间产生的废料量而言，可以更有效地制造出表现出冷变形能力的合金。因此，通常，配制可以在相对低的温度下加工的合金是有利的。一些已知的钛合金通过包括高浓度的β相稳定合金化添加物来提供更高的室温加工能力。此类合金的实例包括βC钛合金(Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr；UNSR58649)，其可呈如38-644TMβ钛合金的形式从AlleghenyTechnologiesIncorporated,Pittsburgh,PennsylvaniaUSA购买获得。该合金和类似配制的合金通过减少和或消除微观结构中的α相来提供有利的冷加工能力。通常，这些合金可以在低温老化处理期间使α相沉淀。尽管它们具有有利的冷加工能力，但是一般而言，β钛合金有两个缺点：合金添加物昂贵且高温蠕变强度差。高温蠕变强度差是这些合金在高温例如500℃下表现出显著浓度的β相的结果。β相由于其体心立方结构而不能很好地抵抗蠕变，这提供了大量的变形机制。还已知由于合金相对较低的弹性模量，这允许更显著的回弹，所以加工β钛合金会很困难。由于这些缺陷，β钛合金的使用受到限制。如果现有的钛合金在冷加工期间更耐破裂，则成本较低的钛产品将是可能的。因为α-β钛合金代表生产的所有合金钛的大部分，所以如果保持这种类型的合金，则可以通过体积尺寸进一步降低成本。因此，要研究的令人感有趣的合金是高强度、可冷变形的α-β钛合金。最近开发了这种合金类别中的几种合金。例如，在过去15年里，开发了Ti-4Al-2.5V合金(UNSR54250)、Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe合金、Ti-5Al-4V-0.7Mo-0.5Fe合金和Ti-3Al-5Mo-5V-3Cr-0.4Fe合金。这些合金中的许多以昂贵的合金添加物，例如V和/或Mo为特色。Ti-6Al-4Vα-β钛合金是航天业中使用的标准钛合金，并且就吨数而言它代表了所有合金钛的很大一部分。该合金在航天业中已知不可在室温下冷加工。较低氧含量等级的Ti-6Al-4V合金，命名为Ti-6Al-4VELI(“超低间隙”)合金(UNS56401)，通常表现出与较高氧等级相比提高的室温延性、韧性和可成形性。然而，随着氧含量的降低，Ti-6Al-4V合金的强度显著降低。本领域技术人员会认为添加氧气对冷成形能力有害而有利于Ti-6Al-4V合金的强度。然而，尽管具有比标准级Ti-6Al-4V合金更高的氧含量，但已知Ti-4Al-2.5V-1.5Fe-0.25O合金(也称为Ti-4Al-2.5V合金)与Ti-6Al-4V合金相比在室温或接近室温下具有优异的成形能力。Ti-4Al-2.5V-1.5Fe-0.25O合金可作为ATI钛合金从AlleghenyTechnologiesIncorporated购买获得。美国专利第8,048,240、8,597,442和8,597,443号以及美国专利公开第2014-0060138A1号中讨论了ATI合金有利的近室温成形能力，其各自据此通过引用整体并入本文。另一种可冷变形的高强度α-β钛合金是Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe合金，也称为SP-700合金。与Ti-4Al-2.5V合金不同，SP-700合金含有较高成本的合金成分。与Ti-4Al-2.5V合金相似，由于β相含量增加，SP-700合金相对于Ti-6Al-4V合金具有降低的抗蠕变性。Ti-3Al-5Mo-5V-3Cr合金也表现出良好的室温成形能力。然而，这种合金在室温下包括显著的β相含量，因此表现出较差的抗蠕变性。此外，它含有显著水平的昂贵合金成分，如钼和铬。通常理解，与替代性合金添加物相比，钴基本上不影响大多数钛合金的机械强度和延性。已经描述的是，虽然钴添加物增加二元和三元钛合金的强度，但是钴添加物通常也比添加铁、钼或钒(典型的合金添加物)更剧烈地降低延性。已经证明，虽然在Ti-6Al-4V合金中添加钴可以提高强度和延性，但Ti3X型的金属间沉淀物可在老化期间本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种α‑β钛合金，其按重量百分比计，包含：在2.0至10.0范围内的铝当量；在0至20.0范围内的钼当量；0.3至5.0的钴；钛；及附带杂质。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.01.12 US 14/594,3001.一种α-β钛合金，其按重量百分比计，包含：在2.0至10.0范围内的铝当量；在0至20.0范围内的钼当量；0.3至5.0的钴；钛；及附带杂质。2.根据权利要求1所述的α-β钛合金，其中所述钼当量是在2.0至20.0的范围内。3.根据权利要求1所述的α-β钛合金，其中所述α-β钛合金表现出至少25％的冷加工压缩延性限度。4.根据权利要求1所述的α-β钛合金，其中所述α-β钛合金表现出至少35％的冷加工压缩延性限度。5.根据权利要求1所述的α-β钛合金，其中所述α-β钛合金表现出至少130KSI(896.3MPa)的屈服强度和至少10％的伸长率。6.根据权利要求1所述的α-β钛合金，其还包含高于0至0.3总重量百分比的铈、镨、钕、钐、钆、钬、铒、铥、钇、钪、铍和硼中的一种或多种。7.根据权利要求6所述的α-β钛合金，其中所述钼当量是在0至10的范围内。8.根据权利要求1所述的α-β钛合金，其还包含高于0至0.5总重量百分比的金、银、钯、铂、镍和铱中的一种或多种。9.根据权利要求8所述的α-β钛合金，其中所述铝当量是在1.0至6.0的范围内并且所述钼当量是在0至10的范围内。10.根据权利要求6所述的α-β钛合金，其还包含高于0至0.5总重量百分比的金、银、钯、铂、镍和铱中的一种或多种。11.根据权利要求1所述的α-β钛合金，其还包含以下的一种或多种：高于0至6的锡；高于0至0.6的硅；和高于0至10的锆。12.一种α-β钛合金，其按重量百分比计，包含：2.0至7.0的铝；在2.0至5.0范围内的钼当量；0.3至4.0的钴；高达0.5的氧；高达0.25的氮；高达0.3的碳；高达0.4的附带杂质；和钛。13.根据权利要求12所述的α-β钛合金，其还包含以下的一种或多种：高于0至6的锡；高于0至0.6的硅；高于0至10的锆：高于0至0.3的钯；和高于0至0.5的硼。14.根据权利要求12所述的α-β钛合金，其还包含高于0至0.3总重量百分比的铈、镨、钕、钐、钆、钬、铒、铥、钇、钪、铍和硼中的一种或多种。15.根据权利要求12所述的α-β钛合金，其还包含高于0至0.5总重量百分比的金、银、钯、铂、镍和铱中的一种或多种。16.根据权利要求12所述的α-β钛合金，其中所述α-β钛合金表现出至少25％的冷加工压缩延性限度。17.根据权利要求12所述的α-β钛合金，其中所述α-β钛合金表现出至少35％的冷加工压缩延性限度。18.根据权利要求12所述的α-β钛合金，其中所述α-β钛合金表现出至少130KSI(896.3MPa)的屈服强度和至少10％的伸长率。19.一种由包括α-β钛合金的金属形式形成制品的方法，所述方法包括：冷加工金属形式至横截面积减小至少25％；其中所述金属形式包括根据权利要求1所述的α-β钛合金；并且其中所述金属形式在冷加工之后未表现出实质性破裂。20.根据权利要求19所述的方法，其中冷加工所述金属...

【专利技术属性】
技术研发人员：约翰·W·福尔茨，
申请(专利权)人：冶联科技地产有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US