消除钛或钛合金锭中硬α相缺陷的方法及按此法制造的锭技术

这是一个由一个高温扩散处理和加在其前面的一个热等静压处理所组成的方法．用此方法可使硬α相缺陷的有害影响明显减少或可使其从钛或钛合金锭上消失，并且对经此法处理和均化后的锭后来的组织及性能没有不利影响．按此法可生产实际尚不含硬α相及夹杂物的锭．（*该技术在2006年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
与铁基合金和镍基合金相比，各种钛合金在高强度、韧性、抗腐蚀性及比强度等方面具有更好的综合性能。这就使它特别适合于飞机、宇航以及其他方面的从很低温到较高温度范围内的高性能应用。例如，有些钛合金在升高温度的情况下具有最高的强度及金相稳定性，并因此而显示出低的蠕变速率及可预测的应力破断性能和低循环疲劳行为，这些钛合金特别适用于燃气涡轮发动机的转动部件。 经过处理的钛合金，通常根据其微观结构分为α型、近α型、α-β型或β型。合金的类型，主要决定于能够影响α型(密排六方晶体结构)转变为β型(体心立方晶体结构)的同素异构转变的那些合金元素。在未经合金化的钛中，这种转变发生在约885℃(1625°F)。用象铝、锡或锆这类α稳定化元素来进行合金化的α型合金，它在一般的热处理条件下不含β相。近α型或超α型合金除了含有α稳定化元素外，还含有少量附加的β稳定化元素(象钼或钒等)，它在加热时生成一定量的β相，并可能呈现与α型合金相似的微观结构。α-β型合金由α相和原生的或转变生成的β相所组成，这类合金中含有一种或一种以上的α稳定化元素或α-可溶性元素以及含有一种或一种以上的β稳定化元素。β型合金在初次冷到室温时倾向于保持β相，但在热处理时通常会析出第二相。 生产钛和钛合金的三个主要步骤是把钛矿石还原成多孔型的钛(称为海绵钛);把海绵钛(如果有必要，还可以包括回收的钛屑)和合金添加物熔化并铸成锭;然后用重熔、铸造或机械加工的方法使之最后成型，机械加工包括首先用开坯、热轧等初级加工方法把铸锭变成坯段、棒和板等一般的初级产品;然后再用模锻和挤压等第二级加工方法使之最后成型。 有很多种元素即使含量很少也能对最后成型的钛或钛合金的性能产生严重的影响，因此，在生产钛及钛合金时对原材料的控制就是极为重要的。例如，通常在海绵钛中的残存元素碳、氮、氧、硅及铁等倾向于提高钛最终产品的强度和降低它的延展性，因此，必须使这些元素的含量降低到一个可接受的水平，特别是要把碳和氮的含量降到最低的程度，以避免产品脆化。 熔炼过程的控制对于钛及钛基合金的组织、性质和性能也是十分关键的。大多数的钛和钛合金锭要在真空条件下在电弧炉中用双自耗电极真空熔炼方法进行二次熔炼。在这个两阶段的过程中，先把海绵钛，回收的钛屑及合金添加物进行机械混合，然后一起熔炼成锭。再把第一次熔炼成的锭，作为第二阶段熔炼用的自耗电极。只有在某些情况下，在第一阶段熔炼时不用自耗电极电弧熔炼而用其它方法，其目的是为了生产一些不用于精密技术的钛锭。但是不管在什么情况下，在进行最后阶段的熔炼时一定要用自耗电极真空电弧熔炼。两次熔炼法被认为是对所有精密技术的应用都是必需的，这是为了保证最后得到的产品获得满意的均匀度。为了达到更好的均匀度和把产品微观结构中所含的富氧或富氮夹杂物减少到十分低的水平，就需采用三次熔炼法。在真空中熔炼可降低钛中氢的含量以及能基本上除掉其它挥发性的物质，这样就能得到更高纯度的铸锭。 钛及其合金易于形成缺陷及不完整区域。不管在熔炼和制造过程中如何小心地控制操作参数，在钛锭及其最后成品中都可经常地或偶尔地发现缺陷和不完整区域。产生缺陷或不完整区域的一般原因是在锭中的偏析作用。钛锭中的偏析作用是十分有害的和必须加以控制的，这是个一般的常识，因为它导致数种不同类型的不完整区域的产生，不管用均匀化热处理或用热处理和初轧相结合的办法，都难以使这些不完整区域消除。 Ⅰ型不完整区域(通常被称为“高间隙缺陷”或“硬α”)是指那些具有间隙稳定α相的区域，这个α相具有比其周围的基体物质较高的硬度和较低的延展性。氮、氧或碳中之一个或多个元素的局部高浓度也是这些不完整区域的一个特征。虽然Ⅰ型不完整区域有时被认为是一种“低密度夹杂物”，但它们常常是具有比合金的正常情况更高的密度。除了由于锭中的偏析作用外，Ⅰ型缺陷还可以产生于下列过程，包括海绵钛的生产(例如由于反应器的泄漏或反应的不平衡)、加热成型和电极制造(例如把电极进行焊接)以及熔炼(例如由于炉子发生故障及熔化杂质的混入)。 Ⅱ型不完整区域(有时候也被称为高铝缺陷)是一种非常稳定的α相区域，它可以伸延通过几个β晶粒。Ⅱ型不完整区域是由于金属的α稳定化元素(如铝)的偏析而引起的。它含有很高比例的初生α相并且略硬于它附近的基体金属。有时候，在Ⅱ型不完整区域的附近伴随有由β相组成的纤维状物。它们是一些铝含量较低硬度也较低的区域。这种情况的产生通常是由于在初始的粗加工步骤中具有高蒸气压的合金组分迁移入封闭的固体化的管状缩孔中，随后即以纤维状物混入显微组织中。 对于飞机级的钛或钛合金来说，Ⅰ型及Ⅱ型不完整区域都是不能容许的，因为它们降低了关键的设计性能。例如，硬α相夹杂物容易导致低循环疲劳(LCF)的过早发生。硬α相夹杂物是特别有害的，因为在熔炼和制造过程中，不管采取什么措施认真控制质量，硬α相夹杂物都可经常地或偶尔地在锭中或在最后成品中找到。并且，在本专利技术申报以前，还没有其他办法能消除“溶在其中的”硬α相缺陷所带来的害处。 β斑点(另一种类型的不完整区域)是材料中的稳定β相所组成的小区域(所说材料是指已经在相图中α-β区域中进行了处理及经受了热处理)。这些β斑点的大小等于或大于原先的β晶粒。β斑点不含有或者只含有在规定的最小量以下的初生α相。β斑点所集中的地区，或者具有很高含量的β稳定化元素，或者具有很低含量的α稳定化元素。β斑点的出现是由于含有强β稳定化元素的合金锭在凝固过程中的显微偏析作用，在由大直径的锭加工制成的产品中常常可以发现β斑点。当贫β相合金(例如Ti-6Al-4V)在加工过程中曾经被加热到接近β相转变温度时，在其中也可发现β斑点。对于贫β稳定化元素的合金，假如它们是在退火状态下使用，则β斑点并不被认为是有害的。另一方面，β斑点所组成的区域不完全能接受热处理强化，因此，对于各类α-β合金中的β斑点所允许的限度，已建立了一套显微组织标准。β斑点在富β相的α-β合金中比在贫β相的α-β合金中更有害。 本专利技术提供了一种方法，按此法可使钛或钛合金锭中硬α相缺陷的有害影响降低到十分小的程度或基本上消除这一有害影响，而且对经此法处理的锭的组织和性能并无不利影响。根据本专利技术所述的方法，可以获得均匀的，基本上没有硬α相及夹杂物的钛或钛合金锭。 通常，此方法是把钛或钛合金锭于特定的温度下经历特定时间的均热处理，这样由于扩散作用而使硬α相缺陷转变成为一个与缺陷周围的合金主体(即基体)具有实质上相同组成和相同结构的区域。这种扩散处理最好是在铸锭阶段进行，以便减小晶粒的粗化和最大限度利用均匀化的好处以及利用由于扩散处理而得到改善的加工性能。扩散处理应在真空或惰性气氛中进行。并且，最好事先进行一次热等静压处理(HIP)，以消除通常存在于硬α相缺陷周围的孔隙。这将有利于随后进行的扩散作用。 扩散处理的温度和时间参数的范围一般分别为2500至2800°F和24至200小时。假如已知与温度有关的氮在钛合金中的扩散系数，扩散处理所需时间就可以按下列方程求得 扩散时间(小时)＝〔(Ci-Cf)/Cf〕(r2/D)(1/3600) 其中Ci是在缺陷中的初始最大氮含量(重量%); Cf是经扩散处理后所希望本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于消除钛或钛合金锭中的硬α相缺陷的方法，其特征在于它所包括的步骤如下：（ａ）置一个或一些锭于约２５００－２８００°Ｆ之间的一个实际上均一的温度下，（ｂ）使上述的一个或一些锭在该条件下保持一段时间，使在这段时间内足以导致上述的硬 α缺陷与钛或钛合金基体之间达到均匀化，以及（ｃ）使上述的一个或一些锭从上述的实际上均一的温度下冷却到室温或更低的温度，以便作进一步的加工。

【技术特征摘要】
US 1985-3-22 714,758所属的权限和范围之中。权利要求1、一种用于消除钛或钛合金锭中的硬α相缺陷的方法，其特征在于它所包括的步骤如下(a)置一个或一些锭于约2500-2800°F之间的一个实际上均一的温度下，(b)使上述的一个或一些锭在该条件下保持一段时间，使在这段时间内足以导致上述的硬α缺陷与钛或钛合金基体之间达到均匀化，以及(c)使上述的一个或一些锭从上述的实际上均一的温度下冷却到室温或更低的温度，以便作进一步的加工。2、按照权利要求1所述的方法，其中所说的实际上均一的温度为约2700°F。3、按照权利要求1所述的方法，其中所说的足以导致均匀化所需的时间为约24至约200小时。4、按照权利要求3所述的方法，其中所说的时间为约100小时。5、按照权利要求1所述的方法，其中所说的实际上均一的温度及所述的足以导致均匀化所需的时间可由下面公式相互联系时间(小时)＝〔(Ci-Cf)/Cf〕(r2/D)(1/3600)其中Ci是在缺陷中的初始最大氮含量(重量%);Cf是在经扩散处理后所希望的终了最大氮含量(重量%);r是缺陷的初始半径(厘米);以及D是氮在钛合金基体中的扩散系数(厘米2/秒)。6、按照权利要求1所述的方法，其中在步骤(a)之前，先把上述的一些锭置于约2200至约2500°F范围中的一个实际上均一的温度下经受一次等静压处理，所用的压力约为10至30千磅/吋2，时间约为2至4小时，此后再按步骤(a)处理。7、按照权利要求6所述的方法，其中所说的实际上均一的温度为约2200°F。8、按照权利要求6所述的方法，其中所说的等静压力为约15千磅/吋2。9、按照权利要求6所述的方法，其中所说的时间为约3小时。10、按照权利要求1所述的方法，其中还包括了紧接在步骤(c)之后对上述的一个或一些锭的机械加工步骤。11、按照权利要求10所述的方法，其中所说的机械加工步骤使上述的一个或一些锭的横截面积至少减小约50%。12、按照权利要求11所述的方法，其中所说的横截面积的减小至少约为60%。13、按照权利要求1的方法制造的基本上不含夹杂物及硬α相...

【专利技术属性】
技术研发人员：温斯顿哈罗德张，罗伯特阿尔瓦斯普拉格，约瑟夫安东尼斯塔尔，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]