用于制造高强度紧固件的材料及其生产方法技术

本发明专利技术涉及冶金，并且更具体地涉及生产具有特定机械性质的钛合金基材料，用于制造在各种行业领域中使用的紧固件，并且优选在航空航天行业中

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于制造高强度紧固件的材料及其生产方法
[0001]本专利技术涉及冶金，即制造具有设计机械性质的钛合金材料，用于生产各个行业
(
主要在飞机行业
)
中使用的紧固件
。
[0002]由于其高的强度
‑
重量比和高的耐腐蚀性，钛基材料在各个行业中得到了广泛的应用
。
其中有前景的领域之一是制造飞机和汽车行业的紧固件
。
在现代飞机工程中，为了节省结构重量，钢紧固件被高强度钛合金制成的部件所取代
。
为了使部件可靠操作，螺纹紧固件应具有一组高水平性质，特别是高抗拉强度值和双剪切强度值
。
而且，钛合金在其机械性质上应与具有极限强度
σ
B
‑
1500MPa、
双剪切强度
τ
sh
‑
900MPa、
伸长率
δ
‑
12
％的钢材料接近
。
强度和延展性是金属和合金的基本机械性质，紧固件材料的加工和表现性能直接取决于它们的组合
。
[0003]紧固件外螺纹制造中最具成本效益的过程是使用螺纹轧制工具使坯料塑性变形而制造螺纹的过程
。
轧制螺纹的轮廓是通过将工具压入坯材料中并将材料的一部分压入工具空腔中而形成的
。
现有技术的设备和适用的技术允许在热硬化态条件下，即淬火和人工时效后，在材料上轧制螺纹
。
而且，螺纹的内匝中产生压缩应力，从而显著增加裂纹发生前的循环次数，其确保整个材料增加的循环阻力
。
然而，螺纹轧制在热硬化态条件下由于材料的高强度而复杂化，其连同低延展性严重限制了过程的技术能力并降低了所用工具的耐用性
。
在这方面，相关目的是在热硬化态条件下制造具有高强度和延展性的组合的钛基材料
。
[0004]存在已知的紧固件及其制造
α
‑
β
钛合金的方法，其包括
α
‑
β
钛合金的热轧
、
固溶处理和时效，所述
α
‑
β
钛合金以重量％计由以下组成：
[0005][0006][0007]事实上，其中其它元素至少是硼
、
钇
(
各自具有小于
0.005
的浓度
)
和锡
、
锆
、
钼
、
铬
、
镍
、
硅
、
铜
、
铌
、
钽
、
锰以及钴
(
各自具有小于
0.1
或更小的浓度
)
，余量是钛和不可避免的杂质，在
α
‑
β
相区中对钛合金进行热轧以生产坯料；在
1200℉(648.9℃)
至
1400℉(760℃)
的温度下对生产的坯料进行退火1至2小时；空气冷却；机加工成预定的产品尺寸；在
1500℉(815.6℃)
至
1700℉(926.7℃)
的温度下进行固溶处理
0.5
至2小时；以至少等于在空气中冷却的速率进行冷却；在
800℉(426.7℃)
至
1000℉(537.8℃)
的温度下时效4至
16
小时；和空气冷却
(RF
专利技术专利号
2581332
，
IPC C22C 14/00
，
C22F 1/18
，
2016
年4月
20
日公布
)。
[0008]然而，该已知材料的抗拉强度水平被限制在
1370MPa
，在该水平下螺纹轧制在热硬化态条件下是可能的
。
[0009]存在已知的钛合金棒材的制造方法，其包括坯料的生产
、
其热轧成棒材
、
从铸锭制
造坯料和热轧棒材的蚀刻
、
其真空退火
、
拉伸
、
拉伸棒材的退火及其机加工成最终尺寸；而且，拉伸棒材的空气退火在两个阶段进行：首先在
650
‑
750℃
的温度下持续
15
至
60
分钟，空气冷却至室温，然后在
180
‑
280℃
的温度下持续4至
12
小时，空气冷却至室温；而且，在第二种选择中，退火首先在
750
‑
850℃
的温度下进行
15
至
45
分钟，在炉中冷却至
500
‑
550℃
，随后空气冷却至室温，然后在
400
‑
500℃
的温度下持续4至
12
小时，空气冷却至室温
(RF
专利技术专利号
2311248
，
IPC C22F 1/18
，
B21C 37/04
，
2007
年
11
月
27
日公布
)。
[0010]该已知的方法旨在制造
Vt16
钛合金的紧固件坯料，并且没有考虑其它高强度材料和合金的加工特性，这导致低抗拉强度和双剪切强度
。
[0011]本专利技术的目的在于制造具有一组高水平机械性质的钛合金高强度紧固件材料，其允许在热硬化态条件下进行螺纹轧制
。
[0012]在本专利技术的实施方案中获得的技术结果是在保持高水平延展性的同时改进了材料的强度性质
。
[0013]该技术结果是通过以下事实实现：根据本专利技术，在由含有合金化元素作为
α
稳定剂
、
β
稳定剂
、
中性强化剂且余量是钛和不可避免的杂质的钛合金制造的高强度紧固件材料中，确保钛合金
α
相的固溶强化的合金化元素的总量由以下方程限定：
[0014][Al]eq
＝
[Al]+[O]×
10+[C]×
10+[N]×
20+[Zr]/6
，重量％
[0015]每种特定元素的浓度在以下范围内：
[0016][0017]其中
[Al]eq
是铝结构当量，其在合金中的值在
5.1
至
9.3
的范围内，
[0018]以及确保固溶强化并且还增加亚稳态
β
相的体积分数的元素总量由以下方程限定：
[0019][Mo]eq
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.
用于钛合金制造的高强度紧固件材料，该钛合金含有合金化元素作为
α
稳定剂
、
β
稳定剂
、
中性强化剂，余量是钛和不可避免的杂质，其特征是确保钛合金
α
相的固溶强化的合金化元素的总量，由以下方程限定：
[Al]
eq
＝
[Al]+[O]
×
10+[C]
×
10+[N]
×
20+[Zr]/6
，重量％每种特定元素的浓度在以下范围内：其中
[Al]
eq
是铝结构当量，其在所述合金中的值在
5.1
至
9.3
的范围内，以及确保固溶强化并且还增加亚稳态
β
相的体积分数的元素总量由以下方程限定：
[Mo]
eq
＝
[Mo]+[V]/1.4+[Cr]
×
1.67+[Fe]
×
2.5
，重量％每种特定元素的浓度在以下范围内：其中
[Mo]
eq
是钼结构当量，其在所述合金中的值在
12.4
至
17.4
的范围内，而且，在固溶处理和时效的材料的结构中，初级
α
的体积分数在
15
至
27
％的范围内
。2.
根据权利要求1所述的高强度紧固件材料，其特征是在
1400
至
1500MPa
的抗拉强度范围内，固溶处理和时效的材料的塑性比
(K
pm
)
由积分方程限定：
K
pm
＝
∫R
A
d
σ
B
，其中
R
A
是面积的减少率，％；
σ
B
为抗拉强度，
MPa
，该塑性比在
3.7
×
103至
5.0
×
103的范围内
。3.
根据权利要求1所述的高强度紧固件材料，其特征是固溶处理和时效的材料的结构中的
β
亚晶粒尺寸不超过
15
μ
m。4.
根据权利要求1所述的高强度紧固件材料，其以具有至多
40mm
的直径的圆形棒材的形式制成，所述圆形棒材经过固溶处理和时效
。5.
根据权利要求1所述的高强度紧固件材料，其以具有至多
18mm
的直径的圆形线材的形式制成，所述圆形线材经过固溶处理和时效
。6.
根据权利要求1所述的高强度紧固件材料，其在固溶处理和时效后具有超过
1400MPa
的抗拉强度
。7.
根据权利要求1所述的高强度紧...

【专利技术属性】
技术研发人员：M，
申请(专利权)人：威森波阿维斯玛股份公司，
类型：发明
国别省市：