鈦合金的製作方法

2023-06-18 09:05:41 1

專利名稱：鈦合金的製作方法
鈦合金
相關申請的交叉引用
本申請要求2010年4月30號提交的美國臨時專利申請號61/330，081的權利，其內容在此全文引用作為參考。技術領域
與本發明的主題有關的事物至少部分受到美國政府資助，軍隊合同號為 W15QKN-09-C-0144和W15QKN-09-C-0026。因此，美國政府可享有本發明的一定權利。
背景技術：
鈦合金能提供低重量、耐腐蝕結構，並因此用於各種應用。例如，Ti - 6A1 - 4V,以質量百分表示，是商業合金，被廣泛用於航空和醫藥的應用。其它的應用也能從使用鈦合金中獲得好處，在各種工業部門，比如防禦、能源、化學加工、航海和運輸。但是，鈦的材料和加工成本可能抑制這些應用。
鈦合金的材料成本普遍高，至少一部分是因為微量元素比如鐵和氧的含量需要嚴格控制在熔體庫中。當熔體凝固時，元素如鐵和氧可能偏析，導致非均勻的機械性能。為了消除這個影響，已經研發了超低間隙(ELI)級合金。例如，航空材料規格在ELI級Ti-6A1 -4V上限制鐵的質量百分比為O. 25，氧的質量百分比為O. 13。
鈦的加工成本普遍高，至少一部分是因為鈦合金是典型地鍛制的。通過操作過程使鈦合金形成近終形可能涉及昂貴的加工。此外，操作和加工可能產生顯著的材料浪費。發明內容
一方面，本申請涉及一種合金，該合金包括按質量百分比計，約3. 09Γ約6. 0%的鋁，0% 約I. 5%的錫，約2. 0% 約4. 0%的釩，約O. 5% 約4. 5%的鑰，約I. 0% 約2. 5%的鉻， 約O. 20% 約O. 55%的鐵，0% 約O. 35%的氧，0% 約O. 007%的硼，和0% 約O. 60%的其它偶存元素和雜質，以及包括鈦的質量百分比餘量。
一個方面，本申請涉及一種方法，該方法包括提供一種基於至少50%的鈦基合金的材料，所述鈦基合金包括按質量百分比計，約6%的鋁和約4%的釩，包含鈦的質量百分比餘量，該材料進一步包括按質量百分比計，09Γ約O. 35%的氧，09Γ約O. 55%的鐵和其它偶存元素和雜質；熔化該材料從而提供一種合金，該合金包括按質量百分比計，約3. 09Γ約6.0%的鋁，0% 約I. 5%的錫，約2. 0% 約4. 0%的釩，約O. 5% 約4. 5%的鑰，約I. 0% 約2. 5% 的鉻，約O. 20% 約O. 55%的鐵，0% 約O. 35%的氧，0% 約O. 007%的硼，和0% 約O. 60%的其它偶存元素和雜質，包含鈦的質量百分比餘量；以及，以加壓至約2atm (2個大氣壓)的氣體冷卻所述合金。
另一方面，本申請涉及將合金加工成近終形或熔模鑄件的方法，近終形或熔模鑄件能避免需要熱操作以實現強度和韌性的良好結合。相反，熱加工是許多傳統的鈦合金如鈦-6wt%招-4wt%鑰;的重要特徵,所述鈦_6wt%招-4wt%鑰;依賴於從低於β轉變溫度的溫度下的鍛造和冷卻而引起的晶粒細化。控制鐵含量是被公開特徵的重要特徵，從而在沒有熱撕裂的情況下使鑄態晶粒尺寸最小化，熱撕裂可能由於過多的鐵含量引起。此外，當從高於β轉變溫度冷卻時，在該合金中能通過本發明的方法實現晶粒內微觀結構α板條網籃形態。與Ti-6-4合金的平行或片狀α板條相反，本發明的一方面實現交錯的網籃形態。
其它方面和具體實施例包含在本申請的範圍內，並根據下面的說明和附圖中進行詳細說明。


圖I為展示了在落入本申請範圍內的合金的非限制實施例中，加工-結構-性能之間關係的系統設計圖。
圖2為描述了一組集成的，適於設計落入，如在此描述的包括，例如圖I的本申請範圍內的合金的計算機模型圖。
圖3展示了落入本文所公開的範圍內(包括，例如圖I)的合金的非限制性實施例中、對應於β轉變溫度的α相粗化率常數。
圖4為圖3的放大圖，描述了落入本申請範圍內的合金的非限制實施例的、對應於 β轉變溫度的α相粗化率常數。
圖5展示了落入本文所公開的範圍內(包括，例如圖I)的合金的非限制性實施例中、在603°C時對應於鑰含量的α相粗化率常數。
圖6展示了落入本文所公開的範圍內(包括，例如圖I)的合金的非限制性實施例中、α相粗化率常數在603°C時隨鑰和鉻含量的變化而變化的曲線圖。
圖7展示了落入本文所公開的範圍內(包括，例如圖I)的合金的非限制性實施例中、Scheil凍結範圍和生長限制參數隨鐵和硼含量的變化而變化的曲線圖。
圖8為掃描電鏡照片，其展示了落入本文所公開的範圍內(包括，例如圖I)的合金的非限制性實施例中、網籃形態的α相板條。
圖9為與圖8類似的金相顯微鏡照片，展示了非限制性實施例中在950° C退火後、以約O. 03° C/秒的冷卻速率冷卻的網籃形態的α相板條。
圖10為與圖9類似的金相顯微鏡照片，展示了非限制實施例中在950° C退火後、 以約O. 5° C/秒的冷卻速率冷卻的網籃形態的α相板條。
圖11為與圖9和10類似的金相顯微鏡照片，展示了非限制實施例中在950° C退火後、以約7. 5° C/秒的冷卻速率冷卻的網籃形態的α相板條。
圖12為金相顯微鏡照片，展示了非限制實施例中在950° C退火後、以約150° C/ 秒的冷卻速率冷卻的、馬氏體微觀結構中具有高縱橫比的α相板條。
圖13展示了落入本文所公開的範圍內(包括，例如圖8 11)的合金的非限制性實施例中、對應於冷卻速率的、在變化的退火溫度下的維氏硬度值。
圖14展示了落入本文所公開的範圍內(包括，例如圖8 11)的合金的非限制性實施例中、對應於α相粗化率常數的、在變化的退火溫度下的維氏硬度值。
圖15展示了落入本文所公開的範圍內(包括，例如圖8 11)的合金的非限制性實施例中的合金強度和延展性。具體實施例
應該理解的是，在本申請中，權利要求不限於描述了本發明的非限制性實施例的以下說明中所描述或附圖所示意的組分的具體結構和設置。以下更具體描述其它方面和實施例。
在此列舉的範圍被認為涵蓋並包含在範圍內的所有值，不需要明確敘述。
一般來說，發明人意外發現鈦合金能通過選擇合適的加工，成本和微觀結構的成分，以低成本實現高強度和高韌性的結合。所披露的合金包括網籃形態的α相板條。網籃形態的α相板條能實現高強度和高韌性的結合。所披露的合金的成本可能是低的，因為低成本原材料能用於近終形鑄件中，然後以穩定的和工業上可行的冷卻速率冷卻。
低成本原材料的一個來源是廢棄鈦合金。被稱為Ti 6 _ 4的鈦合金是可用於重熔的最廣泛的合金之一。Ti 6-4包括按質量百分比計，約6%的鋁和約4%的銀，包含鈦的質量百分比餘量。用於生產本發明所披露的合金的原材料投入可以是至少50%、或至少70%的 Ti 6-4。所披露的合金的成本可以比較低，這也是因為該合金可以容許含有按質量百分比計，09Γ約O. 35%的氧，09Γ約O. 55%的鐵和其它偶存元素和雜質。鐵是鈦合金中的常見雜質元素，其可能由海綿加工期間的汙染引起。通過含有鐵，氧，和其它偶存元素和雜質，使所披露的合金能使用如回收和加工車削的低質量廢料為原材料。
所披露的合金的製造成本也可能低，因為不需要鍛造，從而能降低加工成本。鍛造和加工成本根據鈦組分的幾何形狀可構成鈦組分成本的大約一半。因此，使合金適用於近終形鑄件(near-net-shape casting)同時維持好的機械性能是有利的。而在一些實施例中所披露的合金是鑄造出來的，另一些可被鍛造和加工。所披露的合金的加工成本也可以很低，因為該合金可以以穩定的和工業上可行的冷卻速率冷卻。由於鑄件的較厚部分比較薄的部分冷卻得慢，如果冷卻速率不是穩定的，微觀結構可能由於部分的不同而不同。所披露的合金能以便宜但穩定的方式加工。
一方面，本申請涉及合金，包括按質量百分比計，約3. 09Γ約6. 0%的鋁，09Γ約I.5%的錫，約2. 0% 約4. 0%的釩，約O. 5% 約4. 5%的鑰，約I. 0% 約2. 5%的鉻，約O. 20% 約O. 55%的鐵，09Γ約O. 35%的氧，09Γ約O. 007%的硼，0°/Γ約O. 60%的其它偶存元素和雜質，以及包含鈦的質量百分比餘量。應該注意的是，在此描述的實施例包括每個組分在所列舉的值的正負百分之十的變化。也應該理解的是，在此描述的合金可能僅由上述的組分組成，或可能主要由這些組分組成，或者在其它實施例中，可能包括另外的組分。
在實施例中，鋁的含量可能為約4. 09Γ約5. 5%，錫的含量可能為0°/Γ約I. 0%，釩的含量可能為約2. 59Γ約3. 5%，鑰的含量可能為約I. 09Γ約2. 0%，鉻的含量可能為約I. 09Γ 約2. 0%，鐵的含量可能為O. 309Γ0. 55%，氧的含量可能為0°/Γ約O. 20%,硼的含量可能為0°/Γ 約O. 005%，以及其它偶存元素和雜質的含量可能為09Γ約O. 20%。
在實施例中，該合金以冷卻速率從β相冷卻到α相，從而形成網籃形態的α相板條。高溫時，鈦合金能形成具有體心立方晶體結構的β相。當以高於約10° C/秒的冷卻速率冷卻時，一些鈦合金的β相能轉變成馬氏體α相，導致強度加大但也降低了延展性。然而，當以約O. 03° C/秒至約10° C/秒之間的冷卻速率冷卻時，一些鈦合金的β相能轉變成包含具有密排六方晶體結構的α相的微觀結構，所述密排六方晶體結構形成網籃形態的板條。該網籃狀微觀結構是由於晶粒內α變體的均相成核提高而引起的，所述晶6粒內α變體以高達12種晶體取向生長為β晶粒。相反，當Ti 6-4以達到約10° C/秒的工業相關冷卻速率從β相冷卻至α相時，其常常表現出具有粗大的、高度平行的α薄片群的微觀結構。一般來說，通過鑄造過程產生的成分不會繼續在用於重結晶的α和β相的兩相區域中鍛造或退火，並且，因此以粗大的薄片狀微觀結構組成鈦合金的組分不顯示強度和韌性的最好的結合。但是，如在所披露的合金中，網籃形態的α相板條能大致實現高強度和高韌性的結合。因此，網籃形態通常組成所披露的合金的微觀結構的四分之三或更多。
在一個實施例中，測得板條的最長尺寸不大於約100微米，不大於約80微米，不大於約25微米，或不大於約6微米。
在一個實施例中，該合金具有至少約10%的拉伸伸長率並具有大於約960MPa的拉伸強度，其中該合金被鑄造，在900° C和約IOOMPa熱等靜壓(HIP)處理2個小時並退火。 在其它實施例中，該合金具有至少約4%的拉伸伸長率並具有大於約1170MPa的拉伸強度， 其中該合金被鑄造，在900° C和IOOMPa熱等靜壓處理2個小時並退火。
一方面，根據在此描述的實施例的合金可使用低成本原材料鑄造，並能通過商業可行的熱處理形成網籃微觀結構，該熱處理不需要熱加工或快速冷卻速率。相反，表I展示了幾種鈦合金的成分，所述鈦合金要麼呈現貧乏的可鑄性要麼使用高成本的原材料。一些可能實現網籃微觀結構的鈦合金可能具有普遍貧乏的可鑄性，因為其流動性比Ti 6-4的流動性更低。這些鈦合金可能包括被稱為β穩定劑的合金元素，比如鐵。雖然β穩定劑可有助於實現網籃微觀結構，其也可能在凝固期間造成鑄件易受熱撕裂缺陷的影響。熱撕裂是由液體和固體之間顯著的體積差異引起的。其它β穩定劑，比如釩，鈮和鑰作為原材料可能是昂貴的。例如，合金比如β-CEZ和Ti-17使用昂貴的鋯。在表一的合金中，只有 SP-700可能使用普通的Ti 6-4作為鑄造廢料，因為SP-700具有與Ti 6_4相同的鋁/釩質量比。但是，SP-700具有質量百分比為2%的鐵。該鐵含量能使鑄件易於受熱撕裂的影響， 並因此使SP-700與鑄件不能相容。相反，所披露的合金可使用低成本原材料鑄造，並能以商業上可行的冷卻速率形成網籃微觀結構，實現比Ti 6-4更好的強度和延展性的組合。
表I
權利要求
1.一種鈦合金製品的鑄造方法，該方法包括以下步驟(a)形成熔體，該熔體包括按質量百分比計，約3.09Γ約6. 0%的鋁，09Γ約I. 5%的錫， 約2. 0% 約4. 0%的釩，約O. 5% 約4. 5%的鑰，約I. 0% 約2. 5%的鉻，0% 約O. 35%的氧， 09Γ約O. 007%的硼，09Γ約O. 60%的其它偶存元素和雜質，約O. 209Γ約O. 55%的鐵，以及包含鈦的質量百分比餘量；(b)鑄造所述熔體；以及(c)將鑄件冷卻。
2.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於，包括在沒有熱加工的情況下，初步形成鑄件作為所述製品。
3.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於，所述熔體由起始材料組成，該起始材料在所述熔體內結合了至少25%的鈦基合金，所述鈦基合金包括按質量百分比計，約6%的鋁和約4%的釩，包括鈦的百分比餘量；所述起始材料進一步包括按質量百分比計，09Γ約.O.35%的氧，09Γ約O. 55%的鐵和其它偶存元素和雜質。
4.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於，進一步包括以下熱處理步驟將鑄件和形成的合金在900° C和約IOOMPa的氬氣中熱等靜壓處理2小時；使合金退火，從而形成β相單相微觀結構；以及然後將合金從β相按一冷卻速率冷卻至α相，以形成網籃形態的α相板條。
5.根據權利要求4所述的方法，其特徵在於，所述冷卻步驟包括用加壓至2atm的氣體冷卻所述鑄件。
6.根據權利要求5所述的方法，其特徵在於，退火在高於合金β轉變溫度的溫度下進行。
7.根據權利要求5所述的方法，其特徵在於，退火在達到約950°C的溫度下進行。
8.根據權利要求5所述的方法，其特徵在於，所述冷卻速率在約O.03° C/秒 約 10° C/秒之間。
9.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於，鈦基熔體包括按質量百分比計，約.4.0% 5. 5%的鋁，0% 約I. 0%的錫，約2. 5% 約3. 5%的釩，約I. 0% 約2. 0%的鑰，約I. 0% 約2. 0%的鉻，約O. 30% 0· 55%的鐵，O. 25% 約O. 3%的氧，0% 約O. 005%的硼，和0% 約O. 2% 的其它偶存元素和雜質，以及包含鈦的質量百分比餘量。
10.根據權利要求9所述的方法，其特徵在於，進一步包括將鑄造合金在900° C和約IOOMPa的氬氣中熱等靜壓處理2小時；使合金退火，從而形成β相單相微觀結構；以及將合金從β相按一冷卻速率冷卻至α相，以形成網籃形態的α相板條。
11.根據權利要求10所述的方法，其特徵在於，退火在高於合金的β轉變溫度的溫度下進行。
12.根據權利要求11所述的方法，其特徵在於，所述冷卻速率在約O.03° C/秒 約 10° C/秒之間。
13.一種用權力要求I所述的方法製造的製品。
14.一種鈦合金，包括約3. 0% 約6. 0%的鋁，0% 約I. 5%的錫，約2. 0% 約4. 0%的釩，約O. 5% 約4. 5%的鑰，約I. 0% 約2. 5%的鉻，0% 約O. 35%的氧，0% 約O. 007%的硼，09Γ約O. 60%的其它偶存元素和雜質，約O. 209Γ約O. 55%的鐵，以及包括鈦的百分比餘量； 其特徵在於，所述合金具有基本為網籃狀的α相板條結構，並具有至少約10%的伸長率和大於約960Mpa的拉伸強度。
15.根據權利要求14所述的合金，其特徵在於，所述板條結構的板條最長尺寸不超過約100微米。
16.根據權利要求14所述的合金，其特徵在於，鋁的含量為約4.09Γ5. 5%，錫的含量為09Γ約I. 0%，釩的含量為約2. 59Γ約3. 5%，鑰的含量為約I. 0°/Γ約2. 0%，鉻的含量為約I.09Γ約2. 0%，鐵的含量為約O. 309Γ約O. 55%，氧的含量為0°/Γ約O. 2%，硼的含量為0°/Γ約O.005%,以及其它偶存元素和雜質的含量為09Γ約O. 2%。
17.根據權利要求14所述的合金，其特徵在於，所述α相板條包括網籃形態。
18.根據權利要求I所述的方法，其特徵在於，鐵的質量百分比由O.209Γ0. 55%組成。
全文摘要
在此提供一種鈦合金和生產該合金的方法，所述鈦合金能實現高強度和高韌性或伸長率的結合。通過含有鐵，氧和其它偶存元素和雜質，該合金能使用較低質量的廢料作為原材料。該合金是可鑄造的，並能通過不需要熱加工或快速冷卻速率的商業可行的熱處理形成網籃形態的α薄板板條。該合金包括按質量百分比計，約3.0%~約6.0%的鋁，0%~約1.5%的錫，約2.0%~約4.0%的釩，約0.5%~約4.5%的鉬，約1.0%~約2.5%的鉻，約0.20%~約0.55%的鐵，0%~約0.35%的氧，0%~約0.007%的硼，和0%~約0.60%的其它偶存元素和雜質，並且百分比餘量包括鈦。
文檔編號C22F1/18GK102939398SQ201180030176
公開日2013年2月20日 申請日期2011年4月29日 優先權日2010年4月30日
發明者詹姆斯·A·懷特, 賈森·塞巴斯蒂安, 周恆傑 申請人:奎斯泰克創新公司