ВЫСОКОПРОЧНЫЕ ТИТАНОВЫЕ СПЛАВЫ
HIGH-STRENGTH TITANIUM ALLOYS

ПРЕДПОСЫЛКИ ТЕХНОЛОГИИ
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001]
Настоящее изобретение относится к высокопрочным титановым сплавам.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОСЫЛОК ТЕХНОЛОГИИ
[0002]
3
Титановые сплавы обычно проявляют высокую удельную прочность на единицу массы, коррозионную стойкость и устойчивы к ползучести при умеренно высоких температурах. По этим причинам титановые сплавы используются в аэрокосмической и авиационной отраслях, включая, например, элементы шасси, рамы двигателя и другие важные конструктивные элементы. Например, титановый сплав Ti-10V-2Fe-3Al (также называемый «сплав Ti 10-2-3», имеющий состав, указанный в UNS 56410), и титановый сплав Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr (также называемый «сплав Ti 5553», в UNS не присвоен) - коммерческие сплавы, которые используются для изготовления шасси и других крупных компонентов. Эти сплавы обладают пределом прочности при растяжении в диапазоне 170-180 ksi (тысяч фунтов/квадратный дюйм) и термоупрочняются в толстых сечениях. Однако эти сплавы склонны иметь ограниченную пластичность при комнатной температуре в высокопрочном состоянии. Эта ограниченная пластичность обычно обусловлена охрупчивающими фазами, такими как TiAl, TiAl или омега-фазой.
[0003]
Кроме того, титановый сплав Ti-10V-2Fe-3Al может быть сложным в обработке. Сплав должен быть быстро охлажден, например, закалкой водой или воздухом, после проведения обработки на твердый раствор для достижения желаемых механических свойств продукта, и это может ограничить его применимость до толщины сечения менее 3 дюймов (7,62 см). Титановый сплав Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr может охлаждаться воздухом от температуры твердого раствора и, следовательно, может использоваться при толщине сечения до 6 дюймов (15,24 см). Однако его прочность и пластичность ниже, чем у титанового сплава Ti-10V-2Fe-3Al. Существующие сплавы также демонстрируют ограниченную пластичность, например менее 6%, в высокопрочном состоянии из-за выделения охрупчивающих вторичных метастабильных фаз.
[0004]
Соответственно, возникла потребность в титановых сплавах с прокаливаемостью в толстых сечениях и/или улучшенной пластичностью при пределе прочности на растяжение, превышающем примерно 170 ksi при комнатной температуре.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0005]
Согласно одному неограничивающему аспекту настоящего изобретения титановый сплав содержит, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава: 2,0-5,0 алюминия; 3,0-8,0 олова; 1,0-5,0 циркония; от 0 до в сумме 16,0 одного или более элементов, выбранных из группы, состоящей из кислорода, ванадия, молибдена, ниобия, хрома, железа, меди, азота и углерода; титан; и примеси.
[0006]
Согласно другому неограничивающему аспекту настоящего изобретения титановый сплав содержит, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава: 8,6-11,4 одного или более элементов, выбранных из группы, состоящей из ванадия и ниобия; 4,6-7,4 олова; 2,0-3,9 алюминия; 1,0-3,0 молибдена; 1,6-3,4 циркония, 0-0,5 хрома; 0-0,4 железа; 0-0,25 кислорода; 0-0,05 азота; 0-0,05 углерода; титан; и примеси.
[0007]
Согласно еще одному неограничивающему аспекту настоящего изобретения титановый сплав состоит по существу из, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава: 2,0-5,0 алюминия; 3,0-8,0 олова; 1,0-5,0 циркония; от 0 до в сумме 16,0 одного или более элементов, выбранных из группы, состоящей из кислорода, ванадия, молибдена, ниобия, хрома, железа, меди, азота и углерода; титана; и примесей.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[0008]
Признаки и преимущества описанных здесь сплавов, изделий и способов могут быть лучше поняты при обращении к прилагаемым графическим материалам, на которых:
[0009]
Фиг. 1 является рисунком, иллюстрирующим неограничивающий вариант осуществления способа обработки неограничивающего варианта осуществления титанового сплава согласно настоящему изобретению; и
[0010]
Фиг. 2 представляет собой график зависимости предела прочности при растяжении (UTS) и относительного удлинения неограничивающих вариантов осуществления титановых сплавов в соответствии с настоящим изобретением по сравнению с некоторыми обычными титановыми сплавами.
[0011]
Читатель получит достаточное представление о вышеизложенных подробностях, а также других, после рассмотрения следующего подробного описания некоторых неограничивающих вариантов осуществления согласно настоящему изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ НЕКОТОРЫХ неограничивающих ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0012]
В настоящем описании неограничивающих вариантов осуществления, кроме как в рабочих примерах или там, где указано иное, все числа, выражающие количества или характеристики, следует понимать как модифицированные во всех случаях термином «примерно». Соответственно, если не указано иное, любые числовые параметры, изложенные в последующем описании, являются приблизительными значениями, которые могут варьироваться в зависимости от желаемых свойств, которые стремятся получить в материалах, и способами согласно настоящему раскрытию. По крайней мере и не в качестве попытки ограничить применение доктрины эквивалентов к объему формулы изобретения, каждый числовой параметр должен, по меньшей мере, истолковываться с учетом числа сообщаемых значащих цифр и с применением обычных методов округления. Все описанные здесь диапазоны включают описанные конечные точки, если не указано иное.
[0013]
Любой патент, публикация или другой раскрываемый материал, который упомянут включенным сюда полностью или частично по ссылке, включен в данный документ только в той степени, в которой включенный материал не противоречит существующим определениям, заявлениям или другому раскрываемому материалу, изложенному в настоящем раскрытии изобретения. По сути и в той степени, в которой это необходимо, изложенное здесь раскрытие изобретения заменяет любой противоречащий материал, включенный сюда по ссылке. Любой материал или его часть, которые упомянуты включенными сюда по ссылке, но которые противоречат существующим определениям, заявлениям или другим раскрываемым материалам, изложенным в данном документе, включены только в той степени, в которой не возникает конфликта между этим включенным материалом и существующим раскрываемым материалом.
[0014]
Используемый здесь термин «пластичность» или «предел пластичности» относится к пределу или максимальному уровню восстановления или пластической деформации, которую металлический материал может выдержать без разрушения или растрескивания. Это определение соответствует смысловому значению, указанному, например, в ASM Materials Engineering Dictionary, J.R. Davis, ed., ASM International (1992), p. 131.
[0015]
Ссылка в данном документе на титановый сплав, «содержащий» конкретный состав, предназначена охватывать сплавы, «состоящие по существу из» или «состоящие из» указанного состава. Понятно, что составы титанового сплава, описанные в данном документе как «содержащие», «состоящие из» или «состоящие по существу из» конкретного состава, также могут включать примеси.
[0016]
Настоящее изобретение частично направлено на сплавы, которые устраняют некоторые из ограничений обычных титановых сплавов. Один неограничивающий вариант осуществления титанового сплава согласно настоящему изобретению может содержать или состоять по существу из, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава: 2,0-5,0 алюминия; 3,0-8,0 олова; 1,0-5,0 циркония; от 0 до в сумме 16,0 одного или более элементов, выбранных из кислорода, ванадия, молибдена, ниобия, хрома, железа, меди, азота и углерода; титана; и примесей. Определенные варианты осуществления этого титанового сплава могут дополнительно содержать или состоять по существу из, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава: 6,0-12,0 или в некоторых вариантах 6,0-10,0 одного или более элементов, выбранных из группы, состоящей из ванадия и ниобия; 0,1-5,0 молибдена; 0,01-0,40 железа; 0,005-0,3 кислорода; 0,001-0,07 углерода; 0,001-0,03 азота. Другой неограничивающий вариант осуществления титанового сплава согласно настоящему изобретению может содержать или состоять по существу из, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава: 8,6-11,4 одного или более элементов, выбранных из группы, состоящей из ванадия и ниобия; 4,6-7,4 олова; 2,0-3,9 алюминия; 1,0-3,0 молибдена; 1,6-3,4 циркония, 0-0,5 хрома; 0-0,4 железа; 0-0,25 кислорода; 0-0,05 азота; 0-0,05 углерода; титана; и примесей.
[0017]
В неограничивающих вариантах реализации сплавов согласно данному раскрытию, случайные элементы и примеси в составе сплава могут содержать или состоять по существу из одного или более из водорода, вольфрама, тантала, марганца, никеля, гафния, галлия, сурьмы, кремния, серы, калия и кобальта. Некоторые неограничивающие варианты осуществления титановых сплавов согласно настоящему изобретению могут содержать, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава, от 0 до 0,015 водорода и от 0 до 0,1 каждого из вольфрама, тантала, марганца, никеля, гафния, галлия, сурьма, кремния, серы, калия и кобальта.
[0018]
экв.
экв.
(мас. %)
(мас. %)
(мас. %)
(мас. %)
экв.
экв.
(мас. %)
(мас. %)
(мас. %)
(мас. %)
(мас. %)
(мас. %)
(мас. %)
(мас. %)
(мас. %)
(мас. %)
В определенных неограничивающих вариантах осуществления предложенного титанового сплава, титановый сплав имеет значение алюминиевого эквивалента от 6,0 до 9,0 и значение молибденового эквивалента от 5,0 до 10,0, что, как наблюдали изобретатели, улучшает пластичность при пределе прочности на растяжение, превышающем примерно 170 ksi при комнатной температуре, при этом избегая нежелательных фаз, ускоряя кинетику выделения и способствуя мартенситному превращению во время обработки. Используемый здесь термин «значение алюминиевого эквивалента» или «алюминиевый эквивалент» (Al) может быть определен следующим образом (где все элементные концентрации приведены в массовых процентах, как указано): Al= Al+ [(1/6)×Zr] + [(1/3)×Sn] + [10×O]. Используемый здесь термин «значение молибденового эквивалента» или «молибденовый эквивалент» (Mo) может быть определен следующим образом (где все элементные концентрации приведены в массовых процентах, как указано): Mo= Mo+ [(1/5)×Ta] + [(1/3,6)×Nb] + [(1/2,5)×W] + [(1/1,5)×V] + [1,25×Cr] + [1,25×Ni] + [1,7×Mn] + [1,7×Co] + [2,5×Fe].
[0019]
3
3
В некоторых неограничивающих вариантах осуществления предложенного титанового сплава, титановый сплав содержит относительно низкое количество алюминия для предотвращения образования хрупких интерметаллических фаз типа TiX, где X представляет собой металл. Титан имеет две аллотропные модификации: бета ("β")-фаза, которая имеет объемно-центрированную кубическую (ОЦК) кристаллическую структуру; и альфа («α»)-фаза, которая имеет гексагональную плотноупакованную (ГПУ) кристаллическую структуру. Большинство α-β-титановых сплавов содержат приблизительно 6% алюминия, который может образовывать TiAl при термообработке. Это может оказать вредное влияние на пластичность. Соответственно, определенные варианты осуществления титановых сплавов согласно настоящему изобретению включают от примерно 2,0% до примерно 5,0% алюминия по массе. В некоторых других вариантах осуществления титановых сплавов согласно настоящему раскрытию содержание алюминия составляет от примерно 2,0% до примерно 3,4% по массе. В других вариантах осуществления содержание алюминия в титановых сплавах согласно настоящему изобретению может составлять от примерно 3,0% до примерно 3,9% по массе.
[0020]
В некоторых неограничивающих вариантах осуществления предложенного титанового сплава, титановый сплав включает намеренную добавку олова и циркония в сочетании с некоторыми другими легирующими добавками, такими как алюминий, кислород, ванадий, молибден, ниобий и железо. Без намерения ограничиваться какой-либо теорией полагают, что намеренная добавка олова и циркония стабилизирует α-фазу, увеличивая объемную долю α-фазы без риска образования охрупчивающих фаз. Наблюдалось, что намеренная добавка олова и циркония увеличивает прочность на растяжение при комнатной температуре при сохранении пластичности. Добавка олова и циркония также обеспечивает упрочнение твердого раствора как в α-, так и в β-фазах. В некоторых вариантах осуществления титановых сплавов согласно настоящему изобретению сумма содержаний алюминия, олова и циркония составляет от 8% до 15% по массе в расчете на общую массу сплава.
[0021]
В некоторых неограничивающих вариантах осуществления в соответствии с настоящим изобретением, раскрытые здесь титановые сплавы включают один или более β-стабилизирующих элементов, выбранных из ванадия, молибдена, ниобия, железа и хрома, чтобы замедлить выделение и рост α-фазы при охлаждении материала от области β-фазы и достичь желаемой прокаливаемости толстого сечения. Определенные варианты осуществления титановых сплавов согласно настоящему изобретению содержат от примерно 6,0% до примерно 12,0% одного или более элементов, выбранных из группы, состоящей из ванадия и ниобия, по массе. В других вариантах осуществления сумма содержаний ванадия и ниобия в титановых сплавах в соответствии с настоящим изобретением может составлять от примерно 8,6% до примерно 11,4%, от примерно 8,6% до примерно 9,4% или от примерно 10,6% до примерно 11,4%, все в массовых процентах в расчете на общую массу титанового сплава.
[0022]
Первый неограничивающий титановый сплав согласно настоящему изобретению содержит или состоит по существу из, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава: 2,0-5,0 алюминия; 3,0-8,0 олова; 1,0-5,0 циркония; от 0 до в сумме 16,0 одного или более элементов, выбранных из кислорода, ванадия, молибдена, ниобия, хрома, железа, меди, азота и углерода; титана; и примесей.
[0023]
В первом варианте осуществления алюминий может быть включен в состав для стабилизации альфа-фазы и упрочнения. В первом варианте осуществления алюминий может присутствовать в любой концентрации в диапазоне от 2,0 до 5,0 массового процента, в расчете на общую массу сплава.
[0024]
В первом варианте осуществления олово может быть включено в состав для упрочнения твердого раствора сплава и стабилизации альфа-фазы. В первом варианте осуществления олово может присутствовать в любой концентрации в диапазоне от 3,0 до 8,0 массового процента, в расчете на общую массу сплава.
[0025]
В первом варианте осуществления цирконий может быть включен в состав для упрочнения твердого раствора сплава и стабилизации альфа-фазы. В первом варианте осуществления цирконий может присутствовать в любой концентрации в диапазоне от 1,0 до 5,0 массового процента, в расчете на общую массу сплава.
[0026]
В первом варианте осуществления молибден, если он присутствует, может быть включен в состав для упрочнения твердого раствора сплава и стабилизации бета-фазы. В первом варианте осуществления молибден может присутствовать в любом из следующих диапазонов массовых концентраций, в расчете на общую массу сплава: 0-5,0; 1,0-5,0; 1,0-3,0; 1,0-2,0; и 2,0-3,0.
[0027]
В первом варианте осуществления железо, если оно присутствует, может быть включено в состав для упрочнения твердого раствора сплава и стабилизации бета-фазы. В первом варианте осуществления железо может присутствовать в любом из следующих диапазонов массовых концентраций, в расчете на общую массу сплава: 0-0,4 и 0,01-0,4.
[0028]
В первом варианте осуществления хром, если он присутствует, может быть включен в состав для упрочнения твердого раствора сплава и стабилизации бета-фазы. В первом варианте осуществления хром может присутствовать в любой концентрации в диапазоне от 0 до 0,5 массового процента, в расчете на общую массу сплава.
[0029]
Второй неограничивающий титановый сплав согласно настоящему раскрытию содержит или состоит по существу из, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава: 8,6-11,4 одного или более элементов, выбранных из группы, состоящей из ванадия и ниобия; 4,6-7,4 олова; 2,0-3,9 алюминия; 1,0-3,0 молибдена; 1,6-3,4 циркония, 0-0,5 хрома; 0-0,4 железа; 0-0,25 кислорода; 0-0,05 азота; 0-0,05 углерода; титана; и примесей.
[0030]
Во втором варианте осуществления ванадий и/или ниобий могут быть включены в состав для упрочнения твердого раствора сплава и стабилизации бета-фазы. Во втором варианте осуществления общее суммарное содержание ванадия и ниобия, алюминия может быть любой концентрацией в диапазоне от 8,6 до 11,4 массового процента, в расчете на общую массу сплава.
[0031]
Без намерения быть связанными с какой-либо теорией, полагают, что большее значение алюминиевого эквивалента может стабилизировать α-фазу описанных здесь сплавов. С другой стороны, большее значение молибденового эквивалента может стабилизировать β-фазу. В некоторых вариантах осуществления титановых сплавов согласно настоящему изобретению, отношение значения алюминиевого эквивалента к значению молибденового эквивалента составляет от 0,6 до 1,3, что позволяет упрочнять сплав, снижая риск образования охрупчивающих фаз, обеспечивая хорошую ковкость и формирование ультратонкой микроструктуры, которые обеспечивают хорошие свойства многоцикловой усталости.
[0032]
Номинальный способ производства высокопрочных титановых сплавов согласно настоящему изобретению типичен для литейных-деформируемых титана и титановых сплавов и будет известен специалистам в данной области. Общая блок-схема операцией способа производства сплава представлена на фигуре 1 и описана нижеследующим образом. Следует отметить, что это описание не ограничивает сплав литейными-деформируемыми. Сплавы согласно настоящему изобретению, например, также могут быть получены такими способами производства из порошков в детали, которые могут включать способы уплотнения и/или аддитивного производства.
[0033]
В определенных неограничивающих вариантах осуществления согласно настоящему изобретению, готовят исходные материалы, используемые для получения сплава. В соответствии с некоторыми неограничивающими вариантами осуществления, исходные материалы (сырье) могут включать, но не ограничиваться этим, титановые губку или порошок, элементные добавки, лигатуры, диоксид титана и повторно используемый материал. Повторно используемый материал, также известный как оборотный материал или лом, может состоять из или включать в себя стружку или крошку титана и титанового сплава, мелкие и/или крупные твердые частицы, порошок и другие формы титана или титановых сплавов, ранее созданные и переработанные для повторного использования. Вид, размер и форма используемого сырья может зависеть от методов, используемых для плавления сплава. В соответствии с определенными неограничивающими вариантами осуществления, материал может быть в виде частиц и может засыпаться в плавильную печь. Согласно другим вариантам осуществления, часть или все сырье может быть спрессовано в маленькие или большие брикеты. В зависимости от требований или предпочтений конкретного способа плавки сырье может быть собрано в расходуемый электрод для плавления или может быть подано в виде частиц в печь. Сырье, обработанное способом литья-деформации, может быть однократно или многократно расплавлено до конечного слитка. Согласно определенным неограничивающим вариантам осуществления, слиток может иметь цилиндрическую форму. Однако в других вариантах осуществления слиток может принимать любую геометрическую форму, включая, но не ограничиваясь ими, слитки, имеющие прямоугольное или другое поперечное сечение.
[0034]
2
4
Согласно определенным неограничивающим вариантам осуществления, способы плавки для производства сплава по технологическому маршруту литья-деформации могут включать в себя плазменную плавку в холодном тигле (ПДП) или электронно-лучевую плавку в холодном тигле (ЭЛП), вакуумно-дуговой переплав (ВДП), электрошлаковый переплав (ЭШП или скоростной ЭШП, от англ. ESRR - Electroslag Rapid Remelting) и/или гарнисажную плавку. Неограничивающий список способов производства порошка включает в себя индукционную плавку/распыление газом, плазменное распыление, вращающийся в плазме электрод, индукционное распыление электрода в газе или один из методов прямого восстановления из TiO или TiCl.
[0035]
Согласно некоторым неограничивающим аспектам, сырье может быть расплавлено с образованием одного или более электродов первой плавки. Эти электрод(ы) готовят и переплавляют один или более раз, обычно с использованием ВДП, с получением слитка финальной плавки. Например, сырье может быть расплавлено плазменно-дуговой плавкой в холодном тигле (ПДП) для создания цилиндрического электрода диаметром 26 дюймов. ПДП-электрод затем может быть подготовлен и далее подвергнут вакуумно-дуговому переплаву (ВДП) в слиток финальной плавки диаметром 30 дюймов, имеющий типичную массу приблизительно 20000 фунтов. Слиток финальной плавки из сплава затем преобразуют средствами деформационной обработки в желаемый продукт, который может быть, например, проволокой, прутком, биллетом, листом, плитой и продуктами, имеющими другие формы. Продукты могут быть изготовлены в конечном виде, в котором используется сплав, или могут быть изготовлены в промежуточном виде, который дополнительно обрабатывается до конечного компонента одним или более методами, которые могут включать, например, ковку, прокатку, волочение, прессование, термообработку, обработку резанием и сварку.
[0036]
В соответствии с определенными неограничивающими вариантами осуществления, деформационный передел слитков из титана и титанового сплава обычно включает начальный цикл горячей ковки с использованием ковочного пресса с открытым штампом. Эта часть процесса предназначена для того, чтобы взять полученную после литья внутреннюю структуру зерен слитка и уменьшить ее до более мелкого размера, что может подходящим образом проявить желаемые свойства сплава. Слиток может быть нагрет до повышенной температуры, например, выше β-перехода сплава, и выдерживаться в течение некоторого периода времени. Температура и время  устанавливаются так, чтобы позволить сплаву полностью достичь желаемой температуры, и могут быть продлены на более длительные периоды времени, чтобы гомогенизировать химический состав сплава. Сплав затем может быть прокован до меньшего размера с помощью сочетания операций осадки и/или вытяжки. Материал может быть последовательно прокован и подогрет, с циклами разогрева, включающими, например, один или комбинацию этапов нагревания при температурах выше и/или ниже β-перехода. Последующие циклы ковки могут быть выполнены на ковочном прессе с открытым штампом, пилигримовом стане, прокатном стане и/или другом подобном оборудовании, используемом для деформирования металлических сплавов до желаемого размера и формы при повышенной температуре. Специалистам в данной области техники известны различные последовательности этапов ковки и температурные циклы для получения желаемого размера сплава, формы и внутренней структуры зерна. Например, один такой способ обработки представлен в патенте США № 7611592, который полностью включен сюда по ссылке.
[0037]
Неограничивающий вариант осуществления способа изготовления титанового сплава в соответствии с настоящим изобретением включает в себя окончательную ковку либо в области α-β фаз, либо в области β-фазы и последующую термообработку путем отжига, обработки на твердый раствор и отжига, обработки на твердый раствор и старения (STA), прямого старения или комбинации термических циклов для получения желаемого баланса механических свойств. В определенных, возможных неограничивающих вариантах осуществления титановые сплавы согласно настоящему изобретению демонстрируют улучшенную обрабатываемость давлением при заданной температуре по сравнению с другими, обычными высокопрочными сплавами. Эта особенность позволяет обрабатывать сплав путем горячей обработки давлением как в области α-β фаз, так и в области β-фазы с меньшими растрескиванием или другими вредными эффектами, тем самым улучшая выход годных и снижая стоимость продукта.
[0038]
Используемый здесь термин «обработка на твердый раствор и старение», или «STA», относится к применяемому к титановым сплавам процессу термической обработки, который включает обработку титанового сплава на твердый раствор при температуре обработки на твердый раствор ниже температуры β-перехода титанового сплава. В неограничивающем варианте осуществления температура обработки на твердый раствор находится в диапазоне температур от примерно 760°С до 840°С. В других вариантах осуществления температура обработки на твердый раствор может меняться в зависимости от β-перехода. Например, температура обработки на твердый раствор может находиться в диапазоне температур от β-перехода минус 10°С до β-перехода минус 100°C или от β-перехода минус 15°C до β-перехода минус 70°С. В неограничивающем варианте осуществления время обработки на твердый раствор составляет от примерно 30 минут до примерно 4 часов. Признано, что в некоторых неограничивающих вариантах осуществления время обработки на твердый раствор может быть менее 30 минут или дольше 4 часов и обычно зависит от размера и поперечного сечения титанового сплава. В определенных вариантах осуществления согласно настоящему раскрытию, титановый сплав подвергают закалке водой до температуры окружающей среды после завершения обработки на твердый раствор. В некоторых других вариантах осуществления согласно настоящему раскрытию титановый сплав охлаждают до температуры окружающей среды со скоростью, зависящей от толщины поперечного сечения титанового сплава.
[0039]
Обработанный на твердый раствор сплав затем состаривают путем нагревания сплава в течение некоторого периода времени до температуры старения, также называемой здесь «температурой упрочнения старением», которая находится в двухфазной области α+β, ниже температуры β-перехода титанового сплава и ниже температуры обработки титанового сплава на твердый раствор. Используемые здесь термины, такие как «нагретый до» или «нагревание до» и т. д., со ссылкой на температуру, температурный диапазон или минимальную температуру, означают, что сплав нагревают до тех пор, пока по меньшей мере требуемая часть сплава не будет иметь температуру, по меньшей мере равную указанной или минимальной температуре или находящуюся в пределах указанного диапазона температур на всем протяжении этой части. В неограничивающем варианте осуществления температура старения находится в диапазоне температур от примерно 482°С до примерно 593°С. В некоторых неограничивающих вариантах осуществления время старения может составлять от примерно 30 минут до примерно 16 часов. Признано, что в некоторых неограничивающих вариантах осуществления время старения может быть меньшим, чем 30 минут, или большим, чем 16 часов, и, как правило, зависит от размера и поперечного сечения разновидности продукта из титанового сплава. Общие методы, используемые при обработке на твердый раствор и старении (STA) титановых сплавов, известны специалистам в данной области техники и, следовательно, здесь далее не обсуждаются.
[0040]
Фигура 2 - это график, представляющий полезные сочетания предела прочности при растяжении (UTS) и пластичности, проявляемые вышеупомянутыми сплавами при обработке с использованием процесса STA. На фигуре 2 видно, что нижняя граница графика, включающая полезные сочетания UTS и пластичности, может быть аппроксимирована линией x+7,5y=260,5, где «x» - UTS в единицах ksi, а «y» - пластичность в % относительного удлинения. Данные, включенные в приведенный ниже пример 1, демонстрируют, что варианты осуществления титановых сплавов в соответствии с настоящим изобретением приводят к сочетаниям UTS и пластичности, которые превосходят сочетания, полученные с определенными сплавами уровня техники. Хотя признано, что на механические свойства титановых сплавов обычно влияет размер испытываемого образца, в неограничивающих вариантах осуществления согласно настоящему изобретению, титановый сплав обладает UTS по меньшей мере 170 ksi и пластичностью в соответствии со следующим уравнением (1):
(7,5 × Удлинение в %) + (UTS в ksi) ≥ 260,5 (1).
[0041]
В определенных неограничивающих вариантах осуществления предложенного титанового сплава, титановый сплав обладает UTS по меньшей мере 170 ksi и по меньшей мере 6% относительным удлинением при комнатной температуре. В других неограничивающих вариантах осуществления в соответствии с настоящим изобретением, титановый сплав имеет значение алюминиевого эквивалента от 6,0 до 9,0 или в некоторых вариантах осуществления в диапазоне от 7,0 до 8,0, значение молибденового эквивалента от 5,0 до 10,0 или в некоторых вариантах осуществления в диапазоне от 6,0 до 7,0 и обладает UTS по меньшей мере 170 ksi и по меньшей мере 6% относительным удлинением при комнатной температуре. В еще других неограничивающих вариантах осуществления титановый сплав в соответствии с настоящим изобретением имеет значение алюминиевого эквивалента от 6,0 до 9,0 или в некоторых вариантах осуществления в диапазоне от 7,0 до 8,0, значение молибденового эквивалента от 5,0 до 10,0 или в некоторых вариантах осуществления в диапазоне от 6,0 до 7,0 и обладает UTS по меньшей мере 180 ksi и по меньшей мере 6% относительным удлинением при комнатной температуре.
[0042]
Следующие примеры предназначены для дополнительного описания неограничивающих вариантов осуществления согласно настоящему раскрытию, не ограничивая объем настоящего изобретения. Специалистам в данной области техники будет понятно, что возможны вариации следующих примеров в пределах объема изобретения, который определяется исключительно формулой изобретения.
ПРИМЕР 1
[0043]
экв.
экв.
В таблице 1 перечислены элементные составы, Al и Mo некоторых неограничивающих вариантов осуществления титанового сплава в соответствии с настоящим изобретением («Экспериментальный титановый сплав № 1» и «Экспериментальный титановый сплав № 2»), а также варианты осуществления некоторых традиционных титановых сплавов.
Таблица 1
<b>Сплав</b>
<b>Al </b>(мас.%)
<b>V </b>(мас.%)
<b>Fe </b>(мас.%)
<b>Sn </b>(мас.%)
<b>Cr </b>(мас.%)
<b>Zr </b>(мас.%)
<b>Mo </b>(мас.%)
<b>O </b>(мас.%)
<b>C </b>(мас.%)
<b>N </b>(мас.%)
<b>Al-экв.</b>
<b>Mo-экв.</b>
<b>Ti 5553 </b><b>(UNS не присвоен)</b>
5
5
0,4
-
3
-
5
0,15
-
-
6,5
11,8
<b>Ti 10-2-3 (UNS 56410)</b>
3
10
2
-
-
-
-
0,2
-
-
5,0
9,0
<b>Экспериментальный титановый сплав № 1 </b>
3,5
9
0,2
5
<0,5
3
2,5
0,25
0,006
0,004
7,7
6,6
<b>Экспериментальный титановый сплав № 2</b>
3
11
0,2
7
<0,5
2
1,5
0,2
0,006
0,004
7,3
6,4
[0044]
Плавки представленных в таблице 1 экспериментального титанового сплава № 1 и экспериментального титанового сплава № 2 методом плазменно-дуговой плавки (ПДП) были произведены с использованием плазменно-дуговых печей с получением электродов диаметром 9 дюймов, каждый весом приблизительно 400-800 фунтов. Электроды были переплавлены в печи для вакуумно-дугового переплава (ВДП) с получением слитков диаметром 10 дюймов. Каждый слиток был преобразован в заготовку диаметром 3 дюйма (биллет) с использованием пресса горячей обработки. После стадии β-ковки до диаметра 7 дюймов, стадии α+β ковки с предварительной деформацией до диаметра 5 дюймов и стадии окончательной β-ковки до диаметра 3 дюйма концы каждой заготовки были обрезаны для удаления всасывающих и концевых трещин, и заготовки были разрезаны на несколько частей. Проводили отбор проб из верхней части каждой заготовки и нижней части самой нижней заготовки диаметром 7 дюймов на предмет химического состава и β-перехода. На основании результатов химического анализа промежуточных заготовок, из заготовок были вырезаны образцы длиной 2 дюйма, которые были выкованы в ковочные блины на прессе. Образцы блинов подвергали термообработке с использованием следующего профиля термообработки, соответствующего состоянию обработки на твердый раствор и старения: обработка титанового сплава на твердый раствор при температуре 1400°F (760°C) в течение 2 часов; воздушное охлаждение титанового сплава до температуры окружающей среды; старение титанового сплава при температуре от примерно 482°С до примерно 593°С в течение 8 часов; и воздушное охлаждение титанового сплава.
[0045]
Пробные заготовки для испытаний на растяжение при комнатной температуре и анализа микроструктуры были вырезаны из обработанных в процессе STA образцов блинов. Окончательный химический анализ был выполнен на предназначенном для испытания вязкости разрушения образце после проведения испытания на растяжение, чтобы гарантировать точную корреляцию между химическим составом и механическими свойствами. Изучение конечной заготовки диаметром 3 дюйма выявило постоянную поверхность для центрирования тонких альфа-пластинок в микроструктуре бета-матрицы по всей заготовке.
[0046]
Ссылаясь на фиг.2, механические свойства экспериментального титанового сплава № 1, приведенного в таблице 1 (обозначенного «B5N71» на фиг. 2), и экспериментального титанового сплава № 2, приведенного в таблице 1 (обозначенного «B5N72» на фиг. 2), измерили и сравнили с таковыми у обычных сплава Ti 5553 (UNS не присвоен) и сплава Ti 10-2-3 (с составом, указанным в UNS 56410). Испытания на растяжение проводили в соответствии со стандартом Американского общества по испытаниям материалов (ASTM) E8/E8M-09 («Стандартные методы испытаний металлических материалов на растяжение», ASTM International, 2009). Как показали экспериментальные результаты в таблице 2, экспериментальный титановый сплав № 1 и экспериментальный титановый сплав № 2 продемонстрировали значительно более высокие сочетания предела прочности при растяжении (UTS в ksi), предела текучести (0,2% YS в ksi) и пластичности (представленной в виде % относительного удлинения) по сравнению с обычными титановыми сплавами Ti 5553 и Ti 10-2-3 (которые не включали намеренной добавки олова и циркония).
Таблица 2
Сплав
Температура старения (°С)
UTS (ksi)
0,2% YS (ksi)
% удлинения
<b>Ti 5553</b>
565
180
170
4
<b>Ti 10-2-3</b>
500
182
172
6
<b>Экспериментальный титановый сплав № 1</b>
565
186
180
13
482
208
195
7
<b>Экспериментальный титановый сплав № 2</b>
593
178
167
11
482
226
215
6
[0047]
Потенциальные применения сплавов согласно настоящему изобретению многочисленны. Как описано и подтверждено выше, описанные здесь титановые сплавы преимущественно используются во множестве разнообразных областей применения, в которых важно сочетание высокой прочности и пластичности. Изделия производства, для которых титановые сплавы согласно настоящему изобретению будут особенно выгодными, включают изделия определенных аэрокосмических и авиационных применений, включая, например, элементы шасси, рамы двигателя и другие важные конструктивные элементы. Средние специалисты в данной области техники смогут изготовить вышеуказанные оборудование, детали и другие изделия из сплавов согласно настоящему изобретению без необходимости предоставления дополнительного описания в данном документе. Вышеприведенные примеры возможных применений сплавов согласно настоящему изобретению предлагаются только в качестве примера и не являются исчерпывающими для всех назначений, по которым могут быть применены разновидности изделий из предложенного сплава. Специалисты в данной области техники после прочтения настоящего раскрытия могут легко выявить дополнительные применения описанных здесь сплавов.
[0048]
Различные неисчерпывающие, неограничивающие аспекты новых сплавов согласно настоящему изобретению могут быть полезны по отдельности или в сочетании с одним или более другими аспектами, описанными здесь. Не ограничивая вышеприведенное описание, в первом неограничивающем аспекте настоящего изобретения титановый сплав содержит, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава: 2,0-5,0 алюминия; 3,0-8,0 олова; 1,0-5,0 циркония; от 0 до в сумме 16,0 одного или более элементов, выбранных из группы, состоящей из кислорода, ванадия, молибдена, ниобия, хрома, железа, меди, азота и углерода; титан; и примеси.
[0049]
В соответствии со вторым неограничивающим аспектом настоящего изобретения, который может использоваться в сочетании с первым аспектом, титановый сплав содержит, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава, от 6,0 до 12,0 одного или более элементов, выбранных из группы, состоящей из ванадия и ниобия.
[0050]
В соответствии с третьим неограничивающим аспектом настоящего изобретения, который может использоваться в сочетании с каждым или любым из вышеупомянутых аспектов, титановый сплав содержит, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава, от 0,1 до 5,0 молибдена.
[0051]
В соответствии с четвертым неограничивающим аспектом настоящего изобретения, который может использоваться в сочетании с каждым или любым из вышеупомянутых аспектов, титановый сплав имеет значение алюминиевого эквивалента от 6,0 до 9,0.
[0052]
В соответствии с пятым неограничивающим аспектом настоящего изобретения, который может использоваться в сочетании с каждым или любым из вышеупомянутых аспектов, титановый сплав имеет значение молибденового эквивалента от 5,0 до 10,0.
[0053]
В соответствии с шестым неограничивающим аспектом настоящего изобретения, который может использоваться в сочетании с каждым или любым из вышеупомянутых аспектов, титановый сплав имеет значение алюминиевого эквивалента от 6,0 до 9,0 и значение молибденового эквивалента 5,0 до 10,0.
[0054]
В соответствии с седьмым неограничивающим аспектом настоящего изобретения, который может использоваться в сочетании с каждым или любым из вышеупомянутых аспектов, титановый сплав содержит, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава: 6,0-12,0 или в некоторых вариантах 6,0-10,0 одного или более элементов, выбранных из группы, состоящей из ванадия и ниобия; 0,1-5,0 молибдена; 0,01-0,40 железа; 0,005-0,3 кислорода; 0,001-0,07 углерода; и 0,001-0,03 азота.
[0055]
В соответствии с восьмым неограничивающим аспектом настоящего изобретения, который может использоваться в сочетании с каждым или любым из вышеупомянутых аспектов, сумма содержаний алюминия, олова и циркония составляет, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава, от 8 до 15.
[0056]
В соответствии с девятым неограничивающим аспектом настоящего изобретения, который может использоваться в сочетании с каждым или любым из вышеупомянутых аспектов, отношение значения алюминиевого эквивалента к значению молибденового эквивалента составляет от 0,6 до 1,3.
[0057]
В соответствии с десятым неограничивающим аспектом настоящего изобретения, способ изготовления титанового сплава включает: обработку титанового сплава на твердый раствор при температуре от 760°С до 840°С в течение от 1 до 4 часов; воздушное охлаждение титанового сплава до температуры окружающей среды; старение титанового сплава при температуре от 482°С до 593°С в течение от 8 до 16 часов; и воздушное охлаждение титанового сплава, причем титановый сплав имеет состав, указанный в каждом или любом из вышеупомянутых аспектов.
[0058]
В соответствии с одиннадцатым неограничивающим аспектом настоящего изобретения, который может использоваться в сочетании с каждым или любым из вышеупомянутых аспектов, титановый сплав обладает пределом прочности при растяжении (UTS), составляющим по меньшей мере 170 ksi при комнатной температуре, и причем предел прочности при растяжении и относительное удлинение титанового сплава удовлетворяют уравнению: (7,5 × удлинение в %) + UTS ≥ 260,5.
[0059]
В соответствии с двенадцатым неограничивающим аспектом настоящего раскрытия, настоящее изобретение также предоставляет титановый сплав, содержащий, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава: 8,6-11,4 одного или более элементов, выбранных из группы, состоящей из ванадия и ниобия; 4,6-7,4 олова; 2,0-3,9 алюминия; 1,0-3,0 молибдена; 1,6-3,4 циркония, 0-0,5 хрома; 0-0,4 железа; 0-0,25 кислорода; 0-0,05 азота; 0-0,05 углерода; титан; и примеси.
[0060]
В соответствии с тринадцатым неограничивающим аспектом настоящего изобретения, который может использоваться в сочетании с каждым или любым из вышеупомянутых аспектов, титановый сплав содержит, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава, от 8,6 до 9,4 одного или более элементов, выбранных из группы, состоящей из ванадия и ниобия.
[0061]
В соответствии с четырнадцатым неограничивающим аспектом настоящего изобретения, который может использоваться в сочетании с каждым или любым из вышеупомянутых аспектов, титановый сплав содержит, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава, от 10,6 до 11,4 одного или более элементов, выбранных из группы, состоящей из ванадия и ниобия.
[0062]
В соответствии с пятнадцатым неограничивающим аспектом настоящего раскрытия, который может использоваться в сочетании с каждым или любым из вышеупомянутых аспектов, титановый сплав дополнительно содержит, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава, от 2,0 до 3,0 молибдена.
[0063]
В соответствии с шестнадцатым неограничивающим аспектом настоящего изобретения, который может использоваться в сочетании с каждым или любым из вышеупомянутых аспектов, титановый сплав содержит, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава, от 1,0 до 2,0 молибдена.
[0064]
В соответствии с семнадцатым неограничивающим аспектом настоящего изобретения, который может использоваться в сочетании с каждым или любым из вышеупомянутых аспектов, титановый сплав имеет значение алюминиевого эквивалента от 7,0 до 8,0.
[0065]
В соответствии с восемнадцатым неограничивающим аспектом настоящего изобретения, который может использоваться в сочетании с каждым или любым из вышеупомянутых аспектов, титановый сплав имеет значение молибденового эквивалента от 6,0 до 7,0.
[0066]
В соответствии с девятнадцатым неограничивающим аспектом настоящего изобретения, который может использоваться в сочетании с каждым или любым из вышеупомянутых аспектов, титановый сплав имеет значение алюминиевого эквивалента от 7,0 до 8,0 и значение молибденового эквивалента от 6,0 до 7,0.
[0067]
В соответствии с двадцатым неограничивающим аспектом настоящего изобретения, который может использоваться в сочетании с каждым или любым из вышеупомянутых аспектов, титановый сплав содержит, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава: 8,6-9,4 одного или более элементов, выбранных из группы, состоящей из ванадия и ниобия; 4,6-5,4 олова; 3,0-3,9 алюминия; 2,0-3,0 молибдена; и 2,6-3,4 циркония.
[0068]
В соответствии с двадцать первым неограничивающим аспектом настоящего изобретения, который может использоваться в сочетании с каждым или любым из вышеупомянутых аспектов, титановый сплав содержит, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава: 10,6-11,4 одного или более элементов, выбранных из группы, состоящей из ванадия и ниобия; 6,6-7,4 олова; 2,0-3,4 алюминия; 1,0-2,0 молибдена; и 1,6-2,4 циркония.
[0069]
В соответствии с двадцать вторым неограничивающим аспектом настоящего изобретения, способ изготовления титанового сплава включает: обработку титанового сплава на твердый раствор при температуре от 760°С до 840°С в течение от 2 до 4 часов; воздушное охлаждение титанового сплава до температуры окружающей среды; старение титанового сплава при температуре от 482°С до 593°С в течение от 8 до 16 часов; и воздушное охлаждение титанового сплава, причем титановый сплав имеет состав, указанный в каждом или любом из вышеупомянутых аспектов.
[0070]
В соответствии с двадцать третьим неограничивающим аспектом настоящего изобретения, который может использоваться в сочетании с каждым или любым из вышеупомянутых аспектов, титановый сплав обладает пределом прочности при растяжении (UTS), составляющим по меньшей мере 170 ksi при комнатной температуре, и причем предел прочности при растяжении и относительное удлинение титанового сплава удовлетворяют уравнению: (7,5 × удлинение в %) + UTS ≥ 260,5.
[0071]
В соответствии с двадцать четвертым неограничивающим аспектом настоящего изобретения, настоящее раскрытие также предоставляет титановый сплав, состоящий по существу из, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава: 2,0-5,0 алюминия; 3,0-8,0 олова; 1,0-5,0 циркония; от 0 до в сумме 16,0 одного или более элементов, выбранных из группы, состоящей из кислорода, ванадия, молибдена, ниобия, хрома, железа, меди, азота и углерода; титана; и примесей.
[0072]
В соответствии с двадцать пятым неограничивающим аспектом настоящего изобретения, который может использоваться в сочетании с каждым или любым из вышеупомянутых аспектов, сумма содержаний ванадия и ниобия в сплаве составляет, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава, от 6,0 до 12 или от 6,0 до 10,0.
[0073]
В соответствии с двадцать шестым неограничивающим аспектом настоящего изобретения, который может использоваться в сочетании с каждым или любым из вышеупомянутых аспектов, содержание молибдена в сплаве составляет, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава, от 0,1 до 5,0.
[0074]
В соответствии с двадцать седьмым неограничивающим аспектом настоящего изобретения, который может использоваться в сочетании с каждым или любым из вышеупомянутых аспектов, значение алюминиевого эквивалента титанового сплава составляет от 6,0 до 9,0.
[0075]
В соответствии с двадцать восьмым неограничивающим аспектом настоящего изобретения, который может использоваться в сочетании с каждым или любым из вышеупомянутых аспектов, значение молибденового эквивалента титанового сплава составляет от 5,0 до 10,0.
[0076]
В соответствии с двадцать девятым неограничивающим аспектом настоящего изобретения, который может использоваться в сочетании с каждым или любым из вышеупомянутых аспектов, значение алюминиевого эквивалента титанового сплава составляет от 6,0 до 9,0 и значение молибденового эквивалента титанового сплава составляет от 5,0 до 10,0.
[0077]
В соответствии с тридцатым неограничивающим аспектом настоящего изобретения, который может использоваться в сочетании с каждым или любым из вышеупомянутых аспектов, в титановом сплаве: сумма содержаний ванадия и ниобия составляет от 6,0 до 12,0 или от 6,0 до 10,0; содержание молибдена составляет от 0,1 до 5,0; содержание железа составляет от 0,01 до 0,30; содержание кислорода составляет от 0,005 до 0,3; содержание углерода составляет от 0,001 до 0,07; и содержание азота составляет от 0,001 до 0,03, все в массовых процентах в расчете на общую массу титанового сплава.
[0078]
В соответствии с тридцать первым неограничивающим аспектом настоящего изобретения, который может использоваться в сочетании с каждым или любым из вышеупомянутых аспектов, сумма содержаний алюминия, олова и циркония составляет, в массовых процентах в расчете на общую массу сплава, от 8 до 15.
[0079]
В соответствии с тридцать вторым неограничивающим аспектом настоящего изобретения, который может использоваться в сочетании с каждым или любым из вышеупомянутых аспектов, отношение значения алюминиевого эквивалента к значению молибденового эквивалента титанового сплава составляет от 0,6 до 1,3.
[0080]
В соответствии с тридцать третьим неограничивающим аспектом настоящего изобретения способ изготовления титанового сплава включает: обработку титанового сплава на твердый раствор при температуре от 760°С до 840°С в течение от 2 до 4 часов; воздушное охлаждение титанового сплава до температуры окружающей среды; старение титанового сплава при температуре от 482°С до 593°С в течение от 8 до 16 часов; и воздушное охлаждение титанового сплава, причем титановый сплав имеет состав, указанный в каждом или любом из вышеупомянутых аспектов.
[0081]
В соответствии с тридцать четвертым неограничивающим аспектом настоящего изобретения, который может использоваться в сочетании с каждым или любым из вышеупомянутых аспектов, титановый сплав обладает пределом прочности при растяжении (UTS), составляющим по меньшей мере 170 ksi при комнатной температуре, и причем предел прочности при растяжении и относительное удлинение титанового сплава удовлетворяют уравнению: (7,5 × удлинение в %) + UTS ≥ 260,5.
[0082]
В соответствии с тридцать пятым неограничивающим аспектом настоящего изобретения, способ изготовления титанового сплава включает: обработку титанового сплава на твердый раствор в диапазоне температур от бета-перехода сплава минус 10°С до бета-перехода минус 100°С в течение от 2 до 4 часов; воздушное охлаждение или вентиляторное воздушное охлаждение титанового сплава до температуры окружающей среды; старение титанового сплава при температуре от 482°С до 593°С в течение от 8 до 16 часов; и воздушное охлаждение титанового сплава, причем титановый сплав имеет состав, указанный в каждом или любом из вышеупомянутых аспектов.
[0083]
Следует понимать, что настоящее описание иллюстрирует те аспекты изобретения, которые имеют отношение к четкому пониманию изобретения. Определенные аспекты, которые были бы очевидными специалистам в данной области техники и которые поэтому не способствовали бы лучшему пониманию изобретения, не были представлены для упрощения настоящего описания. Хотя в данном документе обязательно описано только ограниченное число вариантов осуществления настоящего изобретения, специалист в данной области техники при рассмотрении предшествующего описания поймет, что могут быть использованы многие модификации и вариации изобретения. Предполагается, что все такие вариации и модификации изобретения охватываются предшествующим описанием и нижеследующей формулой изобретения.