АЛЬФА/БЕТА ТИТАНОВЫЙ СПЛАВ С ВЫСОКОЙ ПРОЧНОСТЬЮ И ПЛАСТИЧНОСТЬЮ
HIGH STRENGTH AND DUCTILITY ALPHA/BETA TITANIUM ALLOY

ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
[0001] Настоящая заявка является заявкой-продолжением заявки, претендующей на приоритет согласно разделу 35 Кодекса законов США § 120, по совместно рассматриваемой заявке на патент США серийный №12/903851, поданной 13 октября 2010 г., под названием «Крепления и запасные крепления из альфа/бета титанового сплава с высокой прочностью», которая является заявкой-продолжением заявки, претендующей на приоритет согласно разделу 35 Кодекса законов США § 120, по совместно рассматриваемой заявке на патент США серийный №12/888699, поданной 23 сентября 2010 г., под названием «Крепления и запасные крепления из альфа/бета титанового сплава с высокой прочностью». Полное раскрытие заявок серийные №№12/903851 и 12/888699 включено здесь в качестве ссылок.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0002] Настоящее изобретение относится к альфа/бета титановым сплавам с высокой прочностью и пластичностью.
ОПИСАНИЕ УРОВНЯ ТЕХНИКИ
[0003] Сплавы титана, как правило, обладающие высоким отношением предела прочности к массе, являются устойчивыми к коррозии и устойчивыми к ползучести при умеренно высоких температурах. По этой причине сплавы титана используются в аэрокосмической и авиационной технике, оборонной, морской и автомобильной отраслях, включая, например, элементы опоры шасси, рамы двигателей, пулестойкую броню, корпуса и механические крепления.
[0004] Уменьшение массы самолета или другого транспортного средства приводит к экономии топлива. Таким образом, например, это является мощным стимулом в аэрокосмической промышленности для уменьшения массы самолета. Титан и титановые сплавы являются привлекательными материалами для достижения снижения массы в авиационной отрасли, благодаря высокому отношению предела прочности к массе. Большинство деталей из титанового сплава, используемых в аэрокосмической отрасли, выполнены из сплава Ti-6AI-4V (ASTM Grade 5; UNS R56400; AMS 4928, AMS 4911), который является альфа/бета титановым сплавом.
[0005] Сплав Ti-6AI-4V является одним из наиболее широко известных конструкционных материалов на основе титана, на который, по оценкам, приходится более 50% всего рынка материалов на основе титана. Сплав Ti-6AI-4V используется во множестве отраслей, которые выигрывают от благоприятного сочетания в сплаве малой массы, коррозионной стойкости и высокой прочности при низких и умеренных температурах. Например, сплав Ti-6AI-4V используется для производства компонентов авиационных двигателей, конструкционных деталей самолетов, креплений, высокопроизводительных автомобильных компонентов, компонентов медицинского оборудования, спортивного оборудования, компонентов для применения на море и компонентов для химического технологического оборудования.
[0006] Холоднокатаный прокат из сплава Ti-6AI-4V, главным образом, используется в состоянии термической обработки для улучшения пластичности или в состоянии после обработки на твердый раствор и старения (STA). Использованные здесь термин «состояние термической обработки для улучшения пластичности» относится к состоянию титанового сплава после термической обработки «отжиг проката», при которой заготовка отжигается при повышенной температуре (например, 1200-1500°F / 649-816°С) в течение примерно 1-8 часов и охлаждается на спокойном воздухе. Термическая обработка для улучшения пластичности выполняется после термической обработки заготовки в области α+β фазы. Круглый прокат сплава Ti-6AI-4V, имеющий диаметр от 2 до 4 дюймов (от 5,08 до 10,16 см) в состоянии «термической обработки для улучшения пластичности» имеет минимальный заданный предел прочности при растяжении около 130 тыс.фунт. на кв.дюйм (896 МПа) и минимальный заданный предел текучести около 120 тыс.фунт. на кв.дюйм (827 МПа), при комнатной температуре. Плиты в состоянии после термической обработки для улучшения пластичности Ti-6AI-4V часто производят по техническим условиям AMS 4911, тогда как пруток в состоянии термической обработки для улучшения пластичности Ti-6AI-4V часто производят по техническим условиям AMS 4928.
[0007] Патент США №5980655 («патент ‘655»), который здесь включен в качестве ссылки во всей своей полноте, раскрывает альфа/бета титановый сплав, который включает в весовых процентах от 2,90 до 5,00 алюминия, от 2,00 до 3,00 ванадия, от 0,40 до 2,00 железа, от 0,20 до 0,30 кислорода, случайные примеси и титан.
Альфа/бета титановые сплавы, раскрытые в патенте ‘655, здесь упоминаются как «сплавы ‘655». Состав промышленного сплава в пределах сплава ‘655 номинально включает, в весовых процентах от общего веса сплава, 4,00 алюминия, 2,50 ванадия, 1,50 железа, 0,25 кислорода, случайные примеси и титан, и может упоминаться здесь как сплав Ti-4AI-2,5V-1,5Fe-0,250.
2
[0008] Вследствие трудности холодной обработки сплава Ti-6AI-4V, сплав, как правило, обрабатывается (например, подвергается ковке, прокатке, вытяжке, и пр.) при повышенных температурах, главным образом, выше температуры растворения α. Сплав Ti-6AI-4V не может эффективно подвергаться холодной обработке для увеличения прочности, вследствие, например, высокой степени трещинообразования (т.е., разрушения заготовки) в процессе холодной деформации. Однако, как описано в заявке на изобретение США №2004/0221929, которая здесь включена в качестве ссылки в полном объеме, удивительно и неожиданно открыто, что сплавы ‘655 имеют достаточную степень деформируемости/технологичности в холодном состоянии.
[0009] К удивлению, сплавы ‘655 могут подвергаться холодной обработке для достижения высокой прочности наряду с сохранением технологичного уровня пластичности. Технологичный уровень пластичности здесь определяет состояние, при котором сплав имеет относительное удлинение больше чем 6%. Кроме того, прочность сплавов ‘655 сравнима с той, которая может быть достигнута для сплава Ti-6AI-4V. Например, как показано в Таблице 6 патента ‘655, прочность на растяжение для сплава Ti-6AI-4V составляет 145,3 тыс.фунт. на кв.дюйм (1002 МПа), тогда как испытанные образцы сплава ‘655 имели прочность на растяжение в диапазоне 138,7-142,7 тыс.фунт. на кв.дюйм (956,3-983,9 МПа).
[0010] Требования к аэрокосмическим материалам 6946 В (AMS 6946 В) обуславливают более ограниченный диапазон химического состава, чем описано в формуле патента ‘655. Сплавы, обусловленные в AMS 6946B, сохраняют способность к деформации для более широкого диапазона пределов химического состава по патенту ‘655, но свойство механической прочности - на минимуме, допустимом условиями AMS 6946B, ниже, чем обусловленное для промышленного сплава Ti-6AI-4V. Например, согласно AMS-4911L, минимальная прочность при растяжении для плиты толщиной 0,125 дюйма (3,175 мм) сплава Ti-6AI-4V составляет 134 тыс.фунт. на кв.дюйм (923,9 МПа), и минимальный предел текучести составляет 126 тыс.фунт. на кв.дюйм (868,7 МПа). Для сравнения, согласно AMS 6946B, минимальная прочность при растяжении для плиты толщиной 0,125 дюйма (3,175 мм) сплава Ti-4AI-2,5V-1,5Fe-0,250 составляет 130 тыс.фунт. на кв.дюйм (896,3 МПа), и минимальный предел текучести составляет 115 тыс.фунт. на кв.дюйм (792,9 МПа).
[0011] Учитывая сохраняющуюся необходимость снижения потребления топлива за счет снижения массы самолетов и других транспортных средств, существует необходимость улучшения пластичного альфа/бета титанового сплава, который предпочтительно имеет механические свойства, сопоставимые или превосходящие те, что присущи альфа/бета титановому сплаву Ti-6AI-4V.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0012] Согласно аспекту настоящего изобретения альфа/бета титановый сплав включает, в процентах от общего веса сплава: от 3,9 до 4,5 алюминия; от 2,2 до 3,0 ванадия; от 1,2 до 1,8 железа; от 0,24 до 0,30 кислорода; до 0,08 углерода; до 0,05 азота; до 0,015 водорода; титан; и в общей сложности до 0,30 других элементов.
[0013] В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения альфа/бета титановый сплав включает, главным образом, в весовых процентах: от 3,9 до 4,5 алюминия; от 2,2 до 3,0 ванадия; от 1,2 до 1,8 железа; от 0,24 до 0,30 кислорода; до 0,08 углерода; до 0,05 азота; до 0,015 водорода; титан; и в общей сложности до 0,30 других элементов.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0014] Характеристики и преимущества сплава и связанных способов, раскрываемых здесь, будут лучше понятны благодаря ссылкам на прилагаемые чертежи, в которых:
[0015] Фиг. 1 - график предела прочности при растяжении и предела текучести в зависимости от алюминиевого эквивалента для прутка и проволоки, включающий не имеющие ограничительного характера варианты сплавов в соответствии с настоящим изобретением;
[0016] Фиг. 2 - график предела прочности при растяжении и предела текучести в зависимости от алюминиевого эквивалента для проволоки диаметром 0,5 дюйма (1,27 см), включающий не имеющие ограничительного характера варианты сплавов в соответствии с настоящим изобретением; и
[0017] Фиг. 3 - график предела прочности при растяжении, предела текучести и относительного удлинения в зависимости от алюминиевого эквивалента для плиты толщиной 1 дюйм (2,54 см), включающий не имеющие ограничительного характера варианты сплавов в соответствии с настоящим изобретением.
[0018] Читатель по достоинству оценит описанные детали, а также другие, после рассмотрения последующего подробного описания некоторых вариантов сплавов и связанных способов, не имеющих ограничительного характера, в соответствии с настоящим изобретением.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ НЕКОТОРЫХ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ, НЕ ИМЕЮЩИХ ОГРАНИЧИТЕЛЬНОГО ХАРАКТЕРА
(0019] В настоящем описании, не имеющем ограничительного характера, иные, чем в функционирующих примерах, или, если не указано иное, все числа, выражающие количества или характеристики, следует понимать как корректируемые во всех примерах термином «около». Соответственно, если не указано иное, любые числовые параметры, изложенные в последующем описании, являются приблизительными и могут изменяться в зависимости от желаемых свойств, которые стремятся получить в этих материалах и по способам в соответствии с настоящим изобретением. Как минимум, а не как попытка ограничить применение доктрины эквивалентов к объему формулы изобретения, каждый числовой параметр должен, по меньшей мере, толковаться в свете количества указанных значащих цифр, с применением обычных методов округления.
[0020] Любые патенты, публикации или другие материалы, раскрывающие информацию, которые считаются включенными в полном объеме или частично, в качестве ссылок, включены здесь лишь в степени, до которой включенная информация не противоречит существующим определениям, заявлениям или другим материалам, изложенным в данном описании. Таким образом, и до необходимой степени, раскрытие информации, изложенной в настоящем документе, заменяет собой любые противоречащие материалы, включенные здесь в качестве ссылки. Любой материал, или его часть, включенный здесь в качестве ссылки, но противоречащий существующим определениям, заявлениям или другим материалам, раскрывающим информацию, изложенную в настоящем документе, включен только до степени, в которой не возникают противоречия между включенным материалом и существующим материалом изобретения.
[0021] Не имеющие ограничительного характера альфа/бета титановые сплавы, в соответствии с настоящим изобретением, содержат, состоят, или, главным образом, состоят из (в весовых процентах): от 3,9 до 4,5 алюминия; от 2,2 до 3,0 ванадия; от 1,2 до 1,8 железа; от 0,24 до 0,30 кислорода; до 0,08 углерода; до 0,05 азота; до 0,015 водорода; титан; и в общей сложности до 0,30 других элементов. В некоторых, не имеющих ограничительного характера вариантах согласно настоящему изобретению, другие элементы, которые могут присутствовать в альфа/бета титановом сплаве (как часть среди других элементов, составляющих до 0,30 весовых процентов), включают один или несколько элементов из бора, олова, циркония, молибдена, хрома, никеля, кремния, меди, ниобия, тантала, марганца, иттрия и кобальта, и в некоторых, не имеющих ограничительного характера вариантах, уровень весового содержания каждого другого присутствующего элемента составляет 0,10 или меньше, но с двумя исключениями. Исключениями являются бор и иттрий, которые, присутствуя среди других элементов, представлены в отдельной концентрации - менее чем 0,005 весовых процента.
I. Состав сплава
[0022] Не имеющие ограничительного характера варианты сплавов в соответствии с настоящим изобретением включают титан, алюминий, ванадий, железо и кислород. Если в составе заявлены только легирующие элементы, обсуждаемые ниже, должно быть понятно, что остальное включает титан и случайные примеси.
А. Алюминий
[0023] Алюминий является элементом, упрочняющим альфа фазу в титановых сплавах. Диапазон содержания алюминия в не имеющих ограничительного характера альфа/бета титановых сплавах, в соответствии с настоящим изобретением, уже, чем диапазон содержания алюминия, раскрытый в патенте ‘655. Кроме того, минимальный уровень алюминия в соответствии с некоторыми, не имеющими ограничительного характера, сплавами, в соответствии с настоящим изобретением, больше, чем минимальный уровень, установленный в AMS 6946В. Было отмечено, что особенности состава позволяют сплаву более последовательно демонстрировать механические свойства, сопоставимые со сплавом Ti-6AI-4V. Минимальное содержание алюминия в альфа/бета титановых сплавах в соответствии с настоящим изобретением составляет 3,9 весовых процента. Максимальное содержание алюминия в альфа/бета титановых сплавах в соответствии с настоящим изобретением составляет 4,5 весовых процента.
В. Ванадий
[0024] Ванадий является элементом, стабилизирующим бета фазу в титановых сплавах. Минимальное содержание ванадия в альфа/бета титановых сплавах, в соответствии с настоящим изобретением, больше, чем минимальное содержание, раскрытое в патенте ‘655, и установленное в AMS 6946В. Было отмечено, что такие особенности состава обеспечивают оптимальное, контролируемое соотношение объемных долей альфа и бета фаз. Соотношение альфа и бета фаз создает сплав, в соответствии с настоящим изобретением, с замечательной пластичностью и способностью к деформации. Ванадий присутствует в альфа/бета титановых сплавах, в соответствии с настоящим изобретением, в минимальной концентрации 2,2 весовых процента. Максимальное содержание ванадия в альфа/бета титановых сплавах в соответствии с настоящим изобретением составляет 3,0 весовых процента.
С. Железо
[0025] Железо является элементом, стабилизирующим эвтектоидную бета фазу в титановых сплавах. Альфа/бета титановые сплавы в соответствии с настоящим изобретением включают большее минимальное содержание и более узкий диапазон содержания железа по сравнению со сплавом, раскрытым в патенте ‘655. Было отмечено, что данное свойство обеспечивает оптимальное, контролируемое соотношение объемных долей альфа и бета фаз. Соотношение создает сплавы, в соответствии с настоящим изобретением, с замечательной пластичностью и способностью к деформации. Железо присутствует в альфа/бета титановых сплавах, в соответствии с настоящим изобретением, в минимальной концентрации 1,2 весовых процента. Максимальное содержание железа в альфа/бета титановых сплавах, в соответствии с настоящим изобретением, составляет 1,8 весовых процента.
D. Кислород
[0026] Кислород является элементом, упрочняющим альфа фазу в титановых сплавах. Диапазон содержания кислорода в альфа/бета титановых сплавах, в соответствии с настоящим изобретением, меньше, чем диапазон, раскрытый в патенте ‘655, и установленный в AMS 6946B. Кроме того, минимальное содержание кислорода в не имеющих ограничительного характера вариантах сплавов, в соответствии с настоящим изобретением, больше, чем в патенте ‘655 и в технических условиях AMS 6946В. Было отмечено, что такие особенности состава позволяют сплаву, в соответствии с настоящим изобретением, последовательно демонстрировать механические свойства, сопоставимые с механическими свойствами сплава Ti-6AI-4V. Минимальное содержание кислорода в альфа/бета титановых сплавах в соответствии с настоящим изобретением составляет 0,24 весовых процента. Максимальное содержание кислорода в альфа/бета титановых сплавах в соответствии с настоящим изобретением составляет 0,30 весовых процента.
[0027] Дополнительно к включению титана, алюминия, ванадия, железа и кислорода, как обсуждалось ранее, некоторые, не имеющие ограничительного характера варианты альфа/бета титановых сплавов, в соответствии с настоящим изобретением, включают другие элементы в общей концентрации, не превышающей 0,30 весовых процента. В некоторых, не имеющих ограничительного характера вариантах, эти другие элементы включают в себя один или несколько элементов из ряда: бор, олово, цирконий, молибден, хром, никель, кремний, медь, ниобий, тантал, марганец, иттрий и кобальт, среди которых, за исключением двух, весовой процент каждого такого элемента составляет 0,10 или меньше. Исключениями являются бор и иттрий. В случае присутствия в сплавах, в соответствии с настоящим изобретением, весовой процент каждого из элементов, бора и иттрия, меньше чем 0,005.
[0028] В соответствии с настоящим изобретением в альфа/бета титановых сплавах могут, кроме того, присутствовать случайные примеси. Например, углерод может присутствовать в количестве до 0,008 весовых процентов. Азот может присутствовать в количестве до 0,05 весовых процентов. Водород может присутствовать в количестве до 0,015 весовых процентов. Другие возможные случайные примеси могут быть очевидны для специалистов в области металлургии.
[0029] В таблице 1 представлены сведения о составе (i) определенных, не имеющих ограничительного характера, вариантах альфа/бета титановых сплавов в соответствии с настоящим изобретением и (ii) определенных сплавах, раскрытых в патенте ‘655 и обусловленных в AMS 6946В.
Таблица 1
Составы сплавов
Легирующий элемент
Весовой процент
Не имеющие ограничительного характера варианты в соответствии с настоящим изобретением
Патент США 5980655
AMS 6946B
Алюминий
от 3,9 до 4,5
от 2,5 до 5,4
от 3,5 до 4,5
Ванадий
от 2,2 до 3,0
от 2,0 до 3,4
от 2,0 до 3,0
Железо
от 1,2 до 1,8
от 0,2 до 2,0
от 1,2 до 1,8
Кислород
от 0,24 до 0,30
от 0,2 до 0,3
от 0,20 до 0,30
Углерод
0,08 макс.
0,1 макс.
0,08 макс.
Азот
0,05 макс.
0,1 макс.
0,03 макс.
Водород
0,015 макс.
не указывается
0,015 макс.
другие элементы
0,10 макс. каждый, 0,30 макс. в сумме
0,10 макс. каждый, в общей сложности не указывается
0,10 макс. каждый, 0,30 макс. в общей сложности
[0030] Авторы настоящего изобретения неожиданно обнаружили, что создание настоящего сплава с минимальными уровнями алюминия, кислорода и железа, большими, чем минимальные уровни, заданные в патенте ‘655, обеспечивает альфа/бета титановый сплав, который последовательно демонстрирует механические свойства, например, такие как прочность, по меньшей мере, сравнимые с определенными механическими свойствами сплава Ti-6AI-4V в состоянии после термической обработки для улучшения пластичности. Кроме того, авторы неожиданно обнаружили, что увеличение минимальных уровней и сужение диапазонов содержания железа и ванадия относительно минимальных уровней и диапазонов, раскрытых в патенте ‘655, создает сплавы, которые имеют оптимальное и контролируемое соотношение объемных долей альфа и бета фаз в состоянии термической обработки для улучшения пластичности. Такое оптимальное соотношение фаз в альфа/бета титановых сплавах в соответствии с настоящим изобретением создает варианты сплавов с улучшенной пластичностью по сравнению со сплавами Ti-6AI-4V, наряду с сохранением пластичности сплавов, раскрытых в патенте ‘655, и обусловленных в AMS 6946В.
[0031] Специалисту понятно, что прочность и пластичность металлических материалов, главным образом, имеет обратную зависимость. Иначе говоря, если прочность металлического материала увеличивается, его пластичность уменьшается. Сочетание увеличенной механической прочности и сохраненной пластичности в альфа/бета титановых сплавах в соответствии с настоящим изобретением было неожиданным, поскольку обратная зависимость между прочностью и пластичностью, как правило, наблюдается для титановых сплавов после термической обработки для улучшения пластичности. Неожиданное и удивительное сочетание увеличенной механической прочности и сохраненной пластичности является особенно выгодной характеристикой вариантов сплавов в соответствии с настоящим изобретением. С удивлением было отмечено, что варианты сплавов после термообработки для улучшения пластичности в соответствии с настоящим изобретением имеют прочность, сравнимую со сплавами Ti-6AI-4V, при этом не уменьшая пластичности.
eq
eq
eq
(wt.%)
(wt.%)
[0032] Отмечалось, что некоторые, не имеющие ограничительного характера, варианты альфа/бета сплавов, в соответствии с настоящим изобретением, имеющие величину алюминиевого эквивалента (Al) по меньшей мере на уровне 6,3 или больше, предпочтительно, по меньшей мере 6,4, имели прочность, по меньшей мере, сравнимую с прочностью сплавов Ti-6AI-4V. Кроме того, наблюдалось, что такие сплавы имели пластичность, превосходящую пластичность сплавов Ti-6AI-4V, которые обычно имеют величину алюминиевого эквивалента около 7,5. Использованный здесь термин «величина алюминиевого эквивалента» или «алюминиевый эквивалент» (Al) означает: величина, равная содержанию алюминия в весовых процентах в сплаве, плюс десятикратное содержание кислорода в весовых процентах в сплаве. Иначе говоря, алюминиевый эквивалент сплава можно определить как: Al=Al+10(O).
[0033] В то время как признано, что механические свойства титановых сплавов, большей частью, зависят от размера испытываемого образца, в не имеющих ограничительного характера вариантах, в соответствии с настоящим изобретением, альфа/бета титановый сплав включает алюминиевый эквивалент по меньшей мере на уровне 6,4 или в некоторых вариантах - в диапазоне от 6,4 до 7,2, и предел текучести по меньшей мере 120 тыс.фунт на кв.дюйм (827,4 МПа) или в определенном варианте - по меньшей мере 130 тыс.фунт на кв.дюйм (896,3 МПа).
[0034] В других, не имеющих ограничительного характера вариантах, в соответствии с настоящим изобретением, альфа/бета титановый сплав включает величину алюминиевого эквивалента на уровне по меньшей мере 6,4 или в некоторых вариантах - в диапазоне от 6,4 до 7,2, и предел текучести в диапазоне от 120 тыс.фунт на кв.дюйм (827,4 МПа) до 155 тыс.фунт на кв.дюйм (1069 МПа).
[0035] В других, не имеющих ограничительного характера вариантах, в соответствии с настоящим изобретением, альфа/бета титановый сплав включает величину алюминиевого эквивалента на уровне по меньшей мере 6,4 или в некоторых вариантах - в диапазоне от 6,4 до 7,2, и предел прочности при растяжении по меньшей мере 130 тыс.фунт на кв.дюйм (896,3 МПа), или в некоторых вариантах по меньшей мере 140 тыс.фунт на кв.дюйм (965,3 МПа).
[0036] В дополнительных, не имеющих ограничительного характера вариантах, в соответствии с настоящим изобретением, альфа/бета титановый сплав включает величину алюминиевого эквивалента на уровне по меньшей мере 6,4, или в некоторых вариантах - в диапазоне от 6,4 до 7,2, и предел прочности при растяжении в диапазоне от 130 тыс.фунт на кв.дюйм (896,3 МПа) до 165 тыс.фунт на кв. дюйм (1138 МПа).
[0037] В других, не имеющих ограничительного характера вариантах, в соответствии с настоящим изобретением, альфа/бета титановый сплав включает величину алюминиевого эквивалента на уровне по меньшей мере 6,4, или в некоторых вариантах - в диапазоне от 6,4 до 7,2, и пластичность по меньшей мере 12% или по меньшей мере 16% (относительное удлинение).
[0038] В других, не имеющих ограничительного характера вариантах, в соответствии с настоящим изобретением, альфа/бета титановый сплав включает величину алюминиевого эквивалента на уровне по меньшей мере 6,4, или в некоторых вариантах - в диапазоне от 6,4 до 7,2, и пластичность в диапазоне от 12% до 30% (относительное удлинение или «% удл»).
eq
eq
eq
[0039] Тогда как в соответствии с некоторыми, не имеющими ограничительного характера, вариантами в соответствии с настоящим изобретением, 6,3 представляет собой абсолютную минимальную величину для Al, изобретатели определили, что для достижения такой же прочности, которую имеет сплав T1-6AI-4V, требуется величина Al по меньшей мере на уровне 6,4. Кроме того, очевидно, что в других, не имеющих ограничительного характера вариантах альфа/бета титанового сплава, в соответствии с настоящим изобретением, максимальная величина для Al составляет 7,5, и что здесь применяется отношение прочности к пластичности в соответствии с другими, не имеющими ограничительного характера раскрытыми здесь вариантами.
[0040] В соответствии с не имеющим ограничительного характера вариантом, альфа/бета титановый сплав, в соответствии с настоящим изобретением, включает величину алюминиевого эквивалента на уровне по меньшей мере 6,4, предел текучести по меньшей мере 120 тыс.фунт на кв.дюйм (827,4 МПа), предел прочности при растяжении по меньшей мере 130 тыс.фунт на кв.дюйм (896,3 МПа), и пластичность по меньшей мере 12% (относительное удлинение).
[0041] В соответствии с другим, не имеющим ограничительного характера вариантом, альфа/бета титановый сплав, в соответствии с настоящим изобретением, включает величину алюминиевого эквивалента на уровне по меньшей мере 6,4, предел текучести по меньшей мере 130 тыс.фунт на кв.дюйм (896,3 МПа), предел прочности при растяжении по меньшей мере 140 тыс.фунт на кв.дюйм (965,3 МПа), и пластичность по меньшей мере 12%.
[0042] В еще одном, не имеющем ограничительного характера варианте, альфа/бета титановый сплав, в соответствии с настоящим изобретением, включает величину алюминиевого эквивалента в диапазоне от 6,4 до 7,2, предел текучести в диапазоне от 120 тыс.фунт на кв.дюйм (827,4 МПа) до 155 тыс.фунт на кв.дюйм (1069 МПа), предел прочности при растяжении в диапазоне от 130 тыс.фунт на кв.дюйм (896,3 МПа) до 165 тыс.фунт на кв.дюйм (1138 МПа), и пластичность в диапазоне от 12% до 30% (относительное удлинение).
[0043] В одном, не имеющем ограничительного характера варианте, альфа/бета титановый сплав, в соответствии с настоящим изобретением, имеет средний предел прочности при растяжении (UTS), удовлетворяющий уравнению:
eq
UTS≥14,767(Al)+48,001.
[0044] В другом, не имеющем ограничительного характера варианте, альфа/бета титановый сплав, в соответствии с настоящим изобретением, имеет средний предел текучести (YS), удовлетворяющий уравнению:
eq
YS≥13,338(Al)+46,864.
[0045] В еще одном, не имеющем ограничительного характера варианте, альфа/бета титановый сплав, в соответствии с настоящим изобретением, имеет среднюю пластичность на уровне:
eq
%el≥3,3669(Al)-1,9417.
[0046] В еще одном, не имеющем ограничительного характера варианте, альфа/бета титановый сплав, в соответствии с настоящим изобретением, имеет средний предел прочности при растяжении (UTS), удовлетворяющий уравнению:
eq
UTS≥14,767(Al)+48,001;
средний предел текучести (YS), удовлетворяющий уравнению:
eq
YS>13,338(Al)+46,864;
и среднюю пластичность, удовлетворяющую уравнению;
eq
%е1>3,3669(Al)-1,9417.
[0047] В одном, не имеющем ограничительного характера варианте, альфа/бета титановый сплав, в соответствии с настоящим изобретением, имеет средний предел прочности при растяжении (UTS), удовлетворяющий уравнению:
eq
UTS≥12,414(Al)+64,429.
[0048] В другом, не имеющем ограничительного характера варианте, альфа/бета титановый сплав, в соответствии с настоящим изобретением, имеет средний предел текучести (YS), удовлетворяющий уравнению:
eq
YS≥13,585(Al)+44,904.
[0049] В еще одном, не имеющем ограничительного характера варианте, альфа/бета титановый сплав, в соответствии с настоящим изобретением, имеет среднюю пластичность на уровне:
eq
%el≥4,1993(Al)-7,4409.
[0050] В еще одном, не имеющем ограничительного характера варианте, альфа/бета титановый сплав, в соответствии с настоящим изобретением, имеет средний предел прочности при растяжении (UTS), удовлетворяющий уравнению:
eq
UTS≥12,414(Al)+64,429;
средний предел текучести (YS), удовлетворяющий уравнению:
eq
YS≥13,585(Al)+44,904;
и среднюю пластичность, удовлетворяющую уравнению:
eq
%el≥4,1993(Al)-7,4409.
[0051] В одном, не имеющем ограничительного характера варианте, альфа/бета титановый сплав, в соответствии с настоящим изобретением, имеет средний предел прочности при растяжении (UTS), удовлетворяющий уравнению:
eq
UTS≥10,087(Al)+76,785.
[0052] В другом, не имеющем ограничительного характера варианте, альфа/бета титановый сплав, в соответствии с настоящим изобретением, имеет средний предел текучести (YS), удовлетворяющий уравнению:
eq
YS≥13,911(Al)+39,435.
[0053] В еще одном, не имеющем ограничительного характера варианте, альфа/бета титановый сплав, в соответствии с настоящим изобретением, имеет среднюю пластичность на уровне:
eq
%el≥1,1979(Al)+8,5604.
[0054] В еще одном, не имеющем ограничительного характера варианте, альфа/бета титановый сплав, в соответствии с настоящим изобретением, имеет средний предел прочности при растяжении (UTS), удовлетворяющий уравнению:
eq
UTS≥10,087(Al)+76,785;
средний предел текучести (YS), удовлетворяющий уравнению:
eq
YS≥13,911(Al)+39,435;
и среднюю пластичность, выраженную относительным удлинением (%el), удовлетворяющую уравнению:
eq
%el≥1,1979(Al)+8,5 604.
[0055] Было определено, что не имеющие ограничительного характера варианты альфа/бета титановых сплавов, в соответствии с настоящим изобретением, демонстрируют сравнимую или повышенную механическую прочность, повышенную пластичность и улучшенную способность к деформации по сравнению со сплавом Ti-6AI-4V. Поэтому существует возможность использования изделий, изготовленных из сплавов, в соответствии с настоящим изобретением, в качестве замены изделий из сплава Ti-6AI-4V в аэрокосмической, авиационной промышленности, для морского применения, в автомобильной и других видах промышленности. Высокая прочность и пластичность вариантов сплава, в соответствии с настоящим изобретением, позволяет изготавливать определенные виды проката и конечных изделий с жесткими допусками, которые в настоящее время не могут изготавливаться из сплава TI-6AI-4V.
[0056] Аспект настоящего изобретения направлен на изделия, произведенные и/или выполненные из сплава в соответствии с настоящим изобретением. Некоторые, не имеющие ограничительного характера, изделия могут быть выбраны из компонентов авиационного двигателя, компонентов конструкций самолета, компонентов автомобиля, компонентов медицинского оборудования, компонентов спортивного оборудования, компонентов, применяемых на море, и компонентов химического технологического оборудования. Другие изделия могут состоять и/или выполняться из вариантов альфа/бета титановых сплавов, в соответствии с настоящим изобретением, которые известны в настоящее время или в будущем специалисту, в объеме раскрытых здесь вариантов. Изделия, состоящие и/или выполненные из сплавов в соответствии с настоящим изобретением, посредством формообразования и других технологий производства, известных специалистам в данной области в настоящее время или в будущем.
[0057] Следующие примеры предназначены для дополнительного описания некоторых, не имеющих ограничительного характера вариантов, без ограничения объема настоящего изобретения. Специалистам в данной области понятно, что возможны изменения следующих примеров, а также других вариантов, не описанных здесь, в объеме изобретения, который определяется исключительно формулой изобретения.
ПРИМЕР 1
[0058] Слитки альфа/бета титанового сплава, имеющего состав в соответствии с настоящим изобретением, отливались, используя традиционную вакуумно-дуговую плавку (VAR), плазменную дуговую плавку (РАМ), или электронно-лучевую плавку с холодным подом (ЕВ) для первичного переплава, и переплав, используя VAR. Состав слитков находился в диапазоне, приведенном в столбце «Не имеющие ограничительного характера варианты в соответствии с настоящим изобретением», включенном в приведенную ранее Таблицу 1.
eq
[0059] Состав слитков, произведенных в данном Примере 1, имели величины алюминиевого эквивалента, колеблющиеся в диапазоне от примерно 6,0 до примерно 7,1. Слитки обрабатывались, используя различные виды технологии горячей прокатки, в горячекатаные прутки и проволоку, имеющие диаметр от 0,25 дюйм (0,635 см) до 3,25 дюйм (8,255 см). Горячая прокатка выполнялась при начальных температурах между 1550°F (843,3°С) и 1650°F (898,9°C). Этот температурный диапазон находится ниже температуры альфа/бета перехода сплавов из этого примера, которая составляет примерно от 1750°F до 1850°F (примерно от 954,4°С до 1010°С), в зависимости от реального химического состава. После горячей прокатки горячекатаные прутки и проволока отжигались при 1275°F (690,6°C) в течение одного часа, с последующим охлаждением на воздухе. Диаметр, содержание алюминия, содержание железа, содержание кислорода и расчетный Al каждого образца прутка и проволоки, произведенного в Примере 1, представлены в Таблице 2.
Таблица 2
Образец №
Диаметр (дюйм)
Al (вес.%)
Fe (вес.%)
O (вес.%)
Al<sub>eq</sub> (Al%+10⋅O%)
1
3,25
4,07
1,56
0,25
6,53
2
3.25
4,10
1,77
0,19
5,96
3
3,25
4,27
1,90
0,19
6,13
4
2
4,05
1,54
0,25
6,57
5
2
4,05
1,55
0,25
6,58
6
2
4,26
1,88
0,21
6,38
7
1
4,35
1,44
0,24
6,74
8
1
4,36
1,28
0,27
7,08
9
0,5
4,38
1,24
0,28
7,15
10
0,5
4,33
1,42
0,25
6,81
11
0,5
4,14
1,47
0,24
6,51
12
0,344
4,37
1,50
0,26
6,95
13
0,25
3,93
1,58
0,23
6,27
14
0,25
4,12
1,56
0,25
6,65
15
0,25
4,40
1,35
0,27
7,10
16
0,25
3,95
1,53
0,24
6,30
17
0,25
4,33
1,35
0,27
7,06
eq
[0060] На ФИГ. 1 графически изображены (при комнатной температуре) пределы прочности при растяжении (UTS), пределы текучести (YS), и относительное удлинение (% el) для образцов прутка и проволоки, приведенных в Таблице 2, в зависимости от величины алюминиевого эквивалента сплава в образце. ФИГ. 1, кроме того, включает линии тенденции через точки данных UTS, YS, и % el, определенные методом линейного регрессионного анализа. Видно, что средняя прочность и среднее относительное удлинение увеличивается при возрастании Al. Это взаимоотношение является удивительным и неожиданным, поскольку противоречит обычно наблюдаемому взаимоотношению, когда увеличение прочности сопровождается уменьшением пластичности.
eq
eq
eq
eq
eq
eq
[0061] Обычные минимумы сплава Ti-6AI-4V для UTS и YS составляют 135 тыс.фунт на кв.дюйм (930,8 МПа) и 125 тыс.фунт на кв.дюйм (861,8 МПа), соответственно. YS для образцов по изобретению, приведенных в Таблице 2, колеблется в диапазоне от около 125 тыс.фунт на кв.дюйм для образца с Al около 6,0 до около 141 тыс.фунт на кв.дюйм для образца с Al около 7,1. Образец, имеющий Al около 6,4, демонстрировал YS около 130 тыс.фунт на кв.дюйм (896,3 МПа). UTS для образцов по изобретению, приведенных в Таблице 2, колеблется в диапазоне от около 135 тыс.фунт на кв.дюйм для образца с Al около 6,0, до около 153 тыс.фунт на кв.дюйм для образца с Al около 7,1. Образец, имеющий Al около 6,4, демонстрировал YS около 141 тыс.фунт на кв.дюйм (972 МПа).
ПРИМЕР 2
eq
[0062] Образцы проволоки №№9-11 из Примера 1, имеющие диаметр около 0,5 дюйма (1,27 см) и величину алюминиевого эквивалента около 6,5, около 6,8 и около 7,15, подвергались испытаниям на растяжение при комнатной температуре. Результаты испытаний на растяжение изображены графически на ФИГ. 2. Все из этих образцов имели пределы прочности и текучести, которые сравнимы или выше прочности промышленного сплава Ti-6AI-4V. Как и на ФИГ. 1, из ФИГ. 2 очевидно, что увеличение Al приводит к увеличению прочности, вместе с увеличением среднего процента относительного удлинения. Как обсуждалось выше, эта тенденция является удивительной и неожиданной, поскольку противоречит обычно наблюдаемому взаимоотношению, когда увеличение прочности сопровождается уменьшением пластичности. Существует меньший разброс данных на ФИГ. 2, который является типичным для испытаний, выполненных на образцах одинакового размера, по сравнению с ФИГ. 1, который типичен для испытаний, выполненных на образцах различных размеров, поскольку механические свойства до некоторой степени зависят от размера испытуемого образца.
ПРИМЕР 3
[0063] Образцы горячекатаной плиты толщиной 1 дюйм (2,54 см) изготавливались из слитков, произведенных в соответствии с операциями, описанными в Примере 1. Слитки сплавов имели состав в диапазонах, приведенных в столбце «Не имеющие ограничительного характера варианты в соответствии с настоящим изобретением», включенном в приведенную ранее Таблицу 1, с содержаниями алюминия и кислорода и величинами алюминиевого эквивалента, приведенными в Таблице 3.
Таблица 3
Образец №
Диаметр (дюйм)
Al (вес.%)
Fe (вес.%)
O (вес.%)
Al<sub>eq</sub> (Al%+10⋅O%)
18
1
4,08
1,53
0,24
6,43
19
1
4,13
1,44
0,24
6,48
20
1
4,22
1,49
0,29
7,12
21
1
4,25
1,40
0,28
7,05
22
1
4,21
1,38
0,29
7,08
eq
eq
eq
[0064] Все температуры горячей прокатки были ниже температур альфа/бета перехода сплавов. Сплавы имели величины Al примерно от 6,5 до 7,1. Испытания на растяжение при комнатной температуре использовались для определения предела прочности при растяжении, предела текучести и относительного удлинения (пластичности). Результаты испытаний на растяжение изображены графически на ФИГ. 3. Из ФИГ. 3 очевидно, что сплавы, включающие повышенные уровни А1 и О, на что указывают расчетные алюминиевые эквиваленты, имеют при комнатной температуре прочность, по меньшей мере, сравнимую с уровнями прочности сплава Ti-6AI-4V. Кроме того, отмечено, что прочность увеличивалась с увеличением Al. Кроме того, средняя пластичность сплавов по изобретению либо немного увеличивалась, либо оставалась, в общем, неизменной при увеличении Al и увеличении прочности. Эта тенденция является удивительной и неожиданной, поскольку противоречит обычно наблюдаемому взаимоотношению, когда увеличение прочности сопровождается уменьшением пластичности.
[0065] Настоящее описание написано со ссылками на различные типичные, иллюстративные и не имеющие ограничительного характера варианты. Однако специалистам в данной области должно быть понятно, что различные замены, изменения или сочетания любых раскрытых вариантов (или их частей) могут быть сделаны без отступления от объема изобретения, определяемого исключительно формулой. Таким образом, предполагается и понятно, что настоящее изобретение включает в себя дополнительные варианты, не изложенные явно в настоящем документе. Такие варианты могут быть получены, например, путем объединения и/или изменения любого из раскрытых этапов, ингредиентов, составляющих, компонентов, элементов, параметров, аспектов и прочего в вариантах воплощения, описанных здесь. Таким образом, это изобретение ограничивается не описанием различных типичных, иллюстративных и не имеющих ограничительного характера вариантов, а исключительно формулой изобретения. Таким образом, должно быть понятно, что формула может быть изменена в процессе рассмотрения настоящей заявки на патент, чтобы добавить новые функции к формуле изобретения, которые описаны здесь по-разному.