ТИТАНО-МЕДНО-ЖЕЛЕЗНЫЙ СПЛАВ И СООТВЕТСТВУЮЩИЙ СПОСОБ ТИКСОФОРМИНГА
TITANIUM-COPPER-IRON ALLOY AND CORRESPONDING THIXOFORMING METHOD

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящая заявка относится к титановым сплавам и, более конкретно, к тиксоформингу титановых сплавов.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Титановые сплавы обладают высоким пределом прочности на растяжение в широком диапазоне температур, но имеют при этом достаточно легкий вес. Кроме того, титановые сплавы являются устойчивыми к коррозии. Таким образом, титановые сплавы используют в различных ответственных отраслях применения, например в качестве компонентов летательных аппаратов, медицинских устройств и т.п.
Процесс пластического формования титановых сплавов является дорогостоящим. Необходимо, чтобы оборудование, которое требуется для пластического формования титановых сплавов, выдерживало большие нагрузки во время деформации. Таким образом, оборудование для пластического формования титановых сплавов является дорогим в производстве и сложным в обслуживании из-за высокой степени износа. Кроме того, при пластическом формовании титановых сплавов сложные геометрические формы может быть трудно получить. Таким образом, для получения желаемой формы конечного продукта часто требуется по существу дополнительная машинная обработка, тем самым дополнительно увеличивая стоимость.
Литье является общедоступной альтернативой для получения продуктов из титановых сплавов с более сложными формами. Однако литье титановых сплавов усложняется высокими температурами их плавления, а также повышенной реакционной способностью расплавленных титановых сплавов с формовочными материалами и окружающим кислородом.
Соответственно титановые сплавы являются одними из наиболее сложных металлов для обработки экономически эффективным способом. Таким образом, специалисты в области техники продолжают исследования и прилагают усилия для разработки титановых сплавов.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В одном варианте осуществления предложенный титановый сплав содержит от приблизительно 5 до приблизительно 33 процентов по массе меди, от приблизительно 1 до приблизительно 8 процентов по массе железа и титан.
В другом варианте осуществления предложенный титановый сплав состоит по существу из приблизительно 5 до приблизительно 33 процентов по массе меди, приблизительно 1 до приблизительно 8 процентов по массе железа и остальное титан.
В еще одном варианте осуществления предложенный титановый сплав состоит по существу из приблизительно 13 до приблизительно 33 процентов по массе меди, приблизительно 3 до приблизительно 5 процентов по массе железа и остальное титан.
В одном варианте осуществления предложенный способ получения металлического изделия включает этапы (1) нагрева массы титанового сплава до температуры тиксоформинга, при этом температура тиксоформинга находится между температурой солидуса титанового сплава и температурой ликвидуса титанового сплава, а титановый сплав содержит медь, железо и титан; и (2) формирования массы в металлическое изделие во время нахождения массы при температуре тиксоформинга.
В другом варианте осуществления предложенный способ получения металлического изделия включает этапы (1) нагрева массы титанового сплава до температуры тиксоформинга, при этом температура тиксоформинга находится между температурой солидуса титанового сплава и температурой ликвидуса титанового сплава, а титановый сплав содержит от приблизительно 5 до приблизительно 33 процентов по массе меди, от приблизительно 1 до приблизительно 8 процентов по массе железа и титан; и (2) формирования массы в металлическое изделие во время нахождения массы при температуре тиксоформинга.
Другие варианты осуществления предложенного титано-медно-железного сплава и соответствующего способа тиксоформинга станут очевидны из приведенного ниже подробного описания, прилагаемых чертежей и прилагаемой формулы изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1 показана фазовая диаграмма титано-медно-железного сплава;
На фиг. 2А и 2В для трех примеров титановых сплавов показаны графики жидкой фракции в зависимости от температуры, полученных в равновесных условиях (фиг. 2А) и в условиях модели Шейла (фиг. 2В);
На фиг. 3А, 3В и 3С показаны фотографические изображения, показывающие изменения микроструктуры в зависимости от времени (при выдержке при 1010°С) для трех примеров титановых сплавов, более конкретно Ti-18Cu-4Fe (фиг. 3А), Ti-20Cu-4Fe (фиг. 3В) и Ti-22Cu-4Fe (фиг. 3С);
На фиг. 4 показана функциональная схема, показывающая один вариант осуществления предложенного способа изготовления металлического изделия;
На фиг. 5 показана функциональная схема изготовления и методологии обслуживания воздушного судна; и
На фиг. 6 показана блок-схема воздушного судна.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Раскрыт титано-медно-железный сплав. При управлении допустимыми пределами по составу добавок меди и добавок железа в предложенном титано-медно-железном сплаве как раскрыто в настоящем документе, получаемый в результате титано-медно-железный сплав может быть особенно подходящим для использования в изготовлении металлических изделий с помощью тиксоформинга.
Будучи не ограниченными какой-либо конкретной теорией, считается, что предложенные титано-медно-железные сплавы особенно подходят для использования в изготовлении металлических изделий с помощью тиксоформинга, поскольку предложенные титано-медно-железные сплавы имеют широкий диапазон затвердевания. Использованный в настоящем описании термин «диапазон затвердевания» относится к разнице (ΔТ) между температурой солидуса и температурой ликвидуса титано-медно-железного сплава и в большой степени зависит от состава сплава. В одном примере диапазон затвердевания предложенных титано-медно-железных сплавов может быть по меньшей мере приблизительно 50°С. В другом примере диапазон затвердевания предложенных титано-медно-железных сплавов может быть по меньшей мере приблизительно 100°С. В еще одном примере диапазон затвердевания предложенных титано-медно-железных сплавов может быть по меньшей мере приблизительно 150°С. В еще одном примере диапазон затвердевания предложенных титано-медно-железных сплавов может быть по меньшей мере приблизительно 200°С. В еще одном примере диапазон затвердевания предложенных титано-медно-железных сплавов может быть по меньшей мере приблизительно 250°С. В еще одном примере диапазон затвердевания предложенных титано-медно-железных сплавов может быть по меньшей мере приблизительно 300°С.
Предложенные титано-медно-железные сплавы обретают способность к тиксоформингу при нагревании до температуры между температурой солидуса и температурой ликвидуса титано-медно-железного сплава. Однако преимущества тиксоформинга ограничиваются, когда жидкой фракции титано-медно-железного сплава становится слишком много (обработка становится подобной литью) или слишком мало (обработка становится подобной пластическому формированию металла). Таким образом, может быть преимущественным осуществлять тиксоформинг, когда жидкая фракция титано-медно-железного сплава находится между приблизительно 30 процентами и приблизительно 50 процентами.
Будучи не ограниченными какой-либо конкретной теорией, дополнительно считается, что предложенные титано-медно-железные сплавы подходят для использования в изготовлении металлических изделий с помощью тиксоформинга, поскольку предложенные титано-медно-железные сплавы содержат жидкую фракцию между приблизительно 30 процентами и приблизительно 50 процентами при температурах значительно ниже температур разливки обычных титановых сплавов. Согласно одной идее, предложенные титано-медно-железные сплавы содержат жидкую фракцию между приблизительно 30 процентами и приблизительно 50 процентами при температуре менее чем 1200°С. Согласно другой идее, предложенные титано-медно-железные сплавы содержат жидкую фракцию между приблизительно 30 процентами и приблизительно 50 процентами при температуре менее чем 1150°С. Согласно еще одной идее, предложенные титано-медно-железные сплавы содержат жидкую фракцию между приблизительно 30 процентами и приблизительно 50 процентами при температуре менее чем 1100°С. Согласно еще одной идее, предложенные титано-медно-железные сплавы содержат жидкую фракцию между приблизительно 30 процентами и приблизительно 50 процентами при температуре менее чем 1050°С. Согласно еще одной другой идее, предложенные титано-медно-железные сплавы содержат жидкую фракцию между приблизительно 30 процентами и приблизительно 50 процентами при температуре менее чем 1010°С.
В одном варианте осуществления предложенный титано-медно-железный сплав имеет состав, показанный в Таблице 1.
Таким образом, предложенный титано-медно-железный сплав может состоять из (или состоять по существу из) титана (Ti), меди (Cu) и железа (Fe).
Специалисту в области техники будет понятно, что различные примеси, которые по существу не влияют на физические свойства предложенного титано-медно-железного сплава, также могут присутствовать, и присутствие таких примесей не приведет в результате к отступлению от объема настоящего раскрытия. Например, содержание примесей в предложенном титано-медно-железном сплаве можно контролировать, как показано в Таблице 2.
Добавление меди к предложенному титано-медно-железному сплаву увеличивает количество жидкой фракции при заданной температуре. Таким образом, будучи не ограниченными какой-либо конкретной теорией, считается, что добавление меди способствует способности к тиксоформингу предложенного титано-медно-железного сплава.
Как показано в Таблице 1, допустимые пределы добавок меди по составу к предложенному титано-медно-железному сплаву находятся в диапазоне от приблизительно 5 процентов по массе до приблизительно 33 процентов по массе. В одном варианте, допустимые пределы добавок меди по составу находятся в диапазоне от приблизительно 13 процентов по массе до приблизительно 33 процентов по массе. В другом варианте, допустимые пределы добавок меди по составу находятся в диапазоне от приблизительно 15 процентов по массе до приблизительно 30 процентов по массе. В еще одном варианте, допустимые пределы добавок меди по составу находятся в диапазоне от приблизительно 17 процентов по массе до приблизительно 25 процентов по массе. В еще одном другом варианте, допустимые пределы добавок меди по составу находятся в диапазоне от приблизительно 18 процентов по массе до приблизительно 22 процентов по массе.
Железо является сильным β-стабилизатором, но может увеличивать плотность и вызывать охрупчивание. Таким образом, будучи не ограниченными какой-либо конкретной теорией, считается, что добавление железа сохраняет Ti-β фазу при охлаждении, но без чрезмерного увеличения плотности и без значительного охрупчивания.
Как показано в Таблице 1, допустимые пределы добавок железа по составу к предложенному титано-медно-железному сплаву находится в пределах от приблизительно 1 процента по массе до приблизительно 8 процентов по массе. В одном варианте, допустимые пределы добавок железа по составу находятся в пределах от приблизительно 2 процентов по массе до приблизительно 7 процентов по массе. В другом варианте, допустимые пределы добавок железа по составу находятся в пределах от приблизительно 3 процентов по массе до приблизительно 6 процентов по массе. В еще одном варианте, допустимые пределы добавок железа по составу находятся в пределах от приблизительно 3 процентов по массе до приблизительно 5 процентов по массе. В еще одном другом варианте, железо присутствует в концентрации от приблизительно 4 процентов по массе.
Пример 1
(Ti-13-33Cu-4Fe)
Один общий неограничивающий пример предложенного титано-медно-железного сплава имеет состав, показанный в Таблице 3.
Как показано на фазовой диаграмме согласно фиг. 1, более конкретно на заштрихованной области фиг. 1, предложенный сплав Ti-13-33Cu-4Fe имеет относительно низкую температуру солидус (приблизительно 1000°С) и относительно широкий диапазон затвердевания. Таким образом, предложенный сплав Ti-13-33Cu-4Fe особенно подходит для тиксоформинга.
Пример 2
(Ti-18Cu-4Fe)
Один конкретный неограничивающий пример предложенного титано-медно-железного сплава имеет следующий номинальный состав:
Ti-18Cu-4Fe
и измеренный состав, показанный в Таблице 4.
Оборудование торговой марки PANDAT™ (версия 2014 2.0) от фирмы CompuTherm LLC, Миддлтон, Висконсин, использовалось для получения данных зависимости жидкой фракции от температуры для предложенного сплава Ti-18Cu-4Fe как в равновесных условиях, так и в условиях модели Шейла. Результаты показаны на фиг. 2А (равновесные условия) и 2 В (условия модели Шейла). На основании данных согласно фиг. 2А (равновесные условия), предложенный сплав Ti-18Cu-4Fe имеет температуру солидус приблизительно 1007°С и температуру ликвидус приблизительно 1345°С с диапазоном затвердевания приблизительно 338°С (364°С в условиях модели Шейла/фиг. 2В).
Как показано на фиг. 3А, предложенный сплав Ti-18Cu-4Fe нагревали до 1010°С - температура между температурами солидуса и ликвидуса (т.е. температура тиксоформинга) - и микрофотографии были сделаны через 0 секунд, 60 секунд, 300 секунд и 600 секунд. Микрофотографии показывают, как глобулярная микроструктура предложенного сплава Ti-18Cu-4Fe при 1010°С становится еще более глобулярной с течением времени. Таким образом, предложенный сплав Ti-18Cu-4Fe особенно подходит для тиксоформинга.
Пример 3
(Ti-20Cu-4Fe)
Другой конкретный неограничивающий пример предложенного титано-медно-железного сплава имеет следующий номинальный состав:
Ti-20Cu-4Fe0043
и измеренный состав, показанный в Таблице 5.
Оборудование торговой марки PANDAT™ (версия 2014 2.0) использовалось для получения данных зависимости жидкой фракции от температуры для предложенного сплава Ti-20Cu-4Fe как в равновесных условиях, так и в условиях модели Шейла. Результаты показаны на фиг. 2А (равновесные условия) и 2В (условия модели Шейла). На основании данных согласно фиг. 2А (равновесные условия), предложенный сплав Ti-20Cu-4Fe имеет температуру солидус приблизительно 999°С и температуру ликвидус приблизительно 1309°С с диапазоном затвердевания приблизительно 310°С (329°С в условиях модели Шейла/фиг. 2В).
Как показано на фиг. 3В, предложенный сплав Ti-20Cu-4Fe нагревали до 1010°С - температура между температурами солидуса и ликвидуса (т.е. температура тиксоформинга) - и микрофотографии были сделаны через 0 секунд, 60 секунд, 300 секунд и 600 секунд. Микрофотографии показывают, как глобулярная микроструктура предложенного сплава Ti-20Cu-4Fe при 1010°С становится еще более глобулярной с течением времени. Таким образом, предложенный сплав Ti-20Cu-4Fe особенно подходит для тиксоформинга.
Пример 4
(Ti-22Cu-4Fe)
Еще один другой конкретный неограничивающий пример предложенного титано-медно-железного сплава имеет следующий номинальный состав:
Ti-22Cu-4Fe
и измеренный состав, показанный в Таблице 6.
Оборудование торговой марки PANDAT™ (версия 2014 2.0) использовалось для получения данных зависимости жидкой фракции от температуры для предложенного сплава Ti-22Cu-4Fe как в равновесных условиях, так и в условиях модели Шейла. Результаты показаны на фиг. 2А (равновесные условия) и 2В (условия модели Шейла). На основании данных согласно фиг. 2А (равновесные условия), предложенный сплав Ti-22Cu-4Fe имеет температуру солидус приблизительно 995°С и температуру ликвидус приблизительно 1271°С с диапазоном затвердевания приблизительно 276°С (290°С в условиях модели Шейла/фиг. 2В).
Как показано на фиг. 3С, предложенный сплав Ti-22Cu-4Fe нагревали до 1010°С - температура между температурами солидуса и ликвидуса (т.е. температура тиксоформинга) - и микрофотографии были сделаны через 0 секунд, 60 секунд, 300 секунд и 600 секунд. Микрофотографии показывают, как глобулярная микроструктура предложенного сплава Ti-22Cu-4Fe при 1010°С становится еще более глобулярной с течением времени. Таким образом, предложенный сплав Ti-22Cu-4Fe особенно подходит для тиксоформинга.
Соответственно, раскрыты подходящие для тиксоформинга титано-медно-железные сплавы. Также раскрыты способы изготовления металлического изделия, в частности изделия из титанового сплава с помощью тиксоформинга.
Далее, как показано на фиг. 4, один вариант осуществления предложенного способа изготовления металлического изделия, в целом обозначенного цифрой 10, может начинаться в блоке 12 с выбора титанового сплава для использования в качестве начального материала. Например, выбор титанового сплава (блок 12) может включать выбор титано-медно-железного сплава с составом, показанным в Таблице 1 выше.
В этом случае специалисту в области техники будет понятно, что выбор титанового сплава (блок 12) может включать выбор коммерчески доступного титанового сплава или в альтернативном варианте осуществления не доступного коммерчески титанового сплава. В случае не доступного коммерчески титанового сплава, титановые сплавы могут быть созданы специально для использования в предложенном способе 10.
Как раскрыто в настоящем документе, диапазон затвердевания может быть одним из факторов, который необходимо учитывать при выборе (блок 12) титанового сплава. Например, выбор титанового сплава (блок 12) может включать выбор титано-медно-железного сплава, имеющего диапазон затвердевания по меньшей мере 50°С, например по меньшей мере 100°С, или по меньшей мере 150°С, или по меньшей мере 200°С, или по меньшей мере 250°С, или по меньшей мере 300°С.
Также в настоящем документе раскрыто, что температура, при которой обеспечивается жидкая фракция между приблизительно 30 процентами и приблизительно 50 процентами, может быть другим фактором, который необходимо учитывать при выборе (блок 12) титанового сплава. Например, выбор титанового сплава (блок 12) может включать выбор титано-медно-железного сплава, в котором жидкая фракция содержится между приблизительно 30 процентами и приблизительно 50 процентами при температуре менее чем 1200°С, например при температуре менее чем 1150°С, или при температуре менее чем 1100°С, или при температуре менее чем 1050°С.
В блоке 14 масса титанового сплава может быть нагрета до температуры тиксоформинга (т.е. температуры между температурами солидуса и ликвидуса титанового сплава). В одном конкретном варианте реализации, масса титанового сплава может быть нагрета до конкретной температуры тиксоформинга, причем для получения необходимого количества жидкой фракции в массе титанового сплава может быть выбрана конкретная температура тиксоформинга. В одном примере, необходимое количество жидкой фракции может составлять от приблизительно 10 процентов до приблизительно 70 процентов. В другом примере, необходимое количество жидкой фракции может составлять от приблизительно 20 процентов до приблизительно 60 процентов. В еще одном примере, необходимое количество жидкой фракции может составлять от приблизительно 30 процентов до приблизительно 50 процентов.
В блоке 16 масса титанового сплава при необходимости может выдерживаться при температуре тиксоформинга в течение заранее заданного минимального количества времени до обработки на следующем этапе (блок 18). В одном примере, заранее заданное минимальное количество времени может составлять приблизительно 10 секунд. В другом примере, заранее заданное минимальное количество времени может составлять приблизительно 30 секунд. В еще одном примере, заранее заданное минимальное количество времени может составлять приблизительно 60 секунд. В еще одном примере, заранее заданное минимальное количество времени может составлять приблизительно 300 секунд. В еще одном примере, заранее заданное минимальное количество времени может составлять приблизительно 600 секунд.
В блоке 18 может быть осуществлено формирование массы титанового сплава в металлическое изделие во время, пока масса находится при температуре тиксоформинга. Могут быть использованы различные технологии формирования, такие как без ограничения литье или формование.
Соответственно, предложенный титано-медно-железный сплав и соответствующий способ тиксоформинга могут упростить изготовление окончательных (или близких к окончательной форме) изделий из титановых сплавов при температурах, которые значительно ниже температур разливки обычного титана, и без необходимости в сложной/дорогой оснастке, как правило связанной с пластическим формированием титановых сплавов. Таким образом, предложенный титано-медно-железный сплав и соответствующий способ тиксоформинга могут значительно снизить стоимость изготовления изделий из титанового сплава.
Примеры настоящего раскрытия можно описать в контексте способа 100 производства и технического обслуживания воздушных судов, как показано на фиг. 5, и воздушного судна 102, как показано на фиг. 6. Во время предсерийного производства способ 100 производства и технического обслуживания воздушного судна может включать спецификацию и проектирование 104 воздушного судна 102 и материальное снабжение 106. Во время производства происходит изготовление 108 комплектующих деталей/сборочных узлов и интеграция 110 систем воздушного судна 102. После этого воздушное судно 102 может пройти процедуру сертификации и доставки 112 для введения в эксплуатацию 114. При эксплуатации покупателем для воздушного судна 102 составляют график регулярного технического обеспечения и обслуживания 116, который также может включать модификацию, перестройку, переоборудование и т.п.
Каждый из указанных процессов предложенного способа 100 можно осуществить или выполнить с помощью системного интегратора, сторонней организации и/или оператора (например, покупателя). Для целей настоящего описания системный интегратор может без ограничения включать любое количество самолетостроительных предприятий и субподрядчиков для производства основных систем; сторонняя организация может без ограничения включать любое количество продавцов, субподрядчиков и поставщиков; и оператор может представлять собой авиакомпанию, лизинговую компанию, военные власти, организацию технического обслуживания и т.п.
Как показано на фиг. 6, воздушное судно 102, произведенное согласно типичному способу 100, может содержать корпус 118 с множеством систем 120 и внутреннюю часть 122. Примеры множества систем 120 могут включать одну или более силовую установку 124, электрическую систему 126, гидравлическую систему 128 и систему 130 жизнеобеспечения. Может быть включено любое количество других систем.
Предложенный титано-медно-железный сплав и соответствующий способ тиксоформинга можно использовать во время одного или более этапов способа 100 производства и технического обслуживания воздушного судна. В одном из примеров, комплектующие детали и сборочные узлы, соответствующие изготовлению 108 комплектующих деталей/сборочных узлов, интеграции ПО систем и/или техническому обеспечению и обслуживанию 116, могут быть произведены или изготовлены с использованием предложенного титано-медно-железного сплава и соответствующего способа тиксоформинга. В другом примере, корпус 118 воздушного судна может быть изготовлен с использованием предложенного титано-медно-железного сплава и соответствующего способа тиксоформинга. Также один или более примеров устройств, способа или их комбинации могут использоваться при изготовлении 108 комплектующих деталей/сборочных узлов и интеграции ПО систем, например, путем ускорения сборки или уменьшения затрат на воздушное судно 102, например корпуса 118 воздушного судна и/или внутренней части 122. Аналогично, один или более примеров устройств, способа или их комбинации могут использоваться при введении воздушного судна 102 в эксплуатацию, например и без ограничения, для технического обеспечения и обслуживания 116.
Предложенный титано-медно-железный сплав и соответствующий способ тиксоформинга описаны применительно к воздушному судну; однако специалист в области техники легко поймет, что предложенный титано-медно-железный сплав и соответствующий способ тиксоформинга можно использовать в различных отраслях применения. Например, предложенный титано-медно-железный сплав и соответствующий способ тиксоформинга можно использовать в любом типе транспортного средства, включая, например, вертолеты, пассажирские суда, автомобили, изделия для морского флота (лодки, моторы и т.п.) и тому подобное. Также возможно применение не только для транспортных средств, например в медицине.
Хотя в настоящем документе были продемонстрированы и описаны различные варианты осуществления предложенного титано-медно-железного сплава и соответствующего способа тиксоформинга, после прочтения описания настоящего изобретения специалисты в данной области техники могут придумать другие модификации. Настоящая заявка включает такие модификации и ограничена только объемом формулы изобретения.