專利名稱：α－βTi－Al－V－Mo－Fe合金的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及高強度的α-β合金，它具有在強度、機械加工性能和抗沖擊性能方面改進的綜合性能。
鈦基合金用于需要高強度-重量比以及高溫性能和耐腐蝕性的場合。這些合金可以描述為α相合金、β相合金或者α-β合金。α-β合金含有一種或多種α穩(wěn)定化元素和一種或多種β穩(wěn)定化元素。這些合金可通過熱處理或者熱機械加工來增加強度。具體來說，從α-β范圍內(nèi)或者高于β轉(zhuǎn)變溫度的高溫迅速冷卻下來可以增加這些合金的強度。這一過程被稱作固溶處理，之后進行中等溫度處理(被稱作老化)，得到所需的α相和轉(zhuǎn)變的β相的混合物作為合金微結(jié)構(gòu)的主要相。
這些合金適用于要求兼?zhèn)涓邚姸?、良好的機械加工性能和抗沖擊性能的場合。
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種具有所需綜合性能的α-β鈦基合金。
發(fā)明概述α-β鈦合金，包含Al4.5-5.5重量％V3.0-5.0重量％(優(yōu)選是3.7-4.7重量％)Mo0.3-1.8重量％Fe0.2-1.2重量％(優(yōu)選是0.2-0.8重量％)O0.12-0.25重量％(優(yōu)選是0.15-0.22重量％)余量的鈦以及偶存元素(incidental elements)和雜質(zhì)，每種含量小于0.1重量％，且總含量小于0.5重量％。
本發(fā)明的合金含有鋁作為主要元素，其含量應在本發(fā)明的組成限度范圍內(nèi)。若鋁含量低于4.5％，就得不到足夠的強度。若鋁含量高于5.5％，則機械加工性能會變差。
在本發(fā)明的α-β鈦合金中，釩是一種主要元素，作為β穩(wěn)定劑。若釩含量小于3.0％，就得不到足夠的強度。若釩含量高于5.0％，則合金中β穩(wěn)定劑的含量太高，會導致機械加工性能變差。
鐵作為一種有效且價廉的β穩(wěn)定化元素而存在。通常，大約0.1％鐵來自于在本發(fā)明合金制備過程中所用的海綿鈦和其它循環(huán)物質(zhì)?；蛘?，鐵可以以鋼或鉬鐵母合金的形式加入，因為本發(fā)明合金具有鉬作為一種主要元素。若鐵含量高于約1.2％，會對機械加工性能產(chǎn)生不利影響。
鉬是一種能穩(wěn)定β相的有效元素，鉬還能使微結(jié)構(gòu)中的晶粒細化。若鉬的含量小于0.3％，就得不到所需的效果。若鉬的含量高于1.8％，則機械加工性能會變差。
在鈦及其合金中，氧是一種增強元素。若氧含量小于0.12％，就得不到足夠的強度。若氧含量高于0.25％，則會產(chǎn)生脆性且機械加工性能會變差。
詳細說明和具體實施例實施例1以實驗室規(guī)模用兩次VAR(真空弧重熔)方法制備10塊直徑為8英寸的含Ti-6Al-4V錠料。這些錠料的化學組成如表1所示。在該表中，合金A、B、C和E是本發(fā)明合金。合金D和F至J是比較例合金。合金J是Ti-6AL-4V，即最通用的α-β合金。用α-β加工工藝將這些錠料鍛造和軋制成3/4″方棒或3/4″厚的板材。將一部分材料于1300F軋后工廠退火(mill anneal)1小時，接著進行空氣冷卻以檢查每種合金的基本特性。此外，對每根棒進行固溶處理和老化(STA)，然后測定機械性能檢查合金的淬透性。
表2是軋后工廠退火之后合金的拉伸性能。合金A、B、C和E顯示與Ti-6Al-4V相當?shù)膹姸?UTS或0.2％PS)。A、B、C和E的延性(EI和RA)優(yōu)于Ti-6Al-4V。表3示出試驗用合金在STA之后的拉伸性能以及Ti-6Al-4V的拉伸性能。合金A、B和C的強度(UTS或0.2％PS)比Ti-6Al-4V的強度高出至少10ksi。STA之后的較高強度主要是因為加入Mo和/或Fe提高了淬透性。然而，若Mo和/或Fe的含量太高，則延性變低，如合金G、H和I所顯示的那樣。
表1 合金的化學組成(重量％，但H是ppm)
表2 軋后工廠退火的棒的拉伸件能
表3 固溶處理和老化后的棒的拉伸性能
EI＝伸長率RA＝面積縮減率UTS＝最終拉伸強度0.2％PS＝0.2％彈限(屈服)強度實施例2將厚度為3/4″的經(jīng)軋后工廠退火的板材加工至厚度為5/8″的板。在這些板上進行鉆孔試驗，評定合金的機械加工性能。將高速不銹鋼鉆頭(AISI M42)用于本試驗。以下是鉆孔試驗的條件。
-鉆頭直徑1/4″-孔深5/8″通孔-進給0.0075″/rev.
-轉(zhuǎn)速500RPM-冷卻劑水溶性冷卻劑當鉆頭由于其尖端磨損而不能再鉆孔時確定鉆頭壽命。鉆孔試驗的結(jié)果示于表4。表4中的相對鉆孔指數(shù)是兩至三次試驗的平均值。當相對指數(shù)開始大于約4.0時終止該鉆孔試驗。鉆孔試驗表明，本發(fā)明合金與Ti-6AL-4V和其它在本發(fā)明合金化學組成以外的合金相比，其機械加工性能要優(yōu)越許多。合金F的機械加工性能差是因為氧含量高的緣故。
表4 鉆孔試驗的結(jié)果
實施例3由直徑為8英寸的實驗室錠料用α-β加工工藝制成厚度約0.43″的板。該板進行軋后工廠退火，然后酸浸。將50口徑的FSP(破片模擬彈)用作彈射體。測量每塊板的V50，即得到50％完全穿透機率的彈射體速度，將該V50與說明書進行比較。結(jié)果示于表5。表中的ΔV50表示V50的測量值和說明書值之間的差值。因此，正值表明比說明書優(yōu)越。如表中所示，K合金的抗沖擊性能比Ti-6Al-4V優(yōu)越。
表5 抗沖擊性能的結(jié)果
本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀了本說明書并實施了本說明書揭示的本發(fā)明后，顯然能得出本發(fā)明的其它實施方案。本說明書和實施例只能被認為是示例性的，本發(fā)明真正的范圍和精神記述于權(quán)利要求書。
權(quán)利要求
1.α-β鈦基合金，包含以重量百分數(shù)計的4.5-5.5鋁；3.0-5.0釩；0.3-1.8鉬；0.2-1.2鐵；0.12-0.25氧；和余量的鈦以及偶存元素和雜質(zhì)，所述偶存元素每種含量小于0.1，總量小于0.5。
2.如權(quán)利要求1所述的合金，它包含3.7-4.7釩。
3.如權(quán)利要求1所述的合金，它包含0.2-0.8鐵。
4.如權(quán)利要求1所述的合金，它包含0.15-0.22氧。
5.α-β鈦基合金，包含以重量百分數(shù)計的4.5-5.5鋁；3.7-4.7釩；0.3-1.8鉬；0.2-1.2鐵；0.12-0.25氧；和余量的鈦以及偶存元素和雜質(zhì)，所述偶存元素每種含量小于0.1，總量小于0.5。
6.如權(quán)利要求5所述的合金，它包含0.2-0.8鐵。
7.如權(quán)利要求6所述的合金，它包含0.15-0.22氧。
8.α-β鈦基合金，包含以重量百分數(shù)計的4.5-5.5鋁；3.0-5.0釩；0.3-1.8鉬；0.2-0.8鐵；0.12-0.25氧；和余量的鈦以及偶存元素和雜質(zhì)，所述偶存元素每種含量小于0.1，總量小于0.5。
9.如權(quán)利要求8所述的合金，它包含3.7-4.7釩。
10.如權(quán)利要求9所述的合金，它包含0.15-0.22氧。
11.α-β鈦基合金，包含以重量百分數(shù)計的4.5-5.5鋁；3.0-5.0釩；0.3-1.8鉬；0.2-1.2鐵；0.15-0.22氧；和余量的鈦以及偶存元素和雜質(zhì)，所述偶存元素每種含量小于0.1，總量小于0.5。
12.如權(quán)利要求11所述的合金，它包含3.7-4.7釩。
13.如權(quán)利要求12所述的合金，它包含0.2-0.8鐵。
全文摘要
高強度的α－β合金，它主要包含Al4.5－5.5％，V3.0－5.0％，Mo0.3－1.8％，F(xiàn)e0.2－1.2％，氧0.12－0.25％，Ti余量。所有其它偶存元素的含量應為每種元素小于0.1％，總量小于0.5％。該合金與Ti－6Al－4V相比，機械加工性能和抗沖擊性能有了改進。
文檔編號C22C14/00GK1653199SQ03810361
公開日2005年8月10日 申請日期2003年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月9日
發(fā)明者高坂洋二, S·P·福克斯, J·C·范寧 申請人:鈦金屬公司