高強度α/β 鈦合金緊固件和緊固件坯料制造技術(shù)

一種選自鈦合金緊固件和鈦合金緊固件坯料的制品，所述制品包括α/β鈦合金，其包括（以重量百分數(shù)計）：3.9至4.5的鋁；2.2至3.0的釩；1.2至1.8的鐵；0.24至0.3的氧；多達0.08的碳；多達0.05的氮；鈦；以及多達0.3的其它元素。在某些實施方案中，所述制品具有至少170ksi（1,172MPa）的極限拉伸強度和至少103ksi（710.2MPa）的雙剪切強度。本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種用于制備包括所述α/β合金的鈦合金緊固件和鈦合金緊固件坯料的方法。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
【國外來華專利技術(shù)】高強度α/β鈦合金緊固件和緊固件坯料專利技術(shù)人DavidJ.Bryan相關(guān)申請的交叉引用本申請是部分繼續(xù)申請，依據(jù)美國法典第35篇第120條的規(guī)定要求2010年9月23日提交、專利技術(shù)名稱為“HighStrengthAlpha/BetaTitaniumAlloyFastenersandFastenerStock”的共同待決的美國專利申請?zhí)?2/888,699的優(yōu)先權(quán)，該申請的全部公開內(nèi)容以引用方式并入本文中。技術(shù)背景
本專利技術(shù)涉及機械緊固件和緊固件坯料，確切地說，涉及包括α/β鈦合金的緊固件和緊固件坯料。專利技術(shù)背景鈦合金通常具有高強度重量比、耐腐蝕，并且在適度高溫下耐蠕變。出于這些原因，鈦合金被用于各種航天與航空應(yīng)用，包括，例如，起落架構(gòu)件、發(fā)動機機架以及機械緊固件。減輕飛機重量能夠節(jié)省燃料，因此航天工業(yè)中存在減輕飛機重量的強勁需求。鈦和鈦合金由于具有高強度重量比，因此是在飛機應(yīng)用中實現(xiàn)減輕重量的優(yōu)良材料。目前，鈦合金緊固件被用于要求不高的航天應(yīng)用中。在某些航天應(yīng)用中，如果鈦合金的強度不足以滿足特定應(yīng)用的特殊機械要求，則使用較重的鐵基和鎳基合金緊固件。用于航天應(yīng)用中的多數(shù)鈦合金零件由Ti-6Al-4V鈦合金（ASTMGrade5、UNSR56400、AMS4965）制成，這種鈦合金是α/β鈦合金。小直徑Ti-6Al-4V緊固件坯料，即，直徑小于0.5英寸（1.27cm）的緊固件坯料的典型最低規(guī)格是根據(jù)ASTME8/E8M-09（“StandardTestMethodsforTensionTestingofMetallicMaterials”，ASTMInternational，2009）確定的170ksi（1,172MPa）極限拉伸強度（UTS），以及根據(jù)NASM1312-13（“Method13-DoubleShear”、AerospaceIndustriesAssociation-NationalAerospaceStandard（Metric），2003年2月1日）確定的103ksi（710MPa）雙剪切強度（DSS）。鐵基和鎳基超合金，例如，A286鐵基超合金（UNSS66286）是具有下一等級強度的用于航天緊固件應(yīng)用中的代表材料。冷拉和時效A286金屬緊固件的典型最低強度規(guī)格是180ksi（1,241MPa）UTS和108ksi（744MPa）DSS。合金718鎳基超合金（N07718）是具有最高等級強度的用于航天緊固件中的材料。冷拉和時效合金718超合金緊固件的典型規(guī)格下限是220ksi（1,517MPa）UTS和120ksi（827MPa）DSS。此外，目前用作或者考慮用作高強度緊固件材料的兩種β鈦合金具有180ksi（1,241.1MPa）的最低極限拉伸強度以及108ksi（744.6MPa）的最低DSS。賓夕法尼亞州Jenkintown的SPSTechnologies提供一種鈦合金緊固件，所述緊固件由符合Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo鈦合金（AMS4958）的化學(xué)組成的優(yōu)化β鈦合金制成。還市售有直徑最大為1英寸（2.54cm）的SPS螺栓。AlcoaFasteningSystems（AFS）已開發(fā)出一種高強度鈦緊固件，所述緊固件由符合Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-0.5Fe鈦合金（也稱為Ti-5553、UNS未指定）的標稱化學(xué)組成的鈦合金制成，所述Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-0.5Fe鈦合金為近β鈦合金。據(jù)稱，AFSTi-5553合金緊固件具有190ksi（1,309MPa）的拉伸強度，大于10%的伸長率，以及對于無涂層零件113ksi（779MPa）的最低DSS和對于有涂層零件108ksi（744MPa）的最低DSS。β鈦合金通常包括高合金含量，因此部件和加工成本高于α/β鈦合金。β鈦合金的密度通常也高于α/β鈦合金。例如，α/β鈦合金的密度為約0.161lbs/in3（4.5g/cm3），而β鈦合金Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo的密度為約0.174lbs/in3（4.8g/cm3），近β合金Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-0.5Fe的密度為約0.168lbs/in3（4.7g/cm3）。用密度較小鈦合金制造的緊固件能夠進一步節(jié)省航天應(yīng)用的重量。此外，固溶處理的時效α/β鈦合金等中獲得雙模態(tài)微結(jié)構(gòu)能夠提供優(yōu)于β鈦合金的機械性質(zhì)，例如，高周疲勞。α/β鈦合金的β轉(zhuǎn)變溫度（Tβ）也高于β鈦合金。例如，ATI鈦合金的Tβ為約1,800℉（982.2℃），而Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-0.5Feβ鈦合金的Tβ為約1,500℉（815.6℃）。這兩種形式鈦合金的Tβ差異能夠增大α/β鈦合金的α/β相場中的熱機械加工和熱處理的溫度窗口。由于不斷需要通過減輕飛機重量來節(jié)省燃料消耗，因此需要改進航天應(yīng)用中的輕質(zhì)緊固件。具體來說，強度大于由Ti-6Al-4Vα/β鈦合金制成的當(dāng)代航天緊固件的輕質(zhì)α/β鈦合金航天緊固件和緊固件坯料更具優(yōu)勢。
技術(shù)實現(xiàn)思路
在根據(jù)本專利技術(shù)的非限制實施方案中，一種選自鈦合金緊固件和鈦合金緊固件坯料的制品包括α/β鈦合金，所述α/β鈦合金包括（按重量百分比計）：3.9至4.5的鋁；2.2至3.0的釩；1.2至1.8的鐵；0.24至0.3的氧；多達0.08的碳；多達0.05的氮；鈦；以及總共多達0.3的其它元素。在一個非限制實施方案中，所述α/β鈦合金緊固件或緊固件坯料具有至少170ksi（1,172MPa）的極限拉伸強度和至少103ksi（710.2MPa）的雙剪切強度。在根據(jù)本專利技術(shù)的另一非限制實施方案中，一種選自鈦合金緊固件和鈦合金緊固件坯料的制品包括α/β鈦合金，所述α/β鈦合金基本上由以下成分組成（按重量百分比計）：3.9至4.5的鋁；2.2至3.0的釩；1.2至1.8的鐵；0.24至0.3的氧；多達0.08的碳；多達0.05的氮；總共多達0.3的其它元素；鈦；附帶雜質(zhì)；并且其中所述其它元素基本上由以下元素中的一種或多種組成：錫、鋯、鉬、鉻、鎳、硅、銅、鈮、鉭、錳和鈷，其中每一個這樣的元素的重量百分數(shù)為0.1及以下；以及硼和釔，其中每一個這樣的元素的重量百分數(shù)為0.005以下。在一個非限制實施方案中，所述α/β鈦合金緊固件或緊固件坯料具有至少170ksi（1,172MPa）的極限拉伸強度和至少103ksi（710.2MPa）的雙剪切強度。在根據(jù)本專利技術(shù)的另一非限制實施方案中，一種用于制備鈦合金緊固件坯料的方法包括：提供α/β鈦合金，所述α/β鈦合金包括（以重量百分數(shù)計）：3.9至4.5的鋁；2.2至3.0的釩；1.2至1.8的鐵；0.24至0.3的氧；多達0.08的碳；多達0.05的氮；鈦；以及總共多達0.3的其它元素。對進行所述α/β鈦合金熱軋，之后在1小時至2小時的退火時間內(nèi)和1,200℉（648.9℃）至1,400℉（760℃）的退火溫度下使其退火。退火之后，用空氣冷卻所述α/β鈦合金，然后將其加工成預(yù)定尺寸。隨后在0.5小時至2小時的固溶處理時間內(nèi)和1,500℉（815.6℃）至1,700℉（926.7℃）的固溶處理溫度下對所述α/β鈦合金進行固溶處理。固溶處理之后，在至少等于空氣冷卻速率的冷卻速率下冷卻所述α/本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】

【技術(shù)特征摘要】
【國外來華專利技術(shù)】2010.09.23 US 12/888,699;2010.10.13 US 12/903,8511.一種用于制備鈦合金緊固件坯料的方法，所述方法包括：提供α/β鈦合金，其包括，以重量百分數(shù)計：3.9至4.5的鋁；2.2至3.0的釩；1.2至1.8的鐵；0.24至0.3的氧；多達0.08的碳；多達0.05的氮；總共多達0.3的其它元素，其中所述總共多達0.3的其它元素包括以下的一種或多種：硼和釔，其每一者小于0.005；錫、鋯、鉬、鉻、鎳、硅、銅、鈮、鉭、錳和鈷，其每一者不大于0.10；以及余量的鈦和附帶雜質(zhì)；在所述鈦合金的α/β相中對所述鈦合金進行熱軋；在1小時至2小時的退火時間內(nèi)及1,200℉(648.9℃)至1,400℉(760℃)的退火溫度下使所述鈦合金退火；用空氣冷卻所述鈦合金；將所述鈦合金加工成預(yù)定尺寸；在0.5小時至2小時的固溶處理時間內(nèi)及1,500℉(815.6℃)至1,700℉(926.7℃)的固溶處理范圍下對所述鈦合金進行固溶處理；以至少等于空氣冷卻速率的冷卻速率冷卻所述鈦合金，在4小時至16小時的時效處理時間內(nèi)及800℉(426.7℃)至1,000℉(537.8℃)的時效處理溫度下對所述鈦合金進行時效處理；以及用空氣冷卻所述鈦合金。2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述熱軋在比所述鈦合金的β轉(zhuǎn)變溫度低50℉(27.8℃)到比所述鈦合金的所述β轉(zhuǎn)變溫度低600℉(333.3℃)的溫度范圍內(nèi)進行。3.如權(quán)利要求1所述的方法，進一步包括，在熱軋之后和使所述鈦合金退火之前，冷拉所述鈦合金，以實現(xiàn)截面積的縮小小于10％并進行退火處理。4.如權(quán)利...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：D·J·布賴恩，
申請(專利權(quán))人：ATI資產(chǎn)公司，
類型：
國別省市：