Обработка сплавов титан-алюминий-ванадий и изделия, изготовленные с ее помощью

Обработка сплавов титан-алюминий-ванадий и изделия, изготовленные с ее помощью

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к новым способам обработки некоторых титановых сплавов, содержащих алюминий, ванадий, железо и кислород, к изделиям, изготовленным с использованием таких способов обработки, и к новым изделиям, содержащим такие сплавы.

Описание известного уровня техники

Еще, по меньшей мере, в 1950-х годах было обнаружено, что титан обладает свойствами, которые делают его привлекательным для использования в качестве конструкционной брони против оружейных метательных снарядов. Проводились соответствующие исследования титановых сплавов этого назначения. Один известный титановый сплав, пригодный для применения в качестве баллистической брони, представляет собой сплав Ti-6Al-4V, который номинально содержит титан, 6 мас.% алюминия, 4 мас.% ванадия и обычно менее 0,20 мас.% кислорода. Еще один титановый сплав, используемый в качестве баллистической брони, содержит 6,0 мас.% алюминия, 2,0 мас.% железа, относительно малое количество кислорода в 0,18 мас.%, менее 0,1 мас.% ванадия и, возможно, другие элементы в следовых количествах. Следующий титановый сплав, зарекомендовавший себя как пригодный для применения в качестве баллистической брони, представляет собой альфа-бета (α-β)-титановый сплав, описанный в патенте США №5980655 (далее упоминаемом как патент '655), выданном 9 ноября 1999 г. на имя Косака (Kosaka). Сплав, заявленный в патенте '655, который будет в дальнейшем именоваться как "сплав Косака", кроме титана содержит, в массовых процентах, от примерно 2,9 до примерно 5,0 алюминия, от примерно 2,0 до примерно 3,0 ванадия, от примерно 0,4 до примерно 2,0 железа, от более 0,2 до примерно 0,3 кислорода, от примерно 0,005 до примерно 0,03 углерода, от примерно 0,001 до примерно 0,02 азота и менее примерно 0,5 других элементов.

Было показано, что броневые плиты, изготовленные из вышеупомянутых титановых сплавов, удовлетворяют определенным стандартам по V₅₀, установленным военными для обозначения баллистических характеристик. Эти стандарты включают в себя, например, стандарт MIL-DTL-96077F "Подробная спецификация свариваемой броневой плиты из титанового сплава". V₅₀ - это средняя скорость метательного снаряда определенного типа, необходимая для его проникновения в плиту из сплава, имеющую заданные размеры и расположенную определенным образом относительно точки запуска метательного снаряда.

Вышеупомянутые титановые сплавы использовали для изготовления баллистической брони, поскольку при оценке по отношению к другим типам метательных снарядов эти титановые сплавы обеспечивают лучшие баллистические характеристики, чем сталь или алюминий, при меньшей массе. Несмотря на тот факт, что определенные титановые сплавы являются более эффективными с учетом массы, чем сталь и алюминий, в отношении определенных видов баллистического оружия, дальнейшее улучшение баллистических характеристик известных титановых сплавов принесло бы значительную выгоду. Более того, процесс изготовления баллистической броневой плиты из вышеупомянутых титановых сплавов может быть трудоемким и неэкономичным. Например, в патенте '655 описан способ, в котором сплав Косака, подвергнутый термомеханической обработке посредством нескольких стадий ковки до получения смешанной α+β-микроструктуры, подвергают горячей прокатке и отжигу для изготовления баллистической броневой плиты требуемого размера. При высоких температурах обработки на поверхности горячекатаной плиты образуются окалина и оксиды, и поэтому поверхность плиты требует отделки посредством одной или более стадий поверхностной обработки, таких как шлифование, механическая обработка, дробеструйная обработка, травление и т.п. Это усложняет процесс производства, приводит к потерям годной продукции и повышает стоимость готовой баллистической плиты.

Учитывая выгодные свойства удельной прочности отдельных титановых сплавов, используемых в качестве баллистической брони, было бы желательно производить из этих сплавов и другие изделия кроме баллистической брони. Однако принято считать, что ко многим из этих высокопрочных титановых сплавов невозможно легко применить иные технологические операции, кроме простой горячей прокатки. Например, сплав Ti-6Al-4V в виде плиты считается слишком прочным для холодной прокатки. Поэтому данный сплав обычно производится в виде листа посредством сложного процесса "пакетной прокатки", при котором две или более листовые заготовки из сплава Ti-6Al-4V, имеющие промежуточную толщину, укладывают в пакет и помещают в стальную оболочку (кейс). Оболочку и ее содержимое подвергают горячей прокатке, а затем отдельные листы извлекают, шлифуют, травят и обрезают. Этот процесс является дорогостоящим и может иметь малую производительность, учитывая необходимость шлифовки и травления поверхности отдельных листов. Аналогично, обычно считается, что сплав Косака имеет относительно высокое сопротивление пластическому течению при температурах ниже температур прокатки в α-β-области. Таким образом, ничего не известно о формовке из сплава Косака других изделий, кроме баллистической плиты, и при этом известна формовка такой плиты только с использованием технологии горячей прокатки, общее описание которой приводится в патенте '655. Горячая прокатка подходит для изготовления лишь относительно устаревшей продукции, кроме того, она требует относительно больших затрат энергии.

Учитывая приведенное выше описание известных способов обработки отдельных титановых сплавов, известных в качестве пригодных для применения в баллистической броне, существует потребность в способе обработки таких сплавов для получения желаемых форм, включая иные формы помимо плит, которые бы были более экономичными и простыми, не сопровождались потерями готовой продукции и не требовали таких больших затрат энергии, как известные способы высокотемпературной обработки.

Раскрытие изобретения

Для удовлетворения перечисленных выше потребностей в настоящем изобретении предложены новые способы обработки α-β-сплава титан-алюминий-ванадий, описанного и заявленного в патенте '655, а также предложены новые изделия, содержащие такой α-β-титановый сплав.

Согласно одному аспекту настоящего изобретения предложен способ формовки изделия из α-β-титанового сплава, содержащего, в массовых процентах, от примерно 2,9 до примерно 5,0 алюминия, от примерно 2,0 до примерно 3,0 ванадия, от примерно 0,4 до примерно 2,0 железа, от примерно 0,2 до примерно 0,3 кислорода, от примерно 0,005 до примерно 0,3 углерода, от примерно 0,001 до примерно 0,02 азота и менее примерно 0,5 других элементов. Данный способ включает в себя холодную обработку α-β-титанового сплава. В отдельных вариантах воплощения холодная обработка этого сплава может быть проведена при температуре в интервале от температуры окружающей среды вплоть до менее примерно 1250°F (примерно 677°С). В некоторых других вариантах воплощения α-β-сплав подвергают холодной обработке при температуре, находящейся в интервале от температуры окружающей среды вплоть до примерно 1000°F (примерно 538°С). Перед холодной обработкой такой α-β-титановый сплав может быть необязательно обработан давлением при температуре выше примерно 1600°F (примерно 871°С) для того, чтобы получить сплав с микроструктурой, которая является пригодной для деформации в холодном состоянии во время упомянутой холодной обработки.

Согласно настоящему изобретению также предложены изделия, изготовленные с помощью описанных здесь новых способов. В некоторых вариантах воплощения изделие, сформованное с помощью какого-либо варианта воплощения этих способов, имеет толщину вплоть до 4 дюймов и обладает при комнатной температуре такими свойствами, как прочность на растяжение по меньшей мере 120 KSI (тысяч фунтов на квадратный дюйм) и предел прочности на растяжение (временное сопротивление) по меньшей мере 130 KSI. Кроме того, в некоторых вариантах воплощения изделие, сформованное с помощью какого-либо варианта воплощения этих способов, обладает удлинением по меньшей мере 10%.

Авторы изобретения обнаружили, что любой подходящий метод холодной обработки можно адаптировать для применения к сплаву Косака. В отдельных неограничительных вариантах воплощения используют одну или более стадий холодной прокатки для уменьшения толщины сплава. Примеры изделий, которые можно изготовить с помощью таких вариантов воплощения, включают в себя лист, полосу, фольгу и плиту. В тех случаях, когда используют по меньшей мере две стадии холодной прокатки, данный способ может также включать в себя промежуточный отжиг сплава между последовательными стадиями холодной прокатки с тем, чтобы уменьшить механические напряжения в сплаве. В некоторых из этих вариантов воплощения по меньшей мере один промежуточный отжиг для снятия напряжений между последовательными стадиями холодной прокатки можно осуществлять на линии с печью непрерывного отжига.

Также в настоящем изобретении предложен новый способ изготовления броневой плиты из α-β-титанового сплава, содержащего, в массовых процентах, от примерно 2,9 до примерно 5,0 алюминия, от примерно 2,0 до примерно 3,0 ванадия, от примерно 0,4 до примерно 2,0 железа, от примерно 0,2 до примерно 0,3 кислорода, от примерно 0,005 до примерно 0,3 углерода, от примерно 0,001 до примерно 0,02 азота и менее примерно 0,5 других элементов. Данный способ включает в себя прокатку сплава при температурах значительно ниже температур, обычно используемых для горячей прокатки сплава с целью получения броневой плиты. В одном варианте воплощения данного способа сплав прокатывают при температуре, которая не более чем на 400°F (примерно 222°С) ниже Т_β этого сплава.

Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения предложено холоднообработанное изделие из α-β-титанового сплава, содержащего, в массовых процентах, от примерно 2,9 до примерно 5,0 алюминия, от примерно 2,0 до примерно 3,0 ванадия, от примерно 0,4 до примерно 2,0 железа, от примерно 0,2 до примерно 0,3 кислорода, от примерно 0,005 до примерно 0,3 углерода, от примерно 0,001 до примерно 0,02 азота и менее примерно 0,5 других элементов. Неограничительные примеры холоднообработанного изделия включают в себя изделие, выбранное из листа, полосы, фольги, плиты, прутка, стержня, проволоки, пустотелой трубчатой детали (гильзы), трубы, трубки, ткани, сетки, конструктивного элемента, конуса, цилиндра, короба, патрубка, сопла, сотовой конструкции, крепежного элемента, заклепки и прокладки. Некоторые из таких холоднообработанных изделий могут иметь толщину более одного дюйма в поперечном сечении и обладать такими свойствами при комнатной температуре, как прочность на растяжение по меньшей мере 120 KSI и предел прочности на растяжение по меньшей мере 130 KSI. Отдельные холоднообработанные изделия могут иметь удлинение по меньшей мере 10%.

Некоторые описанные в настоящем изобретении способы включают в себя применение методов холодной обработки, которые до этого считались непригодными для обработки сплава Косака. В частности, было принято считать, что сопротивление сплава Косака пластическому течению при температурах значительно ниже температур горячей прокатки в α-β-области слишком велико для того, чтобы можно было успешно обрабатывать сплав при таких температурах. Авторы настоящего изобретения неожиданно обнаружили, что сплав Косака можно обрабатывать обычными методами холодной обработки при температурах ниже примерно 1250°F (примерно 677°С), и это позволяет получать огромное количество видов продукции, которые невозможно получить посредством горячей прокатки и/или которые значительно дороже в изготовлении с помощью методов горячей обработки. Некоторые описанные здесь способы намного проще, чем, например, обычный метод пакетной прокатки, описанный выше для случая изготовления листа из сплава Ti-6Al-4V. Также отдельные описанные здесь методы не дают такого уровня потерь готовой продукции и не требуют таких затрат энергии, которые присущи способам высокотемпературной обработки до конечного размера и/или формы. Еще одно преимущество состоит в том, что определенные механические свойства вариантов сплава Косака приближаются к свойствам сплава Ti-6Al-4V или превосходят их, что позволяет производить изделия, которые ранее было невозможно получать из сплава Ti-6Al-4V, но которые имеют аналогичные свойства.

Эти и другие преимущества будут очевидны после изучения нижеследующего описания вариантов воплощения изобретения.

Описание вариантов воплощения изобретения

Как отмечалось выше, в патенте США 5980655, выданном на имя Kosaka (Косака), описан альфа-бета (α-β)-титановый сплав и применение такого сплава в качестве баллистической броневой плиты. Патент '655 включен в данное описание в полном объеме посредством этой ссылки. Помимо титана, сплав, описанный и заявленный в патенте '655, содержит легирующие элементы, перечисленные в таблице 1. Для простоты упоминания титановый сплав, содержащий добавки легирующих элементов согласно таблице 1, упоминается в данном описании как сплав Косака.

Таблица 1
Легирующий элемент	Массовый процент
Алюминий	от примерно 2,9 до примерно 5,0
Ванадий	от примерно 2,0 до примерно 3,0
Железо	от примерно 0,4 до примерно 2,0
Кислород	от более 0,2 до примерно 0,3
Углерод	от примерно 0,005 до примерно 0,03
Азот	от примерно 0,001 до примерно 0,02
Другие элементы	менее примерно 0,5

Как описано в патенте '655, сплав Косака может необязательно содержать и другие элементы, кроме перечисленных в таблице 1. Эти другие элементы и их массовые проценты могут включать в себя, без ограничения перечисленным, один или более из следующих: (a) хром - максимум 0,1%, обычно - от примерно 0,0001% до примерно 0,05%, а предпочтительно - вплоть до примерно 0,03%; (b) никель - максимум 0,1%, обычно - от примерно 0,001% до примерно 0,05%, а предпочтительно - вплоть до примерно 0,02%; (с) углерод - максимум 0,1%, обычно - от примерно 0,005% до примерно 0,03%, а предпочтительно - вплоть до примерно 0,01%; и (d) азот - максимум 0,1%, обычно - от примерно 0,001% до примерно 0,02%, а предпочтительно - вплоть до примерно 0,01%.

Компания Wah Chang, Allegheny Technologies Incorporated производит один конкретный коммерческий вариант сплава Косака, имеющий следующий номинальный состав: 4 мас.% алюминия, 2,5 мас.% ванадия, 1,5 мас.% железа и 0,25 мас.% кислорода. Такой номинальный состав упоминается в дальнейшем описании настоящего изобретения как "Ti-4Al-2,5V-1,5Fe-0,25O₂".

В патенте '655 поясняется, что сплав Косака обрабатывают в соответствии с обычной термомеханической обработкой (ТМО), используемой в случае некоторых других α-β-титановых сплавов. В частности, в патенте '655 отмечается, что сплав Косака подвергают деформации давлением при повышенных температурах, лежащих выше температуры полиморфного превращения в бета-фазу (T_β) (которая составляет приблизительно 1800°F (примерно 982°С) для сплава Ti-4Al-2,5V-1,5Fe-0,25O₂), а затем подвергают дополнительной термомеханической обработке давлением при температуре ниже Т_β. Эта обработка обеспечивает возможность промежуточной рекристаллизации бета-фазы (т.е. температура >T_β) перед циклом термомеханической обработки в α-β-области.

Патент '655, в частности, направлен на изготовление баллистической броневой плиты из сплава Косака с получением при этом продукта, имеющего смешанную α+β-микроструктуру. Стадии обработки в α+β-области, описанные в упомянутом патенте, обычно представляют собой следующее: (1) β-ковка слитка выше Т_β для формирования промежуточного сляба; (2) α-β-ковка промежуточного сляба при температуре ниже Т_β; (3) α-β-прокатка сляба для формирования плиты; и (4) отжиг плиты. В патенте '655 сказано, что стадия нагрева слитка до температуры выше Т_β может включать в себя, например, нагрев слитка до температуры от примерно 1900°F до примерно 2300°F (от примерно 1038°С до примерно 1260°С). Последующая стадия α-β-ковки промежуточного по толщине сляба при температуре ниже Т_β может включать в себя, например, ковку сляба при температуре в α+β-области температур. Более конкретно, в этом патенте описана α-β-ковка сляба при температуре, которая находится в диапазоне от примерно 50°F до примерно 200°F (от примерно 28°С до примерно 111°С) ниже Т_β, т.е. составляет от примерно 1550°F до примерно 1775°F (от примерно 843°С до примерно 968°С). Затем сляб подвергают горячей прокатке в аналогичной α-β-области температур, например, от примерно 1550°F до примерно 1775°F (от примерно 843°С до примерно 968°С), для формирования плиты требуемой толщины, имеющей благоприятные баллистические свойства. В патенте '655 описана последующая стадия отжига, следующая за стадией α-β-прокатки и проводимая при температуре от примерно 1300°F до примерно 1500°F (от примерно 704°С до примерно 816°С). В конкретных примерах, приведенных в патенте '655, плиты из сплава Косака были сформованы посредством того, что сплав подвергли β- и α-β-ковке, горячей α-β-прокатке при 1600°F (примерно 871°С) или 1700°F (примерно 927°С), а затем "смягчающему" (т.е. улучшающему пластичность) отжигу при примерно 1450°F (примерно 788°С). Следовательно, в патенте '655 предложено получать баллистическую плиту из сплава Косака посредством способа, включающего в себя горячую прокатку сплава в пределах α-β-области температур до требуемой толщины.

В ходе изготовления баллистической броневой плиты из сплава Косака согласно способу обработки, описанному в патенте '655, авторы настоящего изобретение неожиданно и к своему удивлению обнаружили, что ковка и прокатка, осуществляемые при температурах ниже Т_β, приводят к значительно меньшему растрескиванию, и что нагрузки на валки, испытываемые во время прокатки при таких температурах, были существенно меньшими, чем для слябов эквивалентного размера из сплава Ti-6Al-4V. Иными словами, авторы изобретения неожиданно обнаружили, что сплав Косака проявлял меньшее сопротивление пластическому течению при повышенных температурах. Без намерения ограничиться какой-либо конкретной рабочей теорией, авторы полагают, что этот эффект, по меньшей мере частично, обусловлен снижением упрочнения материала при повышенных температурах из-за содержания железа и кислорода в сплаве Косака. Этот эффект проиллюстрирован в следующей таблице 2, где приведены измеренные механические свойства образца сплава Ti-4Al-2,5V-1,5Fe-0,25O₂ при различных повышенных температурах.

Таблица 2
Температура, °F	Предел текучести (KSI)	Предел прочности на растяжение (KSI)	Удлинение (%)
800	63,9	85,4	22
1000	46,8	67,0	32
1200	17,6	34,4	62
1400	6,2	16,1	130
1500	3,1	10,0	140

Хотя было замечено, что сплав Косака имеет пониженное сопротивление пластическому течению при повышенных температурах во время изготовления баллистической плиты из этого материала, окончательные механические свойства отожженной плиты находились в общих пределах с подобной продукцией в виде плит, полученной из сплава Ti-6Al-4V. Например, в следующей таблице 3 представлены механические свойства 26 горячекатаных баллистических броневых плит, изготовленных из двух слитков массой 8000 фунтов из сплава Ti-4Al-2,5V-1,5Fe-0,25O₂. Результаты в таблице 3 и другие наблюдения авторов свидетельствуют, что продукты с толщиной поперечного сечения менее, например, примерно 2,5 дюйма, сформированные из сплава Косака с помощью раскрытых здесь способов, могут иметь минимальный предел текучести в 120 KSI, минимальный предел прочности на растяжение в 130 KSI и минимальное удлинение в 12%. Однако возможно, что изделия с такими механическими свойствами и гораздо большим поперечным сечением, таким как менее 4 дюймов, можно изготовить посредством холодной обработки на определенных крупномасштабных прокатных полосовых станах. Эти свойства вполне сопоставимы со свойствами сплава Ti-6Al-4V. Например, в Справочнике по свойствам материалов, в разделе "Титановые сплавы" (Material Properties Handbook, Titanium Alloys) (ASM International, 2d printing, January 1988), стр.526, сообщаются следующие свойства на растяжение при комнатной температуре: предел текучести 127 KSI, предел прочности 138 KSI и удлинение 12,7% для сплава Ti-6Al-4V, прокатанного поперечно при 955°С (примерно 1777°F) и подвергнутого отжигу для улучшения пластичности. В том же тексте на стр.524 перечислены типичные свойства при испытании на растяжение для Ti-6Al-4V: предел текучести 134 KSI, предел прочности 144 KSI и удлинение 14%. Хотя свойства при испытании на растяжение зависят от вида продукта, его поперечного сечения, направления измерения и термообработки, приведенные выше свойства для сплава Ti-6Al-4V дают основание для общей оценки относительных свойств сплава Косака при испытании на растяжение.

Таблица 3
Свойства при испытании на растяжение
Продольные
Предел текучести	120,1-130,7 KSI
Предел прочности	133,7-143,1 KSI
Удлинение	13-19%
Поперечные
Предел текучести	122,6-144,9 KSI
Предел прочности	134,0-155,4 KSI
Удлинение	15-20%

Авторы настоящего изобретения также заметили, что холоднокатаный сплав Ti-4Al-2,5V-1,5Fe-0,25O₂ обладает несколько лучшей пластичностью, чем материал из сплава Ti-6Al-4V. Например, в одной последовательности испытаний, описанной ниже, дважды подвергнутый холодной прокатке и отожженный материал из сплава Ti-4Al-2,5V-1,5Fe-0,25O₂ выдержал изгиб с радиусом 2,5Т как в продольном, так и в поперечном направлениях.

Таким образом, замеченное уменьшение сопротивления пластическому течению при повышенных температурах дает возможность изготавливать изделия из сплава Косака, применяя методы обработки давлением и формовки, которые ранее считались непригодными для использования как в случае сплава Косака, так и сплава Ti-6Al-4V, при этом достигая механических свойств, типично ассоциируемых со сплавом Ti-6Al-4V. Например, описанная ниже работа показывает, что сплав Косака можно легко подвергать выдавливанию при повышенных температурах, обычно считающихся "умеренными" в титановой промышленности, что представляет собой такой метод обработки, который не предполагается в патенте '655. Исходя из результатов экспериментов по выдавливанию при этих повышенных температурах, для обработки сплава Косака можно использовать, как полагают, и другие методы формовки при повышенных температурах, которые включают в себя, без ограничения перечисленным, штамповку в закрытых штампах, волочение и ротационное выдавливание ("спинингование") при повышенных температурах. Также можно осуществлять прокатку при умеренной температуре или других повышенных температурах для получения относительно тонкой плиты или листа и тонкой полосы. Эти возможности обработки существенно выходят за рамки способа горячей обработки, описанного в патенте '655 для получения горячекатаной плиты, и позволяют получать такие виды продукции, которые невозможно легко изготовить из сплава Ti-6Al-4V, но которые, тем не менее, будут иметь механические свойства, подобные свойствам сплава Ti-6Al-4V.

Авторы настоящего изобретения также неожиданно и к своему удивлению обнаружили, что сплав Косака обладает значительной степенью формуемости в холодном состоянии. Например, опыты по холодной прокатке образцов из сплава Ti-4Al-2,5V-1,5Fe-0,25O₂, описанные ниже, давали обжатие по толщине в приблизительно 37%, прежде чем появились первые краевые трещины. Эти образцы были вначале изготовлены посредством способа, подобного обычному способу изготовления броневой плиты, и имели довольно крупную микроструктуру. Уменьшение размера зерен в микроструктуре образцов путем усиленной обработки давлением в α-β-области и избирательного отжига для снятия напряжений позволило достичь обжатия в холодном состоянии вплоть до 44%, прежде чем потребовался снимающий напряжения отжиг для обеспечения возможности дальнейшего обжатия в холодном состоянии. В ходе этой работы авторы обнаружили, что сплав Косака может быть подвергнут холодной обработке до гораздо более высоких прочностей, и при этом он все еще будет сохранять некоторую степень пластичности. Это не замеченное ранее явление делает возможным производство из сплава Косака холоднокатаной продукции в длинных рулонах, но с механическими свойствами сплава Ti-6Al-4V.

Формуемость в холодном состоянии сплава Косака, который имеет относительно высокие уровни содержания кислорода, является интуитивно непонятной. Например, титан марки 4 СР (от англ. "Commercially Pure" - технически чистый), имеющий относительно высокий уровень содержания кислорода в примерно 0,4 мас.%, дает минимальное удлинение примерно 15% и известен тем, что является менее формуемым, чем другие марки технически чистого титана. За исключением некоторых марок технически чистого титана, единственным α-β-титановым сплавом, способным поддаваться холодной обработке и производимым в значительном промышленном объеме, является сплав Ti-3Al-2,5V (номинально содержащий, в массовых процентах: 3 алюминия, 2,5 ванадия, макс.0,25 железа, макс. 0,05 углерода и макс.0,02 азота). Авторы заметили, что варианты сплава Косака имеют такую же способность к формоизменению в холодном состоянии, как и сплав Ti-3Al-2,5V, но при этом обладают более благоприятными механическими свойствами. Единственным коммерчески важным не α-β-титановым сплавом, который способен легко поддаваться формоизменению в холодном состоянии, является сплав Ti-15V-3Al-3Cr-3Sn, который был разработан в качестве поддающейся холодной прокатке альтернативы листу из сплава Ti-6Al-4V. Хотя сплав Ti-15V-3Al-3Cr-3Sn производится в виде трубы, полосы, плиты и в других формах, он остается специальным продуктом, объем производства которого не достигает объема производства сплава Ti-6Al-4V. Выплавка и обработка сплава Косака может быть значительно менее дорогостоящей, чем у специальных титановых сплавов, таких как Ti-15V-3Al-3Cr-3Sn.

Учитывая обрабатываемость сплава Косака в холодном состоянии и наблюдения авторов при применении методов холодной обработки к этому сплаву, некоторые из которых будут описаны ниже, авторы полагают, что многие методы холодной обработки, которые ранее считались непригодными для сплава Косака, в действительности могут быть использованы для формовки изделий из этого сплава. Обычно, под "холодной обработкой" подразумевается обработка сплава давлением при температуре ниже той, при которой значительно уменьшается напряжение пластического течения материала. В данном контексте понятия "холодная обработка", "холоднообработанный", "холодная формовка" или подобные им термины, или определения "холодный" и "в холодном состоянии", используемые в связи с конкретным методом обработки или формовки, относятся к обработке или к характеристике обработанного изделия, в зависимости от конкретного случая, при температуре не выше примерно 1250°F (примерно 677°С). Предпочтительно, такая обработка происходит при температуре не выше примерно 1000°F (примерно 538°С). Следовательно, например, стадия прокатки, выполняемая на плите из сплава Косака при 950°F (510°С), считается в данном контексте холодной обработкой. Также термины "обработка" и "формовка" используются здесь в целом взаимозаменяемо, также как и термины "формуемость" и "обрабатываемость" и им подобные термины.

Методы холодной обработки, которые можно применять для сплава Косака, включают в себя, например, холодную прокатку, холодное волочение, холодное выдавливание (прессование и экструзию), холодную штамповку (ковку), периодическую/пилигримовую прокатку, холодное ротационное обжатие, ротационное выдавливание и вращательное выдавливание (спинингование). Как известно в данной области техники, холодная прокатка обычно заключается в пропускании подвергнутых ранее горячей прокатке изделий, таких как прутки, листы, плиты или полоса, через клеть с валками, часто несколько раз, до тех пор, пока не будет получен заданный размер по толщине. Принято считать, что, в зависимости от исходной структуры после горячей (α-β) прокатки и отжига, при холодной прокатки сплава Косака можно достичь относительного обжатия по площади поперечного сечения (RA, от англ. "reduction in area") в по меньшей мере 35-40%, прежде чем потребуется какой-либо отжиг перед дальнейшей холодной прокаткой. Возможными считаются последующие степени обжатия в холодном состоянии в по меньшей мере 30-60%, в зависимости от ширины продукта и конфигурации прокатного стана.

Возможность производить тонкую рулонную полосу и лист из сплава Косака является существенным усовершенствованием. Сплав Косака имеет свойства, подобные свойствам сплава Ti-6Al-4V, а иногда и более высокие. В частности, проведенные авторами исследования показывают, что сплав Косака имеет улучшенную пластичность по отношению к сплаву Ti-6Al-4V, о чем свидетельствуют свойства удлинения и изгиба. В течение более 30 лет сплав Ti-6Al-4V был основным использовавшимся титановым сплавом. Однако, как отмечалось выше, лист из сплава Ti-6Al-4V и из многих других титановых сплавов обычно производят путем сложной и дорогостоящей обработки. Это обусловлено тем, что прочность сплава Ti-6Al-4V слишком высока для холодной прокатки, причем материал упрочняется вследствие образования преимущественной текстуры, и это приводит к практически полному отсутствию свойств пластичности в поперечном направлении. Лист из сплава Ti-6Al-4V обычно производится в виде отдельных листов методом пакетной прокатки. Отдельные листы из сплава Ti-6Al-4V потребовали бы гораздо большего усилия в прокатном стане, чем могут обеспечить большинство существующих прокатных станов, причем этот материал все же требует прокатки именно в горячем состоянии. Отдельные листы быстро теряют тепло, и поэтому они потребовали бы подогрева после каждого прохода. Поэтому листы/плиты промежуточной толщины из сплава Ti-6Al-4V складывают в пакет по два или больше и помещаются в стальную оболочку, которую прокатывают целиком. Однако, поскольку в промышленном масштабе при помещении в металлическую оболочку не используется вакуумное уплотнение, то после горячей прокатки каждый лист требует ленточной шлифовки и пескоструйной обработки для удаления хрупкого оксидного слоя, что сильно затрудняет пластическую обработку. В процессе шлифовки образуются метки от абразива, которые действуют как места возникновения трещин в этом чувствительном к надрезу материале. Поэтому такие листы необходимо также протравливать для удаления меток от ударов. Кроме того, каждый лист обрезают со всех сторон, обычно оставляя необрезанными 2-4 дюйма на одной стороне для захвата листа роликами при шлифовке в шлифовальном устройстве. Обычно с каждой поверхности сошлифовывается, по меньшей мере, примерно 0,003 дюйма и вытравливается, по меньшей мере, примерно 0,001 дюйма, что приводит к потерям, которые обычно составляют, по меньшей мере, примерно 0,008 дюйма с одного листа. Например, для получения листа с конечной толщиной 0,025 дюйма прокатанный до готового размера лист должен иметь толщину 0,033 дюйма вследствие потерь в примерно 24% на шлифовку и травление, и это без учета потерь на обрезку. Стоимость стали для металлической оболочки, стоимость шлифовальных лент и трудозатраты, связанные с обработкой отдельных листов после пакетной прокатки, делают листы с толщиной 0,040 дюйма или менее довольно дорогими.

Поэтому становится понятным, что возможность получения холоднокатаного α-β-титанового сплава в виде непрерывного рулона (сплав Ti-6Al-4V обычно производят в форме листов стандартных размеров 36×96 дюймов и 48×120 дюймов), имеющего механические свойства, подобные свойствам сплава Ti-6Al-4V или лучше, является существенным усовершенствованием.

Исходя из наблюдений авторов изобретения, на сплаве Косака можно также осуществлять холодную прокатку прутков, стержней и проволоки на различных станах сортового проката, включая станы Коха. Дополнительные примеры методов холодной обработки, которые можно использовать для формовки изделий из сплава Косака, включают в себя пилигримовую прокатку (периодическую прокатку) выдавленных гильз для изготовления бесшовной трубы, трубки и трубопровода. Исходя из наблюдаемых свойств сплава Косака, можно полагать, что большее обжатие по площади поперечного сечения (RA) можно обеспечить при формовке компрессионного типа, чем при плоской прокатке. Можно также осуществлять волочение прутка, проволоки, стержня и гильзы. Особенно привлекательным применением сплава Косака является волочение или пилигримовая прокатка гильз для получения бесшовных труб, чего особенно трудно достичь в случае со сплавом Ti-6Al-4V. Вращательное выдавливание (также именуемое как раскатка сдвигом) можно осуществлять с использованием сплава Косака для получения осесимметричных полых форм, включая конусы, цилиндры, трубопроводы воздушных летательных аппаратов, сопла (сопловой аппарат) и другие конструктивные элементы "направляющего поток" типа. Можно применять различные операции формовки жидкостью или газом сжимающего или расширяющего типа, такие как гидроформовка или рельефная формовка. Можно осуществлять профилирование заготовок непрерывного типа на роликовой листогибочной машине для получения конструкционных вариантов "угловых" или "одноопорных" обобщенных конструктивных элементов. Кроме того, согласно заключениям авторов изобретения, к сплаву Косака можно применять операции, обычно связанные с обработкой листового металла, такие как штамповка, точное формообразование заготовок, штамповка на прессе, глубокая вытяжка и чеканка.

Кроме описанных выше методов холодной формовки, предполагается, что для формовки изделий из сплава Косака можно использовать и другие методы "холодной" обработки, без ограничения перечисленным, такие методы как ковка, выдавливание, вращательное выдавливание, гидроформовка, рельефная формовка, профилирование листового металла на роликовой листогибочной машине, ротационное обжатие, штамповка ударным выдавливанием, формовка (штамповка) взрывом, штамповка резиной, обратная штамповка, пробивка, ротационное выдавливание, гибка с вытяжкой, гибка под прессом, электромагнитная формовка и высадка в холодном состоянии. Специалисты в данной области техники после анализа рассуждений и выводов авторов изобретения и других деталей, представленных в настоящем описании, смогут легко предусмотреть дополнительные методы холодной обработки/формовки, которые можно применить к сплаву Косака. Специалисты также смогут легко применить такие методы к данному сплаву без ненужного экспериментирования. Поэтому здесь описаны только отдельные примеры холодной обработки сплава. С применением таких методов холодной обработки и формовки можно производить широкий ассортимент изделий. Эти изделия включают в себя, без ограничения перечисленным, лист, полосу, фольгу, плиту, стержень, пруток, проволоку, пустотелую трубчатую деталь (гильзу), трубу, трубку, ткань, сетку, конструктивный элемент, конус, цилиндр, патрубок, трубопровод, сопло, сотовую конструкцию, крепежный элемент, заклепку и прокладку.

Сочетание неожиданно низкого сопротивления пластическому течению сплава Косака при повышенных рабочих температурах с неожиданной способностью этого сплава к последующей холодной обработке позволяет во многих случаях получать более дешевую продукцию, чем при использовании обычного сплава Ti-6Al-4V для изготовления той же продукции. Например, предполагается, что из варианта воплощения сплава Косака, имеющего номинальный состав Ti-4Al-2,5V-1,5Fe-0,25O₂, можно производить определенные виды продукции с большим выходом годного, чем из сплава Ti-6Al-4V, благодаря тому, что поверхности и кромки сплава Косака меньше подвержены растрескиванию во время обычной α+β-обработки этих двух сплавов. Поэтому сплав Ti-4Al-2,5V-1,5Fe-0,25O₂ требует меньшей шлифовки поверхности и другого доведения поверхности до кондиции, которые привели бы к потере материала. Во многих случаях эта