Титановый сплав с улучшенными свойствами

Титановый сплав с улучшенными свойствами

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

[0001] Настоящая заявка утверждает приоритет Патентной Заявки США с серийным № 13/349483, поданной 12 января 2012 года, и Патентной заявки Великобритании № 1202769.4, поданной 17 февраля 2012 года, содержание всех из которых включено здесь ссылкой, как если бы они были полностью изложены в настоящем описании.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

I. ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

[0002] Настоящее изобретение в основном относится к титановым (Ti) сплавам. В частности, описаны альфа-бета-Ti-сплавы, имеющие улучшенное сочетание механических характеристик, достигнутое с помощью относительно недорогого состава, а также способы получениния Ti-сплавов.

II. УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0003] Ti-Сплавы нашли широкое применение в вариантах использования, требующих высоких соотношений «прочность-вес», хорошей коррозионной стойкости и сохранения этих свойств при повышенных температурах. Несмотря на эти преимущества, более высокие затраты на сырьевые материалы и обработку Ti-сплавов по сравнению со сталью и прочими сплавами значительным образом ограничивают их использование вариантами применения, где потребность в улучшенных эффективности и технических характеристиках оказывается важнее их сравнительно более высокой стоимости. Некоторые типичные варианты применения, которые выигрывали от привлечения Ti-сплавов в разнообразном качестве, включают, но не ограничиваются таковыми, диски авиационных двигателей, картеры, лопатки вентиляторов и компрессоров; детали корпуса самолетов; ортопедические компоненты; броневая пластина, и разнообразные варианты применения в промышленности и машиностроении.

[0004] Традиционный сплав на Ti-основе, который был успешно использован в многообразных вариантах применения, представляет собой Ti-6Al-4V, который также известен как Ti 6-4. Как следует из наименования, Ti-сплав в общем содержит 6% по весу алюминия (Al) и 4% по весу ванадия (V). Как правило, Ti 6-4 также включает до 0,30% по весу железа (Fe) и до 0,30% по весу кислорода (О). Сплав Ti 6-4 стал общепринятым как «рабочая лошадка» среди титановых сплавов, где соотношение «прочность/вес» при умеренных температурах является ключевым параметром для выбора материала. Сплав Ti 6-4 имеет сбалансированные свойства, которые пригодны для самых многообразных вариантов применения в статических и динамических конструкциях, он может быть надежно обработан для обеспечения постоянных характеристик, и он является сравнительно экономичным.

[0005] Недавно авиакомпании предъявили к конструкции новых авиационных двигателей требования в отношении сокращения выбросов в атмосферу и шума, снижения расходов на топливо, и уменьшения стоимости технического обслуживания и запасных частей. Конкуренция между двигателестроительными фирмами заставила их отреагировать разработкой двигателей с более высокими степенями двухконтурности, более высокими давлениями в компрессоре, и более высокими температурами в турбине. Эти усиленные механические характеристики потребовали применения сплава, который имеет более высокую прочность, чем Ti 6-4, но такую же плотность и примерно эквивалентную пластичность.

[0006] Другие сплавы, такие как TIMETAL® 550 (Ti - 4,0Al - 4,0Mo - 2,0Sn - 0,5Si) и VT 8 (Ti - 6,0Al - 3,2Mo - 0,4Fe - 0,3Si - 0,15O), обеспечивают выигрыш приблизительно в 100 МПа прочности сравнительно с Ti 6-4 от включения кремния в сплав. Однако эти сплавы имеют более высокую плотность и более высокую стоимость изготовления по сравнению с Ti 6-4, поскольку в них используют молибден в качестве основного бета-стабилизирующего элемента, в противоположность ванадию. Сверхнормативные расходы возникают не только из-за высокой стоимости молибдена относительно ванадия, но также вследствие того, что эти сплавы не допускают применения токарных и станочных стружек Ti 6-4 в качестве сырьевого материала.

[0007] Поэтому в промышленности существует потребность в создании экономически выгодного сплава, который имеет высокую прочность, мелкий размер зерен, и в особенности улучшенную долговечность при малоцикловой усталости, при сравнимой плотности, если сопоставлять со сплавом Ti 6-4.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0008] Представлен титановый сплав, имеющий высокую прочность, мелкий размер зерен и низкую стоимость, и способ его изготовления. В частности, соответствующий изобретению сплав обеспечивает повышение прочности примерно на 100 МПа сравнительно с Ti 6-4, при сравнимой плотности и почти эквивалентной пластичности. Это улучшенное сочетание прочности и пластичности сохраняется при высоких скоростях деформации. Высокая прочность соответствующего изобретению сплава позволяет ему достигать значительно большей долговечности до выхода из строя под нагрузкой, ведущей к пластической усталости, при данном напряжении, сравнительно с Ti 6-4. Соответствующий изобретению сплав является в особенности пригодным для самых многообразных вариантов применения, включающих использование в деталях авиационных двигателей. На всем протяжении этого описания соответствующий изобретению сплав называется «сплавом согласно изобретению» или «Ti639».

[0009] Соответствующий изобретению Ti-сплав включает, в весовых процентах, от около 6,0 до около 6,7% алюминия, от около 1,4 до около 2,0% ванадия, от около 1,4 до около 2,0% молибдена, от около 0,20 до около 0,42% кремния, от около 0,17 до около 0,23% кислорода, максимально около 0,24% железа, максимально около 0,08% углерода, и остальное количество составляет титан со случайными примесями. Соответствующий изобретению Ti-сплав предпочтительно включает, в весовых процентах, от около 6,0 до около 6,7% алюминия, от около 1,4 до около 2,0% ванадия, от около 1,4 до около 2,0% молибдена, от около 0,20 до около 0,42% кремния, от около 0,17 до около 0,23% кислорода, от около 0,1 до около 0,24% железа, максимально около 0,08% углерода, и остальное количество составляет титан со случайными примесями. Более предпочтительно сплав включает от около 6,3 до около 6,7% алюминия, от около 1,5 до около 1,9% ванадия, от около 1,5 до около 1,9% молибдена, от около 0,33 до около 0,39% кремния, от около 0,18 до около 0,21% кислорода, от 0,1 до 0,2% железа, от 0,01 до 0,05% углерода, и остальное количество составляет титан со случайными примесями. Еще более предпочтительно, соответствующий изобретению Ti-сплав включает, в весовых процентах, около 6,5% алюминия, около 1,7% ванадия, около 1,7% молибдена, около 0,36% кремния, около 0,2% кислорода, около 0,16% железа, около 0,03% углерода, и остальное количество составляет титан со случайными примесями.

[0010] Соответствующий изобретению Ti-сплав также может включать случайные примеси или прочие добавленные элементы, такие как Co, Cr, Cu, Ga, Hf, Mn, N, Nb, Ni, S, Sn, P, Ta, и Zr, в концентрациях, связанных с уровнями загрязнения для каждого элемента. Максимальная концентрация любого из элементов в качестве случайных примесей или другого добавленного элемента предпочтительно составляет около 0,1% по весу, и совокупная концентрация всех загрязняющих примесей и/или добавленных элементов предпочтительно не превышает в целом величины около 0,4% по весу.

[0011] Сплавы согласно настоящему изобретению могут состоять по существу из перечисленных элементов. Будет понятно, что в дополнение к этим элементам, которые являются обязательными, в составе могут присутствовать другие неспецифические элементы, при условии, что их присутствие не будет оказывать вредного влияние на существенные характеристики состава материала.

[0012] Соответствующий изобретению сплав, имеющий представленный состав, имеет предел текучести при растяжении (TYS) по меньшей мере около 145 ksi (1000 МПа), и предел прочности на разрыв (UTS) по меньшей мере около 160 ksi (1103 МПа) как в продольном, так и в поперечном направлениях, в комбинации с уменьшением поперечного сечения (RA) по меньшей мере около 25% и относительным удлинением (EI) по меньшей мере около 10%, когда оценку проводят с использованием стандарта ASTM Е8.

[0013] Соответствующий изобретению Ti-сплав может быть сделан доступным во многих общеупотребительных формах изделий, включающих сутунку, пруток, проволоку, плиту и лист. Ti-Сплав может быть прокатан в плиту, имеющую толщину между около 0,020 дюйма (0,508 мм) до около 4 дюймов (101,6 мм). В одном конкретном варианте применения соответствующий изобретению сплав выполнен в виде плиты, имеющей толщину около 0,8 дюйма (20,32 мм).

[0014] Также описан способ изготовления соответствующего изобретению сплава, включающего, в весовых процентах, от около 6,0 до около 6,7% алюминия, от около 1,4 до около 2,0% ванадия, от около 1,4 до около 2,0% молибдена, от около 0,20 до около 0,42% кремния, от около 0,17 до около 0,23% кислорода, от около 0,1 до около 0,24% железа, максимально около 0,08% углерода, и остальное количество составляет титан со случайными примесями. Предпочтительно Ti-сплав получают на стадиях, на которых расплавляют комбинацию повторно используемых и/или не бывших в употреблении материалов, включающую надлежащие пропорции алюминия, ванадия, молибдена, кремния, кислорода, железа, углерода и титана, в печи с холодным подом с образованием расплавленного сплава, и разливают указанный расплавленный сплав в литейную форму. Повторно используемые материалы могут включать, например, токарные и станочные стружки сплава Ti 6-4, и технически чистый (CP) титановый скрап. Не бывшие в употреблении материалы могут включать, например, губчатый титан, железный порошок и алюминиевый сферический порошок. В альтернативном варианте, повторно используемые материалы могут включать токарные стружки Ti 6-4, губчатый титан, и/или комбинацию лигатур, железа и алюминиевого сферического порошка.

[0015] Соответствующий изобретению сплав, раскрытый в этом описании, обеспечивает сравнимую альтернативу традиционным сплавам Ti 6-4, в то же время соответствуя механическим характеристикам или превосходя их, как регламентированным в аэрокосмической промышленности для Ti 6-4.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0016] Сопроводительные чертежи, которые включены в настоящее изобретение и составляют его часть, иллюстрируют примерные варианты осуществления раскрытого изобретения и служат для разъяснения принципов раскрытого изобретения.

[0017] Фигура 1 представляет блок-схему, иллюстрирующую способ получения соответствующего изобретению сплава согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.

[0018] Фигура 2А представляет микрофотографию сплава Ti 6-4.

[0019] Фигура 2В представляет микрофотографию сравнительного сплава, содержащего Ti-6Al-2,6V-1Mo.

[0020] Фигура 2С представляет микрофотографию сравнительного сплава, содержащего Ti-6Al-2,6V-1Mo-0,5Si.

[0021] Фигура 2D представляет микрофотографию Ti-сплава в соответствии с одним примерным вариантом осуществления настоящего изобретения.

[0022] Фигура 3 представляет схему, иллюстрирующую факторы, влияющие на разнообразные свойства сплава, обусловленные составом сплава.

[0023] Фигура 4 представляет график, изображающий результаты испытания на малоцикловую усталость при комнатной температуре с использованием гладких испытательных образцов соответствующего изобретению сплава, отобранных поперек направления конечной прокатки плиты, сравнительно с Ti 6-4.

[0024] Фигура 5 представляет график, изображающий результаты испытания на малоцикловую усталость при комнатной температуре с использованием испытательных образцов с надрезом из соответствующего изобретению сплава, отобранных поперек направления конечной прокатки плиты, сравнительно с Ti 6-4.

[0025] Фигура 6 представляет график, изображающий результаты испытания на малоцикловую усталость при комнатной температуре с использованием гладких испытательных образцов соответствующего изобретению сплава, отобранных вдоль направления конечной прокатки плиты, сравнительно с Ti 6-4.

[0026] Фигура 7 представляет график, изображающий результаты испытания на малоцикловую усталость при комнатной температуре с использованием испытательных образцов с надрезом из соответствующего изобретению сплава, отобранных вдоль направления конечной прокатки плиты, сравнительно с Ti 6-4.

[0027] Фигура 8 представляет график, показывающий результаты испытания на высокую скорость деформации соответствующего изобретению сплава, сравнительно с Ti 6-4.

[0028] На всем протяжении чертежей одинаковые кодовые номера и буквенные обозначения, если не оговорено иное, использованы для обозначения сходных признаков, элементов, компонентов или частей иллюстрированных вариантов исполнения. В то время как раскрытое изобретение подробно описано со ссылкой на фигуры, это сделано так в связи с показательными вариантами исполнения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0029] Описаны примерные Ti-сплавы, имеющие хорошие механические свойства, которые сформированы с использованием материалов с приемлемо низкой стоимостью. Эти Ti-сплавы особенно пригодны для использования в многообразных вариантах применения, включающих детали самолетов, которые требуют более высокой прочности и устойчивости к малоцикловой усталости, по сравнению с Ti 6-4, причем такие варианты применения включают, но не ограничиваются таковыми, лопатки, диски, картеры, конструкции пилонов или шасси. Дополнительно, Ti-сплавы пригодны для общих конструкционных деталей с использованием титановых сплавов, где было бы предпочтительным более высокое отношение прочности к весу. Соответствующий изобретению сплав на всем протяжении описания настоящего изобретения называется «сплавом согласно изобретению» или «Ti639».

[0030] Соответствующий изобретению Ti-сплав включает, в весовых процентах, от около 6,0 до около 6,7% алюминия, от около 1,4 до около 2,0% ванадия, от около 1,4 до около 2,0% молибдена, от около 0,20 до около 0,42% кремния, от около 0,17 до около 0,23% кислорода, максимально около 0,24% железа, максимально около 0,08% углерода, и остальное количество составляет титан со случайными примесями. Соответствующий изобретению Ti-сплав предпочтительно включает, в весовых процентах, от около 6,0 до около 6,7% алюминия, от около 1,4 до около 2,0% ванадия, от около 1,4 до около 2,0% молибдена, от около 0,20 до около 0,42% кремния, от около 0,17 до около 0,23% кислорода, от около 0,1 до около 0,24% железа, максимально около 0,08% углерода, и остальное количество составляет титан со случайными примесями. Более предпочтительно сплав включает от около 6,3 до около 6,7% алюминия, от около 1,5 до около 1,9% ванадия, от около 1,5 до около 1,9% молибдена, от около 0,33 до около 0,39% кремния, от около 0,18 до около 0,21% кислорода, от 0,1 до 0,2% железа, от 0,01 до 0,05% углерода, и остальное количество составляет титан со случайными примесями. Еще более предпочтительно, соответствующий изобретению Ti-сплав включает, в весовых процентах, около 6,5% алюминия, около 1,7% ванадия, около 1,7% молибдена, около 0,36% кремния, около 0,2% кислорода, около 0,16% железа, около 0,03% углерода, и остальное количество составляет титан со случайными примесями.

[0031] Алюминий в качестве легирующего элемента в титане представляет собой альфа-стабилизатор, который повышает температуру, при которой альфа-фаза является стабильной. Алюминий может присутствовать в соответствующем изобретению сплаве в количестве, в весовых процентах, от около 6,0 до около 6,7%. В частности, алюминий присутствует в количестве около 6,0, около 6,1, около 6,2, около 6,3, около 6,4, около 6,5, около 6,6, или около 6,7% по весу. Алюминий предпочтительно присутствует в количестве, в весовых процентах, от около 6,4 до 6,7%. Еще более предпочтительно, алюминий присутствует в количестве около 6,5% по весу. Если концентрация алюминия превышает верхние пределы, раскрытые в этом описании, значительно ухудшается обрабатываемость сплава, и становятся худшими пластичность и ударная вязкость. С другой стороны, введение алюминия на уровнях ниже раскрытых в этом описании пределов может приводить к сплаву, в котором достаточная прочность не может быть получена.

[0032] Ванадий в качестве легирующего элемента в титане представляет собой бета-изоморфный стабилизатор, который снижает температуру бета-превращения. Содержание ванадия в соответствующем изобретению сплаве в весовых процентах может составлять от около 1,4 до около 2,0%. В частности, ванадий присутствует в количестве около 1,4, около 1,5, около 1,6, около 1,7, около 1,8, около 1,9, или около 2,0% по весу. Ванадий предпочтительно присутствует, в весовых процентах, в количестве от около 1,5 до около 1,9%. Более предпочтительно, ванадий присутствует в количестве около 1,7% по весу. Если концентрация ванадия превышает верхние пределы, раскрытые в этом описании, содержание бета-стабилизатора в сплаве будет слишком высоким, приводя к возрастанию плотности относительно Ti 6-4. Кроме того, если бы концентрацию ванадия повышали относительно содержания молибдена, проявлялась бы тенденция к увеличению размеров зерен первичной альфа-фазы. С другой стороны, применение уровней содержания ванадия, которые являются слишком низкими, может иметь результатом ухудшение прочности и пластичности сплава, так как сплав склонен становиться ближе к альфа-фазе, нежели к подлинному альфа-бета-сплаву. Фигура 3 представляет схематическую диаграмму, показывающую соображения относительно оптимизации уровней содержания ванадия и молибдена в сплаве согласно изобретению.

[0033] Молибден в качестве легирующего элемента в титане представляет собой бета-изоморфный стабилизатор, который снижает температуру бета-превращения. Использование надлежащего количества молибдена, чтобы вызвать измельчение размера зерен первичной альфа-фазы, может обеспечить улучшенную пластичность и усталостную долговечность по сравнению со сплавом, в котором применяют только ванадий в качестве бета-стабилизирующего элемента. Молибден может присутствовать в соответствующем изобретению сплаве в количестве, в весовых процентах, от около 1,4 до около 2,0%. В частности, молибден присутствует в количестве около 1,4, около 1,5, около 1,6, около 1,7, около 1,8, около 1,9, или около 2,0% по весу. Молибден предпочтительно присутствует в количестве, в весовых процентах, от около 1,5 до около 1,9%. Еще более предпочтительно, молибден присутствует в количестве около 1,7% по весу. Если концентрация молибдена превышает верхние пределы, раскрытые в этом описании, имеет место технический недостаток в повышенной плотности относительно Ti 6-4, и это имеет экономические и промышленные последствия, поскольку преобладание сплава Ti 6-4 как промышленного титанового сплава проявляется в большом количестве скрапа, доступного для введения в слитки, имеющие такой состав. Поскольку совокупное содержание бета-стабилизатора в сплаве ограничено для регулирования плотности, долю бета-стабилизаторов, добавляемых в виде молибдена, ограничивают, чтобы оптимизировать экономические показатели производства. С другой стороны, применение молибдена на уровнях ниже раскрытых в этом описании пределов может иметь результатом ухудшение прочности и пластичности сплава, так как сплав склонен становиться ближе к альфа-фазе, нежели к подлинному альфа-бета-сплаву.

[0034] Кремний в качестве легирующего элемента в титане представляет собой бета-эвтектоидный стабилизатор, который снижает температуру бета-превращения. Кремний может повышать прочность и снижать плотность титановых сплавов. Дополнительно, добавление кремния обеспечивает требуемый предел прочности на разрыв без существенной потери пластичности, в особенности когда оптимизирован баланс молибдена и ванадия. Кроме того, кремний обеспечивает механические свойства при растяжении при повышенных температурах относительно Ti 6-4, и подобные сплаву TIMETAL® 550. Кремний может присутствовать в соответствующем изобретению сплаве в количестве, в весовых процентах, от около 0,2 до 0,42%. В частности, кремний присутствует в количестве около 0,20, около 0,22, около 0,24, около 0,26, около 0,28, около 0,30, около 0,32, около 0,34, около 0,36, около 0,38, около 0,40, или около 0,42% по весу. Кремний предпочтительно присутствует в количестве, в весовых процентах, от около 0,34 до 0,38%. Более предпочтительно, кремний присутствует в количестве около 0,36%. Если концентрация кремния превышает верхние пределы, раскрытые в этом описании, будет ухудшаться пластичность и ударная вязкость сплава. С другой стороны, применение уровней содержания кремния ниже раскрытых в этом описании пределов может приводить к сплаву, который имеет плохую прочность.

[0035] Железо в качестве легирующего элемента в титане представляет собой бета-эвтектоидный стабилизатор, который снижает температуру бета-превращения, и железо представляет собой упрочняющий элемент в титане при температурах окружающей среды. Железо может присутствовать в сплаве согласно изобретению в максимальном количестве 0,24% по весу. В частности, железо может присутствовать в количестве около 0,04, около 0,8, около 0,10, около 0,12, около 0,15, около 0,16, около 0,20, или около 0,24% по весу. Железо предпочтительно присутствует, в весовых процентах, от около 0,10 до около 0,20%. Более предпочтительно, железо присутствует в количестве около 0,16% по весу. Если концентрация железа превышает раскрытые в этом описании верхние пределы, потенциально будет возникать проблема ликвации в сплаве, и тем самым будут снижаться пластичность и формуемость. С другой стороны, применение железа на уровнях содержания ниже раскрытых в этом описании пределов может давать сплав, который не в состоянии достигать желательных характеристик высокой прочности, глубокой прокаливаемости и превосходной пластичности.

[0036] Кислород в качестве легирующего элемента в титане представляет собой альфа-стабилизатор, и кислород представляет собой эффективный упрочняющий элемент в титановых сплавах при температурах окружающей среды. Кислород может присутствовать в соответствующем изобретению сплаве в весовых процентах от около 0,17 до около 0,23%. В частности, кислород присутствует в количестве около 0,17, около 0,18, около 0,19, около 0,20, около 0,21, около 0,22, или около 0,23% по весу. Кислород предпочтительно присутствует в количестве, в весовых процентах, от около 0,19 до около 0,21%. Более предпочтительно, кислород присутствует в количестве около 0,20% по весу. Если содержание кислорода является слишком низким, прочность может быть слишком низкой, и стоимость Ti-сплава может возрастать, поскольку металлический лом не будет пригодным для применения при выплавке Ti-сплава. С другой стороны, если содержание кислорода является слишком большим, будут ухудшаться пластичность, ударная вязкость и формуемость.

[0037] Углерод в качестве легирующего элемента в титане представляет собой альфа-стабилизатор, который повышает температуру, при которой альфа-фаза является стабильной. Углерод может присутствовать в соответствующем изобретению сплаве с максимальным процентным содержанием около 0,08%. В частности, углерод присутствует в количестве около 0,01, около 0,02, около 0,03, около 0,04, около 0,05, около 0,06, около 0,07, или около 0,08% по весу. Углерод предпочтительно присутствует в количестве, в весовых процентах, от около 0,01 до около 0,05%. Более предпочтительно, углерод присутствует в количестве около 0,03%. Если содержание углерода является слишком низким, прочность сплава может быть слишком низкой, и стоимость Ti-сплава может возрастать, поскольку металлический лом не будет пригодным для применения при выплавке Ti-сплава. С другой стороны, если содержание углерода является слишком большим, то будет снижаться пластичность сплава.

[0038] Сплавы согласно настоящему изобретению могут состоять по существу из перечисленных элементов. Будет понятно, что в дополнение к тем элементам, которые являются обязательными, могут присутствовать неспецифические элементы в составе, при условии, что их наличие не будет оказывать вредного влияние на существенные характеристики состава материала.

[0039] Соответствующий изобретению Ti-сплав также может включать случайные загрязняющие примеси или прочие добавленные элементы, такие как Co, Cr, Cu, Ga, Hf, Mn, N, Nb, Ni, S, Sn, P, Ta, и Zr, в концентрациях, связанных с уровнями загрязнения для каждого элемента. Максимальная концентрация любого из элементов в качестве случайных примесей или другого добавленного элемента предпочтительно составляет около 0,1% по весу, и совокупная концентрация всех загрязняющих примесей и/или добавленных элементов предпочтительно не превышает в целом величины около 0,4% по весу.

[0040] Плотность сплава согласно изобретению рассчитывается составляющей между около 0,1614 фунтов на кубический дюйм (фунт/дюйм³) (4,47 г/см³) и около 0,1639 фунт/дюйм³ (4,54 г/см³), с номинальной плотностью около 0,1625 фунт/дюйм³ (4,50 г/см³).

[0041] Соответствующий изобретению сплав имеет бета-трансус (температуру превращения бета-фазы в альфа-фазу) от около 1850°F (1010°С) до около 1904°F (1040°С). Микроструктура сплава согласно изобретению является показательной для сплава, обработанного ниже бета-трансуса. Как правило, микроструктура соответствующего изобретению сплава имеет размер зерен первичной альфа-фазы по меньшей мере столь же мелким, или мельче, чем в Ti 6-4. В частности, микроструктуры соответствующего изобретению сплава включают первичную альфа-фазу (белые частицы) на фоне превращенной бета-фазы (темный фон). Предпочтительным является получение микроструктуры, в которой размер зерен первичной альфа-фазы является настолько мелким, насколько возможно, чтобы сохранять пластичность по мере того, как прочность сплава возрастает в результате вариации состава. В одном варианте исполнения размер зерен первичной альфа-фазы может быть меньше, чем около 15 мкм.

[0042] Соответствующий изобретению Ti-сплав достигает превосходных механических свойств при растяжении. Например, когда анализируют согласно стандарту ASTM E8, Ti-сплав согласно изобретению имеет предел текучести при растяжении (TYS) по меньшей мере около 145 ksi (1000 МПа), и предел прочности на разрыв (UTS) по меньшей мере около 160 ksi (1103 МПа) вдоль как поперечного, так и продольного направлений. Дополнительно, Ti-сплав имеет относительное удлинение по меньшей мере около 10%, и уменьшение поперечного сечения (RA) по меньшей мере около 25%.

[0043] Соответствующий изобретению титановый сплав имеет молибденовую эквивалентность (Mo_eq) от 2,6 до 4,0, причем молибденовая эквивалентность определяется как: Mo_eq=Mo+0,67V+2,9Fe. В одном конкретном варианте применения Mo_eq составляет 3,3.

[0044] Соответствующий изобретению титановый сплав имеет алюминиевую эквивалентность (Al_eq) от 10,6 до около 12,9, причем алюминиевая эквивалентность определяется как: Al_eq=Al+27О. В одном конкретном варианте применения Al_eq составляет 11,9.

[0045] Дополнительно, соответствующий изобретению сплав сохраняет свое прочностное преимущество перед Ti 6-4 при высоких скоростях деформации, в то же время проявляя эквивалентную Ti 6-4 пластичность. Кроме того, баллистическое испытание показало, что соответствующий изобретению сплав проявляет устойчивость к воздействию фрагментов, имитирующих пули, которая является равной или большей, чем эта характеристика для Ti 6-4. В частности, соответствующий изобретению сплав демонстрирует значение V50 по меньшей мере 60 fps (фут/сек) (18,3 м/сек) в баллистическом испытании, проводимом с использованием Fragment Simulating Projectiles (FSP) (поражающих элементов типа «осколочный имитатор») калибра 0,50 Cal. (12,7 мм). В конкретных вариантах применения соответствующий изобретению сплав демонстрирует значение V50 по меньшей мере 80 fps (24,4 м/сек). Кроме того, соответствующий изобретению сплав проявляет сравнимую вязкость разрушения, когда сравнивают с Ti 6-4. Как в случае Ti 6-4, соответствующий изобретению сплав признан способным к ряду комбинаций характеристик, в зависимости от технологических условий производства и термической обработки материала.

[0046] Соответствующий изобретению сплав может быть переработан в разнообразные изделия или детали, имеющие многообразное применение. Например, из соответствующего изобретению сплава могут быть сформированы детали самолетов, такие как диски, картеры, конструкции пилонов или шасси, а также автомобильные части. В одном конкретном варианте применения соответствующий изобретению сплав используют в качестве лопасти вентилятора.

[0047] Также раскрыт способ изготовления Ti-сплава, имеющего хорошие механические свойства. Способ включает стадии, на которых проводят плавку комбинации исходных материалов в надлежащих пропорциях для получения соответствующего изобретению сплава, включающего по весу от около 6,0 до около 6,7% алюминия, от около 1,4 до около 2,0% ванадия, от около 1,4 до около 2,0% молибдена, от около 0,20 до около 0,42% кремния, от около 0,17 до около 0,23% кислорода, от около 0,1 до около 0,24% железа, максимально около 0,08% углерода, и остальное количество составляет титан со случайными примесями. Плавка может быть выполнена, например, в печи с холодным подом, необязательно с последующим повторным плавлением в вакуумной дуговой печи (VAR) для вторичной переплавки. В альтернативном варианте, изготовление слитка может быть выполнено многократным плавлением в VAR-печах. Исходные материалы могут включать комбинацию повторно используемых и не бывших в употреблении материалов, таких как титановый скрап и губчатый титан, в сочетании с небольшими количествами железа. По большинству условий рынка, применение повторно используемых материалов обеспечивает значительную экономию затрат. Применяемые повторно используемые материалы могут включать, но не ограничиваются таковыми, сплавы Ti 6-4, Ti-10V-2Fe-3Al, другие Ti-Al-V-Fe-сплавы, и технически чистый (CP) титан. Повторно используемые материалы могут быть в форме станочных обрезков (токарной стружки), сплошных кусков, или переплавленных электродов. Применяемые не бывшие в употреблении материалы могут включать, но не ограничиваются таковыми, губчатый титан, лигатуры «алюминий-ванадий»; «алюминий-молибден»; и «титан-кремний», железный порошок, кремниевые гранулы, или алюминиевый сферический порошок. Поскольку применение Ti-Al-V-сплава в качестве повторно используемых материалов позволяет сократить количество используемой алюминий-ванадиевой лигатуры или вообще не применять ее, может быть достигнута значительная экономия расходов. Однако это не исключает использования и добавления свежих сырьевых материалов, включающих губчатый титан и легирующие элементы, нежели повторно используемых материалов, если это желательно.

[0048] Способ получения также может включать стадии, на которых расплавляют слитки сплава и подвергают соответствующий изобретению сплав проковке в последовательности выше и ниже температуры бета-превращения, с последующей проковкой и/или прокаткой ниже температуры бета-превращения. В одном конкретном варианте применения, способ получения Ti-сплава используют для получения деталей авиационных систем, и даже более конкретно, для изготовления пластин, применяемых в производстве лопастей компрессоров.

[0049] Блок-схема, которая показывает примерный способ получения Ti-сплавов, приведена в Фигуре 1. Сначала на стадии 100 готовят желательное количество сырьевых материалов, имеющих надлежащие концентрации и пропорции. Сырьевые материалы включают повторно используемые материалы, хотя они могут быть объединены со свежими сырьевыми материалами с подходящим составом в любых комбинациях.

[0050] После приготовления сырьевые материалы расплавляют и отливают для получения слитка на стадии 110. Плавление может быть выполнено, например, в VAP-печи, плазменной дуговой плавкой, электронно-лучевой плавкой, гарнисажной плавкой с расходуемым электродом, или их комбинациями. В одном конкретном варианте применения, с использованием VAP получают слитки двойного переплава и разливают непосредственно в кристаллизатор, имеющий цилиндрическую форму.

[0051] На стадии 120 слиток подвергают первичной проковке или прокатке. Первичные проковку или прокатку выполняют выше температуры бета-превращения. Если на этой стадии проводят прокатку, то прокатку выполняют в продольном направлении. В одном конкретном варианте применения, слиток титанового сплава нагревают до температуры на величину между около 40 и около 200 градусами Цельсия выше температуры бета-трансуса, и проковывают для разрушения структуры отливки в слитке, и затем охлаждают. Слиток титанового сплава предпочтительно нагревают до температуры, на величину между около 90 и около 115 градусами Цельсия превышающей бета-трансус. Еще более предпочтительно, слиток нагревают до температуры на 90 градусов выше бета-трансуса.

[0052] На стадии 130, которая является необязательной, слиток повторно нагревают ниже температуры бета-превращения и проковывают для деформирования структуры превращения. В одном конкретном варианте применения, слиток повторно нагревают до температуры на величину между около 30 и около 100 градусами Цельсия ниже бета-трансуса. Слиток предпочтительно нагревают до температуры на величину между около 40 и около 60 градусами Цельсия ниже бета-трансуса. Более предпочтительно, слиток повторно нагревают до температуры примерно на 50 градусов Цельсия ниже бета-трансуса.

[0053] Затем, на стадии 140, которая является необязательной, слиток повторно нагревают до температуры выше температуры бета-трансуса, чтобы обеспечить рекристаллизацию бета-фазы, затем проковывают до деформации по меньшей мере 10 процентов, и резко охлаждают водой. В одном конкретном варианте применения, слиток повторно нагревают до температуры на величину между около 30 и около 150 градусами Цельсия выше температуры бета-трансуса. Слиток предпочтительно повторно нагревают до температуры на величину между около 40 и около 60 градусами Цельсия выше температуры бета-трансуса. Еще более предпочтительно, слиток повторно нагревают до температуры примерно на 40 градусов Цельсия выше температуры бета-трансуса.

[0054] На стадии 150 слиток подвергают дополнительной проковке и/или прокатке для получения плиты, прутка или сутунки. Прокованный слиток, полученный на стадии 120, или на необязательных стадиях 130 или 140, если их выполняли, повторно нагревают до температуры на величину между около 30 и около 100 градусами Цельсия ниже бета-трансуса, и прокатывают в плиту, пруток или сутунку с желательными размерами, причем материал повторно нагревают, если необходимо, для достижения желательных размеров и микроструктуры. В одном конкретном варианте применения, слиток повторно нагревают до температуры на величину между около 30 и около 100 градусами Цельсия ниже температуры бета-трансуса. Слиток предпочтительно повторно нагревают до температуры на величину между около 40 и около 60 градусами Цельсия ниже температуры бета-трансуса. Более предпочтительно, слиток повторно нагревают до температуры примерно на 50 градусов Цельсия ниже температуры бета-трансуса.

[0055] Прокатку плиты типично (но необязательно) выполняют по меньшей мере в два прохода таким образом, чтобы материал можно было повернуть на 90 градусов между проходами, чтобы стимулировать развитие микроструктуры плиты. Конечные проковку и прокатку выполняют ниже температуры бета-превращения, причем прокатку проводят в продольном и поперечном направлениях относительно оси слитка.

[0056] Затем слиток на стадии 160 подвергают отжигу, который предпочтительно выполняют ниже температуры бета-превращения. Готовый прокатанный продукт может иметь толщину, которая варьирует, но не ограничивается этим, от около 0,020 дюйма (0,508 мм) до около 4,0 дюймов (101,6 мм). В некоторых вариантах отжиг плит может быть выполнен с плитой, зажатой для обеспечения того, что плита будет соответствовать требуемой геометрической форме после охлаждения. В еще одном варианте применения, плиты могут быть нагреты до температуры отжига, и затем выровнены перед отжигом.

[0057] В некоторых вариантах применения, прокатка до размеров менее около 0,4 дюйма (10,16 мм) может быть выполнена способом горячей прокатки для получения намотанного в рулон или полосового продукта. В еще одном дополнительном варианте применения, прокатка в тонкий лист может быть выполнена в условиях горячей прокатки в листы как отдельные листы или как многочисленные листы, упакованные в стальные контейнеры.

[0058] Дополнительные подробности в отношении примерных титановых сплавов и способов их получения описаны в нижеследующих Примерах.

ПРИМЕРНЫЕ ВАРИАНТЫ ИСПОЛНЕНИЯ

[0059] Приведенные в этом разделе примеры служат для иллюстрации применяемых стадий обработки, полученного состава и последующих свойств Ti-сплавов, полученных согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. Ti-Сплавы и связанные с ними способы получения, которые описаны ниже, приведе