專利名稱：制造具有增強特性的鈦合金線材的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制造鈦合金線材的方法，更特別地，涉及這樣一種方法，在該方法中，增強材料如TiB和/或TiC的沉淀型非連續(xù)微粒(precipitateddiscontinuous particulates)被加入到合金中，并且該合金由一種新穎、改進(jìn)的方法加工，從而使得由微粒引起的合金強度變大。
背景技術(shù)：
文獻(xiàn)中關(guān)于通過添加TiB和/或TiC微粒而使普通鈦合金，即Ti-6Al-4V得以加固和增強的方法早有報道。Ti-6Al-4V合金廣泛應(yīng)用于航空領(lǐng)域并且是最廉價的合金之一。航空設(shè)計界對那種不需要花費大量成本就可使此種合金的有益應(yīng)用范圍得以擴大的增強(enhancement)特性有極大的興趣。在上述報道的方法中，TiB和/或TiC添加物在鑄造之前被添加到熔融物中，然后形成Ti-6Al-4V鑄件。這些添加物在所述熔融物中溶解并在冷卻過程中再結(jié)晶，從而形成具有各種不同尺寸的非連續(xù)性增強體(discontinuous reinforcement)。由熱等靜壓(hotisostatic pressing，HIP)和擠壓成型的物品已經(jīng)展示了這種改良的抗張強度和拉伸模量，它們?nèi)Q于TiB和/或TiC添加物的濃度。
上述結(jié)果表明性能的提高與產(chǎn)生的非連續(xù)增強體的數(shù)量以及生成的增強體晶體的尺寸有關(guān)。也就是說，人們期望增強體的體積含量高達(dá)40％并且增強體的尺寸在超細(xì)尺寸范圍內(nèi)。但是，在已知的方法中，含量高出少許百分點的增強體主要在最大尺寸的區(qū)段中，并且增強體的尺寸變化范圍廣泛，而且隨著增強體的體積含量向著最理想的20％-40％的水平增加，增強體向較大尺寸的轉(zhuǎn)變增加了。這是在鑄造或制造過程中大晶粒清除較小晶粒的結(jié)果，并且這種結(jié)果顯然是在這些過程中固有的。這種局限性嚴(yán)重地抑制了非連續(xù)增強型鈦的潛在性能。
本發(fā)明的改良的新方法不具有上述缺點，并具有已用或已知方法不可能擁有的優(yōu)點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明方法主要涉及制造適合電纜/光纖復(fù)合材料應(yīng)用的鈦合金線材，其主要包括通過鑄造坯料或氣體霧化形成所需合金的步驟；熱鍛造以便產(chǎn)生均勻的化學(xué)性質(zhì)和顯微組織的步驟；形成例如直徑約為0.2英寸的條材或卷材的步驟；冷拉成例如直徑約為0.005英寸的線材的步驟。
更明確地，一種優(yōu)選方法包括從富含硼元素的熔融物中通過氣體霧化形成鈦合金粉；在約5000-45000psi例如15000psi的壓力下，在約1650-1750的溫度下，使用熱等靜壓將所述粉末金屬固化成棒材狀，直到完全固化，但保持在β轉(zhuǎn)變所需條件之下，以避免晶粒生長和晶界分離；在溫度大約為1500-2100時，例如1750，熱軋以將所述棒材縮減成條材狀或卷材狀，并完成較大TiB晶粒的初始分解；以大約每道次10％-20％的縮減率冷拉和退火，以避免裂化。根據(jù)本發(fā)明的方法，增加在極低氧條件下退火步驟的頻度是用來減輕加工硬化，也用來再結(jié)晶TiB晶粒至精確尺寸，且TiB晶粒與線軸對齊。這個新型、改良的方法能夠制造精細(xì)鈦合金線材，同時能夠?qū)崿F(xiàn)TiB增強體含量的提高及增強體晶粒尺寸的減小。其他增強材料如TiC可以單獨使用，或與TiB聯(lián)合使用。
具體實施例方式
通過將增強體的沉淀與一種新的改良的線材制造方法結(jié)合起來，從而使本發(fā)明方法發(fā)展成即使在增強體含量很高時，精細(xì)晶粒狀的增強體仍然能夠占大多數(shù)。典型的適用于電纜/光纖復(fù)合物應(yīng)用的，如美國專利第5,763,079號所述的細(xì)線材加工方法，包括四種主要的操作，即，通過鑄造坯料形成所需的合金，通過熱鍛造產(chǎn)生均勻的化學(xué)性質(zhì)和顯微組織，通過熱成形工藝形成直徑約為0.2英寸的棒材(或卷材)，并冷拉成直徑約為0.005英寸的線材。在冷拉期間需要進(jìn)行中間退火操作，以便消除殘余應(yīng)力并恢復(fù)延展性，從而進(jìn)行更多的拉伸操作。這個基本線材形成工藝用于以最少的操作工序、最少的影響長度連續(xù)性的斷裂、并通過熱成形、熱擠壓及最終的冷拉操作來實現(xiàn)斷面的收縮。
根據(jù)本發(fā)明可以發(fā)現(xiàn)線材拉伸加工過程可被設(shè)計或修改，從而不僅可以實現(xiàn)斷面收縮的基本目的，而且還可控制顯微組織的進(jìn)化。本發(fā)明線材拉伸方法可以在難熔合金(difficult alloys)中實現(xiàn)改良的顯微組織，而這用其他任何方法都不能實現(xiàn)，并且，這種方法被發(fā)展為用于生產(chǎn)非連續(xù)增強型Ti-6Al-4V合金，同時實現(xiàn)TiB含量增加和增強體晶粒尺寸變小的目的。
本發(fā)明線材形成方法以從富含硼元素的熔融物中得到的Ti-6Al-4V合金鑄件作為開始。所述TiB在冷卻時將會沉淀，但冷卻速率(cooling rate)將導(dǎo)致不合需要的較大TiB晶粒生長。為了從最好的顯微組織開始，最好使用由富含硼元素的熔融物通過氣體霧化(gas atomization)而形成的粉末金屬，而不使用鑄件。所述粉末形成工藝使用比鑄造工藝更快的冷卻處理，且其產(chǎn)生較大TiB晶粒的可能性更小。在這種方法中，使用粉末冶金技術(shù)來制備組分均勻的坯料(compositionally uniform billet)，以避免鑄造工藝中固有的晶粒生長和潛在的化學(xué)相分離(chemical segregation)。上述從富含硼元素的Ti-6Al-4V合金中制造形成的金屬合金粉末首先被熱成形為其尺寸與現(xiàn)有工業(yè)線材形成設(shè)備相匹配的棒材。所述棒材被熱軋成直徑約為0.2英寸的條材或卷材，然后此條材或卷材被轉(zhuǎn)移到冷拉操作中。
這種事實已被發(fā)現(xiàn)即選擇合理的冷拉加工條件可導(dǎo)致形成易延展的小直徑精細(xì)線材，且可導(dǎo)致所需線材顯微組織的成功形成，即，較高的濃度及較細(xì)的晶粒。這個改良方法的執(zhí)行需要考慮每個操作中的關(guān)鍵加工條件。冷拉斷面收縮(area reduction)必須充分，從而在每個道次中將小直徑的條材冷加工到中心部位(core)，進(jìn)而維持顯微組織在整個截面的一致性。但是，斷面收縮不能過量，以避免當(dāng)條材或卷材的直徑減小時，在條材或卷材中形成斷裂(fracture)、微裂紋(microcracking)或空洞(void)。在冷拉的初始階段，由于存在較大的TiB晶粒，因此材料在具有較大TiB晶粒的區(qū)域易形成微裂紋和空洞。當(dāng)最大的TiB晶粒存在時，在縮減工序的初始階段，要在斷面收縮與避免微裂紋和空洞的形成之間維持平衡是更困難的，并且當(dāng)TiB晶粒尺寸縮減時，工藝窗口(processingwindow)擴大了。
本發(fā)明的冷拉加工工藝用來分解大TiB晶粒且不形成有害的微裂紋或空洞。我們發(fā)現(xiàn)為減輕加工硬化(work hardening)而增加的頻繁的退火步驟也將會把TiB晶粒再結(jié)晶化至一個精確的尺寸，且TiB晶粒與線軸對齊。退火步驟已被應(yīng)用于已知線材拉伸工序中，但其退火步驟的使用頻度低且持續(xù)的時間短。根據(jù)本發(fā)明，退火步驟使用頻度的增加，提高了對極低氧條件下退火的需求，以避免由氧氣污染和被線材冶金獲取的間隙氧氣(oxygen interstitial)造成的表面材料過度損失，從而可能妨礙TiB增強體加工。因此，本發(fā)明方法能夠?qū)崿F(xiàn)精細(xì)鈦合金線材的制造，同時能夠獲得含量較高的增強體及尺寸較小的增強體晶粒。
根據(jù)本發(fā)明方法的一個優(yōu)選實施例，一種可接受的合金粉末是包含Ti-6Al-4V-1.7B組分、尺寸范圍為-35目(mesh)到+270目的氣體霧化球狀粉末。一種可接受的間隙組分(interstitial content)為含量小于1500ppm的氧。這種性質(zhì)的粉末已被用于制造合成面板，且已被發(fā)現(xiàn)可產(chǎn)生均勻的化學(xué)性質(zhì)和顯微組織。將粉末金屬固化成棒狀是基于對合成面板有效的方法進(jìn)行的。例如，已經(jīng)確定未污染固化模具(non-contaminating consolidation tooling)是必需的，如真空脫氣低碳鋼(vacuum degassed mild steel)或常規(guī)的鈦合金。固化成棒材是通過在約5000-45000psi例如15000psi的壓力和約1650-1750的溫度條件下，使用熱等靜壓實現(xiàn)的。這些條件用以實現(xiàn)完全的固化，并安全地維持在β轉(zhuǎn)變所需的條件之下，以防止晶粒生長和晶界分離。在約1500-2100溫度范圍內(nèi)，例如1750溫度時的熱軋(hot reduction)，用以使所述棒材縮減成條材狀或卷材狀，并完成較大TiB晶粒的初始分解。已經(jīng)確定約50∶1的截面熱軋率(hotreduction in section area)對初始的大TiB晶粒分解是有效的。后續(xù)的冷拉工藝必須在條材或卷材的整個厚度方向上進(jìn)行足夠的冷加工，且退火必須減輕加工硬化且沒有晶粒的生長。已經(jīng)確定每個道次必須具有大約10％的縮減率，以保證冷加工的充分一致性，并避免從標(biāo)稱直徑(nominal diameter)為0.2英寸的條件開始的初始冷拉步驟期間形成的微裂紋和空洞。斷面收縮率可增至每個道次約為15％直到截面縮減工序的中點，并且到截面縮減工序結(jié)束時可能有約20％的斷面收縮率。在惰性氣體中以約1200-2000的溫度，例如，1750的溫度，用加壓的惰性氣體冷卻(forced inert gas cooling)退火約1小時，就可充分消除加工硬化，再結(jié)晶TiB和避免晶粒生長。退火是間斷進(jìn)行的，每次退火的時點對應(yīng)累積截面收縮率大約為50％。
本發(fā)明的上述方法生產(chǎn)出具有體積濃度為1％-50％的微細(xì)晶粒狀TiB增強體的Ti-6Al-4V合金，且所述增強體與線材的軸心對齊。這種方法對多種鈦合金有效，例如Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo合金、Ti-6Al-4Sn-4Zr-1Nb-1Mo-0.2Si合金、Ti-3Al-2.5V合金、Ti-10V-2Fe-3Al合金、Ti-5Al-2.5Sn合金和Ti-8Al-1Mo-1V合金。而且，該方法同樣對其他沉淀型非連續(xù)增強體如TiC，或TiB與TiC的混合物有效。該方法可以使用從富含硼元素的熔融物中鑄造形成的坯料，但由緩慢冷卻的鑄造工序(slow cooled casting)所導(dǎo)致的較大TiB晶粒生長度將引起形成微裂紋和空洞的固有風(fēng)險的增加。線材形成工藝中固有的極高斷面收縮率結(jié)合本發(fā)明提供的適當(dāng)控制的收縮和退火條件后，可生產(chǎn)出其他任何已知冶金方法都不能生產(chǎn)出的高性能鈦合金線材。
以上結(jié)合最佳實施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但本發(fā)明并不局限于以上揭示的實施例，而應(yīng)當(dāng)涵蓋各種根據(jù)本發(fā)明的本質(zhì)進(jìn)行的修改、等效組合。
權(quán)利要求
1.一種制造增強型鈦合金線材的方法，包括形成含有沉淀型非連續(xù)增強材料晶粒的鈦合金坯料；熱成形所述坯料，以將其縮減成條材狀或卷材狀；及在后續(xù)操作中將所述條材或卷材冷拉成直徑變小的線材，所述冷拉操作包括在低氧條件下對所述線材進(jìn)行周期性退火，以減輕加工硬化及對所述增強材料晶粒進(jìn)行再結(jié)晶，以便減小其尺寸。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述坯料在熱成形之前被熱鍛造，以產(chǎn)生均勻的化學(xué)性質(zhì)和顯微組織。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述增強材料為TiB。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述坯料是從富含硼元素的熔融物中鑄造而成的。
5.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述坯料是通過固化鈦合金粉末形成的，所述鈦合金粉末從富含硼元素的熔融物中由氣體霧化形成的。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述粉末是含有Ti-6Al-4V-1.7B合成物、尺寸范圍為-35目到+270目、間隙氧含量小于1500ppm的氣體霧化粉末。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述增強材料為TiC。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述增強材料為TiB和TiC。
9.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述固化是通過壓力為15000psi、溫度為1650-1750的熱等靜壓進(jìn)行的。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述鈦合金為Ti-6Al-4V。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述鈦合金為Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述熱成形是在1750的溫度中進(jìn)行的。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述熱成形導(dǎo)致50∶1的截面熱軋率，以便分解增強材料晶粒和縮減增強材料晶粒的尺寸。
14.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述冷拉操作是周期性進(jìn)行的，以便縮減所述線材的尺寸，且該冷拉操作在所需直徑縮減的前半階段以每次拉伸操作時縮減率為10％的速度進(jìn)行。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述縮減率在直徑縮減的中點時增至15％，并且在接近直徑縮減終點時增至20％。
16.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述退火是指在惰性氣體中用加壓惰性氣體冷卻1小時，所述退火是間斷進(jìn)行的，每次退火的時點對應(yīng)的線材直徑累積截面收縮率為50％。
17.一種制造增強型鈦合金線材的方法，包括從富含硼元素的熔融物中通過氣體霧化形成鈦合金粉末；在一定的熱量和壓力下將所述鈦合金粉末固化成含有沉淀型非連續(xù)TiB增強體晶粒的坯料；熱成形所述坯料，以將其縮減成條材狀或卷材狀，并分解TiB晶粒和縮減TiB晶粒的尺寸；在后續(xù)操作中將所述條材或卷材冷拉成直徑變小的線材，所述冷拉操作包括在低氧條件下對所述線材進(jìn)行周期性退火，以減輕加工硬化及對所述TiB晶粒進(jìn)行再結(jié)晶，以便減小其尺寸。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述粉末是含有Ti-6Al-4V-1.7B合成物、尺寸范圍為-35目到+270目、間隙氧含量小于1500ppm的氣體霧化粉末。
19.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述鈦合金為Ti-6Al-4V。
20.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述鈦合金為Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo。
21.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述固化是通過壓力為15000psi、溫度為1650-1750的熱等靜壓進(jìn)行的。
22.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述熱成形是在1750的溫度中進(jìn)行的。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，所述熱成形導(dǎo)致50∶1的截面熱軋率以分解增強材料晶粒并縮減增強材料晶粒的尺寸。
24.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述冷拉操作是周期性進(jìn)行的，以便縮減所述線材的尺寸，且該冷拉操作在所需直徑縮減的前半階段以每次拉伸操作時縮減率為10％的速度進(jìn)行。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，所述縮減率在直徑縮減的中點時增至15％，并且在接近直徑縮減終點時增至20％。
26.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述退火是指在惰性氣體中用加壓惰性氣體冷卻1小時，所述退火是間斷進(jìn)行的，每次退火的時點對應(yīng)的線材直徑累積截面收縮率為50％。
全文摘要
一種制造增強型鈦合金線材的方法，包括形成含有沉淀型非連續(xù)增強材料例如TiB和/或TiC晶粒的鈦合金坯料。所述坯料可以通過熱固化由氣體霧化形成的鈦合金粉末而形成。所述坯料隨后被熱成形以收縮成條材狀或卷材狀。然后所述條材或卷材經(jīng)受連續(xù)的冷拉操作，以形成直徑縮減了的增強型鈦合金線材。所述冷拉操作包括在低氧條件下的周期性退火操作，用以減輕加工硬化及對所述增強材料晶粒進(jìn)行再結(jié)晶，以便減小其尺寸。
文檔編號C22F1/00GK101068945SQ200580024312
公開日2007年11月7日 申請日期2005年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月22日
發(fā)明者威廉·M·哈努斯科, 杰瑞·L·菲爾德斯, 維森特·哈羅德·哈曼德, 羅伯特·劉易斯·格拉博 申請人:Fmw合成物系統(tǒng)公司