專利名稱：高強(qiáng)度α/β 鈦合金緊固件和緊固件坯料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)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。
背景技術(shù)：
鈦合金通常具有高強(qiáng)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(dòng)機(jī)機(jī)架以及機(jī)械緊固件。減輕飛機(jī)重量能夠節(jié)省燃料，因此航天工業(yè)中存在減輕飛機(jī)重量的強(qiáng)勁需求。鈦和鈦合金由于具有高強(qiáng)度重量比，因此是在飛機(jī)應(yīng)用中實(shí)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(qiáng)度不足以滿足特定應(yīng)用的特殊機(jī)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T1-6A1_4V鈦合金(ASTM Grade5、UNS R56400、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)ASTM E8/E8M-09 (“Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials”，ASTM International, 2009)確定的 170ksi (I, 172MPa)極限拉伸強(qiáng)度(UTS)，以及根據(jù)NASM1312-13(“Methodl3-Double Shear'Aerospace Industries Association-NationalAerospace Standard (Metric), 2003 年 2 月 I 日)確定的 103ksi (710MPa)雙剪切強(qiáng)度(DSS)0鐵基和鎳基超合金，例如，A286鐵基超合金(UNS S66286)是具有下一等級(jí)強(qiáng)度的用于航天緊固件應(yīng)用中的代表材料。冷拉和時(shí)效A286金屬緊固件的典型最低強(qiáng)度規(guī)格是180ksi (l，241MPa)UTS 和 108ksi (744MPa)DSS。合金718鎮(zhèn)基超合金(N07718)是具有最聞等級(jí)強(qiáng)度的用于航天緊固件中的材料。冷拉和時(shí)效合金718超合金緊固件的典型規(guī)格下限是220ksi (l，517MPa)UTS和120ksi(827MPa)DSS。此外，目前用作或者考慮用作高強(qiáng)度緊固件材料的兩種β鈦合金具有ISOksi(1,241.1MPa)的最低極限拉伸強(qiáng)度以及108ksi (744.6MPa)的最低DSS。賓夕法尼亞州Jenkintown的SPS Technologies提供一種鈦合金緊固件，所述緊固件由符合T1-3Al-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I英寸(2.54cm)的SPS螺栓。Alcoa Fastening Systems (AFS)已開發(fā)出一種高強(qiáng)度鈦緊固件，所述緊固件由符合T1-5Al-5Mo-5V-3Cr-0.5Fe鈦合金(也稱為Ti_5553、UNS未指定)的標(biāo)稱化學(xué)組成的鈦合金制成，所述T1-5Al-5Mo-5V-3Cr-0.5Fe鈦合金為近β鈦合金。據(jù)稱，AFS T1-5553合金緊固件具有190ksi( 1，309MPa)的拉伸強(qiáng)度，大于10%的伸長(zhǎng)率，以及對(duì)于無涂層零件113ksi (779MPa)的最低DSS和對(duì)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，ATI 425': α/β鈦合金的密度為約0.1611bs/in3 (4.5g/cm3),而 β 欽合金 T1-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo 的密度為約 0.1741bs/in3 (4.8g/cm3),近 β 合金T1-5Al-5Mo-5V-3Cr_0.5Fe 的密度為約 0.1681bs/in3(4.7g/cm3)。用密度較小鈦合金制造的緊固件能夠進(jìn)一步節(jié)省航天應(yīng)用的重量。此外，固溶處理的時(shí)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(jī)械性質(zhì)，例如，高周疲勞。α/β鈦合金的β轉(zhuǎn)變溫度(Te)也高于β鈦合金。例如,ΑΤΙ 425 α/β鈦合金的Te為約1,800 0F(982.2°C)，而 T1-5Al-5Mo-5V-3Cr-0.5Fe@ 鈦合金的 T0 為約 1，500 °F (815.6°C)。這兩種形式鈦合金的Te差異能夠增大α/β鈦合金的α/β相場(chǎng)中的熱機(jī)械加工和熱處理的溫度窗口。由于不斷需要通過減輕飛機(jī)重量來節(jié)省燃料消耗，因此需要改進(jìn)航天應(yīng)用中的輕質(zhì)緊固件。具體來說，強(qiáng)度大于由T1-6Al_4Va/i3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(shì)。

發(fā)明內(nèi)容
在根據(jù)本發(fā)明的非限制實(shí)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(jì)):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(dá)0.08的碳；多達(dá)0.05的氮；鈦；以及總共多達(dá)0.3的其它元素。在一個(gè)非限制實(shí)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 (I, 172MPa)的極限拉伸強(qiáng)度和至少103ksi (710.2MPa)的雙剪切強(qiáng)度。在根據(jù)本發(fā)明的另一非限制實(shí)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(jì)):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(dá)0.08的碳；多達(dá)0.05的氮；總共多達(dá)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、鑰、鉻、鎳、硅、銅、鈮、鉭、錳和鈷，其中每一個(gè)這樣的元素的重量百分?jǐn)?shù)為0.1及以下；以及硼和釔，其中每一個(gè)這樣的元素的重量百分?jǐn)?shù)為0.005以下。在一個(gè)非限制實(shí)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 (I, 172MPa)的極限拉伸強(qiáng)度和至少103ksi (710.2MPa)的雙剪切強(qiáng)度。在根據(jù)本發(fā)明的另一非限制實(shí)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?jǐn)?shù)計(jì)):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(dá)0.08的碳；多達(dá)0.05的氮；鈦；以及總共多達(dá)0.3的其它元素。對(duì)進(jìn)行所述α / β鈦合金熱軋，之后在I小時(shí)至2小時(shí)的退火時(shí)間內(nèi)和1，200 °F (648.9°C)至1，400 °F (760°C )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(shí)至2小時(shí)的固溶處理時(shí)間內(nèi)和1，500 0F (815.6°C)至1，700 0F (926.7°C )的固溶處理溫度下對(duì)所述α / β鈦合金進(jìn)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 /β鈦合金，然后在4小時(shí)至16小時(shí)的時(shí)效時(shí)間內(nèi)和800 0F (426.7°C)M I, 000 0F (537.8°C)的時(shí)效處理溫度下對(duì)其進(jìn)行時(shí)效處理。時(shí)效處理之后，用空氣冷卻所述鈦合金。在一個(gè)非限制實(shí)施方案中，根據(jù)前述方法實(shí)施方案制成的α/β鈦合金具有至少170ksi(l，172MPa)的極限拉伸強(qiáng)度和至少103ksi (710.2MPa)的雙剪切強(qiáng)度。附圖簡(jiǎn)述參考以下附圖可以更清楚地了解本文所述方法的特征和優(yōu)點(diǎn)，其中:

圖1是根據(jù)本發(fā)明的緊固件的非限制實(shí)施方案的示意圖；圖2是用于制備根據(jù)本發(fā)明的緊固件和緊固件坯料的方法的非限制實(shí)施方案的流程圖；圖3是通過根據(jù)本發(fā)明的非限制實(shí)施方案制成的緊固條材和線材的極限拉伸強(qiáng)度圖，將這些性質(zhì)與T1-6A1-4V鈦合金緊固條材和線材的要求進(jìn)行比較；圖4是通過根據(jù)本發(fā)明的非限制實(shí)施方案制成的緊固條材和線材的屈服強(qiáng)度圖，將這些性質(zhì)與T1-6A1-4V鈦合金緊固條材和線材的要求進(jìn)行比較；以及圖5是通過根據(jù)本發(fā) 明的非限制實(shí)施方案制成的緊固條材和線材的伸長(zhǎng)率圖，將這些性質(zhì)與T1-6A1-4V鈦合金緊固條材和線材的要求進(jìn)行比較。在考慮以下對(duì)本發(fā)明方法的特定非限制實(shí)施方案的詳細(xì)說明之后，讀者將了解前述細(xì)節(jié)以及其它內(nèi)容。
具體實(shí)施例方式在本非限制實(shí)施方案說明中，除了操作實(shí)例之外或除非另作說明，否則表示數(shù)量或性質(zhì)的所有數(shù)字均理解成在任何情況下由“約”修飾。因此，除非指出相反意思，否則以下說明中的所有數(shù)值參數(shù)均為近似值，可以隨著意圖獲得的目標(biāo)材料性質(zhì)以及根據(jù)本發(fā)明的方法而變。至少，并且不意圖限制權(quán)利要求范圍等效物教義的應(yīng)用，每個(gè)數(shù)值參數(shù)應(yīng)至少符合報(bào)告的有效數(shù)位的數(shù)目，并且使用普通四舍五入技術(shù)。被描述成以引用方式全文或部分并入本文的任何專利、出版物或其它公開材料必須滿足以下前提:并入的材料不得與本公開內(nèi)容中闡明的現(xiàn)有定義、聲明或其它公開材料沖突。因此，在必要情況下，本文中闡明的公開內(nèi)容優(yōu)先于以引用方式并入本文的任何沖突材料。被描述成以引用方式并入本文中、但與本文闡明的現(xiàn)有定義、聲明或其它公開材料沖突的任何材料，或者這些材料的任何部分，僅在并入材料與現(xiàn)有公開材料之間不存在沖突的情況下并入?，F(xiàn)在參照?qǐng)D1，本發(fā)明的一方面涉及一種選自鈦合金緊固件10和鈦合金緊固件坯料(未圖示)的制品。在一個(gè)非限制實(shí)施方案中，所述制品包括α/β鈦合金，所述α/β鈦合金包括(以重量百分?jǐn)?shù)計(jì)):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(dá)0.08的碳；多達(dá)0.05的氮；鈦；以及總共多達(dá)0.3的其它元素。在本發(fā)明的非限制實(shí)施方案中，合金成分中提及的其它元素包括或基本上由以下元素中的一種或多種組成:錫、鋯、鑰、鉻、鎳、硅、銅、鈮、鉭、錳和鈷，每種元素各自的最大濃度為0.1重量％;以及硼和釔，每種元素各自的最大濃度為0.005重量％，所有其它元素的總和不超過0.3重量％。在一個(gè)非限制實(shí)施方案中，對(duì)于直徑在0.18英寸(4.57_)至1.25英寸(31.8_)的緊固件，根據(jù)本發(fā)明的α/β鈦制品具有至少170ksi (1，172MPa)的極限拉伸強(qiáng)度以及至少103ksi(710.2MPa)的雙剪切強(qiáng)度(DSS)。在本發(fā)明的非限制實(shí)施方案中，緊固件可以具有盡可能小的直徑。在非限制實(shí)施方案中，根據(jù)本發(fā)明的緊固件具有至少10%的伸長(zhǎng)率。在某些非限制實(shí)施方案中，根據(jù)本發(fā)明的緊固件或緊固件坯料中包括的α/β鈦合金的元素成分被美國專利號(hào)5，980，655 (“’ 655專利)中公開的合金成分包括在內(nèi)，所述專利以引用方式全文并入本文中?！?55專利公開了一種具有下表I中所示成分的合金。表權(quán)利要求
1.一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?jǐn)?shù)計(jì)): 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(dá)0.08的碳； 多達(dá)0.05的氮； 鈦；以及 總共多達(dá)0.3的其它元素； 其中所述制品具有至少170ksi(l，172MPa)的極限拉伸強(qiáng)度和至少103ksi(710.2MPa)的雙剪切強(qiáng)度。
2.按權(quán)利要求1所述的制品，其中所述制品包括多達(dá)0.75英寸(1.91cm)的直徑，并且具有至少180ksi (l，241MPa)的極限拉伸強(qiáng)度以及至少108ksi (744.6MPa)的雙剪切強(qiáng)度。
3.按權(quán)利要求1所述的制品，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、鑰、鉻、鎳、硅、銅、鈮、鉭、錳和鈷，其中每一個(gè)這樣的元素的重量百分?jǐn)?shù)為0.1及以下；以及硼和釔，其中每一個(gè)這樣的元素的重量百分?jǐn)?shù)為小于0.005。
4.按權(quán)利要求1或2所述的制品，其中所述緊固件包括以下項(xiàng)中的一個(gè):螺栓、螺母、螺柱、螺釘、墊圈、鎖緊墊圈以及鉚釘。
5.一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，其基本上由以下成分組成(以重量百分?jǐn)?shù)計(jì)): 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(dá)0.08的碳； 多達(dá)0.05的氮； 不超過總共0.3的其它元素； 鈦； 附帶雜質(zhì)； 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、鑰、鉻、鎳、硅、銅、鈮、鉭、錳和鈷，其中每一此類元素的重量百分?jǐn)?shù)為0.1及以下；以及硼和釔，其中每一此類元素的重量百分?jǐn)?shù)為小于0.005 ;以及 其中所述制品具有至少170ksi(l，172MPa)的極限拉伸強(qiáng)度和至少103ksi(710.2MPa)的雙剪切強(qiáng)度。
6.按權(quán)利要求5所述的制品，其中所述制品包括多達(dá)0.75英寸(1.91cm)的直徑，并且具有至少180ksi (l，241MPa)的極限拉伸強(qiáng)度以及至少108ksi (744.6MPa)的雙剪切強(qiáng)度。
7.按權(quán)利要求5或6所述的制品，其中所述緊固件包括以下項(xiàng)中的一個(gè):螺栓、螺母、螺柱、螺釘、墊圈、鎖緊墊圈以及鉚釘。
8.一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?jǐn)?shù)計(jì)): 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(dá)0.08的碳； 多達(dá)0.05的氮； 鈦；以及 總共多達(dá)0.3的其它元素； 在所述鈦合金的α/β相中對(duì)所述鈦合金進(jìn)行熱軋； 在I小時(shí)至2小時(shí)的退火時(shí)間內(nèi)及1，200 0F (648.9°C)至1，400 0F (760°C)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(shí)至2小時(shí)的固溶處理時(shí)間內(nèi)及1，500 °F (815.6°C)至1，700 °F (926.7°C)的固溶處理范圍下對(duì)所述鈦合金進(jìn)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(shí)至16小時(shí)的時(shí)效處理時(shí)間內(nèi)及800 0F (426.7V )至1,000 0F (537.8°C)的時(shí)效處理溫度下對(duì)所述鈦合金進(jìn)行時(shí)效處理；以及用空氣冷卻所述鈦合金。
9.按權(quán)利要求8所述的方法，其中所述α/β鈦合金的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、鑰、鉻、鎳、硅、銅、鈮、鉭、錳和鈷，其中每一個(gè)這樣的元素的重量百分?jǐn)?shù)為0.1及以下；以及硼和釔，其中每一個(gè)這樣的元素的重量百分?jǐn)?shù)為小于0.005ο
10.按權(quán)利要求8所述的方法，其中所述熱軋?jiān)诒人鲡伜辖鸬摩罗D(zhuǎn)變溫度低50°F(27.8°C)到比所述鈦合金的所述β轉(zhuǎn)變溫度低600 0F (333.3°C)的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。
11.按權(quán)利要求8所述的方法，進(jìn)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(shí)現(xiàn)截面積的縮小小于10%并進(jìn)行退火處理。
12.按權(quán)利要求11所述的方法，其進(jìn)一步包括在冷拉之前用固體潤(rùn)滑劑涂覆所述鈦合金。
13.按權(quán)利要求12所述的方法，其中所述固體潤(rùn)滑劑是二硫化鑰。
14.按權(quán)利要求8所述的方法，其中所述退火溫度是1，275T (690.6°C)，并且所述退火時(shí)間是I小時(shí)。
15.按權(quán)利要求8所述的方法，其中在加工所述鈦合金之前對(duì)所述鈦合金進(jìn)行涂覆。
16.按權(quán)利要求8所述的方法，其中在所述固溶處理步驟之后的冷卻包括以下項(xiàng)中的一個(gè):空氣冷卻、水冷卻以及水淬火。
17.按權(quán)利要求8所述的方法，其中所述固溶處理溫度是1，610°F (876.7°C)，并且所述鈦合金的冷卻包括水淬火。
18.按權(quán)利要求8所述的方法，其中對(duì)所述鈦合金進(jìn)行時(shí)效處理包括在10個(gè)小時(shí)內(nèi)及850 0F (454.4 °C )下進(jìn)行時(shí)效處理。
全文摘要
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?jǐn)?shù)計(jì))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(dá)0.08的碳；多達(dá)0.05的氮；鈦；以及多達(dá)0.3的其它元素。在某些實(shí)施方案中，所述制品具有至少170ksi(1,172MPa)的極限拉伸強(qiáng)度和至少103ksi(710.2MPa)的雙剪切強(qiáng)度。本發(fā)明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。
文檔編號(hào)C22F1/18GK103097560SQ201180043325
公開日2013年5月8日 申請(qǐng)日期2011年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月23日
發(fā)明者D·J·布賴恩 申請(qǐng)人:Ati資產(chǎn)公司