Листовой бета-титановый сплав для применения при повышенной температуре
Изобретение относится к области металлургии, а именно к титановым сплавам, пригодным для холодной прокатки Бета-титановый сплав, пригодный для холодной прокатки, содержит, мас.%: молибден от 13,0 до 20,0, ниобий от 2,0 до 4,0, кремний от 0,1 до 0,4, алюминий от 3,0 до 5,0, цирконий от более 0,0 до 3,0, олово от более 0,0 до 5,0, кислород от более 0,0 до 0,25 и титан и случайные примеси - остальное. В альтернативном варианте содержания компонентов удовлетворяют следующим условиям: 6,0 мас.% ≤ Х мас.% ≤ 7,5 мас.%; 3,5 мас.% ≤ Y мас.% ≤ 5,15 мас.%, где Х мас.% = алюминий + олово/3 + цирконий/6 + 10·(кислород + азот + углерод) и Y мас.% = алюминий + кремний·(цирконий + олово). Сплав характеризуется высокими значениями предела прочности при растяжении, сопротивления ползучести и окислению при высоких температурах. 6 н. и 13 з.п. ф-лы, 6 ил., 9 табл., 2 пр.
Область техники, к которой относится изобретение
Данное раскрытие изобретения, в общем, относится к титановым сплавам. Говоря более конкретно, данное раскрытие относится к титановым сплавам, демонстрирующим наличие комбинации свойств, включающих сопротивление ползучести и окислению, в дополнение к пределу прочности при растяжении при повышенных температурах, которые в то же самое время также могут быть получены в форме холоднокатаного листа.
Уровень техники
Утверждения, приведенные в данном разделе, предоставляют собой просто справочную информацию, относящуюся к настоящему раскрытию изобретения, и могут не составлять предшествующий уровень техники.
Титановые сплавы широко используются в авиационно-космических областях применения вследствие своих превосходного отношения прочности к массе и способности материала выдерживать воздействие высоких температур. Некоторые широко использующиеся титановые сплавы для применения в высокотемпературных двигателях являются псевдо-альфа-титановыми сплавами, такими как Ti-6242S (Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0,1Si), Ti-1100 (Ti-6Al-2,7Sn-4Zr-0,4Mo-0,45Si) и Ti-834 (Ti-5,8Al-4Sn-0,7Nb-0,5Mo-0,3Si-0,006C). Несмотря на то, что данные сплавы обладают превосходными высокотемпературной прочностью и сопротивлением ползучести очень затруднительным является производство данных сплавов в листовой или полосовой форме вследствие их ненадлежащей обрабатываемости в горячем состоянии и ограниченной прокатываемости в холодном состоянии.
Вследствие возрастающих технических требований в авиационно-космических областях применения и в особенности в сфере авиационных турбореактивных двигателей, характеризующихся повышенными рабочими температурами, постоянно необходимы новые и улучшенные титановые сплавы, которые могут удовлетворять возрастающим требованиям к механическим и термическим свойствам при одновременной демонстрации хороших характеристик изготовления.
Сущность изобретения
Настоящее раскрытие в общем случае относится к способному к холодной прокатке бета-титановому сплаву, демонстрирующему наличие комбинации хороших предела прочности при растяжении, сопротивления ползучести и окислению при повышенных температурах (выше приблизительно 1000°F (538°C)). Сплав состоит по существу, при выражении в массовых процентах, из от приблизительно 13,0 до приблизительно 20,0 молибдена (Мо), от приблизительно 2,0 до приблизительно 4,0 ниобия (Nb), от приблизительно 0,1 до приблизительно 0,4 кремния (Si), от приблизительно 3,0 до приблизительно 5,0 алюминия (Al), вплоть до приблизительно 3,0 циркония (Zr), вплоть до приблизительно 5,0 олова (Sn), вплоть до приблизительно 0,25 кислорода (О) и остальное представляет собой титан (Ti) и другие случайные примеси. Необязательные легирующие элементы могут включать, при выражении в массовых процентах, вплоть до приблизительно 1,5 хрома (Cr) и вплоть до приблизительно 2,0 тантала (Та), при этом сумма данных необязательных легирующих элементов составляет менее чем приблизительно 3,0 массового процента (мас.%).
В дополнение к этому, настоящее раскрытие изобретения относится к способному к холодной прокатке бета-титановому сплаву, удовлетворяющему следующим далее условиям:
(i) 6,0 мас.% ≤ Х мас.% ≤ 7,5 мас.%
(ii) 3,5 мас.% ≤ Y мас.% ≤ 5,15 мас.%
где: Х мас.% = Al + Sn/3 + Zr/6 + 10*(O + N + C)
Y мас.% = Al + Si*(Zr + Sn)
Сплавами настоящего раскрытия изобретения являются метастабильные бета-титановые сплавы (β-типа), которые могут представлять собой полосу или быть подвергнуты холодной прокатке до листа в числе других форм заготовок и демонстрируют превосходную формуемость в холодном состоянии совместно с сопротивлением коррозии в рабочих жидкостях для гидравлических систем, использующихся для летательных аппаратов.
Дополнительные области применения станут очевидными после ознакомления с описанием изобретения, предложенным в настоящем документе. Необходимо понимать то, что описание изобретения и конкретные примеры предназначены только для целей иллюстрирования и не предназначены для ограничения объема настоящего раскрытия изобретения.
Краткое описание чертежей
Чертежи, описанные в настоящем документе, предназначены только целей иллюстрирования и не предназначены для ограничения объема настоящего раскрытия изобретения каким бы то ни было образом.
Фиг. 1 представляет собой график данных испытания для бета-титановых сплавов, соответствующих настоящему изобретению, в сопоставлении с тем, что имеет место для сравнительных сплавов, иллюстрирующий увеличение прочности при комнатной температуре по мере увеличения значения Х эквивалентного сплава;
Фиг. 2 представляет собой график данных испытания для бета-титановых сплавов, соответствующих настоящему изобретению, в сопоставлении с тем, что имеет место для сравнительных сплавов, иллюстрирующий ухудшение пластичности при комнатной температуре по мере увеличения значения Х эквивалентного сплава;
Фиг. 3 представляет собой график данных испытания для бета-титановых сплавов, соответствующих настоящему изобретению, в сопоставлении с тем, что имеет место для сравнительных сплавов, иллюстрирующий улучшенное сопротивление ползучести по мере увеличения значения Х эквивалентного сплава;
Фиг. 4 представляет собой график данных испытания для бета-титановых сплавов, соответствующих настоящему изобретению, в сопоставлении с тем, что имеет место для сравнительных сплавов, иллюстрирующий увеличенную прочность при повышенной температуре по мере увеличения значения Y эквивалентного сплава;
Фиг. 5 представляет собой график данных испытания для бета-титановых сплавов, соответствующих настоящему изобретению, в сопоставлении с тем, что имеет место для сравнительных сплавов, иллюстрирующий потери пластичности при комнатной температуре по мере увеличения значения Y эквивалентного сплава; и
Фиг. 6 представляет собой график данных испытания, иллюстрирующий высокотемпературную прочность при растяжении (предел прочности на разрыв или UTS) в сопоставлении с тем, что имеет место для сплава V4, как это продемонстрировано в таблице 4.
Подробное описание изобретения
Следующее далее описание изобретения по самой своей природе представляет собой просто иллюстрацию и не предназначено для ограничения настоящего изобретения или областей его применения или вариантов использования каким бы то ни было образом. Необходимо понимать, что по всему объему описания соответствующие ссылочные позиции указывают на подобные или соответствующие части и признаки.
Раскрытие настоящего изобретения включает способный к холодной прокатке бета-титановый сплав, содержащий молибден в количестве, находящемся в диапазоне от приблизительно 13,0 мас.% до приблизительно 20,0 мас.%, ниобий в количестве, находящемся в диапазоне от приблизительно 2,0 мас.% до приблизительно 4,0 мас.%, кремний в количестве, находящемся в диапазоне от приблизительно 0,1 мас.% до приблизительно 0,4 мас.%, алюминий в количестве, находящемся в диапазоне от приблизительно 3,0 мас.% до приблизительно 5,0 мас.%, цирконий в количестве, доходящем вплоть до приблизительно 3,0 мас.%, олово в количестве, доходящем вплоть до приблизительно 5,0 мас.%, кислород в количестве, доходящем вплоть до приблизительно 0,25 мас.%, и титан и случайные примеси остальное.
Могут быть включены необязательные легирующие элементы, такие как хром в количестве, доходящем вплоть до приблизительно 1,5 мас.%, и тантал в количестве, доходящем вплоть до приблизительно 2,0 мас.%. Однако общее количество хрома и тантала составляет менее, чем приблизительно 3,0 мас.%.
Титановый сплав, соответствующий настоящему раскрытию изобретения, удовлетворяет следующим далее условиям:
(i) 6,0 мас.% ≤ Х мас.% ≤ 7,5 мас.%
(ii) 3,5 мас.% ≤ Y мас.% ≤ 5,15 мас.%
где: Х мас.% = Al + Sn/3 + Zr/6 + 10*(O + N + C)
Y мас.% = Al + Si*(Zr + Sn)
Теперь более подробно будут описываться каждый из легирующих элементов и его критичность для достижения требуемых механических свойств и прокатываемости в холодном состоянии.
Молибден
Молибден (Мо) представляет собой элемент, стабилизирующий бета-фазу, который существенно увеличивает высокотемпературные характеристики прочности и ползучести. Для получения 100 %-ной метастабильной бета-фазы при комнатной температуре в титановом сплаве, содержащем молибден, требуется уровень содержания, составляющий более, чем, по меньшей мере, 10 мас.%. Избыточные количества Мо будут избыточно стабилизировать бета-фазу, что в результате приведет к получению неудовлетворительного отклика на старение, оказывая неблагоприятное воздействие на общие свойства сплава. Поэтому определено, что уровень содержания Мо для данного изобретения должен быть в пределах от 13,0 до 20,0 мас.%.
Ниобий
Ниобий (Nb) используют в сплаве настоящего изобретения для дополнительного уменьшения толщины оксидного слоя и сопротивления образованию зоны, обогащенной кислородом. Данный эффект от Nb в сплаве изобретения в общем случае может наблюдаться при его уровне содержания, составляющем более, чем 2,0 мас.%. Избыточные количества Nb оказывают неблагоприятные воздействия на прочность и сопротивление ползучести при повышенных температурах для сплава, поскольку стабилизируется бета-фаза. Именно по этой причине уровень содержания Nb должен находиться в диапазоне от 2,0 до 4,0 мас.%.
Кремний
Кремний (Si) в настоящем изобретении используют для развития вторичной фазы силицида, которая препятствует движению дислокаций и, таким образом, улучшает прочность при ползучести. Кремний, в общем случае присутствующий в виде твердого раствора, а также дисперсий силицида, также оказывает воздействие на предел прочности при растяжении для сплава изобретения при повышенных температурах. Частицы силицида, как полагают, последовательно высвобождают кремний в окалину во время долговременного воздействия, что увеличивает сопротивление окислению с течением времени. Комбинация из Al и Si будет способствовать уменьшению толщины оксидного слоя в результате формирования сопротивления образованию зоны диффузии кислорода. В случае чрезмерно низкого уровня содержания Si требуемого эффекта в отношении окисления, ползучести и предела прочности при растяжении при повышенной температуре достичь будет нельзя. С другой стороны, увеличенный уровень содержания Si в результате приводит к быстрому уменьшению пластичности, что оказывает неблагоприятное воздействие на формуемость в холодном состоянии. В данном отношении диапазон содержания Si для сплавов настоящего изобретения, как определено, должен находиться в диапазоне от приблизительно 0,1 до приблизительно 0,4 мас.%.
Алюминий
Сплав настоящего изобретения содержит алюминий в количестве, большем, чем для базового материала Ti-21S, в целях достижения более значительных прочности и сопротивления ползучести при повышенных температурах. В случае содержания алюминия, составляющего менее, чем 3,0 мас.%, эффект от упрочнения при образовании твердого раствора будет менее ярко выраженным, поэтому требуемой прочности достичь будет невозможно. В случае превышения содержания алюминия 5,0 мас.% увеличится сопротивление формуемости в горячем состоянии, и ухудшится обрабатываемость в холодном состоянии, что, тем самым, создаст затруднения для прокатываемости в холодном состоянии. Для получения листа требуется проведение частого отжига, что не является экономичным. В соответствии с этим, уровень содержания алюминия в настоящем изобретении находится в диапазоне от приблизительно 3,0 до приблизительно 5,0 мас.% для подавления ухудшения прокатываемости в холодном состоянии при одновременном сохранении эффекта упрочнения при образовании твердого раствора.
Цирконий и олово
В качестве легирующих элементов, соответствующих раскрытию настоящего изобретения, используют цирконий (Zr) и/или олово (Sn), индивидуально или в комбинации, в результате замещения, соответственно, части алюминия. В данном случае один сплав изобретения содержит не более, чем приблизительно 3,0 мас.% Zr и не более, чем приблизительно 5,0 мас.% Sn, а значение «Х» в представленном выше уравнении (i) находится в диапазоне от приблизительно 6,0 до приблизительно 7,5 мас.%. Более высокое значение «Х» для сплава настоящего изобретения обозначает намного более прочный сплав после старения в виде твердого раствора и/или появления выделений альфа-фазы и/или образования силицидов в сопоставлении с тем, что имеет место в предшествующем уровне техники (Ti-21S). «Упорядочение», хорошо известное явление в титановых сплавах, имеет место, как полагают, при алюминиевом эквиваленте, составляющем приблизительно 8 мас.%. Это эффективно ограничивает значение «Х» максимальным значением, составляющим приблизительно 7,5 мас.%, во избежание упорядочения. Меньшие значения «Х» (меньшие, чем приблизительно 6,0 % (масс.)) не обеспечивают получения преимуществ при повышенной температуре для настоящего сплава в сопоставлении с тем, что имеет место в предшествующем уровне техники. Различие алюминиевых эквивалентов между сплавом настоящего изобретения и тем, что имеет место в предшествующем уровне техники, также будет означать различие в способности упрочнения между обоими сплавами.
Цирконий, как это известно, образует непрерывный твердый раствор с титаном и в сплаве настоящего изобретения улучшает прочность при комнатной температуре и увеличивает упрочнение при ползучести даже при участии механизма формирования твердого раствора или в присутствии кремния. Цирконийсодержащие титановые сплавы в результате приводят к образованию комплексного соединения титана-циркония-кремния (TiZr)5Si3, что создает благоприятный эффект в отношения сопротивления ползучести. Путем замещения алюминия также может быть добавлено и олово, поскольку оно дополнительно упрочняет матрицу бета-фазы и выделения альфа-фазы, что в результате приводит к увеличению предела прочности при растяжении при одновременном сохранении пластичности. Однако, избыточное добавление олова в результате будет приводить к потерям пластичности, что, тем самым, оказывает неблагоприятное воздействие на обрабатываемость в холодном состоянии.
Кислород
Кислород (О) в сплаве настоящего изобретения вносит свой вклад в увеличение механической прочности в результате формирования твердого раствора, в основном в альфа-фазе. В то время, как пониженный уровень содержания кислорода не вносит своего вклада в общую прочность сплава, повышенный уровень содержания будет ухудшать пластичность при комнатной температуре. В соответствии с этим, уровень содержания кислорода настоящего раскрытия изобретения не должен превышать приблизительно 0,25 мас.%.
Необязательные легирующие элементы
В соответствии с раскрытием настоящего изобретения необязательные легирующие элементы, отличные от вышеупомянутых легирующих элементов, могут включать хром (Cr) и тантал (Та). Использование каждого из них отдельно или в любой комбинации из данных элементов вносит свой вклад в улучшение свойств в соответствии с приведенным выше, и общий уровень содержания данных легирующих элементов ограничивается значением, составляющим приблизительно 3,0 мас.%. Тантал, в частности, может рассматриваться в качестве легирующей добавки вместо Sn и в результате замещения части Al. Помимо того, что это выгодно для улучшения свойств при повышенной температуре, таких как прочность и сопротивление ползучести, Та эффективен для достижения улучшенного сопротивления окислению. Однако избыточные количества Та могут приводить к проблемам, связанным с расплавом, таким как ликвация, что, таким образом, оказывает неблагоприятное воздействие на общие свойства сплава и увеличивает себестоимость производства. Поэтому определено, что уровень содержания тантала должен быть ограничен максимальным значением, составляющим приблизительно 2,0 мас.%. Подобным образом, в соответствии с раскрытием настоящего изобретения уровень содержания Cr должен быть ограничен максимальным значением, составляющим приблизительно 1,5 мас.%.
Следующие далее конкретные варианты осуществления приводятся для иллюстрирования состава, свойств и варианта использования титановых сплавов, полученных в соответствии с раскрытием настоящего изобретения, и не должны восприниматься в качестве ограничения объема раскрытия изобретения. Специалисты в области техники в свете настоящего раскрытия изобретения должны понимать, что в конкретных вариантах осуществления, которые раскрываются в настоящем документе, может быть сделано множество изменений, которые все еще будут приводить к получению похожего или подобного результата без отклонения от объема и сущности изобретения или без выхода за его пределы.
Проводили испытание механических свойств и сопоставление результатов для титановых сплавов, полученных в пределах заявленного диапазона по составу и полученных вне пределов заявленного диапазона по составу, и обычных сплавов, либо используемых в настоящее время, либо потенциально подходящих для использования. Специалисты в области техники должны понимать, что любые свойства, представленные в настоящем документе, являются свойствами, которые измеряют по стандартной методике и могут быть получены при использовании множества различных методов. Методы, описанные в настоящем документе, представляют один такой метод, и без выхода за пределы объема настоящего раскрытия изобретения могут быть использованы и другие методы.
Пример 1
Индивидуальные сплавы плавили в виде слитков по 250 г в лабораторной луночной печи. Данные слитки, выплавленные в лабораторной луночной печи, превращали в лист в результате горячей прокатки до получения толщины 0,15’’ (3,8 мм), кондиционировали и подвергали холодной прокатке при 67 %-ном обжатии до получения толщины 0,050’’ (1,27 мм). Способ холодной прокатки использовали в качестве предварительного индикатора пригодности различных сплавов для производства полосы. Те сплавы, которые растрескивались в ходе превращения, в дальнейшем не оценивали. Холоднокатаные листы подвергали обычному отжигу бета-раствора с последующим двухступенчатым старением в условиях 1275°F/8 часов/воздушное охлаждение и 1200°F/8 часов/воздушное охлаждение (691°С/8 часов/воздушное охлаждение и 649°С/8 часов/воздушное охлаждение). От данных листов отрезали образцы для проведения испытаний на растяжение и испытаний на ползучесть при температуре окружающей среды и повышенной температуре.
Представленная ниже таблица 1 включает химический состав для серии слитков, выплавленных в лабораторной луночной печи. В представленной ниже таблице 2 продемонстрированы механические свойства, в том числе прочность при растяжении и процентная деформация при температуре окружающей среды и повышенной температуре, измеренные во время испытаний на ползучесть. Все испытания на растяжение при повышенной температуре проводили при 1000°F (538°С). Испытания на ползучесть проводили при 1000°F/20 кфунт/дюйм2 (538°С/138 МПа) в течение 50 часов и измеряли деформацию при ползучести.
Как показывают результаты испытаний, сплавы, характеризующиеся значениями «Х» и «Y», меньшими, чем нижнее предельное значение, указанное в уравнениях (i) и (ii), демонстрируют ненадлежащие свойства, в том числе меньшую прочность в сопоставлении с целевыми значениями. Более высокий уровень содержания Al в сопоставлении с верхним предельным значением, указанным в настоящем изобретении, относится к высоким значениям «Х», что, таким образом, ухудшает пластичность при комнатной температуре (и общую формуемость в холодном состоянии). Показатель «Y» используют для определения химического состава сплава в целях достижения улучшенных свойств. В случае попадания значений «Х» в диапазон указанных предельных значений низкий показатель «Y» в результате приводит к получению ненадлежащей прочности при повышенных температурах, а высокое значение «Y» ухудшает формуемость в холодном состоянии. Поэтому желательно сохранять баланс при добавлении легирующих элементов в соответствии с уравнениями (i) и (ii), представленными выше.
Как это было продемонстрировано, сплавы, демонстрирующие низкий уровень содержания Al при отсутствии Zr или Sn, (сплав А5) характеризуются неудовлетворительными прочностью и сопротивлением ползучести при повышенной температуре. Сплавы, демонстрирующие высокий уровень содержания Al, больший, чем предельное значение, упомянутое в настоящем изобретении (сплавы А24, А25, А26 и тому подобное), ухудшают пластичность при комнатной температуре, что, тем самым, оказывает неблагоприятное воздействие на общую формуемость в холодном состоянии. Повышенный уровень содержания Nb (сплав А4) оказывает неблагоприятное воздействие на высокотемпературную прочность при одновременном ухудшении сопротивления ползучести. Также, вследствие отсутствия других легирующих элементов, замещающих Al, сплав А4 не способен удовлетворить требованиям к целевой прочности при температуре окружающей среды. Сплав А29 содержит 2,0 мас.% Та, который заменяет Sn и замещает часть Al в диапазоне предельных значений, указанных в данном изобретении. Следует упомянуть о том, что данный сплав также демонстрирует превосходный баланс свойств и подтверждает преимущества добавления Та в диапазоне предельных значений, соответствующих раскрытию изобретения.
В то время как таблицы 1 и 2 представляют, соответственно, химический состав и механические свойства сплавов, выплавленных в лабораторной луночной печи, представленная ниже таблица 3 приводит обобщенную информацию для каждого сплава, при этом «Р» указывает, что исследуемый образец обладает конкретным свойством/величиной, а «F» указывает на выход за предельные значения для соответствующего сплава:
Таблица 3
| Сплав | 6 ≤ значение Х ≤ 7,5 | 3,5 ≤ показатель Y ≤ 5,15 | Свойства при комнатной температуре | Свойства при повышенной температуре 1000°F (538°С) | Заключение | ||||
| YS ≥ 135 кфунт/дюйм2 (930 МПа) | UTS ≥ 145 кфунт/дюйм2 (1000 МПа) | EI ≥ 7,0% | YS ≥ 80 кфунт/дюйм2 (551 МПа) | UTS ≥ 90 кфунт/ дюйм2 (620 МПа) |
Ползучесть ≤ 1,0% |
||||
| А1 | F | F | P | P | P | P | P | F | Сравнительный пример |
| А2 | F | F | P | P | P | F | P | P | Сравнительный пример |
| А3 | F | F | P | P | P | F | P | F | Сравнительный пример |
| А4 | F | F | F | F | P | F | F | F | Сравнительный пример |
| А5 | F | F | F | F | P | F | F | F | Сравнительный пример |
| А6 | P | P | P | P | P | P | P | P | Пример изобретения |
| А7 | F | F | F | F | P | F | P | F | Сравнительный пример |
| А8 | P | P | P | P | P | P | P | F | Пример изобретения |
| А9 | P | P | P | P | P | P | P | P | Пример изобретения |
| А10 | P | F | P | P | P | F | P | F | Сравнительный пример |
| А11 | F | F | P | P | P | P | F | F | Сравнительный пример |
| A12 | F | F | P | P | P | F | F | F | Сравнительный пример |
| A13 | F | F | P | P | P | F | P | F | Сравнительный пример |
| A14 | F | F | F | F | P | F | F | P | Сравнительный пример |
| A15 | F | P | F | P | F | F | F | F | Сравнительный пример |
| A17 | F | F | F | P | P | F | F | P | Сравнительный пример |
| A18 | F | F | P | P | P | F | P | F | Сравнительный пример |
| A19 | F | F | P | P | P | F | P | F | Сравнительный пример |
| A20 | F | F | P | P | F | F | F | P | Сравнительный пример |
| A21 | F | F | P | P | F | F | F | F | Сравнительный пример |
| A22 | P | F | P | P | F | F | P | F | Сравнительный пример |
| A23 | P | P | P | P | P | P | P | P | Пример изобретения |
| A24 | F | F | F | F | F | F | F | P | Сравнительный пример |
| A25 | F | F | F | F | F | F | F | P | Сравнительный пример |
| A26 | F | F | F | F | F | F | F | P | Сравнительный пример |
| A27 | F | F | P | P | P | F | P | F | Сравнительный пример |
| A28 | F | F | P | P | P | F | F | F | Сравнительный пример |
| A29 | P | P | P | P | P | P | P | P | Пример изобретения |
| A30 | P | F | P | P | F | P | P | P | Сравнительный пример |
| A31 | P | P | P | P | P | P | P | P | Пример изобретения |
| A33 | P | F | P | P | F | P | P | P | Сравнительный пример |
| A34 | P | P | P | P | P | P | P | P | Пример изобретения |
| A35 | P | F | P | P | F | P | P | P | Сравнительный пример |
| A36 | P | P | P | P | P | P | P | P | Пример изобретения |
| A37 | F | F | P | P | F | P | P | P | Сравнительный пример |
| A38 | F | F | P | P | F | P | P | P | Сравнительный пример |
| A39 | F | F | P | P | F | P | P | P | Сравнительный пример |
| A40 | F | F | F | F | P | F | F | F | Сравнительный пример |
| A41 | F | F | F | F | P | F | F | F | Сравнительный пример |
| A42 | F | F | F | F | P | F | F | F | Сравнительный пример |
Если теперь обратиться к фигурам, то фиг. от 1 до 3 представляют влияние значения «Х» на предел текучести (YS), относительное удлинение и деформацию ползучести при комнатной температуре, наблюдаемые для сплавов, выплавленных в лабораторной луночной печи. Как это следует из тенденций, изображенных на соответствующих фиг., можно отметить, что низкое значение «Х» относится к низкой прочности, а увеличение значения «Х» впоследствии приводит к увеличению прочности, однако, при компромиссе с пластичностью при комнатной температуре. Также на фиг. 3 можно наблюдать значительное улучшение сопротивления ползучести для сплавов, выплавленных в лабораторной лучной печи, при увеличении значений «Х». Подобным образом, как это демонстрируют фиг. 4 и 5, увеличение показателя «Y» также относится, соответственно, к увеличению прочности при повышенной температуре, но соответствующей потере пластичности при комнатной температуре для сплавов, выплавленных в лабораторной луночной печи.
Обобщая, следует понимать, что значения «Х» и «Y», большие, чем предельные значения, соответствующие настоящему изобретению, приводят к увеличению прочности и улучшению сопротивления ползучести, однако, формуемость в холодном состоянии для сплава значительно ухудшается. С другой стороны, низкие значения «Х» и «Y», отличные от значений, соответствующих настоящему изобретению, не обеспечивают достижения требуемых целевых свойств.
Пример 2
Четыре слитка сплавов, каждый по приблизительно 38 фунтов (17 кг), изготавливали при использовании лабораторной печи VAR (вакуумно-дуговой переплавки). Слитки имели 8 ’’ (200 мм) в диаметре и производились при использовании способа двойной переплавки VAR. Химические составы данных слитков продемонстрированы в приведенной ниже таблице 4. Из слитков выковывали пластины с толщиной 1,5 ’’ (3,8 см) с последующим проведением горячей прокатки до получения пластин с толщиной 0,15 ’’ (3,8 мм). После кондиционирования для удаления альфа-фазы и окалины данные пластины затем подвергали холодной прокатке до получения толщины 0,060 ’’ (1,5 мм) с последующим отжигом на твердый раствор и двухступенчатым старением. Листы подвергали различным испытаниям для подтверждения превосходства свойств сплава настоящего раскрытия изобретения в сопоставлении с базовым сплавом Ti-21S.
В таблице 5 продемонстрированы результаты оценки, полученные для данных листов, соответствующих приведенному выше составу:
Таблица 5
| Комментарии | Свойства при комнатной температуре | Свойства при повышенной температуре |
Ползу честь, % |
Примечания | |||||
| YS, кфунт/дюйм2 (МПа) | UTS, кфунт/дюйм2 (МПа) | EI, % | YS, кфунт/дюйм2 (МПа) | UTS, кфунт/ дюйм2 (МПа) |
EI, % |
||||
| Образец | ≥ 135 (930) | ≥ 145 (1000) | ≥ 7,0 | ≥ 80 (551) | ≥ 90 (620) | ≤ 1,00 | |||
| V1 | Пример изобретения | 148 (1022) | 161 (1109) | 7,8 | 90 (620) | 102 (703) |
14 | 0,34 | Пример изобретения |
| V2 | Пример изобретения | 150 (1036) | 162 (1120) | 7,2 | 85 (586) | 94 (648) |
13 | 0,46 | Пример изобретения |
| V3 | Пример изобретения | 149 (1027) | 161 (1107) | 9,2 | 98 (676) | 112 (772) |
14 | 0,31 | Пример изобретения |
| V4 | Сравнительный пример | 155 (1069) | 165 (1141) | 4,1 | 87 (596) | 97 (667) |
13 | 0,42 | Низкий показатель относительного удлинения (EI) при комнатной температуре |
| Материал промышленной плавки | Сравнительный пример | 131 (903) | 141 (972) | 22,0 | 73 (503) | 82 (565) | 48 | 1,70 | Низкая прочность при комнатной температуре и при повышенной температуре, неудовлетворительная ползучесть |
| Все испытания при повышенной температуре при 1000°F (537,8°C) | |||||||||
| Условия испытания на ползучесть: 1000°F/20 кфунт/дюйм2/50 часов (537,8°С/137,9 МПа/50 часов) |
Ощутимое увеличение прочности при комнатной температуре (приблизительно 13 ~ 15%) наблюдали для сплавов, соответствующих настоящему изобретению, при сопоставлении с базовым сплавом Ti-21S (материалом промышленной плавки). В соответствии с приведенным выше уравнением (ii) показатель «Y» для сплава V4 превышает указанное предельное значение, что отражается в уменьшенном относительном удлинении при комнатной температуре, оказывая, тем самым, неблагоприятное воздействие на обрабатываемость в холодном состоянии.
Ниже в таблице 6 продемонстрирована и на фиг. 6 графически представлена прочность при повышенной температуре для различных температур для четырех листовых сплавов совместно с материалом промышленной плавки (Ti-21S). Как это продемонстрировано, сплавы настоящего раскрытия изобретения обеспечивают получение преимущества, составляющего приблизительно 80 ~ 130°F (или 44 ~ 72°С) в сопоставлении с базовым материалом Ti-21S в диапазоне температур испытания. Несмотря на то, что сплав V4 демонстрирует прочность, эквивалентную прочности других сплавов настоящего изобретения, необходимо отметить, что сплав V4 превышает показатель «Y», указанный в представленном выше уравнении (ii), и, таким образом, имеет ухудшенную пластичность при комнатной температуре.
Таблица 6
| Слиток | Примечания | UTS при повышенной температуре, кфунт/дюйм2 (МПа), для листовых сплавов изобретения | ||||
| 1000°F (537,8°C) |
1100°F (593,3°C) |
1200°F (648,9°C) | 1300°F (704,4°C) | 1400°F (760°C) | ||
| V1 | Пример изобретения |
102 (703) | 96 (662) | 68 (469) | 42 (289) | |
| V2 | Пример изобретения |
111 (765) | 98 (676) | 71 (489) | 42 (289) | |
| V3 | Пример изобретения |
112 (772) | 99 (682) | 71 (489) | 42 (289) | |
| V4 | Сравнительный пример | 97 (669) | 100 (689) | 76 (524) | 45 (310) | |
| Материал промышленной плавки | Сравнительный пример | 82 (565) | 42 (289) | 13 (90) |
Как это продемонстрировано ниже в таблице 7, параметр Ларсона-Миллера для сплавов настоящего изобретения почти попадает в пределы диапазона псевдо-альфа-титанового сплава, такого как Ti-6242S, при тестируемых температурах, обнаруживая исключительное сопротивление ползучести для бета-титанового сплава:
Таблица 7
| Сплав | Параметр Ларсона-Миллера (0,2 %) | Примечания |
| V1 | 31,53 | Пример изобретения |
| V2 | 31,12 | Пример изобретения |
| V3 | 31,67 | Пример изобретения |
| V4 | 31,31 | Сравнительный пример |
| Материал промышленной плавки (Ti-21S) | 30,12 | Сравнительный пример |
| Материал промышленной плавки (Ti-6242S) | 31,39 | Сравнительный пример |
Примечание: Параметр Ларсона-Миллера = [(492 + T)*(20 + log10t)/1000], где «Т» представляет собой температуру в °F, а «t» представляет собой время в часах соответственно.
Испытание на окисление
Взвешенные образцы из листов, полученных из составов, продемонстрированных в таблице 4, подвергали воздействию воздуха при температурах 1200°F (649°C) и 1400°F (760°С) в течение 200 часов. Образцы после испытания взвешивали еще раз и, исходя из площади поверхности подвергнутых воздействию образцов, рассчитывали прирост массы. Данный прирост массы (мг/см2) используют в качестве критерия для определения сопротивления окислению. Как это продемонстрировано в приведенной ниже таблице 8, отмечаются слегка больший прирост массы для сплавов настоящего изобретения при низкой температуре (такой как 1200°F или 649°С), но меньший прирост массы при высоких температурах (> 1200°F или 649°С) демонстрирует пригодность сплава для использования в областях применения при повышенной температуре.
Таблица 8
| Сплав | Прирост массы (мг/см2) | Примечания | |
| 1200°F (649°C)/200 часов | 1400°F (760°C)/200 часов | ||
| V1 | 0,925 | 1,860 | Пример изобретения |
| V2 | 0,982 | 1,020 | Пример изобретения |
| V3 | 1,139 | 2,135 | Пример изобретения |
| V4 | 0,620 | 1,198 | Сравнительный пример |
| Материал промышленной плавки (Ti-21S) | 0,576 | 2,165 | Сравнительный пример |
| Материал промышленной плавки (Ti-6242S) | 0,453 | 4,629 | Сравнительный пример |
Дополнительные испытания на окисление проводили в установке для термогравиметрического анализа (ТGА), где образцы подвергали воздействию воздуха в температурном диапазоне от 1000°F до 1500°F (от 538°С до 816°С) в течение 200 часов. Для данных экспериментальных целей использовали образцы из сплава V1 (который упомянут в таблице 4) и материала промышленного масштаба Ti-21S. Результаты, продемонстрированные в приведенной ниже таблице 9, указывают на тенденцию, подобную той, которая наблюдается в вышеупомянутых исследованиях по окислению. Прирост массы при окислении (мг/см2) для сплава изобретения является слегка большим, чем для стандартного материала Ti-21S при меньших температурах, однако, при температурах, больших, чем 1200°F (649°C), для сплава изобретения зарегистрировали меньшие результаты измерений прироста массы.
Таблица 9
| 1000°F (538°C) | 1100°F (593°C) | 1200°F (649°C) | 1300°F (704°C) | 1400°F (760°C) | 1500°F (816°C) | |
| Сплав V1 | 0,309 | 0,488 | 0,975 | 1,311 | 1,929 | 4,927 |
| Материал промышленной плавки Ti-21S | 0,200 | 0,464 | 0,806 | 1,350 | 2,255 | 5,979 |
Соответственно, свойства сплава настоящего изобретения обеспечивают достижение, по меньшей мере, на 10 % больших минимальных прочности и относительного удлинения при комнатной температуре в сопоставлении с тем, что имеет место для сплава Ti-21S при проведении отжига на твердый раствор и двухступенчатого старения (AMS 4897). В дополнение к этому, высокотемпературные характеристики прочности и ползучести сплавов настоящего раскрытия изобретения обеспечивают составляющее приблизительно 100°F (55°C) улучшение температур эксплуатации в сопоставлении с тем, что имеет место для базового сплава Ti-21S. Кроме того, сплавы настоящего изобретения обнаруживают значительно меньший прирост массы в сопоставлении с базовым сплавом Ti-21S при проведении испытаний на окисление при повышенных температурах (выше приблизительно 1200°F или 649°С) в течение приблизительно 200 часов. Таким образом, сплав настоящего изобретения обеспечивает получение бета-титанового сплава в форме полосы, характеризующегося высокой прочностью при комнатной температуре и превосходными свойствами при повышенной температуре, такими как сопротивление ползучести и окислению.
Холодная прокатка или переработка заготовки из сплава ниже его температуры рекристаллизации могут быть проведены для широкого спектра форм заготовок, таких как, например, полоса, лист в рулоне, чушка или пруток. Способ холодной прокатки может быть непрерывным или периодическим, и обжатие заготовки в ходе процесса холодной прокатки находится в диапазоне от приблизительно 20% до приблизительно 90%. В одной форме настоящего раскрытия изобретения холодную прокатку проводят при использовании непрерывного способа изготовления рулона полосы.
Вышеизложенное описание различных форм изобретения было представлено для целей иллюстрирования и описания. Оно не предназначено для того, чтобы быть исчерпывающим или ограничивать изобретение точными раскрытыми формами. В свете представленного выше изложения возможными являются многочисленные модификации или вариации. Обсуждавшиеся формы были выбраны и описаны для иллюстрации принципов изобретения и области их практического применения, что, тем самым, дает специалистам в области техники возможность использования изобретения в различных формах и различных модификациях, которые окажутся пригодными для конкретных предусматриваемых вариантов использования. Все такие модификации и вариации попадают в объем изобретения, соответствующий приложенной формуле изобретения при интерпретации ее в соответствии с тем объемом притязаний, на который она справедливо, законно и обоснованно имеет право.
1. Бета-титановый сплав, пригодный для холодной прокатки, содержащий, мас.%:
молибден от 13,0 до 20,0;
ниобий от 2,0 до 4,0;
кремний от 0,1 до 0,4;
алюминий от 3,0 до 5,0;
цирконий от более 0,0 до 3,0;
олово от более 0,0 до 5,0;
кислород от более 0,0 до 0,25 и
титан и случайные примеси - остальное.
2. Бета-титановый сплав по п. 1, дополнительно содержащий хром от более 0,0 до 1,5 мас.%.
3. Бета-титановый сплав по п. 1, дополнительно содержащий тантал от более 0,0 до 2,0 мас.%.
4. Бета-титановый сплав по п. 1, дополнительно содержащий хром от более 0,0 до 1,5 мас.% и тантал от более 0,0 до 2,0 мас.%, причем сумма хрома и тантала составляет менее чем 3,0 мас.%.
5. Бета-титановый сплав по п. 1, имеющий средний предел текучести при комнатной температуре, составляющий 135 кфунт/дюйм2 (930 МПа), предел прочности на разрыв, составляющий 145 кфунт/дюйм2 (1000 МПа), и относительное удлинение по меньшей мере 7%.
6. Бета-титановый сплав по п. 1, имеющий предел текучести, составляющий по меньшей мере 80 кфунт/дюйм2 (551 МПа), предел прочности на разрыв, составляющий 90 кфунт/дюйм2 (620 МПа) при температуре 1000°F (538°C).
7. Бета-титановый сплав по п. 1, имеющий полную деформацию, составляющую не более чем 1,0 %, после испытания на ползучесть при 1000°F/20 кфунт/дюйм2/50 часов (538°С/138 МПа/50 часов).
8. Деталь из бета-титанового сплава, пригодного для холодной прокатки, характеризующаяся тем, что она получена из сплава по п. 1.
9. Бета-титановый сплав, пригодный для холодной прокатки, содержащий, мас.%:
молибден от 13,0 до 20,0;
ниобий от 2,0 до 4,0;
кремний от 0,1 до 0,4;
алюминий от 3,0 до 5,0;
цирконий от более 0,0 до 3,0; и/или
олово от более 0,0 до 5,0; и/или
кислород от более 0,0 до 0,25 и
титан и случайные примеси, в том числе азот и углерод - остальное,
причем соотношение элементов в сплаве удовлетворяет условиям:
(i) 6,0 мас.% ≤ Х мас.% ≤ 7,5 мас.% и
(ii) 3,5 мас.% ≤ Y мас.% ≤ 5,15 мас.%, где
Х мас.% = алюминий + олово/3 + цирконий/6 + 10⋅(кислород + азот + углерод) и
Y мас.% = алюминий + кремний⋅(цирконий + олово).
10. Бета-титановый сплав, пригодный для холодной прокатки, содержащий, мас.%:
молибден от 13,0 до 20,0;
ниобий от 2,0 до 4,0;
кремний от 0,1 до 0,4;
алюминий от 3,0 до 5,0;
цирконий от более 0,0 до 3,0; и/или
олово от более 0,0 до 5,0; и/или
кислород от более 0,0 до 0,25 и
титан и случайные примеси, в том числе азот и углерод - остальное,
причем соотношение элементов в сплаве удовлетворяет условиям:
(i) 6,0 мас.% ≤ Х мас.% ≤ 7,5 мас.% и
(ii) 3,5 мас.% ≤ Y мас.% ≤ 5,15 мас.%, где
Х мас.% = алюминий + олово/3 + цирконий/6 + 10⋅(кислород + азот + углерод) и
Y мас.% = алюминий + кремний⋅(цирконий + олово),
при этом сплав имеет:
средний предел текучести при комнатной температуре, составляющий 135 кфунт/дюйм2 (930 МПа);
предел прочности на разрыв, составляющий 145 кфунт/дюйм2 (1000 МПа);
относительное удлинение, составляющее по меньшей мере 7%;
предел текучести, составляющий по меньшей мере 80 кфунт/дюйм2 (551 МПа), и предел прочности на разрыв, составляющий по меньшей мере 90 кфунт/дюйм2 (620 МПа), при 1000°F (538°C); и
полную деформацию, составляющую не более чем 1,0 %, при 1000°F/20 кфунт/дюйм2/50 часов (538°С/138 МПа/50 часов).
11. Продукт из холоднокатаного бета-титанового сплава, содержащего, мас.%:
молибден от 13,0 до 20,0;
ниобий от 2,0 до 4,0;
кремний от 0,1 до 0,4;
алюминий от 3,0 до 5,0;
цирконий от более 0,0 до 3,0;
олово от более 0,0 до 5,0;
кислород от более 0,0 до 0,25 и
титан и случайные примеси - остальное.
12. Продукт из холоднокатаного сплава по п. 11, дополнительно содержащий хром в количестве от более 0,0 до 1,5 мас.%.
13. Продукт из холоднокатаного сплава по п. 11, дополнительно содержащий тантал в количестве от более 0,0 до 2,0 мас.%.
14. Продукт из холоднокатаного сплава по п. 11, дополнительно содержащий хром в количестве от более 0,0 до 1,5 мас.% и тантал в количестве от более 0,0 до 2,0 мас.%, причем сумма хрома и тантала составляет менее чем 3,0 мас.%.
15. Продукт из холоднокатаного сплава по п. 11, имеющий средний предел текучести при комнатной температуре, составляющий 135 кфунт/дюйм2 (930 МПа), предел прочности на разрыв, составляющий 145 кфунт/дюйм2 (1000 МПа), и относительное удлинение, составляющее по меньшей мере 7%.
16. Продукт из холоднокатаного сплава по п. 11, имеющий предел текучести, составляющий по меньшей мере 80 кфунт/дюйм2 (551 МПа), предел прочности на разрыв, составляющий 90 кфунт/дюйм2 (620 МПа), при температуре, составляющей 1000°F (538°C).
17. Продукт из холоднокатаного сплава по п. 11, имеющий полную деформацию, составляющую не более чем 1,0 %, после испытания на ползучесть при 1000°F/20 кфунт/дюйм2/50 часов (538°С/138 МПа/50 часов).
18. Продукт из холоднокатаного сплава по п. 11, который представляет собой полосу, лист, чушку или пруток.
19. Деталь из бета-титанового сплава, пригодного для холодной прокатки, характеризующаяся тем, что она сформована из продукта по п. 11.
