专利名称：具有改善的冷成型性的Ti6－2－4－2片材的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及冷成型Ti 6-2-4-2片材。具体地，本发明涉及改善Ti 6-2-4-2片材的冷成型性的方法。更具体地，本发明涉及利用已经经过依照AMS 4919双重退火工艺处理的Ti 6-2-4-2片材，使该片材经过预成型退火周期以改善其冷成型性，将该片材冷成型为想得到的零件，然后，使该零件经过后成型退火周期以恢复该材料的微观结构和机械性能至其典型的AMS 4919双重退火条件。作为选择，该Ti 6-2-4-2片材可以是在单退火状态得到的，其中该片材仅仅经过AMS 4919的第一个退火工艺，该片材能够被冷成型为想得到的零件，然后该零件可以经过后成型退火周期以得到该材料在其典型的AMS 4919双重退火条件下的微观结构和机械性能。
背景技术：
经过按照AMS 4919的技术规范双重退火的各种厚度的钛6A1-2Sn-4Zr-2Mo片材，也被称为Ti 6-2-4-2片材，可以在市场上买到。根据AMS 4919的技术规范，标称厚度低于0.1875英寸(4.762mm)的Ti 6-2-4-2片材被加热到1650±25°F(899±14℃)，保温30±3分钟，在空气中冷却到室温，重新加热到1450±25°F(788±14℃)，保温15±2分钟，然后在空气中冷却到室温。在这种条件下，Ti 6-2-4-2片材不具有很好的冷成型性，通常需要具有大约12-14T的弯曲因子(弯曲直径/片材的厚度)来可靠地生产具有90°弯曲角的无裂纹的零件。
通常，利用Ti 6-2-4-2片材来制造燃气涡轮发动机的部件，例如，喷嘴侧壁板(nozzle sidewall)、挡板(flap)、导管(duct)、机壳(case)、托架(bracket)，等等。将Ti 6-2-4-2片材冷成型成这些部件比较困难，经常地，在这些部件被冷成型的时候，在其上形成裂纹，导致了较低的产率。另外，为了成功的冷成型，弯曲半径需要非常大，这就增加了零件的重量并且降低了它的刚度。Ti 6-2-4-2片材可以被热成型为较小的弯曲半径(tighter bend radii)，然而，在成型后这需要昂贵的加工和化学研磨。
因此，需要改进冷处理Ti 6-2-4-2片材的技术，从而可以不需要热成型。还需要能够比目前在冷成型Ti 6-2-4-2片材中可能获得的更高的产率的冷成型技术。此外，还需要能够经过冷成型形成具有90°弯曲角、少于约12-14T的弯曲因子Ti 6-2-4-2片材部件，而没有裂纹的技术。
发明内容
因此，现有Ti 6-2-4-2片材冷成型技术的上述缺点通过本发明的实施方案被克服了，这些实施方案涉及改善Ti 6-2-4-2片材的冷成型性的体系和方法。这些体系和方法可以获得比目前冷成型Ti 6-2-4-2片材所可能获得的更小的弯曲因子，而且还提高了冷成型这样的片材所得到的产率。
本发明的实施方案包括用于改善预定、预处理的合金(厚度低于0.1875英寸，按照AMS 4919的技术规范双重退火的Ti 6-2-4-2片材)的冷成型性的方法。这些方法包括使预定合金经过预成型退火周期，该周期包括将预定合金加热到大约1550-1750°F的预成型退火温度；使该预定合金在预成型退火温度保持大约30±3分钟；以第一预定冷却速度将预定合金冷却到室温。这些方法可以进一步包括将预定合金冷成型为冷成型的型材(cold-formed shape)，使冷成型的型材经过后成型退火周期，该周期包括将冷成型的型材加热到大约1450±25°F；使该冷成型的型材在约1450±25°F下保持大约15±2分钟；以第二预定冷却速度将拎成型的型材冷却到室温。
本发明的其它实施方案包括用来改善预定、预处理的合金(已经在约1650±25°F被单退火约30±3分钟，并在空气中冷却到室温的厚度低于0.1875英寸的Ti 6-2-4-2片材)的冷成型性的方法。这些方法可以包括将预定合金冷成型为冷成型的型材；使冷成型的型材经过后成型退火周期，该周期包括将冷成型的型材加热到大约1450±25°F；使该冷成型的型材在约14504-25°F下保持大约15±2分钟；以预定冷却速度将冷成型的型材冷却到室温。
在本发明的所有实施方案中，冷成型的型材，在经过后成型退火周期后，包括与根据AMS 4919的技术规范双重退火的标准的Ti 6-2-4-2片材基本上相似的微观结构。而且，该冷成型的型材，在经过后成型退火周期后，包括与根据AMS 4919的技术规范经过双重退火的标准的Ti 6-2-4-2片材基本上相同的机械性能。
本发明的冷成型的型材可以被冷成型为具有低于约12-14T的弯曲因子的最终的、永久的90°弯曲角。弯曲因子为约6.2T那么低或更低是可能的。这些冷成型型材可以包括燃气涡轮发动机的部件，例如，喷嘴侧壁板、挡板、导管、机壳、托架，等等。
本发明增强的可冷成型的Ti 6-2-4-2片材可以比已经根据AMS 4919的技术规范热处理过的标准的Ti 6-2-4-2片材包括更高体积百分数的β相。这些增强的可冷成型的Ti 6-2-4-2片材可以包括，比已经根据AMS 4919的技术规范热处理过的标准的Ti 6-2-4-2片材多18-40％体积的β相。
本发明增强的可冷成型的Ti 6-2-4-2片材可以包括比已经根据AMS 4919的技术规范热处理过的标准的Ti 6-2-4-2片材中更少的细α2和/或更少的硅化物。
本发明的实施方案包括上面所描述的方法所制备的产品。
在下面的描述中，对于本领域的技术人员，本发明进一步的特征、方面和优点将变得显而易见，其中参照了对本发明的一些优选形式进行解释的附图，其中，附图中相同的参考符号表示相同的部件。
参照下面的各附图对本发明的体系和方法进行描述，其中图1是显示了由Ti 6-2-4-2片材制造的示范性的托架的照片，其显示了当这样的片材根据AMS 4919的技术规范被双重退火，然后在已获得的条件下被冷成型时通常产生的裂纹；图2是显示了由Ti 6-2-4-2片材制造的示范性的托架的照片，其显示了当这样的片材根据AMS 4919的技术规范被双重退火，然后在其被冷成型前经过本发明的预成型退火周期时，没有裂纹产生；图3是显示退火温度对Ti 6-2-4-2片材的成型性的影响的曲线图，在该片材按照AMS 4919的技术规范被双重退火后，在曲线图上所示的温度进行预成型退火，然后如本发明的实施方案中所观察到的，按照ASTM E290(105°弯曲角)被冷成型。
具体实施例方式
为了促进对本发明的理解，现在将参照如图1-3中所图示的本发明的一些优选实施方案，以及用来描述它们的专用语言。在此所用的术语是为了描述的目的而不是限定。在此所公开的具体的结构上和功能上的细节并不被解释为限定，而仅仅是权利要求书的基础和用来教导所述领域的技术人员变化地实施本发明的代表性基础。对本领域技术人员将会很正常地对所描述的结构和方法的任何修改和变更，以及对在此所描述的原理的进一步应用，都被认为落入本发明的精神和范围内。
本发明涉及改善Ti 6-2-4-2片材的冷成型性的体系和方法。当将Ti 6-2-4-2片材冷成型为包括90°弯曲角并具有约6.2T的弯曲因子的部件的时候，这些体系和方法可以使产率高达100％。在此以及在整个申请中所使用的，“弯曲因子”被定义为弯曲直径除以片材的厚度。
在低于约1625°F(885℃)时，钛通常具有密排六方(HCP)晶格结构。然而在约1625°F(885℃)时，钛经历同素异形变化，从HCP晶格结构转变为体心立方(BCC)晶格结构。钛的HCP晶格结构形式被称为α相，钛的BCC晶格结构形式被称为β相。现在所用的大多数钛合金包括不同比例的α和β相。
同素异形变化的温度，也被称作β相转变温度，受钛里的杂质或添加到钛里的合金元素的数量和种类的影响。向钛中加入α稳定性合金元素(例如，铝)稳定了α相，并提高了同素异形变化的温度。向钛中加入β稳定性合金元素(例如，钼，铬，钒)稳定了β相，并降低了同素异形变化的温度。通过加入大量的β稳定剂可以在室温或低于室温下使钛的β相稳定。
Ti 6-2-4-2片材通常包括大约5.50-6.50wt.％的铝，3.60-4.40wt.％的锆，1.80-2.20wt.％的钼，1.80-2.20wt.％的锡，0.06-0.10wt.％的硅，至多0.25wt.％的铁，至多0.12wt.％的氧，至多0.05wt.％的碳，至多0.05wt.％的氮，至多0.0150wt.％的氢以及至多0.005wt.％的钇，余量包括钛和残余的元素。
如前面所记载的，根据AMS 4919的技术规范双重退火的各种厚度的Ti 6-2-4-2片材可以在市场上买到。在这种双重退火条件下，Ti 6-2-4-2片材并不是可很好地冷成型的，为了可靠地生产没有裂纹的具有90°弯曲角的部件通常需要大约12-14T或更大的弯曲因子。如果想用典型的双重退火条件处理的片材生产具有90°弯曲角和低于约12-14T的弯曲因子的部件，则在这些部件上经常会产生不想得到的裂纹。本发明可以在将这些Ti 6-2-4-2片材冷成型为90°弯曲角的时侯，获得明显低于12-14T的弯曲因子。
图1的照片显示了由Ti 6-24-2片材制成的示范性的部件10，其显示了当这样的片材根据AMS 4919的技术规范被双重退火，然后在初始条件(as-receivedcondition)下被冷成型时，典型地产生的裂纹20。图2显示了由与图1中的部件相同热度的Ti 6-2-4-2片材制成的部件10。然而，图2中的部件首先按照本发明的实施方案经过预成型退火，然后，冷成型，然后按照本发明的实施方案进行后成型退火。如在图2中所看到的，依照本发明的方法热处理的Ti 6-2-4-2片材在其90°弯曲角的部分没有产生任何裂纹。图1和图2中所示的部件10具有0.188”的弯曲半径，0.035”的片状金属厚度，10.7T的弯曲因子。
本发明的实施方案利用已经由片材供应商按照上面所描述的AMS 4919技术规范的标准的双重退火工艺处理过的Ti 6-2-4-2片材。该Ti 6-2-4-2片材，如果标称厚度低于0.1875英寸(4.762mm)，被加热到大约1650±25°F(899±14℃)，在这里保持大约30±3分钟，在空气中冷却到室温，重新加热到约1450±25°F(788±14℃)，在此保持大约15±2分钟，然后在空气中冷却到室温。第一退火周期重结晶和/或标准化该Ti 6-2-4-2片材的热轧结构，而第二退火周期建立了该Ti 6-2-4-2片材的最终的微观结构和强度。根据本发明，为了改善双重退火的Ti 6-2-4-2片材的冷成型性，该片材在最初和被成型之前经过预成型退火周期。该预成型退火周期包括将片材加热到大约1550-1750°F(843-954℃)，在该温度下保持片材大约30±3分钟，然后将该片材冷却到室温。该片材可以以任何合适的速度冷却到室温，例如，大约35°F/min。此后，该片材可以被更容易地冷成型成各种形状，甚至可以是包括90°弯曲角并具有低至约4.2T的弯曲因子的形状。一旦形成后，该冷成型的部件可以经过后成型退火周期，该周期包括将部件加热到约1450±25°F(788±14℃)，在此温度下保持部件约15±2分钟，然后将该部件冷却到室温。该片材可以以任何合适的速度被再次冷却到室温，例如，大约35°F/min。该后成型退火周期将该冷成型部件的微观结构、强度和其它的机械性能恢复到经过典型的AMS 4919双重退火处理的片材的微观结构、强度和其它的机械性能。
在本发明的另一个实施方案中，从供应商收到的Ti 6-2-4-2片材可以处于单退火状态。而不是经过上面所描述的根据AMS 4919规范技术被双重退火的，该片材，如果标称厚度低于0.1875英寸，将仅会被加热到大约1650±25°F(899±14℃)，在该温度下保持大约30±3分钟，然后在空气中冷却到室温。在这种状态下的片材可以很容易地冷成型为各种形状，甚至可以冷成型为包括90°弯曲角并具有低至约6.2T的弯曲因子的形状。一旦形成后，该冷成型的部件可以经过后成型退火周期，该周期包括将部件加热到约1450±25°F(788±14℃)，在此温度下保持部件约15±2分钟，然后以任何合适的速度将该部件冷却到室温，例如，大约35°F/min。该后成型退火周期确定了最终的微观结构，从而在冷成型部件中确立了片材在典型的AMS 4919双重退火条件下将具有的强度和其它的机械性能。
弯曲试验证实了本发明的经过预成型退火周期的Ti 6-2-4-2片材改善了冷成型性。初始的弯曲试验试样是从0.030”厚的Ti 6-2-4-2AMS 4919片材切下的单片。所有的试样都以相同的方向切割，从而不会因为与片材的轧制方向相关的弯曲方向的不同而引入变量。制造了四组试样。A组的试样保持在其最初的AMS 4919双重退火状态。剩下的试样如下所述被钛箔包裹并且被真空热处理。B组的试样被加热到大约1550°F(843℃)，在该温度保持大约30分钟，然后氩淬到室温。C组的试样被加热到大约1650°F(899℃)，在该温度保持大约30分钟，然后氩淬到室温。D组的试样被加热到大约1750°F(954℃)，在该温度保持大约30分钟，然后氩淬到室温。
然后，按照ASTM E 290(105°弯曲角)对四组试样进行弯曲试验以确定材料将开始产生裂纹的最小弯曲因子。这些弯曲试验的结果如图3所示。依据试样所经受的热条件，所得的结果有很大的不同。如图3所示，A组的试样显示出最差的冷成型性，在裂纹之前呈现出约9.1T的最小弯曲因子。也显示出，冷成型性随着退火温度的增加而改善，在裂纹之前B组的试样表现出大约7.3T的最小弯曲因子，C组的试样表现出大约5.0T的最小弯曲因子，D组的试样表现出大约4.2T的最小弯曲因子。
基于初始弯曲试验的积极结果，为了更好的量化使用预成型退火周期的好处，使用三种不同规格/热度的Ti 6-2-4-2片材进行了附加弯曲试验，该预成型退火周期包括将该片材加热到大约1650°F(899℃)，在该温度保持大约30分钟，然后将该片材氩淬到室温。
0.025”，0.035”和0.040”厚的经过标准双重退火的Ti 6-2-4-2AMS 4919片材在大约1650°F(899℃)下被真空退火大约30分钟，然后被氩淬到室温。然后从这些退火的片材的每一片上切下一小块托架型的细块。然后对每一组试样进行弯曲试验以确定该材料开始裂纹时的最小弯曲因子。诸如喷嘴侧壁板等部件通常由Ti 6-2-4-2AMS 4919片材形成，并且使用不锈钢背衬材料来帮助使裂纹最小化。实验证明，在冷成型Ti 6-2-4-2AMS 4919片材时，如果不使用不锈钢背衬材料，在具有90°弯曲角和约12-14或更低的弯曲因子的部件中将出现裂纹。根据本发明退火的试样在Amada间歇压机(Amada break press)上冷成型，以生产90°的弯曲物。如下面的表I所示，根据本发明的实施方案退火的试样可以形成具有低至约6.2T的弯曲因子和最终的永久的90°弯曲角，该试样没有裂纹并且不使用不锈钢背衬材料。一旦最小弯曲因子在一个方向被确定，附加的试样将在正交方向形成以确保重复性。
表I
试验表明，经过在1550°F或1650°F预成型退火周期、保温约30分钟、冷却、然后冷成型的双重退火的Ti 6-2-4-2AMS 4919片材恢复了当经过AMS4919技术规范中的正应力消除退火周期的在约1450°F下保持约15分钟的后成型退火周期时的初始基本性能。
已经根据本发明的方法热处理过的增强的可冷成型的Ti 6-2-4-2片材包括一个初始的α相，该α相中具有比根据AMS 4919的技术规范热处理(即双重退火)过的标准的Ti 6-24-2片材中更少的细α2和/或更少的硅化物。根据本发明的方法热处理过的增强的可冷成型的Ti 6-2-4-2片材还包括比根据AMS 4919的技术规范热处理过的标准的Ti 6-24-2片材更高体积比率的β相。以2000倍的放大倍率，测定了各个组的试样的β相的体积比率，结果概括在表II中。
表II
如上文所描述的，本发明提供了改善Ti 6-24-2片材的冷成型性的体系和方法。有益的是，本发明Ti 6-24-2片材的改善的冷成型性可以消除对昂贵的热成型的设备的需求。另外，本发明的Ti 6-24-2片材可以被形成比目前其它冷成型技术可能形成的更小的弯曲半径，从而增加了冷成型部件的刚度。这就使由本发明的Ti 6-2-4-2片材形成的部件来代替更重且强度更低的可冷成型的βTi合金形成的部件，甚至可以消除使用较重的可冷成型的镍一基合金的需要。对于相关领域的技术人员，很多其它的实施方案和优点将是显而易见的。
本发明的各个实施方案都是以实现本发明所遇到的各种需求而进行描述的。应该认识到，这些技术方案仅仅是本发明各种实施方案的原则的说明。在不偏离本发明的精神和范围下，对本发明进行大量的改进和适应性修改对本领域的技术人员来说是显而易见的。例如，虽然本发明中描述的一些实施方案中是氩淬，而空气冷却也是可能的。这样，就意味着本发明覆盖了出现在所附的权利要求书和它们的等价物的范围内所有的适宜的改进和修改。
权利要求
1.一种用来改善预定合金的冷成型性的方法，其包括使该预定合金经历预成型退火周期，该周期包括将该预定合金加热到大约1550-1750°F的预成型退火温度；使该预定合金在该预成型退火温度保持大约30分钟；并且以第一预定冷却速度将该预定合金冷却到室温。
2.权利要求1的方法，其进一步包括将该预定合金冷成型为冷成型的型材；和使该冷成型的型材经历后成型退火周期，该周期包括将该冷成型的型材加热到大约1450±25°F；使该冷成型的型材在约1450±25°F下保持大约15±2分钟；并且以第二预定冷却速度将该冷成型的型材冷却到室温。
3.权利要求1的方法，其中，该预定合金包括已经按照AMS 4919的技术规范被双重退火的Ti 6-2-4-2片材。
4.权利要求3的方法，其中该Ti 6-2-4-2片材具有低于约0.1875英寸的标称厚度。
5.权利要求2的方法，其中该冷成型的型材，在经过后成型退火周期后，包括与已经根据AMS 4919的技术规范被双重退火的标准的Ti 6-2-4-2片材基本上类似的微观结构。
6.权利要求2的方法，其中该冷成型的型材，在经过后成型退火周期后，包括与已经根据AMS 4919的技术规范被双重退火的标准的Ti 6-2-4-2片材基本上相同的机械性能。
7.权利要求1的方法，其中该冷成型的型材可以被冷成型为最终的永久的90°弯曲角，并具有低于约14T的弯曲因子。
8.权利要求7的方法，其中该冷成型的型材可以被冷成型为最终的永久的90°弯曲角，并具有约6.2T或更高的弯曲因子。
9.权利要求1的方法，其中该冷成型型材包括燃气涡轮发动机部件。
10.一种用来冷成型预定合金的方法，其包括将该预定合金冷成型为冷成型的部件；和使该冷成型的型材经历后成型退火周期，该周期包括将该冷成型的部件加热到大约1450±25°F；使该冷成型的部件在约1450±25°F下保持大约15±2分钟；并且以预定冷却速度将该冷成型的部件冷却到室温。
11.权利要求10的方法，其中，该预定合金包括标称厚度低于约0.1875英寸的Ti 6-2-4-2片材，该片材已经通过将该Ti 6-2-4-2片材加热到大约1650±25°F，在约1650±25°F保持约30±3分钟，并在空气中将该Ti 6-2-4-2片材冷却到室温而被单退火。
12.权利要求10的方法，其中该冷成型的型材，在经过后成型退火周期后，包括与已经根据AMS 4919的技术规范被双重退火的标准的Ti 6-2-4-2片材基本上类似的微观结构。
13.权利要求10的方法，其中该冷成型的型材，在经过后成型退火周期后，包括与已经根据AMS 4919的技术规范被双重退火的标准的Ti 6-2-4-2片材基本上相同的机械性能。
14.权利要求10的方法，其中该冷成型的部件可被冷成型为最终的永久的90°弯曲角，并具有低于约14T的弯曲因子。
15.权利要求14的方法，其中该冷成型的部件可以被冷成型为最终的永久的90°弯曲角，并具有约6.2T至约14T的弯曲因子。
16.权利要求10的方法，其中该冷成型部件包括燃气涡轮发动机部件。
17.一种由冷成型预定台金的方法制造的产品，该方法包括使该预定合金经历预成型退火周期，该周期包括将该预定合金加热到大约1550-1750°F的预成型退火温度；使该预定合金在预成型退火温度保持大约30分钟；以第一预定冷却速度将该预定合金冷却到室温；并且将该预定合金冷成型为冷成型的型材。
18.权利要求17的产品，该方法进一步包括使该冷成型的型材经历后成型退火周期，该周期包括将该冷成型的型材加热到大约1450±25°F；使该冷成型的型材在约1450±25°F下保持大约15±2分钟；并且以第二预定冷却速度将该冷成型的型材冷却到室温。
19.权利要求17的产品，其中，该预定合金包括已经按照AMS 4919的技术规范被双重退火的Ti 6-2-4-2片材。
20.权利要求17的产品，其中，该冷成型型材包括燃气涡轮发动机部件。
21.权利要求20的产品，其中，该燃气涡轮发动机的部件包括喷嘴侧壁板、挡板、导管、机壳和托架中的至少一个。
22.一种通过冷成型预定合金的方法制备的产品，该方法包括将该预定合金冷成型为冷成型的型材；和使该冷成型的型材经历后成型退火周期，该周期包括将该冷成型的型材加热到大约1450±25°F；使该冷成型的型材在约1450±25°F下保持大约15±2分钟；并且以预定冷却速度将该冷成型的部件冷却到室温。
23.权利要求22的产品，其中，该预定合金包括标称厚度低于约0.1875英寸的Ti 6-2-4-2片材，该片材已经通过将该Ti 6-2-4-2片材加热到大约1650±25°F，在约1650±25°F保持约30±3分钟，并在空气中将该Ti 6-2-4-2片材冷却到室温而被单退火。
24.权利要求22的产品，其中，该冷成型型材包括燃气涡轮发动机部件。
25.权利要求24的产品，其中，该燃气涡轮发动机部件包括喷嘴侧壁板、挡板、导管、机壳和托架中的至少一个。
26.增强的可冷成型的Ti 6-2-4-2片材，其包括比已经根据AMS 4919的技术规范热处理过的标准的Ti 6-2-4-2片材更高体积百分比的β相。
27.权利要求26的增强的可冷成型的Ti 6-24-2片材，其中该增强的可冷成型的Ti 6-2-4-2片材包括比已经根据AMS 4919的技术规范热处理过的标准的Ti 6-2-4-2片材多大约18体积％至约40体积％的β相。
28.权利要求26的增强的可冷成型的Ti 6-2-4-2片材，其中该增强的可冷成型的Ti 6-2-4-2片材包括比已经根据AMS 4919的技术规范热处理过的标准的Ti 6-2-4-2片材中更少的细α2或更少的硅化物。
29.权利要求26的增强的可冷成型的Ti 6-2-4-2片材，其中该增强的可冷成型的Ti 6-2-4-2片材包括比已经根据AMS 4919的技术规范热处理过的标准的Ti 6-2-4-2片材中更少的细α2和更少的硅化物。
全文摘要
本发明描述了用来改善Ti 6－2－4－2片材的冷成型性的体系和方法。这些方法的实施方案包括将预定，预处理过的Ti 6－2－4－2合金冷成型为冷成型的型材；使该冷成型的型材经历后成型退火周期，该周期包括将该冷成型的型材加热到大约1450±25°F；使该冷成型的型材在约1450±25°F下保持大约15±2分钟；并且将该冷成型的部件冷却到室温。这些方法的实施方案进一步包括使预定Ti 6－2－4－2合金经历预成型退火周期，该周期包括将预定合金加热到大约1550－1750°F的预成型退火温度；使该预定合金在预成型退火温度下保持大约30分钟；并且将该预定合金冷却到室温。这些方法使获得的部件包括90°弯曲角，并具有低至约6.2T的弯曲因子。
文档编号B21D22/00GK1699614SQ200510065649
公开日2005年11月23日 申请日期2005年3月17日 优先权日2004年5月18日
发明者J·O·汉森, D·W·安德森 申请人:联合工艺公司