抗蠕变钛合金的制作方法

本公开涉及抗蠕变钛合金。

背景技术：

钛合金通常表现出高强度重量比，抗腐蚀并且在中等高温下抗蠕变。例如，ti-5al-4mo-4cr-2sn-2zr合金(也被称为“ti-17合金”，其成分在unsr58650中进行了规定)是一种商用合金，其广泛用于需要在高达800℉的操作温度下的高强度、抗疲劳性和韧性的组合的喷气发动机应用中。用于高温应用的钛合金的其它实例包含ti-6al-2sn-4zr-2mo合金(具成分在unsr54620中进行了规定)和ti-3al-8v-6cr-4mo-4zr合金(也被称为“β-c”，并成分在unsr58640中进行了规定)。然而，这些合金在高温下的抗蠕变性是有限制的。因此，需要在高温下具有改善的抗蠕变性的钛合金。

技术实现要素：

根据本公开的一个非限制性方面，以总合金重量的重量百分比计，一种钛合金包括：5.5到6.5铝；1.5到2.5锡；1.3到2.3钼；0.1到10.0锆；0.01到0.30硅；0.1到2.0锗；钛；和杂质。

根据本公开的另一个非限制性方面，以总合金重量的重量百分比计，一种钛合金基本由以下组成：5.5到6.5铝；1.5到2.5锡；1.3到2.3钼；0.1到10.0锆；0.01到0.30硅；0.1到2.0锗；钛；和杂质。

根据本公开的另一个非限制性方面，以总合金重量的重量百分比计，一种钛合金包括：2到7铝；0到5锡；0到5钼；0.1到10.0锆；0.01到0.30硅；0.05到2.0锗；0到0.30氧；0到0.30铁；0到0.05氮；0到0.05碳；0到0.015氢；钛；和杂质。

附图说明

通过参考附图，可以更好地理解本文所述的合金、制品和方法的特征和优点，其中：

图1是绘制了根据本公开的钛合金的某些非限制性实施例相较于某些常规钛合金的随时间的蠕变应变的图。

图2包含根据本公开的钛合金的一个非限制性实施例的显微照片，和示出了在持续载荷暴露之前的合金的能量色散x射线(xrd)扫描的结果的图；

图3包含图2的钛合金的显微照片，和示出了合金的xrd扫描的结果以及在将合金在52ksi的持续荷载下在900℉下加热125小时后zr/si/ge向金属间沉淀物的配分的结果的图；并且

图4示出了图3的钛合金的元素图。

当考虑根据本公开的某些非限制性实施例的以下详细描述时，读者将理解前述细节以及其它细节。

具体实施方式

在非限制性实施例的本描述中，除了在操作实例中或在另外指示的地方，所有表示量或特性的数字在所有情况下均应被理解为由术语“约”修饰。因此，除非有相反的指示，否则在以下描述中阐述的任何数值参数都是近似值，其可以取决于人们试图在根据本公开的材料中和通过根据本公开的方法获得的期望性质而有所不同。最起码地并且并非试图将等同原则的应用限制于权利要求的范围，每个数值参数至少应根据所报告的多位有效数字并通过应用普通舍入技术来解释。除非另有说明，否则本文所述的所有范围均包含所述端点。

据称全部或部分通过引用并入本文的任何专利、出版物或其它公开材料被仅以所并入的材料与本公开中阐述的现有定义、陈述或其它公开材料不冲突的程度并入本文。因此并且必要地，本文阐述的公开内容可取代通过引用并入本文的任何相冲突的材料。据称通过引用并入本文但与本文阐述的现有定义、陈述或其它公开材料相冲突的任何材料或其部分仅以所述并入材料和现有公开材料之间不发生冲突的程度并入。

本中对“包括”特定组合物的钛合金的提及旨在涵盖“基本由所述组合物组成”或“由所述组合物组成”的合金。将理解，本文描述的“包括”特定组合物、“由其组成”或“基本由其组成”的钛合金组合物还可以包含杂质。

高温环境中的制品和零件可能会蠕变。如本文使用，“高温”是指超过约200℉的温度。蠕变是在应力下发生的随时间变化的应变。以减小的应变速率发生的蠕变被称为初级蠕变；以最小且几乎恒定的应变速率发生的蠕变被称为二级(稳态)蠕变；并且以加速的应变率发生的蠕变被称为三级蠕变。蠕变强度是将在指定的恒定环境中在给定时间的蠕变测试中导致给定蠕变应变的应力。

钛和钛合金在高温和持续载荷下的抗蠕变性能主要取决于微观结构特征。钛具有两种同素异形形式：beta(“β”)相，具有体心立方(“bcc”)晶体结构；和alpha(“α”)相，其具有六方密堆积(“hcp”)晶体结构。通常，β钛合金表现出较差的高温蠕变强度。较差的高温蠕变强度是由于这些合金在高温(诸如例如900℉)下表现出明显的β相浓度而造成的。β相由于其体心立方结构(其提供了大量的变形机制)而不能很好地抵抗蠕变。由于这些缺点，已经对β钛合金的使用进行了限制。

在各种应用中广泛使用的一组钛合金是α/β钛合金。在α/β钛合金中，初级α颗粒的分布和大小会直接影响抗蠕变性。根据对含有硅的α/β钛合金的研究的各种公开报道，硅化物在晶界处的沉淀可以进一步改善抗蠕变性，但是会损害室温拉伸延展性。硅的加入所引起的室温拉伸延展性的降低将可以加入的硅的浓度限制为通常0.3％(重量)。

本公开部分地涉及解决常规钛合金的某些限制的合金。以总合金重量的重量百分比计，根据本公开的钛合金的一个实施例包含(即包括)：5.5到6.5铝；1.5到2.5锡；1.3到2.3钼；0.1到10.0锆；0.01到0.30硅；0.1到2.0锗；钛；和杂质。以总合金重量的重量百分比计，根据本公开的钛合金的另一个实施例包含：5.5到6.5铝；1.7到2.1锡；1.7到2.1钼；3.4到4.4锆；0.03到0.11硅；0.1到0.4锗；钛；和杂质。以总合金重量的重量百分比计，根据本公开的钛合金的又一个实施例包含：5.9到6.0铝；1.9到2.0锡；1.8到1.9钼；3.7到4.0锆；0.06到0.11硅；0.1到0.4锗；钛；和杂质。在根据本公开的合金的非限制性实施例中，合金组合物中的偶存元素和其它杂质可以包括以下中一或多种或基本由其组成：氧、铁、氮、碳、氢、铌、钨、钒、钽、锰、镍、铪、镓、锑、钴和铜。以总合金重量的重量百分比计，根据本公开的钛合金的某些非限制性实施例可以包括：0.01到0.25氧；0到0.30铁；0.001到0.05氮；0.001到0.05碳；0到0.015氢；和铌、钨、铪、镍、镓、锑、钒、钽、锰、钴和铜各0到0.1。

铝可以包含在根据本公开的合金中以增加α含量并提供增加的强度。在根据本公开的某些非限制性实施例中，以总合金重量的重量浓度计，铝的存在量可以为2-7％。在某些非限制性实施例中，以总合金重量的重量浓度计，铝的存在量可以为5.5-6.5％，或者在某些实施例中为5.9-6.0％。

锡可以包含在根据本公开的合金中以增加α含量并提供增加的强度。在根据本公开的某些非限制性实施例中，以总合金重量的重量浓度计，锡的存在量可以为0-4％。在某些非限制性实施例中，以总合金重量的重量浓度计，锡的存在量可以为1.5-2.5％，或者在某些实施例中为1.7-2.1％。

钼可以包含在根据本公开的合金中以增加β含量并提供增加的强度。在根据本公开的某些非限制性实施例中，以总合金重量的重量浓度计，钼的存在量可以为0-5％。在某些非限制性实施例中，以总合金重量的重量浓度计，钼的存在量可以为1.3-2.3％，或在某些实施例中为1.7-2.1％。

锆可以包含在根据本公开的合金中以增加α含量，提供增加的强度并通过形成金属间沉淀物来提供增加的抗蠕变性。在根据本公开的某些非限制性实施例中，以总合金重量的重量浓度计，锆的存在量可以为1-10％。在某些非限制性实施例中，以总合金重量的重量浓度计，锆的存在量可以为3.4-4.4％，或者在某些实施例中为3.5-4.3％。

硅可以包含在根据本公开的合金中以通过形成金属间沉淀物来提供增加的抗蠕变性。在根据本公开的某些非限制性实施例中，以总合金重量的重量浓度计，硅的存在量可以为0.01-0.30％。在某些非限制性实施例中，以总合金重量的重量浓度计，硅的存在量可以为0.03-0.11％，或者在某些实施例中为0.06-0.11％。

锗可以包含在根据本公开的钛合金的实施例中以改善高温下的二级蠕变速率性能。在根据本公开的某些非限制性实施例中，以总合金重量的重量浓度计，锗的存在量可以为0.05-2.0％。在某些非限制性实施例中，以总合金重量的重量浓度计，锗的存在量可以为0.1-2.0％，或者在某些实施例中为0.1-0.4％。不旨在受任何理论的束缚，据信合金的锗含量与合适的热处理相结合可以促进锆-硅-锗金属间沉淀物的沉淀。锗的加入可以例如通过纯金属或锗和一或多种其它合适的金属元素的中间合金。si-ge和al-ge可以是中间合金的合适实例。某些中间合金可能为粉末、球粒、金属丝、碎屑或片状形式。本文所述的钛合金在这方面不受限制。在最终熔炼以获得钛和合金元素的基本均匀的混合物之后，可以通过以下中一或多个步骤对铸锭进行热机械加工以获得期望的微观结构：锻造、轧制、挤压、拉拔、型锻、镦锻和退火。应当理解，本公开的合金可以通过其它合适的方法进行热机械加工和/或处理。

根据本公开的制造钛合金的方法的一个非限制性实施例包括退火热处理、固溶处理和退火、固溶处理和时效(sta)、直接时效或热循环的组合以获得机械性质的期望平衡。如本文使用，“固溶处理和时效(sta)”过程是指应用于钛合金的热处理过程，其包含在低于钛合金的β转变温度的固溶处理温度下固溶处理钛合金。在一个非限制性实施例中，固溶处理温度在约1780℉到约1800℉的温度范围内。随后，通过将合金加热一段时间至小于β转变温度且小于钛合金的固溶处理温度的时效温度范围来对固溶处理后的合金进行时效。如本文使用，相对于温度、温度范围或最低温度而言的“加热至(heatedto/heatingto)”等术语是指合金被加热直到合金的至少期望部分的温度在整个所述部分的范围内至少等于参考温度或最低温度，或在参考温度范围内。在一个非限制性实施例中，固溶处理时间在约30分钟到约4小时的范围内。公认的是，在某些非限制性实施例中，固溶处理时间可以短于30分钟或长于4小时，并且通常取决于钛合金的大小和横截面。在完成固溶处理之后，以取决于钛合金的横截面厚度的速率将钛合金冷却至环境温度。

固溶处理后的钛合金随后在时效温度(在本文中也称为“时效硬化温度”)下时效，即在钛合金的β转变温度以下的α+β两相场中时效。在一个非限制性实施例中，时效温度在约1075℉到约1125℉的温度范围内。在某些非限制性实施例中，时效时间可以在约30分钟到约8小时的范围内。公认的是，在某些非限制性实施例中，时效时间可以短于30分钟或长于8小时，并且通常取决于钛合金产品形式的大小和横截面。钛合金的sta加工中使用的一般技术是本领域普通技术人员已知的，并且因此在本文中不再进一步讨论。

尽管已经认识到钛合金的机械性质通常受所测试样本的大小影响，但是在根据本公开的钛合金的某些非限制性实施方式中，钛合金在至少890℉的温度下在52ksi的载荷下表现出小于8x10^-4(24小时)^-1的稳态(也被称为二级或“ii期”)蠕变速率。而且，例如，根据本公开的钛合金的某些非限制性实施例在900℉的温度下在52ksi的载荷下可以表现出小于8x10^-4(24小时)^-1的稳态(二级或“ii期”)蠕变速率。在根据本公开的某些非限制性实施例中，钛合金在900℉下表现出至少130ksi的极限拉伸强度。在其它非限制性实施例中，根据本公开的钛合金在900℉下在52ksi的载荷下达到0.1％蠕变应变的时间不小于20小时。

以下实例旨在进一步描述根据本公开的非限制性实施例，而不限制本发明的范围。本领域普通技术人员将理解，以下实例的变型也可能在本发明的范围内，本发明的范围仅由权利要求书限定。

实例1

表1列出了根据本公开的钛合金的某些非限制性实施例(“实验钛合金1号”，“实验钛合金2号”和“实验钛合金3号”)以及不包含有意加入的锗的比较钛合金(“比较钛合金”)的元素组合物。

表1

使用等离子电弧炉来产生表1中列出的比较钛合金、实验钛合金1号、实验钛合金2号和实验钛合金3号的等离子电弧熔炼(pam)热，以生产9英寸直径的电极，每个电极重大约400-800磅。将电极在真空电弧重熔(var)炉中重熔，以生产10英寸直径的铸锭。使用热压机将每个铸锭转变成3英寸直径的坯件。在转变成7英寸直径的β锻造步骤、转变成5英寸直径的α+β预应变锻造步骤以及转变成3英寸直径的β最终锻造步骤之后，将每个坯件的端部切掉以去除缩陷和端部裂纹，并将坯件切成多块。对每个坯件的顶部和最底部坯件的底部(直径为7英寸)进行取样以进行化学分析和β转变。基于中间坯件化学分析结果，从坯件上切下2英寸长的样品，并在压机上锻造成“薄饼状”。将薄饼状样本热处理至以下固溶处理和时效条件：将钛合金在1780℉到1800℉下固溶处理4小时；以取决于钛合金的横截面厚度的速率将钛合金冷却至环境温度；将钛合金在1025℉到1125℉下时效8小时；并风冷钛合金。

从sta加工后的薄饼状样本上切下用于室温和高温拉伸测试、蠕变测试、断裂韧性和微观结构分析的测试坯料。在测试之后，对断裂韧性试样进行最终化学分析，以确保化学和机械性质之间的准确关联。测量了表1中列出的实验钛合金的某些机械性质，并将其与表1中列出的比较钛合金的机械性质进行了比较。结果列于表2中。拉伸测试是根据美国测试和材料学会(astm)标准e8/e8m-09(“金属材料的拉伸测试的标准测试方法(standardtestmethodsfortensiontestingofmetallicmaterials)”，astm国际，2009年)进行的。如表2中列出的结果所示，实验钛合金样品表现出与比较钛合金(其不包含有意加入的锗)相当的室温下极限拉伸强度和屈服强度。

表2

热处理：

1-在17854℉下固溶处理4小时，水淬，在1100℉下时效8小时，并风冷

2-在1800℉下固溶处理4小时，水淬，在1100℉下时效8小时，并风冷

对表1中列出的合金进行了根据astme139的蠕变-断裂测试。结果呈现于图1中。相对于比较钛合金，本公开的实验钛合金表现出非常有利的二级蠕变速率。参考图2-4，在蠕变暴露于持续载荷和高温超过初级(或i期)蠕变时间之后，在实验钛合金2号中检测到锆-硅-锗金属间相的沉淀。如图1所示，本公开的实验钛合金样品在900℉下在52ksi的载荷下大约30小时之后表现出稳态蠕变。比较钛合金在900℉下在52ksi的载荷下达到0.1％蠕变应变的时间为19.4小时。实验钛合金1号、实验钛合金2号和实验钛合金3号在900℉下在52ksi的载荷下达到0.1％蠕变应变的时间全部明显更长：分别为32.6小时、55.3小时和93.3小时。

在蠕变暴露之前(但在热处理之后)所检查的样品未表现出金属间沉淀物的存在。参考图2，在蠕变暴露之前通过实验钛合金2号的能量色散x射线(eds)进行的元素扫描示出，锗在α/β微观结构中基本均匀分布而没有金属间颗粒。在图3-4中，在蠕变暴露之后，可见锆、硅和锗向金属间颗粒的配分。金属间颗粒通常表明相对于周围的α颗粒的铝的耗尽。蠕变暴露之后的金属间颗粒的沉淀是特别出乎意料和令人惊讶的。不旨在受任何理论的束缚，据信金属间颗粒可以改善合金的二级蠕变而基本不影响高温屈服强度。

根据本公开的合金的潜在用途有多种。如以上所描述和证明，本文所述的钛合金有利地用于高温下的抗蠕变性对其很重要的各种应用中。根据本公开的钛合金将特别有利的制品包含某些航空和航天应用，包含例如喷气发动机涡轮盘和涡扇叶片。本领域普通技术人员将能够在无需本文提供另外的描述的情况下由根据本公开的合金制造前述设备、零件和其它制品。根据本公开的合金的可能应用的前述实例仅通过举例的方式提供，并且并非穷尽了可以应用本合金产品形式的所有应用。在阅读本公开后，本领域普通技术人员可以容易地鉴定本文所述的合金的其它应用。

根据本公开的新型合金和方法的各个非穷举性、非限制性方面可以单独使用或与本文所述的一或多个其它方面组合使用。在不限制前述描述的情况下，在本公开的第一非限制性方面中，以总合金重量的重量百分比计，一种钛合金包括：5.5到6.5铝；1.5到2.5锡；1.3到2.3钼；0.1到10.0锆；0.01到0.30硅；0.1到2.0锗；钛；和杂质。

根据可以与所述第一方面组合使用的本公开的第二非限制性方面，以总合金重量的重量百分比计，所述钛合金包括：5.5到6.5铝；1.7到2.1锡；1.7到2.1钼；3.4到4.4锆；0.03到0.11硅；0.1到0.4锗；钛；和杂质。

根据可以与上述方面中的每一个或任一个组合使用的本公开的第三非限制性方面，以总合金重量的重量百分比计，所述钛合金包括：5.9到6.0铝；1.9到2.0锡；1.8到1.9钼；3.5到4.3锆；0.06到0.11硅；0.1到0.4锗；钛；和杂质。

根据可以与上述方面中的每一个或任一个组合使用的本公开的第四非限制性方面，以总合金重量的重量百分比计，所述钛合金进一步包括：0到0.30氧；0到0.30铁；0到0.05氮；0到0.05碳；0到0.015氢；和铌、钨、铪、镍、镓、锑、钒、钽、锰、钴和铜各0到0.1。

根据可以与上述方面中的每一个或任一个组合使用的本公开的第五非限制性方面，所述钛合金包括锆-硅-锗金属间沉淀物。

根据可以与上述方面中的每一个或任一个组合使用的本公开的第六非限制性方面，所述钛合金在至少890℉的温度下在52ksi的载荷下表现出小于8x10^-4(24小时)^-1的稳态蠕变速率。

根据本公开的第七非限制性方面，一种制造钛合金的方法包括：将所述钛合金在1780℉到1800℉下固溶处理4小时；以取决于所述钛合金的横截面厚度的速率将所述钛合金冷却至环境温度；将所述钛合金在1025℉到1125℉下时效8小时；和风冷所述钛合金，其中所述钛合金具有上述方面中的每一个或任一个中所述的组合物。

根据可以与上述方面中的每一个或任一个组合使用的本公开的第八非限制性方面，所述钛合金在900℉下表现出至少130ksi的极限拉伸强度。

根据本公开的第九非限制性方面，本公开还提供一种钛合金，以总合金重量的重量百分比计，其基本由以下组成：5.5到6.5铝；1.5到2.5锡；1.3到2.3钼；0.1到10.0锆；0.01到0.30硅；0.1到2.0锗；钛；和杂质。

根据可以与上述方面中的每一个或任一个组合使用的本公开的第十非限制性方面，以总合金重量的重量百分比计，所述合金中的铝含量为5.9到6.0。

根据可以与上述方面中的每一个或任一个组合使用的本公开的第十一非限制性方面，以总合金重量的重量百分比计，所述合金中的锡含量为1.7到2.1。

根据可以与上述方面中的每一个或任一个组合使用的本公开的第十二非限制性方面，以总合金重量的重量百分比计，所述合金中的锡含量为1.9到2.0。

根据可以与上述方面中的每一个或任一个组合使用的本公开的第十三非限制性方面，以总合金重量的重量百分比计，所述合金中的钼含量为1.7到2.1。

根据可以与上述方面中的每一个或任一个组合使用的本公开的第十四非限制性方面，以总合金重量的重量百分比计，所述合金中的钼含量为1.8到1.9。

根据可以与上述方面中的每一个或任一个组合使用的本公开的第十五非限制性方面，以总合金重量的重量百分比计，所述合金中的锆含量为3.4到4.4。

根据可以与上述方面中的每一个或任一个组合使用的本公开的第十六非限制性方面，以总合金重量的重量百分比计，所述合金中的锆含量为3.5到4.3。

根据可以与上述方面中的每一个或任一个组合使用的本公开的第十七非限制性方面，以总合金重量的重量百分比计，所述合金中的硅含量为0.03到0.11。

根据可以与上述方面中的每一个或任一个组合使用的本公开的第十八非限制性方面，以总合金重量的重量百分比计，所述合金中的硅含量为0.06到0.11。

根据可以与上述方面中的每一个或任一个组合使用的本公开的第十九非限制性方面，以总合金重量的重量百分比计，所述合金中的锗含量为0.1到0.4。

根据可以与上述方面中的每一个或任一个组合使用的本公开的第二十非限制性方面，在所述钛合金中：氧含量为0到0.30；铁含量为0到0.30；氮含量为0到0.05；碳含量为0到0.05；氢含量为0到0.015；并且铌、钨、铪、镍、镓、锑、钒、钽、锰、钴和铜中的每一种的含量为0到0.1，全部以所述钛合金的总重量的重量百分比计。

根据可以与上述方面中的每一个或任一个组合使用的本公开的第二十一非限制性方面，一种制造钛合金的方法包括：将钛合金在1780℉到1800℉下固溶处理4小时；以取决于所述钛合金的横截面厚度的速率将所述钛合金冷却至环境温度；将所述钛合金在1025℉到1125℉下时效8小时；和风冷所述钛合金，其中所述钛合金具有上述方面中的每一个或任一个中所述的组合物。

根据可以与上述方面中的每一个或任一个组合使用的本公开的第二十二非限制性方面，所述钛合金在至少890℉的温度下在52ksi的载荷下表现出小于8x10^-4(24小时)^-1的稳态蠕变速率。

根据可以与上述方面中的每一个或任一个组合使用的本公开的第二十三非限制性方面，所述钛合金在900℉下表现出至少130ksi的极限拉伸强度。

根据本公开的第二十四非限制性方面，本公开还提供了一种钛合金，以总合金重量的重量百分比计，其包括：2到7铝；0到5锡；0到5钼；0.1到10.0锆；0.01到0.30硅；0.05到2.0锗；0到0.30氧；0到0.30铁；0到0.05氮；0到0.05碳；0到0.015氢；钛；和杂质。

根据可以与上述方面中的每一个或任一个组合使用的本公开的第二十五非限制性方面，所述钛合金在至少890℉的温度下在52ksi的载荷下表现出小于8x10^-4(24小时)^-1的稳态蠕变速率。

根据可以与上述方面中的每一个或任一个组合使用的本公开的第二十六非限制性方面，以总合金重量的重量百分比计，所述钛合金进一步包括：0到5铬。

根据可以与上述方面中的每一个或任一个组合使用的本公开的第二十七非限制性方面，以总合金重量的重量百分比计，所述钛合金进一步包括：铌、钨、钒、钽、锰、镍、铪、镓、锑、钴和铜各0到6.0。

根据可以与上述方面中的每一个或任一个组合使用的本公开的第二十八非限制性方面，所述钛合金在至少890℉的温度下在52ksi的载荷下表现出小于8x10^-4(24小时)^-1的稳态蠕变速率。

根据可以与上述方面中的每一个或任一个组合使用的本公开的第二十九非限制性方面，以总合金重量的重量百分比计，所述钛合金进一步包括：0到5铬。

将理解，本说明书说明了与清楚理解本发明有关的本发明的那些方面。为了简化本说明书，未呈现对于本领域普通技术人员而言显而易见并且因此不利于更好地理解本发明的某些方面。尽管本文仅必要地描述了本发明的有限数量的实施例，但是本领域的普通技术人员在考虑了前述描述之后将认识到，可以采用本发明的许多修改和变型。本发明的所有这些变型和修改旨在由前述描述和以下权利要求覆盖。