[发明专利]制备高强度、高硬度和高韧性的钛合金的方法

说明书

相关申请的交叉引用

不适用

关于联邦政府资助的研究或开发的声明

美国政府可以为所有政府目的而制造和使用本发明，且不需要支付任何费用。

对微缩平片附录的引用

不适用

发明背景

1.技术领域

本发明主要涉及一种增强传统钛合金的性能并且不降低其损伤容限的方法，尤其涉及一种制备具有组织均匀性的钛合金的方法，该方法可广泛用于钛合金家族，包括但不限于Ti-6wt.％Al-4wt.％V、Ti-5Al-2.5Sn、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-O.1Si。

2.背景技术

钛合金具有使人感兴趣的物理和机械性能的组合，这使得它们适于在各种行业(如，航天工业)作为结构材料，相比钢铁等其它金属材料，钛合金可明显地减轻重量和减少维护成本。人们在进一步提高传统钛合金的强度和硬度方面已做过很多尝试，以期获得性能增强的钛合金。

这些方法包括添加具有高强度和硬度的微粒、短纤维或连续纤维。尽管这些现有技术方法显著提高了传统钛合金的强度和硬度，但是这种性能的提高同时伴随着由于脆性增强带来的韧性和损伤容限的剧烈减少，这限制了它们在对断裂敏感材料中的应用。通常在结构材料中用5％的延伸率区分韧性和脆性。

相应地，本发明的目的旨在提供一种新的制备钛合金的方法，该方法制备的钛合金与传统钛合金相比具有明显增强的强度和硬度，同时保持了足够的韧性。该方法包括添加少量低于临界含量的硼，以及使合金在特定温度范围和变形速率下变形，从而获得均匀组织。

发明内容

本发明提供的新方法在提高钛合金的强度和硬度的同时保持了钛合金的韧性，该方法通过添加硼和控制工艺来获得均匀组织。

本方法的重要特征如下：

1、钛合金中硼含量应该等于或低于共晶限值，以使其不具有任何粗糙的原始TiB颗粒；

2、使含硼钛合金被加热至高于β相变温度的温度(在此温度下钛合金完全转换为高温体心立方β相)，从而完全除去任何过饱和的硼(在非平衡固化条件下，硼被捕获于钛的晶格里)；以及

3、使硼改性钛合金在慢速率下发生形变，例如在低速率下挤压，以避免对TiB微观组成的破坏，该破坏将降低韧性。

附图说明

图1是二元硼钛合金的相图。

图2a是钛合金组份为(Ti-6Al-4V-1.7B)中的粗糙的原始TiB微粒在共晶体临界以上的电子显微图。

图2b所示为在粗糙的原始TiB微粒开始优先裂缝的样品拉伸的断裂图。

图3a具有不同的碳含量的压实Ti-6Al-4V-1B的韧性比温度的图。

图3b是具有不同碳含量的挤压后Ti-6Al-4V-1B的韧性比温度的图。

图4a是在1750°F(低于β相转变)压实Ti-6Al-4V-1B合金的背散射电子显微图。

图4b是在1980°F(高于β相转变)压实Ti-6Al-4V-1B合金的背散射电子显微图。

图5a沿着挤出方向，在滑块速度为100inch/min挤出合金Ti-6Al-4V-IB-0.1C的背散射电子显微图。

图5b沿着横向，在滑块速度为100inch/min挤出合金H-6AI-4V-1B-0.1C的背散射电子显微图。

图5c沿着挤出方向，在滑块速度为15inch/min挤出合金-6Al-4V-1B-0.1C的背散射电子显微图。

图5d沿着横向，在滑块速度为15inch/min挤出合金-6Al-4V-1B-0.1C的背散射电子显微图。

图6所示在低速率下拉伸Ti-6Al-4V-1B合金与典型的Ti-6Al-4V合金比较拉伸性能的图。

具体实施方式

本发明提供了一种通过添加硼和控制处理过程来提高钛合金的强度和硬度同时保持其韧性的新方法。该新的改良后的方法导致了颗粒的本质演变及均匀的微观结构特征。尽管下文中描述的是特异的粉末冶金处理技术，但本发明同样可以应用于其它冶金处理技术。

在预合金冶炼处理途径中，硼被加入熔融状态的钛合金中，并且熔体雾化后，获得含硼钛合金粉末。该粉末由经热等静压、锻炼、挤压和轧制等常规技术固化和/或成形。

本发明的方法包括四个重要的因素，描述如下。

1、硼水平等于或低于共晶限值