[发明专利]具有改良性能的钛合金

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2012年1月12日提交的美国申请No.13/349483和2012年2月17日提交的英国专利申请No.1202769.4的优先权，如在本说明书中充分提到，上述申请的全部内容在此以引文形式并入。

技术领域

本公开文本通常涉及钛(Ti)合金。具体而言，描述了具有相对低成本且改善机械性能的α-β的Ti合金，以及制造该Ti合金的方法。

背景技术

在要求高强度重量比、良好的抗腐蚀性、以及在更高的温度下这些性能的保持度的应用中，已经广泛使用Ti合金。尽管具有这些优势，与钢铁和其它合金相比，Ti合金较高的原料和生产成本严格限制了其在对于提高效率和性能的需要远高于其相对较高成本中的应用。受益于以各种加工方式加入Ti合金的一些典型应用包括但不限于：航空发动机盘、套管、风扇和压缩机扇叶；飞机机身组件；外科手术组件；装甲板和各种工业/工程应用。

已被成功的用于各种应用的常规Ti基合金是Ti-6Al-4V，又名Ti 6-4。顾名思义，这种Ti合金通常包括6wt.％的铝(Al)和4wt.％的钒(V)。Ti6-4也通常包括至多0.30wt.％的铁(Fe)和至多0.30wt.％的氧(O)。Ti6-4已经成为钛合金“主力”，其中在中等温度下强度/重量比是材料选择的关键参数。Ti6-4的性能平衡，适用于各种各样的静态和动态的结构应用中，其能够被稳妥的加工来提供稳定的性能，且其相对便宜。

目前，航空公司对于降低大气排放和噪音，降低燃料成本和降低维护和备件成本的需要推动了新型航空发动机的设计。发动机生产商通过具有更高旁通比、压缩机中更高压力、涡轮机中更高温度的发动机的设计回应他们之间的竞争。这些增强的机械性能需要合金具有比Ti6-4更高强度，但是具有相同的密度和接近相等的延展性。

其他合金，如(Ti-4.0Al-4.0Mo-2.0Sn-0.5Si)和VT8(Ti-6.0Al-3.2Mo-0.4Fe-0.3Si-0.15O)，与Ti6-4相比，从合金中包含的硅获得接近100MPa的强度。但是，这些合金与Ti6-4相比具有更高的密度和更高的生产成本，因为不用钒而使用钼作为主要β稳定元素。附加费用的升高不仅因为钼相对于钒具有更高价格，还因为在这些合金中包含了作为原材料的Ti6-4切屑和加工碎屑。

因此，工业上需要提供一种与Ti6-4相比，具有更高强度、更细小晶粒尺寸和特别改良的低周疲劳寿命的成本效益好的合金。

发明内容

本发明公开了一种具有高强度、细小晶粒尺寸、和低成本的钛合金，以及制造该钛合金的方法。具体而言，本发明的合金提供了与Ti6-4相比，增加100MPa的强度，且具有类似的密度和接近相等的延展性。所述强度和延展性的改良组合在高应变率下得以保持。与Ti6-4相比，本发明合金的高强度使其能够获得明显增加的寿命，使其在给定压力的低周疲劳负载下失效。本发明的合金特别适用于包括飞机发动机组件的多种应用中。本发明的合金在整个公开中被称为“本发明合金”或“Ti639”。

本发明的Ti合金包括，以重量百分比计，约6.0-6.7％的铝，约1.4-2.0％的钒，约1.4-2.0％的钼，约0.20-0.42％的硅，约0.17-0.23％的氧，最高约0.24％的铁，最高约0.08％的碳，以及附带杂质的余量钛。优选地，本发明Ti合金包括，以重量百分比计，约6.0-6.7％的铝，约1.4-2.0％的钒，约1.4-2.0％的钼，约0.20-0.42％的硅，约0.17-0.23％的氧，约0.1-0.24％的铁，最高约0.08％的碳，以及附带杂质的余量钛。更优选，所述合金包括约6.3-6.7％的铝，约1.5-1.9％的钒，约1.5-1.9％的钼，约0.33-0.39％的硅，约0.18-0.21％的氧，0.1-0.2％的铁，0.01-0.05％的碳，以及附带杂质的余量钛。再更优选地，本发明的Ti合金包括以重量百分比计，约6.5％的铝，约1.7％的钒，约1.7％的钼，约0.36％的硅，约0.2％的氧，约0.16％的铁，约0.03％的碳，以及附带杂质的余量钛。

本发明的Ti合金也可以包括附带杂质或其它添加的元素，如Co、Cr、Cu、Ga、Hf、Mn、N、Nb、Ni、S、Sn、P、Ta、和Zr，对于每个元素，其浓度与杂质的水平相关联。任意一种附带杂质元素或其它添加元素的最大浓度优选为约0.1wt.％，且所有杂质和/或添加元素组合的浓度优选总体不超过约0.4wt.％。