生产钛及钛合金制品的方法与流程
本申请是申请日为2016年2月8日、申请号为201680018207.9、发明名称为“生产钛及钛合金制品的方法”的发明专利申请的分案申请。
技术背景
本公开涉及生产钛及钛合金制品的方法。特别地，本公开的某些非限制性方面涉及包括生产氢化的钛或钛合金、使钛或钛合金变形(加工钛或钛合金)并随后使材料脱氢以减少制品的氢含量的方法。在本公开的方法的某些非限制性实施方案中，所述方法提供具有超细α相粒度的钛或钛合金制品，例如在最长尺寸上的平均α相粒度小于10微米。
背景技术：
钛合金用于各种各样的应用中，因为它们能够有利地平衡材料的性质，包括强度、延展性、模量和温度能力(temperaturecapability)。例如，ti-6al-4v合金(也称为“ti-6-4合金”，具有unsr56400中指定的组成)是广泛用于航空航天和生物医学行业的商业合金。
钛具有两种同素异形形式：具有体心立方(“bcc”)晶体结构的“高温”贝塔(“β”)相；和具有六方密堆积(“hcp”)晶体结构的“低温”阿尔法(“α”)相。在钛合金被加热时α相完全转变成β相的温度被称为β转变温度(或简称为“β转变”或“tβ”)。对钛合金的铸锭进行常规加工以形成坯件或其它轧制产品通常涉及在β转变以上和以下的变形步骤的组合，这取决于给定应用的所需结构和材料性质要求。
较细的α粒度可导致钛合金制品有较高的拉伸性质、提高的疲劳强度和改进的超声检查性。在钛合金制品中实现较细α粒度的常规方法通常涉及管控复杂的热机械加工，例如，从β相场快速淬火，接着是α+β相区中相对大量的热加工或应变，以及α+β相区中可能的变形后退火，以增强颗粒细化。特别地，为实现最细的α粒度，需要在非常低且可能是最低限度实用的温度下热加工，并且采用相对低的受控应变率。然而，由于锻造负荷增加、开裂导致的较低工艺出品率以及特别是在大截面尺寸下实际应变率控制的缺乏或限制，对采用此常规方法所能实现的制品存在着制造上的限制。常规方法也可能受到在诸如低温和/或高应变率之类的某些加工条件下在合金中形成小空隙或孔的倾向越来越大的限制。这种现象被称为“应变诱导的孔隙率”或“sip”。在合金中存在sip对合金性质可能是特别有害的，并且可能导致显著的工艺出品率损失。在严重的情况下，可能需要额外且昂贵的加工步骤，如热等静压，以消除已经形成的sip。因此，对生产具有较细α粒度的钛合金制品同时避免由热加工温度和/或应变率所施加的限制的方法产生了需求。
技术实现要素：
本公开部分地涉及解决用于生产钛合金制品的常规方法的某些限制的方法及合金制品。本文的某些实施方案解决在某些钛及钛合金制品中实现较细α粒度的常规技术的限制。本公开的一个非限制性方面涉及生产选自钛制品和钛合金制品的制品的方法。所述方法包括：用氢源熔化进料材料以形成钛或钛合金的熔化热；铸造熔化热的至少一部分以形成氢化的钛或钛合金锭；在升高的温度下使氢化的锭变形以形成加工制品，所述加工制品包括小于氢化的锭的截面面积的截面面积；以及使加工制品脱氢以减少加工制品的氢含量。在所述方法的某些非限制性实施方案中，脱氢制品在最长尺寸上的平均α相粒度小于10微米。在所述方法的某些非限制性实施方案中，钛或钛合金选自由以下组成的组：商业纯的钛、近α钛合金、α+β钛合金、近β钛合金和铝化钛合金。
本公开的另一非限制性方面涉及生产α+β钛合金制品的方法。所述方法包括：用氢源熔化进料材料以形成熔化热；铸造所述熔化热的至少一部分以形成α+β钛合金的氢化的锭；初始在β相场中且随后在α+β+δ相场中的温度下使氢化的锭变形，以形成加工制品，所述加工制品包括小于氢化的锭的截面面积的截面面积；以及对加工制品进行真空热处理以减少加工制品的氢含量。
本公开的另一非限制性方面涉及生产α+β钛合金制品的方法。所述方法包括：用氢源熔化进料材料以形成熔化热；铸造熔化热的至少一部分以形成α+β钛合金的氢化的锭；在第一升高的温度下使锭变形以形成初始加工制品，所述初始加工制品包括小于氢化的锭的截面面积的截面面积；在第二升高的温度下使初始加工制品氢化；在第三升高的温度下使初始加工制品变形以形成中间加工制品，所述中间加工制品具有小于初始加工制品的截面面积的截面面积；以及对中间加工制品进行真空热处理以减少中间加工制品的氢含量。
附图简述
参考附图可以更好地理解本文描述的方法及合金制品的特征和优点，其中：
图1是根据本公开生产钛或钛合金制品的方法的非限制性实施方案的流程图。
应当理解的是，本发明在其应用上不限于上述图中所示的布置。读者在考虑到以下根据本公开的方法及合金制品的某些非限制性实施方案的详细描述后将会理解前述细节以及其它细节。读者在使用本文描述的方法及合金制品后也可理解某些这类附加的细节。
具体实施方式在本发明非限制性实施方案的描述以及在权利要求书中，除了在操作实施例中或者另有指示的情况下，要将表示成分和产品的数量或特性、加工条件等的所有数值理解为在所有情况下均由术语“约”修饰。因此，除有相反的指示外，以下描述及所附权利要求书中给出的任何数值参数均为近似值，其可根据试图要在根据本公开的方法及合金制品中获得的所需性质而变化。最起码且不是企图限制与权利要求书范围等同的教导的应用，至少应根据所报告的有效数字的数目并通过应用普通的舍入技术来解释每个数值参数。
本公开部分地涉及解决在某些钛合金制品中实现较细α粒度的常规方法的某些限制的方法和钛及钛合金制品。参考图1，示出了根据本公开生产α+β钛合金锭的方法的非限制性实施方案。所述方法包括用氢源熔化进料材料以形成熔化热(方框100)和铸造熔化热的至少一部分以形成氢化的(即，含氢的)α+β钛合金锭(方框110)。在某些非限制性实施方案中，进料材料可由一旦熔化则产生按重量计(除另指出外，本文所有的百分比均为重量百分比)包含5.50％至6.75％的铝、3.50％至4.50％的钒、钛、氢和杂质的ti-6-4钛合金(具有unsr56400中指定的组成)的材料组成。普通技术人员可以很容易地确定出能够形成具有特定的所需组成的合金热的起始材料。
更一般地，可结合任意商业纯的钛、近α钛合金、α+β钛合金、近β钛合金和铝化钛合金的锭及其它制品的制备采用本文描述的方法。可按照本文公开的方法的各种非限制性实施方案加工的近α钛合金的非限制性实例包括ti-8al-1mo-1v合金(具有unsr54810中指定的组成)。可按照本文公开的方法的各种非限制性实施方案加工的α+β钛合金的非限制性实例包括ti-6al-2sn-4zr-2mo合金(具有unsr54620中指定的组成)、ti-6al-4v合金(具有unsr56400中指定的组成)和ti-6al-6v-2sn合金(具有unsr56620中指定的组成)。可按照本文公开的方法的各种非限制性实施方案加工的近β钛合金的非限制性实例包括ti-5al-2sn-2zr-4mo-4cr合金(也表示为“ti-17”合金，具有uns-r58650中指定的组成)、ti-6al-2sn-2zr-2cr-2mo-0.15si合金(也表示为“ti-62222”合金)和ti-4.5al-3v-2mo-2fe合金(也表示为“sp-700”合金)。可按照本文公开的方法的各种非限制性实施方案加工的铝化钛合金的非限制性实例包括ti-24al-11nb合金和超α2基ti-25al-10nb-3v-1mo合金。本领域技术人员将理解的是，前述的合金名称仅涉及以总合金重量为基准在钛合金中所含有的某些主要合金元素的标称浓度，且这些合金可以还包括其它少量添加的合金元素以及不影响作为近α钛合金、α+β钛合金、近β钛合金和铝化钛合金的合金名称的附带杂质。此外，虽然本描述提到了某些具体的合金，但本文描述的方法及合金制品在这方面不受限制。将要理解的是，可由普通技术人员选择起始材料以便提供具有所需组成及其它所需性质的合金锭。
根据某些非限制性实施方案，根据本发明方法在熔化和铸造步骤中产生的氢化的锭的至少一部分具有大于0至1.5重量％的氢含量(基于氢化的锭的总重量)。根据某些其它非限制性实施方案，氢化的锭的至少一部分的氢含量为0.05重量％至1.0重量％。在又其它非限制性实施方案中，氢化的锭的至少一部分具有0.05重量％至0.8重量％或0.2重量％至0.8重量％的氢含量。根据特定合金制品的组成，在冷却到室温期间大于1.5重量％的氢含量可能会促进开裂，且因此可能不会提供所需要的材料性质。
在钛合金制品中引入氢的常规方法是通过在氢的存在下热处理固化的合金的后熔化。这种常规的方法依赖于氢的固态扩散，且因此通常需要高温热处理持续冗长的时间段，随着截面尺寸而显著增加。相比之下，根据本公开生产α+β钛合金制品或其它钛或钛合金制品的方法的某些非限制性实施方案包括用氢源熔化进料材料以提供氢化的钛或钛合金锭。换言之，在产生熔化热期间存在氢源，且来自所述源的氢结合到铸造材料当中。根据某些非限制性实施方案，在同时进行的熔化和铸造(固化)步骤期间存在氢源。
可按例如钛或钛合金基体中的氢化物析出物或间隙固溶体的形式将氢结合到铸造钛或钛合金当中，虽然氢可按由合金组成及加工条件促进的任何形式存在。如下面进一步解释的那样，按照根据本公开的方法的各种实施方案加工的钛及钛合金制品可导致可加工性和工艺出品率提高，并从而降低生产成本，和/或可实现比经由常规钛转化方法可能获得的更细的α粒度。此外，如下面结合本文的某些实施方案进一步解释的那样，通过在整个最终热加工和粗机械加工制品中保持氢化状态，脱氢(即，减少氢含量)所需的退火时间可相对较短且经济上实用。
在某些非限制性实施方案中，氢源可以是例如：包括与熔化的进料材料相接触的氢的分压的气体环境；包括与熔化的进料材料相接触的氢和惰性气体(例如，氦或氩)的分压的气体环境；和/或连同其它进料材料一起熔化的一种或多种含氢材料(举例如，氢化钛粉末、氢化物钛片或屑)。普通技术人员在阅读本描述后可确定出可在根据本公开的方法中使用以增加钛或钛合金制品的氢含量的另外的氢源。旨在所有这类另外的氢源都在本发明的范围以内。
继续参考图1，在根据本公开生产α+β钛合金制品或别的钛合金制品的方法的非限制性实施方案中，在升高的温度(即，高于室温并且适合加工锭的温度)下使氢化的钛合金锭变形(即，加工)以形成加工制品(方框120-140)，所述加工制品包括小于氢化的锭的截面面积的截面面积。生产钛合金制品的普通技术人员将易于理解“加工制品”的含义。作为实例而非限制，加工制品可以指预制件、中间坯件、终坯件、棒材、板材、片材、加工原样或粗机械加工状况的最终制品或其它轧制产品。例如，一旦例如通过锻造或其它热加工技术使初始锭变形，则所得到的加工制品在本领域中通常被称为预制件或中间坯件。如本文所用的“加工制品”涵盖所有这类制品。此外，应当理解的是，“预制件”或“坯件”不限于制品的具体形状。预制件或坯件的具体形状可根据特定合金制品的加工条件和设计标准而变化。
在本发明方法的某些非限制性实施方案中，初始在特定合金的β相场中(方框120)的温度下使氢化的锭变形，随后在合金的α+β+δ相场中(方框130)使之变形，以形成加工制品，所述加工制品包括小于氢化的锭的截面面积的截面面积。在本发明方法涉及在β相场中且随后在α+β+δ相场中变形的某些实施方案中，合金是α+β钛合金。对α+β合金的铸锭进行常规加工以形成坯件或其它轧制产品通常涉及材料在β转变以上(即，在β相场中)初始变形以打破锭的铸造结构。不旨在束缚于任何理论，采用根据本公开的方法提供氢含量增加的α+β钛合金制品可通过降低合金的β转变温度并使合金的β相稳定化而改善α+β钛合金的热加工性或延展性。
在根据本公开的方法的某些非限制性实施方案中，使通过铸造用氢源熔化进料材料所产生的熔体而制成的钛或钛合金制品在略高于β转变温度的温度下初始变形以形成中间坯件(方框120)。根据本文公开的各种非限制性实施方案使钛或钛合金制品变形可涉及使制品的一部分或整个制品变形。进一步地，如本文所用，涉及温度、温度范围或最低温度的短语如“在…下使…变形”和“在…下使主体变形”等意指至少物体的要变形的部分在变形期间具有至少等于所提到的温度、在所提到的温度范围内或至少与所提到的最低温度一样高的温度。根据本文公开的各种非限制性实施方案可采用的使钛或钛合金制品变形的方法的非限制性实例包括锻造、开坯、挤出、拉拔和轧制中的一种或组合。例如，根据一个具体的非限制性实施方案，在温度t1下使制品的至少一部分变形可包括在其中制品的至少一部分处于温度t1的条件下锻造制品。对于α+β钛合金，因为增加α+β钛合金的氢含量会降低β转变温度，所以与其中合金的氢含量可能较低的常规加工相比，初始β锻造操作的温度可较低。在初始β锻造操作期间利用较低的温度可提供诸如使β晶粒尺寸最小化及保留较高的位错密度的有益效果，这些在后续加工期间可促进微结构细化。
仍参考图1的方框120，根据某些非限制性实施方案，继初始低温β变形之后，在较高的β变形温度下使中间坯件变形，以使中间坯件的至少一部分再结晶。例如，继初始低温β变形之后，可在高于初始β锻造操作的温度(t1)的温度(t2)下锻造中间坯件。在某些非限制性实施方案中，t2比t1高至少27℃。例如，根据本文公开的各种非限制性实施方案，在t1下在β相场中使锭变形之前，可例如在炉中将中间坯件加热到t1或t1以上的温度，使得中间坯件或至少中间坯件要变形的部分达到至少t1的温度。如本文所用，涉及温度、温度范围或最低温度的诸如“被加热到”和“加热到”等的术语意指将制品加热，直到至少制品的所需部分在整个所述部分的范围当中具有至少等于所提到的或最低的温度或在所提到的温度范围内的温度。加热后，可在t1下使中间坯件(或其任何部分)变形。
根据某些非限制性实施方案，将由熔体形成的含氢中间坯件冷却以在中间坯件中形成氢化物析出物。当保持在α+β+δ相区中的温度下时，氢化的锭的氢含量可促进形式
继续参考图1，对中间坯件进行热加工，即，使之在α+β+δ相场或α+β钛合金区中的温度下变形以形成终坯件(方框130)。在某些非限制性实施方案中，在钛合金的α+β+δ相区或场中变形之前，将中间坯件在钛合金的α+β+δ相场中的温度下老化(方框140)。在其它非限制性实施方案中，使中间坯件在钛合金的α+β或α+β+δ相场中变形，无需钛合金的α+β+δ相场中的单独的老化步骤。
在某些非限制性实施方案中，氢化的锭是圆柱形的。在进一步的实施方案中，氢化的锭可呈其它的几何形式，并且截面可以是例如大致矩形的。根据本文公开的某些非限制性实施方案，使氢化的锭变形成终坯件可包括在一轮或多轮或者一步或多步中使锭变形或以其它方式加工锭，以使在热加工期间截面面积的总百分比减少达到至少15％直至98％。
根据涉及加工ti-6-4钛合金制品的某些非限制性实施方案，在α+β钛合金的α+β+δ相区中加工锭(方框130)的温度低于800℃。与常规的加工相比，在本文的实施方案中形成的δ相氢化物析出物可促进较细α粒度的形成。不旨在束缚于任何理论，在热加工期间δ相氢化物析出物可充当α相的再结晶的成核位点，并且也可充当钉扎位点，以使细化的α颗粒稳定化。
根据某些非限制性实施方案，根据本公开生产ti-6-4钛合金制品的方法包括在第一升高的温度下使如本文描述由使用氢源制备的锭铸造的氢化的锭变形，以形成初始加工制品，所述初始加工制品包括小于氢化的锭的截面面积的截面面积，并在第二升高的温度下使初始加工制品氢化(方框150)。在某些非限制性实施方案中，在熔化加工(方框100)期间的氢化用于使氢增加到低于所需最终含量的中间含量，然后添加所需氢的余量以通过随后施加的短时高温热处理(例如，在β锻造后)使合金氢化。可对进一步氢化的合金进行另外的加工以析出如上文详述的氢化钛颗粒。
继续参考图1，在α+β或α+β+δ场中通过常规或超塑性方法对终坯件进行另外的加工以形成具有所需最终形状(方框160)和/或经粗机械加工(方框170)的制品。根据涉及加工ti-6-4钛合金制品的某些非限制性实施方案，可在低于850℃至650℃的温度下完成最终的α+β+δ锻造。在常规加工期间，没有在根据本公开的方法中进行的局部暂时氢化，在相当低于β转变的温度下热加工ti-6-4钛合金可能会不利地导致过度的开裂和大量应变诱导的孔隙率。
根据某些非限制性实施方案，将所提供的最终制品按加工原样或在粗机械加工状况下脱氢(方框180)以减少最终制品的氢含量。如本文所用，“脱氢”意指将最终制品的氢含量减少到任意程度。在某些非限制性实施方案中，使制品脱氢将氢含量减少到不超过150ppm。在某些非限制性实施方案中，使最终制品脱氢可将最终制品中的氢含量减少到任意合适减少的氢含量，以抑制或避免低温脆化和/或满足特定合金的行业标准化学规格。在脱氢过程期间，δ相(氢化钛)析出物可能会分解并留下相对细的α+β微结构，其形态从略微的针状到等轴变动，这取决于加工条件。
在某些非限制性实施方案中，脱氢处理产生脱氢的加工制品。在各种非限制性实施方案中，脱氢的加工制品在最长尺寸上的平均α相粒度小于10微米。在进一步的非限制性实施方案中，脱氢的加工制品在最长尺寸上的平均α相粒度小于3微米。在进一步的非限制性实施方案中，脱氢的加工制品在最长尺寸上的平均α相粒度小于1微米。细化的α+β微结构可改进最终制品的机械性质和/或改进超声检查性。本领域的普通技术人员通过显微镜检查可以很容易地确定脱氢的加工制品的α相粒度。
根据某些非限制性实施方案，使制品脱氢包括对制品进行真空热处理。在某些非限制性实施方案中，对制品进行真空热处理包括在基本上真空状态和足以从制品中除去至少一部分氢的温度下加热最终制品。虽然本文仅描述了有限数目的脱氢方法，但本发明不限于此。普通技术人员可以很容易地确定用于特定氢化的加工制品的合适的脱氢技术。
一直保持钛或钛合金制品处于其氢化状态到最终加工或粗机械加工状况下可产生许多工艺优点，包括例如产量提高(开裂较少)、锻造流动应力较低、允许的热加工温度较低、机械加工性提高且脱氢退火时间显著缩短。工艺条件的改变可产生具有超细结构和改进的拉伸强度、抗疲劳性及超声检查性的最终钛或钛合金制品。
虽然前面的描述仅必要地给出了有限数目的实施方案，但相关领域的普通技术人员将会理解的是，本领域技术人员可以对本文已描述和说明的实施例的方法及其它细节做出各种改动，并且所有这类修改将仍然属于如在本文和在所附权利要求书中表达的本公开的原理和范围之内。因此要理解的是，本发明不限于所公开或并入本文的特定实施方案，而是旨在涵盖由权利要求书限定的本发明的原理和范围内的修改。本领域技术人员还将理解的是，在不背离广泛的发明构思的情况下可以对上述实施方案做出改动。
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