α-β钛合金的加工

摘要

本发明公开了一种用于提高可冷加工的α‑β钛合金的拉伸强度的方法，其包含在Tβ‑106℃至Tβ‑72.2℃范围内的温度下溶液热处理可冷加工的α‑β钛合金15分钟至2小时；以至少3000℃/分钟的冷却速率冷却所述α‑β钛合金；冷加工所述α‑β钛合金以便向所述合金赋予在5％至35％范围内的有效应变；以及在Tβ‑669℃至Tβ‑517℃范围内的温度下老化所述α‑β钛合金1至8小时。还公开了包括经溶液处理、淬火、冷加工和老化的α‑β钛合金的紧固件坯件和紧固件。

权利要求

1.一种用于提高可冷加工的α-β钛合金的拉伸强度的方法，其包含：通过在所述α-β钛合金的β转变温度(Tβ)-106℃至Tβ-72.2℃范围内的温度下加热所述α-β钛合金15分钟至2小时来溶液热处理可冷加工的α-β钛合金；

以每分钟至少3000℃的冷却速率将所述α-β钛合金冷却至环境温度；

冷加工所述α-β钛合金以赋予在13％至35％范围内的有效应变；以及通过在Tβ-669℃至Tβ-517℃范围内的温度下加热所述α-β钛合金1至8小时来老化所述α-β钛合金。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述α-β钛合金以按总合金重量计的重量百分比包含：

2.9至5.0铝；

2.0至3.0钒；

0.4至2.0铁；

0.2至0.3氧；

0.005至0.3碳；

钛；以及

杂质。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述α-β钛合金以重量百分比计包含：

2.5至3.5铝；

2.0至3.0钒；

至多0.20铁；

至多0.15氧；

至多0.050碳；

至多0.030氮；

至多0.015氢；

钛；以及

杂质。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述α-β钛合金选自Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe合金、Ti-5Al-4V-0.7Mo-0.5Fe合金和Ti-3Al-5Mo-5V-3Cr-0.4Fe合金。

5.根据权利要求1所述的方法，其中冷却所述α-β钛合金包含使所述α-β钛合金在水中淬火。

6.根据权利要求1所述的方法，其中冷加工所述α-β钛合金包含在低于676.7℃的温度下加工所述α-β钛合金。

7.根据权利要求1所述的方法，其中冷加工所述α-β钛合金包含在低于537.8℃的温度下加工所述α-β钛合金。

8.根据权利要求1所述的方法，其中冷加工所述α-β钛合金包含以下中的至少一种：轧制、锻造、挤压、皮尔格轧制、摇摆、拉拔、流动旋压、液体压缩成形、气体压缩成形、液压成形、鼓胀成形、滚轧成形、冲压、精冲、模压、深拉、压印、旋压、模锻、冲击挤压、爆炸成形、橡皮成形、反向挤压、冲孔、旋压、拉伸成形、压弯、电磁成形以及冷镦所述α-β钛合金。

9.根据权利要求1所述的方法，其中冷加工所述α-β钛合金包含拉拔所述α-β钛合金。

10.根据权利要求1所述的方法，其中冷加工所述α-β钛合金包含模锻所述α-β钛合金。

11.根据权利要求1所述的方法，其中冷加工所述α-β钛合金向所述α-β钛合金赋予了在

13％至30％范围内的有效应变。

12.根据权利要求1所述的方法，其中冷加工所述α-β钛合金向所述α-β钛合金赋予了在

13％至23％范围内的有效应变。

13.根据权利要求1所述的方法，其中溶液热处理所述α-β钛合金包含在Tβ-97.2℃至Tβ-

83.3℃范围内的温度下加热所述α-β钛合金30分钟至1小时。

14.根据权利要求1所述的方法，其中老化所述α-β钛合金包含在Tβ-622℃至Tβ-581℃范围内的温度下加热所述α-β钛合金1至5小时。

15.根据权利要求1所述的方法，其进一步包含在溶液热处理所述α-β钛合金之前，热加工所述α-β钛合金。

16.根据权利要求15所述的方法，其中热加工所述α-β钛合金包含在Tβ-83.3℃至Tβ-28℃范围内的温度下加热所述α-β钛合金。

17.根据权利要求15所述的方法，其中热加工所述α-β钛合金包含以下中的至少一种：轧制、锻造、挤压、皮尔格轧制、摇摆、拉拔、流动旋压、液体压缩成形、气体压缩成形、液压成形、鼓胀成形、滚轧成形、冲压、精冲、模压、深拉、压印、旋压、模锻、冲击挤压、爆炸成形、橡皮成形、反向挤压、冲孔、旋压、拉伸成形、压弯以及电磁成形所述α-β钛合金。

18.根据权利要求1所述的方法，其进一步包含在冷却所述α-β钛合金与冷加工所述α-β钛合金之间，对所述α-β钛合金进行表面修整。

19.根据权利要求1所述的方法，其进一步包含在冷加工所述α-β钛合金的步骤与老化所述α-β钛合金的步骤之间，对所述α-β钛合金进行表面修整。

20.根据权利要求1所述的方法，其进一步包含在冷加工所述α-β钛合金的步骤和老化所述α-β钛合金的步骤中的至少一个之后，精加工所述α-β钛合金。

21.根据权利要求20所述的方法，其中精加工所述α-β钛合金包含机加工所述α-β钛合金。

22.一种用于制造α-β钛合金紧固件坯件的方法，其包含：在866℃至899℃范围内的温度下加热α-β钛合金15分钟至2小时；

水淬火所述α-β钛合金；

使用冷拔和冷模锻所述α-β钛合金中的至少一种对所述α-β钛合金进行冷加工，以向所述α-β钛合金赋予在13％至35％范围内的有效应变；以及在302℃至454℃范围内的温度下老化所述α-β钛合金1至8小时；

其中所述α-β钛合金以按总合金重量计的重量百分比包含：

2.9至5.0铝；

2.0至3.0钒；

0.4至2.0铁；

0.2至0.3氧；

0.005至0.3碳；

钛；以及

杂质。

23.根据权利要求22所述的方法，其中冷加工所述α-β钛合金包含在低于676.7℃的温度下加工所述α-β钛合金。

24.根据权利要求22所述的方法，其中冷加工所述α-β钛合金包含在低于537.8℃的温度下加工所述α-β钛合金。

25.根据权利要求22所述的方法，其中冷加工所述α-β钛合金包含向所述α-β钛合金赋予在13％至30％范围内的有效应变。

26.根据权利要求22所述的方法，其中冷加工所述α-β钛合金包含向所述α-β钛合金赋予在13％至23％范围内的有效应变。

27.根据权利要求22所述的方法，其中加热所述α-β钛合金包含在874℃至888℃范围内的温度下加热所述α-β钛合金30分钟至1小时。

28.根据权利要求22所述的方法，其中老化所述α-β钛合金温度包含在349℃至391℃范围内的温度下加热所述α-β钛合金1至5小时。

29.根据权利要求22所述的方法，其进一步包含在加热所述α-β钛合金之前，热加工所述α-β钛合金。

30.根据权利要求29所述的方法，其中热加工所述α-β钛合金包含在888℃至943℃范围内的温度下加工所述α-β钛合金。

31.根据权利要求29所述的方法，其中热加工所述α-β钛合金包含将所述α-β钛合金轧制成在0.635cm至5.08cm范围内的直径。

32.根据权利要求29所述的方法，其进一步包含在热加工所述α-β钛合金之后，将所述α-β钛合金切割成直线长度。

33.根据权利要求22所述的方法，其进一步包含在淬火所述α-β钛合金与冷加工所述α-β钛合金之间，对所述α-β钛合金进行表面修整。

34.根据权利要求22所述的方法，其进一步包含在冷加工所述α-β钛合金与老化所述α-β钛合金之间，对所述α-β钛合金进行表面修整。

35.根据权利要求22所述的方法，其进一步包含在冷加工所述α-β钛合金和老化所述α-β钛合金中的至少一个之后，精加工所述α-β钛合金。

36.根据权利要求35所述的方法，其中精加工所述α-β钛合金包含机加工所述α-β钛合金。

37.根据权利要求2、权利要求3或权利要求22所述的方法，其中冷加工的所述α-β钛合金进一步包含锡、锆、钼、铬、镍、硅、铜、铌、钽、锰、钴、硼和钇中的一或多种；

其中所述钛合金中存在的任何锡、锆、钼、铬、镍、硅、铜、铌、钽、锰、钴、硼和钇的重量百分比的总和小于0.5重量％；

其中存在于所述合金中的任何锡、锆、钼、铬、镍、硅、铜、铌、钽、锰和钴的单独浓度各自不超过0.1重量％；

其中存在于所述合金中的任何硼和钇的单独浓度各自小于0.005重量％。

说明书

α-β钛合金的加工

技术领域

[0001] 本公开涉及加工某些可冷加工的α-β钛合金的新型方法、使用所述方法制造的合金、以及包括所述合金的制品。本公开的一个具体非限制性方面涉及包括使用本文的新型
方法制造的合金的紧固件和紧固件坯件。

背景技术

[0002] 钛合金通常表现出高强度重量比、耐腐蚀性、以及在适度高温下的抗蠕变性。由于这些原因，钛合金被用于许多航空、航天、国防、船舶和汽车应用，包括例如起落架构件、发
动机机架、防弹装甲、船体和机械紧固件。

[0003] 减小飞机或其它机动车辆的重量可以节省燃料。因此，例如，在航空工业中有强大的驱动力来减轻飞机的重量。钛和钛合金是用于在飞机应用中实现重量减轻的有吸引力的
材料，因为它们具有高强度重量比和其它有利的机械特性。

[0004] 作为α-β钛合金的Ti-6Al-4V合金(ASTM 5级；UNS R56400；AMS 4965)用于许多应用中，这些应用受益于合金的轻质、耐腐蚀性和在低至中等温度下的高强度的有利组合。例
如，航空应用中使用的许多钛合金零件是由Ti-6Al-4V合金制成。更一般地，Ti-6Al-4V合金
用于生产飞机发动机部件、飞机结构部件、高性能汽车部件、医疗器械部件、运动器材、船舶
应用部件、化学加工设备部件和紧固件。Ti-6Al-4V合金小直径紧固件坯件(即，具有小于
0.5英寸(1.27cm)直径的紧固件坯件)的典型最小规格为170ksi(1,172MPa)极限拉伸强度
(UTS)(根据ASTM E8/E8M 09(“金属材料张力测试的标准测试方法(Standard Test 
Methods for Tension Testing of Metallic Materials)”美国材料和试验协会(ASTM 
International),2009)所测定)和103ksi(710MPa)双剪切强度(DSS)(根据NASM 1312-13
(修订版2，2013)紧固件测试方法-双剪试验(Fastener Test Methods-Double Shear 
Test)(航空航天工业协会(Aerospace Industries Association))所测定)。

[0005] 铁和镍基高温合金，例如A286铁基高温合金(UNS S66286)，是具有下一级强度的航空紧固件应用中使用的代表性材料。冷拔和老化的A286合金紧固件的典型规定最小强度
为180ksi(1,241MPa)UTS和108ksi(744MPa)DSS。

[0006] 合金718镍基高温合金(UNS N07718)是航空紧固件中使用的材料，代表了最高强度等级。冷拔和老化的合金718高温合金紧固件的典型规定最小值为220ksi(1,517MPa)UTS
和120ksi(827MPa)DSS。镍和钢紧固系统通常使用拉拔和老化加工路线来实现其高强度。历
史上，由于合金在室温下的低延展性，Ti-6Al-4V合金或其它钛合金没有使用拉拔和老化工
艺。这在业界是众所周知的。

[0007] 钛具有比钢或镍低得多的密度，这在航空紧固件和其它应用中导致显著的重量节省。然而，某些低温应用需要高于现有钛合金紧固件材料通常可达到的强度。另外，用于生
产常规钛合金紧固件的热处理步骤可能很长，在紧固件生产过程中造成工艺瓶颈。例如，成
品钛合金紧固件的常规老化时间可以在4至12小时范围内，并且通常为8至10小时。提供表
现出高强度的钛合金紧固件材料，例如用Ti-6Al-4V合金紧固件可获得的强度，而不需要目
前用于获得所需强度水平的长时间老化将是有利的。

[0008] 延展性是任何给定金属材料(即，金属和金属合金)的特性。金属材料的冷成形性(也称为“冷加工性”)是基于材料的近室温延展性和变形而不开裂的能力。高强度的α-β钛
合金，例如Ti-6Al-4V合金，通常在室温或接近室温下具有低的冷成形性。这限制了它们接
受冷拔和其它低温成形，因为所述合金在低温下加工时容易发生开裂和其它断裂。由于在
室温或接近室温下有限的冷成形性，所以α-β钛合金通常通过涉及大量热加工的技术进行
加工。表现出相对较高的室温延展性的钛合金通常也表现出相对较低的强度。其结果是高
强度合金通常更难以制造，需要在高于几百摄氏度的温度下进行大量加工才能使HCP和BCC
晶体结构均匀地变形。

[0009] HCP晶体结构对许多工程材料是常见的，包括镁、钛、锆和钴合金。HCP晶体结构具有ABABAB堆叠顺序，而例如不锈钢、黄铜、镍合金和铝合金等其它金属合金通常具有
ABCABCABC堆叠顺序的面心立方(FCC)晶体结构。由于这种堆叠顺序的差异，所以相对于FCC
材料，HCP金属和合金在数学上可能的独立滑移系统的数量显著减少。HCP金属和合金中的
许多独立滑移系统需要明显更高的应力激活，并且这些“高阻力”变形模式通过形成裂纹来
完成它们的激活。这种效应对温度敏感，因此在低于几百摄氏度的温度下，钛合金展现出显
著较低的延展性。

[0010] 结合HCP材料中存在的滑移系统，非合金化HCP金属中可能有许多孪生系统。钛中的滑移系统与孪生系统的组合使得能够有足够的独立变形模式，使得“商业上纯的”(CP)钛
可以在室温附近的温度下(即，在-100℃至+200℃的近似温度范围内)冷加工。

[0011] 钛与其它HCP金属和合金中的合金化效应倾向于增加“高阻力”滑移模式的不对称性或困难性，并且抑制孪生系统的激活。结果是合金，如Ti-6Al-4V合金和Ti-6Al-2-Sn-
4Zr-2Mo-0.1Si合金的冷加工能力的宏观损失。Ti-6Al-4V合金和Ti-6Al-2-Sn-4Zr-2Mo-
0.1S合金由于其高浓度的α相和合金元素而表现出相对较高的强度。特别是，已知铝在室温
和高温下都会增加钛合金的强度。但是，已知铝也会对室温加工能力产生不利影响。

[0012] 通常，就能量消耗和在加工过程中产生的废料量而言，可以更高效地制造展现高冷成形性的合金。因此，一般而言，配制可以在相对较低温度下加工的合金是有利的。

[0013] 一些已知的钛合金通过包括高浓度的β相稳定合金添加物表现出提高的室温加工能力。这种合金的例子包括Beta C钛合金(Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr；UNS R58649)，其可以
TM
呈 38-644 β钛合金形式的一种形式商购自阿勒格尼技术公司(Allegheny 
Technologies Incorporated),美国宾西法尼亚州匹兹堡(Pittsburgh,Pennsylvania 
USA)。 38-644TMβ钛合金和类似配制的合金通过限制或消除来自微结构的α相而提供
有利的冷成形性。通常，这些合金可以在低温老化处理过程中沉淀α相。

[0014] 尽管它们具有有利的冷成形性，但β钛合金通常具有两个缺点：昂贵的合金添加物和不良的高温蠕变强度。不良的高温蠕变强度是这些合金在例如500℃的高温下表现出相
当大浓度的β相的结果。由于其体心立方结构，β相不能很好地抗蠕变，这提供了大量的变形
机制。机加工β钛合金也被认为是困难的，因为合金的弹性模量相对较低，这允许更显著的
回弹。由于这些缺点，所以β钛合金的使用受到了限制。

[0015] 正在用作或正考虑用作高强度紧固件材料的两种β钛合金表现出180ksi(1241MPa)的最小UTS和108ksi(744.6MPa)的最小DSS。美国宾西法尼亚州珍金镇
(Jenkintown,Pennsylvania USA)的SPS技术公司(SPS Technologies)提供了一种钛合金
紧固件，所述钛合金紧固件是由经过优化的β钛合金制成，符合Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo钛
合金(AMS 4958)的化学组成。SPS螺栓的直径可达1英寸(2.54cm)。美铝紧固件系统(Alcoa 
FasteningSystems；AFS)开发了一种高强度紧固件，其是由符合Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-0.5Fe
钛合金(也称为Ti-5553合金；UNS未分配)的标称化学组成的钛合金，即一种近β钛合金制
成。据报道，AFS Ti-5553合金紧固件具有190ksi(1,309MPa)的拉伸强度、大于10％的伸长
率、以及对于未涂覆部件为113ksi(779MPa)的最小DSS且对于涂覆部件为108ksi(744MPa)
的最小DSS。

[0016] 如所讨论，β钛合金通常包括高合金含量，与α-β钛合金相比，其增加了组件和加工的成本。β钛合金通常还具有比α-β钛合金更高的密度。例如，ATI α-β钛合金具有约
0.161lbs./in3(4.5g/cm3)的密度，而β钛合金Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo合金的密度约为
3 3
0.174lbs./in (4.8g/cm )，而近β钛合金Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-0.5Fe合金的密度约为
0.168lbs./in3(4.7g/cm3)。(ATI α-β钛合金是Ti-4Al-2.5V合金(UNS R54250)的商业
版本，并且可以从美国宾西法尼亚州匹兹堡的阿勒格尼技术公司获得)。由低密度钛合金制
成的紧固件可以为航空应用节省更多的重量。另外，例如在溶液处理和老化的α-β钛合金中
获得的双峰微结构可以提供改进的机械性能，例如与β钛合金相比的高循环疲劳。α-β钛合
金还具有比β钛合金更高的β转变温度(Tβ)。例如，ATI α-β钛合金的Tβ约为982.2℃，而
Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-0.5Feβ钛合金的Tβ约为860℃。α-β钛合金的一般较高的Tβ允许在α-β相
场中进行热机械加工和热处理的更大温度窗口。

[0017] 用于从ATI 合金(UNS R54250)生产α-β钛合金紧固件坯件和紧固件的现有技术方法公开于共同未决的美国专利申请序列号12/903,851中，所述申请以全文引用的方式
并入本文中。参看图1，用于生产α-β钛合金紧固件坯件和紧固件的方法10包括通过在843℃
至982℃范围内的温度下加热α-β钛合金0.5至2小时来溶液处理12通常呈卷绕形式的α-β钛
合金。在溶液处理之后，α-β钛合金被水淬火14。任选地，溶液处理过的α-β钛合金可以经历
如热或冷镦的过程(未示出)。然后，通过将溶液处理过的α-β钛合金在315℃至537.8℃范围
内的温度下加热2至12小时来老化16溶液处理过的α-β钛合金以提供溶液处理和老化(STA)
的紧固件坯件。老化16之后，包含ATI  合金的STA紧固件坯件可以经受例如螺纹轧制
的冷变形18过程以形成紧固件。

[0018] 如果现有钛合金在冷加工过程中更耐开裂，即如果合金表现出提高的冷成形性，则成本较低的钛产品将是可能的。由于α-β钛合金代表了所有生产的合金化钛中的大多数，
所以通过改进冷成形性可以显著降低加工这些合金的成本。因此，商业上感兴趣的合金包
括高强度、可冷变形的α-β钛合金。近期已开发出属于此类的几种合金。例如，在过去的20年
中，已开发出了Ti-4Al-2.5V合金(UNS R54250)、Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe合金、Ti-5Al-4V-
0.7Mo-0.5Fe合金(TIMETAL 54M)和Ti-3Al-5Mo-5V-3Cr-0.4Fe合金。与Ti-4Al-2.5V合金不
同，Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe合金也称为SP-700合金(UNS未指定)，是一种可冷变形的高强度
α-β钛合金，其包括成本相对较高的合金成分。与Ti-4Al-2.5V合金类似，由于β相含量增加，
故而SP-700合金显示出降低的抗蠕变性。Ti-3Al-5Mo-5V-3Cr-0.4Fe合金还表现出良好的
室温成形能力，并且鉴于其在室温下的显著β相含量，而显示出相对不良的抗蠕变性。

发明内容

[0019] 应理解，在本说明书中公开和描述的发明不限于本发明内容中描述的实施例。

[0020] 根据本公开的一个非限制性方面，用于增加α-β钛合金的拉伸强度的方法包括通过在Tβ-106℃至Tβ-72.2℃范围内的温度下加热钛合金15分钟至2小时来溶液热处理可冷加
工的α-β钛合金，其中Tβ是钛合金的β转变温度。在所述方法的一个非限制性实施例中，在加
热钛合金之后，以至少3000℃/分钟的冷却速率将钛合金冷却至环境温度。在所述方法的另
一个非限制性实施例中，在加热钛合金之后，钛合金以至少与水冷达到的冷却速率一样大
的冷却速率冷却至环境温度。在将钛合金冷却至环境温度之后，将钛合金冷加工以赋予在
5％至35％范围内的有效应变。在冷加工钛合金之后，通过在Tβ-669℃至Tβ-517℃范围内的
温度下加热1至8小时使钛合金老化。

[0021] 在根据本公开的用于提高α-β钛合金的拉伸强度的上述方法的某些非限制性实施例中，以总合金重量的重量百分比计，可冷加工的α-β钛合金包含：2.9-5.0铝；2.0至3.0钒；
0.4至2.0铁；0.2至0.3氧；0.005至0.3碳；任选地，锡、锆、钼、铬、镍、硅、铜、铌、钽、锰、钴、硼
和钇中的一或多种；钛；以及杂质。在一个非限制性实施例中，钛合金中存在的任何锡、锆、
钼、铬、镍、硅、铜、铌、钽、锰、钴、硼和钇的重量百分比的总和小于0.5重量％，其中存在于合
金中的任何锡、锆、钼、铬、镍、硅、铜、铌、钽、锰和钴的单独浓度各自不超过0.1重量％，并且
存在于合金中的任何硼和钇的单独浓度各自小于0.005重量％。

[0022] 本公开的另一个非限制性方面涉及一种用于生产α-β钛合金紧固件坯件的方法，其包含在866℃至899℃范围内的温度下加热α-β钛合金15分钟至2小时。对加热的α-β钛合
金进行水淬火。在水淬火之后，将α-β钛合金冷加工以赋予在5％至35％范围内的有效应变。
然后通过在302℃至454℃范围内的温度下加热1至8小时使α-β钛合金老化。

[0023] 在前述方法的某些非限制性实施例中，α-β钛合金以按总合金重量计的重量百分比包含：2.9至5.0铝；2.0至3.0钒；0.4至2.0铁；0.2至0.3氧；0.005至0.3碳；任选地，锡、锆、
钼、铬、镍、硅、铜、铌、钽、锰、钴、硼和钇中的一或多种；钛；以及杂质。在一个非限制性实施
例中，钛合金中存在的任何锡、锆、钼、铬、镍、硅、铜、铌、钽、锰、钴、硼和钇的重量百分比的
总和小于0.5重量％，其中存在于合金中的任何锡、锆、钼、铬、镍、硅、铜、铌、钽、锰和钴的单
独浓度各自不超过0.1重量％，并且存在于合金中的任何硼和钇的单独浓度各自小于0.005
重量％。

[0024] 在根据本公开的用于生产α-β钛合金紧固件坯件的方法的一个非限制性实施例中，冷加工包含拉拔α-β钛合金。在根据本公开的用于生产α-β钛合金紧固件坯件的方法的
另一个非限制性实施例中，冷加工包含模锻α-β钛合金。

[0025] 根据本公开的另一个非限制性方面涉及一种选自以下的制品：热轧、溶液处理和冷加工的α-β钛合金紧固件；以及热轧、溶液处理和冷加工的α-β钛合金紧固件坯件。在某些
非限制性实施例中，根据本公开的α-β钛合金紧固件和α-β钛合金紧固件坯件以按总合金重
量计的重量百分比包含：2.9-5.0铝；2.0至3.0钒；0.4至2.0铁；0.2至0.3氧；0.005至0.3碳；
任选地，锡、锆、钼、铬、镍、硅、铜、铌、钽、锰、钴、硼和钇中的一或多种；钛；以及杂质。在一个
非限制性实施例中，存在于α-β钛合金紧固件或α-β钛合金紧固件坯件中的任何锡、锆、钼、
铬、镍、硅、铜、铌、钽、锰、钴、硼和钇的重量百分比的总和小于0.5重量％，其中存在的任何
锡、锆、钼、铬、镍、硅、铜、铌、钽、锰和钴的单独浓度各自不超过0.1重量％，并且存在的任何
硼和钇的单独浓度各自小于0.005重量％。

[0026] 根据本公开的热轧、溶液处理和冷加工的α-β钛合金紧固件的非限制性实施例包括螺栓、螺母、螺柱、螺钉、垫圈、锁紧垫圈和铆钉。根据本公开的热轧、溶液处理和冷加工的
α-β钛合金紧固件坯件的非限制性实施例是呈直线长度形式的紧固件坯件。

附图说明

[0027] 参考附图可以更好地理解本说明书中公开和描述的非限制性和非穷尽性实施例的各种特征和特性，在所述附图中：

[0028] 图1是用于由α-β钛合金制造紧固件坯件和紧固件的现有技术方法的流程图；

[0029] 图2是根据本公开的用于增加可冷加工的α-β钛合金的拉伸强度的方法的非限制性实施例的流程图；

[0030] 图3是根据本公开的用于生产α-β钛合金紧固件坯件的方法的非限制性实施例的流程图；

[0031] 图4是描绘轧机退火的ATI 合金的紧固件坯件的一个实施例的微结构的扫描电子显微图；

[0032] 图5是描绘根据本公开的非限制性方法实施例进行溶液处理和淬火的ATI 合金的紧固件坯件的一个实施例的微结构的扫描电子显微图；并且

[0033] 图6是描绘根据本公开的非限制性方法实施例进行溶液处理和淬火的Ti-6Al-4V合金的紧固件坯件的一个实施例的微结构的扫描电子显微图。

[0034] 在考虑根据本公开的各种非限制性和非穷尽性实施例的以下详细描述时，读者将了解到前面的细节以及其它细节。

具体实施方式

[0035] 本说明书中描述和说明了各种实施例，以提供对所公开的方法和制品的全面理解。应理解，在本说明书中描述和说明的各种实施例是非限制性和非穷尽性的。因此，本发
明不受本说明书中公开的各种非限制性和非穷尽性实施例的描述的限制。相反，本发明仅
由权利要求书限定。结合各种实施例说明和/或描述的特征和特性可以与任何其它实施例
的特征和特性组合。所述修改和改动旨在包括于本说明书的范围内。因此，可以修改权利要
求以阐述本说明书中明确或内在描述的任何特征或特性，或者以其它方式由本说明书明确
或固有地支持。此外，申请人保留修改权利要求书以确定地否认可能存在于现有技术中的
特征或特性的权利。在本说明书中公开和描述的各种实施例可以包含如本文中不同地描述
的特征和特性、由其组成或基本上由其组成。

[0036] 除非另外指明，否则本文提供的合金组合物的所有百分比和比例均为以特定合金组合物的总重量计的重量百分比。

[0037] 被称为以引用方式全部或部分地并入本文中的任何专利、公开案或其它公开材料只在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情况下被并
入本文。因此，并且在必要的范围内，本文中阐述的公开内容取代以引用方式并入本文的任
何有冲突的材料。被称为以引用方式并入本文，但与本文中阐述的现有定义、陈述或其它公
开材料有冲突的任何材料或其部分只会在所并入的材料与现有公开材料之间不产生矛盾
的情况下被并入。

[0038] 在本说明书中，除了另有说明外，所有数值参数都应被理解为在所有情况下由术语“约”来表示和修饰，其中数值参数具有用于确定参数数值的基础测量技术的固有变化特
性。至少且并非试图限制将等同原则应用于权利要求书的范围，本说明书中所述的每个数
值参数应该至少根据所记录的有效数字的数目并通过应用一般的四舍五入技术来理解。

[0039] 另外，本说明书中所引用的任何数值范围旨在包括包含在所述范围内的具有相同数值精度的所有子范围。举例来说，“1.0至10.0”的范围旨在包括介于(且包括)所引用的最
小值1.0与所引用的最大值10.0之间的所有子范围，即，具有等于或大于1.0的最小值和等
于或小于10.0的最大值，例如2.4至7.6。本说明书中引用的任何最大数值限制旨在包括其
中包含的所有较低数值限制，并且本说明书中所引用的任何最小数值限制旨在包括其中包
含的所有较高数值限制。因此，申请人保留修改本说明书(包括权利要求书)的权利，以明确
列举包含在本文明确记载的范围内的任何子范围。所有这些范围旨在于本说明书中固有地
描述，以使得明确地引用任何这种子范围的修改将符合35U.S.C.§112第一段和35U.S.C.§
132(a)的要求。另外，如本文所用，当涉及组成元素范围时，除非特定元素作为不可避免的
杂质存在，或者除非在词语“大于零和”之前有“至多”，否则短语“至多”包括零。

[0040] 除非另外指出，否则在本说明书中使用的语法冠词“一(one/a/an)”和“所述”旨在包括“至少一”或“一或多”。因此，在本说明书中使用的这些冠词指的是冠词的一个或多于
一个(即“至少一个”)语法宾语。举例来说，“组件”意指一或多个组件，且因此可能的是，预
期多于一个组件，并且可以在所描述的实施例的实施中运用或使用所述组件。此外，除非使
用的上下文另有要求，否则单数名词的使用包括复数，且复数名词的使用包括单数。

[0041] 如结合本发明在本文所使用，“冷加工”、“冷加工的”、“冷成形”等术语以及与特定加工或成形技术相关使用的“冷”是指视情况而定在环境温度至不超过约677℃范围内的温
度下加工或被加工的特性。在某些非限制性实施例中，冷加工在环境温度至不超过约537.8
℃范围内的温度下进行。在某些其它非限制性实施例中，冷加工在环境温度至不超过约399
℃范围内的温度下进行。在某些其它非限制性实施例中，冷加工在环境温度至不超过约300
℃范围内的温度下进行。在一个非限制性实施例中，冷加工包含在不预热工件的情况下机
械加工所述工件。冷加工的非限制性实例涉及使用选自以下的一或多种技术在所述温度下
加工金属制品：轧制、螺纹轧制、锻造、皮尔格轧制(pilgering)、摇摆、拉拔、镦制、流动旋
压、摇摆、弯曲、压平、锻造、冲压、液体压缩成形、气体压缩成形、液压成型、鼓胀成形、滚轧
成形、冲压、精冲、模压、深拉、压印、旋压、模锻、冲击挤压、爆炸成形、橡皮成形、反向挤压、
冲孔、旋压、拉伸成形、压弯和电磁成形。

[0042] 如本文所用，当涉及钛合金时，术语“可冷加工”是指可以被冷加工(如本文所定义)的钛合金，而不会在钛合金工件(如丝线)上产生有害的破裂、宏观裂纹和/或微裂纹，例
如，在预热下，或在等于或小于398.9℃的加工温度下，或例如在等于或小于300℃的加工温
度下。认识到，当冷加工钛合金板时，可能出现一定程度的边缘开裂，并且对于可冷加工的
钛合金是可接受的。如本文所用，“宏观裂纹”是指光学可见的裂纹，而“微裂纹”是指特定合
金的晶粒尺寸的尺度上的裂纹形成。

[0043] 本文提到的“包含”特定组合物的钛合金旨在包括“基本上由所述组合物组成”或“由所述组合物组成”的合金。应理解，本文中所述的“包含”特定组合物、“由特定组合物组
成”或“基本上由特定组合物组成”的钛合金组合物也可包括杂质。

[0044] 根据本公开的一个非限制性方面，且参看图2，用于提高可冷加工的α-β钛合金的拉伸强度的方法20包含通过在Tβ-106℃至Tβ-72.2℃范围内的温度下加热α-β钛合金15分钟
至2小时来溶液热处理22可冷加工的α-β钛合金。本文中和权利要求书中陈述的所有热处理
时间均为“在温度下的时间”，其中制品处于所指示的温度或在其整个厚度上处于指示的温
度范围内。在另一个非限制性实施例中，溶液热处理α-β钛合金包含在Tβ-97.2℃至Tβ-83.3
℃范围内的温度下加热α-β钛合金30分钟至1小时。

[0045] 溶液热处理22α-β钛合金后，将合金以至少3000℃/分钟的冷却速率进行冷却24。在方法20的某些非限制性实施例中，通过水冷却以达到至少3000℃/分钟的冷却速率来冷
却24α-β钛合金。在方法20的其它非限制性实施例中，通过液体淬火和气体淬火中的一种以
达到至少3000℃/分钟的冷却速率来冷却24α-β钛合金。在方法20的某些非限制性实施例
中，在足以在冷却时产生马氏体(martensite)的冷却速率下冷却24α-β钛合金。

[0046] 在方法20的某些非限制性实施例中，冷却24α-β钛合金后，对合金进行冷加工26以赋予在5％至35％、或10％至30％、或13％至23％范围内的有效应变。如本文所用，“有效应
变”是指可以通过α-β钛合金的拉伸、压缩、剪切和/或扭转载荷的组合而在冷加工期间实现
的应变。钛合金所生成的变形赋予更大的强度。所公开的有效应变范围，即5-35％或10-
30％或13-23％，代表了本公开的可冷加工的α-β钛合金将能够承受而不会在微结构中出现
微裂纹的有效应变量。如本文所用，有效应变 是由以下等式确定：

[0047]

[0048] 其中每个变量是针对法向应变(ε)或剪切应变(γ)，且有效应变是这些应变各自组合成单个变量。(参见例如，小林(Kobayashi)等人，金属成形和有限元法(Metal Forming 
and the Finite-Element Method),牛津大学先进制造系列(Oxford Series on 
AdvancedManufacturing)(牛津大学出版社(Oxford University Press),纽约州纽约市
(New York,N.Y.),1989),第48页.(ISBN：0-19-504402-9))。再次提到方法20，在冷加工26
后，通过在Tβ-669℃至Tβ-517℃范围内的温度下加热1至8小时来老化28α-β钛合金。

[0049] 在用于提高根据本公开的可冷加工的α-β钛合金的拉伸强度的方法20的某些非限制性实施例中，α-β钛合金以按总合金重量计的重量百分比包含：2.9-5.0铝；2.0至3.0钒；
0.4至2.0铁；0.2至0.3氧；0.005至0.3碳；任选地，锡、锆、钼、铬、镍、硅、铜、铌、钽、锰、钴、硼
和钇中的一或多种；钛；和杂质。在1999年11月9日授权的美国专利第5,980,655号中公开了
具有这种组成的α-β钛合金的一个例子，所述专利以全文引用的方式并入本文中。

[0050] 在用于提高根据本公开的可冷加工的α-β钛合金的拉伸强度的方法20的某些非限制性实施例中，α-β钛合金以按总合金重量计的重量百分比包含：2.5至3.5铝；2.0至3.0钒；
至多0.20铁；至多0.15氧；至多0.050碳；至多0.030氮；至多0.015氢；任选地，锡、锆、钼、铬、
镍、硅、铜、铌、钽、锰、钴、硼和钇中的一或多种；钛；以及杂质。在一个非限制性实施例中，存
在于钛合金中的任何锡、锆、钼、铬、镍、硅、铜、铌、钽、锰、钴、硼和钇的重量百分比的总和小
于0.3重量％，其中存在于合金中的任何锡、锆、钼、铬、镍、硅、铜、铌、钽、锰和钴的单独浓度
各自不超过0.1重量％，且存在于合金中的任何硼和钇的单独浓度各自小于0.005重量％。
具有上述组成的合金的一个例子是Ti-3Al-2.5V合金(UNS R56320)。

[0051] 在用于提高根据本公开的可冷加工的α-β钛合金的拉伸强度的方法20的各种非限制性实施例中，α-β钛合金选自Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe合金(也称为“SP-700”合金；UNS未分
配)、Ti-5Al-4V-0.7Mo-0.5Fe合金(也称为“TIMETAL 54M”合金)和Ti-3Al-5Mo-5V-3Cr-
0.4Fe合金。可加工的示例性α-β钛合金的化学组成的列表描述如下。所述列表提供了以总
合金重量的重量百分比计的组成。如果所列合金中的钛浓度没有指定，那么合金的余量就
是钛和杂质。在所有情况下，都预期合金中会附带有杂质。此列表不应认为是全面的，并且
包括：Ti-6Al-4V合金(UNS R56400)(碳最多0.10，氧最多0.20，铝5.5-6.75，钒3.5-4.5，氢
最多0.025，铁最多0.30，其它各自最多0.10，其它总计最多0.4)；Ti-3Al-2.5V合金(UNS 
R56320)(钛92.755-95.5，铝2.5-3.5，钒2.0-3.0，铁最多0.25，氧最多0.15，碳最多0.1，氮
最多0.03，氢最多0.015，其它元素各自最多0.10，其它元素总计最多0.40)；Ti-4.5Al-3V-
2Mo-2Fe合金(也称为SP700合金)(铌6.5-7.5，铝4.0-5.0，钒2.5-3.5，钼1.8-2.2，铁1.7-
2.3，碳最多0.80，氧最多0.15，氮最多0.050，氢最多0.010，钇最多0.0050，其它元素各自最
多0.10，其它元素总计最多0.40)；Ti-5Al-4V-0.7Mo-0.5Fe合金(也称为“TIMETAL 54M”合
金，并在美国专利第6,786,985号中公开，所述专利以全文引用的方式并入)(铝4.5-5.5，钒
3.0-5.0，钼0.3-1.8，铁0.2-1.2，氧0.12-0.25，其它元素各自小于0.1，其它元素总量小于
0.5)；Ti-3Al-5Mo-5V-3Cr-0.5Fe合金(也称为Ti-3553合金，并在美国专利第6,632,396号
中公开，所述专利以全文引用的方式并入)(铝2.2至3.8，钒4.5-5.9，钼4.5-5.9，铬2.0-
3.6，铁0.2-0.8，锆0.01-0.08，碳0.01至0.25，氧0.03至0.25)；以及ATI 合金(等级38，
购自阿勒格尼技术公司,美国宾夕法尼亚州匹兹堡)(铝3.5-4.5，钒2.0-3.0，铁1.2-1.8，氧
0.2-0.30，碳最多0.08，氮最多0.03，氢最多0.015，其它元素各自最多0.10，其它元素总计
最多0.30)。

[0052] 根据用于提高根据本公开的可冷加工的α-β钛合金的拉伸强度的方法20的某些非限制性实施例，在低于676.7℃的温度下对α-β钛合金进行冷加工26。在根据本公开的方法
20的另一个非限制性实施例中，在不高于300℃的温度下对α-β钛合金进行冷加工26。在根
据本公开的方法20的又一个非限制性实施例中，在低于200℃的温度下对α-β钛合金进行冷
加工26。在根据本公开的方法20的仍又一个非限制性实施例中，在-100℃至+200℃范围内
的温度下对α-β钛合金进行冷加工26。在根据本公开的方法20的仍又一个非限制性实施例
中，在低于537.8℃的温度下对α-β钛合金进行冷加工26。

[0053] 根据用于提高本公开的可冷加工的α-β钛合金的拉伸强度的方法20的各种非限制性实施例，冷加工26α-β钛合金包含以下中的至少一种：轧制、锻造、挤压、皮尔格轧制、摇
摆、拉拔、流动旋压、液体压缩成形、气体压缩成形、液压成形、鼓胀成形、滚轧成形、冲压、精
冲、模压、深拉、压印、旋压、模锻、冲击挤压、爆炸成形、橡皮成形、反向挤压、冲孔、旋压、拉
伸成形、压弯、电磁成形以及冷镦α-β钛合金。在用于提高根据本公开的可冷加工的α-β钛合
金的拉伸强度的方法20的某些非限制性实施例中，冷加工26α-β钛合金包含拉拔α-β钛合
金。在用于提高根据本公开的可冷加工的α-β钛合金的拉伸强度的方法20的其它非限制性
实施例中，冷加工26α-β钛合金包含模锻α-β钛合金。

[0054] 再次参看图2，冷加工26α-β钛合金后，老化28α-β钛合金。在方法20的非限制性实施例中，老化28α-β钛合金包含在Tβ-622℃至Tβ-581℃范围内的温度下加热α-β钛合金1至5
小时。在某些非限制性实施例中，老化28α-β钛合金包含在302℃至454℃范围内的温度下加
热α-β钛合金1至8小时。在其它非限制性实施例中，老化α-β钛合金包含在349℃至391℃范
围内的温度下加热α-β钛合金1至5小时。在方法20的各种实施例中，老化28步骤可以在合金
中产生明显更高的强度，例如1,450MPa，同时在4D拉力计(样品直径的4倍)中保持至少7％
的断裂伸长率，如根据ASTM E8 2015规范所测量。

[0055] 在用于提高根据本公开的可冷加工的α-β钛合金的拉伸强度的方法20的某些非限制性实施例中，在溶液热处理22α-β钛合金之前，对α-β钛合金进行热加工(图2中未示出)。
在方法20的一个非限制性实施例中，热加工(未示出)α-β钛合金包括在Tβ-83.3℃至Tβ-28℃
范围内的温度下加热α-β钛合金。在各种非限制性实施例中，α-β钛合金可以通过以下中的
至少一种来热加工：轧制、拉拔、模锻、等通道角挤压、挤压、螺纹轧制、锻造、压平、弯曲或拉
直α-β钛合金。

[0056] 所属领域的技术人员理解，热加工α-β钛合金涉及在高于合金再结晶温度的温度下使钛合金塑性变形。在某些非限制性实施例中，α-β钛合金可以在α-β钛合金的β相场中的
温度下进行热加工。在一个具体非限制性实施例中，将α-β钛合金加热到至少Tβ+30℃，并进
行热加工。在某些非限制性实施例中，α-β钛合金可以在钛合金的β相场中热加工并经受厚
度或横截面积减小至少20％。在某些非限制性实施例中，在β相场中热加工α-β钛合金之后，
可以将α-β钛合金在至少与用空气冷却达到的冷却速率一样大的冷却速率下冷却至环境温
度。

[0057] 在某些非限制性实施例中，在冷却24α-β钛合金的步骤与冷加工26α-β钛合金的步骤之间，对α-β钛合金进行表面修整(图2中未示出)。在各种非限制性实施例中，在冷加工26
α-β钛合金的步骤与老化28α-β钛合金的步骤之间，对α-β钛合金进行表面修整(图2中未示
出)。表面修整技术是所属领域的普通技术人员已知的，并且包括例如车床车削、铣削、剥
离、砂磨、抛光、化学铣削、电化学铣削、电放电机加工和水射流技术。

[0058] 在方法20的各种非限制性实施例中，在冷加工26α-β钛合金步骤和/或老化28α-β钛合金步骤之后，对α-β钛合金进行精加工(未示出)。精加工方法是所述领域的普通技术人
员已知的，并且包括例如车床车削、铣削、剥离、砂磨、抛光、化学铣削、电化学铣削、电放电
机加工和水射流技术。在方法20的一个具体非限制性实施例中，精加工包含机加工α-β钛合
金。

[0059] 现参看图3，本公开的另一方面涉及一种用于制造α-β钛合金紧固件坯件的方法30。在方法30的一个具体非限制性实施例中，α-β钛合金包含ATI α-β钛合金。在各种实
施例中，ATI α-β钛合金按重量百分比计包含：2.9-5.0铝；2.0至3.0钒；0.4至2.0铁；
0.2至0.3氧；0.005至0.3碳；钛；以及杂质。所述合金任选地包含锡、锆、钼、铬、镍、硅、铜、
铌、钽、锰、钴、硼和钇中的一或多种。存在于钛合金中的任何锡、锆、钼、铬、镍、硅、铜、铌、
钽、锰、钴、硼和钇的重量百分比的总和小于0.5重量％，其中存在于合金中的任何锡、锆、
钼、铬、镍、硅、铜、铌、钽、锰和钴的单独浓度各自不超过0.1重量％，且合金中存在的任何硼
和钇的单独浓度各自小于0.005重量％。

[0060] 用于制造α-β钛合金紧固件坯件的方法30的非限制性实施例包含在866℃至899℃范围内的温度下加热32α-β钛合金15分钟至2小时，或者，在874℃至888℃范围内的温度下
加热α-β钛合金30分钟至1小时。所属领域的普通技术人员将认识到此加热步骤是α-β钛合
金的溶液热处理，并且技术人员考虑到本公开，可以调整加热温度和时间以适当地溶液热
处理不同的α-β钛合金，而不用过度的实验。

[0061] 再次参看图3所示的方法30，在加热32α-β钛合金后，对α-β钛合金进行水淬火34。可使用所属领域的普通技术人员已知的其它冷却α-β钛合金的方法。任何这样的冷却方法
优选地提供至少与冷却时在α-β钛合金中形成马氏体相所需的冷却速率一样大的冷却速
率。淬火34后，对α-β钛合金进行冷加工36。在方法30的各种非限制性实施例中，冷加工36包
含冷拔和冷模锻α-β钛合金中的至少一种，以便赋予在5％至35％、或10％至30％、或13％至
23％范围内的有效应变。在方法30的某些非限制性实施例中，冷加工36α-β钛合金(通过包
含冷模锻和/或冷拔的方法，或通过别的方法)包括在低于677℃或低于537.8℃的温度下加
工α-β钛合金。在方法30的其它非限制性实施例中，冷加工36α-β钛合金(通过包含冷模锻
和/或冷拔的方法，或通过别的方法)包含在不高于300℃的温度下加工α-β钛合金。在方法
30的其它非限制性实施例中，冷加工36α-β钛合金(无论是通过冷模锻和/或冷拔，或通过别
的方法)包含在低于200℃的温度下加工α-β钛合金。在方法30的其它非限制性实施例中，通
过包含冷模锻和/或冷拔的方法或通过别的方法，在-100℃至+200℃范围内的温度下冷加
工36α-β钛合金。

[0062] 再次参看图3，在冷加工36α-β钛合金之后，将合金老化38。在某些非限制性实施例中，老化α-β钛合金包含在302℃至454℃范围内的温度下加热合金1至8小时。在其它非限制
性实施例中，老化38α-β钛合金包含在349℃至391℃范围内的温度下加热合金1至5小时。在
方法30的各种非限制性实施例中，老化38步骤可以在合金中产生显著更高的强度，例如
1450MPa，同时在4D拉伸计(4倍于样品直径)中保持至少7％的断裂伸长率()，如根据ASTM 
E8 2015规范所测量。

[0063] 在方法30的各种非限制性实施例中，在加热32α-β钛合金的步骤之前，对α-β钛合金进行热加工(图3中未示出)。在某些非限制性实施例中，热加工步骤包含轧制、挤压、等通
道角挤压、拉拔和模锻α-β钛合金中的至少一种。在其它非限制性实施例中，热加工步骤包
含将α-β钛合金热轧制成直径在0.25英寸(0.635cm)至2.0英寸(5.08cm)范围内的制品。在
某些非限制性实施例中，热加工(未示出)α-β钛合金包含在Tβ-83.3℃至Tβ-28℃范围内的温
度下加热α-β钛合金。在方法30的非限制性实施例中，α-β钛合金是Ti-4Al-2.5V合金(UNS 
R54250)，例如ATI 合金，并且热加工包含在888℃至943℃范围内的温度下加工合金。

[0064] 如上所述，所属领域的技术人员理解，热加工α-β钛合金涉及在高于合金再结晶温度的温度下使合金塑性变形。在方法30的某些非限制性实施例中，可以在α-β钛合金的β相
场中的温度下对α-β钛合金进行热加工。在某些非限制性实施例中，在至少Tβ+30℃的温度
下加工α-β钛合金。在某些非限制性实施例中，可以在钛合金的β相场中的温度下对α-β钛合
金进行热加工，以便提供至少20％厚度或横截面积的减小。在方法30的某些非限制性实施
例中，在β相场中热加工α-β钛合金后，将合金以至少与空气冷却时所达到的冷却速率一样
大的冷却速率冷却至环境温度。

[0065] 在方法30的某些非限制性实施例中，在热加工(图3中未示出)之后，可以将α-β钛合金切割成短的直线长度，或者可以盘绕。如果盘绕，那么合金可以在方法30的任意两个步
骤之间切割成直线长度。

[0066] 在方法30的某些非限制性实施例中，在淬火34α-β钛合金步骤与冷加工36α-β钛合金的步骤之间，可对α-β钛合金进行表面修整(图3中未示出)。在各种非限制性实施例中，在
冷加工36α-β钛合金的步骤与老化38α-β钛合金的步骤之间，对α-β钛合金进行表面修整(图
3中未示出)。表面修整技术是所属领域的普通技术人员已知的，并且包括例如车床车削、铣
削、剥离、砂磨、抛光、化学铣削、电化学铣削、电放电机加工和水射流技术。

[0067] 本公开的另一方面包括一种选自钛合金紧固件和钛合金紧固件坯件的制品。例如，制品可以通过本公开中描述的方法制造。在各种实施例中，制品包括热轧、溶液处理和
冷加工的α-β钛合金，其以总合金重量的重量百分比计包含：2.9-5.0铝；2.0至3.0钒；0.4至
2.0铁；0.2至0.3氧；0.005至0.3碳；0.001至0.02氮；钛；以及杂质。所述合金任选地包含锡、
锆、钼、铬、镍、硅、铜、铌、钽、锰、钴、硼和钇中的一或多种。存在于钛合金中的任何锡、锆、
钼、铬、镍、硅、铜、铌、钽、锰、钴、硼和钇的重量百分比的总和小于0.5重量％，其中存在于合
金中的任何锡、锆、钼、铬、镍、硅、铜、铌、钽、锰和钴的单独浓度各自不超过0.1重量％，且合
金中存在的任何硼和钇的单独浓度各自小于0.005重量％。在一个非限制性实施例中，包含
热轧、溶液处理和冷加工的α-β钛合金的制品为可以呈例如直线长度形式的紧固件坯件。在
非限制性实施例中，包含热轧、溶液处理和冷加工的α-β钛合金的制品呈选自以下的紧固件
形式：例如，螺栓、螺母、螺柱、螺钉、垫圈、锁紧垫圈和铆钉。

[0068] 以下实例旨在进一步描述某些非限制性实施例，而不限制本发明的范围。所属领域的普通技术人员将理解，在仅由权利要求书限定的本发明的范围内，以下实例的变化是
可能的。

[0069] 实例1

[0070] 将ATI 合金锭热锻造且随后热轧成0.25英寸(6.35mm)直径的用于紧固件坯件的线材。通过将线材加热至760℃并保持在此温度下60分钟来对线材进行轧机退火。轧机
退火的ATI 合金丝的微结构在图4的显微图中示出。从图4中可以看出，微结构包含等
轴的初生α晶粒和少量的透镜状次生α。

[0071] 实例2

[0072] 将实例1的轧机退火的线材紧固件坯件在(760℃)下溶液处理60分钟(在此温度下的时间)，然后水淬火。溶液处理并淬火的ATI 合金线材紧固件坯件的微结构示于图5
的显微图中。从图5中可以看出，微结构包含比实例1中更少量的初生α晶粒，以及更多且更
小的针状次生α。

[0073] 实例3

[0074] 将Ti-6Al-4V合金(UNS 56400；可得自阿勒格尼技术公司)热锻并随后热轧成直径为0.25英寸(6.35mm)的用于紧固件坯件的线材。按照实施例2中使用的方式对热轧线材进
行溶液处理并淬火。溶液处理并淬火的Ti-6Al-4V合金线材紧固件坯件的微结构示于图6的
显微图中。从图6中可以看出，微结构包含初生α晶粒以及从淬火的马氏体中析出的针状次
生α基质。

[0075] 实例4

[0076] 将ATI 合金热轧成直径为0.25英寸的标称尺寸的线材。热轧后，将线材切割成直线长度或卷绕。随后，将材料在865.6℃、879.4℃或893.3℃的温度下于炉中溶液处理1小
时，接着进行水淬火。然后将冷却的材料冷拔以赋予10％、15％和20％的有效应变。这些样
品的有效应变也对应于横截面积的减少百分比。冷拔后对材料的表面进行修整以去除任何
表面缺陷。然后将表面修整过的材料通过在350℃、365℃或380℃下在炉中加热2、3或4小时
来老化。样品的工艺条件和机械测试结果如表1中所示。根据ASTM E82015进行拉伸测试。

[0077]

[0078]

[0079] 从表1可以看出，老化的样品比任何可商购的钛紧固件都具有明显更高的强度，同时在4D拉力计中保持至少7％的断裂伸长率。可商购的钛紧固件，如AMS 4967rev L中列出
的钛紧固件，满足1137MPa(165KSI)的强度要求和4D拉力计中10％的断裂伸长率。

[0080] 应理解，本说明书阐明了与清楚理解本发明有关的本发明的那些方面。未呈现对于所属领域的普通技术人员而言显而易见且因此不会促进对本发明的更好理解的某些方
面以便简化本说明书。虽然在本文中仅描述了本发明的有限数量的实施例，但所属领域的
普通技术人员在考虑到前述描述时将认识到可以采用本发明的许多修改和改动。本发明的
所有这些改动和修改旨在由前面的描述和下面的权利要求书所涵盖。