高强度钛合金

摘要

本发明涉及一种钛合金的非限制性实施方案，其以基于总合金重量的重量百分比计包含：2.0至5.0的铝；3.0至8.0的锡；1.0至5.0的锆；0至总共16.0的一种或多种选自由氧、钒、钼、铌、铬、铁、铜、氮和碳组成的群组的元素；钛；和杂质。所述钛合金的非限制性实施方案包含有意添加的锡和锆以及某些其它合金添加剂、例如铝、氧、钒、钼、铌和铁以稳定α相并增加所述α相的体积分数而没有形成脆化相的风险，观察到锡和锆以及某些其它合金添加剂的所述有意添加能在保持延展性的同时增加室温拉伸强度。

权利要求

1.一种钛合金，以基于总合金重量的重量百分比计，所述钛合金包含：

2.0至5.0的铝；

4.6至8.0的锡；

1.0至5.0的锆；

6.0至12.0的一种或两种选自由钒和铌组成的群组的元素；

0.1至5.0的钼；

0.01至0.40的铁；

0.005至0.3的氧；

0.001至0.07的碳；

0.001至0.03的氮；

任选地，铬和铜中的一种或两种，其中氧、钒、钼、铌、铬、铁、铜、氮和碳的总含量不大于

16.0；

钛；和

杂质。

2.根据权利要求1所述的钛合金，其中所述钛合金包含6.0至9.0的铝当量值。

3.根据权利要求1所述的钛合金，其中所述钛合金包含5.0至10.0的钼当量值。

4.根据权利要求1所述的钛合金，其中所述钛合金包含6.0至9.0的铝当量值以及5.0至

10.0的钼当量值。

5.根据权利要求1所述的钛合金，其中以基于总合金重量的重量百分比计，铝、锡和锆含量的总和为8至15。

6.根据权利要求1所述的钛合金，其中铝当量值与钼当量值的比率为0.6至1.3。

7.一种制造钛合金的方法，所述方法包括：将钛合金在760℃至840℃下固溶处理1至4小时；

将所述钛合金空气冷却至环境温度；

将所述钛合金在482℃至593℃下老化8至16小时；以及将所述钛合金空气冷却，

其中所述钛合金具有在权利要求1中所述的组成。

8.根据权利要求1所述的钛合金，其中所述钛合金在室温下表现出至少170ksi的极限拉伸强度UTS，并且其中所述钛合金的极限拉伸强度和伸长率满足下面的方程：7.5×以％表示的伸长率+UTS≥260.5。

9.一种钛合金，以基于总合金重量的重量百分比计，所述钛合金包含：

8.6至11.4的一种或两种选自由钒和铌组成的群组的元素；

4.6至7.4的锡；

2.0至3.9的铝；

1.0至3.0的钼；

1.6至3.4的锆；

0至0.5的铬；

0至0.4的铁；

0至0.25的氧；

0至0.05的氮；

0.001至0.07的碳；

钛；和

杂质。

10.根据权利要求9所述的钛合金，以基于总合金重量的重量百分比计，所述钛合金包含：

8.6至9.4的一种或两种选自由钒和铌组成的群组的元素。

11.根据权利要求9所述的钛合金，以基于总合金重量的重量百分比计，所述钛合金包含：

10.6至11.4的一种或两种选自由钒和铌组成的群组的元素。

12.根据权利要求9所述的钛合金，以基于总合金重量的重量百分比计，所述钛合金包含：

2.0至3.0的钼。

13.根据权利要求9所述的钛合金，以基于总合金重量的重量百分比计，所述钛合金包含：

1.0至2.0的钼。

14.根据权利要求9所述的钛合金，其中所述钛合金包含7.0至8.0的铝当量值。

15.根据权利要求9所述的钛合金，其中所述钛合金包含6.0至7.0的钼当量值。

16.根据权利要求9所述的钛合金，其中所述钛合金包含7.0至8.0的铝当量值以及6.0至7.0的钼当量值。

17.根据权利要求16所述的钛合金，其中以基于总合金重量的重量百分比计，所述钛合金包含：

8.6至9.4的一种或两种选自由钒和铌组成的群组的元素；

4.6至5.4的锡；

3.0至3.9的铝；

2.0至3.0的钼；和

2.6至3.4的锆。

18.根据权利要求16所述的钛合金，其中以基于总合金重量的重量百分比计，所述钛合金包含：

10.6至11.4的一种或两种选自由钒和铌组成的群组的元素；

6.6至7.4的锡；

2.0至3.4的铝；

1.0至2.0的钼；和

1.6至2.4的锆。

19.一种制造钛合金的方法，所述方法包括：将钛合金在760℃至840℃下固溶处理2至4小时；

将所述钛合金空气冷却至环境温度；

将所述钛合金在482℃至593℃下老化8至16小时；以及将所述钛合金空气冷却，

其中所述钛合金具有在权利要求9中所述的组成。

20.根据权利要求9所述的钛合金，其中所述钛合金在室温下表现出至少170ksi的极限拉伸强度UTS，并且其中所述钛合金的极限拉伸强度和伸长率满足下面的方程：

7.5×以％表示的伸长率+UTS≥260.5。

21.一种钛合金，以基于总合金重量的重量百分比计，所述钛合金包含：

2.0至5.0的铝；

4.6至8.0的锡；

1.0至5.0的锆；

0至总共16.0的一种或多种选自由氧、钒、钼、铌、铬、铁、铜和氮组成的群组的元素；

0.001至0.07的碳；

钛；和

杂质。

22.根据权利要求21所述的钛合金，其中以基于总合金重量的重量百分比计，所述合金中钒和铌含量的总和为6.0至12.0。

23.根据权利要求21所述的钛合金，其中以基于总合金重量的重量百分比计，所述合金中的钼含量为0.1至5.0。

24.根据权利要求21所述的钛合金，其中所述钛合金的铝当量值为6.0至9.0。

25.根据权利要求21所述的钛合金，其中所述钛合金的钼当量值为5.0至10.0。

26.根据权利要求21所述的钛合金，其中所述钛合金的铝当量值为6.0至9.0，并且所述钛合金的钼当量值为5.0至10.0。

27.根据权利要求26所述的钛合金，其中在所述钛合金中：钒和铌含量的总和为6.0至12.0；

钼含量为0.1至5.0；

铁含量为0.01至0.30；

氧含量为0.005至0.3；以及氮含量为0.001至0.03，其均以基于所述钛合金的总重量的重量百分比计。

28.根据权利要求27所述的钛合金，其中以基于总合金重量的重量百分比计，铝、锡和锆含量的总和为8至15。

29.根据权利要求27所述的钛合金，其中所述钛合金的铝当量值与钼当量值的比率为

0.6至1.3。

30.一种制造钛合金的方法，所述方法包括：将钛合金在760℃至840℃下固溶处理2至4小时；

将所述钛合金空气冷却至环境温度；

将所述钛合金在482℃至593℃下老化8至16小时；以及将所述钛合金空气冷却，

其中所述钛合金具有在权利要求21中所述的组成。

31.根据权利要求21所述的钛合金，其中所述钛合金在室温下表现出至少170ksi的极限拉伸强度UTS，并且其中所述钛合金的极限拉伸强度和伸长率满足下面的方程：7.5×以％表示的伸长率+UTS≥260.5。

32.一种制造钛合金的方法，所述方法包括：在β转变温度减去10℃至β转变温度减去100℃的温度范围内对钛合金进行2至4小时的固溶处理；

将所述钛合金空气冷却或风扇空气冷却至环境温度；

将所述钛合金在482℃至593℃下老化8至16小时；以及将所述钛合金空气冷却，

其中所述钛合金具有在权利要求21中所述的组成。

33.一种钛合金，以基于总合金重量的重量百分比计，所述钛合金包含：

2.0至5.0的铝；

4.6至8.0的锡；

1.0至5.0的锆；

8.6至11.4的钒；

0.1至5.0的钼；

0.01至0.40的铁；

0.005至0.3的氧；

0.001至0.07的碳；

0.001至0.03的氮；

6.0至9.0的铝当量值；

5.0至10.0的钼当量值；

任选地，铌、铬和铜中的一种或多种，其中氧、钼、铌、铬、铁、铜、氮和碳的总含量不大于

16.0；

钛；和

杂质。

说明书

高强度钛合金

技术领域

[0001] 本公开涉及高强度钛合金。

背景技术

[0002] 钛合金通常表现出高强度重量比，耐腐蚀，并在适度高温下抗蠕变。由于这些原因，钛合金被用于航空和航天应用，包括例如起落架构件、发动机框架和其它关键结构部件。例如，Ti‑10V‑2Fe‑3Al钛合金(也称为“Ti 10‑2‑3合金”，其具有UNS 56410中指定的成分)和Ti‑5Al‑5Mo‑5V‑3Cr钛合金(也称为“钛5553合金”；UNS未指定)是用于起落架应用和其它大型部件的商业合金。这些合金表现出在170‑180ksi范围内的极限拉伸强度，并且在厚截面上是可热处理的。然而，这些合金在室温下在高强度条件下往往具有有限的延展性。这种有限的延展性通常是由脆化相诸如Ti3Al、TiAl或ω相引起的。

[0003] 此外，Ti‑10V‑2Fe‑3Al钛合金可能难以加工。所述合金在固溶处理后，必须例如通过水或空气淬火来快速冷却，以便获得所期望的产品机械性能，这可能会限制其适用于小于3英寸(7.62cm)的截面厚度。Ti‑5Al‑5Mo‑5V‑3Cr钛合金可从溶液温度进行空气冷却，因此，可以以高达6英寸(15.24cm)的截面厚度使用。然而，它的强度和延展性低于Ti‑10V‑2Fe‑3Al钛合金。由于脆化二次亚稳相的沉淀，目前的合金在高强度条件下也表现出有限的延展性，例如小于6％。

[0004] 因此，需要这样的钛合金，其在室温下在大于约170ksi的极限拉伸强度下具有厚截面淬透性和/或改善的延展性。

发明内容

[0005] 根据本公开的一个非限制性方面，以基于总合金重量的重量百分比计，钛合金包含：2.0至5.0的铝，3.0至8.0的锡，1.0至5.0的锆，0至总共16.0的一种或多种选自由氧、钒、钼、铌、铬、铁、铜、氮和碳组成的组的元素，钛，和杂质。

[0006] 根据本公开的另一个非限制性方面，以基于总合金重量的重量百分比计，钛合金包含：8.6至11.4的一种或多种选自由钒和铌组成的组的元素，4.6至7.4的锡，2.0至3.9的铝，1.0至3.0的钼，1.6至3.4的锆，0至0.5的铬，0至0.4的铁，0至0.25的氧，0至0.05的氮，0至0.05的碳，钛，和杂质。

[0007] 根据本公开的又一个非限制性方面，以基于总合金重量的重量百分比计，钛合金基本上由以下组成：2.0至5.0的铝，3.0至8.0的锡，1.0至5.0的锆，0至总共16.0的一种或多种选自由氧、钒、钼、铌、铬、铁、铜、氮和碳组成的组的元素，钛，和杂质。

附图说明

[0008] 通过参考附图，可以更好地理解本文描述的合金、制品和方法的特征和优点，其中：

[0009] 图1是示出加工根据本公开的钛合金的非限制性实施方案的方法的非限制性实施方案的图表；和

[0010] 图2是绘制根据本公开的钛合金的非限制性实施方案与某些常规钛合金相比的极限拉伸强度(UTS)和伸长率的图。

[0011] 在考虑根据本公开的某些非限制性实施方案的以下详细描述后，读者将理解前述细节以及其它细节。

具体实施方式

[0012] 在非限制性实施方案的当前描述中，除了在操作实施例中或另有指出之外，所有表示数量或特征的数字都应理解为在所有情况下都被术语“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，所述近似值可能会根据人们试图在材料中获得的期望性能而变化并且随着根据本公开的方法而变化。至少，而且不是试图将等同原则的应用限制于权利要求的范围，每个数值参数都应该至少根据报告的有效数字的数量并且通过应用普通的舍入技术来解释。除非另有说明，否则本文描述的所有范围都包括所描述的终点。

[0013] 任何被描述为通过引用全部或部分并入本文的专利、出版物或其它公开材料仅在所并入的材料不与现有定义、陈述或本公开中阐述的其它公开材料冲突的程度上并入本文。因此，并且在必要的程度上，本文所阐述的公开内容将取代通过引用并入本文的任何冲突材料。被描述为通过引用并入本文但与现有定义、陈述或本文所阐述的其它公开材料冲突的任何材料或其部分仅在所并入的材料与现有公开材料之间不存在冲突的程度上并入。

[0014] 如本文所用，术语“延展性”或“延展性极限”是指金属材料在不发生断裂或开裂的情况下所能承受的减薄或塑性变形的极限或最大量。所述定义与例如ASM材料工程辞典(ASM Materials Engineering Dictionary),J.R.戴维斯(J.R.Davis)编,美国材料信息学会(ASM International)(1992),第131页中赋予的含义一致。

[0015] 本文提及的“包含”特定成分的钛合金旨在包括“基本上由所陈述的成分组成”或“由所陈述的成分组成”的合金。应理解，本文所述的“包含”特定成分、“由特定成分组成”或“基本上由特定成分组成”的钛合金组合物也可包括杂质。

[0016] 本公开部分地涉及解决常规钛合金的某些局限性的合金。根据本公开的钛合金的一个非限制性实施方案可以包含以下或基本上由以下组成(以基于总合金重量的重量百分比计)：2.0至5.0的铝，3.0至8.0的锡，1.0至5.0的锆，0至总共16.0的一种或多种选自由氧、钒、钼、铌、铬、铁、铜、氮和碳组成的组的元素，钛，和杂质。所述钛合金的某些实施方案可以进一步包含以下或基本上由以下组成(以基于总合金重量的重量百分比计)：6.0至12.0，或在一些实施方案中为6.0至10.0的一种或多种选自由钒和铌组成的组的元素，0.1至5.0的钼，0.01至0.40的铁，0.005至0.3的氧，0.001和0.07的碳，和0.001至0.03的氮。根据本公开的钛合金的另一个非限制性实施方案可以包含以下或基本上由以下组成(以基于总合金重量的重量百分比计)：8.6至11.4的一种或多种选自由钒和铌组成的组的元素，4.6至7.4的锡，2.0至3.9的铝，1.0至3.0的钼，1.6至3.4的锆，0至0.5的铬，0至0.4的铁，0至0.25的氧，0至0.05的氮，0至0.05的碳，钛，和杂质。

[0017] 在根据本公开的合金的非限制性实施方案中，合金组合物中的杂质元素和杂质可以包含以下或基本上由以下组成：氢、钨、钽、锰、镍、铪、镓、锑、硅、硫、钾和钴中的一种或多种。根据本公开的钛合金的某些非限制性实施方案可以包含，以基于总合金重量的重量百分比计，0至0.015的氢和0至0.1的钨、钽、锰、镍、铪、镓、锑、硅、硫、钾和钴中的每一种。

[0018] 在本发明钛合金的某些非限制性实施方案中，钛合金包含6.0至9.0的铝当量值以及5.0至10.0的钼当量值，本发明人观察到所述铝当量值和所述钼当量值改善了在室温下在大于约170ksi的极限拉伸强度下的延展性，同时避免了不期望的相，加速沉淀动力学，并促进加工过程中的马氏体转变。如本文所用，“铝当量值”或“铝当量”(Aleq)可如下测定(其中所有元素浓度均以重量百分比计，如所示)：Aleq＝Al(wt.％)+[(1/6)×Zr(wt.％)]+[(1/3)×Sn(wt.％)]+[10×O(wt.％)]。如本文所用，“钼当量值”或“钼当量”(Moeq)可如下测定(其中所有元素浓度均以重量百分比计，如所示)：Moeq＝Mo(wt.％)+[(1/5)×Ta(wt.％)]+[(1/3.6)×Nb(wt.％)]+[(1/2.5)×W(wt.％)]+[(1/1.5)×V(wt.％)]+[1.25×Cr(wt.％)]+[1.25×Ni(wt.％)]+[1.7×Mn(wt.％)]+[1.7×Co(wt.％)]+[2.5×Fe(wt.％)]。

[0019] 在本发明钛合金的某些非限制性实施方案中，钛合金包含相对低的铝含量以防止形成Ti3X型的脆性金属间相，其中X表示金属。钛具有两种同素异形体：具有体心立方(“bcc”)晶体结构的贝塔(“β”)相；和具有六方密堆积(“hcp”)晶体结构的阿尔法(“α”)相。大多数α‑β钛合金含有大约6％的铝，其可在热处理后形成Ti3Al。这可能会对延展性产生有害影响。因此，根据本公开的钛合金的某些实施方案包括以重量计约2.0％至约5.0％的铝。
在根据本公开的钛合金的某些其它实施方案中，铝含量以重量计为约2.0％至约3.4％。在进一步的实施方案中，根据本公开的钛合金的铝含量以重量计可以为约3.0％至约3.9％。

[0020] 在本发明钛合金的某些非限制性实施方案中，钛合金包含有意添加的锡和锆以及某些其它合金添加剂，诸如铝、氧、钒、钼、铌和铁。不希望受任何理论束缚，据信有意添加锡和锆能使α相稳定，增加α相的体积分数而没有形成脆化相的风险。观察到，有意添加锡和锆能提高室温拉伸强度，同时保持延展性。锡和锆的添加还在α相和β相中提供固溶强化。在根据本公开的钛合金的某些实施方案中，以基于总合金重量的重量计，铝、锡和锆含量的总和为8％至15％。

[0021] 在根据本公开的某些非限制性实施方案中，本文公开的钛合金包括一种或多种选自钒、钼、铌、铁和铬的β稳定元素，以减缓α相的沉淀和生长，同时冷却β相场的材料，并获得期望的厚截面淬透性。根据本公开的钛合金的某些实施方案包含按重量计约6.0％至约12.0％的一种或多种选自由钒和铌组成的组的元素。在进一步的实施方案中，根据本公开的钛合金中钒和铌含量的总和可以是约8.6％至约11.4％、约8.6％至约9.4％，或约10.6％至约11.4％，均以基于钛合金总重量的重量百分比计。

[0022] 根据本公开的第一非限制性钛合金包含以下或基本上由以下组成(以基于总合金重量的重量百分比计)：2.0至5.0的铝，3.0至8.0的锡，1.0至5.0的锆，0至总共16.0的一种或多种选自由氧、钒、钼、铌、铬、铁、铜、氮和碳组成的组的元素，钛，和杂质。

[0023] 在第一实施方案中，可以包括铝以用于α相的稳定化和强化。在第一实施方案中，基于总合金重量，铝可以以2.0重量％至5.0重量％范围内的任何浓度存在。

[0024] 在第一实施方案中，可以包括锡以用于合金的固溶强化和α相的稳定化。在第一实施方案中，基于总合金重量，锡可以以3.0重量％至8.0重量％范围内的任何浓度存在。

[0025] 在第一实施方案中，可以包括锆以用于合金的固溶强化和α相的稳定化。在第一实施方案中，基于总合金重量，锆可以以1.0重量％至5.0重量％范围内的任何浓度存在。

[0026] 在第一实施方案中，可以包括钼(如果存在的话)以用于合金的固溶强化和β相的稳定化。在第一实施方案中，基于总合金重量，钼可以以下列重量浓度范围中的任何一个存在：0至5.0、1.0至5.0、1.0至3.0、1.0至2.0和2.0至3.0。

[0027] 在第一实施方案中，可以包括铁(如果存在的话)以用于合金的固溶强化和β相的稳定化。在第一实施方案中，基于总合金重量，铁可以以下列重量浓度范围中的任何一个存在：0至0.4和0.01至0.4。

[0028] 在第一实施方案中，可以包括铬(如果存在的话)以用于合金的固溶强化和β相的稳定化。在第一实施方案中，基于总合金重量，铬可以以0重量％至0.5重量％范围内的任何浓度存在。

[0029] 根据本公开的第二非限制性钛合金包含以下或基本上由以下组成(以基于总合金重量的重量百分比计)：8.6至11.4的一种或多种选自由钒和铌组成的群组的元素、4.6至7.4的锡、2.0至3.9的铝、1.0至3.0的钼、1.6至3.4的锆、0至0.5的铬、0至0.4的铁、0至0.25的氧、0至0.05的氮、0至0.05的碳、钛和杂质。

[0030] 在第二实施方案中，可以包含钒和/或铌以用于合金的固溶强化和β相的稳定化。在第二实施方案中，基于总合金重量，钒和铌铝的总组合含量可以是8.6重量％至11.4重量％范围内的任何浓度。

[0031] 不希望受任何理论束缚，据信较大的铝当量值可以稳定本文合金的α相。另一方面，较大的钼当量值可以稳定β相。在根据本公开的钛合金的某些实施方案中，铝当量值与钼当量值的比率为0.6至1.3以允许合金的强化，降低形成脆化相的风险，允许良好的可锻性和形成超细微结构，所述超细微结构提供良好的高循环疲劳性能。

[0032] 根据本公开的高强度钛合金的标称生产方法是铸造锻造的钛和钛合金的典型生产方法，并且将是本领域技术人员来说所熟悉的。合金生产的一般工艺流程在图1中提供并描述如下。应该注意的是，所述描述并不限制要铸造锻造的合金。例如，根据本公开的合金还可以通过粉末到零件(powder‑to‑part)生产方法(其可包括固结)，和/或增材制造方法生产。

[0033] 在根据本公开的某些非限制性实施方案中，制备用于生产合金的原材料。根据某些非限制性实施方案，原材料可以包括但不限于海绵钛或钛粉、元素添加剂、母合金、二氧化钛和再循环材料。再循环材料(也称为返料或废料)可以由以下组成或包括以下：先前已经生成并重新加工以供再利用的钛和钛合金切屑或车屑、小的和/或大的固体、粉末和其它形式的钛或钛合金。待使用的原材料的形式、尺寸和形状可能取决于用于熔融合金的方法。根据某些非限制性实施方案，所述材料可以是颗粒形式并且松散地引入到熔炉中。根据其它实施方案，一些或所有原材料可以压实成小团块或大团块。根据特定熔体法的要求或偏好，原材料可以组装成用于熔融的自耗电极，或者可以作为颗粒进料到熔炉中。通过铸造锻造工艺加工的原材料可以单次或多次熔融成最终锭产品。根据某些非限制性实施方案，锭可以是圆柱形的。然而，在其它实施例中，锭可采取任何几何形状，包括但不限于具有矩形或其它横截面的锭。

[0034] 根据某些非限制性实施方案，通过铸造锻造路线生产合金的熔体法可包括等离子冷床(PAM)或电子束冷床(EB)熔融、真空电弧重熔(VAR)、电渣重熔(ESR或ESRR)和/或渣壳熔融。用于生产粉末的方法的非限制性列表包括感应熔融/气体雾化、等离子雾化、等离子旋转电极、电极感应气体雾化，或从TiO2或TiCl4开始的直接还原技术之一。

[0035] 根据某些非限制性实施方案，可将原材料被熔融以形成一个或多个第一熔融电极。制备所述一个或多个电极并通常使用VAR将其重熔一次或多次，以产生最终熔锭。例如，原材料可经等离子电弧冷床熔融(PAM)，以产生直径为26英寸的圆柱形电极。然后可以制备PAM电极，随后将其真空电弧重熔(VAR)成直径为30英寸并且典型重量大约为20,000lb的最终熔锭。然后通过锻造加工手段将合金的最终熔锭转化成所需产品，所述产品可以是例如线材、棒材、坯锭、片材、板材和具有其它形状的产品。所述产品可以以使用合金的最终形式生产，或者可以以中间形式生产，所述中间形式通过一种或多种技术进一步加工成最终部件，所述技术可以包括例如锻造、轧制、拉伸、挤出、热处理、机加工和焊接。

[0036] 根据某些非限制性实施方案，钛和钛合金锭的锻造转化通常涉及利用开模锻压机的初始热锻造循环。这部分工艺被设计为采用锭的铸态内部晶粒结构并将其减小到更精细的尺寸，所述尺寸可适当地表现出所需的合金性能。可以将锭加热至高温，例如高于合金的β‑转变温度的温度，并保持一段时间。确定温度和时间以使合金完全达到所需温度，并且可以延长更长时间以使合金的化学成分均匀化。然后可以通过镦锻和/或拉伸操作的组合将合金锻造成更小的尺寸。所述材料可以按顺序锻造和再加热，其中再加热循环包括例如在高于和/或低于β‑转变温度的温度下的加热步骤中的一个或组合。随后的锻造循环可以在用于在高温下使金属合金变形成所需尺寸和形状的开模锻压机、旋转锻造机、轧机和/或其它类似设备上进行。本领域技术人员将熟悉锻造步骤和温度循环的各种顺序，以获得所需的合金尺寸、形状和内部晶粒结构。例如，在美国专利第7,611,592号中提供了一种这样的加工方法，所述专利通过引用整体并入本文。

[0037] 根据本公开的制造钛合金的方法的非限制性实施方案包括在α‑β或β相场中进行最终锻造，随后通过退火、固溶处理和退火、固溶处理和老化(STA)、直接老化，或热循环的组合进行热处理，以获得所需的机械性能平衡。在某些可能的非限制性实施方案中，与其它常规高强度合金相比，根据本公开的钛合金在给定温度下表现出改善的可加工性。这种特征允许通过在产生较少的开裂或其它有害影响的情况下在α‑β和β相场中热加工来加工合金，从而提高产量并降低产品成本。

[0038] 如本文所用，“固溶处理和老化”或“STA”工艺是指应用于钛合金的热处理工艺，其包括在低于钛合金的β‑转变温度的固溶处理温度下对钛合金进行固溶处理。在非限制性实施方案中，固溶处理温度在约760℃至840℃的温度范围内。在其它实施方案中，固溶处理温度可能随β‑转变温度而改变。例如，固溶处理温度可以在从β‑转变温度减去10℃到β‑转变温度减去100℃，或β‑转变温度减去15℃到β‑转变温度减去70℃的温度范围内。在非限制性实施方案中，固溶处理时间为约30分钟至约4小时。应认识到，在某些非限制性实施方案中，固溶处理时间可短于30分钟或长于4小时，并且一般取决于钛合金的尺寸和横截面。在根据本公开的某些实施方案中，在固溶处理完成后，将钛合金水淬至环境温度。在根据本公开的某些其它实施方案中，将钛合金以取决于钛合金的横截面厚度的速率冷却至环境温度。

[0039] 随后通过将合金加热一段时间至老化温度来老化经固溶处理的合金，所述老化温度在本文中也称为“时效硬化温度”，其在α+β两相场中低于钛合金的β转变温度并且小于钛合金的固溶处理温度。如本文所用，关于温度、温度范围或最低温度的诸如“加热到(heated to/heating to)”等术语意指加热合金，直到至少期望的合金部分具有至少等于参考温度或最低温度，或者贯穿整个所述部分的长度在参考温度范围内的温度。在非限制性实施方案中，老化温度在约482℃至约593℃的温度范围内。在某些非限制性实施方案中，老化时间可以为约30分钟至约16小时。应认识到，在某些非限制性实施方案中，老化时间可短于30分钟或长于16小时，并且一般取决于钛合金产品形式的尺寸和横截面。用于钛合金的固溶处理和老化(STA)加工的一般技术是本领域普通技术人员已知的，因此，本文不再进一步讨论。

[0040] 图2是示出当使用STA工艺加工前述合金时所述合金表现出的极限拉伸强度(UTS)和延展性的有用组合的图表。在图2中可以看出，包括UTS和延展性的有用组合的图表的下边界可以用线x+7.5y＝260.5近似表示，其中“x”是以ksi为单位的UTS，“y”是以伸长％表示的延展性。下文给出的实施例1中包括的数据表明，根据本公开的钛合金的实施方案产生的UTS和延展性的组合超过用某些现有技术合金获得的那些。虽然认识到钛合金的机械性能一般受所测试样本的尺寸的影响，但在根据本公开的非限制性实施方案中，钛合金表现出至少170ksi的UTS和根据下面的方程(1)的延展性：

[0041] (7.5×以％表示的伸长率)+(以ksi表示的UTS)≥260.5    (1)

[0042] 在本发明钛合金的某些非限制性实施方案中，钛合金在室温下表现出至少170ksi的UTS和至少6％的伸长率。在根据本公开的其它非限制性实施方案中，钛合金包含6.0至9.0或在某些实施方案中在7.0至8.0范围内的铝当量值，以及5.0至10.0或在某些实施方案中在6.0至7.0范围内的钼当量值，并且在室温下表现出至少170ksi的UTS和至少6％的伸长率。在另一些其它非限制性实施方案中，根据本公开的钛合金包含6.0至9.0或在某些实施方案中为在7.0至8.0范围内的铝当量值，以及5.0至10.0或在某些实施方案中为在6.0至
7.0范围内的钼当量值，并且在室温下表现出至少180ksi的UTS和至少6％的伸长率。

[0043] 以下实施例旨在进一步描述根据本公开的非限制性实施方案，而不是限制本发明的范围。本领域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，以下实施例的变化是可能的。

[0044] 实施例1

[0045] 表1列出了根据本公开的钛合金的某些非限制性实施方案(“1号实验钛合金”和“2号实验钛合金”)，以及某些常规钛合金的实施方案的元素组成，Aleq和Moeq。

[0046] 表1

[0047]

[0048] 使用等离子电弧炉产生表1中列出的1号实验钛合金和2号实验钛合金的等离子电弧熔融(PAM)热量，以生产直径为9英寸的电极，每个电极重大约400‑800lb。将电极在真空电弧重熔(VAR)炉中重熔以产生直径为10英寸的锭。使用热加工压机将每个锭转化成直径为3英寸的坯锭。在β锻造步骤后转化成7英寸直径的坯锭，在α+β预应变锻造步骤后转化成5英寸直径的坯锭，并且在β精锻步骤后转化成3英寸直径的坯锭，每个坯锭的端部均被裁切以除去喇叭口(suck‑in)和端部裂纹，并且坯锭被切割成多个块。对每个坯锭的顶部和7英寸直径的最底端坯锭的底部进行取样用于化学成分和β转变分析。基于中间坯锭的化学成分结果，从坯锭上切下2英寸长的样品，并在压机上锻造成“薄饼”。使用以下对应于固溶处理和老化条件的热处理方案对薄饼样本进行热处理：在1400℉(760℃)的温度下将钛合金固溶处理2小时；将钛合金空气冷却至环境温度；将钛合金在约482℃至约593℃下老化8小时；并且将钛合金空气冷却。

[0049] 从经STA加工的薄饼样本上切下用于室内和拉伸试验以及微观结构分析的测试坯料。测试后对断裂韧性试片进行最终化学分析，以确保化学性质和机械性能之间的精确相关性。对最终直径为3英寸的坯锭的检查揭示形成了使细α板条集中在整个坯锭的β基体微观结构中的一致的表面。

[0050] 参考图2，测量了表1中列出的1号实验钛合金(在图2中表示为“B5N71”)和表1中列出的2号实验钛合金(在图2中表示为“B5N72”)的机械性能，并将其与常规Ti 5553合金(UNS未指定)和Ti 10‑2‑3合金(具有UNS 56410中指定的成分)的机械性能相比较。根据美国试验与材料协会(ASTM)标准E8/E8M‑09(“金属材料的拉伸试验的标准试验方法(Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials)”,ASTM国际标准组织(ASTM International),2009)进行拉伸试验。如表2中的实验结果所示，相对于常规Ti 5553和Ti 10‑2‑3钛合金(其不包括有意添加的锡和锆)，1号实验钛合金和2号实验钛合金表现出明显更大的极限拉伸强度、屈服强度和延展性(报告为伸长％)的组合。

[0051] 表2

[0052]

[0053] 根据本公开的合金的潜在用途很多。如上所述和所证明，本文所述的钛合金有利地用于其中高强度和延展性的组合很重要的各种应用中。根据本公开的钛合金将对其特别有利的制品包括某些航空和航天应用，包括例如起落架构件、发动机框架和其它关键结构部件。本领域普通技术人员将能够由根据本公开的合金制造前述设备、部件和其它制品，而无需在此提供进一步的描述。根据本公开的合金的可能应用的前述示例仅作为示例提供，并且并非穷举本发明合金产品形式可应用的所有应用。在阅读本公开之后，普通技术人员可以容易地识别如本文所述的合金的其它应用。

[0054] 根据本公开的新型合金的各种非穷举的、非限制性方面可单独使用或与本文所述的一个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，以基于总合金重量的重量百分比计，钛合金包含：2.0至5.0的铝；3.0至8.0的锡；1.0至5.0的锆；0至总共16.0的一种或多种选自由氧、钒、钼、铌、铬、铁、铜、氮和碳组成的群组的元素；钛；和杂质。

[0055] 根据可与第一方面组合使用的本公开的第二非限制性方面，以基于总合金重量的重量百分比计，钛合金包含6.0至12.0的一种或多种选自由钒和铌组成的群组的元素。

[0056] 根据可与上述方面中的每个或任何一个组合使用的本公开的第三非限制性方面，以基于总合金重量的重量百分比计，钛合金包含0.1至5.0的钼。

[0057] 根据可与上述方面中的每个或任何一个组合使用的本公开的第四非限制性方面，钛合金具有6.0至9.0的铝当量值。

[0058] 根据可与上述方面中的每个或任何一个组合使用的本公开的第五非限制性方面，钛合金具有5.0至10.0的钼当量值。

[0059] 根据可与上述方面中的每个或任何一个组合使用的本公开的第六非限制性方面，钛合金具有6.0至9.0的铝当量值以及5.0至10.0的钼当量值。

[0060] 根据可与上述方面中的每个或任何一个组合使用的本公开的第七非限制性方面，以基于总合金重量的重量百分比计，钛合金包含：6.0至12.0或在一些实施方案中为6.0至10.0的一种或多种选自由钒和铌组成的组的元素，0.1至5.0的钼，0.01至0.40的铁，0.005至0.3的氧，0.001至0.07的碳，和0.001至0.03的氮。

[0061] 根据可与上述方面中的每个或任何一个组合使用的本公开的第八非限制性方面，以基于总合金重量的重量百分比计，铝、锡和锆含量的总和为8至15。

[0062] 根据可与上述方面中的每个或任何一个组合使用的本公开的第九非限制性方面，铝当量值与钼当量值的比率为0.6至1.3。

[0063] 根据本公开的第十非限制性方面，一种制造钛合金的方法包括：在760℃至840℃下将钛合金固溶处理1至4小时；将钛合金空气冷却至环境温度；将钛合金在482℃至593℃下老化8至16小时；以及将钛合金空气冷却，其中钛合金具有在上述方面中的每个或任何一个中叙述的成分。

[0064] 根据可与上述方面中的每个或任何一个组合使用的本公开的第十一非限制性方面，钛合金在室温下表现出至少170ksi的极限拉伸强度(UTS)，并且其中所述钛合金的极限拉伸强度和伸长率满足方程：(7.5×以％表示的伸长率)+UTS≥260.5。

[0065] 根据本公开的第十二非限制性方面，本公开还提供一种钛合金，以基于总合金重量的重量百分比计，所述钛合金包含：8.6至11.4的一种或多种选自由钒和铌组成的组的元素、4.6至7.4的锡、2.0至3.9的铝、1.0至3.0的钼、1.6至3.4的锆、0至0.5的铬、0至0.4的铁、0至0.25的氧、0至0.05的氮、0至0.05的碳、钛，和杂质。

[0066] 根据可与上述方面中的每个或任何一个组合使用的本公开的第十三非限制性方面，以基于总合金重量的重量百分比计，钛合金包含8.6至9.4的一种或多种选自由钒和铌组成的组的元素。

[0067] 根据可与上述方面中的每个或任何一个组合使用的本公开的第十四非限制性方面，以基于总合金重量的重量百分比计，钛合金包含10.6至11.4的一种或多种选自由钒和铌组成的组的元素。

[0068] 根据可与上述方面中的每个或任何一个组合使用的本公开的第十五非限制性方面，以基于总合金重量的重量百分比计，钛合金还包含2.0至3.0的钼。

[0069] 根据可与上述方面中的每个或任何一个组合使用的本公开的第十六非限制性方面，以基于总合金重量的重量百分比计，钛合金包含1.0至2.0的钼。

[0070] 根据可与上述方面中的每个或任何一个组合使用的本公开的第十七非限制性方面，钛合金具有7.0至8.0的铝当量值。

[0071] 根据可与上述方面中的每个或任何一个组合使用的本公开的第十八非限制性方面，钛合金具有6.0至7.0的钼当量值。

[0072] 根据可与上述方面中的每个或任何一个组合使用的本公开的第十九非限制性方面，钛合金具有7.0至8.0的铝当量值以及6.0至7.0的钼当量值。

[0073] 根据可与上述方面中的每个或任何一个组合使用的本公开的第二十非限制性方面，以基于总合金重量的重量百分比计，钛合金包含：8.6至9.4的一种或多种选自由钒和铌组成的组的元素、4.6至5.4的锡、3.0至3.9的铝、2.0至3.0的钼，和2.6至3.4的锆。

[0074] 根据可与上述方面中的每个或任何一个组合使用的本公开的第二十一非限制性方面，以基于总合金重量的重量百分比计，钛合金包含：10.6至11.4的一种或多种选自由钒和铌组成的组的元素、6.6至7.4的锡、2.0至3.4的铝、1.0至2.0的钼，和1.6至2.4的锆。

[0075] 根据本公开的第二十二非限制性方面，一种制造钛合金的方法包括：在760℃至840℃下将钛合金固溶处理2至4小时；将钛合金空气冷却至环境温度；将钛合金在482℃至
593℃下老化8至16小时；以及将钛合金空气冷却，其中钛合金具有在上述方面中的每个或任何一个中叙述的成分。

[0076] 根据可与上述方面中的每个或任何一个组合使用的本公开的第二十三非限制性方面，钛合金在室温下表现出至少170ksi的极限拉伸强度(UTS)，并且其中所述钛合金的极限拉伸强度和伸长率满足方程：(7.5×以％表示的伸长率)+UTS≥260.5。

[0077] 根据本公开的第二十四非限制性方面，本公开还提供一种钛合金，以基于总合金重量的重量百分比计，所述钛合金基本上由以下组成：2.0至5.0的铝，3.0至8.0的锡，1.0至5.0的锆，0至总共16.0的一种或多种选自由氧、钒、钼、铌、铬、铁、铜、氮和碳组成的组的元素，钛，和杂质。

[0078] 根据可与上述方面中的每个或任何一个组合使用的本公开的第二十五非限制性方面，以基于总合金重量的重量百分比计，合金中钒和铌含量的总和为6.0至12，或6.0至10.0。

[0079] 根据可与上述方面中的每个或任何一个组合使用的本公开的第二十六非限制性方面，以基于总合金重量的重量百分比计，合金中钼含量为0.1至5.0。

[0080] 根据可与上述方面中的每个或任何一个组合使用的本公开的第二十七非限制性方面，钛合金的铝当量值为6.0至9.0。

[0081] 根据可与上述方面中的每个或任何一个组合使用的本公开的第二十八非限制性方面，钛合金的钼当量值为5.0至10.0。

[0082] 根据可与上述方面中的每个或任何一个组合使用的本公开的第二十九非限制性方面，钛合金的铝当量值为6.0至9.0，并且钛合金的钼当量值为5.0至10.0。

[0083] 根据可与上述方面中的每个或任何一个组合使用的本公开的第三十非限制性方面，在钛合金中：钒和铌含量的总和为6.0至12.0，或6.0至10.0；钼含量为0.1至5.0；铁含量为0.01至0.30；氧含量为0.005至0.3；碳含量为0.001至0.07；并且氮含量为0.001至0.03，均以基于钛合金的总重量的重量百分比计。

[0084] 根据可与上述方面中的每个或任何一个组合使用的本公开的第三十一非限制性方面，以基于总合金重量的重量百分比计，铝、锡和锆含量的总和为8至15。

[0085] 根据可与上述方面中的每个或任何一个组合使用的本公开的第三十二非限制性方面，钛合金的铝当量值与钼当量值的比率为0.6至1.3。

[0086] 根据本公开的第三十三非限制性方面，一种制造钛合金的方法包括：在760℃至840℃下将钛合金固溶处理2至4小时；将钛合金空气冷却至环境温度；将钛合金在482℃至
593℃下老化8至16小时；以及将钛合金空气冷却，其中钛合金具有在上述方面中的每个或任何一个中叙述的成分。

[0087] 根据可与上述方面中的每个或任何一个组合使用的本公开的第三十四非限制性方面，钛合金在室温下表现出至少170ksi的极限拉伸强度(UTS)，并且其中所述钛合金的极限拉伸强度和伸长率满足方程：(7.5×以％表示的伸长率)+UTS≥260.5。

[0088] 根据本公开的第三十五非限制性方面，一种制造钛合金的方法包括：在合金的β转变温度减去10℃至β转变温度减去100℃的温度范围内将钛合金固溶处理2至4小时；将钛合金空气冷却或风扇空气冷却至环境温度；在482℃至593℃下将钛合金老化8至16小时；以及将钛合金空气冷却，其中钛合金具有在上述方面中的每个或任何一个中叙述的成分。

[0089] 应当理解，本说明书说明了与对本发明的清楚理解相关的本发明的那些方面。为了简化本说明书，没有给出对本领域普通技术人员来说显而易见的并且因此不利于更好地理解本发明的某些方面。尽管这里只需描述有限数量的本发明的实施例，但是本领域普通技术人员在考虑前面的描述后，将认识到可以采用本发明的许多修改和更改。本发明的所有此类更改和修改旨在被前面的描述和所附的权利要求书所涵盖。