Патент на изобретение №2339731

(54) ОБРАБОТКА СПЛАВОВ ТИТАН-АЛЮМИНИЙ-ВАНАДИЙ И ИЗДЕЛИЯ, ИЗГОТОВЛЕННЫЕ С ЕЕ ПОМОЩЬЮ

(57) Реферат:

Группа изобретений относится к области металлургии. Предложен способ изготовления изделия из –-титанового сплава (варианты), изделие из –-титанового сплава и способ изготовления броневой плиты из –-титанового сплава. Способ изготовления изделия по варианту 1 из –-титанового сплава, содержащего, в массовых процентах, от примерно 2,9 до примерно 5,0 алюминия, от примерно 2,0 до примерно 3,0 ванадия, от примерно 0,4 до примерно 2,0 железа, от примерно 0,2 до примерно 0,3 кислорода, от примерно 0,005 до примерно 0,3 углерода, от примерно 0,001 до примерно 0,02 азота и менее примерно 0,5 одного или более элементов из группы: хром, никель, кремний или молибден, а также случайные примеси, включает в себя горячую обработку –-титанового сплава давлением для придания сплаву микростуктуры, пригодной для холодной деформации, и холодную обработку –-титанового сплава давлением. Изобретение направлено на снижение потерь готовой продукции, снижение затрат энергии на температурную обработку сплава и позволяет улучшить такие показатели при изготовлении изделий, как предел текучести на растяжение, предел прочности на растяжение и относительное удлинение. 5 н. и 27 з.п. ф-лы, 10 табл.

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к новым способам обработки некоторых титановых сплавов, содержащих алюминий, ванадий, железо и кислород, к изделиям, изготовленным с использованием таких способов обработки, и к новым изделиям, содержащим такие сплавы.

Описание известного уровня техники

Еще, по меньшей мере, в 1950-х годах было обнаружено, что титан обладает свойствами, которые делают его привлекательным для использования в качестве конструкционной брони против оружейных метательных снарядов. Проводились соответствующие исследования титановых сплавов этого назначения. Один известный титановый сплав, пригодный для применения в качестве баллистической брони, представляет собой сплав Ti-6Al-4V, который номинально содержит титан, 6 мас.% алюминия, 4 мас.% ванадия и обычно менее 0,20 мас.% кислорода. Еще один титановый сплав, используемый в качестве баллистической брони, содержит 6,0 мас.% алюминия, 2,0 мас.% железа, относительно малое количество кислорода в 0,18 мас.%, менее 0,1 мас.% ванадия и, возможно, другие элементы в следовых количествах. Следующий титановый сплав, зарекомендовавший себя как пригодный для применения в качестве баллистической брони, представляет собой альфа-бета (–)-титановый сплав, описанный в патенте США №5980655 (далее упоминаемом как патент ‘655), выданном 9 ноября 1999 г. на имя Косака (Kosaka). Сплав, заявленный в патенте ‘655, который будет в дальнейшем именоваться как “сплав Косака”, кроме титана содержит, в массовых процентах, от примерно 2,9 до примерно 5,0 алюминия, от примерно 2,0 до примерно 3,0 ванадия, от примерно 0,4 до примерно 2,0 железа, от более 0,2 до примерно 0,3 кислорода, от примерно 0,005 до примерно 0,03 углерода, от примерно 0,001 до примерно 0,02 азота и менее примерно 0,5 других элементов.

Было показано, что броневые плиты, изготовленные из вышеупомянутых титановых сплавов, удовлетворяют определенным стандартам по V₅₀, установленным военными для обозначения баллистических характеристик. Эти стандарты включают в себя, например, стандарт MIL-DTL-96077F “Подробная спецификация свариваемой броневой плиты из титанового сплава”. V₅₀ – это средняя скорость метательного снаряда определенного типа, необходимая для его проникновения в плиту из сплава, имеющую заданные размеры и расположенную определенным образом относительно точки запуска метательного снаряда.

Вышеупомянутые титановые сплавы использовали для изготовления баллистической брони, поскольку при оценке по отношению к другим типам метательных снарядов эти титановые сплавы обеспечивают лучшие баллистические характеристики, чем сталь или алюминий, при меньшей массе. Несмотря на тот факт, что определенные титановые сплавы являются более эффективными с учетом массы, чем сталь и алюминий, в отношении определенных видов баллистического оружия, дальнейшее улучшение баллистических характеристик известных титановых сплавов принесло бы значительную выгоду. Более того, процесс изготовления баллистической броневой плиты из вышеупомянутых титановых сплавов может быть трудоемким и неэкономичным. Например, в патенте ‘655 описан способ, в котором сплав Косака, подвергнутый термомеханической обработке посредством нескольких стадий ковки до получения смешанной +-микроструктуры, подвергают горячей прокатке и отжигу для изготовления баллистической броневой плиты требуемого размера. При высоких температурах обработки на поверхности горячекатаной плиты образуются окалина и оксиды, и поэтому поверхность плиты требует отделки посредством одной или более стадий поверхностной обработки, таких как шлифование, механическая обработка, дробеструйная обработка, травление и т.п. Это усложняет процесс производства, приводит к потерям годной продукции и повышает стоимость готовой баллистической плиты.

Учитывая выгодные свойства удельной прочности отдельных титановых сплавов, используемых в качестве баллистической брони, было бы желательно производить из этих сплавов и другие изделия кроме баллистической брони. Однако принято считать, что ко многим из этих высокопрочных титановых сплавов невозможно легко применить иные технологические операции, кроме простой горячей прокатки. Например, сплав Ti-6Al-4V в виде плиты считается слишком прочным для холодной прокатки. Поэтому данный сплав обычно производится в виде листа посредством сложного процесса “пакетной прокатки”, при котором две или более листовые заготовки из сплава Ti-6Al-4V, имеющие промежуточную толщину, укладывают в пакет и помещают в стальную оболочку (кейс). Оболочку и ее содержимое подвергают горячей прокатке, а затем отдельные листы извлекают, шлифуют, травят и обрезают. Этот процесс является дорогостоящим и может иметь малую производительность, учитывая необходимость шлифовки и травления поверхности отдельных листов. Аналогично, обычно считается, что сплав Косака имеет относительно высокое сопротивление пластическому течению при температурах ниже температур прокатки в –-области. Таким образом, ничего не известно о формовке из сплава Косака других изделий, кроме баллистической плиты, и при этом известна формовка такой плиты только с использованием технологии горячей прокатки, общее описание которой приводится в патенте ‘655. Горячая прокатка подходит для изготовления лишь относительно устаревшей продукции, кроме того, она требует относительно больших затрат энергии.

Учитывая приведенное выше описание известных способов обработки отдельных титановых сплавов, известных в качестве пригодных для применения в баллистической броне, существует потребность в способе обработки таких сплавов для получения желаемых форм, включая иные формы помимо плит, которые бы были более экономичными и простыми, не сопровождались потерями готовой продукции и не требовали таких больших затрат энергии, как известные способы высокотемпературной обработки.

Раскрытие изобретения

Для удовлетворения перечисленных выше потребностей в настоящем изобретении предложены новые способы обработки –-сплава титан-алюминий-ванадий, описанного и заявленного в патенте ‘655, а также предложены новые изделия, содержащие такой –-титановый сплав.

Согласно одному аспекту настоящего изобретения предложен способ формовки изделия из –-титанового сплава, содержащего, в массовых процентах, от примерно 2,9 до примерно 5,0 алюминия, от примерно 2,0 до примерно 3,0 ванадия, от примерно 0,4 до примерно 2,0 железа, от примерно 0,2 до примерно 0,3 кислорода, от примерно 0,005 до примерно 0,3 углерода, от примерно 0,001 до примерно 0,02 азота и менее примерно 0,5 других элементов. Данный способ включает в себя холодную обработку –-титанового сплава. В отдельных вариантах воплощения холодная обработка этого сплава может быть проведена при температуре в интервале от температуры окружающей среды вплоть до менее примерно 1250°F (примерно 677°С). В некоторых других вариантах воплощения –-сплав подвергают холодной обработке при температуре, находящейся в интервале от температуры окружающей среды вплоть до примерно 1000°F (примерно 538°С). Перед холодной обработкой такой –-титановый сплав может быть необязательно обработан давлением при температуре выше примерно 1600°F (примерно 871°С) для того, чтобы получить сплав с микроструктурой, которая является пригодной для деформации в холодном состоянии во время упомянутой холодной обработки.

Согласно настоящему изобретению также предложены изделия, изготовленные с помощью описанных здесь новых способов. В некоторых вариантах воплощения изделие, сформованное с помощью какого-либо варианта воплощения этих способов, имеет толщину вплоть до 4 дюймов и обладает при комнатной температуре такими свойствами, как прочность на растяжение по меньшей мере 120 KSI (тысяч фунтов на квадратный дюйм) и предел прочности на растяжение (временное сопротивление) по меньшей мере 130 KSI. Кроме того, в некоторых вариантах воплощения изделие, сформованное с помощью какого-либо варианта воплощения этих способов, обладает удлинением по меньшей мере 10%.

Авторы изобретения обнаружили, что любой подходящий метод холодной обработки можно адаптировать для применения к сплаву Косака. В отдельных неограничительных вариантах воплощения используют одну или более стадий холодной прокатки для уменьшения толщины сплава. Примеры изделий, которые можно изготовить с помощью таких вариантов воплощения, включают в себя лист, полосу, фольгу и плиту. В тех случаях, когда используют по меньшей мере две стадии холодной прокатки, данный способ может также включать в себя промежуточный отжиг сплава между последовательными стадиями холодной прокатки с тем, чтобы уменьшить механические напряжения в сплаве. В некоторых из этих вариантов воплощения по меньшей мере один промежуточный отжиг для снятия напряжений между последовательными стадиями холодной прокатки можно осуществлять на линии с печью непрерывного отжига.

Также в настоящем изобретении предложен новый способ изготовления броневой плиты из –-титанового сплава, содержащего, в массовых процентах, от примерно 2,9 до примерно 5,0 алюминия, от примерно 2,0 до примерно 3,0 ванадия, от примерно 0,4 до примерно 2,0 железа, от примерно 0,2 до примерно 0,3 кислорода, от примерно 0,005 до примерно 0,3 углерода, от примерно 0,001 до примерно 0,02 азота и менее примерно 0,5 других элементов. Данный способ включает в себя прокатку сплава при температурах значительно ниже температур, обычно используемых для горячей прокатки сплава с целью получения броневой плиты. В одном варианте воплощения данного способа сплав прокатывают при температуре, которая не более чем на 400°F (примерно 222°С) ниже Т этого сплава.

Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения предложено холоднообработанное изделие из –-титанового сплава, содержащего, в массовых процентах, от примерно 2,9 до примерно 5,0 алюминия, от примерно 2,0 до примерно 3,0 ванадия, от примерно 0,4 до примерно 2,0 железа, от примерно 0,2 до примерно 0,3 кислорода, от примерно 0,005 до примерно 0,3 углерода, от примерно 0,001 до примерно 0,02 азота и менее примерно 0,5 других элементов. Неограничительные примеры холоднообработанного изделия включают в себя изделие, выбранное из листа, полосы, фольги, плиты, прутка, стержня, проволоки, пустотелой трубчатой детали (гильзы), трубы, трубки, ткани, сетки, конструктивного элемента, конуса, цилиндра, короба, патрубка, сопла, сотовой конструкции, крепежного элемента, заклепки и прокладки. Некоторые из таких холоднообработанных изделий могут иметь толщину более одного дюйма в поперечном сечении и обладать такими свойствами при комнатной температуре, как прочность на растяжение по меньшей мере 120 KSI и предел прочности на растяжение по меньшей мере 130 KSI. Отдельные холоднообработанные изделия могут иметь удлинение по меньшей мере 10%.

Некоторые описанные в настоящем изобретении способы включают в себя применение методов холодной обработки, которые до этого считались непригодными для обработки сплава Косака. В частности, было принято считать, что сопротивление сплава Косака пластическому течению при температурах значительно ниже температур горячей прокатки в –-области слишком велико для того, чтобы можно было успешно обрабатывать сплав при таких температурах. Авторы настоящего изобретения неожиданно обнаружили, что сплав Косака можно обрабатывать обычными методами холодной обработки при температурах ниже примерно 1250°F (примерно 677°С), и это позволяет получать огромное количество видов продукции, которые невозможно получить посредством горячей прокатки и/или которые значительно дороже в изготовлении с помощью методов горячей обработки. Некоторые описанные здесь способы намного проще, чем, например, обычный метод пакетной прокатки, описанный выше для случая изготовления листа из сплава Ti-6Al-4V. Также отдельные описанные здесь методы не дают такого уровня потерь готовой продукции и не требуют таких затрат энергии, которые присущи способам высокотемпературной обработки до конечного размера и/или формы. Еще одно преимущество состоит в том, что определенные механические свойства вариантов сплава Косака приближаются к свойствам сплава Ti-6Al-4V или превосходят их, что позволяет производить изделия, которые ранее было невозможно получать из сплава Ti-6Al-4V, но которые имеют аналогичные свойства.

Эти и другие преимущества будут очевидны после изучения нижеследующего описания вариантов воплощения изобретения.

Описание вариантов воплощения изобретения

Как отмечалось выше, в патенте США 5980655, выданном на имя Kosaka (Косака), описан альфа-бета (–)-титановый сплав и применение такого сплава в качестве баллистической броневой плиты. Патент ‘655 включен в данное описание в полном объеме посредством этой ссылки. Помимо титана, сплав, описанный и заявленный в патенте ‘655, содержит легирующие элементы, перечисленные в таблице 1. Для простоты упоминания титановый сплав, содержащий добавки легирующих элементов согласно таблице 1, упоминается в данном описании как сплав Косака.

Как описано в патенте ‘655, сплав Косака может необязательно содержать и другие элементы, кроме перечисленных в таблице 1. Эти другие элементы и их массовые проценты могут включать в себя, без ограничения перечисленным, один или более из следующих: (a) хром – максимум 0,1%, обычно – от примерно 0,0001% до примерно 0,05%, а предпочтительно – вплоть до примерно 0,03%; (b) никель – максимум 0,1%, обычно – от примерно 0,001% до примерно 0,05%, а предпочтительно – вплоть до примерно 0,02%; (с) углерод – максимум 0,1%, обычно – от примерно 0,005% до примерно 0,03%, а предпочтительно – вплоть до примерно 0,01%; и (d) азот – максимум 0,1%, обычно – от примерно 0,001% до примерно 0,02%, а предпочтительно – вплоть до примерно 0,01%.

Компания Wah Chang, Allegheny Technologies Incorporated производит один конкретный коммерческий вариант сплава Косака, имеющий следующий номинальный состав: 4 мас.% алюминия, 2,5 мас.% ванадия, 1,5 мас.% железа и 0,25 мас.% кислорода. Такой номинальный состав упоминается в дальнейшем описании настоящего изобретения как “Ti-4Al-2,5V-1,5Fe-0,25O₂“.

В патенте ‘655 поясняется, что сплав Косака обрабатывают в соответствии с обычной термомеханической обработкой (ТМО), используемой в случае некоторых других –-титановых сплавов. В частности, в патенте ‘655 отмечается, что сплав Косака подвергают деформации давлением при повышенных температурах, лежащих выше температуры полиморфного превращения в бета-фазу (T) (которая составляет приблизительно 1800°F (примерно 982°С) для сплава Ti-4Al-2,5V-1,5Fe-0,25O₂), а затем подвергают дополнительной термомеханической обработке давлением при температуре ниже Т. Эта обработка обеспечивает возможность промежуточной рекристаллизации бета-фазы (т.е. температура >T) перед циклом термомеханической обработки в –-области.

Патент ‘655, в частности, направлен на изготовление баллистической броневой плиты из сплава Косака с получением при этом продукта, имеющего смешанную +-микроструктуру. Стадии обработки в +-области, описанные в упомянутом патенте, обычно представляют собой следующее: (1) -ковка слитка выше Т для формирования промежуточного сляба; (2) –-ковка промежуточного сляба при температуре ниже Т; (3) –-прокатка сляба для формирования плиты; и (4) отжиг плиты. В патенте ‘655 сказано, что стадия нагрева слитка до температуры выше Т может включать в себя, например, нагрев слитка до температуры от примерно 1900°F до примерно 2300°F (от примерно 1038°С до примерно 1260°С). Последующая стадия –-ковки промежуточного по толщине сляба при температуре ниже Т может включать в себя, например, ковку сляба при температуре в +-области температур. Более конкретно, в этом патенте описана –-ковка сляба при температуре, которая находится в диапазоне от примерно 50°F до примерно 200°F (от примерно 28°С до примерно 111°С) ниже Т, т.е. составляет от примерно 1550°F до примерно 1775°F (от примерно 843°С до примерно 968°С). Затем сляб подвергают горячей прокатке в аналогичной –-области температур, например, от примерно 1550°F до примерно 1775°F (от примерно 843°С до примерно 968°С), для формирования плиты требуемой толщины, имеющей благоприятные баллистические свойства. В патенте ‘655 описана последующая стадия отжига, следующая за стадией –-прокатки и проводимая при температуре от примерно 1300°F до примерно 1500°F (от примерно 704°С до примерно 816°С). В конкретных примерах, приведенных в патенте ‘655, плиты из сплава Косака были сформованы посредством того, что сплав подвергли – и –-ковке, горячей –-прокатке при 1600°F (примерно 871°С) или 1700°F (примерно 927°С), а затем “смягчающему” (т.е. улучшающему пластичность) отжигу при примерно 1450°F (примерно 788°С). Следовательно, в патенте ‘655 предложено получать баллистическую плиту из сплава Косака посредством способа, включающего в себя горячую прокатку сплава в пределах –-области температур до требуемой толщины.

В ходе изготовления баллистической броневой плиты из сплава Косака согласно способу обработки, описанному в патенте ‘655, авторы настоящего изобретение неожиданно и к своему удивлению обнаружили, что ковка и прокатка, осуществляемые при температурах ниже Т, приводят к значительно меньшему растрескиванию, и что нагрузки на валки, испытываемые во время прокатки при таких температурах, были существенно меньшими, чем для слябов эквивалентного размера из сплава Ti-6Al-4V. Иными словами, авторы изобретения неожиданно обнаружили, что сплав Косака проявлял меньшее сопротивление пластическому течению при повышенных температурах. Без намерения ограничиться какой-либо конкретной рабочей теорией, авторы полагают, что этот эффект, по меньшей мере частично, обусловлен снижением упрочнения материала при повышенных температурах из-за содержания железа и кислорода в сплаве Косака. Этот эффект проиллюстрирован в следующей таблице 2, где приведены измеренные механические свойства образца сплава Ti-4Al-2,5V-1,5Fe-0,25O₂ при различных повышенных температурах.

Хотя было замечено, что сплав Косака имеет пониженное сопротивление пластическому течению при повышенных температурах во время изготовления баллистической плиты из этого материала, окончательные механические свойства отожженной плиты находились в общих пределах с подобной продукцией в виде плит, полученной из сплава Ti-6Al-4V. Например, в следующей таблице 3 представлены механические свойства 26 горячекатаных баллистических броневых плит, изготовленных из двух слитков массой 8000 фунтов из сплава Ti-4Al-2,5V-1,5Fe-0,25O₂. Результаты в таблице 3 и другие наблюдения авторов свидетельствуют, что продукты с толщиной поперечного сечения менее, например, примерно 2,5 дюйма, сформированные из сплава Косака с помощью раскрытых здесь способов, могут иметь минимальный предел текучести в 120 KSI, минимальный предел прочности на растяжение в 130 KSI и минимальное удлинение в 12%. Однако возможно, что изделия с такими механическими свойствами и гораздо большим поперечным сечением, таким как менее 4 дюймов, можно изготовить посредством холодной обработки на определенных крупномасштабных прокатных полосовых станах. Эти свойства вполне сопоставимы со свойствами сплава Ti-6Al-4V. Например, в Справочнике по свойствам материалов, в разделе “Титановые сплавы” (Material Properties Handbook, Titanium Alloys) (ASM International, 2d printing, January 1988), стр.526, сообщаются следующие свойства на растяжение при комнатной температуре: предел текучести 127 KSI, предел прочности 138 KSI и удлинение 12,7% для сплава Ti-6Al-4V, прокатанного поперечно при 955°С (примерно 1777°F) и подвергнутого отжигу для улучшения пластичности. В том же тексте на стр.524 перечислены типичные свойства при испытании на растяжение для Ti-6Al-4V: предел текучести 134 KSI, предел прочности 144 KSI и удлинение 14%. Хотя свойства при испытании на растяжение зависят от вида продукта, его поперечного сечения, направления измерения и термообработки, приведенные выше свойства для сплава Ti-6Al-4V дают основание для общей оценки относительных свойств сплава Косака при испытании на растяжение.

Авторы настоящего изобретения также заметили, что холоднокатаный сплав Ti-4Al-2,5V-1,5Fe-0,25O₂ обладает несколько лучшей пластичностью, чем материал из сплава Ti-6Al-4V. Например, в одной последовательности испытаний, описанной ниже, дважды подвергнутый холодной прокатке и отожженный материал из сплава Ti-4Al-2,5V-1,5Fe-0,25O₂ выдержал изгиб с радиусом 2,5Т как в продольном, так и в поперечном направлениях.

Таким образом, замеченное уменьшение сопротивления пластическому течению при повышенных температурах дает возможность изготавливать изделия из сплава Косака, применяя методы обработки давлением и формовки, которые ранее считались непригодными для использования как в случае сплава Косака, так и сплава Ti-6Al-4V, при этом достигая механических свойств, типично ассоциируемых со сплавом Ti-6Al-4V. Например, описанная ниже работа показывает, что сплав Косака можно легко подвергать выдавливанию при повышенных температурах, обычно считающихся “умеренными” в титановой промышленности, что представляет собой такой метод обработки, который не предполагается в патенте ‘655. Исходя из результатов экспериментов по выдавливанию при этих повышенных температурах, для обработки сплава Косака можно использовать, как полагают, и другие методы формовки при повышенных температурах, которые включают в себя, без ограничения перечисленным, штамповку в закрытых штампах, волочение и ротационное выдавливание (“спинингование”) при повышенных температурах. Также можно осуществлять прокатку при умеренной температуре или других повышенных температурах для получения относительно тонкой плиты или листа и тонкой полосы. Эти возможности обработки существенно выходят за рамки способа горячей обработки, описанного в патенте ‘655 для получения горячекатаной плиты, и позволяют получать такие виды продукции, которые невозможно легко изготовить из сплава Ti-6Al-4V, но которые, тем не менее, будут иметь механические свойства, подобные свойствам сплава Ti-6Al-4V.

Авторы настоящего изобретения также неожиданно и к своему удивлению обнаружили, что сплав Косака обладает значительной степенью формуемости в холодном состоянии. Например, опыты по холодной прокатке образцов из сплава Ti-4Al-2,5V-1,5Fe-0,25O₂, описанные ниже, давали обжатие по толщине в приблизительно 37%, прежде чем появились первые краевые трещины. Эти образцы были вначале изготовлены посредством способа, подобного обычному способу изготовления броневой плиты, и имели довольно крупную микроструктуру. Уменьшение размера зерен в микроструктуре образцов путем усиленной обработки давлением в –-области и избирательного отжига для снятия напряжений позволило достичь обжатия в холодном состоянии вплоть до 44%, прежде чем потребовался снимающий напряжения отжиг для обеспечения возможности дальнейшего обжатия в холодном состоянии. В ходе этой работы авторы обнаружили, что сплав Косака может быть подвергнут холодной обработке до гораздо более высоких прочностей, и при этом он все еще будет сохранять некоторую степень пластичности. Это не замеченное ранее явление делает возможным производство из сплава Косака холоднокатаной продукции в длинных рулонах, но с механическими свойствами сплава Ti-6Al-4V.

Формуемость в холодном состоянии сплава Косака, который имеет относительно высокие уровни содержания кислорода, является интуитивно непонятной. Например, титан марки 4 СР (от англ. “Commercially Pure” – технически чистый), имеющий относительно высокий уровень содержания кислорода в примерно 0,4 мас.%, дает минимальное удлинение примерно 15% и известен тем, что является менее формуемым, чем другие марки технически чистого титана. За исключением некоторых марок технически чистого титана, единственным –-титановым сплавом, способным поддаваться холодной обработке и производимым в значительном промышленном объеме, является сплав Ti-3Al-2,5V (номинально содержащий, в массовых процентах: 3 алюминия, 2,5 ванадия, макс.0,25 железа, макс. 0,05 углерода и макс.0,02 азота). Авторы заметили, что варианты сплава Косака имеют такую же способность к формоизменению в холодном состоянии, как и сплав Ti-3Al-2,5V, но при этом обладают более благоприятными механическими свойствами. Единственным коммерчески важным не –-титановым сплавом, который способен легко поддаваться формоизменению в холодном состоянии, является сплав Ti-15V-3Al-3Cr-3Sn, который был разработан в качестве поддающейся холодной прокатке альтернативы листу из сплава Ti-6Al-4V. Хотя сплав Ti-15V-3Al-3Cr-3Sn производится в виде трубы, полосы, плиты и в других формах, он остается специальным продуктом, объем производства которого не достигает объема производства сплава Ti-6Al-4V. Выплавка и обработка сплава Косака может быть значительно менее дорогостоящей, чем у специальных титановых сплавов, таких как Ti-15V-3Al-3Cr-3Sn.

Учитывая обрабатываемость сплава Косака в холодном состоянии и наблюдения авторов при применении методов холодной обработки к этому сплаву, некоторые из которых будут описаны ниже, авторы полагают, что многие методы холодной обработки, которые ранее считались непригодными для сплава Косака, в действительности могут быть использованы для формовки изделий из этого сплава. Обычно, под “холодной обработкой” подразумевается обработка сплава давлением при температуре ниже той, при которой значительно уменьшается напряжение пластического течения материала. В данном контексте понятия “холодная обработка”, “холоднообработанный”, “холодная формовка” или подобные им термины, или определения “холодный” и “в холодном состоянии”, используемые в связи с конкретным методом обработки или формовки, относятся к обработке или к характеристике обработанного изделия, в зависимости от конкретного случая, при температуре не выше примерно 1250°F (примерно 677°С). Предпочтительно, такая обработка происходит при температуре не выше примерно 1000°F (примерно 538°С). Следовательно, например, стадия прокатки, выполняемая на плите из сплава Косака при 950°F (510°С), считается в данном контексте холодной обработкой. Также термины “обработка” и “формовка” используются здесь в целом взаимозаменяемо, также как и термины “формуемость” и “обрабатываемость” и им подобные термины.

Методы холодной обработки, которые можно применять для сплава Косака, включают в себя, например, холодную прокатку, холодное волочение, холодное выдавливание (прессование и экструзию), холодную штамповку (ковку), периодическую/пилигримовую прокатку, холодное ротационное обжатие, ротационное выдавливание и вращательное выдавливание (спинингование). Как известно в данной области техники, холодная прокатка обычно заключается в пропускании подвергнутых ранее горячей прокатке изделий, таких как прутки, листы, плиты или полоса, через клеть с валками, часто несколько раз, до тех пор, пока не будет получен заданный размер по толщине. Принято считать, что, в зависимости от исходной структуры после горячей (–) прокатки и отжига, при холодной прокатки сплава Косака можно достичь относительного обжатия по площади поперечного сечения (RA, от англ. “reduction in area”) в по меньшей мере 35-40%, прежде чем потребуется какой-либо отжиг перед дальнейшей холодной прокаткой. Возможными считаются последующие степени обжатия в холодном состоянии в по меньшей мере 30-60%, в зависимости от ширины продукта и конфигурации прокатного стана.

Возможность производить тонкую рулонную полосу и лист из сплава Косака является существенным усовершенствованием. Сплав Косака имеет свойства, подобные свойствам сплава Ti-6Al-4V, а иногда и более высокие. В частности, проведенные авторами исследования показывают, что сплав Косака имеет улучшенную пластичность по отношению к сплаву Ti-6Al-4V, о чем свидетельствуют свойства удлинения и изгиба. В течение более 30 лет сплав Ti-6Al-4V был основным использовавшимся титановым сплавом. Однако, как отмечалось выше, лист из сплава Ti-6Al-4V и из многих других титановых сплавов обычно производят путем сложной и дорогостоящей обработки. Это обусловлено тем, что прочность сплава Ti-6Al-4V слишком высока для холодной прокатки, причем материал упрочняется вследствие образования преимущественной текстуры, и это приводит к практически полному отсутствию свойств пластичности в поперечном направлении. Лист из сплава Ti-6Al-4V обычно производится в виде отдельных листов методом пакетной прокатки. Отдельные листы из сплава Ti-6Al-4V потребовали бы гораздо большего усилия в прокатном стане, чем могут обеспечить большинство существующих прокатных станов, причем этот материал все же требует прокатки именно в горячем состоянии. Отдельные листы быстро теряют тепло, и поэтому они потребовали бы подогрева после каждого прохода. Поэтому листы/плиты промежуточной толщины из сплава Ti-6Al-4V складывают в пакет по два или больше и помещаются в стальную оболочку, которую прокатывают целиком. Однако, поскольку в промышленном масштабе при помещении в металлическую оболочку не используется вакуумное уплотнение, то после горячей прокатки каждый лист требует ленточной шлифовки и пескоструйной обработки для удаления хрупкого оксидного слоя, что сильно затрудняет пластическую обработку. В процессе шлифовки образуются метки от абразива, которые действуют как места возникновения трещин в этом чувствительном к надрезу материале. Поэтому такие листы необходимо также протравливать для удаления меток от ударов. Кроме того, каждый лист обрезают со всех сторон, обычно оставляя необрезанными 2-4 дюйма на одной стороне для захвата листа роликами при шлифовке в шлифовальном устройстве. Обычно с каждой поверхности сошлифовывается, по меньшей мере, примерно 0,003 дюйма и вытравливается, по меньшей мере, примерно 0,001 дюйма, что приводит к потерям, которые обычно составляют, по меньшей мере, примерно 0,008 дюйма с одного листа. Например, для получения листа с конечной толщиной 0,025 дюйма прокатанный до готового размера лист должен иметь толщину 0,033 дюйма вследствие потерь в примерно 24% на шлифовку и травление, и это без учета потерь на обрезку. Стоимость стали для металлической оболочки, стоимость шлифовальных лент и трудозатраты, связанные с обработкой отдельных листов после пакетной прокатки, делают листы с толщиной 0,040 дюйма или менее довольно дорогими.

Поэтому становится понятным, что возможность получения холоднокатаного –-титанового сплава в виде непрерывного рулона (сплав Ti-6Al-4V обычно производят в форме листов стандартных размеров 36×96 дюймов и 48×120 дюймов), имеющего механические свойства, подобные свойствам сплава Ti-6Al-4V или лучше, является существенным усовершенствованием.

Исходя из наблюдений авторов изобретения, на сплаве Косака можно также осуществлять холодную прокатку прутков, стержней и проволоки на различных станах сортового проката, включая станы Коха. Дополнительные примеры методов холодной обработки, которые можно использовать для формовки изделий из сплава Косака, включают в себя пилигримовую прокатку (периодическую прокатку) выдавленных гильз для изготовления бесшовной трубы, трубки и трубопровода. Исходя из наблюдаемых свойств сплава Косака, можно полагать, что большее обжатие по площади поперечного сечения (RA) можно обеспечить при формовке компрессионного типа, чем при плоской прокатке. Можно также осуществлять волочение прутка, проволоки, стержня и гильзы. Особенно привлекательным применением сплава Косака является волочение или пилигримовая прокатка гильз для получения бесшовных труб, чего особенно трудно достичь в случае со сплавом Ti-6Al-4V. Вращательное выдавливание (также именуемое как раскатка сдвигом) можно осуществлять с использованием сплава Косака для получения осесимметричных полых форм, включая конусы, цилиндры, трубопроводы воздушных летательных аппаратов, сопла (сопловой аппарат) и другие конструктивные элементы “направляющего поток” типа. Можно применять различные операции формовки жидкостью или газом сжимающего или расширяющего типа, такие как гидроформовка или рельефная формовка. Можно осуществлять профилирование заготовок непрерывного типа на роликовой листогибочной машине для получения конструкционных вариантов “угловых” или “одноопорных” обобщенных конструктивных элементов. Кроме того, согласно заключениям авторов изобретения, к сплаву Косака можно применять операции, обычно связанные с обработкой листового металла, такие как штамповка, точное формообразование заготовок, штамповка на прессе, глубокая вытяжка и чеканка.

Кроме описанных выше методов холодной формовки, предполагается, что для формовки изделий из сплава Косака можно использовать и другие методы “холодной” обработки, без ограничения перечисленным, такие методы как ковка, выдавливание, вращательное выдавливание, гидроформовка, рельефная формовка, профилирование листового металла на роликовой листогибочной машине, ротационное обжатие, штамповка ударным выдавливанием, формовка (штамповка) взрывом, штамповка резиной, обратная штамповка, пробивка, ротационное выдавливание, гибка с вытяжкой, гибка под прессом, электромагнитная формовка и высадка в холодном состоянии. Специалисты в данной области техники после анализа рассуждений и выводов авторов изобретения и других деталей, представленных в настоящем описании, смогут легко предусмотреть дополнительные методы холодной обработки/формовки, которые можно применить к сплаву Косака. Специалисты также смогут легко применить такие методы к данному сплаву без ненужного экспериментирования. Поэтому здесь описаны только отдельные примеры холодной обработки сплава. С применением таких методов холодной обработки и формовки можно производить широкий ассортимент изделий. Эти изделия включают в себя, без ограничения перечисленным, лист, полосу, фольгу, плиту, стержень, пруток, проволоку, пустотелую трубчатую деталь (гильзу), трубу, трубку, ткань, сетку, конструктивный элемент, конус, цилиндр, патрубок, трубопровод, сопло, сотовую конструкцию, крепежный элемент, заклепку и прокладку.

Сочетание неожиданно низкого сопротивления пластическому течению сплава Косака при повышенных рабочих температурах с неожиданной способностью этого сплава к последующей холодной обработке позволяет во многих случаях получать более дешевую продукцию, чем при использовании обычного сплава Ti-6Al-4V для изготовления той же продукции. Например, предполагается, что из варианта воплощения сплава Косака, имеющего номинальный состав Ti-4Al-2,5V-1,5Fe-0,25O₂, можно производить определенные виды продукции с большим выходом годного, чем из сплава Ti-6Al-4V, благодаря тому, что поверхности и кромки сплава Косака меньше подвержены растрескиванию во время обычной +-обработки этих двух сплавов. Поэтому сплав Ti-4Al-2,5V-1,5Fe-0,25O₂ требует меньшей шлифовки поверхности и другого доведения поверхности до кондиции, которые привели бы к потере материала. Во многих случаях эта разность в выходе годного может оказаться, как полагают, еще большей при изготовлении готовых продуктов из этих двух сплавов. Кроме того, неожиданно низкое сопротивление пластическому течению сплава Косака при температурах горячей –-обработки требует менее частого подогрева и создает меньшее напряжение в инструментальной оснастке, и оба эти фактора должны дополнительно снижать расходы на обработку. Более того, когда эти характерные признаки сплава Косака сочетаются с его неожиданной степенью обрабатываемости в холодном состоянии, можно обеспечить преимущество существенного снижения стоимости по сравнению со сплавом Ti-4Al-6V, учитывая обычную необходимость в проведении горячей пакетной прокатки и шлифовки листа из сплава Ti-6Al-4V. Сочетание низкого сопротивления пластическому течению при повышенных температурах и обрабатываемости в холодном состоянии должно сделать сплав Косака особенно пригодным для обработки до рулона с применением методов обработки, подобных тем, которые используются при производстве рулонов из нержавеющей стали.

Неожиданная обрабатываемость сплава Косака в холодном состоянии приводит к более низкой шероховатости поверхности и снижает потребность в доведении поверхности до кондиции с удалением толстой (плотной) поверхностной окалины и диффузного оксидного слоя, который обычно образуется на поверхности прокатанного в пакетах листа из сплава Ti-6Al-4V. Учитывая тот уровень обрабатываемости в холодном состоянии, который был обнаружен авторами настоящего изобретения, полагают, что из сплава Косака можно получать продукцию с толщиной фольги и рулонными длинами и со свойствами, подобными свойствам сплава Ti-6Al-4V.

Далее будут представлены примеры различных предлагаемых способов обработки сплава Косака.

Примеры

Если не указано иначе, все численные значения, выражающие в настоящем изобретении количества компонентов, состав, время, температуры и т.п., следует понимать как модифицированные во всех случаях термином “примерно”. Соответственно, если не указано иначе, численные параметры, приведенные в описании и формуле настоящего изобретения, являются приблизительными и могут варьироваться в зависимости от требуемых свойств, которые требуется получить с помощью настоящего изобретения. По самой меньшей мере и без попытки ограничить применение доктрины эквивалентов к объему притязаний в формуле изобретения, каждый численный параметр следует толковать, по меньшей мере, в свете количества представленных значащих цифр (разрядов) с применением обычных методов округления.

Несмотря на то, что численные интервалы и параметры, характеризующие широкий объем изобретения, являются приблизительными, те численные значения, которые приводятся в конкретных примерах, сообщаются с максимально возможной точностью. Однако любое численное значение может само по себе содержать определенные погрешности, обусловленные стандартным отклонением, наблюдаемым при соответствующих им экспериментальных измерениях.

Пример 1

Изготовили бесшовную трубу методом выдавливания гильзы из плавки сплава Косака, имеющего номинальный состав Ti-4Al-2,5V-1,5Fe-0,25O₂. Действительный измеренный химический состав этого сплава представлен ниже в таблице 4.

Сплав подвергли ковке при 1700°F (примерно 927°С), а затем ротационной ковке при примерно 1600°F (примерно 871°С). Вычисленная Т сплава составляла приблизительно 1790°F (примерно 977°С). Две заготовки из горячекованого сплава, каждая из которых имела внешний диаметр 6 дюймов и внутренний диаметр 2,25 дюйма, подвергли выдавливанию для получения гильз, имеющих внешний диаметр 3,1 дюйма и внутренний диаметр 2,2 дюйма. Первую заготовку (заготовка №1) выдавливали при примерно 788°С (примерно 1476°F) и получили примерно 4 фута материала, пригодного для изготовления бесшовной трубы методом периодической прокатки. Вторую заготовку (заготовка №2) выдавливали при температуре примерно 843°С (примерно 1575°F) и получили гильзу, удовлетворительно выдавленную по всей ее длине. В каждом случае форма, размеры и чистота поверхности выдавленного материала свидетельствовали о том, что этот материал можно успешно подвергать холодной обработке методом пилигримовой или периодической прокатки после отжига и доведения до кондиции.

Было проведено испытание на растяжение для определения свойств выдавленного материала после того, как он был подвергнут различным тепловым обработкам. Результаты этого испытания представлены в таблице 5 ниже. Первые две строки в таблице 5 показывают свойства, измеренные для выдавленных заготовок в их состоянии “после выдавливания”. Остальные строки относятся к образцам из каждой выдавленной заготовки, которые подвергали дополнительной термообработке и, в некоторых случаях, закалке в воде (ЗВ) или охлаждению на воздухе (ОВ). Последние четыре строки представляют температуру каждой выполненной стадии термообработки.

Результаты в таблице 5 демонстрируют показатели прочности, сопоставимые с показателями горячекатаной и отожженной плиты, а также с показателями плоского подката, который был затем подвергнут холодной прокатке. Все результаты в таблице 5, приведенные для отжига при температуре от 1350°F (примерно 732°С) до 1450°F (примерно 768°С) в течение указанных периодов времени (также называемого в данном контексте как “смягчающий отжиг”), указывают на то, что эти выдавленные заготовки могут быть легко подвергнуты холодному обжатию в трубу посредством пилигримовой прокатки или периодической прокатки, или волочения. Например, эти результаты при растяжении выгодно сопоставимы с результатами, полученными авторами изобретения при холодной прокатке и отжиге сплава Ti-4Al-2,5V-1,5Fe-0,25O₂, а также с результатами ранее проведенной авторами изобретения работы со сплавом Ti-3Al-2,5V, из которого обычно производят трубы методом выдавливания.

Результаты в таблице 5 для закаленных в воде и состаренных образцов (упоминаемых как STA – “термообработанные на твердый раствор и состаренные”) показывают, что трубу, полученную методом холодной пилигримовой/периодической прокатки из выдавленных заготовок, можно затем подвергнуть термообработке для получения гораздо более высоких прочностей, сохранив при этом некоторую остаточную пластичность. Эти свойства STA превосходят те же свойства сплава Ti-6Al-4V и его подвариантов.

Пример 2

Изготовили дополнительные заготовки из горячекованого сплава Косака, представленного в описанной выше таблице 5, и выдавили из них гильзы. Для получения выдавленных труб двух размеров использовали исходные заготовки двух размеров. Заготовки, обработанные механически до внешнего диаметра 6,69 дюйма и внутреннего диаметра 2,55 дюйма, подвергли выдавливанию до номинального внешнего диаметра 3,4 дюйма и внутреннего диаметра 2,488 дюйма. Две заготовки, обработанные механически до внешнего диаметра 6,04 дюйма и внутреннего диаметра 2,25 дюйма, подвергли выдавливанию до номинального внешнего диаметра 3,1 дюйма и внутреннего диаметра 2,25 дюйма. Выдавливание выполняли при целевой температуре 1450°F (примерно 788°С) с максимумом в 1550°F (примерно 843°С). Этот интервал температур был выбран с тем, чтобы выдавливание происходило при температуре ниже вычисленной Т (примерно 1790°F), но при этом достаточной для достижения пластического течения.

Полученные выдавливанием трубы обладали хорошим качеством поверхности и чистотой поверхности, без заметных повреждений поверхности, имели круглую форму и в целом равномерную толщину стенки, а также имели равномерные размеры по всей своей длине. Эти наблюдения, принятые во внимание в совокупности с результатами испытаний на растяжение в таблице 5 и опытом авторов изобретения, полученным при холодной прокатке того же самого материала, показывает, что выдавленные трубные заготовки можно подвергать дальнейшей обработке путем деформации в холодном состоянии для получения труб, отвечающих коммерческим требованиям.

Пример 3

Несколько образцов из –-титанового сплава согласно таблице 5, подвергнутых горячей ковке так, как описано в примере 1, прокатали до толщины примерно 0,225 дюйма в –-области при температуре на 50-150°F (от примерно 28°С до примерно 83°С) ниже вычисленной Т. Эксперименты с этим сплавом показали, что прокатка в –-области, на которой следует смягчающий отжиг, давала наилучшие результаты холодной прокатки. Однако понятно, что, в зависимости от требуемых результатов, температура прокатки может находится в интервале от температуры ниже Т вниз до диапазона температур смягчающего отжига.

Перед холодной прокаткой образцы подвергали смягчающему отжигу, а затем дробеструйной очистке и травлению с тем, чтобы освободить их от -оболочки и обогащенной кислородом или стабилизированной поверхности. Образцы подвергли холодной прокатке при температуре окружающей среды без подвода внешнего тепла. (Образцы нагревались за счет адиабатической работы до примерно 200-300°F (от примерно 93°С до примерно 149°С), что не считается существенным с точки зрения металлургии). Затем холоднокатаные образцы подвергали отжигу. Несколько отожженных образцов толщиной 0,225 дюйма подвергли холодной прокатке до толщины примерно 0,143 дюйма, т.е. обжатию на примерно 36%, за несколько проходов прокатки. Два из этих образцов толщиной 0,143 дюйма отжигали в течение 1 часа при 1400°F (760°С), а затем подвергли холодной прокатке при температуре окружающей среды без подвода внешнего тепла до толщины примерно 0,0765 дюймов, т.е. обжатию на примерно 46%.

Во время холодной прокатки более толстых образцов наблюдались обжатия в 0,001-0,003 дюйма за проход. При более тонких размерах, а также вблизи пределов холодного обжатия перед тем, как уже требовался отжиг, было замечено, что было необходимо несколько проходов перед достижением столь малого обжатия, как 0,001 дюйма. Специалистам будет очевидно, что достижимое уменьшение толщины за один проход будет зависеть от типа прокатного стана, конфигурации прокатного стана, диаметра рабочих валков, а также других факторов. Наблюдения за холодной прокаткой данного материала показывают, что можно легко достичь предельных обжатий в, по меньшей мере, приблизительно 35-45%, прежде чем потребуется отжиг.Образцы прокатывались в холодном состоянии без каких-либо обнаруживаемых повреждений или дефектов, за исключением легкого растрескивания кромок, которое происходило на пределе практической пластичности материала. Эти наблюдения свидетельствуют о пригодности –-сплава Косака для холодной прокатки.

Свойства образцов промежуточных и окончательных размеров при испытании на растяжение представлены ниже в таблице 6. Эти свойства выгодно сопоставимы с требуемыми свойствами при растяжении для материала Ti-6Al-4V, указанными в описаниях промышленных стандартов, таких как: AMS 4911H (Спецификация аэрокосмических материалов: Титановый сплав 6Al-4V в виде листа, полосы и плиты, отожженный); MIL-T-9046J (Таблица III); и DMS 1592C.

Свойства отожженных образцов при испытании на изгиб оценивали согласно стандарту ASTM E290. Это испытание заключалось в укладывании плоского образца на два стационарных ролика и затем проталкивании его между роликами с оправкой, радиус которой выбирался в зависимости от толщины материала, до достижения угла изгиба 105°. Затем образец исследовали на наличие трещин. Холоднокатаные образцы проявили способность к изгибу с меньшими радиусами (обычно достигался радиус изгиба 3Т, или в некоторых случаях 2Т, где Т – толщина образца), чем типичный радиус для материала Ti-6Al-4V, и при этом уровни прочности были сопоставимы с Ti-6Al-4V. На основании этих наблюдений авторов, а также других испытаний на изгиб, можно предположить, что множество холоднокатаных изделий, сформированных из сплава Косака, можно будет изгибать без разрушения изделия вокруг радиуса, составляющего 4 толщины изделия или менее.

Эти наблюдения за холодной прокаткой и испытания по определению свойств прочности и изгиба в данном примере свидетельствуют, что сплав Косака может быть переработан в холоднокатаную полосу, а также может быть дальше обжат до получения очень тонкого продукта, такого как фольга. Это было подтверждено авторами в ходе других испытаний, при которых сплав Косака, имеющий химический состав как в данном примере, успешно подвергался холодной прокатке на прокатном стане Сендзимира до толщины 0,011 дюйма или менее.

Пример 4

Плиту из обработанного –-сплава Косака, имеющего химический состав, представленный в таблице 4, изготовили посредством поперечной прокатки плиты при примерно 1735°F (примерно 946°С), что соответствует диапазону на 5-150°F (от примерно 28°С до примерно 83°С) ниже Т. Плиту подвергли горячей прокатке при 1715°F (примерно 935°С) от номинальной толщины 0,980 дюйма до номинальной толщины 0,220 дюйма. Для исследования того, какие параметры промежуточного отжига обеспечивают подходящие условия для последующего холодного обжатия, плиту разрезали на четыре отдельные части (№1-4) и эти части обрабатывали так, как указано в таблице 7. Каждую часть сначала отжигали в течение примерно одного часа, а затем подвергали двум стадиям холодной прокатки (ХП) с промежуточным отжигом, продолжавшимся примерно один час.

Во время стадий холодной прокатки проходы прокатки осуществляли до тех пор, пока не появлялось первое заметное растрескивание кромки, что было самым первым указанием на то, что материал приближается к пределу свой практической обрабатываемости. Как было замечено авторами в других экспериментах по холодной прокатке с использованием сплава Косака, первоначальное холодное обжатие в экспериментах, проиллюстрированных в таблице 7, составляло порядка 30-40%, а более типично – 33-37%. Использование параметров одночасовой продолжительности при 1400°F (760°С) как для отжига перед холодным обжатием, так и промежуточного отжига в обоих случаях обеспечило подходящие результаты, хотя обработка, применявшаяся к другим частям в таблице 7, также дала хорошие результаты.

Авторы также определили, что отжиг в течение четырех часов при 1400°F (760°С), или же либо при 1350°F (примерно 732°С), либо 1450°F (примерно 787°С) в течение эквивалентного времени, также придавал материалу по существу такую же способность к последующему холодному обжатию и выгодные механические свойства, такие как свойства при растяжении и изгибе. Было замечено, что еще более высокие температуры, такие как в “области твердого раствора” на 50-150°F (от примерно 28°С до примерно 83°С) ниже Т, придают материалу жесткость (упрочняют его) и затрудняют последующее холодное обжатие. Отжиг в -области, Т>Т не обеспечил никаких преимуществ для последующего холодного обжатия.

Пример 5

Приготовили сплав Косака, имеющий следующей состав: 4,07 мас.% алюминия; 229 ммд углерода; 1,69 мас.% железа; 86 ммд водорода; 99 ммд азота; 2100 ммд кислорода; и 2,60 мас.% ванадия. Обработка сплава заключалась в первоначальной ковке ВДП-слитка (после вакуумного дугового переплава) диаметром 30 дюймов из этого сплава при 2100°F (примерно 1149°С) до номинального поперечного сечения с толщиной 20 дюймов и шириной 29 дюймов, который в свою очередь ковали при 1950°F (примерно 1066°С) до номинального поперечного сечения с толщиной 10 дюймов и шириной 29 дюймов. После шлифовки/доведения до кондиции материал ковали при 1835°F (примерно 1002°С) (все еще выше Т, составляющей примерно 1790°F (примерно 977°С)) до получения сляба с номинальной толщиной 4,5 дюйма, который затем доводили до кондиции путем шлифовки и травления. Часть сляба прокатывали при 1725°F (примерно 941°С), что было на примерно 65°F (примерно 36°С) ниже Т, до толщины примерно 2,1 дюйма и отжигали. Затем кусок размером 12×15 дюймов от плиты 2,1 дюйма подвергали горячей прокатке для получения горячей полосы с номинальной толщиной 0,2 дюйма. После отжига при 1400°F (760°С) в течение одного часа кусок подвергали дробеструйной очистке и травлению, прокатывали в холодном состоянии до толщины примерно 0,143 дюйма, отжигали на воздухе при 1400°F (760°С) в течение одного часа и доводили до кондиции. Как известно в данной области техники, доведение до кондиции может включать в себя один или более таких видов обработки поверхности, как дробеструйная очистка, травление и шлифовка, с целью удаления поверхностной окалины, оксида и дефектов. Полосу снова подвергали холодной прокатке, в этот раз – до толщины примерно 0,078 дюйма, и аналогичным образом отжигали и доводили до кондиции, а затем повторно прокатывали до толщины примерно 0,045 дюйма.

После прокатки до толщины 0,078 дюйма полученный в результате лист разрезали на два куска для облегчения манипуляций. Однако для дальнейшего испытания на оборудовании, где требуется рулон, эти два куска сварили друг с другом и их хвосты соединили в полосу. Химический состав металла сварного шва был по существу таким же, как у основного металла. Этот сплав способен подвергаться сварке с использованием традиционных для титановых сплавов средств, обеспечивая образование пластичного сварного шва. Затем полосу подвергли холодной прокатке (сварной шов не прокатывали) для получения полосы с номинальной толщиной 0,045 дюйма и отжигали в печи непрерывного отжига при 1425°F (примерно 774°С) со скоростью подачи 1 фут/минуту. Как известно, непрерывный отжиг осуществляют при движении полосы через горячую зону в полузащитной атмосфере, включающей в себя аргон, гелий, азот или какой-либо другой газ, имеющий ограниченную химическую активность при температуре отжига. Полузащитная атмосфера предназначена для того, чтобы исключить необходимость дробеструйной очистки и затем глубокого травления отожженной полосы для удаления глубокого оксида. Печь непрерывного отжига обычно используют при обработке в промышленных масштабах, и поэтому испытания проводили таким образом, чтобы смоделировать производство рулонной полосы из сплава Косака в условиях промышленного производства.

Образцы одной из отожженных соединенных частей полосы были взяты для оценки свойств на растяжение, а затем полосу подвергли холодной прокатке. Одну из соединенных частей подвергли холодной прокатке от толщины примерно 0,041 дюйма до толщины примерно 0,022 дюйма, т.е. обжатию на 46%. Оставшуюся часть подвергли холодной прокатке от толщины примерно 0,042 дюйма до толщины примерно 0,024 дюйма, т.е. обжатию на 43%. Прокатку прекращали при появлении неожиданной трещины на кромке в каждой соединенной части.

После холодной прокатки полосу снова разделили по линии сварки на две отдельные полосы. Первую часть полосы отжигали затем на линии непрерывного отжига при 1425°F (примерно 774°С) со скоростью подачи 1 фут/минуту. Свойства на растяжение отожженной первой части полосы представлены ниже в таблице 8, причем каждое испытание выполнялось дважды. Свойства на растяжение, представленные в таблице 8, по существу аналогичны свойствам образцов, взятых из первой части полосы после первоначального непрерывного отжига и перед первым холодным обжатием. Тот факт, что все образцы имели похожие благоприятные свойства при испытании на растяжение, свидетельствует о том, что данный сплав можно эффективно подвергать непрерывному отжигу.

Достигнутые в этом примере результаты холодной прокатки были очень благоприятными. Непрерывный отжиг достаточно смягчил материал, чтобы его можно было подвергнуть дополнительному холодному обжатию для получения тонкого размера. Применение стана Сендзимира, в котором давление прикладывается более равномерно по ширине обрабатываемой детали, может увеличить допустимую холодную прокатку до возникновения необходимости в отжиге.

Пример 6

Часть заготовки из сплава Косака, имеющего химический состав, показанный в таблице 4, приготовили и обработали так, как описано ниже, с конечной целью изготовления проволоки. Заготовку ковали на ковочном прессе при примерно 1725°F (примерно 941°С) для получения круглого прутка диаметром примерно 2,75 дюйма, а затем ковали на ротационном ковочном прессе для его закругления.

Затем этот прудок подвергли ковке/обжатию на малом ковочном обжимном штампе в две стадии, каждая при 1625°F (885°С), причем сначала – до диаметра 1,25 дюйма, а затем – до диаметра 0,75 дюйма. После дробеструйной очистки и травления стержень разделили пополам, и одну половину подвергли ротационному обжатию до примерно 0,5 дюйма при температуре ниже температуры красного каления. Стержень диаметром 0,5 дюйма отжигали в течение 1 часа при 1400°F (760°С).

Во время ротационного обжатия материал проявил хорошую текучесть без повреждения поверхности. Микроструктурный анализ показал здоровую (качественную) структуру без пустот, пористости или других дефектов. Первый образец отожженного материала испытывали для определения свойств на растяжение, и он имел предел текучести 126,4 KSI, предел прочности на растяжение 147,4 KSI и общее удлинение 18%. Второй образец отожженного прутка имел предел текучести 125,5 KSI, предел прочности на растяжение 146,8 KSI и общее удлинение 18%. Таким образом, эти образцы продемонстрировали пределы текучести и прочности на растяжение, подобные сплаву Ti-6Al-4V, но с улучшенной пластичностью. Эта улучшенная обрабатываемость, проявленная сплавом Косака, по сравнению с другими титановыми сплавами схожей прочности, т.е. сплавами, которые также требуют увеличения количества стадий промежуточного нагрева и обработки и дополнительной шлифовки для удаления поверхностных дефектов, обусловленных повреждениями при термомеханической обработке, представляет собой существенное преимущество.

Пример 7

Как было указано выше, сплав Косака был изначально разработан для применения в качестве баллистической броневой плиты. Учитывая упомянутое неожиданное наблюдение о том, что данный сплав может быть легко подвергнут холодной обработке и имеет значительную пластичность в состоянии после холодной обработки при более высоких уровнях прочности, авторы настоящего изобретения решили исследовать, влияет ли холодная обработка на баллистические характеристики.

Плиту толщиной 2,1 дюйма (примерно 50 мм) из обработанного –-сплава Косака, имеющего химический состав, показанный в таблице 4, изготовили таким же образом, как описано в примере 5. Плиту подвергли горячей прокатке при 1715°F (935°С) до толщины приблизительно 1,090 дюйма. Направление прокатки было перпендикулярным предыдущему направлению прокатки. Плиту отжигали на воздухе при температуре приблизительно 1400°F (760°С) в течение примерно одного часа, а затем подвергли дробеструйной очистке и травлению. Затем образец прокатали при температуре приблизительно 1000°F (примерно 538°С) до толщины 0,840 дюйма и разрезали на две половины. Одну часть оставили в состоянии после прокатки. Оставшуюся часть подвергли отжигу при 1690°F (примерно 921°С) в течение приблизительно одного часа и охладили на воздухе. (Вычисленная Т этого материала составила 1790°F (примерно 977°С)). Обе части подвергли дробеструйной очистке и травлению и отправили на баллистические испытания. “Остаток” материала эквивалентной толщины от того же слитка также направили на баллистические испытания. Этот остаток был ранее обработан таким образом, который обычно используется при производстве баллистической броневой плиты, т.е. посредством горячей прокатки, отжига на твердый раствор и смягчающего отжига при приблизительно 1400°F (примерно 760°С) в течение по меньшей мере одного часа. Отжиг на твердый раствор обычно выполняют при температуре на 50-150°F (от примерно 28°С до примерно 83°С) ниже Т.

В исследовательской лаборатории образцы оценивали в отношении устойчивости к 20-миллиметровому осколочному испытательному метательному снаряду (FSP, от англ. “Fragment Simulating Projectile”) и 14,5-миллиметровому бронебойно-зажигательному снаряду API B32 (от англ. “armor-piercing incendiary”) по MIL-DTL-96077F. Не было замечено никаких ощутимых различий в воздействиях 14,5-миллиметровых снарядов на каждый из образцов, и все опытные образцы были полностью пробиты этими 14,5-миллиметровыми снарядами при скоростях от 2990 до 3018 футов в секунду (фут/сек). В таблице 10 показаны результаты для 20-миллиметровых FSP-снарядов (V₅₀, требуемая согласно MIL-DTL-96077F, составляет 2529 фут/сек).

Как показано в таблице 10, материал, прокатанный при 1000°F (примерно 538°С) с последующим отжигом в “области твердого раствора” (номинально 1 час при 1690°F (примерно 921°С) и охлаждение на воздухе), продемонстрировал значительно лучшие характеристики в отношении защиты от FSP-снарядов, чем материал, прокатанный при 1000°F (примерно 538°С), который не был затем отожжен, а также по сравнению с материалом, который подвергли горячей прокатке и отжигу так, как это обычно делается с баллистической броней, сформированной из сплава Косака. Таким образом, результаты в таблице 10 указывают на то, что применение температур прокатки значительно ниже, чем обычные температуры прокатки при производстве баллистической броневой плиты из сплава Косака, может привести к улучшенным баллистическим характеристикам в отношении защиты от FSP-снарядов.

Таким образом, было определено, что баллистические характеристики по V₅₀ относительно 20-миллиметровых FSP-снарядов для плиты из сплава Косака, имеющего номинальный состав Ti-4Al-2,5V-1,5Fe-0,25O₂, были улучшены приблизительно на 50-100 фут/сек за счет применения новой термомеханической обработки. В одном варианте эта новая термомеханическая обработка включала в себя сначала применение относительно нормальной горячей прокатки ниже Т при обычных температурах горячей –-обработки (обычно на 50-150°F (от примерно 28°C до примерно 83°С) ниже Т) таким образом, чтобы добиться практически равной деформации в продольной и поперечной ориентациях плиты. Затем применяли промежуточный смягчающий отжиг при примерно 1400°F (760°С) в течение приблизительно одного часа. Затем плиту подвергали прокатке при температуре значительно ниже, чем температура, обычно используемая для горячей прокатки броневой плиты из сплава Косака. Например, предполагается, что эту плиту можно катать при температуре на 400-700°F (от 222°С до примерно 389°С) ниже Т или при более низкой температуре, т.е. при температурах намного ниже тех, которые ранее считались допустимыми для сплава Косака. Прокатку можно использовать до достижения обжатия плиты по толщине, например, на 15-30%. После такой прокатки плиту можно отжигать при температуре в области твердого раствора, обычно – на 50-100°F (от примерно 28°C до примерно 83°С) ниже Т, в течение подходящего периода времени, который может составлять, например, 50-240 минут. После этого полученную в результате отожженную плиту можно отделать посредством комбинаций обычных операций отделки металлической плиты для удаления оболочки из альфа()-материала. Такие отделочные операции могут включать в себя, без ограничения перечисленным, дробеструйную очистку, травление кислотой, шлифовку, механическую обработку (резанием), полировку и пескоструйную обработку, в результате чего образуется гладкая чистая поверхность, позволяющая оптимизировать баллистические характеристики.

Следует понимать, что в данном описании были проиллюстрированы те аспекты изобретения, которые необходимы для его ясного понимания. Некоторые аспекты изобретения, которые будут очевидны для рядовых специалистов в данной области техники и которые поэтому не будут способствовать облегчению понимания настоящего изобретения, представлены не были, чтобы упростить данное описание. Несмотря на то, что были описаны варианты воплощения настоящего изобретения, рядовым специалистам в данной области техники после изучения описания будет ясно, что в него может быть внесено множество модификаций и изменений. Все такие изменения и модификации настоящего изобретения считаются подпадающими под объем представленного выше описания и прилагаемой формулы изобретения.

Формула изобретения

1. Способ изготовления изделия из –-титанового сплава, содержащего, в массовых процентах, от примерно 2,9 до примерно 5,0 алюминия, от примерно 2,0 до примерно 3,0 ванадия, от примерно 0,4 до примерно 2,0 железа, от примерно 0,2 до примерно 0,3 кислорода, от примерно 0,005 до примерно 0,3 углерода, от примерно 0,001 до примерно 0,02 азота и менее примерно 0,5 одного или более элементов из группы: хром, никель, кремний или молибден, а также случайные примеси, включающий в себя горячую обработку –-титанового сплава давлением для придания сплаву микростуктуры, пригодной для холодной деформации, и холодную обработку –-титанового сплава давлением.

2. Способ по п.1, в котором горячую обработку –-титанового сплава давлением проводят при температуре выше 1600°F (примерно 871°С).

3. Способ по п.1, в котором холодную обработку –-титанового сплава давлением осуществляют при температуре менее 1250°F (примерно 677°С).

4. Способ по п.1, в котором холодную обработку –-титанового сплава давлением осуществляют при температуре в интервале от температуры окружающей среды до 1000°F (примерно 538°С).

5. Способ по п.1, в котором холодная обработка –-титанового сплава давлением включает в себя обработку –-титанового сплава давлением при температуре менее 1250°F (примерно 677°С) посредством по меньшей мере одного метода, выбранного из группы, состоящей из прокатки, ковки, выдавливания, пилигримовой прокатки, периодической прокатки, волочения, вращательного выдавливания, гидростатического прессования, газостатического прессования, гидроформовки, рельефной формовки, профилирования на роликовой листогибочной машине, штамповки, точного формообразования заготовок, штамповки на прессе, глубокой вытяжки, чеканки, ротационного обжатия, штамповки ударным выдавливанием, штамповки взрывом, штамповки резиной, обратной штамповки, прошивки, ротационного выдавливания, гибки с растяжением, гибки под прессом, электромагнитной формовки и холодной высадки.

6. Способ по п.1, в котором изготавливают изделие, выбранное из группы, состоящей из рулона, листа, полосы, фольги, плиты, прутка, стержня, проволоки, пустотелой трубчатой детали, трубы, ткани, сетки, конструктивного элемента, конуса, цилиндра, трубопровода, трубки, сопла, сотовой конструкции, крепежного элемента, заклепки и прокладки.

7. Способ по п.1, в котором –-титановый сплав имеет более низкое напряжение пластического течения, чем сплав Ti-6Al-4V.

8. Способ по п.1, в котором при изготовлении плоского катаного изделия, выбранного из группы, состоящей из листа, полосы, фольги и плиты, холодная обработка –-титанового сплава давлением включает в себя холодную прокатку.

9. Способ по п.8, в котором холодная обработка –-титанового сплава давлением включает в себя по меньшей мере две стадии холодной прокатки для уменьшения толщины –-титанового сплава и промежуточный отжиг между последовательными стадиями холодной прокатки для уменьшения напряжений в –-титановом сплаве.

10. Способ по п.9, в котором холодной прокаткой –-титанового сплава уменьшают толщину этого –-титанового сплава на величину от примерно 30% до примерно 60% перед отжигом.

11. Способ по п.9, в котором по меньшей мере один промежуточный отжиг между последовательными стадиями холодной прокатки осуществляют на линии с печью непрерывного отжига.

12. Способ по п.9, в котором на по меньшей мере одной из стадий холодной прокатки толщину –-титанового сплава уменьшают на величину от 30 до 60%.

13. Способ по п.1, в котором при изготовлении изделия, выбранного из группы, состоящей из прутка, стержня и проволоки, холодная обработка –-титанового сплава давлением включает в себя прокатку.

14. Способ по п.1, в котором холодная обработка –-титанового сплава давлением включает в себя по меньшей мере одну из пилигримовой и периодической прокатки, при этом изделие является трубой или трубкой.

15. Способ по п.1, в котором при изготовлении изделия, выбранного из группы, состоящей из стержня, проволоки, прутка и пустотелой трубчатой детали, холодная обработка –-титанового сплава давлением включает в себя волочение.

16. Способ по п.1, в котором при изготовлении изделия, имеющего осевую симметрию, холодная обработка –-титанового сплава давлением включает в себя по меньшей мере одну обработку из вращательного выдавливания, раскатки сдвигом и ротационного выдавливания.

17. Способ по п.1, в котором изготавливают изделие, имеющее толщину до 4 дюймов (101,6 мм) и имеющее при комнатной температуре предел текучести на растяжение по меньшей мере 120 KSI (примерно 827 МПа), предел прочности на растяжение по меньшей мере 130 KSI (примерно 896 МПа) и относительное удлинение по меньшей мере 10%.

18. Способ по п.17, в котором изготавливают изделие, имеющее относительное удлинение по меньшей мере 12%.

19. Способ по п.1, в котором изготавливают изделие, имеющее каждое из свойств – предел текучести, предел прочности на растяжение и относительное удлинение, по меньшей мере такое же, как у сплава Ti-6Al-4V.

20. Способ по п.1, в котором изготавливают изделие, способное подвергаться изгибу с радиусом в 4 раза больше его толщины без повреждения.

21. Способ изготовления изделия из –-титанового сплава, содержащего, в массовых процентах, от примерно 2,9 до примерно 5,0 алюминия, от примерно 2,0 до примерно 3,0 ванадия, от примерно 0,4 до примерно 2,0 железа, от примерно 0,2 до примерно 0,3 кислорода, от примерно 0,005 до примерно 0,3 углерода, от примерно 0,001 до примерно 0,02 азота и менее примерно 0,5 одного или более элементов из группы: хром, никель, кремний или молибден, а также случайные примеси, включающий в себя горячую обработку –-титанового сплава давлением для придания сплаву микростуктуры, пригодной для холодной деформации, и холодную обработку сплава давлением при температуре менее 1250°F (примерно 677°С).

22. Способ изготовления изделия из –-титанового сплава, содержащего, в массовых процентах, от примерно 2,9 до примерно 5,0 алюминия, от примерно 2,0 до примерно 3,0 ванадия, от примерно 0,4 до примерно 2,0 железа, от примерно 0,2 до примерно 0,3 кислорода, от примерно 0,005 до примерно 0,3 углерода, от примерно 0,001 до примерно 0,02 азота и менее примерно 0,5 одного или более элементов из группы: хром, никель, кремний или молибден, а также случайные примеси, включающий в себя горячую обработку –-титанового сплава давлением для придания сплаву микростуктуры, пригодной для холодной деформации, уменьшение толщины –-титанового сплава посредством по меньшей мере двух стадий холодной прокатки, причем на по меньшей мере одной стадии холодной прокатки толщину –-титанового сплава уменьшают на величину от 30 до 60%, и промежуточный отжиг –-титанового сплава между последовательными стадиями холодной прокатки для уменьшения напряжений в –-титановом сплаве.

23. Способ по п.22, в котором изготавливают изделие, выбранное из группы, состоящей из листа, полосы, фольги и плиты.

24. Способ по п.22, в котором по меньшей мере один промежуточный отжиг между последовательными стадиями холодной прокатки осуществляют на линии с печью непрерывного отжига.

25. Изделие из –-титанового сплава, содержащего, в массовых процентах, от примерно 2,9 до примерно 5,0 алюминия, от примерно 2,0 до примерно 3,0 ванадия, от примерно 0,4 до примерно 2,0 железа, от примерно 0,2 до примерно 0,3 кислорода, от примерно 0,005 до примерно 0,3 углерода, от примерно 0,001 до примерно 0,02 азота и менее примерно 0,5 одного или более элементов из группы: хром, никель, кремний или молибден, а также случайные примеси, полученное путем горячей обработки –-титанового сплава давлением для придания сплаву микростуктуры, пригодной для холодной деформации, с последующей холодной обработкой –-титанового сплава давлением.

26. Изделие по п.25, которое представляет собой изделие, выбранное из группы, состоящей из рулона, листа, полосы, фольги, плиты, прутка, стержня, проволоки, пустотелой трубчатой детали, трубы, ткани, сетки, конструктивного элемента, конуса, цилиндра, трубопровода, трубки, сопла, сотовой конструкции, крепежного элемента, заклепки и прокладки.

27. Изделие по п.25, которое выполнено толщиной вплоть до 4 дюймов (101,6 мм) и при комнатной температуре имеет предел текучести на растяжение по меньшей мере 120 KSI (примерно 827 МПа) и предел прочности на растяжение по меньшей мере 130 KSI (примерно 896 МПа).

28. Изделие по п.25, которое имеет относительное удлинение по меньшей мере 12%.

29. Изделие по п.25, которое способно подвергаться изгибу с радиусом в 4 раза больше его толщины без повреждения.

30. Изделие по п.25, которое представляет собой изделие, выбранное из группы, состоящей из холоднокатаного изделия, изделия, полученного холодной ковкой, изделия, полученного холодной пилигримовой прокаткой, изделия, полученного холодным выдавливанием, изделия, полученного холодным волочением, изделия, полученного вращательным выдавливанием, изделия, полученного компрессионной формовкой, изделия, полученного гидроформовкой, изделия, полученного холодной прокаткой, изделия, полученного холодной штамповкой, изделия, полученного точным формообразованием заготовок, изделия, полученного холодной штамповкой на прессе, изделия, полученного холодной глубокой вытяжкой, изделия, полученного чеканкой, изделия, полученного холодным ротационным выдавливанием, изделия, полученного холодным ротационным обжатием, изделия, полученного штамповкой ударным выдавливанием, изделия, полученного штамповкой взрывом, изделия, полученного штамповкой резиной, изделия, полученного обратной штамповкой, изделия, полученного прошивкой, изделия, полученного гибкой с растяжением, изделия, полученного гибкой под прессом, изделия, полученного электромагнитной формовкой, и изделия, полученного холодной высадкой.

31. Способ изготовления броневой плиты из –-титанового сплава, содержащего, в массовых процентах, от примерно 2,9 до примерно 5,0 алюминия, от примерно 2,0 до примерно 3,0 ванадия, от примерно 0,4 до примерно 2,0 железа, от примерно 0,2 до примерно 0,3 кислорода, от примерно 0,005 до примерно 0,3 углерода, от примерно 0,001 до примерно 0,02 азота и менее примерно 0,5 одного или более элементов из группы: хром, никель, кремний или молибден, а также случайные примеси, включающий в себя горячую обработку –-титанового сплава для придания сплаву микростуктуры, пригодной для холодной деформации, и холодную прокатку сплава при температуре не более чем на 400°F (примерно 222°С) ниже Т этого сплава.

32. Способ по п.31, в котором холодную прокатку сплава осуществляют при температуре, которая находится в диапазоне на 400-700°F (от примерно 222°С до примерно 389°С) ниже Т этого сплава.