KR20130099001A

KR20130099001A - 높은 강도 및 전성 알파/베타 티타늄 합금

Info

Publication number: KR20130099001A
Application number: KR1020137004042A
Authority: KR
Inventors: 데이비드 제이. 브라이언; 존 브이. 만티온; 토마스 디. 바이하
Original assignee: 에이티아이 프로퍼티즈, 인코퍼레이티드
Priority date: 2010-09-23
Filing date: 2011-09-07
Publication date: 2013-09-05
Also published as: WO2012039929A1; CN103097559A; BR112013005248A2; JP6104164B2; MX368806B; KR102056035B1; TWI572721B; US20120076686A1; NZ607852A; PE20131367A1; JP2013539822A; CA2809035A1; KR20180049165A; MX2013002312A; KR20190040094A; TW201224163A; BR112013005248B1; IL224802A; AU2011305924A1; TWI631222B

Abstract

총 합금 중량을 기준으로 하기를 중량 퍼센트로 포함하는 알파/베타 티타늄 합금: 3.9 내지 4.5 알루미늄; 2.2 내지 3.0 바나듐; 1.2 내지 1.8 철; 0.24 내지 0.30 산소; 최대 0.08 탄소; 최대 0.05 질소; 최대 0.015 수소; 티타늄; 및 최대 총 0.30 다른 원소들. 알파/베타 티타늄 합금의 비제한적 구현예는 범위 6.4 내지 7.2의 알루미늄 당량 값을 포함하고, 범위 120 ksi (827.4 MPa) 내지 155 ksi (1,069 MPa)의 항복강도를 나타내고, 범위 130 ksi (896.3 MPa) 내지 165 ksi (1,138 MPa)의 최대 인장강도를 나타내고, 범위 12 내지 30 신장 퍼센트의 전성을 나타낸다.

Description

높은 강도 및 전성 알파/베타 티타늄 합금 {HIGH STRENGTH AND DUCTILITY ALPHA/BETA TITANIUM ALLOY}

관련 출원에 대한 교차 참조

본원은 2010년 10월 13일에 출원되고, 그 명칭이 "High Strength Alpha/Beta Titanium Alloy Fasteners and Fastener Stock"인 공동계류중 미국 특허 출원 시리즈 번호 12/903,851로부터 35 U.S.C. § 120 하에서 우선권을 주장하는 일부계속 출원이고, 이는 2010년 9월 23일에 출원되고, 그 명칭이 "High Strength Alpha/Beta Titanium Alloy Fasteners and Fastener Stock"인 공동계류중 미국 특허 출원 시리즈 번호 12/888,699로부터 35 U.S.C. § 120 하에서 우선권을 주장하는 일부계속 출원이다. 출원 시리즈 번호 12/903,851 및 12/888,699의 전체 개시내용은 참고로 본원에 통합되어 있다.

본원은 높은 강도 및 전성(ductile) 알파/베타 티타늄 합금에 관한 것이다.

티타늄 합금은 전형적으로 높은 강도-대-중량비를 나타내고, 내부식성이며, 적당한 고온에서 휘어짐 저항성이 있다. 이들 이유들 때문에, 티타늄 합금은, 예를 들면, 착륙 기어 부재, 엔진 프레임, 탄도 방호, 선체, 및 기계적 패스너(fastener)를 포함하는 항공우주, 항공기, 국방, 해양, 및 자동차 적용에서 사용된다.

항공기 또는 다른 이동 차량의 중량 감소로 인해 연료가 절감된다. 따라서, 예를 들면, 항공기 중량을 감소시키기 위해 항공우주 산업에서 강한 욕구가 있다. 티타늄 및 티타늄 합금이 항공기 적용에서 중량 감소를 달성하기 위한 매력적인 재료인 것은, 그의 높은 강도-대-중량비 때문이다. 항공우주 적용에서 사용된 대부분의 티타늄 합금 부품은 알파/베타 티타늄 합금인 Ti-6Al-4V 합금 (ASTM 등급 5; UNS R56400; AMS 4928, AMS 4911)로 만들어진다.

Ti-6Al-4V 합금은 총 티타늄-기반 재료 시장의 50% 초과를 설명하는 것으로 추정된 대부분의 공통 티타늄-기반 제조된 재료 중의 하나이다. Ti-6Al-4V 합금은 낮은 내지 적정 온도에서 경중량, 내부식성, 및 높은 강도의 합금의 유리한 조합으로부터 유리한 수많은 적용에서 사용된다. 예를 들면, Ti-6Al-4V 합금은 항공기 엔진 구성요소, 항공기 구조 구성요소, 패스너, 고-성능 자동차 구성요소, 의료 기기의 구성요소, 스포츠 장비, 해양 적용의 구성요소, 및 화학 가공 장비의 구성요소를 생산하기 위해 사용된다.

Ti-6Al-4V 합금 밀(mill) 생산물은 밀 어널링된 조건 또는 용액 처리 및 시효 (STA) 조건에서 일반적으로 사용된다. 본원에서 사용된 바와 같이, "밀 어널링된 조건"는 "밀-어널링" 열처리 후의 티타늄 합금의 상태를 의미하고, 상기 열처리에서 공정중 제품은 고온 (예들 들면, 1200 내지 1500℉ / 649-816℃)에서 약 1-8 시간 동안에 어널링되고 정체 공기에서 냉각된다. 밀-어널링 열처리는, 공정중 제품이 α+β 상영역에서 열간가공 후 수행된다. 밀 어널링된 조건에서 직경 약 2 내지 4 인치 (5.08 내지 10.16 cm)을 갖는 Ti-6Al-4V 합금의 환봉은 최소 규정 극한 인장강도 130 ksi (896 MPa) 및 최소 규정 항복강도 120 ksi (827 MPa)를 실온에서 갖는다. 밀 어널링된 Ti-6Al-4V 플레이트는 사양 AMS 4911에 따라 종종 생산되고, 반면에 밀 어널링된 Ti-6Al-4V bar은 사양 AMS 4928에 따라 종종 생산된다.

그 전체가 참고로 본원에 통합되어 있는 미국 특허 번호 5,980,655 ("'655 특허")는 2.90 내지 5.00 알루미늄, 2.00 내지 3.00 바나듐, 0.40 내지 2.00 철, 0.20 내지 0.30 산소, 부수적인 불순물, 및 티타늄을 중량 백분율로 포함하는 알파/베타 티타늄 합금을 개시한다. '655 특허에 개시된 알파/베타 티타늄 합금은 본원에서 "'655 합금"으로 칭한다. '655 합금 내의 상업적으로 이용가능한 합금 조성물은 명목상으로, 총 합금 중량을 기준으로 한 중량 백분율로, 4.00 알루미늄, 2.50 바나듐, 1.50 철, 0.25 산소, 부수적인 불순물, 및 티타늄을 포함하고, 본원에서 Ti-4Al-2.5V-1.5Fe-0.25O 합금로 칭할 수 있다.

Ti-6Al-4V 합금을 냉간 가공시 어려움 때문에, 합금은 일반적으로 고온에서, 일반적으로 α₂ 솔버스(solvus) 온도 초과에서 (예들 들면, 단조, 압연, 인발 등) 가공된다. Ti-6Al-4V 합금은, 예를 들면, 냉각 변형 동안에 크래킹의 높은 발생정도 (즉, 공정중 제품 실패) 때문에 강도를 증가시키기 위해 효과적으로 냉간 가공될 수 없다. 그러나, 그 전체가 참고로 본원에 통합되어 있는 미국 특허출원 공개 번호 2004/0221929에 기재된 바와 같이, '655 합금은 실질 정도의 냉간 변형능력/가공성을 갖는다는 것을 놀랍게도 그리고 예상치 못하게 발견했다.

'655 합금은, 가공가능 수준의 전성을 유지하면서 놀랍게도 높은 강도를 달성하기 위해 냉간 가공될 수 있다. 가공가능 수준의 전성은, 합금이 6% 초과 신장률을 나타내는 조건으로 정의된다. 또한, '655 합금의 강도는 Ti-6Al-4V 합금으로 달성될 수 있는 강도에 필적한다. 예를 들면, '655 특허의 표 6에서 보여진 바와 같이, Ti-6Al-4V 합금에 대해 측정된 인장 응력은 145.3 ksi (1,002 MPa)이고, 반면에 '655 합금의 시험 샘플들은 범위 138.7 ksi 내지 142.7 ksi (956.3 MPa 내지 983.9 MPa)의 인장강도를 나타내었다.

항공우주 재료 사양 6946B (AMS 6946B)은 '655 특허의 청구범위에서 인용된 것보다 더 제한적인 화합 범위를 명시한다. AMS 6946B에서 명시된 합금은 '655 특허의 더 넓은 원소 범위의 성형성을 보유하지만, AMS 6946B에 의해 허용된 기계적 강도 특성 최소값은 상업적으로 이용가능한 Ti-6Al-4V 합금에 대해 명시된 것보다 더 낮다. 예를 들면, AMS-4911L에 따라, 0.125 인치 (3.175 mm) 두께 Ti-6Al-4V 플레이트에 대한 최소 인장강도는 134 ksi (923.9 MPa)이고 최소 항복강도는 126 ksi (868.7 MPa)이다. 비교하면, AMS 6946B에 따라, 0.125 인치 (3.175 mm) 두께 Ti-4Al-2.5V-1.5Fe-0.25O 플레이트에 대한 최소 인장강도는 130 ksi (896.3 MPa)이고 최소 항복강도는 115 ksi (792.9 MPa)이다.

항공기 및 다른 차량의 중량 감소를 통한 감소된 연료 소비에 대한 계속적인 필요가 있으면, Ti-6Al-4V 알파/베타 티타늄 합금에 의해 나타낸 것과 필적하거나 더 탁월한 기계적 특성을 나타내는 것이 바람직한 개선된 전성 알파/베타 티타늄 합금에 대한 필요가 존재한다.

요약

본 명서서의 측면에 따라, 알파/베타 티타늄 합금은 총 합금 중량을 기준으로 한 중량 퍼센트로 하기를 포함한다: 3.9 내지 4.5 알루미늄; 2.2 내지 3.0 바나듐; 1.2 내지 1.8 철; 0.24 내지 0.30 산소; 최대 0.08 탄소; 최대 0.05 질소; 최대 0.015 수소; 티타늄; 및 최대 총 0.30 다른 원소들.

본 명세서의 또 하나의 측면에 따라, 알파/베타 티타늄 합금은 중량 퍼센트로, 하기로 본질적으로 이루어진다: 3.9 내지 4.5 알루미늄; 2.2 내지 3.0 바나듐; 1.2 내지 1.8 철; 0.24 내지 0.30 산소; 최대 0.08 탄소; 최대 0.05 질소; 최대 0.015 수소; 티타늄; 및 최대 총 0.30 다른 원소들.

본원에 기재된 합금 및 관련 방법의 특징 및 이점은 수반되는 도면들을 참조하여 더 이해될 수 있다:
도 1은 본 개시내용에 따른 합금의 비-제한 구현예로 구성된 바 및 와이어용 알루미늄 당량의 함수로서 극한 인장강도 및 항복강도의 플롯이다;
도 2는 본 개시내용에 따른 합금의 비-제한 구현예로 구성된0.5 인치 (1.27 cm) 직경 와이어용 알루미늄 당량의 함수로서 극한 인장강도 및 항복강도의 플롯이다;
도 3은 본 개시내용에 따른 합금의 비-제한 구현예로 구성된 1 인치 (2.54 cm) 두께의 플레이트용 알루미늄 당량의 함수로서 인장강도, 항복강도, 및 신장 퍼센트의 플롯이다.
독자는 본 개시내용에 따른 합금 및 관련 방법의 특정 비-제한 구현예의 하기 상세한 설명을 고려하여 상기 세부사항, 뿐만 아니라 다른 것들을 인식할 것이다.
특정 비-제한 구현예의 상세한 설명
비제한적인 구현예들의 본 설명에서, 작동 실시예에서 또는 달리 나타내는 경우 외에는, 양 또는 특징을 표현하는 모든 수는 용어 "약"에 의해 모든 경우에 변형되는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 상반되게 지적되지 않으면, 하기 설명에서 제시된 임의의 대수적 파라미터는, 재료에서 그리고 본 개시내용에 따른 방법에 의해 얻고자 하는 원하는 특성에 따라 변할 수 있는 대략적인 값이다. 적어도, 그리고 청구범위의 범위에 대한 균등론의 적용을 제한하지 시도가 아니라면, 각각의 대수적 파라미터는 보고된 유의미한 숫자에 비추어 그리고 통상의 반올림 기법을 적용하여 적어도 이해되어야 한다.
본원에서 참고로 전체 또는 부분적으로 통합된 것으로 언급된 임의의 특허, 공보, 또는 다른 개시 재료는, 통합되어 있는 재료가 본 개시내용에서 제시된 존재하는 정의, 언급, 또는 다른 개시내용 재료와 충돌하지 않는 정도로만 통합되어 있다. 그것으로서, 그리고 필요한 정도로, 본원에 제시된 개시내용은 참조로 통합되는 있는 임의의 충돌 재료를 대체한다. 참조로 통합되는 있지만 본원에 제시된 존재하는 정의, 언급, 또는 다른 개시내용 재료와 충돌하지 않는 임의의 재료, 또는 그의 부분은, 통합되어 있는 재료와 존재 개시내용 재료 사이에 충돌하지 않는 정도로만 통합되어 있다.
본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금의 비-제한 구현예는 중량 퍼센트로, 하기를 포함하고, 하기로 이루어지거나 또는 하기로 본질적으로 이루어진다: 3.9 내지 4.5 알루미늄; 2.2 내지 3.0 바나듐; 1.2 내지 1.8 철; 0.24 내지 0.30 산소; 최대 0.08 탄소; 최대 0.05 질소; 최대 0.015 수소; 티타늄; 및 최대 총 0.30 다른 원소들. 본 개시내용에 따른 특정 비-제한 구현예에서, (최대 0.30 중량 퍼센트의 다른 원소들의 일부로서) 알파/베타 티타늄 합금에서 존재할 수 있는 다른 원소들은 붕소, 주석 지르코늄, 몰리브데늄, 크로뮴, 니켈, 규소, 구리, 니오븀, 탄탈럼, 망간, 이트륨, 및 코발트 중 하나 이상을 포함하고, 특정 비-제한 구현예에서 존재하는 그와 같은 다른 원소 각각의 중량 수준은 0.10 또는 그 미만이지만, 2개의 예외가 있다. 그 예외는 붕소 및 이트륨이고, 이들이 존재하면 어쨌든 일부의 다른 원소들은 0.005 중량 퍼센트 미만의 개별적인 농도로 존재한다.
I. 합금 조성물
본 개시내용에 따른 합금의 비-제한 구현예는 티타늄, 알루미늄, 바나듐, 철, 및 산소를 포함한다. 단지 합금 원소들이 이하에서 논의된 조성물에서 언급되면, 밸런스는 티타늄 및 부수적인 불순물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
A. 알루미늄
알루미늄은 티타늄 합금에서 알파상 강화재이다. 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금의 비-제한 구현예에서 알루미늄의 조성 범위는 '655 특허에서 개시된 알루미늄 범위보다 더 좁다. 또한, 본 개시내용에 따른 합금의 특정 비-제한 구현예에 따른 알루미늄의 최소 수준은 AMS 6946B에서 설정된 최소 수준보다 더 크다. 이들 조성 특징은, 합금이 Ti-6Al-4V 합금에 필적하는 기계적 특성을 더 일관되게 나타내는 것을 허용하는 것으로 관찰되었다. 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금에서 알루미늄의 최소 농도는 3.9 중량 퍼센트이다. 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금에서 알루미늄의 최대 농도는 4.5 중량 퍼센트이다.
B. 바나듐
바나듐은 티타늄 합금에서 베타 상 안정화제이다. 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금 중 최소 농도 바나듐은 '655 특허에서 개시되고 AMS 6946B에서 설정된 최소 농도 보다 더 크다. 이 조성 특징은 알파 및 베타 상의 용적 분율의 최적의, 조절된 밸런스를 제공한다는 것이 관찰되었다. 알파 및 베타 상의 밸런스는 탁월한 전성 및 성형성을 갖는 본 개시내용에 따른 합금을 제공한다. 바나듐은2.2 중량 퍼센트의 최소 농도로 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금에서 존재한다. 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금 중 바나듐의 최대 농도는 3.0 중량 퍼센트이다.
C. 철
철은 티타늄 합금에서 공석 베타 안정화제이다. 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금은 '655 특허에서 기재된 합금과 할 때 더 큰 최소 농도 및 더 좁은 범위의 철을 포함한다. 이들 특징은 알파 및 베타 상의 용적 분율의 최적의, 조절된 밸런스를 제공하는 것으로 관찰되었다. 밸런스는 탁월한 전성 및 성형성을 갖는 본 개시내용에 따른 합금을 제공한다. 철은 최소 농도 1.2 중량 퍼센트로 본 개시 내용에 따른 알파/베타 합금에서 존재한다. 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금 중 철의 최대 농도는 1.8 중량 퍼센트이다.
D. 산소
산소는 티타늄 합금에서 알파상 강화재이다. 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금 중 산소의 조성 범위는 '655 특허 및 AMS 6946B 사양에서 개시된 범위보다 더 좁다. 또한, 본 개시내용에 따른 합금의 비-제한 구현예에서 산소의 최소 농도는 '655 특허 및 AMS 6946B 사양에서보다 더 크다. 이들 조성 특징은, 본 개시내용에 따른 합금이 특정 Ti-6Al-4V 기계적 특성에 필적하는 기계적 특성을 일관되게 나타내는 것을 허용하는 것으로 관찰되었다. 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금 중 산소의 최소 농도는 0.24 중량 퍼센트이다. 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금 중 산소의 최대 농도는 0.30 중량 퍼센트이다.
상기에서 논의된 바와 같이 티타늄, 알루미늄, 바나듐, 철, 및 산소를 포함하는 것에 추가하여, 특정 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금 중의 비-제한 구현예는 0.30 중량 퍼센트를 초과하지 않는 총 농도로 다른 원소들을 포함한다. 특정 비-제한 구현예에서, 이들 다른 원소들은 붕소, 주석 지르코늄, 몰리브데늄, 크로뮴, 니켈, 규소, 구리, 니오븀, 탄탈럼, 망간, 이트륨, 및 코발트 중 하나 이상을 포함하고, 여기서, 2개의 예외로, 그와 같은 원소 각각의 중량 퍼센트는 0.10 또는 그 미만이다. 그 예외는 붕소 및 이트륨이다. 본 개시내용에 따른 합금에서 존재하면, 붕소 및 이트륨 각각의 중량 백분율은 0.005 미만이다.
부수적 불순물은 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금에서 또한 존재할 수 있다. 예를 들면, 탄소는 최대 약 0.008 중량 퍼센트로 존재할 수 있다. 질소는 최대 약 0.05 중량 퍼센트로 존재할 수 있다. 수소는 최대 약 0.015 중량 퍼센트로 존재할 수 있다. 다른 가능한 부수적인 불순물은 야금 분야의 숙련가에게 명백할 것이다.
표 1은 하기의 조성물의 요약을 제공한다: (i) 특정 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금 중의 비-제한 구현예 및 (ii) '655 특허에서 개시되고 AMS 6946B에서 명시된 특정 합금.
표 1

본 발명자들은, '655 특허에서 교시된 최소 수준보다 더 높은 알루미늄, 산소, 및 철의 최소 수준을 갖는 본 합금을 제공하는 것은 기계적 특성, 예컨대 강도, 예를 들면 밀 어널링된 Ti-6Al-4V 합금의 특정 기계적 특성에 적어도 필적하는 강도와 같은 기계적 특성을 일관되게 나타내는 알파/베타 티타늄 합금을 제공한다는 것을 예기치 못하게 발견했다. 발명자들은 또한, '655 특허에서 개시된 최소값 및 범위에 대한 철 및 바나듐의 최소 수준 증가 및 그의 범위 폭 감소는 밀 어널링된 형태로 알파 및 베타 상의 용적 분율의 최적의 및 조절 밸런스를 나타내는 합금을 제공한다는 것을 예기치 못하게 발견했다. 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금에서의 상들의 이러한 최적의 밸런스는 Ti-6Al-4V 합금과 비교하여 개선된 전성을 갖는 합금의 구현예를 제공하고, '655 특허에서 개시되고 AMS 6946B에서 명시된 합금의 전성을 유지한다.
당해분야의 숙련가는, 금속 재료의 강도 및 전성이 일반적으로 역전 관계를 나타내는 것을 이해한다. 환언하면, 일반적으로, 금속 재료의 강도가 증가함에 따라, 재료의 전성은 감소한다. 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금의 증가된 기계적 강도 및 유지된 전성의 조합이 기대되지 않는 것은, 강도 및 전성의 역전 관계가 일반적으로 밀 어널링된 티타늄 합금에 대해 관찰되기 때문이다. 증가된 기계적 강도 및 유지된 전성의 예기치 못하고 놀라운 조합은 본 개시내용에 따른 합금 구현예의 특히 유리한 특징이다. 밀 어널링된 본 개시내용에 따른 합금의 구현예가 전성의 감소를 나타내지 않으면서 Ti-6Al-4V 합금에 필적하는 강도를 나타낸다는 것을 관찰한 것을 놀라웠다.
적어도 6.3, 또는 더 바람직하게는 적어도 6.4의 알루미늄 당량 값 (Al_eq)을 갖는 본 개시 내용에 따른 알파/베타 합금의 특정 비-제한 구현예는 Ti-6Al-4V 합금의 강도에 적어도 필적하는 강도를 나타내는 것으로 관찰되었다. 그와 같은 합금은 또한, 전형적으로 약 7.5의 알루미늄 당량 값을 갖는 Ti-6Al-4V 합금보다 탁월한 전성을 갖는 것으로 관찰되었다. 본원에서 사용된 바와 같이, "알루미늄 당량 값" 또는 "알루미늄 당량" (Al_eq) 은 합금 중 중량 퍼센트의 알루미늄 농도 플러스 중량 퍼센트의 합금 중 산소 농도의 열 배에 해당하는 갓을 의미한다. 환언하면, 합금의 알루미늄 당량은 하기와 같이 측정될 수 있다: Al_eq = Al₍ _wt _.%) + 10 (O₍ _wt _.%)).
티타늄 합금의 기계적 특성은 시험될 시료의 크기에 의해 일반적으로 영향을 받는 것으로 인식되지만, 본 개시내용에 따른 비-제한 구현예에서, 알파/베타 티타늄 합금은 적어도 6.4의 알루미늄 당량 값을 포함하거나, 특정 구현예에서 범위 6.4 내지 7.2 내이고, 그 항복강도는 적어도 120 ksi (827.4 MPa)이거나, 특정 구현예에서는 적어도 130 ksi (896.3 MPa)이다.
본 명세서에 따른 다른 비제한적인 구현예들에서, 알파/베타 티타늄 합금은 적어도 6.4의 알루미늄 당량 값을 포함하거나, 특정 구현예에서 6.4 내지 7.2의 범위이고, 그 항복강도는 범위 120 ksi (827.4 MPa) 내지 155 ksi (1,069 MPa)이다.
또 다른 비제한적인 구현예들에서, 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금 적어도 6.4의 알루미늄 당량 값을 포함하거나, 특정 구현예에서 범위 6.4 내지 7.2이고, 그 최대 인장강도는 적어도 130 ksi (896.3 MPa)이거나, 특정 구현예에서 적어도 140 ksi (965.3 MPa).
본 명세서에 따른 추가 비제한적인 구현예들에서, 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금 적어도 6.4의 알루미늄 당량 값을 포함하거나, 특정 구현예에서 범위 6.4 내지 7.2이고, 그 최대 인장강도는 범위 130 ksi (896.3 MPa) 내지 165 ksi (1,138 MPa)이다.
추가의 비제한적인 구현예들에서, 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금은 적어도 6.4의 알루미늄 당량 값을 포함하거나, 특정 구현예에서 범위 6.4 내지 7.2이고, 그 전성은 적어도 12%, 또는 적어도 16% (신장 퍼센트)이다.
추가의 비제한적인 구현예들에서, 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금은 적어도 6.4의 알루미늄 당량 값을 포함하거나, 특정 구현예에서 범위 6.4 내지 7.2이고, 그 전성은 범위 12% 내지 30% (신장 퍼센트 또는 "%el")이다.
본 개시내용의 특정 비-제한 구현예에 따라, 6.3은 for Al_eq의 절대 최소 값이지만, 본 발명자들은, 적어도 6.4의 Al_eq 값이 Ti-6Al-4V 합금에 의해 나타낸 바와 같이 동일한 강도를 달성하는데 필요하다는 것을 측정했다. 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금의 다른 비-제한 구현예에서, Al_eq의 최대 값은 7.5이고 본 명세서에 개시된 다른 비-제한 구현예에 따른 전성에 대한 강도의 관계가 적용된다는 것이 또한 인식된다.
비제한적인 구현예에 따라, 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금은 적어도 6.4의 알루미늄 당량 값을 포함하고, 그 항복강도는 적어도 120 ksi (827.4 MPa), 그 최대 인장강도는 적어도 130 ksi (896.3 MPa), 그리고 그 전성은 적어도 12% (신장 퍼센트)이다.
또 하나의 비제한적인 구현예에 따라, 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금은 적어도 6.4의 알루미늄 당량 값을 포함하고, 그 항복강도는 적어도 130 ksi (896.3 MPa), 그 최대 인장강도는 적어도 140 ksi (965.3 MPa), 그리고 그 전성은 적어도 12%이다.
또 하나의 비제한적인 구현예에서, 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금은 범위 6.4 내지 7.2의 알루미늄 당량 값을 포함하고, 그 항복강도는 범위 120 ksi (827.4 MPa) 내지 155 ksi (1,069 MPa), 그 최대 인장강도는 범위 130 ksi (896.3 MPa) 내지 165 ksi (1,138 MPa), 그리고 그 전성은 범위 12% 내지 30% (신장 퍼센트)이다.
하나의 비제한적인 구현예에서, 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금은 하기 방정식을 만족시키는 평균 극한 인장강도 (UTS)를 나타낸다:
UTS ≥ 14.767 (Al_eq) + 48.001.
또 하나의 비제한적인 구현예에서, 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금은 하기 방정식을 만족시키는 평균 항복강도 (YS)를 나타낸다:
YS ≥ 13.338 (Al_eq) + 46.864.
또 하나의 비제한적인 구현예에서, 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금은 하기의 평균 전성을 나타낸다:
%el ≥ 3.3669 (Al_eq) - 1.9417.
또 하나의 비제한적인 구현예에서, 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금은 하기를 나타낸다:
하기 방정식을 만족시키는 평균 극한 인장강도 (UTS):
UTS ≥ 14.767 (Al_eq) + 48.001;
하기 방정식을 만족시키는 평균 항복강도 (YS):
YS ≥ 13.338 (Al_eq) + 46.864; 및
하기 방정식을 만족시키는 평균 전성:
%el ≥ 3.3669 (Al_eq) - 1.9417.
하나의 비제한적인 구현예에서, 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금은 하기 방정식을 만족시키는 평균 극한 인장강도 (UTS)를 나타낸다:
UTS ≥ 12.414 (Al_eq) + 64.429.
또 하나의 비제한적인 구현예에서, 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금은 하기 방정식을 만족시키는 평균 항복강도 (YS)를 나타낸다:
YS ≥ 13.585 (Al_eq) + 44.904.
또 하나의 비제한적인 구현예에서, 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금은 하기의 평균 전성을 나타낸다:
%el ≥ 4.1993 (Al_eq) + 7.4409.
또 하나의 비제한적인 구현예에서, 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금은 하기를 나타낸다:
하기 방정식을 만족시키는 평균 극한 인장강도 (UTS):
UTS ≥ 12.414 (Al_eq) + 64.429;
하기 방정식을 만족시키는 평균 항복강도 (YS):
YS ≥ 13.585 (Al_eq) + 44.904; 및
하기 방정식을 만족시키는 평균 전성:
%el ≥ 4.1993 (Al_eq) + 7.4409.
하나의 비제한적인 구현예에서, 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금은 하기 방정식을 만족시키는 평균 극한 인장강도 (UTS)를 나타낸다:
UTS ≥ 10.087 (Al_eq) + 76.785.
또 하나의 비제한적인 구현예에서, 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금은 하기 방정식을 만족시키는 평균 항복강도 (YS)를 나타낸다:
YS ≥ 13.911 (Al_eq) + 39.435.
또 하나의 비제한적인 구현예에서, 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금은 하기의 평균 전성을 나타낸다:
%el ≥ 1.1979 (Al_eq) + 8.5604.
또 하나의 비제한적인 구현예에서, 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금은 하기를 나타낸다:
하기 방정식을 만족시키는 평균 극한 인장강도 (UTS):
UTS ≥ 10.087 (Al_eq) + 76.785;
하기 방정식을 만족시키는 평균 항복강도 (YS):
YS ≥ 13.911 (Al_eq) + 39.435; 및
하기 방정식을 만족시키는 신장 퍼센트 (%el)의 평균 전성:
%el ≥ 1.1979 (Al_eq) + 8.5604.
본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금의 비-제한 구현예는 Ti-6Al-4V 합금와 비교하여 필적하거나 더 높은 기계적 강도, 더 높은 전성, 및 개선된 성형성을 나타낸다는 것으로 측정되었다. 따라서, 항공우주, 항공기, 해양, 자동차, 및 다른 적용에서 Ti-6Al-4V 합금 물품의 대용물로서 본 개시내용에 따른 합금으로 형성된 물품을 사용할 수 있다. 본 개시내용에 따른 합금의 구현예의 높은 강도 및 전성은 높은 내성을 가지며 Ti-6Al-4V 합금으로부터 현재 제조될 수 없는 특정 밀 및 마무리 물품 형상의 제조를 허용한다.
본 명세서의 측면은 본 개시내용에 따른 합금을 포함하고/하거나 그것으로부터 만들어진 제조 물품에 관한 것이다. 제조 물품의 특정 비-제한 구현예는 항공기 엔진 구성요소, 항공기 구조 구성요소, 자동차 구성요소, 의료 기기 구성요소, 스포츠 장비 구성요소, 해양 적용 구성요소, 및 화학 가공 장비 구성요소로부터 선택될 수 있다. 당해분야의 숙련가에게 지금 또는 이하에서 공지되어 있는 본 개시내용에 따른 알파/베타 티타늄 합금의 구현예로부터 포함될 수 있고/있거나 그로부터 만들어질 수 있는 다른 제조 물품은 본원에서 개시된 구현예의 범위 내에 있다. 성형 또는 지금 또는 미래에 공지된 다른 제작 기술로 본 개시내용에 따른 합금을 포함하고/하거나 그로부터 만들어진 제조 물품을 당해분야의 숙련가가 구매한다.
하기의 실시예는 본 발명의 범위를 제한하지 않으면서 특정 비-제한 구현예를 추가로 기재하는 것으로 의도된다. 당해분야의 숙련가는, 하기 실시예뿐만 아니라 본원에 구체적으로 기재되지 않은 다른 구현예의 변화는 청구범위에 의해서만 한정되는 발명의 범위내에서 가능하다는 것을 인식할 것이다.
실시예 1
본 개시내용에 따른 조성물을 갖는 알파/베타 티타늄 합금 잉곳을, 일차 용융을 위해 종래의 진공 아크 재용해법 (VAR), 플라즈마 아크 용융법 (PAM), 또는 전자 빔 냉 노상 용융법 (EB)를 사용하여 캐스팅하고, VAR를 사용하여 재용융시켰다. 잉곳의 조성물은 "본 개시내용에 따른 비-제한 구현예" 칼럼에서 열거된 범위 내였고, 상기 표 1을 포함한다.
본 실시예 1에서 생산된 잉곳 조성물 약 6.0 내지 약 7.1 범위의 알루미늄 당량 값을 갖는다. 잉곳을, 다양한 핫 롤링 실시를 사용하여 직경 0.25 인치 (0.635 cm) 및 3.25 인치 (8.255 cm)를 갖는 핫 롤링된 바 및 와이어로 가공했다. 핫 롤링을 개시 온도 1550℉ (843.3℃) 및 1650℉ (898.9℃)에서 수행했다. 이 온도 범위는 본 실시예의 합금의 알파/베타 천이온도 미만이고, 이 온도는 실제 화학에 따라 약 1750℉ 내지 약 1850℉ (약 954.4℃ 내지 약 1010℃)이다. 핫 롤링 후, 핫 롤링된 바 및 와이어를 1275℉ (690.6℃)에서 1시간 동안 어널링하고, 그 다음 공기 냉각했다. 실시예 1에서 생산된 각각의 바 및 와이어 샘플들의 직경, 알루미늄 농도, 철 농도, 산소 농도, 및 계산된 Al_eq는 표 2에서 제공된다.

도 1은 샘플에서 합금의 알루미늄 당량 값의 함수로서 표 2에서 열거된 바 및 와이어 샘플들에 대한 실온 극한 인장강도 (UTS), 항복강도 (YS), 및 신장 퍼센트 (%el)를 그래프로 나타낸다. 도 1은 선형회귀에 의해 측정된 UTS, YS, 및 %el 데이타 포인트를 통한 추세 선을 또한 포함한다. 평균 강도와 평균 신장 퍼센트 모두는 Al_eq 증가와 함께, 증가한다는 것을 알 수 있다. 이 관계는, 강도 증가가 전성 감소에 의해 수반된다는 일반적으로 관찰된 관계와는 반대인 것으로 놀랍고 예상치 못한 것이다.
UTS 및 YS에 대한 전형적인 Ti-6Al-4V 최소는, 각각 135 ksi (930.8 MPa) 및 125 ksi (861.8 MPa)이다. 표 2에서 열거된 본 발명의 샘플들에 대한 YS는 Al_eq 약 6.0을 갖는 샘플에 대해 약 125 ksi로부터, Al_eq 약 7.1을 갖는 샘플에 대해 최대 약 141 ksi 까지 범위였다. Al_eq 약 6.4를 갖는 샘플은 약 130 ksi (896.3 MPa)의 YS를 나타내었다. 표 2에서 열거된 본 발명의 샘플들에 대한 UTS는 Al_eq 약 6.0을 갖는 샘플에 대해 약 135 ksi로부터, Al_eq 약 7.1을 갖는 샘플에 대해 최대 약 153 ksi까지 범위였다. Al_eq 약 6.4를 갖는 샘플은 약 41 ksi (972 MPa)의 YS를 나타내었다.
실시예 2
직경 0.5 인치 (1.27 cm) 및 알루미늄 당량 값 약 6.5, 약 6.8 및 약 7.15를 갖는 실시예 1의 와이어 샘플 번호 9-11에 대해, 실온에서 인장 시험했다. 인장 시험의 결과는 도 2에서 그래프로 나타낸다. 모든 이들 샘플들은 상업적 Ti-6Al-4V 합금에 의해 보여진 강도와 비교가능하거나 그 초과인 인장 강도 및 항복 강도를 나타내었다. 도 1에서와 같이, Al_eq 증가로 강도가 증가하고, 평균 신장 퍼센트도 함께 증가한다는 것을 도 2로부터 알 수 있다. 상기에서 논의된 바와 같이, 이러한 경향이 놀랍게 예상치 못한 것은, 강도 증가가 전성 감소에 의해 수반되는 일반적으로 관찰된 관계와 반대이기 때문이다. 다양한 크기의 샘플에 대해 수행된 시험의 대표적인, 도 1와 비교된 바와 같이 동일한 크기의 샘플들에 대해 수행된 시혐의 대표적인 도 2의 데이터에서 덜 흩어지는 것은, 기계적 특성이 시험 샘플의 크기에 의해 어느 정도 영향을 받기 때문이다.
실시예 3
핫 롤링된 1 인치 (2.54 cm) 두께의 플레이트 샘플들을 실시예 1에 기재된 단계에 따라 제조된 잉곳으로부터 제작했다. 합금 잉곳은, 표 3에서 열거된 알루미늄 및 산소 농도 및 알루미늄 당량 값과 함께 상기 표 1의 "본 개시내용에 따른 비-제한 구현예" 칼럼에서 열거된 범위 내의 조성들을 가졌다.

모든 핫 롤링 온도는 합금의 알파/베타 천이온도 미만이었다. 합금은 약 6.5 내지 약 7.1의 Al_eq 값을 가졌다. 실온 인장 시험을 사용하여 인장강도, 항복강도, 및 신장 퍼센트 (전성)를 측정했다. 인장 시험의 결과는 도 3에서 그래프로 나타낸다. 계산된 알루미늄 당량에 의해 나타낸 바와 같이 Al 및 O의 증가 수준을 포함하는 합금이, Ti-6Al-4V 합금에 의해 나타낸 강도 수준과 적어도 비교가능한 실온 강도를 나타내었다는 것을 도 3으로부터 알 수 있다. 더욱이, 강도는 Al_eq 증가와 함께 증가하는 것으로 관찰되었다. 또한, 본 발명의 합금의 평균 전성은 Al_eq 증가 및 강도 증가와 함께 약간 증가되거나 일반적으로 변하지 않은 채로 존재한다. 이 경향은, 강도 증가가 전성 감소에 의해 수반되는 일반적으로 관찰된 관계와는 반대인 것과 같이 놀랍고 예상치 못한 것이다.
본 개시내용은 다양한 예시적인, 설명적인, 및 비-제한 구현예를 참조로 쓰여졌다. 그러나, 임의의 개시된 구현예 (또는 그의 일부)의 다양한 치환, 변형, 또는 조합은, 오로지 청구범위에 의해 정의된 바와 같이 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 만들어질 수 있다는 것을 당해분야의 숙련가에 의해 인식될 것이다. 따라서, 본 개시내용은 본 명세서에서 명백하게 제시되지 않은 추가 구현예를 포함하는 것으로 검토되고 이해된다. 그와 같은 구현예는, 예를 들면, 본 명세서에 기재된 구현예의 임의의 개시된 단계, 성분, 구성요소, 구성성분, 원소들, 특징, 측면 등을 조합하고/하거나 변형시켜 얻을 수 있다. 따라서, 본 개시내용은 다양한 예시적인, 설명적인, 및 비-제한 구현예의 설명에 의해 제한되지 않지만, 오히려 청구범위에 의해서만 제한된다. 이런 식으로, 청구범위는 본 명세서에서 다양하게 기재된 바와 같이 특징들을 청구된 발명에 부가하기 위해 본 특허 출원의 기소 동안에 보정될 수 있는 것으로 이해될 것이다.

Claims

총 합금 중량을 기준으로 하기를 중량 퍼센트로 포함하는 알파/베타 티타늄 합금:
3.9 내지 4.5 알루미늄;
2.2 내지 3.0 바나듐;
1.2 내지 1.8 철;
0.24 내지 0.30 산소;
최대 0.08 탄소;
최대 0.05 질소;
최대 0.05 수소
티타늄; 및
최대 총 0.30 다른 원소들.
청구항 1에 있어서,
최대 총 0.30 다른 원소들은 붕소, 주석 지르코늄, 몰리브데늄, 크로뮴, 니켈, 규소, 구리, 니오븀, 탄탈럼, 망간, 이트륨 및 코발트 중 적어도 하나를 포함하고;
붕소 및 이트륨 각각의 수준은, 존재한다면, 0.005 미만이고;
주석, 지르코늄, 몰리브데늄, 크로뮴, 니켈, 규소, 구리, 니오븀, 탄탈럼, 망간, 및 코발트 각각의 수준은, 존재한다면, 0.10 이하인 알파/베타 티타늄 합금인 알파/베타 티타늄 합금.
청구항 1에 있어서, 상기 합금은 적어도 6.4의 알루미늄 당량 값을 포함하고 적어도 120 ksi (827.4 MPa)의 항복강도를 나타내는 알파/베타 티타늄 합금.
청구항 1에 있어서, 상기 합금은 적어도 6.4의 알루미늄 당량 값을 포함하고 적어도 130 ksi (896.3 MPa)의 최대 인장강도를 나타내는 알파/베타 티타늄 합금.
청구항 1에 있어서, 상기 합금은 적어도 6.4의 알루미늄 당량 값을 포함하고 적어도 12 신장 퍼센트의 전성을 나타내는 알파/베타 티타늄 합금.
청구항 1에 있어서, 상기 합금은 적어도 6.4의 알루미늄 당량 값을 포함하고, 적어도 120 ksi (827.4 MPa)의 항복강도를 나타내고, 적어도 130 ksi (896.3 MPa)의 최대 인장강도를 나타내고, 적어도 12 신장 퍼센트의 전성을 나타내는 알파/베타 티타늄 합금.
청구항 1에 있어서, 상기 합금은 범위 6.4 내지 7.2의 알루미늄 당량 값을 포함하고, 범위 120 ksi (827.4 MPa) 내지 155 ksi (1,069 MPa)의 항복강도를 나타내는 알파/베타 티타늄 합금.
청구항 1에 있어서, 상기 합금은 범위 6.4 내지 7.2의 알루미늄 당량 값을 포함하고, 범위 130 ksi (896.3 MPa) 내지 165 ksi (1,138 MPa)의 최대 인장강도를 나타내는 알파/베타 티타늄 합금.
청구항 1에 있어서, 상기 합금은 범위 6.4 내지 7.2의 알루미늄 당량 값을 포함하고, 범위 12 내지 30 신장 퍼센트의 전성을 나타내는 알파/베타 티타늄 합금.
청구항 1에 있어서, 상기 합금은 범위 6.4 내지 7.2의 알루미늄 당량 값을 포함하고, 범위 120 ksi (827.4 MPa) 내지 155 ksi (1,069 MPa)의 항복강도를 나타내고, 범위 130 ksi (896.3 MPa) 내지 165 ksi (1,138 MPa)의 최대 인장강도를 나타내고, 범위 12 내지 30 신장 퍼센트의 전성을 나타내는 알파/베타 티타늄 합금.
총 합금 중량을 기준으로 중량 퍼센트로, 하기로 이루어진 알파/베타 티타늄 합금:
3.9 내지 4.5 알루미늄;
2.2 내지 3.0 바나듐;
1.2 내지 1.8 철;
0.24 내지 0.30 산소;
최대 0.08 탄소;
최대 0.05 질소;
최대 0.015 수소
티타늄; 및
최대 총 0.30 다른 원소들.
청구항 11에 있어서,
최대 총 0.30 다른 원소들은 붕소, 주석 지르코늄, 몰리브데늄, 크로뮴, 니켈, 규소, 구리, 니오븀, 탄탈럼, 망간, 이트륨 및 코발트 중 적어도 하나를 포함하고;
붕소 및 이트륨 각각의 수준은, 존재한다면, 0.005 미만이고;
주석, 지르코늄, 몰리브데늄, 크로뮴, 니켈, 규소, 구리, 니오븀, 탄탈럼, 망간, 및 코발트 각각의 수준은, 존재한다면, 0.10 이하인 알파/베타 티타늄 합금.
청구항 11에 있어서, 상기 합금은 적어도 6.4의 알루미늄 당량 값을 포함하고 적어도 120 ksi (827.4 MPa)의 항복강도를 나타내는 알파/베타 티타늄 합금.
청구항 11에 있어서, 상기 합금은 적어도 6.4의 알루미늄 당량 값을 포함하고 적어도 130 ksi (896.3 MPa)의 최대 인장강도를 나타내는 알파/베타 티타늄 합금.
청구항 11에 있어서, 상기 합금은 적어도 6.4의 알루미늄 당량 값을 포함하고 적어도 12 신장 퍼센트의 전성을 나타내는 알파/베타 티타늄 합금.
청구항 11에 있어서, 상기 합금은 적어도 6.4의 알루미늄 당량 값을 포함하고, 적어도 120 ksi (827.4 MPa)의 항복강도를 나타낸다, 적어도 130 ksi (896.3 MPa)의 최대 인장강도를 나타내고, 적어도 12 신장 퍼센트의 전성을 나타내는 알파/베타 티타늄 합금.
청구항 11에 있어서, 상기 합금은 범위 6.4 내지 7.2의 알루미늄 당량 값을 포함하고, 범위 120 ksi (827.4 MPa) 내지 155 ksi (1,069 MPa)의 항복강도를 나타내는 알파/베타 티타늄 합금.
청구항 11에 있어서, 상기 합금은 범위 6.4 내지 7.2의 알루미늄 당량 값을 포함하고, 범위 130 ksi (896.3 MPa) 내지 165 ksi (1,138 MPa)의 최대 인장강도를 나타내는 알파/베타 티타늄 합금.
청구항 11에 있어서, 상기 합금은 범위 6.4 내지 7.2의 알루미늄 당량 값을 포함하고, 범위 12 내지 30 신장 퍼센트의 전성을 나타내는 알파/베타 티타늄 합금.
청구항 11에 있어서, 상기 합금은 범위 6.4 내지 7.2의 알루미늄 당량 값을 포함하고, 범위 120 ksi (827.4 MPa) 내지 155 ksi (1,069 MPa)의 항복강도를 나타낸다, 범위 130 ksi (896.3 MPa) 내지 165 ksi (1,138 MPa)의 최대 인장강도를 나타내고, 범위 12 내지 30 신장 퍼센트의 전성을 나타내는 알파/베타 티타늄 합금.
청구항 1의 합금을 포함하는 제조 물품.
청구항 21에 있어서, 상기 제조 물품은 청구항 1의 합금으로 이루어진 제조 물품.
청구항 21에 있어서, 상기 제조 물품은 항공기 엔진 구성성분, 항공기 구조 구성성분, 자동차 구성성분, 의료 기기 구성성분, 스포츠 장비 구성성분, 해양 적용 구성성분, 및 화학 가공 장비 구성성분으로부터 선택되는 제조 물품.
청구항 22에 있어서, 상기 제조 물품은 항공기 엔진 구성성분, 항공기 구조 구성성분, 자동차 구성성분, 의료 기기 구성성분, 스포츠 장비 구성성분, 해양 적용 구성성분, 및 화학 가공 장비 구성성분으로부터 선택되는 제조 물품.
청구항 11의 합금을 포함하는 제조 물품.
청구항 25에 있어서, 상기 제조 물품은 청구항 11의 합금으로 이루어진 제조 물품.
청구항 25에 있어서, 상기 제조 물품은 항공기 엔진 구성성분, 항공기 구조 구성성분, 자동차 구성성분, 의료 기기 구성성분, 스포츠 장비 구성성분, 해양 적용 구성성분, 및 화학 가공 장비 구성성분으로부터 선택되는 제조 물품.
청구항 26에 있어서, 상기 제조 물품은 항공기 엔진 구성성분, 항공기 구조 구성성분, 자동차 구성성분, 의료 기기 구성성분, 스포츠 장비 구성성분, 해양 적용 구성성분, 및 화학 가공 장비 구성성분으로부터 선택되는 제조 물품.