本申請是申請日為2011年7月14日，申請?zhí)枮?01180035819.6、發(fā)明名稱為“高強(qiáng)度α/β加工鈦的熱拉伸矯直”的發(fā)明專利申請的分案申請。

本公開涉及用于矯直在α+β相場中時(shí)效的高強(qiáng)度鈦合金的方法。

背景技術(shù)：

鈦合金通常表現(xiàn)出高強(qiáng)度重量比，是耐腐蝕的并且在中等高溫下是抗蠕變的。出于這些原因，鈦合金被用于航天和航空應(yīng)用中，這些應(yīng)用包括例如起落架構(gòu)件、引擎框架以及其它關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件。鈦合金還被用于噴氣引擎部件如轉(zhuǎn)子、壓縮機(jī)葉片、液壓系統(tǒng)部件以及引擎機(jī)艙中。

近年來，在航天工業(yè)中對β鈦合金的關(guān)注和應(yīng)用變得更多了。β鈦合金能夠被加工成具有非常高的強(qiáng)度同時(shí)維持合理的韌性和延展性特性。另外，β鈦合金在升高的溫度下的低流動(dòng)應(yīng)力能使加工得到改進(jìn)。

然而，β鈦合金在α+β相場中可能是難以加工的，因?yàn)槔绾辖鸬摩罗D(zhuǎn)變溫度通常在1400°f至1600°f(760℃至871.1℃)的范圍中。另外，為達(dá)到產(chǎn)品所需要的機(jī)械特性，在α+β固溶處理和時(shí)效之后需要快速冷卻，如水或空氣淬火。例如，直的經(jīng)α+β固溶處理和時(shí)效的β鈦合金棒可能在淬火過程中彎曲和/或扭曲(在本文中，“經(jīng)固溶處理和時(shí)效”有時(shí)稱為“sta”)。另外，對于β鈦合金所必須使用的低時(shí)效溫度(例如890°f至950°f(477℃至510℃))嚴(yán)格限制能夠被用于后繼矯直的溫度。最終的矯直必須發(fā)生在低于時(shí)效溫度的溫度下以防止在矯直操作過程中機(jī)械特性發(fā)生顯著的變化。

對于呈長形產(chǎn)品或棒形式的α+β鈦合金，例如像ti-6al-4v合金來說，常規(guī)地采用昂貴的豎式溶解熱處理和時(shí)效工藝來使變形最小化。現(xiàn)有技術(shù)sta加工的一個(gè)典型例子包括：將長形部件如棒懸掛在一個(gè)豎式熔爐中，在α+β相場中在一個(gè)溫度下固溶處理棒，以及在α+β相場中在一個(gè)更低溫度下時(shí)效棒。在快速淬火(例如水淬火)之后，可能在低于時(shí)效溫度的溫度下可以矯直棒。懸掛在垂直方向上，棒桿中的應(yīng)力在本質(zhì)上更加呈徑向并且導(dǎo)致較少的變形。經(jīng)sta加工的ti-6al-4v合金(unsr56400)棒從而能夠通過例如在燃?xì)鉅t中加熱至低于時(shí)效溫度的溫度來矯直，并且從而可以使用2面、7面或普通技術(shù)人員已知的其它矯直機(jī)來矯直。然而，垂直熱處理和水淬火操作成本很高，并且不是所有鈦合金制造商都具有這種能力。

因?yàn)榻?jīng)固溶處理和時(shí)效的β鈦合金的高的室溫強(qiáng)度，常規(guī)矯直方法(如垂直熱處理)對于矯直長形產(chǎn)品(如棒)不是很有效。例如，在800°f至900°f(427℃至482℃)下時(shí)效之后，sta亞穩(wěn)態(tài)β鈦ti-15mo合金(unsr58150)在室溫下能夠具有200ksi(1379mpa)的極限拉張強(qiáng)度。因此，傳統(tǒng)矯直方法對于stati-15mo合金來說不適合，因?yàn)椴粫绊憴C(jī)械特性的可供使用的矯直溫度足夠低，所以當(dāng)施加矯直力時(shí)，由該合金組成的棒可能粉碎。

因此，需要一種用于經(jīng)固溶處理和時(shí)效的金屬及金屬合金的不會顯著影響經(jīng)時(shí)效的金屬或金屬合金的強(qiáng)度的矯直工藝。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)本公開的一個(gè)方面，一種用于矯直選自金屬和金屬合金中之一的時(shí)效硬化金屬形式的方法的一個(gè)非限制性實(shí)施方案包括將時(shí)效硬化金屬形式加熱至矯直溫度。在某些實(shí)施方案中，矯直溫度在以下矯直溫度范圍內(nèi)：從時(shí)效硬化金屬形式的0.3個(gè)開氏熔解溫度(0.3tm)至低于被用于硬化時(shí)效硬化金屬形式的時(shí)效溫度至少25°f(13.9℃)。向時(shí)效硬化金屬形式施加伸長拉張應(yīng)力達(dá)足以伸長并且矯直時(shí)效硬化金屬形式以提供矯直的時(shí)效硬化金屬形式的時(shí)間。在任何5英尺長度(152.4cm)或更短長度范圍內(nèi)，矯直的時(shí)效硬化金屬形式偏離直線不大于0.125英寸(3.175mm)。冷卻矯直的時(shí)效硬化金屬形式，同時(shí)向矯直的時(shí)效硬化金屬形式施加冷卻拉張應(yīng)力，其中該冷卻拉張應(yīng)力足以平衡合金中的熱冷卻應(yīng)力并且維持在矯直的時(shí)效硬化金屬形式的任何5英尺長度(152.4cm)或更短長度范圍內(nèi)離直線的偏差不大于0.125英寸(3.175mm)。

一種用于矯直經(jīng)固溶處理和時(shí)效的鈦合金形式的方法包括將經(jīng)固溶處理和時(shí)效的鈦合金形式加熱至矯直溫度。該矯直溫度包括經(jīng)固溶處理和時(shí)效的鈦合金形式的α+β相場中的矯直溫度。在某些實(shí)施方案中，矯直溫度范圍為：低于經(jīng)固溶處理和時(shí)效的鈦合金形式的β轉(zhuǎn)變溫度1100°f(611.1℃)至低于經(jīng)固溶處理和時(shí)效的鈦合金形式的時(shí)效硬化溫度25°f(13.9℃)。向經(jīng)固溶處理和時(shí)效的鈦合金形式施加伸長拉張應(yīng)力達(dá)足以伸長并且矯直經(jīng)固溶處理和時(shí)效的鈦合金形式的時(shí)間，以便形成矯直的經(jīng)固溶處理和時(shí)效的鈦合金形式。在任何5英尺長度(152.4cm)或更短長度范圍內(nèi)，矯直的經(jīng)固溶處理和時(shí)效的鈦合金形式偏離直線不大于0.125英寸(3.175mm)。冷卻矯直的經(jīng)固溶處理和時(shí)效的鈦合金形式，同時(shí)向矯直的經(jīng)固溶處理和時(shí)效的鈦合金形式施加冷卻拉張應(yīng)力。該冷卻拉張應(yīng)力足以平衡矯直的經(jīng)固溶處理和時(shí)效的鈦合金形式中的熱冷卻應(yīng)力并且維持在矯直的經(jīng)固溶處理和時(shí)效的鈦合金形式的任何5英尺長度(152.4cm)或更短長度范圍內(nèi)離直線的偏差不大于0.125英寸(3.175mm)。

附圖說明

通過參照附圖可以更好地理解本文描述的方法的特征和優(yōu)點(diǎn)，在所述附圖中：

圖1是根據(jù)本公開的一種用于鈦合金的熱拉伸矯直方法的一個(gè)非限制性實(shí)施方案的流程圖；

圖2是測量金屬棒材料離直線的偏差的示意性圖示；

圖3是根據(jù)本公開的一種用于金屬產(chǎn)品形式的熱拉伸矯直方法的一個(gè)非限制性實(shí)施方案的流程圖；

圖4是經(jīng)固溶處理和時(shí)效的ti-10v-2fe-3al合金棒的照片；

圖5是矯直實(shí)施例7的非限制性例子的序列號#1的棒的溫度比時(shí)間圖表；

圖6是矯直實(shí)施例7的非限制性例子的序列號#2的棒的溫度比時(shí)間圖表；

圖7是根據(jù)本公開的一個(gè)非限制性實(shí)施方案個(gè)熱拉伸矯直之后的經(jīng)固溶處理和時(shí)效的ti-10v-2fe-3al合金棒的照片；

圖8包括非限制性例子7的熱拉伸矯直的棒的微型結(jié)構(gòu)的顯微圖像；并且

圖9包括實(shí)施例9的未矯直的經(jīng)固溶處理和時(shí)效的對照棒的顯微圖像。

鑒于以下根據(jù)本公開的方法的某些非限制性實(shí)施方案的詳細(xì)描述，讀者將理解前述細(xì)節(jié)及其它。

具體實(shí)施方式

在非限制性實(shí)施方案的本說明中，除了在操作例子中或在其它地方指出之外，所有表達(dá)數(shù)量或特征的數(shù)字在所有情況下應(yīng)當(dāng)被理解為由術(shù)語“約”修飾。因此，除非相反地指示，以下說明中提出的任何數(shù)值參數(shù)是近似值，這些近似值可以根據(jù)在根據(jù)本公開的方法中尋求獲得的所需要的特性發(fā)生改變。至少并且不作為限制與權(quán)利要求的范圍等價(jià)的教義的應(yīng)用的嘗試，每個(gè)數(shù)值參數(shù)應(yīng)當(dāng)至少被解釋為依據(jù)所報(bào)告的有效位數(shù)并且通過應(yīng)用普通的舍入技術(shù)的數(shù)字。

據(jù)稱要并入本文的任何專利、出版物或其它公開材料只在某種程度以引用的方式總體或部分地并入本文，所并入的材料不會與在本公開中提出的現(xiàn)有定義、聲明或其它公開材料相沖突。同樣地并且在某種必要的程度上，如本文提出的公開取代以引用的方式并入本文的任何沖突材料。據(jù)稱要以引用的方式并入本文但是不與本文提出的現(xiàn)有定義、聲明或其它公開材料相沖突的任何材料或其部分只在某種程度上并入：在那并入的材料與所述現(xiàn)有公開材料之間不會發(fā)生沖突。

現(xiàn)在參照圖1的流程圖，根據(jù)本公開的一種用于矯直經(jīng)固溶處理和時(shí)效的鈦合金形式的熱拉伸矯直方法10的非限制性實(shí)施方案包括將經(jīng)固溶處理和時(shí)效的鈦合金形式加熱至矯直溫度12。在一個(gè)非限制性實(shí)施方案中，矯直溫度是在α+β相場內(nèi)的溫度。在另一個(gè)非限制性實(shí)施方案中，矯直溫度在以下矯直溫度范圍內(nèi)：從低于鈦合金的β轉(zhuǎn)變溫度約1100°f(611.1℃)至低于經(jīng)固溶處理和時(shí)效的合金形式的時(shí)效硬化溫度約25°。

如本文所使用，“經(jīng)固溶處理和時(shí)效”(sta)是指一種用于鈦合金的熱處理工藝，該熱處理工藝包括在兩相域(即鈦合金的α+β相場)中以固溶處理溫度來固溶處理鈦合金。在一個(gè)非限制性實(shí)施方案中，固溶處理溫度在以下范圍內(nèi)：從低于鈦合金的β轉(zhuǎn)變溫度約50°f(27.8℃)至低于鈦合金的β轉(zhuǎn)變溫度約200°f(111.1℃)。在另一個(gè)非限制性實(shí)施方案中，固溶處理時(shí)間的范圍為從30分鐘至2小時(shí)。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，在某些非限制性實(shí)施方案中，固溶處理時(shí)間可以是短于30分鐘或長于2小時(shí)并且大體上取決于鈦合金形式的大小和橫截面。這個(gè)兩相域固溶處理溶解了大量的存在于鈦合金中的α相，但剩下在某種程度上壓制晶粒生長的一些α相殘留。在完成固溶處理時(shí)，對鈦合金進(jìn)行水淬火，這樣使得相當(dāng)一部分的合金元素被保留在β相中。

然后，在兩相場中在時(shí)效溫度(在本文中也稱為時(shí)效硬化溫度)下對經(jīng)固溶處理的鈦合金進(jìn)行時(shí)效達(dá)足以沉淀細(xì)粒度α相的時(shí)效時(shí)間，其中時(shí)效溫度的范圍為從低于固溶處理溫度400°f(222.2℃)至低于固溶處理溫度900°f(500℃)。在一個(gè)非限制性實(shí)施方案中，時(shí)效時(shí)間可以為從30分鐘至8小時(shí)。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，在某些非限制性實(shí)施方案中，時(shí)效時(shí)間可以是短于30分鐘或長于8小時(shí)并且大體上取決于鈦合金形式的大小和橫截面。sta加工產(chǎn)生表現(xiàn)出高屈服強(qiáng)度和高極限拉張強(qiáng)度的鈦合金。本領(lǐng)域普通技術(shù)實(shí)踐者已知用于sta加工合金中的一般技術(shù)，并且因此在本文中未進(jìn)行進(jìn)一步詳盡闡述。

再次參照圖1，在加熱12之后，向sta鈦合金形式施加伸長拉張應(yīng)力14達(dá)足以伸長并且矯直sta鈦合金形式并且提供矯直的sta鈦合金形式的時(shí)間。在一個(gè)非限制性實(shí)施方案中，伸長拉張應(yīng)力是sta鈦合金形式在矯直溫度下的屈服應(yīng)力的至少約20％并且不等于或大于sta鈦合金形式在矯直溫度下的屈服應(yīng)力。在一個(gè)非限制性實(shí)施方案中，為維持伸長率，可以在矯直步驟過程中增加所施加的伸長拉張應(yīng)力。在一個(gè)非限制性實(shí)施方案中，在伸長過程中通過因子2來增加伸長拉張應(yīng)力。在一個(gè)非限制性實(shí)施方案中，sta形式包含鈦合金產(chǎn)品形式包含ti-10v-2fe-3al合金(uns56410)，ti-10v-2fe-3al合金在900°f(482.2℃)下具有約60ksi的屈服強(qiáng)度，并且在900°f下在開始矯直時(shí)所施加的伸長應(yīng)力約為12.7ksi并且在伸長步驟結(jié)束時(shí)約為25.5ksi。

在另一個(gè)非限制性實(shí)施方案中，在施加伸長拉張應(yīng)力14之后，在任何5英尺長度(152.4cm)或更短長度范圍內(nèi)，矯直的sta鈦合金形式偏離直線不大于0.125英寸(3.175mm)。

應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，在本公開的非限制性實(shí)施方案的范圍內(nèi)能在允許冷卻所述形式的同時(shí)施加伸長拉張應(yīng)力。然而，應(yīng)當(dāng)理解，因?yàn)閼?yīng)力是溫度的一個(gè)函數(shù)，隨著溫度下降，所需要的伸長應(yīng)力將必須增加以便繼續(xù)伸長并且矯直所述形式。

在一個(gè)非限制性實(shí)施方案中，當(dāng)sta鈦合金形式被充分地矯直時(shí)，冷卻sta鈦合金形式16，同時(shí)向矯直的經(jīng)固溶處理和時(shí)效的鈦合金形式施加冷卻拉張應(yīng)力18。在一個(gè)非限制性實(shí)施方案中，冷卻拉張應(yīng)力足以平衡矯直的sta鈦合金形式中的熱冷卻應(yīng)力，這樣使得sta鈦合金形式在冷卻過程中不會彎曲、變彎或以其它方式變形。在一個(gè)非限制性實(shí)施方案中，冷卻應(yīng)力等于伸長應(yīng)力。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，因?yàn)楫a(chǎn)品形式的溫度在冷卻過程中下降，施加等于伸長拉張應(yīng)力的冷卻拉張應(yīng)力將不會進(jìn)一步引起產(chǎn)品形式伸長，但可用于防止產(chǎn)品形式中的冷卻應(yīng)力使產(chǎn)品形式彎曲并且維持在伸長步驟中建立的離直線的偏差。

在一個(gè)非限制性實(shí)施方案中，冷卻拉張應(yīng)力足以維持在矯直的sta鈦合金形式的任何5英尺長度(152.4cm)或較短長度范圍內(nèi)離直線的偏差不大于0.125英寸(3.175mm)。

在一個(gè)非限制性實(shí)施方案中，伸長拉張應(yīng)力和冷卻拉張應(yīng)力足以實(shí)現(xiàn)sta鈦合金形式的蠕變成形。蠕變成形發(fā)生在通常的彈性范圍內(nèi)。雖然不想受任何特定的理論的束縛，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)為在矯直溫度下在通常的彈性范圍內(nèi)的所施加的應(yīng)力允許致使矯直產(chǎn)品形式的晶界滑動(dòng)和動(dòng)態(tài)錯(cuò)位回復(fù)。在冷卻和通過在產(chǎn)品形式上維持冷卻拉張應(yīng)力來補(bǔ)償熱冷卻應(yīng)力之后，被移動(dòng)的錯(cuò)位和晶界使sta鈦合金產(chǎn)品形式具有新的彈性狀態(tài)。

參照圖2，在一種用于確定產(chǎn)品形式例如像棒22離直線的偏差的方法20中，棒22排列在直尺24旁邊。在棒22上的彎曲的或扭曲的位置用一種用于測量長度的裝置如卷尺來測量棒的曲率作為棒彎離直尺24的距離。沿棒28的規(guī)定的長度來測量每個(gè)扭曲或彎曲離直尺的距離以確定離直線的最大偏差(圖2中的26)，即在棒22的規(guī)定的長度內(nèi)棒22離直尺24的最大距離。同樣的技術(shù)可以用于量化其它產(chǎn)品形式離直線的偏差。

在另一個(gè)非限制性實(shí)施方案中，在根據(jù)本公開施加伸長拉張應(yīng)力之后，在矯直的sta鈦合金形式的任何5英尺長度(152.4cm)或較短長度范圍內(nèi)，矯直的sta鈦合金形式偏離直線不大于0.094英寸(2.388mm)。在又另一個(gè)非限制性實(shí)施方案中，在根據(jù)本公開冷卻同時(shí)施加冷卻拉張應(yīng)力之后，在矯直的sta鈦合金形式的任何5英尺長度(152.4cm)或較短長度范圍內(nèi)，矯直的sta鈦合金形式偏離直線不大于0.094英寸(2.388mm)。在又另一個(gè)非限制性實(shí)施方案中，在根據(jù)本公開施加伸長拉張應(yīng)力之后，在矯直的sta鈦合金形式的任何10英尺長度(304.80cm)或較短長度范圍內(nèi)，矯直的sta鈦合金形式偏離直線不大于0.25英寸(6.35mm)。在又另一個(gè)非限制性實(shí)施方案中，在根據(jù)本公開冷卻同時(shí)施加冷卻拉張應(yīng)力之后，在矯直的sta鈦合金形式的任何10英尺長度(304.8cm)或較短長度范圍內(nèi)，矯直的sta鈦合金形式偏離直線不大于0.25英寸(6.35mm)。

為均勻地施加伸長和冷卻拉張應(yīng)力，在根據(jù)本公開的一個(gè)非限制性實(shí)施方案中，sta鈦合金形式必須能夠被橫穿sta鈦合金形式的整個(gè)橫截面牢固地夾緊。在一個(gè)非限制性實(shí)施方案中，sta鈦合金形式的形狀可以是任何軋制產(chǎn)品的形狀，對于該軋制產(chǎn)品能夠制造足夠的把手以便根據(jù)本公開的方法施加拉張應(yīng)力。如本文使用的“軋制產(chǎn)品”是隨后用作制造的或進(jìn)一步制造成半成品或制成品的軋制的任何金屬的(即金屬或金屬合金)產(chǎn)品。在一個(gè)非限制性實(shí)施方案中，sta鈦合金形式包含以下一種：鋼坯、鋼錠、圓鋼、方鋼、擠壓件、管件、管材、板坯、片材以及板材。用于根據(jù)本公開施加伸長和冷卻拉張應(yīng)力的把手和機(jī)械可從例如美國北卡羅來納州門羅的cyrilbathco.獲得。

本公開的一個(gè)令人驚訝的方面是熱拉伸矯直sta鈦合金形式而不會顯著降低sta鈦合金形式的拉張強(qiáng)度的能力。例如，在一個(gè)非限制性實(shí)施方案中，根據(jù)本公開的非限制性方法的熱拉伸矯直的sta鈦合金形式的平均屈服強(qiáng)度和平均極限拉張強(qiáng)度比熱拉伸矯直之前的值降低了不超過5％。在特性上所觀察到的由熱拉伸矯直產(chǎn)生的最大變化是在伸長率百分比上。例如，在根據(jù)本公開的一個(gè)非限制性實(shí)施方案中，鈦合金形式的伸長率百分比的平均值在熱拉伸矯直之后表現(xiàn)出約2.5％的絕對下降。不旨在受任何操作理論的束縛，應(yīng)當(dāng)認(rèn)為伸長率百分比可以因sta鈦合金形式在根據(jù)本公開的熱拉伸矯直的非限制性實(shí)施方案過程中發(fā)生伸長而發(fā)生下降。例如，在一個(gè)非限制性實(shí)施方案中，在本公開的熱拉伸矯直之后，矯直的sta鈦合金形式比sta鈦合金形式在熱拉伸矯直之前的長度可以伸長約1.0％至約1.6％。

根據(jù)本公開將sta鈦合金形式加熱至矯直溫度可以采用能夠維持棒的矯直溫度的任何單一或組合形式的加熱，例如但不限于在箱式爐中加熱所述形式、輻射加熱所述形式以及感應(yīng)加熱所述形式。必須監(jiān)控所述形式的溫度以確保所述形式的溫度保持在低于用于sta工藝過程中的時(shí)效溫度至少25°f(13.9℃)。在一個(gè)非限制性實(shí)施方案中，使用熱電偶或紅外線傳感器來監(jiān)控所述形式的溫度。然而，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的加熱和監(jiān)控溫度的其它裝置在本公開的范圍之內(nèi)。

在一個(gè)非限制性實(shí)施方案中，sta鈦合金形式的矯直溫度應(yīng)當(dāng)是始終相對均勻的并且隨位置的變化其變化應(yīng)當(dāng)不超過100°f(55.6℃)。在sta鈦合金形式的任何位置的溫度優(yōu)選地不會增加到超過sta時(shí)效溫度，因?yàn)榘ǖ幌抻谇?qiáng)度和極限拉張強(qiáng)度的機(jī)械特性可能會受到不利的影響。

將sta鈦合金形式加熱至矯直溫度的速率不是關(guān)鍵性的，要注意較快加熱速率可能導(dǎo)致超出矯直溫度范圍并且導(dǎo)致機(jī)械特性的損失。通過采取不會超出目標(biāo)矯直溫度或不會超出低于sta時(shí)效溫度至少25°f(13.9℃)的溫度的預(yù)防措施，更快的加熱速率能夠?qū)е虏考g的更短的矯直周期時(shí)間和提高的生產(chǎn)力。在一個(gè)非限制性實(shí)施方案中，加熱至矯直溫度包括以從500°f/min(277.8℃/min)至1000°f/min(555.6℃/min)的加熱速率來加熱。

sta鈦合金形式的任何局部區(qū)域優(yōu)選地應(yīng)當(dāng)不會達(dá)到等于或大于sta時(shí)效溫度的溫度。在一個(gè)非限制性實(shí)施方案中，所述形式的溫度應(yīng)當(dāng)一直為低于sta時(shí)效溫度至少25°f(13.9℃)。在一個(gè)非限制性實(shí)施方案中，sta時(shí)效溫度(在本文中不同地也稱為時(shí)效硬化溫度、在α+β相場中的時(shí)效硬化溫度以及時(shí)效溫度)可以在以下范圍內(nèi)：低于鈦合金的β轉(zhuǎn)變溫度500°f(277.8℃)至低于鈦合金的β轉(zhuǎn)變溫度900°f(500℃)。在其它非限制性實(shí)施方案中，矯直溫度在以下矯直溫度范圍內(nèi)：低于sta鈦合金形式的時(shí)效硬化溫度50°f(27.8℃)至低于sta鈦合金形式的時(shí)效硬化溫度200°f(111.1℃)；或在以下矯直溫度范圍內(nèi)：低于時(shí)效硬化溫度25°f(13.9℃)至低于時(shí)效硬化溫度300°f(166.7℃)。

根據(jù)本公開的一種方法的一個(gè)非限制性實(shí)施方案包括將矯直的sta鈦合金形式冷卻至最終溫度，在最終溫度點(diǎn)下可以去除冷卻拉張應(yīng)力而不會改變矯直的sta鈦合金形式離直線的偏差。在一個(gè)非限制性實(shí)施方案中，冷卻包括冷卻至不大于250°f(121.1℃)的最終溫度。冷卻至高于室溫的溫度同時(shí)能夠減少冷卻拉張應(yīng)力而sta鈦合金形式的直度不會發(fā)生偏差的能力允許部件之間的更短的矯直周期時(shí)間和提高的生產(chǎn)力。在另一個(gè)非限制性實(shí)施方案中，冷卻包括冷卻至在本文中定義為約64°f(18℃)至約77°f(25℃)的室溫。

如將要看到的，本公開的一個(gè)方面是本文所公開的熱拉伸矯直的某些非限制性實(shí)施方案能夠被用在任何金屬形式上，金屬形式大致上包括許多(如果不是全部的話)金屬和金屬合金，包括但不限于常規(guī)上被認(rèn)為是難以矯直的金屬和金屬合金。令人驚訝地，本文所公開的熱拉伸矯直方法的非限制性實(shí)施方案對于常規(guī)上被認(rèn)為難以矯直的鈦合金是有效的。在本公開的范圍內(nèi)的一個(gè)非限制性實(shí)施方案中，鈦合金形式包含近α鈦合金。在一個(gè)非限制性實(shí)施方案中，鈦合金形式包含選自ti-8al-1mo-1v合金(uns54810)和ti-6al-2sn-4zr-2mo合金(unsr54620)中的至少一種。

在本公開的范圍內(nèi)的一個(gè)非限制性實(shí)施方案中，鈦合金形式包含α+β鈦合金。在另一個(gè)非限制性實(shí)施方案中，鈦合金形式包含以下至少一種：ti-6al-4v合金(unsr56400)、ti-6al-4veli合金(unsr56401)、ti-6al-2sn-4zr-6mo合金(unsr56260)、ti-5al-2sn-2zr-4mo-4cr合金(unsr58650)以及ti-6al-6v-2sn合金(unsr56620)。

在又另一個(gè)非限制性實(shí)施方案中，鈦合金形式包含β鈦合金。如本文使用的“β鈦合金”包括但不限于近β鈦合金和亞穩(wěn)態(tài)β鈦合金。在一個(gè)非限制性實(shí)施方案中，鈦合金形式包含以下一種：ti-10v-2fe-3al合金(uns56410)、ti-5al-5v-5mo-3cr合金(uns未指定)、ti-5al-2sn-4mo-2zr-4cr合金(unsr58650)以及ti-15mo合金(unsr58150)。在一個(gè)具體的非限制性實(shí)施方案中，鈦合金形式是ti-10v-2fe-3al合金(uns56410)形式。

應(yīng)當(dāng)注意，對于某些β鈦合金，例如ti-10v-2fe-3al合金，在同樣維持合金所需要的機(jī)械特性的同時(shí)，無法使用常規(guī)矯直工藝將這些合金的sta形式矯直至本文所公開的容差。對于β鈦合金來說，β轉(zhuǎn)變溫度固有地低于工業(yè)純鈦。因此，sta時(shí)效溫度也必須更低。另外，例如但不限于ti-10v-2fe-3al合金的staβ鈦合金能夠表現(xiàn)出高于200ksi(1379mpa)的極限拉張強(qiáng)度。當(dāng)在低于sta時(shí)效溫度不超過25°f(13.9℃)的溫度下嘗試使用常規(guī)拉伸方法(如使用雙面矯直機(jī))來矯直具有如此高強(qiáng)度的staβ鈦合金棒時(shí)，棒表現(xiàn)出要粉碎的強(qiáng)烈趨勢。令人驚訝地，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)使用根據(jù)本公開的非限制性熱拉伸矯直方法實(shí)施方案能夠?qū)⑦@些高強(qiáng)度staβ鈦合金矯直至本文所公開的容差而沒有斷裂，并且屈服和極限拉張強(qiáng)度的平均損失只有約5％。

當(dāng)在上文的論述主要關(guān)注矯直的鈦合金形式和矯直sta鈦合金形式的方法時(shí)，本文所公開的熱拉伸矯直的非限制性實(shí)施方案可以實(shí)際上成功地用于任何時(shí)效硬化金屬產(chǎn)品形式，即包括任何金屬或金屬合金的金屬產(chǎn)品。

參照圖3，在根據(jù)本公開的非限制性實(shí)施方案中，一種用于矯直經(jīng)固溶處理和時(shí)效硬化的金屬形式(包括金屬和金屬合金之一)的方法30包括：將經(jīng)固溶處理和時(shí)效硬化的金屬形式加熱32至以下矯直溫度范圍內(nèi)的矯直溫度：從時(shí)效硬化金屬形式的0.3個(gè)開氏熔化溫度(0.3tm)至低于用于硬化時(shí)效硬化金屬形式的時(shí)效溫度至少25°f(13.9℃)的溫度。

根據(jù)本公開的一個(gè)非限制性實(shí)施方案包括：向經(jīng)固溶處理和時(shí)效硬化金屬形式施加伸長拉張應(yīng)力34達(dá)足以伸長并且矯直時(shí)效硬化金屬形式以提供矯直的時(shí)效硬化金屬形式的時(shí)間。在一個(gè)非限制性實(shí)施方案中，伸長拉張應(yīng)力是時(shí)效硬化金屬形式在矯直溫度下的屈服應(yīng)力的至少約20％并且不等于或大于sta鈦合金形式在矯直溫度下的屈服應(yīng)力。在一個(gè)非限制性實(shí)施方案中，為維持伸長率，可以在矯直步驟過程中增加所施加的伸長拉張應(yīng)力。在一個(gè)非限制性實(shí)施方案中，在伸長過程中通過因子2來增加伸長拉張應(yīng)力。在一個(gè)非限制性實(shí)施方案中，在任何5英尺長度(152.4cm)或更短長度范圍內(nèi)，矯直的時(shí)效硬化金屬形式偏離直線不大于0.125英寸(3.175mm)。在一個(gè)非限制性實(shí)施方案中，在矯直的時(shí)效硬化金屬形式的任何5英尺長度(152.4cm)或更短長度范圍內(nèi)，矯直的時(shí)效硬化金屬形式偏離直線不大于0.094英寸(2.388mm)。在又另一個(gè)非限制性實(shí)施方案中，在矯直的時(shí)效硬化金屬形式的任何10英尺(304.8cm)長度范圍內(nèi)，矯直的時(shí)效硬化金屬形式偏離直線不大于0.25英寸(6.35mm)。

根據(jù)本公開的一個(gè)非限制性實(shí)施方案包括：冷卻矯直的時(shí)效硬化金屬形式36，同時(shí)向矯直的時(shí)效硬化金屬形式施加冷卻拉張應(yīng)力38。在另一個(gè)非限制性實(shí)施方案中，冷卻拉張應(yīng)力足以平衡矯直的時(shí)效硬化金屬形式中的熱冷卻應(yīng)力，這樣使得時(shí)效硬化金屬形式在冷卻過程中不會彎曲、變彎或以其它方式變形。在一個(gè)非限制性實(shí)施方案中，冷卻應(yīng)力等于拉長應(yīng)力。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，因?yàn)楫a(chǎn)品形式的溫度在冷卻過程中下降，施加等于伸長拉張應(yīng)力的冷卻拉張應(yīng)力將不會引起產(chǎn)品形式的進(jìn)一步伸長，但可用于防止產(chǎn)品形式中的冷卻應(yīng)力使產(chǎn)品形式彎曲并且維持在伸長步驟中建立的離直線的偏差。在另一個(gè)非限制性實(shí)施方案中，冷卻拉張應(yīng)力足以平衡合金中的熱冷卻應(yīng)力，這樣使得時(shí)效硬化金屬形式在冷卻過程中不會彎曲、變彎或以其它方式變形。在又一個(gè)非限制性實(shí)施方案中，冷卻拉張應(yīng)力足以平衡合金中的熱冷卻應(yīng)力，這樣使得時(shí)效硬化金屬形式維持在時(shí)效硬化金屬形式的任何5英尺長度(152.4cm)或更短長度范圍內(nèi)離直線的偏差不大于0.125英寸(3.175mm)。在又一個(gè)非限制性實(shí)施方案中，冷卻拉張應(yīng)力足以平衡合金中的熱冷卻應(yīng)力，這樣使得時(shí)效硬化金屬形式維持在任何5英尺長度(152.4cm)或更短長度范圍內(nèi)離直線的偏差不大于0.094英寸(2.388mm)。在又一個(gè)非限制性實(shí)施方案中，冷卻拉張應(yīng)力足以平衡合金中的熱冷卻應(yīng)力，這樣使得時(shí)效硬化金屬形式維持在時(shí)效硬化金屬形式的任何10英尺(304.8cm)長度范圍內(nèi)離直線的偏差不大于0.25英寸(6.35mm)。

在根據(jù)本公開的各種非限制性實(shí)施方案中，經(jīng)固溶處理和時(shí)效硬化的金屬形式包含以下一種：鈦合金、鎳合金、鋁合金以及鐵基合金。同樣，在根據(jù)本公開的某些非限制性實(shí)施方案中，經(jīng)固溶處理和時(shí)效硬化的金屬形式選自以下：鋼坯、鋼錠、圓鋼、方鋼、擠壓件、管件、管材、板坯、片材以及板材。

在根據(jù)本公開的一個(gè)非限制性實(shí)施方案中，矯直溫度在以下范圍內(nèi)：從低于被用于硬化時(shí)效硬化金屬形式的時(shí)效硬化溫度200°f(111.1℃)直到低于被用于硬化時(shí)效硬化金屬形式的時(shí)效硬化溫度25°f(13.9℃)。

以下實(shí)施例旨在進(jìn)一步描述某些非限制性實(shí)施方案而不限制本發(fā)明的范圍。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，以下實(shí)施例的變化在僅由權(quán)利要求書定義的本發(fā)明的范圍內(nèi)是可能的。

實(shí)施例1

在這個(gè)對比性實(shí)施例中，使用固溶處理、時(shí)效和常規(guī)矯直的幾種排列來制造并加工幾個(gè)10英尺長的ti-10v-2fe-3al合金棒，以便嘗試找到矯直棒的強(qiáng)效工藝。棒的直徑在從0.5英寸至3英寸(1.27cm至7.62cm)的范圍內(nèi)。棒在從1375°f(746.1℃)至1475°f(801.7℃)的溫度下被固溶處理。然后，棒在從900°f(482.2℃)至1000°f(537.8℃)范圍內(nèi)的時(shí)效溫度下被時(shí)效。被評估的用于矯直的工藝包括：(a)在低于時(shí)效溫度下進(jìn)行豎式固溶處理和2面矯直；(b)在2面矯直之前在1400°f(760℃)下進(jìn)行豎式固溶熱處理、進(jìn)行時(shí)效并且在低于時(shí)效溫度25°f(13.9℃)下進(jìn)行2面矯直；(c)在豎式固溶處理和時(shí)效之前在1400°f(760℃)下進(jìn)行矯直，并且在低于時(shí)效溫度25°f(13.9°f)下進(jìn)行2面矯直；(d)在2面矯直之前在1400°f(760℃)下進(jìn)行高溫固溶熱處理、進(jìn)行豎式固溶處理和時(shí)效，并且在低于時(shí)效溫度25°f(13.9℃)下進(jìn)行2面矯直；以及(e)在2面矯直之前在1100°f(593.3℃)下進(jìn)行軋制退火、進(jìn)行豎式固溶熱處理，并且在低于時(shí)效溫度25°f(13.9℃)下進(jìn)行2面矯直。

在視覺上檢查經(jīng)加工的棒的直度并且將經(jīng)加工的棒分類為合格或不合格。觀察到標(biāo)號(e)的工藝是最成功的。然而，所有使用豎式sta熱處理嘗試的合格率不超過50％。

實(shí)施例2

針對這個(gè)實(shí)施例，使用兩根直徑1.875英寸(47.625mm)、10英尺(3.048m)長的ti-10v-2fe-3al合金棒。棒是由旋轉(zhuǎn)鍛造軋制品在α+β相場中以一定溫度軋制的，旋轉(zhuǎn)鍛造軋制品由鐓鍛和單一的再結(jié)晶的鋼坯產(chǎn)生。在900°f(482.2℃)下執(zhí)行高溫拉張?jiān)囼?yàn)以確定能夠用可供使用的裝備矯直的棒的最大直徑。高溫拉力試驗(yàn)表明直徑1.0英寸(2.54cm)的棒在裝備極限內(nèi)。棒被削成直徑1.0英寸(2.54cm)的棒。然后，棒在1460°f(793.3℃)下被固溶處理達(dá)2小時(shí)并且被水淬火。棒在940°f(504.4℃)下被時(shí)效達(dá)8小時(shí)。帶有一些扭曲和卷曲，棒的直度被測量為偏離直線近似2英寸(5.08cm)。sta棒表現(xiàn)出兩種不同類型的弓形。觀察到第一棒(序列號#1)在末端處是相對直的并且在中間處具有離直線約2.1英寸(5.334cm)的平緩的弓形。第二棒(序列號#2)在接近中間處是相當(dāng)直的，但是在接近末端處具有扭結(jié)。離直線的最大偏差是大約2.1英寸(5.334cm)。在淬火條件下的棒的表面拋光表現(xiàn)為相當(dāng)均勻的氧化表面。圖4是棒在固溶處理和時(shí)效之后的代表性照片。

實(shí)施例3

根據(jù)本公開的一個(gè)非限制性實(shí)施方案熱拉伸矯直實(shí)施例2的經(jīng)固溶處理和時(shí)效的棒。溫度反饋經(jīng)由定位在部件的中間處的熱電偶用于控制棒溫度。然而，為解決熱電偶安裝的固有的困難，兩個(gè)另外的熱電偶被焊接在部件的末端處。

第一棒經(jīng)歷了失敗的主控?zé)犭娕?，在加熱傾斜升溫過程中導(dǎo)致振動(dòng)。第一棒連同另一個(gè)控制異常致使部件超過為900°f(482.2℃)的所需要的溫度。所達(dá)到的高溫近似1025°f(551.7℃)達(dá)小于2分鐘。再次用另一個(gè)熱電偶裝備第一棒，并且由于來自先前運(yùn)行的軟件控制程序中的錯(cuò)誤而發(fā)生類似的過沖。用所允許的最大功率加熱第一棒，這能夠在近似2分鐘內(nèi)將用于這個(gè)實(shí)施例的大小的棒從室溫加熱至1000°f(537.8℃)。

重置程序并且允許進(jìn)行第一棒矯直程序。通過被放置在接近棒的一端的編號2的熱電偶(tc#2)記錄的最高溫度是944°f(506.7℃)。應(yīng)當(dāng)認(rèn)為當(dāng)在低功率下時(shí)，tc#2經(jīng)歷了輕微的熱結(jié)點(diǎn)失敗。在這個(gè)周期過程中，被放置在棒的中心的編號0的熱電偶(tc#0)記錄了908°f(486.7℃)的最大溫度。在矯直過程中，被放置在接近根據(jù)tc#2的棒的另一端的編號1的熱電偶(tc#1)從棒上跌落并且停止讀取棒的溫度。圖5示出在序列號#1的棒上的這個(gè)最終加熱周期的溫度圖。第一棒(序列號#1)的周期時(shí)間是50分鐘。棒被冷卻至250°f(121.1℃)同時(shí)維持棒上的在伸長步驟結(jié)束時(shí)施加的載重量。

第一棒在3分鐘跨度內(nèi)被伸長0.5英寸(1.27cm)。在那個(gè)階段過程中的載重量從最初的5噸(44.5kn)增加至完成后的10噸(89.0kn)。因?yàn)榘舻闹睆綖?英寸(2.54cm)，這些載重量轉(zhuǎn)化成12.7ksi(87.6mpa)和25.5ksi(175.8mpa)的拉張應(yīng)力。部件在因溫度控制失敗而停止的先前的加熱周期中還經(jīng)歷了伸長。矯直之后的總測量伸長是1.31英寸(3.327cm)。

小心地清潔熱電偶安裝點(diǎn)附近的第二棒(序列號#2)，并且安裝熱電偶并且檢查其明顯的缺陷。第二棒被加熱至900°f(482.2℃)的目標(biāo)設(shè)定值。tc#1記錄了973°f(522.8℃)的溫度，而tc#0和tc#2分別記錄了只有909°f(487.2℃)和911°f(488.3℃)的溫度。如圖6所示，另外兩個(gè)熱電偶良好地追蹤tc#1直至大約700°f(371.1℃)，在這一點(diǎn)上觀察到一些偏差。再一次，安裝熱電偶可能被認(rèn)為是偏差的來源。這個(gè)部分的總周期時(shí)間是45分鐘。第二棒(序列號#2)未如針對第一棒(序列號#1)所描述的一樣被熱拉伸。

圖7的照片示出熱拉伸矯直的棒(序列號#1和序列號#2)。在任何5英尺(1.524m)長度范圍內(nèi)，棒離直線的偏差為0.094英寸(2.387mm)。在熱拉伸矯直過程中，序列號#1的棒被加長了1.313英寸(3.335cm)，并且序列號#2的棒被加長了2.063英寸(5.240cm)。

實(shí)施例4

棒序列號#1和序列號#2在根據(jù)實(shí)施例3的熱拉伸矯直之后的化學(xué)與實(shí)施例2的1.875英寸(47.625mm)的棒的化學(xué)相比較。實(shí)施例3的棒由與矯直的棒序列號#1和序列號#2相同的熱度生成。表1呈現(xiàn)化學(xué)分析的結(jié)果。

表1

從根據(jù)實(shí)施例3的非限制性實(shí)施方案的熱拉伸矯直未觀察到已發(fā)生化學(xué)上的改變。

實(shí)施例5

比較熱拉伸矯直的棒序列號#1和序列號#2與對照棒的化學(xué)特性，對照棒被固溶處理和時(shí)效、在1400°f下被2面矯直并且被捶擊。錘擊是一種加工，其中沖模將少量的力施用到棒上以便在棒的長度范圍內(nèi)生成少量的彎曲。對照棒由ti-10v-2fe-3al合金組成并且直徑為1.772英寸(4.501cm)。對照棒在1460°f(793.3℃)下被固溶處理達(dá)2小時(shí)并且被水淬火。對照棒在950°f(510℃)下被時(shí)效達(dá)8小時(shí)并且被空氣淬火。測量對照棒和熱拉伸矯直的棒的拉張?zhí)匦院蛿嗔秧g性，并且表2呈現(xiàn)結(jié)果。

表2

熱拉伸矯直的棒的所有特性滿足目標(biāo)和最低要求。熱拉伸矯直的棒序列號#1和序列號#2具有稍微較低的延展性和斷面收縮(ra)值，這最有可能是在矯直過程中發(fā)生伸長的原因。然而，熱拉伸矯直之后的拉張強(qiáng)度似乎可與未矯直的對照棒相比。

實(shí)施例6

比較熱拉伸矯直的棒序列號#1和序列號#2的縱向微觀結(jié)構(gòu)與實(shí)施例5的未矯直的對照棒的縱向微觀結(jié)構(gòu)。圖8呈現(xiàn)實(shí)施例3的熱拉伸矯直的棒的微觀結(jié)構(gòu)的顯微圖像。顯微圖像取自同一個(gè)樣本上的兩個(gè)不同的位置。圖9呈現(xiàn)實(shí)施例5的未矯直的棒的微觀結(jié)構(gòu)的顯微圖像。觀察到微觀結(jié)構(gòu)是非常類似的。

已經(jīng)參照各種示例性、說明性以及非限制性實(shí)施方案寫出本公開。然而，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，在不脫離僅由權(quán)利要求書定義的本發(fā)明的范圍的情況下，可以對任何所公開的實(shí)施方案(或其部分)做出各種替換、修改或組合。因此，應(yīng)當(dāng)考慮并且理解本公開包括本文沒有清楚地提出的另外的實(shí)施方案?？梢酝ㄟ^例如組合和/或修本文所描述的實(shí)施方案的改任何所公開的步驟、成分、組分、組件、元素、特征、方面等等獲得這類實(shí)施方案。因此，本公開不限制于各種示例性、說明性以及非限制性實(shí)施方案，而是僅限制于權(quán)利要求書。這樣，應(yīng)當(dāng)理解，在本專利申請向如本文進(jìn)行多種描述的要求保護(hù)的發(fā)明添加特征的審批過程中，可以對權(quán)利要求書進(jìn)行修訂。