EA042379B1

EA042379B1 - METASTABLE β-TITANIUM ALLOY AND METHOD FOR MANUFACTURING TITANIUM FASTENERS FROM THIS TITANIUM ALLOY

Info

Publication number: EA042379B1
Application number: EA202090708
Authority: EA
Inventors: Синьхуа У; Сигэнь Чжоу
Original assignee: Монаш Юниверсити
Priority date: 2017-10-06
Filing date: 2018-10-08
Publication date: 2023-02-08

Description

Настоящее изобретение относится к составу титанового сплава, который является термической обрабатываемым для получения улучшенных физических свойств, а именно, уровней предела прочности на растяжение (UTS) и, где это необходимо, сопротивления двойному сдвигу (DSS) и усталостной прочности резьбового участка.The present invention relates to a titanium alloy composition that is heat treatable to obtain improved physical properties, namely tensile strength (UTS) levels and, where appropriate, double shear resistance (DSS) and threaded section fatigue strength.

Уровень техникиState of the art

В настоящее время ряд компонентов из титанового сплава изготавливают из Ti-6A-4V (Ti-64), альфа/бета титанового сплава. В основном это относится к крепежным изделиям из титанового сплава, в частности, для применения в аэрокосмической отрасли. Крепежные изделия из сплава Ti-64 имеют ограничение по величине диаметра менее 19,05 мм (0,75 дюйма), а значения механических свойств в этом диапазоне диаметров составляют UTS 1100 МПа, DSS 655 МПа и усталостная прочность резьбового участка 440 МПа при максимальном числе циклов, которое достигает 130000.Currently, a number of titanium alloy components are made from Ti-6A-4V (Ti-64), an alpha/beta titanium alloy. This mainly applies to titanium alloy fasteners, in particular for aerospace applications. Ti-64 alloy fasteners have a diameter limit of less than 19.05 mm (0.75 in.), and the mechanical property values in this diameter range are UTS 1100 MPa, DSS 655 MPa, and a threaded section fatigue strength of 440 MPa at the maximum number cycles, which reaches 130,000.

Другие типы высокопрочных титановых крепежных изделий изготавливают из соответствующих бета-титановых сплавов. Первым из них является сплав Бета-С, который соответствует химическому составу Ti-3AI-8V-6Cr-4Mo-4Zr и имеет UTS 1240 МПа, DSS 740 МПа и усталостную прочность резьбового участка 471 МПа при заданных условиях испытаний. Диаметр болтов из сплава Beta-C ограничен величиной в 25,4 мм (один дюйм). Второй бета-титановый сплав соответствует химическому составу Ti5AI5Mo-5V-3Cr-0,5Fe (Ti-5553), который, как сообщалось, имеет UTS 1309 МПа и DSS 779 МПа с относительным удлинением при растяжении около 10%. Однако применение крепежных изделий из сплавов обоих типов является ограниченным из-за тенденции к межзёренному усталостному разрушению в резьбовом участке крепежных изделий, которое обусловлено зернограничной альфа-фазой.Other types of high strength titanium fasteners are made from suitable beta titanium alloys. The first of these is the Beta-C alloy, which corresponds to the chemical composition Ti-3AI-8V-6Cr-4Mo-4Zr and has a UTS of 1240 MPa, DSS of 740 MPa and a threaded section fatigue strength of 471 MPa under the given test conditions. Beta-C alloy bolt diameter is limited to 25.4 mm (one inch). The second beta titanium alloy corresponds to the chemistry Ti5AI5Mo-5V-3Cr-0.5Fe (Ti-5553), which was reported to have UTS 1309 MPa and DSS 779 MPa with a tensile elongation of about 10%. However, the use of fasteners made of both types of alloys is limited due to the tendency for intergranular fatigue failure in the threaded section of the fasteners, which is due to the grain boundary alpha phase.

Бета-титановые сплавы были предложены в качестве потенциальных кандидатов для достижения более высокой прочности, сравнимой со сплавами на основе стали и никеля. Они обычно содержат микроструктуру из небольших гексагональных плотноупакованных (НСР) альфа-фаз в объемноцентрированных кубических (ОЦК) бетафазах, и основной упрочняющий эффект в указанных сплавах обусловлен выделениями альфа-фазы. Однако в бета-титановых сплавах непрерывные зернограничные альфа-фазы, неравномерное альфа-выделение и относительно большие размеры бета-зерен обуславливают проблемы, препятствующие усовершенствованию механических свойств бета-титановых сплавов. В частности, если достигается состояние высокой прочности, то пластичность и усталостные свойства указанных сплавов обычно имеют тенденцию к снижению.Beta-titanium alloys have been proposed as potential candidates for higher strength comparable to steel and nickel based alloys. They typically contain a microstructure of small hexagonal close-packed (HCP) alpha phases in body-centered cubic (bcc) beta phases, and the main strengthening effect in these alloys is due to precipitation of the alpha phase. However, in beta titanium alloys, continuous grain boundary alpha phases, non-uniform alpha precipitation, and relatively large beta grain sizes cause problems that hinder the improvement of the mechanical properties of beta titanium alloys. In particular, if a state of high strength is reached, then the ductility and fatigue properties of these alloys generally tend to decrease.

В ранней работе, подробно описанной в приведенных ниже ссылках [1]-[5], было обнаружено, что незначительная добавка углерода к бета-титановым сплавам может устранить зернограничные альфафазы, ускорить и уменьшить размер альфа-выделений и уменьшить размер бета-зерен. Было обнаружено, что эти изменения приводят к значительному повышению пластичности и усталостных свойств указанных сплавов без потери высоких уровней прочности. Изученные бета-титановые сплавы включают жаропрочный титановый сплав Ti-35V-15Cr-0,3Si-0,1C, сплав Ti-15-3-3 (сокращенное обозначение для Ti15V-3Cr-3AI-3Sn) и сплав Ti-13Cr. Однако эта работа не распространялась на титановый сплав Beta-C, в отношении которого настоящее изобретение стремится обеспечить усовершенствованный термически обрабатываемый состав, позволяющий достичь улучшенных физических свойств, в частности, повышенных уровней UTS и, где необходимо, DSS и усталостную прочность в резьбовых участках.Early work, detailed in references [1]-[5] below, found that a slight addition of carbon to beta-titanium alloys can eliminate grain boundary alpha phases, accelerate and reduce the size of alpha precipitates, and reduce the size of beta grains. It has been found that these changes lead to a significant increase in the ductility and fatigue properties of these alloys without losing high levels of strength. Beta titanium alloys studied include high-temperature titanium alloy Ti-35V-15Cr-0.3Si-0.1C, alloy Ti-15-3-3 (short for Ti15V-3Cr-3AI-3Sn), and alloy Ti-13Cr. However, this work did not extend to Beta-C titanium alloy, for which the present invention seeks to provide an improved heat treatable composition to achieve improved physical properties, in particular, increased levels of UTS and, where necessary, DSS and fatigue strength in threaded areas.

Сущность изобретенияThe essence of the invention

Настоящее изобретение относится к метастабильному β-титановому сплаву, который обычно соответствует диапазону состава стандартного титанового сплава Beta-C, кроме содержания углерода, и для простоты описания метастабильный β-сплав по настоящему изобретению в данном документе обозначен как модифицированный сплав. С момента своего создания около 50 лет назад компанией RMI Titanium Company стандартный Beta-C нашел важное применение там, где требуется очень высокая прочность, например, для крепежных изделий и компонентов посадочного оборудования для летательных аппаратов.The present invention relates to a metastable β-titanium alloy, which generally corresponds to the composition range of the standard Beta-C titanium alloy, except for carbon content, and for ease of description, the metastable β-alloy of the present invention is referred to herein as a modified alloy. Since its inception some 50 years ago by the RMI Titanium Company, standard Beta-C has found important applications where very high strength is required, such as fasteners and landing equipment components for aircraft.

Как и в случае стандартного титанового сплава Beta-C модифицированный сплав по настоящему изобретению содержит от 7,5 до 8,5 мас.% ванадия, от 5,5 до 6,5 мас.% хрома, от 3,5 до 4,5 мас.% молибдена, от 3,5 до 4,5 мас.% циркония, от 3 до 4 мас.% алюминия, до 0,30 мас.% кислорода, не более 0,3 мас.% железа, до 0,03 мас.% азота, до 0,03 мас.% водорода, не более 50 ч/млн иттрия, не более 0,15 мас.% каждого из других элементов (кроме углерода и титана) и 0,40 мас.% в их совокупности с избытком от 0,05 до 0,1 мас.%, остальное (кроме углерода) - титан. В стандартном титановом сплаве Beta-C содержание углерода не должно превышать 0,05 мас.%, что обычно означает менее 0,05 мас.% углерода и, как правило, менее 0,02 мас.% углерода. В действительности нет никаких минимальных требований к содержанию углерода в сплаве Beta-C, а это означает, что на самом деле углерод присутствует только в качестве нежелательной неизбежной примеси. В модифицированном сплаве по настоящему изобретению содержание углерода должно быть на стабильном уровне, превышающем 0,05 мас.%. Также в отличие от этого настоящее изобретение допускает или обычно требует преднамеренного добавления углерода сверх исключения менее чем 0,05 мас.% углерода, применительно к общему содержанию углерода, вAs with the standard Beta-C titanium alloy, the modified alloy of the present invention contains 7.5 to 8.5 wt.% vanadium, 5.5 to 6.5 wt.% chromium, 3.5 to 4.5 wt.% molybdenum, from 3.5 to 4.5 wt.% zirconium, from 3 to 4 wt.% aluminum, up to 0.30 wt.% oxygen, not more than 0.3 wt.% iron, up to 0.03 wt.% nitrogen, up to 0.03 wt.% hydrogen, not more than 50 ppm yttrium, not more than 0.15 wt.% of each of the other elements (except carbon and titanium) and 0.40 wt.% in their totality with an excess of 0.05 to 0.1 wt.%, the rest (except carbon) is titanium. In a standard Beta-C titanium alloy, the carbon content should not exceed 0.05 wt.%, which usually means less than 0.05 wt.% carbon and, as a rule, less than 0.02 wt.% carbon. In reality, there are no minimum requirements for the carbon content of the Beta-C alloy, which means that in reality carbon is present only as an undesirable inevitable impurity. In the modified alloy of the present invention, the carbon content should be at a stable level of more than 0.05 mass%. Also in contrast, the present invention allows or typically requires the intentional addition of carbon beyond the exclusion of less than 0.05 wt% carbon, based on total carbon, in

- 1 042379 отношении настоящего изобретения, что означает комбинированную величину из такого остаточного содержания углерода плюс добавленный углерод. При этом максимальное содержание углерода не превышает 0,20 мас.%.- 1 042379 in relation to the present invention, which means the combined value of such residual carbon content plus added carbon. The maximum carbon content does not exceed 0.20 wt.%.

В модифицированном сплаве по настоящему изобретению общее содержание углерода должно быть в достаточной степени выше 0,05 мас.% для достижения требуемого усовершенствования механических свойств, а именно UTS, DSS и усталостной прочности или предела резьбового участка. Однако максимальное общее содержание углерода необходимо регулировать, чтобы исключить образование карбидов, оказывающих вредное влияние на уровень усталостной прочности. С практической точки зрения требование к содержанию углерода, не превышающему 0,05 мас.%, в стандартном титановом сплаве Beta-C, не допускает возможность добавления углерода, за исключением случайного присутствия в компонентах, из которых изготовлен указанный стандартный сплав. Напротив, модифицированный сплав по настоящему изобретению обычно требует преднамеренного добавления углерода, в частности, если модифицированный сплав должен быть получен из некоторого количества расплавленного стандартного сплава Beta-C. Как указано, общий углерод должен быть на уровне, превышающем 0,05 мас.%, хотя допустимый уровень установлен так, чтобы общий углерод не превышал максимум, при котором могут образовываться карбиды, оказывающие вредное влияние.In the modified alloy of the present invention, the total carbon content must be sufficiently above 0.05 wt.% to achieve the desired improvement in mechanical properties, namely UTS, DSS and fatigue strength or limit of the threaded section. However, the maximum total carbon content must be adjusted to avoid the formation of carbides that have a detrimental effect on the level of fatigue strength. From a practical point of view, the requirement for a carbon content not exceeding 0.05 wt.% in the standard Beta-C titanium alloy does not allow the addition of carbon, except for the occasional presence in the components from which the specified standard alloy is made. In contrast, the modified alloy of the present invention generally requires deliberate addition of carbon, in particular if the modified alloy is to be made from some molten Beta-C standard alloy. As stated, the total carbon should be at a level greater than 0.05 wt.%, although the allowable level is set so that the total carbon does not exceed the maximum at which harmful carbides can be formed.

В процессе поиска стабильного общего содержания углерода, которое обеспечивает требуемое усовершенствование таких механических свойств, как UTS, DSS и усталостная прочность в резьбовых участках, избегая образования карбидов, оказывающих вредное влияние на уровень усталостной прочности, было установлено, что допустимый верхний предел для общего углерода может изменяться в зависимости от конкретного общего состава сплава между нижним и верхним пределами диапазонов для ванадия, хрома, молибдена, циркония, алюминия и, следовательно, титана, указанных для сплава по настоящему изобретению. Кроме этого требуемые механические свойства, то есть UTS, DSS и усталостная прочность в резьбовых участках, достигаются соответствующим режимом термообработки. Кроме того, склонность данного сплава в пределах указанных границ этих диапазонов приспосабливаться к данному верхнему пределу общего углерода изменяется от одного состава к другому. Эта склонность изменяется не только в зависимости от состава сплава, но также в зависимости от конкретной термической обработки и, в частности, от изменения скорости охлаждения от достаточно высокой температуры. Принимая во внимание эти факторы, было обнаружено, что углерод может быть добавлен до стабильного общего содержания углерода 0,20 мас.%. Содержание углерода, превышающее 0,25 мас.%, имеет тенденцию приводить к образованию карбидов при любом режиме охлаждения после термической обработки для всех составов по меньшей мере в случае дисперсионного твердения β-фазы, вызываемого нагреванием, обеспечивающего обработку раствора выше соответствующей температуры бета-превращения для каждого сплава. Таким образом, как правило, необходимо не превышать 0,25 мас.% общего углерода в целом, чтобы соответствовать небольшому окну для добавления углерода и ограничивать образование карбидов, оказывающих вредное влияние на уровень усталостной прочности.In the search for a stable total carbon content that provides the desired improvement in mechanical properties such as UTS, DSS and fatigue strength in threaded areas, while avoiding the formation of carbides that have a detrimental effect on fatigue strength, it was found that the acceptable upper limit for total carbon can vary depending on the specific overall composition of the alloy between the lower and upper limits of the ranges for vanadium, chromium, molybdenum, zirconium, aluminum and, therefore, titanium, specified for the alloy of the present invention. In addition, the required mechanical properties, i.e. UTS, DSS and fatigue strength in the threaded sections, are achieved by an appropriate heat treatment regime. In addition, the tendency of a given alloy within the specified limits of these ranges to adapt to a given upper limit of total carbon varies from one composition to another. This tendency varies not only with the composition of the alloy, but also with the specific heat treatment and in particular with the change in cooling rate from a sufficiently high temperature. Taking these factors into account, it has been found that carbon can be added up to a stable total carbon content of 0.20% by weight. A carbon content in excess of 0.25 wt.% tends to form carbides in any cooling regime after heat treatment for all compositions, at least in the case of precipitation hardening of the β-phase caused by heating, providing processing of the solution above the corresponding temperature of the beta transformation for each alloy. Thus, it is generally necessary not to exceed 0.25 wt% of total carbon in total to maintain a small window for carbon addition and to limit the formation of carbides that have a detrimental effect on fatigue strength levels.

Как указано, обычно требуется, чтобы общее содержание углерода не превышало 0,25 мас.%, чтобы избежать образования карбидов по меньшей мере до степени, оказывающей вредное воздействие на уровень усталостной прочности сплава. Однако общее содержание углерода не превышает 0,2 мас.% в целом для всех составов сплава в пределах нижней и верхней границ диапазонов для ванадия, хрома, молибдена, циркония, алюминия и, следовательно, титана, указанных для сплава по настоящему изобретению. Общее содержание углерода также должно быть достаточно выше 0,05 мас.% для достижения требуемого усовершенствования механических свойств, то есть UTS, DSS и усталостной прочности в резьбовых участках. Уровень общего содержания углерода выше 0,05 мас.% изменяется в зависимости от состава сплава, и, чтобы этого было достаточно, общее содержание углерода обычно должно составлять от 0,065 до 0,20 мас.% и предпочтительно от 0,70 до 0,20 мас.%. Более предпочтительно общее содержание углерода для всех сплавов по настоящему изобретению составляет от 0,70 до 0,15 мас.%, например от 0,07 до 0,010 мас.%, и наиболее предпочтительно 0,08 мас.%. Возможное стабильное содержание углерода в модифицированном сплаве по настоящему изобретению может быть рассчитано путем фактического экспериментального измерения объемной доли карбидных фаз, если таковые имеются, в процентном содержании обнаруженного углерода. В сочетании с микроскопическим анализом, который обеспечивает точные кристаллографические данные и расчетную фазовую диаграмму, можно определить стабильное содержание углерода для каждого состава сплава. Обозначение углерода как стабильный углерод указывает на то, что углерод остается в твердом растворе в преобладающей бета-фазе сплава после охлаждения от режима термической обработки раствора при повышенной температуре, в отличие от углерода, который в виде карбида выделяется в бета-фазе вследствие такого охлаждения.As indicated, it is generally required that the total carbon content does not exceed 0.25 wt.% to avoid the formation of carbides, at least to the extent that it has a detrimental effect on the level of fatigue strength of the alloy. However, the total carbon content does not exceed 0.2 wt.% in general for all alloy compositions within the lower and upper limits of the ranges for vanadium, chromium, molybdenum, zirconium, aluminum and, therefore, titanium, specified for the alloy of the present invention. The total carbon content must also be sufficiently above 0.05 wt.% to achieve the desired improvement in mechanical properties, ie UTS, DSS and fatigue strength in threaded areas. The level of total carbon content above 0.05 wt.% varies depending on the composition of the alloy, and for this to be sufficient, the total carbon content should usually be from 0.065 to 0.20 wt.% and preferably from 0.70 to 0.20 wt.%. More preferably, the total carbon content for all alloys of the present invention is from 0.70 to 0.15 wt.%, for example from 0.07 to 0.010 wt.%, and most preferably 0.08 wt.%. The possible stable carbon content of the modified alloy of the present invention can be calculated by actually experimentally measuring the volume fraction of carbide phases, if any, as a percentage of carbon detected. Combined with microscopic analysis, which provides accurate crystallographic data and a calculated phase diagram, a stable carbon content can be determined for each alloy composition. The designation of carbon as stable carbon indicates that the carbon remains in solid solution in the predominant beta phase of the alloy after cooling from the solution heat treatment at elevated temperature, in contrast to the carbon that precipitates as carbide in the beta phase due to such cooling.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

Далее будет уместно описать настоящее изобретение со ссылкой на прилагаемые фигуры, иллюстрирующие вариант осуществления титанового сплава по настоящему изобретению. Возможны другие варианты осуществления изобретения и, следовательно, особенности этих чертежей следует понимать как не заменяющие собой применимость общего описания настоящего изобретения, представленного в этом общем описании и определенного прилагаемой формулой изобретения.In the following, it will be appropriate to describe the present invention with reference to the accompanying figures illustrating an embodiment of the titanium alloy of the present invention. Other embodiments of the invention are possible and, therefore, the details of these drawings are to be understood as not replacing the applicability of the general description of the present invention as set forth in this general description and defined by the appended claims.

- 2 042379- 2 042379

На фиг. 1 представлены микрофотографии, показывающие микроструктуру (а) титанового сплава по настоящему изобретению по сравнению с микроструктурой (b) стандартного сплава Beta-C, в каждом случае после того, как соответствующий сплав подвергли гомогенизирующей термической обработке;In FIG. 1 are micrographs showing the microstructure of (a) a titanium alloy of the present invention compared to that of (b) a standard Beta-C alloy, in each case after the respective alloy has been subjected to a homogenizing heat treatment;

на фиг. 2 представлены микрофотографии, показывающие зернограничную альфа-фазу (a) титанового сплава по фиг. 1 по сравнению с (b) стандартным сплавом Beta-С.in fig. 2 are micrographs showing the grain boundary alpha phase (a) of the titanium alloy of FIG. 1 compared to (b) standard Beta-C alloy.

При использовании, например, для изготовления титановых крепежных изделий сплав по настоящему изобретению обычно подвергают ряду технологических операций, в которых его обрабатывают или подвергают деформации, таких как, но не ограниченных ими, по меньшей мере одному технологическому этапу ковки, прокатки или выдавливания. После этого сплав обычно подвергают гомогенизирующей термообработке перед приданием ему требуемой формы, например методом волочения. Сплав согласно настоящему изобретению и два стандартных титановых сплава Beta-C обрабатывали аналогичным образом. В табл. 1 представлены составы указанных сплавов и показано, что общее содержание углерода в выбранном сплаве по настоящему изобретению составляло 0,101 мас.%, тогда как два стандартных сплава Beta-C имели остаточные содержания углерода 0,023 и 0,014 мас.% соответственно.When used, for example, for the manufacture of titanium fasteners, the alloy of the present invention is usually subjected to a series of processing steps in which it is processed or subjected to deformation, such as, but not limited to, at least one technological step of forging, rolling or extrusion. After that, the alloy is usually subjected to a homogenizing heat treatment before giving it the desired shape, for example by drawing. The alloy of the present invention and two standard Beta-C titanium alloys were processed in a similar manner. In table. 1 presents the compositions of these alloys and shows that the total carbon content of the selected alloy of the present invention was 0.101 wt.%, while the two standard Beta-C alloys had residual carbon contents of 0.023 and 0.014 wt.%, respectively.

Для сплавов, указанных в табл. 1, на фиг. 1 показана микроструктура (a), полученная с использованием сплава по настоящему изобретению, и микроструктура (b) первого сплава Beta-C, в каждом случае после того, как сплав подвергли гомогенизирующей термической обработке. Сравнение указанных микроструктур показывает, что размер бета-зерен заметно меньше, как показано на фиг. 1 - на порядок по величине, в сплаве по настоящему изобретению, чем в стандартном сплаве Бета-С.For the alloys listed in table. 1 in FIG. 1 shows the microstructure (a) obtained using the alloy of the present invention and the microstructure (b) of the first Beta-C alloy, in each case after the alloy has been subjected to a homogenizing heat treatment. Comparison of these microstructures shows that the size of the beta grains is noticeably smaller, as shown in FIG. 1 is an order of magnitude greater in the alloy of the present invention than in the standard Beta-C alloy.

Расчеты, основанные на определении в двух и трех измерениях объемных долей Ti₂C в сплаве по настоящему изобретению, показали, что несмотря на высокое содержание углерода по сравнению со сплавом Beta-C сплав по настоящему изобретению все еще имел приблизительно 0,0935 мас.% углерода в твердом растворе.Calculations based on two and three-dimensional determinations of the volume fractions of Ti ₂ C in the alloy of the present invention showed that despite the high carbon content compared to the Beta-C alloy, the alloy of the present invention still had approximately 0.0935 wt. carbon in solid solution.

На фиг. 2 при более высоком увеличении представлено сравнение влияния углерода для сплава по настоящему изобретению из табл. 1, показанного на (a), и для второго сплава Beta-C из табл. 1, показанного на (b). Сплав Beta-C явно демонстрирует зернограничную α-фазу, тогда как в модифицированном сплаве по настоящему изобретению α-фаза весьма мало заметна.In FIG. 2 at higher magnification compares the effect of carbon for the alloy of the present invention from table. 1 shown in (a), and for the second alloy Beta-C from table. 1 shown in (b). The Beta-C alloy clearly exhibits a grain boundary α phase, while the modified alloy of the present invention has very little α phase.

Титановые прутки из сплавов по табл. 1 подвергали теплому или холодному волочению до диаметра, близкого к требуемому размеру крепежного изделия, с последующей соответствующей обработкой поверхности, такой как правка, механическая зачистка, механическая обработка и очистка поверхности. Затем тянутые прутки подвергали оптимизированной последующей термообработке, как подробно описано ниже, получая оптимальные механические свойства. Было обнаружено, что углерод, добавленный в сплав по настоящему изобретению, усовершенствует восприимчивость к старению и прокаливаемость, по существу, благодаря дисперсионному твердению β-фазы за счет ускоренного выделения α-фазы. Повидимому, более высокое содержание углерода в сплаве по настоящему изобретению может способствовать ускоренному выделению α-фазы за счет снижения скорости охлаждения, необходимой для выделения при охлаждении от температуры β-превращения, вследствие того, что кривые ТТТ (кривые времятемпература-превращение) немного смещаются в направлении повышенного содержания углерода.Titanium rods from alloys according to table. 1 has been hot or cold drawn to a diameter close to the desired fastener size, followed by appropriate surface treatment such as straightening, grinding, machining and surface cleaning. The drawn bars were then subjected to an optimized post heat treatment, as detailed below, to obtain optimum mechanical properties. It has been found that carbon added to the alloy of the present invention improves aging susceptibility and hardenability, essentially due to precipitation hardening of the β-phase due to accelerated precipitation of the α-phase. It appears that the higher carbon content of the alloy of the present invention may contribute to accelerated α-phase precipitation by reducing the cooling rate required to precipitate upon cooling from the β-transformation temperature, due to the fact that the TTT curves (time-temperature-transformation curves) are slightly shifted into direction of higher carbon content.

В целом, на сплавах по настоящему изобретению обнаружено, что после старения альфа-выделенияIn general, it has been found on the alloys of the present invention that, after aging, alpha precipitates

- 3 042379 были гомогенными и мелкими в матрице бета-фазы, в то время как зернограничная альфа-фаза, которая обычно существует в титановых сплавах, по существу была устранена. Также было обнаружено, что при уровнях, требуемых настоящим изобретением, углерод повышает стойкость указанных сплавов к кислороду. Для стандартных аэрокосмических титановых сплавов верхний предел содержания кислорода составляет 2000 ч/млн, но с добавленным углеродом на уровнях общего углерода, допускаемых настоящим изобретением, сплав по настоящему изобретению может содержать до 3000 ч/млн кислорода без снижения.- 3 042379 were homogeneous and fine in the matrix of the beta phase, while the grain boundary alpha phase, which usually exists in titanium alloys, was essentially eliminated. It has also been found that, at the levels required by the present invention, carbon improves the oxygen resistance of said alloys. For standard aerospace titanium alloys, the upper limit for oxygen content is 2000 ppm, but with added carbon at total carbon levels allowed by the present invention, the alloy of the present invention can contain up to 3000 ppm oxygen without reduction.

Оптимальным режимом последующей термической обработки является прямое старение при температуре печи от 440 до 540°C в течение периода времени от 1 до 12 ч. Углерод считают стабилизатором альфа-фазы в титановых сплавах, но обычно при значительно более высокой концентрации, чем допускает настоящее изобретение. Предполагают, что при уровне общего углерода, необходимом для настоящего изобретения, термическая обработка приводит в действие механизм, посредством которого добавленный углерод служит предшественником альфавыделения на атомном уровне. Это аналогично роли углерода в качестве стабилизатора альфа-фазы. Как указано, добавленный углерод по настоящему изобретению уменьшает зернограничную альфа-фазу, во-первых, потому, что выделившиеся в бета-фазе альфачастицы являются небольшими по размеру и однородными. Во-вторых, в то время как кислород имеет большое сродство к альфа-фазе в титановых сплавах в целом, мелкая и однородная альфа-фаза, которая выделяется в бета-фазе в сплаве по настоящему изобретению, образуется при помощи углерода, привлекая кислород, который имеет тенденцию сегрегировать по границам зерен и достаточно мал, чтобы диффундировать, и диффундирует в мелкую и равномерно распределенную альфа-фазу. Исключение сегрегации кислорода по границам зерен приводит к устранению движущей силы для зернограничной альфа-фазы, как видно из фиг. 2, и является ключом к значительному повышению усталостной прочности в резьбовых участках.The optimal post-heat treatment regime is direct aging at an oven temperature of 440 to 540°C for a period of 1 to 12 hours. Carbon is considered an alpha phase stabilizer in titanium alloys, but usually at a much higher concentration than the present invention allows. It is believed that at the level of total carbon required for the present invention, heat treatment sets in motion a mechanism whereby the added carbon serves as a precursor to alpha precipitation at the atomic level. This is analogous to the role of carbon as an alpha phase stabilizer. As stated, the added carbon of the present invention reduces the grain boundary alpha phase, firstly because the alpha particles precipitated in the beta phase are small and uniform. Secondly, while oxygen has a high affinity for the alpha phase in titanium alloys in general, the fine and uniform alpha phase that precipitates in the beta phase in the alloy of the present invention is formed with carbon, attracting oxygen, which tends to segregate along grain boundaries and is small enough to diffuse, and diffuses into a fine and evenly distributed alpha phase. The elimination of oxygen segregation along the grain boundaries leads to the elimination of the driving force for the grain boundary alpha phase, as can be seen from FIG. 2 and is the key to a significant increase in fatigue strength in threaded areas.

Типичные свойства при растяжении и сдвиге, приведенные в табл. 1, получены на тянутом прутке конечным диаметром 20 мм и характеризуются пределом прочности на растяжение в 1518 МПа, относительным удлинением в 9% и сопротивлением двойному сдвигу в 829 МПа. Тянутый пруток диаметром 10 мм показывает предел прочности на растяжение около 1500 МПа, относительное удлинение 12% и сопротивление двойному сдвигу 824 МПа. Усталостные свойства материала с надрезом или резьбой, полученного из сплавов, подвергнутых последующей обработке, представлены в табл. 2 для первого сплава Beta-C из табл. 1 и для сплава Ti64, состав которого показан в табл. 3. В каждом случае испытания проводили на образцах диаметром 10 мм с накатанной на них резьбой как и в стандартных титановых крепежных изделиях. Требование, установленное в стандарте на крепежные изделия аэрокосмического применения, составляет 65000 циклов при напряжении 38% UTS материала. Поверхности усталостного излома стандартного сплава Beta-C обычно содержат значительное количество межзёренного разрушения, которое приводит к непредсказуемости и возможному значительному изменению усталостной долговечности. В противоположность этому, в поверхности усталостного излома сплава по настоящему изобретению преобладает вязкое разрушение с незначительным межзёренным разрушением, что указывает на стабильную и надежную усталостную характеристику материала с узкой полосой разброса механических свойств.Typical tensile and shear properties given in table. 1 obtained on a drawn rod with a final diameter of 20 mm and are characterized by a tensile strength of 1518 MPa, an elongation of 9% and a double shear resistance of 829 MPa. A drawn bar with a diameter of 10 mm shows a tensile strength of about 1500 MPa, an elongation of 12% and a double shear resistance of 824 MPa. The fatigue properties of a notched or threaded material obtained from post-machined alloys are presented in Table 1. 2 for the first alloy Beta-C from the table. 1 and for the Ti64 alloy, the composition of which is shown in table. 3. In each case, the tests were carried out on samples with a diameter of 10 mm, threaded on them, as in standard titanium fasteners. The requirement set in the aerospace fastener standard is 65,000 cycles at 38% UTS of the material. The fatigue fracture surfaces of a standard Beta-C alloy typically contain a significant amount of intergranular failure, which leads to unpredictability and possibly a significant change in fatigue life. In contrast, the fatigue fracture surface of the alloy of the present invention is dominated by ductile fracture with little intergranular fracture, indicating a stable and reliable fatigue performance of a narrow band material.

Таблица 2. Сравнение усталостной долговечности резьбового участка типичных титановых ______________ крепежных изделий диаметром M10_____________Table 2. Comparison of fatigue life of the threaded section of typical titanium ______________ fasteners with a diameter of M10_____________

Beta-C с углеродом Beta-C with carbon Максимальное напряжение (МПа) 521 Maximum stress (MPa) 521 Коэффициент R 0,1 Coefficient R 0.1 Долговечность (число циклов) 760000 Durability (number of cycles) 760000 Стандартный Beta- С Standard Beta WITH 471 471 0,1 0.1 Испытания прерваны при 130000 Tests terminated at 130000 ΤΪ64 ΤΪ64 440 440 0,1 0.1 130000 130000

- 4 042379- 4 042379

Таблица 3. Состав сплава T1-4V-6A1Table 3. The composition of the alloy T1-4V-6A1

Элемент Element Минимум Minimum Максимум Maximum Алюминий Aluminum 5,50 5.50 6,75 6.75 Ванадий Vanadium 3,50 3.50 4,50 4.50 Железо Iron - - 0,30 0.30 Кислород Oxygen - - 0,20 0.20 Углерод Carbon - - 0,08 0.08 Азот Nitrogen - - 0,05 (500 ч/млн) 0.05 (500 ppm) Водород (3.1.3); (3.1.1) Hydrogen (3.1.3); (3.1.1) - - 0,0125 (125 ч/млн) 0.0125 (125 ppm) Иттрий (3.1.2) Yttrium (3.1.2) - - 0,005 (50 ч/млн) 0.005 (50 ppm) Каждый из других элементов (3.1.2) Each of the other elements (3.1.2) - - 0,10 0.10 Другие элементы в сумме (3.1.2) Other elements in the sum (3.1.2) - - 0,40 0.40 Титан Titanium остальное rest

Из вышеприведенного описания понятно, что уровень общего углерода, требуемый в сплаве по настоящему изобретению, ускоряет и измельчает выделения афазы, и в то же время, по существу, избегая зернограничной οι-фазы. Соответствующим образом термически обработанные крепежные изделия, изготовленные из сплава по настоящему изобретению, проявляют улучшенные свойства при растяжении, двойном сдвиге и усталостные свойства по сравнению с существующими крепежными изделиями из сплава Ti64, а также стандартными крепежными изделиями из сплава Beta-C. Чтобы проиллюстрировать это, сообщается, что самолет Боинг 787 собран с использованием 2,4 млн крепежных изделий, причем 22% из них - это строительные болты, в основном из титана, предположительно Ti64, а остальные - заклепки. Предполагается, что замена существующих крепежных изделий Ti64 крепежными изделиями из сплава по настоящему изобретению обеспечит снижение веса по меньшей мере на 20%, что означает уменьшение массы приблизительно на 6000-7500 кг.It will be understood from the above description that the level of total carbon required in the alloy of the present invention accelerates and refines aphase precipitates while substantially avoiding the grain boundary οι phase. Appropriately heat treated fasteners made from the alloy of the present invention exhibit improved tensile, double shear and fatigue properties over existing Ti64 alloy fasteners as well as standard Beta-C alloy fasteners. To illustrate this, a Boeing 787 is reported to have been assembled using 2.4 million fasteners, with 22% being structural bolts, mostly titanium, presumably Ti64, and the rest being rivets. It is anticipated that replacing existing Ti64 fasteners with alloy fasteners of the present invention will provide a weight reduction of at least 20%, which means a weight reduction of approximately 6000-7500 kg.

Сплав по настоящему изобретению также можно распылять, получая порошок для использования в ЗО-печати или обрабатывать с помощью обычной ковки и литья. Описанный выше механизм, лежащий в основе усовершенствования широкого диапазона механических свойств этого сплава, будет сохранен во всех этих формах материала.The alloy of the present invention can also be pulverized into a powder for use in 3D printing or processed by conventional forging and casting. The mechanism described above, which underlies the improvement of a wide range of mechanical properties of this alloy, will be retained in all these forms of material.

Список литературы . Z.Q. Chen, D. Hu, М.Н. Loretto и Xinhua Wu, «Влияние добавок углерода на микроструктуру и механические свойства Ti-15-З» («Effect of carbon additions on microstructure and mechanical properties of Ti-15-З»), J. Mat. Sci & Tech., том 20, 2004, страницы 343-349.Bibliography . Z.Q. Chen, D. Hu, M.N. Loretto and Xinhua Wu, "Effect of carbon additions on microstructure and mechanical properties of Ti-15-3", J. Mat. Sci & Tech., Volume 20, 2004, pages 343-349.

2. Z.Q. Chen, D. Hu, M.H. Loretto и Xinhua Wu, «Влияние 0,2 масс.% углерода на восприимчивость к старению Ti-15-З» («Influence of 0.2wt-%C on the aging response of TH53»), J. Mat. Set & Tech, том 20, 2004, страницы 756-764.2. Z.Q. Chen, D. Hu, M.H. Loretto and Xinhua Wu, "Influence of 0.2wt-%C on the aging response of TH53", J. Mat. Set & Tech, Volume 20, 2004, pages 756-764.

3. M.Chu, Xinhua Wu, I.P. Jones и M.H. Loretto, «Влияние углерода на восприимчивость к старению и характеристики растяжения эвтектоидного бета- титанового сплава Ti-1 ЗСг» («Influence of carbon on aging response and tensile properties of eutectoid beta titanium alloy Ti-13Cr»), J. Mat. Sci. & Tech, том 22, № 6, 2006, страницы 661666.3. M.Chu, Xinhua Wu, I.P. Jones and M.H. Loretto, "Influence of carbon on aging response and tensile properties of eutectoid beta titanium alloy Ti-13Cr", J. Mat. sci. & Tech, Vol. 22, No. 6, 2006, Pages 661666.

4. M.Chu, Xinhua Wu, IP. Jones, Μ H Loretto, «Влияние углерода на микроструктуру и механические свойства эвтектоидного бета-титанового сплава» («Effect of Carbon on Microstructure and Mechanical Properties of a Eutectoid Beta Titanium Alloy»), Rare Metal Materials and Engineering том 35, дополнение 1, февраль 2006, страницы 220224.4. M.Chu, Xinhua Wu, IP. Jones, Μ H Loretto, "Effect of Carbon on Microstructure and Mechanical Properties of a Eutectoid Beta Titanium Alloy", Rare Metal Materials and Engineering Volume 35, Supplement 1, February 2006, pages 220224.

5. D Hu, AJ Huang, XP Song и Xinhua Wu, «Выделение в легированном углеродом Ti-15V-3Cr-3Sn-3AI» («Precipitation in carbon-doped Ti-15V- 3Cr-3Sn-3AI»), Rare Metal Materials and Engineering том 35, дополнение!, февраль 2006, страницы 225-229.5. D Hu, AJ Huang, XP Song and Xinhua Wu, "Precipitation in carbon-doped Ti-15V-3Cr-3Sn-3AI", Rare Metal Materials and Engineering Volume 35 Supplement!, February 2006, pages 225-229.

6. Xinhua Wu, J. del Prado, Q. Li, A. Huang, D. Hu и Μ. H. Loretto, Аналитическая электронная микроскопия безуглеродистого и углеродсодержащего Ti-15-3” («Analytical Electron Microscopy of C-free and C-containing Ti-15-З»), Acta Materialia. том 54, выпуск 20, 2006, страницы 5433-5448.6. Xinhua Wu, J. del Prado, Q. Li, A. Huang, D. Hu, and M. H. Loretto, Analytical Electron Microscopy of C-free and C-containing Ti-15-3, Acta Materialia. volume 54, issue 20, 2006, pages 5433-5448.

Claims

1. Метастабильный β-титановый сплав, содержащий от 7,5 до 8,5 мас.% ванадия, от 5,5 до 6,5 мас.% хрома, от 3,5 до 4,5 мас.% молибдена, от 3,5 до 4,5 мас.% циркония, от 3 до 4 мас.% алюминия, до 0,30 мас.% кислорода, не более 0,3 мас.% железа, до 0,03 мас.% азота, до 0,03 мас.% водорода, не более 50 ч/млн иттрия, не более 0,15 мас.% каждого из других элементов, кроме углерода и титана, и 0,40 мас.% в их совокупности остальное, кроме углерода и титана; причем указанный сплав содержит углерод, при сутствующий при стабильном общем содержании углерода, превышающем 0,05 мас.%, и при максимальном содержании углерода, не превышающем 0,20 мас.% и регулируемым таким образом, чтобы исключить образование карбидов.1. Metastable β-titanium alloy containing from 7.5 to 8.5 wt.% vanadium, from 5.5 to 6.5 wt.% chromium, from 3.5 to 4.5 wt.% molybdenum, from 3 .5 to 4.5 wt.% zirconium, from 3 to 4 wt.% aluminum, up to 0.30 wt.% oxygen, not more than 0.3 wt.% iron, up to 0.03 wt.% nitrogen, up to 0 03 wt.% hydrogen, not more than 50 ppm yttrium, not more than 0.15 wt.% of each of the other elements, except carbon and titanium, and 0.40 wt.% in their totality, the rest, except for carbon and titanium; wherein said alloy contains carbon present at a stable total carbon content of greater than 0.05 wt.% and a maximum carbon content not exceeding 0.20 wt.% and controlled so as to avoid the formation of carbides.

2. Титановый сплав по п.1, в котором общий углерод присутствует в стабильном содержании от 0,065 до 0,20 мас.%.2. The titanium alloy of claim 1, wherein the total carbon is present at a stable content of 0.065 to 0.20% by weight.

3. Титановый сплав по п.1, в котором общий углерод присутствует в стабильном содержании от 0,070 до 0,2 мас.%.3. The titanium alloy of claim 1 wherein the total carbon is present at a stable content of 0.070 to 0.2% by weight.

4. Титановый сплав по п.1, в котором общий углерод присутствует в стабильном содержании от 0,070 до 0,15 мас.%.4. The titanium alloy of claim 1 wherein the total carbon is present at a stable content of 0.070 to 0.15% by weight.

5. Титановый сплав по п.1, в котором общий углерод присутствует в стабильном содержании от 0,070 до 0,101 мас.%.5. Titanium alloy according to claim 1, wherein the total carbon is present at a stable content of 0.070 to 0.101% by weight.

6. Титановый сплав по п.1, в котором общий углерод присутствует в стабильном содержании 0,080 мас.%.6. The titanium alloy of claim 1, wherein the total carbon is present at a stable content of 0.080% by weight.

7. Титановый сплав по любому из пи. 1-6, в котором общий углерод сохраняется в твердом растворе в преобладающей бета-фазе сплава после охлаждения от режима термической обработки раствора при повышенной температуре, но не в виде выделений карбида в бета-фазе как следствие такого охлаждения.7. Titanium alloy according to any one of pi. 1-6, in which the total carbon is retained in solid solution in the predominant beta phase of the alloy after cooling from the solution heat treatment at elevated temperature, but not as precipitation of carbide in the beta phase as a consequence of such cooling.

8. Способ изготовления титановых крепежных изделий из титанового сплава по любому из пи. 1-7, где указанный сплав подвергают гомогенизирующей термообработке, а затем изготавливают крепежное изделие требуемой формы.8. A method of manufacturing titanium fasteners from a titanium alloy according to any one of pi. 1-7, where the specified alloy is subjected to a homogenizing heat treatment, and then a fastener of the required shape is made.

9. Способ по п.8, в котором изготовление крепежного изделия требуемой формы осуществляют по средством волочения.9. The method according to claim 8, in which the manufacture of the fastener of the desired shape is carried out by drawing.

10. Способ по п.8 или 9, в котором крепежные изделия подвергают последующей термообработке путем прямого старения при температуре печи от 440 до 540°С в течение периода времени в диапазоне от 1 до 12 ч.10. The method according to claim 8 or 9, wherein the fasteners are subjected to post heat treatment by direct aging at an oven temperature of 440 to 540°C for a period of time ranging from 1 to 12 hours.