发明领域

本发明涉及加工包含铝，钒，铁，和氧的某些钛合金的新方法，涉及使用这种加工方法制造的制品，以及涉及包括这些合金的新制品。

发明背景描述

最早开始于二十世纪五十年代，人们认识到钛用作抵抗小的武器弹丸的结构装甲具有吸引力的性能。随后由于同样的目的进行了钛合金的研究。一种用作弹道装甲的已知的钛合金是Ti-6Al-4V合金，其标称包括钛，重量百分数为6的铝，重量百分数为4的钒，和通常小于重量百分数为0.20的氧。用在弹道装甲应用的另一种钛合金包括重量百分数为6.0的铝，重量百分数为2.0的铁，重量百分数为0.18的相对低的氧，小于重量百分数为0.1的钒，和其它可能的微量元素。但已经显示出适于弹道装甲应用的另一种钛合金为1999年11月9日发布，属于Kosaka的美国专利No.5,980,655的alpha-beta(α-β)钛合金。除钛之外，在′655专利中要求的合金，此处称之为“Kosaka合金”，包括以重量百分数计，约2.9至约5.0的铝，约2.0至约3.0的钒，约0.4至约2.0的铁，大约0.2至约0.3的氧，约0.005至约0.03的碳，约0.001至约0.02的氮，及小于约0.5的其它元素。

由上面的钛合金形成的装甲板已经显示满足由军方建立的指示弹道性能的某个V50标准。这些标准包括在，例如，MIL-DTL-96077F，“DetailSpecification，Armor Plate，Titanium Alloy，Weldable”中。V50为规定弹丸类型的平均速度，要求弹丸穿透具有规定尺寸的合金板并以规定的方式相对于弹丸发射点定位。

上面的钛合金已经用来生产弹道装甲，因为对抵抗许多弹丸类型被评价时，使用比钢或铝更小质量的钛合金提供更好的性能。尽管某些钛合金比钢和铝抵抗某种弹道威胁更为“质量效率”的事实，进一步改进已知钛合金的弹道性能仍有重大的优点。并且，由上面的钛合金生产弹道装甲板的过程复杂和昂贵。例如，′655专利描述了方法，其中通过多个锻造步骤的热机械加工至混合的α-β微观结构的Kosaka合金被热轧和退火以生产需要规格的弹道装甲板。热轧板的表面在高加工温度下产生鳞片和氧化物，从而必须通过诸如磨光，机械加工，喷丸清理，酸洗等一个或更多的表面处理步骤修整。这复杂了制造过程，导致产量降低，并增加了精加工的弹道板的成本。

给定某些用在弹道装甲应用中的钛合金以具有有利的强度重量比性能，希望由这些合金制造除弹道板之外的制品。然而，通常认为除了简单的热轧之外的制造技术不可能易于应用到许多这些高强度钛合金。例如，认为板形式的Ti-6Al-4V对于冷轧强度太高。从而，合金通常通过复杂的“叠轧”以片的形式生产，其中具有中间厚度的两个或更多Ti-6Al-4V板堆叠并封入钢罐内。罐和其容纳物被热轧，随后移走单张板并磨光，酸洗和精整。如果必须磨光和酸洗单张板的表面，过程昂贵并且具有低的产量。类似地，传统上认为Kosaka合金在低于α-β轧制温度范围下的温度具有对流动相对高的阻力。从而，不知道由Kosaka合金形成除弹道板之外的制品，并且仅知道使用主要在′655专利中描述的热轧技术形成这种板。热轧适于仅相对初步的产品形式的生产，并且还需要相对高的能量输入。

考虑到前面描述的某些钛合金的传统方法已知用在弹道装甲应用中，需要一种加工这些合金至需要的形式的方法，包括除板之外的形式，而没有已知的高温加工过程的费用，复杂性，产量降低和能量输入的必要性。

概要

为了满足上述需要，本发明提供了′655专利中描述和要求权利的用于加工α-β钛-铝-钒合金的新方法，并且还描述了包含α-β钛合金的新制品。

本发明的一个方面是针对由α-β钛合金形成制品的方法，钛合金包括以重量百分数计约2.9至约5.0的铝，约2.0至约3.0的钒，约0.4至约2.0的铁，从约0.2至约0.3的氧，约0.005至约0.3的碳，约0.001至约0.02的氮，和低于约0.5的其它元素。该方法包括冷加工α-β钛合金。在某些实施方案中，冷加工可在合金处于环境温度直到低于约1250°F(约677℃)的范围内的温度下进行。在某些另外的实施方案中，当在温度范围为环境温度直到约1000°F(约538℃)时冷加工α-β合金。冷加工之前，可任选地在大于约1600°F(约871℃)温度加工α-β钛合金以对合金提供有利于在冷加工期间冷变形的显微组织。

本发明还关注由本文描述的新方法制造的制品。在某些实施方案中，由这些方法的实施方案形成的制品具有直到4英寸的厚度并展示室温性能，包括至少120KSI的抗拉强度和至少130KSI的极限抗拉强度。并且，在某些实施方案中，由这种方法的实施方案形成的制品中具有至少10％的伸长。

发明人已经确定任何合适的冷加工技术可以适于Kosaka合金的使用。在某些非限制性的实施方案中，一个或更多冷轧步骤用来缩减合金的厚度。可以由这些实施方案制造的制品的实例包括片材，带材，箔材和板材。在至少使用两个冷轧步骤的情况下，该方法还可以包括在相继冷轧步骤之间退火合金，以减小合金内的应力。在某些实施例中，相继冷轧步骤之间的至少一个消除应力的退火可以在连续的退火炉线上进行。

本文也批露了用于由α-β钛合金制造装甲板的新方法，其中，钛合金包括以重量百分数计约2.9至约5.0的铝，约2.0至约3.0的钒，约0.4至约2.0的铁，约0.2至约0.3的氧，约0.005至约0.3的碳，约0.001至约0.02的氮，和低于约0.5的其它元素。该方法包括在远低于传统用来热轧合金的温度的温度下轧制合金来生产装甲板。在本方法的一个实施方案中，合金在合金的Tβ以下400°F(约222℃)以内的温度下轧制。

本发明的另一方面是关注α-β钛合金的冷加工制品，其中合金包括以重量百分数计约2.9至约5.0的铝，约2.0至约3.0的钒，约0.4至约2.0的铁，约0.2至约0.3的氧，约0.005至约0.3的碳，约0.001至约0.02的氮，和低于约0.5的其它元素。冷加工制品的非限制性实例包括选自板，带，箔，片，棒，杆，线，管状空心管坯，管道，管，织物，网，结构件，圆锥体，圆柱体，管线，管道，喷嘴，蜂窝结构，紧固件，铆钉和垫圈。某些冷加工制品可以具有横截面中超过一英寸的厚度和包括至少120KSI的抗拉强度和至少130KSI的极限抗拉强度的室温性能。某些冷加工制品可以具有至少10％的伸长。

本发明描述的某些方法结合迄今为止认为不适合加工Kosaka合金的冷加工技术的使用。具体地，传统上认为Kosaka合金在远低于α-β热轧温度范围的温度下对流动的阻力太高，以至于不允许合金在这个温度成功地加工。本发明人未预料地发现Kosaka合金可以在低于约1250°F(约655℃)的温度下通过传统的冷加工技术而加工，可以生产通过热轧不可能的和/或使用热加工技术生产十分昂贵的多种产品形式。例如，本文描述的某些方法比上面描述的用于由Ti-6A-4V生产片材的传统的叠轧技术简单很多。并且，本文描述的某些方法不涉及产量降低的程度和涉及高温加工至最终规格和/或形状的过程中固有的高能量输入要求。另外其它的优点在于Kosaka合金的实施方案的某些机械性能近似或超过Ti-6A-4V的性能，其允许生产以前不能从Ti-6A-4V得到的制品生产，但有相似的性能。

基于本发明实施方案的下面描述的思考，这些和其它优点将显而易见。

本发明实施方案的描述

如上所述，Kosaka发布的，美国专利No.5,980,655，描述了alpha-beta(α-β)钛合金和这种合金作为弹道装甲板的用途。′655专利在本文中完全引入作为参考。除了钛，′655专利中描述和要求的合金包括下面表1中的合金元素。为了参考方便，包括表1中的合金元素添加物的钛合金此处称之为“Kosaka合金”。

表1

  合金元素   重量百分数   铝   从约2.9至约5.0   钒   从约2.0至约3.0   铁   从约0.4至约2.0   氧   大于0.2至约0.3   碳   从约0.005至约0.03   氮   从约0.001至约0.02   其它元素   小于约0.5

如专利′655中描述，Kosaka合金可选择地包括除表1中具体列出之外的元素。这些其它元素，及它们的重量百分比，可以包括，但不必限制于，下列中的一个或多个：(a)铬，最大0.1％，通常约0.0001％至约0.05％，优选至多约0.03％；(b)镍，最大0.1％，通常约0.001％至约0.05％，优选至多约0.02％；(c)碳，最大0.1％，通常约0.005％至约0.03％，优选至多约0.01％；及(d)氮，最大0.1％，通常约0.001％至约0.02％，优选至多约0.01％。

Kosaka合金的一个具体的工业实施方案可以从Wah Chang，AlleghenyTechnologies股份有限公司得到，其具有标称成分为：4重量百分数的铝，2.5重量百分数的钒，1.5重量百分数的铁，0.25重量百分数的氧。这个标称成分此处称之为“Ti-4Al-2.5V-1.5Fe-.25O2”。

′655专利说明了Kosaka合金以与某些其它α-β钛合金使用的传统的热机械加工(“TMP”)相一致的方式加工。具体地，′655专利指出Kosaka合金在beta转变温度(Tβ)(对于Ti-4Al-2.5-V-1.5Fe-.25O2为约1800°F(约982℃))以上的高温经受锻制变形，并随后在Tβ以下经受另外的锻制热机械加工。该加工可使beta(即温度＞Tβ)再结晶介于α-β热机械加工循环间。

′655专利具体地关注以提供包括混合的α+β微观组织产品的方式由Kosaka合金生产弹道装甲板。在专利中描述的α+β加工步骤主要如下：(1)在Tβ以上β锻造金属锭以形成中间板坯；(2)在Tβ以下的温度α-β锻造中间板坯；(3)α-β轧制板坯以形成板；及(4)使板退火。′655专利教授了把金属锭加热至高于Tβ的温度的步骤，其可以包括，例如，把金属锭加热至由约1900°F至约2300°F的温度(约1038℃至约1260℃)。在Tβ以下的温度α-β锻造中间规格的板坯的随后的步骤可以包括，例如，在α+β温度范围内的温度锻造板坯。专利更具体地描述了在Tβ以下从约50°F至约200°F(约28℃至约111℃)的范围内的温度进行α-β锻造板坯，例如从约1550°F至约1775°F(约843℃至约968℃)。然后将板坯在类似的α-β温度范围内，诸如从约1550°F至约1775°F(约843℃至约968℃)进行热轧以形成需要厚度的板材并具有良好的装甲性能。′655专利描述了α-β轧制步骤后的随后的退火步骤，其在约1300°F至约1500°F(约704℃至约816℃)进行。在′655专利具体描述的实例中，Kosaka合金板通过使合金经受β和α-β锻造，在1600°F(约871℃)或1700°F(约927℃)的α-β热轧，和随后的在1450°F(约788℃)的“轧制”退火。因此，′655专利教授了通过包括在α-β温度范围内热轧合金至需要厚度的过程而由Kosaka合金生产弹道板。

根据在′655专利中描述的加工方法由Kosaka合金生产弹道装甲板的过程中，本发明人出于意外并惊奇地发现在Tβ以下温度进行的锻造和轧制导致明显更少的裂纹，且在这个温度轧制期间经历的轧机负荷比Ti-6Al-4V相同尺寸的合金板坯低很多。换句话说，本发明人未预料地观察到Kosaka合金在高温下对流动呈现降低的阻力。不限制于任何具体的操作理论，认为这种效果，至少部分地可归于由于Kosaka合金中铁和氧的含量在高温下材料的强度的降低。这种效果示于下表2，其提供了在各种高温下Ti-4Al-2.5V-1.5Fe-.25O2合金的样品测量的机械性能。

表2

 温度(°F)   抗拉强度  (KSI)   极限抗拉强度(KSI)   伸长(％)   800   63.9   85.4   22   1000   46.8   67.0   32

 温度(°F)   抗拉强度  (KSI)   极限抗拉强度(KSI)   伸长(％)   1200   17.6   34.4   62   1400   6.2   16.1   130   1500   3.1   10.0   140

尽管观察到Kosaka合金在由该材料生产弹道板的过程期间在高温下具有降低的流动阻力，观察到退火板的最终机械性能是在由Ti-6Al-4V生产的相似的板材产品的通常的范围内。例如，下表3提供了由两个8000磅的Ti-4Al-2.5V-1.5Fe-.25O2合金金属锭制备的26个热轧的弹道装甲板的机械性能。表3的结果和发明人的其它观察表明通过本文批露的过程生产的由Kosaka合金形成的截面厚度低于例如约2.5英寸的产品具有120KSI最小的屈服强度，最小130KSI的极限抗拉强度，及最小12％的伸长。然而，具有这些机械性能和例如低于4英寸的更大的截面的制品可以在某些大规模的棒轧机上通过冷加工生产。这些性能不亚于Ti-6Al-4V的性能。例如，材料性能手册，钛合金(ASM International，1998年1月第二次印刷)第526页报道的在955℃(约1777°F)横轧并轧制退火的Ti-6Al-4V的室温抗拉性能为127KSI的屈服强度，138KSI的极限抗拉强度，及12.7％的伸长。同样手册的第524页列出了典型的Ti-6Al-4V的抗拉性能为134KSI的屈服强度，144KSI的极限抗拉强度，及14％的伸长。尽管抗拉性能受产品形式，截面，测量方向，及热处理的影响，前面报道的Ti-6Al-4V的性能提供了用于通常评价Kosaka合金相对抗拉性能的根据。

表3

本发明人还观察到冷轧Ti-4Al-2.5V-1.5Fe-.25O2通常展示比Ti-6Al-4V材料有稍好的延展性。例如，在一个测试次序中，如下面描述，两次冷轧和退火的Ti-4Al-2.5V-1.5Fe-.25O2材料经得住纵向和横向的2.5T的弯曲半径弯曲。

从而，观察到的对高温流动降低的阻力提供了使用以前认为不适于Kosaka合金或Ti-6Al-4V使用的加工和成形技术制造制品，同时达到典型的与Ti-6Al-4V有关的机械性能的机会。例如，下面描述的加工显示Kosaka合金可以在钛加工工业中通常认为“中等”的高温下易于挤压，其为′655专利中不建议的加工技术。给出高温挤压试验的结果，认为其它高温成形方法可以用来加工Kosaka合金，包括，但不限制于，高温闭模锻造，拉拔，旋压。另外的可能为在中温或另外高温轧制以提供相对轻规格的板材或片材，及薄规格的带。这些加工可能性极大地超出了′655专利中描述的生产热轧板的热轧技术，并使不容易由Ti-6Al-4V生产的产品形式成为可能，但其仍然具有类似于Ti-6Al-4V的机械性能。

本发明人还未预料和惊奇地发现Kosaka合金具有极大程度的冷成形性。例如，下面描述的Ti-4Al-2.5V-1.5Fe-.25O2合金的试样的冷轧试验在边缘裂纹开始出现前产生约37％的厚度缩减。试样最初通过类似于传统的装甲板的过程的过程生产，且试样具有有些粗糙的微观组织。在应力消除前需要退火以允许进一步的冷压缩，通过增加的α-β加工和选择的应力消除退火的微观组织的细化可以至多达到44％的冷压缩。在发明人工作的过程中，还发现Kosaka合金可以冷加工至更高的强度并依然保留一些延展度。这种以前没有观察到的现象使得由Kosaka合金以带卷长度制造冷轧产品的生产成为可能并具有Ti-6Al-4V机械性能。

Kosaka合金(包括相对高的氧含量)的冷成形性是违反直觉的。例如，级别4CP(工业纯)钛(包括重量百分数为约0.4相对高含量的氧)表现为约15％的最小伸长，并已知比其它CP级别更小的成形。除了某些CP钛级别，在巨大的工业量中生产的单一的冷加工的α-β钛合金为Ti-3Al-2.5V(标称地重量百分数为3的铝，2.5的钒，最大0.25的铁，最大0.05的碳，及最大0.02的氮)。发明人观察到Kosaka合金的实施方案如Ti-3Al-2.5V一样可冷成形，但也展示更好的机械性能。容易冷成形的唯一的工业上主要的非α-β钛合金为Ti-15V-3Al-3Cr-3Sn，其作为Ti-6Al-4V片的可冷轧的替代物而开发。尽管Ti-15V-3Al-3Cr-3Sn已经作为管，带，板和其它形式生产，其依然是特制产品，没有接近Ti-6Al-4V的产量。Kosaka合金比诸如Ti-15V-3Al-3Cr-3Sn之类的特制钛合金的熔融和加工更为便宜。

当把冷加工技术应用到合金时，给出Kosaka合金的冷加工性和发明人的观察，其中一些列于以下，认为众多的以前认为不适于Kosaka合金的冷加工技术可以用来由合金形成制品。总的来说，“冷加工”指的是在材料的流动应力极大减小的温度下加工合金。本文所用的与本发明有关的“冷加工”，“冷加工完的”，“冷成形”或相似术语，或与具体的加工或成形技术有关所使用的“冷”，指的是如在不大于约1250°F(约677℃)的温度下的情况加工或已经加工的特征。优选地，这种加工产生在不大于约1000°F(约538℃)。因此，例如，在950°F(约510℃)在Kosaka合金板上进行的轧制步骤在本文中认为是冷加工。并且，术语“加工”和“成形”在本文中通常交替使用，如同术语“可加工性”和“可成形性”及相似的术语。

Kosaka合金可以使用的冷加工技术包括，例如，冷轧，冷拉拔，冷挤压，冷锻造，摇摆式(rocking)锻造/皮尔格式轧制，冷旋锻，旋压，及旋轧。如本领域内所知的，冷轧通常包括把以前热轧制的制品，诸如棒材，片材，板材，或带材，通过一组轧制，通常几次，直到获得需要的规格。依赖于热(α-β)轧和退火后的起始结构，认为在进一步冷轧前要求的任何退火之前，通过冷轧Kosaka合金可以获得至少35-40％的面积缩减(RA)。认为随后的至少30-60％的冷压缩是可能的，依赖于产品广度和轧机配置。

由Kosaka合金生产薄规格的卷材和片材是主要改进。Kosaka合金具有类似于Ti-6Al-4V的性能，及在某些方面相对改进的性能。具体地，发明人进行的研究表明Kosaka合金具有相当于Ti-6Al-4V的改进的延展性，这通过伸长和弯曲性能得到证明。Ti-6Al-4V作为主要的钛合金在30年来用得很好。然而，如上面所指出，片材传统上通过复杂和昂贵的过程由Ti-6Al-4V及许多其它钛合金生产。因为Ti-6Al-4V的强度对于冷轧太高，且材料择优地组织加强，导致实质上没有延展性的横向性能。Ti-6Al-4V片材一般通过叠轧制作为单一的片材生产。单一片材的Ti-6Al-4V需要比多数轧机产生的更大的轧机力，并且材料必须依旧热轧。单一片材迅速失热，在每次轧制道次后需要再加热。因此，中间规格的Ti-6Al-4V片材/板材堆叠两个或更高并封入钢罐内，其被整体轧制。然而，因为制罐的工业模式不能利用真空密封，在热轧后，每个片材必须进行带式磨光和用沙磨以去除易碎的氧化层，该氧化层严重抑制延展的制造。磨光过程引入来自砂粒的撞击痕迹，其作为这种缺口敏感材料的裂纹起始点。因此，片材也必须酸洗以去除撞击痕迹。另外，每个片材在所有侧面上要切边，当片在张拉辊磨床内磨光时，使通常留下一端夹紧有2-4英寸的切边。通常，每个表面至少约0.003英寸被磨掉，并每个表面至少约0.001英寸被酸洗掉，导致每个片通常至少约0.008英寸的损失。例如，对于0.025英寸最终厚度的片材，轧制成合适尺寸的片材必须为0.033英寸，不考虑切边损失，通过磨光和酸洗为约24％的损失。有关叠轧后处理单个片材的罐用钢的成本，磨带的成本，及劳动力成本致使具有0.040英寸厚度或更小厚度的片材十分昂贵。因此，可以理解以连续的卷式(Ti-6Al-4V通常以尺寸36×96英寸和48×120英寸的标准片材生产)提供具有类似于或优于Ti-6Al-4V的机械性能的冷轧α-β钛合金的能力是重大的改进。

基于发明人的观察，在包括Koch’s型轧机的各种棒型轧机上的棒材，杆材和线材的冷轧，也可以在Kosaka合金上实现。可以用来由Kosaka合金形成制品的冷加工技术的另外例子包括用于无缝管，管道和导管制造的挤压管状空心管坯的皮尔格轧制(摇动式锻造)。基于观察的Kosaka合金性能，认为大的面积缩减(RA)可以以压缩成形而不使用扁平型轧制而达到。杆，线，棒和管状空心管坯的拉拔也可以实现。Kosaka合金尤其有吸引力的应用为用于无缝管生产的拉拔或皮尔格式轧制形成管状空心管坯，其用Ti-6Al-4V合金尤其难以达到。使用Kosaka合金可以实现旋压(在本领域内也称为剪切旋压)以生产包括圆锥体，圆柱体，飞机导管，喷嘴之类的轴对称空管形式，及其它“导流”型部件。可以使用诸如液压成形或鼓肚成形之类的各种流体或气体型的压缩的，扩张型的成形操作。可以实现连续型坯料的轧制成形以形成“角铁”种类和“单支柱”类结构件的不同结构。另外，基于发明人的发现，通常有关片材金属加工的操作，诸如冲压，精冲裁，模压，深拉拔，精压可以适用于Kosaka合金。

除了上面的冷成形技术，认为其它可用于由Kosaka合金形成制品的“冷”技术包括，但不限制于，锻造，挤压，旋压，液压成形，鼓肚成形，轧制成形，旋锻，冲击挤压，爆炸成形，橡胶成形，逆向挤压，冲孔，旋压，拉伸成形，压缩弯曲，电磁成形，及冷镦。普通的技术人员在考虑发明人的观察和结论及本发明说明书提供的其它细节的基础上，可易于理解可以适用于Kosaka合金的其它的冷加工/成形技术。并且，普通技术人员易于把这种技术应用到合金而不要过多的试验。因此，本文描述了仅仅合金冷加工的某些例子。这些冷加工和成形技术的应用可以提供多种制品。这些制品包括，但不必要限制于下列：片材，带材，箔，板材，棒，杆，线材，管状空心管坯，管道，管，织物，网，结构件，圆锥体，圆柱体，导管，管道，喷嘴，蜂巢结构，紧固件，铆钉和垫圈。

未预料到的Kosaka合金在高加工温度的低流动阻力和未预料到的随后的冷加工合金的能力的结合在许多情况下应该允许以比使用传统的Ti-6Al-4V合金更低成本的生产形式生产同样产品。例如，认为具有标称成分Ti-4Al-2.5V-1.5Fe-.25O2的Kosaka合金的实施例可以以某些产品形式以比Ti-6Al-4V合金更大产量进行生产，因为Kosaka合金在两个合金的典型的α+β加工期间经历更少的表面和边缘检查。从而，Ti-4Al-2.5V-1.5Fe-.25O2需要更少的导致材料损失的表面磨光和其它表面修整的一种事实。认为在许多情况下，当由两种合金生产精加工产品时，将证实甚至更大程度的产量的差别。另外，在α-β热加工温度的Kosaka合金的未预料到的低流动阻力要求更少次数的再加热并在刀具加工上产生较低的应力，两者将进一步降低加工成本。并且，当Kosaka合金的这些特性与其未预料到的冷加工性的程度相结合时，较之对Ti-4Al-6V给于热叠轧和磨光Ti-6Al-4V片材的传统要求，可以得到极大的成本优点。使用类似于由不锈钢制造的卷材产品中使用的加工技术，结合在高温流动的低阻力和冷可加工性应使Kosaka合金尤其适于加工成卷材的形式。

Kosaka合金未预料到的冷加工性导致更好的表面精加工和对去除通常产生在Ti-6Al-4V叠轧片材上的大量的表面鳞片和分散的氧化物层的表面修整的降低需要。本发明人已经观察到进行冷加工的水平，认为带卷长度的箔厚度产品可以由具有类似于Ti-6Al-4V性能的Kosaka合金生产。

发明人的加工Kosaka合金的各种方法的实施例如下。

实施例

除非另外指出，在本公开中列出的所有表示组分，成分，时间，温度等量的数字将理解为在所有情况下都由术语“约”修饰。因此，除非有相反指出，在说明书和权利要求中列出的数字参数是近似值，其依赖于通过本发明试图获得的所需要的性能而变化。至少，且不作为把等价物的原则的应用限制于权利要求范围的企图，每个数字参数应至少认为根据报道的有效数字的数值并通过普通的舍入技术解释。

虽然陈述本发明广阔范围的数字范围和参数是近似值，但具体实施例中陈述的数字值尽可能精确记载。然而，任何数字值，可能固有地包含不可避免地来源于在其各自的测试测量中发现的标准偏差的某些误差。

实施例1

无缝管是通过由具有标称成分Ti-4Al-2.5V-1.5Fe-.25O2的一炉Kosaka合金挤压管状空心管坯制备。合金实际测量的化学成分示于下表4：

表4

  合金元素   含量   铝   4.02-4.14wt.％   钒   2.40-2.43wt.％

  合金元素   含量   铁   1.50-1.55wt.％   氧   2300-2400ppm   碳   246-258ppm   氮   95-110ppm   硅   200-210ppm   铬   210-240ppm   钼   120-190ppm

合金在1700°F(约927℃)锻造，随后在约1600°F(约871℃)旋转锻造。合金计算的Tβ近似为1790°F(约977℃)。两个热锻造合金的坯料，每个具有6英寸的外径和2.25英寸的内径，挤压成具有3.1英寸的外径和2.2英寸的内径管状空心管坯。第一个坯料(坯料#1)是在约788℃(约1476°F)挤压并产出用于摇动锻造形成无缝管的符合要求的约4英尺的材料。第二个坯料(坯料#2)在约843℃(约1575°F)沿着其整个长度挤压并产出符合要求的挤压的管状空心管坯。在每个情况下，挤压材料的形状，大小及表面光洁度表明能够通过在退火和修整后皮尔格轧制或摇摆式锻造成功地进行冷加工材料。

进行的研究确定了经受各种热处理后挤压材料的抗拉性能。研究的结果列于下表5中。表5最初的两行列出了用于以“作为挤压”形式挤压的测量性能。其余的行涉及来自每个挤压的样品，其经历另外的热处理，在一些情况下水淬(“WQ”)或空冷(“AC”)。最后四行相继列出采用的每个热处理步骤的温度。

  加工   温度   屈服强度  (KSI) 极限抗拉强度  (KSI) 伸长(％)   挤压(钢坯#1)   N/A   131.7   148.6   16   挤压(钢坯#2)   N/A   137.2   149.6   18   退火4小时(#1)   1350°F/732℃   126.7   139.2   18   退火4小时(#2)   1350°F/732℃   124.4   137.9   18   退火4小时(#1)   1400°F/760℃   125.4   138.9   19   退火4小时(#2)   1400°F/760℃   124.9   139.2   19

  加工   温度   屈服强度  (KSI) 极限抗拉强度  (KSI) 伸长(％)   退火1小时(#1)   1400°F/760℃   124.4   138.6   18   退火1小时(#2)   1400°F/760℃   127.0   139.8   18   退火4小时(#1)   1450°F/788℃   127.7   140.5   18   退火4小时(#2)   1450°F/788℃   125.3   139.0   19   退火1小时+WQ(#1)   1700°F/927℃   N/A   187.4   12   退火1小时+WQ(#2)   1700°F/927℃   162.2   188.5   15   退火1小时+WQ+8小时+AC(#1)   1700°F/927℃  1000°F/538℃   157.4   175.5   13   退火1小时+WQ+8小时+AC(#2)   1700°F/927℃  1000°F/538℃   159.5   177.9   9   退火1小时+WQ+1小时+AC(#1)   1700°F/927℃  1400°F/760℃   133.8   147.5   19   退火1小时+WQ+1小时+AC(#2)   1700°F/927℃  1400°F/760℃   132.4   146.1   18

表5的结果示出了可与热轧和退火板材及随后冷轧的前身平轧件比较的强度。表5中在1350°F(约732℃)至1450°F(约788℃)退火所列出的时间(此处称之为“轧制退火”)的结果表明通过摇摆式锻造或皮尔格轧制或拉拔挤压可以容易地冷轧成管。例如，这些抗拉结果可与发明人从冷轧和退火Ti-4Al-2.5V-1.5Fe-.25O2，及发明人用传统地挤压成管的Ti-3Al-2.5V合金的现有工作中所获得的结果相比。

表5中水淬和时效样品的(称之为“固溶处理和时效”的“STA”)结果表示由挤压生产的冷摇摆式锻造/皮尔格轧制的管子能够在其后的热处理获得更高的强度，同时维持一些残余延展性。这些STA性能当与那些Ti-6Al-4V和次级别变体比较时是良好的。

实施例2

制备上面描述的表5的热锻Kosaka合金的另外的坯料并成功地挤压成管状空心管坯。输入坯料的两个尺寸用来获得两个尺寸的挤压管。坯料机加工成6.69英寸的外径和2.55英寸的内径的坯料挤压成标称3.4英寸的外径和2.488英寸的内径。机加工成6.04英寸的外径和2.25英寸的内径的两个坯料挤压成标称3.1英寸的外径和2.25英寸的内径。挤压发生在1450°F(约788℃)的目标点，最大1550°F(约843℃)。选择这个温度范围使得挤压在低于计算温度Tβ(约1790°F)下发生，但也足以获得塑性流动。

挤压的管材呈现良好的表面质量和表面精加工，没有可见的表面损伤，为圆形和具有均匀的壁厚，并沿着其长度具有均匀的尺寸。这些观察与表5的抗拉结果和发明人对冷轧相同材料的经验相结合，表明管状挤压可以通过冷加工进一步加工成满足工业要求的管材。

实施例3

如上面实施例1中描述的热锻的表5中几个α-β钛合金试样在低于计算的Tβ50-150°F(约28℃至约83℃)的温度在α-β范围内轧制成约0.225英寸厚。该合金试验表明在α-β范围内轧制，接着轧制退火产生的最好的冷轧结果。然而，基于需要的结果，预期轧制温度可以在Tβ以下的温度范围内降低到至轧制退火范围。

冷轧之前，试样轧制退火，随后进行喷砂和酸洗以去除α表层和富氧的或稳定的表面。试样在环境温度下冷轧，不应用外热。(试样通过绝热加工升温至约200-300°F(约93℃至约149℃)，不认为是冶金上的意义)。冷轧样品随后进行退火。几个退火的0.225英寸厚的试样进行冷轧为约0.143英寸厚，通过几个轧制道次减少约36％。两个0.143英寸的试样在1400°F(760℃)退火1小时，随后不应用外热的环境温度下被冷轧为约0.0765英寸，缩减约46％。

在较厚的样品冷轧期间，观察到每道次0.001-0.003英寸的缩减。在较薄的规格，即接近退火前所要求的冷缩减的限度，观察到在小到0.001英寸的缩减前需要几个道次。可获得的每道次的厚度缩减部分依赖于轧机类型，轧机配置，加工辊直径，及其它因素，这一点普通技术人员是明白的。材料冷轧的观察表明至少约35-45％的极限缩减在需要退火前容易达到。冷轧样品除了在材料实际延展性极限处出现的轻微的边缘裂纹之外没有可见的损伤或缺陷。这些观察表明用于冷轧的α-βKosaka合金的适宜性。

中间和最终规格试样的抗拉性能列于下表6内。这些性能可与Ti-6Al-4V材料所要求的抗拉性能相当，所述Ti-6Al-4V材料如：AMS4911H(航空材料规范，钛合金，片，带，及板6Al-4V，退火的)；ML-T-9046J(表III)；及DMS1592C的工业规范标准中阐述。

  材料厚度  (英寸)   屈服强度  (KSI)   纵向  极限抗拉强度  (KSI)   伸长  (％)   屈服强度  (KSI)   横向  极限抗拉强度  (KSI)   伸长  (％)   0.143   125.5   141.9   15   153.4   158.3   16   0.143   126.3   142.9   15   152.9   157.6   16   0.143   125.3   141.9   15   152.2   157.4   16   0.0765   125.6   145.9   14   150.3   157.3   14   0.0765   125.9   146.3   14   150.1   156.9   15

根据ASTM E290评价了退火试样的弯曲性能。这些测试包括把平的试样放置在两个固定的轧辊上，随后把试样推入具有基于材料厚度半径的心轴的轧辊之间，直到获得105°的弯曲角度。随后检验样品的裂纹。冷轧样品展示弯曲为比于Ti-6Al-4V材料更紧的半径(fighter radii)(通常获得3T的弯曲半径，或在一些情况下为2T，此处“T”为样品厚度)的能力，同时还展示可与Ti-6Al-4V相比较的强度水平。基于这个和其它弯曲测试的观察，认为许多Kosaka合金形成的冷轧制品可以弯曲为约制品厚度的4倍或更小的半径的弧形，而不破坏制品。

这个实施例中冷轧观察和强度及弯曲性能测试表明Kosaka合金可以加工成冷轧带，并且还可以进一步缩减为很薄规格的产品，诸如箔。这在发明人另外的测试中得到确认，其中具有本例中化学成分的Kosaka合金在森吉米尔式轧机(Sendzimir mill)上成功冷轧为0.011英寸或更小的厚度。

实施例4

具有上表4的化学成分的α-β加工的Kosaka合金板通过在低于Tβ50-150°F(约28℃至约83℃)范围内的约1735°F(约946℃)下横轧板材而制备。板材在1715°F(约935℃)下从标称0.980英寸的厚度热轧成标称0.220英寸的厚度。为了研究哪个中间退火参数对随后的冷缩减提供合适的条件，把板材切成四个单个的部分(#1到#4)且将部分如表7所指示的进行处理。每个部分首先退火约一小时随后经受带有持续约一小时中间退火的两次冷轧(CR)步骤。

表7

  部分   处理   最终规格  (英寸)   #1   退火@1400°F(760℃)/CR/  退火@1400°F(760℃)/CR   0.069   #2   退火@1550°F(约843℃)/CR/  退火@1400°F(760℃)/CR   0.066   #3   退火@1700°F(约927℃)/CR/  退火@1400°F(760℃)/CR   0.078   #4   退火@1800°F(约982℃)/CR/  退火@1400°F(760℃)/CR   N/A

在冷轧步骤中，进行轧制道次直到开始可见的边缘裂纹，其为材料接近实际可加工限度的早期指示。如发明人的用Kosaka合金的其它冷轧试验所看到的，表7中初始的冷缩减试验约30-40％，更通常地为33-37％。对预冷缩减退火和中间退火使用1400°F(760℃)一小时的参数提供合适的结果，尽管应用于表7的其它部分的加工也适用。

发明人还确定在1400°F(760℃)退火四小时，或在1350°F(约732℃)或1450°F(约787℃)退火相等的时间，对随后的冷缩减和有益的机械性能，诸如抗拉和弯曲效果也基本给予材料同样的能力。观察到甚至更高的温度，诸如低于Tβ50-150°F(约28℃-约83℃)的“固溶范围”，呈现材料韧化并使随后的冷缩减更加困难。在β区域内退火，T＞Tβ，对随后的冷缩减不产生益处。

实施例5

制备具有下列成分的Kosaka合金：4.07wt％的铝；229ppm的碳；1.69wt％的铁；86ppm的氢；99ppm的氮；2100ppm的氧；及2.60wt％的钒。合金通过在2100°F(约1149℃)下开始将30英寸直径的VAR合金的金属锭锻造成标称20英寸厚29英寸宽的横截面，依次又在1950°F(约1066℃)锻造成标称10英寸厚29英寸宽的横截面。磨光/修整后，材料在1835°F(约1002℃)(依然在约1790°F(约977℃))的Tβ以上)下锻造成标称4.5英寸厚的板坯，其随后通过磨光和酸洗修整。一部分板坯在低于Tβ约65°F(约36℃)的1725°F(约941℃)下轧制成约2.1英寸的厚度并退火。2.1英寸板的12×15英寸的片随后热轧制成标称0.2英寸厚度的热带。在1400°(760℃)退火一小时后，片被喷砂和酸洗，冷轧成约0.143英寸后，在1400°(760℃)空气退火一小时，并修整。如本领域所周知的，修整可以包括一个或更多表面处理，诸如喷砂，酸洗和磨光，以去除表面鳞片，氧化物和缺陷。再次冷轧带，这次达到约0.078英寸厚，并类似地退火和修整，再轧制到0.045英寸厚。

在轧制成0.078英寸厚时，得到的片材切成容易处理的两片。然而，为了在需要卷材的设备上进一步测试，两片焊接在一起且尾部接合到带子上。焊接金属的化学成分大致与基体金属相同。使用提供延展性堆焊的用于钛合金的传统方法能够焊接合金。随后冷轧(焊接不轧制)带子以提供标称0.045英寸厚度的带子，并在连续退火炉中在1425°F(约774℃)以1英尺/分钟的进料速度进行退火。如所知道的，连续退火是通过移动带子通过半保护气氛内的热区而完成，半保护气体包括氩，氦，氮，或一些其它在退火温度下具有有限反应性的气体。半保护气氛意在排除喷砂及随后严重地酸洗退火以去除较深氧化物的必要性。连续退火炉通常用在工业规模加工中，并且因此，进行测试以模拟在工业生产环境中由Kosaka合金生产盘绕带。

收集带子退火的结合部分之一的样品以评价抗拉性能，随后冷轧带子。结合部分之一从约0.041英寸的厚度冷轧为约0.022英寸，缩减46％。剩余部分从约0.042英寸的厚度冷轧为约0.024英寸，缩减43％。当突然的边缘裂纹在每个结合部分出现时，中断轧制。

冷轧后，带子在焊接线重新分为两个单个的带子。带子的第一部分随后在连续退火线上在1425°F(约774℃)以1英尺/分钟的进料速度退火。带子的退火的第一部分的抗拉性能在下面表8引出，每个测试进行了两次。表8的抗拉强度大致与由初始连续退火后和第一冷缩减前收集的样品的性能相同。所有的样品具有类似的良好的抗拉性能表明合金可以有效连续地退火。

表8

  测试运  行号   屈服强度  (KSI)   纵向  极限抗拉强度  (KSI)   伸长  (％)   屈服强度  (KSI)   横向  极限抗拉强度  (KSI)   伸长  (％)   #1   131.1   149.7   14   153.0   160.8   10

  测试运  行号   屈服强度  (KSI)   纵向  极限抗拉强度  (KSI)   伸长  (％)   屈服强度  (KSI)   横向  极限抗拉强度  (KSI)   伸长  (％)   #2   131.4   150.4   12   152.6   160.0   12

这个实施例中获得的冷轧结果非常好。连续退火适于软化材料以便另外的冷缩减至薄的规格。施加压力更均匀地穿过工件宽度的森吉米尔式轧机的使用，可以在必要的退火之前增加可能的冷轧。

实施例6

提供一部分具有表4显示的化学成分的Kosaka合金坯料并朝着生产线材的端部按下处理。坯料在锻造压机上在约1725°F(约941℃)锻造成约2.75英寸直径的圆棒，随后在旋转锻造机上锻造使其成圆形。棒随后在小的旋转锻模上以两个步骤进行锻造/旋锻，每个在1625°F(855℃)，开始至1.25英寸直径，随后至0.75英寸的直径。在喷砂和酸洗后，杆被平分，一半在炽热的温度以下旋锻为约0.5英寸。0.5英寸的杆在1400°F(760℃)退火1小时。

材料在旋锻期间流动很好，没有表面损伤。微结构检查显示完好的结构，没有空洞，孔隙，或其它缺陷。测试退火材料的第一个样品的抗拉性能，其展示126.4KSI的屈服强度，147.7KSI的极限抗拉强度，及18％的总伸长。第二个退火棒样品展示125.5KSI的屈服强度，146.8KSI的极限抗拉强度，及18％的总伸长。从而，样品展示类似于Ti-6Al-4V的屈服和极限抗拉强度，但具有改进的延展性。Kosaka合金展示的增加的可加工性可与其它类似强度的，还需要增加中间加热和加工步骤次数及另外的磨光以去除来源于热机械加工损伤的表面缺陷的钛合金比较，表现出极大的优点。

实施例7

如上面所讨论，Kosaka合金最初为了用作弹道装甲板而开发。未预料地观察到合金可以容易地冷加工并在冷加工条件在更高的强度水平下展示极大的延展性，发明人决定研究冷加工是否影响弹道性能。

如实施例5描述的制备具有表4中所示的化学成分的α-β处理的Kosaka合金的2.1英寸(约50mm)厚度的板材。板在1715°F(935℃)热轧成近似1.090英寸的厚度。轧制方向垂直于前面的轧制方向。板在空气中在近似1400°F(760℃)退火约一小时并随后喷砂和酸洗。样品随后在近似1000°F(约538℃)轧制成0.840英寸厚并切成两个相等的部分。一部分保留在轧制状态。剩余部分在1690°F(约921℃)退火近似一小时随后空冷。(材料的计算Tβ为1790°F(约977℃))。两个部分喷砂和酸洗并送去进行弹道测试。同一坯料的相等厚度的材料的“剩余”也进行弹道测试。剩余部分以通常用在弹道装甲板的生产的方式进行处理，通过热轧，固溶退火，及在近似1400°F(约760℃)轧后退火至少一小时。固溶退火通常在低于Tβ50-150°F(约28℃至约83℃)进行。

测试实验室评价样品抵抗每MIL-DTL-96077F的20mm破片模拟弹(FSP)和14.5mm API B32子弹。14.5mm子弹作用在每个样品上的效果表明没有可辨别的不同，所有测试件被速度为每秒2990至3018英尺的14.5mm子弹完全穿透。20mm FSP子弹的结果示于表10(MIL-DTL-96077F要求的V50为2529fps)。

表10

  材料   规格  (英寸)   V50  (fps)   射击   1000°F(约538℃)轧制+退火   0.829   2843   4   1000°F(约538℃)轧制，不退火   0.830   N/A   3   热轧+退火(传统的)   0.852   2782   4

如表10所示，在1000°F(约538℃)轧制，随后“固溶范围”退火(标称在1690°F(约921℃)1小时随后空冷)的材料抵抗FSP子弹的表现比在1000°F(约538℃)轧制随后不退火的材料，及以用于由Kosaka合金形成装甲板的传统的方式热轧和退火的材料好很多。从而，表10的结果表明在由Kosaka合金生产装甲板的过程中采用比传统的轧制温度低得多的轧制温度导致改进的FSP装甲性能。

因此，确定具有标称成分Ti-4Al-2.5V-1.5Fe-.25O2的Kosaka合金的20mm FSP子弹的V50装甲性能通过应用新的热机械加工改进50-100fps。在一种形式中，新的热机械加工包括首先采用在Tβ以下的传统的α-β热加工温度(通常，Tβ以下50-150°F(约28℃至约83℃))下相对常规的热轧，这种方式为了得到板的纵向和长度横向方向内接近相等的应变。随后应用在1400°F(约760℃)近似一小时的中间轧制退火。板材随后在比传统所用于热轧制由Kosaka合金制造的装甲板的温度低很多的温度下轧制。例如，认为板可以在Tβ以下400-700°F(222℃至约389℃)或更低的温度下轧制，温度比以前认为Kosaka合金可能使用的温度低很多。轧制可以用来获得例如在板厚度内15-30％的缩减。这种轧制后，板在固溶温度范围内，通常Tβ以下50-100°F(约28℃至约83℃)退火合适的时间间隔，例如可以为50-240分钟的范围。退火后的板随后通过通常的金属板精整操作进行精整，以去除alpha(α)材料的表皮。这种精整操作可以包括，但不限制于，喷砂，酸洗，磨光，机加工，抛光，和砂磨，从而产生光滑的表面精整以优化弹道性能。

应理解本说明书说明了有关清楚理解本发明的那些方面。本发明的某些方面对本领域内的普通技术人员是显而易见的，因此为了简化本描述没有介绍不促进本发明的更好的理解。尽管已经描述了本发明的实施方案，本领域内的普通技术人员，基于考虑前面的描述，将认识到可以采用本发明的许多更改和变化。本发明的所有这些变化和更改意在由前面的描述和下面的权利要求所覆盖。

发明人

John J.Hebda，1480 N.W.Patrick Lane，Albany，Oregon 97321；Randall W.Hickman，P.O.Box 1005，Jefferson，Oregon 97352；和Ronald A.Graham，37657th Court South，Salem，Oregon 97302.

发明背景