KR102221443B1 - 압출된 티타늄 제품을 마무리하기 위한 개선된 방법 - Google Patents
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Abstract
본 개시는 압출된 근사정형 공작물을 생성하고, 압출된 근사정형 공작물을 베타 트랜서스 온도 아래의 냉각된 온도로 냉각시키고, 이어서 압출된 근사정형 공작물을 압연 온도에서 1회 이상 압연하여 원하는 특성을 갖는 최종 형상 공작물을 생성하는 것에 의해 압출된 근사정형 공작물을 마무리하는 방법에 관한 것이다.
Description
티타늄 합금은 이의 저밀도(강철 밀도의 60%) 및 이의 높은 강도로 공지되어 있다. 또한, 티타늄 합금은 우수한 내식성을 가질 수 있다. 순수한 티타늄은 실온에서 알파 (hcp) 결정 구조를 갖는다.
광범위하게, 본 특허 출원은 고온 압출 및 하나 이상의 압연 단계를 결합하는 공정을 통해 형상된 티타늄 공작물(workpiece)을 형성하는 개선된 공정에 관한 것이다. 상기 신규한 형상된 공작물은 종래의 티타늄 재료와 비교하여 개선된 특성(예컨대, 개선된 강도, 개선된 등방성)을 실현할 수 있다.
일 실시양태에서, 티타늄 합금 공작물을 생성하는 방법은 (a) 티타늄 합금의 캐스트 잉곳 또는 가공된(wrought) 빌릿을 이의 베타 트랜서스 온도 위의 온도로 가열하여 가열된 공작물을 생성하는 단계; (b) 가열된 공작물이 베타 트랜서스 온도 위에 있는 동안 가열된 공작물의 압출을 개시하여, 압출된 근사정형 공작물을 생성하는 단계, (c) 압출된 근사정형 공작물을 베타 트랜서스 온도 아래의 냉각된 온도로 냉각시키는 단계, 및 (d) 압출된 근사정형 공작물을 압연 온도에서 1회 이상 압연하여 최종 형상 공작물을 생성하는 단계를 포함할 수 있으며, 여기서, 상기 압연 온도는 상기 합금의 초기 용융 온도 아래의 온도이고 베타 트랜서스 온도의 600 ℉(333 ℃) 이내이다. 일부 실시양태에서, 상기 티타늄 합금은 알파-베타 합금, 예컨대 Ti-6Al-4V이다. 일부 실시양태에서, 최종 형상의 공작물의 생성을 용이하게 하기 위해 열 처리, 예컨대 어닐링(예컨대, 응력 제거 어닐링) 및/또는 열 처리가 임의의 압출 및/또는 압연 단계 전후에 사용될 수 있다.
일부 실시양태에서, 상기 방법은 가열 단계 (a) 후에, 압연 단계 (b)를 개시하기 전에 상기 가열된 공작물의 표면을 보호제로 보호하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 상기 보호제는 윤활제 또는 이형제일 수 있으며, 일부 실시양태에서, 상기 보호제는 압연 단계 (d) 전에 제거될 수 있다.
냉각 단계 (c)의 일부 실시양태에서, 냉각된 온도는 실온일 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 방법은 냉각 단계 (c) 후에, 임의의 보호제를 제거하기 위해 압연 단계 (d) 이전에 상기 근사정형 공작물을 세정/준비하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
일부 실시양태에서, 상기 압연 단계 (d)는 0.1 s-1 내지 100 s-1의 변형 속도로 압연하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 압연 단계는 1% 내지 95%의 상대 감소(relative reduction)에 의해 근사정형 공작물을 균일하게 감소시켜 최종 형상 공작물을 달성하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 압연 단계는 10% 내지 90%의 상대 감소에 의해 근사정형 공작물을 균일하게 감소시켜 최종 형상 공작물을 달성하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 압연 단계는 20% 내지 85%의 상대 감소에 의해 근사정형 공작물을 균일하게 감소시켜 최종 형상 공작물을 달성하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 압연 단계는 30% 내지 80%의 상대 감소에 의해 근사정형 공작물을 균일하게 감소시켜 최종 형상 공작물을 달성하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 압연 단계는 40% 내지 75%의 상대 감소에 의해 근사정형 공작물을 균일하게 감소시켜 최종 형상 공작물을 달성하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 압연 단계는 50% 내지 70%의 상대 감소에 의해 근사정형 공작물을 균일하게 감소시켜 최종 형상 공작물을 달성하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 압연 단계는 55% 내지 65%의 상대 감소에 의해 근사정형 공작물을 균일하게 감소시켜 최종 형상 공작물을 달성하는 단계를 포함할 수 있다.
일부 실시양태에서, 상기 압연 단계는 1% 내지 95%의 상대 감소에 의해 근사정형 공작물의 제1 섹션을 감소시켜 제1 섹션이 감소된 최종 형상 공작물을 달성하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 압연 단계는 10% 내지 90%의 상대 감소에 의해 근사정형 공작물의 제1 섹션을 감소시켜 제1 섹션이 감소된 최종 형상 공작물을 달성하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 압연 단계는 20% 내지 85%의 상대 감소에 의해 근사정형 공작물의 제1 섹션을 감소시켜 제1 섹션이 감소된 최종 형상 공작물을 달성하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 압연 단계는 30% 내지 80%의 상대 감소에 의해 근사정형 공작물의 제1 섹션을 감소시켜 제1 섹션이 감소된 최종 형상 공작물을 달성하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 압연 단계는 40% 내지 75%의 상대 감소에 의해 근사정형 공작물의 제1 섹션을 감소시켜 제1 섹션이 감소된 최종 형상 공작물을 달성하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 압연 단계는 50% 내지 70%의 상대 감소에 의해 근사정형 공작물의 제1 섹션을 감소시켜 제1 섹션이 감소된 최종 형상 공작물을 달성하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 압연 단계는 55% 내지 65%의 상대 감소에 의해 근사정형 공작물의 제1 섹션을 감소시켜 제1 섹션이 감소된 최종 형상 공작물을 달성하는 단계를 포함할 수 있다.
일부 실시양태에서, 상기 압연 단계는 1% 내지 95%의 상대 감소에 의해 근사정형 공작물의 적어도 제2 섹션(상기 제1 섹션과 상이함)을 감소시켜 적어도 제1 및 제2 섹션이 감소된 최종 형상 공작물을 달성하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 압연 단계는 10% 내지 90%의 상대 감소에 의해 근사정형 공작물의 적어도 제2 섹션을 감소시켜 적어도 제1 및 제2 섹션이 감소된 최종 형상 공작물을 달성하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 압연 단계는 20% 내지 85%의 상대 감소에 의해 근사정형 공작물의 적어도 제2 섹션을 감소시켜 적어도 제1 및 제2 섹션이 감소된 최종 형상 공작물을 달성하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 압연 단계는 30% 내지 80%의 상대 감소에 의해 근사정형 공작물의 적어도 제2 섹션을 감소시켜 적어도 제1 및 제2 섹션이 감소된 최종 형상 공작물을 달성하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 압연 단계는 40% 내지 75%의 상대 감소에 의해 근사정형 공작물의 적어도 제2 섹션을 감소시켜 적어도 제1 및 제2 섹션이 감소된 최종 형상 공작물을 달성하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 압연 단계는 50% 내지 70%의 상대 감소에 의해 근사정형 공작물의 적어도 제2 섹션을 감소시켜 적어도 제1 및 제2 섹션이 감소된 최종 형상 공작물을 달성하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 압연 단계는 55% 내지 65%의 상대 감소에 의해 근사정형 공작물의 적어도 제2 섹션을 감소시켜 적어도 제1 및 제2 섹션이 감소된 최종 형상 공작물을 달성하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
일부 실시양태에서, 상기 압연 온도는 베타 트랜서스 온도 위이고 초기 용융 온도 아래인 온도일 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 압연 온도는 베타 트랜서스 온도 위이고 베타 트랜서스 온도의 500 ℉(278 ℃) 이내인 온도일 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 압연 온도는 베타 트랜서스 온도 위이고 베타 트랜서스 온도의 250 ℉(139 ℃) 이내인 온도일 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 압연 온도는 베타 트랜서스 온도 위이고 베타 트랜서스 온도의 100 ℉(55.6 ℃) 이내인 온도일 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 압연 온도는 베타 트랜서스 온도 위이고 베타 트랜서스 온도의 50 ℉(27.8 ℃) 이내인 온도일 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 상기 압연 온도는 베타 트랜서스 온도 아래이고 베타 트랜서스 온도의 600 ℉(333 ℃) 이내인 온도일 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 압연 온도는 베타 트랜서스 온도 아래이고 베타 트랜서스 온도의 300 ℉(167 ℃) 이내인 온도일 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 압연 온도는 베타 트랜서스 온도 아래이고 베타 트랜서스 온도의 100 ℉(55.6 ℃) 이내인 온도일 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 압연 온도는 베타 트랜서스 온도 아래이고 베타 트랜서스 온도의 50 ℉(27.8 ℃) 이내인 온도일 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 압연 온도는 베타 트랜서스 온도 아래의 600 ℉(333 ℃) 위의 온도이고, 상기 압연 단계 (d)는 최종 형상 공작물의 균열 또는 내부 야금학적 결함의 발달을 방지하기 위해 각각의 압연 단계의 통과 당 감소를 제한하는 단계를 추가로 포함한다.
본원에 기술된 신규한 공정은 개선된 특성을 갖는 최종 형상 공작물을 생성할 수 있다. 일 접근법에서, 신규한 최종 형상의 공작물은 참조된 티타늄 합금 본체와 비교하여 적어도 3% 더 높은 강도(TYS 및/또는 UTS)(L)를 실현하고, 이때, 상기 참조된 티타늄 합금 본체는 최종 형상 공작물과 동일한 조성을 가지며, 최종 형상 공작물과 동일한 템퍼에 있지만, 최종 형상 공작물의 두께에 따라 시트, 스트립 또는 플레이트(예컨대, AMS 4911, § 3.3.1-3.3.2에 따라)의 형태이다. 상기 최종 형상 공작물 및 참조된 티타늄 합금 본체는 허용되는 상업적 오차(예컨대, AMS 2242) 이내에서 동일한 최종 두께를 가져야 한다. 동일한 템퍼 내에서 참조-버전의 티타늄 합금 본체를 생산하기 위해, 일반적으로 최종 형상 공작물과 참조된 티타늄 합금 본체 둘 모두에 동일한 열 이력을 제공한다.
일 실시양태에서, 신규한 최종 형상의 공작물은 참조된 티타늄 합금 본체와 비교하여 적어도 5% 더 높은 인장 항복 강도(TYS 및/또는 UTS)(L)를 실현한다. 일 실시양태에서, 신규한 최종 형상의 공작물은 참조된 티타늄 합금 본체와 비교하여 적어도 7% 더 높은 인장 항복 강도(TYS 및/또는 UTS)(L)를 실현한다. 일 실시양태에서, 신규한 최종 형상의 공작물은 참조된 티타늄 합금 본체와 비교하여 적어도 9% 더 높은 인장 항복 강도(TYS 및/또는 UTS)(L)를 실현한다. 일 실시양태에서, 신규한 최종 형상의 공작물은 참조된 티타늄 합금 본체와 비교하여 적어도 11% 더 높은 인장 항복 강도(TYS 및/또는 UTS)(L)를 실현한다. 일 실시양태에서, 신규한 최종 형상의 공작물은 참조된 티타늄 합금 본체와 비교하여 적어도 12% 더 높은 인장 항복 강도(TYS 및/또는 UTS)(L)를 실현한다. 일 실시양태에서, 신규한 최종 형상의 공작물은 참조된 티타늄 합금 본체와 비교하여 적어도 13% 더 높은 인장 항복 강도(TYS 및/또는 UTS)(L)를 실현한다.
일 실시양태에서, 신규한 최종 형상의 공작물은 참조된 티타늄 합금 본체와 비교하여 적어도 5% 더 높은 인장 항복 강도(TYS 및/또는 UTS)(LT)를 실현한다. 일 실시양태에서, 신규한 최종 형상의 공작물은 참조된 티타늄 합금 본체와 비교하여 적어도 7% 더 높은 인장 항복 강도(TYS 및/또는 UTS)(LT)를 실현한다. 일 실시양태에서, 신규한 최종 형상의 공작물은 참조된 티타늄 합금 본체와 비교하여 적어도 9% 더 높은 인장 항복 강도(TYS 및/또는 UTS)(LT)를 실현한다. 일 실시양태에서, 신규한 최종 형상의 공작물은 참조된 티타늄 합금 본체와 비교하여 적어도 11% 더 높은 인장 항복 강도(TYS 및/또는 UTS)(LT)를 실현한다. 일 실시양태에서, 신규한 최종 형상의 공작물은 참조된 티타늄 합금 본체와 비교하여 적어도 12% 더 높은 인장 항복 강도(TYS 및/또는 UTS)(LT)를 실현한다. 일 실시양태에서, 신규한 최종 형상의 공작물은 참조된 티타늄 합금 본체와 비교하여 적어도 13% 더 높은 인장 항복 강도(TYS 및/또는 UTS)(LT)를 실현한다.
일 실시양태에서, 신규한 최종 형상의 공작물은 등방성을 실현하며, 여기서, 상기 LT 방향의 인장 항복 강도(TYS)는 상기 L 방향의 10 ksi의 인장 항복 강도(TYS) 이내이다. 일 실시양태에서, 상기 TYS(LT)는 8 ksi의 TYS(L) 이내이다. 일 실시양태에서, 상기 TYS(LT)는 7 ksi의 TYS(L) 이내이다. 일 실시양태에서, 상기 TYS(LT)는 6 ksi의 TYS(L) 이내이다. 일 실시양태에서, 상기 TYS(LT)는 5 ksi의 TYS(L) 이내이다. 일 실시양태에서, 상기 TYS(LT)는 4 ksi의 TYS(L) 이내이다. 일 실시양태에서, 상기 TYS(LT)는 3 ksi의 TYS(L) 이내이다. 유사한 등방성이 또한 극한 인장 강도(UTS)에 대해 실현될 수 있다.
하나의 접근법에서, 신규한 최종 형상의 공작물은 또한 양호한 연성을 실현할 수 있다. 일 실시양태에서, 신규한 최종 형상의 공작물은 적어도 6%의 신장(L)을 실현한다. 일 실시양태에서, 신규한 최종 형상의 공작물은 적어도 6%의 신장(LT)을 실현한다. 일 실시양태에서, 신규한 최종 형상의 공작물은 적어도 8%의 신장(L)을 실현한다. 일 실시양태에서, 신규한 최종 형상의 공작물은 적어도 8%의 신장(LT)을 실현한다. 일 실시양태에서, 신규한 최종 형상의 공작물은 적어도 10%의 신장(L)을 실현한다. 일 실시양태에서, 신규한 최종 형상의 공작물은 적어도 10%의 신장(LT)을 실현한다. 일 실시양태에서, 신규한 최종 형상의 공작물은 적어도 12%의 신장(L)을 실현한다. 일 실시양태에서, 신규한 최종 형상의 공작물은 적어도 12%의 신장(LT)을 실현한다. 임의의 상기 신장이 L 및 LT 방향 둘 모두에서 실현될 수 있다.
본원에 기술된 신규한 공정은 최종 형상 공작물에 개선된 특성을 제공할 수 있으며, 이는 다양한 제품 응용에서 적용될 수 있다. 일 실시양태에서, 상기 티타늄 합금 제품은 항공우주 구조 응용에서 사용될 수 있다. 예컨대, 상기 티타늄 합금 제품은 그 중에서도 바닥 빔, 시트 레일, 및 동체 프레임과 같은 항공우주 산업에서의 용도를 위한 다양한 구성요소로 형성될 수 있다. 그 중에서도, 개선된 인장 특성, 개선된 베어링, 및 피로 균열의 개시 및 성장에 대한 개선된 내성으로 인해 이러한 구성요소에서 많은 잠재적 이익이 실현될 수 있다. 이러한 특성의 개선된 조합은, 예컨대 향상된 신뢰성을 가져올 수 있다. 상기 티타늄 합금 공작물은 또한 예컨대 해양, 자동차, 및/또는 방위 분야에서도 유용할 수 있다.
전술한 바와 같이, 상기 근사정형 공작물은 압출 공정을 통해 생산될 수 있다. 다른 실시양태에서, 상기 근사정형 공작물은 압출 제품 대신 단조 제품, 형상 주조 제품 또는 부가적으로 제조된 제품일 수 있다. 그러나, 본원에 기술된 공정 기술 및 파라미터는 단조 제품, 형상 주조 제품, 또는 부가적으로 제조된 제품으로부터 제조된 상기 근사정형 공작물에도 여전히 적용된다.
정의
티타늄 합금은 미세구조 및 화학적 성질에 따라 알파, 근사-알파, 베타, 근사-베타 및 알파-베타 합금의 5가지 분류로 분류된다. "알파" 또는 "알파 상"은 육방 밀집(hcp) 결정 구조를 지칭한다. "베타" 또는 "베타 상"은 체심 입방(bcc) 결정 구조를 지칭한다. "알파 합금"은 본질적으로 베타 상이 없고 열 처리에 의해 강화될 수 없는 티타늄 합금이다. "베타 합금"은 상온으로 초기 냉각 시 베타 상을 유지하는 티타늄 합금으로서, 이는 열처리될 수 있고 높은 경화능을 가질 수 있다. "근사-베타 합금"은 베타 합금으로 시작하지만 가열 또는 냉각 작업 시 일부 알파 상으로 부분적으로 되돌릴 수 있는 티타늄 합금이다. "근사-알파 합금"은 가열 시 일부 제한된 베타 상을 형성하지만, 알파 합금과 미세구조적으로 유사하게 나타나는 티타늄 합금이다. "알파-베타 합금"은 알파 상 및 일부 유지된 베타 상으로 이루어진 티타늄 합금이며, 유지된 베타 상의 양은 합금의 조성 및/또는 베타 안정화제(예컨대, V, Mo, Cr, Cu)의 존재에 의해 좌우되고, 베타 상의 양은 근사-알파 합금에서 발견되는 양보다 많다. 알파-베타 합금은 열 처리(예컨대, 용액 열 처리) 및/또는 노화에 의해 강화될 수 있다.
알파-베타 티타늄 합금은 ASTM B348에 의해 결정된 합금의 조성을 기준으로 하는 등급으로 분류될 수 있다(예컨대, 5등급(약 6% Al 및 4% V를 갖는 티타늄 합금, 예컨대 Ti-6Al-4V를 포함함), 6등급(약 5% Al 및 2.5% Sn을 갖는 티타늄 합금을 포함함), 및 9등급(약 3% Al 및 2.5% V를 갖는 티타늄 합금을 포함함)). 알파-베타 티타늄 합금은 또한 이의 화학적 조성에 의해 직접 분류될 수 있다(예컨대, 그 중에서도, Ti-6Al-4V, Ti-6Al-6V-2Sn, Ti-Al-2Sn-4Zr-6Mo, Ti-6Al-2Mo-2Cr, 및 Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo).
본원에 사용된 바와 같이, "Ti-6Al-4V"는 약 5.5 중량% Al 내지 약 6.75 중량% Al, 약 3.5 중량% V 내지 약 4.5 중량% V, 최대 0.40 중량% Fe, 최대 0.2 중량% O, 최대 0.015 중량% H, 최대 0.05 중량% N, 최대 0.40 중량% 기타 불순물, 및 나머지는 Ti를 포함하는 5등급 알파-베타 티타늄 합금을 의미한다. 알 수 있듯이, 기타 티타늄 등급에 대해서 유사한 사양이 존재한다.
"베타 트랜서스"는 재료가 100% 베타 상인 최저 평형 온도로 정의된다. 도 9에 도시된 바와 같이, 베타 트랜서스 아래에서, 티타늄 합금은 합금의 조성에 따라 알파 및 베타 상의 혼합물일 수 있다. 도 9는 [Tamirisakandala, S., R. B. Bhat, and B. V. Vedam. "Recent advances in the deformation processing of titanium alloys." Journal of Materials Engineering and Performance 12.6 (2003): 661-673]에서 확인할 수 있다.
본원에 사용된 바와 같이, "캐스트 잉곳"은 용융된 티타늄 합금으로부터 형성된 잉곳을 의미하며, 여기서, 상기 합금은 캐스트 잉곳의 형성 동안 1회 이상 용융될 수 있다.
본원에 사용된 바와 같이, "가공된 빌릿"은 빌릿의 형성 이전 또는 형성 동안 (예컨대, 단조, 압연, 또는 필거에 의해) 작업된 티타늄 합금의 캐스트 잉곳으로부터 형성된 티타늄 합금의 빌릿을 의미한다.
본원에 사용된 바와 같이, "압출" 또는 "압출된"은 직접 또는 간접 압출을 사용하여 압출된 티타늄 합금 공작물을 생성하는 공정을 의미한다. "직접 압출" 또는 "직접적으로 압출된"은 원하는 단면 또는 형상을 갖는 고정형 다이(stationary die)를 통해 캐스트 잉곳 또는 티타늄 합금의 가공된 빌릿을 밀어 넣어 압출된 티타늄 합금 공작물을 생성하는데 사용되는 공정을 의미한다. 이와 대조적으로, "간접 압출" 또는 "간접적으로 압출된"은 고정된 캐스트 잉곳 또는 티타늄 합금의 가공된 빌릿을 통해 원하는 단면 또는 형상을 갖는 다이를 밀어넣어 압출된 티타늄 합금 공작물을 생성하기 위해 사용되는 공정을 의미한다.
본원에 사용된 바와 같이, "근사정형 공작물"은 압출된 티타늄 합금 공작물을 의미하며, 이의 형상은, 하나 이상의 압연 단계 후에, 최종 형상 공작물을 달성하기에 충분하다(예컨대, 최종 제품의 형상으로 고객에게 제공됨). 일부 실시양태에서, 상기 하나 이상의 압연 단계는 근사정형으로부터 최종 형상 공작물로의 물리적 특징의 변화가 다음의 식으로 표현될 수 있도록 근사정형 공작물의 물리적 특성을 감소시킬 수 있다: NNSWP(z) x (1-RR(%)) = FSWP(z). NNSWP(z)는 근사정형 공작물의 물리적 측정값 z의 값을 나타내고(예컨대, z는 부피, 너비, 또는 두께일 수 있음), RR(%)는 압연에 의한 물리적 측정값에서 달성된 감소 퍼센트를 의미하고, FSWP(z)는 최종 형상 공작물의 물리적 측정값을 의미한다. 일부 실시양태에서, 상기 하나 이상의 압연 단계는 근사정형 공작물의 두께의 상대 감소를 달성하기에 충분할 수 있으며, 여기서, "상대 감소"는 다음의 식을 사용하여 하나 이상의 압연 단계 후의 근사정형 공작물의 두께를 하나 이상의 압연 단계 전의 두께로 나눈 후의 변화로 정의된다: R = (h1 - h2)/h1, 상기 식에서, R은 상대 감소이고, h1은 압연 전의 두께의 측정값이고, h2는 압연 후의 두께의 측정값이다. 즉, 상대 감소는 상대 감소를 달성하는데 필요한 압연 통과 횟수와 관계없이 재료 두께의 총 감소에 관한 것이다. 전형적으로, 각각의 압연 통과는 재료의 두께를 25% 이하로 감소시킨다. 일부 실시양태에서, 상대 감소는 불균일할 수 있으며, 이는 상대 감소가 압연 단계의 구성에 따라 근사정형 공작물의 상이한 특징 또는 부분에 대해 달라질 수 있거나, 근사정형 공작물의 단지 일부가 감소될 수 있음을 의미한다. 대안적으로, 상대 감소는 전체 공작물에 걸쳐 균일할 수 있으며, 이는 두께 감소가 전체 공작물에 걸쳐 동일함을 의미한다. 상대 감소(R)는 전술한 임의의 상대 감소와 같이, 1% 내지 95%의 근사정형 공작물의 적어도 일부의 두께의 감소를 의미할 수 있다. 비제한적인 예로서, 근사정형 공작물은 전체 c-채널 형상의 공작물에 걸쳐 0.255 인치(6.48 mm)의 압출 후의 초기 두께를 갖고, 0.055 인치(1.40 mm)의 하나 이상의 압연 단계 후의 최종 두께를 갖고, 78%의 상대 감소를 갖는 근사정형 c-채널 형상의 공작물(도 4c와 같은 것)일 수 있다.
본원에 사용된 바와 같이, "압연"은 압출된 티타늄 합금 제품이 롤러 장치의 하나 이상의 롤을 통과하여 제품의 부피 또는 두께를 감소시키는 금속 형성 공정(단계)을 의미한다. 도 8에 도시된 바와 같이, 롤러 장치(800)는 롤러가 압출된 티타늄 합금 제품의 하나 이상의 치수에서 두께를 감소시키도록 배열될 수 있는 다수의 롤 (801), (802), (803)을 포함할 수 있다. 도 8은 [Tamirisakandala, S., R. B. Bhat, and B. V. Vedam. "Recent advances in the deformation processing of titanium alloys." Journal of Materials Engineering and Performance 12.6 (2003): 661-673]에서 확인할 수 있다.
본원에 사용된 바와 같이, "최종 형상 공작물"은 원하는 부피 또는 두께를 갖고 이의 의도된 최종 용도 목적에 적합한 압출되고 압연된 티타늄 공작물을 의미한다. 일부 실시양태에서, 최종 형상 공작물은 기계 또는 표면 처리를 통해 추가로 마무리될 수 있다. 일부 최종 형상 공작물의 일부 비-제한적인 예는 최종 형상 파이-박스(pi-box) 최종 형상 C 채널을 포함한다. 본원에 사용된 바와 같이, "파이-박스"는 그리스 문자 파이(π)와 일반적으로 유사한 단면을 갖는 재료를 의미한다.
본원에 사용된 바와 같이, "응력 제거 어닐링"은 상대적으로 낮은 온도에서 제품의 응력을 완화시키는 열처리 공정을 의미한다.
본원에 사용된 바와 같이, "열처리"는 재료의 특성을 변화시키기 위해 재료를 상승된 온도로 가열하는 열처리 공정을 의미한다. 본원에 기술된 방법에 따라 유용한 열처리의 일부 비-제한적인 예는 그 중에서도 밀 어닐링, 근사 베타 트랜서스 어닐링, 재결정화 어닐링, 용액 열처리, 및 인공 노화를 포함한다.
도 1 내지 도 3은 티타늄 합금 공작물을 생성하는 방법의 실시양태를 설명하는 흐름도이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 개시에 따른 방법에 의해 생성된 C-채널 형상의 공작물을 보여준다.
도 5a 내지 도 5c는 본 개시에 따른 방법에 의해 생성된 T-브라켓 형상의 공작물을 보여준다.
도 6a 내지 도 6c는 본 개시에 따른 방법에 의해 생성된, 균일한 상대 감소를 갖고 불균일한 두께를 갖는 L-브라켓 형상의 공작물을 도시한다.
도 7a 내지 도 7c는 본 개시에 따른 방법에 의해 생성된, 불균일한 두께를 갖고 불균일한 상대 감소를 갖는 L-브라켓 형상의 공작물을 도시한다.
도 8은 3개의 롤 셋트를 갖는 압연기 셋업의 실시양태를 도시한다.
도 9는 Ti-6Al-4V 합금에 대한 미세구조 변형 메커니즘 맵을 도시한다.
도 10a 및 도 10b는 실온 강도와 연성 사이의 관계를 베타 트랜서스 영역으로부터의 냉각 함수로 나타내는 그래프이다.
도 11a 및 도 11b는 다양한 변형 속도 및 베타 트랜서스 온도 위(11a) 및 아래(11b)의 온도에서 처리된 공작물간의 항복 강도를 나타낸다.
도 12a 및 도 12b는 다양한 변형 속도 및 베타 트랜서스 온도 위(12a) 및 아래(12b)의 온도에서 처리된 공작물간의 극한 강도를 나타낸다.
도 13a 및 도 13b는 다양한 변형 속도 및 베타 트랜서스 온도 위(13a) 및 아래(13b)의 온도에서 처리된 공작물간의 재료 신장을 나타낸다.
도 14a 및 도 14b는 다양한 변형 속도 및 베타 트랜서스 온도 위(14a) 및 아래(14b)의 온도에서 처리된 공작물간의 영역의 감소를 나타낸다.
도 15는 종방향(L) 및 긴 횡방향(T)의 압출 및 압연 조건에서 실시예 2의 재료의 현미경 사진을 나타낸다.
도 16은 실시예 2의 재료의 피로 균열 전파 속도를 나타낸다.
도 4a 내지 도 4c는 본 개시에 따른 방법에 의해 생성된 C-채널 형상의 공작물을 보여준다.
도 5a 내지 도 5c는 본 개시에 따른 방법에 의해 생성된 T-브라켓 형상의 공작물을 보여준다.
도 6a 내지 도 6c는 본 개시에 따른 방법에 의해 생성된, 균일한 상대 감소를 갖고 불균일한 두께를 갖는 L-브라켓 형상의 공작물을 도시한다.
도 7a 내지 도 7c는 본 개시에 따른 방법에 의해 생성된, 불균일한 두께를 갖고 불균일한 상대 감소를 갖는 L-브라켓 형상의 공작물을 도시한다.
도 8은 3개의 롤 셋트를 갖는 압연기 셋업의 실시양태를 도시한다.
도 9는 Ti-6Al-4V 합금에 대한 미세구조 변형 메커니즘 맵을 도시한다.
도 10a 및 도 10b는 실온 강도와 연성 사이의 관계를 베타 트랜서스 영역으로부터의 냉각 함수로 나타내는 그래프이다.
도 11a 및 도 11b는 다양한 변형 속도 및 베타 트랜서스 온도 위(11a) 및 아래(11b)의 온도에서 처리된 공작물간의 항복 강도를 나타낸다.
도 12a 및 도 12b는 다양한 변형 속도 및 베타 트랜서스 온도 위(12a) 및 아래(12b)의 온도에서 처리된 공작물간의 극한 강도를 나타낸다.
도 13a 및 도 13b는 다양한 변형 속도 및 베타 트랜서스 온도 위(13a) 및 아래(13b)의 온도에서 처리된 공작물간의 재료 신장을 나타낸다.
도 14a 및 도 14b는 다양한 변형 속도 및 베타 트랜서스 온도 위(14a) 및 아래(14b)의 온도에서 처리된 공작물간의 영역의 감소를 나타낸다.
도 15는 종방향(L) 및 긴 횡방향(T)의 압출 및 압연 조건에서 실시예 2의 재료의 현미경 사진을 나타낸다.
도 16은 실시예 2의 재료의 피로 균열 전파 속도를 나타낸다.
이제, 본 개시에 의해 제공되는 신규한 기술의 다양한 관련 실시양태를 설명하는데 적어도 도움이 되는 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명될 것이다.
도 1 내지 3은 본 개시에 따라 티타늄 공작물을 생성하는 방법의 다양한 실시양태의 흐름도이다. 공작물은 티타늄 합금으로부터 압출될 수 있는 임의의 형상일 수 있다. 예컨대, 일부 실시양태에서, 공작물은 C-채널 브라켓, T 브라켓, H 또는 I 형상, 또는 L 브라켓일 수 있다. 상기 방법은 가열된 공작물을 생성하기 위해 이의 베타 트랜서스 온도 위에서 티타늄 합금을 가열하는 제1 단계(10)를 포함한다. 일부 실시양태에서, 티타늄 합금은 알파 합금, 베타 합금, 또는 알파-베타 합금일 수 있다. 일부 실시양태에서, 알파-베타 합금은 Ti-6Al-4V일 수 있다. 일부 실시양태에서, 티타늄 합금은 캐스트 잉곳 또는 가공된 빌릿을 포함한다.
일부 실시양태에서, 상기 방법은, 가열 단계(10) 후에, 보호 단계를 추가로 포함할 수 있으며, 여기서, 가열된 공작물의 표면은 상기 표면을 압출 동안 발생할 수 있는 손상으로부터 보호하기 위해 보호제로 코팅된다. 일부 실시양태에서, 보호제는 윤활제(예컨대, 흑연, 유리, 용융된 염(예컨대, 용융된 알칼리 금속염)), 및/또는 이형제, 예컨대 세라믹 재료(예컨대, 세라믹 분말)를 포함할 수 있다.
상기 방법은 압출된 근사정형 공작물을 생성하기 위해 가열된 공작물을 압출하는 단계(20)를 추가로 포함한다. 일부 실시양태에서, 압출 단계(20)는 직접 압출을 포함할 수 있다. 대안적으로, 압출 단계(20)는 간접 압출을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 압출 단계(20)는 합금의 베타 트랜서스 온도 위의 온도에서 가열된 공작물을 압출하는 단계를 포함할 수 있다. 다른 실시양태에서, 압출 단계(20)는 합금의 베타 트랜서스 온도의 위 온도에서 압출을 개시하는 단계를 포함할 수 있으며, 여기서, 압출 단계(20)의 적어도 일부는 합금의 베타 트랜서스 온도 아래의 온도에서 수행될 수 있다.
상기 방법은 이의 베타 트랜서스 온도 아래의 온도로 근사정형 공작물을 냉각하는 단계(30)를 추가로 포함한다. 일부 실시양태에서, 냉각 단계(34)는 600 ℉(333 ℃)의 합금의 베타 트랜서스 이내의 온도로 냉각하는 단계를 포함한다. 일부 실시양태에서, 냉각(30)은 500 ℉(278 ℃)의 합금의 베타 트랜서스 이내의 온도로 한다. 일부 실시양태에서, 냉각(30)은 400 ℉(222 ℃)의 합금의 베타 트랜서스 이내의 온도로 한다. 일부 실시양태에서, 냉각(30)은 300 ℉(167 ℃)의 합금의 베타 트랜서스 이내의 온도로 한다. 일부 실시양태에서, 냉각(30)은 200 ℉(111 ℃)의 합금의 베타 트랜서스 이내의 온도로 한다. 일부 실시양태에서, 냉각(30)은 100 ℉(55.6 ℃)의 합금의 베타 트랜서스 이내의 온도로 한다. 일부 실시양태에서, 냉각(30)은 600 ℉(333 ℃) 초과의 합금의 베타 트랜서스 아래의 온도로이다. 일부 실시양태에서, 도 2 및 도 3에 나타난 바와 같이, 냉각 단계(31)는 근사정형 공작물을 합금의 베타 트랜서스 아래의 임의의 온도로 냉각하는 단계를 포함할 수 있으며, 일부 실시양태에서, 상기 온도는 실온일 수 있다.
일부 실시양태에서, 상기 방법은, 냉각 단계 후에, 세정/준비 단계를 추가로 포함하며, 여기서, 상기 근사정형 공작물은 세정/준비 단계를 통해 임의의 잔여 보호제를 제거함으로써 압연을 위해 준비된다. 일부 실시양태에서, 세정 및/또는 준비 단계는 보호제 잔여물(예컨대, 잔여 윤활제 또는 이형제)을 제거하고 표면을 접착시키기 위한 조건을 위해 공작물의 일부 또는 전부를 샌드블라스팅 하는 단계를 포함할 수 있다. 건조 분말 또는 습윤 현탁액이 표면에 도포될 수 있다. 과량의 분말 또는 현탁액은 보호제의 박막을 남기고 기계적 또는 고속의 공기 수단을 통해 제거될 수 있다.
도 1을 참조하면, 상기 방법은 하나 이상의 압연 단계(40)를 추가로 포함하며, 여기서, 상기 압연 단계는 압출된 근사정형 공작물을 압연 온도에서 1회 이상 압연하여 최종 형상 공작물을 생성하는 단계를 포함한다. 일부 실시양태에서, 압연 온도는 하나 이상의 압연 단계 각각에 대해 동일한 온도이다. 일부 실시양태에서, 압연 온도는 하나 이상의 압연 단계 각각에 대해 상이할 수 있다. 일부 실시양태에서, 압연 온도는 합금의 초기 용융 온도 아래이고 베타 트랜서스 온도의 600 ℉(333 ℃) 이내인 온도이다. 일부 실시양태에서, 압연 온도는 합금의 초기 용융 온도 아래이고 베타 트랜서스 온도의 500 ℉(278 ℃) 이내인 온도이다. 일부 실시양태에서, 압연 온도는 합금의 초기 용융 온도 아래이고 베타 트랜서스 온도의 400 ℉(222 ℃) 이내인 온도이다. 일부 실시양태에서, 압연 온도는 합금의 초기 용융 온도 아래이고 베타 트랜서스 온도의 300 ℉(167 ℃) 이내인 온도이다. 일부 실시양태에서, 압연 온도는 합금의 초기 용융 온도 아래이고 베타 트랜서스 온도의 250 ℉(139 ℃) 이내인 온도이다. 일부 실시양태에서, 압연 온도는 합금의 초기 용융 온도 아래이고 베타 트랜서스 온도의 100 ℉(55.6 ℃) 이내인 온도이다. 일부 실시양태에서, 압연 온도는 합금의 초기 용융 온도 아래이고 베타 트랜서스 온도의 50 ℉(27.8 ℃) 이내인 온도이다. 일부 실시양태에서, 압연 온도는 베타 트랜서스 온도 아래이고 베타 트랜서스 온도의 600 ℉(333 ℃) 이내인 온도이다. 일부 실시양태에서, 압연 온도는 베타 트랜서스 온도 아래이고 베타 트랜서스 온도의 500 ℉(278 ℃) 이내인 온도이다. 일부 실시양태에서, 압연 온도는 베타 트랜서스 온도 아래이고 베타 트랜서스 온도의 400 ℉(222 ℃) 이내인 온도이다. 일부 실시양태에서, 압연 온도는 베타 트랜서스 온도 아래이고 베타 트랜서스 온도의 300 ℉(167 ℃) 이내인 온도이다. 일부 실시양태에서, 압연 온도는 베타 트랜서스 온도 아래이고 베타 트랜서스 온도의 250 ℉(139 ℃) 이내인 온도이다. 일부 실시양태에서, 압연 온도는 베타 트랜서스 온도 아래이고 베타 트랜서스 온도의 100 ℉(55.6 ℃) 이내인 온도이다. 일부 실시양태에서, 압연 온도는 베타 트랜서스 온도 아래이고 베타 트랜서스 온도의 50 ℉(27.8 ℃) 이내인 온도이다.
일부 실시양태에서, 하나 이상의 압연 단계(40)는 근사정형 공작물과 비교하여 하나 이상의 측면 또는 부분에서 1% 내지 95%의 상대 감소를 갖는 최종 형상 공작물을 생성하기 위해 근사정형 공작물의 하나 이상의 측면 또는 부분을 감소시키는 단계를 포함한다. 일부 실시양태에서, 근사정형 공작물의 오직 하나의 섹션만이 감소될 수 있다. 일부 실시양태에서, 근사정형 공작물의 하나 이상의 섹션이 감소될 수 있다. 일부 실시양태에서, 총 상대 감소는 1% 내지 95%일 수 있다. 일부 실시양태에서, 상대 감소는 총 상대 감소의 90% 이하일 수 있다. 일부 실시양태에서, 상대 감소는 총 상대 감소의 85% 이하일 수 있다. 일부 실시양태에서, 상대 감소는 총 상대 감소의 80% 이하일 수 있다. 일부 실시양태에서, 상대 감소는 총 상대 감소의 75% 이하일 수 있다. 일부 실시양태에서, 상대 감소는 총 상대 감소의 70% 이하일 수 있다. 일부 실시양태에서, 상대 감소는 총 상대 감소의 65% 이하일 수 있다. 일부 실시양태에서, 상대 감소는 총 상대 감소의 적어도 1%일 수 있다. 일부 실시양태에서, 상대 감소는 총 상대 감소의 적어도 10%일 수 있다. 일부 실시양태에서, 상대 감소는 총 상대 감소의 적어도 20%일 수 있다. 일부 실시양태에서, 상대 감소는 총 상대 감소의 적어도 30%일 수 있다. 일부 실시양태에서, 상대 감소는 총 상대 감소의 적어도 40%일 수 있다. 일부 실시양태에서, 상대 감소는 총 상대 감소의 적어도 50%일 수 있다. 일부 실시양태에서, 상대 감소는 총 상대 감소의 적어도 55%일 수 있다.
일부 실시양태에서, 압연은 0.1 s-1 내지 100 s-1의 변형 속도에서의 압연을 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 변형 속도는 1 s-1 내지 100 s-1의 속도일 수 있다. 일부 실시양태에서, 변형 속도는 1 s-1 내지 50 s-1의 속도일 수 있다. 일부 실시양태에서, 변형 속도는 1 s-1 내지 10 s-1의 속도일 수 있다.
일부 실시양태에서, 도 4a 내지 도 4c에서 확인할 수 있는 바와 같이, 상대 감소는 균일할 수 있으며, 여기서, 최종 형상 공작물의 모든 부분은 균일한 상대 감소를 갖는다. 도 4a는 하나 이상의 압연 단계(40) 이전의 압출된 C-채널 브라켓을 도시한다. 도 4b는 근사정형 공작물 과 비교하여 균일한 상대 감소를 갖는 최종 형상 공작물을 도시한다(2개의 형상을 비교하는 도 4c 참조).
일부 실시양태에서, 도 4a 내지 도 4c 및 도 5a 내지 도 5c를 참조하면, 상대 감소는 균일할 수 있고, 최종 형상 공작물의 하나 이상의 측면의 절대 측정치는 전체 최종 형상 공작물에 걸쳐 동일할 수 있다(예컨대, 두께 또는 부피가 전체 최종 형상 공작물에 걸쳐 동일할 수 있음). 도 5a는 하나 이상의 압연 단계(40) 이전의 압출된 T 브라켓을 도시한다. 도 5b는 근사정형 공작물과 비교하여 균일한 상대 감소를 갖고(2개의 형상을 비교하는 도 5c 참조), 또한 제1 섹션(501)이 제2 섹션(502)의 두께와 동일한 두께를 가지므로 최종 형상 공작물의 모든 부분에 걸쳐 두께의 균일한 절대 측정값을 갖는 최종 형상 공작물을 도시한다.
일부 실시양태에서, 도 6a 내지 도 6c를 참조하면, 상대 감소는 최종 형상 공작물에 걸쳐 균일할 수 있지만, 하나 이상의 측면의 절대 측정값은 상이할 수 있다(예컨대, 두께의 감소 퍼센트는 전체 최종 형상 공작물에 걸쳐 동일할 수 있지만, 최종 형상 공작물의 부분에서 부분까지의 절대 두께는 상이할 수 있음). 도 6a는 하나 이상의 압연 단계(40) 이전의 압출된 L 브라켓을 도시한다. 도 6b는 근사정형 공작물과 비교하여 균일한 상대 감소를 갖지만(2개의 형상을 비교하는 도 6c 참조), 제1 섹션(601)이 제2 섹션(602)과 상이한 두께를 가지므로 최종 형상 공작물의 부분에 걸쳐 불균일한 두께를 갖는 최종 형상 공작물을 도시한다.
일부 실시양태에서, 도 7a 내지 도 7c를 참조하면, 상대 감소 및 절대 측정값은 최종 형상 공작물에 걸쳐 불균일할 수 있다. 도 7a는 압연 단계(40) 이전의 압출된 L 브라켓을 도시한다. 도 7b는 근사정형 공작물과 비교하여 불균일한 상대 감소를 갖고(2개의 형상을 비교하는 도 7c 참조), 제1 섹션(701)이 제2 섹션(702)과 상이한 두께를 가지므로 최종 형상 공작물의 부분에 걸쳐 불균일한 두께를 갖는 최종 형상 공작물을 도시한다.
도 2를 다시 참조하면, 상기 방법은 냉각 단계(31) 후에 근사정형 공작물을 재가열(32)하는 단계를 추가로 포함할 수 있으며, 여기서, 상기 재가열(32) 단계는 압출된 근사정형 공작물을 합금의 초기 용융 온도 아래 및 600 ℉(333 ℃)의 이의 베타 트랜서스 이내의 재가열된 온도로 재가열하는 단계를 포함한다. 일부 실시양태에서, 재가열된 온도는 합금의 초기 용융 온도 아래 및 500 ℉(278 ℃)의 이의 베타 트랜서스 이내인 온도이다. 일부 실시양태에서, 재가열된 온도는 합금의 초기 용융 온도 아래 및 400 ℉(222 ℃)의 이의 베타 트랜서스 이내인 온도이다. 일부 실시양태에서, 재가열된 온도는 합금의 초기 용융 온도 아래 및 300 ℉(167 ℃)의 이의 베타 트랜서스 이내인 온도이다. 일부 실시양태에서, 재가열된 온도는 합금의 초기 용융 온도 아래 및 200 ℉(111 ℃)의 이의 베타 트랜서스 이내인 온도이다. 일부 실시양태에서, 재가열된 온도는 합금의 초기 용융 온도 아래 및 100 ℉(55.6 ℃)의 이의 베타 트랜서스 이내인 온도이다.
일부 실시양태에서, 하나 이상의 압연 단계(40)의 각각의 압연 단계 후에, 재가열된 온도에서 후속 압연 단계가 수행될 수 있도록 근사정형 공작물이 재가열될 수 있다(32). 일부 실시양태에서, 근사정형 공작물은 하나 이상의 압연 단계(40)의 각각의 압연 단계 사이에서 대안적으로 냉각되고(31) 재가열(32)될 수 있다. 일부 실시양태에서, 하나 이상의 압연 단계(40)는 모두 베타 트랜서스 아래의 600 ℉(333 ℃) 초과의 압연 온도를 포함할 수 있으며, 여기서, 하나 이상의 압연 단계(40) 각각은 최종 형상 공작물의 균열 또는 내부 야금학적 결함의 발달을 방지하기 위해 각각의 압연 단계에 대한 상대 감소를 제한하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 재가열의 시간(예컨대, 보다 긴 시간) 및/또는 온도(예컨대, 보다 높은 온도)에 대한 다양한 조정이 잔여 응력을 완화하고, 전위 운동을 허용하고, 결정학적 텍스쳐를 완화하기 위해 조정될 수 있다. 이는 보다 낮은 온도에서의 변형을 견딜 수 있도록 적절한 연성을 유지할 수 있도록 보장할 수 있다.
일부 실시양태에서, 도 3을 참조하면, 재가열 단계(33)는 압출된 근사정형 공작물을 베타 트랜서스 온도 위 및 이의 초기 용융 온도 아래의 온도로 가열하는 단계를 포함할 수 있으며, 여기서, 재가열 단계(33)는 합금의 베타 트랜서스 온도 위의 온도에서 수행되는 하나 이상의 압연 단계(41) 후에 후속될 수 있다. 일부 실시양태에서, 근사정형 공작물은, 이의 온도가 하나 이상의 압연 단계(41)의 임의의 주어진 압연 단계 동안 합금의 베타 트랜서스 온도 아래로 떨어지는 경우 재가열(33)될 수 있다. 일부 실시양태에서, 상기 방법은 하나 이상의 다른 압연 단계(42)를 추가로 포함하며, 이는 합금의 베타 트랜서스 온도 아래에서 수행될 수 있다.
실시예
1
4개의 Ti-6Al-4V 시료를 압출 공정으로 생성하고 4개의 상이한 제조 경로를 통해 처리하였다. 선택된 재료는 약 1810 ℉(988 ℃)의 밀 측정된 베타 트랜서스(BT)를 가졌다. 처리를 위해 두 가지 온도를 선택하였다: BT+50 ℉(28 ℃)(1860 ℉(1016 ℃)) 및 BT-10 ℉(5.6 ℃)(1800 ℉(982 ℃)). 가열하는 동안 결정립 성장을 제한하기 위해 베타 트랜서스(BT) 위의 온도를 50 ℉(28 ℃)의 베타 트랜서스 위로 제한하였다. 베타 트랜서스 아래의 온도를 작업 창에서 제품을 유지하려는 시도로서 선택하여 구형화 유형 전환이 1775 ℉(968 ℃)에서 종료되는 것으로 예상되었다. 1775 ℉(968 ℃) 온도 아래에서, 제품은 여전히 작동되는 구조로 파손될 수 있지만, 이러한 전환은 라멜라 킹킹(lamellae kinking)이 지배적일 것으로 예상되었다.
압연 감소의 처리 속도를 10 s-1 및 2.5 s-1의 변형 속도를 나타내는 고속 및 저속으로 선택하였다. 고속의 경우에서 20-30 인치/초(50.8-76.2 cm/초), 및 저속의 경우에서 5-6 인치/초(12.7-15.2 cm/초)의 출구 속도.
압출 시료를 이미 원하는 온도로 예열한 복사 열 용광로에서 가열하였다. 용광로 내에 시료를 현탁하고 롤러의 입구에 맞추기 위해 용광로 내에 트랙을 추가하였다. 차가운 제품을 트랙 상에 탑재하고 용광로 내로 8분 동안 밀폐하였다. 계산에 따르면 제품은 1 내지 3분 이내에 온도에 있지만, 용광로가 개방된 후 균질화될 시간을 갖도록 보장하고 가열 불균일성에 대한 안전성의 일부 요인을 제공하기 위해 추가의 시간을 사용하였다. 8분 후에, 제품을 트랙을 따라 강성의 암을 사용하여 롤러 셋업 쪽으로 밀었다. 롤 바이트에 들어가면, 제품을 스피닝 휠에 의해 통과시켜 당겼다. 채널의 끝에서, 가이드 구조를 휠에 들어가는 제품의 두 중심을 맞추고 전진하는 암이 휠에 도달할 가능성을 방지하기 위해 배치하였다.
용광로를 압연 장치 바로 옆에 두었다. 제품을 롤 바이트가 시작될 때까지 15 인치(38 cm)의 거리에서 주위 공기에 노출시켰다. 이는 특히 최종 통과에서 제품이 0.100 인치(2.54 mm) 두께에 가까워 졌을 때 제품의 냉각을 위한 비히클을 제공한다.
4개의 조각을 가열하고 4회 통과시켜 0.205 내지 0.100 인치(5.21 내지 2.54 mm) 두께의 압출에서 동일한 간격으로 감소시켰다. 제품의 각각의 핀(fin)은 동일한 두께였지만, 상이할 수 있다. 각각의 통과 후에, 부품을 트레이에 넣어서 공기를 냉각시켰다.
압연기(도 8에 도시됨)는 종래의 2 또는 4 높이 압연 밀과 상이하였다. 이러한 경우, 롤러는 제품의 주요 (가장 큰) 표면 상에 접촉 압력을 제공하도록 배열하였고, 상이한 롤러 사이에 갭을 생성하도록 독립적으로 전진시켰다. 이러한 유형의 롤러 설계는 채널, H, L, T, 및 다양한 다른 구조적 부재를 생산하도록 변형될 수 있다. 작은 롤러 및 특정 형상의 경우, 베어링 하우징과의 간섭이 발생하기 시작한다. 휠 내부에 베어링을 배치하고 측면 상에 동력 스프로킷만 있으면 많은 경우의 간섭을 완화할 수 있다. 이는 또한 하중을 가하기 위해 보다 더 단단한 구조를 생성한다. 보다 큰 휠을 사용하면 또한 보다 많은 공간을 제공하고 통과 당 감소 가능성을 증가시킬 수 있다.
시료를 처리한 후에, 모든 시료에 대해 가벼운 어닐링을 수행한 후, 조각을 1325 ℉(718 ℃)(+/-25 ℉(14 ℃))로 가열하고 1시간 동안 유지하였다. 이어서, 부품을 제거하고 공기를 냉각시켰다. 이러한 가벼운 어닐링은 결정 내에서 대부분의 빌트-업 전위를 제거하는 것을 주로 목표로 하며 결과적인 미세구조를 변경하는 것을 목표로 하지 않는다.
일부 경우에서, 유리가 시료 조각에 도포되어 압연 공정에서 윤활제 또는 보호제로서 얼마나 잘 수행되었는지를 평가한다. 이는 큰 풀로서 통과할 때까지 롤러의 앞에 구축되어 있는 것이 관찰되었다. 유리를 사용한 모든 경우에 이러한 유형의 결함이 발생하였다. 유리 풀 압입 영역에서, 비압축성 액체가 표면 프로파일을 채우면서 이전의 거칠기가 유지되었다. 과량의 건식 윤활제(흑연, 몰리브데늄 다이설파이드, 및/또는 6방정 보론 니트리드)를 롤러에 도포하였을 때 동일한 효과가 또한 나타날 수 있다. 대량의(박막 대비) 이러한 재료가 유체와 같이 행동하고 액체 유리와 유사한 결과를 생성할 수 있다. 가장 우수한 표면은 롤러 상에 약간의 건식 윤활제가 있거나 추가의 롤러 윤활제가 없는 조각에 티타늄 다이옥시드를 가볍게 분말로 만들 수 있다.
알파/베타 티타늄 합금의 2차 고온 작업에 대한 보다 덜 일반적인 방법은 베타 가공이다. 이러한 방법에서, 작업은 베타 트랜서스 온도 위에서 발생한다. 이는 침상 알파 상 또는 비트만스태튼 미세구조를 야기한다. 라멜라 미세구조는 보다 높은 파괴 인성, 피로 균열 진전 내성 및 크립 내성을 야기한다. 경미한 데빗(debit)이 강도, 연성에서 발생한다. 베타 단조 및 베타 압출을 포함하는 베타 고온 작업의 주요 이점은 감소된 유동 응력 및 개선된 다이 또는 피처 충진(feature fill) 이다. 티타늄 압출은 베타 전이 온도 위에서 우세하게 수행되어 결정립 크기의 증가에도 불구하고 티타늄의 성형성을 증가시킨다. 재결정화 후의 베타 트랜서스 위로부터의 냉각 속도는 비트만스태튼 미세구조의 형성에 중요한 영향을 미친다. 이러한 냉각 동안, 알파 결정립은 이전의 베타 결정립 내의 혈소판(platelet)/바스켓위브(basketweave) 패턴으로 형성된다. 보다 신속한 냉각 속도는 결정립계 알파 상의 두께를 감소시키고 가능한한 이전의 결정립 내에서 미세한 변형된 미세구조를 생성한다. 이는 후에 하위-트랜서스 고온 작업성을 보존하는데 도움이 된다. 이는 또한 도 10a 및 도 10b에서 볼 수 있는 바와 같이 실온 특성에 영향을 미친다. 도 10a 및 도 10b는 [Sieniawski, J., Ziaja, W., Kubiak, K. and Motyka, M., 2013. Microstructure and mechanical properties of high strength two-phase titanium alloys. Titanium Alloys-Advances in Properties Control, pp.69-80]에서 확인할 수 있다.
재료가 Ti-6Al-4V에 대해 베타 트랜서스를 교차할 때 최적의 냉각 속도가 존재한다. 이상적으로, 초 당 4 내지 9 ℃의 냉각 속도가 최적의 연성을 달성하면서도 여전히 높은 강도를 달성하기에 바람직하다. 초 당 9 ℃를 초과하면 보다 얇은 알파 라멜라의 형성을 야기할 수 있고 강도는 높아지지만 연성은 낮아질 수 있다. 초 당 18 ℃ 보다 더 신속한 냉각은 마텐자이트의 형성을 야기한다. 이는 강도의 약간의 증가와 함께 연성을 추가로 감소시킨다.
베타 트랜서스 위에서의 처리
2개의 시료를 각각의 감소 통과에 대해 베타 트랜서스 위에서 처리하였다. 감소량과 관련된 재료 특성의 표현은 다양한 압연 통과를 통해 특성이 어떻게 변하는지를 보여준다. 압출 압연 공정 후 다양한 단계에서 2개의 시료에 대한 강도 경향이 도 11a에 나타나 있다. 도 12a의 항복 및 극한 강도 그래프를 보면, 두 처리 조건 모두에서 강도가 증가하지만, 보다 낮은 변형 속도를 갖는 조각은 상당히 높은 항복 및 극한 강도 개선을 나타낸다. 일부 수준의 텍스처링이 또한 시험 결과에서 관찰된다. 도 13a 및 도 14a에서 볼 수 있는 바와 같이, 모든 경우에 면적에 있어서 신장 및 감소 둘 모두의 일반적인 감소가 관찰되었다. 보다 느리게 처리된 시료는 보다 신속히 처리된 조각보다 현저히 낮은 신장을 나타냈다. 재결정화 온도 위에서 작업을 수행하면 냉각 속도가 가장 근본적인 원인이라는 것을 시사한다. 미세구조를 관찰하면 관찰된 행동에 대해 일부 설명할 수 있다.
이와 같이 압출된 재료의 미세구조는 압출에서 보이는 것의 특징이다. 상당히 더 두꺼운 제품의 공랭의 표준 방식은 비트만스태튼 미세구조로부터 초 당 2 내지 7 ℃의 공랭 속도 및 보다 높은 수준의 연성을 생성한다. 압출된 제품의 경우 Ti-6Al-4V에서 마텐자이트를 달성하기 위해 전형적으로 수냉을 필요로 한다. 4개 통과 후의 미세구조는 압출의 단방향 번들에 비해 (a) 보다 큰 이전의 베타 결정립과 (b) 부분적으로 마텐자이트 구조를 나타냈다. 임의의 이론에 제한되지 않고, 이는 롤러에 대해 복사 및 전도 손실 둘 모두에 의한 얇은 섹션의 급속 냉각으로 인한 것일 수 있다.
전도 냉각 효과는 접촉 시간이 더 긴 경우 보다 느리게 처리된 조각에서 효과가 더 큰 이유를 설명할 수 있다. 연성의 손실은 항공우주 구조물에서는 바람직하지 않지만, 보다 따듯한 롤, 보다 높은 설정 온도, 롤 바이트에서부터 및 롤 바이트로 이어지는 환경의 개선된 관리를 통해 관리될 수 있다. 가열된 출구 영역은 원하는 미세 구조를 형성하기 위해 초기 냉각 중에 냉각을 늦추게 한다. 혼합은 (베타 트랜서스 아래 및 베타 트랜서스 위에서의 처리 단계) 베타 작업된 재료의 특성의 최상의 조합을 생성할 수 있다.
베타 트랜서스 아래에서의 처리
베타 트랜서스 아래에서 작업을 부여할 때, 텍스쳐가 재료에서 발생할 수 있다. 텍스쳐는 재료 내에서 방향성을 부여하는 것이며, 하나의 주된 방향으로 작업할 때 발생한다. 한 방향으로 다량의 작업을 볼 수 있는 스트립 생산 시, 상업적으로 순수한 등급과 같이 보다 높은 냉각 작업성을 갖는 합금을 사용하거나, 열간 작업 후 및 냉간 작업 통과 사이에서 베타 어닐링을 수행하여 방향성을 완화하여 생산하는 것이 가능하다. 어닐링 전에 스트립의 열 압연 후, 횡단 연성은 측정불가능하고 취성 거동은 압연의 측면 방향과 비교하여 횡방향에서 관찰되었다. 또한, 티타늄에서 이방성이 존재하면 수용액에서 응력 부식 균열에 대한 민감성을 증가시킨다.
예상과는 달리, 하위-베타 처리된 조각을 평가할 때, 재료의 강도에 약간의 이방성이 나타났다. 종방향 및 횡방향의 항복 및 극한 특성은, 특히 느린 변형 속도에서 처리될 때 매우 강하게 상관 관계가 있었다. 도 11b 및 도 12b에 나타난 바와 같이, 보다 느린 변형 속도에서 생성된 시료는 보다 높은 온도에서보다 보다 높은 증강 효과를 나타냈으며, 베타 트랜서스 아래의 작업을 통해 생성된 재료는 극한 강도의 측면에서 거의 등방성이었다. 기계적 시험에서 입증된 비교적 제한된 텍스쳐임에도 불구하고, 종방향으로 결정립 신장이 현저하게 발생한다(도 13b 참조). 도 11a 내지 도 14b에 해당하는 데이터를 아래 표 1에 나타냈다.
[표 1]
도 11a 내지 도 14b의 데이터
*빠름
20 내지 30 인치/초 출구 속도; 느림
5 내지 6 인치/초 출구 속도
**1860 ℉(1016 ℃)에서 압연된 시료 A; 1800 ℉(982 ℃)에서 압연된 시료 B
실시예 2
몇몇 Ti-6Al-4V 합금을 스트립(4 인치(10.2 cm) 너비)으로 압출한 다음 다양한 압연 감소로 인해 다양한 최종 두께로 압연하였고, 이를 아래 표 2에 나타냈다. 시료 1을 55%의 감소로 처리하였고, 시료 2를 65%의 감소로 처리하였고, 시료 3을 75%의 감소로 처리하였다. 압출된 스트립의 초기 두께는 0.3 인치(7.62 mm)였다. 압출 단계를 2200 ℉(1204 ℃)에서 수행하였다. 압연 감소 단계를 1750 ℉(954 ℃)에서 수행하였다. 가벼운 어닐링(응력 완화를 위함)을 시료를 공기 냉각하기 전에 1450 ℉(788 ℃)에서 30분 동안 수행하였다. 이어서 최종 스트립의 기계적 특성을 시험하고, 이의 결과를 아래 나타냈다.
강도 및 신장 특성을 ASTM E8에 따라 측정하고, 그 결과를 아래 표 2에 나타냈다. 모든 강도 값을 ksi/(MPa)로 나타냈다.
[표 2]
실시예 2 합금의 실온 특성
시료 재료는 기존 Ti-6Al-4V 제품과 비교하여 상당히 더 높은 강도를 실현한다(예컨대, AMS 4928 및 AMS 4911 참조). 추가로, 재료는 L 및 LT 방향 사이에서 5 ksi 미만의 강도 차이를 실현하면서 약 65%의 압연 감소를 갖는 등방성을 실현한다.
상승 온도 인장 특성을 ASTM E21에 따라 600 ℉(316 ℃)에서 시료 2(65%의 상대 감소)에 대해 측정하였으며, 그 결과를 표 3에 나타냈다.
[표 3]
실시예 2 합금의 상승 온도 특성
피로도 측정을 ASTM E466에 따라 시료 2(65%의 상대 감소)에서 수행하여 그 결과를 표 4에 나타냈다.
[표 4]
시료 2(65% RR)에 대한 Kt = 2.3(개방 홀) 및 30 Hz에서의 피로도 측정
베어링 측정을 ASTM E238에 따라 시료 2(65%의 상대 감소)에서 수행하여 그 결과를 표 5에 나타냈다.
[표 5]
시료 2(65% RR)에 대한 e/D = 1.5에서의 베어링 측정
축 방향에서의 결정립 신장이 높은 변형 속도의 경우 및 낮은 변형 속도의 경우 둘 모두에서 관찰되었다. 수직 섹션 내에서 취해지고 접선 방향에서 본 미세구조는 이전의 베타 결정립이 종방향으로 길어짐을 보여준다. 예시된 바와 같이, 압출물은 베타 작업된 미세구조를 갖는 반면, 압출되고 압연된 재료는 AMS 표준에 따라 알파-베타 작업된 미세구조를 갖는다.
도 16은 0.10의 응력 비율, 10 Hz의 주파수, 실온, 및 실험실 대기압의 시험 조건 하에서 ASTM E647에 따라 수행된 피로 균열 진전 속도를 나타낸다. 피로 균열 성장 결과는 알파-베타 시트 제품에 대한 AMS 표준과 일치한다.
본 개시의 다양한 실시양태가 상세히 기술되었지만, 당업자라면 이러한 실시양태의 변형 및 변경이 이루어질 수 있음이 명백하다. 그러나, 이러한 변형 및 변경은 본 개시의 사상 및 범위 내에 있음이 명백하게 이해되어야 한다.
Claims (20)
- 티타늄 합금 공작물을 생성하는 방법으로서,
(a) 티타늄 합금의 캐스트 잉곳 또는 가공된 빌릿을 이의 베타 트랜서스 온도 위의 온도로 가열하여 가열된 공작물을 생성하는 단계;
(b) 상기 가열된 공작물이 상기 베타 트랜서스 온도 위에 있는 동안 상기 가열된 공작물의 압출을 개시하여, 압출된 근사정형(near net shape) 공작물을 생성하되, 상기 압출된 근사정형 공작물이 파이-박스(pi-box), C-형상, T-형상, H-형상, I-형상 및 L-형상으로 이루어진 군에서 선택되는 비-평면 형상을 포함하는, 단계;
(c) 상기 압출된 근사정형 공작물을 상기 베타 트랜서스 온도 아래의 냉각된 온도로 냉각시키는 단계; 및
(d) 하나 이상의 압연 온도에서 상기 압출된 근사정형 공작물을 1회 이상 압연하여 최종 형상 공작물을 생성하되, 상기 압연 온도는 상기 합금의 초기 용융 온도 아래이며, 베타 트랜서스 온도 아래이고 베타 트랜서스 온도의 600 ℉(333 ℃) 이내인, 단계
를 포함하되,
상기 압연 단계가, 최종 형상 공작물이 압출된 근사정형 공작물의 비-평면 형상을 유지하도록 달성되고,
최종 형상 공작물이 압출된 근사정형 공작물에 비해 하나 이상의 치수에서 더 얇은,
방법. - 제1항에 있어서, 상기 티타늄 합금이 알파-베타 티타늄 합금인 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 가열 단계 (a) 후에, 상기 가열된 공작물의 표면을 보호제로 보호하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
- 제3항에 있어서, 상기 보호제가 윤활제 또는 이형제인 방법.
- 제3항에 있어서, 상기 방법은 상기 냉각 단계 (c) 후에, 상기 압연 단계 (d) 전의 근사정형 공작물을 세정하여 임의의 보호제를 제거하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 냉각된 온도가 베타 트랜서스 온도의 500 ℉(278 ℃) 이내인 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 냉각된 온도가 베타 트랜서스 온도의 100 ℉(55.6 ℃) 이내인 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 냉각된 온도가 실온인 방법.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 압연 온도가 상기 베타 트랜서스 온도 아래이고 베타 트랜서스 온도의 50 ℉(27.8 ℃) 이내인 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 압연 단계 (d)가 0.1 s-1 내지 100 s-1의 변형 속도에서 압연하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 압연 단계가 1% 내지 95%의 상대 감소에 의해 근사정형 공작물을 균일하게 감소시켜 상기 최종 형상 공작물을 달성하는 단계를 포함하는 방법.
- 제14항에 있어서, 상기 상대 감소가 40 내지 75%인 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 압연 단계가 1% 내지 95%의 제1 상대 감소에 의해 근사정형 공작물의 제1 섹션을 감소시켜 상기 제1 섹션이 감소된 최종 형상 공작물을 달성하는 단계를 포함하는 방법.
- 제16항에 있어서, 상기 압연 단계가 1% 내지 95%의 제2 상대 감소에 의해 근사정형 공작물의 적어도 제2 섹션을 감소시켜 적어도 상기 제1 및 제2 섹션이 감소된 최종 형상 공작물을 달성하는 단계를 추가로 포함하고, 여기서, 상기 제1 상대 감소는 상기 제2 상대 감소와 상이한 것인 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 최종 형상 공작물이 참조된 티타늄 합금 본체보다 적어도 3% 더 높은 인장 항복 강도(L)를 실현하고, 상기 참조된 티타늄 합금 본체는 상기 최종 형상 공작물과 동일한 조성을 가지며 상기 최종 형상 공작물과 동일한 템퍼에 있는 것인 방법.
- 제18항에 있어서, 상기 최종 형상 공작물이 등방성 강도 특성을 포함하고, LT 방향의 인장 항복 강도가 L 방향의 인장 항복 강도의 10 ksi 이내인 것인 방법.
- 제19항에 있어서, 상기 최종 형상 공작물이 6% 이상의 신장(L) 및 6% 이상의 신장(LT)을 실현하는 방법.
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