Aleación de titanio casi-beta para aplicaciones de alta resistencia y métodos para la fabricación de las mismas.

Aleación de titanio que comprende, en % en peso, de un 5,3 a un 5,

7 % de aluminio, de un 4,8 a un 5,2 % devanadio, de un 0,7 a un 0,9 % de hierro, de un 4,6 a un 5,3 % de molibdeno, de un 2,0 a un 2,5 % de cromo, y de un0,12 a un 0,16 % de oxígeno, y opcionalmente uno o más elementos adicionales seleccionados entre N, C, Nb, Sn,Zr, Ni, Co, Cu y Si, donde cada elemento adicional está presente en una cantidad de menos de un 0,1 % y elcontenido total de elementos adicionales es menos de un 0,5 % en peso, y se equilibra con titanio junto concualquier impureza inevitable.

Aleación de titanio casi-beta para aplicaciones de alta resistencia y métodos para la fabricación de las mismas

Referencia cruzada a solicitudes relacionadas La presente solicitud reivindica prioridad sobre el documento de Solicitud de Patente Provisional de Estados Unidos Nº 61/182.619 que se presentó el 29 de mayo del 2009 y el documento de Solicitud de Patente de Reino Unido Nº 0911684.9 que se presentó el 6 de julio de 2009, que se exponen con todo detalle en la presente memoria descriptiva.

Antecedentes de la invención I. Campo técnico La presente divulgación se refiere en líneas generales a una aleación de titanio de alta resistencia y a técnicas para la fabricación de la misma. La aleación se usa ventajosamente para aplicaciones donde alta resistencia, profunda templabilidad, y excelente ductilidad son una combinación de propiedades requeridas.

II. Antecedentes de la técnica relacionada Convencionalmente, se han usado diversas aleaciones de titanio y acero para la producción de componentes de aviación. El uso de aleaciones de titanio es favorable dado que resulta en componentes más ligeros que los fabricados a partir de las aleaciones de acero.

Un ejemplo de tal aleación de titanio se divulga en el documento de Patente de Estados Unidos Nº 7.332.043 (la "patente ‘043") de Tetyukhin, et al. que describe el uso de una aleación Ti-555-3 compuesta de un 5 % de aluminio, un 5 % de molibdeno, un 5 % de vanadio, un 3 % de cromo, y un 0, 4 % de hierro en aplicaciones de ingeniería aeronáutica. Sin embargo, la aleación Ti-555-3 no proporciona sistemáticamente la alta resistencia, profunda templabilidad, y excelente ductilidad deseadas que se requieren para aplicaciones críticas en la industria de la aviación (por ejemplo, tren de aterrizaje) . Además, la patente 043 fracasa al divulgar el uso de oxígeno en su aleación Ti-555-3, un importante elemento en la composición de las aleaciones de titanio. El porcentaje de oxígeno se ajusta a menudo deliberadamente para que tenga un impacto considerable en las características de resistencia.

Otro ejemplo se proporciona en el documento de Publicación de Solicitud de Patente de Estados Unidos Nº 2008/0011395 (en lo sucesivo en el presente documento la "solicitud ‘395") que describe una aleación de titanio que incluye aluminio, molibdeno, vanadio, cromo, y hierro. Sin embargo, los intervalos de los porcentajes en peso de los elementos de la aleación que se proporcionan en la publicación son demasiado amplios. Por ejemplo, las aleaciones Ti-5Al-4, 5V-2Mo-1Cr-0, 6Fe (VT23) y Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe (VT22) caen fácilmente dentro de los intervalos de porcentaje en peso especificados. Estas aleaciones han sido de dominio público desde antes de 1976. Además, los intervalos de los porcentajes en peso que se proporcionan en la solicitud ’395 resultan en malas combinaciones de resistencia-ductilidad. Por lo tanto, la referencia no consigue la alta resistencia, profunda templabilidad, y excelente ductilidad deseadas que se requieren para aplicaciones críticas en la industria de la aviación tales como un tren de aterrizaje. El documento RU 2122040 C1 se refiere a una aleación con base de titanio. Se pueden encontrar

antecedentes de la técnica anterior adicionales en A. Fitzgerald: "Proceedings of the 1997 International Conference on Titanium Products and Applications" 1 de septiembre de 1998, International Titanium Association, USA, ISBN: 0935297243, páginas 37-41.

Existe por lo tanto la necesidad de una aleación con características de resistencia mejorada, profunda templabilidad,

y excelente ductilidad que satisfagan las necesidades para aplicaciones críticas en la industria de la aviación. Las propiedades cruciales de tal producto son una alta resistencia a la tracción (por ejemplo, límite de elasticidad a la tracción ("TYS") y carga de rotura por tracción ("UTS") ) , módulo de elasticidad, alargamiento, y reducción de área ("RA") . Además, existe la necesidad de técnicas avanzadas para la fabricación y el procesamiento de tal aleación que mejoren adicionalmente su rendimiento.

Sumario de la invención De acuerdo con los problemas, necesidades, y objetivos que se han descrito anteriormente, se divulga una aleación de titanio casi-beta de alta resistencia. La aleación de titanio comprende, en % en peso, de un 5, 3 a un 5, 7 % de 60 aluminio, de un 4, 8 a un 5, 2 % de vanadio, de un 0, 7 a un 0, 9 % de hierro, de un 4, 6 a un 5, 3 % de molibdeno, de un 2, 0 a un 2, 5 % de cromo, y de un 0, 12 a un 0, 16 % de oxígeno, y opcionalmente uno o más elementos adicionales seleccionados entre N, C, Nb, Sn, Zr, Ni, Co, Cu y Si, donde cada elemento adicional está presente en una cantidad de menos de un 0, 1 % y el contenido total de elementos adicionales es menos de un 0, 5 % en peso, y se equilibra con titanio junto con cualquier impureza inevitable.

En otra realización, la aleación de titanio tiene una proporción de estabilizadores beta isomorfos (!ISO) con respecto a beta eutectoides (!EUT) de 1, 2 a 1, 73, o más específicamente de 1, 22 a 1, 73, donde la proporción de estabilizadores beta isomorfos con respecto a beta eutectoides se define como:

ISO / !EUT = [Mo + V/1, 5] / [Cr/0, 65 + Fe/0, 35]

En las ecuaciones que se proporcionan en la presente memoria descriptiva, Mo, V, Cr, y Fe representan el porcentaje en peso de molibdeno, vanadio, cromo, y hierro, respectivamente, en la aleación de titanio. En una realización, el valor de beta isomorfos varía de 7, 80 a 8, 77 y, en una realización particular, es de aproximadamente 8, 33. En otra realización, el valor de beta eutectoides varía de 5, 08 a 6, 42 y, en una realización particular, es de aproximadamente 5, 82. En una realización particular, la proporción de estabilizadores beta isomorfos con respecto a beta eutectoides es de 1, 4, o más específicamente de 1, 43.

En aún otra realización, la aleación de titanio tiene una equivalencia de molibdeno (Moeq) de 12, 8 a 15, 2, donde la 15 equivalencia de molibdeno se define como:

Moeq = Mo + V/1, 5 + Cr/0, 65 + Fe/0, 35

En una realización particular, la equivalencia de molibdeno es de aproximadamente 14, 2. En todavía otra realización, la aleación de titanio tiene una equivalencia de aluminio (Aleq) de 8, 5 a 10, 0, donde la equivalencia de aluminio se define como:

Aleq = Al + 27O

En esta ecuación Al y O representan el porcentaje en peso de aluminio y oxígeno, respectivamente, en la aleación de titanio. En una realización particular, la equivalencia de aluminio es de aproximadamente 9, 3. En otra realización, la aleación de titanio tiene una temperatura de transformación beta (Tβ) de aproximadamente 1557 a aproximadamente 1627 °F (de aproximadamente 847 a aproximadamente 886 °C) , donde la temperatura de transformación beta en °F se define como:

T! = 1594 + 39, 3Al + 330O + 1145C + 1020N -21, 8V -32, 5Fe -17, 3Mo -70Si -27, 3Cr

En esta ecuación, C, N, y Si representan el % en peso de carbono, nitrógeno, y silicio, respectivamente, en la aleación de titanio. En una realización particular, la temperatura de transición beta es de aproximadamente 1590 °F

(aproximadamente 865 °C) . En una realización particular, el % en peso de aluminio es un 5, 5 %, el % en peso de vanadio es un 5, 0 %, el % en peso de hierro es un 0, 8 %, el % en peso de molibdeno es un 5, 0 %, el % en peso de cromo es un 2, 3 %, y/o el % en peso de oxígeno es un 0, 14 %.

De acuerdo con una realización, la aleación puede conseguir unas excelentes propiedades de tracción. Como ejemplo, la aleación es capaz de conseguir un límite de elasticidad a la tracción (TYS) de al menos 1172 MPa (170 kilolibras por pulgada cuadrada (ksi) ) , una carga de rotura por tracción (UTS) de al menos 1241 MPa (180 ksi) , un módulo de elasticidad de al menos 110 GPa (16, 0 megalibras por pulgada cuadrada (Msi) ) , un alargamiento de al menos un 10 %, y/o una reducción de área (RA) de al menos un 25 %.

De acuerdo con aún otra realización la aleación puede conseguir una excelente resistencia a la fatiga. Por ejemplo, la aleación es capaz de conseguir una vida a fatiga de al menos 200.000 ciclos cuando un ejemplar de fatiga axial suave se ensaya de acuerdo con la norma ASTM E606 con una tensión alternante entre + 0, 6 % y -0, 6 %.

La composición de aleación, que usa un nivel de hierro de un 0, 7 a un 0, 9 % en peso, consigue las propiedades deseadas de alta resistencia, profunda templabilidad, y excelente ductilidad que se requieren para aplicaciones de componentes de aviación críticos tales como un tren de aterrizaje. Este resultado es particularmente inesperado a la vista de las enseñanzas de la técnica anterior,... [Seguir leyendo]

1. Aleación de titanio que comprende, en % en peso, de un 5, 3 a un 5, 7 % de aluminio, de un 4, 8 a un 5, 2 % de vanadio, de un 0, 7 a un 0, 9 % de hierro, de un 4, 6 a un 5, 3 % de molibdeno, de un 2, 0 a un 2, 5 % de cromo, y de un 0, 12 a un 0, 16 % de oxígeno, y opcionalmente uno o más elementos adicionales seleccionados entre N, C, Nb, Sn, Zr, Ni, Co, Cu y Si, donde cada elemento adicional está presente en una cantidad de menos de un 0, 1 % y el contenido total de elementos adicionales es menos de un 0, 5 % en peso, y se equilibra con titanio junto con cualquier impureza inevitable.

2. La aleación de titanio de la reivindicación 1 que tiene una proporción de estabilizadores beta isomorfos con respecto a beta eutectoides de 1, 4, donde la proporción de estabilizadores beta isomorfos con respecto a beta eutectoides se define como:

ISO / !EUT = [Mo + V/1, 5] / [Cr/0, 65 + Fe/0, 35]

3. La aleación de titanio de una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde el % en peso de aluminio es 5, 5.

4. La aleación de titanio de una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde el % en peso de vanadio es 20 5, 0.

5. La aleación de titanio de una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde el % en peso de hierro es 0, 8.

6. La aleación de titanio de una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde el % en peso de molibdeno es 25 5, 0.

7. La aleación de titanio de una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde el % en peso de cromo es 2, 3.

8. La aleación de titanio de una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde el % en peso de oxígeno es 0, 14.

9. Un componente de sistema de aviación que es un tren de aterrizaje o un sujetador y que comprende una aleación de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones procedentes. 35

10. Un método para la fabricación de una aleación de titanio para su uso en aplicaciones de alta resistencia, profunda templabilidad, y excelente ductilidad, que comprende:

proporcionar una aleación de titanio de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8;

realizar un tratamiento térmico en solución de la aleación de titanio a una temperatura sub-transus; y realizar un templado por precipitación de la aleación de titanio.

11. El método de la reivindicación 10, que comprende además una segunda fusión en arco de vacío de la aleación de titanio. 45

12. El método de la reivindicación 10 o 11, que comprende además la forja y el laminado de la aleación de titanio por debajo de la temperatura de transformación beta.

13. Un método para la fabricación de un componente de sistema de aviación que es un tren de aterrizaje o un 50 sujetador cuyo método comprende el método de una cualquiera de las reivindicaciones 10 a 12.

14. El uso de una aleación de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8 en la fabricación de un componente de sistema de aviación que es un tren de aterrizaje o un sujetador.