ES2292955T3 - Aleacion alfa-beta de ti-al-v-mo-fe. - Google Patents

Abstract

Una aleación alfa-beta basada en titanio en % en peso, que comprende: 4, 5 hasta 5, 5 de aluminio; 3, 0 hasta 5, 0 de vanadio; 0, 3 hasta 1, 8 de molibdeno; 0, 3 hasta 0, 8 de hierro; 0, 12 hasta 0, 25 de oxígeno; y el resto de titanio y de elementos eventuales e impurezas, siendo dichos elementos eventuales cada uno menor de 0, 1 y en total menores de 0, 5.

Description

Aleación alfa-beta de Ti-Al-V-Mo-Fe.

Descripción de la invención Fundamento de la invención

La invención se refiere a una aleación alfa-beta de elevada resistencia, que posee una combinación mejorada de propiedades de resistencia, maquinabilidad y balística.

Las aleaciones basadas en titanio son empleadas en aplicaciones que requieren relaciones de elevada resistencia-peso con buenas propiedades a elevada temperatura y resistencia a la corrosión. Estas aleaciones pueden ser caracterizadas como aleaciones de fase alfa, aleaciones de fase beta o aleaciones alfa-beta. Las aleaciones alfa-beta contienen uno o más elementos estabilizadores alfa y uno o más elementos estabilizadores beta. Estas aleaciones pueden volverse más resistentes mediante tratamiento térmico o mediante procesamiento termo-mecánico. Específicamente, las aleaciones pueden volverse más resistentes mediante enfriamiento rápido desde una elevada temperatura en el rango alfa-beta o por encima de la temperatura de transición de beta. Este procedimiento, conocido como tratamiento de solubilización, es seguido de un tratamiento de envejecimiento térmico a temperatura intermedia, que tiene como resultado una mezcla deseada de las fases alfa y beta transformada, como las principales fases en la microestructura de la aleación.

Es deseable el empleo de estas aleaciones en aplicaciones que requieren de una combinación de propiedades de elevada resistencia, buena maquinabilidad y propiedades balísticas.

Por lo tanto, constituye un objeto de la presente invención proporcionar una aleación alfa-beta basada en titanio, que posee esta combinación deseable de propiedades.

Sumario de la invención

La aleación alfa-beta de titanio, que comprende:

Al: 4,5 a 5,5% en peso.

V: 3,0 a 5,0% en peso (preferiblemente 3,7 a 4,7% en peso)

Mo: 0,3 a 1,8% en peso

Fe: 0,2 a 1,2% en peso (preferiblemente 0,2 a 0,8% en peso)

O: 0,12 a 0,25% en peso (preferiblemente 0,15 a 0,22% en peso)

El resto de titanio, elementos eventuales e impurezas, estando cada uno en menos de 0,1% en peso y de 0,5% en peso en total.

Según la invención, las aleaciones contienen aluminio como un elemento esencial dentro de los límites de la composición de la invención. Si el contenido de aluminio es menor que 4,5%, no se obtendrá suficiente resistencia. Asimismo, si el contenido de aluminio es mayor que 5,5% la maquinabilidad será inferior.

El vanadio es un elemento esencial como estabilizador de la fase beta en las aleaciones de titanio alfa-beta, según la invención. Si el contenido de vanadio es menor que 3,0%, no se obtendrá suficiente resistencia. Asimismo, si el contenido de vanadio es mayor que 5,0%, el contenido de la estabilizadora fase beta será también demasiado elevado, resultando en una degradación de la maquinabilidad.

El hierro está presente como un elemento estabilizador de la fase beta, siendo efectivo y menos costoso. Normalmente, aproximadamente 0,1% de hierro proviene del titanio esponja y otros materiales de reciclaje empleados en la producción de la aleación, según la invención. Por el contrario, el hierro puede añadirse como acero o a partir de la aleación maestra de hierro-molibdeno, puesto que la aleación de la invención posee molibdeno como un elemento esencial. Si el contenido de hierro es mayor que, aproximadamente, 1,2%, la maquinabilidad se afectará adversamente.

El molibdeno es un elemento efectivo para estabilizar la fase beta, proporcionando, además, el refinamiento del grano de la microestructura. Si el contenido de molibdeno es menor que 0,3% no se obtendrán los efectos deseados. Asimismo, si el contenido de molibdeno es mayor que 1,8%, la maquinabilidad se degradará.

El oxígeno es un elemento fortalecedor de la resistencia en el titanio y sus aleaciones. Si el contenido de oxígeno es menor que 0,12%, no se obtendrá suficiente resistencia y si el contenido de oxígeno es mayor que 0,25%, ocurrirá la fragilización y se deteriorará la maquinabilidad.

Descripción detallada y ejemplos específicos Ejemplo 1

Diez lingotes de 203 mm, incluido el de la aleación Ti-6Al-4V, fueron producidos, a escala de laboratorio, mediante doble refusión en horno por arco eléctrico al vacío. La composición química de estos lingotes se muestra en la Tabla 1. En la tabla, las aleaciones A, B, C y E son aleaciones de la invención. Las aleaciones D y F hasta la J son aleaciones controladas. La aleación J es la Ti-6Al-4V, la cual es la aleación alfa-beta más común. Estos lingotes fueron forjados y laminados a barras cuadradas de 19 mm o a planchas gruesas de 19 mm con el procesamiento alfa-beta. Una parte de los materiales fue recocido durante 1 hora a 704ºC (1.300 F), seguido de un enfriamiento por aire, a fin de examinar las características básicas de cada aleación. Adicionalmente, se realizó un tratamiento de solubilización y envejecimiento para cada barra y después se evaluaron las propiedades mecánicas a fin de examinar la endurecibilidad de las aleaciones.

La Tabla 2 muestra las propiedades de resistencia a la tracción de las aleaciones después del recocido. Las aleaciones A, B, C y E muestran resistencias similares (UTS o 0,2% PS, resistencia máxima a la tracción o límite de fluencia_{0.2}) a las de la aleación Ti-6Al-4V. La ductilidad (El y RA, elongación y Área reducida) de A, B, C y E es mejor que la de la aleación Ti-6Al-4V. La Tabla 3 muestra las propiedades de resistencia a la tracción de aleaciones experimentales después del tratamiento de solubilización y envejecimiento (STA), conjuntamente con la aleación
Ti-6Al-4V. Las aleaciones A, B y C muestran resistencias máximas a la tracción o límites de fluencia_{0.2} (UTS o 0,2% PS) más elevados que los de la aleación Ti-6Al-4V, de por lo menos 68,95 MPa La resistencia más elevada después del tratamiento de solubilización y envejecimiento se debe, fundamentalmente, a la endurecibilidad mejorada por la adición de molibdeno y/o hierro. Sin embargo, si el contenido de molibdeno y/o hierro es demasiado elevado, la ductilidad disminuye, como se víó en las aleaciones G, H e I.

TABLA 1 Composición química de aleaciones (en % en peso, excepto H con ppm)

1

TABLA 2 Propiedades de resistencia a la tracción de barras recocidas

2

TABLA 3 Propiedades de resistencia a la tracción de barras tratadas por solubilización y envejecidas

3

\vskip1.000000\baselineskip

Ejemplo 2

Las planchas recocidas con el espesor de 19 mm se maquinaron a un espesor de 16 mm. Se ejecutaron ensayos de barrenado sobre estas planchas para evaluar la maquinabilidad de las aleaciones. Se emplearon barrenas de acero de alta velocidad (AISI M42) para el ensayo. Las condiciones del ensayo de barrenado son las siguientes:

- Diámetro de la barrena 6,4 mm

- Profundidad del orificio: 16 mm

- Avance: 0,1905 mm/rev

- Velocidad de rotación: 500 r.p.m

- Enfriamiento por refrigerante soluble en agua

La vida útil de la barrena se determinó cuando con la barrena no pudo barrenar más orificios, debido al daño de su punta. Los resultados de los ensayos de barrenado se exponen en la Tabla 4. El índice relativo de barrenado de la Tabla 4 es un promedio de 2 ó 3 ensayos. El ensayo de barrenado se concluyó cuando su índice relativo resultó más elevado que aproximadamente 4,0. El ensayo de barrenado indicó que las aleaciones de la presente invención poseen una maquinabilidad significativamente superior que la de la aleación Ti-6Al-4V, y de otras aleaciones con composiciones químicas diferentes de la aleación de la presente invención. La inferior maquinabilidad de la aleación F es debida al elevado contenido de oxígeno.

TABLA 4 Resultados del ensayo de barrenado

4

Ejemplo 3

Una plancha con un espesor de aproximadamente 11 mm se produjo por el procesamiento de alfa-beta a partir de un lingote de laboratorio de 203 mm de diámetro. Esta plancha fue recocida, seguida de una limpieza ácida. Un fragmento de proyectil simulado (FSP) de calibre A50 se empleó como un proyectil. La AV_{50}, la cual es la velocidad de los proyectiles que poseen una probabilidad de 50% de penetración completa, se determinó para cada plancha y se comparó con la especificación. Los resultados se muestran en la Tabla 5. En la tabla, el término \DeltaV_{50} indica la diferencia de V_{50} entre el valor medido y la especificación. Por ello, un valor positivo del número indica superioridad sobre la especificación. Como se muestra en la tabla, la aleación K presenta una propiedad balística superior a la de la aleación Ti-6Al-4V.

TABLA 5 Resultados de las propiedades balísticas

5

Otras realizaciones de la invención serán evidentes a los expertos en la técnica, a partir de la consideración de la especificación y práctica de la invención expuesta en la presente solicitud. Se pretende que la especificación y los ejemplos sean considerados solamente como ejemplificaciones, siendo reivindicado el verdadero alcance de la presente invención mediante las siguientes reivindicaciones.

Claims (3)

1. Una aleación alfa-beta basada en titanio en % en peso, que comprende:

4,5 hasta 5,5 de aluminio;

3,0 hasta 5,0 de vanadio;

0,3 hasta 1,8 de molibdeno;

0,3 hasta 0,8 de hierro;

0,12 hasta 0,25 de oxígeno; y

el resto de titanio y de elementos eventuales e impurezas,

siendo dichos elementos eventuales cada uno menor de 0,1 y en total menores de 0,5.

2. La aleación de la reivindicación 1, que comprende 3,7 hasta 4,7 de vanadio.

3. La aleación de la reivindicación 1 ó de la reivindicación 2, que comprende 0,15 hasta 0,22 de oxígeno.