一種制造由TA6Zr4DE鈦合金制成的部件的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種方法，該方法包括在α/β相區(qū)中煅造毛坯以形成預(yù)制體的步驟；在鈦合金的β相區(qū)中對(duì)所述預(yù)制體進(jìn)行熱模沖壓以形成半成品的步驟；以及熱處理。以特征方式，在壓模步驟期間，半成品全身各處承受大于或等于1.2的局部變形ε，這個(gè)壓模步驟由迅速冷卻終止，該迅速冷卻以快于85℃/分鐘的初始冷卻速率進(jìn)行。所述方法可適用于制造渦輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)部件。
【專利說(shuō)明】一種制造由TA6Zr4DE鈦合金制成的部件的方法
[0001]本發(fā)明涉及一種制造由TA6Zr4DE鈦合金制成的部件的形變熱處理方法，以及一種由該方法產(chǎn)生的部件。
[0002]本發(fā)明特別地，但不唯一地，應(yīng)用于渦輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)部件(例如輪盤(disk)、耳軸和葉輪)，以及特別地，本發(fā)明涉及高壓壓縮機(jī)輪盤。
[0003]目前，在 申請(qǐng)人:使用的技術(shù)中，高壓壓縮機(jī)輪盤是通過(guò)煅造獲得的，包括在a/β相區(qū)中鍛造毛坯的步驟和在鈦合金的β相區(qū)中進(jìn)行熱模沖壓的步驟。壓模是在大約1030°C下執(zhí)行的。
[0004]在壓力機(jī)(press)中壓模的步驟之后是熱處理循環(huán)，其包括在970°C的溫度(其對(duì)應(yīng)于β轉(zhuǎn)變溫度減30°C )下，在合金的α/β相區(qū)(domain)中進(jìn)行一小時(shí)固溶處理的步驟。這個(gè)固溶處理步驟之后是在油中或者在水-聚合物混合物中淬火的步驟。[0005]之后，退火處理在595°C下執(zhí)行八個(gè)小時(shí)，之后在空氣中冷卻。
[0006]不考慮特殊情況，在執(zhí)行這個(gè)制造方法時(shí)，獲得了呈現(xiàn)粗微觀結(jié)構(gòu)的區(qū)域的合金，這些區(qū)域不利于鈦合金良好的強(qiáng)度，特別是在以在特定保持時(shí)間內(nèi)保持的施加壓力進(jìn)行的低循環(huán)疲勞測(cè)試期間(相比于沒(méi)有保持時(shí)間的相同類型的疲勞測(cè)試)，特別是針對(duì)從_50°C到+200°C的使用溫度的范圍。由于引入保持時(shí)間(在該保持時(shí)間期間保持最大負(fù)載)在這種疲勞測(cè)試期間觀測(cè)到的壽命的縮短導(dǎo)致被稱為保持效應(yīng)的現(xiàn)象。更確切地，該現(xiàn)象包括在相對(duì)低的溫度(低于200°C )下的蠕變，該蠕變伴隨低循環(huán)疲勞，導(dǎo)致材料中的內(nèi)部破壞，該內(nèi)部破壞可以一直發(fā)展到部件的提早崩潰。
[0007]特別地，使用被稱為“6242”(其包括大約6%的鋁，2%的錫，4%的鋯和2%的鑰)的合金是優(yōu)選的。更確切地，這種合金在冶金術(shù)語(yǔ)中被稱為TA6Zr4DE合金。
[0008]圖1中示出了有益于保持效應(yīng)現(xiàn)象的結(jié)構(gòu)類型:不纏結(jié)的針(所有針呈現(xiàn)共同的方向)位于晶界10的兩側(cè)中任一側(cè)。在這個(gè)配置中(其可以被稱作“羽毛”結(jié)構(gòu))，這些針彼此平行。
[0009]相反地，當(dāng)α相的針被完全地纏結(jié)在一起，即，當(dāng)它們沒(méi)有被集合在相互平行的針包中，而是以非常不同的方向(參見(jiàn)圖1:區(qū)域20，或者圖2中的全部)被安排和分布時(shí)，則獲得需要被促進(jìn)的結(jié)構(gòu)，因?yàn)樵摻Y(jié)構(gòu)不益于保持效應(yīng)現(xiàn)象。
[0010]因此，在航空領(lǐng)域中以及特別地對(duì)于高壓壓縮機(jī)輪盤，該應(yīng)用對(duì)于這個(gè)保持效應(yīng)現(xiàn)象是非常敏感的，因?yàn)樵谄痫w和著陸階段，引擎承受在與這種現(xiàn)象相對(duì)應(yīng)的溫度和壓力的范圍內(nèi)的運(yùn)行條件。這種現(xiàn)象能夠?qū)е缕诹鸭y的提早開(kāi)始，以及可能甚至導(dǎo)致部件破
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[0011]這種保持效應(yīng)現(xiàn)象能被渦輪機(jī)生產(chǎn)者很好地識(shí)別，并且已經(jīng)是大量研究的主題；另外，這種保持效應(yīng)現(xiàn)象適用于所有溫度穩(wěn)定的鈦合金:在β、α / β、近α以及α分類中的鈦合金。
[0012]本發(fā)明的目的是提供一種制造由TA6Zr4DE鈦合金制成的形變熱處理部件的方法，該方法可以進(jìn)行工業(yè)話生產(chǎn)，以及該方法能夠克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，并且特別地，該方法能夠限制保持效應(yīng)現(xiàn)象的程度。[0013]本發(fā)明的目的是為了改進(jìn)形變熱處理制造方法以獲得部件，對(duì)于該部件，與保持效應(yīng)現(xiàn)象相關(guān)的壽命被增加，雖然該部件在低溫下所承受的循環(huán)應(yīng)力。
[0014]為此，本發(fā)明涉及一種制造由TA6Zr4DE鈦合金制成的形變熱處理部件的方法，該方法包括:在α/β相區(qū)中煅造毛坯以形成預(yù)制體的步驟，在鈦合金的β相區(qū)中對(duì)所述預(yù)制體進(jìn)行熱模沖壓以形成半成品的步驟，以及熱處理，該方法的特征在于在壓模步驟期間，半成品全身各處承受大于或等于1.2的局部變形ε，這個(gè)壓模步驟以迅速冷卻終止，該迅速冷卻以快于85攝氏度每分(C/min)(并且優(yōu)選地，快于100°C /min)的初始冷卻速率進(jìn)行。
[0015] 本發(fā)明基于的觀點(diǎn)對(duì)應(yīng)于已經(jīng)觀察到于材料中存在有益于保持效應(yīng)現(xiàn)象的平行針區(qū)域或者“集群(colony)”的事實(shí)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這種集群是由主α相的相對(duì)粗糙的延長(zhǎng)針(其彼此相互接觸)構(gòu)成。這些集群可以呈現(xiàn)能夠達(dá)到幾毫米長(zhǎng)的長(zhǎng)度，以及位于0.1毫米(mm)至1.5mm范圍內(nèi)的厚度。
[0016]當(dāng)材料處于壓力下時(shí)，這些集群組成出現(xiàn)高度集中的位錯(cuò)的位置，以致一旦它們變得活躍，并且在沒(méi)有要求任何特定的熱效應(yīng)的情況下，在針之間會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)，這能夠?qū)е缕屏选?br> [0017]本發(fā)明試圖提供一種制造方法，該方法能夠限制晶粒尺寸和限制“集群”類型的結(jié)構(gòu)，特別地，通過(guò)試圖獲得“纏結(jié)”類型的結(jié)構(gòu)，以最小化保持效應(yīng)，以及這是通過(guò)減小范圍(超過(guò)該范圍，位錯(cuò)可以自由地移動(dòng))來(lái)完成的，以最小化位錯(cuò)的累積以及最小化部件破裂的風(fēng)險(xiǎn)。
[0018]以本發(fā)明的特征方式，這就是為什么不僅一些最低水平的變形被施加給部件以在壓模步驟的結(jié)尾獲得精細(xì)的微結(jié)構(gòu)，而且還通過(guò)取出半成品并立即和足夠快地冷卻該半成品確保該精細(xì)的微結(jié)構(gòu)被保存。
[0019]例如，終止壓模的冷卻是通過(guò)在水中(特別地在不超過(guò)60°C的溫度下的水中)進(jìn)行淬火而進(jìn)行的。
[0020]有利地，在根據(jù)本發(fā)明的這個(gè)制造方法中，所述熱處理包括在合金的α/β相區(qū)中進(jìn)行固溶熱處理，該固溶熱處理之后立即以比100°c /分鐘更快的冷卻速率對(duì)整個(gè)部件進(jìn)行冷卻。
[0021]優(yōu)選地，終止固溶熱處理的冷卻是通過(guò)以比150°C /分鐘更快的冷卻速率(并且特別地，以處于200°C /分鐘到450°C /分鐘的范圍內(nèi)的冷卻速率)對(duì)該部件進(jìn)行淬火而實(shí)施的。
[0022]有利地，終止固溶熱處理的冷卻是通過(guò)在油或者在水/聚合物混合物中進(jìn)行淬火而實(shí)現(xiàn)的。
[0023]因此，由于該快速冷卻，微結(jié)構(gòu)的狀態(tài)被凍結(jié)在其固溶熱處理步驟的結(jié)尾具有的狀態(tài)中，并且避免了任何其它對(duì)該微結(jié)構(gòu)的改變，因?yàn)槠淇赡軐?dǎo)致有益于保持效應(yīng)現(xiàn)象的α相集群的針的增長(zhǎng)。
[0024]另外，與播種/生長(zhǎng)類型現(xiàn)象(其導(dǎo)致相當(dāng)粗糙的微結(jié)構(gòu))相比較，選擇快速淬火有助于促進(jìn)β相到α相的馬氏體式轉(zhuǎn)變(從而導(dǎo)致相當(dāng)精細(xì)的微結(jié)構(gòu))。
[0025]另外優(yōu)選地，在根據(jù)本發(fā)明的制造方法的最后，該方法還包括以下步驟:
[0026]在終止固溶熱處理的淬火步驟之后，在大約595°C的溫度下、在大約8小時(shí)(h)的持續(xù)時(shí)間內(nèi)執(zhí)行退火步驟，以及隨后在空氣中進(jìn)行冷卻。
[0027]有利地，本發(fā)明的制造方法還包括:在壓模步驟(之后是在水中進(jìn)行冷卻)和固溶熱處理步驟之間，進(jìn)行試圖減小部件塊頭(massivity)的加工(并且特別地，進(jìn)行預(yù)加工)的步驟。隨后進(jìn)行其它加工操作以改正部件的尺寸并達(dá)到它最終的形狀。
[0028]在淬火步驟后，如果增加了預(yù)加工步驟，冷卻速率應(yīng)該優(yōu)選快于350°C /分鐘。
[0029]通過(guò)這種方式，可以減小在熱處理期間需要被處理的材料的體積，因此，使得該部件作為整體能夠被更快地冷卻。
[0030]發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這種使得結(jié)構(gòu)能夠變得更精細(xì)、而沒(méi)有影響材料的形變熱處理性能的結(jié)果的制造方法。
[0031]本發(fā)明還提供一種使用如上面所描述的制造方法、由TA6Zr4DE鈦合金制成的形變熱處理部件。
[0032]由鈦制成的形變熱處理部件優(yōu)選地形成渦輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)部件，以及特別地，形成壓縮機(jī)輪盤(特別是用于高壓壓縮機(jī)的輪盤)。
[0033]最后，本發(fā)明還涉及一種安裝有遵從上面給出的定義中的任何一者的形變熱處理部件的渦輪機(jī)。
[0034]本發(fā)明的其它優(yōu)勢(shì)和特征會(huì)在閱讀后面通過(guò)舉例并且參考附圖做出的描述時(shí)體現(xiàn)，其中:
[0035]圖1 (如上面描述的)示出了使用現(xiàn)有技術(shù)的傳統(tǒng)制造方法獲得的微結(jié)構(gòu)； [0036]圖2(如上面描述的)示出了使用本發(fā)明的制造方法獲得的這種類型的微結(jié)構(gòu)；
[0037]圖3示出了現(xiàn)有技術(shù)和本發(fā)明的制造方法的步驟；以及
[0038]圖4示出了在環(huán)境溫度下對(duì)于通過(guò)現(xiàn)有技術(shù)的制造方法獲得的部件和對(duì)于通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的制造方法獲得的部件的疲勞測(cè)試(隨著保持時(shí)間的“梯形”循環(huán))的壽命結(jié)果，以及這是通過(guò)不同巨塊結(jié)構(gòu)的部件的兩個(gè)區(qū)域(區(qū)域被標(biāo)記為3和5)來(lái)完成的。
[0039]圖3回憶了組成現(xiàn)有技術(shù)的傳統(tǒng)熱處理的內(nèi)容，特別地，所述傳統(tǒng)熱處理被 申請(qǐng)人:公司用于高壓壓縮機(jī)輪盤(其由TA6Zr4DE或者“6242”鈦合金制成)。
[0040]首先，在α/β相區(qū)中煅造材料的毛坯或者坯料，例如，在950°C下，之后在空氣中進(jìn)行冷卻以形成預(yù)制體。
[0041]然后，該預(yù)制體經(jīng)歷在1030°C的溫度(與β轉(zhuǎn)變溫度加30°C相對(duì)應(yīng))下、在鈦合金的β相區(qū)中進(jìn)行熱模沖壓的步驟，之后是在煅造后在水中進(jìn)行冷卻，從而獲得用于形成輪盤的半成品(也被稱為“毛坯煅造”)。
[0042]該壓模步驟后是熱處理，該熱處理包括在970°C的溫度(與β轉(zhuǎn)變溫度減30°C相對(duì)應(yīng))下，在合金的α/β相區(qū)中進(jìn)行一小時(shí)的固溶熱處理步驟。
[0043]該固溶熱處理步驟之后是在油中或者在水-聚合物混合物中進(jìn)行淬火的步驟(大約200°C /分鐘的最小初始冷卻速率，并且之后位于200°C /分鐘至450°C /分鐘的范圍內(nèi))。
[0044]之后，在595°C下，執(zhí)行八小時(shí)的退火熱處理，并伴隨在空氣中進(jìn)行冷卻。
[0045]獲得呈現(xiàn)在圖1中可視的微結(jié)構(gòu)的材料，其呈現(xiàn)在由位于晶界任一側(cè)的互相平行的α相的針構(gòu)成的特定位置集群中。這些針呈現(xiàn)能夠在圖中看見(jiàn)的延長(zhǎng)形狀的截面，以及它們經(jīng)常延伸超過(guò)幾百微米。[0046]在圖2中，可視的微結(jié)構(gòu)與鈦合金(其與圖1的合金相同)的微結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)，以及該可視的微結(jié)構(gòu)已經(jīng)經(jīng)歷上面描述的制造方法，除了以下不同:
[0047]在壓模步驟期間，毛坯全身各處承受大于或等于1.2的局部變形ε。有利地，局部變形的最小值ε是1.5，優(yōu)選地大于1.7，或者甚至大于1.9，以及其最大點(diǎn)超過(guò)2。
[0048]在這種環(huán)境下，平行針的集群的數(shù)量更少，以及它們的尺寸更小。這些針的大多數(shù)是纏結(jié)的，以及，另外，它們具有不同的尺寸。如在圖2中所看到的，所有這些針具有較小截面尺寸，它們的長(zhǎng)度保持小于100微米(μ m)，并且通常位于大約20 μ m至50 μ m的范圍內(nèi)。
[0049]因此，能夠預(yù)期的是，缺乏以平行排列的長(zhǎng)針將通過(guò)防止位錯(cuò)累積(否則，該位錯(cuò)累積可能導(dǎo)致破裂的風(fēng)險(xiǎn))來(lái)防止保持效應(yīng)現(xiàn)象。
[0050]針的尺寸的減小伴隨著它們體積的減小，和針之間的接觸區(qū)域的減小，從而阻礙疵點(diǎn)(例如位錯(cuò)或者空穴)的運(yùn)動(dòng)傾向，以及因此，它們經(jīng)過(guò)較短的距離，并且它們具有較小的累積的可能性。
[0051]在本發(fā)明中，術(shù)語(yǔ)局部變形ε用于表示由Forge2005仿真軟件計(jì)算的在馮米塞斯(Von Mises)意義中的等價(jià)廣義變形。用于計(jì)算的等式如下:
[0052]
【權(quán)利要求】
1.一種制造由TA6Zr4DE鈦合金制成的部件的形變熱處理方法，該方法包括:在α / β相區(qū)中煅造毛坯以形成預(yù)制體的步驟；在所述鈦合金的β相區(qū)中對(duì)所述預(yù)制體進(jìn)行熱模沖壓以形成半成品的步驟；以及熱處 理，所述方法其特征在于，在所述熱模沖壓步驟期間，所述半成品全身各處承受大于或等于1.2的局部變形ε，該熱模沖壓步驟以立即冷卻終止，該立即冷卻以快于85°C /分鐘的初始冷卻速率進(jìn)行。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述熱處理包括在所述合金的α/β相區(qū)中進(jìn)行固溶熱處理，在該固溶熱處理之后立即以快于100°C /分鐘的速率進(jìn)行冷卻。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，終止所述壓模的冷卻是通過(guò)在水中進(jìn)行淬火實(shí)現(xiàn)的。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的方法，其特征在于，終止所述固溶熱處理的冷卻是通過(guò)以快于150°C /分鐘的初始冷卻速率對(duì)所述部件進(jìn)行淬火步驟實(shí)現(xiàn)的。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，終止所述固溶熱處理的冷卻是通過(guò)在油中或在水/聚合物混合物中進(jìn)行淬火實(shí)現(xiàn)的。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，在終止所述固溶熱處理的所述淬火步驟期間，冷卻速率為200°C /分鐘至450°C /分鐘。
7.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，該方法還包括以下步驟: 在終止所述固溶熱處理的所述淬火步驟之后進(jìn)行退火步驟，該退火步驟進(jìn)行的溫度約為595°C，持續(xù)的時(shí)間大約為8小時(shí)；之后在空氣中進(jìn)行冷卻。
8.根據(jù)前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，該方法還包括:在所述壓模步驟和所述固溶熱處理步驟之間，進(jìn)行減小所述部件塊頭的加工步驟。
9.一種由TA6Zr4DE鈦合金使用根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法制成的形變熱處理部件。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的形變熱處理部件，其特征在于，該部件形成渦輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)部件。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的形變熱處理部件，其特征在于，該部件形成高壓壓縮機(jī)輪盤。
12.一種包括根據(jù)權(quán)利要求9至11中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的形變熱處理部件的渦輪機(jī)。
【文檔編號(hào)】C22F1/18GK103906851SQ201280053621
【公開(kāi)日】2014年7月2日 申請(qǐng)日期:2012年11月8日 優(yōu)先權(quán)日:2011年11月8日
【發(fā)明者】馬里恩·德瑞恩, 飛利浦·羅切特 申請(qǐng)人:斯奈克瑪