由鋁和鈦的合金製作三維部件的方法與流程

2024-02-19 06:51:15

背景技術：
：本發明涉及基於金屬合金的三維部件的製作方法的一般領域。更具體而言，基於鈦的合金用於將要經受高熱機械應力和腐蝕性氣氛的部件。這些合金起到降低這種部件的重量的作用，從而由於成本和/或能量效率的原因，使用這種部件是有利的，例如在航空領域的應用。由鈦基金屬合金製成的部件傳統上是通過涉及特定的鑄造或電子束熔化(ebm)的方法製造的。複雜形狀的部件(例如渦輪發動機葉片)難以製造，並且在應用上述生產方法之後需要較多的處理和加工步驟。特別地，額外的加工步驟通常導致高廢品率，這增加了生產成本。為了控制成本並獲得在製造後需要較少加工的形狀精確的部件，對可以從鈦基合金製造複雜形狀的部件而不存在這些缺點的方法存在需求。金屬注射成型(mim)方法是已知的，並且能夠獲得具有精確形狀的金屬部件而在生產後不需要大量昂貴的加工。這種方法包括以下步驟：製備基於金屬粉末(例如金屬合金)並同時含有至少一種粘合劑(例如熱塑性樹脂)的注射組合物；將注射組合物注入模具的空腔中以製作部件的坯料；選擇性地消除存在於坯料中的粘合劑(稱為「脫粘(debinding)」)，例如，在受控溫度下使用溶劑；以及燒結金屬粉末以使其緻密化。然而，使用傳統mim方法由鈦基合金製成的部件通常具有不均勻的機械性質以及相對大量的氧化，從而縮短其壽命。本發明的目的和內容作為通過傳統mim法獲得的部件的測試結果，本發明人觀察到其機械性能的不均勻性或相對大量的氧化主要是由於合金的化學組成在製造部件的過程中發生改變。更準確地說，本發明人觀察到在合金粉末燒結步驟中發生部件的化學組成的這種改變，其主要是由合金添加元素的蒸發導致的。另外，最熟知的mim方法推薦在燒結密封體中施加低壓，其中隨著密閉體中壓力的降低而使得添加元素的蒸發增加。本發明尋求通過提出一種製造包含鈦基合金的燒結三維部件的方法來克服現有技術的mim方法的缺點，其使得可以減緩合金的化學組成的不期望的改變，從而獲得呈現均勻的機械性質的複雜形狀的部件。該目標通過用於製造包含鈦基合金的燒結三維部件的方法來實現，該方法包括以下步驟：·製備注射組合物，該注射組合物包含粘合劑和鈦基合金的粉末，該鈦基合金包含鋁和/或鉻作為合金添加元素；·將注射組合物注入模具的空腔中，以獲得待製作的部件的坯料；·選擇性地消除坯料中的粘合劑；以及·燒結鈦基合金的粉末的第一步驟，該粉末在第一燒結步驟中經受高於或等於1毫巴(mbar)的第一壓力，以獲得由燒結合金粉末製作的部件的預製件。在第一燒結步驟期間控制壓力是必要的，因為有必要確保部件在高溫下緻密化，同時避免第一燒結步驟導致預製件的化學組成產生任何顯著的改變。因此，通過將第一壓力設定為高於或等於1毫巴，該第一壓力高於燒結溫度下添加元素的飽和蒸氣壓，從而限制其蒸發，並限制第一燒結步驟導致的部件的化學組成的任何改變。第一壓力可高於或等於10毫巴。第一壓力的施加時間例如可以是1-24小時的範圍。在第一燒結步驟之後，該方法還包括第二燒結步驟，其中施加第二壓力，該第二壓力低於第一壓力，對第二壓力的施加時間進行選擇，從而位於預製件表面的厚度為200微米(μm)的層中鋁和/或鉻的以重量計的含量不因第二燒結步驟而發生超過5％的相對值變化。優選該第二壓力低於1毫巴。例如，第二壓力可低於或等於10-1毫巴，低於或等於10-2毫巴，或實際上低於或等於10-3毫巴。第二壓力的施加時間可少於5小時，例如10分鐘-5小時的範圍。於是，通過進行這種第二燒結步驟(其中所施加的第二壓力低於第一壓力)，由於存在於孔中的氣體的排出而進一步降低了第一燒結步驟之後獲得的預製件的孔隙率。然而，即使第二燒結步驟的條件對於氣體從孔中排出是有利的，它們也有利於添加元素從合金內的蒸發，從而改變其化學組成，特別是在預製件的表面。因此，期望限制該第二燒結步驟的持續時間。在本發明中，這種受限的持續時間是可能的，因為在不影響其化學組成的第一燒結步驟中，預製件已經很好地進行了緻密化。然後可以顯著縮短第二燒結步驟的持續時間，以避免過度影響合金的化學組成，同時仍然可用於排出存在於預製件的孔中的氣體，從而改善所發生的緻密化。確定施加第二壓力的持續時間，從而使得位於預製件表面的添加元素(例如鋁和/或鉻)以重量計的含量在第二燒結步驟結束時不發生超過5％的相對值變化。預製件表面的添加元素的以重量計的含量在本文中用於表示位於預製件表面的厚度為200μm量級的層中的元素的重量比例。給定元素的以質量計的含量的相對變化是指在第一燒結步驟之前的所述元素的以質量計的含量與第二燒結步驟之後的所述元素的以質量計的含量之間的相對變化。例如，如果在第一燒結步驟之前鋁的質量含量為30％，並且如果在第二燒結步驟之後鋁的質量含量為28.5％，則在前兩個燒結步驟之後的鋁質量含量的相對變化為(30-28.5)/30＝5％。表面的這些質量含量是在燒結之前和燒結後在預製件的樣品上通過化學分析來確定的，該化學分析可以是破壞性或半破壞性的，特別是通過電感耦合等離子體質譜法(icp)，能量散射x射線光譜法(edx)，波長色散射光譜法(wds)或x射線螢光光譜法(xrf)。優選在第二燒結步驟之後該方法還包括第三燒結步驟，該第三燒結步驟中施加第三壓力，第三壓力高於第二壓力，例如可高於或等於1毫巴。第三燒結步驟使得能夠完成部件的緻密化，例如，如果在過多的添加元素蒸發且所需的緻密化未完成的情況下。因此，該第三步驟的持續時間取決於第二步驟結束時預製件的緻密化的進行程度有多高。該第三步驟的持續時間例如可以是10分鐘-10小時的範圍。本發明還提供以上描述的製造方法，其中所製造的部件是渦輪發動機葉片。本發明的一個方面中，在第一燒結步驟之前，鈦基合金粉末中鋁的含量高於10重量％。優選地，第一燒結步驟之前的鈦基合金粉末中以下元素以重量計具有以下含量：32％至33.5％的鋁；4.5％至5.1％的鈮；以及2.4％至2.7％的鉻。或者，第一燒結步驟之前的鈦基合金粉末中以下元素以重量計具有以下含量：28.12％至29.12％的鋁；8.56％至9.56％的鈮；以及1.84％至2.84％的鉬。再或者，第一燒結步驟之前的鈦基合金粉末中以下元素以重量計具有以下含量：5.4％至6.6％的鋁；和3.6％至4.4％的釩。附圖的簡要說明通過以下描述並參照附圖，本發明的其它特徵和優勢將更加明晰，附圖示出了沒有限制性質的實施方式。在附圖中：·圖1是流程圖，顯示了在本發明的實施方式中的方法的主要步驟；·圖2是注射模具的高度示意圖；和·圖3是適合通過本發明的方法製造的渦輪發動機葉片的高度示意圖。發明詳述本發明以其用於製造由鈦基合金製成的燒結三維部件的應用在以下進行描述。以眾所周知的方式，mim方法的步驟之一包括在壓力下將注射組合物注入模腔中，該組合物包含金屬合金粉末和粘合劑。該合金粉末可優選地是鈦和鋁合金的粉末。可使用上述合金。粉末優選基本為球形顆粒的形式。粉末的粒徑(d90)優選小於或等於150μm。換言之，如果考慮構成粉末的顆粒的尺寸分布，則90％的顆粒的尺寸小於或等於150μm。以已知的方式，粘合劑可包含選自以下的化合物：石蠟；熱塑性樹脂；瓊脂凝膠；纖維素；聚乙烯；聚乙二醇，聚丙烯；硬脂酸；聚甲醛等；以及其混合物。參考圖1，根據本發明的方法的實施方式包括以下步驟。由以上描述的合金的粉末以及粘合劑製備注射組合物(步驟e10)。注射組合物通常可以包含50體積％至70體積％的合金粉末和30體積％至50體積％的粘合劑。注射組合物可最初在例如惰性氣氛下於150℃至200℃範圍內的溫度下混合，隨後在該溫度下注射。如圖2示意性所示，注射模具1通常包括形成空腔12的兩個部分14和16，所述空腔12具有待製造的部件的形狀。注射模具有利地具有多個注射點18a、18b、18c，使得能夠注入到模具1的空腔12的多個部分中。通常，可在400巴至800巴的壓力範圍內進行注射。然後注入(步驟e20)到注射模具1中，注射模具自身具有例如在30℃至70℃的範圍內的調節溫度，使得注射組合物變得具有塑性，以形成待製作的部件的坯料。以這種方式製造的坯料處於所謂的「生坯(green)」狀態或塑性狀態。注入已被抽成真空的模具的空腔中是有利的，從而便於注射並確保模製的坯料是均勻的。此後，將坯料從模具取出(步驟e30)，並任選地在處於生坯狀態時加工(步驟e40)，以便消除在從模具取出的過程中可能出現的飛邊(flash)或注射點澆口。以下步驟包括選擇性地除去以這種方式形成的坯料中存在的粘合劑。選擇性地除去粘合劑(步驟e50)的步驟也稱為「脫粘」，其用於從生坯狀態的部件的坯料獲得具有待製造部件形狀的粉末。粘合劑的選擇性除去可以包括用溶劑處理來溶解粘合劑。熱處理可以用於選擇性地或完全消除粘合劑，或者完成消除。在這種情況下，可以在燒結密閉體中進行，以避免在選擇性地消除坯料中存在的粘合劑的步驟和第一燒結步驟之間移動粉末。在將粉末置入燒結密閉體之前，通過真空抽吸循環(例如在低壓的氬氣和氫氣下)對燒結密閉體進行吹掃和去汙。具體而言，為了避免合金中存在的元素的氧化，在燒結過程中必須處於惰性氣氛或還原氣氛下。燒結步驟(步驟e60)在燒結密閉體中進行，其中逐漸施加燒結溫度。以已知的方式，燒結溫度為燒結用粉末中存在的合金的固相線溫度的約80％至90％，以0.10℃/分鐘至20℃/分鐘的升溫速率逐漸達到該溫度。根據本發明，第一燒結步驟(步驟e601)通過使粉末經受惰性或還原氣氛(例如氬或氫氣)的第一壓力來進行，該壓力高於或等於1毫巴，例如高於或等於10毫巴。合金添加元素(如鉻和/或鋁)的蒸發在施加該第一壓力的第一燒結步驟的持續過程中是可以忽略的。因此，進行緻密化預製件的該步驟，同時避免由於添加元素蒸發而導致預製件的表面的粉末的化學組成發生任何改變。在一個變化方式中，在第一燒結步驟期間實施的燒結是部分的，隨後進行第二燒結步驟。在該第二燒結步驟中，預製件經受第二壓力，其低於以確定時間施加在燒結密閉體中的第一壓力(步驟e602)。該第二壓力的目的是排出存在於預製件的孔中的氣體，以增加其緻密化。然而，如上所述，施加第二壓力的持續時間受到限制，以便最小化預製件表面的例如鋁和/或鉻的添加元素的排出。換言之，在第二燒結步驟期間，進行處理以排出存在於孔中的燒結過程中產生的氣體，但不顯著地影響預製件的組成，特別是其表面的組成。在預製件的「表面處」的蒸發是指從預製件的表面的具有特定厚度的層蒸發添加元素(厚度通常為200μm量級)。例如，如果為第二壓力選擇非常低的值，則存在於孔中的氣體將被更有效地排出，且緻密化將更快地進行，然而，預製件表面處的添加元素的蒸發也會將相應地更多。或者，如果施加更高值的第二壓力，則存在於孔中的氣體將需要更長時間來排出，且緻密化會更為受限，然而，預製件表面處的添加元素的蒸發更少。因此，施加第二壓力的持續時間經調整以使第二燒結步驟之後的預製件的表面處的鋁和/或鉻的重量含量的相對變化最小化，優選小於5％，更優選小於3％，進一步更優選小於1％。換言之，預製件的表面的鋁和/或鉻的重量含量優選在第二燒結步驟之後的相對值變化不超過5％，更優選不超過3％，進一步優選不超過1％。在第二燒結步驟之後，可以進行第三燒結步驟(步驟e603)，其中施加高於第二壓力的第三壓力。通過示例的方式，該第三壓力可高於或等於1毫巴。在第二或第三燒結步驟(步驟e602和e603)之後，如果實施的話，則將預製件以例如0.1℃/分鐘至60℃/分鐘的降溫速率進行冷卻，以優化部件的微結構。最終部件是從進行了已知的最終處理(步驟e70)的預製件獲得的，所述最終處理例如有用於最終完成部件的緻密化的熱等靜壓、用於優化其微結構的附加熱處理以及加工或拋光等表面處理。本發明的方法特別適用於製造渦輪發動機葉片2，例如包括根部22、翼型件24和頂端26，如圖3中高度示意性所示。第一實施例第一實施例描述了使用本發明的方法從tial6v4型鈦合金製造葉片2的方法。首先，獲得d90為45μm的基本為球形顆粒的23級鈦合金(tial6v4)的市售粉末。還獲得了具體包括石蠟、乙烯/乙酸乙烯酯共聚物和硬脂酸的粘結劑。通過將合金粉末與粘合劑在氬氣中於120℃的溫度下混合2小時來製備注射組合物(步驟e10)。將注射組合物注入到注射模具1的空腔12中(步驟e20)。然後從模具取出處於生坯狀態的葉片2的坯料(步驟e30)並在處於生坯狀態時進行加工(步驟e40)，以消除由於注射而引起的飛邊(flash)。此後，將葉片的坯料在40℃的己烷浴中放置10小時，以通過溶解來除去粘合劑(步驟e50)。在燒結密閉體中繼續選擇性地去除粘合劑的步驟，其中在部分除去粘合劑後放置坯料，通過進行熱處理來除去粘合劑的最後殘留。通過將燒結密閉體中的溫度升高至1350℃來開始燒結步驟(步驟e60)。然後將密閉體內的壓力調節至10毫巴並維持2小時，以進行第一燒結步驟(步驟e601)將預製件冷卻，然後從燒結密閉體中取出，以進行常規精整處理(步驟e70)。第二實施例第二實施例描述了使用本發明的另一方法從tial48-2-2型鈦合金製造葉片2的方法。首先，獲得具有表1所示化學組成的鈦合金的市售粉末，其具有d90為25μm的基本上為球形的顆粒。表1-合金的化學成分(重量％)tialnbcrfe基底32.0-33.04.50-5.102.40-2.700.10cnh2o2si0.0150.020.010.04-0.130.025也獲得了主要包含聚乙烯和聚乙二醇的粘合劑。通過將合金粉末與粘合劑在170℃的溫度下混合來製備注射組合物(步驟e10)。將注射組合物注入到注射模具1的空腔12中(步驟e20)，該空腔的溫度調節至40℃且已被排空。然後從模具取出處於生坯狀態的葉片2的坯料(步驟e30)並在處於生坯狀態時進行加工(步驟e40)，以消除由於注射而引起的飛邊(flash)。此後，將葉片的坯料在75℃的水浴中放置24小時，以通過溶解來除去粘合劑(步驟e50)。在燒結密閉體中繼續選擇性地去除粘合劑的步驟，其中在部分除去粘合劑後放置坯料，通過進行熱處理來除去粘合劑的最後殘留。通過將燒結密閉體中的溫度升高至1,410℃來開始燒結步驟(步驟e60)。然後將密閉體內的壓力調節至1毫巴並維持6小時，以進行第一燒結步驟(步驟e601)在第一燒結步驟之後，進行第二燒結步驟(步驟e602)，同時將密閉體中的壓力降至10-1毫巴並維持30分鐘。將預製件冷卻，然後從燒結密閉體中取出，以進行常規精整處理(步驟e70)。當前第1頁12