含有金屬間鈦鋁合金構件或半成品的製造方法及相應構件的製作方法
2023-04-27 02:50:36
專利名稱：含有金屬間鈦鋁合金構件或半成品的製造方法及相應構件的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於製造含有金屬間鈦鋁合金構件或半成品的方法及可用本方法製造的構件。
背景技術：
常規類型的金屬間鈦鋁合金構件或半成品，如在現有技術中公知的，如果藉助常規的製造方法製造，其強度、其蠕變特性和其耐高溫性具有缺點或不足，這些缺點或不足由材料的冶金學特性引起。
技術相關的鈦鋁合金包含40-50原子百分比的鋁、最多15原子百分比的其它元素，如Nb、Cr、Si、B和C，其它為鈦。這樣的合金由γ(TiAl)構成多數金相及由α2(Ti3Al)構成少數金相。取決於合金成分和熱處理，還可能有其它少數金相。例如以下技術鈦鋁合金Ti-48Al-2Cr-2NbTi-47Al-1Cr-1Nb-0.5BTi-44Al-4Nb-4Zr-0.5SiTi-45Al-10Nb-0.2B-0.2C這種類型的合金特徵基本上是小密度、高彈性模量、高強度和高抗氧化性。基於這些不尋常的特性，鈦鋁合金在高溫技術中引起很大的應用興趣。但合金的技術應用被直到很高溫度還存在的大的脆性所阻礙。由此，材料缺陷或組織的不均勻性對於由合金製成的構件的強度和可靠性產生極不利的影響。迄今為止還未成功地通過合金效應顯著改善由金屬間的金相的特性決定的鈦鋁合金的低的脆性和損傷耐受性。用於合適的製造鈦鋁合金的方法的改進工作由此集中於用於傳統的冶金方法-例如鑄造或熱變形-的過程參數的識別，由此得到精細(fine)的及化學及結構上非常均勻的組織。這一方面導致了高溫特性上的潛能(Potential)不完全利用，因為得到的精細的組織減少例如合金的抗蠕變性和韌性降低。另一方面，在一些構件上實現的機械特性由於組織不可避免地在構件橫截面不完全均勻而受到限制。其原因在於組織形態經常依賴於局部構件橫截面，橫截面例如在鍛造製造時決定局部變形度或在通過鑄造方法製造時決定局部冷卻率。
如其它金屬間金相，存在於γ-鈦鋁合金中的多數金相γ(TiAl)由於其晶體結構具有相當大的例如彈性或塑性的各向異性。此外在鈦鋁合金中優選得到的層疊的組織加劇了機械特性的各向異性。因此在構件中確定的晶粒的晶體取向通過製造過程儘可能地避免。當然具有劇烈變化的橫截面的構件的紋理以及組織僅通過總構件截面受限制地控制，這也導致不能利用所有特性潛能。
鈦鋁合金目前已經用於所有冶金學中普遍的產品形式，包括鑄件、變形半成品和粉末。
鑄造鈦鋁合金是相對廉價的製造方法，特別適合用於製造具有複雜幾何形狀的構件。但是，此技術由於約1460℃的高熔融溫度及鈦鋁合金強烈的反應而非常複雜。鈦鋁熔融物的充模能力很小。因此對於製造具有精細形狀的構件需要特殊的鑄造技術例如離心鑄造。當熔融物凝固及繼續冷卻時發生相變和有序反應(Ordnungsreaktion)，它們導致不可避免的合金元素的偏析及很顯著的鑄造紋理。凝固時產生的組織與冷卻速度有關，由此可隨構件壁厚變化。在鑄件中經常出現縮孔和氣孔。該產生的質量缺陷通過構件尺寸增大而增加並且對於許多應用是不能容許的。
為了加強和細化化學和結構上不均勻的鑄造體如對於普通的材料，應用變形技術，如鍛造或擠壓。由此可實現的組織的改善主要依賴於在變形中可實現的變形度。對於鈦鋁合金，變形的程度首先由材料脆斷傾向強烈地限制。由此在鍛造體的外部經常在早期產生裂縫，裂縫阻礙繼續變形。因此變形度在鍛造鈦鋁合金時總被限制在80原子百分比。由此不能實現滿意的組織的細化和加固。這樣變形的半成品經常具有仍存在粗鑄造組織的區域，此外組織化學上非常不均勻。這種半成品只在一定條件下僅可被用於高載荷構件。
在擠壓時，對變形疊加大靜液壓應力，通過靜液壓應力，很有效地避免了裂縫的產生。由此基本上可比在鍛造時實現更高的變形度，由此組織質量顯著改善。雖然變形很大，但在擠壓過的半成品中仍具有顯著的結構和化學的各向異性，各向異性極大地限制了材料在安全意義重大的構件上的應用。對於進一步的構件製造特別不利的是在擠壓時產生很細長的半成品。通常，工件的橫截面以一個10∶1或更大的比例減少。目前僅能製造直徑最大300mm的良好質量的鑄造件。在擠壓時生產半成品只適於特別的構件形狀。但被擠壓的材料非常適於隨後的通過鍛造或軋制的變形。對於二次變形再次顯著的改善組織，使得由此製造的構件能滿足高的質量要求。由於擠壓過的半成品的很細長的形狀，通過隨後的鍛造僅充滿小的構件體積，並且首先不能製造大面積構件。
由擠壓過的材料通過軋制可製造大面積的薄板或片。這些板或片由於軋制變形在結構上和化學上很均勻，並相對於軋制方向具有顯著的紋理並由此機械性能上各向異性。
上述鑄造和變形技術的缺點可以在應用粉末冶金製造方法時避免。在此預先製成合金的鈦鋁粉末通過熱恆溫壓縮壓實，其中基本上對所壓實體的大小沒有限制。該粉末冶金製造方法的另一優點是壓實的體結構上和化學上很均勻，此外不具有紋理。通過不同的顯微結構的不同成分的粉末的混合，機械特性可變化。粉末冶金製造的鈦鋁合金半成品由此首先看起來特別適於通過隨後的鍛造製造大的構件。
但粉末冶金技術的一個嚴重的缺點是在粉末顆粒中經常包含有霧化的氣體(Verdüsungsgas)。這種霧化的氣體在隨後的變形步驟中被釋放並導致多孔性。因此對於高載荷的有重要安全意義的構件，通常避免使用粉末冶金製造的材料。
發明內容
所以本發明的目的是提供一種用於製造可由金屬或合金製成的構件或半成品方法，本構件或半成品可承受高載荷，並具有大的幾何膨脹及具有很好的耐高溫性，而不具有現有技術中公知的上述的藉助公知製造方法製造的構件的缺點，其中可簡單實施用於製造構件或半成品的方法，由此接著根據現有技術中公知的通常的製造方法步驟，其中藉助本發明的方法應當能提供具有藉助公知製造方法製造的構件和半成品不具有的特性的構件和半成品。
根據本發明的方法由以下方法步驟實現本發明的目的a.相應於構件或半成品的所希望的最終形狀粗形成多個板狀體的輪廓，其中這些板狀體的一部分或者所有板狀體由鈦鋁合金製成，b.實施多個相互堆疊的板狀體彼此平面連接用於形成總體(Gesamtkrper)，
c.形成總體所希望的最終形狀。
根據本發明的解決方案的優點基本上在於用於在最後方法步驟形成產生總體的開始體為較薄的平面板或片，板或片可通過變形技術如軋制、連續擠壓或鍛造製成半成品，因此很廉價。根據本發明也可使用通過鑄造或粉末冶金方法製造的平面或板狀金屬或合金半成品。
對於本發明，構件的三維最終形狀分層地由板狀體組成。這些構成層的單個的板狀體具有通過平行的構件截平面形狀，可看作構件片。
根據方法步驟a的概念「形成粗輪廓」，理解為，板狀體及片狀體的相互堆疊之後選擇比按照本發明製造的構件的尺寸稍微大些的初步形狀。彎曲的構件形狀可通過相應的設有階臺的板狀或片狀體的粗輪廓由堆疊構成，因此堆已具有三維階臺輪廓的外表面。
由軋制、連續擠壓、鍛造、鑄造或粉末冶金方法製成的板狀或片狀體通過該技術在一定條件下具有預先給定的顯微組織及紋理，它們通過預給定的所希望的規範對於總體限定。這裡不產生用公知方法製造的總體的缺點，因為由板狀體構成的總體的特性一層一層地限定。
為構成總體而使多個堆疊的板狀體彼此連接可以通過合適的接合方法來實現。因此在總體內部通過連接過程不產生組織變化。
根據方法步驟c形成所希望的最終形狀通過公知的變形方法進行，彼此連接的片狀體大量保持其顯微結構。
根據一個有利的方法設計方案，板狀體的粗輪廓通過無切屑成形形成，例如通過衝裁由板狀或片狀半成品構成的板狀體。
也可以板狀體的粗輪廓優選地通過切削實現，這可機械式或例如通過雷射切割方法或類似方法進行。
用於構成總體的多個堆疊的板狀體的彼此連接可以優選地通過滲透焊接來實現。滲透焊接可在較低的溫度900-1100℃及20-100MPa下進行，使除緊挨著的焊接區域外在板狀體的材料中不產生組織變化。
對於本方法另一優選方案。多個堆疊的板狀體的連接通過各板狀體之間的釺焊連接實現。
形成總體的最終形狀優選地通過鍛造總體來實現，這具有以下優點該鍛造過程產生附加的加固和和化學上材料的均勻性，存在於焊接區域中的組織變化幾乎完全重構。這對於高載荷有重要安全意義的構件有特別重大優點。
基本上所有合適的方法如在工具機上的切削加工或藉助腐蝕法最終成形，都適於按照方法步驟c形成總體的最終形狀。除了鍛造之外最後提到的加工方法可用於形成總體最終形狀。
當執行確定的方法時，例如相互連接板狀體的過程與之後的鍛造結合時對減少時間和費用有利的是，板狀體堆疊的連接和/或形成總體的最終形狀在真空或一種惰性氣體氛圍中進行。在鍛造時，對於該在真空中或一種惰性氣體氛圍中的特殊的製造方法確保板狀體的連接區域例如通過滲透連接不與氧接觸。
本方法對於形成總體有很大的優點，其中構成總體的板狀體由各不相同的鈦鋁合金或由鈦鋁合金及其他金屬和合金構成。所以可應用例如具有不同成分、不同顯微組織、不同紋理及不同顯微組織和不同紋理的板狀體。於是具有很不相同的成分的二相的鈦鋁合金可用於單個板狀體，考慮例如合金各不相同的抗氧化性和合金不同的強度。
同時例如要考慮鈦鋁合金抗氧化性通過增加鋁含量而增加，抗氧化性通過添加Nb繼續增加，與此相反鈦鋁合金的強度隨著鋁含量的降低而增加及此外通過合金元素如Nb、Mo、W、B、C或Si都會影響鈦鋁合金的強度。
本方法可有利地改進，構成總體的板狀體具有不同的顯微組織和/或不同的紋理。特別地二相鈦鋁合金可由差異很大的顯微組織來製造。這種構成單個板狀體的鈦鋁合金的的機械特性與構成顯微組織的球狀γ(TiAl)體、α2(Ti3Al)顆粒和片狀晶團與體積份額密切相關，由此考慮這些關係限定的由片狀體形成的層和片可在最終體中定位，使所希望的最終體的所有特性可確定。
最後優選地，這樣實施本方法，相對於構成的總體最終形狀的主載荷方向的定向確定相互堆疊體的平面的方向。
所有關於藉助本方法可製造的構件的所述措施可實現分離的(grauduiert)材料，該材料在不同的構件區域上承受不同的負荷。其特點不僅在於構成單個板狀體的金屬或鈦鋁合金的成分還在於考慮最終成型的總體的載荷方向。
按照本發明的如上所述的方法製造的構件例如為必需承受很高機械和熱載荷噴氣發動機的構件。噴氣發動機的這樣的構件例如為噴氣發動機的轉子盤或旋轉結構，轉子盤具有葉片，稱作blisk(集成葉片的盤)，或者用於具有葉片的旋轉環盤，稱作bling(帶有葉片的環)。
下面以後面的示意圖藉助兩個實施例詳細描述本發明。
附圖為圖1一個由板狀體按照本方法構造的構件的立體圖，圖2a由垂直分層板狀體組裝成的按照圖1的構件的構造，圖2b由水平分層板狀體組裝成的按照圖1的構件的構造，圖3按照圖2b的構件垂直分離圖，其中例如片狀板狀體具有不同的相對於其軋制方向WR的角α(為說明原理僅示出兩個板狀體)，圖4在板狀體藉助滲透焊接連接時用於導入壓力模具示意圖，其中構件由多個板狀體按照圖2b構成，圖5按照圖3的在等溫壓縮時具有用於傳遞液體壓力的附加連管及真空壓縮的外殼的模具示意圖，圖6片狀構成的板狀體構件單個製造步驟的示意圖，其中步驟a表示堆疊的板狀體，步驟b表示由滲透焊接連接的板狀體，步驟c表示鍛造毛坯，步驟d為以其達到目標的最終形狀表示最終的構件，圖7藉助掃描電子顯微鏡通過用於描述一個在由八個技術鈦鋁合金的板狀體構成的構件滲透焊接後的連接區域的構件的照片形式的剖面8通過根據圖6連接區域剖面圖，但放大倍數更高。
具體實施例方式
首先看附圖1、2a及2b。圖1表示藉助本方法製造的總體10。在圖1中表示的總體在此關於旋轉軸線(在附圖中垂直延伸)19對稱。
例1製造一個片狀的旋轉對稱的具有分離的材料結構的構件。
圖2a和2b示出了構成總體10的板狀體11兩個不同結構表示總體或構件10的構造。由在總體11內的板狀體11構成的層的構造相應於以後構件上的預期的主加載方向選擇。圖2b所示的板狀體的構造為一個總體10而選擇，該總體通過繞旋轉軸線19加載離心力。在這種情況下，以一個預給定的數目堆疊成總體11的板狀體11的連接通過焊接或類似連接形成。在該情況中(圖2b)焊接連接不承受拉應力和剪應力。由總體10構成的構件通過彼此堆疊的板狀體11之間的焊接連接僅受到很少影響。
當然，對於總體10的特性很重要的要素為該總體通過板狀體11以不同的成分和顯微組織相應於預期的載荷設計。為此適用以下選擇規則當要求高抗裂紋擴展性和抗蠕變性時，選用具有片狀顯微組織的板狀體11；如果希望高延展性，則選用具有雙顯微組織(Dupler-Mibrostruktur)的板狀體11；當需要高抗氧化性時，則選用含有5原子百分比-10原子百分比Nb的合金的板狀體11；為獲得高強度和抗蠕變性，則選用由主要成分為Ti-45Al-(5-10)Nb-B-C合金的板狀體11。
通過同樣定向的板材相互堆疊，在滾壓過的金屬板例如用於板狀體11的原始材料板材上具有的各向異性用於在一定方向上加強由總體10構成的構件強度特性。
對於圖2b的構件片及由離心力表示的載荷的布置，相對於旋轉軸線19機械特性儘可能地各向同性。這可這樣實現，通過板狀體11繞由總體10構成的構件的旋轉軸線19旋轉，使得單個板狀體11的如圖3的滾壓方向12(WR)均勻地圍繞由總體10構成的構件旋轉軸線19布置。如果構件由板狀體11構成，則相鄰的板狀體的滾壓方向12必須彼此轉過的角α為α＝180/n。該角在圖3中對於兩個在這裡示例性表示的一個由n個板狀體11組成的總體10的板狀體11示意性表示。
不論是否根據圖2a或圖2b組裝，多個板狀體，之前根據希望的構件10的最終形狀成型粗輪廓，即由板狀或片狀半成品衝壓出或裁剪出或適當地預成型(未示出)。
與是否按照圖2a或按照圖2b相互堆疊無關，堆疊的板狀體11，然後通過合適的連接方法彼此連接。如果板狀體11僅僅由鈦鋁合金構成，滲透焊接特別適合於實施板狀體11的相互連接，因為由此當壓力20-100MPa時需要900-1000℃的溫度。在這種情況下除了緊挨著的僅幾μm焊接區外不出現顯微組織變化。
圖6和圖7示例了由滲透焊接連接的由例如8個由技術鈦鋁合金構成的平面板狀體11的堆疊的連接照片。板狀體11在本情況下在機械試驗機中在由通過40MPa的壓縮壓力施加的真空中焊接，其中承受950℃的溫度並施加載荷持續兩小時。
由這些藉助掃描電子顯微鏡拍攝的照片，可清晰地看到，在接合區幾乎不出現組織變化。因此滲透焊接很適於用於根據本發明地製造方法的接合方法(方法步驟b)。一個可能得到的構成板狀體11的材料的分開結構被保持並在總體11中被證實。
對於具有彎曲表面的構件，滲透焊接所需的壓力的通過模具導入，其中具有工件的內凹形狀。
這在圖4中示意表示了對於圖2a所示的構件。值得注意的是，模具材料不能與構成板狀體11的材料發生反應。合適的模具材料有鉬、SiC陶瓷、Si3N4陶瓷或Al2O3陶瓷。直到溫度1000℃，還可使用通常的高溫合金。由鈦鋁合金構成板狀體11的滲透焊接必須在真空中或合適的一種惰性氣體氛圍中進行。
滲透焊接在所述條件下可在用於等溫壓縮的設備中實現。為此必需適當保持疊堆的板狀元件11並儘可能形狀配合連接地安放在真空殼體中。這種結構示意地在圖5中表示用於圖2a所示板狀體11的結構。這裡也必須避免由鈦鋁合金製成的板狀體11和連接杆16、17的反應。合適的連接杆材料例如為鉬、SiC陶瓷、Si3N4陶瓷或Al2O3陶瓷。作為殼體15的材料可以使用例如不鏽鋼或鈦。如果不使用連接杆16、17，可以避免殼體15的壁與例如由鉬片(厚度小於0.1mm)製成的板狀體11的反應。接合不僅可由滲透焊接實現，根據使用溫度還可由其它合適的技術實現，例如硬焊。
連接後，總體10的最終形狀通過材料加工中普通的材料去除技術來製造，如車削、鑽削、銑削、電腐蝕去除、電化學加工(Senken)。
例2通過堆疊板狀體11、焊接板狀體11和之後的鍛造製造片狀構件。
方法步驟應當藉助圖2b所示的由旋轉體構成的總體10說明。總體10的半成品首先如上述例1所示，由片狀或板狀體11製成。在通過焊接接合後由鍛造進行另一個變形步驟，由此製造最終或接近最終的所需構件的形狀。
單個製造步驟如圖6所示。確定圖6所示的總體10的高度及直徑必須考慮圖6d所示的片形式構成的構件的最終尺寸而定。在此，應使比例h/d≤2，避免使半成品在鍛造時折斷。鍛造可在溫度950-1420℃下進行，其中變形程度至少20％是特別有利的。鍛造的重要條件是片狀或板狀體11具有相對精細及化學上均勻的組織。因此板狀體11應當由通過變形製造的板材或片製造。通過附加進行的鍛造相對於上面例1所述的製造方法，達到更好的組織。此外，在焊接區域中的特殊的組織完全退化(zurückbilden)。這是一個用於製造高負載構件如燃氣輪機轉子盤重要的條件。
根據本發明的方法相對於傳統的從鑄造材料出發的鍛造技術的特別優點是板狀體11具有一個已經良好固化的組織。由此對於小變形程度具有非常強的再結晶。這種材料在鍛造時表現出很好的流變特性。由此在模鍛時實現非常複雜的變形，使構件鍛造成臨近最終形狀。
例3製造片狀構件，在一個工序中組合滲透焊接及鍛造。
滲透焊接和鍛造為了減少工序中的費用被組合起來。
此外根據圖5的分步驟b和c被組合起來。對於本製造方法必須在真空或合適的一種惰性氣體氛圍中進行鍛造，使得焊縫不與氧氣接觸。鍛造自身也可以在空氣中進行，為此當然由板狀體11構成的堆必須按照例1和圖5被封裝。
最後，再提及圖7和圖8。圖7表示一個藉助掃描電子顯微鏡拍攝的按照在由八個平的技術鈦鋁合金的板狀體11構成堆時藉助滲透焊接連接板狀體的方案的連接區域組織的照片。板狀體在950℃時在試驗機上處於真空2小時的情況下，通過施加40MPa的壓力相互焊接。在根據圖7的照片中通過箭頭標記兩個接合區域。在圖8中根據圖7的位置(箭頭2)被放大更大。
附圖標記清單10 總體/構件11 板狀體12 軋制方向13 模具14 模具15 殼體16 連接杆17 連接杆18 真空吸管19 旋轉軸線。
權利要求
1.用於製造含有金屬間鈦鋁合金的構件或半成品的方法，其特徵在於以下方法步驟a.相應於構件或半成品的所希望的最終形狀形成多個板狀體的粗輪廓，其中這些板狀體的一部分或者所有板狀體由鈦鋁合金製成，b.實施多個相互堆疊的板狀體彼此平面連接用於形成總體，c.形成總體所希望的最終形狀。
2.用於製造含有金屬間鈦鋁合金的構件或半成品的方法，其特徵在於以下的方法步驟a.相應於構件或半成品的所希望的最終形狀形成多個板狀體的粗輪廓，其中這些板狀體的一部分或者所有板狀體由鈦鋁合金製成，b.相互堆疊多個板狀體用於形成總堆，c.連接構成總體的板狀體及構成所希望的總體的最終形狀，其中連接和形成最終形狀在一個工序中進行。
3.按照權利要求1和2或其中之一的方法，其特徵在於，形成板狀體的粗輪廓由無切屑成型實現。
4.按照權利要求1和2或其中之一的方法，其特徵在於，形成板狀體的粗結構由切削成型實現。
5.按照權利要求1至4中的一個或多個的方法，其特徵在於，連接彼此堆疊的板狀體通過滲透焊接實現。
6.按照權利要求1至4中的一個或多個的方法，其特徵在於，連接彼此堆疊的板狀體通過釺焊實現。
7.按照權利要求1至6中的一個或多個的方法，其特徵在於，形成總體的最終形狀通過對總體的鍛造實現。
8.按照權利要求5和7或其中的一個的方法，其特徵在於，連接板狀體和形成總體的最終形狀在一個裝置中進行。
9.按照權利要求5或7和8中的一個或多個的方法，其特徵在於，連接彼此堆疊的板狀體和/或形成總體的最終形狀在真空中進行。
10.按照權利要求2或7和8中的一個或多個的方法，其特徵在於，連接彼此堆疊的板狀體和/或形成總體的最終形狀在一種惰性氣體氛圍中進行。
11.按照權利要求1至10中的一個或多個的方法，其特徵在於，構成總體的板狀體分別由不同的合金構成。
12.按照權利要求1至11中的一個或多個的方法，其特徵在於，構成總體的板狀體具有不同的顯微結構。
13.按照權利要求1至12中的一個或多個的方法，其特徵在於，構成總體的板狀體具有不同的紋理。
14.按照權利要求1至13中的一個或多個的方法，其特徵在於，相互堆疊體的平面的定向相對於形成的最終形狀的主載荷方向的定向確定。
15.按照權利要求1至14中的一個或多個製造的構件，特別用於噴氣發動機。
16.按照權利要求15的構件，其特徵在於，它為轉子盤。
17.按照權利要求16的構件，其特徵在於，轉子盤設置有按照權利要求1至13中的一個或多個製造的葉片。
18.按照權利要求15的構件，其特徵在於，它是渦輪機葉片。
全文摘要
本發明建議了一種用於製造含有金屬間鈦鋁合金的構件(10)或半成品的方法，其方法步驟為a.相應於構件(10)或半成品的所希望的最終形狀粗形成多個板狀體(11)的輪廓，其中這些板狀體的一部分或者所有板狀體由鈦鋁合金製成，b.實施多個相互堆疊的板狀體(11)平面連接用於形成總體(10)，c.形成總體(10)所希望的最終形狀，以及一種按照本方法製造的構件，特別用於噴氣發動機。
文檔編號B23K1/00GK1660540SQ200510052199
公開日2005年8月31日 申請日期2005年2月28日 優先權日2004年2月26日
發明者M·奧林格, J·保羅, F·阿佩爾 申請人:Gkss-蓋斯特哈赫特研究中心有限責任公司