CN102159340A - 一种铸造钛合金制造的热机械部件的方法 - Google Patents

Abstract

一种铸造钛合金制造的热机械部件的方法，本发明涉及一种铸造热机械部件的方法，本方法包含下面步骤：提供一个具有β转换温度T_β的钛合金制造的坯锭；在实施铸造操作之前，在低于β转换温度T_β的温度T₁对所述的毛坯实施至少一个毛坯铸造步骤，从而获得一个铸件；和在实施铸造操作之前，在高于β转换温度T_β的温度T₂对所述的毛坯实施最后的铸造步骤，从而获得一个铸件。其特征在于，所述毛坯铸造步骤的铸造操作在所述坯锭的各个点上，实现大于某些最小变形比率的变形。本发明可以用于涡轮机的旋转部件。

Description

一种铸造钛合金制造的热机械部件的方法

技术领域

本发明涉及一种铸造热机械部件的方法，所述热机械部件用β或者α/β钛合金制成。本发明还涉及一种制造热机械部件的方法，该方法包括铸造方法。

本发明还涉及一种热机械部件，该部件由该铸造方法或由制造方法产生，所述的热机械部件经过β-铸造的α/β合金铸造，具有细小且均匀的显微组织，晶粒尺寸达到50～100微米(μm)数量级。

本发明还涉及一种包括这种热机械部件的涡轮机。

具体而言，但是以非限制的方式，本发明应用于涡轮机的旋转部件，例如圆盘、耳轴和叶轮，尤其是应用于高压压缩机的圆盘，尤其是应用于集成有叶片的转子(IBRs)。典型地这种旋转部件具有大于10mm的厚度，或者甚至20mm或者30mm。

本发明涉及各种类型的温度稳定的钛合金：β类或者α/β类钛合金(在这里这些术语指的是制造完成的部件的结构)。

本发明更具体地涉及到被称为“β-铸造的α/β合金”合金的钛合金，在这里提到的“α/β”对应于部件的显微结构，也就是，对应于钛的α和β相共存，部件经过铸造成形。铸造方法具体包括通过冲压将钛合金变形为β域的最后步骤。

钛合金的β域对应于温度高于β转换温度(transus temperature)T_β，在这里低于β转换温度T_β的温度对应于α/β域。

背景技术

现在，本申请的申请人使用的制造高压的压缩机圆盘的技术中，包括IBRs，对应于下面说明的图1所示的铸造方法。

最初，浇铸得到的钛合金锭被转变为具有任意想要的形状的坯锭，通常是圆柱形。

这样的坯锭构成了半成品，是通过熔化母合金一次或者多次然后浇铸成一个锭而得到的，该锭本身是应用精确地热力循环铸造的(它不对应于本发明的铸造方法)，进行这个过程是为了减小锭的截面，同时得到具有可控的冶金和尺寸特性的坯锭。

举例说明，熔化操作(s)是使用下面的技术之一完成的：真空电弧重熔法(VAR)，电子束冷炉膛精炼法(EBCHR)，或者等离子熔炼法(PAM)。

然后该坯锭经受图1用温度图所示的铸造方法，坯锭经受的温度是照时间的函数。

作为一般(但不总是)的规则，首先进行的第一铸造步骤包括一个或多个中间铸造操作或者称“毛坯铸造”。

在这种毛坯铸造期间，首先从t₀到t₁的时间里，坯锭被从环境温度T₀加热到低于β转换温度T_β的温度T₁，(参考a)。通常，这个温度T₁达到β转换温度减去60℃(T_β-60℃)，这个温度上升时间取决于坯锭的体积，例如，对于一个直径200mm的坯锭需要2小时。

其后，从t₁到t₂的时间里，坯锭维持在温度T₁(参考b)，相应的时间周期大约1小时，或者更多，以保证组成坯锭的所有材料已经达到温度T₁，在进行的铸造操作流程(forging operation proper)(参考c)之前，也就是从t₂到t₃的期间，相应的持续时间为几十秒对坯锭挤压(冲压)，捶打，轧制，...等热塑性变形方法，从而形成毛坯。在这个铸造操作期间，该毛坯是在环境空气中，因此部件表面自然冷却几十度而部件核心冷却了一点或者甚至升高了几度，这取决于部件的体积和铸造条件，尤其取决于变形的速度。

最后，为了完成铸造毛坯，在从t₃到t₄的时间里，毛坯被冷却(参考d)到环境温度T₀，相应的周期大约为几十分钟。

从时间t₄开始，毛坯或者被放置在环境温度T₀直到时间t_n，在时间t_n开始第二个铸造步骤或者最后铸造步骤，或者实施与上述的第一个毛坯铸造(参考a，b，c，d)相似的第二个或者另外其它的毛坯铸造操作(对第二个毛坯铸造，参考a′，b′，c′，d′)。这样，当在实施第二个或者最后铸造步骤之前实施第二个或者另外其它的毛坯铸造操作时，铸造操作流程总是在低于β转换温度T_β的温度T₁实施，尤其是在与第一个毛坯铸造使用的相同温度T₁下实施。

在这种条件下，另一种替代方法在于通过在第一个毛坯铸造操作的从t₃到t₄的时间内重新加热毛坯(参考e)以尽快开始第二个毛坯铸造操作，也就是，不用等待毛坯完全冷却到环境温度T₀(参考第一个毛坯铸造的d)。在这种条件下，第二个毛坯铸造操作通过重新加热毛坯使其温度上升到温度T₁(参考e)开始，然后通过在铸造操作流程(参考c′)之前继续维持该温度(参考b′)。这种替代方法旨在减少铸造方法占用的时间，而不会冒险在整个冷却和随后的温度升高过程(参考d和a′)中引起坯锭的显微组织变化。

对在时间t_n开始的第二个或者最后的铸造步骤，实施的步骤与毛坯铸造操作的步骤相似，除了在实施浇铸操作流程之前的毛坯升温的温度值外，由于该温度现在是高于β转换温度T_β的温度T₂。通常，这个温度T₂达到β转换温度加上25℃(T_β+25℃)。

更确切地，最后的铸造包含：从时间t_n到t_n+1加热毛坯使其从环境温度T₀到温度T₂(参考A)，然后从t_n+1到t_n+2维持在温度T₂(参考B)，接着从t_n+2到t_n+3对毛坯实施铸造操作流程(参考C)。这种铸造毛坯的操作(参考C)在β域的温度T₂(高于T_β的温度)实施，紧跟着是在这个铸造操作过程中可能导致经受铸造操作的毛坯的局部温度低于T_β，从而在对应于α/β域的温度被铸造的毛坯冷却。最后，冷却这种方法得到的铸件(reference D)，从t_n+3到t_n+4，这个铸造的毛坯或者铸件被冷却到环境温度T₀。

毛坯铸造步骤和最后铸造步骤的其它铸造参数：具体是铸造的速度，加热炉和铸造设备之间的移动时间，铸造设备和铸造后冷却部件的系统之间的移动时间，被定义为铸件的形状和体积的函数，也是可用的工业设备的函数。

毛坯铸造操作的数量，和毛坯铸造步骤和最后铸造步骤中的每个铸造操作流程(参考c，c′，...，C)的特性，尤其是所选的铸造设备(液压机，机械螺旋压力机，锤，轧机)，坯锭/毛坯相对于铸造工具的位置，施加的压力水平和周期，还有重复的次数，都为每个类型的部件做了定义，取决于部件的形状和体积，应用预先建立程序，使得在铸造方法结束时，坯锭和毛坯逐渐变形以形成具有所需的几何特征的铸件。

在毛坯铸造步骤和最后铸造阶段的各个铸造操作流程(参考c，c′，...，C)过程中，部件经受宏观和微观级别的变形。

在最后铸造操作结束时，得到形成在不再经受随后的铸造操作和/或塑性变形操作的意义上能被称之为成品的铸件；这个产品随后进行加工并经受另外的处理，尤其是作为其使用条件的函数的表面处理，尤其是在形成涡轮机的发动机里使用的情况时。

已有的技术制造铸件的方法通常是令人满意的。然而，在某些情况下，有如下的风险：形成的锻件不能完全符合保证其预期机械性能的所有标准。

尽管在开发过程中采取所有的预防措施，有时还会发生如下情况：通过铸造经受上述方法制造的钛合金坯锭，最初具有不均匀但异质的显微组织。具体而言，遭遇包含有一个或多个较大钛晶粒的显微组织是可能的，该钛晶粒可能具有几毫米大的尺寸，或者甚至是厘米级的，尤其是β相钛晶粒。这些没有再结晶成为小晶粒的大晶粒形成孤岛，由于它们的尺寸大，没有再细化，就是说，通过上述铸造方法它们没有转变成更小尺寸的再结晶化晶粒。

这种情况出现会导致大尺寸部件出现现问题有问题，尤其是它们的显著的高度，高度可能达到100～200mm，或者甚至达到250mm，这样使得开始坯锭(或者金属块)它们自己具有大尺寸，例如：直径达到250mm。

发明内容

本发明的一个目标是提供一种铸造方法，能够克服已有技术的缺点，尤其是使得在毛坯中存在任何不均匀显微组织消失成为可能，及尤其是使在开始坯锭里存在的任何大晶粒消失，从而提供具有均匀显微结构的铸件。

为了达到这个目的，本发明设计一种铸造β或者α/β钛合金的热机械部件的方法。该方法包括如下步骤：

提供一个由具有β转换温度T_β的钛合金制造的坯锭。

在实施铸造操作流程使所述的坯锭经受塑性变形之前，对所述的坯锭实施至少一个毛坯铸造步骤，在这里所述的坯锭被加热到低于β转换温度T_β的温度T₁，从而得到毛坯，然后让毛坯冷却；和

对所述的毛坯实施最后铸造步骤，在该步骤中，在实施铸造操作流程使所述的毛坯经受塑性变形之前，所述的毛坯被加热到高于β转换温度T_β的温度T₂，从而获得铸件，然后冷却所述的铸件。

根据本发明，该方法的特征在于所述的对毛坯铸件步骤的铸造操作，在所述的坯锭的各个点上，实现大于最小变形比率的局部变形。

在这里，使用术语“变形比率”以表示在部件的一个点积累的塑性变形，也被称为“等效变形”，这时已经被考虑到部件经受毛坯铸造操作。

思想是这样的，在毛坯铸造步骤过程(或者如果有多于一个的毛坯铸造步骤，至少在一个毛坯铸造步骤过程)中实施铸造操作，这样使得在坯锭里的所有点经受某种最小量的局部变形，即，该坯锭不但经受整体变形，而且最重要的是在所有点经受某种最小量的局部变形。

这样，本发明的解决方案是，在毛坯铸造步骤中至少一个步骤中，在铸造操作流程(参考c和/或c′)时的铸造操方法的过程中，通过修改变形条件影响坯锭，即对于在α/β域里(即在低于β转换温度T_β的温度)实施的铸造操作。

首先应该观察到的是本发明的解决方案应用在毛坯铸造过程中而不是应用在最后铸造步骤过程中，其次是本发明的解决方案在于保证某些最小量变形的局部出现，而不在于部件的整体变形某些最小量的出现。

这里存在介绍中描述的这种铸造方法，在其中，在温度T₂实施的β域里的铸造操作步骤的铸造操作C过程中某种变形的最小量施加在毛坯上。这样，在某些应用中，申请者在铸造操作过程中对部件的所有点应用大于0.7的变形比率，即在在β域的最后铸造操作之后部件的各个点已经经受大于0.7的变形比率。

这个在最后铸造步骤过程中在β域施加的局部变形的最小量使得得到细小显微组织成为可能，该显微组织由曾经是β晶粒构成的。

在这种情况下，尽管部件处于高于β转换温度T_β的温度，申请者已经发现：无论局部变形比率如何，尤其是如果之前的毛坯(或者坯锭)具有非均匀的显微组织情况下，及尤其是具有孤立的大尺寸晶粒的显微组织情况下，最后的铸造操作步骤能够得到细小均匀的显微组织。

在本发明里，以令人惊奇的方式，尽管在坯锭的所有点施加最小变形比率的铸造操作在低于β转换温度T_β的温度发生，在铸件中产生细小均匀的显微组织，即使毛坯(或者坯锭)具有非均匀的显微组织，尤其是具有孤立的大尺寸晶粒的显微组织，是可以理解的。

这个解决方案也具有另外的优点，即进一步使得避免变化最后铸造步骤实施的条件成为可能，由于所到达的温度(温度T₂＞β转换温度T_β)使得该步骤实现起来相对困难。

在毛坯铸造步骤中的毛坯操作流程会导致在坯锭的各个点提供最小变形比率，该比率至少是0.2，所述的最小变形比率优选地是0.3，最好是0.4。

实践中，通过使用计算机工具对铸造操作流程的数值模拟，证实了在坯锭的各个点真正实现了最小局部变形比率。

这样，通过使用这种计算机工具，保证满足实现某些变形的最小量的标准是可能的。

优选地，本方法涉及一种α-β型钛合金。

具体而言，优选地使用下面的两个合金之一：

被称为“钛6242”或者“钛-6铝-2锡-4锆-2钼”的钛合金，所述“钛-6铝-2锡-4锆-2钼”包括大约6％的铝、2％的锡、4％的锆、2％的钼(冶金中命名为TA6Zr4DE合金)；或者

被称为“钛17”或者TACD4或者“钛-5铝-4钼-4铬-2锡-2锆”的钛合金，所述“钛-5铝-4钼-4铬-2锡-2锆”中的铝含量大约5％、钼含量大约4％、铬含量大约4％、锡含量大约2％、锆含量大约2％。

附图说明

图2和3分别是对应于实施本发明的铸造方法之前的情况下的显微组织照片，和本发明的铸造方法产生的改变后的显微组织照片。

具体实施方式

这样，在图2中，可以看到一个非常大的非再结晶的β相晶粒，在坯锭里观察到的尺寸达到20mm×8mm。

在这里实例里，采用的是Ti17，实施的是包含一个单个毛坯铸造步骤的铸造方法，在该方法里，对于这个毛坯铸造步骤，所述的铸造操作在坯锭里的所有点实现了大于最小变形比率为0.3的变形。

图3中可以看到的结果表明，β相晶粒已经真正地再结晶，因为它呈现的显微组织均匀而细小，即，晶粒尺寸达到50～100μm。

通常，通过本发明的铸造方法，得到的热机械部件是β-铸造的α/β合金的铸件，该α/β合金具有比初始的坯锭的显微组织更为细小的或者更为细化的显微组织，如此得到的细小的显微组织具有典型的最多达到几百个微米级的晶粒尺寸。

在本发明的铸造方法的其它可能的变化中，这里提供：

一种铸造方法，包括至少两个毛坯铸造步骤，同时保证对于两个连续的毛坯铸造步骤中的至少一个步骤，所述的铸造操作在所述的坯锭所有点实施大于最小变形比率等于0.2的变形；或者

一种铸造方法，包括至少第一和第二毛坯铸造步骤，其中，对于第一和第二个铸造操作步骤中的一个，所述的铸造操作在所述的坯锭的所有点实施大于最小变形比率等于0.3的变形；或者

一种铸造方法，包括至少两个毛坯铸造步骤，其中，对于每一个毛坯铸造步骤，所述的铸造操作在所述的坯锭的所有点实施大于最小变形比率等于0.2的变形。

在这种情况下，提供两个、三个、四个、或者更多毛坯铸造步骤是可能的。

Claims (16)

1.一种铸造β或者α/β钛合金的热机械部件的方法，该方法包括以下步骤：

提供一个由具有β转换温度T_β的钛合金制造的坯锭；

在实施铸造操作流程(c；c′)使所述的坯锭经受塑性变形之前，对所述的坯锭实施至少一个毛坯铸造步骤(a，b，c，d；a′，b′，c′，d′)，其中，所述的坯锭被加热(a；a′；e)到低于β转换温度T_β的温度T₁，从而得到毛坯，然后让毛坯冷却(d；d′)；和

对所述的毛坯实施最后铸造步骤(A，B，C，D)，在该步骤中，在实施铸造操作流程(C)使所述的毛坯经受塑性变形之前，所述的毛坯被加热(A)到高于β转换温度T_β的温度T₂，从而获得一个铸件，然后冷却所述的铸件(D)。

所述方法的特征在于，所述的对毛坯铸件步骤的铸造操作，在所述的坯锭的所有点，实现大于最小变形比率的局部变形。

2.根据权利要求1所述的铸造方法，其特征在于，所述的最小变形比率不小于0.2。

3.根据权利要求1所述的铸造方法，其特征在于，所述的最小变形比率为0.3。

4.根据权利要求1所述的铸造方法，其特征在于，所述的最小变形比率为0.4。

5.根据权利要求1～3中任一项所述的铸造方法，其特征在于，该方法包括至少第一和第二毛坯铸造步骤，其中，对于第一或第二毛坯铸造步骤，所述的铸造操作在所述的坯锭的所有点实现大于最小变形比率为0.3的变形。

6.根据权利要求1～3中的任一项所述的铸造方法，其特征在于，该方法它包括单个毛坯铸造步骤，在该步骤中，在所述的毛坯铸造步骤过程中，所述的铸造操作在所述的坯锭的所有点实现大于最小变形比率为0.3的变形。

7.根据权利要求1或2所述的铸造方法，其特征在于，该方法包括至少两个毛坯铸造步骤，其中，对于至少两个连续的毛坯铸造步骤，所述的铸造操作在所述坯锭的所有点实现大于最小变形比率为0.2的变形。

8.根据权利要求1或2所述的铸造方法，其特征在于，该方法包括至少两个毛坯铸造步骤，其中，对于每一个毛坯铸造步骤，所述的铸造操作在所述的坯锭的所有点实现大于最小变形比率为0.2的变形。

9.根据前面任何权利要求所述的铸造方法，其特征在于，钛合金是一种α/β型合金。

10.根据前面任何权利要求所述的铸造方法，其特征在于，钛合金是“钛6242”或者钛-6铝-2锡-4锆-2钼。

11.根据权利要求1～9中任一项所述的铸造方法，其特征在于，钛合金是“钛17”或者钛-5铝-4钼-4铬-2锡-2锆。

12.一种制造热机械部件的方法，所述热机械部件由钛合金制成，其特征在于，所述方法包括根据前面任何权利要求所述的铸造方法。

13.一种热机械部件，所述热机械部件由钛合金制成，其中，制造方法包括根据权利要求1～11中的任一项所述的铸造方法，或者由权利要求12的制造方法产生的铸造方法，所述的热机械部件经过β-铸造的α/β合金铸造，具有细小均匀的显微组织，晶粒尺寸为50～100μm。

14.根据权利要求13所述的热机械部件，其特征在于，该热机械部件形成涡轮机的旋转部件。

15.根据权利要求13或14所述的热机械部件，其特征在于，该热机械部件形成高压压缩机圆盘。

16.一种涡轮机，其包括根据权利要求13～15中任一项所述热机械部件。