CN103826799A - 具有改善的表面修饰的铝化钛制品及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了具有改善的表面修饰的含钛制品和用于改善在含钛制品上的表面修饰的方法。一种方法包括使研磨介质以高线性速度，横过含铝化钛合金的制品(例如涡轮机叶片)的表面通过；用研磨介质使含铝化钛合金的制品的表面形变和降低含铝化钛合金的制品的表面的表面粗糙度和改善表面的表面修饰。可得到20微英寸Ra或更少的表面修饰。虽然本发明的各方面可用于制备高性能涡轮机叶片，所公开的方法可应用于处理难以得到改善的表面修饰的任何含钛制品。

Description

具有改善的表面修饰的铝化钛制品及其制备方法
发明背景
关于可靠性、重量、功率、经济性和操作使用寿命，现代燃气轮机(尤其是飞机发动机)必须满足最高要求。在开发飞机发动机中，其中，材料选择、新的合适材料的研究以及新的生产方法的研究在满足标准和满足要求中起到重要的作用。
用于飞机发动机或其它燃气轮机的材料包括钛合金、镍合金(也称为超合金)和高强度钢。钛合金通常用于压缩机零件，镍合金适用于飞机发动机的热零件，而高强度钢用于例如压缩机外壳和涡轮机外壳。高度负载或应力的燃气轮机部件(例如用于压缩机的部件)例如通常为锻造零件。另一方面，用于涡轮机的部件通常体现为蜡模铸造(investment cast)零件。为了降低燃气轮机部件的重量，使用金属基质复合材料(MMC)，其为其中嵌入高强度纤维的金属材料。
由于金属对元素(如氧、氮和碳)的高亲和力，通常难以在常规的蜡模铸造模具中蜡模铸造钛和钛合金和类似的反应性金属和得到良好的结果。在升高的温度下，钛及其合金可与模具表面涂层反应。熔融的合金和模具之间的任何反应将导致由气泡引起的最终铸件差的表面修饰。在某些情况下，气泡影响最终铸件的化学性、微观结构和性质，使得损害所得制品。
一旦通过铸造、机械加工或锻造生产最终部件，在其可用于最终应用之前，通常需要进一步改善表面修饰。部件表面上的粗糙和凹处在涡轮机叶片应用中可降低气动性能，并且在旋转或往复零件应用中提高磨损/摩擦。
在铝化钛涡轮机叶片的情况下，铸塑的机翼在燕尾、机翼或罩中可具有过大铸塑/锻造的区域。为了将这些薄的储备区域机械加工为最终尺寸，通常使用机械的机械加工(例如研磨或碾磨)或非机械的机械加工(例如电化学机械加工)。然而，在任一种情况下，刀具加工和劳动成本高，并且导致制备延迟。
此外，使用常规的碾磨和抛光技术，合金(包括铝化钛铸塑制品)有限的延展性和对开裂的敏感性可能妨碍铸塑制品的表面修饰的改善。因此，需要具有改善的表面修饰的用于航空航天应用的基于金属间的(intermetallic- based)制品和制备此类制品的相关方法。
发明概述
本公开的一方面为一种用于改善含铝化钛合金的制品的表面修饰的方法。所述方法包括提供含铝化钛合金的制品，使研磨介质以高线性速度，横过含铝化钛合金的制品的表面通过，使含铝化钛合金的制品的表面形变，和降低含铝化钛合金的制品的表面粗糙度，从而改善制品的表面修饰。
在一个实施方案中，使研磨介质横过制品的表面通过包括使研磨介质与铝化钛微观结构相互作用。在另一个实施方案中，形变步骤包括使铝化钛合金塑性形变。在一个实例中，铝化钛合金包含γ铝化钛相和α2 (Ti3Al)相。通过实践本发明教导的方法，制品的表面的粗糙度可降低至少约50%。在另一个实施方案中，通过实践本发明教导的方法，制品的表面的粗糙度降低至少约25%。
在一个实施方案中，含铝化钛合金的制品的表面具有大于约100 Ra的初始粗糙度，并且其中所述制品的表面的粗糙度降低至至少约50 Ra。在另一个实施方案中，制品的表面的粗糙度降低至至少20 Ra。在一个实施方案中，高线性速度包括至少5米/秒。在一个实施方案中，高线性速度包括至少50米/秒。在另一个实施方案中，高线性速度包括至少100米/秒。在又一个实施方案中，高线性速度包括至少1000米/秒。
在一个实施方案中，含铝化钛合金的制品包含含铝化钛合金的发动机。在另一个实施方案中，含铝化钛合金的制品包含含铝化钛合金的涡轮机。在一个实施方案中，含铝化钛合金的制品包含含铝化钛合金的涡轮机叶片。
在一个实例中，研磨介质包括氧化铝、石榴石、二氧化硅、碳化硅、碳化硼、金刚石、碳化钨和它们的组合物。在一个实施方案中，通过和形变步骤序贯重复至少两次。在一个实施方案中，通过和形变使用具有不同尺寸的研磨介质序贯重复多次。在一个实施方案中，通过和形变使用具有连续降低的尺寸的研磨介质序贯重复多次。
在一个实施方案中，通过步骤包括使范围为约140微米-约195微米的颗粒的第一研磨介质横过表面通过，随后使范围为约115微米-约145微米的颗粒的第二研磨介质横过表面通过，和随后使范围为约40微米-约60微米的颗粒的第三研磨介质横过表面通过。在另一个实施方案中，形变步骤包括加热制品的表面。在一个实施方案中，加热表面步骤包括将制品的表面加热至超过铝化钛合金的延展性脆性转变温度的温度。在一个实施方案中，使研磨介质以约50米/秒-约1000米/秒的速度，横过铝化钛的表面通过。
本公开的一方面为一种用于改善含铝化钛合金的制品的表面修饰的方法，所述方法包括在结构体上稳定含铝化钛合金的制品，使研磨介质以高线性速度，横过稳定的铝化钛合金-制品的表面通过，和使铝化钛合金的γ铝化钛相和α2 (Ti3Al)相二者形变，其中改善含铝化钛合金的制品的表面修饰。
在一个实例中，稳定步骤包括使所述含铝化钛合金的制品与结构体固定、连接和结合中的一个或多个。使研磨介质横过制品的表面通过可包括使研磨介质与铝化钛微观结构的各相相互作用。在一个实施方案中，制品的表面的粗糙度降低至少约25%。在另一个实施方案中，制品的表面的粗糙度降低至少约50%。在一个实施方案中，表面具有大于约100 Ra的初始粗糙度，并且其中在处理后，制品的表面的粗糙度降低至约50 Ra或更少。在一个实施方案中，在处理后，制品的表面的粗糙度降低至20 Ra或更少。
本公开的一方面为一种用于降低含铝化钛合金的制品的表面粗糙度的Ra值的方法，所述方法包括在结构体上稳定铝化钛合金，使连续降低尺寸的砂粒以高速度，横过稳定的铝化钛合金的表面通过，和使铝化钛合金的γ TiAl相和α2 (Ti3Al)相二者塑性形变，从而降低铝化钛合金表面的Ra值。在一个实施方案中，在处理后，Ra值降低约1/3-约1/6，在一个实例中，Ra值降低约1/5。在又一个实施方案中，在处理后，Ra值降低至15或更少。
本公开的一方面涉及一种含铝化钛合金的制品，横过至少一部分含有铝化钛合金的表面，所述制品具有小于约1微米的粗糙度。在一个实施方案中，该制品为铸塑制品，例如制品为蜡模铸造制品。在另一个实施方案中，制品为发动机或涡轮机。在另一个实施方案中，制品为涡轮机叶片。在一个实施方案中，制品为涡轮机叶片，并且其中至少一部分涡轮机叶片的工作表面具有小于约1微米的粗糙度。在一个实施方案中，铝化钛合金制品的大多数表面积为基本上平面的，并且具有小于约1微米的粗糙度。在另一个实施方案中，制品为横过至少一部分叶片的工作表面具有小于15 Ra的平均粗糙度的涡轮发动机叶片。
附图简述
当参考附图阅读以下详细说明时，将更好地理解本发明的制品和方法的这些和其它特征、方面和优点，其中在整个附图中，相同的附图标记代表相同的零件，并且其中：
图1显示两个典型的表面光度仪描图(traces)，说明根据本发明的一方面可实现的改善的表面修饰。具体地，图1提供在铸态条件下和在表面形变抛光(“SDP”)后部件503的比较，其中铸态部件503的表面的Ra值为115.1，而相同部件503在SDP后的Ra值为10.0。
图2显示与图1类似的两个典型的表面光度仪描图，说明根据本发明的另一方面可实现的改善的表面修饰。具体地，图2显示在铸态条件下部件608的表面粗糙度的测量的表面光度仪描图，其中将所有模塑材料除去，其中部件608的Ra为80.8；与部件503相比，部件608使用改进的铸造工艺生产。
图3显示与图1类似的两个典型的表面光度仪描图，说明根据本发明的另一方面可实现的改善的表面修饰。具体地，图3比较在部件的不同区域经两个单独的SDP处理后，部件608的表面粗糙度的测量的表面光度仪描图，其中在第一处理中，按照次序使用5个步骤产生12.2的Ra，而在第二处理中，按照次序使用3个步骤产生14.8的Ra。
图4显示与图1-3类似的典型的表面光度仪描图，说明根据本发明的另一方面可实现的改善的表面修饰。具体地，图4显示在第三单独的SDP处理后，部件608的表面粗糙度的测量的表面光度仪描图，其中该SDP处理产生19.1的Ra。
图5显示部件的表面粗糙度的黑白图像，显示铸态表面和表面形变的抛光的表面(即，在SDP处理后)，其中处理涉及分别使用粗糙、中等和细研磨介质。如所显示的，在铸态表面的表面形变抛光后，部件的表面修饰得到大大的改善。比起部件的经SDP处理的部分，此处看到部件的铸态部分为无光泽的、较粗糙的外观表面。如图5所示，部件的经SDP处理的部分看起来光滑和发光。
图6显示根据本公开的各方面的流程图，说明以下方法的各步骤：a)用于改善含铝化钛合金的制品的表面修饰的方法，b)用于改善含铝化钛合金的制品的表面修饰的方法，和c)用于降低含铝化钛合金的制品的表面粗糙度的Ra值的方法。
发明详述
总的来说，本公开涉及具有改善的表面修饰的含有钛和钛合金的制品，和用于改善在这样的制品上的表面修饰的方法。具体地，本公开涉及呈现优良性质的具有改善的表面修饰的涡轮机叶片以及生产所述叶片的方法。
常规的燃气和蒸汽涡轮机叶片设计通常具有完全由金属或复合材料制备的机翼部分。全金属叶片(包括昂贵的宽弦(wide-chord)空心叶片)在重量上较重，导致较低的燃料性能和要求更坚固的叶片连接。在燃气轮机飞机应用中，在热气体通路中操作的燃气轮机叶片暴露于燃气轮机中的一些最高温度。各种设计方案一直寻求提高在热气体通路中叶片的寿命和性能。
本申请公开铝化钛部件(例如涡轮机叶片)的表面的高剪切速率局部形变可提供表面修饰的显著改善并改善性能。一方面是提供具有改善的表面修饰的基于金属间的制品，例如基于铝化钛的制品。在一个实施方案中，基于铸塑的铝化钛的制品经历高剪切速率表面处理，以改善表面修饰至小于1微米的粗糙度。该新的表面处理改善了表面修饰，并且不会在部件的表面中引入任何额外的破坏或裂纹。
在一个实例中，高速率局部剪切形变在从表面到部件中小于约100微米的深度起作用。在一个实施方案中，高速率局部剪切形变在从表面到部件中小于约10微米的深度起作用。在另一个实施方案中，高速率局部剪切形变在从表面到部件中小于约2微米的深度起作用。在一个具体的实施方案中，高速率局部剪切形变在从表面到部件中小于约1微米的深度起作用。该表面修饰改善技术可描述为高剪切速率形变抛光。该方法不像研磨情况那样需要复杂的加工工具来支撑零件。
表面粗糙度(通常缩短为粗糙度)为表面质地的度量。通过由真实表面距其理想形式的垂直偏差来量化。如果这些偏差大，则表面粗糙；如果偏差小，则表面光滑。粗糙度通常认为是测量的表面的高频、短波长部件。粗糙度在确定真实物体如何与其环境相互作用中起到重要的作用。例如，粗糙的表面通常磨损更快速，并且具有比光滑表面更高的摩擦系数。
共同考虑缺陷、波纹、粗糙度和层，为构成表面质地的性质。缺陷为工件表面的外形的非故意的、料想不到的和不希望的中断。缺陷通常为孤立的特征(例如凿纹、圆凿和划痕)和类似的特征。粗糙度指在高频(或短波长)的表面质地中的外形不规则情况，在最高分辨率下对其进行工件表面的评价。波纹指比工件表面的粗糙度更长波长或更低频率，在表面质地中的外形不规则。波纹可例如由在制备期间的机器或工件振动或偏斜、工具颤动等引起。
术语抛光指降低工件表面的粗糙度。层为表面质地或表面质地的部件的图案的主导方向。粗糙度和波纹可具有不同的图案和在特定的工件表面上不同的层。本文使用的术语“涡轮机叶片”指蒸汽涡轮机叶片和燃气轮机叶片二者。
本申请的发明人阐述提供基于金属间的制品，例如基于铝化钛的制品，其表面具有改善的性质，例如降低的粗糙度和增强的机械完整性。本发明技术的一方面为一种用于改善含铝化钛合金的制品的表面修饰的方法，所述方法包括提供含铝化钛合金的制品，使研磨介质以高线性速度，横过所述含铝化钛合金的制品的表面通过，使含铝化钛合金的制品的表面形变，和降低含铝化钛合金的制品的表面粗糙度，从而改善制品的表面修饰。
钛合金具有高的相对强度和优异的耐腐蚀性，并且主要用于航空航天、深海勘探、化学工厂等领域。钛合金的一个实例为铝化钛。铝化钛合金包含铝化钛合金的γ铝化钛相和α2 (Ti3Al)相。
本发明教导的方法的形变步骤包括使铝化钛合金塑性形变。通过使研磨介质横过制品的表面通过，实现铝化钛合金的该形变，引起研磨介质与铝化钛微观结构相互作用。使研磨介质以高线性速度，横过部件的表面通过，并且所得高剪切速率产生局部表面形变。通过部件表面和研磨介质之间的相互作用产生的摩擦产生金属间材料的局部流动，而不会使表面开裂或破坏表面；该过程除去粗糙和除去表面中的凹处。
研磨介质选自氧化铝、石榴石、二氧化硅、碳化硅、碳化硼、金刚石、碳化钨和它们的组合物中的至少一种。研磨剂的硬度是与材料的成本和工件的限制一致的最高值。在某些实施方案中，研磨剂越硬，则抛光操作越快和越有效。再利用研磨介质允许经济利用较硬但更昂贵的研磨剂，得到抛光和机械加工操作的效率的提高，当需要时，提高抛光速率。例如，当使用石榴石时，在抛光操作中，可替代氧化铝或碳化硅。
通过使研磨介质横过制品的表面通过，产生高剪切速率局部表面形变。该运动可为旋转、平移或振动。例如，使用以20,000 rpm旋转的5cm直径圆盘，可实现超过50米/秒的线性速度，并且该水平的速度结合15微米-200微米尺寸范围的氧化铝颗粒，可导致显著改善金属间合金制品的表面修饰。在一个实例中，旋转圆盘的横向速度比线性速度慢，通常为1×10-3-10×10-3米/秒。根据本文的教导，使研磨介质横过含铝化钛合金的制品的表面通过。表面上的压力通常为约1-约10磅/平方英寸。在一个实施方案中，表面上的压力为约3-约6磅/平方英寸。通过部件表面和研磨介质之间的相互作用产生的摩擦产生金属间材料的局部流动，而不会使表面开裂或破坏表面。该过程除去粗糙和除去表面中的凹处。含铝化钛合金的制品包含含铝化钛合金的发动机、涡轮机或涡轮机叶片。
通过步骤可包括两步过程或高达五步过程。通过步骤包括使不同尺寸的研磨介质以高速度，横过含铝化钛合金的制品的表面通过。构成研磨介质的颗粒的尺寸为本公开的一方面。例如，通过步骤包括使范围为约140微米-约195微米的颗粒的第一研磨介质横过表面通过，随后使范围为约115微米-约145微米的颗粒的第二研磨介质横过表面通过，和随后使范围为约40微米-约60微米的颗粒的第三研磨介质横过表面通过。
在另一实例中，通过步骤包括首先使范围为约70微米-约300微米的颗粒的研磨介质横过表面通过，接着使范围为约20微米-约60微米的颗粒的研磨介质横过表面通过。在另一实例中，通过步骤包括首先使范围为约140微米-约340微米的颗粒的研磨介质横过表面通过，接着使范围为约80微米-约140微米的颗粒的研磨介质横过表面通过，和再接着使范围为约20微米-约80微米的颗粒的研磨介质横过表面通过。在一个特定的实施方案中，使研磨介质第三次或最终通过涉及使范围为约5微米-约20微米的颗粒横过表面通过。在一个特定的实施方案中，使研磨介质最终通过涉及使范围为约10微米-约40微米的颗粒横过表面通过。在一个相关的实施方案中，使研磨介质最终通过可为使研磨介质横过表面第二次、第三次、第四次或第五次通过。在一个实施方案中，颗粒的单位反映颗粒的尺寸。在另一个实施方案中，颗粒的单位反映颗粒的外部尺寸，例如宽度或直径。在某些实施方案中，研磨介质可为横过表面具有不同尺寸的相同组成的物质，或者其可为一种或多种不同组成的物质。例如，研磨介质为具有不同尺寸的氧化铝颗粒，或氧化铝颗粒和具有不同尺寸的石榴石的混合物。
根据待工作的表面的硬度和粗糙度和待达到的表面修饰，根据一个示例性实施方案的研磨剂的颗粒尺寸应为与所需的工作速率一致的最小尺寸。通常，研磨剂的颗粒或“砂粒”尺寸越小，则得到越光滑的表面。研磨剂最通常具有低至约1微米至高达约2,000微米的颗粒尺寸。更通常，研磨剂晶粒尺寸将为约10-约300微米。
与构成研磨介质的颗粒的尺寸一起，控制横过制品表面的颗粒速度和每一个通过步骤的持续时间。在一个实施方案中，通过速度使得颗粒耗时小于1分钟横过制品的1英尺(one foot)通过。在另一个实施方案中，颗粒耗时10秒-40秒横过制品的1英尺通过。在另一个实施方案中，颗粒耗时1秒-20秒通过制品的1英尺。
在本发明的一方面，高线性速度包括至少50米/秒、至少100米/秒或至少1000米/秒。在某些实施方案中，使研磨介质以约50米/秒-约1000米/秒的高线性速度，横过含铝化钛合金的制品的表面通过。使研磨介质横过制品的表面通过的步骤包括使研磨介质与铝化钛微观结构相互作用。
本发明教导的技术的高剪切速率形变提供局部加热和铸件表面的微观结构的改善的塑性形变，并且形变应答允许使表面光滑和消除粗糙和在制品的表面上的凹处。在一个实施方案中，形变步骤包括加热表面。加热表面步骤包括将表面加热至超过铝化钛合金的延展性脆性转变温度的温度。
本发明技术的一个特征为以下方式：其中表面形变过程与表面下面合金微观结构中的各相相互作用。例如，铝化钛合金包含铝化钛合金的γ铝化钛相和α2 (Ti3Al)相。表面形变过程使两相塑性形变，以确保改善表面修饰，而不会在部件的表面上产生表面裂纹或其它破坏。局部表面形变处理产生足够的局部温度提高，当它们形变时，各相超过延展性脆性转变温度。此外，表面形变处理具有残余的应力益处。
序贯重复本发明教导的方法的通过和形变步骤，直至实现期望的表面修饰或粗糙度值。在一个实例中，期望高性能制品(例如涡轮机叶片、涡轮机叶轮/喷嘴、涡轮增压器、往复发动机阀、活塞等)的表面具有约20或更少的Ra。在一些情况下，通过和形变步骤序贯重复至少两次。在一些情况下，通过和形变步骤使用具有不同尺寸或具有连续降低尺寸的研磨介质序贯重复多次。进行这一点，直至得到期望的表面修饰。例如，通过步骤包括使范围为约140微米-约195微米的颗粒的第一研磨介质横过表面通过，随后使范围为约115微米-约145微米的颗粒的第二研磨介质横过表面通过，和随后使范围为约40微米-约60微米的颗粒的第三研磨介质横过表面通过。
与本发明教导的方法相反，通常，通过多轴(例如5轴)研磨和机械加工，进行铝化钛部件的表面修饰。然而，在可一致产生的表面修饰方面该常规处理存在一些限制。通过这些批量(bulk)机械加工技术引入的应力可引入可导致部件的表面开裂的不期望的应力。使用常规的碾磨和抛光技术，典型的铝化钛铸塑制品的有限的延展性和对开裂的敏感性妨碍铸塑制品的表面修饰的改善。
本发明技术的一方面为一种用于改善含铝化钛合金的制品的表面修饰的方法，所述方法包括在结构体上稳定含铝化钛合金的制品，使研磨介质以高线性速度，横过所述稳定的铝化钛合金-制品的表面通过，和使铝化钛合金的γ铝化钛相和α2 (Ti3Al)相二者形变，其中改善含铝化钛合金的制品的表面修饰。在一个实施方案中，含铝化钛合金的制品包含含铝化钛合金的发动机、含铝化钛合金的涡轮机或含铝化钛合金的涡轮机叶片。
本发明技术的另一方面为一种用于降低含铝化钛合金的制品的表面的Ra值的方法，所述方法包括在结构体上稳定铝化钛合金，使连续降低尺寸的砂粒以高速度，横过稳定的铝化钛合金的表面通过，和使铝化钛合金的γ TiAl相和α2 (Ti3Al)相二者塑性形变，从而降低铝化钛合金的表面的Ra值。在一个实例中，稳定步骤包括使所述含铝化钛合金的制品与结构体固定、连接和结合中的一个或多个。使研磨介质横过制品的表面通过包括使研磨介质与铝化钛微观结构的各相相互作用。
本发明技术的一个实例涉及改善已通过铸造产生的铝化钛制品的表面修饰。这些制品可具有100或更多的Ra值。70的Ra值对应于约2微米；和35的Ra值对应于约1微米。通常需要高性能制品(例如涡轮机叶片、涡轮机叶轮/喷嘴、涡轮增压器、往复发动机阀、活塞等)的表面具有约20或更少的Ra。通过实践本发明教导的方法，制品的表面的粗糙度降低至少约50%。例如，含铝化钛合金的制品的表面具有大于约100 Ra的初始粗糙度，并且其中在处理后，制品的表面的粗糙度降低至约50 Ra或更少。在一方面，本发明为一种含铝化钛合金的制品，例如涡轮机叶片，横过至少一部分其表面，具有小于约1微米的粗糙度。
在一个实例中，在处理后，制品的表面的粗糙度为约20 Ra或更少。在另一实例中，在处理后，制品的表面的粗糙度为约15 Ra或更少。在另一个实施方案中，在处理后，Ra值降低至10 Ra或更少。在某些实施方案中，在处理后，Ra值降低约1/3-约1/6。例如，在处理后，Ra值降低约1/5。在一个实施方案中，Ra值从在处理前(pre-treatment)在铸件上70-100的水平改善至在处理后小于20的水平。
根据本发明技术的教导，制品的表面的粗糙度可降低至少约25%。在一些情况下，制品的表面的粗糙度降低至少约50%。在一个实施方案中，当与处理前水平相比时，制品的表面的粗糙度可降低20%-80%。在一个实施方案中，当与处理前水平相比时，制品的表面的粗糙度可降低约1/2。在一个实施方案中，当与处理前水平相比时，制品的表面的粗糙度可降低约1/4。在一个实施方案中，当与处理前水平相比时，制品的表面的粗糙度可降低约1/6。在一个实施方案中，当与处理前水平相比时，制品的表面的粗糙度可降低约1/8。在一个实施方案中，当与处理前水平相比时，制品的表面的粗糙度可降低约1/10。在另一个实施方案中，当与处理前水平相比时，制品的表面的粗糙度可降低约1/2-约1/10。
含铝化钛合金的制品表面可具有大于约100 Ra的初始粗糙度，并且在处理后，制品的表面的粗糙度降低至约50 Ra或更少。在另一个实施方案中，制品的表面的粗糙度降低至约20 Ra或更少。在一个实施方案中，含铝化钛合金的制品表面具有约120 Ra的初始粗糙度，并且在处理后，该粗糙度降低至约20 Ra。在一个实施方案中，含铝化钛合金的制品表面具有约115 Ra的初始粗糙度，并且在处理后，该粗糙度降低至约10 Ra。在一个实施方案中，含铝化钛合金的制品表面具有110 Ra或更多的初始粗糙度，并且在处理后，该粗糙度降低至30 Ra或更少。
本发明的实施方案提供具有基本上无缺陷表面的修饰的制品。此外，通过实践本发明技术的教导，横过至少一部分制品的表面，得到的修饰的制品(例如，涡轮机叶片)具有小于10微米的粗糙度，或者小于1微米。
一方面为一种含铝化钛合金的制品，横过至少一部分含有铝化钛合金的表面，所述制品具有小于约1微米的粗糙度。在一个实施方案中，该制品为铸塑制品。在一个实例中，制品为蜡模铸造制品。制品可为发动机或涡轮机。在一个具体的实施方案中，制品为涡轮机叶片。在另一个实施方案中，含铝化钛合金的制品包含含铝化钛合金的涡轮机叶片。在一个实例中，含铝化钛合金的制品为涡轮机叶片，并且至少一部分涡轮机叶片的工作表面具有小于约1微米的粗糙度。在另一个实施方案中，铝化钛合金制品的大多数表面积为基本上平面的，并且具有小于约1微米的粗糙度。在一个具体的实施方案中，制品为涡轮发动机叶片，横过至少一部分叶片的工作表面，其具有小于约15 Ra的平均粗糙度。
表面形变抛光方法产生具有改善的表面修饰的部件，并且与常规的研磨和碾磨方法相比，具有若干优点。例如，本发明技术提供一种快速和简单的方法来提供改善的表面修饰，而不会产生任何表面缺陷。此外，该技术要求低资金设备成本并且可使用简单的手持工具来实践，并且没有资金密集的机器。该方法具有低成本，并且还顺从高速率自动化。
实施例
参考以下实施例可以更容易理解已概括性描述的技术，包括这些实施例仅用于说明某些方面和实施方案的目的，并且不旨在以任何方式限制系统和方法。
可在分布曲线(profile)或在表面上计算粗糙度值。更常用分布曲线粗糙度参数(Ra、Rq...)。使用用于描述表面的公式计算每一个粗糙度参数。在使用中存在许多不同的粗糙度参数，但是迄今为止，Ra最常用。其它常用参数包括Rz、Rq和Rsk。
平均粗糙度Ra用高度单位表示。在皇室(英国)体系中，1 Ra通常表示为一英寸的“百万分之一”。这也称为“微英寸”。本文指示的Ra值指微英寸。基于粗糙度分布曲线偏离平均线的垂直偏差，幅度参数表征表面。图1-4显示使用针表面光度仪测量的典型的粗糙度分布曲线。表面光度仪为使用描形针沿着零件的表面示踪并且测定其平均粗糙度的装置。
表面粗糙度用单一数字描述，例如Ra。在使用中存在许多不同的粗糙度参数，但是迄今为止，Ra最常用。所有这些参数将表面分布曲线中的所有信息还原为单一数字。Ra为绝对值的算数平均，Rt为收集的粗糙度数据点的范围。Ra为表面修饰最常用的计量之一。
下表提供表面粗糙度的比较，如使用表面粗糙度的典型测量所描述的。
粗糙度值Ra，微米 粗糙度值Ra，微英寸 粗糙度等级数
50 2000 N12
25 1000 N11
12.5 500 N10
8.3 250 N9
3.2 125 N8
1.6 63 N7
0.8 32 N6
0.4 16 N5
0.2 8 N4
0.1 4 N3
0.05 2 N2
0.025 1 N1
图1-4显示在表面形变抛光(SDP)之前和之后，部件的表面粗糙度的测量的一系列表面光度仪描图。
图1提供在铸态条件下(其中除去所有模塑材料)和在表面形变抛光后部件503的比较。铸态部件503的表面的Ra值为115.1，而相同部件503在SDP后的Ra值为10.0。SDP采用粗糙砂粒(氧化铝砂粒尺寸范围141-192微米)、中等砂粒(氧化铝砂粒尺寸范围116-141微米)和细砂粒氧化铝(氧化铝砂粒尺寸范围40-60微米)的3个步骤，接着细SiC颗粒(砂粒尺寸范围15-40微米)的单一步骤。SDP改善了Ra多于1/5。图1中的全表面光度仪描图的比较显示在SDP后显著降低表面粗糙度。表面光度仪数据的比较显示通过SDP处理可产生的表面修饰的巨大改善。在全表面光度仪描图中还显示Rz和Rq值。这些数据还显示通过SDP处理可产生的改善。
图2显示在铸态条件下部件608的表面粗糙度的测量的表面光度仪描图，其中将所有模塑材料除去。部件608具有80.8的Ra；与部件503相比，部件608使用改进的铸造过程生产。如图2所示，为校准块的表面光度仪描图，说明在描图上规则的波动。
图3比较在两个单独的SDP处理后部件608的表面粗糙度的测量的表面光度仪描图。在第一处理中，按照次序使用5个步骤产生12.2的Ra。5个步骤由以下步骤组成：使用旋转剪切形变采用的粗糙、中等和细级别的氧化铝砂粒，接着1步非常细SiC砂粒，和用布磨光的最终步骤。在第二处理中，按照次序使用3个步骤产生14.8的Ra。3个步骤由以下步骤组成：粗糙级别氧化铝砂粒，接着1步非常细SiC砂粒(砂粒尺寸范围15-40微米)，和用布磨光的最终步骤。该第二处理的Ra不如第一个那样低，但是使用较少的步骤。
图4显示在第三单独的SDP处理后部件608的表面粗糙度的测量的表面光度仪描图；该SDP处理产生19.1的Ra。SDP处理采用粗糙级别氧化铝砂粒(氧化铝砂粒尺寸范围141-192微米)的步骤，接着非常细SiC砂粒的单一步骤，但是没有圆盘磨光，就像在先前的实施例中显示的数据的情况。磨光将Ra从19.1降低至14.8。
图5还显示已经历SDP的部件的黑白照片。该部件具有仍具有用于比较的初始铸塑表面的区域。这些初始铸塑表面的Ra值通常超过100 Ra。可见可采用一系列SDP处理来产生铸塑金属间和铝化钛部件的表面粗糙度的显著改善。该图显示可得到几乎镜面修饰。
可见可采用一系列SDP处理来实现铸塑金属间和铝化钛部件的表面粗糙度的显著改善。Ra值可降低多于1/5。由下表可见，与2步或3步处理相比，使用4步和5步处理得到较低的Ra值。4步处理含钛制品实现最低Ra值，表明这是改善含钛制品(例如含铝化钛合金的制品，例如涡轮机叶片)的表面修饰的高度有效的方法(例如，参见图5)。
制品的处理 Ra (微英寸) Rq
     
5步 12.2 42
4步 10.0 45
3步 14.8 -
2步 19.1 77
应理解的是，以上描述旨在为说明性而不是限制性的。例如，上述实施方案(和/或其方面)可彼此组合使用。此外，在不偏离本发明的范围的情况下，可进行许多修改以使具体的情况或材料适应各个实施方案的教导。虽然本文描述的材料的尺寸和类型旨在限定各个实施方案的参数，它们绝不是限制性的，并且仅为示例性的。回顾以上说明，许多其它实施方案对于本领域技术人员来说是显而易见的。因此，应该参考所附权利要求书以及这些权利要求赋予权利的等同方案的全部范围确定各个实施方案的范围。在所附权利要求书中，术语“包括”和“其中”用作相应的术语“包含”和“其中”的普通英语等同表示。此外，在以下权利要求书中，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅用作标记，并且不旨在对它们的对象强加数字要求。此外，以下权利要求书的限制不是以均加函数形式书写，并且不旨在基于35 U.S.C. § 112，第6段解释，除非并且直至此类权利要求限制清楚地使用短语“意欲”接着陈述缺乏其它结构的功能。应理解的是，上述所有此类目标或优点可根据任何特定的实施方案实现并不是必需的。因此，例如，本领域技术人员认识到，本文描述的系统和技术可采用实现或优化本文教导的一个优点或一组优点的方式体现或进行，而不必实现可在本文教导或提出的其它目标或优点。
虽然仅结合有限数量的实施方案详细描述了本发明，但是应容易理解的是，本发明不局限于所公开的实施方案。相反，可修改本发明，以结合任何数量的前面未描述的变体、变化、替代或等同排列，但是与本发明的精神和范围同等。此外，虽然已描述本发明的各个实施方案，应理解的是，本发明的各方面可包括仅一些所描述的实施方案。因此，本发明不应看作是由前述描述限定，而是应由所附权利要求书的范围限定。本文提及的所有出版物、专利和专利申请通过引用而全文结合到本文中，就好像每一个单个的出版物或专利具体并且单个指示通过引用而结合到本文中。在冲突的情况下，以本申请为准，包括本文中的任何定义。
该书面描述使用实施例开公开本发明，包括最佳方式，并且还能够使本领域技术人员能够实践本发明，包括制备和使用任何装置或系统和实施任何结合的方法。本发明的可取得专利的范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员可以想到的其它实例。如果这些其它实例具有没有不同于权利要求书的字面语言的结构要素，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质差别的等同结构要素，则它们将落入权利要求的范围内。

Claims (29)

1. 一种用于改善含铝化钛合金的制品的表面修饰的方法，所述方法包括：
提供含铝化钛合金的制品；
使研磨介质以高线性速度，横过所述含铝化钛合金的制品的表面通过；
使含铝化钛合金的制品的表面形变；和
降低含铝化钛合金的制品的表面粗糙度，从而改善制品的表面修饰。
2. 权利要求1的方法，其中使研磨介质横过制品的表面通过包括使研磨介质与铝化钛微观结构相互作用。
3. 权利要求1的方法，其中使表面形变包括使铝化钛合金塑性形变。
4. 权利要求3的方法，其中所述铝化钛合金包含γ铝化钛相和α2 (Ti3Al)相。
5. 权利要求1的方法，其中所述制品的表面的粗糙度降低至少约50%。
6. 权利要求1的方法，其中所述含铝化钛合金的制品包含含铝化钛合金的涡轮机叶片。
7. 权利要求1的方法，其中所述研磨介质包括氧化铝、石榴石、二氧化硅、碳化硅、碳化硼、金刚石、碳化钨和它们的组合物。
8. 权利要求1的方法，其中所述通过包括使范围为约140微米-约195微米的颗粒的第一研磨介质横过表面通过，随后使范围为约115微米-约145微米的颗粒的第二研磨介质横过表面通过，和随后使范围为约40微米-约60微米的颗粒的第三研磨介质横过表面通过。
9. 权利要求1的方法，其中所述形变步骤包括将表面加热至超过铝化钛合金的延展性脆性转变温度的温度。
10. 一种用于改善含铝化钛合金的制品的表面修饰的方法，所述方法包括：
在结构体上稳定含铝化钛合金的制品；
使研磨介质以高线性速度，横过所述稳定的铝化钛合金-制品的表面通过；和
使铝化钛合金的γ铝化钛相和α2 (Ti3Al)相二者形变，其中改善含铝化钛合金的制品的表面修饰。
11. 权利要求10的方法，其中所述含铝化钛合金的制品包含含铝化钛合金的涡轮机叶片。
12. 权利要求10的方法，其中所述制品的表面的粗糙度降低至少约50%。
13. 权利要求10的方法，其中所述研磨介质包括氧化铝、石榴石、二氧化硅、碳化硅、碳化硼、金刚石、碳化钨和它们的组合物。
14. 权利要求10的方法，其中所述通过包括使范围为约140微米-约195微米的颗粒的第一研磨介质横过表面通过，随后使范围为约115微米-约145微米的颗粒的第二研磨介质横过表面通过，和随后使范围为约40微米-约60微米的颗粒的第三研磨介质横过表面通过。
15. 权利要求10的方法，其中所述形变步骤包括将表面加热至超过铝化钛合金的延展性脆性转变温度的温度。
16. 一种用于降低含铝化钛合金的制品的表面粗糙度的Ra值的方法，所述方法包括：
在结构体上稳定铝化钛合金；
使连续降低尺寸的砂粒以高速度，横过所述稳定的铝化钛合金的表面通过；和
使铝化钛合金的γ TiAl相和α2 (Ti3Al)相二者塑性形变，从而降低铝化钛合金的表面的Ra值。
17. 权利要求16的方法，其中所述含铝化钛合金的制品包含含铝化钛合金的涡轮机叶片。
18. 权利要求16的方法，其中所述制品的表面的粗糙度降低至少约50%。
19. 权利要求16的方法，其中所述制品的表面的粗糙度降低至约20 Ra或更少。
20. 权利要求16的方法，其中所述研磨介质包括氧化铝、石榴石、二氧化硅、碳化硅、碳化硼、金刚石、碳化钨和它们的组合物中的至少一种。
21. 权利要求16的方法，其中所述通过包括使范围为约140微米-约195微米的颗粒的第一研磨介质横过表面通过，随后使范围为约115微米-约145微米的颗粒的第二研磨介质横过表面通过，和随后使范围为约40微米-约60微米的颗粒的第三研磨介质横过表面通过。
22. 权利要求16的方法，其中所述形变步骤包括将表面加热至超过铝化钛合金的延展性脆性转变温度的温度。
23. 权利要求16的方法，其中在处理后，Ra值降低约1/3-约1/6。
24. 一种含铝化钛合金的制品，横过至少一部分含有铝化钛合金的表面，所述制品具有小于约1微米的粗糙度。
25. 权利要求24的制品，其中所述制品为蜡模铸造制品。
26. 权利要求24的制品，其中所述制品为涡轮机叶片。
27. 权利要求24的制品，其中所述制品为涡轮机叶片，并且其中至少一部分涡轮机叶片的工作表面具有小于约1微米的粗糙度。
28. 权利要求24的制品，其中所述铝化钛合金制品的大多数表面积为基本上平面的，并且具有小于约1微米的粗糙度。
29. 权利要求24的制品，其中所述制品为横过至少一部分叶片的工作表面具有小于15 Ra的平均粗糙度的涡轮发动机叶片。
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