CN103906851B - 一种制造由TA6Zr4DE钛合金制成的部件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种方法，该方法包括在α/β相区中煅造毛坯以形成预制体的步骤；在钛合金的β相区中对所述预制体进行热模冲压以形成半成品的步骤；以及热处理。以特征方式，在压模步骤期间，半成品全身各处承受大于或等于1.2的局部变形ε，这个压模步骤由迅速冷却终止，该迅速冷却以快于85℃/分钟的初始冷却速率进行。所述方法可适用于制造涡轮机的旋转部件。

Description

一种制造由TA6Zr4DE钛合金制成的部件的方法
本发明涉及一种制造由TA6Zr4DE钛合金制成的部件的形变热处理方法，以及一种由该方法产生的部件。
本发明特别地，但不唯一地，应用于涡轮机的旋转部件(例如轮盘(disk)、耳轴和叶轮)，以及特别地，本发明涉及高压压缩机轮盘。
目前，在申请人使用的技术中，高压压缩机轮盘是通过煅造获得的，包括在α/β相区中锻造毛坯的步骤和在钛合金的β相区中进行热模冲压的步骤。压模是在大约1030℃下执行的。
在压力机(press)中压模的步骤之后是热处理循环，其包括在970℃的温度(其对应于β转变温度减30℃)下，在合金的α/β相区(domain)中进行一小时固溶处理的步骤。这个固溶处理步骤之后是在油中或者在水-聚合物混合物中淬火的步骤。
之后，退火处理在595℃下执行八个小时，之后在空气中冷却。
不考虑特殊情况，在执行这个制造方法时，获得了呈现粗微观结构的区域的合金，这些区域不利于钛合金良好的强度，特别是在以在特定保持时间内保持的施加压力进行的低循环疲劳测试期间(相比于没有保持时间的相同类型的疲劳测试)，特别是针对从-50℃到+200℃的使用温度的范围。由于引入保持时间(在该保持时间期间保持最大负载)在这种疲劳测试期间观测到的寿命的缩短导致被称为保持效应的现象。更确切地，该现象包括在相对低的温度(低于200℃)下的蠕变，该蠕变伴随低循环疲劳，导致材料中的内部破坏，该内部破坏可以一直发展到部件的提早崩溃。
特别地，使用被称为“6242”(其包括大约6％的铝，2％的锡，4％的锆和2％的钼)的合金是优选的。更确切地，这种合金在冶金术语中被称为TA6Zr4DE合金。
图1中示出了有益于保持效应现象的结构类型：不缠结的针(所有针呈现共同的方向)位于晶界10的两侧中任一侧。在这个配置中(其可以被称作“羽毛”结构)，这些针彼此平行。
相反地，当α相的针被完全地缠结在一起，即，当它们没有被集合在相互平行的针包中，而是以非常不同的方向(参见图1：区域20，或者图2中的全部)被安排和分布时，则获得需要被促进的结构，因为该结构不益于保持效应现象。
因此，在航空领域中以及特别地对于高压压缩机轮盘，该应用对于这个保持效应现象是非常敏感的，因为在起飞和着陆阶段，引擎承受在与这种现象相对应的温度和压力的范围内的运行条件。这种现象能够导致疲劳裂纹的提早开始，以及可能甚至导致部件破裂。
这种保持效应现象能被涡轮机生产者很好地识别，并且已经是大量研究的主题；另外，这种保持效应现象适用于所有温度稳定的钛合金：在β、α/β、近α以及α分类中的钛合金。
本发明的目的是提供一种制造由TA6Zr4DE钛合金制成的形变热处理部件的方法，该方法可以进行工业话生产，以及该方法能够克服现有技术的缺点，并且特别地，该方法能够限制保持效应现象的程度。
本发明的目的是为了改进形变热处理制造方法以获得部件，对于该部件，与保持效应现象相关的寿命被增加，虽然该部件在低温下所承受的循环应力。
为此，本发明涉及一种制造由TA6Zr4DE钛合金制成的形变热处理部件的方法，该方法包括：在α/β相区中煅造毛坯以形成预制体的步骤，在钛合金的β相区中对所述预制体进行热模冲压以形成半成品的步骤，以及热处理，该方法的特征在于在压模步骤期间，半成品全身各处承受大于或等于1.2的局部变形ε，这个压模步骤以迅速冷却终止，该迅速冷却以快于85摄氏度每分(C/min)(并且优选地，快于100℃/min)的初始冷却速率进行。
本发明基于的观点对应于已经观察到于材料中存在有益于保持效应现象的平行针区域或者“集群(colony)”的事实。已经发现这种集群是由主α相的相对粗糙的延长针(其彼此相互接触)构成。这些集群可以呈现能够达到几毫米长的长度，以及位于0.1毫米(mm)至1.5mm范围内的厚度。
当材料处于压力下时，这些集群组成出现高度集中的位错的位置，以致一旦它们变得活跃，并且在没有要求任何特定的热效应的情况下，在针之间会产生滑动，这能够导致破裂。
本发明试图提供一种制造方法，该方法能够限制晶粒尺寸和限制“集群”类型的结构，特别地，通过试图获得“缠结”类型的结构，以最小化保持效应，以及这是通过减小范围(超过该范围，位错可以自由地移动)来完成的，以最小化位错的累积以及最小化部件破裂的风险。
以本发明的特征方式，这就是为什么不仅一些最低水平的变形被施加给部件以在压模步骤的结尾获得精细的微结构，而且还通过取出半成品并立即和足够快地冷却该半成品确保该精细的微结构被保存。
例如，终止压模的冷却是通过在水中(特别地在不超过60℃的温度下的水中)进行淬火而进行的。
有利地，在根据本发明的这个制造方法中，所述热处理包括在合金的α/β相区中进行固溶热处理，该固溶热处理之后立即以比100℃/分钟更快的冷却速率对整个部件进行冷却。
优选地，终止固溶热处理的冷却是通过以比150℃/分钟更快的冷却速率(并且特别地，以处于200℃/分钟到450℃/分钟的范围内的冷却速率)对该部件进行淬火而实施的。
有利地，终止固溶热处理的冷却是通过在油或者在水/聚合物混合物中进行淬火而实现的。
因此，由于该快速冷却，微结构的状态被冻结在其固溶热处理步骤的结尾具有的状态中，并且避免了任何其它对该微结构的改变，因为其可能导致有益于保持效应现象的α相集群的针的增长。
另外，与播种/生长类型现象(其导致相当粗糙的微结构)相比较，选择快速淬火有助于促进β相到α相的马氏体式转变(从而导致相当精细的微结构)。
另外优选地，在根据本发明的制造方法的最后，该方法还包括以下步骤：
在终止固溶热处理的淬火步骤之后，在大约595℃的温度下、在大约8小时(h)的持续时间内执行退火步骤，以及随后在空气中进行冷却。
有利地，本发明的制造方法还包括：在压模步骤(之后是在水中进行冷却)和固溶热处理步骤之间，进行试图减小部件块头(massivity)的加工(并且特别地，进行预加工)的步骤。随后进行其它加工操作以改正部件的尺寸并达到它最终的形状。
在淬火步骤后，如果增加了预加工步骤，冷却速率应该优选快于350℃/分钟。
通过这种方式，可以减小在热处理期间需要被处理的材料的体积，因此，使得该部件作为整体能够被更快地冷却。
发明人已经发现这种使得结构能够变得更精细、而没有影响材料的形变热处理性能的结果的制造方法。
本发明还提供一种使用如上面所描述的制造方法、由TA6Zr4DE钛合金制成的形变热处理部件。
由钛制成的形变热处理部件优选地形成涡轮机的旋转部件，以及特别地，形成压缩机轮盘(特别是用于高压压缩机的轮盘)。
最后，本发明还涉及一种安装有遵从上面给出的定义中的任何一者的形变热处理部件的涡轮机。
本发明的其它优势和特征会在阅读后面通过举例并且参考附图做出的描述时体现，其中：
图1(如上面描述的)示出了使用现有技术的传统制造方法获得的微结构；
图2(如上面描述的)示出了使用本发明的制造方法获得的这种类型的微结构；
图3示出了现有技术和本发明的制造方法的步骤；以及
图4示出了在环境温度下对于通过现有技术的制造方法获得的部件和对于通过根据本发明的制造方法获得的部件的疲劳测试(随着保持时间的“梯形”循环)的寿命结果，以及这是通过不同巨块结构的部件的两个区域(区域被标记为3和5)来完成的。
图3回忆了组成现有技术的传统热处理的内容，特别地，所述传统热处理被申请人公司用于高压压缩机轮盘(其由TA6Zr4DE或者“6242”钛合金制成)。
首先，在α/β相区中煅造材料的毛坯或者坯料，例如，在950℃下，之后在空气中进行冷却以形成预制体。
然后，该预制体经历在1030℃的温度(与β转变温度加30℃相对应)下、在钛合金的β相区中进行热模冲压的步骤，之后是在煅造后在水中进行冷却，从而获得用于形成轮盘的半成品(也被称为“毛坯煅造”)。
该压模步骤后是热处理，该热处理包括在970℃的温度(与β转变温度减30℃相对应)下，在合金的α/β相区中进行一小时的固溶热处理步骤。
该固溶热处理步骤之后是在油中或者在水-聚合物混合物中进行淬火的步骤(大约200℃/分钟的最小初始冷却速率，并且之后位于200℃/分钟至450℃/分钟的范围内)。
之后，在595℃下，执行八小时的退火热处理，并伴随在空气中进行冷却。
获得呈现在图1中可视的微结构的材料，其呈现在由位于晶界任一侧的互相平行的α相的针构成的特定位置集群中。这些针呈现能够在图中看见的延长形状的截面，以及它们经常延伸超过几百微米。
在图2中，可视的微结构与钛合金(其与图1的合金相同)的微结构相对应，以及该可视的微结构已经经历上面描述的制造方法，除了以下不同：
在压模步骤期间，毛坯全身各处承受大于或等于1.2的局部变形ε。有利地，局部变形的最小值ε是1.5，优选地大于1.7，或者甚至大于1.9，以及其最大点超过2。
在这种环境下，平行针的集群的数量更少，以及它们的尺寸更小。这些针的大多数是缠结的，以及，另外，它们具有不同的尺寸。如在图2中所看到的，所有这些针具有较小截面尺寸，它们的长度保持小于100微米(μm)，并且通常位于大约20μm至50μm的范围内。
因此，能够预期的是，缺乏以平行排列的长针将通过防止位错累积(否则，该位错累积可能导致破裂的风险)来防止保持效应现象。
针的尺寸的减小伴随着它们体积的减小，和针之间的接触区域的减小，从而阻碍疵点(例如位错或者空穴)的运动倾向，以及因此，它们经过较短的距离，并且它们具有较小的累积的可能性。
在本发明中，术语局部变形ε用于表示由Forge2005仿真软件计算的在冯米塞斯(Von Mises)意义中的等价广义变形。用于计算的等式如下：
其中，[ε]pl对应于塑性变形张量。
为了确保局部变形的最小值在压模步骤的结尾期间已经被获得，使用计算机辅助设计(CAD)工具执行仿真。
特别地，由该制作方法产生的材料在总体上呈现了形变热处理特性，以及特别地，呈现了承受在所有施加的变形下的低循环疲劳的特性，这些特性一点不比通过现有技术的制造方法产生的材料的特性差。
已经针对高压压缩机轮盘，在环境温度下，使用梯形信号(1s(秒)没有应力，40s有应力，1s没有应力)、使用772兆帕(MPa)的最大应力，对承受以施加应力进行的低循环疲劳的能力进行了测试。
对于在轮盘的区域3(与钻孔相对应)以及在区域5(与腹板(web)相对应)中执行的测试，并且在图4中可见的在破裂前的循环次数的结果被总结在下面的表1中。
表1
因此，可以看到，在寿命方面有增长，以及因此在承受保持效应现象(从增长倍数为1.5(在区域3中)到增长倍数为4(在区域5中))的能力方面有增长，这些增长非常显著。
在通过比较的方式进行的其它机械测试中，并且这些机械测试已经证明对于通过本发明的制造方法获得的部件和从标准范围中获得的部件的强度至少是一样，可以提及牵引力测试(在20℃下以及在450℃下)和在500℃下的蠕变延伸测试。
还发现了，对于在环境温度下，在80赫兹(Hz)的频率下，以施加应力进行的振动疲劳测试方面，与从标准范围中获得的部件相比，通过本发明的制造方法获得的部件的寿命增长了3倍。

Claims (12)

1.一种制造由TA6Zr4DE钛合金制成的部件的形变热处理方法，该方法包括：在α/β相区中煅造毛坯以形成预制体的步骤；在所述钛合金的β相区中对所述预制体进行热模冲压以形成半成品的步骤；以及热处理，所述方法其特征在于，在所述热模冲压步骤期间，所述半成品全身各处承受大于或等于1.2的局部变形ε，该热模冲压步骤以立即冷却终止，该立即冷却以快于85℃/分钟的初始冷却速率进行。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热处理包括在所述合金的α/β相区中进行固溶热处理，在该固溶热处理之后立即以快于100℃/分钟的速率进行冷却。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，终止所述压模的冷却是通过在水中进行淬火实现的。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，终止所述固溶热处理的冷却是通过以快于150℃/分钟的初始冷却速率对所述部件进行淬火步骤实现的。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，终止所述固溶热处理的冷却是通过在油中或在水/聚合物混合物中进行淬火实现的。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在终止所述固溶热处理的所述淬火步骤期间，冷却速率为200℃/分钟至450℃/分钟。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括以下步骤：
在终止所述固溶热处理的所述淬火步骤之后进行退火步骤，该退火步骤进行的温度为595℃，持续的时间为8小时；之后在空气中进行冷却。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括：在所述压模步骤和所述固溶热处理步骤之间，进行减小所述部件块头的加工步骤。
9.一种由TA6Zr4DE钛合金使用根据权利要求1至8中任一项权利要求所述的方法制成的形变热处理部件。
10.根据权利要求9所述的形变热处理部件，其特征在于，该部件形成涡轮机的旋转部件。
11.根据权利要求9或10所述的形变热处理部件，其特征在于，该部件形成高压压缩机轮盘。
12.一种包括根据权利要求9所述的形变热处理部件的涡轮机。
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