CN104662200A - 在基底上施加钛合金的方法 - Google Patents

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Abstract

在基底(18)上施加钛合金的方法，该方法包含如下的步骤：在所述基底(18)上熔化或沉积所述钛合金，和固化所述沉积或熔化的钛合金。该方法包含如下的步骤：在所述基底(18)上熔化、焊接或沉积所述钛合金的步骤之前或期间，添加0.01-0.4重量％的硼至所述钛合金。

Description

在基底上施加钛合金的方法
技术领域
本发明涉及一种通过焊接、熔化或金属沉积在基底上施加钛合金的方法。本发明还涉及包含使用此类方法施加的钛合金的组件。本发明另外涉及包含至少一个此类组件的燃气涡轮发动机。本发明另外包括所述钛合金和含所述钛合金的填充材料的用途。
发明背景
焊接或金属沉积是如下的方法，其用来制造新组件，添加材料至现有组件，修复在其制造过程中损坏的组件，例如修复在成型工艺过程中产生的或由不当加工导致的缺陷，和修复在其使用过程中损坏的组件。
焊接或金属沉积可用于制造组件或施加金属镀层，该组件或金属镀层对氧化、腐蚀、粒子侵蚀、热和/或磨损具有增大的耐受性。如果此类组件或金属镀层用于侵蚀性环境中，例如在燃气涡轮发动机中遇到的环境中，则其中组件可在氧化气氛中和超过800℃的温度下暴露延长的时间，由于在例如涡轮发动机运行或停止运行时发生的热循环和金属疲劳，组件/金属镀层会随时间变脆或破裂。
由于钛合金高温下的高比强度、优异的耐腐蚀和抗氧化性和好的抗蠕变性，因此钛合金广泛地应用在航空航天应用中。Ti-6Al-4V用于大多数航空航天和推进系统。但是，沉积的Ti-6Al-4V材料具有粗粒度，通常为数毫米级，这不利地影响了沉积的Ti-6Al-4V材料的机械性能。
US专利US 7521017涉及增强金属基复合材料以及成型粉末材料以形成该复合材料的方法。通过激光制造工艺以层的方式形成制造的制品。在该工艺中，融化粉末并冷却，以形成非持续增强金属基质的连续层。该基质显示细晶粒结构，其相对于非增强金属具有加强的性能，包括较高的拉伸模量、较高的强度和较大的硬度。用0-35重量％、更优选约0.5-10重量％的硼，和/或0-20重量％的碳、更优选约0.5-5重量％的碳，增强原位合金粉末、粉末冶金掺合或者独立提供的粉末，以形成该复合材料。
但是在航空航天应用中，施加具有金属性能的材料比施加具有复合材料性能的材料有利，这是因为，例如，复合材料的延性小于金属。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种在基底上施加钛合金的改进方法。该方法包含如下的步骤：在基底上熔化、焊接或沉积钛合金，和固化沉积、焊接或熔化的钛合金。该方法还包含如下的步骤：在基底上熔化、焊接或沉积钛合金的步骤之前或期间，添加0.01-0.4重量％的硼至该钛合金。
已经发现，与不含硼的钛合金晶粒的粒度相比，添加0.01-0.4重量％的硼至钛合金中大幅降低了钛合金的粒度。此处的粒度是指β粒度，并且这些晶粒的粒度在长度上可为数毫米。还已经发现，与不含硼的钛合金的强度、硬度和杨氏模量相比，通过添加硼至钛合金中获得的较小粒度改进了强度、硬度和杨氏模量。焊接和金属沉积，即涉及熔化材料，然后固化，该过程中将形成小Ti2B粒子，和在冷却过程中抑制晶粒生长。
硼在钛合金中的溶解度非常有限。例如在钛合金Ti-6Al-4V的溶解极限为小于0.04重量％的硼。这意味着在固化过程中，过剩的硼(不能溶解在钛中的硼的量)将不均匀地沉淀在β晶界中，且在进一步的冷却过程中抑制β晶粒的另外的晶粒生长。硼沉淀物自身在性质上易碎，而且当这些沉淀物的量超过临界量时，会劣化材料的断裂韧性和延性，这对于任何航空航天发动机应用都是有害的。但是，只要这些Ti2B沉淀的量足够少，如发明人在添加最高达0.4重量％硼的情况下在铸造Ti-6Al-4V中所发现的，金属材料的断裂韧性和延性没有劣化，而且仍然获得显著的晶粒细化，其具有改进的强度、硬度和杨氏模量。发明人认为，如果添加少量的硼即0.01-0.4重量％的硼至焊接或沉积的钛合金中，则固化后硼化钛粒子(TiB粒子)沿着钛合金晶界不均匀地分布，结果显著降低了粒度，从而与不含硼的熔化、焊接或沉积的钛合金相比，改进了机械性能。
术语“基底”可指支撑施加的钛合金的任何底层(substratum)。基底不必须是下层的(underlying)支撑，而例如可以被设置为以任何合适的方式支撑熔化、焊接或沉积的材料。基底可以是任何合适的材料、形状或尺寸。基底可以是至少部分固化的钛合金，其上施加更多的钛合金。基底可以由一个或多个构成部件形成。可以设置至少一个基底和施加的钛合金以形成单一的组件。例如，基底可以是如下的组件，其上通过熔化、焊接或金属沉积施加钛合金，因此施加的钛合金然后构成组件或熔合区的一部分，其可以用来将该组件接合至其它组件。
根据本发明的一种实施方案，该方法包含如下的步骤：在基底上熔化或沉积钛合金的步骤之前或期间，添加0.01-0.2重量％的硼或0.01-0.1重量％的硼至钛合金。
根据本发明的一种实施方案，在基底上熔化、焊接或沉积钛合金步骤包含如下的步骤：加热包含钛合金和0.01-0.4重量％的硼的粉末或线材。
根据本发明的另一实施方案，所述钛合金为ASTM等级5-等级38的钛合金、优选ASTM等级6-等级38的钛合金中的一种。ASTM采用容易参考的编号方案定义多个合金标准。根据一种特定实施方案，所述钛合金为如下中的一种：Ti-6Al-4V(也被称为为ASTM等级5，或TI 6-4)、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo。但应当指出的是，根据本发明的方法可以在任何钛合金的情况下使用。
Ti-6Al-4V明显强于商业纯钛，但具有同样的刚性和热性能。在其诸多优点之中，可以进行热处理，且具有强度、耐腐蚀性、焊接和加工性的优异组合。所以，其广泛用于航空航天、医疗、船舶和化学加工应用中。
根据本发明另外的实施方案，使用如下方法中的任何一种实施在基底上熔化、焊接或沉积钛合金的步骤：激光金属沉积(LMD)、激光焊接、电子束熔化、成型金属沉积(SMD)、钨惰性气体(TIG)熔化、金属惰性气体(MIG)熔化、灯丝蒸发、电子束蒸发、溅射沉积。但应当指出的是，根据本发明的方法可涉及使用任何合适的方法施加钛合金。
根据本发明的一种实施方案，在所述基底上施加钛合金，从而在所述基底上形成层。根据本发明的另一实施方案，基底包含两部分，和施加所述钛合金从而接合所述两部分。
应当指出的是，本文中使用的表达“层”旨在表示如下的层级(stratum)或熔合区，其连续或非连续地覆盖基底的至少如下的部分，它在该部分上熔化、焊接或沉积。熔合区可用于将一个或多个组件(component)或构件(component part)接合在一起。所述层可以是任何均匀或非均匀的厚度、形状、尺寸和/或截面积的。根据本发明的一种实施方案，该层具有3mm、2mm或1mm的最大厚度。通过施加连续层，可制成所需的形状。在一种应用中，沉积材料(数个层)的总厚度为约20mm。
根据本发明的一种实施方案，通过以局部加热基底材料至钛合金的熔化温度的形式供给能量，通过塑性局部浮动(plastic local floating)或通过原子扩散，来施加钛合金。
本发明还涉及一种组件，其包含使用本发明任一种实施方案的方法施加的钛合金。即该组件可以包含其表面上施加的钛合金，或者它可至少部分地由施加的钛合金构成。
本发明还涉及一种燃气涡轮发动机，其包含根据本发明任一实施方案的至少一个组件。
本发明还涉及包含0.01-0.4重量％的硼的钛合金用于在基底上熔化、焊接或沉积材料的用途。
本发明还涉及钛合金粉末或线材形式的填充材料，其用于在基底上熔化、焊接或沉积，其中所述钛合金包含0.01-0.4重量％的硼。
附图说明
以下将参考附图通过非限制性实施例进一步解释本发明，其中：
图1为燃气涡轮发动机的一个示例性实施方案的示意性纵向剖视图，
图2为根据本发明一种实施方案的方法的示意图，
图3为显示硼重量％对于钛合金粒度的影响的图，
图4显示采用根据本发明一种实施方案的方法施加的钛合金的横截面显微结构，
图5是显示采用根据本发明一种实施方案的方法施加的钛合金显微结构的显微图，和
图6为显示根据本发明一种实施方案的方法的步骤的流程图。
应当指出，所述附图并非按比例绘制，而且为了清楚，特定特征的大小可能已被放大。
具体实施方案
以下将通过实施方案示例本发明。然而应当理解，列出这些实施方案是为了解释本发明的原理，并不是限制由所附权利要求书限定的本发明范围。还应当注意，关于本发明特定实施方案公开的任何本发明特征，可以被并入本发明其它任何实施方案中。
图1示例了双-轴涡扇燃气涡轮飞机发动机1，围绕发动机纵向中心轴2对其进行限制。发动机1包含外壳或短舱3、内壳4(转子)和中间壳体5。中间壳体5与前两个壳体同轴，而且将它们之间的缝隙分隔成一个压缩空气的内部主气体通道6和发动机旁通气体流动通过的第二通道7。所以从垂直于发动机纵向中心轴2的截面看，气体通道6、7中的每个都是环状的。
燃气涡轮发动机1包含接收周围空气9的风扇8，升压机或低压压缩机(LPC)10和设置在主气体通道6中的高压压缩机(HPC)11，燃烧室12，其通过高压压缩机11混合压缩气体和燃料以产生燃烧气体，燃烧气体向下流动通过高压涡轮(HPT)13，和低压涡轮(LPT)14，通过其从发动机中释放出燃烧气体。
高压轴将高压涡轮13接合至高压压缩机11，以基本上形成高压转子。低压轴将低压涡轮14接合至低压压缩机10，以基本上形成低压转子。低压轴以如下方式至少部分可旋转地进行设置：相对于高压转子共轴且径向向内。
燃气涡轮发动机1还包含涡轮排气壳体15，其位于高压涡轮13的下游。涡轮排气壳体15包含支撑结构16。
燃气涡轮发动机1的至少一个组件，例如图1中显示的，可包含使用根据本发明任一实施方案的方法施加的钛合金。
图2示意性显示一种如下的方法，其通过金属沉积、焊接或熔化，在基底18上施加钛合金，ASTM等级5-等级38钛合金，例如Ti-6Al-4V、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo。所述钛合金优选包含1-8重量％的铝，特别是3-7重量％的铝，和有利地5.50-6.75重量％的铝。该铝合金优选包含1-10重量％的钒，优选2-8重量％的钒，和有利地3.5-4.5重量％的钒。
Ti-6Al-4V具有如下的化学组成：6重量％的铝，4重量％的钒，0.25重量％(最大)的铁，0.2重量％(最大)的氧，余量为钛。
根据另一个实施例，本发明涉及一种施加Ti-64形式钛合金的方法。Ti-64包含：
铝：5.50-6.75重量％；
钒：3.50-4.50重量％；
铁：0-0.30重量％；
氧：0-0.20重量％；
碳：0-0.08重量％；
氮：0-0.05重量％(500ppm)；
氢：0-0.125重量％(125ppm)；
钇：0-0.005重量％(50ppm)；
余量为钛。
根据另一个实施例，本发明涉及一种施加Ti-6242形式的钛合金的方法。Ti-6242包含：
铝：5.50-6.50重量％；
钒：3.60-4.40重量％；
钼：1.80-2.20重量％；
锡：1.80-2.20重量％；
硅：0.06-0.10重量％；
氧：0-0.15重量％；
铁：0-0.10重量％；
碳：0-0.05重量％；
氮：0-0.05重量％(500ppm)；
氢：0-0.125重量％(125ppm)；
钇：0-0.005重量％(50ppm)；
余量为钛。
该方法包含如下的步骤：使用能量源19加热包含钛合金和0.01-0.4重量％的硼的粉末或线材20，其中粉末或线材20可采用粉末/线材输送器21供给至基底18。在所示例的实施方案中，该方法用于添加材料至已有组件(基底18)，以例如修复在其制造过程中被损坏的组件，例如由成型工艺过程中产生的缺陷或由不当加工而导致该损坏，或者修复在其使用过程中损坏的组件。
可以添加0.01-0.4重量％的硼至钛合金，例如在基底18上熔化或沉积钛合金步骤之前或期间以粉末或线材的形式添加。
可以使用如下方法中的任一种在基底上熔化、焊接或沉积钛合金：激光金属沉积(LMD)、电子束熔化，成型金属沉积(SMD)、钨惰性气体(TIG)熔化、金属惰性气体(MIG)熔化、灯丝蒸发、电子束蒸发、溅射沉积，或任何其它合适方法。
可通过以局部加热基底材料至钛合金的熔化温度的形式供给能量，通过塑性局部浮动或通过原子扩散，来施加所述钛合金。
所施加钛合金的层17具有3mm的最大厚度。应当注意层17不必须具有一致的厚度。
图3为显示硼的重量％对铸造钛合金的β粒度的影响的图。可以看到，与不含硼的铸造钛合金的粒度相比，添加0.01-0.4重量％的硼至钛合金大幅降低了铸造铝合金的原β粒度。还发现与不含硼的铸造钛合金的强度、硬度和杨氏模量相比，根据本发明的方法改进了铸造钛合金的强度、硬度和杨氏模量。
图4显示使用根据本发明一种实施方案的方法形成的钛合金的数个层的横截面显微结构。钛合金层呈现含原β晶粒(原β粒度＝图4中显示的箭头22的长度)的显微结构，其在不添加硼的钛合金中可具有数毫米的最大粒度(箭头22的长度)。通过添加0.01-0.4重量％的硼至熔化、焊接或沉积的钛合金中，最大粒度显著降低。可采用光学显微镜测量最大粒度。
图5(a)和5(d)为不添加硼的铸造Ti-64的显微图。图5(b)和5(e)为含0.06重量％的硼的铸造Ti-64的显微图。图5(c)和5(f)为含0.11重量％的硼的铸造Ti-64的显微图。硼化钛(TiB)粒子在固化后(参见图e和f)沿着铸造钛合金晶界呈非均匀分布，这导致与图a、b和c)的原β粒度相比，粒度显著降低，从而与不含硼的铸造钛合金相比，改进了机械性能。
图6为根据本发明一种实施方案的方法的步骤的流程图。该方法包含如下的步骤：通过例如合金化含硼的钛合金粉末或线材，添加0.01-0.4重量％的硼至钛合金，使用任何合适的金属沉积方法在基底上熔化、焊接或沉积含0.01-0.4重量％的硼的钛合金，和允许含有0.01-0.4重量％的硼的钛合金至少部分固化。可选地，可以在至少部分固化的含0.01-0.4重量％的硼的钛合金上熔化或沉积另外的钛合金材料。
在权利要求书的范围之内，对本发明另外的改进对本领域普通技术人员将是显而易见的。

Claims (26)

1.一种在基底(18)上施加钛合金的方法，所述方法包含如下的步骤：在所述基底(18)上熔化、焊接或沉积所述钛合金，和固化所述钛合金，其特征在于，所述方法包含如下的步骤：在所述基底(18)上熔化、焊接或沉积所述钛合金的步骤之前或期间，添加0.01-0.4重量％的硼至所述钛合金。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述基底(18)上熔化、焊接或沉积所述钛合金的步骤包含加热粉末或线材(20)的步骤，所述粉末或线材(20)包含所述钛合金和所述0.01-0.4重量％的硼。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述钛合金为ASTM等级5-等级38的钛合金中的一种。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述钛合金为如下的一种：Ti-6Al-4V和Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，使用如下方法中的任何一种实施所述在所述基底(18)或焊缝(18)上熔化、焊接或沉积所述钛合金的步骤：激光金属沉积(LMD)、激光焊接、电子束熔化(EMB)、成型金属沉积(SMD)、钨惰性气体(TIG)熔化、金属惰性气体(MIG)熔化、灯丝蒸发、电子束蒸发、溅射沉积。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，在所述基底(18)上施加所述钛合金，从而在所述基底上形成层(17)。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述层(17)具有3mm的最大厚度。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述基底包含两部分，和施加所述钛合金，以使所述两部分接合。
9.根据权利要求1-5中的任一项或权利要求7所述的方法，其特征在于，通过以局部加热基底材料至所述钛合金的熔化温度的形式供给能量，通过塑性局部浮动或通过原子扩散施加所述钛合金。
10.一种组件，其特征在于，所述组件包含使用根据前述权利要求中的任一项所述的方法施加的钛合金。
11.一种燃气涡轮发动机(1)，其特征在于，所述燃气涡轮发动机(1)包含至少一个根据权利要求9所述的组件(3，4，5，8，10，11，12，13，14，15，16)。
12.包含0.01-0.4重量％的硼的钛合金用于在基底上熔化、焊接或沉积材料的用途。
13.一种钛合金粉末或线材形式的填充材料，其用于在基底上熔化、焊接或沉积，其特征在于，所述钛合金包含0.01-0.4重量％的硼。
14.一种在基底上施加钛合金的方法，所述方法包含如下的步骤：在所述基底上熔化、焊接或沉积所述钛合金，和固化所述沉积或熔化的钛合金，其中，所述方法包含如下的步骤：在所述基底上熔化、焊接或沉积所述钛合金的步骤之前或期间，添加0.01-0.4重量％的硼至所述钛合金。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述在基底上熔化、焊接或沉积所述钛合金的步骤包含加热粉末或线材的步骤，所述粉末或线材包含所述钛合金和所述0.01-0.4重量％的硼。
16.根据权利要求14或15所述的方法，其中所述钛合金为ASTM等级5-等级38的钛合金中的一种。
17.根据权利要求14或15所述的方法，其中所述钛合金为如下的一种：Ti-6Al-4V和Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo。
18.根据权利要求14-17中的任一项所述的方法，其中使用如下方法中的任何一种实施所述在基底或焊缝上熔化或沉积所述钛合金的步骤：激光金属沉积(LMD)、激光焊接、电子束熔化(EMB)、成型金属沉积(SMD)、钨惰性气体(TIG)熔化、金属惰性气体(MIG)熔化、灯丝蒸发、电子束蒸发、溅射沉积。
19.根据权利要求14-18中的任一项所述的方法，其特征在于，在所述基底(18)上施加所述钛合金，从而在所述基底上形成层(17)。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述层具有3mm的最大厚度。
21.根据权利要求14-20中的任一项所述的方法，其特征在于，所述基底包含两部分，和施加所述钛合金，以使所述两部分接合。
22.根据权利要求14-18中的任一项或权利要求21所述的方法，其特征在于，通过以局部加热基底材料至所述钛合金的熔化温度的形式供给能量，通过塑性局部浮动或通过原子扩散施加所述钛合金。
23.一种组件，其中所述组件包含使用根据权利要求14-22中的任一项所述的方法施加的钛合金。
24.一种燃气涡轮发动机，其中所述燃气涡轮发动机包含至少一个根据权利要求23所述的组件。
25.包含0.01-0.4重量％的硼的钛合金用于在基底上熔化、焊接或沉积材料的用途。
26.一种钛合金粉末或线材形式的填充材料，其用于在基底上熔化、焊接或沉积，其特征在于，所述钛合金包含0.01-0.4重量％的硼。
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