CN107002178A

CN107002178A - 由铝和钛的合金制作三维部件的方法

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Publication number: CN107002178A
Application number: CN201580063833.5A
Authority: CN
Inventors: G·弗里堡; J-F·卡斯塔涅; J-C·比尔; C·基洛特
Original assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2014-11-25
Filing date: 2015-11-24
Publication date: 2017-08-01
Anticipated expiration: 2035-11-24
Also published as: FR3028784A1; WO2016083724A1; CN107002178B; US20170321303A1; FR3028784B1; EP3223981B1; EP3223981A1

Abstract

本发明提供用于制造包含钛基合金的烧结三维部件的方法，该方法包括以下步骤：制备注射组合物(步骤E10)，该注射组合物包含粘合剂和钛基合金的粉末，该钛基合金包含铝和/或铬作为合金添加元素；将注射组合物注入(步骤E20)模具的空腔中，以获得待制作的部件的坯料；选择性地消除(步骤E50)坯料中的粘合剂；烧结(步骤E601)钛基合金的粉末的第一步骤，该粉末在第一烧结步骤中经受高于或等于1毫巴的第一压力，以获得由烧结合金粉末制作的部件的预制件；在第一烧结步骤之后进行的第二烧结步骤，其中施加第二压力(步骤E602)，该第二压力低于第一压力，对第二压力的施加时间进行选择，从而位于预制件表面的厚度为200μm的层中铝和/或铬的重量含量不因第二烧结步骤而发生超过5％的相对值变化。

Description

由铝和钛的合金制作三维部件的方法

背景技术

本发明涉及基于金属合金的三维部件的制作方法的一般领域。

更具体而言，基于钛的合金用于将要经受高热机械应力和腐蚀性气氛的部件。这些合金起到降低这种部件的重量的作用，从而由于成本和/或能量效率的原因，使用这种部件是有利的，例如在航空领域的应用。

由钛基金属合金制成的部件传统上是通过涉及特定的铸造或电子束熔化(EBM)的方法制造的。复杂形状的部件(例如涡轮发动机叶片)难以制造，并且在应用上述生产方法之后需要较多的处理和加工步骤。特别地，额外的加工步骤通常导致高废品率，这增加了生产成本。

为了控制成本并获得在制造后需要较少加工的形状精确的部件，对可以从钛基合金制造复杂形状的部件而不存在这些缺点的方法存在需求。

金属注射成型(MIM)方法是已知的，并且能够获得具有精确形状的金属部件而在生产后不需要大量昂贵的加工。

这种方法包括以下步骤：制备基于金属粉末(例如金属合金)并同时含有至少一种粘合剂(例如热塑性树脂)的注射组合物；将注射组合物注入模具的空腔中以制作部件的坯料；选择性地消除存在于坯料中的粘合剂(称为“脱粘(debinding)”)，例如，在受控温度下使用溶剂；以及烧结金属粉末以使其致密化。

然而，使用传统MIM方法由钛基合金制成的部件通常具有不均匀的机械性质以及相对大量的氧化，从而缩短其寿命。

本发明的目的和内容

作为通过传统MIM法获得的部件的测试结果，本发明人观察到其机械性能的不均匀性或相对大量的氧化主要是由于合金的化学组成在制造部件的过程中发生改变。更准确地说，本发明人观察到在合金粉末烧结步骤中发生部件的化学组成的这种改变，其主要是由合金添加元素的蒸发导致的。另外，最熟知的MIM方法推荐在烧结密封体中施加低压，其中随着密闭体中压力的降低而使得添加元素的蒸发增加。

本发明寻求通过提出一种制造包含钛基合金的烧结三维部件的方法来克服现有技术的MIM方法的缺点，其使得可以减缓合金的化学组成的不期望的改变，从而获得呈现均匀的机械性质的复杂形状的部件。

该目标通过用于制造包含钛基合金的烧结三维部件的方法来实现，该方法包括以下步骤：

·制备注射组合物，该注射组合物包含粘合剂和钛基合金的粉末，该钛基合金包含铝和/或铬作为合金添加元素；

·将注射组合物注入模具的空腔中，以获得待制作的部件的坯料；

·选择性地消除坯料中的粘合剂；以及

·烧结钛基合金的粉末的第一步骤，该粉末在第一烧结步骤中经受高于或等于1毫巴(mbar)的第一压力，以获得由烧结合金粉末制作的部件的预制件。

在第一烧结步骤期间控制压力是必要的，因为有必要确保部件在高温下致密化，同时避免第一烧结步骤导致预制件的化学组成产生任何显著的改变。因此，通过将第一压力设定为高于或等于1毫巴，该第一压力高于烧结温度下添加元素的饱和蒸气压，从而限制其蒸发，并限制第一烧结步骤导致的部件的化学组成的任何改变。

第一压力可高于或等于10毫巴。第一压力的施加时间例如可以是1-24小时的范围。

在第一烧结步骤之后，该方法还包括第二烧结步骤，其中施加第二压力，该第二压力低于第一压力，对第二压力的施加时间进行选择，从而位于预制件表面的厚度为200微米(μm)的层中铝和/或铬的以重量计的含量不因第二烧结步骤而发生超过5％的相对值变化。

优选该第二压力低于1毫巴。例如，第二压力可低于或等于10^-1毫巴，低于或等于10^-2毫巴，或实际上低于或等于10^-3毫巴。第二压力的施加时间可少于5小时，例如10分钟-5小时的范围。

于是，通过进行这种第二烧结步骤(其中所施加的第二压力低于第一压力)，由于存在于孔中的气体的排出而进一步降低了第一烧结步骤之后获得的预制件的孔隙率。然而，即使第二烧结步骤的条件对于气体从孔中排出是有利的，它们也有利于添加元素从合金内的蒸发，从而改变其化学组成，特别是在预制件的表面。因此，期望限制该第二烧结步骤的持续时间。在本发明中，这种受限的持续时间是可能的，因为在不影响其化学组成的第一烧结步骤中，预制件已经很好地进行了致密化。然后可以显著缩短第二烧结步骤的持续时间，以避免过度影响合金的化学组成，同时仍然可用于排出存在于预制件的孔中的气体，从而改善所发生的致密化。

确定施加第二压力的持续时间，从而使得位于预制件表面的添加元素(例如铝和/或铬)以重量计的含量在第二烧结步骤结束时不发生超过5％的相对值变化。

预制件表面的添加元素的以重量计的含量在本文中用于表示位于预制件表面的厚度为200μm量级的层中的元素的重量比例。

给定元素的以质量计的含量的相对变化是指在第一烧结步骤之前的所述元素的以质量计的含量与第二烧结步骤之后的所述元素的以质量计的含量之间的相对变化。例如，如果在第一烧结步骤之前铝的质量含量为30％，并且如果在第二烧结步骤之后铝的质量含量为28.5％，则在前两个烧结步骤之后的铝质量含量的相对变化为(30-28.5)/30＝5％。

表面的这些质量含量是在烧结之前和烧结后在预制件的样品上通过化学分析来确定的，该化学分析可以是破坏性或半破坏性的，特别是通过电感耦合等离子体质谱法(ICP)，能量散射X射线光谱法(EDX)，波长色散射光谱法(WDS)或X射线荧光光谱法(XRF)。

优选在第二烧结步骤之后该方法还包括第三烧结步骤，该第三烧结步骤中施加第三压力，第三压力高于第二压力，例如可高于或等于1毫巴。

第三烧结步骤使得能够完成部件的致密化，例如，如果在过多的添加元素蒸发且所需的致密化未完成的情况下。因此，该第三步骤的持续时间取决于第二步骤结束时预制件的致密化的进行程度有多高。该第三步骤的持续时间例如可以是10分钟-10小时的范围。

本发明还提供以上描述的制造方法，其中所制造的部件是涡轮发动机叶片。

本发明的一个方面中，在第一烧结步骤之前，钛基合金粉末中铝的含量高于10重量％。

优选地，第一烧结步骤之前的钛基合金粉末中以下元素以重量计具有以下含量：32％至33.5％的铝；4.5％至5.1％的铌；以及2.4％至2.7％的铬。

或者，第一烧结步骤之前的钛基合金粉末中以下元素以重量计具有以下含量：28.12％至29.12％的铝；8.56％至9.56％的铌；以及1.84％至2.84％的钼。

再或者，第一烧结步骤之前的钛基合金粉末中以下元素以重量计具有以下含量：5.4％至6.6％的铝；和3.6％至4.4％的钒。

附图的简要说明

通过以下描述并参照附图，本发明的其它特征和优势将更加明晰，附图示出了没有限制性质的实施方式。在附图中：

·图1是流程图，显示了在本发明的实施方式中的方法的主要步骤；

·图2是注射模具的高度示意图；和

·图3是适合通过本发明的方法制造的涡轮发动机叶片的高度示意图。

发明详述

本发明以其用于制造由钛基合金制成的烧结三维部件的应用在以下进行描述。

以众所周知的方式，MIM方法的步骤之一包括在压力下将注射组合物注入模腔中，该组合物包含金属合金粉末和粘合剂。

该合金粉末可优选地是钛和铝合金的粉末。可使用上述合金。

粉末优选基本为球形颗粒的形式。粉末的粒径(d90)优选小于或等于150μm。换言之，如果考虑构成粉末的颗粒的尺寸分布，则90％的颗粒的尺寸小于或等于150μm。

以已知的方式，粘合剂可包含选自以下的化合物：石蜡；热塑性树脂；琼脂凝胶；纤维素；聚乙烯；聚乙二醇，聚丙烯；硬脂酸；聚甲醛等；以及其混合物。

参考图1，根据本发明的方法的实施方式包括以下步骤。

由以上描述的合金的粉末以及粘合剂制备注射组合物(步骤E10)。

注射组合物通常可以包含50体积％至70体积％的合金粉末和30体积％至50体积％的粘合剂。

注射组合物可最初在例如惰性气氛下于150℃至200℃范围内的温度下混合，随后在该温度下注射。

如图2示意性所示，注射模具1通常包括形成空腔12的两个部分14和16，所述空腔12具有待制造的部件的形状。注射模具有利地具有多个注射点18a、18b、18c，使得能够注入到模具1的空腔12的多个部分中。

通常，可在400巴至800巴的压力范围内进行注射。

然后注入(步骤E20)到注射模具1中，注射模具自身具有例如在30℃至70℃的范围内的调节温度，使得注射组合物变得具有塑性，以形成待制作的部件的坯料。以这种方式制造的坯料处于所谓的“生坯(green)”状态或塑性状态。

注入已被抽成真空的模具的空腔中是有利的，从而便于注射并确保模制的坯料是均匀的。

此后，将坯料从模具取出(步骤E30)，并任选地在处于生坯状态时加工(步骤E40)，以便消除在从模具取出的过程中可能出现的飞边(flash)或注射点浇口。

以下步骤包括选择性地除去以这种方式形成的坯料中存在的粘合剂。

选择性地除去粘合剂(步骤E50)的步骤也称为“脱粘”，其用于从生坯状态的部件的坯料获得具有待制造部件形状的粉末。

粘合剂的选择性除去可以包括用溶剂处理来溶解粘合剂。

热处理可以用于选择性地或完全消除粘合剂，或者完成消除。在这种情况下，可以在烧结密闭体中进行，以避免在选择性地消除坯料中存在的粘合剂的步骤和第一烧结步骤之间移动粉末。

在将粉末置入烧结密闭体之前，通过真空抽吸循环(例如在低压的氩气和氢气下)对烧结密闭体进行吹扫和去污。

具体而言，为了避免合金中存在的元素的氧化，在烧结过程中必须处于惰性气氛或还原气氛下。

烧结步骤(步骤E60)在烧结密闭体中进行，其中逐渐施加烧结温度。以已知的方式，烧结温度为烧结用粉末中存在的合金的固相线温度的约80％至90％，以0.10℃/分钟至20℃/分钟的升温速率逐渐达到该温度。

根据本发明，第一烧结步骤(步骤E601)通过使粉末经受惰性或还原气氛(例如氩或氢气)的第一压力来进行，该压力高于或等于1毫巴，例如高于或等于10毫巴。

合金添加元素(如铬和/或铝)的蒸发在施加该第一压力的第一烧结步骤的持续过程中是可以忽略的。因此，进行致密化预制件的该步骤，同时避免由于添加元素蒸发而导致预制件的表面的粉末的化学组成发生任何改变。

在一个变化方式中，在第一烧结步骤期间实施的烧结是部分的，随后进行第二烧结步骤。

在该第二烧结步骤中，预制件经受第二压力，其低于以确定时间施加在烧结密闭体中的第一压力(步骤E602)。

该第二压力的目的是排出存在于预制件的孔中的气体，以增加其致密化。然而，如上所述，施加第二压力的持续时间受到限制，以便最小化预制件表面的例如铝和/或铬的添加元素的排出。换言之，在第二烧结步骤期间，进行处理以排出存在于孔中的烧结过程中产生的气体，但不显著地影响预制件的组成，特别是其表面的组成。

在预制件的“表面处”的蒸发是指从预制件的表面的具有特定厚度的层蒸发添加元素(厚度通常为200μm量级)。

例如，如果为第二压力选择非常低的值，则存在于孔中的气体将被更有效地排出，且致密化将更快地进行，然而，预制件表面处的添加元素的蒸发也会将相应地更多。

或者，如果施加更高值的第二压力，则存在于孔中的气体将需要更长时间来排出，且致密化会更为受限，然而，预制件表面处的添加元素的蒸发更少。

因此，施加第二压力的持续时间经调整以使第二烧结步骤之后的预制件的表面处的铝和/或铬的重量含量的相对变化最小化，优选小于5％，更优选小于3％，进一步更优选小于1％。换言之，预制件的表面的铝和/或铬的重量含量优选在第二烧结步骤之后的相对值变化不超过5％，更优选不超过3％，进一步优选不超过1％。

在第二烧结步骤之后，可以进行第三烧结步骤(步骤E603)，其中施加高于第二压力的第三压力。通过示例的方式，该第三压力可高于或等于1毫巴。

在第二或第三烧结步骤(步骤E602和E603)之后，如果实施的话，则将预制件以例如0.1℃/分钟至60℃/分钟的降温速率进行冷却，以优化部件的微结构。

最终部件是从进行了已知的最终处理(步骤E70)的预制件获得的，所述最终处理例如有用于最终完成部件的致密化的热等静压、用于优化其微结构的附加热处理以及加工或抛光等表面处理。

本发明的方法特别适用于制造涡轮发动机叶片2，例如包括根部22、翼型件24和顶端26，如图3中高度示意性所示。

第一实施例

第一实施例描述了使用本发明的方法从TiAl6V4型钛合金制造叶片2的方法。

首先，获得d90为45μm的基本为球形颗粒的23级钛合金(TiAl 6V4)的市售粉末。

还获得了具体包括石蜡、乙烯/乙酸乙烯酯共聚物和硬脂酸的粘结剂。

通过将合金粉末与粘合剂在氩气中于120℃的温度下混合2小时来制备注射组合物(步骤E10)。

将注射组合物注入到注射模具1的空腔12中(步骤E20)。

然后从模具取出处于生坯状态的叶片2的坯料(步骤E30)并在处于生坯状态时进行加工(步骤E40)，以消除由于注射而引起的飞边(flash)。

此后，将叶片的坯料在40℃的己烷浴中放置10小时，以通过溶解来除去粘合剂(步骤E50)。

在烧结密闭体中继续选择性地去除粘合剂的步骤，其中在部分除去粘合剂后放置坯料，通过进行热处理来除去粘合剂的最后残留。

通过将烧结密闭体中的温度升高至1350℃来开始烧结步骤(步骤E60)。

然后将密闭体内的压力调节至10毫巴并维持2小时，以进行第一烧结步骤(步骤E601)

将预制件冷却，然后从烧结密闭体中取出，以进行常规精整处理(步骤E70)。

第二实施例

第二实施例描述了使用本发明的另一方法从TiAl 48-2-2型钛合金制造叶片2的方法。

首先，获得具有表1所示化学组成的钛合金的市售粉末，其具有d90为25μm的基本上为球形的颗粒。

表1-合金的化学成分(重量％)

Ti	Al	Nb	Cr	Fe
					基底	32.0-33.0	4.50-5.10	2.40-2.70	0.10
C	N	H2	O2	Si
					0.015	0.02	0.01	0.04-0.13	0.025

也获得了主要包含聚乙烯和聚乙二醇的粘合剂。

通过将合金粉末与粘合剂在170℃的温度下混合来制备注射组合物(步骤E10)。

将注射组合物注入到注射模具1的空腔12中(步骤E20)，该空腔的温度调节至40℃且已被排空。

此后，将叶片的坯料在75℃的水浴中放置24小时，以通过溶解来除去粘合剂(步骤E50)。

通过将烧结密闭体中的温度升高至1,410℃来开始烧结步骤(步骤E60)。

然后将密闭体内的压力调节至1毫巴并维持6小时，以进行第一烧结步骤(步骤E601)

在第一烧结步骤之后，进行第二烧结步骤(步骤E602)，同时将密闭体中的压力降至10^-1毫巴并维持30分钟。

Claims

1.用于制造包含钛基合金的烧结三维部件的方法，该方法包括以下步骤：

·制备注射组合物，该注射组合物包含粘合剂和钛基合金的粉末，该钛基合金包含铝和/或铬作为合金添加元素(步骤E10)；

·将注射组合物注入模具(1)的空腔(12)中，以获得待制作的部件的坯料(步骤E20)；

·选择性地消除坯料中存在的粘合剂(步骤E50)；

·烧结钛基合金的粉末的第一步骤(步骤E601)，该粉末在第一烧结步骤中经受高于或等于1毫巴的第一压力，以获得由烧结合金粉末制作的部件的预制件；和

·在第一烧结步骤之后进行的第二烧结步骤，其中施加第二压力(步骤E602)，该第二压力低于第一压力，对第二压力的施加时间进行选择，从而位于预制件表面的厚度为200μm的层中铝和/或铬的以重量计的含量不因第二烧结步骤而发生超过5％的相对值变化。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述第二压力低于1毫巴。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中，还包括第二烧结步骤之后的第三烧结步骤，该第三烧结步骤中施加第三压力(步骤E603)，第三压力高于第二压力。

4.如权利要求3所述的方法，其中，所述第三压力高于或等于1毫巴。

5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，所获得的部件是涡轮发动机叶片(2)。

6.如权利要求1-5中任一项所述的方法，其中，在第一烧结步骤之前，合金粉末中铝的含量高于10重量％。

7.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其中，第一烧结步骤之前的合金粉末中以下元素以重量计具有以下含量：

·32％至33.5％的铝；

·4.5％至5.1％的铌；和

·2.4％至2.7％的铬。

8.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其中，第一烧结步骤之前的合金粉末中以下元素以重量计具有以下含量：

·28.12％至29.12％的铝；

·8.56％至9.56％的铌；和

·1.84％至2.84％的钼。

9.如权利要求1-5中任一项所述的方法，其中，第一烧结步骤之前的合金粉末中以下元素以重量计具有以下含量：

·5.4％至6.6％的铝；和

·3.6％至4.4％的钒。