CN109070288A - 用于对金属部件进行高温成形的芯体以及制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于对由基于钛的合金制成的金属部件进行高温成形的金属芯体(20)。金属芯体(20)在要与金属部件接触的外表面上具有富含金属碳氮化物的材料的层。金属芯体(20)包含基于镍或钴的合金，且所述基于镍或钴的合金包含铬、钼和/或钛。本发明还涉及用于制造和再生金属芯体(20)的方法，且还涉及使用金属芯体(20)来制造金属部件的方法。

Description

用于对金属部件进行高温成形的芯体以及制造方法
背景技术
本发明涉及用基于钛的合金制造金属部件，如涡轮叶片前缘防护件。
这种前缘防护件通常用于保护旋转叶片的前缘不被冲击损坏。本文中，术语“叶片”用于涵盖风扇叶片和航空器螺旋桨叶片。为了限制它们的重量，这种叶片通常由经过纤维强化的聚合物-基质复合材料制成。虽然这种材料在通常情况下展现出十分良好的机械品质，特别是相对于它们的重量，但它们对于点冲击特别敏感，具体而言，点冲击可在材料内部引发脱层现象。因此，一般在这种叶片的前缘安装由诸如钛合金这样的十分坚固的金属材料制成的防护件，以保护叶片不被冲击损坏。这种防护件通常呈净压力面翅片和净吸入面翅片的形态，所述净压力面翅片和净吸入面翅片通过跨越前缘放置的更厚的部分接合在一起，防护件紧密匹配叶片的前缘形状以及与前缘相邻的压力面部分和吸入面部分的形状。压力面翅片和吸入面翅片分别在叶片的那些压力面部分和吸入面部分上延伸，且它们主要起到将防护件定位并固定在前缘上的作用。
为了改善叶片的空气动力学性能，叶片的前缘被赋予越来越复杂的形状，从而导致紧密匹配叶片形状的防护件的制造更加复杂。
在一种方法中，主要通过以下方式来制造防护件：使用弯曲、锤击和挤压的连续步骤从合金条开始进行锻造，并且进行扭转的最终步骤，以移动翅片使其彼此更接近，且用于调整出更厚的部分。然而，对通常用于前缘防护件的如同钛合金一般坚固的材料应用上述已知方法存在以下主要缺点：高制造成本，所述高制造成本因锻造工具的显著磨损、数量众多的制造步骤、以及因实现翅片十分精细的厚度或翅片与更厚部分之间较小的过渡半径的高难度而引起的技术缺陷所导致。
文献WO 2011/114073描述了一种用于对芯体周围的防护件进行热成形的方法。可任选地使芯体被由氧化钇层制成的防扩散屏障覆盖。然而，需要利用等离子体沉积法来沉积该氧化钇层。这种技术的成本相对较高，且其可能难以得到在芯体的整个外表面上都均匀的层。特别是叶片、进而这些叶片的前缘越来越复杂的形状，也会导致其上成形有前缘的芯体本身具有更加复杂的形状。
另外，发现氧化钇层劣化得相对较快，进而限制了重复使用芯体的可能性。因此，这种方法的成本相对较高。
本发明的目的以及概要
本发明试图补救上述缺陷。
为此，本发明提供一种用于对基于钛的金属部件进行热成形的金属芯体，所述金属芯体包含基于镍或钴的合金，且所述基于镍或钴的合金包含铬、钼和/或钛，且所述金属芯体还在要与所述金属部件接触的外表面上存在层，所述层包含相对于所述合金富含金属碳氮化物的材料。
因为所述金属芯体包含基于镍或钴的合金，可对由基于钛的合金制成的金属部件(例如用于形成旋转叶片前缘的金属部件)进行热成形。利用金属部件的热塑性形变，即使是起始于特别坚硬以及尤其在高疲劳强度方面展现出特别有利的物理性质的金属板，这种热成形也能够起到制造具有复杂三维形状的部件的作用。具体而言，基于镍或钴的合金在高温(例如1000℃)下几乎或完全不发生形变。
另外，因为在要与金属部件接触的金属芯体外表面上存在富含金属碳氮化物的材料的层，能够在金属部件已热成形于金属芯体上之后，容易地使金属芯体与金属部件分离。特别是在热成形步骤中，在金属芯体与金属部件之间不存在粘连和/或化学反应。具体而言，金属部件是与富含金属碳氮化物的材料的层接触，而不是与形成金属芯体的基于镍或钴的合金接触。
该富含金属碳氮化物的材料的层相对于金属部件呈化学和物理惰性。其分散的碳化物和氮化物使得该层在金属芯体的合金与金属部件的基于钛的合金之间形成扩散屏障。这起到了限制金属芯体的基于镍或钴的合金的元素对由基于钛的合金制成的金属部件的污染的作用。
还因为基于镍或钴的合金包含铬、钼和/或钛，形成于金属芯体表面处的富含金属碳氮化物的材料的层在高温下是稳定的，特别是热力学稳定的。还应当观察到铬、钼和/或钛的重量含量越高，富含金属碳氮化物的材料的层的稳定性就越好。
因此，可使用金属芯体对金属部件进行热成形，从而赋予其复杂的三维几何形状，而几乎不需要或不需要在金属芯体被移除后对已经接触过金属芯体的金属部件的表面进行机械加工。该提供相对于金属部件呈惰性的表面的金属芯体可用于连续对多个金属部件进行热成形。因此，该金属芯体是可用于制造多个金属部件的工具，且其不是用于只对一个金属部件进行成形的消耗品。
术语“基于钛的合金”用于涵盖其中钛的质量含量占主要的合金。能够理解的是，因此钛是合金中具有最大质量含量的元素。有利的是，基于钛的合金具有至少50％、优选至少70％、或事实上更加优选至少80％的钛质量含量。依照相同的方式，术语基于镍或钴的合金用于表示其中镍或钴的质量含量占主要的金属合金。因此，基于镍或钴的合金可具有至少40％、优选至少50％的镍或钴质量含量。
可通过使碳原子和氮原子扩散入金属合金中来得到富含金属碳氮化物的材料。这些碳原子和氮原子与金属合金的原子发生反应，从而形成具有结合至碳原子和/或氮原子的起始金属合金原子的材料层。该层可包含碳化物、氮化物和/或金属碳氮化物，其化学和重量组成随着在层中测量它们的位置而变化。能够理解的是，所述层还可具有未结合至碳原子或氮原子的原始金属合金原子。
富含金属碳氮化物的材料的层可包含第一层和第二层，第一层的金属氮化物浓度大于第二层的金属氮化物浓度，且第二层通过第一层与金属芯体的外表面隔开。
由于碳在基于镍或钴的合金中具有比氮更大的移动性，其能够在给定时间段内比氮扩散穿过更大的厚度。碳和氮的并用使得能够形成在大于例如约20微米(μm)、优选大于30μm的深度下热力学稳定的化合物。
富含金属碳氮化物的材料的层可具有至少20μm、优选至少30μm的厚度。
因此，富含金属碳氮化物的材料的层的厚度足以使得芯体能够被使用至少十次，或甚至被使用30次或50次。金属芯体的这种多次重复使用使得能够显著降低生产前缘的成本。
本发明还提供了用于制造上文所定义的金属芯体的制造方法，所述方法包括以下步骤：
制造金属芯体；以及
以得到富含金属碳氮化物的材料的层的方式对金属芯体的外表面进行碳氮共渗。
通过对碳氮共渗进行热力学控制，可增强某些氮化物、碳化物和/或碳氮化物的形成。合金中所存在的所有金属元素中，某些元素形成碳化物，例如铬、铁、钼、钨、钛、钽、铌和铝，而另一些元素形成氮化物，例如铬、铁、钼、钨、钛、钽、铌和铝，且这些元素中的一些形成碳氮化物，特别是钛、钽和铁。镍和钴是相对于碳和氮而言是中性的金属元素，使得它们不会与碳和/或氮结合而形成氮化物、碳化物和/或碳氮化物。另外，通过调整碳氮共渗的温度来控制反应的动力学，进而控制碳或氮的扩散深度。
可在气体气氛中在熔融盐浴中进行碳氮共渗。
尤其是可通过形成碳和氮的等离子体来对金属芯体的外表面进行碳氮共渗。该技术也被称为离子碳氮共渗或等离子体碳氮共渗，其为一种可导致碳和氮深度扩散的反应技术。通过改变温度，可控制形成于金属芯体表面处的富含金属碳氮化物的材料的层的厚度。
本发明还提供了用于使金属芯体再生的再生方法，其中，进行对金属芯体的外表面进行碳氮共渗的新步骤，以得到新的富含金属碳氮化物的材料的层。
因此，当金属芯体被多次使用(例如十次使用，优选30次使用，更优选50次使用)后，富含金属碳氮化物的材料的层已变得劣化，可进行新的碳氮共渗步骤。因此，可延长金属芯体的使用寿命。
在对金属芯体的外表面进行碳氮共渗的新步骤之前，可进行使用热处理来消除富含金属碳氮化物的材料的层的步骤。通常，在高于金属部件热成形温度的温度下进行该步骤。
本发明还提供了用于对由基于钛的合金制成的金属部件进行热成形的成形方法，所述方法包括以下步骤：
将金属部件定位于如上文所定义的金属芯体的周围；
对芯体周围的所述金属部件进行热成形；以及
取出芯体。
因此，通过使用其表面处存在富含金属碳氮化物的材料的层的金属芯体，可通过热成形用基于钛的合金制造金属部件，且金属芯体与金属部件不会粘连在一起，金属芯体的合金不会污染金属部件。此外，几乎不需要或不需要对与金属芯体接触的金属部件表面进行机械加工，这在经济上具有优势。假设同一芯体能够被重复使用多次，例如至少十次，则还应当观察到生产前缘的成本得以降低。
有利的是，金属部件是旋转叶片的前缘防护件。
附图的简要说明
通过阅读以下以非限制性实例给出的实施方式的详细描述，能够更好地理解本发明，并使其优势更好地显现。参考附图进行描述，其中：
图1是涵道式喷气发动机的透视图；
图2是图1的喷气发动机的风扇的旋转叶片的透视图；
图3是用于图2的叶片的前缘的防护件的透视图；
图4是图3的防护件在IV-IV平面上的截面图；
图5A～图5E显示了用于制造图4的防护件的方法中的连续步骤；
图6是金属芯体的放大剖面图；以及
图7A和图7B是分别显示起始于金属芯体表面的碳浓度和氮浓度的图线。
发明详述
图1显示了具有气体产生单元2和风扇3的涵道式喷气发动机1。风扇3具有围绕中心轴X放射状排列且具有空气动力学轮廓以在旋转时驱动空气的多片旋转叶片4。因此，如图2所示，每一片叶片4具有前缘5、尾缘6、吸入面7和压力面8。
在正常运行中，相对的空气流被大体上导向每一片叶片4的前缘5。因此，前缘5尤其暴露于冲击之下。特别是当叶片4具有由复合材料(特别是经过纤维强化的聚合物-基质材料)制成的主体9时，利用结合在各个叶片中的防护件10'来保护前缘5是恰当的。
图3和图4显示了该防护件10'，其具有压力面翅片11、吸入面翅片12和更厚的中心部分13，所述更厚的中心部分跨越叶片4的前缘放置，并且使压力面翅片11与吸入面翅片12相互连接。压力面翅片11和吸入面翅片12起到将防护件10'定位在叶片4上的作用。防护件10'主要由金属制成，更具体而言，是由基于钛的合金制成，例如TA6V(Ti-6Al-4V)。因此，防护件10'是由基于钛的合金制成的金属部件10的一个实例。
从图3和图4中可见，该防护件10'的形状是相当复杂的，结合通常用于该部件的高性能材料，可使其昂贵且难以生产，特别是当传统用于对前缘进行热成形的芯体只能使用一两次时更是如此。
通过对金属芯体20的外表面23进行碳氮共渗来形成芯体，从而得到金属芯体20。特别是可通过形成碳和氮的等离子体来进行这种碳氮共渗，这也被称为“离子”碳氮共渗或“等离子体”碳氮共渗。该反应技术起到了使得碳和氮扩散入金属芯体20深处并且在金属芯体20的表面23处产生富含金属碳氮化物的材料的层24的作用。从图6中可见，因此得到了在其外表面23上存在由富含金属碳氮化物的材料制成的层24的金属芯体20。在富含金属碳氮化物的材料的层24之下，可发现用于在碳氮共渗处理之前形成金属芯体20的基于镍或钴的合金的组合物25。
如图6所示，富含金属碳氮化物的材料的层24包含第一层26和第二层27，第一层26的金属氮化物浓度大于第二层27的金属氮化物浓度，且第二层27通过第一层26与金属芯体20的外表面23隔开。
图7A和图7B分别显示了从金属芯体20的外表面23向基本上垂直于其外表面23的金属芯体20内侧变化的碳和氮的浓度，采集了各种不同的基于镍或钴的合金(标记为A～D)的数据。可见，氮首先存在于第一层26中，且其浓度向着金属芯体20的内侧十分快速地降低。合金A是例外，碳浓度在第一层26中大体上较低，并且倾向于在抵达用于在碳氮共渗处理之前制造金属芯体20的基于镍或钴的合金25时再一次降低之前在第二层27中增大。
能够理解的是，第一层26和第二层27中的碳和氮的浓度以连续方式变化。因此，富含金属碳氮化物的材料的层24包含金属氮化物、金属碳化物和/或金属碳氮化物。然而，由于第一层26具有比第二层27更高的氮浓度，其金属氮化物浓度(以氮化物和/或基于碳氮化物的材料的形式)高于第二层27的金属氮化物浓度。
举例而言，可在500℃下进行150小时的离子碳氮共渗。这些条件使得能够得到厚度在20μm至30μm范围内的富含碳氮化物的材料的层。还可设想在720℃下进行150小时的碳氮共渗。
在经历了多个热成形热循环后，富含碳氮化物的材料的层24可能变得受损。随后，可通过进行对金属芯体20进行碳氮共渗的新步骤来富集金属芯体20上的富含金属碳氮化物的材料的层24。这生成了新的富含金属碳氮化物的材料的层24。
可在其富含金属碳氮化物的材料的层24已经变得受损的金属芯体20上直接进行对金属芯体20进行碳氮共渗的新步骤，或者也可在高于热成形温度的温度下进行热处理，以除去受损的富含金属碳氮化物的材料的层24，并随后进行对金属芯体20的外表面23进行碳氮共渗的新步骤。
因此，可重复使用金属芯体20，并使其经历多个热成形循环。因此，可增加对金属芯体20所进行的热成形循环的数量。
用于对金属芯体20周围的由基于钛的合金制成的金属部件10进行热成形的方法示于图5A至5E。其包括：将金属部件定位于芯体20周围的步骤(图5A和图5B)；对金属芯体周围的金属部件10'进行热成形的步骤(图5C)；以及从金属部件10'中取出金属芯体的步骤(图5D和图5E)。在该例中，应当观察到在热成形之后，对金属部件进行切割(图5D)，以使得能够取出芯体20(图5E)。因此，得到能够被定位且附接于叶片前缘的前缘防护件10'。
应当观察到用于对金属部件10进行热成形的方法不包括对要与叶片接触的前缘5的表面进行机械处理的步骤。
具体而言，在热成形步骤中，金属芯体20与金属部件10之间不发生粘连和/或化学反应，因为金属部件10是与富含金属碳氮化物的材料的层24发生接触，而不是与形成金属芯体的基于镍或钴的合金25发生接触。
此外，该富含金属碳氮化物的材料的层24相对于金属部件10呈化学和物理惰性。其碳化物和氮化物的分散使得该层24在金属芯体20的合金与金属部件10的基于钛的合金之间形成扩散屏障。这起到了限制来自金属芯体20的基于镍或钴的合金的元素对由基于钛的合金制成的金属部件10的污染的作用。
该成形方法可包括如上文所描述的制造金属芯体20的步骤或使金属芯体20再生的步骤。
虽然参考特定实施方式对本发明进行了描述，显而易见的是可对那些实施方式进行各种修改和改变，且不会超出如权利要求所限定的本文发明的一般范围。例如，本发明不限于用于旋转叶片的前缘防护件。具体而言，所述金属芯体以及制造和再生方法可用于通过在上文所定义的金属芯体周围进行热成形来制造由基于钛的合金制成的任意其它金属部件。另外，可在附加实施方式中对所提及的各种实施方式的各个特征进行组合。所以，说明书和附图应视为是示例性的而非限制性的。

Claims (9)

1.一种用于对由基于钛的合金制成的金属部件(10；10')进行热成形的金属芯体(20)，所述金属芯体(20)的特征在于，其包含基于镍或钴的合金(25)，其中，所述基于镍或钴的合金(25)包含铬、钼和/或钛，且所述金属芯体(20)还在要与所述金属部件(10；10')接触的外表面(23)上存在层(24)，所述层(24)包含相对于所述合金(25)富含金属碳氮化物的材料。
2.如权利要求1所述的金属芯体(20)，其特征在于，富含金属碳氮化物的材料的层(24)包含第一层(26)和第二层(27)，所述第一层(26)的金属氮化物浓度大于所述第二层(27)的金属氮化物浓度，且所述第二层(27)通过所述第一层(26)与所述金属芯体(20)的所述外表面(23)隔开。
3.如权利要求1或2所述的金属芯体(20)，其特征在于，富含金属碳氮化物的材料的层(24)的厚度为至少20μm，优选为至少30μm。
4.一种用于制造权利要求1～3中任一项所述的金属芯体(20)的制造方法，所述方法的特征在于包含以下步骤：
制造所述金属芯体(20)；以及
以得到富含金属碳氮化物的材料的层(24)的方式对所述金属芯体(20)的所述外表面(23)进行碳氮共渗。
5.如权利要求4所述的制造方法，其特征在于，通过形成碳和氮的等离子体来对所述金属芯体(20)的外表面(23)进行碳氮共渗。
6.一种用于使权利要求1～3中任一项所述的金属芯体(20)再生的再生方法，其中，进行对所述金属芯体(20)的所述外表面(23)进行碳氮共渗的新步骤，以得到新的富含金属碳氮化物的材料的层(24)。
7.如权利要求5所述的再生方法，其特征在于，在对所述金属芯体(20)的外表面(23)进行碳氮共渗的所述新步骤之前，进行使用热处理来消除富含金属碳氮化物的材料的层(24)的步骤。
8.一种用于对由基于钛的合金制成的金属部件(10；10')进行热成形的成形方法，所述方法的特征在于包含以下步骤：
将所述金属部件(10；10')定位于权利要求1～3中任一项所述的金属芯体(20)的周围；
对所述金属芯体(20)周围的所述金属部件(10；10')进行热成形；以及
取出所述金属芯体(20)。
9.如权利要求8所述的成形方法，其特征在于，所述金属部件(10)是旋转叶片的前缘防护件(10')。
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