CN109680183B - 钛基合金及用于通过增材制造工艺制造钛基合金部件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种钛基合金及一种用于通过增材制造工艺制造钛基合金部件的方法。一种钛基合金包括总计0.001重量%至1.0重量%的至少一种镧系元素、余量的钛和杂质。
Description
技术领域
本申请的领域涉及钛基合金和用于制造钛基合金部件的方法。
背景技术
由钛基合金制成的部件由于高强度重量比、优异的耐腐蚀性和高温性能而广泛用于航空航天应用。然而,起始原料的高成本以及高买飞比(buy-to-fly ratio)推动航空航天工业开发近净成形技术,包括增材制造工艺。
钛基合金表现出凝固行为,其中高温β相的晶体在添加剂沉积工艺期间成核并生长至大尺寸。含有大晶粒的微观结构导致材料具有较低的静电和疲劳性能。而且,细长的β晶粒留下导致更多各向异性的晶体结构。
另外,导致形成粗β晶粒尺寸的条件也可有助于在晶粒边界处形成α相,如果严重的话,这会带来低延伸率。在增材制造过程期间出现的另一个问题为缓慢凝固(较低的冷却速率)和高热梯度的组合—该组合特别促进大的细长晶粒。因此,这些缺陷限制了钛基合金在增材制造中在更关键的应用中的使用,诸如那些通过循环或热疲劳设定尺寸的应用或具有较小拉伸性能裕度的静态性能尺寸应用。因此,本领域技术人员继续在钛基合金以及通过增材制造工艺(additive manufacturing process)制造钛基合金部件的方法的领域中进行研究和开发。
发明内容
在一个实施例中,钛基合金包括总计0.001重量%至1.0重量%的至少一种镧系元素、余量的钛和杂质。
在另一个实施例中,一种用于制造钛基合金部件的方法包括提供包含总计0.001重量%至1.0重量%的至少一种镧系元素、余量的钛和杂质的钛基合金起始原料,以及通过增材制造工艺由钛基合金起始原料形成钛基合金部件。
根据以下详细描述、附图和所附权利要求,所公开的钛基合金和用于制造钛基合金部件的方法的其他实施例将变得显而易见。
附图说明
图1为示出用于制造钛基合金部件的方法的流程图;
图2A、图2B和图2C示出在铸态条件下的实验合金的微观结构;
图3A至图3I示出退火后实验合金的微观结构;
图4A和图4B示出含有富含镧系元素的金属间颗粒的微观结构;
图5为飞行器制造和使用方法的流程图;以及
图6为飞行器的框图。
具体实施方式
本说明书涉及钛基合金,其包含总计0.001重量%至1.0重量%的至少一种镧系元素。钛基合金定义为具有超过50重量%钛的任何合金。
在一个方面,钛基合金包括附加量的铝(Al)、锆(Zr)、锡(Sn)、氧(O)、钼(Mo)、钒(V)、铌(Nb)、铁(Fe)和铬(Cr)中的至少一种,其中基于它们的铝当量和钼当量值来定义所述量,其中铝当量(Al-eq)在0%至7.5%之间,并且钼当量(Mo-eq)在2.7至47.5之间,并且其中Al-eq和Mo-eq定义如下:
Al-eq=Al%+Zr%/6+Sn%/3+10*(O%)
Mo-eq==Mo%+0.67*V%+0.33*Nb%+2.9*Fe%+1.6*Cr%
镧系元素由镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Tb)和镥(Lu)组成。这些元素被称为“镧系元素”,因为镧系元素中的每个元素在化学上是相似的。
将少量镧系元素添加到本说明书的钛基合金中,以降低凝固过程中形成大晶粒的趋势。尽管本发明不受理论限制,但添加镧系元素的这种效果被认为是由它们对氧的高亲和力、在液相中聚集的趋势以及在固相中的低溶解度所致,而它们对氧的高亲和力、在液相中聚集的趋势以及在固相中的低溶解度在凝固过程中均易于扰乱固/液前沿,从而破坏大晶粒的生长,导致在凝固的微观结构中产生更细的晶粒尺寸。凝固的钛基合金中更细的晶粒尺寸提供更好的强度、延展性和疲劳性能。
钛基合金中的所述一种或多种镧系元素的最小总量为0.001重量%,优选地为0.01重量%。如果所述一种或多种镧系元素的总量过低,则无法达到预期的效果。
所述一种或多种镧系元素的最大总量为1.0重量%,优选地为0.5重量%。如果所述一种或多种镧系元素的总量过高,则添加镧系元素的成本变得太高。
因此,本说明书中的钛基合金包括一种或多种镧系元素,其总计在0.001重量%至1.0重量%的范围内,并且优选地在0.01重量%至0.5重量%的范围内。
在一个方面,所述一种或多种镧系元素选自钕(Nd)、钆(Gd)、镝(Dy)和铒(Er),并且钛基合金包括总计0.001重量%至1.0重量%、优选地0.01重量%至0.5重量%的Nd、Gd、Dy和Er。
在具体示例中,镧系元素为钆(Gd),并且钛基合金包括0.001重量%至1.0重量%、优选地0.01重量%至0.5重量%的Gd。
通过使用室温下存在的相,钛合金被分为三大类:α、α-β和β。每个类都具有独特的众所周知的特点。将α稳定剂和β稳定剂添加到钛基合金中以稳定钛的不同相。
本说明书中的钛基合金包括α类、α-β类和β类钛基合金,其中如上所述添加有一种或多种镧系元素。因此,钛基合金可进一步包括各种α稳定剂和/或β稳定剂。
在具体方面,钛基合金为α-β钛基合金。α-β钛基合金具有优异的耐腐蚀性和高温性能并且可热处理至高强度。由于这些原因和其他原因,α-β合金对于通过增材制造工艺形成的部件特别有吸引力。然而,α-β钛基合金的凝固可使得高温β相的大晶粒在添加剂沉积工艺期间成核并生长至大尺寸。这些大晶粒尺寸使α-β钛合金的延展性、强度和其他性能退化。因此,添加少量镧系元素对降低凝固过程中形成大晶粒的趋势的影响可能对α-β钛基合金特别有实用性。示例性常规α-β钛基合金包括例如Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo、Ti-6Al-4Zr-0.5Nb-0.8Mo-3Sn-0.3Si(VT18Y)和Ti-6Al-4V。
在一个示例中,本说明书中的α-β钛基合金可包括按重量百分比计5.0%至7.0%(优选地5.5%至6.5%)的铝(Al)、1.0%至3.0%(优选地1.5%至2.5%)的锡(Sn)、3.0%至5.0%(优选地3.5%至4.5%)的锆(Zr)、1.0%至3.0%(优选地1.5%至2.5%)的钼(Mo)和总计0.001%至1.0%(优选地0.01%至0.5%)的一种或多种镧系元素、余量的钛和杂质。因此,钛基合金可被称为Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo合金的变体。
在另一个示例中,本说明书中的α-β钛基合金可包括按重量百分比计5.0%至7.0%(优选地5.5%至6.5%)的铝(Al)、3.0%至5.0%(优选地3.5%至4.5%)的锆(Zr)、0.01%至1.0%(优选地0.25%至0.75%)的铌(Nb)、0.01%至1.5%(优选地0.5%至1.0%)的钼(Mo)、2.0%至4.0%(优选地2.5%至3.5%)的锡(Sn)、0.01%至1.0%(优选地0.1%至0.5%)的硅(Si)和总计0.001%至1.0%(优选地0.01%至0.5%)的一种或多种镧系元素、余量的钛和杂质。因此,钛基合金可被称为Ti-6Al-4Zr-0.5Nb-0.8Mo-3Sn-0.3Si(“VT18Y”)的变体。
在又一个示例中,本说明书中的α-β钛基合金可包括5.0%至7.0%(优选地5.5%至6.5%)的铝(Al)、3.0%至5.0%(优选地3.5%至4.5%)的钒(V)和总计0.001%至1.0%(优选地0.01%至0.5%)的一种或多种镧系元素、余量的钛和杂质。因此,钛基合金可被称为Ti-6Al-4V合金的变体。
在一个方面,钛基合金可为能够被熔化和凝固以产生具有上述成分的部件的起始原料的形式。在一个示例中,起始原料可为具有上述成分的金属丝的形式。在另一个示例中,起始原料可为具有上述成分的粉末颗粒的形式,或者起始原料可为具有不同成分的粉末颗粒的形式,但当这些粉末颗粒组合时该起始原料具有上述成分。
粉末颗粒形式的示例性起始原料可通过任何合适的工艺(例如气体雾化)来生产。在一个示例中,粉末颗粒可由适当的进料在无污染的气氛中生产。进料可以被多次熔化,其中第一熔体由自耗电极、非自耗电极、电子束冷炉床或等离子弧冷炉熔化做法制成,并且随后一种或多种熔体通过使用真空电弧重熔(VAR)做法在真空下制成,其中在最终VAR熔体之前添加合金添加剂。非自耗电极熔化的气氛可以是在小于或等于1000mm汞柱的绝对压力下的真空或氩气和/或氦气。示例性粉末颗粒的尺寸不受限制。在一个示例中,粉末颗粒可被设定尺寸为通过第35号(500μm)筛,其中不超过5重量%通过第325号(45μm)筛(根据ASTM B214测定)。示例性粉末颗粒的密度不受限制。在一个示例中,粉末颗粒的密度可以是根据ASTM B 527测定的60%或更大的热压实密度值。
金属丝形式的示例性起始原料可通过任何合适工艺(例如拉拔)来生产。
在另一方面,钛基合金可为具有上述成分的部件的形式,其中该部件为具有其最终尺寸和形状的净成形部件,或者为可进行后处理以产生具有其最终尺寸和形状的部件的近净成形部件。部件的形状和尺寸不受限制。在一个示例中,该部件为飞行器或航天器的部件。
由钛基合金形成的示例性部件可通过任何合适工艺生产。本说明书中的钛基合金的一个优点是其在凝固过程中形成大晶粒的趋势降低。因此,本说明书中的钛基合金可有利地用于在凝固期间避免大晶粒将是非常有益的制造工艺,诸如增材制造工艺。
如图1所示,本说明书涉及一种用于制造钛基合金部件10的方法,该方法包括提供包含总计0.001重量%至1.0重量%的至少一种镧系元素、余量的钛和杂质的钛基合金起始原料12,以及通过增材制造工艺由钛基合金起始原料形成钛基合金部件14。
在一个方面,增材制造工艺包括将钛基合金加热到钛基合金的熔化温度范围之上或之内。由此,将至少一种镧系元素添加到钛基合金中降低了在从钛基合金的熔化温度范围之上或之内冷却到低于其熔化温度范围的过程中在凝固过程中形成大晶粒的趋势。
用于制造由钛基合金形成的部件的增材制造工艺不受限制。增材制造工艺可包括送粉工艺或送丝工艺,其中粉末或金属丝由钛基合金形成。
在一个示例中,基于粉末的增材制造可包括以下步骤:(i)沉积第一层粉末材料;(ii)至少部分地熔化和凝固第一层粉末材料的第一部分,该第一部分对应于部件的第一区域;(iii)将第二层粉末材料沉积到第一层上;(iv)至少部分地熔化和凝固第二层粉末材料的第二部分,该第二部分对应于部件的第二区域,第一区域和第二区域彼此结合;以及(v)将连续多层粉末材料沉积到先前的层上并且至少部分地熔化和凝固每个连续层的一部分以生产该部件,每个连续层部分对应于该部件的连续区域。
在另一个示例中,基于金属丝的增材制造工艺可包括以下步骤:(i)熔化、沉积和凝固金属丝材料的第一部分以形成部件的第一区域;(ii)熔化、沉积和凝固金属丝材料的第二部分以形成部件的第二区域,第一区域和第二区域彼此结合;(iii)熔化、沉积和凝固金属丝材料的多个连续部分,以将部件的连续区域形成到部件的先前区域上。
示例性的增材制造工艺包括电子束熔化(EBM)、选择性激光熔化(SLM)、选择性激光烧结(SLS)、激光金属成形(LMF)、直接金属激光烧结(DMLS)和直接金属激光熔化(DMLM)。
实验性示例
通过气体保护钨极电弧焊(GTAW)生产四种具有表1所示成分的实验性α-β钛基合金,以确定镧系元素对钛基合金凝固的影响。
表1
镧系元素的添加对所得铸态结构的影响如图2A、图2B和图2C所示。图2A从左至右分别示出铸态条件下第1号、第2号、第3号、第4号合金熔合区的微观结构。图2B示出第1号合金的微观结构的一部分的放大图,并且图2C示出第4号合金的微观结构的一部分的放大图。图2A、图2B和图2C印证了与第1号合金相比,第2号、第3号和第4号合金中镧系元素的添加引起了熔合区中β20的晶粒尺寸的细化,而在第1号合金中,β20的大的细长晶粒在熔合区中可见。
图3A至图3I示出了镧系元素的添加对在900℃下退火60分钟随后空气冷却之后的结构的影响。图3A、图3B和图3C分别示出第1号合金的基底金属、热影响区和熔合区的微观结构。图3D、图3E和图3F分别示出第2号合金的基底金属、热影响区和熔合区的微观结构。图3G、图3H和图3I分别示出第3号合金的基底金属、热影响区和熔合区的微观结构。图3A至图3I印证了β晶粒尺寸在含有镧系元素的钛基合金的熔合区中被细化。
图4A和图4B示出了含有富含镧系元素的金属间颗粒40和金属间颗粒42的微观结构。表2示出对金属间颗粒40和金属间颗粒42的化学成分的分析。
表2
尽管本发明不受理论限制,但据信这些富含镧系元素的金属间颗粒在凝固过程中形成并聚集并且扰乱固/液凝固前沿,并且从而限制高温β相的大晶粒生长,导致在凝固的微观结构中产生更细的晶粒尺寸。
钛基合金和用于制造钛基合金部件的方法的示例可在如图5所示的飞行器制造和使用方法100以及如图6所示的飞行器102的背景下描述。在预生产期间,飞行器制造和使用方法100可包括飞行器102的规格和设计104以及材料采购106。在生产期间,飞行器102的部件/子组件制造108和系统集成110发生。此后,飞行器102可通过认证和交付112以便投入使用114。当由客户使用时,飞行器102被安排用于例行维护和维修116,其还可包括修改、重新配置、翻新等。
方法100的每个过程可由系统集成商、第三方和/或运营商(例如,客户)执行或进行。出于本说明书的目的,系统集成商可包括但不限于任何数量的飞行器制造商和主要系统分包商;第三方可包括但不限于任何数量的供应商、分包商和供货商;并且运营商可为航空公司、租赁公司、军事实体、服务机构等。
所公开的钛基合金和用于制造钛基合金部件的方法可在飞行器制造和使用方法100的阶段中的任何一个或多个期间使用,飞行器制造和使用方法100包括飞行器102的规格和设计104、材料采购106、部件/子组件制造108、系统集成110、认证和交付112、将飞行器投入使用114以及例行维护和维修116。
如图6所示,通过示例性方法100生产的飞行器102可包括机身118以及多个系统120和内部122。多个系统120的示例可包括推进系统124、电气系统126、液压系统128和环境系统130中的一个或多个。可包括任何数量的其他系统。所公开的钛基合金和用于制造钛基合金部件的方法可用于飞行器102中的任何一个系统,飞行器102包括机身118、多个系统120和内部922。
所公开的钛基合金和用于制造钛基合金部件的方法在飞行器的背景下描述;然而,本领域普通技术人员将容易认识到,所公开的钛基合金和用于制造钛基合金部件的方法可用于各种交通工具和非交通工具。例如,本文所描述的实施例的实施方式可在任何类型的交通工具中实施,包括例如直升机、客船、汽车等。
尽管已示出并描述所公开的钛基合金和用于制造钛基合金部件的方法的各种实施例,但本领域技术人员在阅读说明书后可想到进行修改。本申请包括此类修改,并且仅受权利要求的范围限制。
根据本发明的方面,提供一种包含总计0.001重量%至1.0重量%的至少一种镧系元素、余量的钛和杂质的钛基合金。
进一步公开钛基合金,其中该至少一种镧系元素的总量为0.01重量%至0.5重量%。
进一步公开钛基合金,其中该至少一种镧系元素包括Nd、Gd、Dy和Er中的至少一种。
进一步公开钛基合金,其中Nd、Gd、Dy和Er的总量为0.001重量%至1.0重量%。
进一步公开钛基合金,其中Nd、Gd、Dy和Er的总量为0.01重量%至0.5重量%。
进一步公开钛基合金,其中该至少一种镧系元素包括Gd。
进一步公开钛基合金,其中Gd的量为0.001重量%至1.0重量%。
进一步公开钛基合金,其中Gd的量为0.01重量%至0.5重量%。
进一步公开钛基合金,其中钛基合金为α-β钛基合金。
进一步公开钛基合金,其中该至少一种镧系元素的总量为0.01重量%至0.5重量%。
进一步公开钛基合金,其中该至少一种镧系元素包括Nd、Gd、Dy和Er中的至少一种。
进一步公开钛基合金,其中Nd、Gd、Dy和Er的总量为0.001重量%至1.0重量%。
进一步公开钛基合金,其中Nd、Gd、Dy和Er的总量为0.01重量%至0.5重量%。
进一步公开钛基合金,其中该至少一种镧系元素包括Gd。
进一步公开钛基合金,其中Gd的量为0.001重量%至1.0重量%。
进一步公开钛基合金,其中Gd的量为0.01重量%至0.5重量%。
进一步公开钛基合金,其中钛基合金为起始原料的形式。
进一步公开钛基合金,其中起始原料为金属丝或粉末颗粒的形式。
进一步公开钛基合金,其中钛基合金为部件的形式。
进一步公开钛基合金,其中该合金进一步包含附加量的铝(Al)、锆(Zr)、锡(Sn)、氧(O)、钼(Mo)、钒(V)、铌(Nb)、铁(Fe)和铬(Cr)中的至少一种,其中基于它们的铝当量和钼当量值定义所述量,其中铝当量(Al-eq)在0%至7.5%之间,并且钼当量(Mo-eq)在2.7至47.5之间,并且其中Al-eq和Mo-eq定义如下:Al-eq=Al%+Zr%/6+Sn%/3+10*(O%);Mo-eq==Mo%+0.67*V%+0.33*Nb%+2.9*Fe%+1.6*Cr%。
根据本公开的另一方面,提供了一种用于制造钛基合金部件的方法,该方法包含:提供钛基合金起始原料,该起始原料包含总计0.001重量%至1.0重量%的至少一种镧系元素、余量的钛和杂质;以及通过增材制造工艺由钛基合金起始原料形成钛基合金部件。
Claims (7)
1.一种α-β钛基合金,其包含总计0.001重量%至1.0重量%的至少一种镧系元素,
其中所述至少一种镧系元素是钆即Gd,
其中所述合金进一步包括附加量的铝即Al、锆即Zr、锡即Sn、氧即O、钼即Mo、钒即V、铌即Nb、铁即Fe和铬即Cr中的至少一种,其中基于它们的铝当量和钼当量定义所述量,其中所述铝当量即Al-eq在0%至7.5%之间,并且所述钼当量即Mo-eq在2.7%至47.5%之间,并且其中所述Al-eq和Mo-eq定义如下:
Al-eq=Al%+Zr%/6+Sn%/3+10*(O%);
Mo-eq==Mo%+0.67*V%+0.33*Nb%+2.9*Fe%+1.6*Cr%,
其中余量为钛和杂质,
其中所述α-β钛基合金含有富含镧系元素的金属间颗粒。
2.根据权利要求1所述的钛基合金,其中所述钛基合金为起始原料的形式。
3.根据权利要求1所述的钛基合金,其中所述钛基合金为金属丝的形式。
4.根据权利要求1所述的钛基合金,其中所述钛基合金为粉末颗粒的形式。
5.根据权利要求1所述的钛基合金,其中Gd的总量为0.01重量%至0.5重量%。
6.根据权利要求1所述的钛基合金,其中所述钛基合金为交通工具的部件的形式。
7.根据权利要求1所述的钛基合金,所述钛基合金是以下中的一种:
Ti6Al2Sn4Zr0.4Nb0.7Mo0.18Si0.05Gd;
Ti6Al2Sn4Zr0.5Nb0.7Mo0.18Si0.2Gd;以及
Ti6Al2Sn4Zr0.5Nb0.7Mo0.18Si0.1Gd。
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