CN113727792A - TiAl合金部件的制造方法及TiAl合金部件的制造系统 - Google Patents

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Abstract

一种TiAl合金部件的制造方法及TiAl合金部件的制造系统。TiAl合金部件的制造方法具有：成型步骤(S10)，层积固化体而成型出层积体，所述固化体是通过向TiAl合金的粉末照射束而使所述粉末熔融固化或烧结而成的；热处理步骤(S12)，以向α相的相转变开始的温度以上的设定温度加热层积体而生成TiAl合金部件。根据该TiAl合金部件的制造方法，能够在抑制高温特性下降的同时容易地成型TiAl合金部件。

Description

TiAl合金部件的制造方法及TiAl合金部件的制造系统
技术领域
本发明涉及TiAl合金部件的制造方法及TiAl合金部件的制造系统。
背景技术
TiAl合金是接合了Ti(钛)和Al(铝)而构成的合金(金属间化合物)，由于轻量且高温下的强度高，所以适用于发动机及航空宇宙设备的高温用构造件等。在专利文献1中记载了将TiAl合金机械加工而制造涡轮的动翼。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：(日本)特开2002-356729号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
但是，TiAl合金由于机械加工性不高，故而具有难以成型的情况。另外，TiAl合金由于具有在高温下使用的情况，故而希望抑制在高温下的特性降低。因此，期望抑制高温特性的降低并且容易地成型TiAl合金部件。
本发明的目的在于解决上述技术问题，提供一种TiAl合金部件的制造方法及TiAl合金部件的制造系统，抑制高温特性的降低，并且能够容易地制造TiAl合金部件。
用于解决技术问题的技术手段
为了解决上述课题并实现目的，本发明的TiAl合金部件的制造方法具有：成型步骤，层积固化体而成型出层积体，所述固化体是通过向TiAl合金的粉末照射束而使所述粉末熔融固化或烧结而成的；热处理步骤，以向α相的相转变开始的温度以上的设定温度加热所述层积体而生成TiAl合金部件。
根据该制造方法，能够适当地成为层片组织，因此能够在抑制高温特性降低的同时，容易地成型TiAl合金部件。
在所述热处理步骤中，优选的是，将所述设定温度设定为所述层积体成为α相单相的温度。根据该制造方法，能够更好地抑制TiAl合金部件的高温特性的降低。
在所述热处理步骤中，优选将所述设定温度设为1300℃以上且1500℃以下。根据该制造方法，能够更好地抑制TiAl合金部件的高温特性的降低。
优选的是，还具有对已加热的所述层积体冷却的冷却步骤。根据该制造方法，能够更好地抑制TiAl合金部件的高温特性的降低。
优选的是，在所述成型步骤中，优选向所述粉末照射电子束作为所述束。根据该制造方法，能够更好地抑制TiAl合金部件的高温特性的降低。
为了解决上述课题并实现目的，本发明的TiAl合金部件的制造系统具有：成型装置，其层积固化体而成型出层积体，所述固化体是通过向TiAl基合金的粉末照射束而使所述粉末熔融固化或烧结而成的；热处理装置，其以向α相的相转变开始的温度以上的设定温度加热所述层积体而生成TiAl合金部件。
根据本发明，能够在抑制高温特性降低的同时，容易地成型TiAl合金部件。
附图说明
图1是表示本实施方式的TiAl合金部件的制造系统的构成的框图。
图2是本实施方式的成型装置的示意图。
图3是本实施方式的控制部的示意性框图。
图4是本实施方式的热处理装置的示意图。
图5是表示TiAl合金部件的状态图的一例的示意图。
图6是说明本实施方式的TiAl合金部件的制造流程的流程图。
图7是表示实施例1的TiAl合金部件的内部组织的拍摄照片的图。
图8是表示实施例1的TiAl合金部件的内部组织的拍摄照片的图。
图9是表示实施例2的TiAl合金部件的内部组织的拍摄照片的图。
图10是表示实施例和比较例中的每个温度下的拉伸强度的测定结果的图。
具体实施方式
以下参照附图详细说明本发明的优选实施方式。另外，本发明不受该实施方式的限定，另外，在有多个实施方式的情况下，也包括组合各实施方式而构成的结构。
图1是表示本实施方式的TiAl合金部件的制造系统的构成的框图。本实施方式的制造系统1是用于执行TiAl合金部件的制造方法的系统。本实施方式中的TiAl合金部件是Ti和Al结合的合金，进一步说，是Ti和Al结合的金属间化合物(例如TiAl、Ti3Al、Al3Ti等)。
本实施方式中的TiAl合金部件可以采用Al包含38～47原子％、剩余部分为Ti及不可避免杂质的材料。另外，作为TiAl合金部件，例如可以使用Al包含38～45原子％、Mn包含3～10原子％、剩余部分为Ti及不可避免杂质的材料。另外，作为TiAl合金部件，例如也可以采用Al包含38～45原子％、Cr或V中的一种以上包含3～10原子％、剩余部分为Ti及不可避免杂质的材料。此外，对于上述示例组成的TiAl合金部件，还可以有1～2.5原子％的Nb、0.2～1.0原子％的Mo、W、Zr中的1种以上、0.1～0.4原子％的C、0.2～1.0原子％的Si、Ni、Ta中的1种以上中的至少一个。
如图1所示，制造系统1具有成型装置2和热处理装置4。成型装置2是执行本实施方式的成型步骤的装置，由TiAl合金部件的粉末即粉末P成型作为TiAl合金部件的立体造型物的层积体L。热处理装置4是执行本实施方式的热处理步骤的装置，对层积体L进行热处理，生成热处理后的TiAl合金部件即部件M。这样，由于部件M是对由粉末P成型的层积体L进行热处理而制造的，故而部件M、层积体L和粉末P可以说是上述说明的组成的TiAl合金部件。制造系统1作为部件M，例如制造飞机用发动机的低压涡轮的动翼、汽车用涡轮增压器的涡轮轮毂等。但是，部件M不限于这些动翼和涡轮轮毂，可以用于任意用途。
图2是本实施方式的成型装置的示意图。本实施方式的成型装置2反复生成将束B照射到粉末P上使粉末P熔融固化或烧结的固化体，从而形成层积有固化体的层积体L。如图2所示，成型装置2具有成型室10、粉末供给部12、刮片14、照射源部16、照射部18和控制部20。成型装置2在控制部20的控制下，从粉末供给部12向成型室10内供给粉末P，对向成型室10内供给的粉末P照射来自照射源部16和照射部18的束B，从而使粉末P熔融凝固或烧结，形成层积体L。以下，将从竖直方向上方朝向竖直方向下方的方向设为方向Z1，将与方向Z1相反的方向即从竖直方向下方朝向竖直方向上方的方向设为方向Z2。
成型室10具有壳体30、工作台32和移动机构34。壳体30是上侧即方向Z2侧开放的壳体。工作台32被配置在壳体30内，被壳体30包围。工作台32构成为在壳体30内可向方向Z1及方向Z2移动。由工作台32的上表面和壳体30的内周面包围的空间R成为提供粉末P的空间R。移动机构34连接到工作台32。移动机构34在控制部20的控制下，使工作台32沿垂直方向即方向Z1和方向Z2移动。
粉末供给部12是在内部存储粉末P的机构。粉末供给部12通过控制部20控制粉末P的供给，并且通过控制部20的控制，从供给口12A向工作台32上的空间R供给粉末P。刮片14是水平地刮匀(滑动)供给到空间R的粉末P的滑动刮片。刮片14由控制器20控制。
照射源部16是束B的照射源。束B是并进的粒子或波的集合，在本实施方式中是电子束。并且，在本实施方式中，照射源部16是钨丝。其中，束B只要是烧结或熔融粉末P的束，则不限于电子束，照射源部16只要能够照射束B，则可以是任意的。例如，束B可以是激光。
照射部18设置在成型室10的上方，即方向Z2侧。照射部18是使来自照射源部16的束B向成型室10照射的机构。照射部18例如具有散光透镜、会聚透镜以及偏转透镜等光学元件。另外，照射部18例如具有通过控制部20控制而能够扫描束B的扫描机构，通过在扫描的同时将来自照射源部16的束B照射到成型室10，将束照射到铺在工作台32上的粉末P的特定位置。粉末P在照射束B的位置熔融固化(熔融后固化)或烧结。
图3是本实施方式的控制部的示意框图。控制单元20例如是计算机，并具有由CPU(Central Processing Unit：中央处理器)等构成的运算处理装置和存储部。如图2所示，控制部20具有粉末控制部40、照射控制部42和移动控制部44。粉末控制部40、照射控制部42和移动控制部44通过控制部20从存储部读出程序来实现，执行各自的处理。但是，粉末控制部40、照射控制部42和移动控制部44也可以分别是独立的硬件。
粉末控制部40控制向工作台32的粉末P的供给。粉末控制部40例如控制粉末供给部12，将粉末P供给到降低了移动距离H的工作台32上。然后，粉末控制单元40控制刮片14，利用刮片14刮扫工作台32上的粉末P。
照射控制部42控制束B对工作台32上的粉末P的照射。照射控制部42例如读取存储部中存储的三维数据，基于该三维数据设定束B的扫描路径，控制照射部18，以在设定的扫描路径上照射束B。
移动控制部44控制移动机构34使工作台32移动。在通过向粉末P照射束B而形成了固化体A之后，移动控制部44使工作台32向方向Z1侧移动移动距离H。
成型装置2构成为以上的结构。成型装置2通过由粉末控制部40控制的粉末供给部12向工作台32供给粉末P，通过由照射控制部42控制的照射源部16和照射部18，向工作台32上的粉末P照射束B。粉末P中被束B照射的部位烧结或熔融固化，成为固化体A。在形成了固化体A之后，成型装置2通过由移动控制部44控制的移动机构34使工作台32向方向Z1侧移动移动距离H。然后，成型装置2通过粉末供给部12向工作台32即固化体A上供给粉末P，通过照射源部16和照射部18向工作台32上的粉末P照射束B。由此，在固化体A上层积其他的固化体A。由于层积了固化体A，故而成型装置2使工作台32向方向Z1侧移动移动距离H，反复进行同样的处理。成型装置2通过重复该处理，将固化体A层积而形成层积体L。
另外，成型装置2也可以在使粉末P熔融固化或烧结之前，即在生成固化体之前，加热成为固化体的粉末P周围的粉末P，预热成为固体体的粉末P周围的粉末P。成型装置2也可以在生成固化体时继续将成为固化体的粉末P的周围的粉末P加热。
这样，成型装置2是每当工作台32下降时，反复供给粉末P和照射束B的粉床式的成型装置。但是，成型装置2只要是层积使粉末P固化的固化体而形成层积体L的装置即可，不限于粉床方式的成型装置。例如，成型装置2也可以滴下通过束B的照射而熔融的粉末P来形成层积体L。
为了适当地生成例如后述的近层片组织L，优选如下地设定成型装置2的层积体L的成型条件。例如，优选将为了照射束B而施加到照射源部16的能量密度设定为5.0J/mm3以上且50J/mm3以下，优选将为了照射束B而施加到照射源部16的施加电压设定为50kV以上且70kV以下。另外，将对准粉末P的位置处的束B的照射点直径设为50μm以上且200μm以下。另外，优选使束B的扫描速度在0.1m/s以上且5.0m/s以下。另外，优选将对成为固体的粉末P周围的粉末P加热的加热温度设定为相对于粉末P的熔点0.5倍以上且0.8倍以下。
接着，说明热处理装置4。图4是本实施方式的热处理装置的示意图。热处理装置4是对由成型装置2制造的层积体L进行加热的装置。如图4所示，热处理装置4具有加热室50和加热部52。加热室50是收纳层积体L的容器或房间。加热部52是将加热室50内加热到规定温度的热源。
热处理装置4在加热室50内收纳有层积体L的状态下，通过加热部52将加热室50内加热到设定温度T，使加热到设定温度T的状态保持规定时间。由此，层积体L在设定温度T下加热规定时间。在设定温度T加热了规定时间后，通过冷却层积体L，生成部件M。即，部件M可以是在设定温度T热处理后冷却的层积体L。
在本实施方式中，设定温度T处于作为TiAl合金部件的层积体L成为α单相温度即单相温度的范围内。单相温度也可以说是层积体L成为包含α相但不包含α相以外的相(在本实施方式中为后述的α2相、β相、γ相、L相)的温度范围。但是，设定温度T不限于单相温度的范围内，也可以是转变开始温度以上的温度，比熔点温度低的温度。转变开始温度是指在作为TiAl合金部件的层积体L中向α相的相转变开始的温度。熔点温度是作为TiAl合金部件的层积体L的熔点。另外，优选保持设为设定温度T的状态的规定时间在0.5小时以上且10小时以下。另外，以设定温度T加热后的层积体L的冷却通过自然冷却冷却至常温来进行，但不限于此，例如也可以通过保持在比设定温度T低的规定温度来冷却。
以下，使用状态图来说明设定温度T。图5是表示TiAl合金部件的状态图的一例的示意图。图5是TiAl合金部件的状态图的一例，横轴是Al的浓度，即含量(原子％)，纵轴是TiAl合金部件的温度。
如图5所示，TiAl合金部件根据Al的含量和TiAl合金部件的温度而金属相变化。图5的区域R1为TiAl合金部件成为包含α2相(Ti3Al的最密立方晶体)和γ相(TiAl的面心立方晶体)的构成的区域。区域R2是与相对于区域R1增加了Al的含量的位置对应的区域。区域R2为TiAl合金部件成为γ相单相的区域。区域R3是与相对于区域R1增加了TiAl合金部件的温度的位置对应的区域。区域R3为TiAl合金部件包含α相(Ti单体的最密立方晶体)和γ相的构成的区域。区域R4是相对于区域R1增加了TiAl合金部件的温度的位置，是与相对于区域R3降低了Al的含量的位置对应的区域。区域R4为TiAl合金部件为α相单相的区域。
区域R5是与相对于区域R4增加了TiAl合金部件的温度的位置对应的区域。区域R5为TiAl合金部件成为包含α相和β相(Ti的体心立方晶)的构成的区域。区域R6是与相对于区域R5增加了TiAl合金部件的温度的位置对应的区域。区域R6为TiAl合金部件是β相单相的区域。区域R7是与相对于区域R3增加了TiAl合金部件的温度的位置对应的区域。区域R7为TiAl合金部件γ是包含γ相和L相(液相)的构成的区域。区域R8是与相对于区域R5、R6、R7、R8增加了TiAl合金部件的温度的位置对应的区域。区域R8为TiAl合金部件β是包含β相和L相(液相)的构成的区域。区域R9是与相对于区域R7、R8增加了TiAl合金部件的温度的位置对应的区域。区域R9是TiAl合金部件成为L相单相的区域。
这样，区域R4是α相单相区域。因此，包围区域R4的线，即区域R4和其他区域的边界线表示每个Al浓度的单相温度的上下限值。换句话说，单相温度可以说是区域R4的范围内的温度。因此，在本实施方式中，设置温度T为区域R4中的温度。本实施方式的一例的层积体L的Al含量是46原子％，一例中的设定温度T是Al含量在46原子％的区域R4的下限值即1300℃以上，Al含量在46原子％的区域R4的上限值即1500℃以下。此外，例如也可以将设定温度T设为1350℃。
热处理装置4在以设定在区域R4的范围内的设定温度T对层积体L加热后冷却至常温。因此，层积体L如图5的箭头标记A1所示那样冷却。
另外，如上所述，设置温度T可以是转变开始温度以上且比熔点温度低的温度。在此，区域R3、区域R4和区域R5是指包含α相的领域。将区域R3、区域R4和区域R5相加后的区域与比该区域更靠近低温侧的区域之间的边界线设为线L1。在这种情况下，当线L1的温度超过该温度时，线L1能够表示开始向α相的相转变的边界线。也就是说，线L1表示每个Al浓度的转变开始温度。另外，区域R7和区域R8是包含L相的区域。将区域R7与区域R8相加后的区域与比该区域更低温侧的区域的边界线设为线L2。在这种情况下，线L2能够表示当温度超过该温度时开始熔化并且开始向L相的相转变的边界。即，线L2表示每个Al浓度的熔点温度。因此，设定温度T可以是线L1以上且线L2以下的温度。
另外，图5是Ti和Al的二维状态图，所以TiAl合金部件的状态图由于含有其他金属元素而有时与图5不同。但是，不管是哪个状态图，设定温度T只要在转变开始温度以上且低于熔点温度即可，优选在α相单相的区域R4的范围内。
这样，本实施方式的制造系统1通过成型装置2成型出TiAl合金部件的层积体L，通过热处理装置4以设定温度T对层积体L进行热处理，由此制造TiAl合金部件的部件M。制造系统1通过成型装置2从粉末P成型层积体L，因此能够容易地将难以进行机械加工的TiAl合金部件成型为所希望的形状。另外，制造系统1通过成型装置2成型TiAl合金部件的层积体L，通过将层积体L适当地形成为近层片组织，在设定温度T下对作为近层片组织的层积体L进行热处理，能够将部件M适当地形成为层片组织。即，制造系统1在利用成型装置2形成了近层片组织后，将近层片组织的层积体L在包含α相的设定温度T下进行热处理，由此能够很好地形成层片组织。这里，所谓的层片组织，是指配向整齐的线状组织，所谓的近层片组织是指层片组织和少量的γ相构成的组织。层片组织的强度高，且在高温下的强度降低少。因此，本实施方式的制造系统1通过这样经由近层片组织进行热处理，能够适当地形成层片组织，抑制强度的降低。
接着，说明本实施方式中的部件M的制造方法的流程。图6是说明本实施方式的TiAl合金部件的制造流程的流程图。如图6所示，制造系统1利用成型装置2层积将束B照射到粉末P上而固化的固化体而形成层积体L(步骤S10；成型步骤)。当层积体L成型后，制造系统1利用热处理装置4以设定温度T加热层积体L(步骤S12；热处理步骤)，对加热后的层积体L冷却(步骤S14；冷却步骤)，制造TiAl合金部件的部件M。
如上所述，本实施方式的TiAl合金部件的制造方法包括成型步骤和热处理步骤。在成型步骤中，通过向TiAl合金的粉末P照射束B，将粉末P熔融凝固或烧结后的固体层积而形成层积体L。在热处理步骤中，将层积体L在向α相的转变开始温度以上的设定温度T下加热，生成TiAl合金部件的部件M。另外，该TiAl合金部件的制造方法也可以由制造系统1执行，成型装置2执行成型步骤，热处理装置4执行热处理步骤。
本实施方式的TiAl合金部件的制造方法是，通过层积将粉末P熔融凝固或烧结后的固化体，形成层积体L。因此，根据该制造方法，能够将难以进行机械加工的TiAl合金部件容易地成型为所希望的形状。另外，根据该制造方法，能够将层积体L适当地形成为近层片组织，进而通过利用设定温度T对该层积体L进行热处理，能够将部件M适当地形成为层片组织。因此，根据该制造方法，能够在抑制高温特性降低的同时，容易地成型TiAl合金部件。
另外，本实施方式的TiAl合金部件的制造方法是，在热处理步骤中，将设定温度T设定为层积体L成为α相单相的单相温度。根据该制造方法，通过在α相单相的单相温度下对近层片组织的层积体Lα进行热处理，可以使部件M更好地成为层片组织。因此，根据该制造方法，能够更好地抑制TiAl合金部件的高温特性的降低。
另外，本实施方式的TiAl合金部件的制造方法在热处理步骤中，将设定温度T设定在1300℃以上且1500℃以下。根据该制造方法，能够对层积体L在α相单相温度下进行热处理，所以能够更好地抑制TiAl合金部件的高温特性的降低。
另外，本实施方式的TiAl合金部件的制造方法还具有冷却加热后的层积体L的冷却步骤。根据该制造方法，通过冷却在设定温度T下进行了热处理后的层积体L而生成部件M，由此能够很好地生成层片组织，能够很好地抑制TiAl合金部件的高温特性的降低。
另外，本实施方式的TiAl合金部件的制造方法在成型步骤中，将电子束作为束B照射到粉末P上。根据该制造方法，由于通过电子束使粉末P熔融，能够很好地成型近层片组织的层积体L，能够很好地抑制TiAl合金部件的高温特性的降低。
(实施例)
接着，对本实施方式的实施例进行说明。在实施例中，使用ARCAM公司生产的EBM(Electron Beam Melting)方式的成型装置，在接下来的成型条件下对层积体进行成型。即，作为成型条件，将加热成为固体的粉末P周围的粉末P的加热温度设为1060℃，将施加到照射源部16的施加电流设为0.5mA以上且2.5mA以下，将施加到照射源部16的施加电压设为60kV，将在粉末P的位置的束B的照射点直径设为15μm，将移动距离H设为90μm，将束B的扫描速度设为0.1m/s以上且7.6m/s以下。另外，粉末P采用了Al含有46.4原子％，Nb含有6.36原子％，Cr含有0.57原子％，O含有0.07原子％，剩余部分为Ti的粉末。粉末P使用通过激光衍射·散射法求出的粒度分布在45μm以上且150μm以下，由激光衍射·散射法求出的平均粒径为100μm的粉末。对于在这样的条件下层积而成的层积体，在实施例1中，设定温度T为1300℃进行1小时热处理，制造TiAl合金部件。
图7和图8是表示实施例1的TiAl合金部件的内部组织的拍摄照片的图。图7是成型后热处理前的TiAl合金部件的照片。如图7所示可知，实施例1的TiAl合金部件、即层积体通过成型装置的成型形成了近层片组织。图8是热处理后的TiAl合金部件的照片。如图8所示，实施例1的TiAl合金部件通过热处理形成层片组织。
图9是表示实施例2的TiAl合金部件的内部组织的拍摄照片的图。作为实施例2，对以与实施例1相同的条件成型的层积体，将设定温度T设为1350℃进行1小时热处理，制造TiAl合金部件。图9是热处理后的TiAl合金部件的照片。如图9所示可知，实施例2的TiAl合金部件也通过热处理形成层片组织。
另外，对于实施例1的TiAl合金部件和比较例的TiAl合金部件，在每个温度下测定了拉伸强度。比较例中的TiAl合金部件是在铸造并成型了TiAl合金部件的内铸模之后，在1370℃下进行了1.0小时的热处理。
图10是表示实施例和比较例中的每个温度的拉伸强度的测量结果的图表。图10的横轴是TiAl合金部件的温度，纵轴是拉伸强度。图10的线L3是实施例1的条件下的热处理后的TiAl合金部件的拉伸强度，线L4是在实施例1的条件下的成型后且热处理前的TiAl合金部件的拉伸强度，线L5是在比较例的条件下热处理后的TiAl合金部件的拉伸强度。如线L3和线L4所示可知，通过在设定温度T下进行热处理，特别抑制了高温下的强度降低。另外，如线L3和线L5所示可知，与铸造相比，由粉末P成型的部件强度更高。
以上对本发明的实施方式进行了说明，但实施方式不受该实施方式的内容限制。另外，上述的构成要素包括本领域技术人员能够容易想到的、实质上相同的、即所谓的均等范围的构成要素。此外，上述构成要素可以适当地组合。此外，可以在不脱离上述实施方式的主旨的范围内进行构成要素的各种省略、置换或变更。
附图标记说明
1：制造系统
2：成型装置
4：热处理装置
10：成型室
12：粉末供给部
14：刮片
16：照射源部
18：照射部
20：控制部
50：加热室
52：加热部
B：束
L：层积体
M：部件
P：粉末
T：设定温度

Claims (6)

1.一种TiAl合金部件的制造方法，其中，具有：
成型步骤，层积固化体而成型出层积体，所述固化体是通过向TiAl合金的粉末照射束而使所述粉末熔融固化或烧结而成的；
热处理步骤，以向α相的相转变开始的温度以上的设定温度加热所述层积体而生成TiAl合金部件。
2.如权利要求1所述的TiAl合金部件的制造方法，其中，
在所述热处理步骤中，将所述设定温度设定为所述层积体成为α相单相的温度。
3.如权利要求2所述的TiAl合金部件的制造方法，其中，
在所述热处理工序中，将所述设定温度设为1300℃以上且1500℃以下。
4.如权利要求1～3中任一项所述的TiAl合金部件的制造方法，其中，还具有对已加热的所述层积体冷却的冷却步骤。
5.如权利要求1～4中任一项所述的TiAl合金部件的制造方法，其中，
在所述成型步骤中，向所述粉末照射电子束作为所述束。
6.一种TiAl合金部件的制造系统，其中，具有：
成型装置，其层积固化体而成型出层积体，所述固化体是通过向TiAl基合金的粉末照射束而使所述粉末熔融固化或烧结而成的；
热处理装置，其以向α相的相转变开始的温度以上的设定温度加热所述层积体而生成TiAl合金部件。
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