CN114107618A - 用于混合涡轮电气部件的铁钴层压材料的加工 - Google Patents

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Abstract

提供了用于加工铁钴合金的方法以及由其形成的部件。所述方法可以包括：在预退火温度(例如，约770℃至约805℃)下使铁钴合金片材预退火；此后，从所述片材切割部件；此后，在处理温度(例如，约845℃至约870℃)下使所述部件热处理退火达处理时段(例如，约1分钟至约10分钟)；和此后，在氧化温度下将所述部件暴露于氧以在所述部件的表面上形成隔绝层。

Description

用于混合涡轮电气部件的铁钴层压材料的加工
优先权信息
本申请要求在2020年8月31日提交的美国临时专利申请63/072,416的优先权，其通过引用并入本文用于所有的目的。
技术领域
本公开一般性涉及铁钴(FeCo)磁性合金的加工，得到改进的磁性质。
背景技术
Fe-Co-V合金通常被接受为是在中等高场下需要高磁感应的应用中最好的可商购获得的的合金。已发现，加到2重量%的V不会引起饱和的显著下降，并且又仍能将有序化反应抑制到冷加工可能的程度。然而，采用小于2重量%的钒的常规的Fe-Co-V合金具有不期望的固有的性质。例如，当磁性材料经受大的磁损耗时，磁性材料的能量效率显著劣化。此外，当经受快速电流波动时，常规的Fe-Co-V合金表现出某些不合适的磁性质。此外，当V的百分比超过2重量%时，材料的DC磁性质劣化。
在通常的形式中，与磁性纯铁或磁性硅钢相比，Fe-Co-V软磁性合金的组成在有利的磁性质、强度和电阻率之间表现出平衡。这些类型的合金通常用于需要具有高饱和磁通量密度的磁性材料的装置中。Fe-Co-V合金已经用于需要高饱和磁化的各种应用中，即作为用于飞机中使用的发电机的层压材料和用于高场磁体的极尖。这样的装置通常包括软磁性材料，其化学组成为约48-52重量%的Co、小于约2.0重量%的V、附带的杂质和余量的Fe。
电动机目前提供用于主发动机起动和飞行中的应急动力以及用于正常的辅助动力功能的电力。通常，这样的单元从由磁轴承支撑的轴驱动的开关磁阻起动发电机输出电力。例如，起动发电机可能暴露于其必须在其中起作用的严酷条件和环境，例如，50,000-70,000 rpm的旋转速度和大约500℃的连续操作温度。机器转子和定子可以由层压材料的堆叠组成，每个层压材料大约0.006-0.008英寸厚。转子堆叠可以是大约5英寸长，直径大约4.5英寸，并且定子外径可以是约9英寸。
例如，Hiperco®合金50HS(由Carpenter Technology Corporation生产的合金)是根据ASTM A801合金类型1处理的铁-钴合金，其包括在1300°F至1350°F (即，704.4℃至732.2℃)下热处理达1-2小时。据报道，合金50HS包括(以重量百分比计)48.75%的Co、1.90%的V、0.30%的Nb、0.05%的Mn、0.05%的Si、0.01%的C、余量的Fe。据报道，在1300°F下退火的合金50HS表现出最高的强度，而在1350°F下退火的那些合金产生最低的强度。
在发动机、发电机、磁轴承的开发中，需要考虑在实际使用条件下的机械行为、电损耗和磁性质。对于转子应用，这些条件是温度高于1000°F，并且暴露于频率为500 Hz的2特斯拉的交变磁场，并且转子的夹紧将导致大的压缩轴向负载，而转子的旋转可以产生大约85 ksi的拉伸环向应力。因为涡流损耗与电阻率成反比，电阻率越大，涡流损耗和产生的热越低。记录在1300°F至1350°F的温度下退火1小时的50HS的电阻率数据指示平均室温电阻率为约43微欧姆-厘米。
常规的软磁合金广泛用于高饱和磁化值重要的情况。然而，它们的屈服强度在室温下低，并且强度在高温下甚至更低，使得合金不适合于一些应用，例如用于喷气发动机的磁性部件，所述应用对材料施加高温和离心应力。合金设计对于航空航天应用是关键的，并且当对材料施加磁要求以及高温强度要求时变得甚至更加困难。
因此，需要改进的材料用于航空航天领域，特别是关于Fe-Co-V合金的室温和高温强度以及高电阻率。
附图说明
在参考附图的说明书中阐述了写给本领域普通技术人员的本发明的完整和能够实现的公开，包括其最佳模式，其中：
图1显示用于铁钴合金片材加工的示例性系统；和
图2显示铁钴合金片材加工的示例性方法。
在本说明书和附图中重复使用的附图标记旨在表示本发明的相同或类似的特征或元素。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的实施方案，在附图中说明本发明的一个或多个实例。每个实例通过对本发明的解释而不是对本发明的限制而提供。实际上，对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不背离本发明的范围或精神的情况下，可以对本发明进行各种修改和变化。例如，作为一个实施方案的一部分说明或描述的特征可以与另一个实施方案一起使用，以产生再又一个实施方案。因此，本发明旨在覆盖落入所附权利要求及其等同物的范围内的这样的修改和变化。
在本公开中使用化学元素的常见化学缩写(例如通常在元素周期表中发现的)来讨论它们。例如，氢由其常用化学缩写H表示；氦由其常用化学缩写He表示；等等。
一般性地提供了用于加工铁钴合金的方法。在一个特定的实施方案中，铁钴合金包括(以重量百分比计)约47.5%至约50%的钴(Co)、约1.5%至约2.25%的钒(V)、约0.20%至约0.4%的铌(Nb)、约0.01%至约0.1%的锰(Mn)、约0.01%至约0.1%的硅(Si)、约0.001%至约0.05%的碳(C)和余量的铁(Fe)。例如，在一个特定的实施方案中，铁钴合金包括(以重量百分比计)48.75%的钴(Co)、1.90%的钒(V)、0.30%的铌(Nb)、0.05%的锰(Mn)、0.05%的硅(Si)、0.01%的碳(C)和余量的铁(Fe)。在特定的实施方案中，铁钴材料可以基本上由(例如，可能除了这些组分之外仅包括附带的杂质)约47.5%至约50%的钴(Co)、约1.5%至约2.25%的钒(V)、约0.20%至约0.4%的铌(Nb)、约0.01%至约0.1%的锰(Mn)、约0.01%至约0.1%的硅(Si)、约0.001%至约0.05%的碳(C)和余量的铁(Fe)组成。例如，在一个特定的实施方案中，铁钴合金基本上由(以重量百分比计)48.75%的钴(Co)、1.90%的钒(V)、0.30%的铌(Nb)、0.05%的锰(Mn)、0.05%的硅(Si)、0.01%的碳(C)和余量的铁(Fe)组成。
铁钴合金的性质对加工高度敏感。在一个实施方案中，所述方法可以从铁钴合金片材开始。
通常，铁钴合金的加工方法包括，按顺序，预退火，从片材切割部件，使部件热处理退火，以及将部件暴露于氧。参考图1，一般性显示用于加工铁钴合金片材12的示例性系统10。系统10包括预退火模块14、冷却区域16、切割模块18、热处理退火模块20和氧化模块22。在所示的实施方案中，利用传送带30在顺序过程中携带片材12通过这些模块中的每一个。然而，系统10可以由不是在连续加工系统中而是在另一个模块化系统中的模块形成。
在这些模块的每一个中，可以进行图2的方法。也就是说，方法100可以包括在102处使片材预退火(例如，在图1的预退火模块14内)，在104处冷却片材(例如，在图1的冷却区域16内)，在106处从片材切割部件(例如，在图1的切割模块18内)，在108处使部件热处理退火(例如，在图1的热处理退火模块20内)，以及在110处将部件暴露于氧(例如，在图1的氧化模块22内)。
使铁钴合金片材预退火可以在足以解决未处理的片材内的残余应力的预退火温度下进行。例如，铁钴合金可以是高度各向同性的，并且预退火处理可以释放合金内的预应力。例如，可以将铁钴合金加热到约770℃至约805℃的预退火温度(例如，约780℃至约795℃)。在一个实施方案中，预退火处理可以在包括还原剂(例如氢气)的预退火气氛中进行。例如，预退火气氛可以包括氢和惰性气体(例如，氮气、氦气、氩气和/或其它稀有气体)。
在使片材冷却至室温之前，可以将铁钴合金在预退火气氛下暴露于预退火温度达约1分钟至约10分钟(例如，约1分钟至约5分钟)。不希望受任何特定理论的束缚，据信可以通过简单地撤去对热源的暴露来冷却片材。由于合金为相对薄的片材形式，片材可以快速冷却至室温，而无需任何受控冷却设备或方法。例如，可以将片材以足以根据需要加热和冷却片材的速度传送通过预退火设备，用于在预退火温度下预退火。例如，可以以约45厘米/分钟至约65厘米/分钟的速率将片材传送通过预退火设备。
在使片材预退火之后，可以将片材切割成期望的部件形状。例如，片材可以被激光切割、冲孔或任何其它合适的方法。在一个实施方案中，片材可以被切割成用于电动机的盘。
在切割片材之后，可以任选地使用清洁剂清洁片材以从所有部件表面去除油、油脂、污垢或其它外来物质。特别合适的清洁剂包括但不限于Petroferm Lenium ES、Calsolve 2370、Chem-Crest 2015洗涤剂和Chem-Crest 77防锈剂的水性溶液或等同物。
此后，可以在足以产生所需性质的处理温度下使部件热处理退火。在一个实施方案中，处理温度为约845℃至约870℃(例如，约850℃至约865℃)。在处理温度下使部件热处理退火达处理时段的部件在处理气氛中进行，所述处理气氛可以包括氢。例如，处理气氛可以包括氢和惰性气体(例如，氮气、氦气、氩气和/或其它稀有气体)。
不希望受任何特定理论的束缚，据信在处理气氛中在相对高的温度(高于ASTMA801方法)下热处理达相对短的持续时间(低于ASTM A801方法)得到所需的性质。
在使片材冷却至室温之前，可以将铁钴合金暴露于处理温度达约10分钟或更短(例如约1分钟至约10分钟)，例如约5分钟或更短(例如约1分钟至约5分钟)的处理时段。不希望受任何特定理论的束缚，据信可以通过简单地撤去对热源的暴露来冷却片材。由于合金为相对薄的片材形式，片材可以快速冷却至室温，而无需任何受控冷却设备或方法。例如，可以将片材以足以根据需要加热和冷却片材的速度传送通过热处理设备，用于在处理温度下预退火。例如，可以以约45厘米/分钟至约65厘米/分钟的速率将片材传送通过处理设备。
在热处理之后，可以在氧化温度下将部件暴露于氧以在部件的表面上形成隔绝层。例如，氧化温度可以是约350℃至约370℃。氧化可以在氧化温度下进行约1小时至约4小时(例如，约1.5小时至约3小时)的氧化时段。隔绝层通常包括FeO4形式的铁氧化物作为隔绝层。例如，隔绝层可以从其表面延伸到部件中至其中的深度。氧化气氛中的氧可以由空气提供，尽管可以使用纯氧或其它气体。
所得的铁-钴合金的经热处理的片材具有由该加工得到的几种所需的性质。
本发明的其它方面由以下条款的主题提供：
1. 加工铁钴合金的方法，包括：在预退火温度下使铁钴合金片材预退火，其中所述预退火温度为约770℃至约805℃；此后，从所述片材切割部件；此后，在处理温度下使所述部件热处理退火达约1分钟至约10分钟的处理时段，其中所述处理温度为约845℃至约870℃；和此后，在氧化温度下将所述部件暴露于氧以在所述部件的表面上形成隔绝层。
2. 前述条款中任一项所述的方法，其中所述预退火温度为约780℃至约795℃。
3. 前述条款中任一项所述的方法，其中在所述预退火温度下使所述铁钴合金片材预退火在预退火气氛中进行，并且其中所述预退火气氛包含氢。
4. 前述条款中任一项所述的方法，其中所述预退火气氛由氢和惰性气体组成。
5. 前述条款中任一项所述的方法，其中在所述预退火气氛下将所述片材暴露于所述预退火温度达约1分钟至约10分钟。
6. 前述条款中任一项所述的方法，其中在所述预退火气氛下将所述片材暴露于所述预退火温度达约1分钟至约5分钟。
7. 前述条款中任一项所述的方法，进一步包括：在使所述片材预退火之后并且在切割之前，使所述片材冷却至室温。
8. 前述条款中任一项所述的方法，进一步包括：在切割之后并且在热处理退火之前，用清洁剂清洁所述片材。
9. 前述条款中任一项所述的方法，其中所述处理时段为约1分钟至约5分钟。
10. 前述条款中任一项所述的方法，其中在处理气氛中进行在所述处理温度下使所述部件热处理退火达所述处理时段，并且其中所述处理气氛包含氢。
11. 前述条款中任一项所述的方法，其中所述处理气氛由氢和惰性气体组成。
12. 前述条款中任一项所述的方法，其中所述处理温度为约850℃至约865℃。
13. 前述条款中任一项所述的方法，其中所述氧化温度为约350℃至约370℃。
14. 前述条款中任一项所述的方法，其中在所述氧化温度下将所述部件暴露于氧达约1小时至约4小时的氧化时段。
15. 前述条款中任一项所述的方法，其中所述隔绝层包含FeO4。
16. 前述条款中任一项所述的方法，其中将所述片材传送通过预退火设备用于在所述预退火温度下预退火，其中以约45厘米/分钟至约65厘米/分钟的速率将所述片材传送通过所述预退火设备。
17. 前述条款中任一项所述的方法，其中将所述片材传送通过热处理设备用于在所述处理温度下热处理退火，其中以约45厘米/分钟至约65厘米/分钟的速率将所述片材传送通过所述热处理设备。
18. 铁-钴合金的经热处理的部件，其根据前述条款中任一项所述的方法形成。
本书面描述使用示例性实施方案来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及进行任何结合的方法。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这样的其它实例包括与权利要求的字面语言没有不同的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差异的等同结构要素，则这样的其它实例旨在处于权利要求的范围内。
本公开的非限制性实施方案包括如下：
项目1. 加工铁钴合金的方法，包括：
在预退火温度下使铁钴合金片材预退火，其中所述预退火温度为约770℃至约805℃；
此后，从所述片材切割部件；
此后，在处理温度下使所述部件热处理退火达约1分钟至约10分钟的处理时段，其中所述处理温度为约845℃至约870℃；和
此后，在氧化温度下将所述部件暴露于氧以在所述部件的表面上形成隔绝层。
项目2. 项目1所述的方法，其中所述预退火温度为约780℃至约795℃。
项目3. 项目1所述的方法，其中在所述预退火温度下使所述铁钴合金片材预退火在预退火气氛中进行，并且其中所述预退火气氛包含氢。
项目4. 项目3所述的方法，其中所述预退火气氛由氢和惰性气体组成。
项目5. 项目3所述的方法，其中在所述预退火气氛下将所述片材暴露于所述预退火温度达约1分钟至约10分钟。
项目6. 项目3所述的方法，其中在所述预退火气氛下将所述片材暴露于所述预退火温度达约1分钟至约5分钟。
项目7. 项目1所述的方法，进一步包括：
在使所述片材预退火之后并且在切割之前，使所述片材冷却至室温。
项目8. 项目1所述的方法，进一步包括：
在切割之后并且在热处理退火之前，用清洁剂清洁所述片材。
项目9. 项目1所述的方法，其中所述处理时段为约1分钟至约5分钟。
项目10. 项目1所述的方法，其中在处理气氛中进行在所述处理温度下使所述部件热处理退火达所述处理时段，并且其中所述处理气氛包含氢。
项目11. 项目10所述的方法，其中所述处理气氛由氢和惰性气体组成。
项目12. 项目1所述的方法，其中所述处理温度为约850℃至约865℃。
项目13. 项目1所述的方法，其中所述氧化温度为约350℃至约370℃。
项目14. 项目1所述的方法，其中在所述氧化温度下将所述部件暴露于氧达约1小时至约4小时的氧化时段。
项目15. 项目1所述的方法，其中所述隔绝层包含FeO4。
项目16. 项目1所述的方法，其中将所述片材传送通过预退火设备用于在所述预退火温度下预退火，其中以约45厘米/分钟至约65厘米/分钟的速率将所述片材传送通过所述预退火设备。
项目17. 项目1所述的方法，其中将所述片材传送通过热处理设备用于在所述处理温度下热处理退火，其中以约45厘米/分钟至约65厘米/分钟的速率将所述片材传送通过所述热处理设备。
项目18. 铁-钴合金的经热处理的部件，其根据项目1所述的方法形成。

Claims (10)

1.加工铁钴合金的方法，包括：
在预退火温度下使铁钴合金片材预退火，其中所述预退火温度为约770℃至约805℃；
此后，从所述片材切割部件；
此后，在处理温度下使所述部件热处理退火达约1分钟至约10分钟的处理时段，其中所述处理温度为约845℃至约870℃；和
此后，在氧化温度下将所述部件暴露于氧以在所述部件的表面上形成隔绝层。
2.权利要求1所述的方法，其中所述预退火温度为约780℃至约795℃。
3.权利要求1所述的方法，其中在所述预退火温度下使所述铁钴合金片材预退火在预退火气氛中进行，并且其中所述预退火气氛包含氢。
4.权利要求3所述的方法，其中所述预退火气氛由氢和惰性气体组成。
5.权利要求3所述的方法，其中在所述预退火气氛下将所述片材暴露于所述预退火温度达约1分钟至约10分钟。
6.权利要求3所述的方法，其中在所述预退火气氛下将所述片材暴露于所述预退火温度达约1分钟至约5分钟。
7.权利要求1所述的方法，进一步包括：
在使所述片材预退火之后并且在切割之前，使所述片材冷却至室温。
8.权利要求1所述的方法，进一步包括：
在切割之后并且在热处理退火之前，用清洁剂清洁所述片材。
9.权利要求1所述的方法，其中所述处理时段为约1分钟至约5分钟。
10.权利要求1所述的方法，其中在处理气氛中进行在所述处理温度下使所述部件热处理退火达所述处理时段，并且其中所述处理气氛包含氢。
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