JP2015526625A - 基板上にチタン合金を塗布する方法 - Google Patents
基板上にチタン合金を塗布する方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2015526625A JP2015526625A JP2015512602A JP2015512602A JP2015526625A JP 2015526625 A JP2015526625 A JP 2015526625A JP 2015512602 A JP2015512602 A JP 2015512602A JP 2015512602 A JP2015512602 A JP 2015512602A JP 2015526625 A JP2015526625 A JP 2015526625A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- titanium alloy
- substrate
- welding
- melting
- boron
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C14/00—Alloys based on titanium
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
- C23C24/08—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat
- C23C24/10—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat with intermediate formation of a liquid phase in the layer
- C23C24/103—Coating with metallic material, i.e. metals or metal alloys, optionally comprising hard particles, e.g. oxides, carbides or nitrides
- C23C24/106—Coating with metal alloys or metal elements only
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
- C23C4/04—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the coating material
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K15/00—Electron-beam welding or cutting
- B23K15/0046—Welding
- B23K15/0086—Welding welding for purposes other than joining, e.g. built-up welding
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K9/00—Arc welding or cutting
- B23K9/04—Welding for other purposes than joining, e.g. built-up welding
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
- C23C14/14—Metallic material, boron or silicon
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
- C23C16/06—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of metallic material
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
- C23C24/08—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat
- C23C24/10—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat with intermediate formation of a liquid phase in the layer
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C26/00—Coating not provided for in groups C23C2/00 - C23C24/00
- C23C26/02—Coating not provided for in groups C23C2/00 - C23C24/00 applying molten material to the substrate
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
- F01D25/005—Selecting particular materials
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Welding Or Cutting Using Electron Beams (AREA)
- Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
- Laser Beam Processing (AREA)
- Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)
- Powder Metallurgy (AREA)
Abstract
本発明は、基板(18)上にチタン合金を塗布する方法であって、前記基板(18)上に前記チタン合金を溶融、溶接又は蒸着させ、前記チタン合金を凝固させるステップを含む方法において、前記基板(18)上に前記チタン合金を溶融、溶接又は蒸着させる前記ステップの前か途中に前記チタン合金に0.01〜0.4重量%のホウ素を追加するステップを含むことを特徴とする。【選択図】図3
Description
本発明は、溶接、溶融、又は金属蒸着によって基板上にチタン合金を塗布する方法に関する。本発明はまた、かかる方法を用いて塗布されたチタン合金からなる構成要素に関する。本発明は更に、かかる構成要素を少なくとも1つ備えるガスタービンエンジンに関する。本発明は更に、該チタン合金の利用法及び該チタン合金からなる充填剤を含む。
溶接又は金属蒸着は、新たな構成要素の製造、既存の構成要素への材料の追加、製造中に損傷した構成要素の修理(例えば、成形プロセス中に生じたり、誤った機械加工によって引き起こされたりする欠陥の修理)、及び使用中に損傷した構成要素の修理に用いられる方法である。
溶接又は金属蒸着は、構成要素の製造や、耐酸化性、耐食性、耐粒子浸食性、耐熱性及び/又は耐摩耗性が向上した金属コーティングの塗布に用いてもよい。そのような構成要素又は金属コーティングが、ガスタービンエンジン内で直面するような、構成要素が長時間800℃を超える酸化雰囲気及び温度にさらされることがある侵食環境で使用される場合、構成要素/金属コーティングは、時間と共に脆くなったり、熱サイクル及び金属疲労によって割れたりすることが、例えばタービンエンジンが稼働及び稼働停止するときに起こることがある。
チタン合金は、それらの高温比強度が高く、耐食性及び耐酸化性が優れ、耐クリープ性が良好であるため、様々な航空宇宙用途に使用される。Ti−6Al−4Vは、大部分の航空宇宙推進システムに使用される。しかしながら、蒸着したTi−6Al−4V材料は、一般的に数ミリメートル程度の粗粒径を有しており、そのことが蒸着したTi−6Al−4V材料の機械的特性に悪影響を与える。
特許文献1は、強化金属マトリックス複合材及び粉末材料を成形してかかる複合材を形成する方法に関する。製造品は、レーザ製造プロセスによって層状に形成される。そのプロセスでは、粉末を溶融、冷却して不連続強化金属マトリックスの連続層を形成する。このマトリックスは、未強化金属と比べて、高い引張係数、高い強度、大きい硬度など、特性が向上した微粒子構造を呈する。In−situ合金粉末、粉末冶金混合物、又は単独で用意された粉末は、0〜35重量%、より好ましくは約0.5〜10重量%のホウ素、及び/又は0〜20重量%の炭素、より好ましくは約0.5〜5重量%の炭素で補強されて、複合材を形成する。
しかしながら、航空宇宙用途では、例えば、複合材料は金属よりも延性が小さいので、複合材料の特性よりも金属の特性を有する材料を塗布することが有利である。
本発明の目的は、基板上にチタン合金を塗布する改良方法を提供することである。本方法は、基板上にチタン合金を溶融、溶接又は蒸着させ、蒸着、溶接又は溶融したチタン合金を凝固させるステップを含む。本方法はまた、基板上にチタン合金を溶融、溶接又は蒸着させるステップの前か途中にチタン合金に0.01〜0.4重量%のホウ素を追加するステップを含む。
チタン合金に0.01〜0.4重量%のホウ素を追加することにより、ホウ素を含んでいないチタン合金の粒子の粒径と比べて、チタン合金の粒径が実質的に低下することがわかっている。ここでの粒径はベータ粒径を指し、これらの粒子のサイズは長さが数ミリメートルであってよい。また、チタン合金にホウ素を追加することによって小さな粒径が得られることにより、ホウ素を含んでいないチタン合金の強度、硬度及びヤング率と比べて、強度、硬度及びヤング率が向上することもわかっている。溶接及び金属蒸着は、言い換えれば、材料を溶融させた後に凝固させることを含み、その間に小さなTi2B粒子が形成し、冷却中の粒成長を抑制することになる。
チタン合金中のホウ素の溶解度は、極めて限られている。例えば、その溶解限度は、チタン合金Ti−6Al−4V中、0.04重量%未満のホウ素である。これは、凝固中、過剰ホウ素(チタンに溶解することができないホウ素の量)がベータ粒界に不均一に沈殿し、更なる冷却中のベータ粒子の更なる粒成長を抑制することになることを意味している。ホウ素沈殿物自体は本質的に脆く、これらの沈殿物の量が何らかの航空宇宙エンジン用途にとって有害となるであろう臨界量を超えた時に材料の破壊靭性及び延性を劣化させることになる。しかしながら、これらのTi2B沈殿物の量が非常に少なければ、本発明者らが最大0.4重量%のホウ素を追加した鋳造Ti−6Al−4Vで発見したように、金属材料の破壊靭性及び延性が劣化することはなく、強度、硬度及びヤング率の向上と共に顕著な微粒化がなおも得られる。本発明者らは、少量のホウ素、即ち0.01〜0.4重量%のホウ素を溶接又は蒸着したチタン合金に追加した場合、ホウ化チタン粒子(TiB粒子)が凝固後のチタン合金の粒界に沿って不均一に分布し、それによって粒径が大幅に低下することになり、従って、ホウ素を含んでいない溶融、溶接又は蒸着したチタン合金と比べて機械的特性が向上することになると考えている。
「基板」という単語は、塗布したチタン合金を支える任意の基層を意味するものとする。基板は、必ずしも下支えである必要はないが、例えば、任意の適切な方法で溶融、溶接又は蒸着した材料を支えるように配設されていればよい。基板は、任意の適切な材料、形状又はサイズのものであってよい。基板は、より多くのチタン合金が塗布された、少なくとも部分的に凝固したチタン合金であってもよい。基板は、1つ以上の構成部分から形成されてもよい。少なくとも1つの基板及び塗布したチタン合金は、一体構成要素を形成するように配設してもよい。例えば、基板は、チタン合金が溶融、溶接又は金属蒸着によって塗布された構成要素であってよく、それによって塗布したチタン合金がその構成要素か、又はその構成要素を別の構成要素に接合するのに使用されることになる融合部の一部を成すことになる。
本発明の一実施形態によれば、本方法は、基板上にチタン合金を溶融又は蒸着させるステップの前か途中にチタン合金に0.01〜0.2重量%のホウ素又は0.01〜0.1重量%のホウ素を追加するステップを含む。
本発明の一実施形態によれば、基板上にチタン合金を溶融、溶接又は蒸着させるステップは、チタン合金及び0.01〜0.4重量%のホウ素からなる粉末又はワイヤを加熱するステップを含む。
本発明の別の実施形態によれば、チタン合金は、ASTMグレード5〜グレード38のチタン合金、好ましくはASTMグレード6〜グレード38のチタン合金のうちの1つである。ASTMは、簡単に参照するためのナンバリングスキームによって多くの合金規格を規定している。1つの特定の実施形態によれば、チタン合金は、Ti−6Al−4V(ASTMグレード5、又はTi6−4としても知られている)、Ti−6Al−2Sn−4Zr−2Moの一方である。しかしながら、本発明による方法は任意のチタン合金を用いて使用してもよいことに留意されたい。
Ti−6Al−4Vは、同じ剛性及び熱的特性を有しながらも工業用純チタンよりもかなりの強度がある。その多くの利点の中でも、Ti−6Al−4Vは熱処理可能であり、強度、耐食性、溶接性及び成形性を見事に併せ持っている。従って、Ti−6Al−4Vは航空宇宙、医療、船舶、及び化学処理用途で広く用いられている。
本発明の更なる実施形態によれば、基板上にチタン合金を溶融、溶接又は蒸着させるステップは、レーザ金属蒸着(LMD)、レーザ溶接、電子ビーム溶解、金属形材蒸着(SMD)、タングステン不活性ガス(TIG)溶接、金属不活性ガス(MIG)溶接、フィラメント蒸発、電子ビーム蒸発、スパッタ蒸着のいずれか1つを用いて実行される。しかしながら、本発明による方法は任意の適切な手法を用いてチタン合金を塗布することを含んでもよいことに留意されたい。
本発明の一実施形態によれば、チタン合金は、基板上に層を形成するように該基板上に塗布される。本発明の別の実施形態によれば、基板は2つの部分からなり、該チタン合金は該2つの部分が接合されるように塗布される。
なお、本書で使われる「層」という表現は、それが溶融、溶接又は蒸着される基板の少なくとも一部を連続的又は非連続的に覆う層又は融合部を意味するものとする。融合部は、1つ以上の構成要素又は構成部品を接合するために用いてもよい。層は、あらゆる均一又は不均一な厚さ、形状、サイズ及び/又は断面積のものであってよい。本発明の一実施形態によれば、層は、3mm、2mm又は1mmの最大厚さを有する。連続した層を塗布することによって、所望の形状を形成することができる。一用途では、蒸着した材料(複数の層)の全厚は約20mmである。
本発明の一実施形態によれば、チタン合金は、基板材料をチタン合金の溶融温度に局部加熱するという形のエネルギー供給、塑性局部流動、又は原子拡散を介して塗布される。
本発明はまた、本発明の実施形態のいずれかに従った方法を用いて塗布されたチタン合金からなる構成要素にも関する。該構成要素は、即ち、その表面上に塗布したチタン合金を含んでもよく、少なくとも部分的に塗布したチタン合金で構成されてもよい。
本発明はまた、本発明の実施形態のいずれかに従った少なくとも1つの構成要素を備えるガスタービンエンジンにも関する。
本発明は更に、基板上に材料を溶融、溶接又は蒸着させるための0.01〜0.4重量%のホウ素を含むチタン合金の利用法にも関する。
本発明はまた、基板上に溶融、溶接又は蒸着させるためのチタン合金であって、そのため0.01〜0.4重量%のホウ素を含むチタン合金の粉末又はワイヤの形の充填剤にも関する。
以下、添付図面を参照しながら非限定的な例を用いて本発明を更に説明する。
ガスタービンエンジンの一例示的実施形態の概略縦断面図である。
本発明の一実施形態に従った方法の概略図である。
ホウ素の重量%がチタン合金の粒径に与える影響を示すグラフである。
本発明の一実施形態に従った方法を用いて塗布されたチタン合金の断面の微細構造を示す。
本発明の一実施形態に従った方法を用いて塗布されたチタン合金の微細構造が見える顕微鏡写真を示す。
本発明の一実施形態に従った方法のステップを示すフローチャートである。
なお、図面は一定の縮尺で描かれているのではなく、特定の特徴の寸法は明確にするため誇張されている場合がある。
以下において、本発明を実施形態によって例証する。しかしながら、実施形態は本発明の原理を説明するために記載されており、特許請求の範囲によって定義される本発明の技術的範囲を限定するものではないことを理解されたい。また、本発明の特定の実施形態に関して開示されている本発明のあらゆる特徴は本発明の任意の他の実施形態に組み込んでもよいことに留意されたい。
図1は、エンジン長手方向中心軸2を囲む2軸ターボファンガスタービン航空エンジン1を図示する。エンジン1は、外側ケーシング又はナセル3と、内側ケーシング4(ロータ)と、中間ケーシング5とを備える。中間ケーシング5は、最初の2つのケーシングに対して同心状であり、それらの間の隙間を、空気の圧縮用の内側一次ガスチャネル6と、エンジンバイパス空気が流れる二次チャネル7とに分割する。従って、ガスチャネル6,7の各々は、エンジン長手方向中心軸2に対して垂直な断面において環状である。
ガスタービンエンジン1は、周囲空気9を受け取るファン8と、ブースタ又は低圧圧縮機(LPC)10と、一次ガスチャネル6内に配設された高圧圧縮機(HPC)11と、高圧圧縮機11によって加圧された空気と燃料を混合して、高圧タービン(HPT)13を通って下流に流れる燃焼ガスを発生させる燃焼器12と、そこからの燃焼ガスがエンジンから排出される低圧タービン(LPT)14とを備える。
高圧シャフトは、高圧タービン13を高圧圧縮機11に接合して、実質的に高圧ロータを形成する。低圧シャフトは、低圧タービン14を低圧圧縮機10に接合して、実質的に低圧ロータを形成する。低圧シャフトは、高圧ロータと同軸上且つ高圧ロータの半径方向内側に、少なくとも部分的に回転可能に配置される。
ガスタービンエンジン1は、高圧タービン13の下流に位置するタービン排気ケーシング15を更に備える。タービン排気ケーシング15は、支持構造体16を備える。
例えば図1に示す、ガスタービンエンジン1の構成要素のうちの少なくとも1つは、本発明の実施形態のいずれかに従った方法を用いて塗布されたチタン合金からなっていてもよい。
図2は、金属蒸着、溶接又は溶融によって基板18上にチタン合金、Ti−6Al−4V,Ti−6Al−2Sn−4Zr−2Mo等のASTMグレード5〜グレード38チタン合金を塗布する方法を概略的に示す。チタン合金は、好ましくは1〜8重量%のアルミニウム、特に3〜7重量%のアルミニウム、及び有利には5.50〜6.75重量%のアルミニウムを含む。チタン合金は、好ましくは1〜10重量%のバナジウム、好ましくは2〜8重量%のバナジウム、及び有利には3.5〜4.5重量%のバナジウムを含む。
Ti−6Al−4Vは、6重量%のアルミニウム、4重量%のバナジウム、0.25重量%(最大)の鉄、0.2重量%(最大)の酸素、及び残部のチタンからなる化学組成を有する。
更なる実施例によれば、本発明はTi−64の形態のチタン合金を塗布する方法に関する。Ti−64は、以下のものを含む。
アルミニウム:5.50〜6.75重量%;
バナジウム:3.50〜4.50重量%;
鉄:0〜0.30重量%;
酸素:0〜0.20重量%;
炭素:0〜0.08重量%;
窒素:0〜0.05重量%(500ppm);
水素:0〜0.125重量%(125ppm);
イットリウム:0〜0.005重量%(50ppm);
残部チタン。
アルミニウム:5.50〜6.75重量%;
バナジウム:3.50〜4.50重量%;
鉄:0〜0.30重量%;
酸素:0〜0.20重量%;
炭素:0〜0.08重量%;
窒素:0〜0.05重量%(500ppm);
水素:0〜0.125重量%(125ppm);
イットリウム:0〜0.005重量%(50ppm);
残部チタン。
更なる実施例によれば、本発明はTi−6242の形態のチタン合金を塗布する方法に関する。Ti−6242は、以下のものを含む。
アルミニウム:5.50〜6.50重量%;
バナジウム:3.60〜4.40重量%;
モリブデン:1.80〜2.20重量%;
錫:1.80〜2.20重量%;
ケイ素:0.06〜0.10重量%;
酸素:0〜0.15重量%;
鉄:0〜0.10重量%;
炭素:0〜0.05重量%;
窒素:0〜0.05重量%(500ppm);
水素:0〜0.125重量%(125ppm);
イットリウム:0〜0.005重量%(50ppm);
残部チタン。
アルミニウム:5.50〜6.50重量%;
バナジウム:3.60〜4.40重量%;
モリブデン:1.80〜2.20重量%;
錫:1.80〜2.20重量%;
ケイ素:0.06〜0.10重量%;
酸素:0〜0.15重量%;
鉄:0〜0.10重量%;
炭素:0〜0.05重量%;
窒素:0〜0.05重量%(500ppm);
水素:0〜0.125重量%(125ppm);
イットリウム:0〜0.005重量%(50ppm);
残部チタン。
本方法は、エネルギー源19を用いてチタン合金及び0.01〜0.4重量%のホウ素からなる粉末又はワイヤ20を加熱するステップを含み、その粉末又はワイヤ20は粉末/ワイヤ供給装置21を用いて基板18に供給される。図示の実施形態では、本方法は、既存の構成要素(基板18)への材料の追加、例えば製造中に(例えば、成形プロセス中に生じたり、誤った機械加工によって引き起こされたりする欠陥によって)損傷した構成要素の修理、又は使用中に損傷した構成要素の修理に用いられる。
0.01〜0.4重量%のホウ素は、基板18上にチタン合金を溶融又は蒸着させるステップの前か途中に、例えば粉末又はワイヤの形態のチタン合金に追加してもよい。
チタン合金は、レーザ金属蒸着(LMD)、電子ビーム溶解、金属形材蒸着(SMD)、タングステン不活性ガス(TIG)溶接、金属不活性ガス(MIG)溶接、フィラメント蒸発、電子ビーム蒸発、スパッタ蒸着又は任意の他の適切な手法のいずれか1つを用いて、基板上に溶融、溶接又は蒸着してもよい。
チタン合金は、基板材料をチタン合金の溶融温度に局部加熱するという形のエネルギー供給、塑性局部流動、又は原子拡散を介して塗布してもよい。
チタン合金を塗布した層17は、3mmの最大厚さを有する。なお、層17は必ずしも均一厚さを有する必要はない。
図3は、ホウ素の重量%が鋳造チタン合金のベータ粒径に与える影響を示すグラフである。チタン合金に0.01〜0.4重量%のホウ素を追加することにより、ホウ素を含んでいない鋳造チタン合金の粒径と比べて、鋳造チタン合金の従来のベータ粒径が実質的に低下することがわかる。また、本発明による方法は、ホウ素を含んでいない鋳造チタン合金の強度、硬度及びヤング率と比べて、鋳造チタン合金の強度、硬度及びヤング率を向上させることもわかっている。
図4は、本発明の一実施形態に従った方法を用いて形成されたチタン合金の複数の層の断面の微細構造を示す。チタン合金層は、従来のベータ粒子(従来のベータ粒径=図4に示す矢印22の長さ)を含む微細構造を呈し、このベータ粒子は、ホウ素が追加されていないチタン合金において数ミリメートルの最大粒径(矢印22の長さ)を有し得る。この最大粒径は、溶融、溶接又は蒸着したチタン合金に0.01〜0.4重量%のホウ素を追加することによって大幅に低下する。最大粒径は、光学顕微鏡を用いて測定してもよい。
図5(a)及び5(d)は、ホウ素が追加されていない鋳造Ti−64の顕微鏡写真である。図5(b)及び5(e)は、0.06重量%のホウ素を含む鋳造Ti−64の顕微鏡写真である。図5(c)及び5(f)は、0.11重量%のホウ素を含む鋳造Ti−64の顕微鏡写真である。ホウ化チタン(TiB)粒子は、凝固後の鋳造チタン合金の粒界に沿って不均一に分布し(図e及びf参照)、それによって図a,b及びcの従来のベータ粒径と比べて粒径が大幅に低下することになり、従って、ホウ素を含んでいない鋳造チタン合金と比べて機械的特性が向上することになる。
図6は、本発明の一実施形態に従った方法のステップを示すフローチャートである。本方法は、例えば、ホウ素によってチタン合金粉末又はワイヤを合金化することによって、チタン合金に0.01〜0.4重量%のホウ素を追加するステップと、任意の適切な金属蒸着法を用いて基板上に0.01〜0.4重量%のホウ素を含むチタン合金を溶融、溶接又は蒸着させるステップと、0.01〜0.4重量%のホウ素を含むチタン合金を少なくとも部分的に凝固させるステップとを含む。任意で、更なるチタン合金材料を、0.01〜0.4重量%のホウ素を含む少なくとも部分的に凝固したチタン合金上に溶融又は蒸着させてもよい。
特許請求の範囲の技術的範囲内の本発明の更なる変形例は、当業者には明らかとなるであろう。
Claims (26)
- 基板(18)上にチタン合金を塗布する方法であって、前記基板(18)上に前記チタン合金を溶融、溶接又は蒸着させ、前記チタン合金を凝固させるステップを含む方法において、前記基板(18)上に前記チタン合金を溶融、溶接又は蒸着させる前記ステップの前か途中に前記チタン合金に0.01〜0.4重量%のホウ素を追加するステップを含むことを特徴とする、方法。
- 前記基板(18)上に前記チタン合金を溶融、溶接又は蒸着させる前記ステップは、前記チタン合金及び前記0.01〜0.4重量%のホウ素からなる粉末又はワイヤ(20)を加熱するステップを含むことを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 前記チタン合金は、ASTMグレード5〜グレード38チタン合金の1つであることを特徴とする、請求項1又は2に記載の方法。
- 前記チタン合金は、Ti−6Al−4V及びTi−6Al−2Sn−4Zr−2Moの一方であることを特徴とする、請求項1又は2に記載の方法。
- 前記基板(18)又は溶接継手(18)上に前記チタン合金を溶融、溶接又は蒸着させる前記ステップは、レーザ金属蒸着(LMD)、レーザ溶接、電子ビーム溶解(EMB)、金属形材蒸着(SMD)、タングステン不活性ガス(TIG)溶接、金属不活性ガス(MIG)溶接、フィラメント蒸発、電子ビーム蒸発、スパッタ蒸着のいずれか1つを用いて実行されることを特徴とする、請求項1乃至4のいずれかに記載の方法。
- 前記チタン合金は、前記基板(18)上に層(17)を形成するように前記基板上に塗布されることを特徴とする、請求項1乃至5のいずれかに記載の方法。
- 前記層(17)は3mmの最大厚さを有することを特徴とする、請求項6に記載の方法。
- 前記基板は2つの部分からなることと、前記チタン合金は前記2つの部分が接合されるように塗布されることを特徴とする、請求項1乃至7のいずれかに記載の方法。
- 前記チタン合金は、基板材料を前記チタン合金の溶融温度に局部加熱するという形のエネルギー供給、塑性局部流動、又は原子拡散を介して塗布されることを特徴とする、請求項1乃至5又は7のいずれかに記載の方法。
- 請求項1乃至9のいずれかに記載の方法を用いて塗布されたチタン合金からなることを特徴とする、構成要素。
- 請求項9に記載の少なくとも1つの構成要素(3,4,5,8,10,11,12,13,14,15,16)を含むことを特徴とする、ガスタービンエンジン(1)。
- 基板上に溶融、溶接又は蒸着させるための0.01〜0.4重量%のホウ素を含むチタン合金の利用法。
- 基板上に溶融、溶接又は蒸着させるためのチタン合金の粉末又はワイヤの形の充填剤であって、前記チタン合金が0.01〜0.4重量%のホウ素を含むことを特徴とする充填剤。
- 基板上にチタン合金を塗布する方法であって、前記基板上に前記チタン合金を溶融、溶接又は蒸着させ、前記蒸着又は溶融したチタン合金を凝固させるステップを含む方法において、前記基板上に前記チタン合金を溶融、溶接又は蒸着させる前記ステップの前か途中に前記チタン合金に0.01〜0.4重量%のホウ素を追加するステップを含むことを特徴とする、方法。
- 基板上に前記チタン合金を溶融、溶接又は蒸着させる前記ステップは、前記チタン合金及び前記0.01〜0.4重量%のホウ素からなる粉末又はワイヤを加熱するステップを含むことを特徴とする、請求項14に記載の方法。
- 前記チタン合金は、ASTMグレード5〜グレード38チタン合金の1つであることを特徴とする、請求項14又は15に記載の方法。
- 前記チタン合金は、Ti−6Al−4V及びTi−6Al−2Sn−4Zr−2Moの一方であることを特徴とする、請求項14又は15に記載の方法。
- 前記基板又は溶接継手上に前記チタン合金を溶融、溶接又は蒸着させる前記ステップは、レーザ金属蒸着(LMD)、レーザ溶接、電子ビーム溶解(EMB)、金属形材蒸着(SMD)、タングステン不活性ガス(TIG)溶接、金属不活性ガス(MIG)溶接、フィラメント蒸発、電子ビーム蒸発、スパッタ蒸着のいずれか1つを用いて実行されることを特徴とする、請求項14乃至17のいずれかに記載の方法。
- 前記チタン合金は、前記基板(18)上に層(17)を形成するように前記基板上に塗布されることを特徴とする、請求項14乃至18のいずれかに記載の方法。
- 前記層は3mmの最大厚さを有することを特徴とする、請求項19に記載の方法。
- 前記基板は2つの部分からなることと、前記チタン合金は前記2つの部分が接合されるように塗布されることを特徴とする、請求項14乃至20のいずれかに記載の方法。
- 前記チタン合金は、基板材料を前記チタン合金の溶融温度に局部加熱するという形のエネルギー供給、塑性局部流動、又は原子拡散を介して塗布されることを特徴とする、請求項14乃至18又は21のいずれかに記載の方法。
- 請求項14乃至22のいずれかに記載の方法を用いて塗布されたチタン合金からなることを特徴とする、構成要素。
- 請求項23に記載の少なくとも1つの構成要素を含むことを特徴とする、ガスタービンエンジン。
- 基板上に溶融、溶接又は蒸着させるための0.01〜0.4重量%のホウ素を含むチタン合金の利用法。
- 基板上に溶融、溶接又は蒸着させるためのチタン合金の粉末又はワイヤの形の充填剤であって、前記チタン合金が0.01〜0.4重量%のホウ素を含むことを特徴とする充填剤。
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
PCT/SE2012/000076 WO2013172745A1 (en) | 2012-05-16 | 2012-05-16 | Method for applying a titanium alloy on a substrate |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2015526625A true JP2015526625A (ja) | 2015-09-10 |
Family
ID=49584042
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2015512602A Pending JP2015526625A (ja) | 2012-05-16 | 2012-05-16 | 基板上にチタン合金を塗布する方法 |
Country Status (5)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US20150093287A1 (ja) |
EP (1) | EP2850224A4 (ja) |
JP (1) | JP2015526625A (ja) |
CN (1) | CN104662200A (ja) |
WO (1) | WO2013172745A1 (ja) |
Families Citing this family (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP6772069B2 (ja) * | 2014-05-15 | 2020-10-21 | ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ | チタン合金及びその製造方法 |
US9719420B2 (en) * | 2014-06-02 | 2017-08-01 | General Electric Company | Gas turbine component and process for producing gas turbine component |
CN107107276A (zh) * | 2014-11-05 | 2017-08-29 | Rti国际金属公司 | 钛焊丝、超声可检查焊接部及由其形成的零件、以及相关方法 |
US10626883B2 (en) * | 2016-12-09 | 2020-04-21 | Hamilton Sundstrand Corporation | Systems and methods for making blade sheaths |
CN107649777B (zh) * | 2017-08-01 | 2019-06-28 | 中国船舶重工集团公司第七二五研究所 | 一种钛合金针翅管电子束制备方法 |
CN108070740B (zh) * | 2017-12-28 | 2020-04-21 | 沈阳大陆激光技术有限公司 | 一种修复钛合金阀芯和阀座的激光修复材料 |
CN108857148A (zh) * | 2018-07-20 | 2018-11-23 | 北京理工大学 | 一种电弧增材制造用钛合金丝材及其应用 |
US11192186B2 (en) * | 2018-08-13 | 2021-12-07 | Goodrich Corporation | Systems and methods for high strength titanium wire additive manufacturing |
CN110512251A (zh) * | 2019-09-19 | 2019-11-29 | 东莞市本润机器人科技股份有限公司 | 一种谐波减速器表面加工处理方法 |
CN114160979B (zh) * | 2021-12-29 | 2022-08-12 | 西南交通大学 | 一种用于钛合金焊接的Ti-A1-V-Y填充层及其焊接方法 |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007519822A (ja) * | 2003-12-11 | 2007-07-19 | オハイオ ユニヴァーシティ | チタン合金微細構造の精製方法および高温、高い歪み速度でのチタン合金の超塑性の形成 |
JP2008528813A (ja) * | 2005-01-31 | 2008-07-31 | マテリアルズ アンド エレクトロケミカル リサーチ コーポレイション | ニア・ネット・シェイプのチタン体の低コストの製造法 |
JP2008190038A (ja) * | 2007-01-31 | 2008-08-21 | General Electric Co <Ge> | 適応ツールパス堆積方法を使用したレーザネットシェイプ製造方法 |
Family Cites Families (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4968348A (en) * | 1988-07-29 | 1990-11-06 | Dynamet Technology, Inc. | Titanium diboride/titanium alloy metal matrix microcomposite material and process for powder metal cladding |
US7211138B2 (en) * | 2003-02-07 | 2007-05-01 | Kabushiki Kaisha Kobe Seiko Sho (Kobe Steel, Ltd.) | Hard film, method of forming the same and target for hard film formation |
AT8346U1 (de) * | 2005-04-29 | 2006-06-15 | Ceratitzit Austria Ges M B H | Beschichtetes werkzeug |
US7923127B2 (en) * | 2005-11-09 | 2011-04-12 | United Technologies Corporation | Direct rolling of cast gamma titanium aluminide alloys |
US20100028190A1 (en) * | 2008-07-31 | 2010-02-04 | Gm Global Technology Operations, Inc. | Method of making powder metal parts using shock loading |
DE102009050603B3 (de) * | 2009-10-24 | 2011-04-14 | Gfe Metalle Und Materialien Gmbh | Verfahren zur Herstellung einer β-γ-TiAl-Basislegierung |
GB2475340B (en) * | 2009-11-17 | 2013-03-27 | Univ Limerick | Nickel-titanium alloy and method of processing the alloy |
-
2012
- 2012-05-16 WO PCT/SE2012/000076 patent/WO2013172745A1/en active Application Filing
- 2012-05-16 CN CN201280073251.1A patent/CN104662200A/zh active Pending
- 2012-05-16 US US14/399,559 patent/US20150093287A1/en not_active Abandoned
- 2012-05-16 EP EP12876597.1A patent/EP2850224A4/en not_active Withdrawn
- 2012-05-16 JP JP2015512602A patent/JP2015526625A/ja active Pending
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007519822A (ja) * | 2003-12-11 | 2007-07-19 | オハイオ ユニヴァーシティ | チタン合金微細構造の精製方法および高温、高い歪み速度でのチタン合金の超塑性の形成 |
JP2008528813A (ja) * | 2005-01-31 | 2008-07-31 | マテリアルズ アンド エレクトロケミカル リサーチ コーポレイション | ニア・ネット・シェイプのチタン体の低コストの製造法 |
JP2008190038A (ja) * | 2007-01-31 | 2008-08-21 | General Electric Co <Ge> | 適応ツールパス堆積方法を使用したレーザネットシェイプ製造方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
EP2850224A1 (en) | 2015-03-25 |
WO2013172745A1 (en) | 2013-11-21 |
US20150093287A1 (en) | 2015-04-02 |
EP2850224A4 (en) | 2016-01-20 |
CN104662200A (zh) | 2015-05-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP2015526625A (ja) | 基板上にチタン合金を塗布する方法 | |
Xu et al. | Investigation of process factors affecting mechanical properties of INCONEL 718 superalloy in wire+ arc additive manufacture process | |
US5584663A (en) | Environmentally-resistant turbine blade tip | |
Karmuhilan et al. | A review on additive manufacturing processes of inconel 625 | |
JP6595593B2 (ja) | タービンエンジン部品の製造方法 | |
DE102014211366A1 (de) | Verfahren zur Erzeugung einer Oxidationsschutzschicht für einen Kolben zum Einsatz in Brennkraftmaschinen und Kolben mit einer Oxidationsschutzschicht | |
US9108276B2 (en) | Hardface coating systems and methods for metal alloys and other materials for wear and corrosion resistant applications | |
US9982332B2 (en) | Hardface coating systems and methods for metal alloys and other materials for wear and corrosion resistant applications | |
JP2012507624A (ja) | 溶接添加剤、溶接添加剤の使用並びにコンポーネント | |
JP2018135585A (ja) | 金属部材及びクラッド層の製造方法 | |
CN104511702B (zh) | 用于焊接超级合金的焊接材料 | |
US20170197283A1 (en) | Superalloy composite preforms and applications thereof | |
US20160023439A1 (en) | Method for joining high temperature materials and articles made therewith | |
US11092019B2 (en) | Coated component and method of preparing a coated component | |
Zhang et al. | Sensitivity of liquation cracking to deposition parameters and residual stresses in laser deposited IN718 alloy | |
JP2017519643A (ja) | 展性ホウ素担持ニッケル系溶接材料 | |
Nowotny et al. | Repair of erosion defects in gun barrels by direct laser deposition | |
EP3470543A1 (en) | Coated component and method of preparing a coated component | |
Sun et al. | Improved mechanical properties of Ni-rich Ni 3 Al coatings produced by EB-PVD for repairing single crystal blades | |
He et al. | Carbide reinforced Ni–Cr–B–Si–C composite coating on 4Cr5MoSiV1 steel by comprehensive plasma melt injection method | |
JP2006016671A (ja) | Ni基合金部材とその製造法及びタービンエンジン部品並びに溶接材料とその製造法 | |
Mallikarjuna et al. | Reclamation of intermetallic titanium aluminide aero-engine components using directed energy deposition technology | |
WO2014105239A1 (en) | Hardface coating systems and methods for metal alloys and other materials for wear and corrosion resistant applications | |
Kovalev et al. | Formation of an intermetallic layer during arc facing of aluminum alloys onto a steel substrate | |
US20160303689A1 (en) | Superalloy composite preforms and applications thereof |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20160323 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20160329 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20161108 |