專利名稱：用于傳動齒輪應(yīng)用的硬化鈦結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開一般地涉及制造零件，并且具體涉及用于制造硬化金屬結(jié)構(gòu)的方法和設(shè)備。更具體地，本公開涉及用于制造傳動齒輪應(yīng)用的沉淀的硬化金屬合金結(jié)構(gòu)的方法和設(shè) 備。
背景技術(shù)：
齒輪是可以用于能將旋轉(zhuǎn)力傳輸?shù)狡渌X輪和/或裝置的傳動系統(tǒng)中的組件。齒 輪可以采用具有齒的圓形輪的形式。所述齒可以與其他齒輪和/或裝置上的其他齒接合和 /或嚙合。這種接合可以允許力在沒有滑動的情況下從一個齒輪傳遞到其他齒輪和/或裝置。齒輪通常用于多種交通工具，例如飛行器。特別地，直升機(jī)具有使用齒輪的多個不 同的傳動系統(tǒng)。例如但不作為限制，直升機(jī)具有一個或更多個發(fā)動機(jī)前端傳動箱、中間齒輪 傳動箱、主傳動齒輪箱、尾部螺旋漿傳動箱或一些其他適合的齒輪系統(tǒng)。用于工業(yè)和/或航空應(yīng)用的齒輪通常具有堅固、結(jié)實(shí)的芯。這種芯被設(shè)計為抗裂 紋擴(kuò)展并且抗?jié)L壓疲勞損壞。齒輪的表面通常具有堅固的硬化層，該硬化層形成齒輪的齒。 這種表面被設(shè)計為抗磨損，所述磨損可以產(chǎn)生自齒輪的齒表面倚靠其他齒和/或裝置的齒 的滑動。齒輪的這些性質(zhì)使用多種類型的金屬和/或金屬合金實(shí)現(xiàn)。例如但不作為限制， 鋼合金處理為在硝化該合金之后淬火和回火該鋼合金。除了具有這些類型的性質(zhì)，還期望 減小齒輪的重量，特別是在航空應(yīng)用的使用中。例如但不作為限制，直升機(jī)傳動系統(tǒng)中的齒 輪可以構(gòu)成所述系統(tǒng)重量的大約三分之一。一種方案是使用鈦齒輪。與鋼合金相比，鈦齒輪具有較低的密度，導(dǎo)致較小的 重量。然而，目前可用的鈦合金齒輪具有比近似尺寸的鋼合金齒輪更低的強(qiáng)度。例如 但不作為限制，由廣泛應(yīng)用的鈦阿爾法_貝塔(alpha-beta)合金(例如Ti_6Al_4V或 Ti-6Al-2Sn-4V-2Zr)制成的齒輪具有小于鋼合金齒輪的強(qiáng)度的三分之一的強(qiáng)度。為了補(bǔ)償這種類型的強(qiáng)度差異，鈦合金齒輪可以更厚以補(bǔ)償更低的強(qiáng)度。然而，這 種補(bǔ)償通常將由鈦合金的較低密度引起的重量減輕減小到接近零。進(jìn)一步地，鈦合金齒輪 還具有在接合其他齒輪時相對于抗滑動磨損沒有鋼合金齒輪的表面那么硬的表面。因此，有利的是提出了一種解決上述一個或更多個問題以及可能的其他問題的方 法和設(shè)備。

發(fā)明內(nèi)容
在一個有利的實(shí)施例中，提供一種用于制造零件的方法。所述零件包含金屬合金 并且被定位以形成定位零件。電磁場生成以加熱定位零件。所述定位零件的表面暴露于惰 性氣體，同時生成電磁場以在定位零件的外部區(qū)段和定位零件的內(nèi)部區(qū)段之間產(chǎn)生反向熱 梯度，從而形成熱處理零件。
在另一個有利實(shí)施例中，提供了一種用于制造齒輪的方法。包含金屬合金的板在 貝塔相域中鑄造。所述金屬合金選自沉淀的硬化金屬合金、亞穩(wěn)的貝塔鈦合金、沉淀的可硬 化不銹鋼合金和鎳基超耐熱合金中的一種。所述板是齒輪并且在阿爾法疊加貝塔相域中鑄 造以在前述貝塔相域中的齒輪之后形成鑄造的齒輪形狀。在前述阿爾法疊加貝塔相域中的 鑄造的齒輪形狀之后，鑄造的齒輪形狀在貝塔相域中固溶熱處理。鑄造的齒輪形狀在阿爾 法相域中冷卻。所述冷卻使用空氣冷卻和水淬中的一種執(zhí)行以避免阿爾法相沉淀。鑄造的 齒輪形狀被機(jī)械加工以形成所述齒輪。該齒輪相對于感應(yīng)線圈定位在零件保持器上以形成 定位齒輪。所述零件保持器、冷卻環(huán)歧管和感應(yīng)線圈定位在腔室中。電磁場由感應(yīng)線圈生 成。電磁場具有從約1赫茲到約10，000赫茲的頻率以及在定位齒輪中生成渦流的強(qiáng)度以 在發(fā)生沉淀硬化的阿爾法疊加貝塔相域中將定位齒輪加熱到選定溫度。所述頻率基于齒 輪的深度選擇。定位齒輪的齒表面暴露于惰性氣體中，同時生成電磁場以在定位齒輪的外 部和定位齒輪的內(nèi)部之間產(chǎn)生反向熱梯度，從而形成熱處理齒輪。熱處理齒輪具有分級沉 淀硬化微結(jié)構(gòu)，并且熱處理齒輪的外部比熱處理齒輪的內(nèi)部更硬。所述熱處理齒輪被研磨。 激光噴丸在熱處理齒輪的表面上執(zhí)行以將熱處理齒輪的表面置于壓力中。涂層沉積在齒輪 的齒表面上以形成涂覆的齒表面。涂層包括選擇自物理氣相沉積氮化鈦、電鍍碳化鎳和高 速氧燃料沉積的碳化鎢-鈷中的一種材料。齒輪的涂覆的齒表面是剖光的。所述齒輪能 夠用在選擇自移動平臺、靜止平臺、基于陸地的結(jié)構(gòu)、基于水體的結(jié)構(gòu)、基于空間的結(jié)構(gòu)、飛 行器、直升機(jī)、水面艦艇、坦克、人員運(yùn)輸車、火車、太空船、潛水艇、公共汽車、客車、賽車、賽 船、壓床、傳動裝置、水壩和制造設(shè)備中的一種的物體中。
在另一個有利實(shí)施例中，設(shè)備包括腔室、感應(yīng)線圈和氣體傳輸系統(tǒng)。所述感應(yīng)線圈 能夠生成位于腔室中的電磁場。所述氣體傳輸系統(tǒng)可以連續(xù)地將惰性氣體傳輸?shù)角皇抑械?零件的表面上，同時生成電磁場，從而在所述零件中建立反向熱梯度。所述特征、功能和優(yōu)點(diǎn)可以在本公開的各種實(shí)施例中獨(dú)立地獲得或者可以結(jié)合在 其他實(shí)施例中，其中進(jìn)一步的細(xì)節(jié)可以參考以下說明和附圖而獲知。


確信為有利實(shí)施例的特性的新穎性特征在所附權(quán)利要求中提出。然而，當(dāng)結(jié)合附 圖閱讀時，有利實(shí)施例以及優(yōu)選的使用模式、進(jìn)一步的目的及其優(yōu)點(diǎn)將通過參考本公開的 有利實(shí)施例的以下詳細(xì)說明被最好地理解，其中圖1是說明了根據(jù)有利實(shí)施例的飛行器制造和服務(wù)方法的視圖；圖2是飛行器的視圖，其中可以實(shí)施有利實(shí)施例；圖3是根據(jù)有利實(shí)施例的制造環(huán)境的框圖；圖4是根據(jù)有利實(shí)施例的反向梯度熱處理系統(tǒng)的視圖；圖5是根據(jù)有利實(shí)施例的反向梯度熱處理系統(tǒng)中的腔室的剖面俯視圖的視圖；圖6是根據(jù)有利實(shí)施例的具有齒輪的腔室的一部分的視圖；圖7是根據(jù)有利實(shí)施例的齒輪的一部分的剖面圖的視圖；圖8是說明了根據(jù)有利實(shí)施例的具有可以用于制造齒輪的多種老化處理的沉淀 硬化Ti-10V-2Fe-3Cr合金的典型機(jī)械性質(zhì)的視圖；圖9是說明了根據(jù)有利實(shí)施例用于鈦合金的制造順序的視圖10是根據(jù)有利實(shí)施例用于制造零件的處理的流程圖；以及圖11是根據(jù)有利實(shí)施例用于制造齒輪形式的零件的處理的流程圖。
具體實(shí)施例方式更特別地參考附圖，本公開的實(shí)施例可以在圖1所示的飛行器制造和服務(wù)方法100以及圖2所示的飛行器200的背景下進(jìn)行說明。首先參考圖1，根據(jù)有利實(shí)施例描述了 說明飛行器制造和服務(wù)方法的視圖。在預(yù)生產(chǎn)期間，示例性的飛行器制造和服務(wù)方法100 可以包括圖2中的飛行器200的說明和設(shè)計102以及材料獲取104。在生產(chǎn)期間，進(jìn)行圖2中的飛行器200的組件和子裝配制造106以及系統(tǒng)合成 108。此后，圖2中的飛行器200可以經(jīng)歷驗(yàn)證和運(yùn)輸110以便置于服務(wù)112中。當(dāng)服務(wù)客 戶時，圖2中的飛行器200被制定例行維護(hù)和服務(wù)114，其可包括改進(jìn)、重構(gòu)、重新磨光以及 其他維護(hù)或服務(wù)。飛行器制造和服務(wù)方法100的每個處理可以由系統(tǒng)合成者、第三方和/或操作者 執(zhí)行或?qū)崿F(xiàn)。在這些示例中，操作者可以是客戶。為了這種說明的目的，系統(tǒng)合成者可以包 括但不限于任意數(shù)量的飛行器廠商和主系統(tǒng)子承包人；第三方可以包括但不限于任意數(shù)量 的賣主、子承包人和供應(yīng)商；并且操作者可以是航空，租賃公司、軍事實(shí)體、服務(wù)機(jī)構(gòu)等?，F(xiàn)在參考圖2，描述了飛行器的視圖，其中可以實(shí)施有利實(shí)施例。在本示例中，飛 行器200由圖1中的飛行器制造和服務(wù)方法100生產(chǎn)并且可以包括具有多個系統(tǒng)204和內(nèi) 部206的機(jī)身202。系統(tǒng)204的示例包括一個或更多個推進(jìn)系統(tǒng)208、電系統(tǒng)210、液壓系 統(tǒng)212和環(huán)境系統(tǒng)214。飛行器200可以采用多種形式。例如，飛行器200可以是飛機(jī)、直 升機(jī)或一些其他適當(dāng)類型的飛行器。可以包括任意數(shù)量的其他系統(tǒng)。雖然顯示了航空的示 例，但不同的有利實(shí)施例可以應(yīng)用于其他工業(yè)，例如汽車工業(yè)。本文記載的設(shè)備和方法可以在圖1中的飛行器制造和服務(wù)方法100的任意一個或 更多個階段中應(yīng)用。例如，在圖1中的組件和子裝配制造106中生產(chǎn)的組件或子裝配可以 與飛行器200在圖1中的服務(wù)112中時生產(chǎn)的組件或子裝配類似的方式制作或制造。同樣，一個或更多個設(shè)備實(shí)施例、方法實(shí)施例或其組合可以通過例如但不限于充 分加速飛行器200的裝配或減少飛行器200的成本而使用在生產(chǎn)階段中，所述生產(chǎn)階段例 如圖1中的組件和子裝配制造106和系統(tǒng)合成108。同樣，當(dāng)飛行器200在圖1中的服務(wù) 112或維護(hù)和服務(wù)114期間時，可以使用一個或更多個設(shè)備實(shí)施例、方法實(shí)施例或其組合?？紤]不同的有利實(shí)施例并且意識到期望具有可以用于制造例如齒輪等零件的輕 量材料。不同的有利實(shí)施例意識到并考慮到期望獲得具有內(nèi)部的齒輪，該內(nèi)部可以在承受 負(fù)載時避免斷裂，例如來自可以安裝齒輪于其上的軸狀物的齒輪。不同的有利實(shí)施例同樣考慮并意識到期望獲得具有外部的齒輪，該外部足夠堅硬 以在接合其他齒輪時抵抗磨損。進(jìn)一步地，不同的有利實(shí)施例意識到并考慮期望獲得具有 表面的齒輪，該表面能夠以允許除改進(jìn)的磨損以外的改進(jìn)的摩擦阻力的方式接合其他齒 輪。因此，不同的有利實(shí)施例提供了用于制造零件的方法。包含金屬合金的零件被定 位。生成加熱定位零件的電磁場。進(jìn)一步地，定位零件的表面暴露于惰性氣體，同時生成電 磁場以在定位零件的表面和定位零件的內(nèi)部之間產(chǎn)生熱梯度，從而形成熱處理零件。
現(xiàn)在參考圖3，描述了根據(jù)有利實(shí)施例的制造環(huán)境的框圖。制造環(huán)境300可以用于 制造飛行器零件，例如圖2中的飛行器200。在這種說明性示例中，制造環(huán)境300用于處理金屬合金302。金屬合金302可以采 用不同形式。例如但不作為限制，金屬合金302可以是沉淀硬化合金304。換句話說，金屬 合金302可以選擇為可以通過沉淀硬化而強(qiáng)化和/或硬化的金屬合金。沉淀硬化合金304 是能夠被熱處理以形成沉淀305的金屬合金。在這些說明性示例中，沉淀305強(qiáng)化了沉淀硬化合金304。沉淀硬化是一種熱處理，其中例如但不限于粒子307的沉淀物產(chǎn)生自沉淀硬化合金304的過飽和固溶相。過飽 和固溶相是一種相，其中溶液包含比能夠溶解在該溶液中的粒子更多的溶解粒子。這些粒 子還被稱作第二相粒子311。沉淀物305增大沉淀硬化合金304中的強(qiáng)度和硬度。沉淀物305可以阻止位錯移 動和/或沉淀硬化合金304的晶格中的缺陷。沉淀物305形成在沉淀的粒子熱動力穩(wěn)定的 溫度下。沉淀物305可以是例如但不限于粒子307和/或第二相粒子311。在這些描述的示例中，沉淀硬化合金304是例如但不限于貝塔鈦合金306。貝塔鈦 合金306在這些示例中采用亞穩(wěn)的貝塔鈦合金308的形式。亞穩(wěn)的貝塔鈦合金308可以包 括貝塔鈦穩(wěn)定劑309。貝塔鈦穩(wěn)定劑309是能夠?qū)喎€(wěn)的貝塔鈦合金308的高溫貝塔相穩(wěn) 定到較低溫度的任意元件。例如但不作為限制，貝塔鈦穩(wěn)定劑309可以是鉬(Mo)、釩(V)、 鈮(Nb)、鉻(Cr)和/或鐵(Fe)。金屬合金302可以包括例如但不限于鈦合金310、不銹鋼合金312、鎳基合金314 和其他適當(dāng)?shù)某恋砜捎不饘俸辖?。鈦合?10可以是例如任意亞穩(wěn)的貝塔鈦合金。不銹 鋼合金312和鎳基合金314可以分別使用任意沉淀硬化的不銹鋼合金和任意沉淀硬化的鎳 基合金而實(shí)現(xiàn)。在這些說明性示例中，鈦合金310可以是例如但不限于Ti-10V-2Fe-3Cr、 Ti-5Mo-5V-5Al-3Cr、Ti_4. 5Fe_6. 8Mo_l. 5A1和/或任意其他適當(dāng)?shù)呢愃伜辖?。金屬合?02采用板316的形式。板316可以具有各種形狀。例如，板316可以 是圓形、矩形、方形和/或其他一些適當(dāng)形狀。進(jìn)一步地，板316可以基于特定實(shí)施方式具 有各種厚度。板316在這些示例中的鑄造系統(tǒng)318內(nèi)被處理。在這種說明性示例中，鑄造系統(tǒng)318可以包括熔爐320和沖壓器322。熔爐320加 熱板316以允許使用沖壓器322使板316成形。沖壓器322將板316成形為零件326的形 狀324。在這些示例中，零件326可以是例如但不限于齒輪328。機(jī)械工具330將形狀324機(jī)械加工為零件326的尺寸以形成機(jī)械加工的零件332。 機(jī)械工具330可以是能夠產(chǎn)生期望的零件326的尺寸的任意機(jī)械工具。機(jī)械工具330可以 是例如但不限于刨平工具、磨碎工具、鉆孔工具、研磨工具、剖光工具和/或其他一些工具 的組合。機(jī)械加工的零件332使用反向梯度熱處理系統(tǒng)334處理。在所描述的示例中，反 向梯度熱處理系統(tǒng)334用于執(zhí)行機(jī)械加工的零件332內(nèi)的沉淀硬化合金304的沉淀硬化。 反向梯度熱處理系統(tǒng)334用于執(zhí)行老化和/或時效硬化以進(jìn)一步控制最終結(jié)構(gòu)并導(dǎo)致機(jī)械 加工的零件332的機(jī)械性質(zhì)。反向梯度熱處理系統(tǒng)334包括感應(yīng)加熱器336、惰性氣體系統(tǒng)338、真空泵339和 腔室340。感應(yīng)加熱器336包括電力單元342和感應(yīng)線圈344。電力單元342可以包括例如但不限于電容器、變壓器和/或其他適當(dāng)?shù)难b置。感應(yīng)線圈344位于腔室340內(nèi)并且在 所描述的示例中還被稱作電感器。電力單元342能夠生成具有不同頻率的電力348。例如但不限于電力單元342生 成具有頻率350的電力348。電力348被發(fā)送到感應(yīng)線圈344以生成電磁場346。在這些 示例中，頻率350可以在大約1赫茲至大約10，000赫茲間變化。所使用的頻率和可以獲得 的頻率基于電力單元342的實(shí)施方式而變化。電力單元342將冷卻水供應(yīng)到感應(yīng)線圈344 以將感應(yīng)線圈344保持在較 低溫度以便產(chǎn)生較小的電阻損耗。零件保持器352提供在腔室340內(nèi)。真空泵339在腔室340內(nèi)產(chǎn)生真空353。惰 性氣體系統(tǒng)338包括氣體供應(yīng)單元354和氣體傳輸系統(tǒng)356。氣體供應(yīng)單元354可以將由 氣體傳輸系統(tǒng)356傳輸?shù)亩栊詺怏w358存儲到腔室340中。真空泵339在腔室340中產(chǎn)生真空353。氣體傳輸系統(tǒng)356將惰性氣體358傳輸 到具有真空353的腔室340中。真空泵339產(chǎn)生真空353。這種處理可以在處理定位零件 366之前被重復(fù)多次。在所描述的這種示例中，氣體傳輸系統(tǒng)356采用冷卻環(huán)歧管360的形式。冷卻環(huán) 歧管360可以由管狀物形成，在感應(yīng)線圈344冷卻后，該管狀物硬焊或熔接到感應(yīng)線圈344。 冷卻環(huán)歧管360可以包含熱和電的良導(dǎo)體的材料。例如但不限于，具有低電阻率的銅和銅 合金可以用于形成冷卻環(huán)歧管360。機(jī)械加工的零件332定位在腔室340內(nèi)的零件保持器352上以作為定位零件366。 當(dāng)具有頻率350的電力348被提供到感應(yīng)線圈344時，電磁場346加熱定位零件366。這種 加熱發(fā)生在內(nèi)部368而非表面370并且擴(kuò)散到定位零件366的內(nèi)部368中。在所描述的示例中，渦流372由定位零件366的內(nèi)部368中的電磁場346生成。渦 流372在定位零件366的內(nèi)部368中引起焦耳熱374。定位零件366的表面370暴露于具 有在表面370上流動的噴出的惰性氣體358形式的惰性氣體358。雖然電磁場346由冷卻環(huán)歧管360生成，但惰性氣體358通過冷卻環(huán)歧管360傳 輸?shù)蕉ㄎ涣慵?66的表面370上。惰性氣體358可以冷卻定位零件366的表面370。在所 描述的示例中，當(dāng)發(fā)生加熱時，表面370持續(xù)暴露于惰性氣體358 —定時間周期。所述時間 周期可以是電磁場346被供應(yīng)到定位零件366的全部時間，或者是將電磁場346應(yīng)用到定 位零件366期間和之后，電磁場346被供應(yīng)到定位零件366的一部分時間。執(zhí)行這種加熱和冷卻以產(chǎn)生反向熱梯度376。與表面370相比，反向熱梯度376具 有深入到內(nèi)部368中的增大的溫度。定位零件366的這種處理形成熱處理零件378，其是定位零件366中沉淀硬化合金 304的沉淀硬化的產(chǎn)物。此后，熱處理零件378使用研磨工具380處理。在這種示例中，熱 處理零件378具有分級的沉淀硬化微結(jié)構(gòu)377。分級的沉淀硬化微結(jié)構(gòu)377是熱處理零件 378內(nèi)的沉淀物的數(shù)量和/或尺寸的變化。在說明性的示例中，沉淀物的數(shù)量增大，并且沉淀物的尺寸自外部的熱處理零件 378的表面323至熱處理零件378的內(nèi)部321反向地減小。研磨工具380將熱處理零件378研磨至期望尺寸以形成研磨后的零件382。研磨 后的零件382使用酸浴系統(tǒng)384處理以形成處理后的零件386。酸浴系統(tǒng)384處理研磨后的零件382以去除由熱處理零件378的研磨和熱處理引起的任何金屬損壞。在這些示例中，酸浴系統(tǒng)384應(yīng)用的酸388例如但不限于硝酸(HNO3) 和氫氟酸(HF)。處理后的零件386使用激光噴丸系統(tǒng)390處理。激光噴丸系統(tǒng)390使處理后的零件386涂覆亞光黑色涂料391并且之后將激光射束392提供到汽化的亞光黑色涂料391。亞 光黑色涂料391的激光汽化可以在水層下執(zhí)行。這種處理在處理后的零件386的表面370 上和/或周圍產(chǎn)生壓力393。壓力393可以幫助避免可能在使用處理后的零件386期間發(fā) 生的老化。在這些示例中，激光噴丸系統(tǒng)390可以應(yīng)用能夠在處理后的零件386上產(chǎn)生期望大小的壓力的任何激光。加工零件394之后使用涂覆系統(tǒng)395處理。涂覆系統(tǒng)395在加工零件394上形成涂層396以形成涂覆零件397。涂層396提供改進(jìn)的耐磨損性和耐摩擦性。在這些示例中，涂層396可以采用多種形式。例如但不限于，涂層396可以包含選擇自物理氣相沉積氮化鈦、電鍍碳化鎳和/或 高速氧燃料沉積的碳化鎢_鈷中的一種材料。涂覆零件397可以使用剖光器398剖光以形成完成的零件399。完成的零件399 之后可以用在圖2中的飛行器200內(nèi)或其他一些使用齒輪的適當(dāng)物體。圖3中的制造環(huán)境300的說明不意味著暗示對不同的有利實(shí)施例可以實(shí)施的方式的物理或構(gòu)造限制?？梢允褂贸嗽谥圃飙h(huán)境300中說明的組件以外的或者用于替換制造 環(huán)境300中說明的組件的其他組件。進(jìn)一步地，制造環(huán)境300中的一些組件可以省略。例如但不作為限制，在一些有利實(shí)施例中，錘擊系統(tǒng)可以用于替換鑄造系統(tǒng)318 中的沖壓器322。在其他有利實(shí)施例中，錘擊系統(tǒng)可以結(jié)合沖壓器322使用。在另一個說明 性的示例中，在一些有利實(shí)施例中，除感應(yīng)加熱器336以外額外的感應(yīng)加熱器可以被提供 以處理多個零件。進(jìn)一步地，在一些有利的實(shí)施例中，鑄造系統(tǒng)318可以是非必須的。對于這種類型 的實(shí)施方式，制造環(huán)境300可以開始于部分完成的零件。在其他有利的實(shí)施例中，基于用于 涂層396的材料的類型，剖光器398可以是非必須的?，F(xiàn)在參考圖4，根據(jù)有利的實(shí)施例描述了反向梯度熱處理系統(tǒng)的視圖。在本示例 中，反向梯度熱處理系統(tǒng)400是用于圖3中的反向梯度熱處理系統(tǒng)334的一個實(shí)施方式的 示例。在這種說明性的示例中，反向梯度熱處理系統(tǒng)400包括電源402、惰性氣體源404、 腔室406、感應(yīng)線圈408、冷卻環(huán)歧管410、零件保持器412和真空泵414。惰性氣體源404 連接到冷卻環(huán)歧管410，該冷卻環(huán)歧管410置于感應(yīng)線圈408內(nèi)。感應(yīng)線圈408連接到電源 402。惰性氣體源404將惰性氣體416提供到腔室406的內(nèi)部418中，同時感應(yīng)線圈408 生成電磁場。真空泵414在腔室406內(nèi)產(chǎn)生真空。進(jìn)一步地，在本說明性的示例中，真空泵 414還去除惰性氣體416。真空泵414還去除惰性氣體416以減小和/或避免腔室406的 增壓?，F(xiàn)在參考圖5，描述了根據(jù)有利實(shí)施例的反向梯度熱處理系統(tǒng)中的腔室的剖面俯 視圖。零件500是圖3中的定位零件366的示例。在本示例中，零件500采用齒輪502的形式并且定位在腔室406的內(nèi)部416內(nèi)的零件保持器412上。惰性氣體504散布在齒輪502 的表面506上，同時生成電磁場508以加熱齒輪502。惰性氣體504可以是惰性冷卻氣體。 表面506包括齒輪502的齒表面。現(xiàn)在參考圖6，描述了根據(jù)有利實(shí)施例的具有齒輪的腔室的一部分的視圖。在本描 述的示例中，區(qū)段600、602和604是從剖面圖看去的感應(yīng)線圈408的一部分。如所示，區(qū)段 606,608和610是氣體傳輸系統(tǒng)的冷卻環(huán)歧管的零件。惰性氣體612自開口 614、616和618傳輸以侵入到齒輪502的表面620上。這些開口還被稱為噴嘴。惰性氣體612冷卻表面620，同時齒輪502的內(nèi)部622由感應(yīng)線圈408 加熱，如區(qū)段600、602和604所示?，F(xiàn)在參考圖7，描述了根據(jù)有利實(shí)施例的齒輪的一部分的剖面圖。在本示例中，齒 輪700是圖3中的完成的零件399的一部分的示例。在這種說明性的示例中，齒輪700具有輪704上的齒702。如所說明的，齒輪700 具有內(nèi)部區(qū)段706和外部區(qū)段708。進(jìn)一步地，齒輪700還可以具有涂層710，其可以形成 在齒輪700的表面712上。在這種說明性的示例中，外部區(qū)段708具有H900機(jī)械性質(zhì)，同時內(nèi)部區(qū)段706具 有H1050機(jī)械性質(zhì)。在本說明性的示例中，H1050和H900涉及分別在1050華氏度和900華 氏度的溫度下對Ti-10V-2Fe-3Cr合金進(jìn)行一個小時的老化熱處理。在這些說明性的示例中，外部區(qū)段708具有厚度714，并且涂層710具有厚度716。 在這些示例中，厚度714通常可以是大約0. 200英寸，并且厚度716通?？梢允谴蠹s0. 002 英寸至0. 020英寸。外部區(qū)段708通過使用圖3中的反向梯度熱處理系統(tǒng)334的沉淀硬化而被硬化或 強(qiáng)化。對于相對于內(nèi)部區(qū)段706硬化和/或強(qiáng)化的外部區(qū)段708，可以為齒輪700提供增大 的耐磨損性。與外部區(qū)段708相比，內(nèi)部區(qū)段706具有更堅韌的內(nèi)部。換句話說，內(nèi)部區(qū)段706 能夠以可以避免齒輪700斷裂的方式承受負(fù)載。例如，輪704可以承受來自其上安裝有齒 輪700的軸狀物的負(fù)載?，F(xiàn)在參考圖8，描述了說明根據(jù)有利實(shí)施例的具有可以用于制造齒輪的多種老化 處理的沉淀硬化Ti-10V-2Fe-3Cr合金的典型機(jī)械性質(zhì)的視圖。在這種說明性的示例中，圖 表800可以表示具有亞穩(wěn)貝塔鈦合金的圖5中的齒輪502的芯性質(zhì)。在本示例中，圖表800 可以具有X軸802，其表示最終的抗張強(qiáng)度。Y軸804表示斷裂韌度。如可從本示例中看到的，齒輪502在該齒輪502內(nèi)部的點(diǎn)806處具有H1050性質(zhì) 并且在該齒輪502外部區(qū)段的點(diǎn)808處具有H900性質(zhì)。在本描述性的示例中，齒輪502的 內(nèi)部具有能夠抗龜裂形成和蔓延的強(qiáng)度和/或韌性。換句話說，齒輪502內(nèi)部的性質(zhì)抗斷 裂。齒輪表面的硬度減少擦痕、滑動、粘著磨損和/或可以發(fā)生在齒輪表面上的其他類型的 磨損?，F(xiàn)在參考圖9，描述了說明根據(jù)有利實(shí)施例用于鈦合金的制造順序的視圖。在本 描述性的示例中，代表性的鈦相視圖900是偽二進(jìn)制相視圖。代表性的鈦相視圖900具有 X軸902，其表示貝塔鈦穩(wěn)定劑的百分含量，并且具有Y軸904，其表示溫度。在代表性的鈦相視圖900中，各域以在平衡態(tài)下發(fā)現(xiàn)的作為溫度和合成物的函數(shù)的多個相標(biāo)識。這些域可以是單相域或雙相域。例如，阿爾法相域和貝塔相域可以是單相 域。阿爾法疊加貝塔相域可以是雙相域。在代表性的鈦相視圖900中，標(biāo)識了鈦合金的阿 爾法相和貝塔相的域。例如，阿爾法相域906、貝塔相域908和阿爾法疊加貝塔相域910提供在代表性的 鈦相視圖900中。阿爾法相域906和貝塔相域908是具有單相的域，同時阿爾法疊加貝塔相 域910是具有阿爾法相和貝塔相混合的域。這些不同的域由線912和914分離。沿線914 的溫度被稱作貝塔轉(zhuǎn)變溫度。在這些示例中，基于所使用的貝塔穩(wěn)定劑百分含量和/或鈦合金310的溫度，圖3中的鈦合金310可以存在于代表性的鈦相視圖900中的不同相中。與具體合成物相反，線914上的貝塔轉(zhuǎn)變點(diǎn)915表示對于該合成物的貝塔轉(zhuǎn)變或轉(zhuǎn)換溫度。該點(diǎn)表示最低溫度，在該最低溫度下，鈦合金310在平衡態(tài)下可以存在100%的 貝塔相。低于線914上的貝塔轉(zhuǎn)變點(diǎn)915的溫度可以導(dǎo)致鈦合金310變?yōu)殡p相域，例如阿 爾法疊加貝塔相域910。在類似的方式中，對于具體的合成物，線912上的相應(yīng)點(diǎn)描繪出最 高溫度，在該最高溫度下，鈦合金310可以完整地存在于阿爾法相906中。在高于線912上 的這個點(diǎn)的溫度下，鈦合金可以進(jìn)入阿爾法疊加貝塔相域910。主相可以用于特征化鈦合金310的類型。例如但不限于，阿爾法相鈦合金是可焊的并且具有期望的上升的溫度強(qiáng)度。阿爾法疊加貝塔相鈦合金將適中的強(qiáng)度與提升的韌度 相結(jié)合。亞穩(wěn)的貝塔相鈦合金通過其被沉淀硬化的能力可以具有比其他形式的鈦更高的抗 張強(qiáng)度。X軸902中的貝塔穩(wěn)定劑百分含量表示可以添加的可以穩(wěn)定鈦合金310的貝塔相 的元素。換句話說，貝塔穩(wěn)定劑的添加降低了鈦合金310可以存在于貝塔相中的溫度。在不同的有利實(shí)施例中，鈦合金310可以在代表性的鈦相視圖900中的不同區(qū)域 中處理。例如但不限于，鈦合金310可以是在點(diǎn)916處具有V、Mo和Cr穩(wěn)定劑內(nèi)容物的 Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr。在這種說明性的示例中，鈦合金310在貝塔相域908中的點(diǎn)918處被鑄造(操作 930)。點(diǎn)918可以處于大約1700華氏度的升高溫度下。在鑄造期間，鈦合金310中的期望 微結(jié)構(gòu)可以通過將溫度維持在期望點(diǎn)而獲得以獲取期望的阿爾法疊加貝塔微結(jié)構(gòu)。此外，減小大約20 %至大約30 %的變形還可以使用鍛錘和/或沖壓磨具實(shí)現(xiàn)以幫 助在阿爾法疊加貝塔區(qū)域910內(nèi)獲得期望的微結(jié)構(gòu)。所述鈦合金310的內(nèi)部區(qū)段可以允許 達(dá)到大約1000華氏度至大約1100華氏度的溫度。這種溫度提供了更低的機(jī)械強(qiáng)度和更高 的韌度。鈦合金310的表面由惰性氣體358冷卻。這種冷卻允許鈦合金310的表面被保持在較低溫度。這種較低溫度可以從大約 800華氏度至大約900華氏度。這種溫度提供了貝塔相中的阿爾法相粒子的較精細(xì)的沉淀。 這種類型的處理引起更高機(jī)械強(qiáng)度和/或更高耐磨損性?，F(xiàn)在參考圖10，描述了根據(jù)有利實(shí)施例用于制造零件的處理的流程圖。圖10中說 明的處理可以使用例如圖3中的制造環(huán)境300的制造環(huán)境實(shí)施。所述處理開始于包含金屬合金302的定位零件326以形成定位零件366 (操作 1000)。此后，生成電磁場346以加熱定位零件366 (操作1002)。定位零件366的表面370 暴露于惰性氣體358，同時生成電磁場346以在定位零件366的表面370和內(nèi)部368之間產(chǎn)生反向熱梯度376以形成熱處理零件378 (操作1004)，隨后終止所述處理。在這些說明性 的示例中，表面370持續(xù)暴露于惰性氣體358，同時生成電磁場346。熱處理零件378在所 述外部區(qū)段和內(nèi)部區(qū)段之間具有不同的微結(jié)構(gòu)和/或機(jī)械性質(zhì)。 現(xiàn)在參考圖11，描述了根據(jù)有利實(shí)施例用于制造齒輪形式的零件的處理的流程 圖。圖11中說明的處理可以使用例如但不限于圖3中的制造環(huán)境300的制造環(huán)境實(shí)施。所述處理開始于貝塔相域1008中的鑄造板316 (操作1100)。此后，所述處理在阿 爾法疊加貝塔域1010中鑄造板316 (操作1102)。在這種說明性的示例中，板316可以采用包含Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr的15英寸X 15 英寸X3英寸的板的形式。板316使用貝塔相域1008中的貝塔退火進(jìn)行熱處理(操作1104)。在操作1104 中，熱處理可以通過將板316的溫度增大到貝塔相域1008中的溫度而執(zhí)行。在這些示例中， 貝塔退火可以在大于1450華氏度的溫度下執(zhí)行。此后，具有零件326的形狀324的板316 在整個阿爾法相域1006中進(jìn)行空氣冷卻，這引起沉淀(操作1106)。具有零件326的形狀324的板316在整個貝塔相域1006中進(jìn)行空氣冷卻，這引起 沉淀(操作1107)。阿爾法疊加貝塔域1010是在金屬合金302的貝塔相內(nèi)該金屬合金302 的阿爾法相粒子可以沉淀出的域。隨著溫度的降低，更多的阿爾法相粒子沉淀，因?yàn)榘l(fā)生在 更低溫度下的更多的快速成核伴隨有慢擴(kuò)散促使生長。沉淀物的直徑較小。金屬合金302被空氣淬冷以避免阿爾法相粒子在金屬合金302自貝塔相固溶熱處 理退火而冷卻時被沉淀，所述貝塔相固溶熱處理退火發(fā)生在鑄造處理結(jié)束時?？諝獯憷湟?不允許沉淀成核的冷卻速率執(zhí)行。這些粒子被保留在金屬合金302的貝塔相中的亞穩(wěn)溶液 中，從而使所述元素可以在后續(xù)處理期間被沉淀。機(jī)械性質(zhì)的較大的增長在隨后的第二沉 淀熱處理期間產(chǎn)生。在這些示例中，阿爾法相1006可以達(dá)到低于大約800華氏度的溫度。執(zhí)行操作1100至1107以獲得零件326的芯中的更高的最小斷裂韌度?？諝饫鋮s 被快速執(zhí)行以在之后的產(chǎn)生反向熱梯度376的處理中在將被沉淀的溶液中保留最大量的 阿爾法相(操作1108)。在這些示例中，金屬合金302可以被分解入富鋁和富鉬、富鐵、富 鉻、富釩域中。金屬合金302中的富鋁域沉淀出具有六邊形密集晶體結(jié)構(gòu)的阿爾法相粒子， 同時富釩、富鐵、富鉻和富鉬域保留體心立方體晶體結(jié)構(gòu)的貝塔相。金屬合金302在固溶熱處理后被稱作亞穩(wěn)的貝塔并且快速冷卻，因?yàn)榻饘俸辖?302具有全部貝塔鈦體心立方體晶體結(jié)構(gòu)。在室溫下，貝塔相1008是這種合成物的熱動力 地最穩(wěn)定的狀態(tài)，該狀態(tài)為阿爾法疊加貝塔域1010。術(shù)語“快速”涉及華氏度/秒的冷卻速 率，金屬合金302可以具有該冷卻速率以避免在從貝塔溶液退火冷卻到室溫的過程中阿爾 法相的成核。抑制成核所需的速率轉(zhuǎn)化到具有不同的對流熱傳遞系數(shù)的冷卻介質(zhì)中以提供 需要的冷卻速率。這些冷卻介質(zhì)按其對流熱傳遞系數(shù)的排序如下靜止的空氣自然對流、受迫的空 氣對流、鹽浴淬火、水浴淬火和鹽水浴淬火。例如10V-2Fe-3Cr的金屬合金可能要求更嚴(yán)格 的水浴淬火以抑制其阿爾法相的成核，同時5Mo-5Al-5V-3Cr僅要求空氣淬火。所述處理將零件326的形狀324機(jī)械加工為齒輪328的期望尺寸(操作1110)。 此后，所述處理通過將零件326暴露于電磁場346而加熱處理零件326，同時以某種方式將 零件326的表面370暴露于惰性氣體358以產(chǎn)生反向熱梯度376 (操作1112)。在這種操作中，惰性氣體可以采用氬的形式。操作1110引起阿爾法相沉淀硬化。在這些說明性的示例中，齒輪328在表面370上具有H900性質(zhì)并且在齒輪328的內(nèi)部368中具有H1050性質(zhì)。齒輪328的表面370被研磨為期望尺寸(操作1114)。與操作1110中執(zhí)行的機(jī)械 加工相比，操作1114可以生成較精細(xì)的形狀和/或容差。在這些示例中，研磨執(zhí)行在齒輪 328的齒上。所述處理之后使用酸浴系統(tǒng)384將齒輪328暴露于酸388 (操作1116)。這種 操作去除了可能在操作1112中的研磨期間引起的對齒輪328的金屬損壞。進(jìn)一步地，這種 操作還去除了在操作1110中執(zhí)行的熱處理留下的氧化膜和阿爾法罩(alpha case) 0在這些示例中，酸可以是例如硝酸(HNO3)和/或氫氟酸(HF)，這些酸用于去除在 熱處理期間由于不純的惰性氣體而產(chǎn)生的任何有害的阿爾法罩或氧化物膜。在高于700華 氏度的溫度下，鈦合金可以與惰性氣體中的不純的氧氣快速而劇烈地反應(yīng)，從而以可以穩(wěn) 定被稱作阿爾法罩的表面上的鈦合金的易碎六邊形密集阿爾法相的形式溶解鈦合金的晶 格內(nèi)的氧原子。可替換地，鈦合金可以以某種方式與惰性氣體中的不純的氧氣快速而劇烈 地反應(yīng)，從而當(dāng)環(huán)境中的氧相當(dāng)豐富時，灰度氧化物(TiO2)膜可以形成在所述表面上。當(dāng)熔爐中具有空氣時，環(huán)境中的氧被認(rèn)為是相當(dāng)充足。鈦合金的易碎的阿爾法 (富氧)相形成在兩個罩的表面上。如果這種鈦合金的相不從所述表面去除，則所述組件的 延展性和斷裂韌度可能不佳。所述膜和阿爾法相通過在酸浴中溶解膜和阿爾法相而去除。這種酸浴的濃度被稀 釋從而使所述膜和阿爾法相可以被去除。在這些示例中，所述酸可以是例如硝酸(HNO3)和 /或氫氟酸(HF)。所述處理之后使齒輪328的表面370涂覆亞光黑色涂料391 (操作1118)。所述處 理之后使表面370暴露于激光射束392 (操作1120)。操作1120被執(zhí)行以將表面370置于 殘余壓力中，例如但不限于壓力393。這種殘余壓力可以減小和/或避免可能因接觸其他 齒輪而引起的老化。在這些說明性的示例中，執(zhí)行激光噴丸可以提供大約180KSI的殘余壓 力。所述處理之后使齒輪328的齒涂覆涂層396 (操作1122)。涂層396還被稱作磨損 涂層并且可以是例如但不限于物理氣相沉積氮化鈦、電鍍碳化鎳和/或高速氧燃料沉積的 碳化鎢_鈷。這種操作可以用于高速氧燃料碳化鎢_鈷涂層。所述處理之后剖光涂層396(操作1124)，之后終止所述操作。圖10和11中說明的不同操作不意味著暗示限制可以實(shí)施不同的有利實(shí)施例的方 式。所描述的不同實(shí)施例中的流程圖和框圖說明了設(shè)備和方法的一些可行實(shí)施方式的構(gòu) 造、功能和操作。這樣，流程圖和框圖中的每個框可以表示模塊、分段或部分，其包括用于實(shí) 施指定的一個或多個功能的一個或多個可執(zhí)行的操作。在一些可替換的實(shí)施方式中，在框中標(biāo)注的一個或多個功能可以以圖中標(biāo)注的順 序之外的順序發(fā)生。例如，在一些情況下，基于所需的功能，連續(xù)顯示的兩個框可以基本同 時執(zhí)行，或者所述框有時可以以相反的順序執(zhí)行。例如，在一些有利的實(shí)施例中，基于涂層的類型，剖光可能是不必須的。在其他有 利的實(shí)施例中，如果零件已被部分處理，則鑄造操作可以是不必須的，例如用于一些不太重 要的應(yīng)用的鎳基或PH不銹粉盒。作為另一個示例，在其他有利的實(shí)施例中，殘余的壓力可以使用除激光噴丸以外的其他機(jī)構(gòu)置于零件的表面上。例如但不限于，可以使用可以將組件的表面置于殘余的壓 力中的任何處理。例如但不限于，還可以使用機(jī)械工具替代激光噴丸來磨光所述表面。提出不同的有利實(shí)施例的說明以用于說明和描述目的，并且不意圖將實(shí)施例窮舉 或限制為公開的形式。許多修改和變化對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員是顯然的。雖然關(guān)于制 造齒輪說明了不同的有利實(shí)施例，但所述不同的有利實(shí)施例可以應(yīng)用于制造其他類型的零 件。其他類型的零件包括例如但不限于，軸狀物、曲軸、閥、凸輪、凸輪軸、推進(jìn)器、飛輪 和/或其他一些適當(dāng)?shù)牧慵?。進(jìn)一步地，關(guān)于用于例如直升機(jī)等飛行器的制造零件說明了 不同的有利實(shí)施例。不同的有利實(shí)施例可以應(yīng)用于除飛行器以外的其他類型的物體。例如，不同的有利實(shí)施例可以應(yīng)用于的物體例如但不限于，移動平臺、靜止平臺、 基于陸地的結(jié)構(gòu)、基于水體的結(jié)構(gòu)、基于空間的結(jié)構(gòu)、飛行器、直升機(jī)、水面艦艇、坦克、人員 運(yùn)輸車、火車、太空船、潛水艇、公共汽車、客車、賽車、賽船、壓床、傳動裝置、水壩、制造設(shè)備 和/或其他一些適當(dāng)?shù)奈矬w。
進(jìn)一步地，與其他有利實(shí)施例相比，不同的有利實(shí)施例可以提供不同的優(yōu)點(diǎn)。所選 定的一個或多個實(shí)施例被選擇和說明以便最好地解釋實(shí)施例的原理、實(shí)際的應(yīng)用、并且促 使本領(lǐng)域的其他普通技術(shù)人員理解適于預(yù)期的特定應(yīng)用的具有多種修改的不同實(shí)施例的 公開。
權(quán)利要求
一種用于制造零件的方法，該方法包括定位包含金屬合金的所述零件以形成定位零件；生成電磁場以加熱所述定位零件；以及將所述定位零件的表面暴露于惰性氣體，同時生成所述電磁場以在所述定位零件的外部區(qū)段和所述定位零件的內(nèi)部區(qū)段之間產(chǎn)生反向熱梯度，從而形成熱處理零件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述電磁場生成的頻率從大約1赫茲至大約 10，OOO 赫茲。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述熱處理零件具有分級沉淀硬化的微結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述定位步驟包括將所述零件置于腔室內(nèi)側(cè)，其中所述腔室內(nèi)設(shè)置有生成所述電磁場的感應(yīng)線圈以及冷 卻環(huán)歧管。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述零件是齒輪，并且其中所述頻率基于所述齒 輪的深度而選擇。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其進(jìn)一步包括通過在所述零件的所述表面上執(zhí)行激光噴丸將所述熱處理零件的所述表面置于壓力中。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其進(jìn)一步包括在所述零件的所述表面上沉積涂層包括選擇自物理氣相沉積氮化鈦、電鍍碳化鎳和高 速氧燃料沉積的碳化鎢_鈷中的一種材料。
8.一種設(shè)備，其包括腔室；感應(yīng)線圈，其能夠生成位于所述腔室中的電磁場；以及具有冷卻環(huán)歧管的氣體傳輸系統(tǒng)，該氣體傳輸系統(tǒng)可以連續(xù)地將惰性氣體傳輸?shù)剿?腔室中的零件的表面上，同時生成所述電磁場，從而在所述零件中建立反向熱梯度。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其中所述氣體傳輸系統(tǒng)的冷卻環(huán)歧管包括指向所述零 件的多個噴嘴。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其進(jìn)一步包括電力單元，其能夠生成電流，該電流使得所述感應(yīng)線圈生成所述電磁場，該電磁場的頻 率能夠在所述零件的內(nèi)部區(qū)段中產(chǎn)生渦流。
全文摘要
用于傳動齒輪應(yīng)用的硬化鈦結(jié)構(gòu)，提供一種用于制造零件的方法和設(shè)備。所述零件包含金屬合金并且被定位以形成定位零件。電磁場生成以加熱定位零件。所述定位零件的表面暴露于惰性氣體，同時生成電磁場以在定位零件的外部區(qū)段和定位零件的內(nèi)部區(qū)段之間產(chǎn)生反向熱梯度，從而形成熱處理零件。
文檔編號C21D1/10GK101798667SQ20101011478
公開日2010年8月11日 申請日期2010年2月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月11日
發(fā)明者B·L·柯克伍德, M·R·馬采恩, T·申, W·B·克羅 申請人:波音公司