專利名稱：一種制造在高溫時具有提高的延展性的鈷鉻鉬合金燒結(jié)元件的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種制造在高溫時具有提高的延展性的鈷鉻鉬合金元件的方法，尤其 涉及通過粉末燒結(jié)添加劑方式制得的元件。更具體地，本發(fā)明涉及一種處理方法，該方法用 于使此類元件在航空業(yè)用途、例如用作發(fā)動機部件時，其機械性能最佳化。
背景技術：
鈷鉻鉬合金因其良好的機械特性(硬度，抗壓強度)及抗腐蝕性而廣為人知，因此 在全歐洲的生物醫(yī)學界非常流行，尤其用作制造假肢和牙體植入材料。在所述領域，所述合 金的使用遵循美國材料與試驗協(xié)會(ASTM)F75標準及IS05832標準。然而，通過鑄造鈷鉻鉬合金所得到元件普遍存在微結(jié)構(gòu)缺陷，該缺陷與碳化物的 偏析及材料的多孔性有關，可導致局部腐蝕現(xiàn)象，以及其機械特性的日趨衰退。為了克服所述缺陷，研發(fā)了基于粉末燒結(jié)添加劑的“快速制造”技術。例如，美國專利2006157892公開了一種利用電子束粉末燒結(jié)層制造立體元件的 方法。另外，美國專利2009152771公開了一種利用激光粉末燒結(jié)制造立體元件的方法。航空業(yè)中所使用的元件需要具備高耐磨性和高耐熱性，而鈷鉻鉬合金在常規(guī)使 用溫度下恰好具備這些特點，因此，鈷鉻鉬合金元件在航空業(yè)中使用的可能性尤為引人關 注。然而，迄今為止，還不可能將基于粉末燒結(jié)添加劑的技術拓展到航空業(yè)的應用中。其 原因是，在室溫下，由所述方法制得的元件呈現(xiàn)出良好的硬度和機械特性，但當暴露在高溫 (800°C左右)、即航空發(fā)動機元件的常規(guī)工作溫度時，將變得極其易碎。事實上，在上述領域中最具應用潛力的鈷鉻鉬合金除了含有鉻和鉬之外，還含有 相當數(shù)量的碳。這三種元素的同時存在將引起碳化物的形成，一方面，該碳化物有助于形成 材料的高硬度和良好的機械特性，但另一方面，當該碳化物在晶界析出時，將導致材料的脆 裂。碳化物的析出在熱力學上是希望獲得的，尤其在航空業(yè)的應用溫度范圍。粉末燒結(jié)制造系統(tǒng)的主要使用者提出，對燒結(jié)元件進行熱處理，以克服這一缺陷。例如提出，對由激光粉末燒結(jié)制得的鈷鉻鉬合金元件在1050°C進行2個小時的應 力消除熱處理，該處理的首要目的是將元件的內(nèi)應力減為最小，因而將元件的張力減為最 小(該張力為不希望存在的，尤其當元件具有復雜的幾何形狀時)。在應力消除的過程中，碳化物在晶界析出，因此，這種熱處理降低了元件的機械阻 力、屈服性和極限伸長率。所述現(xiàn)象在700°C到1000°C溫度范圍內(nèi)尤其明顯。當溫度進一 步升高時，例如升至1050°C時，將引起碳化物的增溶，同時減輕脆化效應；但另一方面，在 使用中，無法阻止這些碳化物通過其它不受控制的方式再次沉淀。也就是說，如果旨在提高 粉末燒結(jié)制得的鈷鉻鉬合金元件的機械特性，則不建議采用這種熱處理方式。另外，須強調(diào)的是，所述情形還未將元件暴露在高溫下、如航空業(yè)應用的常規(guī)溫度 中的可能性考慮在內(nèi)。此外，還提出了對燒結(jié)制得的元件進行熱等靜壓壓縮(業(yè)內(nèi)稱HIPing技術，取HotIsostatic Pressing的首字母縮寫，即HIP)處理，旨在使材料均質(zhì)化，以降低脆度。這 實際上是獲得了結(jié)構(gòu)上各同向性的再結(jié)晶材料，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)不含可見碳化物。盡管所述處理在一方面顯著地提高了材料的極限伸長率，然而，該處理使得材料 的機械特性相比燒結(jié)材料明顯降低，還增加了制造成本。另外，所述處理能有效地獲得碳化物的溶解，但是，當材料暴露在高溫使用條件下 時，所述處理無法控制隨后的沉淀。即，所述處理只對較低溫度時使用的元件有用，這種 較低溫度是指低于碳化物再次沉淀的溫度范圍的溫度，所述碳化物再析出溫度范圍為約 700°C 到 1000°C之間。因此，需要提供一種制造鈷鉻鉬合金元件的方法，以克服現(xiàn)有技術方案的缺陷。此外，對于航空業(yè)，尤其需要一種制造鈷鉻鉬合金元件的方法，以優(yōu)化元件在適于 航空應用的溫度(接近800°C)時的機械特性，特別是降低脆度、提高延展性和高溫時的屈 服性方面。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，提供一種用于制造鈷鉻鉬合金元件的方法，該方法能滿足上述 至少一項需求，操作簡單且成本低廉。通過本發(fā)明可實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明涉及一種用于制造鈷鉻鉬合金元件的方法， 所述元件在800°C時的平均極限伸長率大于10%，在800°C時的平均屈服載荷大于400Mpa， 該方法包括以下步驟a)通過粉末燒結(jié)添加劑方式獲得鈷鉻鉬合金的燒結(jié)元件，該燒結(jié)元件包含在熔融 基質(zhì)內(nèi)呈不規(guī)則分布的各種碳化物；b)在1100°C到1300°C之間對燒結(jié)元件進行至少2小時的第一次熱處理，使所述碳 化物增溶，以形成增溶中間產(chǎn)物；c)以至少等同于在空氣中時的冷卻速率對所述增溶中間產(chǎn)物進行冷卻，以形成冷 卻后的中間產(chǎn)物；d)對所述冷卻后的中間產(chǎn)物在700°C到1000°C溫度范圍內(nèi)進行第二次熱處理，以 獲得所述元件的碳化物的均勻、精細的再析出。


為更好地理解本發(fā)明，以下將結(jié)合優(yōu)選實施例進行說明，該優(yōu)選實施例并不構(gòu)成 對本發(fā)明的限制，其中

如下圖1為鈷鉻鉬合金燒結(jié)元件的形態(tài)學顯微照片；圖2為圖1中的燒結(jié)元件經(jīng)本發(fā)明的方法中的步驟a)，b)和c)處理后獲得的中 間產(chǎn)物的形態(tài)學顯微照片(在1220°C進行了 4小時的增溶及冷卻后)；圖3為鈷鉻鉬合金燒結(jié)元件經(jīng)本發(fā)明的方法的步驟d)處理后的形態(tài)學顯微照片 (在1220°C進行4小時的增溶，接著冷卻，隨后在815°C進行10小時的處理)。
具體實施例方式根據(jù)本發(fā)明的方法，首先對鈷鉻鉬合金以粉末燒結(jié)添加劑的方式進行燒結(jié)，以獲得燒結(jié)元件，優(yōu)選地為通過激光燒結(jié)或電子束燒結(jié)方式。考慮到多元件系統(tǒng)處于轉(zhuǎn)變，燒結(jié) 的操作條件決定了熔基基質(zhì)，合金的其它主要成分的碳化物分布在熔基基質(zhì)中——更多的 是鉻和鉬碳化物——由不規(guī)則和不受控的析出引起。圖1的顯微照片定性地顯示了燒結(jié)元 件的微觀結(jié)構(gòu)。對制得的燒結(jié)元件進行第一次熱處理，使碳化物在1100°C到1300°C溫度范圍內(nèi) 增溶。當溫度低于1100°C時，碳化物的溶解和合金中元素的分散將無法達到符合要求的條 件。另一方面，當溫度高于1300°c時，結(jié)晶顆粒將過大，并且，燒結(jié)元件可能會受到進行熱處 理的熔爐的爐壁及所使用的工具的污染。增溶處理至少要在高溫下進行2小時，優(yōu)選地為至少4小時，以便碳化物充分增 溶，構(gòu)成合金的元素充分相互擴散。優(yōu)選地，對燒結(jié)元件進行熱處理的溫度為1200°C到1250°C之間，更優(yōu)選的溫度為 1220°C 左右。盡管加熱速率不是影響處理后的材料的最終特性的基本參數(shù)，然而優(yōu)選地，尤其 對于具有復雜的幾何形狀的燒結(jié)元件來說，在溫度增加時有一個或兩個停頓，例如兩個，以 獲得燒結(jié)元件中均勻的溫度分布，并因此降低形變的可能性。通過增溶步驟，獲得了增溶中間產(chǎn)物。根據(jù)本發(fā)明，接著對所述增溶中間產(chǎn)物以至少等同于在空氣中時的冷卻速率進行 冷卻換而言之，冷卻速率必須足夠高，以防止碳化物再析出。在實際使用中，考慮到上 述增溶熱處理的溫度、因此產(chǎn)生的處理后元件的熱應力以及熔爐本身的結(jié)構(gòu)，冷卻的第一 步驟優(yōu)選地在熔爐中、無風的空氣里進行，例如，將溫度降低至iioo°c以下，隨后在冷卻氣 流中進行冷卻步驟。為了抑制氧化現(xiàn)象，尤其當成品元件上應用了過量的金屬時，優(yōu)選地為在惰性氣 氛中進行操作(真空、氬氣等)。上述增溶熱處理使材料的結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大的改變，通過對比圖1和圖2中的顯微 照片清晰可見圖2示意了冷卻后的中間產(chǎn)物的微觀結(jié)構(gòu)，該中間產(chǎn)物由圖1中的燒結(jié)元件 在1220°C進行了 4小時處理后獲得。根據(jù)本發(fā)明的方法，接著對冷卻后的中間產(chǎn)物進行第二次熱處理，具體為加熱到 700到1000°C之間，優(yōu)選地為800°C到850°C，更優(yōu)選地為約815°C。該第二次熱處理的有益之處在于，使得先前溶在合金基質(zhì)中的碳化物形成了可控 的、均勻的析出。獲得受控的、均勻的析出的必需時間與處理溫度有關，且通常與溫度成反比。因 此，根據(jù)本發(fā)明的第二次熱處理的持續(xù)時間為5到15小時，并且，在大約815°C的最佳處理 溫度時，處理時間優(yōu)選地為10小時左右。同樣地，對于該第二次熱處理，為了限制氧化現(xiàn)象，優(yōu)選地為在惰性氣氛中進行操 作(真空、氬氣等)。另外，從圖3的顯微照片中還可看出，再析出的碳化物在微觀結(jié)構(gòu)層面具有高純度。第二次熱處理之后，進行進一步的冷卻步驟。
通過本發(fā)明的方法獲得的鈷鉻鉬合金元件在適于航空業(yè)的高溫使用條件下具有改進的性能。特別地，這種元件在800°C時的平均極限伸長率大于10%，在800°C時的平均 屈服載荷大于400Mpa。通過一個體現(xiàn)本發(fā)明的處理方法的特點的實施例，以及由該方法本身制得的元件，本發(fā)明的優(yōu)點清晰可見。特別地，按照本發(fā)明的方法制得的元件，在800°C左右時延展性明顯提高，從以下 的實施例分析中清楚可見。實施例1選用一種市售合金(EOS鈷鉻MPl)，其組成成分為Co占60%到65%，Cr占26% 到30%，Mo占5%到7%，C占0. 16%，采用激光技術，對直徑為12mm、長度為IOOmm的圓柱 形樣本進行燒結(jié)。根據(jù)本發(fā)明對獲得的樣本進行處理，并測量其在室溫下以及隨后的高溫持續(xù)曝露 下的相應的機械性能。將所述測試與在未經(jīng)任何熱處理的元件上進行的類似測試的結(jié)果進 行對比，所述未經(jīng)任何熱處理是指，只經(jīng)過碳化物的增溶處理和隨后的冷卻步驟處理，即本 發(fā)明的步驟a)和步驟b)。下面的表1具體給出了根據(jù)美國材料與試驗協(xié)會E8M-08標準，在室溫下的測試過 程中獲得的數(shù)據(jù)-元件I燒結(jié)元件；-元件II燒結(jié)元件，進行了使碳化物增溶的熱處理(在1220°C進行了 4小時)并 冷卻；-元件III對元件II進一步進行了熱處理，獲得碳化物的可控析出(在815°C進 行了 10小時)。表 權利要求
一種制造鈷鉻鉬合金元件的方法，所述元件在800℃時的平均極限伸長率大于10％，在800℃時的平均屈服載荷時大于400Mpa，所述方法包括以下步驟a)通過粉末燒結(jié)添加劑方式獲得鈷鉻鉬合金的燒結(jié)元件，該燒結(jié)元件包含在熔融基質(zhì)內(nèi)呈不規(guī)則分布的碳化物；b)在1100℃到1300℃之間對燒結(jié)元件進行至少2小時的第一次熱處理，使所述碳化物增溶，以形成增溶中間產(chǎn)物；c)以至少等同于在空氣中時的冷卻速率對所述增溶中間產(chǎn)物進行冷卻，以形成冷卻后的中間產(chǎn)物；d)對所述冷卻后的中間產(chǎn)物在700℃到1000℃溫度范圍內(nèi)進行第二次熱處理，以獲得所述元件的碳化物的均勻、精細的再析出。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟b)的處理時間為至少4小時。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟b)的處理溫度為1200°C到 1250°C之間。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述冷卻步驟c)包括冷卻的第一步驟，所 述第一步驟在例如熔爐中進行，以使溫度降到iioo°c以下，還包括冷卻的第二步驟，所述第 二步驟在冷卻氣流中進行。
5.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟d)的處理溫度為800°C到830°C 之間。
6.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟d)的處理時間為5到15小時之間。
7.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述元件為渦輪氣體燃燒室的一部分。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制造鈷鉻鉬合金元件的方法，所述元件在800℃時的平均極限伸長率大于10％，在800℃時的平均屈服載荷時大于400Mpa，該方法包括以下步驟a)通過粉末燒結(jié)添加劑方式獲得鈷鉻鉬合金的燒結(jié)元件，該燒結(jié)元件包含在熔融基質(zhì)內(nèi)呈不規(guī)則分布的各種碳化物；b)在1100℃到1300℃之間對燒結(jié)元件進行至少2小時的第一次熱處理，使所述碳化物增溶，以形成增溶中間產(chǎn)物；c)以至少等同于在空氣中時的冷卻速率對所述增溶中間產(chǎn)物進行冷卻，以形成冷卻后的中間產(chǎn)物；d)對所述冷卻后的中間產(chǎn)物在700℃到1000℃溫度范圍內(nèi)進行第二次熱處理，以獲得所述元件。
文檔編號C22C1/05GK101988161SQ20101024980
公開日2011年3月23日 申請日期2010年8月2日 優(yōu)先權日2009年7月31日
發(fā)明者吉歐凡尼·保羅·薩農(nóng) 申請人:Avio有限公司