專利名稱：耐疲勞的鑄造鈦合金物品的制作方法
技術領域：
本披露總體上所涉及的領域包括鈦合金、形成鈦合金的方法、以及由鈦合金形成的物品。
背景技術：
鈦合金由于其高的強度重量比、優(yōu)異的機械特性、以及較高的耐腐蝕性在正常的以及高要求的應用中的使用十分受歡迎。但是經驗表明了處于鍛造形式的鈦合金(例如， 由棒料鍛造或軋制的那些)與當它們通過其他的成型技術(例如鑄造或粉末冶金術)來形成時相比總體上呈現(xiàn)出更大的疲勞強度。因此可能有益的是辨別出鈦合金以及用于鑄造這些合金的步驟，這樣完成的鑄造物品復制了或至少有利地比得上處于鍛造形式的相同物品的疲勞行為。

發(fā)明內容
本發(fā)明的一個示例性實施方案可以包括一種產品，該產品包括一個壓縮機葉輪， 該壓縮機葉輪是已經使用迅速的淬火熱處理過的以用于一個車輛的渦輪增壓器中，該渦輪增壓器壓縮了空氣并且將其供應到一個內燃發(fā)動機的一個進氣歧管中。該壓縮機可以由一種鑄造的鈦合金組成，該鈦合金具有的標稱組成包括約5. 5質量百分比至6. 63質量百分比的鋁、約3. 5質量百分比至4. 5質量百分比的釩、約1. 0質量百分比至約2. 5質量百分比的鉻、最大值為0. 50質量百分比的鐵、約0. 06質量百分比至約0. 12質量百分比的硅、最大值為0. 5重量百分比的N、最大值為0. 015重量百分比的H、最大值為0. 15重量百分比的C、以及至少80質量百分比或余量的鈦。本發(fā)明的另一個示例性實施方案可以包括一種產品，該產品包括一個用于車輛的渦輪增壓器的壓縮機葉輪，該壓縮機葉輪包括一個輪轂、一個基部、以及多個空氣動力學波紋狀輪廓的葉片。該壓縮機葉輪已經使用一種快速淬火進行了熱處理并且具有的標稱組成是約5. 5質量百分比至6. 63質量百分比的鋁、約3. 5質量百分比至4. 5質量百分比的釩、 約1. 0質量百分比至約2. 5質量百分比的鉻、約0. 06質量百分比至約0. 12質量百分比的硅、以及至少80質量百分比或余量的鈦。該壓縮機葉輪還可以具有的微結構包括在一個β 片狀基體中的一次α片晶以及二次α片晶的一個雙片狀分布。本發(fā)明的另一個示例性實施方案可以包括由以下步驟制造的一種產品，這些步驟包括使用一種鈦合金來熔模鑄造一個預先確定形狀的物品，將該物品進行熱等靜壓，加熱該物品，使該物品快速淬火，并且將該物品退火，該鈦合金具有的標稱組成是約5. 5質量百分比至6. 63質量百分比的鋁、約3. 5質量百分比至4. 5質量百分比的釩、約1. 0質量百分比至約2. 5質量百分比的鉻、最大值為0. 50質量百分比的鐵、約0. 06質量百分比至約0. 12 質量百分比的硅、以及至少80質量百分比或余量的鈦。
本發(fā)明的另一個示例性實施方案可以包括一種方法，該方法包括使用一種鈦合金來鑄造一個渦輪增壓器的壓縮機葉輪，該壓縮機葉輪包括一個輪轂、一個基部、以及多個空氣動力學波紋輪廓的葉片，該鈦合金具有的標稱組成包括約5. 5質量百分比至6. 63質量百分比或3. 5質量百分比至小于6. 0質量百分比的鋁、約3. 5質量百分比至4. 5質量百分比的釩、約1. 0質量百分比至約2. 5質量百分比的鉻、最大值為0. 50質量百分比的鐵、約0. 06 質量百分比至約0. 12質量百分比的硅、以及至少80質量百分比或余量的鈦。該方法還包括將該鑄造的壓縮機葉輪加熱到高于該鈦合金的β轉變溫度的一個溫度，使得該壓縮機葉輪具有一個基本上β相的晶體微結構。此外，該方法可以包括將該壓縮機葉輪從高于該鈦合金的β轉變溫度的一個溫度快速冷卻到低于該β轉變溫度的一個溫度，其冷卻速率足以為該壓縮機葉輪提供一個雙片狀微結構，該微結構包括在一個β片狀基體中的一次 α片晶以及二次α片晶。從以下所提供的詳細的說明中本發(fā)明的其他示例性實施方案會變得清楚。應該理解，詳細的說明和具體的實例(雖然表明了本發(fā)明的一個或多個示例性實施方案)是旨在僅用于說明的目的而并非旨在限制本發(fā)明的范圍。


從詳細的說明以及這些附圖中將會更加全面地理解本發(fā)明的多個示例性實施方案，在附圖中圖1是根據本發(fā)明的一個實施方案的一個車輛的渦輪增壓器的壓縮機葉輪。圖2是一個顯微照片，示出了圖1的壓縮機葉輪的輪轂的截面切口的微結構。圖3是一個顯微照片，示出了圖1的壓縮機葉輪的葉片之一的截面切口的微結構。圖4是描繪了用于形成圖1的壓縮機葉輪的一些步驟的流程圖。圖5是根據本發(fā)明的一個實施方案的一種鈦合金的平衡相圖的相關部分的示意性圖示。
具體實施例方式以下對這種或這些實施方案的說明在本質上僅是示例性的而決非旨在限制本發(fā)明、其應用、或用途。某些鍛造的鈦合金物品的疲勞強度允許它們被用于許多高要求的應用中，例如除其他之外會遇到高應力、嚴酷的環(huán)境以及升高的溫度的那些應用。但是有時候具有較復雜的形狀或表面輪廓的物品不適合于以鍛造的形式形成。這通常是這樣的，因為這種物品的復雜的形狀不能夠在可接受的公差內精確地進行制造，或者因為要求這樣做的時間以及金錢的投資是高得難以接受的。然而鑄造技術的使用可以減少與形成具有復雜的形狀的物品相關聯(lián)的一些困難。但是如之前簡單涉及的，鑄造的鈦合金物品的疲勞強度總體上不如其鍛造的對應物那樣顯著。已經辨別出了一種可以克服這些以及其他相關問題的特殊鈦合金。這種鈦合金 (在下文中簡稱為TiA16V4Cr2)具有的標稱的組成為約5. 5質量百分比至約6. 63質量百分比的鋁(Al)、約3. 0質量百分比至約4. 5質量百分比的釩(V)、約1. 0質量百分比至約 2. 5質量百分比的鉻(Cr)、約最大值為0. 50質量百分比的鐵(Fe)、約0. 15質量百分比至
5約0. 25質量百分比的氧(0)、約0.06質量百分比至約0.12質量百分比的硅(Si)、以及除了一些可允許的雜質之外至少80質量百分比或余量的鈦(Ti)。最值得注意地，這些雜質可以包括最大值為0.08質量百分比的碳(C)、最大值為0.04質量百分比的錳(Mn)、最大值為0.04質量百分比的氮(N)、以及最大值為0.015質量百分比的氫(H)。在一個實施方案中，在該合金中TI的量值可以范圍是從85. 405質量百分比-89. 79質量百分比。這種鈦合金被認為是從環(huán)境溫度到至少370°C是β較豐富的α+β鈦合金，這部分地是由于釩 (β-同晶形元素)以及鉻(不活潑的共析合金元素)的β穩(wěn)定作用。在圖5中展示了 TiA16V4Cr2的平衡相圖的相關部分的示意性圖示。試驗以及分析還指示了 TiA16V4Cr2 可以被鑄造成多種物品(具有單一的亦或復雜的形狀)這些物品呈現(xiàn)出較高的疲勞強度。 例如，此類TiA16V4Cr2鑄造物品可以復制類似于鍛造的TiA16V4物品的疲勞行為，因為這兩種類型的物品均超過了對于高循環(huán)耐疲勞性的許多閾值工作要求。不受理論的限制，據信一種特殊的微結構對于為該鑄造的TiA16V4Cr2物品提供這種較高的疲勞強度特性負責。這種微結構可以被描述為在一個β片狀基體(體心立方晶相)中的具有一次以及二次α片晶(密排六方晶相)的一種雙片狀分布。該一次α片晶類似于較大并且超長的“針狀”晶粒。然而，該二次α片晶是更小的、精細尺寸的晶粒， 這些晶粒是遍及該β片狀基體的在這些更大的α片晶之間隨機地分布的。這些二次的α 片晶可以起到多種有用的作用。例如，它們可以使該β片狀基體硬化，這進而可以減小跨過這些α群的有效的滑移長度并且還對于微裂縫蔓延產生了較有效的阻擋。像這樣，可行的是利用在對Ti6A14V經常保留的應用中從已知的鑄造技術用TiA16V4Cr2鑄造的物品以及其他實質上耐疲勞的鍛造的鈦合金物品。這種合金物品可以用較純的金屬組分制備或者可以將廢料Ti6A14V進行再加熱其中加入鉻和硅以及其他所希望的元素。這些金屬、廢料材料以及另外的元素能以不同的方式進行加熱，包括但不限于煤氣爐或電爐、或通過真空電弧再熔。鑄造的物品可以通過不同的方法制造，包括但不限于使用離心機輔助的真空鑄造或通過在真空中的重力鑄造。剛剛描述的這種雙片狀微結構可以通過將該鑄造的TiA16V4Cr2物品從高于其β 轉變溫度的一個溫度快速冷卻到在其α+β相區(qū)內的一個溫度而形成。適當的快速冷卻技術包括但不限于水淬以及高壓氬氣冷卻。應該指出這種鑄造的物品可以在其被快速冷卻之前以及之后經受多種處理。例如，該鑄造的物品可以在快速冷卻之前經受熱等靜壓以通過減小該鑄造的物品的內部孔隙率而將其硬化。而且，該鑄造的物品可以在快速冷卻之后進行退火以除去可能由晶體缺陷(例如位錯)而引起的任何內應力。鑄造領域的普通技術人員會知道并且理解在鑄造一個寬范圍的物品中所涉及的不同步驟、連同對于這些步驟的這些工藝參數或者怎樣獲得這些參數，這樣在此處沒有必要對許多不同的鑄造技術以及許多可以在該快速冷卻步驟之前以及之后進行的不同處理進行詳細說明?，F(xiàn)在參見圖1-4，在此示出了用TiA16V4Cr2鑄造的物品的一個具體的并且示例性的實施方案，這種物品呈現(xiàn)出了以上提到的雙片狀微結構。例如，如圖1所示，該鑄造的物品可以是一個用于車輛的渦輪增壓器中的壓縮機葉輪10以幫助壓縮新鮮的空氣并且將其以一個增加的壓力供應到車輛的內燃發(fā)動機的一個進氣歧管中。在該進氣歧管內這種增加的空氣壓力允許更大的空氣體積通過所關聯(lián)的進氣閥門而被吸入到該發(fā)動機汽缸中用于通過對應地增加量的燃料而燃燒；其結果是該車輛內燃發(fā)動機的功率以及扭矩輸出的提尚O在一種典型的渦輪增壓器安排中，該壓縮機葉輪10被封閉在一個壓縮機殼體內并且安裝到一個可轉動的軸(未示出)的一端。如圖1所示，該壓縮機葉輪總體上包括一個輪轂12、一個基部14、以及多個空氣動力學波紋輪廓的葉片16。該輪轂12的形狀可以是環(huán)形的以限定一個軸向孔18用于接收最終驅動該壓縮機葉輪10的這個可轉動的軸。該基部14可以與該輪轂12相反軸向地定位并且可以是盤狀的并且直徑更大的。該輪轂12以及該基部14可以是一體連接的；即，該輪轂12通過沿著該壓縮機葉輪10的軸向長度以一種帶槽的或成角度的方式徑向向外延伸而過渡到基部14。該多個空氣動力學波紋輪廓的葉片 16可以向外伸出并且圍繞該輪轂12與該基部14之間的過渡輕微地環(huán)圓周地包繞。它們還可以呈現(xiàn)出一種精確的并且復雜的彎曲，該彎曲總體上沿著一種“S形”的輪廓從接近該輪轂12開始并且在接近該基部14結束。這種彎曲被設計為當該壓縮機葉輪10旋轉時實現(xiàn)至少幾個目的。首先，每個葉片16的引導邊緣20抓取了正在進入的空氣并且使其朝向該壓縮機葉輪10的基部14軸向移動。其次，每個葉片16的一個中間部分22將空氣流的方向從軸向改變到徑向，并且同時以高速度加速了這種環(huán)圓周圍繞該壓縮機葉輪10的空氣。 最后，每個葉片16的一個尾隨邊緣M以增加的壓力將空氣從該壓縮機葉輪10中推出。這種高壓空氣流然后直接地亦或間接地被遞送到該進氣歧管中，這取決于該空氣是否首先穿過了一個中冷器。應指出，在這一點上，在圖1中示出的壓縮機葉輪10經受了許多技術人員可能從事的設計更改并且因此替代的配置也是有可能的。例如，如在共同轉讓的美國專利號6，904，949中說明的，圖1中示出的壓縮機葉輪被設計為在某種程度上幫助來提高其鑄造性。然而許多其他的壓縮機葉輪設計，適合于通過許多種已知的鑄造技術而形成。為了使該壓縮機葉輪轉動，這樣它能以這種方式起作用，可以將封閉在一個渦輪機殼體內的渦輪機葉輪安裝到該旋轉軸的相反端上?？梢詫⒁粋€發(fā)動機排氣流可控制地加入到該渦輪機殼體內，在那里它被該渦輪機葉輪捕獲從而使其以約80，000至250，000RPM 的速度旋轉，以便使熱的排氣從該渦輪機殼體逃逸并且繼續(xù)流動穿過該車輛的排氣系統(tǒng)。 該渦輪機葉輪的速度可以由一個廢氣門致動器控制，該廢氣門致動器允許一部分的排氣流在該進氣歧管內的空氣壓力達到一個預先設定的最大值時繞過該渦輪機殼體。此外，連接該壓縮機葉輪10以及該渦輪機的可旋轉的軸可以由一個軸承系統(tǒng)(例如流體潤滑的軸承系統(tǒng))懸掛著，以允許該軸以這些較高的速度以最小的能量損失(由于摩擦)進行旋轉?，F(xiàn)在參見圖2和3，可以看到該鑄造的TiA16V4Cr2壓縮機葉輪10的雙片狀微結構。圖2是輪轂12截面的并且放大500倍時的顯微照片，示出了 β片狀(顏色更黑的基體)、一次α片晶(顏色更淺的并且更長的針狀的段)、以及在該一次的α片之間分布的二次α片(更小的、顏色更淺的斑點或片段)。圖3是空氣動力學波紋輪廓的葉片16之一截面的并且放大了 500倍的顯微照片，示出了與輪轂12內發(fā)現(xiàn)的類似的雙片狀微結構。某些機械以及疲勞強度特性還可以表明該壓縮機葉輪10已經實現(xiàn)了圖2和3內示出的雙片狀微結構，倘若該葉輪10的微結構的顯微照片不能獲得的話。與圖2和3相關聯(lián)的雙片狀微結構的機械特性在以下表1中示出。這些特性對應于在一個具有兩英寸量規(guī)長度的圓形樣品上所進行的ASTM E 8程序(金屬材料拉伸測試標準試驗方法)。表 權利要求
1.一種產品，包括一個用于車輛的渦輪增壓器的、熱處理過的并且快速淬火過的壓縮機葉輪，該壓縮機葉輪包括一個輪轂、一個基部以及多個空氣動力學波狀輪廓的葉片，該壓縮機葉輪具有的標稱組成是約5. 5質量百分比至6. 63質量百分比的鋁、約3. 5質量百分比至4. 5質量百分比的釩、約1. 0質量百分比至約2. 5質量百分比的鉻、最大值為0. 50質量百分比的鐵、約 0. 06質量百分比至約0. 12質量百分比的硅、以及至少80質量百分比的鈦；并且其中該壓縮機葉輪具有的微結構包括在一個β片狀基體中的一次α片晶以及二次α 片晶的一個雙片狀分布。
2.如權利要求1所述的產品，其中該壓縮機葉輪進一步包括的雜質為高達約0.08 質量百分比的碳、高達約0. 08質量百分比的錳、高達約0. 04質量百分比的氮、以及高達約 0. 013質量百分比的氫，其中余量是鈦。
3.如權利要求1所述的產品，其中該壓縮機葉輪包括約980MPa的最小拉伸強度、當以 0. 2%的殘余變形測量時約880MPa的最小屈服強度、以及約8%的最小伸長率。
4.如權利要求1所述的產品，其中該輪轂限定了一個軸向孔，該軸向孔接收了一個軸的一端，該軸的另一端由一個渦輪機葉輪接收，該渦輪機葉輪的至少一部分位于一個發(fā)動機排氣流內以使該渦輪機葉輪以及該壓縮機葉輪旋轉。
5.一種通過以下步驟制成的產品，這些步驟包括使用一種鈦合金來熔模制造一個具有預先確定形狀的物品，這種鈦合金具有的標稱組成是約5. 5質量百分比至6. 63質量百分比的鋁、約3. 5質量百分比至4. 5質量百分比的釩、 約1. 0質量百分比至約2. 5質量百分比的鉻、最大質量百分比的鐵、約0. 06質量百分比至約0. 12質量百分比的硅、以及至少80質量百分比的鈦；將該物品在一個預先確定的溫度以及壓力下進行熱等靜壓持續(xù)一個預先確定的時間段；將該物品加熱到高于與該鈦合金相關聯(lián)的β轉變溫度的一個溫度；將該物品從高于該β轉變溫度的溫度快速冷卻到低于該β轉變溫度并且在與該鈦合金相關聯(lián)的α+β相區(qū)內的一個溫度；并且使該物品在與該鈦合金相關聯(lián)的α+β相區(qū)內的一個溫度下退火。
6.如權利要求5所述的產品，其中該熱等靜壓步驟包括將該物品在約885°C至約913°C 的溫度下、在不小于1000巴的壓力下熱等靜壓約二至約四小時。
7.如權利要求5所述的產品，其中該熱等靜壓步驟包括將該物品在約940°C至約968°C 的溫度下、在不小于1000巴的壓力下熱等靜壓約二至約四小時。
8.如權利要求5所述的產品，其中該快速冷卻步驟包括將該物品以一個足以為該物品提供一個雙片狀微結構的冷卻速率進行冷卻，該微結構包括在一個β片狀基體中的一次 α片晶以及二次α片晶。
9.如權利要求5所述的產品，其中該退火步驟包括使該物品在約550°C退火約八小時。
10.如權利要求5所述的產品，其中該物品在快速冷卻步驟之后，包括約980MPa的最小拉伸強度、當以0. 2%的殘余變形測量時約890MPa的最小屈服強度、以及約8%的最小伸長率。
11.一種產品，包括一個用于車輛的渦輪增壓器的、熱處理過的并且快速淬火過的壓縮機葉輪，該渦輪增壓器壓縮了空氣并且將其供應到一個內燃發(fā)動機的進氣歧管中，該壓縮機葉輪由一種鑄造的鈦合金組成，該鈦合金具有的標稱組成包括約5. 5質量百分比至6. 63質量百分比的鋁、 約3. 5質量百分比至4. 5質量百分比的釩、約1. 0質量百分比至約2. 5質量百分比的鉻、最大值為0. 50質量百分比的鐵、約0. 06質量百分比至約0. 12質量百分比的硅、以及余量的鈦。
12.如權利要求11所述的產品，其中該鑄造的鈦合金進一步包括的雜質為高達約 0. 08質量百分比的碳、高達約0. 08質量百分比的錳、高達約0. 04質量百分比的氮、以及高達約0.013質量百分比的氫。
13.一種方法，包括使用一種鈦合金來鑄造一個渦輪增壓器的壓縮機葉輪，該壓縮機葉輪包括一個輪轂、 一個基部以及多個空氣動力學波紋輪廓的葉片，該鈦合金具有的標稱組成包括約5. 5質量百分比至6. 63質量百分比的鋁、約3. 5質量百分比至4. 5質量百分比的釩、約1.0質量百分比至約2. 5質量百分比的鉻、最大值為0. 50質量百分比的鐵、約0. 06質量百分比至約0. 12 質量百分比的硅、以及至少80質量百分比的鈦；將該壓縮機葉輪加熱到高于該鈦合金的β轉變溫度的一個溫度，使得該壓縮機葉輪具有一個基本上β相的晶體微結構；并且將該壓縮機葉輪從高于該鈦合金的β轉變溫度的一個溫度快速冷卻到低于該β轉變溫度的一個溫度，其冷卻速率為足以為該壓縮機葉輪提供一個雙片狀微結構，該雙片狀微結構包括在一個β片狀基體中的一次α片晶以及二次α片晶。
14.如權利要求13所述的方法，其中鑄造該渦輪增壓器的壓縮機葉輪包括將該渦輪增壓器的壓縮機葉輪進行熔模制造。
15.如權利要求13所述的方法，進一步包括在鑄造之后但是在加熱之前，將該壓縮機葉輪進行熱等靜壓。
16.如權利要求15所述的方法，其中將該壓縮機葉輪進行熱等靜壓包括將該物品在約 885°C至約913°C的溫度下、在不小于1000巴的壓力下熱等靜壓約二至約四小時。
17.如權利要求15所述的方法，其中將該壓縮機葉輪進行熱等靜壓包括將該物品在約 940°C至約968°C的溫度下、在不小于1000巴的壓力下熱等靜壓約二至約四小時。
18.如權利要求13所述的方法，其中加熱該壓縮機葉輪包括在一個煤氣爐中加熱該壓縮機葉輪，并且其中快速冷卻該壓縮機葉輪包括用高壓氬氣對該煤氣爐進行吹掃。
19.如權利要求13所述的方法，進一步包括使該壓縮機葉輪在快速冷卻之后退火。
20.如權利要求19所述的方法，其中將該壓縮機葉輪退火包括使該壓縮機葉輪在約 550°C退火約八小時。
全文摘要
由一種特殊的鈦合金鑄造的物品可以達到較高的疲勞強度。這種鈦合金是(α+β)鈦合金，該鈦合金具有的標稱組成為約5.5質量百分比至約6.63質量百分比的鋁、約3.5質量百分比至約4.5質量百分比的釩、約1.0質量百分比至約2.5質量百分比的鉻、最大值為0.50質量百分比的鐵、約0.15質量百分比至約0.25質量百分比的氧、約0.06質量百分比至約0.12質量百分比的硅、以及除了一些可允許的雜質之外至少80質量百分比的鈦或余量的鈦(Ti)。在一種示例性的應用中，這種鈦合金可以被用來鑄造一種渦輪增壓器的壓縮機葉輪。
文檔編號B22C9/04GK102459670SQ201080026049
公開日2012年5月16日 申請日期2010年6月24日 優(yōu)先權日2009年6月29日
發(fā)明者D·德克爾 申請人:博格華納公司