在基底上施加鈦合金的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種通過焊接、熔化或金屬沉積在基底上施加鈦合金的方法。本發(fā)明還涉及包含使用此類方法施加的鈦合金的組件。本發(fā)明另外涉及包含至少一個此類組件的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)。本發(fā)明另外包括所述鈦合金和含所述鈦合金的填充材料的用途。
[0002]發(fā)明背景
[0003]焊接或金屬沉積是如下的方法，其用來制造新組件，添加材料至現(xiàn)有組件，修復(fù)在其制造過程中損壞的組件，例如修復(fù)在成型工藝過程中產(chǎn)生的或由不當(dāng)加工導(dǎo)致的缺陷，和修復(fù)在其使用過程中損壞的組件。
[0004]焊接或金屬沉積可用于制造組件或施加金屬鍍層，該組件或金屬鍍層對氧化、腐蝕、粒子侵蝕、熱和/或磨損具有增大的耐受性。如果此類組件或金屬鍍層用于侵蝕性環(huán)境中，例如在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)中遇到的環(huán)境中，則其中組件可在氧化氣氛中和超過800°C的溫度下暴露延長的時間，由于在例如渦輪發(fā)動機(jī)運(yùn)行或停止運(yùn)行時發(fā)生的熱循環(huán)和金屬疲勞，組件/金屬鍍層會隨時間變脆或破裂。
[0005]由于鈦合金高溫下的高比強(qiáng)度、優(yōu)異的耐腐蝕和抗氧化性和好的抗蠕變性，因此鈦合金廣泛地應(yīng)用在航空航天應(yīng)用中。T1-6A1-4V用于大多數(shù)航空航天和推進(jìn)系統(tǒng)。但是，沉積的T1-6A1-4V材料具有粗粒度，通常為數(shù)毫米級，這不利地影響了沉積的T1-6A1-4V材料的機(jī)械性能。
[0006]US專利US 7521017涉及增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料以及成型粉末材料以形成該復(fù)合材料的方法。通過激光制造工藝以層的方式形成制造的制品。在該工藝中，融化粉末并冷卻，以形成非持續(xù)增強(qiáng)金屬基質(zhì)的連續(xù)層。該基質(zhì)顯示細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)，其相對于非增強(qiáng)金屬具有加強(qiáng)的性能，包括較高的拉伸模量、較高的強(qiáng)度和較大的硬度。用0-35重量％、更優(yōu)選約0.5-10重量％的硼，和/或0-20重量％的碳、更優(yōu)選約0.5-5重量％的碳，增強(qiáng)原位合金粉末、粉末冶金摻合或者獨(dú)立提供的粉末，以形成該復(fù)合材料。
[0007]但是在航空航天應(yīng)用中，施加具有金屬性能的材料比施加具有復(fù)合材料性能的材料有利，這是因?yàn)?，例如，?fù)合材料的延性小于金屬。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的一個目的是提供一種在基底上施加鈦合金的改進(jìn)方法。該方法包含如下的步驟:在基底上熔化、焊接或沉積鈦合金，和固化沉積、焊接或熔化的鈦合金。該方法還包含如下的步驟:在基底上熔化、焊接或沉積鈦合金的步驟之前或期間，添加0.01-0.4重量％的硼至該鈦合金。
[0009]已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，與不含硼的鈦合金晶粒的粒度相比，添加0.01-0.4重量％的硼至鈦合金中大幅降低了鈦合金的粒度。此處的粒度是指β粒度，并且這些晶粒的粒度在長度上可為數(shù)毫米。還已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，與不含硼的鈦合金的強(qiáng)度、硬度和楊氏模量相比，通過添加硼至鈦合金中獲得的較小粒度改進(jìn)了強(qiáng)度、硬度和楊氏模量。焊接和金屬沉積，即涉及熔化材料，然后固化，該過程中將形成小Ti2B粒子，和在冷卻過程中抑制晶粒生長。
[0010]硼在鈦合金中的溶解度非常有限。例如在鈦合金T1-6A1-4V的溶解極限為小于0.04重量％的硼。這意味著在固化過程中，過剩的硼(不能溶解在鈦中的硼的量)將不均勻地沉淀在β晶界中，且在進(jìn)一步的冷卻過程中抑制β晶粒的另外的晶粒生長。硼沉淀物自身在性質(zhì)上易碎，而且當(dāng)這些沉淀物的量超過臨界量時，會劣化材料的斷裂韌性和延性，這對于任何航空航天發(fā)動機(jī)應(yīng)用都是有害的。但是，只要這些Ti2B沉淀的量足夠少，如發(fā)明人在添加最高達(dá)0.4重量％硼的情況下在鑄造T1-6A1-4V中所發(fā)現(xiàn)的，金屬材料的斷裂韌性和延性沒有劣化，而且仍然獲得顯著的晶粒細(xì)化，其具有改進(jìn)的強(qiáng)度、硬度和楊氏模量。發(fā)明人認(rèn)為，如果添加少量的硼即0.01-0.4重量％的硼至焊接或沉積的鈦合金中，則固化后硼化鈦粒子(TiB粒子)沿著鈦合金晶界不均勻地分布，結(jié)果顯著降低了粒度，從而與不含硼的熔化、焊接或沉積的鈦合金相比，改進(jìn)了機(jī)械性能。
[0011]術(shù)語“基底”可指支撐施加的鈦合金的任何底層(substratum)?；撞槐仨毷窍聦拥?underlying)支撐，而例如可以被設(shè)置為以任何合適的方式支撐熔化、焊接或沉積的材料?；卓梢允侨魏魏线m的材料、形狀或尺寸?；卓梢允侵辽俨糠止袒拟伜辖?，其上施加更多的鈦合金?；卓梢杂梢粋€或多個構(gòu)成部件形成。可以設(shè)置至少一個基底和施加的鈦合金以形成單一的組件。例如，基底可以是如下的組件，其上通過熔化、焊接或金屬沉積施加鈦合金，因此施加的鈦合金然后構(gòu)成組件或熔合區(qū)的一部分，其可以用來將該組件接合至其它組件。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方案，該方法包含如下的步驟:在基底上熔化或沉積鈦合金的步驟之前或期間，添加0.01-0.2重量％的硼或0.01-0.1重量％的硼至鈦合金。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方案，在基底上熔化、焊接或沉積鈦合金步驟包含如下的步驟:加熱包含鈦合金和0.01-0.4重量％的硼的粉末或線材。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方案，所述鈦合金為ASTM等級5-等級38的鈦合金、優(yōu)選ASTM等級6-等級38的鈦合金中的一種。ASTM采用容易參考的編號方案定義多個合金標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)一種特定實(shí)施方案，所述鈦合金為如下中的一種:T1-6Al-4V (也被稱為為ASTM等級5，或TI 6-4)、T1-6Al-2Sn-4Zr-2Mo。但應(yīng)當(dāng)指出的是，根據(jù)本發(fā)明的方法可以在任何鈦合金的情況下使用。
[0015]T1-6A1-4V明顯強(qiáng)于商業(yè)純鈦，但具有同樣的剛性和熱性能。在其諸多優(yōu)點(diǎn)之中，可以進(jìn)行熱處理，且具有強(qiáng)度、耐腐蝕性、焊接和加工性的優(yōu)異組合。所以，其廣泛用于航空航天、醫(yī)療、船舶和化學(xué)加工應(yīng)用中。
[0016]根據(jù)本發(fā)明另外的實(shí)施方案，使用如下方法中的任何一種實(shí)施在基底上熔化、焊接或沉積鈦合金的步驟:激光金屬沉積(LMD)、激光焊接、電子束熔化、成型金屬沉積(SMD)、鎢惰性氣體(TIG)熔化、金屬惰性氣體(MIG)熔化、燈絲蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)、濺射沉積。但應(yīng)當(dāng)指出的是，根據(jù)本發(fā)明的方法可涉及使用任何合適的方法施加鈦合金。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方案，在所述基底上施加鈦合金，從而在所述基底上形成層。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方案，基底包含兩部分，和施加所述鈦合金從而接合所述兩部分。
[0018]應(yīng)當(dāng)指出的是，本文中使用的表達(dá)“層”旨在表示如下的層級(stratum)或熔合區(qū)，其連續(xù)或非連續(xù)地覆蓋基底的至少如下的部分，它在該部分上熔化、焊接或沉積。熔合區(qū)可用于將一個或多個組件(component)或構(gòu)件(component part)接合在一起。所述層可以是任何均勻或非均勻的厚度、形狀、尺寸和/或截面積的。根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方案，該層具有3mm、2mm或Imm的最大厚度。通過施加連續(xù)層，可制成所需的形狀。在一種應(yīng)用中，沉積材料(數(shù)個層)的總厚度為約20_。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方案，通過以局部加熱基底材料至鈦合金的熔化溫度的形式供給能量，通過塑性局部浮動(plastic local floating)或通過原子擴(kuò)散，來施加鈦合金。
[0020]本發(fā)明還涉及一種組件，其包含使用本發(fā)明任一種實(shí)施方案的方法施加的鈦合金。即該組件可以包含其表面上施加的鈦合金，或者它可至少部分地由施加的鈦合金構(gòu)成。
[0021]本發(fā)明還涉及一種燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)，其包含根據(jù)本發(fā)明任一實(shí)施方案的至少一個組件。
[0022]本發(fā)明還涉及包含0.01-0.4重量％的硼的鈦合金用于在基底上熔化、焊接或沉積材料的用途。
[0023]本發(fā)明還涉及鈦合金粉末或線材形式的填充材料，其用于在基底上熔化、焊接或沉積，其中所述鈦合金包含0.01-0.4重量％的硼。
【附圖說明】
[0024]以下將參考附圖通過非限制性實(shí)施例進(jìn)一步解釋本發(fā)明，其中:
[0025]圖1為燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的一個示例性實(shí)施方案的示意性縱向剖視圖，
[0026]圖2為根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方案的方法的示意圖，
[0027]圖3為顯示硼重量％對于鈦合金粒度的影響的圖，
[0028]圖4顯示采用根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方案的方法施加的鈦合金的橫截面顯微結(jié)構(gòu)，
[0029]圖5是顯示采用根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方案的方法施加的鈦合金顯微結(jié)構(gòu)的顯微圖，和
[0030]圖6為顯示根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方案的方法的步驟的流程圖。
[0031]應(yīng)當(dāng)指出，所述附圖并非按比例繪制，而且為了清楚，特定特征的大小可能已被放大。
具體實(shí)施方案
[0032]以下將通過實(shí)施方案示例本發(fā)明。然而應(yīng)當(dāng)理解，列出這些實(shí)施方案是為了解釋本發(fā)明的原理，并不是限制由所附權(quán)利要求書限定的本發(fā)明范圍。還應(yīng)當(dāng)注意，關(guān)于本發(fā)明特定實(shí)施方案公開的任何本發(fā)明特征，可以被并入本發(fā)明其它任何實(shí)施方案中。
[0033]圖1示例了雙-軸渦扇燃?xì)鉁u輪飛機(jī)發(fā)動機(jī)1，圍繞發(fā)動機(jī)縱向中心軸2對其進(jìn)行限制。發(fā)動機(jī)I包含外殼或短艙3、內(nèi)殼4(轉(zhuǎn)子)和中間殼體5。中間殼體5與前兩個殼體同軸，而且將它們之間的縫隙分隔成一個壓縮空氣的內(nèi)部主氣體通道6和發(fā)動機(jī)旁通氣體流動通過的第二通道7。所以從垂直于發(fā)動機(jī)縱向中心軸2的截面看，氣體通道6、7中的每個都是環(huán)狀的。
[0034]燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)I包含接收周圍空氣9的風(fēng)扇8，升壓機(jī)或低壓壓縮機(jī)(LPC) 10和設(shè)置在主氣體通道6中的高壓壓縮機(jī)(HPC) 11，燃燒室12，其通過高壓壓縮機(jī)11混合壓縮氣體和燃料以產(chǎn)生燃燒氣體，燃燒氣體向下流動通過高壓渦輪(HPT) 13，和低壓渦輪(LPT) 14，通過其從發(fā)動機(jī)中釋放出燃燒氣體。
[0035]高壓軸將高壓渦輪13接合至高壓壓縮機(jī)11，以基本上形成高壓轉(zhuǎn)子。低壓軸將低壓渦輪14接合至低壓壓縮機(jī)10，以基本上形成低壓轉(zhuǎn)子。低壓軸以如下方式至少部分可旋轉(zhuǎn)地進(jìn)行設(shè)置:相對于高壓轉(zhuǎn)子共軸且徑向向內(nèi)。
[0036]燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)I還包含渦輪排氣殼體15，其位于高壓渦輪13的下游。渦輪排氣殼體15包含支撐結(jié)構(gòu)16。
[0037]燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)I的至少一個組件，例如圖1中顯示的，可包含使用根據(jù)本發(fā)明任一實(shí)施方案的方法施加的鈦合金。
[0038]圖2示意性顯示一種如下的方法，其通過金屬沉積、焊接或熔化，在基底18上施加鈦合金，ASTM等級5-等級38鈦合金，例如T1-6A1-4V、T1-6Al-2Sn-4Zr_2Mo。所述鈦合金優(yōu)選包含1-8重量％的鋁，特別是3-7重量％的鋁，和有利地5.50-6.75重量％的鋁。該鋁合金優(yōu)選包含1-10重量％的釩，優(yōu)