专利名称：通过初始β锻制造钛零件的方法
技术领域：
本发明涉及制造钛合金零件的方法。更具体地，本发明涉及一种方法，包括将所述零件加热到温度T1,使得所述零件的温度大致均勻，对于所述零件执行初始锻制操作且变形率大于0. 7，然后立刻将所述零件淬火至周边温度；和将所述零件加热到温度T2,然后在所述温度T2对于所述零件进行最终锻制操作， 然后立刻将所述零件淬火，所述最终锻制操作适于给予所述零件其最终形状。
背景技术：
钛合金用于高技术应用中，特别是用于航空涡轮，以制造在高温下承受高程度应力的特定零件。纯钛以两种晶相形式存在α相，其为六方结构，且在周边温度下存在；和 β相，其为体心立方结构，且在所称β相变温度以上的温度下存在，纯钛的β相变温度等于883°C。在钛与其它元素进行合金化的相图上，β相将在β相变温度之上出现，在该温度之下在取决于合金元素的区域上在β相与α相之间存在平衡。α β相由α相与β相的混合物构成。特别地，合金元素具有使得β相变温度在883°C左右变化的影响。开发出具有所希望性能的钛合金，特别是包括选择合金元素和选择对合金进行的热机械处理。对于α β或准α合金，例如TA6V和Ti6242合金，所述合金因而在β相变温度之上为β相，在α相与β相之间处于平衡状态，或在周边温度下主要为α相。在以下的描述中，术语“β区域”用于表示β相变温度之上的温度范围，术语 "α β领域□用于表示略低于β相变温度的温度范围，其中，α相与β相处于平衡。通过示例，一种制造钛合金制锻制零件的当前方法包括多个锻制过程，所有过程均在α β区域中执行(因而温度T1和T2均低于β相变温度)。这样的锻制范围使得宏观结构不能完全再结晶和再细化。在锻制末期，来自合金坯体(半完成形式)的固有的成群α相结节仍然存在。术语“成群α结节□用于表示呈现出优选晶相取向的成组的一个或多个结节。这些群会导致零件的耐疲劳能力降低。另一种制造钛合金锻制零件的方法包括多个锻制过程，这些过程在α β区域中进行，不同之处在于，大的过程在β领域中执行(因而温度T1低于β相变温度，而温度T2 高于β相变温度)。这在较高温度下的最后的过程使得零件更易于成形。然而，这最后的锻制过程在高于β相变温度的温度下进行，因而零件在较早过程中相应获得的整个微观结构被消除。而且，合金的晶粒(显微结构)易于变大，最后锻制过程的变形率常常不够大以促使晶粒的再结晶以及再细化(这是因为，零件在此最后锻制过程之前不久已经接近于其最终形状)。由于晶粒较大，因而零件的机械性能降低。而且，在最后的锻制过程中，所用型模的形状复杂(以给予零件其最终形状)，这使得零件具有的宏观结构不均勻(同时发生在几乎不变形的区域和显著变形的区域)。这种不均勻性在零件内产生大的机械行为差异
发明内容
本发明试图弥补这些缺点本发明试图提供一种能够获得钛合金零件的方法，所述零件具有更均勻的结构并具有更好的机械性能，特别是对于耐疲劳能力而言。这一目的通过以下事实而实现温度T1高于合金β相变温度，温度T2低于β相变温度，仅当所述零件被加热到温度T1时才是其被加入到β相变温度以上的时间，初始锻制先于所述最终锻制，只要所述零件的温度基本上均勻就执行初始锻制，以快于150°C /分钟的速度执行淬火。利用这些设置，由于在足够高的温度下锻制所致的高零件变形率用于细化微观结构(以获得更小尺寸的β晶粒)和消除零件的固有形质。在β相变温度以下，零件由大致等轴的β相晶粒构成，这是因为如果这是第一次锻制操作，零件尚未变形(在此阶段零件厚度大致恒定)。锻制使这些晶粒变形，晶粒再结晶为细的β晶粒。这些小的β晶粒在锻制后的淬火过程中本身再结晶为细的针状α相。因此，零件在周边温度下不具有不希望出现的α相结节。零件随后足够快地淬火且随后不回到β区域中，这些事实使这种精细微观结构得以保持，并避免晶粒生长。因此，合金微观结构再细化且更均勻。零件的耐疲劳能力由此改进。而且，虽然通过超声波探测冶金缺陷，但背景噪声减小。这样的背景噪声由于微观结构的不均勻性所致。由于结构整体上更均勻，使得背景噪声减小，因而可更精细和更容易地探测到零件中的任何冶金缺陷。本发明还提供一种航空零件，其采用回转体形式，由本发明的方法制成。
通过阅读以下根据非限制性示例给出的对实施方案的详细描述，本发明可被更好地理解，且其优点更加显见。参照附图进行描述，其中图1是例示出本发明的用于制造钛合金金属零件的方法的示意图；图2Α是加热到β相变温度以下的钛合金的显微照片；图2Β是图2Α的显微照片的放大图；图3Α是加热到β相变温度以上的钛合金的显微照片；图3Β是图3Α的显微照片的放大图；图4Α是钛合金加热到β相变温度以上并且之后以变形率1变形的显微照片；和图4Β是钛合金加热到β相变温度以上并且之后以变形率2. 5变形的显微照片。
具体实施例方式本发明的方法在整体上适用于通过如下方式获得的坯块将钛合金熔化一次或多次，将所述合金铸造为铸锭，然后使用给定热力学循环锻制。图1是例示出本发明的用于制造钛合金零件的方法的各步骤的示意图。在示意图中，横坐标轴表示增加的时间t (没有刻度)，纵坐标轴以摄氏度表示从周边温度Ta增加的温度T。作为时间t函数的零件温度在此示意图中通过一曲线表示。在步骤1中，零件被加热到高于合金β相变温度的温度1\。零件在此温度T1保持足够长的一段时间而使零件温度大致均勻并等于T1 (步骤1-1)。这种温度保持在步骤1中被表示为平台。不需要使零件在温度T1保持过长的时段，因为在经过高于β相变温度时立刻发生α相到β相的转变。而且，零件在高于β相变温度保持过长时段会导致晶粒变大，这是有害的，因为其使得最终零件的机械性能降低。因此，如果工业处理能力允许，则一旦零件温度大致均勻且等于 T1就必须尽可能快地执行锻制。加热到 高于β相变温度的钛合金与加热到低于β相变温度的相同钛合金之间的微观结构差异通过比较图2Α和2Β与图3Α和3Β而显示。图2Α是加热到略低于β相变温度且未经历锻制的钛合金(此合金的β相变温度为lOOrC)的显微镜所取照片。图2B是图2A中由矩形框出的区域的放大图。在图2B 中可见，在合金中呈现出取向结构，特别是由大致平行针10(细长晶粒)构成的取向纤维。图3A是使用显微镜所取的照片，其中显示出与图2A中所示相同的钛合金，但该钛合金是在加热到略高于β相变温度的温度之后形成而且未经历锻制。图3Β是图3Α的由矩形所框定的区域的放大图。可见，在经过高于β相变温度之后，取向纤维消失且结构更加各向同性。合金温度一超过β相变温度，α相就转变为β相，由此形成微观结构的等轴再结晶，并且伴随以晶粒尺寸的增大。在β相变温度左右加热之前在零件中存在的应力被极显著消除。合金的微观结构和状态因而更适于锻制操作。如前所述，有必要使整个零件在锻制操作过程中处于高于β相变温度的温度下， 这在一旦零件的所有区域均大致处于温度T1时发生。然后，零件在大致等于T1的温度下锻制，以给予零件接近于其最终形状的中间形状(步骤1-2)。在此初始锻制操作过程中，变形率大于0. 7。变形率Td被定义为零件在变形之前的厚度Hi与其在变形之后的厚度Hf的比率的对数
fR ΛTh = Log —
Uf^如果零件不变形(即，Hf = Hi),则变形率Td等于0。有利地，变形率大于1。优选地变形率大于1. 6。更高变形率产生更大的微观结构的精炼(减小晶粒尺寸)，由此改进零件的抗疲劳性。这些微观结构差异可见于图4A和4B 中，其为使用显微镜所取照片并显示出在β区域锻制之后的Ti6242合金，分别具有变形率 1和变形率2. 5。发明人对这些样品执行的检测已经显示出这种Ti6242合金的使用寿命从变形率等于1的78，000次循环(在772MPA)变为变形率等于2. 5的130，000次循环。理想地，在β相变温度以上的初始锻制操作应使用型模实施，使得零件在锻制之后的形状尽可能接近于零件最终形状，从而使由随后最终锻制操作所产生的应力最小。而且，可考虑使用简单形状的型模(例如截锥形型模，采用平坦堆叠，或空心陀螺形状)，使得材料能够自由流动通过模具并防止任何材料在锻制操作过程中滞留在腔中。例如，在此初始锻制之后，该零件的形状立刻为截锥形或空心陀螺的形状。一旦零件已经经历在β区域锻制操作，则零件经历淬火(步骤1-3)而以快于 150°C /分钟(摄氏度/分钟)的速度从锻制温度T1降低至周边温度。这种快速淬火用于保持零件的精细微观结构(细晶粒)，并由此优化零件的机械特性，特别是其弹性极限，如已在由发明人进行的机械检测过程中证实的那样。有利地，淬火在处于200°C /分钟至400°C /分钟范围内的速度下执行。更有利地，淬火在大致等于250°C /分钟的速度下执行，其中，由发明人进行的检测已经显示出在此淬火速度下使得机械特性被最佳优化。淬火优选地在水中执行。在淬火之后，零件被加热到低于β相变温度的温度T2 (对应于图1中的步骤2)。 在温度T2，合金因而为α β区域，合金微观结构未改变。在初始锻制过程中产生的任何纤维(针结构)因而得以保持。一旦零件已经被加热到温度T2 (步骤2-1)，则执行最终锻制操作(步骤2-2)。这种最终锻制之后，淬火(步骤2-3)降低至周边温度ΤΑ。这种淬火用于优化零件的机械特性，特别是其弹性极限。在特定的环境下，本发明的方法可包括一个或多个中间锻制过程，所有中间锻制过程都在α β区域中(因而处于低于β相变温度的温度)，所述过程可在初始锻制之后和在最终锻制之前执行。在特定的环境下，在最终锻制之后在α β区域进行回火操作可能有好处。这种 α β区域的锻制回火(图1中的步骤3)因而在低于β相变温度的温度下执行。因此，一旦零件已经在最终锻制的末期进行淬火(步骤2)，则零件被加热到温度T3 (步骤3-1)，之后被无淬火地冷却(步骤3-2)到周边温度。对于 6242合金，温度T2约等于1000°C，温度 T3等于595°C。在这种回火操作过程中，不存在零件锻制，因而该零件不改变形状。这种回火还用于减少零件中由于最终锻制操作而产生的残余应力。在最终锻制与回火之间的零件固溶退火(在T2至T3范围内的温度下)是无意义的(因为最终锻制是在α β区域中，因而不太严重)，或者甚至可能是有害的。各种钛合金可经历本发明的上述方法。例如，所用钛合金是α β或准α的钛族合金。特别地，该合金可为TA6V或Ti6242 (TA6Zr4DE)。通过示例，这些合金可用于航空涡轮中。由发明人对 6242合金执行的检测显示出，通过本发明的方法获得的零件比通过现有技术方法获得的零件具有更好的疲劳性能。通过如前所述方法制造的零件可为例如用于航空涡轮的盘。通过示例，零件可为用于航空涡轮的鼓。在特定的环境下，根据钛合金的性质和被处理零件的类型，零件的仅一部分被加热到高于β相变温度并经历本发明的方法。这样的锻制于是被称为顶锻。
权利要求
1.一种制造钛合金零件的方法，所述方法包括将所述零件加热到温度T1，使得所述零件的温度大致均勻，对所述零件执行初始锻制操作，然后立刻将所述零件淬火至周边温度；和将所述零件加热到温度T2，然后在所述温度T2对所述零件进行最终锻制操作，然后立刻将所述零件淬火，所述最终锻制操作适于给予所述零件其最终形状；所述温度T1高于所述合金的β相变温度，所述温度T2低于所述β相变温度，所述加热到温度T1是仅将所述零件加热到所述β相变温度以上，所述初始锻制先于所述最终锻制，一旦所述零件的温度大致均勻就执行所述初始锻制，所述方法的特征在于，在所述初始锻制之后立刻进行的所述淬火在快于150°c /分钟的速度下执行，在所述初始锻制过程中的变形率大于0. 7。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述变形率大于1。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述变形率大于1.6。
4.根据权利要求1至3中任何一项所述的方法，其特征在于，所述淬火是在大致等于 250°C/分钟的速度下进行。
5.根据权利要求1至4中任何一项所述的方法，其特征在于，所述最终锻制之后进行 α β相回火操作。
6.根据权利要求1至5中任何一项所述的方法，其特征在于，所述钛合金是αβ或准 α钛族合金。
7.根据权利要求1至6中任何一项所述的方法，其特征在于，所述钛合金从TA6V合金和 6242合金中选出。
8.根据权利要求1至7中任何一项所述的方法，其特征在于，所述初始锻制之后立刻形成的所述零件的形状是截锥或空心陀螺的类型。
9.根据权利要求1至8中任何一项所述的方法，其特征在于，所述零件是用于航空涡轮的回转体。
10.根据权利要求1至8中任何一项所述的方法，其特征在于，所述零件是用于航空涡轮的盘。
11.根据权利要求1至8中任何一项所述的方法，其特征在于，所述零件是用于航空涡轮的鼓。
全文摘要
本发明涉及一种制造钛合金零件的方法，包括将零件加热到温度T1，使该零件的温度大致均匀，对该零件执行初始锻制操作，然后立刻将所述零件淬火至周边温度；和将该零件加热到温度T2，然后在所述温度T2对该零件进行最终锻制操作，然后立刻将所述零件淬火，所述最终锻制操作适于给予所述零件其最终形状；温度T1高于合金的β相变温度，温度T2低于所述β相变温度，所述加热到所述温度T1为仅将所述零件加热到所述β相变温度以上，所述初始锻制先于所述最终锻制，一旦所述零件的温度大致均匀就执行所述初始锻制，初始锻制之后立刻进行的淬火在快于150℃/分钟的速度下进行，在所述初始锻制过程中的变形率大于0.7。
文档编号C22F1/18GK102223964SQ200980146700
公开日2011年10月19日 申请日期2009年9月22日 优先权日2008年9月22日
发明者飞利浦·卡洛伊丝 申请人:斯奈克玛