钛铝合金工件制造工艺的制作方法
【专利说明】铁错合金工件制造工艺
[0001] 本发明设及工件结构材料的铁侣(TiAI)合金的制造，应用在例如航空领域中制造 飞机或直升飞机发动机满轮叶片，或者在汽车行业用于制造阀口。
[0002] 此类行业中一个常见的问题是关于所用材料的质量，尤其是制造暴露于溫度和压 力要求极高的环境中的工件的材料。
[0003] 铁侣合金，自上世纪80年代起就成为深入研究对象，目的是为了替代儀基单晶超 合金，运种超合金应用于满轮叶片已有50多年的历史。铁侣合金所具有的优势在于其密度 只有运种超合金的一半。采用铁侣合金则可W提高发动机的效率、减轻结构、降低噪声、节 省燃料并减少溫室气体的排放。如今，大多数发动机生产商已经将铁侣合金满轮叶片集成 于其最新款的飞机发动机中。至今，所有叶片的化学成分被称为GE型(46%到48%的侣、2% 的妮和2%的铭，铁用于平衡），通过铸造的方式进行制作，然后进行热处理。
[0004] 铸造方式制作GE型合金可用于生产低压力等级的飞机发动机。GE型合金微观结构 大体上或全部呈现为层状，故其在蠕变时性能较佳。然而，在要求更为严苛且溫度更高的发 动机中使用的叶片，需采用性能更好尤其是更耐氧化的材料，通常加入更大量的诸如妮和/ 或鹤运样更耐高溫的元素。鉴于，渗杂有耐高溫元素的合金，其铸造特征为高强度但延展性 欠佳，所W目前仍不可用于其他等级的飞机发动机叶片。
[0005] 因为其相平衡曲线图相对复杂，故对铁侣合金性质具有决定作用的微观结构取决 于合金所经历的热历史W及所使用的加工工艺。为了提升热处理溫度和通过二元相图描绘 的传统合成过程，将得到双相（丫+32)、复相（Y+层状)和层状微观结构。相位丫为结构Llo的 二次相位，相位a为六角无序相，而相位〇2为结构D〇i9的六角有序相。颗粒a冷却时可获得层 状结构。
[0006] 固化流程，例如铸造或者定向固化，可W通过延长颗粒形成柱状结构W及通过与 颗粒纵向轴垂直的分界面形成层状结构。研究表明，尺寸为几十微米的结晶颗粒，并且完全 或者绝大部分为层状颗粒形成的结构，其微观结构性能最佳。此外研究显示，通过一系列热 处理得到的小颗粒层状微观结构具有良好的机械强度，并且其延展性约为5%，运已经相当 卓越。
[0007] 获得层状结构遇到的困难之一在于，必须度过相平衡曲线的a转变溫度(根据合金 化学成分不同通常为1325-1350°C)，然而在此a区间内的任何添加都将造成颗粒变大并且 颗粒尺寸将快速超过100微米。
[000引至于铁侣合金在使用溫度(700-800°C)下的蠕变稳定性，通过向上攀移造成的位 错位移中，扩散的作用十分重要，由于边界和分界面会促进间隙的形成造成扩散，因此晶粒 边界或分界面比例过多不利于蠕变稳定性。
[0009]自上世纪90年代起，发表了大量采用不同实施流程加工的、具有各种化学成分的 铁侣合金的相关研究。有时，多种加工途径(烙融、铸造、锻造、粉末冶金或MdP)被应用于一 些细微调整（双相丫-铁侣化物微观结构和形变，Microstrustureanddeformationof two-phaser-titaniumalumindes,AP阳LF'WAGNER尺，]\1日1'.5。;[.化邑.，尺22,5，1998)。表1 对该期刊中所提及的合金的机械性质进行了比较。数据表现了室溫下的强度和延展性特 征。在700到750°C的溫度区间内测定蠕变的稳定性。在此表中，YS列为0.2%形变时的屈服 强度(用MPa表示），RM列为断裂应力（用MPa表示），A列为所设材料的断裂伸长率。 合金室媪蠕变 拉伸 YS(MPn) RM(MPa) 八(％) GH-MdP-U^II 400 0.45 欠化 畑-铸造-类层状 420 0.5 一般 LUmu」 TNB-窺铸+挤压抑5 9Q4 0:.故良好 TNB-MdP+层压 754 881 2.5 良巧 ABB23-铸造 480 565 0.3 良好 G4-铸造 480 550 1.2 良好 定向固化 545 590 25.5 优秀
[0011] 皇
[0012] 在初步研究了仅含铁和侣的二元合金后，业界集中精力对所含侣原子比在46%到 48%的GE型合金进行微调，并加入了 2%的妮和2%的铭。研究针对此GE型的合金，比较了两 种途径:铸造和粉末冶金，分别具有类层状纹理微观结构和复相微观结构。表1的前两行总 结了运些合金的性质。我们发现，运两种合金的延展性较差，只有通过铸造途径加工的合金 才具有适宜的蠕变稳定性。
[0013] 接着开发出了含妮的合金(被称为TNB:Ti-45AI-(5-10)Nb)，运种合金尤其与锻造 工艺相关，或用于制造金属薄片。对于实屯、材料，含碳挤压合金可W得到最好的蠕变结果。 例如，在SOOMPa、700°C时，蠕变速度为6*1(TVi，但是合金的平均延展性为0.69 %，样本在 〇.%%形变时断裂（硬化高妮铁侣合金沉淀的力学性质，PAULJ，0拙RINGM，H0PPER， APPEALF，GammaTitaniumAluminides2003,403，了]\15,2003)。在最新发布的研究成果中， 33个样本的应力应变曲线有所不同，运说明了采取铸造途径时其固有性质非常分散。粉末 冶金加工的TNB合金社制薄板，该研究小组测量了其值得关注的性质(参见表1第4行）：延展 性为2.5%，225MPa下700°C时蠕变速度为4.2*1(T8s^。运种优良的性质与其微观结构的颗 粒丫尺寸较小(5m〇有关。
[0014]面向重元素的研究来源于两种想法固化的实现能够减少颗粒尺寸，和通过运些 元素与位错的互动降低高溫下位错的活动性。ABB型合金(美国专利US5,286,443和US5， 207,982)和64型合金(法国专利。3-2732038)就是上述情况。488型合金具有鹤原子含量 2 %，W及不到0.5 %的娃和棚。
[001引对成分的Ti-47AI-2W-0.5Si的ABB族合金之一进行了详细研究。该合金具有较薄 的微观结构，由层状颗粒、羽状结构和T区域组成，且该合金具有优良的蠕变稳定性，但是 延展性较为有限。而G4型合金具有鹤原子含量1%，鍊原子含量1%和0.2%的娃。运些合金 具有优良的蠕变性能，W及20°C时1.2%的延展性也较为适宜。G4合金的较强的优势在于， 无高溫同质化处理的单一结构状态下，其机械性质最优，运点与ABB型合金相反。研究证实， 铸造结构，其属性足够曲折尤其是固化枝晶交叠的情况下，显著促进了机械性质的增益。此 外鉴于固化过程中鍊被转移到枝晶间，而鹤在枝晶中分离，故也推荐对鍊和鹤采用较为相 近的比例。
[0016]有些合金具有优异的性能，但是获得运些合金的工艺较为复杂，并且难WW富有 竞争力的价格将其工业化。表1第7行显示了定向固化得到的合金的属性：由沿着固化方向 延伸的层状颗粒形成其微观结构，并且分界面平面也平行于该方向。成分为Ti-46AI-lM〇-〇.5Si的合金在室溫下具有超过25%的断裂伸长率，并且在750°〇时24(^?曰下蠕变强度为 3.5*l〇-i〇s_i。
[0017]最后，另一种粉末冶金途径也是最近研究的对象。一种称为ARCAM的工艺，设及到 通过电子束烙融粉末，让诸如SPS(英语SparkPlasmaSintering的首字母缩写，即火花等 离子体烧结)运样的技术来实现形状较为复杂的工件。通过运种工艺致密的GE型合金，拉伸 实验结果表明其延展性约为1.2%，弹性极限约为350Mpa。运种途径的缺点在于烙融过程中 侣的损失(通常会损失2%原子量的侣），然而侣的浓度对材料属性却至关重要。此工艺须在 真空腔室内进行，运也导致工业成本较高。
[0018]本发明目的在于减少先前工艺的缺陷。本发明尤其旨在提供制作工件的方法，使 其具有较优的机械性能，尤其可W满足航空发动机生产商的要求，即在室溫下弹性极限约 为400M化时0.2%，断裂伸长率约为1.5%，W及700°C时300M化下和750°C时200M化下进行 蠕变，断裂前持续时间至少为400小时。因此，本发明的目的在于提供一种具有优良性能的 工件，尤其是在室溫下的延展性方面和耐热力方面性能优秀的工件。
[0019]对于本发明，此处所提到的工件是指本发明的所有产物，设计之后用于制作机械 零件的毛巧，例如制作机械零件(满轮叶片、阀口等等)或机械零件的一部分（阀头等等)或 者多个机械零件(制作多个叶片或阀口或者整个机械零件，尤其是复杂的机械零件）。用于 通过加工制作机械部件的刀片、模块、棒料或所有基本元件此处都被视作一个工件。
[0020] 此外，根据本发明的工