工件的形状简单或复杂，SPS工艺都未曾处理过符合上文所限定的成分 要求的材料。运种制造工艺与特殊合金相结合，可W出人意料的方式实现如下文所述的机 械性能优异的金属合金工件。
[0082 ]运里提出，将文件W02011 /131625所提到和要求保护的设备，与图1周期中的SPS工 艺结合使用。在该图中，我们观察到，在t= 0时，在输入设备中的合金上所施加的压力为 lOOMPa，在合金承压后，溫度开始升高。压力的上升持续约2分钟。W向设备内通电流的方式 来实现溫度的升高，升溫速度要求为约l〇〇°C/min，除了在达到溫度等级前的最后S分钟 内，升溫速度要求降至25°C/min来保持总体热惯性并防止超过要求溫度。通过直接对粉末 状材料通电，或者向模具通电，通过该模具与粉末状材料进行热交换，都可实现溫度的升 高。维持该溫度等级（1355°C)约2分钟后，切断压力和加热。在少于30分钟的时间内，致密试 验即可结束，并获得样品。诚然，图1所显示的测量溫度低于材料中屯、的溫度，但是测量溫度 和材料中屯、溫度之间的溫度差是研究人员已知晓的，因为可W对该溫度差进行校准。
[0083] 组成所得工件的合金呈现图2所显示的微观结构，图2为不同放大率的扫描电子显 微镜图像。运种微观结构有层状颗粒构成，颗粒被相位T的周边区域所包围，该区域含有相 位B2的沉淀物，呈醒目的白色。层状颗粒的平均尺寸为30WI1。周边区域丫呈长型（约数微 米）。在层状区域，我们观察到不太醒目的带状纹理(在图2d中标记为BO)，运些是棚化物。
[0084] 图3示出了同一观察区域的扫描电子显微镜和透镜电子显微镜图像。层状区域总 体呈现典型外形：由平均宽度为0.15皿的薄片层构成，各层之间被笔直的分界面隔开。在层 状区域中，相位02的比例约为10%。图4展现了周边区域的详细情况，我们可W观察到相位 丫延伸到层状晶粒边界中。
[0085] 图5示出了X射线能谱和扫描电子显微镜EDS-MEB对化学成分进行局部分析的结 果。我们可W测量到，在所有相中，鹤的分布相对均匀，运相当出乎意料，因为理论上相位B2 和口 2接受的比例最多。
[0086] 由于对该化学成分的相平衡曲线的了解并不完整，所W我们还不是完全清楚该微 观结构的形成机制。正在对该形成机制进行研究。但是，溫度升高到1355°C似乎让a转变成 为可能。而且，要么是因为对于该成分来说不存在单相区域〇,要么是因为转化动态过于缓 慢，a颗粒的周边区域e有可能会继续维持在1355°C。有限的a颗粒增大有可能不仅是因为具 有棚元素，而且有可能是因为残余相的存在。冷却时，会发生两种转化:层状转化，棚化物的 存在会促进该转化;W及周边区域e转化为相位丫 +B2。
[0087] 图6和图7显示了合金在室溫下拉伸曲线，W及700°C时300MPa下的蠕变曲线，表现 了该合金优异的机械性能。运两种情况都分别具有两条曲线，分别代表从不同的SI^晶粒中 提取的样本。在蠕变中，第二次试验在1.5%蠕变时中断了，目的在于通过电子显微镜研究 形变时的微观结构，尝试了解蠕变表现良好的原因。曲线的重叠表现了，通过SPS工艺获得 样本的机械性能具有极大的可复制性。室溫下的拉伸曲线可W得出：断裂伸长率为1.6%， 弹性极限为496MPa，断裂强度为646MPa。700°C时300M化下的蠕变，第二阶段速度为3.7*1〇-9s^i，断裂前持续时间为4076小时，运一结果十分优异。此外作为补充，我们还测量了 750°C 时的蠕变速度。该速度在120MPa下为2.3*1〇-9s-i，在200MPa下为5.8*1〇-9s-i，该数值证实了 依据本发明得到的工件具有优异的蠕变稳定性。
[0088] 下表总结了成分构成为Ti49,92Al4抓2B0,08时依据本发明所得到的拉伸和蠕变方面 的数据。
[0089] 拉伸；
[0093]运些优异的结果让本领域技术人员能够了解本发明在高溫环境下应用的优势。
[0094]得到的延展性可能因为：i)周边区域丫接受了相当数量的形变;ii)层状区域的特 征(层的尺寸较大)也可W发生形变，W及iii)层状颗粒的尺寸较小，限制了造成断裂的内 部应力的堆积。优异的蠕变强度可能是因为层状结构的强度和鹤元素在形变基体T中分散 状态良好。依据本发明工艺得到的尺寸特征，即颗粒尺寸和层的宽度，似乎已接近于理想状 况，目的在于进行扩散时位错不会轻易位移，W及具有足够的晶粒边界和分界面阻挡位错 运动。
[00M] 依据本发明的工艺，即可制造出一件金属合金工件。该工件的特征已经超出上述 提及的飞机发动机满轮叶片的要求(室溫下0.2%形变时弹性极限约400MPa、断裂伸长率约 为1.5%，700°C-300MPa和750°C-200MPa条件下发生蠕变，断裂前持续时间至少为400小 时），并且充分满足所有规格要求。
[0096]当然，本项发明不仅限于本说明书中所述的不同形式的实施例和变更情况。在下 文权利要求书的范围内，本领域技术人员可W对本项发明中的各种实施例进行修改。
【主权项】
1. 通过火花等离子烧结制造金属合金工件(PF)的工艺，包含对含有粉末状构成材料的 设备同时应用单轴压力和电流，所述材料具有如下成分组成(用原子百分比表示）： -42 %到49 %的铝； -0.05%至IJ1.5%的硼； -从钨、铼和锆中选择至少一种元素，含量最少为0.2 % ; -可选地，从铬、铌、钼、硅和碳中选择一种或多种元素，含量为0到5 % ; -用于平衡的钛元素，除铝和钛之外的元素总量为0.25%到12%。2. 根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述材料包含下列至少一种元素，含量限 定如下： -0.2% 至IJ4% 的钨； -0.2%到4%的铼； -0.2 %到5 %的锆； -0到3 %的铬； -0到5 %的铌； -0到5 %的钼； -0到2 %的硅； -0到1%的碳。3. 根据权利要求1或2所述的工艺，其特征在于，所述材料成分构成原子比符合： 49.92% 的钛、48.00% 的铝、2.00% 的钨、0.08% 的硼。4. 根据权利要求1至3中任一项所述的工艺，其特征在于，所述工艺包含以下步骤： a) 选择一种权利要求1到3中所限定的成分构成； b) 施加大于30MPa的压力，逐渐增加温度直至温度达到在1200到1400°C范围内的等级； c) 把温度在所述等级上维持至少一分钟； d) 将温度和压力降回室温条件。5. 根据权利要求4所述的工艺，其特征在于，实施步骤b)时，施加80到120MPa之间的压 力。6. 根据权利要求4或5所述的工艺，其特征在于，实施步骤b)时，在5分钟以内的时间内， 逐渐增加压力。7. 根据权利要求4至6中任一项权利要求所述的工艺，其特征在于，实施步骤b)时，温度 上升速率为80到120°C/min，除了在达到所述温度等级前的最后三分钟内，升温速度降至10 到 40°C/min。8. 根据权利要求4至7中任一项权利要求所述的工艺，其特征在于，实施步骤c)时，温度 需在所述等级上维持约2分钟。9. 对上述任一项权利要求所述的工艺的使用，目的在于制造涡轮叶片。10. 对根据权利要求1至8中任一项权利要求所述工艺的使用，目的在于制造内燃发动 机阀门。11. 对根据权利要求1至8中任一项权利要求所述该工艺的使用，目的在于制造涡轮增 压机的涡轮齿轮。12. 对根据权利要求1至8中任一项权利要求所述工艺的使用，目的在于制造活塞轴。
【专利摘要】本发明涉及一种通过火花等离子烧结制造金属合金工件(PF)的工艺，包含在模具(M)内对粉末状构成材料同时应用单轴压力和电流，所述材料具有如下成分组成：42％到49％的铝；0.05％到1.5％的硼；从钨、铼和锆中选择至少一种元素，含量最少为0.2％；可选地，从铬、铌、钼、硅和碳中选择一种或多种元素，含量为0到5％；用于平衡的钛元素，除铝和钛之外的元素总量为0.25％到12％。
【IPC分类】F01D5/28, C22C14/00, C22C1/04, B22F3/105, B22F3/14, C22F1/18, B22F5/04, F01L3/02
【公开号】CN105451915
【申请号】CN201480044701
【发明人】阿兰·库雷特, 菲利普·蒙乔克斯, 马克·托马斯, 托马斯·沃西恩
【申请人】国家科学研究中心, 国家航天航空研究局
【公开日】2016年3月30日
【申请日】2014年6月11日
【公告号】EP3007844A1, US20160121400, WO2014199082A1