专利名称：耐疲劳的铸造钛合金物品的制作方法
技术领域：
本披露总体上所涉及的领域包括钛合金、形成钛合金的方法、以及由钛合金形成的物品。
背景技术：
钛合金由于其高的强度重量比、优异的机械特性、以及较高的耐腐蚀性在正常的以及高要求的应用中的使用十分受欢迎。但是经验表明了处于锻造形式的钛合金(例如， 由棒料锻造或轧制的那些)与当它们通过其他的成型技术(例如铸造或粉末冶金术)来形成时相比总体上呈现出更大的疲劳强度。因此可能有益的是辨别出钛合金以及用于铸造这些合金的步骤，这样完成的铸造物品复制了或至少有利地比得上处于锻造形式的相同物品的疲劳行为。
发明内容
本发明的一个示例性实施方案可以包括一种产品，该产品包括一个压缩机叶轮， 该压缩机叶轮是已经使用迅速的淬火热处理过的以用于一个车辆的涡轮增压器中，该涡轮增压器压缩了空气并且将其供应到一个内燃发动机的一个进气歧管中。该压缩机可以由一种铸造的钛合金组成，该钛合金具有的标称组成包括约5. 5质量百分比至6. 63质量百分比的铝、约3. 5质量百分比至4. 5质量百分比的钒、约1. 0质量百分比至约2. 5质量百分比的铬、最大值为0. 50质量百分比的铁、约0. 06质量百分比至约0. 12质量百分比的硅、最大值为0. 5重量百分比的N、最大值为0. 015重量百分比的H、最大值为0. 15重量百分比的C、以及至少80质量百分比或余量的钛。本发明的另一个示例性实施方案可以包括一种产品，该产品包括一个用于车辆的涡轮增压器的压缩机叶轮，该压缩机叶轮包括一个轮毂、一个基部、以及多个空气动力学波纹状轮廓的叶片。该压缩机叶轮已经使用一种快速淬火进行了热处理并且具有的标称组成是约5. 5质量百分比至6. 63质量百分比的铝、约3. 5质量百分比至4. 5质量百分比的钒、 约1. 0质量百分比至约2. 5质量百分比的铬、约0. 06质量百分比至约0. 12质量百分比的硅、以及至少80质量百分比或余量的钛。该压缩机叶轮还可以具有的微结构包括在一个β 片状基体中的一次α片晶以及二次α片晶的一个双片状分布。本发明的另一个示例性实施方案可以包括由以下步骤制造的一种产品，这些步骤包括使用一种钛合金来熔模铸造一个预先确定形状的物品，将该物品进行热等静压，加热该物品，使该物品快速淬火，并且将该物品退火，该钛合金具有的标称组成是约5. 5质量百分比至6. 63质量百分比的铝、约3. 5质量百分比至4. 5质量百分比的钒、约1. 0质量百分比至约2. 5质量百分比的铬、最大值为0. 50质量百分比的铁、约0. 06质量百分比至约0. 12 质量百分比的硅、以及至少80质量百分比或余量的钛。
本发明的另一个示例性实施方案可以包括一种方法，该方法包括使用一种钛合金来铸造一个涡轮增压器的压缩机叶轮，该压缩机叶轮包括一个轮毂、一个基部、以及多个空气动力学波纹轮廓的叶片，该钛合金具有的标称组成包括约5. 5质量百分比至6. 63质量百分比或3. 5质量百分比至小于6. 0质量百分比的铝、约3. 5质量百分比至4. 5质量百分比的钒、约1. 0质量百分比至约2. 5质量百分比的铬、最大值为0. 50质量百分比的铁、约0. 06 质量百分比至约0. 12质量百分比的硅、以及至少80质量百分比或余量的钛。该方法还包括将该铸造的压缩机叶轮加热到高于该钛合金的β转变温度的一个温度，使得该压缩机叶轮具有一个基本上β相的晶体微结构。此外，该方法可以包括将该压缩机叶轮从高于该钛合金的β转变温度的一个温度快速冷却到低于该β转变温度的一个温度，其冷却速率足以为该压缩机叶轮提供一个双片状微结构，该微结构包括在一个β片状基体中的一次 α片晶以及二次α片晶。从以下所提供的详细的说明中本发明的其他示例性实施方案会变得清楚。应该理解，详细的说明和具体的实例(虽然表明了本发明的一个或多个示例性实施方案)是旨在仅用于说明的目的而并非旨在限制本发明的范围。
从详细的说明以及这些附图中将会更加全面地理解本发明的多个示例性实施方案，在附图中图1是根据本发明的一个实施方案的一个车辆的涡轮增压器的压缩机叶轮。图2是一个显微照片，示出了图1的压缩机叶轮的轮毂的截面切口的微结构。图3是一个显微照片，示出了图1的压缩机叶轮的叶片之一的截面切口的微结构。图4是描绘了用于形成图1的压缩机叶轮的一些步骤的流程图。图5是根据本发明的一个实施方案的一种钛合金的平衡相图的相关部分的示意性图示。
具体实施例方式以下对这种或这些实施方案的说明在本质上仅是示例性的而决非旨在限制本发明、其应用、或用途。某些锻造的钛合金物品的疲劳强度允许它们被用于许多高要求的应用中，例如除其他之外会遇到高应力、严酷的环境以及升高的温度的那些应用。但是有时候具有较复杂的形状或表面轮廓的物品不适合于以锻造的形式形成。这通常是这样的，因为这种物品的复杂的形状不能够在可接受的公差内精确地进行制造，或者因为要求这样做的时间以及金钱的投资是高得难以接受的。然而铸造技术的使用可以减少与形成具有复杂的形状的物品相关联的一些困难。但是如之前简单涉及的，铸造的钛合金物品的疲劳强度总体上不如其锻造的对应物那样显著。已经辨别出了一种可以克服这些以及其他相关问题的特殊钛合金。这种钛合金 (在下文中简称为TiA16V4Cr2)具有的标称的组成为约5. 5质量百分比至约6. 63质量百分比的铝(Al)、约3. 0质量百分比至约4. 5质量百分比的钒(V)、约1. 0质量百分比至约 2. 5质量百分比的铬(Cr)、约最大值为0. 50质量百分比的铁(Fe)、约0. 15质量百分比至
5约0. 25质量百分比的氧(0)、约0.06质量百分比至约0.12质量百分比的硅(Si)、以及除了一些可允许的杂质之外至少80质量百分比或余量的钛(Ti)。最值得注意地，这些杂质可以包括最大值为0.08质量百分比的碳(C)、最大值为0.04质量百分比的锰(Mn)、最大值为0.04质量百分比的氮(N)、以及最大值为0.015质量百分比的氢(H)。在一个实施方案中，在该合金中TI的量值可以范围是从85. 405质量百分比-89. 79质量百分比。这种钛合金被认为是从环境温度到至少370°C是β较丰富的α+β钛合金，这部分地是由于钒 (β-同晶形元素)以及铬(不活泼的共析合金元素)的β稳定作用。在图5中展示了 TiA16V4Cr2的平衡相图的相关部分的示意性图示。试验以及分析还指示了 TiA16V4Cr2 可以被铸造成多种物品(具有单一的亦或复杂的形状)这些物品呈现出较高的疲劳强度。 例如，此类TiA16V4Cr2铸造物品可以复制类似于锻造的TiA16V4物品的疲劳行为，因为这两种类型的物品均超过了对于高循环耐疲劳性的许多阈值工作要求。不受理论的限制，据信一种特殊的微结构对于为该铸造的TiA16V4Cr2物品提供这种较高的疲劳强度特性负责。这种微结构可以被描述为在一个β片状基体(体心立方晶相)中的具有一次以及二次α片晶(密排六方晶相)的一种双片状分布。该一次α片晶类似于较大并且超长的“针状”晶粒。然而，该二次α片晶是更小的、精细尺寸的晶粒， 这些晶粒是遍及该β片状基体的在这些更大的α片晶之间随机地分布的。这些二次的α 片晶可以起到多种有用的作用。例如，它们可以使该β片状基体硬化，这进而可以减小跨过这些α群的有效的滑移长度并且还对于微裂缝蔓延产生了较有效的阻挡。像这样，可行的是利用在对Ti6A14V经常保留的应用中从已知的铸造技术用TiA16V4Cr2铸造的物品以及其他实质上耐疲劳的锻造的钛合金物品。这种合金物品可以用较纯的金属组分制备或者可以将废料Ti6A14V进行再加热其中加入铬和硅以及其他所希望的元素。这些金属、废料材料以及另外的元素能以不同的方式进行加热，包括但不限于煤气炉或电炉、或通过真空电弧再熔。铸造的物品可以通过不同的方法制造，包括但不限于使用离心机辅助的真空铸造或通过在真空中的重力铸造。刚刚描述的这种双片状微结构可以通过将该铸造的TiA16V4Cr2物品从高于其β 转变温度的一个温度快速冷却到在其α+β相区内的一个温度而形成。适当的快速冷却技术包括但不限于水淬以及高压氩气冷却。应该指出这种铸造的物品可以在其被快速冷却之前以及之后经受多种处理。例如，该铸造的物品可以在快速冷却之前经受热等静压以通过减小该铸造的物品的内部孔隙率而将其硬化。而且，该铸造的物品可以在快速冷却之后进行退火以除去可能由晶体缺陷(例如位错)而引起的任何内应力。铸造领域的普通技术人员会知道并且理解在铸造一个宽范围的物品中所涉及的不同步骤、连同对于这些步骤的这些工艺参数或者怎样获得这些参数，这样在此处没有必要对许多不同的铸造技术以及许多可以在该快速冷却步骤之前以及之后进行的不同处理进行详细说明。现在参见图1-4，在此示出了用TiA16V4Cr2铸造的物品的一个具体的并且示例性的实施方案，这种物品呈现出了以上提到的双片状微结构。例如，如图1所示，该铸造的物品可以是一个用于车辆的涡轮增压器中的压缩机叶轮10以帮助压缩新鲜的空气并且将其以一个增加的压力供应到车辆的内燃发动机的一个进气歧管中。在该进气歧管内这种增加的空气压力允许更大的空气体积通过所关联的进气阀门而被吸入到该发动机汽缸中用于通过对应地增加量的燃料而燃烧；其结果是该车辆内燃发动机的功率以及扭矩输出的提尚O在一种典型的涡轮增压器安排中，该压缩机叶轮10被封闭在一个压缩机壳体内并且安装到一个可转动的轴(未示出)的一端。如图1所示，该压缩机叶轮总体上包括一个轮毂12、一个基部14、以及多个空气动力学波纹轮廓的叶片16。该轮毂12的形状可以是环形的以限定一个轴向孔18用于接收最终驱动该压缩机叶轮10的这个可转动的轴。该基部14可以与该轮毂12相反轴向地定位并且可以是盘状的并且直径更大的。该轮毂12以及该基部14可以是一体连接的；即，该轮毂12通过沿着该压缩机叶轮10的轴向长度以一种带槽的或成角度的方式径向向外延伸而过渡到基部14。该多个空气动力学波纹轮廓的叶片 16可以向外伸出并且围绕该轮毂12与该基部14之间的过渡轻微地环圆周地包绕。它们还可以呈现出一种精确的并且复杂的弯曲，该弯曲总体上沿着一种“S形”的轮廓从接近该轮毂12开始并且在接近该基部14结束。这种弯曲被设计为当该压缩机叶轮10旋转时实现至少几个目的。首先，每个叶片16的引导边缘20抓取了正在进入的空气并且使其朝向该压缩机叶轮10的基部14轴向移动。其次，每个叶片16的一个中间部分22将空气流的方向从轴向改变到径向，并且同时以高速度加速了这种环圆周围绕该压缩机叶轮10的空气。 最后，每个叶片16的一个尾随边缘M以增加的压力将空气从该压缩机叶轮10中推出。这种高压空气流然后直接地亦或间接地被递送到该进气歧管中，这取决于该空气是否首先穿过了一个中冷器。应指出，在这一点上，在图1中示出的压缩机叶轮10经受了许多技术人员可能从事的设计更改并且因此替代的配置也是有可能的。例如，如在共同转让的美国专利号6，904，949中说明的，图1中示出的压缩机叶轮被设计为在某种程度上帮助来提高其铸造性。然而许多其他的压缩机叶轮设计，适合于通过许多种已知的铸造技术而形成。为了使该压缩机叶轮转动，这样它能以这种方式起作用，可以将封闭在一个涡轮机壳体内的涡轮机叶轮安装到该旋转轴的相反端上。可以将一个发动机排气流可控制地加入到该涡轮机壳体内，在那里它被该涡轮机叶轮捕获从而使其以约80，000至250，000RPM 的速度旋转，以便使热的排气从该涡轮机壳体逃逸并且继续流动穿过该车辆的排气系统。 该涡轮机叶轮的速度可以由一个废气门致动器控制，该废气门致动器允许一部分的排气流在该进气歧管内的空气压力达到一个预先设定的最大值时绕过该涡轮机壳体。此外，连接该压缩机叶轮10以及该涡轮机的可旋转的轴可以由一个轴承系统(例如流体润滑的轴承系统)悬挂着，以允许该轴以这些较高的速度以最小的能量损失(由于摩擦)进行旋转。现在参见图2和3，可以看到该铸造的TiA16V4Cr2压缩机叶轮10的双片状微结构。图2是轮毂12截面的并且放大500倍时的显微照片，示出了 β片状(颜色更黑的基体)、一次α片晶(颜色更浅的并且更长的针状的段)、以及在该一次的α片之间分布的二次α片(更小的、颜色更浅的斑点或片段)。图3是空气动力学波纹轮廓的叶片16之一截面的并且放大了 500倍的显微照片，示出了与轮毂12内发现的类似的双片状微结构。某些机械以及疲劳强度特性还可以表明该压缩机叶轮10已经实现了图2和3内示出的双片状微结构，倘若该叶轮10的微结构的显微照片不能获得的话。与图2和3相关联的双片状微结构的机械特性在以下表1中示出。这些特性对应于在一个具有两英寸量规长度的圆形样品上所进行的ASTM E 8程序(金属材料拉伸测试标准试验方法)。表 权利要求
1.一种产品，包括一个用于车辆的涡轮增压器的、热处理过的并且快速淬火过的压缩机叶轮，该压缩机叶轮包括一个轮毂、一个基部以及多个空气动力学波状轮廓的叶片，该压缩机叶轮具有的标称组成是约5. 5质量百分比至6. 63质量百分比的铝、约3. 5质量百分比至4. 5质量百分比的钒、约1. 0质量百分比至约2. 5质量百分比的铬、最大值为0. 50质量百分比的铁、约 0. 06质量百分比至约0. 12质量百分比的硅、以及至少80质量百分比的钛；并且其中该压缩机叶轮具有的微结构包括在一个β片状基体中的一次α片晶以及二次α 片晶的一个双片状分布。
2.如权利要求1所述的产品，其中该压缩机叶轮进一步包括的杂质为高达约0.08 质量百分比的碳、高达约0. 08质量百分比的锰、高达约0. 04质量百分比的氮、以及高达约 0. 013质量百分比的氢，其中余量是钛。
3.如权利要求1所述的产品，其中该压缩机叶轮包括约980MPa的最小拉伸强度、当以 0. 2%的残余变形测量时约880MPa的最小屈服强度、以及约8%的最小伸长率。
4.如权利要求1所述的产品，其中该轮毂限定了一个轴向孔，该轴向孔接收了一个轴的一端，该轴的另一端由一个涡轮机叶轮接收，该涡轮机叶轮的至少一部分位于一个发动机排气流内以使该涡轮机叶轮以及该压缩机叶轮旋转。
5.一种通过以下步骤制成的产品，这些步骤包括使用一种钛合金来熔模制造一个具有预先确定形状的物品，这种钛合金具有的标称组成是约5. 5质量百分比至6. 63质量百分比的铝、约3. 5质量百分比至4. 5质量百分比的钒、 约1. 0质量百分比至约2. 5质量百分比的铬、最大质量百分比的铁、约0. 06质量百分比至约0. 12质量百分比的硅、以及至少80质量百分比的钛；将该物品在一个预先确定的温度以及压力下进行热等静压持续一个预先确定的时间段；将该物品加热到高于与该钛合金相关联的β转变温度的一个温度；将该物品从高于该β转变温度的温度快速冷却到低于该β转变温度并且在与该钛合金相关联的α+β相区内的一个温度；并且使该物品在与该钛合金相关联的α+β相区内的一个温度下退火。
6.如权利要求5所述的产品，其中该热等静压步骤包括将该物品在约885°C至约913°C 的温度下、在不小于1000巴的压力下热等静压约二至约四小时。
7.如权利要求5所述的产品，其中该热等静压步骤包括将该物品在约940°C至约968°C 的温度下、在不小于1000巴的压力下热等静压约二至约四小时。
8.如权利要求5所述的产品，其中该快速冷却步骤包括将该物品以一个足以为该物品提供一个双片状微结构的冷却速率进行冷却，该微结构包括在一个β片状基体中的一次 α片晶以及二次α片晶。
9.如权利要求5所述的产品，其中该退火步骤包括使该物品在约550°C退火约八小时。
10.如权利要求5所述的产品，其中该物品在快速冷却步骤之后，包括约980MPa的最小拉伸强度、当以0. 2%的残余变形测量时约890MPa的最小屈服强度、以及约8%的最小伸长率。
11.一种产品，包括一个用于车辆的涡轮增压器的、热处理过的并且快速淬火过的压缩机叶轮，该涡轮增压器压缩了空气并且将其供应到一个内燃发动机的进气歧管中，该压缩机叶轮由一种铸造的钛合金组成，该钛合金具有的标称组成包括约5. 5质量百分比至6. 63质量百分比的铝、 约3. 5质量百分比至4. 5质量百分比的钒、约1. 0质量百分比至约2. 5质量百分比的铬、最大值为0. 50质量百分比的铁、约0. 06质量百分比至约0. 12质量百分比的硅、以及余量的钛。
12.如权利要求11所述的产品，其中该铸造的钛合金进一步包括的杂质为高达约 0. 08质量百分比的碳、高达约0. 08质量百分比的锰、高达约0. 04质量百分比的氮、以及高达约0.013质量百分比的氢。
13.一种方法，包括使用一种钛合金来铸造一个涡轮增压器的压缩机叶轮，该压缩机叶轮包括一个轮毂、 一个基部以及多个空气动力学波纹轮廓的叶片，该钛合金具有的标称组成包括约5. 5质量百分比至6. 63质量百分比的铝、约3. 5质量百分比至4. 5质量百分比的钒、约1.0质量百分比至约2. 5质量百分比的铬、最大值为0. 50质量百分比的铁、约0. 06质量百分比至约0. 12 质量百分比的硅、以及至少80质量百分比的钛；将该压缩机叶轮加热到高于该钛合金的β转变温度的一个温度，使得该压缩机叶轮具有一个基本上β相的晶体微结构；并且将该压缩机叶轮从高于该钛合金的β转变温度的一个温度快速冷却到低于该β转变温度的一个温度，其冷却速率为足以为该压缩机叶轮提供一个双片状微结构，该双片状微结构包括在一个β片状基体中的一次α片晶以及二次α片晶。
14.如权利要求13所述的方法，其中铸造该涡轮增压器的压缩机叶轮包括将该涡轮增压器的压缩机叶轮进行熔模制造。
15.如权利要求13所述的方法，进一步包括在铸造之后但是在加热之前，将该压缩机叶轮进行热等静压。
16.如权利要求15所述的方法，其中将该压缩机叶轮进行热等静压包括将该物品在约 885°C至约913°C的温度下、在不小于1000巴的压力下热等静压约二至约四小时。
17.如权利要求15所述的方法，其中将该压缩机叶轮进行热等静压包括将该物品在约 940°C至约968°C的温度下、在不小于1000巴的压力下热等静压约二至约四小时。
18.如权利要求13所述的方法，其中加热该压缩机叶轮包括在一个煤气炉中加热该压缩机叶轮，并且其中快速冷却该压缩机叶轮包括用高压氩气对该煤气炉进行吹扫。
19.如权利要求13所述的方法，进一步包括使该压缩机叶轮在快速冷却之后退火。
20.如权利要求19所述的方法，其中将该压缩机叶轮退火包括使该压缩机叶轮在约 550°C退火约八小时。
全文摘要
由一种特殊的钛合金铸造的物品可以达到较高的疲劳强度。这种钛合金是(α+β)钛合金，该钛合金具有的标称组成为约5.5质量百分比至约6.63质量百分比的铝、约3.5质量百分比至约4.5质量百分比的钒、约1.0质量百分比至约2.5质量百分比的铬、最大值为0.50质量百分比的铁、约0.15质量百分比至约0.25质量百分比的氧、约0.06质量百分比至约0.12质量百分比的硅、以及除了一些可允许的杂质之外至少80质量百分比的钛或余量的钛(Ti)。在一种示例性的应用中，这种钛合金可以被用来铸造一种涡轮增压器的压缩机叶轮。
文档编号B22C9/04GK102459670SQ201080026049
公开日2012年5月16日 申请日期2010年6月24日 优先权日2009年6月29日
发明者D·德克尔 申请人:博格华纳公司