CN1660540A

CN1660540A - 含有金属间钛铝合金构件或半成品的制造方法及相应构件

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Publication number: CN1660540A
Application number: CN2005100521993A
Authority: CN
Inventors: M·奥林格; J·保罗; F·阿佩尔
Original assignee: GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Current assignee: GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Priority date: 2004-02-26
Filing date: 2005-02-28
Publication date: 2005-08-31
Anticipated expiration: 2025-02-28
Also published as: RU2306227C2; CA2496093A1; JP2005238334A; DE502004006993D1; US7870670B2; US20060138200A1; EP1568486B1; ATE393699T1; CA2496093C; CN1660540B; EP1568486A1; RU2005105411A; ES2305593T3; KR20060042190A

Abstract

本发明建议了一种用于制造含有金属间钛铝合金的构件(10)或半成品的方法，其方法步骤为：a.相应于构件(10)或半成品的所希望的最终形状粗形成多个板状体(11)的轮廓，其中这些板状体的一部分或者所有板状体由钛铝合金制成，b.实施多个相互堆叠的板状体(11)平面连接用于形成总体(10)，c.形成总体(10)所希望的最终形状，以及一种按照本方法制造的构件，特别用于喷气发动机。

Description

含有金属间钛铝合金构件或半成品的制造方法及相应构件

技术领域

本发明涉及一种用于制造含有金属间钛铝合金构件或半成品的方法及可用本方法制造的构件。

背景技术

常规类型的金属间钛铝合金构件或半成品，如在现有技术中公知的，如果借助常规的制造方法制造，其强度、其蠕变特性和其耐高温性具有缺点或不足，这些缺点或不足由材料的冶金学特性引起。

技术相关的钛铝合金包含40-50原子百分比的铝、最多15原子百分比的其它元素，如Nb、Cr、Si、B和C，其它为钛。这样的合金由γ(TiAl)构成多数金相及由α₂(Ti₃Al)构成少数金相。取决于合金成分和热处理，还可能有其它少数金相。例如以下技术钛铝合金：

Ti-48Al-2Cr-2Nb

Ti-47Al-1Cr-1Nb-0.5B

Ti-44Al-4Nb-4Zr-0.5Si

Ti-45Al-10Nb-0.2B-0.2C

这种类型的合金特征基本上是小密度、高弹性模量、高强度和高抗氧化性。基于这些不寻常的特性，钛铝合金在高温技术中引起很大的应用兴趣。但合金的技术应用被直到很高温度还存在的大的脆性所阻碍。由此，材料缺陷或组织的不均匀性对于由合金制成的构件的强度和可靠性产生极不利的影响。迄今为止还未成功地通过合金效应显著改善由金属间的金相的特性决定的钛铝合金的低的脆性和损伤耐受性。用于合适的制造钛铝合金的方法的改进工作由此集中于用于传统的冶金方法-例如铸造或热变形-的过程参数的识别，由此得到精细(fine)的及化学及结构上非常均匀的组织。这一方面导致了高温特性上的潜能(Potential)不完全利用，因为得到的精细的组织减少例如合金的抗蠕变性和韧性降低。另一方面，在一些构件上实现的机械特性由于组织不可避免地在构件横截面不完全均匀而受到限制。其原因在于：组织形态经常依赖于局部构件横截面，横截面例如在锻造制造时决定局部变形度或在通过铸造方法制造时决定局部冷却率。

如其它金属间金相，存在于γ-钛铝合金中的多数金相γ(TiAl)由于其晶体结构具有相当大的例如弹性或塑性的各向异性。此外在钛铝合金中优选得到的层叠的组织加剧了机械特性的各向异性。因此在构件中确定的晶粒的晶体取向通过制造过程尽可能地避免。当然具有剧烈变化的横截面的构件的纹理以及组织仅通过总构件截面受限制地控制，这也导致不能利用所有特性潜能。

钛铝合金目前已经用于所有冶金学中普遍的产品形式，包括铸件、变形半成品和粉末。

铸造钛铝合金是相对廉价的制造方法，特别适合用于制造具有复杂几何形状的构件。但是，此技术由于约1460℃的高熔融温度及钛铝合金强烈的反应而非常复杂。钛铝熔融物的充模能力很小。因此对于制造具有精细形状的构件需要特殊的铸造技术例如离心铸造。当熔融物凝固及继续冷却时发生相变和有序反应(Ordnungsreaktion)，它们导致不可避免的合金元素的偏析及很显著的铸造纹理。凝固时产生的组织与冷却速度有关，由此可随构件壁厚变化。在铸件中经常出现缩孔和气孔。该产生的质量缺陷通过构件尺寸增大而增加并且对于许多应用是不能容许的。

为了加强和细化化学和结构上不均匀的铸造体如对于普通的材料，应用变形技术，如锻造或挤压。由此可实现的组织的改善主要依赖于在变形中可实现的变形度。对于钛铝合金，变形的程度首先由材料脆断倾向强烈地限制。由此在锻造体的外部经常在早期产生裂缝，裂缝阻碍继续变形。因此变形度在锻造钛铝合金时总被限制在80原子百分比。由此不能实现满意的组织的细化和加固。这样变形的半成品经常具有仍存在粗铸造组织的区域，此外组织化学上非常不均匀。这种半成品只在一定条件下仅可被用于高载荷构件。

在挤压时，对变形叠加大静液压应力，通过静液压应力，很有效地避免了裂缝的产生。由此基本上可比在锻造时实现更高的变形度，由此组织质量显著改善。虽然变形很大，但在挤压过的半成品中仍具有显著的结构和化学的各向异性，各向异性极大地限制了材料在安全意义重大的构件上的应用。对于进一步的构件制造特别不利的是：在挤压时产生很细长的半成品。通常，工件的横截面以一个10∶1或更大的比例减少。目前仅能制造直径最大300mm的良好质量的铸造件。在挤压时生产半成品只适于特别的构件形状。但被挤压的材料非常适于随后的通过锻造或轧制的变形。对于二次变形再次显著的改善组织，使得由此制造的构件能满足高的质量要求。由于挤压过的半成品的很细长的形状，通过随后的锻造仅充满小的构件体积，并且首先不能制造大面积构件。

由挤压过的材料通过轧制可制造大面积的薄板或片。这些板或片由于轧制变形在结构上和化学上很均匀，并相对于轧制方向具有显著的纹理并由此机械性能上各向异性。

上述铸造和变形技术的缺点可以在应用粉末冶金制造方法时避免。在此预先制成合金的钛铝粉末通过热恒温压缩压实，其中基本上对所压实体的大小没有限制。该粉末冶金制造方法的另一优点是：压实的体结构上和化学上很均匀，此外不具有纹理。通过不同的显微结构的不同成分的粉末的混合，机械特性可变化。粉末冶金制造的钛铝合金半成品由此首先看起来特别适于通过随后的锻造制造大的构件。

但粉末冶金技术的一个严重的缺点是：在粉末颗粒中经常包含有雾化的气体(Verdüsungsgas)。这种雾化的气体在随后的变形步骤中被释放并导致多孔性。因此对于高载荷的有重要安全意义的构件，通常避免使用粉末冶金制造的材料。

发明内容

所以本发明的目的是提供一种用于制造可由金属或合金制成的构件或半成品方法，本构件或半成品可承受高载荷，并具有大的几何膨胀及具有很好的耐高温性，而不具有现有技术中公知的上述的借助公知制造方法制造的构件的缺点，其中可简单实施用于制造构件或半成品的方法，由此接着根据现有技术中公知的通常的制造方法步骤，其中借助本发明的方法应当能提供具有借助公知制造方法制造的构件和半成品不具有的特性的构件和半成品。

根据本发明的方法由以下方法步骤实现本发明的目的：

a.相应于构件或半成品的所希望的最终形状粗形成多个板状体的轮廓，其中这些板状体的一部分或者所有板状体由钛铝合金制成，

b.实施多个相互堆叠的板状体彼此平面连接用于形成总体(Gesamtkrper)，

c.形成总体所希望的最终形状。

根据本发明的解决方案的优点基本上在于：用于在最后方法步骤形成产生总体的开始体为较薄的平面板或片，板或片可通过变形技术如轧制、连续挤压或锻造制成半成品，因此很廉价。根据本发明也可使用通过铸造或粉末冶金方法制造的平面或板状金属或合金半成品。

对于本发明，构件的三维最终形状分层地由板状体组成。这些构成层的单个的板状体具有通过平行的构件截平面形状，可看作构件片。

根据方法步骤a的概念“形成粗轮廓”，理解为，板状体及片状体的相互堆叠之后选择比按照本发明制造的构件的尺寸稍微大些的初步形状。弯曲的构件形状可通过相应的设有阶台的板状或片状体的粗轮廓由堆叠构成，因此堆已具有三维阶台轮廓的外表面。

由轧制、连续挤压、锻造、铸造或粉末冶金方法制成的板状或片状体通过该技术在一定条件下具有预先给定的显微组织及纹理，它们通过预给定的所希望的规范对于总体限定。这里不产生用公知方法制造的总体的缺点，因为由板状体构成的总体的特性一层一层地限定。

为构成总体而使多个堆叠的板状体彼此连接可以通过合适的接合方法来实现。因此在总体内部通过连接过程不产生组织变化。

根据方法步骤c形成所希望的最终形状通过公知的变形方法进行，彼此连接的片状体大量保持其显微结构。

根据一个有利的方法设计方案，板状体的粗轮廓通过无切屑成形形成，例如通过冲裁由板状或片状半成品构成的板状体。

也可以：板状体的粗轮廓优选地通过切削实现，这可机械式或例如通过激光切割方法或类似方法进行。

用于构成总体的多个堆叠的板状体的彼此连接可以优选地通过渗透焊接来实现。渗透焊接可在较低的温度900-1100℃及20-100MPa下进行，使除紧挨着的焊接区域外在板状体的材料中不产生组织变化。

对于本方法另一优选方案。多个堆叠的板状体的连接通过各板状体之间的钎焊连接实现。

形成总体的最终形状优选地通过锻造总体来实现，这具有以下优点：该锻造过程产生附加的加固和和化学上材料的均匀性，存在于焊接区域中的组织变化几乎完全重构。这对于高载荷有重要安全意义的构件有特别重大优点。

基本上所有合适的方法如在机床上的切削加工或借助腐蚀法最终成形，都适于按照方法步骤c形成总体的最终形状。除了锻造之外最后提到的加工方法可用于形成总体最终形状。

当执行确定的方法时，例如相互连接板状体的过程与之后的锻造结合时对减少时间和费用有利的是，板状体堆叠的连接和/或形成总体的最终形状在真空或一种惰性气体氛围中进行。在锻造时，对于该在真空中或一种惰性气体氛围中的特殊的制造方法确保板状体的连接区域例如通过渗透连接不与氧接触。

本方法对于形成总体有很大的优点，其中构成总体的板状体由各不相同的钛铝合金或由钛铝合金及其他金属和合金构成。所以可应用例如具有不同成分、不同显微组织、不同纹理及不同显微组织和不同纹理的板状体。于是具有很不相同的成分的二相的钛铝合金可用于单个板状体，考虑例如合金各不相同的抗氧化性和合金不同的强度。

同时例如要考虑钛铝合金抗氧化性通过增加铝含量而增加，抗氧化性通过添加Nb继续增加，与此相反钛铝合金的强度随着铝含量的降低而增加及此外通过合金元素如Nb、Mo、W、B、C或Si都会影响钛铝合金的强度。

本方法可有利地改进，构成总体的板状体具有不同的显微组织和/或不同的纹理。特别地二相钛铝合金可由差异很大的显微组织来制造。这种构成单个板状体的钛铝合金的的机械特性与构成显微组织的球状γ(TiAl)体、α₂(Ti3Al)颗粒和片状晶团与体积份额密切相关，由此考虑这些关系限定的由片状体形成的层和片可在最终体中定位，使所希望的最终体的所有特性可确定。

最后优选地，这样实施本方法，相对于构成的总体最终形状的主载荷方向的定向确定相互堆叠体的平面的方向。

所有关于借助本方法可制造的构件的所述措施可实现分离的(grauduiert)材料，该材料在不同的构件区域上承受不同的负荷。其特点不仅在于构成单个板状体的金属或钛铝合金的成分还在于考虑最终成型的总体的载荷方向。

按照本发明的如上所述的方法制造的构件例如为必需承受很高机械和热载荷喷气发动机的构件。喷气发动机的这样的构件例如为喷气发动机的转子盘或旋转结构，转子盘具有叶片，称作blisk(集成叶片的盘)，或者用于具有叶片的旋转环盘，称作bling(带有叶片的环)。

附图说明

下面以后面的示意图借助两个实施例详细描述本发明。

附图为：

图1一个由板状体按照本方法构造的构件的立体图，

图2a由垂直分层板状体组装成的按照图1的构件的构造，

图2b由水平分层板状体组装成的按照图1的构件的构造，

图3按照图2b的构件垂直分离图，其中例如片状板状体具有不同的相对于其轧制方向WR的角α(为说明原理仅示出两个板状体)，

图4在板状体借助渗透焊接连接时用于导入压力模具示意图，其中构件由多个板状体按照图2b构成，

图5按照图3的在等温压缩时具有用于传递液体压力的附加连管及真空压缩的外壳的模具示意图，

图6片状构成的板状体构件单个制造步骤的示意图，其中步骤a表示堆叠的板状体，步骤b表示由渗透焊接连接的板状体，步骤c表示锻造毛坯，步骤d为以其达到目标的最终形状表示最终的构件，

图7借助扫描电子显微镜通过用于描述一个在由八个技术钛铝合金的板状体构成的构件渗透焊接后的连接区域的构件的照片形式的剖面图

图8通过根据图6连接区域剖面图，但放大倍数更高。

具体实施方式

首先看附图1、2a及2b。图1表示借助本方法制造的总体10。在图1中表示的总体在此关于旋转轴线(在附图中垂直延伸)19对称。

例1

制造一个片状的旋转对称的具有分离的材料结构的构件。

图2a和2b示出了构成总体10的板状体11两个不同结构表示总体或构件10的构造。由在总体11内的板状体11构成的层的构造相应于以后构件上的预期的主加载方向选择。图2b所示的板状体的构造为一个总体10而选择，该总体通过绕旋转轴线19加载离心力。在这种情况下，以一个预给定的数目堆叠成总体11的板状体11的连接通过焊接或类似连接形成。在该情况中(图2b)焊接连接不承受拉应力和剪应力。由总体10构成的构件通过彼此堆叠的板状体11之间的焊接连接仅受到很少影响。

当然，对于总体10的特性很重要的要素为该总体通过板状体11以不同的成分和显微组织相应于预期的载荷设计。为此适用以下选择规则：

当要求高抗裂纹扩展性和抗蠕变性时，选用具有片状显微组织的板状体11；

如果希望高延展性，则选用具有双显微组织(Dupler-Mibrostruktur)的板状体11；

当需要高抗氧化性时，则选用含有5原子百分比-10原子百分比Nb的合金的板状体11；

为获得高强度和抗蠕变性，则选用由主要成分为Ti-45Al-(5-10)Nb-B-C合金的板状体11。

通过同样定向的板材相互堆叠，在滚压过的金属板例如用于板状体11的原始材料板材上具有的各向异性用于在一定方向上加强由总体10构成的构件强度特性。

对于图2b的构件片及由离心力表示的载荷的布置，相对于旋转轴线19机械特性尽可能地各向同性。这可这样实现，通过板状体11绕由总体10构成的构件的旋转轴线19旋转，使得单个板状体11的如图3的滚压方向12(WR)均匀地围绕由总体10构成的构件旋转轴线19布置。如果构件由板状体11构成，则相邻的板状体的滚压方向12必须彼此转过的角α为α＝180/n。该角在图3中对于两个在这里示例性表示的一个由n个板状体11组成的总体10的板状体11示意性表示。

不论是否根据图2a或图2b组装，多个板状体，之前根据希望的构件10的最终形状成型粗轮廓，即由板状或片状半成品冲压出或裁剪出或适当地预成型(未示出)。

与是否按照图2a或按照图2b相互堆叠无关，堆叠的板状体11，然后通过合适的连接方法彼此连接。如果板状体11仅仅由钛铝合金构成，渗透焊接特别适合于实施板状体11的相互连接，因为由此当压力20-100MPa时需要900-1000℃的温度。在这种情况下除了紧挨着的仅几μm焊接区外不出现显微组织变化。

图6和图7示例了由渗透焊接连接的由例如8个由技术钛铝合金构成的平面板状体11的堆叠的连接照片。板状体11在本情况下在机械试验机中在由通过40MPa的压缩压力施加的真空中焊接，其中承受950℃的温度并施加载荷持续两小时。

由这些借助扫描电子显微镜拍摄的照片，可清晰地看到，在接合区几乎不出现组织变化。因此渗透焊接很适于用于根据本发明地制造方法的接合方法(方法步骤b)。一个可能得到的构成板状体11的材料的分开结构被保持并在总体11中被证实。

对于具有弯曲表面的构件，渗透焊接所需的压力的通过模具导入，其中具有工件的内凹形状。

这在图4中示意表示了对于图2a所示的构件。值得注意的是，模具材料不能与构成板状体11的材料发生反应。合适的模具材料有钼、SiC陶瓷、Si₃N₄陶瓷或Al₂O₃陶瓷。直到温度1000℃，还可使用通常的高温合金。由钛铝合金构成板状体11的渗透焊接必须在真空中或合适的一种惰性气体氛围中进行。

渗透焊接在所述条件下可在用于等温压缩的设备中实现。为此必需适当保持叠堆的板状元件11并尽可能形状配合连接地安放在真空壳体中。这种结构示意地在图5中表示用于图2a所示板状体11的结构。这里也必须避免由钛铝合金制成的板状体11和连接杆16、17的反应。合适的连接杆材料例如为钼、SiC陶瓷、Si₃N₄陶瓷或Al₂O₃陶瓷。作为壳体15的材料可以使用例如不锈钢或钛。如果不使用连接杆16、17，可以避免壳体15的壁与例如由钼片(厚度小于0.1mm)制成的板状体11的反应。接合不仅可由渗透焊接实现，根据使用温度还可由其它合适的技术实现，例如硬焊。

连接后，总体10的最终形状通过材料加工中普通的材料去除技术来制造，如车削、钻削、铣削、电腐蚀去除、电化学加工(Senken)。

例2：

通过堆叠板状体11、焊接板状体11和之后的锻造制造片状构件。

方法步骤应当借助图2b所示的由旋转体构成的总体10说明。总体10的半成品首先如上述例1所示，由片状或板状体11制成。在通过焊接接合后由锻造进行另一个变形步骤，由此制造最终或接近最终的所需构件的形状。

单个制造步骤如图6所示。确定图6所示的总体10的高度及直径必须考虑图6d所示的片形式构成的构件的最终尺寸而定。在此，应使比例h/d≤2，避免使半成品在锻造时折断。锻造可在温度950-1420℃下进行，其中变形程度至少20％是特别有利的。锻造的重要条件是片状或板状体11具有相对精细及化学上均匀的组织。因此板状体11应当由通过变形制造的板材或片制造。通过附加进行的锻造相对于上面例1所述的制造方法，达到更好的组织。此外，在焊接区域中的特殊的组织完全退化(zurückbilden)。这是一个用于制造高负载构件如燃气轮机转子盘重要的条件。

根据本发明的方法相对于传统的从铸造材料出发的锻造技术的特别优点是板状体11具有一个已经良好固化的组织。由此对于小变形程度具有非常强的再结晶。这种材料在锻造时表现出很好的流变特性。由此在模锻时实现非常复杂的变形，使构件锻造成临近最终形状。

例3

制造片状构件，在一个工序中组合渗透焊接及锻造。

渗透焊接和锻造为了减少工序中的费用被组合起来。

此外根据图5的分步骤b和c被组合起来。对于本制造方法必须在真空或合适的一种惰性气体氛围中进行锻造，使得焊缝不与氧气接触。锻造自身也可以在空气中进行，为此当然由板状体11构成的堆必须按照例1和图5被封装。

最后，再提及图7和图8。图7表示一个借助扫描电子显微镜拍摄的按照在由八个平的技术钛铝合金的板状体11构成堆时借助渗透焊接连接板状体的方案的连接区域组织的照片。板状体在950℃时在试验机上处于真空2小时的情况下，通过施加40MPa的压力相互焊接。在根据图7的照片中通过箭头标记两个接合区域。在图8中根据图7的位置(箭头2)被放大更大。

附图标记清单

10 总体/构件

11 板状体

12 轧制方向

13 模具

14 模具

15 壳体

16 连接杆

17 连接杆

18 真空吸管

19 旋转轴线。

Claims

1.用于制造含有金属间钛铝合金的构件或半成品的方法，其特征在于以下方法步骤：

a.相应于构件或半成品的所希望的最终形状形成多个板状体的粗轮廓，其中这些板状体的一部分或者所有板状体由钛铝合金制成，

b.实施多个相互堆叠的板状体彼此平面连接用于形成总体，

c.形成总体所希望的最终形状。

2.用于制造含有金属间钛铝合金的构件或半成品的方法，其特征在于以下的方法步骤：

b.相互堆叠多个板状体用于形成总堆，

c.连接构成总体的板状体及构成所希望的总体的最终形状，其中连接和形成最终形状在一个工序中进行。

3.按照权利要求1和2或其中之一的方法，其特征在于，

形成板状体的粗轮廓由无切屑成型实现。

4.按照权利要求1和2或其中之一的方法，其特征在于，

形成板状体的粗结构由切削成型实现。

5.按照权利要求1至4中的一个或多个的方法，其特征在于，连接彼此堆叠的板状体通过渗透焊接实现。

6.按照权利要求1至4中的一个或多个的方法，其特征在于，连接彼此堆叠的板状体通过钎焊实现。

7.按照权利要求1至6中的一个或多个的方法，其特征在于，形成总体的最终形状通过对总体的锻造实现。

8.按照权利要求5和7或其中的一个的方法，其特征在于，连接板状体和形成总体的最终形状在一个装置中进行。

9.按照权利要求5或7和8中的一个或多个的方法，其特征在于，连接彼此堆叠的板状体和/或形成总体的最终形状在真空中进行。

10.按照权利要求2或7和8中的一个或多个的方法，其特征在于，连接彼此堆叠的板状体和/或形成总体的最终形状在一种惰性气体氛围中进行。

11.按照权利要求1至10中的一个或多个的方法，其特征在于，构成总体的板状体分别由不同的合金构成。

12.按照权利要求1至11中的一个或多个的方法，其特征在于，构成总体的板状体具有不同的显微结构。

13.按照权利要求1至12中的一个或多个的方法，其特征在于，构成总体的板状体具有不同的纹理。

14.按照权利要求1至13中的一个或多个的方法，其特征在于，相互堆叠体的平面的定向相对于形成的最终形状的主载荷方向的定向确定。

15.按照权利要求1至14中的一个或多个制造的构件，特别用于喷气发动机。

16.按照权利要求15的构件，其特征在于，它为转子盘。

17.按照权利要求16的构件，其特征在于，转子盘设置有按照权利要求1至13中的一个或多个制造的叶片。

18.按照权利要求15的构件，其特征在于，它是涡轮机叶片。