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      以鈦和鋁為主要元素的合金制造箔、片材和異型零件的工藝
      發(fā)布時(shí)間:2023-01-09
      本文涉及一種以鈦和鋁為主要元素的合金制造箔、片材和異型件的方法。伽馬鈦鋁化物是高溫金屬間材料,其重量?jì)H為鋼或鎳基合金的一半。它們可以在比傳統鈦合金高得多的溫度下應用。技術(shù)上相關(guān)的伽馬鈦鋁化物合金由γ相(TiAl)和少量2 相(Ti 3 Al)組成。由鈦鋁制成的片材或箔片材可潛在地應用于航空發(fā)動(dòng)機和航天飛機。金屬間材料由于其特殊的有序晶體結構而難以變形。這使得薄片和薄箔的制造特別困難。然而,它們的可用性是在薄壁鈑金結構中使用鈦鋁的先決條件。就應用而言,傳統鈦合金的箔和薄板也令人感興趣。因此,本發(fā)明旨在提供一種經(jīng)濟高效的方法,用于從伽馬鈦鋁合金和常規鈦合金制造片材,箔片和組件。

      制造箔和片材的替代方法,如粉末壓實(shí)、真空下的熱軋和熔融紡絲、電子束蒸發(fā)和等離子噴涂直到現在還沒(méi)有被接受。主要原因是,一方面是成本高,材料質(zhì)量不足,另一方面的出發(fā)點(diǎn)是假設這種合金可以通過(guò)鑄造以及霧化粉末的熱等靜壓非常經(jīng)濟高效地生產(chǎn)。

      根據中描述的工藝,薄板是由金屬間鈦-鋁化合物通過(guò)執行以下步驟制造的:

      • 在惰性氣體氣氛下加熱由35%至44%重量的鋁和其余鈦組成的混合物,以產(chǎn)生熔體,
      • 將該熔體連續送入開(kāi)模,該模具由一對冷卻輥和一對橫向擋塊定義,輥子以 0.1 至 10 m/s 的圓周速度旋轉。
      • 通過(guò)輥隙內的冷卻輥冷卻熔體,對這些輥施加恒定的力,以形成厚度與輥之間的間隙相對應的增強板。

      提出了另一種生產(chǎn)鈦和鋁合金的方法。鈦粉和鋁粉混合;然后將混合物壓制,并在真空或惰性氣體氣氛下將緊湊加熱至低于鋁熔化溫度但不低于500°C的溫度。這種方法不適合生產(chǎn)大片材和箔材。另一個(gè)不利的影響是,由于鋁粉的表面相對較大,已知鋁粉總是由氧化鋁組成,大量的氧氣被引入合金中,這可能會(huì )導致質(zhì)量問(wèn)題。

      在許多情況下,人們試圖通過(guò)鈦和鋁箔的反應退火來(lái)生產(chǎn)箔和片材。

      文獻中描述的一種方法是,例如,真空熱壓鈦和交替排列的鋁箔, 通過(guò)鋁箔和織構鈦箔的擴散反應生產(chǎn)具有定向層狀微觀(guān)結構的TiAl片;材料交易,它們最初在550°C下退火,然后在630°C(低于鋁的熔點(diǎn))下退火,直到鋁部分完全用完。在1350°C下進(jìn)行最終熱處理,低于金屬間相TiAl3的熔化溫度 ,得到由兩相YTiAl和 2 -TiAl 3組成的片材 。但是,此過(guò)程具有以下主要缺點(diǎn):

      鋁和鈦在鋁化鈦合金形成過(guò)程中的不同擴散速率導致形成孔隙率(Kirkendall孔隙)。為了防止它們,真空熱壓過(guò)程必須在20 MPa的壓力和1350°C的溫度下進(jìn)行。 這大大增加了生產(chǎn)成本此外,箔的生產(chǎn)變得更加困難。較厚的板材必須由多種鈦箔和鋁箔制成,這降低了生產(chǎn)過(guò)程的經(jīng)濟效益。

      也描述了一種從鈦扁平產(chǎn)品制造用于高溫應用的部件的方法,其包括以下步驟:

      • a) 通過(guò)用鋁合金箔對鈦平板產(chǎn)品進(jìn)行滾覆,在鈦扁平產(chǎn)品的一側至少施加一層鋁層
      • b)冷軋鈦扁平產(chǎn)品與鋁層的減速比為30-90%,)
      • c)在連續爐或罩式爐中對覆蓋有鋁層的鈦扁平產(chǎn)品進(jìn)行軟退火,
      • d)由覆蓋有鋁層的軟退火鈦扁平產(chǎn)品形成組件,
      • e)對覆蓋有鋁層的鈦扁平產(chǎn)品形成的部件進(jìn)行熱處理,以誘導形成包含金屬間相的涂層。

      由于鈦平面產(chǎn)品上的Al層厚度不超過(guò)90μm,特別是70μm,經(jīng)過(guò)輥涂和冷軋后,只有一層靠近表面的鈦已經(jīng)轉化為鋁化鈦。盡管由它制成的部件具有合金的耐磨性,但它們的機械強度在很大程度上與鈦體的機械強度相對應。

      因此,本文的目的是提出一種以鈦和鋁為主要元素的合金,特別是鈦合金和γ鈦鋁合金制造箔、片材和異型零件的方法,通過(guò)該方法可以經(jīng)濟高效地生產(chǎn)這些產(chǎn)品,而不會(huì )發(fā)生與常規燒結工藝相關(guān)的缺陷。

      根據本文,包括主要權利要求中概述的步驟的過(guò)程來(lái)實(shí)現此任務(wù)。

      子權利要求詳細說(shuō)明了用于此目的的不同解決方案。

      在該工藝中,箔片材和異型件均由以鈦和鋁為主要元素的合金制成,特別是鈦合金或鈦鋁合金通過(guò)在[敏感詞]相中粘結幾層箔或片材。由于薄片應該相對較薄,為了簡(jiǎn)單起見(jiàn),我們只會(huì )在[敏感詞]提到箔,即使可以同時(shí)使用箔和片。這些箔由鋁和/或鋁合金組成 - 一方面在術(shù)語(yǔ)鋁下總結 - 另一方面由鈦和/或鈦合金組成 - 在下文總結為術(shù)語(yǔ)鈦。

      單個(gè)箔片被堆疊,使得鋁和鈦交替。

       含鈮鈦鋁合金可以通過(guò)使用含鈮鈦箔或另外使用鈮箔來(lái)制成。

      特別是對于生產(chǎn)薄箔或薄片,這些可以通過(guò)擴散焊接連接通體。為了生產(chǎn)較厚的板和異形體,兩個(gè)外箔 - 在這種情況下是鈦箔 - 僅通過(guò)已知的焊接技術(shù)在邊界區域焊接。為了防止形成空氣或氣體泡罩,必須在填料內部的焊接過(guò)程中產(chǎn)生真空。這可以通過(guò)在真空下密封填料來(lái)實(shí)現,但通過(guò)連接套筒或閥門(mén)抽真空密封填料也是根據本文的。以這種方式形成的復合材料仍然具有相對的延展性,并且可以賦予類(lèi)似于最終產(chǎn)品的形狀。

       在第二階段,對該復合材料進(jìn)行退火處理,直到鋁完全擴散到鈦層中并形成均勻的鈦合金和/或鈦鋁合金。

      為了生產(chǎn)鈦合金或鈦鋁合金的薄箔或薄片,將鈦箔或鈦片焊接在一側或兩側用鋁層。選擇的方法是真空擴散焊接。根據這種方法,在向外層施加壓力的同時(shí),通過(guò)將溫度升高到鋁開(kāi)始擴散到鈦層的水平,從而通過(guò)擴散連接相鄰層,從而連接相鄰層。

      在第二階段,將該復合層退火到鋁箔的熔化溫度以下,要么在真空擴散焊接后立即進(jìn)行,要么在中間成型步驟之后立即進(jìn)行,直到鋁已經(jīng)完全擴散到鈦層中。主要形成TiAl 3和剩余的鈦。之后,箔的退火在高于所用鋁箔的熔化溫度但低于TiAl 3熔點(diǎn)的溫度下繼續, 直到形成均勻的鈦合金或鈦鋁合金。在鈦合金的情況下,TiAl 3在 第二退火階段通過(guò)將Al擴散到Ti中而溶解。在Y-鈦鋁合金的情況下,TiAl 3 會(huì )在第二退火階段與鈦反應,主要形成Y-TiAl和 2 -Ti 3 Al。

      為了產(chǎn)生真空擴散焊接所需的壓力,我們建議將箔片固定在包括由具有較低熱膨脹系數的材料制成的張力構件和由具有較高熱膨脹系數的材料制成的壓力構件的裝置中。整個(gè)組件暴露在擴散焊接所需的溫度下,范圍為500°C至660°C,[敏感詞]為600°C。 由于加熱過(guò)程中不同的膨脹行為而產(chǎn)生的應力,壓力會(huì )積聚。這可以通過(guò)將箔或薄板纏繞在奧氏體高級鋼心軸上并用高溫鐵素體或馬氏體鋼環(huán)從外部固定來(lái)實(shí)現。

       如果在心軸上纏繞了幾層箔,則應通過(guò)防粘劑如氮化硼將各層隔開(kāi)。當整個(gè)組件被加熱到擴散焊接所需的溫度時(shí),心軸的膨脹幅度大于其周?chē)沫h(huán)。箔層壓在一起,導致焊接。

       為了生產(chǎn)更厚的板或根據本文的形狀體,由鈦箔組成的膠囊完全填充,要么僅用一個(gè)鋁箔填充,要么用鋁和鈦箔的交替層填充。這些膠囊的邊界區域必須通過(guò)已知的焊接方法密封。通過(guò)在焊接過(guò)程中在膠囊內產(chǎn)生真空,可以防止最終產(chǎn)品中形成空腔。

      這些膠囊優(yōu)選由兩個(gè)鈦箔組成,其中僅放置一個(gè)鋁箔或替代的鋁和鈦箔,直到達到所需的材料厚度。這些外部鈦板由由相同鈦制成的圓周環(huán)連接,并在真空下或通過(guò)在填料內部產(chǎn)生真空的過(guò)程相互焊接。

      以這種方式制成的膠囊現在可以進(jìn)行[敏感詞]成型步驟。

      然后將膠囊加熱到一定溫度,其中TiAl 3 已經(jīng)是軟的或液體的但仍低于最終產(chǎn)品的熔點(diǎn),并保持在此溫度下,直到TiAl 3由于鋁擴散到鈦部分而消失。

      為了實(shí)現Al的均勻分布,有利的是在低溫(660°C - 1000°C)下預退火后使膠囊變形,使Al完全轉化為多孔TiAl 3。膠囊的變形發(fā)生在室溫或更高的溫度下?,F在可以進(jìn)行最后的反應退火了。因此,如果在660°C至1000°C的溫度下退火期間,如果板材水平定位不佳,則鋁熔體的靜水壓力非常低,以至于不會(huì )發(fā)生膠囊的局部膨脹,從而導致異質(zhì)Al分布。

      在退火期間,需要在膠囊上施加壓力。這可以通過(guò)在大約 1 bar 的惰性氣體氣氛下加熱膠囊或通過(guò)熱等靜壓 (HIP) 來(lái)實(shí)現。

      由于膠囊的形狀已經(jīng)類(lèi)似于待生產(chǎn)的形狀體并且考慮到了反應退火期間發(fā)生的收縮,因此必要的精加工操作可以最小化。

      特別是在制造異形體時(shí),根據本文在該過(guò)程中,在各層之間嵌入纖維、線(xiàn)材或高強度材料顆粒形式的增強材料,特別是鈮合金和/或碳化硅,以便它們被最終產(chǎn)品牢固地封閉。

      現在將借助兩個(gè)實(shí)施例更詳細地描述本文:

      • 1.TiAl箔:一個(gè)試樣(Ti / Al)由一個(gè)鈦箔(直徑26 x 0.025 mm 2)和一個(gè)鋁箔( 直徑26 x 0.020 mm 2)組成 ,第二個(gè)試樣(Al/Ti / Ti / Al)由兩個(gè)鈦箔和一個(gè)鋁箔組成,每個(gè)鋁箔作為相同尺寸的覆蓋層。將兩個(gè)試樣一個(gè)放在另一個(gè)之上,氮化硼作為防粘劑,并固定在由奧氏體高級鋼NiCr 18 10制成的兩個(gè)厚盤(pán)之間,螺釘由高溫馬氏體鋼X20CrMoV 121制成。固定試樣在600°C下退火30小時(shí)。然后將試樣從固定裝置中取出,放置在兩個(gè)鉬箔之間,并在氬氣(約 1.2 bar)中在 1300°C 下退火 5 小時(shí),在 1400°C 下退火 1 小時(shí)。所得試樣致密,并顯示出粗糙的層狀微觀(guān)結構;表面上只有幾個(gè)孤立的氣孔可以通過(guò)加工輕松去除。在第二退火階段的較低溫度下形成雙相結構(1300°C / 5小時(shí))或球狀結構(1200°C / 5小時(shí))。對具有球狀微觀(guān)結構的試樣進(jìn)行的EDS分析表明,該試樣由Y-TiAl和 2 -Ti 3 Al組成。生產(chǎn)了波紋箔。為此,將兩個(gè)尺寸為 30x25 mm 并按 Al/Ti/Ti/Al 順序排列的鈦箔 (0.025 mm)和兩個(gè)鋁箔 (0.020 mm) 在同一工具中在 600°C / 5 小時(shí)真空下退火,然后在室溫下折疊以產(chǎn)生形狀,最后在石墨工具中以 600°C / 25 小時(shí) + 1200°C / 5 小時(shí)的重量在 Ar 中退火(約 1.2 bar)。
      • 2.TiAl板:將兩塊鈦板(直徑26×0.5mm)、兩塊鈦環(huán)(外徑26mm,內徑24mm,厚度0.5mm)和一塊鋁板(直徑24×0.8mm)固定在上述制箔工具中。鋁板和鈦環(huán)放置在中間。該試樣在600°C真空下退火30小時(shí),以便在邊界區域焊接試樣。然后將試樣從固定裝置中取出,并在1400°C(高于TiAl 3相的熔點(diǎn))下熱處理 兩個(gè)小時(shí),鋁和鈦完全反應產(chǎn)生Y-TiAl + Ti 3 Al;然而,整個(gè)片材寬度的化學(xué)成分是不均勻的。在第二次試驗中,試樣在低于TiAl 3熔融溫度的1370°C的第二退火階段退火 10小時(shí),導致均勻的片厚和化學(xué)均勻性。
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