CN107405681B - 用于制造涡轮机部件、坯件以及最终部件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及制造金属涡轮机部件(19a、19b)，并包括如下步骤：a)使用等离子体焊炬和环形模具来熔融钛铝金属间化合物，b)从中提取处于冷却铸造状态的铸态铸锭，c)将铸锭切割成至少一个坯件或粗糙成形件(21)，该至少一个坯件或粗糙成形件具有外部形状，该外部形状比所要制造的所述部件(19a、19b)的复杂形状较为简单，d)对坯件(21)机加工以获得具有所述更复杂外部形状的部件。

Description

用于制造涡轮机部件、坯件以及最终部件的方法

本发明涉及一种用于制造金属涡轮机部件、且尤其是飞行器涡轮喷气发动机或涡轮螺旋桨发动机的可动涡轮叶轮叶片的方法。

本发明涉及钛铝金属间化合物合金。确切地说考虑TiAl48-2-2。

还涉及一种组件，该组件包括由此种基于TiAl的合金制成的用于涡轮机部件的坯件以及由于对此种坯件机加工而产生的机加工部件。

合金利用某些化学组分并且在某些压力和温度条件下形成金属间化合物。不同于传统的合金，金属间化合物由周期***替的原子构成，而在传统的合金中，不同性质的原子可随机地分布在同一晶体部位上。因此，当查看基本网格时，能注意到晶体结构。

通过熔铸(铸造)由钛铝金属间合金制成部件来成形在目前是极为困难的，并且无法铸造足够细的厚度来通过熔铸(铸造)产生具有完工铸造区域的部件。

此外，难以进行管理来有效地机加工由熔铸(铸造)制成的部件。

由此产生两类问题：

-与熔铸(铸造)相关联的那些问题，

-与机加工相关联的那些问题，

-须在经济环境中考虑整体。

在现有技术中，具体地说存在如下方案：

1)提供通过脱蜡熔铸(铸造)来获得过厚粗糙成形件、且然后对该粗糙成形件机加工以获得诸如叶片之类最终部件的方案，

2)由如下构成的方案：将坯件铸造成几乎最终形状的部件(称为“近终形)，接着允许对最终部件进行一定程度上最小的机加工(几乎不损失材料)，但这仍是必需的，

3)以及在离心永久模具中熔铸(铸造)的方案，其中，可制造多个涡轮机部件，后续步骤包括：

a)将金属材料浇注到离心铸造模具中，

b)从中提取出细长形状、较佳地是基本上圆柱形或多面体形的和/或具有圆形或多边形横截面的坯件，以及

c)对坯件进行机加工，直到获得最终形状的部件为止。

还存在锻造方案，但由于TiAl合金的脆性而难以实施。

对基于TiAl的部件熔铸(铸造)的一个缺点是熔融金属的极快固化。

这样做的后果是部件产生孔隙的高风险、难以实现模具的合适填充且因此难以最终确定铸态粗糙成形件(坯件)的外部形状。

此外，接下来通常需要热等静压压缩(HIC)以封闭任何孔隙，这意味着显著的成本。此外，此种处理并非总是足够的，尤其是如果粗糙成形件的孔隙是向外开发的。

作为脱蜡熔铸(铸造)(非永久模具)的缺点，可注意到以下方面：

-需要使用稀有材料来用于模具壳体(例如钇)，这具有成本和供应的问题，

-经由形成夹杂物而削弱部件的风险：两者均由于模具/壳体反应性(尤其是TiAl，因为它极具反应性)而产生以及由于落入到模具中的壳体碎片(尤其是脱蜡工艺)而产生，

-壳体的极为具体开发，尤其是须在离心力的阻力和壳体的脆性之间发现折衷，以便于从模具中移除，

-针对离心铸造来使用特定的安装件。

还可提及其它点：

方案1)的缺点：在由此种方法所需的热等静压压缩(HIC)构成的热处理期间，残余应力存储在部件中。在机加工中通常还发现不可预测的变形。

方案2)的缺点：在铸态粗糙成形件(坯件)上无法获得足够的过大厚度材料，以避免如果坯体略微变形而在完工部件上材料缺少，并且试图以自动的方式来机加工该部件。还存在不符合完工部件的尺寸的风险。

方案3)的缺点：在结束之前的长期实施(具体地是如果是叶片的情形)，优化的模具+部件***既不会导致过大的尺寸收缩，也不会由于固化而导致坯体的化学和宏观结构异质性。

本发明的一个目的是避免或限制上文所提及的许多问题。

为此一个方案是一种用于制造至少一个金属涡轮机部件的方法，该方法包括由如下构成的步骤：

a)将由等离子体焊炬熔化的TiAl(钛铝)金属间合金保持在可伸缩底部模具(或环形模具)中，

b)从模具中提取出处于从熔融冷却的状态中的铸态铸锭，

c)将铸锭切割成至少一个坯件，该至少一个坯件具有外部形状，该外部形状比所要制造的更为复杂的其中一个部件简单，

d)以及对坯件机加工，以获得具有所述更复杂外部形状的部件。

在这里须以相当广泛的意义来理解术语“坯件“。该坯件指代还未完工的产品，该产品的一般形状基本上对应于完工部件的外观。这意味着用于如上所述部件的坯件是前述类型的金属产品。这即不排除例如通过机加工来对此种坯件的形状的后续适应，也不排除例如通过弯曲、弯折或任何其它塑性变形来对此种一般外观的修改。而是须理解地是，前述类型的产品的“坯件“是可经受各种成形、机加工或表面处理以产生完工产品的此种类型部件。

为了补充前述方案，建议：

在步骤c)处，切割坯件须具有给定外部体积和/或质量A1，步骤d)的部件须从该切割坯件机加工而成，

在步骤d)处，机加工部件应具有给定外部体积和/或质量A2，以及

比值A2/A1应大于0.95。

寻求的一个目的是针对减少材料损失的机加工。在此种情形下，并且在节省材料的更一般情形下，此外推荐：

在步骤c)处，所有切割坯件应代表所提取铸锭的外部体积和/或质量的95％以上，和/或

在步骤b)处，应获得基本上圆柱形的或多面体形的铸锭。

通常，上述“环形模具”称为PAM(等离子体电弧熔融)熔炉。在现有技术中，这些PAM熔炉通常用于铸造材料来用于重熔，也就是说，在材料于PAM熔炉中熔融之后，该材料固化并且然后重熔以铸造。铸条或铸锭则具有极大的直径(尤其是＞200mm)。

然而，为了符合用于直接机加工目的的粗糙PAM条或铸锭的需求，似乎有用地是改变PAM方法，以使得在生产不带缺陷铸锭的位置中更稳固且更佳。

在这种情况下，这里提出铸造较小直径的PAM铸锭，其中，能更易于控制产生缺陷的现象。

因此，实际上建议，在步骤b)处，所提取的铸锭应具有小于或等于200mm的直径或者在5％内小于近似32×10³mm²的横截面。

具体地说将前述PAM生产应用于此种小直径铸锭可避免收缩和化学偏析，而收缩和化学偏析是在离心永久模具中铸造的两个主要技术难题，且固化会随后在将称为固化井的小体积中发生。

通过使用此种PAM方法，因此可获得具有极小孔隙度和较大均匀度的半成品。

此外，通过在多个操作的一个中进行热处理，如下文所建议地，会甚至进一步鼓励获得期望的显微结构和机械特性。

先验地应用于坯件的此种处理会有利地包括：

-获得双相显微结构的热处理，该双相显微结构由伽马颗粒和片状颗粒(α2/γ)构成，

-和/或用于制备HIC(热等静压压缩)和然后HIC的热处理(以封闭孔隙)。

然而，作为替代或附加地，提供在具有伽马颗粒的TiAl合金构成的坯件上进行后PAM处理，这些伽马颗粒通常具有包含在近似(在5％内)47和49百分比之间的铝(以％计)的组分，如下所示：

-通过在近似5至近似50小时的时间段内加热至近似(在5％内)1038℃至1149℃的温度进行热处理，该材料然后可选地在1185℃和1204℃之间的温度下经受热等静压压缩(HIC)，

-然后在不经受HIC的情形下在(还是在5％内)近似1018℃和1204℃之间的温度下进行另一热处理。

如果适当地执行熔融步骤和获得铸锭的步骤，则无需在第二前述热处理步骤期间施加压力。

在上述全文中，预期地是，在步骤c)期间切割成简单形状的坯件或多个坯件之后，需将包括制造条或铸锭以便直接机加工的范围设计成符合最终部件的需求，因为这些最终部件在该情形中直接传递到坯件上。主要需求是：

-化学均匀性，这确保在热处理之后的显微结构和机械均匀性，

-缺少夹杂物或非熔融部件(还未在PAM熔炉中熔融的初始材料部分)，

-在铸态条/铸锭上具有较少孔隙并且具有小于1毫米的尺寸，

-实际上在HIC之后(如果发生此种压缩的话)，在坯件上不存在孔隙。

关于已提及的组件，该组件包括：

-涡轮机部件的坯件，该坯件由TiAl金属间化合物制成并且在通过等离子体焊炬熔融结束时获得，以及

-机加工部件，该机加工部件由于对此种坯件的机加工而产生，

前提条件是该坯件具有所确定的外部体积和/或质量A1，而机加工部件具有所确定的外部体积和/或质量A2，比值A2/A1大于0.95并且小于1。

与上文相关地是，该组件有利地是使得坯件具有小于或等于200mm、较佳地是120mm的直径、以及小于300mm、较佳地在220mm和240mm之间的长度。

这会有助于节省材料，尤其是在制造叶片的情形下。

在保持熔融合金的前述步骤a)之前，可提供一系列等离子焊炬来熔融金属间化合物并且使其保持熔融。

在阅读了借助非限制示例并且参照附图给出的以下描述的情形下，本发明的其它优点和特征也会显而易见，其中，图1和2在尺寸上是精确的并且对应于工业实际，类似于尺寸图，并且附图中：

图1示意地示出PAM熔融熔炉，从该熔融熔炉中提取出铸锭，

图2是从所提取的铸锭的粗糙切割中产生的材料块或坯件的立体示意图，

以及图3是呈现并且比较根据上文所述的这些金属部件的制造情形的图表，该金属部件用于涡轮机、尤其是飞行器涡轮喷气发动机或涡轮螺旋桨发动机的可动涡轮叶轮叶片。

在图3中的左手列中，列出如下步骤：这些步骤包含利用脱蜡模制(临时模具)对从初始步骤处熔融(而非PAM)产生的粗糙铸锭进行重熔。

在中心列中，列出还包含重熔的步骤，其中，在离心模具(永久模具)中对从初始步骤处熔融(而非PAM)产生的粗糙铸锭进行模制。

并且在右手列中，在初始步骤处已获得从PAM熔融产生的粗糙铸锭之后，列出无需模制或无需重熔的本发明步骤。

因此：

在“脱蜡铸造”的现有技术中，相继地执行以下步骤：获得从熔融产生的粗糙铸锭，并且然后产生蜡模型，然后组装蜡集群，然后模制壳体，然后烧制壳体，且然后对壳体脱蜡，然后将金属的铸锭重熔，然后破坏模具，然后将所获得的重熔铸锭切割成坯件，然后加热/可选的HIC处理，然后尺寸检查和机加工；

在“离心永久模具”的现有技术中，相继地执行以下步骤：获得从熔融产生的粗糙铸锭，然后将铸锭重熔(在永久模具中铸造金属)，然后将所获得的重熔铸锭切割成坯件，且然后进行HIC热处理和机加工；

在“创造性的”现有技术中，相继地执行以下步骤：获得从PAM熔融产生的粗糙铸锭，然后将所获得的重熔铸锭切割成坯件，且然后进行热处理/可选地HIC和机加工。

因此，在右手列中有利示例中的方案包括采取措施将该部件的制造限制为如下四个步骤：

a)首先在环形模具(或PAM熔炉)中铸造TiAl金属间化合物，其中通过等离子体焊炬来熔融，

b)从模具中提取出处于从熔融冷却的状态中的铸态铸锭，

c)将铸锭切割成至少一个坯件，与所要制造的更为复杂的其中一个所述部件相比，该至少一个坯件具有较为简单的外部形状，

d)对坯件机加工，以获得具有所述更复杂外部形状的部件。

在图1中示意地示出地是，这里利用TiAl的材料3来执行PAM熔融1，TiAl在该情形中是48-2-2TiAl、因此包括48％Al2％Cr2％Nb(以％计)。例如图1中所示，借助宽通道5来引入该原材料，在该宽通道处倾泄材料。一系列等离子体焊炬7熔融所提供的金属并且然后使其保持熔融。在每个容器或贮槽9以及精炼炉11a且然后11b之上存在至少一个此种焊炬，且使得该焊炬的诸如8的焊束指向熔融或炉中的金属。从容器到容器进行金属浴的循环(参见箭头)。材料的流动和液体的搅动可防止偏析以及存在任何重金属夹杂物(高密度夹杂物—HDI)的问题，这些问题在VAR(真空电弧重熔)重熔电弧熔炉的传统技术中是众所周知的。因此，可考虑单次熔融，而通过VAR方法需要两次或甚至三次相继的熔融(称为重熔)。PAM技术还可限制阿尔法相夹杂物(硬相夹杂物—HPI)的外观。

布置在最终模具或容器之上的最后的等离子体焊炬70保持在浴槽顶部，该浴槽接收储罐11a且然后11b其中熔融的金属。此种最终容器呈环形模具13的形式。环形模具13包括底部13a，该底部是可伸缩或可移动的，例如在这里轴向地进行受控地垂直移动。环形模具13经由冷却装置15例如利用水冷却、通常从外部冷却。在该环形模具的底部开口13b之下并且这里通过下降该可动底部13a，浴槽的底部通过重力或其它方式流动，然后充分地冷却以形成铸态铸锭17，该铸态铸锭在该状态中从熔融冷却。环形模具13可由铜制成。

通过使用带有等离子体焊炬7、70的各个容器9、这里诸如11a、11b的多个精炼炉，然后环形模具13，材料的行进得以优化，该等离子体焊炬也是多个并且布置在这里贮槽的每个之上的，从而将该材料完全地熔融并且在其中将该材料保持在基本上均匀的温度下。如图所示，通过使用多个溢流储罐，还可减少夹杂物或未熔融部件的数量。为了确保甚至更高的质量，还可采取措施来执行相继地材料熔融。

通常，所获得的铸锭17会基本上是圆柱形的或多面体形的。

为了有助于符合旨在用于直接机加工的条或铸锭17的需求，且因此即不利用任何中间模制也不具有脱蜡熔铸(铸造)的传统缺点(由于与模具相互作用产生的缺陷，该模具通常由陶瓷制成)，或者也不具有在离心永久模具中铸造而进行生产的其它缺陷特征(具体地说是中心收缩和化学宏观偏析)，这里提出铸造较小尺寸的铸锭，具体地说使得所提取的每个铸锭17分别具有小于或等于200mm且较佳地是120mm的横向尺寸d(针对方形横截面是直径或宽度)或者在5％内具有小于近似32×10³mm²和12×10³mm²的横截面。

接下来将(通过基本工具)从此种铸态铸锭中直接地切割出一个且较佳地是多个坯件21，每个坯件均具有简单形状，具体地说再次是基本上圆柱形的或多面体形的，且在任何情形中，每个坯件具有比所要制造的每个所述部件的更复杂一个部件更简单的外部形状，且对诸如两个叶片19a、19b的每个坯件机加工的结果能通过图2的坯件21中的透明度来观察到，旨在最大程度地使用材料。

在缩短循环次数的情形下，该目的和尝试优化尤其是涡轮叶片的制造工艺此外也导致优选：

-由铸锭17产生的每个坯件21应具有小于300m、较佳地在220mm和240mm之间的长度L2以及在5％内(也就是说1.2dm²)小于12×10³mm²的横截面S(垂直于该坯件的长度L2)，

-在步骤c)处，所有切割坯件21代表所提取铸锭17的外部体积和/或质量的95％以上，和/或：

-在步骤c)处，切割坯件21应具有称为A1的所确定外部体积和/或质量，因此也就是说该切割坯件是所要从中加工出步骤d)的部件(诸如19a或19b的叶片)的块，

-在该步骤d)处，机加工部件19a或19b应具有称为A2的给定外部体积和/或质量，以及

-比值A2/A1大于0.95并且小于1。

在阅读了上述图表后，此外清楚地是，在将铸锭切割成坯件的步骤以及在对每个坯件机加工的步骤之间，较佳地会发生对这些坯件的每个进行热处理(以单个次序或多个次序)。

例如已指出地是，由此一个目的是辅助实现预期的机械和显微结构标准。

实际上，建议执行：

热处理以使得坯件的材料具有双相显微结构，该双相显微结构由伽马颗粒和片状颗粒(α2/γ)构成，

和/或用于制备HIC(热等静压压缩)的热处理以及进行HIC(以再次封闭孔隙)。

因此，一个目的是获得双相显微结构(金属间化合物)，该双相显微结构由伽马颗粒和片状颗粒(α2/γ)构成，并且实践上建议提出如下方面(在5％内提供数值)：

-具有伽马颗粒的TiAl合金、具体地是从PAM熔炉1中产生的前述一种合金，该TiAl合金通常具有含有近似47和49之间的百分比铝(以％计)的组分，并且在近似5至近似50小时的时间段内在近似1035℃至近似1150℃的温度下经受热处理，

-然后，该合金在近似1000℃和1220℃之间的温度下经受另一热处理。

在该热处理的两个步骤之间，该材料也能够经受近似1200℃、较佳地是在1185℃和1204℃之间的温度下的热等静压压缩(HIC)。

Claims (19)

1.一种用于制造至少一个金属涡轮机部件(19a、19b)的方法，所述方法包括如下步骤：

a)通过多个等离子体焊炬(7)，完全地熔融钛铝金属间合金，并且将其保持在均匀的温度，然后，由另一个等离子体焊炬(70)保持钛铝金属间合金在环形模具(13)中，

b)从所述环形模具(13)中提取出处于从熔融冷却的状态中的铸态铸锭(17)，

c)将所述铸锭切割成至少一个坯件(21)，所述至少一个坯件具有外部形状，所述外部形状比所要制造的所述至少一个金属涡轮机部件(19a、19b)的更为复杂的一个部件简单，

c1)热处理坯件，用于获得双相显微结构，所述双相显微结构由伽马颗粒和片状颗粒α2/γ构成，和/或

c2)热处理坯件，以准备它用于热等静压压缩，接着进行此种热等静压压缩的热处理

d)对所述坯件(21)机加工，以获得具有所述更复杂外部形状的所述至少一个金属涡轮机部件。

2.如权利要求1所述的方法，其中在步骤a)，钛铝合金完全地熔融在各个容器(9)中，并且每个精炼炉(11a、11b)之上设置多个等离子体焊炬(7)中至少一个。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中在步骤a)，进行相继的钛铝合金的熔融。

4.如权利要求1或2所述的方法，其中在步骤c)，从铸锭切割的至少一个坯件(21)具有小于300mm的长度(L2)。

5.如权利要求1或3所述的方法，其中在步骤c),从铸锭切割的至少一个坯件(21)具有在220mm和240mm之间的长度(L2)。

6.如权利要求1所述的方法，其中：

在步骤c)，所述切割坯件(21)具有给定外部体积或质量A1，步骤d)的所述至少一个金属涡轮机部件从所述切割坯件机加工而成，

在步骤d)，所述机加工部件(19a、19b)具有给定外部体积或质量A2，以及

比值A2/A1大于0.95。

7.如权利要求1所述的方法，其中在步骤c)，所有切割坯件(21)代表所提取铸锭(17)的外部体积或质量的95％以上。

8.如权利要求1所述的方法，其中获得铸锭(17)的步骤b)包括获得圆柱形或多面体形的铸锭。

9.如权利要求1所述的方法，其中在步骤b)，所提取的铸锭(17)具有小于或等于200mm的直径或者小于32×10³mm²的横截面。

10.如权利要求1所述的方法，其中在步骤b)，所提取的铸锭(17)是方形横截面情况下，直径或宽度小于或等于120mm，或者在5％内，横截面小于12×10³mm²。

11.如权利要求1所述的方法，其中熔融步骤a)包括熔化48-2-2TiAl合金，所述48-2-2TiAl合金包括以％计的48％Al2％Cr2％Nb。

12.根据权利要求1所述的方法，其中实施所述步骤c1)和c2)，这样具有伽马颗粒的TiAl合金具有含有以％计47和49之间百分比铝的组分，所述具有伽马颗粒的TiAl合金在步骤c2)经受：

-通过在5至50小时的时间段内加热至1038℃至1149℃的温度进行所述热处理，以及

-然后在1185℃和1204℃之间的温度下进行所述热等静压压缩(HIC)。

13.如权利要求1所述的方法，其中实施步骤c2)的所述热等静压压缩步骤之后，在1018℃和1204℃之间的温度下进行另一热处理。

14.如权利要求1所述的方法，其中，实施所述步骤c1)，得到具有伽马颗粒的TiAl合金，所述伽马颗粒具有含有以％计的47和49之间百分比铝的组分，并且

-所述具有伽马颗粒的TiAl合金经受：

--通过在5至50小时的时间段内加热它至1038℃至1149℃的温度进行热处理，

--然后在不进行热等静压压缩的情形下，在1018℃和1204℃之间的温度下进行另一热处理。

15.一种金属涡轮机部件(19a、19b)，其特征在于它是由权利要求1或2所述的一种用于制造至少一个金属涡轮机部件(19a、19b)的方法制造。

16.一种金属涡轮机部件(19a、19b)的坯件(21)，其特征在于该金属涡轮机部件是由权利要求1或2所述的一种用于制造至少一个金属涡轮机部件(19a、19b)的方法制造，该金属涡轮机部件的坯件(21)具有小于300mm的长度(L2)。

17.如权利要求16所述的金属涡轮机部件(19a、19b)坯件(21)，其中所述坯件(21)具有在220mm和240mm之间的长度(L2)。

18.如权利要求16所述的金属涡轮机部件(19a、19b)坯件(21)，其中并且垂直于该坯件(21)的长度(L2)，坯件(21)的横截面(S)小于12×10³mm²。

19.如权利要求16所述的金属涡轮机部件(19a、19b)坯件(21)，其中坯件(21)是多面体的。

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