CN107666977A - 用于制造涡轮发动机的铝化钛叶片的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于制造涡轮发动机的铝化钛叶片的方法，该方法包括以下步骤：(E1)制作铝化钛锭件；(E2)通过模具中的开口挤出锭件例如以获得具有杆形状的挤出锭件，所述开口具有一个主臂和至少一个侧臂，所述挤出锭件的横截面具有一个主臂和基本上垂直于该主臂的至少一个侧臂；(E3)横向切割该挤出锭件例如以获得挤出锭件的部段；(E4)锻造挤出锭件的每个部段例如以获得涡轮发动机叶片。

Description

用于制造涡轮发动机的铝化钛叶片的方法
技术领域
本发明涉及用于制造涡轮发动机的叶片的方法领域。本发明有利地应用于制造涡轮发动机转子叶片，但是也可以应用于制造矫直机叶片。
背景技术
常规而言，如图1a所示，涡轮发动机的转动叶片4包括在叶片的近端和远端(即，内端和外端)之间沿叶片的主轴线延伸的翼片30。叶片30在其近端包括根部10，叶片30通过根部10附接至涡轮发动机，并且具体地在涡轮发动机转子叶片的情况下，附接至涡轮发动机的转子的盘状部。叶片30在其远端或自由端可以包括被称为后根20的横向元件。当多个转动叶片30被附接至转子盘状部时，它们的后根20被边缘接边缘地设置以形成周向环，该周向环具体地具有在外部限定通过涡轮发动机的气体流动流的功能，并且因此在该位置处限制气体泄漏。
在操作中，涡轮发动机转动叶片4的旋转产生沿转动叶片4的主轴线的方向定向的离心力，转动叶片4的主轴线在下文中称为负载轴线Ac。具体地，在翼片30与转子盘状部之间提供机械连接的根部10是沿叶片的负载轴线Ac定向的相当大的机械应力的位置。
涡轮发动机转动叶片4常规地通过传统铸造由镍基合金制成。
此外，已知基于铝化钛的金属间合金，铝化钛在下文中称为铝化钛或TiAl，其为由铝化钛组成的合金，其中小部分的铝原子和钛原子可以被诸如锆、铁、钼、硅或铌的其他原子代替。
TiAl合金具有在高达750℃时与传统铸造的镍基合金相当的特定机械性能。TiAl合金至少部分地具有增加其机械强度的层状颗粒结构。此外，TiAl具有约为4的低比密度，明显低于镍基合金的约为8的比密度。这就是已经预计制造TiAl涡轮发动机叶片来代替镍基合金以降低涡轮发动机叶片的质量的原因。
然而，TiAl合金有几个缺点，使得它们用于制造涡轮发动机转动叶片变得复杂。具体地，它们在低温下是易碎的，换言之，对于断裂的延展度低和对于裂痕的抵抗性降低。
而且，由于工业可锻性窗口(即，温度和形成速率之间的折衷)非常窄，所以用于制造涡轮发动机转动叶片的TiAl合金的形成非常微妙。可铸性也有问题，原因是这些合金的快速凝固速率使最终部件暴露于相当大的管道和孔隙风险。
如图1b所示，已经提出通过铸造由TiAl制成转动叶片，通过如下所述形成锭件：在步骤E11中通过液态金属铸造(VIM)；然后在步骤E12中通过铸造；接着通过步骤E13的热等静压(HIP)赋予良好的性能，然后在步骤E14期间从实体(solid)进行加工。通过铸造形成TiAl合金是非常困难的，这是因为TiAl合金的可铸性差，其不能使得铸造足够薄的部段以制造具有精加工的尺寸(rib)的部件，也就是说，不能使得铸造足够薄的部段以制造具有最终部件的形状。因此，需要加工粗铸件的整个***以获得最终部件。
如图1b所示，还已经提出通过锻造由TiAl制成转动叶片，通过如下所述形成锭件：在步骤E11中通过液态金属铸造(VIM)；在步骤E12中通过在包覆件7中喷粉；接着通过HIP步骤E13和拆除步骤E15，然后在步骤E17中通过常规锻造形成。通过常规热模锻E17形成TiAl合金也是非常困难的。事实上，对于TiAl合金，不能确定任何工业可锻性窗口，所有的测试都导致锻造部件的裂痕。另外，常规的锻造方法E17不能使得直接锻造最终部件。事实上，由于在锻造步骤之后保留相当大的多余厚度，所以需要进行最终加工步骤E18以获得最终部件。尽管等温锻造E16使得能够明显地更接近精加工的尺寸，但重要的加工步骤18仍然是必要的。此外，等温锻造E16没有收益而且成本高，这主要是因为模具的寿命短。
此外，在所有用于实现TiAl合金的现有技术方法中，都需要使用热等静压(HIP)步骤E13来为该合金赋予良好的性能。该步骤成本高，不能使得为材料赋予特定形状，并且涉及倾向于引起颗粒尺寸增加的高温。
因此，存在对用于通过形成TiAl合金制造涡轮发动机转动叶片的方法的重要需要，该方法没有这些缺点。
发明内容
本发明提出了通过形成TiAl合金来制造涡轮发动机叶片的方法。
为此，本发明提出了一种用于制造由铝化钛制成的涡轮发动机叶片的方法，该方法包括以下步骤：
-形成铝化钛锭件；
-通过模具的具有主槽和至少一个侧槽的开口挤出锭件，以获得具有杆形状的挤出锭件，该挤出锭件的横截面具有主分支和基本上垂直于主分支的至少一个侧分支；
-横向切割挤出锭件以获得挤出锭件的部段；
-锻造挤出锭件的每个部段以获得涡轮发动机叶片。
“基本上垂直”意指可以认为侧分支相对于主分支略微倾斜，该倾斜可以是几度至十度或三十度。
挤出使得能够精制TiAl合金的结构，以降低合金的流动应力，即引起合金塑性变形所需的应力。然后可以在挤出之后利用常规的锻造装置来获得接近尺寸的部件，也就是说，获得接近叶片的最终形状和最终尺寸的部件，这在现有技术的方法中是不可能的。因此，本发明使得能够限制后续加工步骤，从而使得能够节省时间并且减少被浪费的材料的量。
所提出的方法使得能够去除热等静压步骤。
同时，挤出使得能够为挤出锭件赋予具有主分支和基本上垂直于主分支的至少一个侧分支的横截面形状，这使得通过在第一侧分支中锻造而能够形成叶片的根部，和通过在第二侧分支中锻造而能够形成后根(如果其存在的话)。因此，挤出锭件的形状接近最终部件的形状，这使得能够减少在常规锻造的最终步骤期间必然的变形。
最后，挤出锭件的侧分支的锻造使合金层沿垂直于叶片的负载轴线的方向定向，这是由于变形功的影响。合金层沿垂直于叶片的负载轴线的方向定向使得能够增加叶片对在操作期间将受到的机械应力的抵抗性。
组合使用由粉末制成的和由容器挤出的锭件、拆除和锻造步骤使得能够获得具有化学均质微结构并且具有小的颗粒尺寸的杆。在锭件通过喷粉制成的情况下，挤出步骤使得能够将粉末的压实、烧结及其形成归为一个步骤以获得精细的微结构。
文件US 5411700在第3栏第18至27行指出，致密度仅为95％，并且在挤出之前去除容器，在本发明中不是这种情况。事实上，在成型挤出的情况下，将容器中的粉末挤出使得能够以高达100％的致密度压实、精制结构以及在最终锻造之前形成。
此外，无论锻造条件如何，如在文件US 5411700中的95％的致密度将导致相当大的裂痕。
本发明有利地通过单独地或以其技术上可能的组合中的任意一种来进行的以下特征完成。
模具的开口具有单个侧槽，以获得杆形的挤出锭件，该挤出锭件的横截面具有主分支和单个侧分支，在主分支中锻造叶片的翼片，而在侧分支中锻造叶片的根部。
替代地，模具的开口具有第一侧槽和第二侧槽以获得杆形的挤出锭件，第一侧槽垂直于主槽从主槽的一个端部延伸，第二侧槽基本上垂直于主槽从主槽的另一个端部延伸，所述挤出锭件的横截面具有主分支、基本上垂直于主分支从主分支的一个端部延伸的第一侧分支、以及基本上垂直于主分支从主分支的另一个端部延伸的第二侧分支。然后，在主分支中锻造翼片，在第一侧分支中锻造叶片的根部，在第二侧分支中锻造后根。
锻造在户外进行，这比等温锻造的限制小。
锻造以介于600°到950℃之间的加工温度进行，这比等温锻造的限制小。
对于TiAl 48-2-2(Ti-48Al-2Cr-2Nb(原子％))合金，当通过喷粉获得锭件时，制造方法进一步包括在挤出之前锭件的包覆步骤以及在挤出步骤和锻造步骤之间的拆除步骤。
通过液态金属铸造形成锭件。在通过铸造形成锭件的情况下，所获得的结构是相对不均质的凝固结构并且具有非常大的铸造颗粒大小。在这种情况下，挤出将使初始粗结构均质化和精制初始粗结构，直到获得约50μm的小的颗粒尺寸。
通过喷粉形成锭件。精细粉末及挤出的组合使用使得能够获得具有化学均质微结构并且具有小的颗粒尺寸的杆。在通过喷粉制造锭件的情况下，挤出步骤使得能够将粉末的压实、烧结及其形成归为一个步骤以及尤其是保留精细的微结构，如果需要的话，可以使该精细的微结构生长。
该方法可以进一步包括在锻造步骤之后的加工步骤以使得能够最终完成部件。
本发明还提出了一种通过所述方法获得的涡轮发动机叶片。
通过所述方法获得的涡轮发动机叶片的特征在于构成该涡轮发动机叶片的合金颗粒。
事实上，构成通过所述方法获得的涡轮发动机叶片的合金颗粒的大小为约50μm，明显小于通过另一种方法获得的涡轮发动机叶片的合金颗粒。
此外，通过所述方法获得的涡轮发动机叶片与通过另一种方法获得的涡轮发动机叶片的区别在于以下事实：合金的层状颗粒沿垂直于叶片的负载轴线的方向定向。
本发明还提出了一种涡轮发动机转子，该涡轮发动机转子包括通过如上所述的方法获得的至少一个涡轮发动机叶片。
本发明还提出了一种涡轮发动机，该涡轮发动机包括通过如上所述的方法获得的至少一个涡轮发动机叶片。
附图说明
其它目的、特征和优点将通过以非限制性说明的方式并且参照附图给出的如下详细描述来披露，在附图中：
-上文所讨论的图1a示出涡轮发动机转动叶片。
-上文所讨论的图1b示出现有技术的不同的TiAl形成方法。
-图2a示出对于在挤出之前的锭件(虚线)和对于挤出锭件(实线)，由48-2-2合金制成的锭件的流动应力作为所施加的变形的函数。
-图2b是由48-2-2合金制成的锭件在挤出之前的剖面。
-图2c是由48-2-2合金制成的锭件在挤出之后的剖面。
-图3示出基于数个可能性的根据本发明的方法的不同步骤。
-图4a至4f示出根据本发明的方法的第一实施方式，具体地，
-图4a示出在挤出之前的锭件；
-图4b示出锭件的正视图；
-图4c示出在挤出之后的锭件；
-图4d示出切割成部段的锭件；
-图4e示意性地示出锻造步骤；
-图4f示出在锻造步骤之后的锭件部段。
-图5a至5e示出根据本发明的方法的第二实施方式。具体地，
-图5a示出在挤出之前的锭件；
-图5b示出模具的正视图；
-图5c示出在挤出之后的锭件；
-图5d示出切割成部段的锭件；
-图5e示意性地示出锻造步骤；
-图5f示出在锻造步骤之后的锭件部段。
-图6a至6d示出挤出步骤：图6a和6b示出无需包覆的挤出，图6c和6d示出进行了包覆的挤出。
具体实施方式
如图3所示，用于制造涡轮发动机叶片的方法包括以下步骤：
-E1形成铝化钛锭件1；
-E2挤出锭件1；
-E3横向切割挤出锭件2以获得挤出锭件的部段；
-E4锻造挤出锭件的部段3以获得涡轮发动机叶片4。
形成锭件1
步骤E1包括由铝化钛形成锭件1。
该方法可应用于任何类型的铝化钛。
具体地，该方法可应用于Ti-48Al-2Cr-2Nb(原子％))合金，在下文中称为TiAl48-2-2。它在机械性能方面包含可接受的折衷。
具体地，该方法可应用于由式Ti-Al(a)Nb(b)Mo(c)B(d)表示的类型的所谓β合金，其中，“a”、“b”、“c”和“d”以原子百分比表示，“a”介于约44和约48之间；“b”介于约2和约6之间；“c”介于约0和约2之间；“d”介于约0.01和约1.0之间。这些合金具有优异的强度和硬度。
该方法也可以应用于由式Ti-Al-Cr-Nb-Si-Fe-Mo-Zr表示的类型的合金，例如含有按原子％计在44％至49％的铝、0.5％至3％的锆、0.5％至3％的铁、0.5％至2％的钼、0.2％至0.5％的硅、0至3％的铌的合金，由钛和不可避免的杂质补足至100％。
锭件通常通过液态金属铸造(该方法通常被称为“真空感应熔融，VIM”)来制备。在液态金属铸造期间，通过加热使得用于形成合金的不同成分熔融，然后在真空条件下将熔融金属浴铸造到容器中。锭件1通常为具有圆形横截面的圆柱形状。为此，容器具有中空的圆柱形状。
在通过在真空条件下在容器中铸造来制造锭件的情况下，所获得的结构是具有非常大的铸造颗粒大小(约300μm至500μm)的相对不均质凝固结构。在这种情况下，挤出将使初始粗颗粒结构均质化和精制初始粗颗粒结构，直到获得约50μm的小的颗粒大小。
β型合金倾向于在其制备期间化学分离。挤出使得能够对颗粒的大小起作用，但对合金的化学均质性没有影响。对于后者来说，这就是在锻造之前从粉末开始形成半成品可能有吸引力的原因，即，在化学上更均质。为此，在液态金属铸造之后是喷粉。该方法包括喷射从熔融金属浴获得的材料流。由于与周围气体(通常是氩)的对流交换，材料的液滴在雾化室中凝固，并得到粉末。粉末被收集在雾化气体出口，并且被放置在包覆件7中，该包覆件可以以与该粉末不同的材料(例如，不锈钢)加工。包覆件7通常具有中空的圆柱形状。使用粉末冶金技术使得能够改正分离合金的均质化困难。用于处理粉末、填充包覆件及其密封的所有操作都必须在中性气氛条件下或在真空条件下进行，以限制后者被氧污染。精细粉末和挤出的组合使用使得能够获得具有化学均质微结构并且具有小的颗粒大小的杆。在通过喷粉制备锭件的情况下，挤出步骤使得能够将粉末的压实、烧结及其形成归为一个步骤以及尤其是保留精细的微结构，如果需要的话，可以使该精细的微结构生长。
挤出锭件1
在步骤E2期间，通过挤出形成锭件。挤出使得能够通过压缩形成锭件。通过抽出形成的锭件称为挤出锭件2。如图6a和6b所示，步骤E2包括使锭件(可以通过加热至所谓的挤出温度来使之延展)通过模具53的开口52。如图6a所示，利用压力机54(通常为液压机、泵或挤出机螺杆)将一般被放置在容器51中的锭件1推入模具53中，以通过施加推力使锭件1从开口52再次出现。如图6b所示，从由压力机54施加一定的力开始，存在锭件通过模具53的开口52的塑性流动。因此，挤出锭件2的横截面形状与开口52的形状相对应。
挤出使得合金的结构能够均质化和非常有力地精制合金的结构，由此减小流动应力，即引起合金的塑性变形所需的应力。
如在图2b和图2c中可见的，图2b是由48-2-2合金制成的锭件在挤出之前的剖面，图2c是由48-2-2合金制成的锭件在挤出之后的剖面，挤出使得能够精制合金的结构，也就是说，减小合金的颗粒大小。在图2a中示出的发明人的结果表明，挤出步骤使得48-2-2合金的流体应力能够降低30％至40％。发明人已经获得了与其他TiAl合金、尤其是与Ti-45Al-2.4Si合金相似的结果。
同时，挤出使得能够为挤出锭件赋予由模具53的开口52的形状所限定的形状。将模具53的开口52的形状选择成使得挤出锭件的形状接近最终部件的形状，这使得能够减少在常规锻造的最终阶段期间必然的变形。然后，可以通过常规锻造来获得接近最终部件的形状的部件，从而限制最终加工步骤。
为此，在模具中挤出锭件1，模具的开口52具有主槽55和至少一个侧槽56。如图4b和5b所示，侧槽56垂直于主槽55从主槽55的一个端部及其两侧延伸。如图4c和5c所示，由此获得具有杆形状的挤出锭件2，该挤出锭件的横截面具有主分支25和垂直于主分支25的至少一个侧分支26。
此处，侧分支基本上垂直于主槽。然而，可以认为侧分支相对于主分支略微倾斜，该倾斜可以是几度至十度或三十度。
在图4a至4f所示的第一实施方式中，如图4b所示，模具53的开口52具有主槽55和垂直于主槽55从主槽55的一个端部延伸的单个侧槽56。换言之，模具53的开口52具有T形状。如图4c所示，将锭件挤出以获得杆形的挤出锭件2，该挤出锭件具有T形状的横截面，具有主分支25和垂直于主分支25的侧分支26。将在主分支25中锻造翼片30，而将在侧分支26中锻造叶片的根部10。
在图5a至5f所示的第二实施方式中，如图5b所示，模具53的开口52具有主槽55、垂直于主槽55从主槽55的一个端部延伸的第一侧槽56和垂直于主槽55从主槽55的另一个端部延伸的第二侧槽57。换言之，模具53的开口52具有H形状的剖面。如图5c所示，将锭件挤出以获得杆形的挤出锭件2，该挤出锭件杆具有H形状的剖面，具有主分支25、垂直于主分支25从主分支25的一个端部延伸的第一侧分支26和垂直于主分支25从主分支25的另一个端部延伸的第二侧分支27。如在第一实施方式中的，将在主分支25中锻造翼片30，而将在第一侧分支26中锻造叶片的根部10。此外，将在第二侧分支26中锻造叶片的后跟20。
对于TiAl 48-2-2合金，挤出是相对微妙的步骤。对通过铸造形成的锭件进行无包覆挤出的测试常常在杆的某些区域中显示出深的裂痕。在这种情况下，在包覆步骤E1'期间，通过例如由不锈钢制成的包覆件7有利地围绕锭件1，以减少在挤出期间锭件的壁冷却并且因此避免在可导致裂痕的局部过低温度下的变形。在通过挤出杯状件51经过模具53之前，将被包覆件7围绕的锭件1升高至挤出温度。在这种情况下，在挤出之后，需要为挤出锭件2提供拆除步骤E6，该拆除步骤包括在锻造之前例如通过转动来去除包覆件。通过化学移除来去除包覆材料也可能是有利的。
另一方面，对于β型合金，Al负载较少，但Nb和Mo负载较多，这为β型合金赋予了比48-2-2更好的可锻性，可以在无需包覆的情况下进行挤出。
热后处理
根据最终部件的功能所寻求的机械性能，可能需要常规的热处理来再生受控的微结构。事实上，在锻造之后的结构将会精细或非常精细。在锻造之后，某些特性(例如，蠕变性)将不会最佳。
将挤出锭件切割成部段
在步骤E3期间，将锭件切割成部段。为此，通过诸如水射流切割、激光切割或线切割的常规金属切割技术沿横向平面切割锭件。
锻造
如上文中所解释的，在锻造之前，挤出使得能够精制TiAl合金的结构以减小合金的流动应力，即减小引起合金塑性变形所需的应力。然后，可以在挤出之后采用常规的锻造手段使得能够获得接近叶片的最终形状的部件，这在现有技术中是不可能的。常规锻造意指在户外用热模具锻造，这不同于等温锻造。
锻造包括将相当大的力施加于挤出锭件2，以迫使该锭件呈现出最终部件的形状，即涡轮发动机叶片的形状。
如图4e和图5e所示，通过冲击装置41(例如，以受控的速度液压移动的模具)和支撑件42(例如，砧或固定模具)向挤出锭件2施加相当大的力来进行锻造。
挤出锭件2的横截面形状具有主分支25和垂直于主分支25的至少一个侧分支26，在主分支25中锻造叶片的翼片10，通过在侧分支26中锻造而形成叶片的根部10。如果挤出锭件的横截面具有两个侧分支25和27，那么将通过在一个侧分支25中锻造而形成叶片的根部10，在另一侧分支26中锻造而形成后根20。因此，挤出锭件2的形状接近最终部件4的形状，这使得能够减小在锻造步骤期间必然的变形。
通过锻造获得的叶片4更加抵抗机械应力，这是因为金属的变形在微观水平和宏观水平两方面都产生许多冶金学现象。
具体地，由于挤出锭件的形状，使得挤出引起合金的层状颗粒通过变形功的影响而沿垂直于叶片的负载轴线的方向定向。合金的层状颗粒沿垂直于叶片的负载轴线的方向定向使得能够增加叶片对在操作期间将受到的机械应力的抵抗性。
锻造无需是等温锻造(等温锻造要求到达用于将待锻造的金属加热至高于1000°的温度来加工)，并且可以在户外在热模具上以通常介于600℃和950℃之间的加工温度进行。

Claims (8)

1.一种用于制造由铝化钛制成的涡轮发动机叶片(4)的方法，所述方法包括以下步骤：
-(E1)形成铝化钛锭件(1)；
-(E2)通过模具(53)的开口(52)挤出所述锭件(1)以获得具有杆形状的挤出锭件(2)，所述开口(52)具有主槽(55)和基本上垂直于所述主槽(55)从所述主槽(55)的一个端部延伸的至少一个侧槽(56)，所述挤出锭件(2)的横截面具有主分支(25)和基本上垂直于所述主分支(26)的至少一个侧分支(26)；
-(E3)横向切割所述挤出锭件(2)以获得挤出锭件的部段(3)；
-(E4)锻造挤出锭件的每个部段(3)以获得涡轮发动机叶片(4)，
所述制造方法的特征在于，以介于600℃和950℃之间的温度在热模具中进行锻造，
通过喷粉形成所述锭件(2)，
以及所述制造方法进一步包括在挤出(E2)之前所述锭件(1)的包覆步骤(E1’)以及在所述挤出步骤(E2)和所述锻造步骤(E4)之间的拆除步骤(E6)。
2.根据权利要求1所述的用于制造涡轮发动机叶片(4)的方法，其中，所述模具(53)的所述开口(52)具有垂直于所述主槽(55)从所述主槽(55)的一个端部延伸的单个侧槽(56)，以获得杆形的挤出锭件(2)，所述挤出锭件(2)的横截面具有主分支(25)和垂直于所述主分支(25)从所述主分支(25)的一个端部延伸的单个侧分支(26)。
3.根据权利要求1所述的用于制造涡轮发动机叶片(4)的方法，其中，所述模具(53)的所述开口(52)具有第一侧槽(56)和第二侧槽(57)以获得杆形的挤出锭件(2)，所述第一侧槽基本上垂直于所述主槽(55)从所述主槽(55)的一个端部延伸，所述第二侧槽(57)基本上垂直于所述主槽(55)从所述主槽(55)的另一个端部延伸，所述挤出锭件(2)的横截面具有主分支(25)、基本上垂直于所述主分支(25)从所述主分支(25)的一个端部延伸的第一侧分支(26)、以及基本上垂直于所述主分支(25)从所述主分支(25)的另一个端部延伸的第二侧分支(27)。
4.根据前述权利要求中的一项所述的用于制造涡轮发动机叶片(4)的方法，在户外进行锻造。
5.根据前述权利要求中的一项所述的用于制造涡轮发动机叶片(4)的方法，进一步包括在锻造步骤之后的加工步骤。
6.一种涡轮发动机叶片(4)，通过根据前述权利要求中的一项所述的方法获得。
7.一种涡轮发动机转子，包括至少一个通过根据权利要求1至5中的一项所述的方法获得的涡轮发动机叶片(4)。
8.一种涡轮发动机，包括至少一个通过根据权利要求1至5中的一项所述的方法获得的涡轮发动机叶片(4)。
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