CN1776000A

CN1776000A - 沉积钛合金的缺陷修复

Info

Publication number: CN1776000A
Application number: CN200510125479.2A
Authority: CN
Inventors: M·D·金斯特勒; O·M·艾瓦西欣; P·E·马科夫斯基; V·I·邦达楚克; G·A·塞尔希延科; I·V·贝洛索夫
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 2004-11-17
Filing date: 2005-11-17
Publication date: 2006-05-24
Also published as: UA79864C2; MXPA05012417A; US20060105194A1; EP1662019B1; DE602005008169D1; SG122960A1; ATE401429T1; EP1662019A1

Abstract

一种用于从初始条件到已经处理过的条件处理沉积钛基材料的方法，其包括快速加热和快速冷却。所述加热是从第一温度到第二温度，第一温度低于β转变温度且第二温度高于β转变温度。所述冷却是从第二温度到低于平衡β转变温度的第三温度。

Description

沉积钛合金的缺陷修复

技术领域

本发明涉及钛基材料的沉积。更具体地，本发明涉及解决沉积缺陷。

背景技术

关于钛基材料的沉积存在不断发展的技术。例如，可以利用电子束物理气相沉积(EBPVD)方法在相同或不同名义(nominal)组成的衬底上制造Ti合金涂层或结构冷凝物。这样的技术可用于航空和航天工业中，用于修理或再制造损坏了的或磨损了的部件，例如燃汽轮机元件(例如，叶片、轮叶、密封件等)。

然而，沉积缺陷可能损害冷凝物的完整性。当一熔滴(drpolet)材料溅到衬底或聚集的冷凝物上时，出现一组这样的缺陷。熔池可能含有添加剂，其往往不汽化或不在冷凝物中聚集。例如，美国专利5,474,809公开了难熔元素在熔池中的使用。一旦熔滴落到(衬底或聚集的冷凝物的)表面上时，更多的沉积将在熔滴和邻近的表面上面建立。由于熔滴边缘的相对定向，所以沿着熔滴的边缘可能在聚集的材料中存在微结构上的不连续性。随着材料的进一步聚集，这些不连续性可能继续建立直到最终的冷凝物表面。

发明内容

本发明的一个方面涉及一种方法，其用于从初始条件到已经处理过的条件处理沉积的钛基材料。从第一温度到第二温度加热所述材料。第一温度低于平衡β转变温度。第二温度高于平衡β转变温度。加热包括速率超过5℃/s的部分。从第二温度到低于平衡β转变温度的第三温度冷却所述材料。

在各种实施过程中，加热可以达到高于非平衡β转变温度至少10℃的峰值。材料可以超过平衡β转变温度短暂的时间内(例如，不大于2.0秒)。加热和冷却可以有足够的速率以维持至少材料基体的特征晶粒尺寸小于100μm。在初始条件中，材料可能含有许多缺陷，其具有微观结构不同于材料基体微观结构的主干(trunk)。在已经处理过的条件中，主干的微观结构基本上可以与基体微观结构结合成整体。

在一组实施过程中，加热可以达到超过非平衡β转变温度10～15℃的峰值。材料可以超过平衡β转变温度非常短的时间(例如，不大于1.0秒)。在另一组可能重叠的实施过程中，加热可以达到超过平衡β转变温度1～30℃稍微长的时间(例如，1.0～5.0秒)。冷却可以足够快速以限制β增长到达小于100μm的特征尺寸。一组材料由最大重量份的钛、铝和钒组成。典型的材料厚度可以是至少2.0mm(例如，对于较厚结构与修复材料来说，其不同于较薄的涂层)。

本发明的一个或多个具体方案的详细内容将在以下的附图和描述中阐明。根据这些描述和附图以及根据权利要求，本发明的其它特征、目的和优点将是明显的。

附图说明

图1是在相同衬底上的Ti-6Al-4V冷凝物的光学微观照片以及显示的缺陷。

图2是修复过的冷凝物的视图。

图3是表示修复过程的温度-时间线图。

各图中相同的附图标记表示相同的单元。

具体实施方式

图1表示聚积到衬底24的表面22上的冷凝物20。典型的冷凝物厚度可以从小于0.2mm(例如，对于薄的涂层)到大于2mm(至少局部-例如，对于例如特定修理的结构冷凝物)。冷凝物的第一缺陷26是由飞溅的钼熔滴28落到表面22上触发的。典型的熔滴尺寸是30～500μm(测量为特征(平均/中值/众数)横向尺寸)。缺陷包括从熔滴28伸向冷凝物表面(未给出)的主干30。显示了第二缺陷32，其可能已经由视图的切割面下的熔滴引发。

典型的沉积物具有在相同衬底上名义Ti-6Al-4V冷凝物的性质。可供选择的沉积物可以包含Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo和Ti-8Al-1Mo-1V。所述沉积物可能来自熔制锭，其至少部分通过含有一种或多种难溶或其它元素的池(例如，由30％Mo-70％Zr的混合物组成的池)，所述难溶或其它元素在沉积过程中基本上是非消耗的。因此，熔滴可能趋于具有与池的表面层相似的组成。当不存在非消耗性池添加剂时，熔滴28可能具有与溶制锭相似的组成甚至还产生相似的缺陷。在使用含Mo池的体系中，许多熔滴的Mo浓度至少是10重量％；其它至少是20重量％。这可能略低于非消耗性池材料的Mo的百分比，这反映了由于池中沉积材料元素的可能的稀释。

在典型的实施过程中，衬底28含有中等到粗大晶粒(例如，10～40μm特征晶粒尺寸(例如，平均)或约ASTM 10.5～6.5)的α-β微观结构。衬底的典型10～20重量％是β相，其余基本上是α相。冷凝物基体(远离缺陷)也含有α-β显微结构，但是具有非常细小的晶粒(例如，5～10μm长和2～5μm厚的针状α晶粒，沿冷凝物生长/沉积方向的纵向取向)。在相当大的程度上，主干尺寸将取决于熔滴的尺寸。典型的主干直径为约20μm～约50μm。然而，非常大的主干是可能的。所述主干具有柱状α-β显微结构。这种显微结构可能具有的特征晶粒尺寸比基体中的大数倍并且晶粒可以在聚集(即，远离衬底)的方向伸长。具体地，在非常大直径主干的情况下(例如，直径超过100μm)，在主干的周围可能存在孔隙。主干-基体界面的晶粒不连续性和主干晶粒的特殊排列可能引起结构弱化，尤其影响延展性、断裂韧性、抗疲劳性、抗磨蚀疲劳、耐腐蚀性、耐磨性、抗裂纹成核性等等。

因此，我们已经开发了热处理体系用于修复有这样缺陷的工件。图2表明修复后的冷凝物50。在这张图中衬底没有给出。但是，给出了冷凝物表面52。冷凝物内部已经由熔滴54引起了缺陷。所得主干自始自终向表面扩散形成突起56。然而，除了原始的熔滴54和突起56以外，修复过的冷凝物基本上没有显示残留缺陷的后生物。从显微结构上看，主干已经与冷凝物基体结合成为细小的β等轴显微结构(例如，10～100μm(～ASTM 10.5～3.5)的晶粒尺寸)。另外，可以减小或消除关于化学性质或显微结构方面的层理变化，由此增加冷凝物力学性质的各向同性现象。可以移走突起56(例如，在随后的表面机加工过程中)。修复允许在环境温度(例如，0～40℃等等)和/或在高温(例如，250℃以上，如在300～500℃范围内的任何温度)时操作工件(例如，叶片、轮叶、密封件等等)而基本上不增加故障的机会。

实施例1

在第一个典型的修复方法中，工件最初处在图3温度-时间曲线上的室温处(条件/位置100)。图3还表示分别代表冷凝物和衬底的平衡β转变温度(T_β ^e)线102以及非平衡β转变温度曲线104和106(特指本实施例1的显微结构历史和受热历史)。平衡β转变温度仅仅是化学性质的函数。因为典型的冷凝物和衬底具有相同的化学性质，所以它们共用相同的平衡β转变温度(例如，对于Ti-6Al-4V是960～1010℃)。非平衡β转变温度是组成、晶粒尺寸/形貌以及加热速率的函数。晶粒越小，转变温度越低。加热速率越快，转变温度越高。在非常慢的加热速率时，平衡转变温度与非平衡转变温度相等。假设非常细小的冷凝物晶粒、中等到粗大的衬底晶粒以及约100℃/sec的加热速率时，可以估计出这两种结构的非平衡β转变温度之间的差约为100℃。

在第一阶段，将工件适度地加热至高于冷凝物的非平衡β转变温度109(条件/位置110)。这种加热可以是在真空的情况下或在惰性气氛中。有利的是，这种加热是如此的快速(例如，以5～100℃/sec或更大的速率发生)以至于防止了过分晶粒生长。过分的晶粒生长(例如，超过150μm(～ASTM 2.5)或甚至100μm(～ASTM 3.5)，取决于应用场合)是不利的，因为它过分地降低了结构特性，其包括延展性、断裂韧性、抗疲劳性、抗摩擦疲劳性、耐蚀性、耐磨性、抗裂纹成核性等中的一种或多种。加热达到冷凝物非平衡β转变温度以上约10～50℃的ΔT₁峰值。加热基本上使冷凝物的显微结构转变成β。ΔT₁的上限将反映显微结构历史/受热历史并且有利地是上限足够低以便避免过分的β晶粒生长(鉴于下面讨论的时间因素)。有利地是下限足够高以便提供向β相的基本完全的转变(α+β到β)。衬底基本上可以不受影响。

在第二阶段，工件迅速冷却111返回到室温(条件/位置112)。这种加热可以是在与第一阶段相同的真空情况下或气氛中。在这个冷却过程中，亚稳态的马氏体可以在冷凝物和衬底中累积。有利地是冷却足够快以便进一步限制β晶粒的生长。快速加热和冷却保持冷凝物在其平衡β转变温度上足够短的时间间隔以避免上述提到的过分β晶粒生长而同时提供β相变。在平衡β转变温度上的典型时间间隔是1.0秒或更少。一旦低于β转变温度，呈β-变形的(也称为变形的β)显微结构的β将变形成α+β显微结构。这种显微结构的特征在于，先前的β晶粒与α晶粒(例如，呈针状或片状)之间的晶界在该晶界内β基体中得以保存。高温时(从该温度大小来说)的快速加热和冷却可以提供足够短的时间以便大大限制氧化作用，即使该步骤在环境大气中而不是在真空或在惰性气氛下完成。因此，尤其是对于暴露到较低的热应力和机械应力(例如，一些非旋转涡轮发动机部件)中的工件来说，在加热和/或冷却过程中可能存在较大的环境适应性。

一个任选的第三阶段(图3中未显示)涉及通过加热所述工件达到退火温度(例如，对于典型的Ti合金来说，在500～600℃附近)的退火/老化。典型的退火/老化时间是1～24小时并且可以有效消除马氏体而不产生β晶粒生长。这可能使得冷凝物基本上是细晶β(例如，较宽地小于150μm，更窄地小于100μm，并且优选地小于50μm)(分别为～ASTM 2.5、3.5和5.5))加熔滴，并且使得衬底基本上是中等或粗大的晶粒α-β。然而，第二阶段的冷却可能足够慢以便避免马氏体形成，而在这样的情况下，省略老化/退火是特别合理的。

实施例2

在第二个典型的修复方法中，初始加热阶段119同样快速到达高于平衡β转变温度的温度，但是低于冷凝物非平衡β转变温度。所得条件/位置120可能是在平衡β转变温度以上的温度Δt₂(例如，超出10～30℃)。有利地是，基于此范围的上限对于避免过分β晶粒生长是有效的。有利地是，基于此范围的下限是足够高，基本上提供了向β相(α+β到β)的完全转变。衬底基本上不受影响。

不是立即进行快速的冷却，而是以这样的温度维持工件一段适当的时间间隔121(例如，约2秒、更宽为1.5～4.0秒或1.0～5.0秒的时间)，以到达条件/位置122。正是在这个时间间隔期间冷凝物显微结构变成细小的β，与条件/位置110中的相同。此后，快速冷却123可以将工件转变成条件/位置124，其相似于112并且，接下来，如果适合或希望，可以紧接着进行相似的退火/老化。

可以通过多种技术进行加热和冷却。一系列快速加热技术能提供高度局部加热(典型的这些技术包括感应加热、激光加热、电子束加热等等)。这样的加热有利于冷凝物的加热而衬底被少量加热，因此减小对衬底任何结构上的影响。考虑到涂层的厚度，希望的加热深度可以通过包括感应加热的频率控制、激光或电子束加热的束强度等方法得到控制。对于一些这样的加热过程，加热可以横跨冷凝物前进(例如，通过使工件相对于热源移动或重新取向)。一般地说，直接电阻式加热可以用来加热工件。典型的快速冷却可以通过使用惰性气体强制冷却(特别是在真空下进行加热的时候)、强制空气冷却、液体淬火(例如，用油或水)等来完成。

已经描述了本发明的一种或多种实施方案。尽管如此，仍然可以理解的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以进行各种修改。例如，特殊衬底和冷凝物化学组成的细节和衬底物理构造的细节以及冷凝物的厚度可能影响任何具体方法的细节。因此，其它的实施方案都在以下权利要求的范围内。

Claims

1.一种用于从初始条件到已经处理过的条件处理沉积的钛基材料的方法，其包括：

从第一温度到第二温度的加热，第一温度低于平衡β转变温度，第二温度高于平衡β转变温度，并且所述加热包括速率超过5℃/s的部分；和

从第二温度到低于平衡β转变温度的第三温度的冷却。

2.权利要求1的方法，其中：

加热到高于非平衡β转变温度至少10℃的峰值；和

所述材料在高于平衡β转变温度不大于2.0秒。

3.权利要求1的方法，其中：

加热和冷却有足够的速率以保持至少材料的基体的特征晶粒尺寸小于100μm。

4.权利要求1的方法，其中：

在初始条件中，所述材料包含多种含有主干的缺陷，其具有的显微结构不同于材料基体的显微结构，以及

在已经处理过的条件中，主干的微观结构基本上与基体的显微结构成为整体。

5.权利要求1的方法，其中：

加热到高于非平衡β转变温度10～50℃的峰值；和

所述材料在高于平衡β转变温度不大于1.0秒。

6.权利要求1的方法，其中：

加热到高于平衡β转变温度1～30℃1.0～5.0秒；和

冷却足够快以限制β的生长达到小于100μm的特征尺寸。

7.权利要求1的方法，其中：

所述材料包括最大重量份的钛、铝和钒；和

所述材料具有至少2.0mm的最大厚度。

8.权利要求1的方法，其中：

所述材料在钛基衬底上；和

加热使大部分衬底的微观结构留下基本上未受影响。

9.权利要求1的方法，其中：

加热选自直接电阻加热、感应加热、电子束加热及其组合。

10.权利要求1的方法，其还包括：

在钛基衬底上沉积所述材料。

11.权利要求10的方法，其中：

所述沉积包含电子束物理汽相沉积。

12.权利要求10的方法，其中：

所述材料和所述衬底基本上由5～7重量％铝、3～5重量％钒、小于3重量％其它成分和余量的钛组成。

13.权利要求1的方法，其还包括：

保持材料在500～660℃的温度。

14.权利要求1的方法，其还包括：

退火和老化步骤。

15.权利要求1的方法，其用于修复具有钛基衬底的燃气轮机元件。

16.权利要求15的方法，其还包括：

在超过250℃的温度操作已修复的元件。

17.权利要求1的方法，其中：在已处理过的条件中，至少第一合金元件中的层理变化比初始条件中的更小。

18.一种处理沉积钛基材料的方法，所述材料最初含有：

一种基体，其具有第一名义化学组成和第一特征晶粒尺寸以及第一特征晶粒结构；

在基体内部的多个溅点(spit)，其含有：

一种熔滴，其含有比基体更高含量的难熔杂质；和

一种主干，其从所述熔滴延伸并且具有与基体基本上相同的化学组成，但是含有较大量的第二特征晶粒尺寸和较少量的等轴第二晶粒结构，

所述方法包含：

加热所述材料；和

冷却所述材料，加热和冷却足够快以使所述材料的α-β显微结构转变成基本上β-变形的显微结构，其任选地包含亚稳态的马氏体，并具有小于100μm特征晶粒尺寸。

19.权利要求18的方法，其中：

第一名义化学组成基本上是Ti-6Al-4V；

第二名义化学组成基本上是Ti-6Al-4V；和

所述材料在基本上Ti-6Al-4V的衬底上面。

20.权利要求18的方法，其中：

至少一些点的特征还在于在其主干附近的多孔性，以及至少一些多孔性被修复。

21.权利要求18的方法，其中：

所述熔滴含有至少10重量％的难熔金属的一种或组合。

22.权利要求18的方法，其还包括：

基本上有效消除马氏体的退火/老化步骤。

23.权利要求18的方法，其中：

所述材料是一种在涡轮发动机元件上的修复材料。

24.一种元件，其包含：

一种钛基金属衬底；和

一种在衬底顶上的钛基冷凝物，其包含：

一个表面；

多个埋在所述表面下的熔滴；

正好在熔滴和表面之间的区域，其特征在于特征晶粒尺寸小于100μm的基本β-变形的显微结构。

25.权利要求24的元件，其中：

在所述表面下的至少一些所述熔滴至少是200μm。

26.权利要求24的元件，其中：

至少一些所述熔滴的特征横向尺寸至少是20μm。

27.权利要求24的元件，其中：

至少一些所述熔滴含有至少20重量％Mo。

28.权利要求24的元件，其中：

所述衬底和冷凝物的每一种基本上由Ti-6Al-4V组成。

29.权利要求24的元件，其是燃汽轮机压缩机叶片、风扇叶片、圆盘、鼓形转子、轴承箱、叶轮和密封元件之一。