Способ получения металлического состава из титана, содержащего диспергированные в нем частицы борида титана
Изобретение относится к способам получения изделия из металлического сплава без плавления. По меньшей мере одно предшествующее неметаллическое соединение, содержащее совместно металлический состав на основе титана и бор в количестве, превышающем его предел растворимости в твердом состоянии при комнатной температуре в металлическом составе на основе титана, восстанавливают химическим путем для получения материала. Полученный металлический состав на основе титана, содержащий частицы борида титана, уплотняют без плавления. Полученное изделие обладает высокими и стабильными во время длительного воздействия при повышенных температурах статической и усталостной прочностью и пределом ползучести, высоким модулем упругости, износостойкостью и эрозионной стойкостью, пластичностью. 8 з.п. ф-лы, 9 ил.
Настоящая заявка является частичным продолжением заявки серийный №10/847599, поданной 17 мая 2004 г., для которой заявлен приоритет и описание которой включено сюда в качестве ссылки; которая является частичным продолжением заявки серийный №10/172217, поданной 14 июня 2002 г., для которой заявлен приоритет и описание которой включено сюда в качестве ссылки; и частичным продолжением заявки серийный №10/172218, поданной 14 июня 2002 г., для которой заявлен приоритет и описание которой включено сюда в качестве ссылки; и частичным продолжением заявки серийный №10/329143, поданной 23 декабря 2002 г., для которой заявлен приоритет и описание которой включено сюда в качестве ссылки; и частичным продолжением заявки серийный №10/350968, поданной 22 января 2003 г., для которой заявлен приоритет и описание которой включено сюда в качестве ссылки; и частичным продолжением заявки серийный №10/371743, поданной 19 февраля 2003 г., для которой заявлен приоритет и описание которой включено сюда в качестве ссылки.
Настоящее изобретение относится к производству изделий, включающих металлические составы на основе титана и, более конкретно, к производству изделий, выполненных из металлических составов на основе титана, содержащих в себе частицы борида титана.
Предпосылки к созданию изобретения
Одной из наиболее ответственных областей применения материалов в авиационных газотурбинных двигателях являются диски компрессора и рабочего колеса (которые иногда называют «роторами»), на которые крепятся соответствующие лопасти компрессора и рабочего колеса. Диски вращаются со скоростью многих тысяч оборотов в минуту, в среде с умеренно повышенной температурой, во время работы газовой турбины. Они должны демонстрировать при этих условиях эксплуатации требующиеся механические свойства.
Некоторые из компонентов газотурбинного двигателя, такие как некоторые диски компрессора и рабочего колеса, изготавливают из титановых металлических составов. Диски обычно изготавливают путем загрузки металлических составляющих выбранного титанового металлического состава, плавления составляющих и отливки слитка из титанового металлического состава. Отлитый слиток превращают затем в заготовку. Затем заготовку подвергают механической обработке, обычно путем ковки. Обработанную заготовку подвергают затем ковке с высадкой с последующей механической обработкой для получения компонента металлического состава на основе титана.
Достижение требуемых механических свойств при комнатной температуре и до умеренно повышенных температур, сохранение достаточного сопротивления воздействию окружающей среды и предотвращение преждевременного отказа являются главными задачами при выборе материалов для конструирования и изготовления изделий. Химический состав и микроструктура металлического состава должны гарантировать, что механические свойства изделия отвечают требованиям во всем диапазоне рабочих температур, достигающем по меньшей мере приблизительно 1200°F в случае компонентов для современного металлического состава на основе титана. Верхний предел, достигающий приблизительно 1200°F при использовании таких компонентов, связан главным образом с уменьшением статической прочности и предела ползучести при более высоких температурах и с тенденцией титана взаимодействовать с кислородом при повышенных температурах, образуя хрупкий насыщенный кислородом слой, который называют слоем альфа. Небольшие механические и химические неоднородности в готовом компоненте могут вызвать его преждевременный отказ при эксплуатации, и эти неоднородности должны быть сведены к минимуму или, в случае присутствия, должны улавливаться контрольной аппаратурой и приниматься во внимание. Такие неоднородности могут включать в себя, например, механические неоднородности типа трещин и пустот и химические неоднородности, такие как твердые альфа-неоднородности (которые иногда называют включениями низкой плотности) и включения высокой плотности.
Одним недавним подходом к улучшению свойств металлических составов на основе титана, включая прочность при высокой температуре, является включение в металлический состав бора для того, чтобы получить диспергированные в нем частицы борида титана. Внесение бора осуществляется несколькими различными способами, такими как обычный цикл литья и обработки давлением, техника порошковой металлургии типа распыления газом и метод смешивания элементов. Недостатком первых двух способов является ограниченная растворимость бора в титане. Бор имеет тенденцию к активной сегрегации с образованием относительно крупных частиц борида титана, оказывающих отрицательное влияние на пластичность и усталостную прочность. Для того чтобы избежать проблемы, связанной с сегрегацией, количество бора, добавляемого в металлический состав этими двумя способами, жестко ограничивается, ограничивая вероятные выгоды добавления бора, или же должна быть очень высокой скорость охлаждения во время уплотнения. Метод смешивания элементов допускает добавление бора в гораздо больших количествах. Однако, поскольку бор обычно добавляют в форме диборида титана, а фазой, находящейся в термодинамическом равновесии с альфа-фазой титана, является очень стабильный моноборид титана, требуется продолжительное время нахождения при повышенной температуре для того, чтобы полностью преобразовать диборид титана в моноборид титана. Требуемые высокие температуры и длительные периоды времени препятствуют получению однородной тонкой дисперсии частиц борида титана в металлическом составе.
Существует возможность с использованием существующей практики плавления, литья и превращения приготовить компоненты из не содержащего бора металлического состава на основе титана, такие как диски компрессора и рабочего колеса, являющиеся полностью работоспособными. Однако существует потребность в производственном процессе для производства дисков и других компонентов с дополнительно улучшенными свойствами, возникающими за счет присутствия частиц борида титана и меньшего содержания неоднородностей, улучшая таким образом безопасные пределы рабочего режима. Настоящее изобретение удовлетворяет эту потребность в усовершенствованном способе и предлагает дополнительно связанные с ним преимущества.
Сущность изобретения
Настоящий подход предлагает способ производства металлического изделия из металлического состава на основе титана, который содержит также бор в количестве, превышающем предел растворимости бора в металлическом составе. Изделие обладает хорошим сочетанием механических свойств в диапазоне температур до приблизительно 1300°F, возможным хорошим сопротивлением к отрицательному воздействию окружающей среды, связанному с окислением, и низкой долей неоднородностей. Присутствие частиц борида титана улучшает модуль упругости материала и повышает износостойкость. Дисперсия борида является более однородной и тонкой, чем полученная с помощью других производственных способов. Материал, полученный настоящим способом, обладает улучшенными характеристиками при тех же рабочих температурах по сравнению с обычными титановыми металлическим составами, и позволяет также использовать материал при более высоких рабочих температурах, чем возможно для обычных титановых металлических составов. Настоящий способ использует технологию производства, допускающую внесение металлических легирующих элементов, которые не могут быть легко внесены в металлический состав на основе титана в пригодной к использованию форме и распределяются с использованием обычных плавильных процессов.
Способ производства изделия, изготовленного из составляющих элементов при их определенных пропорциях в составе, включает стадии обеспечения по меньшей мере одного предшествующего неметаллического соединения, где все предшествующие неметаллические соединения содержат совместно составляющие элементы в их соответствующих пропорциях содержания составляющих элементов. Составляющие элементы содержат металлический состав на основе титана и бор, присутствующий в количестве, превышающем предел растворимости в твердом состоянии при комнатной температуре в металлическом составе на основе титана. Предшествующие соединения восстанавливают химическим путем для получения материала, содержащего металлический состав на основе титана с частицами борида титана в нем, без плавления металлического состава на основе титана. Применяемый здесь при описании настоящего способа термин «борид титана» относится к TiB, TiB2, Ti3B4 или к другим соединениям, содержащим титан и бор, возможно модифицированным за счет присутствия легирующих элементов. Металлический состав на основе титана, содержащий частицы борида титана, уплотняют для получения плотного изделия, без плавления металлического состава на основе титана и без плавления уплотненного металлического состава на основе титана. Настоящий способ совместим с вариантами реализации, рассмотренными здесь и включенными сюда в качестве ссылки.
Составляющий элемент бора предпочтительно предоставляется в количестве, не превышающем то, что требуется для образования примерно 90 об.% борида титана в уплотненном материале. В особенности неметаллические предшествующие соединения обеспечиваются таким образом, что бор присутствует в уплотненном материале в количестве не больше приблизительно 17 масс.% от уплотненного материала. Более предпочтительно, неметаллические предшествующие соединения обеспечиваются так, что бор присутствует в уплотненном материале в количестве от приблизительно 0,05 до приблизительно 17 масс.% от уплотненного материала. Количество бора, присутствующего в материале, может рассматриваться в двух диапазонах, доэвтектическом диапазоне, который для бинарной системы титан-бор составляет от приблизительно 0,05 до приблизительно 1,5 масс.% бора, и заэвтектическом диапазоне, который для бинарной системы титан-бор составляет от приблизительно 0,05 до приблизительно 17 масс.% бора. Сплавы с другими элементами, в дополнение к титану и бору, могут иметь иные фазы и диапазоны, но находятся в рамках настоящего способа. Настоящий способ допускает приготовление материалов с таким же содержанием бора, которое может быть достигнуто с помощью другой технологии, обычно до приблизительно 5 масс.% бора, а также допускает приготовление материалов с содержанием бора, более высоким, чем то, которое может быть достигнуто с помощью другой технологии, обычно в диапазоне от приблизительно 5 до приблизительно 17 масс.% бора. В каждом случае материалы имеют тонкое равномерное распределение борида титана.
Бор присутствует в количестве, превышающем его растворимость в твердом состоянии при комнатной температуре в матрице металлического состава на основе титана, и до количества, требующегося для образования не более чем приблизительно 90 об.% борида титана. При меньших добавлениях сверх предела растворимости в твердом состоянии образуется тонкая дисперсия частиц борида титана, обеспечивающая преимущества значительных статической прочности и предела ползучести при высоких температурах. При больших добавлениях сверх предела растворимости в твердом состоянии присутствует большая объемная доля частиц борида титана, что способствует значительному упрочнению по правилу аддитивности. При обоих уровнях добавления бора свыше предела растворимости в твердом состоянии происходит значительное улучшение модуля упругости и износостойкости материала по сравнению с обычными металлическими составами на основе титана.
Необязательно, стадия обеспечения может включать в себя стадию обеспечения неметаллического предшествующего соединения из образующего стабильный оксид добавочного элемента, который образует стабильный оксид в металлическом составе на основе титана. В таком материале по меньшей мере один добавочный элемент присутствует в количестве, превышающем его предел растворимости в твердом состоянии при комнатной температуре в металлическом составе на основе титана. Способ включает, после стадии химического восстановления, дополнительную стадию окисления металлического состава, включая кислородообразующий добавочный элемент, при температуре, превышающей комнатную температуру. Другая добавочная составляющая может быть добавлена во время стадии обеспечения или стадии химического восстановления.
Образующий стабильный оксид добавочный элемент является сильным оксидообразователем в металлическом составе на основе титана. Некоторые образующие стабильный оксид добавочные элементы могут не образовывать стабильный оксид, когда металлический состав на основе титана по существу не содержит кислорода в твердом растворе и вместо этого требует наличия приблизительно 0,5 масс.% кислорода в растворе для образования стабильного оксида. Присутствие таких образующих стабильный оксид добавочных элементов находится в пределах настоящего способа, поскольку такое количество кислорода может присутствовать в металлическом составе на основе титана при настоящем способе. Так, предпочтительно металлический состав на основе титана содержит от 0 до 0,5 масс.% кислорода в твердом растворе. Возможно содержание большего количества кислорода в твердом растворе, хотя при наличии более чем примерно 0,5 масс.% кислорода возможно снижение пластичности. Предпочтительные образующие стабильный оксид добавочные элементы включают магний, кальций, скандий, иттрий, лантан, церий, празеодим, неодим, прометий, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, туллий, иттербий и лютеций, а также их смеси. Эти элементы не могут быть внесены в металлические составы на основе титана в количестве, превышающем предел их растворимости, с использованием обычной техники плавления из-за их ограниченной смешиваемости в жидкой фазе, их реакции с плавильным тиглем и/или образования крупных комков при уплотнении, что оказывает отрицательное воздействие на характеристики.
Содержание кислорода можно контролировать перед стадией восстановления и/или во время ее, как будет описано далее. Кислород взаимодействует с необязательными дополнительными образующими стабильный оксид элементами с получением по существу равномерно распределенной дисперсии оксида в матрице металлического состава во время или после стадии восстановления. Дисперсия оксида улучшает характеристики готового металлического изделия, особенно в отношении предела ползучести, требующегося при повышенной температуре, таким же образом, как и тонкая дисперсия борида титана. Тонкая дисперсия оксида может изменить характер окалины, образующейся во время воздействия; если во время и после восстановления окисляется не весь формирователь стабильного оксида, он может стать активным поглотителем кислорода во время внешнего воздействия при эксплуатации.
Предшествующее соединение или соединения обеспечиваются в форме, пригодной для применения избранной технологии химического восстановления. Они могут быть поставлены, например, в форме оксидов или галоидов металла. Они могут быть поставлены для химического восстановления в форме предварительно спрессованной массы, размеры которой предпочтительно превышают размеры нужного конечного изделия, в тонкоизмельченной форме, или же в газообразной или жидкой форме.
Химическое восстановление может осуществляться любым осуществимым способом, пока материал металлического состава не подвергается плавлению. В случае плавления последующее повторное затвердевание ведет к потере многих преимуществ настоящего способа, связанной с поведением при затвердевании фаз металла, бора и необязательного добавочного элемента (элементов), образующего стабильный оксид. Предпочтительным подходом является технология восстановления в паровой фазе, при которой предшествующие соединения и восстановленный материал металлического состава не подвергаются плавлению, и также может использоваться восстановление в твердой фазе. Технология восстановления производит материал металлического состава в физической форме, типичной для выбранной технологии восстановления. Например, материал может иметь форму губки или множества частиц.
Изготовление металлического состава на основе титана и изделия без использования плавления имеет важные преимущества. Существенно в отношении настоящего способа то, что бор и большинство необязательных добавочных элементов, образующих стабильный оксид, являются недостаточно смешиваемыми с расплавленным титаном или титановыми металлическими составами, для внесения больших количеств в расплав и, следовательно, в расплавленные и разлитые титановые металлические составы, и/или эти элементы обладают минимальной растворимостью в металлическом составе на основе титана с тем результатом, что после плавления и разливки невозможно получить полезную структуру, содержащую дисперсию борида и дисперсию оксида. При попытках внести значительное количество бора путем плавления и разливки или методами порошковой металлургии, бор присутствует в конечном изделии в форме крупных частиц соединения бора, что ведет к ухудшению характеристик, описанных ранее. Кроме того, в случае добавления путем плавления и разливки необязательных добавочных элементов, образующих стабильный оксид, происходит химическая реакция с окружающей средой или расплавленным металлом и присутствие в конечном изделии добавочных элементов, образующих стабильный оксид, в форме крупных капель. Эти капли материала не обладают способностью к реакции с кислородом и поглощению кислорода, достигнутой с помощью настоящего способа.
Кроме того, производство материала и изделия без плавления позволяет избежать загрязнения и сегрегации элементов, связанных с обычными процессами получения титановой губки, плавления и легирования, а также разливки. Материал металлического состава может быть приготовлен без внесения примесей, которые возникают при обычном процессе производства металлической губки, а также связанных с операциями плавления и разливки. Особую озабоченность вызывает внесение в титановые металлические составы железа, хрома и никеля из агрегатов для производства губки, поскольку эти элементы оказывают отрицательное воздействие на предел ползучести титановых металлических составов.
После химической реакции материал металлического состава предпочтительно уплотняют для получения уплотненного металлического изделия без плавления металлического составляющего материала и без плавления уплотненного металлического изделия. Возможно использование любой пригодной технологии уплотнения, такой как горячее изостатическое прессование, ковка, выдавливание, прессование и спекание, или прямое уплотняющее выдавливание порошка, или прокатка, или же сочетание этих способов. Уплотнение предпочтительно производят при как можно более низкой температуре с целью избежать укрупнения частиц борида и необязательных частиц в дисперсии оксида и/или сильного формирователя оксида. Как и на более ранних стадиях обработки, в случае плавления металлического материала при повторном затвердевании преимущества в значительной степени теряются в связи с поведением материала при затвердевании и внесением связанных с плавлением и затвердеванием неоднородностей.
Уплотненное изделие может быть по желанию подвергнуто механической формовке с помощью любой технологии механической формовки.
Материал может быть подвергнут термообработке после стадии химического восстановления, или после стадии уплотнения (в случае ее использования), или после механической формовки, или впоследствии.
После охлаждения до комнатной температуры металлический составляющий материал становится металлическим составом на основе титана, который содержит частицы борида титана, в форме тонкой дисперсии или в виде более крупной объемной доли фазы борида титана, и необязательно с диспергированными в нем добавочными элементами, образующими стабильный оксид. Необязательный добавочный элемент или элементы, образующие стабильный оксид, присутствуют в твердом растворе (или в количестве ниже предела растворимости, или в перенасыщенном состоянии) и/или как одна или несколько дискретных дисперсных фаз. Дисперсными фазами могут быть неокисленные добавочные элементы, образующие стабильный оксид, или уже окисленная дисперсия, или смесь того и другого. Добавочные элементы, образующие стабильный оксид, находящиеся в твердом растворе или в неокисленной дискретной дисперсии, доступны для последующей реакции с кислородом, который может находиться в основе или диспергироваться в металлическом материале во время последующей обработки или эксплуатации.
Уплотненный материал может образовать все изделие или может быть добавлен в качестве вставки к другому изделию, изготовленному любым путем, включая обычное литье и обработку, литье или способ, сходный с описанным здесь. Вставка может содержать один по существу однородный объемный состав или же может содержать смесь из по меньшей мере двух материалов, имеющих различные объемные составы. В любом из вариантов реализации, в которых уплотненный материал добавляют в качестве вставки, окружающее изделие может иметь такой же или иной состав. Вставка может быть применена в любой точке технологического процесса.
При типичном применении, когда добавляют добавочные элементы, образующие стабильный оксид, изготовленное изделия подвергают окислению или в кислородосодержащей среде, или путем реакции кислорода в титане, при температуре выше комнатной и обычно выше чем приблизительно 1000°F после химического восстановления, которое переводит его в металлическую форму. Окисление вызывает химическую реакцию с кислородом по меньшей мере части непрореагировавшего остатка добавочного элемента (элементов), образующего стабильный оксид, с дополнительным образованием оксидных дисперсоидов в материале. Контакт с кислородом может иметь место или во время эксплуатации, или при термообработке перед тем, как перейти к эксплуатации, или в обоих случаях. При контакте во время эксплуатации кислородообразующий элемент (элементы) химически соединяются (например, поглощают) с кислородом, который диффундирует в изделии из окружающей среды. Эта реакция идет наиболее активно возле поверхности изделия, так что полученная дисперсия дисперсоидов оксида происходит главным образом возле поверхности. При контакте как части термообработки глубина слоя дисперсии оксида может контролироваться до определенного значения. В случае, если металлическое изделие является очень тонким (например, около 0,005 дюйма или меньше) можно добиться однородной дисперсии.
Образование дисперсии борида имеет несколько важных преимуществ. Во-первых, по существу равномерно распределенная дисперсия помогает в достижении нужных механических свойств, включая статическую прочность, усталостную прочность и предел ползучести, которые остаются стабильными в течение продолжительных периодов воздействия при повышенной температуре за счет дисперсионного упрочнения матрицы металлического состава на основе металлического титана. По существу равномерно распределенная дисперсия помогает также ограничить рост зерна в матрице металлического состава на основе металлического титана. Во-вторых, значительно возрастает модуль упругости металлического состава на основе титана, позволяя изделию выдерживать значительно более высокие нагрузки при упругой деформации. В-третьих, значительно улучшаются износостойкость и эрозионная стойкость, позволяя увеличить срок службы в данной области применения. В-четвертых, присутствие тонкой дисперсии ведет к улучшению пластичности по сравнению с изделием, изготовленным обычными способами литья и обработки давлением, литья или методов порошковой металлургии. Дисперсия борида может быть образована в любой матрице металлического состава на основе титана, включая титановые металлические составы альфа, близкий к альфа, альфа плюс бета, близкий к бета и бета, и любой интерметаллоид на основе титана, включая основанный на альфа-2, орторомбический и гамма-алюминид титана.
Необязательное образование оксидной дисперсии имеет несколько важных преимуществ. Во-первых, по существу равномерно распределенная дисперсия помогает в достижении нужных механических свойств, которые остаются стабильными в течение продолжительных периодов воздействия при повышенной температуре за счет дисперсионного упрочнения матрицы базового металла, и помогает также ограничить рост зерна в матрице базового металла. Во-вторых, когда контакт с кислородом окружающей среды происходит при окислении перед началом эксплуатации или во время эксплуатации, диффузия кислорода в изделии обычно вызывает образование «слоя альфа» рядом с поверхностью обычных титановых металлических составов, содержащих альфа-фазу. При настоящем способе добавочные элементы, образующие стабильный оксид, находящиеся или в твердом растворе, или в форме отдельной фазы, поглощают диффундирующий внутри кислород из твердого раствора и добавляют его к дисперсии оксида, уменьшая таким образом степень образования слоя альфа и связанную с ним вероятность преждевременного разрушения. В-третьих, в некоторых случаях оксидные дисперсоиды обладают большим объемом, чем дискретные металлические фазы, из которых они образовались. Образование оксидных дисперсоидов создает состояние сжимающего напряжения, которое выше возле поверхности изделия, чем в глубине изделия. Состояние сжимающего напряжения способствует предотвращению образования и роста трещин во время эксплуатации. В-четвертых, образование оксидной дисперсии на поверхности изделия служит препятствием распространению внутрь дополнительного кислорода. В-пятых, удаление избыточного кислорода в растворе из матрицы допускает введение более высокого уровня металлического легирования стабилизирующими элементами альфа, такими как алюминий или олово, в свою очередь обеспечивающих получение более высокого модуля упругости, предела ползучести и стойкости к окислению основы. В-шестых, присутствие избыточного кислорода в растворе в некоторых видах титановых металлических составов, таких как альфа-2, орторомбический и гамма-алюминиды титана, уменьшает пластичность титанового металлического состава. При настоящем способе этот кислород поглощается, так что на пластичность не оказывается отрицательного влияния.
Настоящий способ распространяется таким образом на изделие, содержащее матрицу титанового металлического состава, распределение стабильных дисперсоидов борида титана и стабильных дисперсоидов оксида в матрице титанового металлического состава. Бор присутствует в количестве, превышающем предел его растворимости в твердом состоянии в матрице титанового металлического состава при комнатной температуре. Необязательными дисперсоидами стабильного оксида является оксид добавочного элемента, образующего стабильный оксид, который присутствует в количестве, превышающем предел его растворимости в твердом состоянии в матрице титанового металлического состава при комнатной температуре. Матрица титанового металлического состава не имеет микроструктуры после плавления и разливки. В связи с этим изделием могут применяться другие рассмотренные здесь совместимые признаки.
Изделие содержит матрицу титанового металлического состава и распределение частиц борида титана в матрице титанового металлического состава, причем изделие содержит от приблизительно 0,5 до приблизительно 17 масс.% бора. Изделие может включать по меньшей мере 0,1 об.% оксида добавочного элемента. С этим вариантом реализации могут быть использованы другие рассмотренные здесь совместимые признаки.
Предпочтительно, изделие приготовляют без присутствия какой-либо отдельной фазы борида титана. То есть одним возможным способом приготовления изделия на основе титана с диспергированной в нем фазой борида титана является приготовление фазы борида титана в форме отдельных частиц, таких как порошок или волокна, с последующим диспергированием отдельных частиц в составе на основе титана. Этот способ имеет тот недостаток, что частицы бывают обычно больше по размерам, чем приготовленные настоящим способом, могут иметь пороки, которые ухудшают их механические свойства, и хуже поддаются равномерному распределению в матрице на основе титана.
Настоящий способ предлагает таким образом металлическое изделие на основе титана с улучшенными характеристиками и улучшенной стабильностью. Другие признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидны из последующего более подробного описания предпочтительного варианта реализации, наряду с прилагаемыми чертежами, которые иллюстрируют в качестве примера принципы изобретения. Объем изобретения, однако, не ограничивается этим предпочтительным вариантом реализации.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показана блок-схема способа по изобретению;
на фиг.2 показана идеализированная микроструктура металлического изделия после некоторого окисления, образующего однородную оксидную дисперсию;
на фиг.3 показана идеализированная микроструктура металлического изделия после диффузии внутрь кислорода во время термообработки или эксплуатации;
на фиг.4 показана идеализированная микроструктура на микроскопическом уровне вставки в области на основе титана;
на фиг.5 показана идеализированная микроструктура двух различных типов металлических составов на основе титана с бором, объединенных на микроскопическом уровне в единую структуру;
на фиг.6 показана идеализированная микроструктура материала, содержащего зерна бора с высоким содержанием и зерна бора с низким содержанием;
на фиг.7 показана идеализированная микроструктура материала, содержащего зерна бора с высоким содержанием и зерна, в которых по существу отсутствует бор;
на фиг.8 показан перспективный вид компонента газовой турбины, выполненный настоящим способом и имеющий титано-боровую вставку; и
на фиг.9 показан вид в разрезе компонента газовой турбины с фиг.6, выполненном по линии 9-9.
Подробное описание изобретения
На фиг.1 изображен предпочтительный способ производства металлического изделия, выполненного из образующих элементов при их определенных пропорциях в составе. Обеспечивают по меньшей мере одно неметаллическое предшествующее соединение, стадия 20. Все неметаллические предшествующие соединения совместно содержат образующие элементы в соответствующих пропорциях в составе. Металлические элементы могут быть получены из предшествующих соединений любым осуществимым путем. В предпочтительном варианте существует точно одно предшествующее соединение для каждого металлического легирующего элемента, и это предшествующее соединение обеспечивает весь материал для этой соответствующей металлической составляющей в металлическом составе. Например, в случае металлического материала из четырех элементов, который получают в конечном счете, первое предшествующее соединение поставляет весь первый элемент, второе предшествующее соединение поставляет весь второй элемент, третье предшествующее соединение поставляет весь третий элемент и четвертое предшествующее соединение поставляет весь четвертый элемент. Однако в пределах способа возможны альтернативные варианты. Например, несколько предшествующих соединений могут совместно поставлять весь определенный металлический элемент. В другом альтернативном варианте одно предшествующее соединение может поставлять целиком или частично два или несколько металлических элементов. Последние подходы являются менее предпочтительными, поскольку затрудняют точное определение содержания отдельных элементов в конечном металлическом материале. Конечный металлический материал обычно не является стехиометрическим соединением, имеющим относительное содержание металлических составляющих, которое может быть выражено небольшими целыми числами.
После обработки образующие элементы содержат металлический состав на основе титана, бор и необязательно добавочный элемент, образующий стабильный оксид. Металлический состав на основе титана содержит больше титана по массе, чем любого другого элемента (хотя атомная доля титана может быть не выше, чем у любого другого элемента, как, например, в некоторых алюминидах титана со структурой гамма-фазы). Металлическим составом на основе титана может быть чистый титан (например, технически чистый титан или СР титан) или металлический сплав титана с другими элементами, такой, например, как Ti-6Al-4V, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0,1Si, Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo-0,1Si, Ti-5,8Al-4Sn-3,5Zr-0,7Nb-0,5Mo-0,35Si, Ti-10V-2Fe-3Al, Ti-15Mo-3Al-2,7Nb-0,25Si (известный также, как бета 21S) и Ti-32,7Al-2,5Cr-4,8Nb (известный также, как Ti-48-2-2). Составы приведены в массовых процентах, если только не оговорено иное. Составы металлических сплавов титана, представляющие особенный интерес, включают титановые металлические сплавы со структурой альфа-бета фазы, титановые металлические сплавы со структурой бета-фазы, альфа-2, орторомбические и алюминиды титана со структурой гамма-фазы, хотя изобретение не ограничивается этими металлическими составами. Уровень бора изменяется от выше чем предел растворимости бора при комнатной температуре в металлическом составе на основе титана до уровня, требующегося для образования не более чем 90 об.% борида титана. Обычно бор присутствует в количестве от 0,05 до 17 масс.% от всей массы конечного уплотненного материала. В результате получается уплотненный материал, имеющий по меньшей мере две фазы, включая одну или несколько металлических фаз, образующих металлический состав на основе титана, борид титана и необязательно одну или несколько стабильных оксидных фаз. Используемый здесь при описании настоящего способа термин «борид титана» относится к TiB, присутствующему в большинстве материалов, приготовленных настоящим способом, TiB2, который присутствует в том случае, когда матрицей является алюминид титана со структурой гамма-фазы, Ti3B4, и другие бориды титана или иные соединения, содержащие титан и бор, возможно модифицированные за счет присутствия легирующих элементов. «Моноборид титана» относится специально к TiB, а «диборид титана» относится специально к TiB2.
Необязательный добавочный элемент, образующий стабильный оксид, отличается образованием стабильного оксида в металлическом составе на основе титана. Элемент считается добавочным элементом, образующим стабильный оксид, если он образует стабильный оксид в металлическом составе на основе титана, когда металлический состав на основе титана или по существу не содержит кислорода в твердом растворе, или когда металлический состав на основе титана содержит небольшое количество кислорода в твердом растворе. Всего приблизительно 0,5 масс.% кислорода в твердом растворе может потребоваться для добавочного элемента, образующего стабильный оксид, чтобы служить эффективным формирователем стабильного оксида. Таким образом, металлический состав на основе титана предпочтительно содержит от 0 до приблизительно 0,5 масс.% кислорода в твердом растворе. Возможно наличие более высокого содержания кислорода, но такое более высокое содержание может оказывать отрицательное воздействие на пластичность. В общем кислород может присутствовать в материале или в твердом растворе, или в дискретной оксидной фазе, такой как оксиды, образованные добавочными элементами, образующими стабильный оксид, при их реакции с кислородом.
Титан обладает сильным сродством и высокой реакционной способностью с кислородом, так что он растворяет многие оксиды, включая свой собственный. Добавочные элементы, образующие стабильные оксиды, в рамках настоящего способа образуют стабильный оксид, который не растворяется в матрице титанового металлического состава при типичных тепловых условиях, связанных с восстановлением, уплотнением, термообработкой и внешним воздействием. Примерами добавочных элементов, образующих стабильные оксиды, являются сильные оксидообразователи, такие как магний, кальций, скандий и иттрий, и редкоземельные элементы, такие как лантан, церий, празеодим, неодим, прометий, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, туллий, иттербий и лютеций, а также их смеси.
По меньшей мере один добавочный элемент может необязательно присутствовать в количестве, превышающем его растворимость в твердом состоянии при комнатной температуре в металлическом составе на основе титана. После последующей обработки каждый такой добавочный элемент может присутствовать в одной из нескольких форм. Добавочный элемент может присутствовать в форме неоксидной дисперсии элемента. Он может также присутствовать в твердом растворе. Он может также присутствовать, прореагировав с кислородом, образуя крупную дисперсию оксида или тонкую дисперсию оксида. Крупная дисперсия оксида образуется в результате реакции неоксидной дисперсии элемента с кислородом, который обычно присутствует в металлической матрице, поглощая таким образом кислород. Тонкая дисперсия оксида образуется в результате реакции добавочного элемента, образующего стабильный оксид, находящегося в твердом растворе, с кислородом, который находится в матрице и распространяется в металлическом материале со стороны поверхности при воздействии содержащей кислород окружающей среды.
Предшествующие соединения являются неметаллическими и подбираются так, чтобы их можно было применять при процессе восстановления, при котором их восстанавливают до металлической формы. В одном представляющем интерес процессе восстановления, восстановлении в паровой фазе, предшествующими соединениями предпочтительно являются галоиды металлов. В другом представляющем интерес процессе восстановления, восстановлении в твердой фазе, предшествующими соединениями предпочтительно являются оксиды металлов. Возможно использование смесей различных видов предшествующих соединений.
Некоторые составляющие, обозначенные как “другие добавочные составляющие”, могут с трудом вводиться в металлический состав. Например, могут отсутствовать подходящие неметаллические предшествующие соединения составляющих, или же имеющиеся неметаллические предшествующие соединения других добавочных составляющих могут с трудом поддаваться химическому восстановлению способом и при температуре, соответствующих химическому восстановлению других неметаллических предшествующих соединений. Может оказаться необходимым, чтобы такие другие добавочные составляющие в конечном счете присутствовали в форме элементов в твердом растворе в металлическом составе как соединения, образованные в результате реакции с другими составляющими металлического состава, или как уже прореагировавшие по существу инертные соединения, диспергированные в металлическом составе. Эти другие добавочные составляющие или их предшественники могут быть внесены из газа, жидкости или твердой фазы, как более удобно, с использованием одного из четырех способов, описанных далее, или других подходящих способов.
При первом способе другую добавочную составляющую или составляющие обеспечивают как элементы или соединения и смешивают с предшествующими соединениями перед стадией химического восстановления или одновременно с ней. Смесь предшествующих соединений и других добавочных составляющих подвергают обработке химического восстановления стадии 22, однако фактически восстанавливаются только предшествующие соединения, а другие добавочные составляющие не восстанавливаются.
При втором способе другую добавочную составляющую или составляющие в форме твердых частиц обеспечивают, но не подвергают химическому восстановлению, которое применяют к основному металлу. Вместо этого их смешивают с первоначальным металлическим материалом, полученным в ходе стадии химического восстановления, но после завершения стадии химического восстановления 22. Этот способ особенно эффективен, когда стадию химического восстановления выполняют на текучем порошке предшествующих соединений, но может также применяться с использованием предварительно спрессованной массы предшествующих соединений, получая в результате губчатую массу первоначального металлического материала. Другие добавочные составляющие прилипают к поверхности порошка или к поверхности и в порах губчатой массы. Твердые частицы могут необязательно вступать в реакцию в одной или нескольких стадиях, если они являются предшественниками другой добавочной составляющей.
При третьем способе предшественник обеспечивают сначала как частицы порошка или как губку путем прессования предшествующих соединений металлических элементов. Затем частицы или губка проходят химическое восстановление. Затем на поверхностях (наружной и внутренней, если частицы имеют форму губки) частиц, или на наружной и внутренней поверхностях губки, из газовой фазы образуется другая добавочная составляющая. При одном техническом решении газообразный предшественник или элементарная форма (например, газообразный метан, азот или боран) пропускают над поверхностью частицы или губки с целью отложения на поверхности соединения или элемента из газа. Материал, полученный на поверхностях, может необязательно вводиться в реакцию в ходе одной или нескольких стадий, если является предшественником другой добавочной составляющей. В данном примере бор подается на поверхность титана бораном, протекающим по поверхности, а при последующей обработке осажденный бор вступает в реакцию с образованием борида титана. Газ, несущий представляющую интерес составляющую, может подаваться любым применимым способом, например из доступного для приобретения газа, или путем генерирования газа, например путем испарения керамики или металла электронным лучом, или с помощью плазмы.
Четвертый способ подобен третьему способу, за исключением того, что другую добавочную составляющую осаждают скорее из жидкости, чем из газа. Предшественник обеспечивают сначала в виде частиц порошка, или в виде губки путем уплотнения предшествующих соединений металлических элементов. Затем частицы или губку подвергают химическому восстановлению. После этого на поверхностях (наружной и внутренней, если частица подобна губке) частиц, или на наружной и внутренней поверхностях губки получают другую добавочную составляющую путем осаждения из жидкости. При одном техническом решении частицы или губку погружают в жидкий раствор предшествующего соединения другой добавочной составляющей для нанесения покрытия на поверхности частиц или губки. Предшествующее соединение другой добавочной составляющей вступает во вторую химическую реакцию, чтобы оставить другую добавочную составляющую на поверхности частиц или поверхности губки. В данном примере возможно внесение в металлический состав на основе бора лантана путем покрытия поверхностей восстановленных частиц или губки (полученной из предшествующих соединений) хлоридом лантана. Частицы или губку с покрытием после этого нагревают и/или подвергают воздействию вакуума для того, чтобы удалить хлор, оставляя на поверхностях частиц или губки лантан. Необязательно возможно окисление покрытых лантаном частиц или губки для образования тонкой лантано-кислородной дисперсии, используя для этого кислород из окружающей среды или из раствора в металле, или же покрытые лантаном частицы или губка могут вступить в реакцию с другим элементом, таким как сера. При другом способе составляющую наносят на частицы или губку электролитическим способом. И еще при одном способе частицы или губку можно погрузить в ванну, содержащую другую добавочную составляющую, извлечь из ванны, после чего любой растворитель или носитель растворитель испаряется, оставляя покрытие на частице или губке.
Вне зависимости от технологии восстановления, применяемой на стадии 22, и как бы ни вносилась другая добавочная составляющая, в результате получается смесь, которая содержит металлический состав. Способы внесения других добавочных составляющих могут применяться на предшественниках перед восстановлением составляющей базового металла, или на уже восстановленном металле. При некоторых обстоятельствах металлический состав может иметь форму сыпучих частиц, а в других случаях они могут иметь губкоподобную структуру. Губкоподобная структура получается при восстановлении в твердой фазе, если предшествующие соединения до начала фактического химического восстановления предварительно спрессовывают между собой. Предшествующие соединения могут быть спрессованы с целью образования спрессованной массы, превышающей своими размерами размеры требующегося конечного металлического изделия.
Химический состав начального металлического состава определяется видами и количеством металлов в смеси неметаллических предшествующих соединений, приготовленных на стадии 20, а также другими добавочными составляющими, которые вносят в ходе обработки. Относительное содержание металлических элементов определяется их относительными долями в смеси во время стадии 20 (не относительными долями соединений, но относительными долями металлических элементов). Первоначальный металлический состав содержит по массе больше титана, чем любого другого металлического элемента в предшествующих соединениях, образуя металлический состав на основе титана.
Неметаллические предшествующие соединения выбирают таким образом, чтобы получить в конечном металлическом изделии необходимые металлические легирующие элементы, и смешивают между собой в нужных пропорциях для получения необходимого содержания этих металлических легирующих элементов в металлическом изделии. Например, если в конечном изделии содержание титана, алюминия, ванадия, бора, эрбия и кислорода должно находиться в отношении 86,5:6:4:2:3:0,5 по массе, неметаллическими предшествующими соединениями для восстановления в паровой фазе предпочтительно являются хлорид титана, хлорид алюминия, хлорид ванадия, хлорид бора и хлорид эрбия. Конечное содержание кислорода контролируют восстановительным процессом, как описано ниже. Могут также использоваться неметаллические предшествующие соединения, которые служат источником более чем одного металла в конечном металлическом изделии. Эти предшествующие соединения приготовляют и смешивают между собой в нужных пропорциях, так чтобы отношение титана к алюминию, к ванадию, к бору, к эрбию в смеси предшествующих соединений было таким, какое требуется для получения металлического состава конечного изделия.
Необязательно неметаллические предшествующие соединения могут быть подвергнуты предварительному уплотнению в ходе стадии 21 перед химическим восстановлением способом, известным как восстановление в твердой фазе. Предварительное уплотнение ведет при последующей обработке к получению губки, а не частиц. Стадия 21 предварительного уплотнения при ее использовании выполняется любым осуществимым способом, таким как прессование неметаллических предшествующих соединений в предварительно уплотненную массу.
Отдельное неметаллическое предшествующее соединение или смесь неметаллических предшествующих соединений подвергают химическому восстановлению для получения металлических частиц или губки без плавления предшествующих соединений или металла, стадия 22. Применяемые здесь термины «без плавления», «отсутствие плавления» и связанные с ними выражения означают, что материал не плавится в своей массе в течение продолжительного периода времени, превращаясь в жидкость и теряя свою форму. Возможно, например, незначительное локальное плавление, когда плавятся имеющие низкую температуру плавления элементы диффузионно сплавляются с имеющими более высокую температуру плавления элементами, которые на плавятся, или очень краткое плавление на период менее чем приблизительно 10 секунд. Даже в таких случаях общая форма материала остается неизменной.
При одном предпочтительном способе восстановления, который называют восстановлением в паровой фазе, поскольку неметаллические предшествующие соединения готовят в форме паровой или газообразной фазы, химическое восстановление может выполняться путем восстановления смесей галоидов базового металла и металлических легирующих элементов с использованием жидкого щелочного металла или жидкого щелочно-земельного металла. Например, в форме газов применяются четыреххлористый титан и галоиды металлических легирующих элементов. Смесь этих газов в нужном количестве приводится в контакт с расплавленным натрием, так что галоиды металлов вступают в реакцию для перехода в металлическую форму. Металлический состав отделяют от натрия. Это восстановление осуществляется при температуре ниже температуры плавления металлического состава. Способ более полно описан в патентах США 5779761 и 5958106 и в патентной публикации США 2004/0123700, причем все эти описания включены сюда в качестве ссылки.
Предпочтительным является восстановление при более низкой, чем при более высокой температуре. Желательно, чтобы восстановление производилось при температурах 600°С или ниже, и предпочтительно 500°С или ниже. Для сравнения укажем, что прежние способы приготовления титановых и других металлических составов часто требовали температуры 900°С или более. Восстановление при более низкой температуре легче контролируется и меньше подвержено внесению загрязнений в металлический состав, каковое загрязнение может в свою очередь вести к появлению химических неоднородностей. Кроме того, более низкие температуры уменьшают вероятность спекания во время стадии восстановления частиц между собой и снижают возможное укрупнение дисперсий стабильного борида и необязательного оксида.
При этом способе восстановления в паровой фазе неметаллический элемент или соединение, представленные в газообразной форме, могут смешиваться в газообразном предшествующем соединении до их реакции с жидким щелочным металлом или жидким щелочно-земельным металлом. В одном примере газообразный кислород может быть смешан с газообразным неметаллическим предшествующим соединением (соединениями) с целью повышения содержания кислорода соответственно в первоначальном металлическом изделии. Иногда бывает желательно, например, чтобы содержание кислорода в металлическом материале первоначально было достаточно высоким для образования дисперсий оксидов путем реакции с добавочными элементами, образующими стабильные оксиды, с целью упрочнения конечного металлического изделия. Вместо добавления кислорода в форме порошка твердого диоксида титана, как иногда делают с металлическими составами на основе титана, полученными обычными способами плавления, кислород добавляют в газообразной форме, что облегчает смешивание и сводит к минимуму вероятность образования в конечном изделии твердой альфа-фазы. Когда кислород добавляют в форме порошка диоксида титана при практике обычного плавления, слипшиеся комки порошка могут не растворяться полностью, оставляя в конечном металлическом изделии мелкие частицы, которые образуют химические неоднородности. Настоящий способ устраняет вероятность этого. На стадии восстановления бор может быть добавлен в форме газообразного брана, или возможно добавление азота в газообразной форме.
При другом способе восстановления, который называется восстановлением в твердой фазе, поскольку неметаллические предшествующие соединения приготовляют в твердой форме, химическое восстановление может быть выполнено путем электролиза в солевом расплаве. Электролиз в солевом расплаве является известным техническим приемом, который описан, например, в опубликованной патентной заявке WO 99/64638, описание которой полностью включено сюда в качестве ссылки. Вкратце, в этом варианте электролиза в солевом расплаве смесь неметаллических предшествующих соединений, приготовленных в тонкоизмельченной твердой форме, погружают в электролизную ванну, в электролит из солевого расплава, такой как хлоридная соль, при температуре ниже температуры плавления металлического состава, который образуется из неметаллических предшествующих соединений. Смесь неметаллических предшествующих соединений делают в электролитической ванне катодом при инертном аноде. Элементы, соединенные с металлами в неметаллических предшествующих соединениях, такие как кислород в предпочтительном случае оксидных неметаллических предшествующих соединений, частично или полностью удаляются из смеси путем химического восстановления (т.е. процесса, обратного химическому окислению). Реакция выполняется при повышенной температуре с целью ускорения диффузии кислорода или другого газа из катода. Катодный потенциал контролируют с целью гарантировать восстановление неметаллических предшествующих соединений вместо возникновения других возможных химических реакций, таких как разложение расплавленной соли. Электролит является солью, предпочтительно солью более стабильной, чем эквивалентная соль подвергающихся рафинированию металлов, и в идеале очень стабильной для удаления кислорода или другого газа с доведением его содержания до нужного низкого уровня. Предпочтительными являются хлориды и смеси хлоридов бария, кальция, цезия, лития, стронция и иттрия. Химическое восстановление предпочтительно, но необязательно, осуществляется до завершения, при полном восстановлении неметаллических предшествующих соединений. Не доведение процесса до завершения является способом контроля содержания кислорода в полученном металле, допускающего последующее образование дисперсии оксида. При выполнении стадии 21 предварительного уплотнения в результате этой стадии 22 может быть получена металлическая губка. Содержание бора и азота можно контролировать, начиная с борида или нитрида и восстановления соединения электролитическим процессом.
При другом способе восстановления, который называют восстановлением с «быстрой плазменной закалкой», предшествующее соединение, такое как хлорид титана, диссоциируют в плазменной дуге при температуре свыше 4500°С. Предшествующее соединение быстро нагревается, диссоцииуется и охлаждается в газообразном азоте. В результате получаются мелкие частицы гидрида металла. Любое плавление металлических частиц является очень коротким, порядка 10 секунд или меньше, попадает в рамки понятия «без плавления» и других подобных, которые применяются здесь. Водород удаляют затем из частиц гидрида металла посредством вакуумной обработки. Возможно также добавление кислорода для осуществления реакции с добавочными элементами, образующими стабильный оксид, чтобы образовать дисперсию стабильного оксида. Бор добавляют для осуществления реакции с титаном с целью получения борида титана.
Вне зависимости от техники восстановления, которую применяют на стадии 22, в результате получается материал из металлического состава на основе металлического титана, борида титана и необязательно частиц стабильного оксида. При одних обстоятельствах этим материалом могут быть сыпучие частицы, а в других случаях - структура типа губки. Структуру типа губки получают способом восстановления в твердой фазе, если предшествующие соединения сначала предварительно прессовали (т.е. необязательная стадия 21) перед началом фактического химического восстановления. Предшествующие соединения могут предварительно прессоваться, образуя прессованную массу, размеры которой больше, чем у нужного конечного металлического изделия.
Необязательно, но предпочтительно материал уплотняют с целью получения уплотненного металлического изделия, стадия 24, без плавления металлического состава на основе титана и без плавления уплотненного металлического состава на основе титана. Стадия затвердения 24 может выполняться любой пригодной техникой, такой как горячее изостатическое прессование, ковка, выдавливание, прессование и спекание, или прямое уплотняющее выдавливание порошка, или прокатка, или же сочетание этих способов.
На фиг.2 и 3 показана микроструктура материала 40, имеющего поверхность 42, обращенную к окружающей среде 44. Металлическое изделие 40 имеет микроструктуру матрицы 46 металлического состава на основе титана с диспергированными в ней частицами борида титана необязательными добавочными элементами, образующими стабильные оксиды. Частицы борида титана могут присутствовать в различной форме, в зависимости от процентного содержания бора и других факторов. Предпочтительно бор присутствует в количестве от 0,05 масс.% до 17 масс.% от общей массы. Если содержание бора меньше 0,05 масс.%, наблюдается отсутствие борида титана, являющегося эффективным упрочнителем, поскольку бор находится в твердом растворе. Если бор присутствует в количестве от 0,05 до 1,5 масс.%, частицы борида титана присутствуют как тонкая дисперсоидная фаза 62 борида титана, диспергированная в матрице 46 металлического состава на основе титана, как показано на фиг.7, что создает дисперсоидный упрочняющий эффект. Эти тонкие дисперсоидные частицы имеют меньшие размеры, чем полученные прежними процессами приготовления материалов из титана-борида титана. Если бор присутствует в количестве от 1,5 до 17 масс.%, частицы борида титана присутствуют как крупная фаза 64 борида титана, имеющая относительно более значительную объемную долю, как показано на фиг.3, по сравнению со структурой, показанной на фиг.2. (Используемые здесь термины «крупный» и «тонкий» используются только в сравнительном смысле относительно друг друга, когда "крупная" фаза превышает размеры «тонких» дисперсоидов). Крупная фаза 64 борида титана создает комбинированный упрочняющий эффект. Однако существует возможность манипулирования микроструктурой состава с высоким массовым содержанием бора (1,5-17%) путем обработки при низкой температуре во время уплотнения, так что микроструктура несколько сходна с показанной на фиг.2, однако при более высокой объемной доле тонкой дисперсоидной фазы 62. При наличии более чем 17 масс.% бора структура имеет более 90 об.% присутствующего борида титана, так что преимущества наличия матрицы 46 металлического состава на матрице титана уменьшаются и в конечном счете теряются.
На фиг.3 и тонкая дисперсоидная фаза 62 борида титана, и крупная фаза 64 борида титана создают упрочняющий эффект, хотя и с помощью различных механизмов. Тонкая дисперсоидная фаза 62 борида титана создает дисперсоидное (т.е. Orowan) упрочнение путем взаимодействия с дислокациями в основе 46 металлического состава на основе титана. Крупная дисперсоидная фаза 64 борида титана может создать некоторое дисперсоидное упрочнение, но создает также по правилу аддитивности композитное упрочнение, когда присутствует в форме, показанной на фиг.3. При диапазоне содержания бора 1,5-17 масс.% возможно наличие и тонкой дисперсоидной фаза 62 борида титана, и крупной фаза 64 борида титана, так что наблюдаются оба типа упрочнения. При возрастании содержания бора возрастает объемная доля борида титана, так что он становится почти сплошным.
Необязательные добавочные элементы, образующие стабильные оксиды, могут присутствовать в твердом растворе, позиция 48, или как одна или несколько непрореагировавших дискретных фаз 50. Некоторые из добавочных элементов, образующих стабильные оксиды, первоначально в твердом растворе могут реагировать с кислородом, первоначально присутствующим в матрице 46, для образования дисперсии тонких оксидных дисперсоидов 52. Некоторые из добавочных элементов, образующих стабильные оксиды, первоначально присутствующие в форме непрореагировавшей дискретной фазы 50, могут вступить в реакцию с кислородом, первоначально присутствующим в матрице 46, с образованием крупных оксидных дисперсоидов 54. Эти стабильные оксидные дисперсоиды 52 и 54 практически равномерно распределяются по матрице 46.
Взятые вместе дисперсоидные фазы 62 или 64 борида титана и оксидные дисперсоиды 52 или 54 обеспечивают большую гибкость при контроле механических свойств конечного материала 40. Относительное содержание, размеры и распределение дисперсоидных фаз 62 или 64 борида титана и оксидных дисперсоидов 52 или 54 устанавливают главным образом независимо друг от друга за счет контроля количества боросодержащего предшествующего соединения (соединений) и предшествующего соединения (соединений) добавочных элементов, образующих стабильные оксиды, причем дальнейшая обработка описана ниже.
Необязательно, но предпочтительно существует дальнейшая обработка, стадия 26, уплотненного металлического изделия. При этой обработке изделие не плавится. Такая дальнейшая обработка может включать, например, механическую формовку уплотненного металлического изделия, стадия 28, любым подходящим способом, или термообработку уплотненного металлического изделия, стадия 30, любым подходящим способом. Стадию формовки 28 и/или стадию термообработки 30, в случае использования, выбирают согласно характеру металлического состава на основе титана. Такая формовка и термообработка известны в технике для каждого металлического состава на основе титана.
Уплотненный материал 40 может быть окислен при температуре, превышающей комнатную температуру, стадия 32, в особенности при наличии сильных оксидообразующих элементов, присутствующих в растворе матрицы титанового сплава и/или в форме частиц. Стадия 32 воздействия кислорода, ведущая к получению связанной с оксидами микроструктуры, показана на фиг.3, может быть выполнена или во время первоначального приготовления металлического изделия в контролируемом производственном режиме, или во время последующего воздействия в процессе эксплуатации при повышенной температуре. В любом случае кислород диффундирует внутрь от поверхности 42 в матрицу 46. Диффундирующий внутрь кислород вступает в химическую реакцию с оксидообразующим добавочным элементом (элеменами), который присутствует возле поверхности 42 или в твердом растворе 48, или в дискретных фазах 50. В результате у поверхности 42 остается мало или совсем не остается непрореагировавших добавочных элементов, образующих стабильный оксид и находящихся в твердом растворе 48 или в дискретных фазах 50, а вместо этого они все в результате реакции образуют, соответственно, тонкие оксидные дисперсоиды 52 и крупные оксидные дисперсоиды 54. В результате наблюдается более высокая концентрация тонких оксидных дисперсоидов 52 в зоне диффузионного окисления 56 глубиной D1 на поверхности 42 и непосредственно под ней, по сравнению с концентрацией тонких оксидных дисперсоидов 52 на более значительных глубинах. D1 обычно находится в диапазоне от приблизительно 0,001 до приблизительно 0,003 дюйма, но может быть меньше или больше. Кроме того, в зависимости от конкретных оксидов, образованных элементами, образующими стабильный оксид, может быть образован оксидный поверхностный слой 58, который служит диффузионным барьером для диффузии дополнительного кислорода из окружающей среды 44 в изделие 40.
Присутствие и характер распределения оксидных дисперсоидов 52 и 54 имеют несколько добавочных важных последствий. Оксидные дисперсоиды 52 и 54 служат для упрочнения матрицы 46 с помощью эффекта дисперсионного упрочнения, а также для улучшения предела ползучести основы 46 при повышенной температуре. Оксидные дисперсоиды 52 и 54 могут также прокалывать границы зерен основы 46, чтобы препятствовать укрупнению зернистой структуры во время обработки и/или при воздействии высокой температуры. Кроме того, при некоторых условиях оксидные дисперсоиды 52 и 54 обладают более высоким удельным объемом, чем образующие стабильные оксиды добавочные элементы, из которых они получаются. Эти более высокие удельные объемы создают в матрице 46 возле поверхности 42 сжимающее усилие, обозначенное стрелкой 60. Сжимающее усилие 60 препятствует образованию и росту трещин при нагружении изделия во время эксплуатации с растяжением или скручиванием, что является в высшей степени благоприятным результатом.
Одной важной областью применения настоящего способа является то, что уплотненное изделие может представлять собой вставку в отношении массы иного материала. На фиг.4-7 проиллюстрировано несколько вариантов реализации этого способа. Вставка может иметь единый объемный состав, как показано на фиг.4 и 5, или же может содержать смесь из по меньшей мере двух материалов, имеющих различный объемный состав, как показано на фиг.6 и 7. В варианте реализации, показанном на фиг.4, частицы уплотненного металлического состава на основе титана с включениями частиц борида титана, позиция 70, образуют вставку в массе металла 72, который не является уплотненным металлическим составом на основе титана с включениями частиц борида титана. В варианте реализации, показанном на фиг.5, частицы первого уплотненного металлического состава на основе титана, содержащего первую объемную долю частиц борида титана, позиция 74, образуют вставку в массе 76, которая является вторым уплотненным металлическим составом на основе титана, содержащим вторую объемную долю частиц борида титана. В варианте реализации, показанном на фиг.6, зерна 90, имеющие высокую объемную долю частиц борида титана, смешиваются с зернами 92, имеющими низкую объемную долю частиц борида титана, для образования вставки. В варианте реализации, показанном на фиг.7, зерна 94, имеющие высокую объемную долю (и/или низкую объемную долю 96) частиц борида титана, смешиваются с зернами 98, практически не содержащими борида титана, для образования вставки.
Возможно также использование других совместимых компоновок. В варианте реализации, показанном на фиг.8-9, вставку 78 из уплотненного металлического состава на основе титана с включениями частиц борида титана помещают в не включающий борид металлический сплав, образующий остальную часть аэродинамической поверхности 80 лопатки 82 газотурбинного двигателя. Поперечный разрез лопатки может иметь микроструктуру, сходную с показанной на фиг.4. Вставка повышает прочность и модуль упругости аэродинамической поверхности 80, не подвергаясь воздействию продуктов горения и без изменения формы аэродинамической поверхности 80. С другой стороны, вставка может содержать смесь из по меньшей мере двух материалов, имеющих различные объемные составы, такую как показана на фиг.6 и 7. Вставки могут быть внедрены любым подходящим способом, таким как выполнение не содержащей борида части путем отливки на месте, отливки и механической обработки, или способом, не предусматривающим плавление, таким как диффузионное соединение.
Другие примеры изделий, которые могут быть выполнены с помощью настоящего способа, включают компоненты газотурбинных двигателей, включая лопатки, диски, турбинные "блиски" (диски и лопасти как одно целое), "блингз" (кольца, объединенные лопастями), валы, рубашки, подвески двигателя, лопатки статора, уплотнения и кожухи. Другие изделия включают автомобильные детали и биомедицинские изделия. Однако использование настоящего изобретения не ограничивается этими конкретными изделиями.
Хотя в целях иллюстрации было детально описано определенное изобретение, возможно осуществление различных модификаций и улучшений без отклонения от существа и объема изобретения. Соответственно изобретение ограничивается только прилагаемой формулой изобретения.
СПИСОК ДЕТАЛЕЙ
20 Фиг.1
22 Фиг.1
24 Фиг.1
26 Фиг.1
28 Фиг.1
30 Фиг.1
32 Фиг.1
40 Материал
42 Поверхность
44 Окружающая среда
46 Компоненты материала на основе титана
48 Формы оксидов в системе
50 Непрореагировавшая дискретная фаза
52 Тонкая дисперсия оксида
54 Крупная дисперсия оксида
56 Зона иного оксида
58 Поверхностный оксидный слой
60 Стрелка
62 Тонкая основа титана
64 Крупная основа титана
70 Область Ti/TiB
72 Область Ti
74 Isb Ti/TiB
76 2-й Ti/TiB
78 Вставка
80 Аэродинамическая поверхность
82 Лопатка турбины
90 Верхняя фракция
92 Нижняя фракция
94 Верхняя фракция
96 Нижняя фракция
98 Отсутствие Ni-B
1. Способ производства изделия из металлического состава на основе титана, включающий стадии: обеспечения по меньшей мере одного предшествующего неметаллического соединения, содержащего составляющие элементы металлического состава на основе титана и бор в количестве, превышающем предел растворимости в твердом состоянии при комнатной температуре в металлическом составе на основе титана; химического восстановления предшествующих соединений до металла для получения материала, содержащего металлический состав на основе титана, имеющий распределенные в нем частицы борида титана, без плавления металлического состава на основе титана; и уплотнения полученного материала для получения уплотненного изделия без плавления металлического состава на основе титана и без плавления уплотненного металлического состава на основе титана.
2. Способ по п.1, в котором стадия обеспечения включает стадию обеспечения составляющего элемента бора в количестве, не превышающем то, что требуется для образования приблизительно 90 об.% борида титана в уплотненном материале.
3. Способ по п.1, в котором стадия обеспечения включает стадию обеспечения неметаллических предшествующих соединений таким образом, что бор присутствует в уплотненном материале в количестве не больше приблизительно 17 мас.% от уплотненного материала.
4. Способ по п.1, в котором стадия обеспечения включает стадию обеспечения неметаллических предшествующих соединений таким образом, что бор присутствует в уплотненном материале в количестве от приблизительно 0,05 до приблизительно 17 мас.% от уплотненного материала.
5. Способ по п.1, в котором стадия обеспечения включает стадию обеспечения неметаллических предшествующих соединений таким образом, что бор присутствует в уплотненном материале в количестве от приблизительно 0,05 до приблизительно 1,5 мас.% от уплотненного материала.
6. Способ по п.1, в котором стадия обеспечения включает стадию обеспечения неметаллических предшествующих соединений таким образом, что бор присутствует в уплотненном материале в количестве от приблизительно 1,5 до приблизительно 17 мас.% от уплотненного материала.
7. Способ по п.1, в котором стадия обеспечения включает стадию обеспечения неметаллических предшествующих соединений таким образом, что бор присутствует в уплотненном материале в количестве от приблизительно 5 до приблизительно 17 мас.% от уплотненного материала.
8. Способ по п.1, в котором стадия обеспечения включает стадию обеспечения неметаллического предшествующего соединения, образующего стабильный оксид добавочного элемента, который образует стабильный оксид в металлическом составе на основе титана, и где указанный добавочный элемент присутствует в количестве, превышающем его предел растворимости в твердом состоянии при комнатной температуре в металлическом составе на основе титана, и где способ включает после стадии химического восстановления дополнительную стадию окисления металлического состава при температуре, превышающей комнатную температуру.
9. Способ по п.1, включающий дополнительную стадию получения уплотненного изделия как вставки в другое тело.
