[发明专利]钛部件的固溶热处理和过老化热处理

说明书

技术领域

本发明涉及钛合金，且更具体地，涉及加工锻造的钛部件来提高该部件的机械性能的方法。

背景技术

钛合金被广泛地用于生产蒸汽轮机的转动叶片。特别地，低压蒸汽轮机中的转动叶片被暴露于湿蒸汽的高速碰撞中，由于蒸汽的湿滴而导致腐蚀和磨损。钛合金表现出令人期望程度的耐受这样的涡轮机中的蒸汽环境的能力，这里已经需要对钛合金进行不同的处理，来提高转动叶片的使用寿命。例如，Ti-6Al-4V钛合金是包含通常用于涡轮发动机部件中的高强度材料的α-β钛合金，其主要由大约6%的铝，4%的钒和余量的钛和其它成分组成。

典型地，用于涡轮发动机应用中的钛合金部件是通过锻造工艺来继之以热处理工艺(该工艺被设计来保证足够的强度和延度)来生产的。已经提出了不同的方法，来产生形成最终部件的材料的改进特性。例如US专利No.5032189描述了一种制作锻造的接近α和α+β钛合金部件的工艺，包括在β转变温度或者高于该温度时锻造合金坯体(alloy billet)，在大约等于β转变温度的温度加热该锻造的部件，冷却该部件和将该部件在比β转变温度低大约10-20%的温度进行大约4-36小时的退火。

另外一种用于提高钛合金机械性能的方案描述在US专利No.4898624中。所述的钛合金具有下面的组成：5.5-6.75%的铝，3.5-4.5%的钒，0.15-0.2%的氧，0.025-0.05%的氮，≤0.3%的铁，0到≤0.08%的碳，0到≤0.0125%的氢，0到≤0.005%的钇，残余元素各为0到≤0.1%，总共为0到≤4%，和剩余的是Ti。合金是用热处理工艺制备的，来产生微观结构，该微观结构具有接近于等轴(equiaxed)的初生(primary)α颗粒，并且在老化的β基体中具有次生(secondary)α小片，这里断裂韧性(K_IC)是大约45 ksi-in^1/2。

改变钛合金的微观结构来提高断裂韧性通常需要牺牲其它的材料性能。这样的牺牲典型地包括屈服强度的降低和/或材料延度的降低。因此，期望的是提供一种改进方法，用于提高钛合金的断裂韧性，同时保持或者限制其它性能例如屈服强度的降低。

发明内容

根据本发明的一方面，提供了一种制作Ti-6Al-4V钛合金部件的方法。该方法包含以下步骤：提供锻造的Ti-6Al-4V钛合金部件；将该部件在固溶温度进行预定时间的固溶热处理，该固溶温度为在该部件的材料的α+β两相区中相对高的，并且比β转变温度至少低54℉；将该部件冷却到低于α+β两相区温度的温度；过老化热处理该部件，包括在预定的过老化温度进行预定时间的过老化工艺；将该部件冷却到室温；并且其中该过老化温度包含这样的温度，该温度低于所述的固溶温度，但是高于用于实现在该部件中最大屈服强度的老化热处理温度。

根据本发明的另一方面，提供了一种制作由Ti-6Al-4V钛合金形成的部件的方法。该方法包含以下步骤：提供锻造的Ti-6Al-4V钛合金部件，该部件包含至少50%的初生α；将该部件在固溶温度进行大约1小时的固溶热处理，该固溶温度处于该部件的材料的α+β两相区中；将该部件急骤冷却到低于α+β两相区温度的温度；过老化热处理该部件，包括在预定的温度进行大约1小时的过老化工艺；将该部件空气冷却到室温；并且其中该过老化温度包含这样的温度，该温度低于所述的固溶温度，但是高于用于实现在该部件中最大屈服强度的老化热处理温度。

附图说明

虽然本申请文件用权利要求汇总来具体指出和明确请求保护本发明，但是据信本发明将从下面的说明以及参照附图而将更好地理解，在其中相似的附图标记表示相似的元件，并且在其中：

图1是图表，表示了对于用常规的热处理条件所处理的样品来说，通过却贝(Charpy)V型缺口测试所测量的材料的屈服强度和材料韧度之间的关系；和

图2是图表，表示了根据本发明所进行的两种热处理工艺的结果；和

图3A和3B是根据本发明第二实施例所制备的锻造叶片(blade forging)的显微照片，并且分别表示了100X和500X放大倍率的锻造叶片的材料。

具体实施方式

在下面的优选实施方案的详细说明中，参考了构成所述详细说明的一部分的附图，并且在其中，作为示例而非限制，表示了本发明能够在其中实践的特定的优选实施方案。应该理解可以使用其它的实施方案和可以进行改变，而不脱离本发明的主旨和范围。