[发明专利]在基底上施加钛合金的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种通过焊接、熔化或金属沉积在基底上施加钛合金的方法。本发明还涉及包含使用此类方法施加的钛合金的组件。本发明另外涉及包含至少一个此类组件的燃气涡轮发动机。本发明另外包括所述钛合金和含所述钛合金的填充材料的用途。

发明背景

焊接或金属沉积是如下的方法，其用来制造新组件，添加材料至现有组件，修复在其制造过程中损坏的组件，例如修复在成型工艺过程中产生的或由不当加工导致的缺陷，和修复在其使用过程中损坏的组件。

焊接或金属沉积可用于制造组件或施加金属镀层，该组件或金属镀层对氧化、腐蚀、粒子侵蚀、热和/或磨损具有增大的耐受性。如果此类组件或金属镀层用于侵蚀性环境中，例如在燃气涡轮发动机中遇到的环境中，则其中组件可在氧化气氛中和超过800℃的温度下暴露延长的时间，由于在例如涡轮发动机运行或停止运行时发生的热循环和金属疲劳，组件/金属镀层会随时间变脆或破裂。

由于钛合金高温下的高比强度、优异的耐腐蚀和抗氧化性和好的抗蠕变性，因此钛合金广泛地应用在航空航天应用中。Ti-6Al-4V用于大多数航空航天和推进系统。但是，沉积的Ti-6Al-4V材料具有粗粒度，通常为数毫米级，这不利地影响了沉积的Ti-6Al-4V材料的机械性能。

US专利US 7521017涉及增强金属基复合材料以及成型粉末材料以形成该复合材料的方法。通过激光制造工艺以层的方式形成制造的制品。在该工艺中，融化粉末并冷却，以形成非持续增强金属基质的连续层。该基质显示细晶粒结构，其相对于非增强金属具有加强的性能，包括较高的拉伸模量、较高的强度和较大的硬度。用0-35重量％、更优选约0.5-10重量％的硼，和/或0-20重量％的碳、更优选约0.5-5重量％的碳，增强原位合金粉末、粉末冶金掺合或者独立提供的粉末，以形成该复合材料。

但是在航空航天应用中，施加具有金属性能的材料比施加具有复合材料性能的材料有利，这是因为，例如，复合材料的延性小于金属。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种在基底上施加钛合金的改进方法。该方法包含如下的步骤：在基底上熔化、焊接或沉积钛合金，和固化沉积、焊接或熔化的钛合金。该方法还包含如下的步骤：在基底上熔化、焊接或沉积钛合金的步骤之前或期间，添加0.01-0.4重量％的硼至该钛合金。

已经发现，与不含硼的钛合金晶粒的粒度相比，添加0.01-0.4重量％的硼至钛合金中大幅降低了钛合金的粒度。此处的粒度是指β粒度，并且这些晶粒的粒度在长度上可为数毫米。还已经发现，与不含硼的钛合金的强度、硬度和杨氏模量相比，通过添加硼至钛合金中获得的较小粒度改进了强度、硬度和杨氏模量。焊接和金属沉积，即涉及熔化材料，然后固化，该过程中将形成小Ti₂B粒子，和在冷却过程中抑制晶粒生长。

硼在钛合金中的溶解度非常有限。例如在钛合金Ti-6Al-4V的溶解极限为小于0.04重量％的硼。这意味着在固化过程中，过剩的硼(不能溶解在钛中的硼的量)将不均匀地沉淀在β晶界中，且在进一步的冷却过程中抑制β晶粒的另外的晶粒生长。硼沉淀物自身在性质上易碎，而且当这些沉淀物的量超过临界量时，会劣化材料的断裂韧性和延性，这对于任何航空航天发动机应用都是有害的。但是，只要这些Ti₂B沉淀的量足够少，如发明人在添加最高达0.4重量％硼的情况下在铸造Ti-6Al-4V中所发现的，金属材料的断裂韧性和延性没有劣化，而且仍然获得显著的晶粒细化，其具有改进的强度、硬度和杨氏模量。发明人认为，如果添加少量的硼即0.01-0.4重量％的硼至焊接或沉积的钛合金中，则固化后硼化钛粒子(TiB粒子)沿着钛合金晶界不均匀地分布，结果显著降低了粒度，从而与不含硼的熔化、焊接或沉积的钛合金相比，改进了机械性能。

术语“基底”可指支撑施加的钛合金的任何底层(substratum)。基底不必须是下层的(underlying)支撑，而例如可以被设置为以任何合适的方式支撑熔化、焊接或沉积的材料。基底可以是任何合适的材料、形状或尺寸。基底可以是至少部分固化的钛合金，其上施加更多的钛合金。基底可以由一个或多个构成部件形成。可以设置至少一个基底和施加的钛合金以形成单一的组件。例如，基底可以是如下的组件，其上通过熔化、焊接或金属沉积施加钛合金，因此施加的钛合金然后构成组件或熔合区的一部分，其可以用来将该组件接合至其它组件。

根据本发明的一种实施方案，该方法包含如下的步骤：在基底上熔化或沉积钛合金的步骤之前或期间，添加0.01-0.2重量％的硼或0.01-0.1重量％的硼至钛合金。