沉积钛合金的缺陷修复
专利汇可以提供沉积钛合金的缺陷修复专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且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。，下面是沉积钛合金的缺陷修复专利的具体信息内容。
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。
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(Tβ 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。
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2 缺陷检测方法
