高弹性模量轴和制造方法
阅读：991发布：2020-05-11
专利汇可以提供高弹性模量轴和制造方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且描述了高模量 涡轮 机轴和高模量圆柱形物件以及用于生产这些轴和圆柱形物件的过程参数。所述轴/物件因具有沿着该轴/物件的纵轴线的高模量 晶体结构 而具有高 杨氏模量 。所述轴由被定向固结的被 播种 的 单 晶圆 柱体生产，这些圆柱体被轴对称地热加工，随后在低于所述 合金 的再结晶 温度 的温度下被执行有限再结晶过程。所公开的过程生产极度显著的 结构并且得到的轴或圆柱形物件具有的杨氏模量比传统的镍或 铁 合金或传统的 钢 的杨氏模量大至少40％。，下面是高弹性模量轴和制造方法专利的具体信息内容。
1.一种用合金生产高弹性模量轴的方法，该方法包括：
提供所述合金的单晶圆柱体，所述单晶圆柱体具有纵轴线，所述单晶圆柱体被播种使得高模量<111>方向是至少基本上平行于所述纵轴线；
热加工所述圆柱体以实现所述圆柱体的期望大小；
在低于所述合金的再结晶温度的温度下热处理所述圆柱体。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述合金是镍基合金。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述合金是铁基合金。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述合金是钢。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述热加工包括轴对称地热加工所述圆柱体。
6.如权利要求1所述的方法，其中，所述热处理是直接老化热处理。
7.如权利要求1所述的方法，其中，在<111>方向中的杨氏模量大于37Mpsi。
8.如权利要求1所述的方法，其中，在所述<111>方向中的杨氏模量范围从37到45Mpsi。
9.如权利要求1所述的方法，其中，所述圆柱体是实心的。
10.如权利要求1所述的方法，其中，所述圆柱体是空心的。
11.一种用合金生产高弹性模量轴的方法，所述方法包括：
用所述合金铸造单晶圆柱体，所述单晶圆柱体具有纵轴线，所述单晶圆柱体被播种使得高模量<111>方向是至少基本上平行于所述圆柱体的纵轴线；
在低于所述合金的再结晶温度的温度下轴对称地热加工所述圆柱体以实现所述圆柱体的期望大小；
在低于所述合金的所述再结晶温度的温度下热处理所述圆柱体。
12.如权利要求11所述的方法，其中，所述合金是镍基合金。
13.如权利要求11所述的方法，其中，所述合金是铁基合金。
14.如权利要求11所述的方法，其中，所述合金是钢。
15.如权利要求11所述的方法，其中，所述热处理是直接老化热处理。
16.如权利要求11所述的方法，其中，在<111>方向中的杨氏模量大于37Mpsi。
17.如权利要求11所述的方法，其中，在所述<111>方向中的杨氏模量范围从37到
45Mpsi。
18.一种用合金生产高强度轴的方法，所述方法包括：
提供所述合金的单晶圆柱体，所述单晶圆柱体具有纵轴线，所述单晶圆柱体被播种使得高模量<111>方向是至少基本上平行于所述纵轴线；
热加工所述圆柱体以实现所述圆柱体的期望大小；
在低于或高于所述合金的再结晶温度的温度下热处理所述圆柱体以最大化所述强度。
19.如权利要求18所述的方法，其中，所述合金是铁基合金。
20.如权利要求18所述的方法，其中，所述合金是钢，所述钢是铁素体的、奥氏体的、马氏体的或沉淀强化的并且通常被用于所有的锻造和铸造结构应用。
21.如权利要求18所述的方法，其中，所述热加工包括轴对称地热加工所述圆柱体。
高弹性模量轴和制造方法
技术领域
[0001] 本公开涉及高弹性模量轴和其它的圆柱形物件。更具体地，公开了制造高弹性模量轴和其它圆柱形物件的方法，这些方法包括沿期望的晶体取向播种晶种并铸造单晶熔模铸件，以及在保持晶粒结构且限制再结晶的同时热加工该熔模铸件的方法。该方法在某些状况下也能产生非常高抗拉和抗扭强度的材料。
背景技术
[0002] 金属材料通常具有晶形。该材料的一个一个的原子具有与它们的相邻原子之间的可预测的关系，所述相邻的原子以重复的方式在整个特定晶体或晶粒上延伸。这样的晶体的性质在不同方向上变化显著。
[0003] 大多数金属物件包含成千上万个一个一个的晶体或晶粒。金属物件在特定方向上的性质取决于构成该物件的一个一个的晶体的平均取向。如果晶粒或晶体具有随机的取向，那么该物件的性质将是各向同性的，或者在所有方向上都是一样的。这是非常罕见的情况，因为大多数的铸造、变形、和再结晶过程都产生至少一些晶体取向或结构。
[0004] 晶体包含具有特定间距的多个原子平面。这些平面由形式为（111）、（110）、（100）等的密勒（Miller）指数标记。可进行X-射线测量并且结构强度可用1X、5X随机等表示，其中5X随机指的是比例如2X随机更强烈的结构。
[0005] 在旋转机器中，例如涡轮风扇发动机、备用动力发电机、以及工业燃气涡轮机，驱动轴通常是长的且传输由旋转的涡轮机叶片产生的动力到在发动机前面的压缩机叶片以及大风扇从而压缩空气。在直升飞机发动机中，驱动轴驱动螺旋桨。
[0006] 在这些和类似的应用中，驱动轴悬在轴承之间或者从单个轴承延伸，因此该轴的行为像简单的旋转梁或者悬臂。该轴的挠度与该材料的轴向刚度或杨氏模量成反比。杨氏模量限制了振动的固有频率并因此限制了该轴的最大旋转速度。从这一点来看，增加轴的轴向刚度并因此增加杨氏模量是令人满意的，因为它能实现更高的旋转速度。
[0007] 刚性轴更能容忍在涡轮发动机中的叶片和盘的不平衡的旋转载荷。刚性轴也减少了叶片尖端与外壳的接触，由此减少了泄漏并改善了效率。替换地，刚性的增加允许更长的轴或在支撑轴承之间的增加的间距。减少轴承组件不仅能节省重量，而且还能提供设计灵活性以在没有轴承组件的干涉的情况下迎合更大数量的涡轮机级。也能减少用于传递润滑剂到轴承组件的管子。更刚性的轴的其它应用对本领域技术人员来说也是显而易见的。
[0008] 考虑到驱动轴故障是不可接受的，所以轴通常都被过度设计或者基于计划寿命。而且，不大可能用金属之外的任何其它材料制成带有高延展性和韧性的驱动轴。因此，期望采用一种具有最高可能的杨氏模量的轴材料来最小化挠度。在金属中，除了非常高密度的钨和铼，大多数常见多晶钢和镍基合金的杨氏弹性模量在室温下是约30Mpsi (207 GPa)。
增加室温，对于陶瓷材料，例如氧化物和碳化物，来说能达到超过60Mpsi (414 GPa)的杨氏模量，但是这些材料的脆性本质使得它们不适合用作旋转机器的轴。另一方法是产生带有例如是氧化铝或SiC的高强度纤维的金属基体复合材料。但是这种方法也被认为是有风险的，这是因为与粗糙的且不受控的纤维结构相关的不稳定的机械行为。
增加室温，对于陶瓷材料，例如氧化物和碳化物，来说能达到超过60Mpsi (414 GPa)的杨氏模量，但是这些材料的脆性本质使得它们不适合用作旋转机器的轴。另一方法是产生带有例如是氧化铝或SiC的高强度纤维的金属基体复合材料。但是这种方法也被认为是有风险的，这是因为与粗糙的且不受控的纤维结构相关的不稳定的机械行为。
[0009] 因此，有对例如单晶铸造、大单晶铸造、熔模铸造和对单晶铸件热加工的过程的需要，这些过程产生了具有比目前能得到的更高的杨氏模量的轴或其它物件。发明内容
[0010] 本发明涉及用于旋转机器的金属部件，例如用于涡轮机的驱动轴或其它圆柱形结构。轴或圆柱体被形成为铁或镍基合金的高模量取向 <111>与轴向对准，即该轴或圆柱体的主要方向。应该理解，如果该合金是带有六方晶结构的钴基，那么高模量方向就会是<0001>或该晶体的c-轴，并且如果该合金是钼基的，那么高模量方向就会是<100>。
[0011] 在一个实施例中，公开了用于用合金生产高弹性模量轴的方法。该方法包括提供该合金的单晶圆柱体。该单晶圆柱体具有纵轴线。该单晶圆柱体还被播种，使得高模量<111>方向是至少基本上平行于该纵轴线。该方法还包括热加工该圆柱体以实现该圆柱体的期望大小并且在低于该合金的再结晶温度的温度下热处理该圆柱体。
[0012] 公开了用合金生产高弹性模量轴的另一方法。该方法包括用所述合金铸造单晶圆柱体。该单晶圆柱体具有纵轴线。该单晶圆柱体还被播种，使得高模量<111>方向是至少基本上平行于所述圆柱体的该纵轴线。该方法还包括在低于该合金的再结晶温度的温度下轴对称地热加工该圆柱体以实现该圆柱体的期望大小。另外，该方法包括在低于该合金的再结晶温度的温度下热处理该圆柱体。
[0014] 图1示出了在带有立方结构的单晶中的镍和铁基合金的典型室温杨氏模量表面，其可以是面心的、体心的、简单立方或一些有序变化，例如B2。
[0015] 图2示出了参照标准立体画法三角形给出的室温杨氏模量如何随着典型的复杂镍基合金中的晶向变化。
[0016] 图3示意性地示出了高度特定结构化的多晶材料，其中大多数的晶粒都沿着高模量<111>方向取向。
[0018] 图5示意性地示出了所公开的、基于<111>取向的单晶的轴对称热加工的生产高模量<111>特定晶粒结构轴的方法。
[0019] 图6示出了高模量<111>取向的单晶被成功地模锻使得直径减少61％并被证实保持高模量<111>。
[0020] 图7示出了高模量<111>取向的IN 718单晶锭，其被成功地挤压使得直径减少50％并且被证实显示出在模量方面比传统的多晶材料高30％的改善。
具体实施方式
[0021] 熔模铸造是最老的已知的金属成形技术之一。最初蜂蜡被用于形成熔模铸件。如今，高科技蜡、耐火材料和特殊合金被用在熔模铸造中，这些给各种不同的金属和高性能合金提供了精确性、可重复性、多用途性和整体性。
[0022] 涡轮风扇发动机是喷气发动机的典型，其被广泛使用于飞机推进中。涡轮风扇发动机基本上是两个发动机的组合，作为传统燃气涡轮发动机的涡轮增压器部分和被围封在管道内的螺旋桨式风扇。该发动机通过这两个协同工作的部分的组合产生推力。绝大部分的涡轮风扇发动机都遵循相同的基本设计，其中大风扇或压缩机位于发动机的前面而相对较小的涡轮机或喷气发动机在该大风扇后面。在这个主题方面已经有了数种变型，其中包括在发动机前面的双压缩机和在发动机后部的双涡轮机。其它的变型包括能被轻易地添加到现有的喷气发动机的后部安装的风扇，或者在单个后部安装的单元中组合了低压涡轮机和风扇级的设计。
[0023] 对于涡轮风扇发动机的效率至关重要的是维持在移动部分和静止部分之间的最小间隙。涡轮机驱动轴被联接到盘和叶片以旋转并且将动力从涡轮机部分传输到发动机的压缩机部分。高效率的操作要求叶片相对于壳体的精确定位。因此，最重要的是涡轮机驱动轴是刚性的并且相对而言没有挠度和振动，尽管一些振动和挠度是不可避免的。产生驱动轴的挠度和振动的应力由发动机运行产生以及由外部施加的载荷产生，这些外部施加的载荷由飞机运动产生。
[0024] 通过开发在镍和铁基合金单晶中的高度弹性各向异性，可在一个方向上选择性地增加杨氏模量。如由图1中的示意性的杨氏模量表面所描绘的，能沿着晶向<111>在单晶中实现接近44Mpsi (304 GPa)的室温弹性模量。参照图2，通过参考立体画法投影三角形给出的绘图描述了在全部晶向上的杨氏模量的变化。从图1和2， 可清楚地看到杨氏模量变化至少两倍，在结晶<100>方向上是约18Mpsi (124 GPa)的低值到在结晶<111>方向上的约44Mpsi (304 GPa)。在由铸造单晶制成的例如叶片和定子叶片的部件中开发这种变化，其中低弹性模量对于改善热机械疲劳是有益的而高弹性模量在振动环境中是有益的，在振动环境中高循环疲劳是关心的问题。
[0025] 为了提高杨氏模量，用带有平行于轴的轴线的<111>方向的铸造单晶来制造该轴可能是不切实际的。基于经验，通常认为各向同性的、晶粒精细的、锻造的材料从韧性和疲劳寿命的立场上看是优于铸造材料。但是，如果能生产具有高度特定结构的、多晶的、晶粒精细的材料，使得大多数晶粒被沿着<111>方向取向，那么也能开发出这种效果。这种材料，取决于在轴的轴向上<111>晶粒结构的程度，通常来说将产生在室温下在35和40Mpsi (241和276 GPa)之间的杨氏模量，如在美国专利4,702,782中公开的。这个概念在图3中被示意性地描述。
[0026] 参照图4，为了实现晶粒精细的锻造结构，传统的轴19、20的制造开始于圆柱形的锭21，要么是铸造的要么是通过对合适的复合材料的且具有大晶粒尺寸22的粉末的热固结制成。这种锭21，实心形式的或作为空心圆柱体，在步骤23被使用诸如模锻、挤压、或旋转锻造的轴对称方法中的任一种热加工以实现最终的长度和直径以及稍微更小的晶粒大小24。最终的轴20此后在步骤25或26被合适地热处理以使精细的晶粒再结晶并实现期望的微结构27。
[0027] 图4的过程通常产生了具有随机的晶粒结构27的最终产品19或20，各向同性的杨氏模量是约30Mpsi (207 GPa).一些现有技术过程被限制到特定的镍合金组成，其中被再结晶化的晶粒结构不是随机的，而是优选地形成了强<111>结构。这样的镍合金组成通常具有更高的堆垛层错能。该堆垛层错能不是容易量化的参数；图4的现有技术的过程被限制到通过经验观察到的提供强高模量<111>结构的合金，例如含钼高的镍基合金或者基于Ni3Si的沉淀的合金。
[0028] 所公开的过程不同于图4的传统过程之处在于提供了随机晶粒结构轴19或具有高模量<111>晶粒结构的轴20。如在图5中示意性地示出的，所公开的过程开始于单晶圆柱体30，该圆柱体被特别地铸造成带有平行于高模量<111>方向的轴线31。这可通过定向地固化镍或铁基合金锭30来实现，所述固化开始于<111>取向的晶种或任何其它的被合适地倾斜以获得沿着固化方向的<111>方向的单晶晶种29，所述固化方向是圆柱体30的轴线31。铸造圆柱体30此后在步骤32被合适地热处理以软化所述材料并且热加工该圆柱体30以获得合适的减少，如中间产品33所示。热加工步骤32优选地在低于能由大量热加工触发再结晶的温度下被执行。
[0029] 因此，获得了带有准单晶34的被大量加工的圆柱体33，其带有大量的子结构并且没有破坏对沿着轴线31的高模量<111>取向的维持。圆柱体33可不像铸造单晶那样产生反映晶体对称性的可辨的X－射线或电子衍射图像。尽管如此，可通过进行X-射线衍射强度对比布拉格（Bragg）角的扫描来证实圆柱体33的结晶本质并且弹性模量可通过声速或机械装置来测量。
[0030] 然后在步骤36使圆柱体33经历有限的再结晶过程和直接老化热处理以产生带有在<111>取向上范围从约37到约40Mpsi ( 255 - 276 GPa)的杨氏模量的杆或圆柱体37。~ ~
再一次，步骤36的过程是在低于合金的再结晶温度的温度下进行的。
再一次，步骤36的过程是在低于合金的再结晶温度的温度下进行的。
[0031] 在图6中示出了使用次规模水平的轴对称模锻的图5中所示的方法的可行性。类似地，在图7中示出了在诸如挤压的次规模生产方法的所述过程的可行性。图5的过程已经被证明对于若干合金都有效，这要求对预先热处理的调节以软化材料和模锻温度。熟悉镍和铁基合金的本领域技术人员能容易地基于任何给定合金的液相线温度、固相线温度和固溶相线温度的示差热分析（DTA）来选择这些温度。此后可接着以受控方式对被热加工的高模量单晶进行热处理以最小化再结晶从而恢复工程性质的最优平衡。
[0032] 认识到，取决于特定的合金组成，可允许热加工之后的热处理以使晶粒结构完全再结晶，如果这种再结晶的发生保持了<111>结构的话。不过，这种方法仅能对有限种类的合金实施。一种公开的方法将是限制再结晶，从而高模量<111>结构在很大程度上被保持为带有大量的位错子结构以及高位错密度的准单晶。在许多镍基超合金以及铁基合金或钢中的带有高位错密度外加低温度沉淀的被大量加工的结构将足以实现诸如抗拉强度和疲劳寿命等的其它工程性质的平衡。熟悉制造诸如喷气发动机中的盘和轴的结构部件的本领域技术人员熟知的是，IN718的直接老化是这种行为的一个示例。
[0033] 在下表中给出的一些模锻合金的初步1000 抗拉测试结果证实了如下事实：不仅这种假设是正确的，而且热加工单晶在改善抗拉强度和因此改善扭转能力方面甚至有更大的潜能。与典型的锻造合金相比，在YS和UTS强度中实现了几乎30％的增加。传统上，认为最终的抗扭强度是UTS的70％并且在这个基础上，上述结果还反映了改善抗扭强度的潜能。
[0034] 1000 抗拉测试结果比较
[0035]
[0036] 其中， 指的是热加工过的 商标的合金；指的是<111>被锻造的 ；
指的是<111>锻造且老化的 ； 指的是<111>被
锻造且老化的 。
指的是<111>锻造且老化的 ； 指的是<111>被
锻造且老化的 。
[0037] Temp指的是温度；Yield指的是屈服；Modulus指的是模量。
[0038] 单晶的热加工带来的额外的优点是：通过消除了晶粒之间的弹塑性不相容性而在所述材料的整个本体上均匀分布热加工，这种不相容性是多晶材料中不可避免的。有大量的实验证据暗示，在多晶材料中有一些晶粒，由于它们的不利的取向和与相邻晶粒的不相容性，不对热加工做出响应，由此拉低了由于加工硬化产生的在强度中的平均提高。起始晶粒大小越粗糙，这种情况越差。在单晶的情况下，倘若通过适当选择的热加工策略不允许沿着有限滑移系统的不受控的剪切，这种情况就被消除。
[0039] 而且，相同水平的加强是在单晶合金PWA 1484和典型的锻造合金Udimet 720 LI中通过热加工<111>取向的单晶来实现的，这个事实清楚地暗示强度的提高纯粹是由于加工硬化或者在一致的位错密度方面的增加。
[0040] 本领域技术人员将立即认识到所提出的方法可被用于进一步提高在不包含诸如Hastealoy-X的沉淀结构的固溶体强化合金中的强度，并且这个方法可提供更好的提高强度但不损失延展性的机会。
[0041] 而且，如果不要求保持高模量，那么在沉淀硬化合金的情况中，可通过允许材料再结晶并且添加沉淀强化以及精细晶粒强化来实现额外的强度提高。
[0042] 以<111>被定向的高度取向高模量（ 40-44 Mpsi; 276-304 GPa）方向单晶圆柱~ ~体30开始留出了为许多合金保持高模量的大自由度，这些合金包括有形成随机晶粒结构趋势的合金。这与现有技术方法明显不同，现有技术方法中起始圆柱体21具有中等水平的弹性模量（ 30 Mpsi; 207 GPa），接着进行随机结构的再结晶（见图4的步骤25、26），这仅对~ ~
某些合金组成有效。
某些合金组成有效。
[0043] 意识到，对于某些特定的合金，更为有利的是在不同的方向上，例如<110>、<112>、<100>或<123>，以单晶开始，或者甚至以柱状晶粒材料开始，如果再结晶结构最终导致了强<111>结构的话。与以铸造或固结微粒锭21开始的用于制造高模量轴的传统方法不同，公开的过程建议了以被定向固结的单晶30或柱状晶粒材料30开始的新颖方式。对于大多数种类的镍和铁基合金，<111>定向的单晶可以是切实可行的方法。
[0044] 在这个背景下，还认识到一些铁基合金和钢，其中强度可从马氏体转变、末端取向或晶粒结构得出，可由于在母相和作为结果的马氏体相之间的习性面关系而从起始取向系统地移动。在这种情况中，取决于期望的强度和模量的组合，从<111>取向偏离可能是令人满意的。
[0045] 还认识到，诸如拧扭挤压和相等通道弯角挤压的非传统热加工过程也可被用于提高强度，并且可在选择起始单晶取向方面带来额外的优点。例如，这种工艺的组合可允许将<100>取向中的起始单晶转换为具有高模量<111>特定结构的材料，通过消除了晶种要求而在铸造阶段带来了制造优点，因为<100>是自然的生长方向。
[0046] 工业可应用性
[0047] 所公开的过程是过程步骤的组合。第一，单晶铸件可被播种以产生期望的晶向。大单晶铸件，直径方面接近一英尺且高度方面是若干英尺，可通过传统的熔模铸造或区域熔融来铸造。另外，还可使用陶瓷芯或耐火金属芯铸造中空单晶圆柱体。所选择取向的单晶铸件可被轴对称地热加工，之后使用各种技艺被有限再结晶或直接老化处理以实现期望的晶粒结构。在所有步骤中的最优处理参数对于不同的合金来说是不同的，但是这些过程根本上都不被认为是局限于镍或铁基合金的特定组成。
[0048] 镍基和铁基（钢）轴通常拥有高韧性和高延展性。在这些种类的材料中实现高弹性模量使得它们在作为高模量轴材料被应用时风险要比高模量复合材料轴小得多。改变晶粒结构仅对该材料的塑形行为有次要影响。
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