Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ АЛЮМИНИДА ТИТАНА И ИЗДЕЛИЕ С ПОВЕРХНОСТЬЮ ИЗ АЛЮМИНИДА ТИТАНА

Область техники

Изобретение относится к изделиям и способам нанесения металла и металлических элементов и, более конкретно, к изделиям из алюминида титана и способам нанесения.

Уровень техники

Получение и ремонт металлов или металлических элементов, таких как лопасти турбины и турбинные лопатки, можно осуществлять посредством сварки и/или пайки. Элементы, содержащие поверхность из алюминида титана (TiAl), могут быть приварены или припаяны. Однако сварка или пайка могут отрицательно влиять на микроструктуру и/или механические свойства элемента. Например, сварка или пайка могут образовывать зону термического влияния, что приводит к ухудшению механических свойств.

TiAl позволяет обеспечить преимущества высокого отношения прочности к массе и хорошую стойкость к температурному окислению. Однако определенная обработка TiAl может формировать микроструктуры, которые являются нежелательными. Например, нагрев и горячая обработка TiAl при температурах свыше 1150°С может приводить к сдвоенной структуре, включающей равноосные зерна и гамма/альфа2 пластины внутри поликристаллической пластинчатой структуры изделия, сформированного путем плавления и литья поликристаллической пластинчатой структуры. Такое изменение в микроструктуре вследствие горячей обработки в основном нежелательно, и отсутствие тонких (refined) гамма/альфа2 пластин приводит к снижению прочности и/или сокращению срока службы до разрушения от усталости и усталостной долговечности металла до разрушения от ползучести.

Изделие с TiAl поверхностью и способ нанесения TiAl, не испытывающие одного или более указанных выше недостатков, были бы желательны в технике.

Сущность изобретения

В примере воплощения способ нанесения алюминида титана включает холодное напыление алюминида титана на изделие в пределах области обработки для получения поверхности из алюминида титана. Поверхность из алюминида титана включает тонкую гамма/альфа2 структуру.

В другом примере воплощения, способ нанесения алюминида титана включает холодное напыление алюминида титана на изделие в пределах области обработки для получения поверхности из алюминида титана. Напыляемый в холодном состоянии алюминид титана представляет собой твердое сырье - порошок сплава.

В другом примере воплощения, изделие включает поверхность из алюминида титана, причем поверхность из алюминида титана включает тонкую гамма/альфа2 структуру.

Другие особенности и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из последующего более подробного описания предпочтительных воплощений, представленных в сочетании с прилагаемыми чертежами, которое иллюстрирует посредством примера принципы изобретения.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 представляет собой схематический вид примера изделия, имеющего поверхность из алюминида титана, напыленного в холодном состоянии на него посредством примера способа в соответствии с данным описанием.

Фиг.2 представляет собой блок-схему примера способа холодного напыления алюминида титана на пример изделия для получения поверхности из алюминида титана в соответствии с данным описанием.

Там, где это возможно, одинаковые ссылочные номера использованы на всех чертежах для обозначения одинаковых элементов.

Подробное описание изобретения

Показано приведенное в качестве примера изделие с поверхностью из TiAl и приведенный в качестве примера способ нанесения TiAl, не испытывающие одного или более из указанных выше недостатков. Воплощения настоящего изобретения включают высокое отношение прочности к массе и хорошую стойкость к высокотемпературному окислению, основанные на включении TiAl, включают более мелкий размер зерна, улучшение ремонтопригодности, обеспечение более простого сплавления элементов посредством использования порошкового/твердого сырья, обеспечение сплавления порошкового/твердого сырья в ходе обработки или при осаждении, снижение технологической стоимости по сравнению с более сложными способами, включают уменьшенную или устраненную зону термического воздействия, включают пластинчатую структуру с тонкими гамма/альфа2 пластинами, включают повышенную прочность по сравнению со сдвоенной структурой, включают повышенный срок службы до разрушения от усталости и усталостной долговечности металла до разрушения от ползучести по сравнению со сдвоенной структурой, и их сочетания.

На Фиг.1 приведен пример изделия 100, такого как турбинная лопатка, содержащего поверхность 102 из TiAl. Изделие 100 представляет собой любой металлический элемент. Изделие 100 представляет собой элемент компрессора, элемент турбины, турбинную лопатку, турбинную лопасть или любой другой подходящий металлический элемент, главным образом подвергающийся силам усталостного типа, таким как низкоцикличная усталость. Как используют в данном описании, предполагается, что термин «металлический» включает металлы, металлические сплавы, композиционные металлы, интерметаллические материалы или любые другие подходящие материалы, включающие металлические элементы, восприимчивые к силам усталостного типа.

Поверхность 102 из TiAl включает любые подходящие композиции сплава алюминида титана. Походящие композиции включают стехиометрический состав (например, содержащий по массе приблизительно 45% Ti и приблизительно 50% Al и/или молярное отношение от приблизительно 1 моль Ti до приблизительно 1 моль Al), Al₂Ti, Al₃Ti или другие подходящие их смеси. Поверхность 102 из TiAl представляет собой изнашивающуюся поверхность, поверхность вращения, поверхность скольжения, другие поверхности, подвергающиеся воздействию силам усталостного типа, или их сочетания. Поверхность 102 из TiAl обеспечивает высокое отношение прочности к массе и более высокую стойкость к высокотемпературному окислению по сравнению с приваренным, напаянным алюминидом титана или сформированными напылением поверхностями.

В одном из воплощений, поверхность 102 из TiAl включает поликристаллический сплав, содержащий тонкую гамма/альфа2 структуру и/или мало (или не включает) равноосных зерен. В одном из воплощений поверхность 102 из TiAl проявляет анизотропию, обеспечивающую более высокую прочность в направлении, перпендикулярном направлению напыления. В одном из воплощений поверхность 102 из TiAl включает мелкий размер зерна, например, в пределах диапазона заданного размера зерна. Подходящие диапазоны размера зерна включают, но не ограничены ими, от приблизительно 5 нм до приблизительно 100 мкм, от приблизительно 5 нм до приблизительно 300 нм, от приблизительно 300 нм до приблизительно 100 мкм, приблизительно 5 нм, приблизительно 300 нм, приблизительно 100 мкм или любую подходящую их комбинацию или подкомбинацию.

Относительно Фиг.2, в примере способа 200 нанесения TiAl, позволяющего получить изделие 100, содержащее поверхность 102 из TiAl, TiAl наносят холодным напылением в процессе нанесения или в процессе ремонта. Способ 200 нанесения TiAl включает холодное напыление TiAl (стадия 202) на область 103 обработки (см. Фиг.1) изделия 100. При холодном напылении TiAl (стадия 202) используют твердое/порошковое сырье 104 (см. Фиг.1) и обработку в основном осуществляют в твердом состоянии со значительно меньшей теплотой, чем в способах, таких как сварка или пайка, или с пренебрежимо малой теплотой, вносимой твердым сырьем 104. В одном из воплощений, твердое сырье представляет собой порошок сплава и/или смесь двух или более порошков, которые сплавляют при осаждении.

При холодном напылении TiAl (стадия 202) получают поверхность 102 из TiAl соударением частиц твердого сырья 104 в отсутствии значительной теплоты, подаваемой к твердому сырью. При холодном напылении TiAl (стадия 202) в значительной степени сохраняются фазы и микроструктура твердого сырья 104. В одном из воплощений, холодное напыление TiAl (стадия 202) продолжают до тех пор, пока покрытие 102 из TiAl не будет находиться в требуемом диапазоне толщины или немного более требуемого диапазона толщины (для обеспечения финишной обработки), например, от приблизительно 0,025 мм (1 мил) до приблизительно 5 мм (200 мил), от приблизительно 0,025 мм (1 мил) до приблизительно 0,25 мм (10 мил), от приблизительно 0,25 мм (10 мил) до приблизительно 0,5 мм (20 мил), от приблизительно 0,5 мм (20 мил) до приблизительно 0,75 мм (30 мил), от приблизительно 0,75 мм (30 мил) до приблизительно 1 мм (40 мил), от приблизительно 1 мм (40 мил) до приблизительно 1,25 мм (50 мил), от приблизительно 0,5 мм (20 мил) до приблизительно 1 мм (40 мил), от приблизительно 1,25 мм (50 мил) до приблизительно 5 мм (200 мил) или любые подходящие их комбинации или подкомбинации.

В одном из воплощений, холодное напыление TiAl (стадия 202) включает ускорение твердого сырья 104 по меньшей мере до заданной скорости или диапазона скорости, например, на основе уравнения, представленного ниже для сужающегося-расширяющегося сопла 106, как показано на Фиг.1:

В уравнении 1, «А» представляет собой площадь выходного сечения сопла 105 и «А*» представляет собой площадь минимального сечения сопла 107. «y» представляет собой отношение С_р/C_v применяемого технологического газа 109 (Ср представляет собой удельную теплоемкость при постоянном давлении и Су представляет собой удельную теплоемкость при постоянном объеме). Параметры газового потока зависят от отношения А/А*. Когда сопло 106 работает в запертых условиях (choked), число Маха (М) скорости выходящего газа можно определить согласно уравнению. Газ, обладающий более высокой величиной «y», приводит к более высокому числу Маха.

Твердое сырье 104 ударяет в область 103 обработки при заданной скорости или в диапазоне скоростей, и твердое сырье 104 соединяется с областью 103 обработки. Твердое сырье 104 имеет мелкий размер зерна, например, ниже приблизительно 100 мкм, ниже приблизительно 10 мкм, ниже приблизительно 5 мкм, ниже приблизительно 4 мкм, ниже приблизительно 3 мкм, ниже приблизительно 10 нм, от приблизительно 3 до приблизительно 5 мкм, от приблизительно 3 до приблизительно 4 мкм, от приблизительно 4 до приблизительно 5 мкм, от приблизительно 5 нм до приблизительно 10 нм, или любые подходящие их комбинации или подкомбинации. В одном из воплощений, твердое сырье выбирают для увеличения пластичности. Сопло 106 расположено на заданном расстоянии от изделия 100, например, от приблизительно 10 мм до приблизительно 100 мм, от приблизительно 10 мм до приблизительно 50 мм, от приблизительно 50 мм до приблизительно 100 мм, от приблизительно 10 мм до приблизительно 30 мм, от приблизительно 30 мм до приблизительно 70 мм, от приблизительно 70 мм до приблизительно 100 мм или любые подходящие их комбинации или подкомбинации.

В одном из воплощений, область 103 обработки расположена непосредственно на подложке 101 изделия 100. Подложка 101 включает любой подходящий сплав. Например, в одном из воплощений, подложка 101 включает сплав на основе титана. В одном из воплощений, подложка 101 является TiAl и/или способ используют для ремонта и/или изготовления частей, включающих TiAl.

В одном из воплощений, область 103 обработки расположена не непосредственно на подложке 101 изделия 100. Например, в еще одном воплощении, область 103 обработки находится на связующем покрытии (не показано). Связующее покрытие наносят на подложку 101 или на одно или более дополнительное связующее покрытие на подложке 101, например, способами холодного напыления или напылением при высокой температуре. В одном из воплощений, связующее покрытие представляет собой пластичный материал, такой как, например, Ti₆Al₄V, Ni-Al, сплавы на основе никеля, алюминия, титана или других подходящих материалов. Связующее покрытие наносят при заданной толщине, например от приблизительно 0,05 мм (2 мил) до приблизительно 0,375 мм (15 мил), от приблизительно 0,075 мм (3 мил) до приблизительно 0,1 мм (4 мил), от приблизительно 0,05 мм (2 мил) до приблизительно 0,075 мм (3 мил), от приблизительно 0,05 мм (2 мил) до приблизительно 0,063 мм (2,5 мил), от приблизительно 0,063 мм (2,5 мил) до приблизительно 0,075 мм (3 мил), более приблизительно 0,025 мм (1 мил), более приблизительно 0,05 мм (2 мил), до приблизительно 0,375 мм (15 мил) или любые подходящие их комбинации или подкомбинации. В одном из воплощений, связующее покрытие подвергают термообработке для обеспечения диффузии в подложку. В одном из воплощений, связующее покрытие обеспечивает слой алюминида после диффузии. В одном из воплощений, связующее покрытие формируют напылением более одного материала в виде порошкообразной смеси, например, алюминия и титана.

Снова обратимся к Фиг.2; в одном из воплощений, способ 200 нанесения TiAl продолжают после холодного напыления TiAl (стадия 202) дробеструйным упрочнением (стадия 204) поверхности 102 из TiAl. Дробеструйное упрочнение (стадия 204) вызывает остаточные напряжения сжатия, тем самым, увеличивая сопротивление усталости. В одном из воплощений, дробеструйное упрочнение (стадия 204) передает энергию изделию 100, что способствует быстрой диффузии и росту зерна, обеспечиваемым термообработкой.

В одном из воплощений, способ 200 нанесения TiAl включает термообработку (стадия 206) поверхности 102 из TiAl и/или изделия 100, например, путем помещения изделия 100 внутрь печи в инертных или восстановительных условиях. Термообработка (стадия 206) увеличивает глубину диффузионной связи. В одном из воплощений, термообработку (стадия 206) осуществляют в ходе холодного напыления TiAl (стадия 202), используя тепло, обеспеченное в месте напыления, например, посредством лазерного луча.

В одном из воплощений, способ 200 нанесения TiAl включает финишную обработку (стадия 208) поверхности 102 из TiAl и/или изделия 100, например, путем шлифования, механической обработки или другими видами обработки.

В одном из воплощений, в способ 200 нанесения TiAl включены дополнительные предварительные стадии 201. Например, чтобы осуществить ремонт поверхности 102 из TiAl и/или изделия 100 с использованием способа 200 нанесения TiAl, в одном из воплощений способ 200 нанесения TiAl включает определение области ремонта (стадия 203). Область ремонта определяют посредством визуального осмотра, методом проникающих красок, вихревыми токами или их сочетанием. Область ремонта представляет собой любую подходящую часть изделия 100 или поверхности 102 из TiAl, например, часть или всю область 103 обработки. Подходящие части включают, но не ограничены ими, области, подвергающиеся силам усталостного типа, области, подвергающиеся силам, которые могут вызвать образование трещин, области, выходящие за пределы их срока службы до разрушения от усталости и усталостной долговечности до разрушения от ползучести, области, включающие трещины, области, включающие повреждения (например, от ударов посторонними предметами), области, включающие технологические повреждения (например, при ошибках механической обработки), потенциально или фактически поврежденные области или их сочетания.

В одном из воплощений, нанесение TiAl также включает удаление материала (стадия 205) из области ремонта. Удалением материала (стадия 205) обеспечивают дополнительное определение области ремонта и подготавливают изделие 100 и/или поверхность 102 из TiAl для ремонта, например, путем вскрытия области ремонта. В одном из воплощений, удаление материала (стадия 205) включает две отдельные подстадии: первую подстадию удаления для определения области ремонта и вторую подстадию вскрытия области ремонта.

После удаления материала (стадия 205) в одном из воплощений, способ 200 нанесения TiAl включает очистку (стадия 207) изделия 100 вблизи области ремонта для подготовки к холодному напылению TiAl (стадия 202), например, удалением смазки и масла. При холодном напылении TiAl (стадия 202) заполняют область ремонта, как описано выше.

Несмотря на то что изобретение описано со ссылками на предпочтительные воплощения, специалистам в данной области техники следует понимать, что могут быть сделаны различные изменения и могут быть сделаны равноценные замены элементов, соответственно, без выхода за пределы объема изобретения. Кроме того, могут быть выполнены различные модификации для применения конкретных случаев или материалов к технологическим приемам изобретения без выхода за пределы существенного объема изобретения. Таким образом, предполагается, что изобретение не ограничено конкретным воплощением, раскрытым как наилучший вариант, предполагаемый для осуществления данного изобретения, а изобретение включает все воплощения, попадающие в объем прилагаемой формулы изобретения.