專利名稱：具有分散于其中的硼化鈦顆粒的鈦金屬性組合物的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包含鈦基金屬性組合物制品的生產(chǎn)方法，并且更特別地涉及由其中具有硼化鈦顆粒的鈦基金屬性組合物制備的制品的生產(chǎn)方法。
背景技術(shù)：
在航空器燃?xì)廨啓C(jī)材料中要求最嚴(yán)格的應(yīng)用之一是壓縮機(jī)和風(fēng)扇輪盤(有時(shí)稱為“轉(zhuǎn)鼓”)，在其上分別支持著壓縮機(jī)葉片和風(fēng)扇葉片。當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候，在中等升高的溫度環(huán)境下，輪盤以每分鐘數(shù)千轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)。在這些運(yùn)行條件下，它們必須顯示出要求的機(jī)械性能。
一些燃?xì)廨啓C(jī)零件，如一些壓縮機(jī)和風(fēng)扇的輪盤是由鈦金屬性組合物制造的。一般通過對選定的鈦金屬性組合物配制(furnish)金屬性組分，對鈦金屬性組合物鑄錠制造輪盤。之后將鑄錠轉(zhuǎn)變?yōu)榕?。坯被進(jìn)一步機(jī)械加工，一般通過鍛造。加工后的坯隨后頂鍛，然后再機(jī)械加工以形成鈦基金屬性組合物組件。
在室溫和直到中等升高的溫度達(dá)到所要求的機(jī)械性能，保持足夠的環(huán)境抗力，并防止早期失效成為選擇建造和生產(chǎn)該制品材料的主要挑戰(zhàn)。對常規(guī)的鈦基金屬性組合物組件，金屬性組合物的化學(xué)和微觀結(jié)構(gòu)必須保證制品的機(jī)械性能滿足至少達(dá)到約1200°F的運(yùn)行溫度范圍。這類組件的約1200°F的運(yùn)行上限主要是由于更高的溫度下靜態(tài)強(qiáng)度和蠕變強(qiáng)度的降低和在升高的溫度下鈦與氧反應(yīng)生成脆性的稱為α層的富氧層的趨勢。在最終組件的小的機(jī)械或化學(xué)的不規(guī)則可能導(dǎo)致其在運(yùn)行過程中的早期失效，并且這些不規(guī)則必須被最小化，或者，如果存在的話，必須能用常規(guī)的檢測技術(shù)探知且被考慮。這些不規(guī)則可能包括，例如，機(jī)械不規(guī)則如裂縫和空洞，和化學(xué)不規(guī)則如硬的α不規(guī)則(有時(shí)稱為低密度夾雜)和高密度夾雜。
改進(jìn)鈦基金屬性組合物性能，包括高溫強(qiáng)度的一個(gè)最近的研究是向金屬性組合物中引入硼以產(chǎn)生其中彌散的硼化鈦顆粒。硼的引入通過幾種不同的方法實(shí)現(xiàn)，例如現(xiàn)行的鑄造-鍛造加工，粉末冶金工藝如氣體霧化法，和一種混合元素方法。前兩種方法有硼在鈦中溶解度有限的缺點(diǎn)。硼強(qiáng)烈地趨于偏析，形成對延展性和疲勞有害的較大的硼化鈦顆粒。為避免偏析的問題，通過這前兩種方法加入金屬性組合物的硼的水平被嚴(yán)格限制，限制了加入硼的潛在的益處，或者在凝固期間的冷卻速度必須很高。混合元素方法允許加入多得多的硼。然而，由于硼一般以二硼化鈦的形式加入，并且具有鈦的α相的熱力學(xué)平衡相是很穩(wěn)定的一硼化鈦，為將二硼化鈦全部轉(zhuǎn)變成一硼化鈦需要在升高的溫度下保持很長時(shí)間。所需的高溫和長時(shí)間阻止了在金屬性組合物中形成均一細(xì)彌散的硼化鈦顆粒。
應(yīng)用已有的熔化、鑄造、和轉(zhuǎn)化方法制備不含硼的鈦基金屬性組合物組件，例如完全可運(yùn)行的壓縮機(jī)和風(fēng)扇轉(zhuǎn)輪是可能的。然而，，有一種對生產(chǎn)具有從硼化鈦顆粒的存在導(dǎo)致的甚至更高性能并且對不規(guī)則更不敏感的這種輪盤和其他組件的制造方法的需要和渴求，以改進(jìn)運(yùn)行安全差距。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了對于改進(jìn)的方法的需要，并且進(jìn)一步提供了相關(guān)的益處。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種生產(chǎn)鈦基金屬性組合物的金屬性制品的方法，該組合物還含有比硼在金屬性組合物中的溶解度限高的硼量。該制品具有在直到約1300°F的溫度范圍的機(jī)械性能、對來自氧化的環(huán)境破壞的可能的優(yōu)良抗力和不規(guī)則的低發(fā)生率的良好組合。由于硼化鈦顆粒的存在，該材料的彈性模量得到提高，并且耐磨性也得到提高。硼化物的分布比其它生產(chǎn)工藝得到的更均勻和細(xì)。用本發(fā)明制造的材料在同樣的運(yùn)行溫度下具有比常規(guī)鈦金屬性組合物更好的性能，還允許材料在比應(yīng)用常規(guī)的鈦金屬性組合物的可能運(yùn)行溫度高的溫度使用。本發(fā)明方法采用一種允許摻入采用常規(guī)熔化工藝不能容易地以可用的形式和分布引入到鈦基金屬性組合物中的金屬性合金元素的生產(chǎn)工藝。
生產(chǎn)由組成元素比例(constituent-element proportion)的組成元素制造的制品的方法包括配制(furnish)至少一種非金屬性的前體化合物的步驟，其中所有的非金屬性前體化合物共同地以其各自的組成元素比例含有那些組成元素。組成元素包含一種鈦基金屬性組合物，和以高于其在鈦基金屬性組合物中的室溫固溶度限的含量存在的硼。前體化合物被化學(xué)還原以產(chǎn)生包含其中具有硼化鈦顆粒的鈦基金屬性組合物的材料，而不熔化鈦基金屬性組合物。在描述本發(fā)明的方法時(shí)這里采用的“硼化鈦”是指TiB、TiB2、Ti3B4或其它含鈦-硼的化合物，可能由于合金元素的存在而改變。其中具有硼化鈦顆粒的鈦基金屬性組合物被固結(jié)以產(chǎn)生固結(jié)的制品，而不熔化鈦基金屬性組合物并且不熔化固結(jié)的鈦基金屬性組合物。本發(fā)明與這里討論的實(shí)施例和引入的那些參考文獻(xiàn)是一致的。
硼組成元素優(yōu)選以不高于形成含約90體積％硼化鈦的固結(jié)材料所需的量配制。最特別的是，非金屬性前體化合物配制時(shí)硼在固結(jié)的材料中以不高于固結(jié)材料的約17重量％的量存在。更優(yōu)選地，非金屬性前體化合物配制時(shí)硼在固結(jié)的材料中以固結(jié)材料的約0.05重量％-約17重量％的量存在。材料中存在的硼量可在兩個(gè)范圍內(nèi)考慮，亞共晶范圍，對鈦-硼二元體系是約0.05重量％-約1.5重量％硼，和過共晶范圍，對鈦-硼二元體系是約1.5重量％-約17重量％硼。具有鈦和硼以外的其它元素的合金可能有其它相和范圍，但都在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。本發(fā)明允許制備具有用其它工藝可得到的同樣的硼含量的材料，典型地是直到約5重量％硼，并且還允許制備具有比用其它工藝可得到的硼含量高的材料，典型地是在約5重量％-約17重量％硼的范圍。在每一情形下，該材料具有細(xì)而均勻的硼化鈦分布。
硼存在的量從超過其在鈦基金屬性組合物基體的室溫固溶度直到形成不超過約90體積％硼化鈦所需要的量。對于較小地超過固溶度限的添加量，形成細(xì)分散的硼化鈦顆粒，提供顯著的高溫靜態(tài)強(qiáng)度和高溫蠕變強(qiáng)度的利益。對于較大地超過固溶度限的添加量，存在更大體積分?jǐn)?shù)的硼化鈦顆粒和顯著的混合物強(qiáng)化法則(rule-of-mixtures-streng thening)的利益。在上述兩種超過固溶度限的硼添加量，材料的彈性模量和耐磨性相對于常規(guī)的鈦基金屬性組合物都有顯著的提高。
任選地，配制步驟可包括配制在鈦基金屬性組合物中形成穩(wěn)定的氧化物的穩(wěn)定氧化物形成附加元素的非金屬性前體化合物。在這種材料中，至少一種附加元素以高于其在鈦基金屬性組合物中室溫固溶度限的含量存在。在化學(xué)還原步驟之后，該方法包括一附加步驟，即在高于室溫的溫度氧化該金屬性組合物，包括該氧化物形成附加元素。在配制步驟或化學(xué)還原步驟中可以加入另一附加組分。
穩(wěn)定氧化物形成附加元素在鈦基金屬性組合物中是強(qiáng)氧化物形成體。當(dāng)鈦基金屬性組合物在固溶體中基本上不含氧時(shí)，一些穩(wěn)定氧化物形成附加元素可能不形成穩(wěn)定的氧化物，并且為形成穩(wěn)定氧化物要求在固溶體中有直到約0.5重量％的氧。這種穩(wěn)定氧化物形成附加元素的存在是在本發(fā)明方法的范圍之內(nèi)，因?yàn)檫@種含量的氧可存在于根據(jù)本發(fā)明方法的鈦基金屬性組合物中。因此，優(yōu)選地，在固溶體中鈦基金屬性組合物具有0-約0.5重量％的氧。固溶體中可能含有更大量的氧，雖然如果存在高于約0.5重量％的氧，延展性可能降低。優(yōu)選的穩(wěn)定氧化物形成附加元素包括鎂、鈣、鈧、釔、鑭、鈰、鐠、釹、钷、釤、銪、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿和镥以及它們的混合物。因?yàn)樗鼈冇邢薜囊合嗳芑煨?，它們與熔化坩堝的反應(yīng)，和/或?qū)е聦π阅苡泻ψ饔玫哪踢^程中粗團(tuán)的形成，用常規(guī)的熔化工藝不能將這些元素以高于其溶解度限的含量引入鈦基金屬性組合物中。
如下所述，氧含量可在還原步驟之前和/或還原步驟中被控制。在還原步驟中或之后，氧與任選的穩(wěn)定氧化物形成附加元素反應(yīng)以在金屬性組合物基體中產(chǎn)生基本均勻分布的氧化物分散體。該氧化物分散體以與細(xì)小硼化鈦分散體相似的方式改善最終金屬性制品的性能，特別是在升高的溫度下所需要的蠕變強(qiáng)度方面。細(xì)的氧化物分散體可能改變暴露期間形成的鱗片的性質(zhì)；如果在還原期間或之后不是所有的穩(wěn)定氧化物形成體都被氧化，它將在運(yùn)行暴露期間活潑地得到氧。
前體化合物或多種前體化合物被配制成適合所選的化學(xué)還原工藝的形式。它們可被配制成，例如，金屬氧化物或金屬鹵化物。它們可被配制成預(yù)壓制體以進(jìn)行化學(xué)還原，優(yōu)選大于最終制品需要的尺寸，處于細(xì)分離的狀態(tài)或處于氣態(tài)或液態(tài)的狀態(tài)。
化學(xué)還原可以任何可操作的方法進(jìn)行，只要金屬性組合物材料不被熔化。如果它被熔化，由于金屬相、硼、和任選的穩(wěn)定氧化物形成附加元素的凝固行為，隨后的重新凝固導(dǎo)致失去本發(fā)明的許多益處。優(yōu)選的方法是氣相還原工藝，其中前體化合物和還原的金屬性組合物材料未被熔化，而且固相還原也可被采用。還原工藝產(chǎn)生處于所選還原工藝特征的物理形式的金屬性組合物材料。例如，該材料可以是海綿體或大量顆粒。
不熔化制備鈦基金屬性組合物及其制品具有重要的益處。對于本發(fā)明來說，明顯地，硼和大多數(shù)任選的穩(wěn)定氧化物形成附加元素與熔化鈦和鈦金屬性組合物不是充分地混合從而在熔體和隨后的熔化-鑄造鈦金屬性組合物中引入很大的量，和/或這些元素在鈦基金屬性組合物中具有很小的溶解度從而導(dǎo)致熔化和鑄造后不能獲得包含硼化物分散體和氧化物分散體的可用結(jié)構(gòu)。如果進(jìn)行嘗試通過熔化和鑄造或通過粉末冶金工藝引入大量的硼，硼在最終制品中以大硼化物顆粒存在，導(dǎo)致前述的性能降低。此外，如果通過熔化和鑄造加入任選的穩(wěn)定氧化物形成附加元素，結(jié)果是與環(huán)境或熔化金屬化學(xué)反應(yīng)，并且穩(wěn)定氧化物形成附加元素在最終制品中以大團(tuán)粒的形式存在。這些材料的團(tuán)粒不提供本發(fā)明方法所實(shí)現(xiàn)的氧化反應(yīng)和氧獲得(oxygen-gettering)性能。
另外，不熔化生產(chǎn)材料和制品避免了與常規(guī)的鈦海綿體制備、熔化和合金化、和鑄造工藝相聯(lián)系的污染和元素分離(Segregation)。可不引入源于常規(guī)的金屬性海綿體制備工藝和與熔化和鑄造操作相聯(lián)系的雜質(zhì)而制備金屬性組合物材料。從海綿體制備容器中引入到鈦金屬性組合物中的鐵、鉻、鎳特別受關(guān)注，因?yàn)檫@些元素對鈦金屬性組合物的蠕變強(qiáng)度有不利影響。
化學(xué)還原之后，優(yōu)選將金屬性組合物材料固結(jié)以形成固結(jié)的金屬性制品，而不熔化該金屬性組合物材料并且不熔化該固結(jié)的金屬性制品。任何可操作的固結(jié)工藝，例如熱等靜壓、鍛造、擠壓、壓制和燒結(jié)，或直接粉末固結(jié)擠壓或軋制，或這些方法的組合，都可以采用。優(yōu)選固結(jié)在盡可能低的溫度進(jìn)行，以避免硼化鈦顆粒和任選的氧化物分散體和/或強(qiáng)氧化形成顆粒的粗化。在工藝的早期階段，如果該金屬性材料被熔化了，將在重新凝固時(shí)因?yàn)椴牧系哪绦袨橐约芭c熔化和凝固有關(guān)的不規(guī)則而大幅度損失益處。
在需要時(shí)固結(jié)的制品可用任何機(jī)械成形工藝機(jī)械成形。
該材料可在化學(xué)還原步驟之后，固結(jié)步驟之后(如果采用的話)，機(jī)械成形之后，或隨后的步驟之后熱處理。
冷卻到室溫之后，該金屬性組合物材料是含有作為細(xì)的分散體或者作為高體積分?jǐn)?shù)的硼化鈦相的硼化鈦顆粒的鈦基金屬性組合物，并且任選地具有穩(wěn)定氧化物形成附加元素分散于其間。任選的穩(wěn)定氧化物形成附加元素以固溶體(低于溶解度限或者處于過飽和狀態(tài))和/或以一種或多種離散的分散體相存在。該分散體相可以為未氧化的穩(wěn)定氧化物形成附加元素或已氧化的分散體或兩者的混合物。固溶體或未氧化的離散分散體的穩(wěn)定氧化物形成附加元素可用于隨后與在后續(xù)處理或運(yùn)行中可能存在于基體或擴(kuò)散進(jìn)入金屬性材料的氧反應(yīng)。
固結(jié)的材料可形成整個(gè)制品，也可以作為經(jīng)任何路線，包括傳統(tǒng)的鑄造和加工、鑄造、或這里所描述的類似方法制造的另一制品的插件加入。該插件可包含單一的，基本上均勻的體積組成(bulkcomposition)，或者它可以包含具有不同體積組成的至少兩種材料的混合物。在固結(jié)材料被作為插件加入的任何一個(gè)實(shí)施方案中，周圍的制品可具有同樣或不同的組成。插件可在工藝的任何可操作的點(diǎn)提供。
在加入任選的穩(wěn)定氧化物形成元素的典型應(yīng)用中，在含氧環(huán)境中或者通過鈦中的氧的反應(yīng)，在高于室溫，且典型地高于約1000°F的溫度，在將其置于金屬形態(tài)的化學(xué)還原之后，氧化制造的制品。氧化導(dǎo)致穩(wěn)定氧化物形成附加元素未反應(yīng)部分的至少一些與氧化學(xué)反應(yīng)，以在材料中進(jìn)一步形成氧化物分散體。暴露于氧可發(fā)生在運(yùn)行期間或作為進(jìn)入運(yùn)行之前的熱處理的一部分，或者二者均可。當(dāng)暴露發(fā)生在運(yùn)行期間，氧形成元素與從環(huán)境擴(kuò)散入制品的氧化學(xué)結(jié)合(即獲得)。這一反應(yīng)在制品接近表面處發(fā)生得最劇烈，所以導(dǎo)致的氧化物分散體的分散主要發(fā)生在接近表面處。當(dāng)暴露作為熱處理的一部分時(shí)，氧化物分散體層的厚度可被控制到特定的值。在金屬性制品很薄的情形(例如，約0.005英寸或更薄)，可形成均勻的分散體。
硼化物分散體的形成具有幾種重要的益處。第一，基本均勻分布的分散體有助于通過鈦金屬基金屬性組合物基體的彌散強(qiáng)化實(shí)現(xiàn)需要的機(jī)械性能，包括靜態(tài)強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、和蠕變強(qiáng)度，這些性能在升高的溫度下長時(shí)間暴露也是穩(wěn)定的?；揪鶆蚍植嫉姆稚Ⅲw還有助于限制鈦金屬基金屬性組合物基體的晶粒生長。第二，鈦基金屬性組合物的彈性模量被大幅度提高，允許該制品在彈性變形時(shí)耐受顯著提高的載荷。第三，該制品的耐磨性和耐蝕性大幅度改善，在特定的應(yīng)用中允許增加運(yùn)行時(shí)間。第四，與用常規(guī)的鑄造-鍛造、鑄造、或氣體噴霧或混合元素粉末冶金方法制備的制品相比，細(xì)分散體的存在導(dǎo)致延展性的改善。硼化物分散體可在任何鈦基金屬性組合物基體中形成，包括α，近α，α+β，近β和β鈦金屬性組合物，和包括那些基于α-2、正交、和γ鈦鋁化合物的任何鈦基金屬間化合物。
任選的氧化物分散體的形成具有幾種重要的益處。第一，基本均勻分布的分散體有助于通過金屬基基體的彌散強(qiáng)化實(shí)現(xiàn)需要的機(jī)械性能，這些性能在升高的溫度下長時(shí)間暴露也是穩(wěn)定的，還有助于限制金屬基基體的晶粒生長。第二，當(dāng)暴露于環(huán)境氧發(fā)生在運(yùn)行前氧化過程中或運(yùn)行中，擴(kuò)散進(jìn)入制品中的氧通常將導(dǎo)致在常規(guī)的含α相鈦金屬性組合物的表面附近生成一種“α箱(case)”。在本發(fā)明方法中，在固溶體中，或者作為分散相的穩(wěn)定氧化物形成附加元素從固溶體獲得向內(nèi)擴(kuò)散的氧并加入到氧化物分散體，從而降低了α箱形成和與之相關(guān)的可能的早期失效的發(fā)生率。第三，在某些情形下，氧化物彌散體比它們從中形成的分散金屬性相的體積更大。氧化物彌散體的形成產(chǎn)生了一種在接近制品的表面大于制品深處的壓應(yīng)力狀態(tài)。該壓應(yīng)力狀態(tài)有助于在運(yùn)行過程中防止早期裂紋產(chǎn)生和生長。第四，穩(wěn)定的氧化物分散體在制品表面的形成起到了多余氧向內(nèi)擴(kuò)散的阻擋層的作用。第五，從基體中除去固溶體中過量的氧允許引入α穩(wěn)定化元素，例如鋁和錫的更高的合金化水平，從而促進(jìn)改善基體的彈性模量、蠕變強(qiáng)度和抗氧化性。第六，在某些類型的鈦金屬性組合物，如α-2、正交、和γ基鋁化合物中，固溶體中過量氧的存在降低鈦金屬性組合物的延展性。本發(fā)明方法獲得了那些氧，所以延展性沒受到不良的影響。
本發(fā)明方法因此擴(kuò)展到一種包含鈦金屬性組合物基體、在鈦金屬性組合物基體中分布的穩(wěn)定的硼化鈦彌散體、和在鈦金屬性組合物基體中分布的任選的穩(wěn)定的氧化物彌散體的制品。硼以高于其在鈦金屬性組合物基體中的室溫固溶度限的量存在。任選的穩(wěn)定氧化物彌散體是以高于其在鈦金屬性組合物基體中的室溫固溶度限的量存在的穩(wěn)定氧化物形成附加元素的氧化物。該鈦金屬性組合物基體沒有熔化-鑄造的微結(jié)構(gòu)。在這里討論的其它相容特征可用于該制品。
一種制品包含鈦金屬性組合物基體，和在鈦金屬性組合物基體中分布的硼化鈦顆粒，其中該制品具有約0.05-約17重量％的硼。該制品可包含至少0.1重量％的附加元素的氧化物。在本實(shí)施例中可以采用本文討論的其它相容特征。
優(yōu)選地，在沒有任何獨(dú)立的硼化鈦相的存在下制備該制品。換言之，制造其中分散有硼化鈦相的鈦基制品的一種可能的方法是將硼化鈦相制成獨(dú)立顆粒，例如粉末或纖維，并隨后將這些獨(dú)立顆粒分散入鈦基組合物。這一方法具有顆粒的尺寸一般比根據(jù)本發(fā)明方法制備的大的缺點(diǎn)，其中可能具有降低其機(jī)械性能的缺陷，并且在鈦基基體中更難均勻分布。
本發(fā)明于是提供了一種具有改進(jìn)的性能和改進(jìn)的穩(wěn)定性的鈦基金屬性制品。本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)通過下列優(yōu)選實(shí)施方案的更詳細(xì)的描述、結(jié)合通過示例的方式示意說明本發(fā)明原理的附圖將更加清楚。然而，本發(fā)明的范圍不局限于這一優(yōu)選的實(shí)施方案。


圖1是實(shí)施本發(fā)明的一種方法的方框流程圖；圖2是在產(chǎn)生均勻氧化物分散體的氧化之后的金屬性制品的理想微觀結(jié)構(gòu)；圖3是在熱處理或運(yùn)行期間氧向內(nèi)擴(kuò)散之后的金屬性制品的理想微觀結(jié)構(gòu)；圖4是鈦基區(qū)域中一種微觀水平的插件的理想微觀結(jié)構(gòu)；圖5是兩種不同類型的含硼鈦基金屬性組合物在微觀水平結(jié)合的單一結(jié)構(gòu)的理想微觀結(jié)構(gòu)；圖6是一種具有高硼晶粒和低硼晶粒的材料的理想微觀結(jié)構(gòu)；圖7是一種具有高硼晶粒和基本無硼的材料的理想微觀結(jié)構(gòu)；
圖8是根據(jù)本發(fā)明方法制造并具有鈦-硼插件的燃?xì)廨啓C(jī)組件的立體圖；和圖9是圖8的燃?xì)廨啓C(jī)組件9-9線處的剖面圖。
具體實(shí)施例方式
圖1描述了用處于組分元素比例的組分元素制備的金屬性制品的優(yōu)選制備方法。在步驟20，至少配制一種非金屬性前體化合物。所有的非金屬性前體化合物以它們各自的組分元素比例共同地含有組分元素。金屬性元素可由前體化合物以任何可操作的方式提供。在該優(yōu)選的方法中，每一金屬性合金元素只有一種前體化合物，并且那一種前體化合物提供該金屬性組合物中那種各自金屬性組分的全部材料。例如，對于作為加工的最終結(jié)果的四元素金屬性材料，第一前體化合物提供全部的第一元素，第二前體化合物提供全部的第二元素，第三前體化合物提供全部的第三元素，和第四前體化合物提供全部的第四元素。然而，替換方案也處于本發(fā)明的范圍內(nèi)。例如，幾種前體化合物可以共同提供全部的一種特定的金屬元素。在另一選擇中，一種前體化合物可以提供兩種或更多種金屬元素的全部或部分。后一種方法是較不優(yōu)選的，因?yàn)樗鼈冊诰_確定最終金屬性材料中的元素比例時(shí)引起更多的困難。最終的金屬性材料一般不是具有的金屬組分的相對量可用小整數(shù)表達(dá)的化學(xué)計(jì)量化合物。
加工之后，組分元素包括一種鈦基金屬性組合物、硼、和任選的一種穩(wěn)定氧化物形成附加元素。鈦基金屬性組合物具有重量比任何其它元素多的鈦(雖然，例如在一些γ相鈦鋁化合物中，可能沒有比任何其它元素原子分?jǐn)?shù)多的鈦)。鈦基金屬性組合物可以是純鈦(例如商業(yè)純鈦或CP鈦)，或者是鈦和其它元素的金屬性合金，比如，舉例來說，Ti-6Al-4V，Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si，Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo-0.1Si，Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr-0.7Nb-0.5Mo-0.35Si，Ti-10V-2Fe-3Al，Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.25Si(也被稱為β21S)和Ti-32.7Al-2.5Cr-4.8Nb(也被稱為Ti-48-2-2)。除非這里另外說明，所有的組分都以重量百分?jǐn)?shù)給出。特別令人感興趣的鈦金屬性合金組合物包括α-β相鈦金屬性組合物，β相鈦金屬性組合物，α-2正交，和γ相鈦鋁化合物金屬性組合物，雖然本發(fā)明不局限于這些金屬性組合物。硼含量的范圍從大于硼在鈦基金屬性組合物中室溫溶解度限到產(chǎn)生不超過90體積％硼化鈦所需要的水平。一般地，硼以最終固結(jié)材料總重量的0.05％-17重量％的量存在。結(jié)果是固結(jié)的材料具有至少兩相，包括構(gòu)成該鈦基金屬性組合物的一種或多種金屬性相、硼化鈦、和任選地一種或多種穩(wěn)定氧化物相。如在這里描述本方法所采用的，“硼化鈦”代表通過本發(fā)明方法制造的大多數(shù)材料中存在的TiB，當(dāng)基體是γ相鈦鋁化合物時(shí)存在的TiB2，Ti3B4，和其它鈦的硼化物或其它含硼-鈦化合物，可能由于合金元素的存在而改變?！耙慌鸹仭碧刂窽iB，和“二硼化鈦”特指TiB2。
任選的穩(wěn)定氧化物形成附加元素以在鈦基金屬性組合物中形成穩(wěn)定的氧化物為特征。當(dāng)鈦基金屬性組合物在固溶體中基本上不含氧，或者當(dāng)鈦基金屬性組合物在固溶體中含少量的氧時(shí)，如果一種元素在鈦基金屬性組合物中形成穩(wěn)定的氧化物，它就被認(rèn)為是一種穩(wěn)定氧化物形成附加元素。為使穩(wěn)定氧化物形成附加元素作為一種有效的穩(wěn)定氧化物形成體起作用，可能在固溶體中需要高達(dá)約0.5重量％的氧。因此，優(yōu)選地，鈦基金屬性組合物在固溶體中具有0-約0.5重量％的氧?？赡艽嬖诟罅康难酰@樣大的量可能對延展性有不良的影響?？偟恼f來，在材料中氧可在固溶體中，或者作為分散的氧化物相存在，例如通過穩(wěn)定氧化物形成附加元素與氧反應(yīng)形成的氧化物。
鈦與氧有強(qiáng)親和力并且非常容易與氧反應(yīng)，所以它溶解許多氧化物，包括它自己的。本發(fā)明范圍內(nèi)的穩(wěn)定氧化物形成附加元素形成一種在與還原、固結(jié)、熱處理和暴露相關(guān)的典型熱條件下不被鈦金屬性組合物基體溶解的穩(wěn)定氧化物。穩(wěn)定氧化物形成附加元素的例子是強(qiáng)氧化物形成元素，如鎂、鈣、鈧和釔，和稀土元素，如鑭、鈰、鐠、釹、钷、釤、銪、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿和镥，以及它們的混合物。
至少一種附加元素可任選地以高于其在鈦基金屬性組合物中的室溫固溶度限的量存在。系列加工之后，每一這種附加元素可以幾種形式的一種存在。該附加元素作為該元素的非氧化分散體存在。它也可存在于固溶體中。它也可以與氧反應(yīng)形成粗糙的氧化物分散體或細(xì)的氧化物分散體的形式存在。粗糙的分散體通過元素的非氧化分散體與一般存在于金屬性基體中的氧反應(yīng)，并因此獲得該氧而形成。細(xì)的氧化物分散體通過固溶體中的穩(wěn)定氧化物形成附加元素與基體中的或在暴露于含氧環(huán)境時(shí)從表面擴(kuò)散入金屬性材料中的氧反應(yīng)形成。
前體化合物是非金屬性的并且被選擇成在它們被還原成金屬形式的反應(yīng)過程中是可操作的。在一個(gè)所關(guān)心的還原過程中，即氣相還原中，前體化合物優(yōu)選是金屬鹵化物。在另一個(gè)所關(guān)心的還原過程中，即固相還原中，前體化合物優(yōu)選是金屬氧化物?？梢圆捎貌煌愋偷那绑w化合物的混合物。
有些組分，稱為“其它附加組分”，可能難于加入到金屬性組合物中。例如，該組分合適的非金屬性前體化合物可能不可獲得，或者可獲得的其余附加組分的非金屬性前體化合物在與其它非金屬性前體化合物還原一致的溫度或方式可能不易于化學(xué)還原。這種其它附加組分最終作為在金屬性組合物中的固溶體中的元素，作為通過與金屬性組合物中的其它組分反應(yīng)形成的化合物，或作為已經(jīng)反應(yīng)的、分布于全部金屬性組合物中的基本上惰性的化合物存在可能是必要的。這些其它附加組分或其前體因此可采用下述四種方法之一或其它可操作的方法從可能合適的氣體、液體或固體相引入。
在第一種方法中，在化學(xué)還原步驟之前或同時(shí)，作為元素或化合物配制其它附加組分并將其與前體化合物混合。前體化合物和其它附加組分的混合物經(jīng)受步驟22的化學(xué)還原處理，但僅前體化合物實(shí)際上被還原而其它附加組分未被還原。
在第二種方法中，配制處于固體顆粒狀態(tài)的其它附加組分，但不經(jīng)受基體金屬采用的化學(xué)還原處理。代之以在化學(xué)還原步驟22完成之后將它們與化學(xué)還原步驟得到的初始金屬性材料混合。當(dāng)化學(xué)還原步驟是在前體化合物的流動(dòng)粉末上進(jìn)行的時(shí)候，這種方法特別有效，但它也可采用預(yù)壓制的前體化合物塊進(jìn)行，產(chǎn)生一種初始金屬性材料的海綿體。其它附加組分被附著在粉末或海綿體的表面，或進(jìn)入海綿體孔隙。如果固體顆粒是其余組分的前體，其可任選地以一個(gè)或多個(gè)步驟反應(yīng)。
在第三種方法中，前體先通過壓實(shí)金屬性元素的前體化合物作為粉末或海綿體被生產(chǎn)。該顆粒或海綿體隨后被化學(xué)還原。其它附加組分隨后在顆粒表面(內(nèi)部和外部，如果顆粒是海綿狀的)、或在海綿體的內(nèi)和外表面從氣相產(chǎn)生。在一種工藝中，使氣體前體或元素形式(例如，甲烷、氮、或硼烷氣)在顆?；蚝＞d體的表面流動(dòng)以從氣體將化合物或元素沉積到表面。在表面產(chǎn)生的材料如果是其它附加組分的前體可任選地在一個(gè)或多個(gè)步驟中反應(yīng)。在一個(gè)實(shí)施例中，硼通過表面流動(dòng)硼烷提供到鈦表面，并且在隨后的處理中沉積的硼反應(yīng)生成硼化鈦。運(yùn)載所關(guān)心的組分的氣體可以任何可操作的方式提供，例如由可商購的氣體或通過如通過陶瓷或金屬的電子束蒸發(fā)、或采用等離子體發(fā)生氣體。
除了其它附加組分是從液體而不是氣體沉積以外，第四種方法與第三種方法相似。通過壓緊金屬性元素的前體化合物，首先生產(chǎn)作為粉末顆?；蚝＞d體的前體。顆?；蚝＞d體隨后被化學(xué)還原。其它附加組分隨后在顆粒表面(內(nèi)部和外部，如果顆粒是海綿狀的)、或在海綿體的內(nèi)和外表面通過從液體沉積產(chǎn)生。在一種工藝中，顆?；蚝＞d體被浸入其它附加組分的前體化合物的液體溶液中，以涂覆顆?；蚝＞d體的表面。其次，其它附加組分的前體化合物進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，以將其它附加組分留在顆粒的表面或海綿體的表面。在另一個(gè)實(shí)施例中，通過用氯化鑭涂覆還原的顆?；蚝＞d體(從前體化合物得到)的表面可將鑭引入鈦基金屬性組合物。涂覆的顆粒或海綿體隨后加熱和/或暴露于真空以除去氯，將鑭留在顆?；蚝＞d體的表面。任選地，可采用來自環(huán)境或來自金屬中的固溶體的氧，使鑭涂覆的顆粒或海綿體氧化以形成細(xì)的鑭-氧分散體，或者可將鑭涂覆的顆?；蚝＞d體與其它元素如硫反應(yīng)。在另一方法中，該組分被電鍍到顆?；蚝＞d體上。在又一個(gè)方法中，顆粒或海綿體可被浸入一個(gè)含有其它附加組分的浴中，從浴中移出，并且蒸發(fā)任何溶劑或載體以在顆?；蚝＞d體表面留下涂層。
不論在步驟22采用何種還原工藝和其它附加組分被如何引入，結(jié)果都是包含金屬性組合物的混合物。引入其它附加組分的方法可在基體金屬組分還原之前或在已經(jīng)還原的材料上實(shí)施于前體。金屬性組合物在一些情況下可以是自由流動(dòng)的顆粒，或在另一些情況下有海綿狀的結(jié)構(gòu)。如果前體化合物在實(shí)際化學(xué)還原開始之前先被壓制到一起，海綿狀結(jié)構(gòu)在固相還原方法中產(chǎn)生。前體化合物可被壓緊形成尺寸大于需要的最終金屬性制品的壓實(shí)體。
初始金屬性組合物的化學(xué)組成取決于步驟20配制的非金屬性前體化合物的混合物中的金屬類型和量，和加工中引入的其它附加組分。金屬性元素的相對比例取決于它們在步驟20的混合物中的各自的比例(不是取決于化合物的各自的比例，而是金屬性元素各自的比例)。前體化合物中初始金屬性組合物中的鈦的重量比任何其它金屬都大，形成一種鈦基初始金屬性組合物。
非金屬性前體化合物被選擇以向最終金屬性制品提供必要的金屬性合金元素，并且被以合適的比例混合以得到這些金屬性合金元素在金屬性制品中的必要的比例。例如，如果最終制品要具有鈦、鋁、釩、硼、鉺和氧的特別的86.5∶6∶4∶2∶3∶0.5的重量比，用于氣相還原的非金屬性前體化合物優(yōu)選是氯化鈦、氯化鋁、氯化釩、氯化硼和氯化鉺。如下面將討論的，最終氧含量通過還原過程控制。也可采用在最終金屬性制品中作為多于一種的金屬的來源的非金屬性前體化合物。這些前體化合物被以正確的比例配制并混合在一起，以使前體化合物的混合物中的鈦、鋁、釩、硼與鉺的比是形成最終制品中的金屬性組合物所需要的。
任選地，在通過如固相還原的工藝化學(xué)還原之前，非金屬性前體化合物可被預(yù)固結(jié)，步驟21。預(yù)固結(jié)導(dǎo)致隨后的加工中產(chǎn)生海綿體而不是顆粒。當(dāng)采用的時(shí)候，預(yù)固結(jié)步驟21可通過任何可操作的方法進(jìn)行，例如把非金屬性前體化合物壓緊成預(yù)固結(jié)的塊。
單一非金屬性前體化合物或非金屬性前體化合物的混合物被化學(xué)還原以產(chǎn)生金屬性顆?；蚝＞d體，而不熔化該前體化合物或金屬，步驟22。如這里所采用的，“不熔化”和相關(guān)的概念是指材料在長時(shí)間間隔內(nèi)不宏觀地或大概熔化而使之液化并失去形狀?？赡艽嬖?，例如，作為低熔點(diǎn)元素熔化并且與不熔化的高熔點(diǎn)元素?cái)U(kuò)散合金化的某些少量的局部熔化，或者少于約10秒的很短暫的熔化。即使是在這些情形下，材料的總體形狀保持不變。
在一個(gè)優(yōu)選的還原方法中，因?yàn)榉墙饘傩郧绑w化合物作為蒸汽或氣相配制而稱為氣相還原，化學(xué)還原可通過采用液態(tài)堿金屬或液態(tài)堿土金屬還原基體金屬的鹵化物和金屬性合金元素的混合物進(jìn)行。例如，四氯化鈦和金屬性合金元素以氣體提供。將合適的量的這些氣體的混合物與熔融的鈉接觸，以使金屬鹵化物還原成金屬形式。金屬性組合物與鈉分離。這一還原在低于金屬性組合物的熔點(diǎn)的溫度下進(jìn)行。該方法在美國專利5779761和5958106，和美國專利公開2004/0123700中更全面地被描述，這里引用其內(nèi)容作為參考。
優(yōu)選在較低的溫度而不是較高的溫度還原。理想地，還原在600℃或更低的溫度進(jìn)行，且優(yōu)選500℃或更低。作為比較，制備鈦和其它金屬性組合物的常規(guī)方法經(jīng)常達(dá)到900℃或更高。較低溫度的還原更易控制，并且還不易遭受污染物進(jìn)入金屬性組合物，該污染物有時(shí)可導(dǎo)致化學(xué)不規(guī)則。此外，較低溫降低了還原步驟中顆粒燒結(jié)在一起的發(fā)生率并限制了穩(wěn)定硼化物和任選氧化物分散體的潛在粗化。
在這一氣相還原方法中，以氣態(tài)形式存在的非金屬性改性元素或化合物可在其與液態(tài)堿金屬或液態(tài)堿土金屬反應(yīng)之前被混入氣態(tài)非金屬性前體化合物。在一個(gè)實(shí)施例中，氣態(tài)氧可與氣態(tài)非金屬性前體化合物混合以分別提高初始金屬性顆粒的氧含量。有時(shí)需要，例如，金屬性材料的氧含量開始時(shí)足夠高，以通過與穩(wěn)定氧化物形成附加元素反應(yīng)生成氧化物分散體，從而強(qiáng)化最終金屬性制品。氧以氣體的形式添加，這加速了混合并使最終制品中硬的α相形成的可能性最低，而不是像通過常規(guī)的熔化工藝生產(chǎn)鈦基金屬性組合物有時(shí)采用的那樣，以固態(tài)二氧化鈦粉末的形式加入氧。在常規(guī)熔化工藝中當(dāng)氧以二氧化鈦粉末的形式加入時(shí)，粉末的結(jié)塊可能沒有完全溶解，在最終制品中留下小顆粒形成化學(xué)不規(guī)則。本發(fā)明方法避免了那種可能性。在還原步驟中，硼可以硼烷氣加入，或氮以氣體形式被加入。
在另一方法中，因?yàn)榉墙饘傩郧绑w化合物作為固體配制而稱為固相還原，該化學(xué)還原可通過熔鹽電解進(jìn)行。熔鹽電解是已知的工藝，被描述在，例如，已出版專利申請WO 99/64638中，其公開內(nèi)容被全文引用作為參考。簡言之，在這一熔鹽電解的可選方式中，以細(xì)分散的固體形式配制的非金屬性前體化合物的混合物被浸入一個(gè)處于低于由非金屬性前體化合物形成的金屬性組合物熔點(diǎn)溫度的熔鹽電解質(zhì)如氯化物鹽的電解槽中。非金屬性前體化合物的混合物被制成具有惰性陽極的電解槽的陰極。與非金屬性前體化合物中的金屬結(jié)合的元素，如優(yōu)選的氧化物非金屬性前體化合物的情形中的氧，通過化學(xué)還原(即化學(xué)氧化的相反過程)被部分或全部地從混合物中除去。該反應(yīng)在升高的溫度下進(jìn)行，以加快氧或其它氣體從陰極擴(kuò)散出去的速度?？刂脐帢O電勢以保證非金屬性前體化合物的還原，而不是其它可能的化學(xué)反應(yīng)如熔鹽的分解會(huì)發(fā)生。電解質(zhì)是鹽，優(yōu)選一種比被精煉的金屬的等價(jià)鹽穩(wěn)定，且理想地非常穩(wěn)定的鹽，以將氧和其它氣體除去到需要的低水平。鋇、鈣、銫、鋰、鍶和釔的氯化物和氯化物的混合物是優(yōu)選的。該化學(xué)還原優(yōu)選地，但不是必須地，被進(jìn)行完全，以使非金屬性前體化合物完全還原。不將該過程進(jìn)行完全是一種控制所產(chǎn)生的金屬的氧含量并允許隨后的氧化物分散體形成的方法。如果進(jìn)行了預(yù)固結(jié)步驟21，本步驟22的結(jié)果可能是金屬性海綿體。硼和氮的含量可通過從硼化物或氮化物開始并采用電解過程還原化合物控制。
在另一種稱為“快速等離子體驟冷”的還原方法中，前體化合物如氯化鈦在超過4500℃的溫度下的等離子弧中離解。該前體化合物被迅速加熱，離解并在氫氣中驟冷。其產(chǎn)物為細(xì)的金屬性氫化物顆粒。金屬性顆粒的任何熔化都是非常短暫的，處于10秒或更小的量級，并且處于此處所采用的“不熔化”和類似范圍之內(nèi)。氫隨后通過真空熱處理從金屬性氫化物顆粒中除去。也可加入氧與穩(wěn)定氧化物形成附加元素反應(yīng)以形成穩(wěn)定氧化物分散體。加入硼與鈦反應(yīng)以產(chǎn)生硼化鈦。
不論步驟22中采用何種還原工藝，產(chǎn)物都是一種金屬性的鈦基金屬性組合物、硼化鈦、和任選地穩(wěn)定氧化物顆粒的材料。在一些場合該材料可以是可自由流動(dòng)的顆粒，或者在其它場合具有類海綿的結(jié)構(gòu)。如果前體化合物在實(shí)際化學(xué)還原開始之前首先被預(yù)壓實(shí)成一體(即任選步驟21)，類海綿結(jié)構(gòu)在固相還原方法中產(chǎn)生。前體化合物可被壓緊以形成尺寸比所需要的最終金屬性制品大的壓實(shí)體。
任選地，但優(yōu)選地，材料被固結(jié)以產(chǎn)生固結(jié)的金屬性制品，步驟24，而不熔化鈦基金屬性組合物并且不熔化該固結(jié)的鈦基金屬性組合物。固結(jié)步驟24可通過任何可操作的步驟進(jìn)行，例如被熱等靜壓、鍛造、擠出、加壓和燒結(jié)，和直接粉末固結(jié)擠出或軋制，或這些方法的組合。
圖2和圖3示出了具有面對環(huán)境44的表面42的材料40的微結(jié)構(gòu)。金屬性制品40具有硼化鈦顆粒和任選地穩(wěn)定氧化物形成附加元素分布于其中的鈦基金屬性組合物基體46的顯微結(jié)構(gòu)。根據(jù)存在的硼的百分比和其它因素，硼化鈦顆?？梢圆煌男问酱嬖凇Ｅ饍?yōu)選以總重量的0.05％-17％的量存在。如果硼少于0.05重量％，因?yàn)榕鹛幱诠倘荏w中而沒有作為有效增強(qiáng)體的硼化鈦存在。如果硼以0.05-1.5重量％的量存在，硼化鈦顆粒作為分散于鈦基金屬性組合物基體46中的細(xì)的硼化鈦彌散相62存在，如圖2所示，其產(chǎn)生彌散強(qiáng)化效果。這些細(xì)彌散的顆粒尺寸比用現(xiàn)有制備鈦-硼化鈦材料的工藝所產(chǎn)生的那些小。如果硼以1.5-17重量％的量存在，硼化鈦顆粒作為粗的鈦化硼相64存在，與圖2所示的結(jié)構(gòu)比較具有相對高的體積分?jǐn)?shù)，如圖3所示。(如此處所采用的，“粗”和“細(xì)”僅以彼此相對的意義采用，即“粗”相的尺寸比“細(xì)”彌散體的尺寸大。)。粗的硼化鈦相64產(chǎn)生復(fù)合強(qiáng)化效果。然而，通過在固結(jié)過程中低溫處理可能控制高重量百分?jǐn)?shù)(1.5-17％)硼組合物的顯微結(jié)構(gòu)，以使該顯微結(jié)構(gòu)在某種程度上與圖2所示的類似，但具有更高體積分?jǐn)?shù)的細(xì)彌散體相62。如果存在超過17重量％的硼，該結(jié)構(gòu)具有超過90體積％的硼化鈦存在，并且鈦基金屬性組合物基體46存在的益處減少并最終消失。
在圖3中，細(xì)的硼化鈦彌散相62和粗硼化鈦分散相64都提供強(qiáng)化效果，雖然通過不同的機(jī)制。細(xì)的硼化鈦彌散相62通過與鈦基金屬性組合物基體46中的位錯(cuò)交互作用提供彌散(即奧羅萬)強(qiáng)化。粗硼化鈦分散相64可以提供某種彌散強(qiáng)化，但當(dāng)如圖3所示存在時(shí)還提供混合物定律(rule-of-mixtures)復(fù)合強(qiáng)化。在1.5-17重量％硼的范圍內(nèi)，可能同時(shí)有細(xì)的硼化鈦彌散相62和粗硼化鈦分散相64，所以可以觀察到每種類型的強(qiáng)化的一些。隨著硼存在量的增加，硼化鈦的體積分?jǐn)?shù)增加，所以其變得更接近連續(xù)。任選的穩(wěn)定氧化物形成附加元素可在固溶體中存在，標(biāo)記為48，或作為一種或多種未反應(yīng)的分散相50存在。某些初始在固溶體中的穩(wěn)定氧化物形成附加元素可能已經(jīng)與初始存在于基體46中的氧反應(yīng)以形成細(xì)氧化物彌散體52的分散體。某些初始存在于未反應(yīng)的分散相50中的穩(wěn)定氧化物形成附加元素可能已經(jīng)與初始存在于基體46中的氧反應(yīng)以形成粗氧化物分散體54的分散體。這些穩(wěn)定氧化物分散體52和54在整個(gè)基體46中基本均勻分布。
總體考慮，硼化鈦分散相62或64和氧化物分散體52或54在控制最終材料40的機(jī)械性能時(shí)提供了很大的靈活性。通過控制含硼前體化合物和穩(wěn)定氧化物形成附加元素的前體化合物的量，和下面描述的進(jìn)一步加工，硼化鈦分散相62或64和氧化物分散體52或54的相對量、尺寸、和分布被彼此大致獨(dú)立地建立。
任選地但是優(yōu)選地，對固結(jié)的金屬性制品進(jìn)一步加工，步驟26。在這一加工中，該制品未被熔化。這一進(jìn)一步加工可包括，例如，通過任何可操作的方法對固結(jié)的金屬性制品機(jī)械成形，步驟28，或通過任何可操作的方法對固結(jié)的金屬性制品熱處理，步驟30。如果采用，成形步驟28和/或熱處理步驟30根據(jù)鈦基金屬性組合物的性質(zhì)選擇。這種成形或熱處理在每一鈦基金屬性組合物的領(lǐng)域中都是已知的。
固結(jié)的材料40可在高于室溫的溫度被氧化，步驟32，特別是強(qiáng)氧化物形成元素在鈦合金基體固溶體中和/或以顆粒形式存在時(shí)。導(dǎo)致圖3所示的與氧有關(guān)的顯微結(jié)構(gòu)類型的氧暴露步驟32，可以在可控的生產(chǎn)裝置中處于金屬性制品的初始制備期間，或者處于隨后的升高溫度下的運(yùn)行暴露期間。
在每一情形下，氧從表面42向內(nèi)擴(kuò)散進(jìn)入基體46。向內(nèi)擴(kuò)散的氧與表面42附近存在于固溶體48或存在于分散相50的氧化物形成附加元素化學(xué)反應(yīng)。如果在固溶體48或分散相50中任何未反應(yīng)的穩(wěn)定氧化物形成附加元素保留在表面42附近，其量很少(如果存在的話)，相反它們都已經(jīng)反應(yīng)以分別形成額外的細(xì)氧化物彌散體52和粗的氧化物分散體54。結(jié)果是在處于表面42和僅處于表面之下的深度為D1的擴(kuò)散氧化區(qū)56中有比更大深度處的細(xì)彌散體52濃度更高的細(xì)彌散體52。D1一般地處于約0.001-約0.003英寸的范圍，但可以小些或大些。此外，取決于穩(wěn)定氧化物形成元素形成的特定氧化物，可能形成一種氧化物表面層58，其作為從環(huán)境44向制品40擴(kuò)散額外氧的擴(kuò)散障礙。
氧化物分散體52和54的存在和分布的性質(zhì)具有其它幾種重要的效果。氧化物分散體52和54通過彌散強(qiáng)化效應(yīng)起強(qiáng)化基體46的作用并且還提高基體46在升高的溫度下的蠕變強(qiáng)度。氧化物分散體52和54還可以釘住基體46的晶界以阻止加工和/或升高的溫度暴露期間晶粒結(jié)構(gòu)的粗化。此外，在某些場合下氧化物分散體52和54具有比它們從中產(chǎn)生的穩(wěn)定氧化物形成附加元素高的比容。這一較高的比容在接近表面42的基體46中形成壓應(yīng)力，由箭頭60標(biāo)記。該壓應(yīng)力60阻止運(yùn)行期間制品被施加拉伸或扭轉(zhuǎn)載荷時(shí)裂紋的形成和長大，是一種非常有益的結(jié)果。
本發(fā)明的一個(gè)重要的應(yīng)用是固結(jié)的制品可以形成不同材料塊的插件。圖4-7示出了這一方法的幾個(gè)實(shí)施方案。該插件可具有單獨(dú)的體積組成，如圖4和5所示的，或者它可以包含具有不同的體積組成的至少兩種材料的混合物，如圖6和7所示。在圖4的實(shí)施方案中，其中具有硼化鈦顆粒的固結(jié)鈦基金屬性組合物的顆粒，標(biāo)記為70，在不是其中具有硼化鈦顆粒的固結(jié)鈦基金屬性組合物的金屬塊72中形成插件。在圖5的實(shí)施方案中，其中具有第一體積分?jǐn)?shù)的硼化鈦顆粒的第一固結(jié)鈦基金屬性組合物的顆粒，標(biāo)記為74，在其中具有第二體積分?jǐn)?shù)的硼化鈦顆粒的第二固結(jié)鈦基金屬性組合物的團(tuán)塊76中形成插件。在圖6的實(shí)施方案中，具有高硼化鈦顆粒體積分?jǐn)?shù)的晶粒90與具有低硼化鈦體積分?jǐn)?shù)的晶粒92混合形成插件。在圖7的實(shí)施方案中，具有高硼化鈦體積分?jǐn)?shù)的晶粒94(和/或低體積分?jǐn)?shù)的96)與基本不具有硼化鈦的晶粒98混合形成插件。
其它相容的安排也可被采用。在圖8-9的實(shí)施方案中，具有硼化鈦顆粒的固結(jié)的鈦基金屬性組合物的插件78被置于形成氣體渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片82的翼剖面80的其余部分的不包含硼化物的金屬性合金之中。葉片的橫截面可能具有與圖4所示相似的微觀結(jié)構(gòu)。該插件提高了翼剖面80的強(qiáng)度和模量，而不被暴露于燃?xì)獠⑶也桓淖円砥拭?0的形狀。作為選擇，插件可以包含具有不同體積組成的至少兩種材料的混合物，如圖6和7所示。插件可采用任何可操作的方法并入，如通過就地鑄造、鑄造和加工，或者無熔化方法如擴(kuò)散結(jié)合，制造無硼化物的部分。
可用本發(fā)明的方法制造的其它制品的例子包括氣體渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的包括輪葉、輪盤、整體轉(zhuǎn)子，附屬物(bling)、軸、箱體、發(fā)動(dòng)機(jī)架、定子葉片、封層、和外殼等的組件。其它制品包括汽車部件和生物醫(yī)學(xué)制品。然而，本發(fā)明的應(yīng)用不局限于這些特別的制品。
雖然本發(fā)明的一個(gè)特別的實(shí)施方案已經(jīng)為說明的目的被詳細(xì)描述，不同的改變和增加可被作出而不背離本發(fā)明的精神和范圍。因此，除了所附的權(quán)利要求之外本發(fā)明不被限制。
部件列表20圖122圖124圖126圖128圖130圖132圖140材料42表面44環(huán)境46鈦基材料組件48系統(tǒng)中形成的氧化物50未反應(yīng)的分散相52細(xì)的氧化物沉積54粗的氧化物沉積56不同的氧化物區(qū)58氧化物表面層60箭頭62細(xì)的鈦基體64粗的鈦相70 Ti/TiB區(qū)72 Ti區(qū)74 Isb Ti/TiB76 2d Ti/TiB78插件80翼剖面82渦輪葉片90高分?jǐn)?shù)92低分?jǐn)?shù)94高分?jǐn)?shù)
96低分?jǐn)?shù)98無Ti-B
權(quán)利要求
1.一種由處于組成元素比例的組成元素制造的制品的生產(chǎn)方法，包括步驟配制至少一種非金屬性前體化合物，其中所有的非金屬性前體化合物共同地含有處于其各自的組成元素比例的組成元素，并且其中的組成元素包括鈦基金屬性組合物，和以高于其在鈦基金屬性組合物中的室溫固溶度限的含量存在的硼；化學(xué)還原前體化合物以產(chǎn)生包含其中具有硼化鈦顆粒的鈦基金屬性組合物的材料，而不熔化該鈦基金屬性組合物，和固結(jié)其中具有硼化鈦顆粒的鈦基金屬性組合物以產(chǎn)生固結(jié)的制品，而不熔化該鈦基金屬性組合物并且不熔化固結(jié)的鈦基金屬性組合物。
2.權(quán)利要求1的方法，其中配制步驟包括以不高于在固結(jié)材料中形成約90體積％硼化鈦所需要的量配制硼組分元素的步驟。
3.權(quán)利要求1的方法，其中配制步驟包括配制非金屬性前體化合物以使硼在固結(jié)的材料中以不超過固結(jié)材料的約17重量％的量存在的步驟。
4.權(quán)利要求1的方法，其中配制步驟包括配制非金屬性前體化合物以使硼在固結(jié)的材料中以固結(jié)材料的約0.05-約17重量％的量存在的步驟。
5.權(quán)利要求1的方法，其中配制步驟包括配制非金屬性前體化合物以使硼在固結(jié)的材料中以固結(jié)材料的約0.05-約1.5重量％的量存在的步驟。
6.權(quán)利要求1的方法，其中配制步驟包括配制非金屬性前體化合物以使硼在固結(jié)的材料中以固結(jié)材料的約1.5-約17重量％的量存在的步驟。
7.權(quán)利要求1的方法，其中配制步驟包括配制非金屬性前體化合物以使硼在固結(jié)的材料中以固結(jié)材料的約5-約17重量％的量存在的步驟。
8.權(quán)利要求1的方法，其中配制步驟包括以下步驟配制在鈦基金屬性組合物中形成穩(wěn)定氧化物的穩(wěn)定氧化物形成附加元素的非金屬性前體化合物，并且其中至少一種附加元素以高于其在鈦基金屬性組合物中的室溫固溶度限的量存在，并且其中該方法在化學(xué)還原步驟之后包括一附加步驟，即在高于室溫的溫度氧化該金屬性組合物。
9.權(quán)利要求1的方法，其中的配制步驟或化學(xué)還原步驟包括加入其它附加組分的步驟。
10.權(quán)利要求1的方法，包括生產(chǎn)固結(jié)制品作為另一實(shí)體的插件(78)的附加步驟。
全文摘要
一種由組分元素制成的制品，其通過配制至少一種非金屬性前體化合物制備，其中所有的非金屬性前體化合物共同含有組分元素。該組分元素包括鈦基金屬性組合物、以高于其室溫固溶度限的量存在的硼、和任選地以高于其室溫固溶度限的量存在的穩(wěn)定氧化物形成附加元素。該前體化合物被化學(xué)還原以產(chǎn)生包括其中具有硼化鈦顆粒的鈦基金屬性組合物的材料，而不熔化該鈦基金屬性組合物。其中具有硼化鈦顆粒的鈦基金屬性組合物被不熔化固結(jié)。
文檔編號B22F9/00GK1782110SQ200510124650
公開日2006年6月7日 申請日期2005年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月12日
發(fā)明者A·P·伍德菲爾德, E·A·奧特, C·E·香布倫, M·F·X·吉格利奧蒂, D·A·烏塔, A·G·圖爾納 申請人:通用電氣公司