專利名稱：鑄造鈦合金的方法
鑄造鈦合金的方法本發(fā)明涉及用于由P -鈦合金，更具體而言，鈦-鉬合金，鑄造 對(duì)象的方法。鈦合金由于具有為數(shù)眾多的有利性質(zhì)，被應(yīng)用得越來越廣泛。鈦 合金尤其由于具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性(甚至在高溫時(shí))、重量低以及 優(yōu)異的機(jī)械性質(zhì)，而被用于對(duì)材料要求很高的所有領(lǐng)域中?？紤]到具 有優(yōu)異的生物相容性，鈦合金也優(yōu)先用于醫(yī)療領(lǐng)域，尤其是用于植入 體和^I體。已知有各種使鈦合金成形的方法。除了切削加工之外，這些方法 主要包括鑄造和鍛造方法。由于人們發(fā)現(xiàn)鈦合金難以鑄造，所以原則 上鈦合金是鍛造合金，為此通常采用的是鍛造方法。復(fù)雜形狀通常采 用所述鑄造方法，但是造成了在選擇合適合金方面的限制。尤其而言，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)當(dāng)鑄造P -鈦合金時(shí)，只能獲得讓人不滿意的結(jié)果(US-A 2004/0136859 )。本發(fā)明基于為P -鈦合金提供改進(jìn)的鑄造方法的目標(biāo)，這樣使得 可以制備出具有良好材料性質(zhì)的更復(fù)雜的形狀。根據(jù)本發(fā)明的解決方案在于具有主權(quán)利要求的特征的方法。有利 的經(jīng)一步限定構(gòu)成了從屬權(quán)利要求的主題。根據(jù)本發(fā)明，在由含有鈦鉬并且鉬含量為7.5-25%的^-鈥合 金鑄造對(duì)象的方法中，合金在超過1770。C的溫度熔融，熔融的合金被 精密鑄造到和待制備的對(duì)象相一致的鑄造模具中，進(jìn)行熱等靜壓，固 溶退火，然后淬火。在本文中，對(duì)象應(yīng)該理解為已經(jīng)針對(duì)最終用途成形的制品。對(duì)象 例如在航空業(yè)可以是用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)子軸承、翼箱(Fliigelkasten) 或者其它支撐結(jié)構(gòu)部件的部件，或者在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中可以是內(nèi)用假體， 比如髖假體，或者植入體，比如板或者釘或者牙科植入體。在本申請(qǐng) 的上下文中，術(shù)語(yǔ)對(duì)象不包括將要通過成形方法進(jìn)一步加工的坯塊， 即，尤其不包括通過硬模鑄造制備的、用于通過鍛造進(jìn)一步加工的錠。根據(jù)本發(fā)明的方法采用精密鑄造方法實(shí)現(xiàn)了由P -鈦合金經(jīng)濟(jì)地 制備對(duì)象。所以，本發(fā)明提供了將P -鈦合金的有利性質(zhì)，尤其是其
優(yōu)異的機(jī)械性質(zhì)，和采用精密鑄造方法制備對(duì)象的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來的可 能性。本發(fā)明使得可以由P -鈦合金制備出通過傳統(tǒng)鍛造方法不可能 或者不能經(jīng)濟(jì)地制備的形狀復(fù)雜的對(duì)象。所以，本發(fā)明也為P-鈦合 金打開了在復(fù)雜成形對(duì)象方面的應(yīng)用領(lǐng)域，而該合金公知具有有利的 機(jī)械性質(zhì)和生物相容性。合金中的鉬或者鉬等同物的含量為7.5_25%。這樣的結(jié)果是， 尤其對(duì)于鉬含量為至少10%的情況而言，在低至室溫范圍時(shí)，P-相 也充分穩(wěn)定。優(yōu)選所述含量為12-16%。這樣使得可以通過在精密鑄 造后的快速冷卻來獲得亞穩(wěn)P -相。通常無需加入另外的合金形成元 素。尤其而言，無需加入釩或者鋁。無需這些元素帶來了上述優(yōu)點(diǎn)， 即源于這些合金形成元素的毒性可以被避免。這同樣相應(yīng)地適用于 鉍，鉍也不具有和鈦相同的生物相容性。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明使得可以采用到目前為止幾乎不可能用于精密 鑄造的p -鈦合金，來制備出比到目前為止用于精密鑄造的oc/p鈦合 金，比如例如TiA16V4，更復(fù)雜的形狀。根據(jù)本發(fā)明的方法獲得了改 進(jìn)的模具填充行為。這意味著由于本發(fā)明，可以在精密鑄造過程中制 備出具有更高質(zhì)量的、尤其是尖銳的邊。由于改進(jìn)的模具填充行為， 所以精密鑄造中形成空隙的趨勢(shì)也下降。采用冷壁坩鍋真空感應(yīng)設(shè)備來熔融P -鈦合金是適宜的。這種類 型的設(shè)備可以達(dá)到可靠熔融鈦鉬合金以進(jìn)行精密鑄造所需的高溫。例 如，TiMo15的熔點(diǎn)是177(TC。為了實(shí)現(xiàn)可靠的精密鑄造，應(yīng)該再加 上大約60。C。所以，總體而言，對(duì)于TiMo15而言必須達(dá)到1830°C。對(duì)于熱等靜壓而言，優(yōu)選在最多等于鈦鉬合金的P -轉(zhuǎn)變溫度但 最低比P -轉(zhuǎn)變溫度低IO(TC的溫度進(jìn)行。熱等靜壓通過溶解樹枝狀晶體之間的沉淀，抵消了如下不希望出 現(xiàn)的效應(yīng)鉬在樹枝狀晶體中富集，而在剩余熔體中貧乏化。低于P -轉(zhuǎn)變溫度，尤其是低至多IO(TC的溫度，是有利的。已經(jīng)證明，對(duì) 于鉬含量為15%的鈦鉬合金而言，在大約1100- 1200巴的氬氣壓力 下，710°C - 76(TC的溫度，優(yōu)選大約74(TC,是合適的。已經(jīng)證明，對(duì)于固溶退火而言，至少70(TC直至880°C,優(yōu)選800 °C - 86(TC的溫度是合適的。為了達(dá)到保護(hù)氣氛，優(yōu)選使用氫氣。這 改善了合金的延展性。 在固溶退火后通過水使對(duì)象淬火是便利的。優(yōu)選采用冷水。在本 文中，術(shù)語(yǔ)"冷，，應(yīng)該理解為是指未加熱的自來水的溫度。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，淬火對(duì)對(duì)象最終獲得的機(jī)械性質(zhì)具有顯著影響?；蛘撸慊鹨部梢栽?保護(hù)氣體中進(jìn)行，例如，通過氬氣冷卻。但是，獲得的結(jié)果沒有采用 冷水獲得的結(jié)果好。對(duì)象最終還進(jìn)行硬化可能是便利的。如果需要，這樣可以使彈性模量稍微增加。為此，優(yōu)選硬化在大約600°C-大約70(TC的溫度范 圍中進(jìn)行。下面參考附圖更詳細(xì)解釋本發(fā)明，所述附圖舉例說明了有利的實(shí) 施方案。在附圖中

圖1的表列出了根據(jù)本發(fā)明的精密鑄造鈦合金的機(jī)械性質(zhì)；圖2示出了在鑄造之后即刻處于鑄造狀態(tài)的顯微結(jié)構(gòu)的圖像；圖3示出了在熱等靜壓后的顯微結(jié)構(gòu)圖像；圖4示出了在固溶退火及隨后的淬火之后的顯微結(jié)構(gòu)圖像；和圖5示出了鈦鉬合金的液相線和固相線溫度。下述文本將描述實(shí)施本發(fā)明方法的方式。原材料是鉬含量為15%的0 -鈦合金(TiMo15)。該合金可以以 小坯塊(錠)的形式購(gòu)得。第一步驟精密鑄造待鑄造的對(duì)象。提供鑄造設(shè)備用于熔融和鑄造 TiMo15。該設(shè)備優(yōu)選是冷壁坩鍋真空感應(yīng)熔融和鑄造設(shè)備。借助這種 類型的設(shè)備可以達(dá)到可靠熔融TiMo15以進(jìn)行精密鑄造所需的高溫。 TiMo15的熔點(diǎn)是1770。C,為了可靠的精密鑄造，要再加上大約60。C。 所以，總體而言，必須達(dá)到1830°C。然后，通過公知的方法，例如采 用蠟芯和陶資模具作為消耗性的模具(verloren Form),實(shí)施熔體的精 密鑄造。這種類型的精密鑄造技術(shù)已經(jīng)用于精密鑄造TiA16V4。從圖2中的圖像可以發(fā)現(xiàn)(1000倍放大)，形成了樹枝狀晶體， 在樹枝狀晶體之間的區(qū)域出現(xiàn)了大量的沉淀。這是源于已知的鈦鉬合 金的負(fù)偏析。這種效應(yīng)基于鈦鉬合金的液相線和固相線溫度的特定分 布，如圖5所示。基于所示液相(TL)和固相(Ts)的熔融溫度分布，首先是具有高鉬含量的區(qū)域在熔體中固化，在該方法中形成在圖中可 以發(fā)現(xiàn)的樹枝狀晶體。這樣使得熔體的其余部分變貧乏，即，鉬含量 下降。鑄件結(jié)構(gòu)中的樹枝狀晶體之間的區(qū)域的鉬含量低于15%,甚至
可以降到大約10%。由于鉬貧乏化，所以樹枝狀晶體之間的區(qū)域缺乏 足夠量的P-穩(wěn)定劑。結(jié)果是在局部使得a/e轉(zhuǎn)變溫度升高，導(dǎo)致出 現(xiàn)在圖2中可辨認(rèn)出的沉淀物。
在鑄造過程中可能會(huì)形成的、稱作a相的、硬脆層形式的表面區(qū) 域(Randzone)，很容易通過酸洗去除。該層的厚度通常為大約 0.03mm。
為了抵消負(fù)偏析以及樹枝狀晶體之間的區(qū)域中出現(xiàn)的沉淀的不利 影響，根據(jù)本發(fā)明，在精密鑄造后去除了澆鑄模具之后，將鑄件進(jìn)行 熱處理。這具體包括在剛好低于P -轉(zhuǎn)變溫度的溫度進(jìn)行的熱等靜壓 (HIP)。所述溫度可以是710°C-760°C，優(yōu)選大約740°C。這樣使得 在樹枝狀晶體之間的區(qū)域中不希望出現(xiàn)的沉淀物再次溶解。無需在熱 等靜壓之前或之后進(jìn)行任何初步時(shí)效硬化(Vomuslagerung )。但是， 在熱等靜壓之后的冷卻過程中，尤其優(yōu)先在樹枝狀晶體之間再次沉淀 出細(xì)的二次相(參見圖3， 1000 x倍)。這樣導(dǎo)致材料發(fā)生不希望地變 脆。
對(duì)象在熱等靜壓后僅僅具有低的延展性。
為了消除破壞性的沉淀，將鑄件在保護(hù)氣氛(例如，氬氣)下在 箱式爐中退火。為此，選擇溫度范圍是大約700°C- 860°C,持續(xù)數(shù)小 時(shí)， 一般是兩小時(shí)。在本文中，在溫度和持續(xù)時(shí)間之間存在著倒數(shù)關(guān) 系；溫度越高，更短的時(shí)間就足夠，反之亦然。在固溶退火之后，將 鑄件用冷水淬火。圖4 ( 1000倍放大)示出了在固溶退火之后的結(jié)構(gòu)。 可以發(fā)現(xiàn)一次P-晶粒和在所述晶粒之內(nèi)的極細(xì)的樹枝狀晶體之間的 沉淀(參見圖左上部的云霧狀聚集體)。已經(jīng)采用本發(fā)明方法進(jìn)行精 密鑄造的對(duì)象在其晶體結(jié)構(gòu)中具有平均尺寸大于0.3mm的p -晶粒。 這種尺寸是根據(jù)本發(fā)明方法獲得的晶體結(jié)構(gòu)的典型尺寸。
在圖1中的表中給出了在固溶退火之后獲得的機(jī)械性質(zhì)。 可以發(fā)現(xiàn)，彈性模量隨著固溶退火期間溫度的增加而下降，具體 而言，低至60000N/mm2的水平。延展性隨著強(qiáng)度和硬度的下降而增 加。例如，在800°C固溶退火兩小時(shí)之后，得到的彈性模量為 60000N/mm2 、斷裂伸長(zhǎng)量是大約40 % ，斷裂強(qiáng)度Rm是大約 730N/mm2。
權(quán)利要求
1.用于由包含鈦鉬并且鉬含量為7.5-25％的β-鈦合金鑄造對(duì)象的方法，特征在于在高于1770℃的溫度熔融合金，將熔融合金精密鑄造到和待制造的對(duì)象相一致的鑄造模具中，熱等靜壓，固溶退火，和隨后進(jìn)行淬火。
2. 權(quán)利要求1的方法，特征在于采用冷壁坩鍋真空感應(yīng)設(shè)備熔 融所述P-鈦合金。
3. 權(quán)利要求1或者2的方法，特征在于所述熱等靜壓在最高等 于鈦鉬合金的P -轉(zhuǎn)變溫度和最低比p -轉(zhuǎn)變溫度低IOO'C的溫度進(jìn) 行。
4. 權(quán)利要求1或者2的方法，特征在于在大約70(TC -大約900 。C的溫度進(jìn)行固溶退火。
5. 權(quán)利要求4的方法，特征在于在800°C - 860。C的溫度進(jìn)行固 溶退火。
6. 前述權(quán)利要求之一的方法，特征在于在固溶退火之后優(yōu)選用 冷水淬火。
7. 前述權(quán)利要求之一的方法，特征在于對(duì)所述對(duì)象進(jìn)行最終硬化。
8. 權(quán)利要求7的方法，特征在于在600°C -70(TC的溫度進(jìn)行所 述硬化。
全文摘要
本發(fā)明涉及由包含鈦鉬并且鉬含量為7.5-25％的β-鈦合金鑄造對(duì)象的方法。本發(fā)明在高于1770℃的溫度熔融合金，將熔融合金精密鑄造到和待制造的對(duì)象相一致的鑄造模具中，熱等靜壓，固溶退火，隨后進(jìn)行淬火。根據(jù)本發(fā)明的方法提供了采用精密鑄造方法由β-鈦合金經(jīng)濟(jì)地制備對(duì)象的方法。本發(fā)明由此提供了將β-鈦合金的有利性質(zhì)，尤其是其優(yōu)異的機(jī)械性質(zhì)，和采用精密鑄造方法制備對(duì)象的優(yōu)點(diǎn)組合在一起的可能性。本發(fā)明使得甚至可以由β-鈦合金制備出不可能或者不能經(jīng)濟(jì)地通過常規(guī)鍛造方法制備的形狀復(fù)雜的對(duì)象。
文檔編號(hào)C22F1/18GK101128609SQ200680005976
公開日2008年2月20日 申請(qǐng)日期2006年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月25日
發(fā)明者S·巴利克泰 申請(qǐng)人:沃爾德馬連接兩合公司