用于加热带材产品的方法与流程

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年5月8日提交的美国临时专利申请第62/668，471号的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

背景技术：

本公开涉及由各种金属基复合物(metalmatrixcomposite，mmc)生产带材产品的方法，以及用于实践这种方法的系统。具体而言，将金属进料预热至温轧温度，然后进行温轧以减小金属进料的厚度并产生金属带材。

技术实现要素：

由于各种复合mmc材料(尤其是铝合金)在室温下的延展性相对低，因此通过冷加工来减小其厚度相对较慢，这导致了裂纹的形成，并因此限制了可能出现的厚度减小的程度。通过本公开的系统和方法，可以避免在这些合金中产生裂纹，该系统和方法对金属材料进行预热以在温轧工艺期间不易产生(减小)裂纹。本文公开了用于进行这种预热的系统和设备。这些设备还可用于改造现有的轧机。

本文公开了用于减小金属材料的进料的厚度的各种方法，包括：将进料预热至小于该金属材料的熔点的一半的温轧温度；及在轧机中对预热的进料进行温轧以减小进料的厚度，从而得到具有最终厚度的金属带材。

在一些实施方式中，预热是通过加热放料站来进行的，进料是从该放料站被导向轧机。在其他实施方式中，预热是通过使进料穿过加热通道来进行的，其中加热通道经由传导、对流或辐射向进料提供热量。在替代实施方式中，预热是通过使进料的顶表面和底表面与加热辊接触来进行的，其中加热辊基本上不减小进料的厚度。

温轧温度可以为约350°f至约600°f(约177℃至约315℃)。温轧可以进行至至少75％的总％ww。温轧可以通过多个温道次(warmpass)来进行，每个温道次导致多达65％的％ww。

轧机可以包括加热的咬合辊的组。在另一些实施方式中，金属带材还被缠绕成卷材。

在特定的实施方式中，金属材料是金属基复合物(mmc)材料，该金属基复合物(mmc)材料包括铝合金和分散在该铝合金中的陶瓷颗粒。陶瓷颗粒可以包括选自碳化物、氧化物、硅化物、硼化物和氮化物中的至少一种陶瓷材料。mmc材料可以包含约15vol％至约50vol％的陶瓷颗粒。陶瓷颗粒的平均粒径可以为约0.3μm至约5μm。

本文还公开了通过这些方法生产的金属带材，以及由这种金属带材生产的制品。

在各个实施方式中还公开了用于生产金属带材的系统，包括：装置，该装置用于将金属进料预热至小于该金属材料的熔点的一半的温轧温度；及轧机，该轧机用于对预热的金属进料进行温轧以生产金属带材。

用于预热的装置可以是放料站，该放料站配置为：(a)将金属进料供给到轧机；和(b)对金属进料进行预热。在其他实施方式中，用于预热的装置可以是位于放料站与轧机之间的加热通道，其中该加热通道经由传导、对流或辐射向进料提供热量。仍在其他实施方式中，用于预热的装置可以是位于放料站和轧机之间的加热辊的组，其中该加热辊定位成使得金属进料的顶表面和底表面与该加热辊接触。系统可以还包括在轧机的下游的卷带盘(take-upreel)。

下面更具体地公开本公开的这些和其他非限制性特征。

附图说明

以下是附图说明，其给出是为了示出本文公开的示例性实施方式，而不是为了限制实施方式。

图1是本公开的用于对金属进料进行预热然后温轧的系统的第一个示例性实施方式。这里，预热在放料站进行。

图2是本公开的用于对金属进料进行预热然后温轧的系统的第三个示例性实施方式。这里，预热通过放料站与轧机之间的加热辊的组来进行。

图3是本公开的用于对金属进料进行预热然后温轧的系统的第二个示例性实施方式。这里，预热在放料站与轧机之间的加热通道中进行。

图4a和图4b是仅进行冷加工的mmc材料的短带材的照片，并且两个带材均显示出裂纹。

图5是根据本公开的一些实施方式加工的并且具有增强的性能的条带材料的照片。

具体实施方式

可以参考附图获得对本文公开的部件、工艺和装置的更完整的理解。这些图仅仅是基于方便和易于展示本公开的示意性表示，并且因此，不旨在表明本公开的设备或部件的相对大小和尺寸和/或限定或限制示例性实施方式的范围。

尽管为了清楚起见在以下描述中使用了特定术语，但是这些术语仅旨在指代选择用于附图中图示的实施方式的特定结构，而不旨在限定或限制本公开的范围。在附图和以下描述中，应当理解的是，相似的附图标记指代相似功能的部件。

除非内容另有明确规定，否则单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指代对象。

如在说明书和权利要求书中所使用的，术语“包含”可以包括实施方式“由……组成”和“基本上由……组成”。如本文所使用的术语“包含”、“包括”、“具有”、“有”、“可以”、“含有”及其变体旨在是开放式的、需要存在指定成分/部件/步骤并允许存在其他成分/部件/步骤的过渡短语、术语或词汇。然而，这种描述应该被解释为也将组合物、制品或工艺描述为由所列举的成分/部件/步骤的“组成”和“基本上由其组成”，这允许仅存在指定的成分/部件/步骤以及可能由此产生的任何杂质，并且排除其他成分/部件/步骤。

在本申请的说明书和权利要求书中的数值应理解为包括以下数值：与当减少到有效数字的相同数量时相同的数值，和与指定的值相差小于用于测定该值的本申请所描述的常规测量技术类型的实验误差的数值。

本文公开的所有范围均包括所记载的端点并且可独立组合(例如，“2克至10克”的范围包括端点2克和10克以及所有中间值)。

术语“约”可用于包括在不改变该值的基本功能的情况下可以改变的任何数值。当与范围一起使用时，“约”还公开了由两个端点的绝对值所定义的范围，例如“约2至约4”还公开了范围“2至4”。术语“约”可以指所指示数字的正10％或负10％。

本公开涉及具有平均粒径的材料。平均粒径定义为达到颗粒总数的50％(按体积计)的累积百分比的粒径。换句话说，50％的颗粒的直径高于平均粒径，而50％的颗粒的直径低于平均粒径。颗粒的尺寸分布将是高斯分布(gaussian)，上四分位数和下四分位数分别为规定平均粒径的25％和75％，并且所有颗粒均小于规定平均粒径的150％。

本公开可以涉及某些工艺步骤的温度。在本公开中，温度通常是指所涉及的材料所达到的温度，而不是设定的热源(例如炉子、烤箱)的温度。术语“室温”是指68°f(20℃)至77°f(25℃)的范围。

术语“棒材”是指具有大于0.48mm的厚度的矩形横截面的材料块。术语“板材”是指具有大于4.78mm的厚度的矩形横截面的材料块。术语“带材”是指具有4.78mm或更小的厚度的矩形横截面的材料块。术语“板坯”是指具有矩形横截面的材料块，并且可以与词汇“进料”互换使用，以指代通过本公开的工艺加工成可卷绕的带材的起始材料块。

术语“卷材”是指缠绕成卷形式的材料段，并且也可以称为材料卷。

如本文中所使用的，轧制是金属成型工艺，其中原料进料通过一对或多对辊以减小原料进料的厚度。

术语“上游”和“下游”是相对于金属进料流经各个系统部件的方向，即金属进料在经过下游部件之前先经过上游部件。

本公开涉及用于减小金属基复合物材料的进料的厚度以从该进料形成带材的系统和方法。这是通过预热进料，然后对进料进行温轧以获得带材来完成的。

通常，形成进料的金属材料是一种为复合物材料的金属基复合物(mmc)，其包括金属基质和分散在该金属基质中的增强颗粒。金属基质相通常是连续的，而增强颗粒在金属基质相内形成分散相。

在特定的实施方式中，基质相由铝或铝合金形成。增强颗粒是选自碳化物、氧化物、硅化物、硼化物和氮化物的陶瓷材料。具体的增强颗粒包括碳化硅、碳化钛、碳化硼、氮化硅、氮化钛和氧化锆。在特定的实施方式中，使用碳化硅。

增强颗粒可以具有在0.3微米(μm)至5μm(包括约3μm)的范围内的平均粒径(d50)。平均粒径定义为按体积计达到颗粒总数的50％(vol％)的累积百分比的粒径。换句话说，50vol％的颗粒的直径高于平均粒径，而50vol％的颗粒的直径低于平均粒径。

mmc可以包括约10vol％至约50vol％的增强颗粒，包括约15vol％至约30vol％和约30vol％至约50vol％。

mmc中使用的铝合金可以是2000系列铝合金(即，铝与铜合金)、6000系列铝合金(即，铝与镁和硅合金)或7000系列铝合金(即，铝与锌合金)。合适的铝合金的非限制性实例包括2009、2124、2090、2099、6061和6082。

在一些实施方式中，铝合金包括约91.2wt％至约94.7wt％的铝、约3.8wt％至约4.9wt％的铜、约1.2wt％至约1.8wt％的镁、和约0.3wt％至约0.9wt％的锰。

在其他实施方式中，铝合金包括约95.8wt％至约98.6wt％的铝、约0.8wt％至约1.2wt％的镁，和约0.4wt％至约0.8wt％的硅。

在一些特定的实施方式中，mmc包括用约10vol％至约50vol％的碳化硅颗粒(包括约15vol％至约30vol％和约30vol％至约50vol％的碳化硅颗粒)增强的6061系列或2124系列铝合金。

在更特定的实施方式中，mmc材料可由用40vol％碳化硅颗粒增强的6061铝合金制成。用40vol％碳化硅颗粒增强的6061铝合金的物理性质包括：

在其他特定的实施方式中，mmc材料可由用20vol％碳化硅颗粒增强的6061铝合金制成。用20vol％碳化硅颗粒增强的6061铝合金的物理性质包括：

在其他特定的实施方式中，mmc材料可由用25vol％碳化硅颗粒增强的2124铝合金制成。用25vol％碳化硅颗粒增强的2124铝合金的物理性质包括：

在特定的实施方式中，mmc材料可由用17vol％碳化硅颗粒增强的2124铝合金制成。用17vol％碳化硅颗粒增强的2124铝合金的物理性质包括：

在其他实施式中，mmc材料可由用约10vol％至约50vol％的碳化硅颗粒(包括约15vol％至约30vol％，或约30vol％至约50vol％的碳化硅颗粒)增强的6063、6082、2009、或2618系列铝合金制成。

在一些特定的实施方式中，mmc材料可由用15vol％碳化硅颗粒增强的2009系列铝合金制成。用15vol％碳化硅颗粒增强的2009系列铝合金的物理性质包括：

进料mmc材料通常是通过粉末金属生产(包括但不限于粉末冶金和高能混合工艺)制成的。可通过将铝合金与增强颗粒混合以形成混合物来制造本公开的mmc材料。将混合物固结、压实、挤出或热轧。该工艺产生矩形产品，即板坯，其可被用作进入本公开的工艺的进料。

例如，可以用高能技术使金属粉末和陶瓷颗粒混合以将陶瓷增强颗粒分布到金属基质中。用于这种混合的合适技术包括球磨、机械磨碎、配合研磨(teamermills)、旋转研磨和其他向粉末成分提供高能混合的方法。机械合金化应在气氛中完成，以避免粉末过度氧化。例如，可使用氮气或氩气气体来提供惰性气氛。应该选择加工参数以达到陶瓷颗粒在金属基质中的均匀分布。

可以对来自高能混合阶段的粉末进行脱气以从粉末表面除去任何残留的水分。这可以在37℃至500℃(100°f至930°f)完成。

还可以进行热压步骤以增加增强的复合结构的密度。可以在约750°f(400℃)至约1112°f(600℃)，包括约795°f(425℃)至约1020°f(550℃)，以及约930°f(500℃)的温度范围内进行热压步骤。热压可以包括典型地在30mpa至150mpa的压力下使用热模压制、热等静压或热挤出。

通过热等静压(hotisostaticpressing，hip)使混合物固结。在hip工艺中，粉末在高压密闭容器中暴露于高温和高气压下，以使粉末转变为致密的固体。等静压是全向的。hip工艺消除了空洞和孔隙。热等静压可以在足以使金属部分达到所要求的温度的为660°f(350℃)至1110°f(600℃)的温度和30mpa至150mpa的压力下进行，通常为1小时至8小时。热等静压可以在可商购的铝合金、钢或镍hip系统上进行。

如前所述，一些mmc材料在室温下表现出有限的延展性。这意味着mmc材料在压力或压缩应力(例如在轧制期间施加到进料材料的应力)下变形的能力有限。通过常规方法加工这些材料以产生厚度减小的带材会导致材料的边缘开裂。这严重限制了经济地生产薄规格带材的能力。裂纹是由金属材料在室温下较低的延展性以及材料中的冷加工的累积引起的。

金属材料的延展性可通过在对金属材料进行轧制之前对其进行预热来提高。当温度升高时，材料会发生一些变化。首先，材料的强度降低，从而允许在轧制过程中材料的单位给定负载更多地降低。其次，金属材料的延展性随温度增加。在金属材料的熔点的一半左右的温度下，金属材料的微观结构可从轧制引起的变形中恢复并重结晶。这可能发生在轧制道次之间的时间中。有效地，将材料在道次之间进行原位退火。重结晶的程度取决于降低的百分比和材料通过研磨机的速度。与在较低温度下可能产生的总变形相比，这允许材料实现更大的总变形。

图1是系统100的第一个示例性实施方式，该系统100可用于减小金属进料的厚度以获得由金属进料形成的带材产品。系统100包括放料站110和轧机120。放料站将金属进料提供至轧机120。金属进料可提供为成批的板坯、板材或带材。或者，金属进料可提供为金属材料的卷材。如此处所示，金属进料从图的左手边开始，并沿箭头方向前进到图的右手边。

在一些实施方式中，可以在进入轧机120之前的点112处测量金属进料的厚度。可以通过计量器、传感器等进行测量。金属进料的厚度用附图标记105表示。也可将其视为“初始厚度”或“起始厚度”。

金属进料在进入轧机120之前被预热至温轧温度。温轧温度高于室温，并且通常至少为300°f(149℃)。温轧温度小于制成进料的金属材料的熔点的一半。在更具体的实施方式中，温轧温度为约350°f(177℃)至约600°f(316℃)。

在图1中，金属进料在放料站110中被预热至温轧温度。在该实施方式中，除了通过系统100发送进料之外，放料站还可充当烤炉或熔炉。附图标记108用于表示预热的金属进料。金属进料应使其整个厚度加热至温轧温度。

接着，将预热的金属进料108从预热站110供给到轧机120中。这里，通过一对咬合辊122和124使预热材料108的厚度减小。在一些实施方式中，咬合辊122和124以常规方式被一对支承辊123和125压在一起。支承辊123和125支撑在轴承座(未示出)中，并且它们是机械上可控的以改变咬合辊之间的间隙。在一些实施方式中，咬合辊或支承辊中的至少一个机械地连接至主驱动马达，该主驱动马达驱动材料通过轧机120。咬合辊122、124用保持预选压轧宽度所需的压力压在预热的金属进料108上。轧机120还可以包括压轧宽度控制器128，该压轧宽度控制器128控制咬合辊122、124施加到预热的金属进料108的实际压力，并因此控制离开轧机120的金属带材的厚度。离开轧机120的最终带材产品用附图标记109表示。

在轧机120的温轧中的进料材料的厚度的减小(％ww)可以变化。可以对金属进料进行热轧，每个轧制道次厚度减少多达30％。在一些实施方式中，每道次厚度减小约5％至约30％。在其他实施方式中，每道次厚度减小约10％至约30％。在一些实施方式中，每道次热轧厚度减小可以为约10％至约25％。还应注意的是，这里仅示出了一组咬合辊，但是轧机可包包括另外的咬合辊，使得金属进料的厚度被多次减小。轧机中的总减小量(％ww)，即在完成所有温轧道次之后，至少为金属进料的初始厚度的75％。

温轧工艺是有利的，因为它消除或至少大大减少了金属进料中裂纹的存在。此外，与冷加工相比，温轧工艺使在轧机中的每道次金属进料的厚度减小更大。与热轧温度相比，相对低的轧制温度限制了金属进料的氧化，金属进料通常在热轧温度下更易于快速氧化。

在一些实施方式中，可以在为轧机120的下游的点114处测量最终带材109的厚度。可以通过计量器、传感器等进行测量。最终带材的厚度用附图标记107表示。也可将其视为“最终厚度”或“终端厚度”。最终厚度107小于初始厚度105。理想地，最终厚度小于0.2英寸(0.51mm)。最终带材的宽度也可以大于金属进料的宽度，尽管这不是必需的。

然后，在收集站130收集带材109。带材产品的长度和宽度不是特别相关的。

图2是系统100的第二个示例性实施方式，该系统100可用于减小金属进料的厚度以获得由金属进料形成的带材产品，该系统100与图1的系统类似。在该实施方式中，系统100包括如前所述放置的放料站110、轧机120和收集站130。但是，预热不发生在放料站中。而是使预热发生在位于放料站110和轧机120之间的预热站140处。在预热之前，金属进料用附图标记103表示，在预热站140中进行预加热之后，用附图标记108表示。

在图2中，预热站140为至少一个加热辊或一组加热辊142、144的形式。加热辊142、144足够宽以匹配或超过金属进料103的宽度。分别地，加热辊142接触金属进料103的顶表面104，加热辊144接触金属进料103的底表面106。加热辊142、144可以通过内部加热元件或其他装置来加热。在一些实施方式中，内部加热元件是电阻加热元件。如果需要，多个加热辊可接触金属进料的每个表面。加热辊利用铝合金相对高的热导率将热量传递至金属进料。每个加热辊可以设置在相同的温度。在具有多个与金属进料的表面接触的加热辊的其他实施方式中，随着金属进料朝向轧机120行进，可以将加热辊设定为逐渐升高的温度。要注意的是，将加热辊设定为高于金属进料所希望达到的温轧温度。同样，金属进料应使其整个厚度加热至温轧温度。还应注意的是，在预热站140中，加热辊没有大幅减小金属进料的厚度(即，减小超过3％)。

图3是系统100的第三个示例性实施方式，该系统100可用于减小金属进料的厚度以获得由金属进料形成的带材产品，该系统100与图2的系统类似。在该实施方式中，系统100包括放料站110、轧机120、预热站140和收集站130。

如此处所示，在本公开的一些实施方式中，放料站110和收集站130适于容纳金属进料的卷材(coil/reel/roll)。卷材可以沿箭头指示的方向展开并向前前进通过系统100。这使得厚度减小过程实际上是连续的。也就是说，放料站110可以连续地供给来自卷材的金属进料。最终带材109可被不断地缠绕以形成一卷较薄的带材(与金属进料相比)。

在图3中，预热站140是加热通道的形式，当金属进料103从放料站110行进到轧机120时，金属进料103通过该加热通道。预热站充当烤炉或熔炉，以将金属进料加热至温轧温度。加热通道可以是烤炉的形式，其通过传导、对流或辐射起作用。例如，加热通道可以是燃气炉、燃烧炉或对流炉的形式。烤炉可替代地包括辐射加热元件，例如红外加热器。

应注意的是，可以将图2和图3中所示的预热站140改造到现有的轧机或类似的设备和机械中。

还可以设想的是，在一些实施方式中，轧机120内的至少一个咬合辊122、124也可以是加热辊。咬合辊可以用位于辊芯内的电阻加热元件加热，或者通过本领域已知的其他方式加热。这可维持轧机120内的金属进料108的温轧温度。

与金属进料相比，最终带材109具有较小的厚度。最终带材可被进一步加工，或者之后可用于大量生产各种制品和物品。这种制品在诸如太空、国防、航空、汽车、oem、消费品、消费类电子产品和运输应用等应用中可能是有用的。例如，最终带材可被冲压、切割等以形成制品。制品可包括：出口导流片；液压/燃料块；轮组；固定翼结构/固定翼皮；直升机部件；活塞；活塞销；气缸套；制动钳；连接杆；推杆；底盘部件；光学传感器；和卫星结构。

提供以下实施例以示出本公开的组合物、制品和方法。这些实施例仅是说明性的，并且不旨在将本公开限制于其中阐述的材料、条件或工艺参数。

实施例

比较实施例1：

将由用20vol％的sic颗粒增强的6061铝合金制成的mmc块以0.140英寸(3.55mm)的厚度挤出，并切成4.75英寸的宽度。将这些块以每道次10％cw进行冷轧。如图4a和图4b所述中，发生边缘开裂。

实施例1：

将由用20vol％的sic颗粒增强的6061铝合金制成的mmc块以0.140英寸(3.55mm)的厚度挤出，并切成4.75英寸的宽度。在450°f至550°f的温度下将这些块温轧至0.018英寸(0.46mm)的厚度，或87％的％ww，以及4.75英寸的宽度。如图5所示，材料中不存在裂纹，并且该材料易于卷绕。

将理解的是，以上公开的实施方式的变型和其他特征和功能或其替代，可以组合到许多其他不同的系统或应用中。本领域技术人员可以随后进行其中各种目前无法预料或预期的替换、修改、变化或改进，这些替换、修改、变化或改进也旨在由所附权利要求或其等同物所涵盖。