生产性能增强的金属材料的方法
【技术领域】
[0001]本申请涉及金属材料的生产，并且更特别地，涉及例如金属、金属合金、金属间化合物以及金属基体复合材料的性能增强型金属材料的生产。
【背景技术】
[0002]当与当前状态的本技术领域的金属材料相比，本领域对具有显著增强属性(例如，屈服强度和极限强度、断裂韧性、疲劳强度、耐摩擦和环境辅助损伤、机械加工性、可成形性以及可接合性)的金属材料有一种危急且日益增长的需求。该目标将改善在商业和军事飞行器、卫星、武器、电子和防御系统、宇宙飞船和发射系统中的组件的成本、运输以及可靠性。
[0003]例如，燃料成本在例如客机和货机的商业交通工具的运行中是显著的经济因素。因此，飞行器设计人员以及制造人员继续寻求方法以改善飞行器的总体燃料效率，并且进而减少总体飞行器工作费用。用于增加燃料效率以及增强总体飞行器性能的一种已确立的技术是减少飞行器的结构重量。这可通过使用具有高强度-重量比的材料(例如，铝、钛以及镁合金)设计飞行器的各种结构组件来完成，进而减少了飞行器的总体结构重量，并且因此提高了燃料经济性。
[0004]纳米晶体(NC)和超细粒度(UFG)金属材料已经显示出了满足增强性能的前述目标的希望。它们以实验室的规模被常规地合成，并且在了解它们的行为的过程中已经获得重大的进步。但是，由于大量NC/UFG金属材料的潜力，具体地说，由于它们的非常高的强度带来的兴奋已经被它们的令人失望的低可塑性和韧性减轻，因而限制了 NC/UFG金属材料的大多数工程应用。此外，在实验室范围之外的NC/UFG金属材料的商业应用稳固地取决于在保留它们的纳米晶体和/或超细粒度尺寸的同时使这些材料成为大量的组件的成功压实和/或热机械处理。由于NC/UFG金属材料的不良的热稳定性导致的晶粒增长严重地限制了这种关键的处理步骤。
[0005]因此，本领域的技术人员需要开发生成性能增强的金属材料的生产方法。
【发明内容】
[0006]在一个实施例中，公开了用于从半成品的金属坯料中生产金属材料的方法，半成品的金属坯料包含纳米晶体微观结构和/或超细粒度微观结构，该方法包含以下步骤:(I)使半成品金属坯料经受旋转递增成形工艺以形成中间锻造的金属坯料，和(2)使中间锻造的金属坯料经受高速成形工艺。
[0007]在另一个实施例中，公开了用于生产铝合金的方法，该方法可以包含以下步骤:(I)提供半成品铝合金坯料，该半成品铝合金坯料包含纳米晶体微观结构和/或超细粒度微观结构，(2)使该半成品铝合金坯料经受旋转旋锻过程以形成中间锻造的铝合金产品，以及(3)使中间锻造的铝合金产品经受高速挤压过程。
[0008]在又一实施例中，公开了用于生产金属材料的方法，该方法可以包含以下步骤:(I)提供金属材料粉末，(2)使金属材料粉末经受低温球磨过程以形成具有纳米晶体微观结构和/或超细粒度微观结构的已低温球磨的金属材料粉末，(3)使已低温球磨的金属材料粉末经受除气过程以形成已除气的金属材料粉末，(4)使已除气的金属材料粉末经受压实过程(例如，热等静压过程)以形成半成品金属坯料，该半成品金属坯料包括纳米晶体和/或超细粒度的微观结构，(5)使半成品金属坯料经受旋转递增成形过程以形成中间锻造的金属产品，以及(6)使中间锻造的金属产品经受高速成形过程。
[0009]用于生产金属材料的所公开方法的其他实施例将通过以下【具体实施方式】、附图以及所附权利要求变得显然。
【附图说明】
[0010]图1是描绘用于生产性能增强的金属材料的所公开方法的一个实施例的流程图；
[0011]图2是描绘用于生产具有纳米晶体微观结构和/或超细粒度微观结构的半成品金属坯料的一个示例方法的流程图；
[0012]图3是在相同的退火条件中，将示例性超高性能6061铝合金与传统6061铝合金的变形行为和强度相比较的应力与应变曲线的图示。
【具体实施方式】
[0013]以下【具体实施方式】涉及说明了本公开的具体实施例的附图。具有不同结构和操作的其他实施例没有背离本公开的范围。相同的参考编记可以在不同附图中指代相同的元件或组件。
[0014]参考图1，公开了通常被标记为10的用于生产性能增强的金属材料的方法的一个实施例。方法10可以包含被配置为例如用锻造的形式生产高性能或超高性能金属材料(例如金属产品、金属合金产品、金属间化合物产品以及金属基体复合材料)的一个或多个热机械过程。
[0015]如在本文使用的，“高性能”指的是当与具有相似成分的传统微粒状态的本领域材料相比时，在目标属性方面20%到50%的提升。“超高性能”指的是当与具有相似成分的传统微粒状态的本领域材料相比时，在目标属性方面至少50 %的提升。
[0016]如在方块12中显示的，方法10可以开始于提供半成品金属坯料的步骤。半成品金属坯料可以包含纳米晶体微观结构、超细粒度微观结构或者纳米晶体微观结构以及超细粒度微观结构。
[0017]半成品金属坯料可以由各种金属材料或者金属的组合构成。例如，半成品金属坯料可以由铝、铝合金、钛、钛合金、铁基合金(如，碳和合金钢、工具钢以及不锈钢)、超级合金(如，镲、镲合金、钴和钴合金)、难恪金属、难恪合金、镁、镁合金、铜、铜合金、贵金属、贵金属合金、锌、锌合金、锆、锆合金、铪、铪合金、金属间化合物以及金属基质复合材料形成或者可以包含铝、铝合金、钛、钛合金、铁基合金(如，碳和合金钢、工具钢以及不锈钢)、超级合金(如，镲、镲合金、钴和钴合金)、难恪金属、难恪合金、镁、镁合金、铜、铜合金、贵金属、贵金属合金、锌、锌合金、错、错合金、給、給合金、金属间化合物以及金属基质复合材料。
[0018]半成品金属坯料可以由任何合适的方法生产。正如一个通常的示例，半成品金属坯料可以通过压实小型纳米晶体/超细粒度簇形成。正如另一通常示例，半成品金属坯料可以通过分解微晶单元形成。具体地但不限于，用于产生半成品金属坯料的技术包含惰性气体冷凝；电镀；机械合金化；低温球磨；从非晶态金属材料中结晶；剧烈塑性变形；等离子体合成；化学气相沉积；物理气相沉积；喷镀；脉冲电子束沉积；电火花腐蚀等等。
[0019]如在方块14处显示的，半成品金属坯料(如，半成品铝合金坯料)可以经受被配置为使半成品金属坯料定形和/或形成(如减小横截面面积)中间锻造的金属坯料(如，中间锻造的铝合金坯料)的旋转递增成形过程或操作(如，主要热机械过程)。旋转递增成形过程可以包含旋转旋锻过程、旋转铸造过程、旋转冲孔过程、旋转皮尔格式轧管(rotarypilgering)过程等等。如具体示例，半成品金属坯料可以经受热旋转旋锻过程，以便产生具有横截面面积小于半成品金属坯料的横截面面积的中间锻造的金属坯料。
[0020]旋转递增成形过程可以包含一个或多个旋转递增成形过程参数，例如旋转递增成形过程温度、旋转递增成形过程平均等量应变速率以及旋转递增成形过程缩小比。如具体示例，热旋转旋锻过程可以由在旋锻过程参数(如旋转递增成形过程参数)下运行的任何合适的旋转旋锻装置执行。半成品金属坯料可以在旋锻温度下被定形。旋转旋锻装置可以主轴旋转速度运行，并且半成品金属坯料可以在旋转旋锻装置的锻模的每转(如，一个工作循环)中以减少百分比被减小，并且可以通过旋转旋锻装置(如，旋转递增成形过程缩小比)以进给速率(如，进给速度)被处理。通过使用商业购得的旋转旋锻机，旋转旋锻过程可以被执行。
[0021]在一个实现中，旋转递增成形过程温度(开氏温度)可以是半成品金属坯料的熔化温度Tm(开氏温度)的函数。作为一个示例，旋转递增成形过程温度可以在从约5° K到半成品金属坯料的熔化温度Tm的约20%的范围内。作为另一个示例，旋转递增成形过程温度可以在从Tm的约20%到Tm的约40%的范围内。作为另一示例，旋转递增成形过程温度可以在从Tm的约40%到Tm的约60%的范围内。作为另一示例，旋转递增成形过程温度可以在从Tm的约60%到T M的约90%的范围内。作为又一示例，旋转递增成形过程温度可以最多为Tm的约90%。
[0022]在一个示例性实施方式中，旋转递增成形过程缩小比(如，初始横截面面积与最终横截面面积的比率)可以大于10:1。在另一示例实施方式中，旋转递增成形过程缩小比可以在从约10:1到约5:1的范围内。在又一示例实