用于加工钛合金的方法
【专利说明】
[0001] 关于联邦资助的研宄或研发的声明
[0002] 本发明是在美国政府支持下、根据美国商务部的国家标准和技术研宄所 (NationalInstituteofStandardsandTechnology;NIST)授予的NIST合同号 70NANB7H7038来进行的。美国政府可享有本发明的某些权利。 技术背景
技术领域
[0003] 本公开涉及用于加工钛合金的方法。
[0004] 技术背景描述
[0005] 用于生产具有粗粒（CG)、细粒（FG)、极细粒（VFG)或超细粒（UFG)微观结构的钛 和钛合金的方法涉及使用多个再加热和锻造步骤。锻造步骤可包括在开式压模上的除了拉 伸锻造以外的一个或多个镦粗锻造步骤。
[0006] 如本文使用，在提及钛合金的微观结构时：术语"粗粒"是指400 ym至大于约 14 ym的a颗粒大小；术语"细粒"是指在14 ym至大于10 ym范围内的a颗粒大小；术 语"极细粒"是指10 y m至大于4. 0 y m的a颗粒大小；并且术语"超细粒"是指4. 0 y m或 更小的a颗粒大小。
[0007] 锻造钛和钛合金以便产生粗粒或细粒微观结构的已知商业方法通过使用多个再 加热和锻造步骤来采用0. 03JT1至0. 10s的应变率。
[0008] 意图用于制造细粒、极细粒或超细粒微观结构的已知方法应用0. 001s4或更慢的 超慢应变率下的多轴锻造（MAF)过程（参见例如G.Salishchev等，MaterialsScience Forum,第 584-586 卷，第 783-788 页（2008))。一般MAF过程描述于例如C.Desrayaud等， JournalofMaterialsProcessingTechnology, 172,第 152-156 页（2006)〇
[0009] 超慢应变率MAF过程中的颗粒细化的关键是在由所使用的超慢应变率，即 O.OOlf或更慢的应变率所产生的动态再结晶状况下连续运作的能力。在动态再结晶期间， 颗粒同时成核、生长并且积累位移。新成核颗粒内的位移的产生连续地减少颗粒生长的驱 动力，并且颗粒成核在能量方面为有利的。超慢应变率MAF过程使用动态再结晶以便在锻 造过程期间连续地使颗粒再结晶。
[0010] 超细粒Ti-6-4合金（UNSR56400)的相对均匀的立方体可使用超慢应变率MAF过 程来生产，但是在商业情形中为了执行MAF步骤所耗费的累积时间可为过度的。另外，常规 大规模、可商购开式压模锻造设备可能不具有实现这类实施方案中所需要的超慢应变率的 能力，并且因此，可能需要定制锻造设备来用于进行生产规模超慢应变率MAF。
[0011] 因此，开发用于生产具有粗的、细的、极细或超细粒微观结构的钛合金的过程将为 有利的，所述过程不需要多个再加热、顾及较高应变率、减少加工所需时间，并且消除对于 定制锻造装备的需要。
[0012] 概述
[0013] 根据本公开的非限制性方面，细化包含钛合金的工件的颗粒大小的方法包括使工 件0退火。在0退火之后，将工件冷却至低于钛合金的0转变温度的温度。然后将工件 多轴锻造。多轴锻造包括：以足以绝热地加热所述工件的内部区域的应变率、在所述工件的 第一正交轴的方向上、在工件锻造温度范围内的工件锻造温度下压力锻造所述工件；以足 以绝热地加热所述工件的所述内部区域的应变率、在所述工件的第二正交轴的方向上、在 所述工件锻造温度范围内的工件锻造温度下压力锻造所述工件；以及以足以绝热地加热所 述工件的所述内部区域的应变率、在所述工件的第三正交轴的方向上、在所述工件锻造温 度范围内的工件锻造温度下压力锻造所述工件。任选地，在连续压力锻造步骤中间，使所述 工件的绝热地加热的内部区域冷却至处于或接近所述工件锻造温度范围内的工件锻造温 度的温度，并且将所述工件的外表面区域加热至处于或接近所述工件锻造温度范围内的工 件锻造温度的温度。重复所述压力锻造步骤中的至少一个，直到在所述工件的至少一个区 域中实现至少1.0的总应变。在另一个非限制性实施方案中，重复所述压力锻造步骤中的 至少一个，直到在所述工件的至少一个区域中实现至少1. 0直至小于3. 5的总应变。在一 个非限制性实施方案中，在压力锻造期间所使用的应变率在〇. 2s4至0. 8JT1的范围内。
[0014] 根据本公开的另一个非限制性方面，细化包含钛合金的工件的颗粒大小的方法的 非限制性实施方案包括使所述工件0退火。在0退火之后，将工件冷却至低于钛合金的 0转变温度的温度。然后使用包括以下锻造步骤的顺序将工件多轴锻造。
[0015] 以足以绝热地加热工件的内部区域的应变率、在所述工件的第一正交A轴的方向 上、在工件锻造温度范围内的工件锻造温度下将工件压力锻造至主要减少间隔物高度。如 本文所用，主要减少间隔物高度是等于工件的每个正交轴所需的最终锻造尺寸的距离。
[0016] 在第一阻塞减少中在所述工件的第二正交B轴方向上、在所述工件锻造温度范围 内的工件锻造温度下将工件压力锻造至第一阻塞减少间隔物高度。应用第一阻塞减少来使 工件大致上恢复至所述工件的锻造前形状。虽然第一阻塞减少的应变率可能足以绝热地加 热工件的内部区域，但在非限制性实施方案中，在所述第一阻塞减少期间绝热加热可能不 会发生，因为在所述第一阻塞减少中引发的总应变可能不足以显著绝热地加热所述工件。 所述第一阻塞减少间隔物高度大于主要减少间隔物高度。
[0017] 在第二阻塞减少中在所述工件的第三正交C轴方向上、在所述工件锻造温度范围 内的工件锻造温度下将工件压力锻造至第二阻塞减少间隔物高度。应用第二阻塞减少来使 工件大致上恢复至所述工件的锻造前形状。虽然第二阻塞减少的应变率可能足以绝热地加 热工件的内部区域，但在非限制性实施方案中，在所述第二阻塞减少期间绝热加热可能不 会发生，因为在所述第二阻塞减少中引发的总应变可能不足以显著绝热地加热所述工件。 所述第二阻塞减少间隔物高度大于主要减少间隔物高度。
[0018] 以足以绝热地加热工件的内部区域的应变率、在所述工件的第二正交B轴的方向 上、在工件锻造温度范围内的工件锻造温度下将工件压力锻造至主要减少间隔物高度。
[0019] 在第一阻塞减少中在所述工件的第三正交C轴方向上、在所述工件锻造温度范围 内的工件锻造温度下将工件压力锻造至第一阻塞减少间隔物高度。应用第一阻塞减少来使 工件大致上恢复至所述工件的锻造前形状。虽然第一阻塞减少的应变率可能足以绝热地加 热工件的内部区域，但在非限制性实施方案中，在所述第一阻塞减少期间绝热加热可能不 会发生，因为在所述第一阻塞减少中引发的总应变可能不足以显著绝热地加热所述工件。 所述第一阻塞减少间隔物高度大于主要减少间隔物高度。
[0020] 在第二阻塞减少中在所述工件的第一正交A轴方向上、在所述工件锻造温度范围 内的工件锻造温度下将工件压力锻造至第二阻塞减少间隔物高度。应用第二阻塞减少来使 工件大致上恢复至所述工件的锻造前形状。虽然第二阻塞减少的应变率可能足以绝热地加 热工件的内部区域，但在非限制性实施方案中，在所述第二阻塞减少期间绝热加热可能不 会发生，因为在所述第二阻塞减少中引发的总应变可能不足以显著绝热地加热所述工件。 所述第二阻塞减少间隔物高度大于主要减少间隔物高度。
[0021] 以足以绝热地加热工件的内部区域的应变率、在主要减少中在所述工件的第三正 交C轴的方向上、在工件锻造温度范围内的工件锻造温度下将工件压力锻造至主要减少间 隔物高度。
[0022] 在第一阻塞减少中在所述工件的第一正交A轴方向上、在所述工件锻造温度范围 内的工件锻造温度下将工件压力锻造至第一阻塞减少间隔物高度。应用第一阻塞减少来使 工件大致上恢复至所述工件的锻造前形状。虽然第一阻塞减少的应变率可能足以绝热地加 热工件的内部区域，但在非限制性实施方案中，在所述第一阻塞减少期间绝热加热可能不 会发生，因为在所述第一阻塞减少中引发的总应变可能不足以显著绝热地加热所述工件。 所述第一阻塞减少间隔物高度大于主要减少间隔物高度。
[0023] 在第二阻塞减少中在所述工件的第二正交B轴方向上、在所述工件锻造温度范围 内的工件锻造温度下将工件压力锻造至第二阻塞减少间隔物高度。应用第二阻塞减少来使 工件大致上恢复至所述工件的锻造前形状。虽然第二阻塞减少的应变率可能足以绝热地加 热工件的内部区域，但在非限制性实施方案中，在所述第二阻塞减少期间绝热加热可能不 会发生，因为在所述第二阻塞减少中引发的总应变可能不足以显著绝热地加热所述工件。 所述第二阻塞减少间隔物高度大于主要减少间隔物高度。
[0024] 任选地，在锻造方法实施方案的连续压力锻造步骤中间，使所述工件的绝热地加 热的内部区域冷却约所述工件锻造温度范围内的工件锻造温度，并且将所述工件的外表面 区域加热至约所述工件锻造温度范围内的工件锻造温度。重复所述方法实施方案的前述压 力锻造步骤中的至少一个，直到在所述工件的至少一个区域中实现至少1.0的总应变。在 所述方法的非限制性实施方案中，重复所述压力锻造步骤中的至少一个，直到在所述工件 的至少一个区域中实现至少1. 0并且直至小于3. 5的总应变。在一个非限制性实施方案中， 在压力锻造期间所使用的应变率在0. 2s4至0. 8JT1的范围内。
[0025] 附图简述
[0026] 本文所述的设备和方法的特征和优点可通过参考附图来更好地了解，其中：
[0027] 图1是绘制存在于Ti-6-4、Ti-6-2-4_6和Ti-6-2-4-2合金中的平衡a相的体积 分数随温度变化的计算预测的图；
[0028] 图2是列出根据本公开的用于加工钛合金的方法的非限制性实施方案的步骤的 流程图；
[0029] 图3是根据本公开的非限制性方面的用于针对颗粒大小的细化加工钛合金的 使用热管理的高应变率多轴锻造方法的非限制性实施方案的方面的示意性图示，其中图 2 (a)、2 (c)和2 (e)表示非限制性压力锻造步骤，并且图2 (b)、2 (d)和2 (f)表示任选地非限 制性冷却和加热步骤；
[0030] 图4是已知用于细化小规模样本的颗粒大小的现有技术慢应变率多轴锻造技术 的方面的不意性图不；
[0031] 图5是列出根据本公开的用于加工钛合金的方法的非限制性实施方案的步骤的 流程图；包括主要正交减少至工件的最终所需尺寸和第一和第二阻塞减少；
[0032] 图6是根据本公开的高应变率多轴锻造方法的非限制性实施方案的温度-时间热 机械工艺流程图；
[0033] 图7是根据本公开的多温度高应变率多轴锻造方法的非限制性实施方案的温 度-时间热机械工艺流程图；
[0034] 图8是根据本公开的通过0转变高应变率多轴锻造方法的非限制性实施方案的 温度-时间热机械工艺流程