[发明专利]用于加工钛合金的方法

说明书

关于联邦资助的研究或研发的声明

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究所(National Institute of Standards and Technology；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

本公开涉及用于加工钛合金的方法。

技术背景描述

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。

如本文使用，在提及钛合金的微观结构时：术语“粗粒”是指400μm至大于约14μm的α颗粒大小；术语“细粒”是指在14μm至大于10μm范围内的α颗粒大小；术语“极细粒”是指10μm至大于4.0μm的α颗粒大小；并且术语“超细粒”是指4.0μm或更小的α颗粒大小。

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0.03s^-1至0.10s^-1的应变率。

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0.001s^-1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，Materials Science Forum,第584-586卷，第783-788页(2008))。一般MAF过程描述于例如C.Desrayaud等，Journal of Materials Processing Technology,172,第152-156页(2006)。

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0.001s^-1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。

超细粒Ti-6-4合金(UNS R56400)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。

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。

概述

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β退火。在β退火之后，将工件冷却至低于钛合金的β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0.2s^-1至0.8s^-1的范围内。

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β退火。在β退火之后，将工件冷却至低于钛合金的β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。