[发明专利]用于难以锻造的、应变路径敏感的钛基和镍基合金的划分道次开模锻造

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的支持下、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

本公开涉及锻造金属合金，包括由于低塑性而难以锻造的金属合金的方法。根据本公开的某些方法以最大化金属颗粒晶体结构和/或第二相粒子中的解取向的积累，同时最小化所锻造的材料中的裂纹启始和扩展的风险的方式来赋予应变。根据本公开的某些方法预期影响金属合金中的微观结构细化。

技术背景描述

塑性是任何给定金属材料(即，金属和金属合金)的固有性质。在锻造过程期间，金属材料的塑性通过锻造温度和金属材料的微观结构来调节。当塑性较低，例如，因为金属材料具有固有低塑性，或必须使用低锻造温度，或塑性微观结构还未在金属材料中产生时，通常的做法是在每个锻造重复期间减小此减少量。举例来说，代替直接将22英寸八边形工件锻造成20英寸八边形，本领域普通技术人员可考虑最初用八边形的每个端面上的锻造道次来锻造成21英寸八边形，将工件再加热，并且用八边形的每个端面上的锻造道次来锻造成20英寸八边形。然而，如果金属展现应变路径敏感性并且在产品中获得特定最终微观结构，此方法可能不合适。当在给定步骤下必须赋予临界量的应变以触发颗粒细化机制时，可观察到应变路径敏感性。对于在拉伸期间获得的减小过于轻微的锻造实践，可能无法实现微观结构细化。

在金属材料具有低温敏感性并且在低温下倾向于裂化的情况下，模具上时间必须缩短。实现此举的方法是例如使用锻造20英寸八边形坯段所需要的仅一半道次将22英寸八边形坯段锻造成20英寸圆角正方形坯段(RCS)。然后，20英寸RCS坯段可再加热并且应用第二一半道次以形成20英寸八边形坯段。锻造低温敏感金属材料的另一个解决方案是首先锻造工件的一个末端，将工件再加热，然后锻造工件的另一个末端。

在双相微观结构中，微观结构细化开始于亚界限产生和解取向积累作为例如像成核、再结晶和/或第二相球化的过程的前体。需要解取向积累来细化微观结构的合金的实例是在α-β相场中锻造的Ti-6Al-4V合金(UNS R56400)。在这类合金中，当在工件旋转之前在给定方向中赋予较大减小时，锻造在微观结构细化方面更有效。这可在实验室规模上使用多轴锻造(MAF)来完成。对于小工件(少许英寸根据侧)在(接近)恒温条件下并且使用极低应变率与适当润滑来执行的MAF能够相当均匀地赋予应变；但是脱离任何这些条件(小规模、接近恒温与润滑)可产生优先赋予中心的不均匀应变以及塑性问题与冷表面开裂。用于钛合金的工业规模颗粒细化的MAF过程公开于美国专利公开号2012/0060981 A1中，其全部以引用方式并入本文。

需要开发有效地经由锻造来为金属材料提供足够应变以启始微观结构细化机制，同时限制塑性问题的加工方法。

发明内容

根据本公开的非限制性方面，锻造金属材料工件的方法包括在锻造温度下、在第一锻造方向上开式压模锻造工件直至金属材料的减小塑性极限。开式压模锻造工件直至金属材料的减小塑性极限在锻造温度下、在第一锻造方向上重复一次或多次直到在第一锻造方向上赋予的应变的总量足以启始微观结构细化为止。然后，工件旋转所需旋转度。

旋转的工件在锻造温度下、在第二锻造方向上开式压模锻造直至金属材料的减小塑性极限。开式压模锻造工件直至金属材料的减小塑性极限在锻造温度下、在第二锻造方向上重复一次或多次直到在第二锻造方向上赋予的应变的总量足以启始微观结构细化为止。

旋转、开式压模锻造和重复开式压模锻造的步骤在第三锻造以及任选地一个或多个额外方向上重复直到在工件的整个体积中赋予启始颗粒细化的应变的总量为止。工件不旋转直到在第三和一个或多个额外方向中的每个方向上赋予足以启始微观结构细化的应变的总量为止。

根据本公开的另一个非限制性实施方案，划分道次开式模锻造金属材料工件以启始微观结构细化的方法包括提供包含金属材料的混合八边形-RCS工件。将工件镦粗锻造。随后将工件旋转在第一对角端面上、在混合八边形-RCS工件的X′方向上进行开式模拉伸。工件在X′方向上多道次拉伸锻造直至微观结构细化启始的应变阈值。每个多道次拉伸锻造步骤包括至少两个开式压力拉伸锻造步骤，减小直至金属材料的减小塑性极限。