CN102741005A - 用于加工合金锭的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了涉及加工及热加工合金锭的工艺及方法。使金属材料层沉积于合金锭的表面的至少一区域上，然后热加工该合金锭。该工艺及方法的特征为降低热加工期间该合金锭的表面破裂的发生率。

Description

用于加工合金锭的系统和方法
技术领域
本发明涉及用于加工合金锭的系统及方法。本发明也涉及用于热加工合金锭的工艺。
背景技术
金属合金产品(例如)可使用锭冶金操作或粉末冶金操作制得。锭冶金操作可包括熔化合金原料并浇铸经熔融的材料成一锭。锭冶金操作的非限制性实例是“三重熔化(triple melt)”技术，其包括三种熔化操作：(1)真空感应熔炼(VIM)以由原料制备所需合金组合物；(2)电渣精炼(ESR)，其可降低(例如)含氧包合体(inclusion)的含量，及(3)真空电弧再熔(VAR)，其可降低ESR后固化期间可发生的组成分离。锭可在VAR操作后固化期间形成。
粉末冶金操作可包括雾化熔融合金和收集及固结经固化的冶金粉末成一锭。粉末冶金操作的非限制性实例包括以下步骤：(1)VIM以由原料制备所需合金组合物；(2)将熔融合金雾化成熔融合金液滴，其固化成合金粉末；(3)任选地筛分以减少包合体；(4)装罐及脱气；及(5)压缩以固结合金粉末成合金锭。
可热加工由锭冶金操作及粉末冶金操作形成的合金锭以制造其他合金产品。例如，固化或固结形成合金锭后，该锭经受锻造和/或挤压以由该锭形成坯段或其他合金物件。
发明内容
本文所公开的实施方案涉及一种锭加工方法。锭加工方法可包括将金属材料层沉积于合金锭的表面的至少一区域上。该锭加工方法的特征为金属材料层降低热加工期间合金锭的表面破裂的发生率。
本文所公开的其他实施方案涉及一种热加工工艺。该热加工工艺可包含对合金锭施力以使该合金锭变形。合金锭可包括沉积于该合金锭的表面的至少一区域上的金属材料层。热加工工艺的特征为力是施加于该金属材料层上。
本文所公开的其他实施方案涉及锭加工系统。锭加工系统可包含锭定位设备。锭定位设备可配置成使锭绕该锭的长轴旋转。锭加工系统也可包含焊接设备。焊接设备可配置成将金属材料层以焊缝沉积物(weld deposit)形式沉积于锭表面的至少一区域上。
应了解，本文所公开及描述的本发明不限于此概述中所公开的实施方案。
附图简述
通过参照附图，可更好地理解本文所公开及描述的非限制性实施方案的各种特征。
图1A是具有沉积于锭的末端表面上的金属材料层的锭的侧视图，且图1B是图1A所示的锭的透视图；
图2是具有沉积于锭的圆周表面上的金属材料层的锭的透视图；
图3A是具有沉积于锭的末端表面及圆周表面上的金属材料层的锭的侧视图，且图3B是图3A所示的锭的透视图；
图4A-4D是说明一种将金属材料以焊缝沉积物形式沉积于锭的圆周表面上的方法的透视图；
图5A-5D是说明另一种将金属材料以焊缝沉积物形式沉积于锭的圆周表面上的方法的透视图；
图6A是说明一种将金属材料以焊缝沉积物形式沉积于锭的圆周表面上的方法的另一实施方案的透视图，且图6B是图6A所示且具有以焊缝沉积物形式沉积于锭的整个圆周表面上的金属材料层的锭的透视图；
图7A是在镦锻(upset forging)操作中锭的侧面截面图，图7B是镦锻后图7A所示的锭的放大部分侧面截面图，图7C是在镦锻操作中且具有沉积于锭的末端表面上的金属材料层的锭的侧面截面图，且图7D是镦锻后图7C所示的锭的放大部分侧面截面图；
图8A是在拉拔锻造(draw forging)操作中锭的侧面截面图，图8B是拉拔锻造后图8A所示的锭的放大部分侧面截面图，图8C是在拉拔锻造操作中且具有沉积于锭的圆周表面上的金属材料层的锭的侧面截面图，且图8D是拉拔锻造后图8C所示的锭的放大部分侧面截面图；
图9是两个3英寸合金立方体的照片，每个合金立方体具有通过焊接操作而沉积于立方体表面上的金属材料层(如照片中的取向)；
图10A和10B是1英寸扁圆片(pancake)的两个模具-接触面的照片，该扁圆片是由具有通过焊接操作而沉积于合金立方体的模具-接触面上的金属材料层的3英寸合金立方体压缩锻造而成；及
图11是1英寸扁圆片的截面的照片，该扁圆片是由具有通过焊接操作而沉积于合金立方体的模具-接触面(如照片中取向的上表面)上的金属材料层的3英寸合金立方体压缩锻造而成，且图11A是沿如图11所示的焊接表面的截面取得的显微照片。
考虑以下根据本发明的各种非限制性实施方案的详细描述时，读者将会意识到下述细节以及其他细节。于实施或利用本文所述的实施方案时，读者也可理解额外细节。
非限制性实施方案的详述
应了解，已简化本文所公开的实施方案的各种描述以仅阐述与明确了解所公开实施方案有关的那些特征、方面、特性等，而为了明晰的目的消除其他特征、方面、特性等。本领域普通技术人员于考虑本发明所公开的实施方案的描述时，将认识到在特定实施或应用所公开的实施方案中，其他特征、方面、特性等是可取的。然而，由于本领域普通技术人员于考虑本发明公开的实施方案描述时可轻易确定及实施此类其他特征、方面、特性等，故其等并非为全面了解所公开实施方案所需要的，因此本文不提供此类特征、方面、特性等的描述。如此，应了解，本文所阐明的描述仅是示例性的并且说明所公开的实施方案，而非意欲限制如单独通过权利要求所界定的本发明的范围。
在本发明中，除另有指明外，表示量或特性的所有数字皆应理解为在所有情况下是以术语“约”开始或被其修饰。因此，除另指明为相反外，阐明于以下描述的任何数字参数可依根据本发明实施方案中设法获得的所期望性质而变化。至少且并非试图限制等同于权利要求的教义的应用，本发明所述的各数字参数应至少鉴于所记录的有效数字及通过应用一般舍入技术而理解。
此外，本文所述的任何数字范围意欲包括本文中所包含的所有子范围。例如，“1至10”的范围意欲包括介于所述最小值1及所述最大值10之间(及包括两者)的所有子范围，即具有等于或大于1的最小值及等于或小于10的最大值。本文所述的任何最大数字限制意欲包括其中所包含的所有较低数字限制并且本文所述的任何最小数字限制意欲包括其中所包含的所有较高数字限制。因此，申请人保有修改本发明(包括权利要求)的权利以明确陈述包含于本文所明确陈述的范围内的任何子范围。确定所有此类范围为本文所固有公开以使修改至明确陈述任何此类子范围将遵守35U.S.C.§112第一段及35U.S.C.§132(a)的要求。
除另有指明外，如本文所用的语法冠词“一(one)”、“一(a)”、“一(an)”和“该(the)”意欲包括“至少一”或“一或多”。因此，本文所用冠词是指一个或多于一个(即至少一个)的冠词语法对象。举例而言，“一组件”意指一或多个组件，因此可考虑多于一个组件及多于一个组件可应用于或用于实施所述实施方案。
除另有指明外，据说以引用的方式并入本文中的任何专利、公布或其他公开材料是以整体并入本文中，但仅至所并入的材料不与本发明中明确阐明的既有定义、陈述或其他公开材料相冲突的程度。如此及至所需程度，如本文所阐明的表述内容替代以引用方式并入本文中的任何冲突材料。据说以引用的方式并入本文中但与本发明中明确阐明的既有定义、陈述或其他公开材料相冲突的任何材料或其部分是仅以在所并入的材料及既有公开内容之间无冲突出现的程度并入。申请人保有修改本发明以明确陈述以引用方式并入本文中的任何主题或其部分的权利。
本发明包括各种实施方案的描述。应了解本文所述的所有实施方案是例示性、说明性且非限制性。因此，本发明不受限于各种例示性、说明性及非限制性实施方案的描述。相反，本发明是仅受权利要求所界定，该权利要求可经修改以陈述本发明中明确或固有描述的或另外通过本发明明确或固有支持的任何特征。因此，任何此类修改将遵守35U.S.C.§112第一段及35U.S.C.§132(a)的要求。
本文所公开及描述的各种实施方案可包括如本文不同描述的特征、方面、特性等，由其组成或基本上由其组成。本文所公开及描述的各种实施方案也可包含本领域已知或于实践中实施时另外归入各种实施方案中的额外或任选的特征、方面、特性等。
各种合金的特征为破裂敏感性(crack sensitive)。在加工操作期间，破裂敏感性合金易形成裂纹。例如在用于由破裂敏感性合金锭制造合金物件的热加工操作期间，破裂敏感性合金锭(例如)可形成裂纹。例如，利用锻造转化，可由合金锭形成合金坯段。利用挤压或其他加工操作，可由合金坯段或合金锭形成其他合金物件。由于在热加工期间(例如，在锻造或挤压期间)合金锭发生表面破裂，故利用热加工操作，由破裂敏感性合金锭形成合金物件的生产率较低。
如本文所用，术语“热加工”是指在大于环境温度的温度下对工件施力，其中所施加力使该工件变形。
在热加工操作，诸如(例如)锻造或挤压期间，经受加工操作的合金锭的温度可大于用以机械施力于锭表面的模具的温度。介于锭表面与接触模具间所产生的热梯度偏移可促进热加工期间该锭的表面破裂，尤其是由破裂敏感性合金所形成的锭，诸如(例如)镍基、铁基、镍-铁基及钴基合金及超合金。
本文所公开的实施方案也涉及锭加工方法及热加工工艺，其特征为降低在热加工操作期间合金锭的表面破裂的发生率。在各种实施方案中，所述方法和/或工艺可包括将金属材料层沉积于合金锭的表面的至少一区域上。通过在具有经沉积的金属材料层的表面区域处对合金锭施力可热加工该合金锭。所施加的力可使合金锭变形。
在各种实施方案中，合金锭可包含破裂敏感性合金。例如，各种镍基、铁基、镍-铁基及钴基合金及超合金可以是破裂敏感性的，尤其于热加工操作期间。合金锭可以是由此类破裂敏感性合金及超合金形成。破裂敏感性合金锭可由合金或超合金，包括(但不限于)合金718、合金720、Rene 41TM合金、Rene 88TM合金、
Figure BDA00001959442900051
合金及
Figure BDA00001959442900052
100合金形成。本文所述的方法、工艺及系统通常适用于任何合金，此类合金的特征为在热加工温度下的延展性相对较低。如本文所用，术语“合金”包括常规合金及超合金，其中超合金在高温下展现相对良好的表面稳定性、抗腐蚀及抗氧化能力、高强度及高抗蠕变性。
利用锭冶金操作或粉末冶金操作可形成合金锭。例如，在各种实施方案中，通过VIM，然后VAR(VIM-VAR操作)可形成合金锭。在各种实施方案中，通过三重熔化可形成合金锭，其中ESR操作是在VIM操作及VAR操作中间进行(VIM-ESR-VAR操作)。在其他实施方案中，利用粉末冶金操作可形成合金锭，其中该粉末冶金操作包括雾化熔融合金和收集及固结所得冶金粉末成锭。
在各种实施方案中，利用喷涂成形操作可形成合金锭。例如，VIM可用于由原料制备基底金属组合物。VIM后，可任选地利用ESR操作。可自VIM或ESR熔池提取出熔融合金并雾化以形成熔融液滴。例如，利用冷壁感应导板(CIG)可自熔池提取出熔融合金。利用喷涂成形操作可沉积熔融合金液滴以形成固化锭。
初始锭形成后，但在金属材料层沉积于锭上及随后热加工该锭前，可热处理和/或表面修整合金锭。例如，在各种实施方案中，可使合金锭暴露于高温以均匀化锭的合金组成及微结构。高温可以是高于合金的再结晶温度但低于合金的熔点温度。
例如通过研磨或剥离锭的表面可表面修整合金锭。也可砂磨和/或抛光合金锭。可在任何任选的热处理步骤，诸如(例如)在高温下均匀化之前和/或之后进行表面修整操作。
在各种实施方案中，金属材料层可沉积于及冶金键合于合金锭的表面的至少一区域。例如，金属材料层可以焊缝沉积物形式沉积于锭表面上。利用焊接操作，包括(但不限于)金属惰性气体(MIG)焊接、钨惰性气体(TIG)焊接、电浆焊接、潜弧焊接及电子束焊接，焊缝沉积物可冶金键合于合金锭的表面的至少一区域。
金属材料层可包含在欲使用的特定加工温度下比下层锭的合金更具延展性和/或更可锻造的金属材料。金属材料层可包含在欲使用的特定加工温度下比下层锭的合金展现较大韧性和/或较小硬度的金属材料。在各种实施方案中，金属材料层隔离下层锭表面与接触模具的表面，由此防止下层锭表面冷却至该表面在热加工期间更轻易破裂的脆化温度。
金属材料层可包含抗氧化的金属材料。在各种实施方案中，金属材料层在热加工期间或其他情况下不氧化。金属材料层可包含展现相对高刚性(例如相对低弹性模数)的金属材料。在各种实施方案中，在热加工期间，合金末端层实质上不变薄(例如，通过一或多个模具施力将使相对低刚性的金属材料在下层锭表面上变薄)。
在各种实施方案中，形成下层锭的金属材料及合金可包含相同基底金属。例如，如果合金锭包含镍基合金或超合金(例如，合金720、Rene 88TM合金或
Figure BDA00001959442900071
合金)，则沉积层的金属材料也可包含镍基合金，诸如(例如)镍基焊接合金(例如，从Techalloy Company/Central Wire可得的Techalloy606TM合金)。
金属材料层可沉积于足以隔离下层锭表面与接触模具的表面的厚度，由此防止下层锭表面冷却至该下层表面在热加工期间可更轻易破裂的温度。如此，更大的热加工温度通常与更大的金属材料层厚度有关。在各种实施方案中，在合金锭的表面的至少一区域上，金属材料层可沉积至0.25英寸至0.5英寸的厚度。
合金可有效热加工的温度范围是基于引起合金破裂的温度。在热加工操作的给定起始温度下，由于引起合金破裂的温度差异，故一些合金可在比其他合金更大的温度范围内有效地热加工。对于具有相对较小的热加工温度范围(即起始温度与引起破裂的温度间的差异)的合金，需要相对较大的金属材料层的厚度以防止下层锭冷却至引起破裂的脆化温度范围。同样地，对于具有相对较大的热加工温度范围的合金，金属材料层的厚度可相对较小且仍可防止下层锭冷却至引起破裂的脆化温度范围。
在各种实施方案中，金属材料层可沉积于合金锭的至少一末端上。图1A及1B图示具有相对末端13a和13b的拉长合金锭10。金属材料层15a及15b沉积于合金锭10的末端13a和13b上。虽然图1A及1B显示在锭10的两个末端13a与13b上的金属材料层，但在各种实施方案中，金属材料层可仅沉积于拉长合金锭的一末端上并且另一相对末端可不具有经沉积的金属材料层。虽然图1A及1B显示完全覆盖锭10的末端的金属材料层，但在各种实施方案中，金属材料层可仅沉积于拉长合金锭的一或两个相对末端表面的一部分或区域上。在各种实施方案中，金属材料层可比锭的合金更具延展性。
金属材料层可沉积于圆柱形合金锭的圆周表面的至少一区域上。图2说明具有相对末端23a和23b及圆周表面27(如虚线所示)的合金锭20。金属材料层25沉积于合金锭20的圆周表面27上。虽然图2显示完全覆盖圆周表面27的金属材料层，但在各种实施方案中，金属材料层可仅沉积于圆柱形合金锭的圆周表面的一部分或区域上。
图3A及3B说明具有相对末端33a和33b及圆周表面37(如虚线所示)的合金锭30。金属材料层35沉积于合金锭30的圆周表面37及末端33a和33b上。如此，合金锭30被经沉积的金属材料层35完全覆盖。下层锭的表面如图3A及3B中的虚线所示。虽然图3A及3B显示金属材料层完全覆盖锭30的末端及圆周表面，但在各种实施方案中，金属材料层也可仅沉积于拉长圆柱形合金锭的一或两个相对末端表面和/或圆周表面的一部分或区域上。
在各种实施方案中，通过绕锭的长轴旋转一锭并将金属材料以焊缝沉积物形式沉积于旋转锭的圆周表面的第一区域上，将该金属材料层以焊缝沉积物形式沉积于合金锭的表面的至少一区域上。可利用至少一固定焊枪沉积金属材料层。当锭旋转及表面穿过该枪下方时，焊枪可使金属材料沉积于锭的表面上。如此，当锭前进穿过至少一圈时，可将金属材料的环状层沉积于圆柱形锭的圆周表面的第一区域上。
在旋转锭前进穿过至少一圈且金属材料的环状层沉积于锭的圆周表面的区域上后，至少一焊枪可重新定位于邻近金属材料所沉积的环状层的位置。通过相对于锭移动至少一焊枪和/或相对于至少一焊枪移动锭可进行重新定位。然后经重新定位的焊枪可将额外金属材料以焊缝沉积物形式沉积于旋转锭的圆周表面的第二或随后区域上。如此，可形成邻近事先沉积的环状金属材料层的第二或随后环状金属材料层。在各种实施方案中，可依次形成彼此邻近及与彼此接触的金属材料的环状层，以使金属材料层总体形成覆盖圆柱形锭的圆周表面的至少一区域的连续层。
可依次重复至少一焊枪的重新定位及金属材料的环状层的沉积直至合金锭的圆周表面实质上被连续金属材料层覆盖。在各种实施方案中，可预定和/或积极控制焊接操作参数、焊枪定位及锭定位以形成均匀金属材料层于合金锭的表面的至少一区域上。
图4A-4D总体说明将金属材料以焊缝沉积物形式沉积于合金锭的表面的至少一区域上的实施方案。合金锭100如箭头102所示绕长轴101旋转。当锭100绕长轴101旋转时，焊枪110保持固定及沉积金属材料150于锭100的圆周表面170上。当锭处于加工锭100的温度下，金属材料150可比合金锭100的合金更具延展性和/或更可锻造。当圆周表面170穿过焊枪110下方时，焊枪110沉积金属材料150于锭100的圆周表面170的第一区域171上。焊枪110保持固定直至锭100前进穿过至少一圈，并且金属材料150的环状层沉积于锭100的圆周表面170的第一区域171上(图4C)。
如图4C所示，在通过旋转锭100穿过至少一圈而使金属材料150的环形层沉积于锭100的圆周表面170的第一区域171上后，通过如图4C的箭头112所示，沿平行于锭100的长轴101的方向移动焊枪一段距离以重新定位焊枪110。重新定位焊枪110以使焊枪110位于第一区域171的邻近处并因此邻近已沉积的金属材料150的环形层(图4D)。虽然图4C说明通过平行长轴101移动焊枪110以重新定位焊枪110，但焊枪110相对于锭100的位置也可通过平行长轴101移动锭100而变化。
如图4D所示，当锭100绕长轴101旋转时，重新定位的焊枪110将额外金属材料150'以焊缝沉积物形式沉积于锭100的圆周表面170的第二区域172上。如此，金属材料150'的第二环形层沉积邻近于金属材料150的第一环形层。例如，如图2所示，可依次重复改变焊枪110与锭100的相对位置及沉积金属材料的环形层直至合金锭100的圆周表面170实质上被金属材料覆盖。
在各种实施方案中，通过朝锭的长轴方向沿着圆柱形锭的圆周表面的第一区域移动至少一焊枪，可将金属材料层以焊缝沉积物形式沉积于锭的表面的至少一区域上。至少一焊枪可朝锭的长轴方向沿着圆柱形锭的圆周表面的第一区域移动，而圆柱形锭保持固定。或者，至少一焊枪保持固定，而圆柱形锭朝锭的长轴方向移动及圆柱形锭的圆周表面的第一区域穿过至少一焊枪下方。至少一焊枪可平行于锭的长轴沉积金属材料于锭的圆周表面的第一区域上。如此，金属材料层通常可平行于锭的长轴地沉积于锭的圆周表面上。
在金属材料层平行于锭的长轴沉积于锭的圆周表面上后，可重新定位圆柱形锭以移动经沉积的金属材料层(及圆周表面的相应区域)远离至少一焊枪并且朝着至少一焊枪移动圆周表面的第二或随后区域。在以此方式重新定位圆柱形锭后，通过朝着平行于锭的长轴的方向沿着锭的圆周表面的第二或随后区域移动至少一焊枪可将额外金属材料以焊缝沉积物形式沉积于锭的圆柱形表面上。
至少一焊枪可朝着平行于锭的长轴方向，沿圆柱形锭的圆周表面的第二或随后区域移动，而圆柱形锭保持固定。或者，至少一焊枪保持固定，而圆柱形平行于锭的长轴移动并且圆柱形锭的圆周表面的第二或随后区域穿过至少一焊枪下方。至少一焊枪可沉积金属材料于锭的圆周表面的第二或随后区域上。如此，金属材料的额外轴向层通常可平行于锭的长轴而沉积于锭的圆周表面上并且邻近和接触也通常平行锭的长轴地沉积的金属材料的预先沉积层。在各种实施方案中，可移动至少一焊枪及锭两者的位置以使至少一焊枪的位置相对于锭的圆周表面而变化。
可依次重复圆柱形锭与至少一焊枪的相对重复定位并沿平行于锭的长轴的方向沉积金属材料层于锭的圆周表面上直至合金锭的圆周表面实质上被金属材料覆盖。在各种实施方案中，可预定和/或积极控制焊接操作参数、焊枪定位及锭定位以于合金锭的表面的至少一区域上形成均匀金属材料层。
图5A-5D总体说明将金属材料以焊缝沉积物形式沉积于合金锭的表面的至少一区域上的实施方案。参照图5A，显示具有长轴201及圆周表面270的合金锭200。显示金属材料层250朝着平行于长轴201的方向定位，沉积于锭200的圆周表面250的区域271上。当焊枪210如箭头212所示朝平行于长轴201的方向沿着区域272移动时，焊枪210将额外金属材料以焊缝沉积物形式250'沉积于圆周表面270的区域272上。焊枪210如箭头212所示般移动直至金属材料层250通常沿着锭200的整个长度沉积于圆周表面270的区域272中(图5C)。
如图5C与5D所示，金属材料层250沉积于区域272中后，重新定位锭200以移动金属材料250层(和区域272)远离焊枪210并且朝着焊枪210移动圆周表面270的区域273。锭200可通过如由图5A-5D中的希腊字母theta(θ)所示的预定分度角旋转锭200重新定位。
如图5D所示，重新定位锭200后，通过朝平行于长轴201方向(如箭头212所示)沿着圆柱形锭200的圆周表面270的区域273移动焊枪210而将金属材料的另一层以焊缝沉积物形式250"沉积于锭200的圆柱形表面270的区域273上。如此，形成彼此邻近及与锭200的圆周表面270周围接触的金属材料250的额外层。金属材料的第一层沉积于圆周表面270的区域271上。然后使合金锭200以预定的分度角θ1旋转。金属材料的第二层沉积于圆周表面270的区域272上。然后使合金锭以预定的分度角θ2旋转。显示第三层沿平行于长轴201的方向沉积于图4D中圆周表面270的区域273上。例如，如图2所示，可依次重复重新定位锭200，移动焊枪210及沉积金属材料层直至合金锭200的圆周表面270实质上被金属材料覆盖。
图5A-5D显示焊枪210朝平行于长轴201的方向(通过箭头212所示)沿锭200的圆周表面270的区域(271、272、273)移动，而锭200保持固定。或者，焊枪210可保持固定并且锭200可沿长轴201的方向移动以使锭200的圆周表面270的区域(271、272、273)穿过固定焊枪210的下方。焊枪210可将金属材料层250沉积于锭200的圆周表面270的区域(271、272、273)上。如此，例如金属材料的额外层通常可平行于锭200的长轴201并且彼此邻近地沉积于锭200的圆周表面270上直至锭200实质上被金属材料覆盖，如图2所示。
在各种实施方案中，通过绕锭的长轴旋转锭及将金属材料以焊缝沉积物形式沉积于旋转锭的圆周表面上，金属材料层可以焊缝沉积物形式沉积于锭的表面上。利用至少一移动焊枪可沉积金属材料层。至少一焊枪可平行于锭的长轴移动并且于锭旋转时沉积金属材料在锭的表面上。如此，当锭旋转且至少一焊枪移动时，金属材料沉积物可以螺旋方式沉积于圆柱形锭的圆周表面上。
图6A说明将金属材料以焊缝沉积物形式沉积于合金锭的表面的至少一区域上。显示具有长轴301及圆周表面370的合金锭300。显示以螺旋形式沉积于锭300的圆周表面370上的金属材料350沉积物。当焊枪310平行于长轴301(如通过箭头312所示)移动时，焊枪310沉积金属材料层350于圆周表面370上，而锭300同时绕长轴301(如通过箭头302所示)旋转。焊枪310如箭头312所示移动并且锭300如箭头302所示旋转直至金属材料层350通常沿着整个圆周表面370沉积(图6B)。
通过施力于合金锭可热加工包括沉积于合金锭的表面的至少一区域上的金属材料层的合金锭。可在具有沉积于至少一区域上的金属材料层的合金锭的至少一表面的至少一区域中对合金锭施力。如此，通过对沉积于锭上的金属材料层施力可将力施于锭。在各种实施方案中，热加工操作可包含锻造操作和/或挤压操作。例如，可镦锻和/或拉拔锻造具有沉积于合金锭的表面的至少一区域上的金属材料层的合金锭。
镦锻及拉拔锻造操作可包含镦锻操作的一或多个次序及拉拔锻造操作的一或多个次序。在镦锻期间，锭的末端表面与施力于锭(压缩锭的长度及增加锭的横截面)的锻造模具接触。在拉拔操作期间，侧面(例如，圆柱形锭的圆周表面)可与施力于锭(压缩锭的横截面及增加锭的长度)的锻造模具接触。
图7A及7C图示一镦锻操作。锻造模具480/480'施力于锭400/400′的相对末端。如箭头485/485'所示，通常平行于锭400/400'的长轴401/401'施力。图7A显示在锭400的相对末端上无沉积的金属材料层的锭400。图7C显示锭400'，其包括沉积于锭400'的相对末端上的金属材料层450。锭400的末端与锻造模具480接触(图7A)。金属材料层450与锻造模具480'接触(图7C)。
图7B及7D分别图示如于图7A与7C中所述在镦锻后的每一锭400与400'的模具接触表面。如图7B所示，锭400的模具接触表面490展现表面破裂。如图7D所示，包括金属材料层450的锭400'的模具接触表面490'不展现表面破裂。相对于另外缺少此金属材料层的相同锻造合金锭，经沉积的金属材料层450降低锻造合金锭中表面破裂的发生率。
图8A及8C图示拉拔锻造操作。锻造模具580/580'施力于锭500/500'。通常垂直于锭500/500'的长轴501/501'(如箭头585/585'所示)施力。锻造模具580/580'通常沿着锭500/500'的全长通过通常平行于锭500/500'的长轴501/501'(如箭头587/587'所示)移动而施力于锭500/500'。图8A显示无金属材料层的锭500。图8C显示锭500'，其具有沉积于锭500'的圆周表面上的金属材料层550。锭500的圆周表面与锻造模具580接触(图8A)。金属材料层550与锻造模具580'接触(图8C)。
图8B及8D分别图示如于图8A与8C中所述在拉拔锻造后的锭500与500'的模具接触表面。如图8B所示，锭500的模具接触表面590展现表面破裂。如图8D所示，包括金属材料层550的锭500'的模具接触表面590'不展现表面破裂。相对于另外缺少此金属材料层的相同锻造合金锭，经沉积的金属材料层550降低锻造合金锭中表面破裂的发生率。
在各种实施方案中，具有沉积于合金锭的表面的至少一区域上的金属材料层的锭可经受一或多次镦锻及拉拔锻造。例如，在三重镦锻及拉拔锻造操作中，先镦锻，然后拉拔锻造锭。对于总共连续进行三次镦锻及拉拔锻造操作，镦锻及拉拔次序可再重复两次。锻造锭前，锭的一或多个模具-接触表面可具有沉积于锭的模具-接触表面上的金属材料层。
在各种实施方案中，具有沉积于锭的表面的至少一区域上的金属材料层的锭可经受一或多次挤压锻造。例如，在挤压操作中，圆柱形锭可经由圆柱形模具施力，由此减小锭的直径及增加锭的长度。挤压锭的前，锭的一或多个模具-接触表面可具有沉积于锭的模具-接触表面上的金属材料层。
在各种实施方案中，本文所述方法及工艺用来由经浇铸、固结或喷涂形成的锭制造锻造坯段。将锭锻造转化或挤压转化为坯段或其他加工物件相较于前者锭可在物件中制造出更精细的颗粒结构。由于金属材料层可降低在锻造和/或挤压操作期间锭的表面破裂的发生率，故本文所述的方法及工艺可提高由合金锭锻造或挤压产品(诸如(例如)坯段)的产量。例如，已观察到沉积于延展性相对较小的合金锭的表面的至少一区域上的延展性相对更大的金属材料层可更轻易承受因加工模具所引起的应变。也已观察到沉积于合金锭的表面的至少一区域上的金属材料层也可更轻易承受热加工期间加工模具与锭之间的温度差异。如此，已观察到经沉积的金属材料层可展现零或微小的表面破裂，同时在加工期间可于下层锭中防止或减少表面开始破裂。
在各种实施方案中，热加工后，可自热加工期间由锭形成的产品中移除经沉积的金属材料的至少一部分。例如，研磨、剥离和/或车削操作可用以移除金属材料层的至少一部分。在各种实施方案中，通过剥离(车削车床加工)和/或研磨坯段可自坯段(通过加工锭所形成的)移除经沉积的金属材料层的至少一部分。
在各种实施方案中，可热加工具有经沉积的金属材料层的锭以形成用以制造各种物件的产品。例如，本文所述工艺可用以形成镍基、铁基、镍-铁基或钴基合金或超合金坯段。由热加工锭形成的坯段或其他产品可用以制造物件，包括(但不限于)涡轮组件，诸如(例如)涡轮引擎的圆盘及环状物及各种地基涡轮。由根据本文所述的各种实施方案加工的锭所制得的其他物件可包括(但不限于)阀、发动机组件、轴及紧固件。
本文公开的实施方案也涉及一种锭加工系统及锭加工设备。锭加工系统及设备可包含锭定位设备及焊接设备。锭定位设备可包含配置成绕锭的长轴旋转锭的锭旋转设备。焊接设备可配置成将金属材料层以焊缝沉积物形式沉积于锭的表面的至少一区域上。
在各种实施方案中，锭旋转设备可包含配置成绕锭的长轴旋转锭的车床。例如视焊接设备的配置而定，锭旋转设备可连续穿过一或多个完整圈旋转或锭旋转装置可依序以预定分度角间歇地旋转锭。
焊接设备可包含至少一焊枪，诸如(例如)馈线MIG焊枪。至少一焊枪可配置成将金属材料层以焊缝沉积物形式沉积于锭的表面的至少一区域上。至少一焊枪可配置成将金属材料层以焊缝沉积物形式沉积于锭的末端表面的至少一区域上。至少一焊枪可配置成将金属材料层以焊缝沉积物形式沉积于圆柱形锭的圆周表面的至少一区域上。至少一焊枪可配置成沉积金属材料于圆柱形锭的圆周表面的上端上。如此，可减小或除去经沉积的焊珠的重力作用。
在各种实施方案中，至少一焊枪可以是MIG焊枪。至少一焊枪可具有馈线。至少一焊枪可定位于离锭表面的预定距离。可用预定馈线速度、预定线电压和/或预定惰性气体清洗流速配置至少一焊枪。可预定焊枪-锭表面距离、馈线速度、电压、惰性气体清洗流速和/或各种其他焊接操作参数以使金属材料层均匀焊接沉积于锭上。各种其他焊接操作参数的同一性可视所用特定类型的焊接操作(例如，MIG、TIG等)而定。在各种实施方案中，可在金属材料经焊接沉积于其上的锭表面上维持实质上均匀的特定焊接操作所用的热输入(例如每长度的能量)。如此，可减少或除去下层锭表面的与焊接有关的破裂，及可增强下层锭与焊缝沉积物间的冶金键合的品质。在各种实施方案中，可使在焊接操作期间锭的热输入最小化。
焊接设备可包含一焊枪、两个或多个焊枪的线性阵列或三个或多个焊枪的二维或三维阵列。例如，图4A-4D、5A-5D显示三个焊枪的线性阵列。图6A显示一焊枪。包含焊接设备的焊枪的数量及配置可依所述锭加工方法、系统及设备的特定执行而变化。
在各种实施方案中，锭加工系统可包含控制系统。控制系统可配置成连同锭定位设备移动及定位焊接设备以均匀沉积金属材料层于锭的表面的至少一区域上。控制系统可控制焊枪-表面距离、焊接操作参数、至少一焊枪相对锭表面的移动及定位和/或锭的移动及定位。例如，控制系统可配置成以通常平行于锭的长轴的线性方式及沿着平行于长轴的锭的圆周表面区域移动至少一焊枪。控制系统也可配置成定位至少一焊枪以将金属材料以焊缝沉积物形式沉积于锭的相对末端表面上。
在各种实施方案中，控制系统可配置成控制至少一焊枪以均匀沉积金属材料于锭的粗糙表面上。例如，在各种实施方案中，可积极控制MIG焊枪中的可消耗性电极的馈线速度、线状电极的电压、焊枪-锭表面距离及焊枪移动/定位以在旋转或固定锭上传递稳定电弧。如此，可于锭上沉积实质上均匀的金属材料层。
控制系统可配置成将金属材料层以焊缝沉积物形式自动沉积于合金锭的至少一末端上。控制系统可配置成将金属材料层以焊缝沉积物形式自动沉积于圆柱形合金锭的圆柱形表面上。
锭加工系统可配置成利用至少一固定焊枪将金属材料以焊缝沉积物形式沉积于旋转圆柱形锭的圆周表面的第一区域上。如此，锭加工系统可围绕圆柱形锭的圆周表面沉积金属材料的环形层。锭加工系统可配置成于旋转圆柱形锭前进穿过至少一圈后，重新定位至少一焊枪邻近于经沉积的金属材料的环形层。锭加工系统可配置成利用至少一重新定位固定焊枪，将金属材料以焊缝沉积物形式沉积于旋转圆柱形锭的圆周表面的第二或随后区域上。如此，锭加工系统可沉积金属材料的另一环形层于圆柱形锭的圆周表面上。锭加工系统可配置成利用自动化方式，重复至少一焊枪的重新定位及金属材料环状层的沉积直至圆柱形锭的圆周表面实质上被金属材料层覆盖。
锭加工系统可配置成利用配置成平行锭的长轴并沿第一区域移动的至少一焊枪，沿着平行于锭长轴的方向将金属材料以焊缝沉积物形式沉积于固定锭的圆周表面的第一区域上。如此，锭加工系统可沉积金属材料层于圆柱形锭的圆周表面的第一区域上。锭加工系统可配置成重新定位圆柱形锭以移动圆周表面的第一区域远离至少一焊枪并且朝着至少一焊枪移动圆周表面的第二区域。例如，通过锭旋转装置可使锭以预定分度角旋转。
锭加工系统可配置成利用配置成平行锭的长轴并沿第二区域移动的至少一焊枪，沿着平行于锭长轴的方向将金属材料以焊缝沉积物形式沉积于固定锭的圆周表面的第二或随后区域上。如此，锭加工系统可沉积金属材料层于圆柱形锭的圆周表面的第二区域上。锭加工系统可配置成利用自动化方式重复锭的重新定位及金属材料层沿平行于锭长轴的方向沉积直至圆柱形锭的圆周表面实质上被金属材料层覆盖。
通过绕锭的长轴旋转锭及同时平行于锭的长轴移动焊枪，锭加工系统可配置成将金属材料以焊缝沉积物形式沉积于锭表面上。利用受控于控制系统的至少一移动焊枪可沉积金属材料层。如此，当锭绕长轴旋转及当至少一焊枪平行长轴移动时，金属材料的沉积物可以螺旋方式沉积于圆柱形锭的圆周表面上。
以下说明性及非限制性实施例旨在进一步描述各种非限制性实施方案而不限制实施方案的范围。本领域普通技术人员将了解实施例的变体可在如权利要求单独界定的本发明范围内。除非另作说明，所有分数及百分比均以重量计。
实施例
实施例1
于热加工操作中使用Rene 88TM合金的三英寸立方体。立方体自Rene88TM坯段的碎片部分随意剪下。在2100℉下热处理立方体4小时以增加合金立方体的粒度，从而匹配Rene 88TM锭的可加工性特性。通过在盘式研磨机上研磨，接着用带式砂磨机砂磨可修整每个立方体的一表面。利用MIG焊接(0.045英寸直径TechAlloy 606线，220英寸/分钟，18V线电压，50立方英尺/分钟氩气冲洗)可将TechAlloy 606TM合金层以焊缝沉积物形式沉积于各立方体的修整表面上。允许焊接沉积的TechAlloy 606TM合金层完全固化并且冷却至室温。图9是两个Rene 88TM合金的3英寸立方体的照片，每个立方体具有焊接沉积于上表面(如照片中的取向)上的TechAlloy 606TM合金层。
使具有TechAlloy 606TM合金层的Rene 88TM合金立方体加热至2000℉超过一小时并在此温度下压缩锻造。定位具有TechAlloy 606TM合金层的表面与底模接触并且定位缺少TechAlloy 606TM合金层的相对表面与上模接触。利用约1英寸/秒应变速率将3英寸立方体压缩锻造成1英寸扁圆片。
图10A及10B是由3英寸立方体压缩锻造而成的1英寸扁圆片的相对面的照片。图10A显示扁圆片的非分层侧面，且图10B显示具有TechAlloy606TM合金层的侧面。在图10A中所示的经锻造、非分层表面上明显看出Rene 88TM合金的裂缝敏感性。在如图10A所示的缺少TechAlloy 606TM合金层的表面上明显可见表面破裂。如图10B中所示，TechAlloy 606TM合金层实质上降低锻造期间合金的表面破裂的发生率。
图11是由如上所述3英寸合金立方体压缩锻造而成的1英寸扁圆片的截面照片。在中半径位置处(图11中标记为“11A”)利用光学显微学使介于TechAlloy 606TM合金层与下层锻造Rene 88TM间的界面成像，其相当于扁圆片焊接表面的截面(如照片中取向的上表面)。图11A是于如图11所示中半径位置处所取得的显微照片。
如图11A所示，TechAlloy 606TM合金层与下层Rene 88TM之间形成强烈及均匀的金属键合。冶金键合承受压缩锻造并未观察到分层或剥离。TechAlloy 606TM合金层的暴露表面及介于TechAlloy 606TM合金层与下层经锻造的Rene 88TM之间的界面实质上均无裂纹。移除TechAlloy 606TM合金层(例如通过研磨)将显露下层经锻造的Rene 88TM实质上无表面裂纹。
参照各种例示性、说明性及非限制性实施方案已书写本发明。然而，本领域普通技术人员应了解在不脱离如单独通过权利要求所界定的本发明范围下可作出任何所公开的实施方案(或其部分)的各种替代、修饰或组合。因此，应考虑及了解本发明包含本文未明确阐明的额外实施方案。此等实施方案可(例如)通过组合、修饰或重组本文所述实施方案的任何所公开的步骤、成份、组成要素、组份、元素、特征、方面、特性、限制等而获得。因此，本发明不受限于各种例示性、说明性及非限制性实施方案的描述，但仅受权利要求所限制。如此，申请人保有在起诉增加如本文所述不同的特征期间修改权利要求的权利。

Claims (44)

1.一种锭加工方法，其包括：
沉积金属材料层在合金锭的表面的至少一区域上，其中所述金属材料较所述合金更具延展性，并且其中所述金属材料层降低热加工期间所述合金锭的表面破裂的发生率。
2.如权利要求1所述的锭加工方法，其还包括研磨或剥离所述合金锭的表面，然后沉积所述金属层。
3.如权利要求1所述的锭加工方法，其还包括：
热加工所述合金锭，其中所述热加工包括施力于所述金属材料层上，并且其中所述力使所述合金锭变形。
4.如权利要求3所述的锭加工方法，其还包括热加工所述合金锭后，从所述合金锭移除所述金属材料层的至少一部分。
5.如权利要求1所述的锭加工方法，其中所述合金锭包含选自由镍基合金、铁基合金、镍-铁基合金和钴基合金组成的组的材料。
6.如权利要求1所述的锭加工方法，其中所述合金锭包含选自由合金720、Rene 88TM合金和
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合金组成的组的合金。
7.如权利要求1所述的锭加工方法，其中所述合金锭和所述金属材料层包含相同的基底金属，所述基底金属选自由镍、铁和钴组成的组。
8.如权利要求1所述的锭加工方法，其中所述合金锭包含镍基超合金并且所述金属材料层包含Techalloy 606TM。
9.如权利要求1所述的锭加工方法，其中沉积所述金属材料层包括将所述金属材料层以焊缝沉积物形式沉积于所述合金锭的表面的至少一区域上。
10.如权利要求9所述的锭加工方法，其中将所述金属材料层以焊缝沉积物形式沉积包括选自由金属惰性气体(MIG)焊接、钨惰性气体(TIG)焊接和电浆焊接组成的焊接操作。
11.如权利要求9所述的锭加工方法，其中将所述金属材料层以焊缝沉积物形式沉积于所述合金锭的表面的至少一区域上包括将所述金属材料层以焊缝沉积物形式沉积在所述合金锭的至少一末端上。
12.如权利要求9所述的锭加工方法，其中：
所述合金锭是圆柱形锭；并且
将所述金属材料层以焊缝沉积物形式沉积于所述合金锭的表面的至少一区域上包括：
旋转所述圆柱形锭；及
利用至少一固定焊枪，将金属材料以焊缝沉积物形式沉积于所述旋转圆柱形锭的圆周表面的第一区域上，由此沉积所述金属材料的环形层于所述圆柱形锭的圆周表面上。
13.如权利要求12所述的锭加工方法，其还包括：
在所述旋转圆柱形锭前进穿过至少一圈后，重新定位至少一焊枪邻近所述金属材料的沉积环状层；及
利用至少一重新定位的固定焊枪，将金属材料以焊缝沉积物形式沉积于所述旋转圆柱形锭的圆周表面的第二区域上。
14.如权利要求13所述的锭加工方法，其进一步包括重复所述重新定位步骤和所述沉积步骤直至所述圆柱形锭的圆周表面实质上被所述金属材料覆盖。
15.如权利要求9所述的锭加工方法，其中：
所述合金锭是圆柱形锭；并且
将所述金属材料层以焊缝沉积物形式沉积于所述合金锭的表面的至少一区域上包括：
沿着所述圆柱形锭的圆周表面的第一区域，平行于所述锭的长轴移动至少一焊枪，同时保持所述圆柱形锭固定，由此将金属材料层以焊缝沉积物形式沉积于所述圆柱形锭的圆周表面的第一区域上；
重新定位所述圆柱形锭以移动所述圆周表面的第一区域远离至少一焊枪并且朝着至少一焊枪移动所述圆周表面的第二区域；及
沿着所述圆柱形锭的圆周表面的第二区域，平行于所述锭的长轴移动至少一焊枪，同时保持所述圆柱形锭固定，由此将金属材料层以焊缝沉积物形式沉积于所述圆柱形锭的圆周表面的第二区域上。
16.如权利要求15所述的锭加工方法，其进一步包括重复所述重新定位步骤和所述移动步骤直至所述圆柱形锭的圆周表面实质上被所述金属材料覆盖。
17.如权利要求3所述的锭加工方法，其中热加工所述合金锭包括锻造操作和挤压操作中的至少一者。
18.如权利要求3所述的锭加工方法，其中热加工所述合金锭包括镦锻和拉拔锻造操作。
19.如权利要求3所述的锭加工方法，其中所述工艺提高由镍基超合金锭形成的经锻造镍基超合金产品的产量。
20.如权利要求3所述的锭加工方法，其中所述工艺由浇铸镍基超合金锭制造经锻造的镍基超合金坯段。
21.如权利要求3所述的锭加工方法，其还包括利用VIM-VAR操作或VIM-ESR-VAR操作提供镍基超合金锭。
22.如权利要求3所述的锭加工方法，其还包括由所述热加工的锭制造物件，所述物件选自由喷射发动机组件和地基涡轮组件的组。
23.一种通过如权利要求1所述的锭加工方法加工的锭。
24.一种用于热加工合金锭的工艺，其包括：
施力于合金锭以使所述合金锭变形，其中所述锭包括沉积于所述合金锭的表面的至少一区域上的金属材料层，其中所述金属材料较所述合金更具延展性，并且其中所述力是施加于所述金属材料层上。
25.如权利要求24所述的工艺，其还包括使所述合金锭变形后，自所述合金锭移除所述金属材料层的至少一部分。
26.如权利要求24所述的工艺，其所述合金锭包含选自由镍基合金、铁基合金、镍-铁基合金和钴基合金组成的组的材料。
27.如权利要求24所述的工艺，其中所述合金锭包含选自由合金720、Rene 88TM合金和
Figure FDA00001959442800031
合金组成的组的合金。
28.如权利要求24所述的工艺，其中所述合金锭和所述金属材料层包含相同的基底金属，所述基底金属选自由镍、铁和钴组成的组。
29.如权利要求24所述的工艺，其中所述金属材料层包含沉积于圆形柱锭的圆周表面的至少一区域上的焊缝沉积物。
30.如权利要求24所述的工艺，其中所述金属材料层包含锭的末端表面的至少一区域上的焊缝沉积物。
31.如权利要求24所述的工艺，其中所述合金锭包含镍基超合金并且所述金属材料层包含Techalloy 606TM。
32.如权利要求24所述的工艺，其中施力于所述合金锭包括锻造操作和挤压操作中的至少一者。
33.如权利要求24所述的工艺，其中施力于所述合金锭包括镦锻和拉拔锻造操作。
34.如权利要求24所述的工艺，其中所述工艺提高由镍基超合金锭形成的经锻造镍基超合金产品的产量。
35.如权利要求24所述的工艺，其中所述工艺由浇铸镍基超合金锭制造经锻造的镍基超合金坯段。
36.如权利要求24所述的工艺，其还包括由所述热加工的锭制造物件，所述物件选自由喷射发动机组件和地基涡轮组件的组。
37.一种通过如权利要求24所述的工艺由合金锭形成的热加工物件。
38.一种锭加工系统，其包含：
锭旋转设备，配置成绕圆柱形锭的长轴旋转所述锭；和
焊接设备，配置成将金属材料层以焊缝沉积物形式沉积于圆柱形锭的圆周表面的至少一区域上。
39.如权利要求38所述的锭加工系统，其中所述锭旋转设备包含配置成绕所述锭的长轴旋转所述锭的车床。
40.如权利要求38所述的锭加工系统，其中所述焊接设备包含配置成将所述金属材料层以焊缝沉积物形式沉积于所述锭的圆周表面的至少一区域上的至少一MIG焊枪。
41.如权利要求40所述的锭加工系统，其中所述系统配置成朝着平行于所述锭长轴的方向以及沿着所述锭的圆周表面的区域移动至少一焊枪。
42.如权利要求40所述的锭加工系统，其中所述系统配置成控制至少一焊枪以将金属材料以焊缝沉积物形式沉积于所述合金锭的至少一末端上。
43.如权利要求40所述的锭加工系统，其中所述系统配置成：
利用至少一固定焊枪，将所述金属材料以焊缝沉积物形式沉积于旋转圆柱形锭的圆周表面的第一区域上，由此沉积所述金属材料的环形层于所述圆柱形锭的圆周表面上；
在所述旋转圆柱形锭前进穿过至少一圈后，重新定位至少一焊枪邻近所述金属材料的沉积环状层；
利用至少一重新定位的固定焊枪，将所述金属材料以焊缝沉积物形式沉积于所述旋转圆柱形锭的圆周表面的第二区域上，由此将所述金属材料的环形层沉积于所述圆柱形锭的圆周表面上；及
重复所述重新定位和所述沉积直至所述圆柱形锭的圆周表面实质上被所述金属材料覆盖。
44.如权利要求40所述的锭加工系统，其中所述系统配置成：
利用配置成平行于固定锭的长轴并沿着所述固定锭的圆周表面的第一区域移动的至少一焊枪，将所述金属材料以焊缝沉积物形式沉积于所述固定锭的圆周表面的第一区域上，由此将所述金属材料层沉积于所述圆柱形锭的圆周表面的第一区域上；
重新定位所述圆柱形锭以移动所述圆周表面的第一区域远离至少一焊枪并且朝着至少一焊枪移动所述圆周表面的第二区域；
利用配置成平行于所述固定锭的长轴并沿着所述固定锭的圆周表面的第二区域移动的至少一焊枪，将所述金属材料以焊缝沉积物形式沉积于所述固定锭的圆周表面的第二区域上，由此将所述金属材料层沉积于所述圆柱形锭的圆周表面的第二区域上；及
重复所述重新定位和所述沉积直至所述锭的圆周表面实质上被所述金属材料覆盖。
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