CN105026071A - 使用润滑、热阻且摩擦减小的垫锻造合金 - Google Patents

Abstract

一种处理合金铸块或其它合金工件以减少所述工件(40)与锻造模具(50，52)之间的热断裂并减少其间的摩擦的系统和方法可通常包括将多层垫(130，140)定位在所述工件(40)与所述锻造模具(50，52)之间。

Description

使用润滑、热阻且摩擦减小的垫锻造合金

技术领域

本公开涉及合金铸块和其它合金工件。更特定来说，本公开涉及用于处理合金铸块和其它合金工件的物件、系统和方法。

发明背景

“锻造”是指通过塑性变形加工和/或定形固态材料。锻造可与固态材料形成操作的其它主要分类(即，机械加工(通过切割、研磨或以其它方式从工件移除材料而使工件成形)和铸造(模制液态材料，所述液态材料凝固以保持模具的形状))区分。“可锻性”是材料成功塑性变形的相对能力。可锻性取决于若干因素，包含(例如)锻造条件(例如，工件温度、模具温度和变形速率)和材料特性(例如，组成、微结构和表面结构)。影响给定工件的可锻性的另一因素是使模具表面与工件表面相互作用的摩擦学。锻造操作中模具表面与工件表面之间的相互作用涉及热传递、摩擦和磨损。如此，工件与锻造模具之间的热绝缘和/或润滑可影响可锻性。

各种合金可表征为“断裂敏感的”。铸块和由断裂敏感合金组成的其它工件可在锻造操作期间沿着其表面和/或边缘或在表面和内部处的材料以不同速率移动的情况下在内部形成断裂。由断裂敏感合金形成物件可能成问题，因为例如锻造或其它热加工操作期间形成的断裂可能需要从被加工物件移除，这增加了生产时间和费用，同时降低收率。

本领域已知通过使用润滑剂来减少锻造操作期间的摩擦。不适当或不一致锻造润滑可导致工件的非均一塑性变形，这通常是不合需要的。举例来说，非均一塑性变形可导致在锻造操作期间工件的“滚光”和/或工件中形成空穴。然而，先前锻造润滑剂可具有导致低于标准的锻造物件的各种缺陷。

鉴于当前锻造技术的缺点，提供一种锻造合金(尤其是断裂敏感合金)的更有效和/或更具成本效益的方法将是有利的。另外，减少锻造操作期间模具与工件之间的摩擦将是有利的。更一般来说，提供一种用于锻造合金铸块和其它合金工件的改进的方法将是有利的。

发明概要

根据某些非限制性实施方案，描述了用于处理合金铸块和其它合金工件的物件、系统和方法。

根据本公开的各种非限制性实施方案涉及一种用于锻造工件的系统。所述系统可包括模具、合金工件，以及定位在模具的至少一部分与合金工件中间的垫。所述垫可包括多个层，包含具有第一热阻和第一摩擦系数的第一层，以及具有第二热阻和第二摩擦系数的第二层。第一热阻可大于第二热阻，且第一摩擦系数可大于第二摩擦系数。在各个非限制性实施方案中，第一层包括KOAWOOL，且第二层包括玻璃纤维。

根据本公开的额外非限制性实施方案涉及一种在锻造操作期间使用的多层垫，其中所述多层垫包括第一润滑层、第二润滑层，以及定位在第一润滑层与第二润滑层中间的第一绝缘层。第一润滑层可进一步包括工件接触表面，且第二润滑层可进一步包括模具接触表面。第一润滑层和第二润滑层中的至少一者可包括玻璃纤维，且第一绝缘层可包括陶瓷纤维。第一润滑层和第二润滑层的摩擦系数可小于第一绝缘层的摩擦系数，和/或第一绝缘层的热导率可小于第一润滑层和第二润滑层的热导率。在各个非限制性实施方案中，所述多层垫可包括用于将至少第一润滑层和第二润滑层相对于彼此紧固的紧固件。此外，在各个非限制性实施方案中，第一润滑层和第二润滑层可形成绝缘层可安置到其中的套筒。

根据本公开的更多非限制性实施方案涉及一种用于热加工工件的方法，所述方法包括：将合金工件加热到环境温度以上的温度；将多层垫定位在合金工件与模具之间，其中所述多层垫包括润滑层和热阻层；以及热加工所述合金工件。热加工所述合金工件可包括利用模具向合金工件施加力以使合金工件发生塑性变形。利用模具向合金工件施加力以使合金工件发生塑性变形可包括镦锻(upset forging)合金工件。所述方法可进一步包括将多个多层垫定位在合金工件与至少一个模具之间，使合金工件预成型，和/或由经热加工的合金工件制造物件。将工件暴露于高于环境温度的温度可包括将合金工件加热到合金的再结晶温度以上且合金的熔点温度以下的温度。

根据本公开的进一步非限制性实施方案涉及根据本公开的方法的任一者制造或处理的合金工件。

根据本公开的更进一步非限制性实施方案涉及由根据本公开的方法的任一者制造或处理的合金工件制成或包含所述合金工件的制品。此类制品包含例如喷射引擎组件、固定式涡轮组件、阀、引擎组件、转轴和紧固件。

附图简述

可通过结合附图考虑以下描述来更好地理解本文描述的各个非限制性实施方案，在附图中：

图1A-1C是说明用于形成有头紧固件的压印模具镦锻方法的横截面示意图；

图2A是由图1A-1C中描绘的压印模具镦锻方法形成的有头紧固件的正视图；

图2B是图2A的有头紧固件的头部的详细视图；

图3A是说明在无摩擦条件下操作的开式模具镦锻系统的横截面示意图；

图3B是说明在高摩擦条件下操作的开式模具镦锻系统的横截面示意图；

图4A和4B是说明根据本公开的各个非限制性实施方案的开式模具镦锻操作的横截面示意图，其中多层垫定位在开式模具与工件之间；

图5是说明根据本公开的各个非限制性实施方案的压印模具镦锻系统的示意图，其中多层垫定位在压印模具与工件之间；

图6A是根据本公开的各个非限制性实施方案由图5中描绘的压印模具镦锻系统形成的有头紧固件的正视图；

图6B是根据本公开的各个非限制性实施方案的图6A的有头紧固件的头部的详细视图；

图7是根据本公开的各个非限制性实施方案用于锻造操作中的多层垫的透视图；

图8是根据本公开的各个非限制性实施方案的图7的多层垫的正视图；

图9是根据本公开的各个非限制性实施方案的用于锻造操作中的多层垫的横截面正视图；

图10是根据本公开的各个非限制性实施方案的图9的多层垫的平面图；

图11是根据本公开的各个非限制性实施方案的用于锻造操作中的多层垫的平面图，其描绘处于部分组装配置中的多层垫；以及

图12是根据本公开的各个非限制性实施方案的图11的多层垫的平面图，其描绘处于组装配置中的多层垫。

某些非限制性实施方案的描述

应理解，所公开实施方案的各种描述已经简化以仅说明与对所公开实施方案的清晰理解有关的那些特征、方面、特性等，同时为清楚起见排除其它特征、方面、特性等。本领域一般技术人员在考虑所公开实施方案的当前描述后将认识到，其它特征、方面、特性等在所公开实施方案的特定实现方式或应用中可能是合乎需要的。然而，因为这些其它特征、方面、特性等可由本领域一般技术人员在考虑所公开实施方案的当前描述后容易确认且实施，因此对于所公开实施方案的完整理解并非必需的，所以本文不提供对这些其它特征、方面、特性等的描述。如此，应理解，本文陈述的描述仅为示例性且说明所公开实施方案，且不希望限制仅由权利要求书界定的本发明的范围。

在本公开中，除非另外指示，否则表达数量或特性的所有数字应理解为在所有例子中由术语“约”加前缀和修改。因此，除非相反地指示，否则以下描述中陈述的所有数字参数可依据试图在根据本公开的实施方案中获得的所要性质而变化。举例来说，术语“约”可指在给定测量的性质或精度的情况下所测量数量的可接受误差程度。典型的示例性误差程度可在给定值或值范围的20％内、10％内或5％内。起码(且并不意图限制权利要求书的范围的等效原则的应用)，当前描述中描述的每一数字参数应至少鉴于所报告有效位的数目且通过应用一般舍入技术来解释。

并且，本文所述的任何数字范围希望包含其中归入的所有子范围。举例来说，“1到10”的范围希望包含所述最小值1与所述最大值10之间(且包含1和10)的所有子范围，即具有等于或大于1的最小值和等于或小于10的最大值。本文所述的任何最大数字限制希望包含其中归入的所有较低数字限制，且本文所述的任何最小数字限制希望包含其中归入的所有较高数字限制。因此，申请人保留修订本公开的权利，包含权利要求书，以明确陈述本文明确陈述的范围内归入的任何子范围。所有此类范围希望在本文固有地公开使得用以明确陈述任何此类子范围的修订将符合35U.S.C.§112(第一章)以及35U.S.C.§132(a)的要求。

除非另外指示，否则如本文使用的语法冠词“一个”、“一(a/an)”和“所述”希望包含“至少一个”或“一或多个”。因此，本文使用所述冠词来指冠词的语法对象的一或一者以上(即，至少一者)。借助实例，“组件”意味着一或多个组件，且因此可能预期一个以上组件，且可在所描述实施方案的实现方式中采用或使用所述一个以上组件。

除非另外指示，否则据称以引用的方式并入本文中的任何专利、公布或其它公开材料全文并入本文中，但仅在所并入材料不与本公开中明确陈述的现有定义、陈述或其它公开材料冲突的程度上进行。如此，且在必要的程度上，如本文陈述的明确公开取代以引用的方式并入本文中的任何冲突性材料。据称以引用的方式并入本文中但与本文陈述的现有定义、陈述或其它公开材料冲突的任何材料或其部分仅在不会在所并入材料与现有公开材料之间引起冲突的程度上并入。申请人保留修订本公开的权利以明确陈述以引用的方式并入本文中的任何主题或其部分。

本公开包含各个非限制性实施方案的描述。应理解，本文描述的所有实施方案是示例性、说明性且非限制性的。因此，本发明不受各个示例性、说明性且非限制性的实施方案的描述限制。而是，本发明仅由权利要求书界定，权利要求书可经修订以陈述本公开中明确或固有地描述的或本公开以其它方式明确或固有地支持的任何特征。因此，任何此类修订将符合35U.S.C.§112(第一章)以及35U.S.C.§132(a)的要求。

本文公开和描述的各个非限制性实施方案可包括如本文不同地描述的特征、方面、特性、限制等，由所述特征、方面、特性、限制等组成或基本上由所述特征、方面、特性、限制等组成。本文公开和描述的各个非限制性实施方案还可包括本领域已知或可以其它方式包含在如实践中实施的各个非限制性实施方案中的额外或任选特征、方面、特性、限制等。

如本文使用，术语“热加工”指在大于环境温度的任何温度下将力施加到固态工件，其中所施加的力使工件发生塑性变形。

在热加工操作(例如，锻造操作和挤压操作)期间，可在大于环境温度(例如，高于工件的再结晶温度)的温度下将力施加到合金铸块或其它合金工件，以使工件发生塑性变形。经历热加工操作的合金铸块或其它合金工件的温度可大于用于以机械方式将力施加到工件表面的模具或其它结构的温度。合金铸块或其它合金工件可归因于其表面的冷却(通过到周围空气的热损耗以及其表面与接触模具或其它结构之间抵消的热梯度)而形成温度梯度。合金工件表面与合金工件的内部部分之间抵消的所得热梯度可促成铸块在热加工期间沿着其表面和/或边缘断裂。表面断裂在合金铸块或其它合金工件由断裂敏感合金形成的情形中尤其成问题。

各种合金可表征为断裂敏感的。断裂敏感合金往往在加工操作期间形成断裂。断裂敏感合金铸块例如可在用于由断裂敏感合金铸块产生合金物件的热加工操作期间形成断裂。举例来说，合金坯料可使用锻造转换由合金铸块形成。其它合金物件可使用挤压或其它加工操作由合金坯料或合金铸块形成。使用热加工操作由断裂敏感合金铸块形成的合金物件(例如，合金坯料)的生产收率可能较低，因为热加工期间(例如，锻造或挤压期间)合金铸块发生表面断裂。生产收率可能因需要从经加工铸块研磨掉或以其它方式移除表面断裂而降低。

根据各个非限制性实施方案，各种镍基合金、铁基合金、镍-铁基合金、钛基合金、钛-镍基合金、钴基合金和超合金(例如，镍基超合金)可能是断裂敏感的，尤其在热加工操作期间。合金铸块或其它合金工件可由此类断裂敏感合金和超合金形成。举例来说，断裂敏感合金工件可由选自(但不限于)以下各者的合金或超合金形成：合金718(UNS No.N07718)、合金720(UNS No.N07720)、Rene 41合金(UNS No.N07041)、Rene 65合金、Rene 88合金、合金(UNSNo.N07001)和100合金。

图1A-1C描绘热加工镦锻工艺，其中紧固件是有头部的。在各个非限制性实施方案中，压印模具10和冲头12可用于镦锻工件的一部分，例如电线或金属棒20。电线20可例如经加热到环境温度以上的温度，而模具10和/或冲头12保持处于环境温度和/或低于环境温度。主要参看图1A，电线20可固持在模具10内，且可延伸到模具10中的开口或空穴16中。在各个非限制性实施方案中，冲头12可在方向“X”上朝向模具10移动。举例来说，冲头12可移动到模具10中的开口16中且接触电线20并在电线20上施加力。在各个非限制性实施方案中，由冲头12在电线20上施加的力可使电线20变形以形成头部22(图1B)。换句话说，头部22可形成在冲头12的接触表面与模具10的接触表面之间。主要参看图1C，冲头12可从开口16移除且电线20可被推进穿过模具10。在各个非限制性实施方案中，刀片14可切割电线20使得所形成的紧固件24(图2A所示)从锻造模具10释放。

在各个非限制性实施方案中，电线20可包括断裂敏感合金。举例来说，电线20可由选自以下各者的断裂敏感合金制成：合金718、合金720、Rene 41合金、Rene 65合金、Rene 88合金、合金和100合金。在此类实施方案中，电线20与模具10和/或冲头12的接触电线20的表面之间抵消的热梯度可导致沿着所形成的紧固件24的表面和/或边缘的断裂。参看图2A和2B，图1A-1C中描绘的镦锻热加工工艺产生的示范性紧固件24可包括沿着其锻造表面的各种断裂。举例来说，主要参看图2B，紧固件头部26的表面28可包括源自头部26的锻造期间抵消的热梯度的各种断裂。在某些非限制性实施方案中，紧固件24可需要后续机械加工以从其表面28移除断裂的材料。

用于减少热加工期间合金铸块或其它合金工件的表面和边缘上的断裂形成的一种技术是在热加工之前将合金铸块置于合金罐中。在例如圆柱形工件的情况下，合金的内径可稍大于合金工件的外径，借此允许将工件插入到罐中。罐可松散地围绕工件，从而在罐的内表面与工件之间提供气隙。在热加工操作期间，模具接触外部罐，且罐通过气隙的作用以及通过直接抑制合金工件将热辐射到环境而使合金工件热绝缘。以此方式，罐可使工件的表面热绝缘且机械保护工件的表面，这可减小加工期间工件表面断裂的发生率。

合金工件入罐操作可导致各种缺点。举例来说，模具与合金罐的外表面之间的机械接触可使罐裂开。在一个特定情况下，在入罐工件的反复镦锻期间，合金可在镦锻操作之间裂开。在此情况下，合金工件可需要在镦锻操作之间再入罐，这增加工艺复杂性和费用。在另一特定情况下，在入罐工件的镦压-拉伸锻造(upset-and-draw forging)期间，合金可在拉伸操作之间裂开。在此情况下，合金工件可需要在多个镦压-拉伸锻造操作的每一镦压-拉伸循环之间再入罐，这增加工艺复杂性和费用。此外，合金罐可妨碍操作者视觉上监视入罐合金工件的表面以查看断裂和其它加工引起的缺陷。

关于用于减少热加工期间合金铸块或其它合金工件的表面断裂的发生率的各种装置和/或方法的以下共同拥有美国专利和专利申请的相应全文以引用的方式并入本文中：

-标题为“SYSTEMS AND METHODS FOR FORMING ANDPROCESSING ALLOY INGOTS”的美国专利No.8,230,899；

-标题为“SYSTEMS AND METHODS FOR PROCESSINGALLOY INGOTS”的美国专利申请No.12/700,963，其作为美国专利申请公布No.2011/0195270而公布；

-标题为“HOT WORKABILITY OF METAL ALLOYS VIASURFACE COATING”的美国专利申请No.13/007,692，其作为美国专利申请公布No.2012/0183708而公布；以及

-标题为“SYSTEMS AND METHODS FOR FORMING ANDPROCESSING ALLOY INGOTS”的美国专利申请No.13/533,142，其作为美国专利申请公布No.2012/0279678而公布。

在锻造操作中，工件表面与模具表面之间的接口摩擦可量化表达为摩擦剪应力。摩擦剪应力(T)可通过以下方程被表达为变形材料的固体流动应力(σ)和剪切摩擦因子(m)的函数：

$T=\frac{m}{\sqrt{3}}\mathrm{\σ}.$

剪切摩擦因子的值提供用于锻造系统的润滑性的量化量度。举例来说，当在无润滑剂的情况下锻造钛合金工件时，剪切摩擦因子的范围可从0.6到1.0，而当在利用某些熔融润滑剂的情况下热锻造钛合金工件时剪切摩擦因子的范围可从0.1到0.3。可使用环压缩测试测量量化为系统的剪切摩擦因子(m)的润滑性，在环压缩测试中将平坦环形样本压缩到预定高度减小。环压缩测试是一般技术人员已知的，且通常在例如Altan等人的Metal Forming：Fundamentals and  Applications第6章“Friction in Metal Forming”，ASM：1993中描述，其以引用的方式并入本文中。

表征为例如用于锻造操作的剪切摩擦因子的相对高值的不适当锻造润滑可具有若干不利影响。在锻造过程中，从模具传输到塑性变形工件的力引起材料的固态流动。模具/工件接口处的摩擦条件影响工件内的金属流动、表面形成和内应力、作用于模具上的应力，以及按压负载和能量要求。图3A和3B说明结合开式模具镦锻操作的特定摩擦效应。

图3A说明在理想无摩擦条件下圆柱形工件20的开式模具镦锻。图3B说明在高摩擦条件下相同圆柱形工件20的开式模具镦锻。上部模具32将工件20从其初始高度(由虚线展示)按压到经锻造高度H。镦压力由上部模具32和下部模具30以与工件20相等的量值且在相反的方向上施加。形成工件20的材料不可压缩，且因此初始工件20以及分别在图3A和3B所示的最终经锻造工件20a和20b的体积相等。在图3A中说明的无摩擦条件下，工件20在轴向和径向方向上均一地变形。这由经锻造工件20a的线性构型24a指示。在图3B中说明的高摩擦条件下，工件20不在轴向和径向方向上均一地变形。这由经锻造工件20b的弯曲构型24b指示。

以此方式，经锻造工件20b在高摩擦条件下展现“滚光”，而经锻造工件20a在无摩擦条件下不展现任何滚光。滚光和归因于模具/工件接口摩擦的非均一塑性变形的其它效应通常是不合需要的。举例来说，在压印模具锻造中，接口摩擦可导致形成其中变形材料未填充模具中的所有腔的空穴空间。这在其中工件在较严格容限内锻造的净成形或近净成形(near-net-shape)锻造操作中可能尤其成问题。高摩擦条件还可导致其中工件粘附到模具的“模具锁定”。“模具锁定”在涉及经外形修整(contoured)模具表面的锻造操作中可能尤其不合需要，其中离心定位的工件可发生模具锁定且不能适当变形以呈模具的外形。因此，可采用锻造润滑剂来减少锻造操作期间模具表面与工件表面之间的接口摩擦。

关于用于减小锻造系统的剪切因子的各种装置和/或方法的以下共同拥有美国专利申请的相应全文以引用的方式并入本文中：

-标题为“LUBRICATION PROCESSES FOR ENHANCEDFORGEABILITY”的美国专利申请No.12/814,591，其作为美国专利申请公布No.2011/0302978而公布；以及

-标题为“LUBRICATION PROCESSES FOR ENHANCEDFORGEABILITY”的美国专利申请No.13/027,327，其作为美国专利申请公布No.2011/0802979而公布。

根据某些非限制性实施方案，根据本公开的一种对合金铸块或其它合金工件进行热加工的方法可通常包括在合金铸块或其它合金工件与锻造模具或其它锻造结构之间使用多层垫以排除或减少合金铸块或其它合金工件的表面断裂。除了排除或减少表面断裂外，根据本公开的多层垫还可在热加工操作期间使合金铸块或其它合金工件的表面润滑。多层垫可包括至少两层。在各个非限制性实施方案中，多层垫可包括至少三层。在至少一个非限制性实施方案中，举例来说，多层垫可包括至少一个润滑层以减少合金铸块或其它合金工件与模具或其它铸造结构之间的摩擦。此外，在至少一个非限制性实施方案中，举例来说，多层垫可包括至少一个绝缘层以使合金铸块或其它合金工件与模具或其它铸造结构热绝缘。在各个非限制性实施方案中，多层垫可包括定位在两个润滑层中间的热绝缘层。在各个非限制性实施方案中，举例来说，绝缘层和润滑层的厚度可取决于工件的材料特性、工件与锻造模具之间的温度梯度，以及多层垫的材料。在某些非限制性实施方案中，热绝缘层可足够厚以使工件与模具热绝缘，且润滑层可足够厚以减少锻造期间工件与模具之间的摩擦。在各个非限制性实施方案中，举例来说，热绝缘层可厚于润滑层，或反之亦然。

现参看图7和8，根据本公开减少热断裂的多层垫100的非限制性实施方案可通常包括多个层102、104、106。所述多个层的至少一者可例如为润滑层，其可减少合金铸块或其它合金工件与模具或其它锻造结构之间的摩擦。至少一个层可例如为热绝缘层，其可使合金铸块或其它合金工件与模具或其它锻造结构热绝缘。在各个非限制性实施方案中，举例来说，润滑层可形成多层垫100的外层，使得润滑层接触工件和/或模具。在某些非限制性实施方案中，举例来说，润滑层可形成多层垫100的外层，使得润滑层接触工件和模具或其它锻造结构两者。在某些非限制性实施方案中，第一外润滑层可包括例如工件接触表面，且第二外润滑层可包括例如模具接触表面。

仍参看图7和8，在本公开的示例性实施方案中，层102和104可为润滑层，其可减小工件与模具之间的摩擦。此外，层106可为热绝缘层，其可使工件与模具热绝缘。在各个非限制性实施方案中，绝缘层106可定位在润滑层102与104之间。在各个非限制性实施方案中，多层垫100可包含额外层。举例来说，多层垫可包含外润滑层之间的多个绝缘层。在其它非限制性实施方案中，举例来说，多层垫可包含多个交替绝缘层和润滑层。

在各个非限制性实施方案中，多层垫的所述各层可固定或固持在一起。举例来说，现参看图9和10，U形钉118可将多层垫110的至少两层112、114、116固定在一起。在某些非限制性实施方案中，举例来说，多层垫110可包括夹在两个润滑层112、114(图9)之间的热绝缘层116。举例来说，U形钉118可刺穿润滑层112和114以形成套筒或囊。在各个非限制性实施方案中，热绝缘层116可在通过接合或钉住的外润滑层112和114形成的套筒内滑动或以其它方式定位在所述套筒内。在各个非限制性实施方案中，成行的U形钉118可沿着多层垫110延伸。举例来说，成行的U形钉118可沿着多层垫110的两个横向侧延伸。举例来说，绝缘层116可滑动穿过多层垫110的非钉住侧和/或部分。在各个非限制性实施方案中，至少一个U形钉118可刺穿内绝缘层116。举例来说，绝缘层116可定位在外润滑层112、114之间，且U形钉118可例如经由外层和内层112、114和116施加。在此类非限制性实施方案中，举例来说，U形钉118可将内绝缘层116相对于外润滑层112和114固持。

参看图11和12，缝合128(图12)可将多层垫120的层122、124、126固定在一起。在某些非限制性实施方案中，举例来说，多层垫120可包括夹在两个润滑层122和124之间的热绝缘层126。在各个非限制性实施方案中，润滑外层122和124可由一片润滑材料形成。该片润滑材料可例如沿着线127折叠以形成套管或囊，且缝合可将外润滑层122与124固持在一起。在某些非限制性实施方案中，缝合128可在多层垫110的周长的至少一部分周围延伸。举例来说，缝合可沿着多层垫120的非折叠边缘延伸。在各个非限制性实施方案中，热绝缘层126可在外润滑层122和124形成的套管内滑动或以其它方式定位在所述套管内。在某些非限制性实施方案中，缝合128的至少一部分可延伸穿过内热绝缘层126。在此非限制性实施方案中，缝合128可将内热绝缘层126相对于外润滑层122和124固持。

在各个非限制性实施方案中，根据本公开用于使工件与锻造模具热绝缘的热绝缘层可包括多个陶瓷纤维。根据某些非限制性实施方案，所述多个陶瓷纤维可包括捆、条或束、织物和/或板。如本文通常使用，术语“织物”指可编织、针织、粘结或熔合的材料、非编织材料，或原本由纤维构成的材料。在某些非限制性实施方案中，织物可包括粘合剂以将所述多个纤维固持在一起。在某些非限制性实施方案中，织物可包括纱线、毛毯、垫子、纸张、毛毡等中的一或多者。在某些非限制性实施方案中，热绝缘层可包括陶瓷织物，例如包括耐火粘土纤维的陶瓷织物。举例来说，热绝缘层可包括KAOWOOL织物，其是一般技术人员已知的材料且其包括铝硅耐火粘土。在各个实施方案中，热绝缘层可足够耐热以保护经热加工工件免受较冷模具影响和/或防止或显著减少两个主体之间的热传递。举例来说，绝缘层的热阻可大于多层垫的润滑层的热阻。在各个非限制性实施方案中，举例来说，对于1500°F与2000°F(816℃与1093℃)之间的温度，绝缘层的热导率的范围可从1.45BTU·in/(hr·ft²·°F)到2.09BTU·in/(hr·ft²·°F)。

多层垫的绝缘层的厚度可根据织物的热导率变化。在某些非限制性实施方案中，织物可具有例如0.5”、1.0”或2”的厚度。此外，多层垫的所述一或多个热绝缘层的形状和厚度可考虑合金可进行热加工的温度范围，例如在待加工的特定合金中起始断裂时所处的温度。在针对热加工操作的给定开始温度下，由于在合金中起始断裂时所处的温度的差异，一些合金可在比其它合金大的温度范围上有效热加工。对于具有相对小的热加工温度范围的合金(即，合金可进行热加工的最低温度与起始断裂时所处的温度之间的差)，所述一或多个热绝缘层的厚度以及因此多层垫的厚度可相对较大以抑制或防止工件冷却到起始断裂的脆弱温度范围。同样，对于具有相对大的热加工温度范围的合金，所述一或多个热绝缘层的厚度以及因此多层垫的厚度可相对较小以抑制或防止下伏合金铸块或其它合金工件冷却到起始断裂的脆弱温度范围。在各个非限制性实施方案中，多个绝缘层可堆叠和/或层叠以实现足以提供所要绝缘效应的厚度。

在各个非限制性实施方案中，根据本公开的用于减少工件与锻造模具之间的摩擦的润滑层可包括玻璃纤维。玻璃纤维可包括例如1650°F与2050°F之间(899℃-1121℃)的熔点，且可包括例如SiO₂、Al2O₃、B₂O₃TiO和/或CaO。在某些非限制性实施方案中，润滑层可具有低摩擦系数。润滑层可例如具有小于工件和/或模具的摩擦系数的摩擦系数。在某些非限制性实施方案中，润滑层可例如具有小于绝缘层的摩擦系数的摩擦系数。在各个实施方案中，举例来说，锻造温度下润滑层的摩擦系数的范围可从0.8到1.0。相反，金属的摩擦系数的范围可从0.3-0.9，这取决于合金和温度。

根据某些非限制性实施方案，一种处理合金铸块或其它合金工件以减少热断裂的方法可通常包括初始形成工件。本文描述的合金铸块或其它合金工件可使用例如常规冶金技术或粉末冶金技术来形成。举例来说，在各个非限制性实施方案中，合金铸块或其它合金工件可通过真空感应熔化(VIM)与真空电弧重熔(VAR)的组合(称为VIM-VAR操作)形成。在各个其它非限制性实施方案中，合金工件可通过三重熔化技术形成，其中在VIM操作与VAR操作中间执行电渣重熔(ESR)操作，从而提供VIM-ESR-VAR(即，三重熔化)序列。在其它非限制性实施方案中，合金工件可使用粉末冶金操作形成，所述粉末冶金操作涉及熔融合金的原子化，以及所得冶金粉末的收集和固结为合金工件。

在某些非限制性实施方案中，合金铸块或其它合金工件可使用喷射成形操作形成。举例来说，VIM可用于由给料制备基底合金成分。ESR操作可任选地在VIM之后使用。已熔合金可从VIM或ESR熔池提取且被原子化以形成熔融液滴。熔融合金可使用例如冷壁感应引导(CIG)从熔池提取。熔融合金液滴可使用喷射成形操作沉积到模子中或沉积到心轴或其它表面上以形成固化的合金工件。

在某些非限制性实施方案中，合金铸块或其它合金工件可使用热等静压(HIP)形成。HIP通常指例如氩气等高压和高温气体的等静施加，以将粉末材料压紧和固结为单片预成型件。粉末可通过气密密封容器与高压和高温气体分离，所述气密密封容器充当正压紧和固结的气体与粉末之间的压力壁垒。气密密封容器可发生塑性变形以压紧粉末，且升高的温度可有效地将个别粉末粒子烧结在一起以形成单片预成型件。可在整个粉末上施加均一压紧压力，且可在预成型件中实现均匀密度分布。举例来说，近等原子镍钛合金粉末可加载到金属容器(例如，钢罐)中，且除气以移除被吸收的湿气和滞留气体。含有近等原子镍钛合金粉末的容器可在真空下例如通过焊接气密密封。密封的容器可接着在足以实现容器中镍钛合金粉末的完全致密的温度和压力下进行HIP操作，借此形成完全致密的近等原子镍钛合金预成型件。

在初始工件形成之后，处理合金铸块或其它合金工件以减少热断裂的非限制性方法可通常包括加热工件和/或修整工件的表面。在某些非限制性实施方案中，合金工件可暴露于高温以使合金成分与工件的微结构匀化。所述高温可在合金的再结晶温度以上但在合金的熔点温度以下。合金工件可例如通过研磨和/或剥离工件的表面而进行表面修整。工件还可例如铺沙和/或擦亮。表面修整操作可在任何任选热处理步骤(例如，高温下的均匀化)之前和/或之后执行。

根据某些非限制性实施方案，一种处理合金铸块或其它合金工件以减少热断裂的方法可通常包括热加工工件。热加工工件可包括将力施加到工件以使工件发生塑性变形。所述力可利用例如模具和/或辊施加。在各个非限制性实施方案中，根据本公开的多层垫可定位在工件的至少一部分与模具或其它锻造结构的至少一部分之间。举例来说，现参看图4A和4B，热加工工件40可包括在开式模具中镦锻工件40。开式模具可包括例如第一模具部分50和第二模具部分52。在各个非限制性实施方案中，工件40可夹持在第一与第二模具部分50、52之间使得工件40在其间发生塑性变形(图4B)。在某些非限制性实施方案中，多层垫130、140可定位在工件40的至少一部分与模具部分50、52的一者之间。举例来说，第一多层垫140可定位在第一模具部分50与工件40之间，且第二多层垫130可定位在第二模具部分52与工件40之间。多层垫130、140可固定到工件40和/或固定到模具40、50。在各个实施方案中，多层垫130、140可例如放置在工件40上且通过重力固持在适当位置。多层垫130、140可具有任何适宜的宽度和长度以覆盖预变形的工件40和/或变形的工件40a的至少一部分。多层垫130、140的宽度和长度可例如根据工件40和模具40、50的大小和/或形状变化。在各个非限制性实施方案中，多层垫130、140可例如覆盖工件40与模具部分50、52之间的整个接口。在其它非限制性实施方案中，多层垫130、140可例如仅部分覆盖工件40与模具部分50、52之间的接口。

现参看图5，热加工工件80可包括在压印模具70中镦锻工件80。压印模具70可包含例如冲头72，其可包含例如压印和/或大体平坦冲压表面。在各个非限制性实施方案中，工件80可夹持在压印模具70与冲头72之间使得工件80在其间发生塑性变形。在某些非限制性实施方案中，多层垫150、160可定位在工件80的至少一部分与模具70和/或冲头72之间。举例来说，第一多层垫150可定位在冲头72的至少一部分与工件80的至少一部分之间，且第二多层垫160可定位在压印模具70的至少一部分与工件80的至少一部分之间。多层垫150、160可例如固定到工件80和/或固定到模具70和/或冲头72。在各个实施方案中，举例来说，多层垫150、160可放置在工件80上且通过重力固持在适当位置。多层垫150、160可具有任何适宜的宽度和长度以覆盖工件80的至少一部分。多层垫150、160的宽度和长度可根据工件80的大小和/或形状变化。在各个非限制性实施方案中，举例来说，多层垫150、160可覆盖工件80与模具部分70、72之间的整个接口。在其它非限制性实施方案中，多层垫150、160可例如仅部分覆盖工件80与模具部分70、72之间的接口。

现参看图6A和6B，图5中描绘的压印模具镦锻系统形成的紧固件84(即，使用定位在工件80与压印模具70之间以及工件80与冲头72之间的多层垫150、160)可包含紧固件头部86。如图6B所示，镦锻操作期间形成的紧固件头部86可例如包括大体上无表面断裂的外表面88。相比之下，图1A-1C中描绘的压印模具镦锻操作形成的紧固件24(2A和2B)(即，在不使用多层垫的情况下)包含其外表面24上的显著较大表面断裂。

在某些非限制性实施方案中，热加工工件可包括在从1500°F到2500°F的温度下热加工工件。当然，如本领域一般技术人员将了解，可针对特定合金工件进行热加工所处的温度范围将受以下因素影响，包含例如：合金成分和微结构、工件大小和形状，以及所采用的特定热加工技术。在某些非限制性实施方案中，热加工工件可包括锻造操作和/或挤压操作。举例来说，工件可经镦锻和/或拉伸锻造。在各个非限制性实施方案中，所述方法可包括通过锻造热加工工件。在各个非限制性实施方案中，所述方法可包括通过在从1500°F到2500°F的温度下锻造来热加工工件。在各个非限制性实施方案中，所述方法可包括通过挤压热加工工件。在各个非限制性实施方案中，所述方法可包括通过在从1500°F到2500°F的温度下挤压来热加工工件。

镦压-拉伸锻造操作可包括镦锻操作的一或多个序列以及拉伸锻造操作的一或多个序列。在镦压操作期间，合金铸块或其它合金工件的端部表面可定位在锻造模具之间，所述锻造模具将力施加到工件且压缩工件的长度并增加工件的横截面。根据本公开的多层垫可例如定位在锻造模具与合金铸块或其它合金工件的端部表面之间。在拉伸操作期间，侧表面(例如，圆柱形工件的圆周表面)可定位在锻造模具之间，所述锻造模具将力施加到合金铸块或其它合金工件且压缩工件的横截面并增加工件的长度。根据本公开的多层垫可例如定位在锻造模具与合金铸块或其它合金工件的侧表面之间。

在各个非限制性实施方案中，合金铸块或其它合金工件可经受一或多个镦压-拉伸锻造操作。举例来说，在三重镦压-拉伸锻造操作中，工件可首先进行镦锻且接着进行拉伸锻造。镦压和拉伸序列可多重复两次，总计三个循序镦压和拉伸锻造操作。在各个非限制性实施方案中，工件可经受一或多个挤压操作。举例来说，在挤压操作中，圆柱形工件可被迫穿过圆形模具，借此减小工件的直径且增加工件的长度。一般技术人员将了解其它热加工技术，且根据本公开的多层垫和方法可适于与此类其它技术中的一或多者一起使用而不需要过度实验。

尽管本文描述的方法有利地结合断裂敏感合金使用，但将理解，所述方法还通常适用于任何合金，包含例如：表征为热加工温度下相对低的延展性的合金、在从1000°F到2200°F的温度下热加工的合金，以及通常不易断裂的合金。如本文使用，术语“合金”包含常规合金、超合金，以及仅包含附带水平的其它元素的金属。如本领域一般技术人员理解，超合金展现高温下相对良好的表面稳定性、抗腐蚀和氧化能力、高强度，以及高蠕变阻力。

根据本文的各个实施方案可处理的合金工件可呈任何适宜的形式。在特定非限制性实施方案中，举例来说，合金工件可包括铸块、坯料、棒、板、管、烧结预成型件等，或呈铸块、坯料、棒、板、管、烧结预成型件等的形式。

在各个非限制性实施方案中，本文揭示的方法可用于由铸造、固结或喷射成形的铸块的形式的合金铸块产生锻坯。铸块到坯料或其它经加工物件的锻造转换或挤压转换可与先前工件相比产生物件中更精细的颗粒结构。本文描述的方法和工艺可改进由工件锻造或挤压的产品(例如，坯料)的收率，因为根据本公开的多层垫可减小锻造和/或挤压操作期间工件的表面断裂的发生率。举例来说，已观察到，根据本公开的提供在工件的表面的至少一区与模具之间的多层垫可更容易容忍加工模具引起的应变。还已观察到，根据本公开的提供在工件的表面的至少一区与模具之间的多层垫还可更容易容忍热加工期间加工模具与工件之间的温度差。以此方式，已观察到，防止或减少加工期间下伏工件中的表面断裂起始。

在各个非限制性实施方案中，具有安置在其上的根据本公开的多层垫的各种合金的合金铸块或其它合金工件可经热加工以形成可用于制造各种物件的产品。举例来说，本文描述的工艺的实施方案可用于由镍基合金、铁基合金、镍铁基合金、钛基合金、钛镍基合金、钴基合金、镍基超合金和其它超合金中的任一者形成坯料。由经热加工铸块或其它合金工件形成的坯料或其它产品可用于制造物件，包含(但不限于)涡轮组件(例如，用于涡轮引擎的盘和环)，以及各种固定式涡轮。由根据本文描述的各个非限制性实施方案而处理的合金铸块或其它合金工件制成的其它物件可包含(但不限于)阀组件、引擎组件、转轴和紧固件。

已参考各个示例性、说明性且非限制性实施方案编写本公开。然而，本领域一般技术人员将认识到，可在不脱离仅由权利要求书界定的本发明的范围的情况下作出所公开实施方案(或其部分)的任一者的各种替代、修改或组合。因此，应预期且理解，本公开包含本文未明确陈述的额外实施方案。此类实施方案可例如通过组合、修改或再组织本文描述的实施方案的所公开步骤、成分、构成、组件、元件、特征、方面、特性、限制等而获得。因此，本公开不受各个示例性、说明性且非限制性的实施方案的描述限制，而是仅受权利要求书限制。以此方式，申请人保留在审查期间修订权利要求书的权利以添加如本文不同地描述的特征。

Claims (36)

1.一种用于锻造工件的系统，所述系统包括：

模具；

合金工件；以及

垫，其定位在所述模具的至少一部分与所述合金工件的至少一部分中间，其中所述垫包括多个层，包含：

第一层，其包括第一热阻和第一摩擦系数；以及

第二层，其包括第二热阻和第二摩擦系数，其中所述第一热阻大于所述第二热阻，且其中所述第一摩擦系数大于所述第二摩擦系数。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述第二层包括玻璃纤维。

3.如权利要求1所述的系统，其中所述第一层包括KOAWOOL。

4.如权利要求1所述的系统，其中所述第一层包括耐火粘土纤维。

5.如权利要求1所述的系统，其进一步包括适于将所述多层固持在一起的紧固件。

6.如权利要求1所述的系统，其进一步包括第三层，所述第三层包括第三热阻和第三摩擦系数，其中所述第一热阻大于所述第三热阻，其中所述第一摩擦系数大于所述第三摩擦系数，且其中所述第一层定位在所述第二层与第三层中间。

7.如权利要求6所述的系统，其中所述第二层进一步包括工件接触表面，且其中所述第三层进一步包括模具接触表面。

8.如权利要求1所述的系统，其中所述合金工件包括铸块、坯料、棒、板、管和烧结预成型件中的一者。

9.如权利要求1所述的系统，其中所述合金工件包括选自由以下各项组成的群组的材料：镍基合金、镍基超合金、铁基合金、镍铁基合金、钛基合金、钛镍基合金和钴基合金。

10.如权利要求9所述的系统，其中所述合金工件包括选自由以下各项组成的群组的材料：合金718(UNS No.N07718)、合金720(UNS No.N07720)、Rene 41合金(UNS No.N07041)、Rene 65合金、Rene 88合金、合金(UNS No.N07001)和合金。

11.如权利要求1所述的系统，其中所述模具包括镦锻模具和冲头，其中所述垫定位在所述镦锻模具的至少一部分与所述合金工件之间，其中所述系统进一步包括第二垫，且其中所述第二垫定位在所述冲头的至少一部分与合金工件之间。

12.一种在锻造操作期间使用的多层垫，其中所述多层垫包括：

第一润滑层；

第二润滑层；以及

第一绝缘层，其中所述第一绝缘层定位在所述第一润滑层与第二润滑层中间。

13.如权利要求12所述的多层垫，其中所述第一润滑层进一步包括工件接触表面，且其中所述第二润滑层进一步包括模具接触表面。

14.如权利要求12所述的多层垫，其中所述第一润滑层和第二润滑层中的至少一者包括玻璃纤维。

15.如权利要求12所述的多层垫，其中所述第一绝缘层包括陶瓷纤维。

16.如权利要求12所述的多层垫，其中所述第一绝缘层包括KAOWOOL。

17.如权利要求12所述的多层垫，其中所述第一润滑层和第二润滑层的摩擦系数小于所述第一绝缘层的摩擦系数。

18.如权利要求12所述的多层垫，其中所述第一绝缘层的热导率小于所述第一润滑层和第二润滑层的热导率。

19.如权利要求12所述的多层垫，其进一步包括用于将至少所述第一润滑层和第二润滑层相对于彼此紧固的紧固件。

20.如权利要求12所述的多层垫，其中所述第一润滑层和第二润滑层形成用于所述绝缘层的套筒。

21.一种用于处理合金工件的方法，其包括：

将所述合金工件加热到环境温度以上的温度；

将多层垫定位在所述合金工件与模具之间，其中所述多层垫包括润滑层和热阻层；以及

热加工所述合金工件。

22.如权利要求21所述的方法，其中热加工所述合金工件包括利用所述模具向所述合金工件施加力以使所述合金工件变形。

23.如权利要求22所述的方法，其中利用所述模具向所述合金工件施加力以使所述合金工件变形包括镦锻所述合金工件。

24.如权利要求21所述的方法，其进一步包括将多个多层垫定位在所述合金工件与至少一个模具之间。

25.如权利要求21所述的方法，其进一步包括使所述合金工件预成型。

26.如权利要求21所述的方法，其进一步包括由所述经热加工的合金工件制造物件，其中所述物件选自由以下各项组成的群组：喷射引擎组件、固定式涡轮组件、阀、引擎组件、转轴和紧固件。

27.如权利要求21所述的方法，其中将所述合金工件加热到高于环境温度的温度包括将所述合金工件加热到所述合金的再结晶温度以上且所述合金的熔点温度以下。

28.如权利要求21所述的方法，其中所述合金工件包括铸块、坯料、棒、板、管和烧结预成型件中的一者。

29.如权利要求21所述的方法，其中所述合金工件包括断裂敏感合金。

30.如权利要求29所述的方法，其中所述合金工件包括选自由以下各项组成的群组的材料：合金718(UNS No.N07718)、合金720(UNS No.N07720)、Rene 41合金(UNS No.N07041)、Rene 65合金、Rene 88合金、合金(UNS No.N07001)和合金。

31.如权利要求22所述的方法，其中所述润滑层包括玻璃纤维。

32.如权利要求31所述的方法，其中所述润滑层的摩擦系数小于所述热阻层的摩擦系数。

33.如权利要求21所述的方法，其中所述热阻层包括KAOWOOL。

34.如权利要求33所述的方法，其中所述热阻层的热阻大于所述润滑层的热阻。

35.一种通过如权利要求21所述的方法处理的合金工件。

36.一种通过如权利要求21所述的方法由合金工件形成的经热加工物件。