CN105247093B - 用于制备晶粒尺寸均匀的热加工亚稳合金的方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了用于制备晶粒均匀的热加工亚稳合金的方法。所述方法无需匀质化步骤而产生了无开裂的晶粒均匀的亚稳合金。所述方法包括：提供铸态亚稳合金，在1200℉和1300℉之间加热所述铸态亚稳合金达约12小时并热加工，使所述亚稳合金冷却，在所述铸态亚稳合金被加热至1700℉达规定的时间之后对其进行第二热加工，将所述合金暴露于第三温度下，进行第二热加工压缩，并再次冷却所述合金。

Description

用于制备晶粒尺寸均匀的热加工亚稳合金的方法

相关申请的交叉引用

本申请要求提交于2013年3月15日的序列号为61/793,690的美国临时专利申请的优先权，其内容通过引用完全并入本文。

背景技术

本公开涉及一种制备晶粒尺寸均匀的热加工Cu-Ni-Sn亚稳合金(spinodalalloys)的方法。通常，所述方法可用于产生没有开裂的晶粒尺寸均匀的亚稳合金而无需进行匀质化步骤。代替匀质化步骤的是，铸态(as-cast)金属合金经特定的热处理步骤而产生晶粒尺寸均匀的亚稳合金。

传统上，用于产生晶粒尺寸均匀的金属合金的方法包括与其他热处理和/或冷加工步骤组合的匀质化步骤。匀质化是通用术语，通常用来描述旨在纠正存在于界面处的溶质元素分布和金属间结构改变方面的微观缺陷的热处理。匀质化处理的一个可以接受的结果是，铸态金属的元素分布变得更加均匀。另一个结果包括形成大的金属间颗粒，其在铸造过程中形成并可在加热过程中被破碎和除去。

在进行冷轧或其他热加工工序之前，通常需要进行匀质化工序以将金属转化成更可用的形式和/或改善轧制产品的最终性能。进行匀质化以使微观浓度梯度均衡。通常通过如下方式进行匀质化：加热铸件至高温(高于转变温度，通常接近其熔点)达几小时至几天，不对铸件进行机械加工，然后冷却回到环境温度。

由于在铸造产品中发现了由凝固的早期阶段或最终阶段而导致的微观组织缺陷，因此需要均质化步骤。这类缺陷包括晶粒大小不均匀和化学偏析。凝固后的开裂由铸造过程中产生的宏观应力引起，其导致在凝固完成前开裂以穿晶方式形成。凝固前的开裂也是由铸造过程中产生的宏观应力所导致的。

生产均匀晶粒尺寸的传统方法具有公认的局限性。主要地，它们通常需要匀质化步骤，这会引起促进开裂的不需要的宏观应力。

希望提供在不进行匀质化步骤的情况下制备晶粒尺寸均匀的亚稳合金的方法。这种方法将是有利的，因为它们减少了在亚稳合金中出现宏观应力和开裂的机会。

发明内容

本公开涉及将铸态亚稳合金转变为晶粒尺寸均匀的锻造产品的方法。通常，不需要匀质化步骤。概括而言，加热所述合金的铸件，然后热加工，接着空气冷却至室温。所述加热—热加工—空气冷却是重复进行的。所得工件具有均匀的晶粒尺寸。意想不到的是，发现具有高溶质含量的合金不需要单独的热匀质化处理，并且还发现在较高的温度下进行机械加工之前，在较低的温度下进行机械加工产生了均匀的晶粒结构。

本文的多种实施方案公开了用于制备制品的方法，依次包括：加热铸件至约1100°F至约1400°F的第一温度持续约10小时至约14小时的第一时间，所述铸件包括亚稳合金；进行所述铸件的第一热加工压缩(hot work reduction)；空气冷却所述铸件至第一环境温度；加热所述铸件到至少1600°F的第二温度持续第二时间；使所述铸件暴露于第三温度下持续第三时间；进行所述铸件的第二热加工压缩；以及空气冷却所述铸件至最终环境温度以产生制品。无需匀质化步骤。

在某些实施方案中，所述第三温度比所述第二温度高至少约50°F，且所述第三时间为约2小时至约6小时。

在其他实施方案中，所述第三温度比所述第二温度低至少约50°F，且所述第三时间为约2小时至约6小时，并且将所述铸件从所述第二温度空气冷却降至所述第三温度。

所述第二温度可为1600°F至约1800°F。所述第二时间可为约12小时至约48小时。

所述第三温度可为约1600°F至约1750°F。所述第三时间可为约4小时。

所述第一环境温度和所述第二环境温度通常是室温，即23℃-25℃。

所述铸态亚稳合金通常是铜-镍-锡合金。所述铜-镍-锡合金可包含约8至约20重量％的镍和约5至约11重量％的锡，余量为铜。在更具体的实施方案中，所述铜-镍-锡铸态亚稳合金包含约8至约10重量％的镍和约5至约8重量％的锡。

所述第一热加工压缩可将铸件面积减小至少30％。相似的，所述第二热加工压缩可将铸件面积减小至少30％。

所述第一温度可为约1200°F至约1350°F。所述第二温度可为约1650°F至约1750°F。

在特定实施方案中，所述第一时间为约12小时；所述第一温度为约1350°F。在其他实施方案中，所述第二时间为约24小时；所述第二温度为约1700°F。

还公开了一种制备具有均匀晶粒尺寸的亚稳合金的方法(S100)，包括：在1300°F和1400°F之间加热铸态亚稳合金持续约12小时，然后热加工压缩所述合金；空气冷却所述亚稳合金；加热所述亚稳合金至约1700°F持续约12小时至约48小时；加热所述亚稳合金至约1750°F持续约4小时；进行热加工压缩；以及空气冷却所述亚稳合金以产生具有均匀晶粒尺寸的亚稳合金。

还公开了一种制备具有均匀晶粒尺寸的亚稳合金的方法(S200)，包括：在1300°F和1400°F之间加热铸态亚稳合金持续约12小时，然后热加工压缩所述合金；空气冷却所述亚稳合金；加热所述亚稳合金至约1700°F持续约12小时至约48小时；炉内冷却所述亚稳合金至约1600°F并加热持续约4小时；进行热加工压缩；以及空气冷却所述亚稳合金以产生具有均匀晶粒尺寸的亚稳合金。

下面将更充分地讨论本公开的这些和其他非限制性特征。

附图说明

下面是附图的简述，其为举例说明而非限制本文所公开的示例性实施方案的目的。

图1是制备具有均匀晶粒尺寸的热加工亚稳合金的第一示例性方法的流程图。

图2是制备具有均匀晶粒尺寸的热加工亚稳合金的第二示例性方法的流程图。

图3是实验数据的流程图，所述实验数据表明在对Cu-Ni-Sn亚稳合金圆柱体进行匀质化之后，当在压缩条件下在1750°F下进行空气冷却或炉内冷却时，超过一半的所述圆柱体开裂。

图4是示出下面的一种传统方法的数据图，该传统方法包括：(1)在1700°F下进行匀质化步骤持续3天，(2)在1200°F下再加热1天，然后热加工，和(3)在1750°F下进行第二再加热持续1天，并且进行第二热加工，其中所有三个步骤之后均进行水淬。

图5是示出改进方法的数据图，所述改进方法包括图4中所使用的相同步骤(1-3)，但是在各步骤之后使用空气冷却代替水冷却。

图6是示出用于形成晶粒尺寸均匀的亚稳合金的示例性方法的数据图。在这种示例性方法中无匀质化步骤。

图7是示出用于形成晶粒尺寸均匀的亚稳合金的第二示例性方法的数据图，所述第二示例性方法在第二热加工中使用较低的温度。

具体实施方式

参照附图可更完整地理解本文所公开的组件、方法和装置。为了便于和易于说明本发明，这些附图仅是示意性表示，因此并非旨在表示所述设备或其部件的相对大小和尺寸，和/或限定或限制示例性实施方案的范围。

尽管为了清楚起见，在以下的描述中使用了特定术语，这些术语旨在仅指代被选择在附图中示出的实施方案的具体结构，并非旨在限定或限制本公开的范围。在附图和下面的描述中应理解，相似的数字标号指代的是具有相似功能的组件。

如在说明书和权利要求书中使用的，术语“包括”可包括“由……组成”和“基本上由……组成”的实施方案。如本文中使用的术语“包含”、“包括”、“具有”、“有”、“能够”、“含有”及其变化形式旨在表示开放式的连接短语、术语或词语，其要求具有所提到的成分/步骤，并且允许具有其他成分/步骤。然而，这种描述应被解释为还描述了组合物或方法“由所列举的成分/步骤组成”和“基本上由所列举的成分/步骤组成”的情况，其允许仅具有所指出的成分/步骤，以及任何可能由此产生的杂质，并排除了其他成分/步骤。

在本申请的说明书和权利要求书中的数值应被理解为：包括减少到相同有效数字位数时相同的数值、以及与所述值之间的差值小于本申请中所述类型的用以确定该值的常规测量技术的试验误差的数值。

本文中所披露的全部范围均包括所列的端值，并且是可独立组合的(例如，范围“2g至10g”包括端值2g和10g，并且包括全部的中间值。

由一个或多个术语(如“约”和“基本上”)修饰的值可以不限于指定的精确值。用于表示近似的用语可符合用于测量所述值的仪器的精度。修饰语“约”还应被视为公开了由两个端值的绝对值所确定的范围。例如，“约2至约4”的表述还公开了范围“2至4”。

如本文所用，术语“亚稳合金”指的是其化学组成能够进行亚稳分解的合金。术语“亚稳合金”是指合金的化学状态而非物理状态。因此，“亚稳合金”可以经历或不经历亚稳分解，并且可以处于或不处于进行亚稳分解的过程中。

亚稳老化/分解是一种这样的机制，通过该机制，多种成分可以分成具有不同的化学组成和物理性质的独特区域或微观组织。特别地，位于相位图中心区域的具有总体组成(bulk composition)的晶体发生出溶。

用于亚稳合金的常规的加工步骤包括均质化和高温下的热加工。这些加工在高的温度下开始，并随着材料被加工而通过较低的温度向下级联。匀质化微观组织通常归因于这些加工。均匀的微观组织通常是理想的，因为这表明整个合金具有均匀的性能。在可以存在多个相的亚稳合金内获得均匀的微观组织是困难的。本公开涉及一种将铸态亚稳合金转变为晶粒尺寸均匀的锻造产品的方法。

参见图1，根据第一实施方案的通过热加工制备具有均匀晶粒尺寸的亚稳合金的示例性方法(S100)从S101开始。在S102中，提供铸态亚稳合金。在S104中，将铸态亚稳合金加热至1300°F和1400°F之间的第一温度达约12小时，然后热加工。在S106中，空气冷却所述亚稳合金。在S108中，将所述亚稳合金第二次加热至1700°F的第二温度持续第二时间。在S110中，将所述亚稳合金加热至1750°F的更高的第三温度达约4小时。在S112中，进行第二热加工压缩。在S114中，空气冷却所述亚稳合金。形成了无开裂的晶粒尺寸均匀的亚稳合金，而无需进行匀质化。

参见图2，根据第二实施方案的通过热加工制备具有均匀晶粒尺寸的亚稳合金的另一个示例性方法(S200)从S201开始。在S202中，提供铸态亚稳合金。在S204中，将所述铸态亚稳合金加热至1300°F和1400°F之间达约12小时，然后热加工。在S206中，空气冷却所述亚稳合金。在S208中，将所述亚稳合金第二次加热至1700°F的第二温度持续第二时间。在S210中，将所述亚稳合金冷却至1600°F的第三温度达约4小时。在S212中，进行第二热加工压缩。在S214中，空气冷却所述亚稳合金。形成了无开裂的晶粒尺寸均匀的亚稳合金，而无需进行匀质化。

更一般地说，图1和图2中所示的方法涉及制备具有均匀晶粒尺寸的制品或合金。由亚稳合金制备铸件(S102、S202)。将铸件加热至约1100°F-约1400°F的第一温度持续约10小时-约14小时的第一时间(S104、S204)。进行所述铸件的第一热加工压缩(S104、S204)。然后将所述铸件空气冷却至第一环境温度(S106、S206)。接着将所述铸件加热至至少1600°F的第二温度持续第二时间(S108、S208)。然后将铸件暴露于第三温度持续第三时间(S110、S210)。该第三温度可以高于或低于所述第二温度。进行铸件的第二热加工压缩(S112、S212)，空气冷却铸件至最终环境温度以产生制品(S114、S214)。

在类似于图1的实施方案中，第三温度比第二温度高至少约50°F，第三时间为约2小时至约6小时。

在类似于图2的实施方案中，第三温度比第二温度低至少约50°F，第三时间为约2小时至约6小时，铸件从第二温度被空气冷却降至第三温度。

注意这里提到的温度是指所述合金暴露于其中的气氛温度，或炉所设置的气氛温度，所述合金自身无需达到这些温度。

如上所讨论的，空气冷却被用于本文所述方法的冷却步骤。在这方面，可通过三种不同的方法来进行合金/铸件的冷却：水淬、炉内冷却、和空气冷却。在水淬中，铸件被浸入水中。这种类型的淬火迅速改变铸件的温度，并且通常产生单相。在炉内冷却中，关闭炉并将铸件留在炉内。结果，铸件以与炉内空气相同的速率冷却。在空气冷却中，铸件从炉中取出并暴露于环境温度。如果需要的话，空气冷却可以是主动的，即使环境空气吹向铸件。相比炉内冷却，空气冷却时铸件以更快的速率冷却。

对铸件进行的热加工压缩通常使铸件的面积减小至少30％。可以通过测量热加工前后合金的截面面积变化，根据以下公式来确定减小的程度：

％HW＝100*[A₀-A_f]/A₀

其中A₀为热加工前的初始或原始截面面积，A_f是热加工后的最终截面面积。值得注意的是，截面面积的变化通常只归因于合金厚度的变化，因此同样也可以使用初始和最终厚度计算％HW。

所述铜合金可以是亚稳合金。在大多数情况下，亚稳合金在其相图中表现出异常，这称为溶混间隙。在溶混间隙的相对较窄的温度范围内，在现有的晶格结构中发生原子排序。所产生的两相结构在远低于所述间隙的温度下是稳定的。

与传统的高性能铁、镍和钛合金相比，铜合金具有非常高的导电性和导热性。常规的铜合金很少用于需要高硬度的苛刻应用中。然而，在硬化铸造和锻造的情况中，铜-镍-锡亚稳合金兼具高硬度和传导性。

此外，导热性是常规铁(工具钢)合金的三至五倍，这在增加散热速率的同时通过更均匀的散热有利于减少畸变(distortion)。此外，铜亚稳合金在相似的硬度下表现出更优异的机械加工性能。

所述制品的铜合金可包含镍和/或锡。在某些实施方案中，所述铜合金包含约8至约20重量％的镍和约5至约11重量％的锡，包括约13至约17重量％的镍和约7至约9重量％的锡，以及余量的铜。在具体实施方案中，所述合金包含约15重量％的镍和约8重量％的锡。在其他实施方案中，所述合金含有约9重量％的镍和约6重量％的锡。

三元铜-镍-锡亚稳合金表现出诸如以下性能等多种性能的有益结合：高强度、优异的摩擦性能、以及在海水和酸性环境中的高耐腐蚀性。基体金属的屈服强度增加可归因于所述铜-镍-锡合金中的亚稳分解。

任选地，所述合金还包含铍、镍和/或钴。在某些实施方案中，铜合金含有约1重量％至约5重量％的铍，钴和镍的总和可在约0.7重量％至约6重量％的范围内。在特定实施方案中，所述合金包含约2重量％的铍和约0.3重量％的钴和镍。其他铜合金的实施方案可包含约5重量％和约7重量％之间的铍。

本公开所述的合金任选含有少量添加剂(如铁、镁、锰、钼、铌、钽、钒、锆、硅、铬和其两种或更多种元素的任意混合物)。所述添加剂的存在量可以至多5重量％，包括至多1重量％和至多0.5重量％。

在某些实施方案中，最初的铸态合金制品的制备包括加入镁。为了减少氧含量，可加入镁。镁可与氧反应形成氧化镁，其可从合金块中被除去。

提供以下实施例来说明本公开的合金、制品和方法。这些实施例仅是说明性的，并且不旨将公开内容限制于其中所述的材料、条件或工艺参数。

实施例

图3是描述对Cu-Ni-Sn亚稳合金圆柱体所进行的一些实验的图。使用的所有Cu-Ni-Sn亚稳合金为约8-10重量％的镍、5–8重量％的锡和余量铜。这里研究了冷却方法。

如右上所述，一些圆柱体在1700°F匀质化三天，然后空气冷却至室温，在1350°F下再加热过夜、压缩，并在1750°F下再加热过夜并压缩。如左下所述，一些圆柱体在1700°F匀质化三天，然后炉内冷却至1350°F，在1350°F下再加热过夜、压缩，并在1750°F下再加热过夜并压缩。

在这两种情况下，当在1750°F下压缩时，超过一半的圆柱体开裂。然而，如左上所示，两种冷却方式均产生了40微米(μm)和60μm之间的均匀晶粒尺寸。

图4是示出进行以下步骤的传统方法的数据图：(1)在1700°F下进行匀质化步骤持续3天，(2)在1200°F下进行第一再加热持续1天，随后热加工，和(3)在1750°F下进行第二再加热持续1天，随后进行第二热加工。在各步骤(1-3)之后，进行WQ(水淬)。图中包括示出不同步骤之后的微观组织的照片。比较图3与图4的结果，注意到在匀质化之后使用空气冷却的铸件的微观组织类似于铸态微观组织。

图5是示出类似于图4的改进方法的数据图，不同之处在于使用空气冷却代替各步骤之后的水淬。虽然在第一匀质化步骤(1700°F/3天)之后的微观组织数据非常不同于图4中得到的那些，然而最终的微观组织是类似的。

结果发现了本公开的方法。图6是示出用于形成晶粒尺寸均匀的亚稳合金的第一示例性方法的数据图。将铸态材料加热到1350°F持续约12小时(在该点显示出微观组织)、热加工、然后空气冷却。对空气冷却中间产物示出了两种微观组织(在第一曲线的空气冷却标题之后示出)。然后将所述亚稳合金材料第二次加热至1700°F持续例如至少16小时的时间(示出了微观组织)，然后加热至1750°F达4小时(示出了微观组织)，随后进行第二热加工压缩和空气冷却(示出了微观组织)。该方法产生均匀的晶粒尺寸，类似于在图3中显示的40-60μm的晶粒尺寸，而无开裂且无需匀质化步骤。

图7是示出用于形成晶粒尺寸均匀的亚稳合金的第二示例性方法的数据图。将铸态材料加热到1350°F达约12小时(在该点示出了微观组织)、热加工、然后空气冷却。对空气冷却中间产物示出了两种微观组织(在第一曲线的空气冷却标题之后示出)。然后将所述亚稳合金材料第二次加热至1700°F的第二温度持续24小时，时间例如至少16小时(示出了微观组织)，然后加热至1750°F达4小时(示出了微观组织)，随后进行第二热加工压缩和空气冷却(示出了微观组织)。该方法产生均匀的晶粒尺寸，类似于在图3中显示的40-60μm的晶粒尺寸，而无开裂且无需匀质化步骤。

参见图7，数据图示出了用于形成晶粒尺寸均匀的亚稳合金的第二改进示例性方法，该方法在第二热步骤中使用了较低的温度。该方法的投入物是铸态亚稳合金材料。将该合金加热到1350°F达12小时(在该点示出了微观组织)、热加工、然后空气冷却(示出了微观组织)。然后将所述材料再次加热至1700°F达24小时(示出了非均匀的微观组织)，然后炉内冷却至1600°F并保持4小时(示出了微观组织)，进行热加工(示出了微观组织)，然后空气冷却(示出了微观组织)。这同样产生了均匀的微观组织，而无开裂且无需匀质化步骤。最终的微观组织表明甚至具有更细的晶粒尺寸。

参照示例性实施方式描述了本公开。显然，通过阅读和理解前述详细说明，可进行其他改变和变化。本公开旨在被解释为包括所有这些改变和变化，只要它们在所附权利要求书或其等价形式的范围内即可。

Claims (15)

1.一种制备制品的方法，依次包括：

将铸件加热至1100°F至1400°F的第一温度持续10小时至14小时的第一时间，所述铸件为亚稳铜-镍-锡合金；

对所述铸件进行第一热加工压缩；

将所述铸件空气冷却至室温；

将所述铸件加热至1600°F至1800°F的第二温度持续12小时至48小时的第二时间；

将所述铸件暴露于第三温度持续2小时至6小时的第三时间，其中所述第三温度比所述第二温度高至少50°F，或者其中所述第三温度比所述第二温度低至少50°F，并且所述铸件从所述第二温度炉内冷却或空气冷却降至所述第三温度；

对所述铸件进行第二热加工压缩；和

将所述铸件空气冷却至室温以产生制品。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第三温度比所述第二温度低至少50°F，并且所述铸件从所述第二温度炉内冷却降至所述第三温度。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第三温度为1600°F至1750°F。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述第三时间为4小时。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法不包括均质化步骤。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述铜-镍-锡合金包含8重量％至20重量％的镍和5重量％至11重量％的锡，余量为铜。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述铜-镍-锡合金包含8重量％至10重量％的镍和5重量％至8重量％的锡。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一热加工压缩将所述铸件的面积减小了至少30％。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二热加工压缩将所述铸件的面积减小了至少30％。

10.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一温度为1200°F至1350°F。

11.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二温度为1650°F至1750°F。

12.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一时间为12小时；并且所述第一温度为1350°F。

13.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二时间为24小时；并且所述第二温度为1700°F。

14.一种制备具有均匀晶粒尺寸的亚稳合金的方法(S100)，包括：

在1300°F和1400°F之间加热铸态亚稳合金持续12小时，然后热加工压缩所述合金；

空气冷却所述亚稳合金；

将所述亚稳合金加热至1700°F持续12小时至48小时；

将所述亚稳合金加热至1750°F持续4小时；

进行热加工压缩；和

空气冷却所述亚稳合金以产生具有均匀晶粒尺寸的亚稳合金。

15.一种制备具有均匀晶粒尺寸的亚稳合金的方法(S200)，包括：

在1300°F和1400°F之间加热铸态亚稳合金持续12小时，然后热加工压缩所述合金；

空气冷却所述亚稳合金；

将所述亚稳合金加热至1700°F持续12小时至48小时；

炉内冷却所述亚稳合金至1600°F并加热持续4小时；

进行热加工压缩；和

空气冷却所述亚稳合金以产生具有均匀晶粒尺寸的亚稳合金。