CN1329676A - 由金属和合金加工坯料的方法及产品 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用压力加工而在金属坯料中形成细晶组织固有物理机械性能的方法。该方法被设计加工棒材、条材和其它特别长的坯料。该方法被设计用于降低长棒材和粗坯料的变形加工成本并产生包括微晶组织的预定微观组织以及特定的物理机械性能。这可以采用各种加工技术来获得,其中之一就是通过减小坯料横截面而使至少一段坯料变形。在该方法中,采用长棒形坯料。横截面缩小是采用能够沿坯料轴线的纵向和横向移动的工具以及通过辊子轧制坯料表面而获得的。在这种情况下,至少一个支柱被用于正确安放坯料。另外,利用以下至少一个变形技术获得了预定应变级,即利用模具的扭曲、镦粗和拉伸。支柱被设计用于在变形(应力)区内和特定温度下使坯料接受特定变形过程。这获得了具有固有物理机械性能的特殊组织。

Description

由金属和合金加工坯料的方法及产品
发明背景
本发明涉及一种压力加工具有特定物理和机械性能的金属坯的方法，所述性能来自于其细晶组织特性。本发明涉及处理棒、杆和其它特别长的坯料。
众所周知的是，物理和机械性能如强度和塑性取决于材料的微观组织。因此，微观组织性能的变化可能改变这些性能。例如，通常需要在材料中形成蜂窝状或亚晶微观组织以便强化材料。
可以通过细化微晶晶粒而获得材料性能的物理和机械的巨大变化，例如那些晶粒的尺寸为10微米-0.1微米。当与粗晶材料对比时，这些材料明显显示出高强度性能。在高温下，这些材料显示出低流动压力和高塑性甚或是超塑性。为了形成微晶组织，可能需要利用比那些用于产生其它类型的断续微观组织(如亚晶微观组织)更加基本的变形。
已知的坯料变形加工方法包括等槽倾斜挤压和压力扭曲。这些方法被用于制造具有特殊物理和化学性能的坯料，由于这些方法制造已知的微晶组织。这些方法还允许研制小尺寸小质量的细晶坯料。但是，这些方法劳动强度高且能耗高。
另一个金属和合金变形加工方法包括通过多个压下步骤进行的并且通常随后通过挤压镦粗而增大横截面的变形。该方法允许由柔软材料制出小尺寸棒材，其中棒材具有较差的物理化学性能。
由于克服在加工工具表面和坯料接触时产生的摩擦以便克服在挤压如回水式挤压时产生的静液压力所需的力，坯料加工牵涉到大量能耗。该方法通常不适用于生产大型坯料如成棒材形状的坯料，所述坯料长5-6米且其最小直径为150毫米-200毫米并且是由难变形合金构成的。在这种情况下，需要采用包括这样一台压力机和适当加工工具在内的装置，即所述压力机可以产生几万吨压力。一般，具有3微米-8微米的微晶组织或晶粒的30毫米-40毫米粗细的棒材是通过多工序锻造或轧制方法而由原始直径至少为400毫米的坯料制成的。
发明概述
这种方法降低了需要特定的内部微观组织(其中包括微晶微观组织)和特定的物理机械性能的长棒材和粗坯变形处理的成本。可以使用许多种加工方法来获得这种特定的内部微观组织，其中包括通过减小坯料横截面来加工坯料段。横截面的缩小使用了工具、如辊子，它们能够沿着和垂直于坯料轴线移动以及轧制坯料表面。可以使用至少一个支柱来正确定位和安放坯料。另外，可以利用包括扭曲、镦粗和拉拔方式之一并使用如上述支柱等装置的变形来获得预定应变大小。支柱在预定温度下对坯料的变形或应变区施加预定变形。这种变形获得了具有固有物理机械性能的特定微观组织。
建议利用热金属辊子缩小坯料横截面，即：通过利用机架和夹具沿坯料轴线施压；通过使坯料侧向移动经过辊子来缩小坯料的横截面；通过使坯料经过其转轴与坯料轴线交叉的辊子来缩小横截面；通过使坯料经过以120度相互错位的辊子来缩小坯料；并且选择被处理段的长度使之不超过棒材缩小横截面的三个最小直径。另外，利用热金属辊子缩小坯料横截面，即：利用支柱和辊子施加扭曲；施加反扭曲；利用异形辊子使坯料横截面变形。辊子的截面形状包括几个区域，其中有一个具有最大横截面的中心区、一个在中心区两侧的且具有最小横截面的中间区以及两个端部区域。
或者，利用热金属辊子缩小坯料的方法是通过以下方式进行的，即通过沿坯料纵轴线进行挤压来缩小横截面；或者在使坯料绕其横轴线经过辊子后镦粗坯料，移动距离不大于这个部分在压缩时的侧变形量；在沿坯料轴线进行完纵向和横向轧制后进行坯料镦粗；在以下条件轧制时进行镦粗：σu＞σi＜σc，其中，σi是应变区的应力大小，这是在考虑了辊子在轧制时产生的变形阻力的情况下确定的，σu是由坯料稳定性损失造成的应力，σc是由对坯料不变形区压缩产生的应力。
另外，坯料横截面的缩小包括在连续变形经过处理的坯料段的同时利用热金属辊子进行轧制；以及对其中各段之间距不大于处理后坯料直径的三倍的坯料段进行处理。
对于单相合金坯料来说，变形方法包括真应变量不小于3且尤其是应变量为1.4并且应变速率在(0.3-0.5)T熔体温度下为10-1-10-2s-1的变形，其中T熔体是熔点。对于多相合金坯料来说，变形是在真应变量不小于3且尤其是应变量为1.4并且应变速率在(0.5-0.85)T熔体温度下为10-1-10-4s-1进行的，其中T熔体是熔点。
对于含有片层结构的钛合金坯料来说，真应变量不小于3的变形方式包括了利用轧制和与其同时进行的镦粗来压下或施加扭曲。除了在700-Ta.t和10-1-10-4s-1应变速率下进行压下、镦粗和变形外，还进行这些步骤，其中Ta.t是同素异形转变温度。对于具有片层结构的钛合金坯料来说，在Ta.t-Ta.t＋(10-50)的温度范围内，以不小于坯料横截面1.1倍的压下量进行这种方法，随后以不小于1°/s的速率进行卷取并在不超过700-Ta.p的温度范围内和10-1-10-4s-1的应变速率下进行扭曲和镦粗。
对于耐热型镍坯料来说，该方法包括在不超过γ’相全溶温度的温度下变形；在特定温度和应变量的10％-20％的范围内使各坯料段变形，从而使应力流σf的变化不超过5％-10％；以及在预定温度和应变量ξ下使各坯料段变形，直到应变量的变化没有使灵敏度系数m＝(logN1－logN2)/(1ogξ1－1ogξ2)增加到0.3-0.8；其中N1、N2是在应变量从ξ1变到ξ2之前和之后施加给坯料的压力大小(在相应变形时的力矩、压缩压力或者拉伸压力)。
图1表示如本发明所设计的方法的装置部件。
图2表示图1装置的A-A横截面。
图3A-3H表示如本发明所设计的分五段进行的处理方法。
图4表示如本发明所设计的装置。
图5表示在处理前的BT8钛合金样品的微观组织。
图6表示在利用本发明所述方法处理后的BT8钛合金样品(图5)的微观组织。
在本发明所设计的方法中，处理区通过用辊子缩小横截面而接受“几何”除硬化处理。本发明的方法包括使坯料中心区在内的坯料变形。该方法也形成了进一步进行材料处理的条件。这种变形不遍及整个坯料，而是集中在选定的坯料压下区内。因此，坯料的结构改变只在特殊坯料段内进行。在该方法中采用了许多种变形技术和步骤，其中包括轧制、拉伸、压缩、剪切(扭曲)。另外，变形量和主要变形方向促进了在坯料中形成结构变化。
形成具有某种机械性能的特定微观组织的温度导致了变形局部集中。这个温度依赖性是由于材料的热除硬化引起的。作用于坯料区的温度以及任何温度波动可能影响不同特定微观组织、如因变形材料的初始和动态再结晶而形成的微晶组织的变形。特定微晶组织的变形可以在很大温度范围内进行。这种坯料段或整个坯料的热处理温度范围的选择取决于该方法所需的坯料或微观组织。例如，当在金属和单相合金中形成细晶微观组织时，在与多合金和多相金属材料相比较低的温度下进行变形。
本发明所设计的变形方式一般包括轧制坯料并且包括以下一种方式：扭曲、镦粗或拉拔。变形过程和过程进展取决于至少以下一个条件：变形强度、所需微观组织、坯料原始成分、坯料的原始尺寸和形状、坯料的最终尺寸和形状。
通常，只对具有较小横截面的坯料进行一个变形工序。例如，可以对小横截面坯料施加扭曲以便相对于中心区减小表面层的晶粒尺寸。当不需要改变坯料横截面时，也可以施加扭曲。为了在坯料横截面内产生更一致的微观组织，可以采用拉拔和镦粗。镦粗通常产生了其横截面接近或大于原始横截面的棒材。与镦粗有关的拉拔可以产生比坯料原有更小的坯料横截面。
如果施加扭曲是在接近发生超塑性变形(SPD)的温度下进行的，则可以在不进行拉拔或镦粗的情况下施加扭曲以便在特定坯料横截面内产生均匀的微观组织。因而，出现了具有特定晶粒尺寸的缩小。在施加扭曲的过程中，在坯料内部出现了变化并且由于已知的SPD特性而在外层出现了一般非实质的变化。这些步骤导致了在坯料中形成均匀的细晶微观组织。
可以采用几种变形技术(步骤)来处理较粗的棒材。这些技术可以先后或同时地采用。同时采用的多种变形技术在变形过程中减小了轴向压力。另外，可以通过重新施加先前的变形技术组合或者通过采用改进的变形技术组合来反复处理所述坯料段。例如，在随后热处理过程中降低加热温度可能导致比从前一次热处理中所获得的更细的细晶微观组织。不同处理方式组合的整体效果产生了不同的变形特性。因此，进行足以形成理想特定的坯料物理机械性能的加工处理。
可以通过材料的变形特性来影响特定技术及其为获得特定微观组织而利用的程度。对于易于局部变形的材料如钛合金来说，可能需要同时用几项技术来处理坯料。这种处理提高了变形的一致性。对于低塑性合金如耐热镍合金来说，相似的处理是有用的。对于耐热镍来说，更强的变形一致性导致了坯料变形增大。另外，对于许多可能存在的蠕变系列材料如单相镍合金来说，可以进行采用至少上述一种技术的处理。
如本发明所述，根据能耗量和材料消耗量来决定经济效率。为了使粗晶微观组织转变为细晶微观组织，可能需要拉伸变形较小的坯料段。这种坯料拉伸变形可以利用多种反复技术如坯料挤压和镦粗来进行。但是，这些技术非常耗能。另一种很耗能的方法就是全面的坯料锻造，这种方法通常被用于制造均匀的细晶微观组织。由于一次加热处理不会在这些材料中获得均匀的晶粒尺寸减小，所以可能需要多次加热坯料。多次加热很耗能并且它是需要交替改变压缩方向以镦粗坯料的多级锻造技术。这种技术导致了具有强变形、小变形和没有变形的坯料段。这种变形分配导致了过度能耗，因为应变恢复出现在处理不足的区内。因而，在这些区域中，用更多的能量来聚集再结晶方法需要的结构缺陷。
在本发明的方法中，变形在坯料中局部化。因此，与镦粗和锻造相比，可以在局部区域内更快地获得再结晶错位密度。另外，降低了克服摩擦力所需的能耗。这种降低是由于出现在挤压和镦粗过程中的蠕变摩擦被辊子的轧制摩擦代替了。
利用本发明的方法与锻造相比导致的原材料节省是由于减少了获得特定微观结构所需的工序数。本发明的方法可以是只有一个步骤的方法，从而避免了因反复加热和去飞边造成的金属损失。采用本发明的方法可制造出截面直径变化很小的坯料。可以用本发明的方法而不是锻造来处理原直径小的棒材。因此，可以避免使用缺少化学、相和晶粒均匀性的粗坯料。
本发明的方法不需要重型设备和重型压力机。镦粗所用的力小于在已知镦粗时所涉及的力。因此，本发明的方法可以被用于修整棒的形状如其曲率和外周面。这种方法还促成了材料节约，轧制改善了形状精度和表面光洁度(也被称为光泽度)。
本发明的方法允许制造具有对应于细晶组织材料的物理机械性能的粗长棒材。该方法允许生产出这样的轴，其一部分因晶粒结构较粗而具有更高的耐热性，而其余部分因细晶特征而具有高强度。本发明的方法还允许制造出具有不同横截面、直径和长度的坯料并且可以保持原始坯料尺寸。
本发明所述方法的以下例子给坯料提供了材料塑性：轧制并在压下过程中沿坯料轴线施加拉力以消除被辊子压迫的材料形成的突起；通过至少三个辊子轧制坯料，这些辊子可以彼此错开120度，这可以通过侧静液回水产生；当变形方向出现变化并且蠕变增大时，施加反扭曲；以及通过沿坯料轴线施加压力来进行压下。此外，镦粗步骤可以与轧制同时进行。
为了在处理过程中提高坯料稳定性，可以采用以下技术(步骤)：在轧制后，绕其横轴镦粗坯料，其中位移量应该不大于侧变形量；在以下条件下和轧制同时地进行镦粗，即σu＞σi＜σc。
本发明的其它方法包括：在绕坯料轴线纵向和横向轧制后进行镦粗；在处理压力下连续使坯料段变形；以及轧制坯料，从而转轴与坯料轴线相交，辊子彼此错开120度。
使其长度不大于三个坯料直径的坯料段变形可以产生组织不均匀的坯料段。坯料端部将具有细晶微观组织，而中央部分具有粗晶微观组织。在镦粗后，坯料可以被制成均匀的圆盘。
本发明的方法包括加热坯料到特定温度并使其在应变速率下接受应变εtr以产生细晶微观组织。为了产生具有小角晶粒(亚晶)的材料，应变量εtr最好为0.3-0.6，其中εtr是真应变。当细化晶体到10微米时，应变量εtr应该大于等于3，为了形成亚微观晶体或极细组织，真应变量εtr应该大于等于5。因此，较高的应变对应于较小尺寸的晶体。
对于单相材料来说，可以采用较低加热温度，因为与多相材料相比，它具有晶粒生长特性差异。多相材料的微观组织更稳定，从而抑制晶粒长大的溶解温度限制了温度上限。温度下限是由材料扩散活性决定的。例如，对于耐热镍合金来说，加热温度为0.5T熔体，其中T熔体是熔点以及硬化中间金属相的溶解温度。对于钛合金坯料来说，加热温度限制为(Ta.t-150℃)，其中Ta.t是同素异形转变温度。
本发明所述的应变速率对应于超塑性条件，因为转变被加强了。为了使钛合金完全转变为细晶微观组织，可以同时采用几种变形技术。这些技术可以包括施加扭曲、轧制和镦粗。本发明的另一个处理横截面大的钛合金棒的方式就是加热坯料到Ta.t-Ta.t＋(10-50)℃，随后减小其横截面1.5倍-2倍。经过处理的坯料段随后以不小于1℃/s的速率被冷却或淬火。接着，可以例如借助辊子在不超过Ta.t的温度下进行扭曲和镦粗。这种方法提高了可硬化性能并造成α相晶体聚集组织的生成。此外，这种方式促成了微观组织在低于同素异形转变温度的变形处理过程中更均匀地分散。
本发明的方法允许监测变形的机械参数如应变流变灵敏度系数m。在拉伸、延展和压缩处理过程中监测这个系数。在扭曲处理过程中分段进行精确监测可以评估初始组织转变为理想微晶微观组织的情况。如果m大于0.3，或者变形压力量的继续增大没有明显变化，则完成了主要组织改变并已经形成了细晶微观组织。
方法实施例
图1、2画出了采用本发明步骤的装置。该装置包括机架1、炉子2、三个辊子3、4、5。这些辊子通过窗口6、7、8被装入炉内。该装置还包括液压缸9、10、11以便侧向转换辊子。一个支架12安装于机架上，或者板13可以沿机架13内的导向机构14、15逐渐移动。轴承16、17和齿轮18、19以及驱动装置20驱动机架1。活动支柱21、22位于销体23、24内。所述销对应安装于在左、右垫块29、30内的轴承25、26、27、28上。垫块29、30也安装在机架13上以便沿导向机构14、15移动。销23、24的端部31、32在扭曲和拉伸坯料过程中起到了夹具的作用。在图1中没有画出一个把坯料夹在夹具之间的机构。此外，该装置具有驱动支柱21、22并使坯料33承受轴向力的驱动装置34、35。驱动装置36、37被用于使销23、24和夹具30、31一起移动。电动机38、39通过编校器(redactors)40、41、轴承42、43、44、45和成对齿轮46、47及48、49对坯料33产生扭曲力。
图3A-3H表示本发明的坯料处理系统。这些图画出了支柱21、22可以沿坯料轴线移动并且还允许利用夹具31、32和彼此错开120度的三个辊子3、4、5施加反扭曲。在图5中没有画出辊子5。
图4表示装置工作过程。支柱51、52可以沿样品轴线移动并且允许利用夹具54、53施加反扭曲。炉子55提供了加热坯料的热源56。在坯料粗端50上，开设了槽57、58以帮助在扭曲时的移动。仿效辊子作用并在镦粗时稳定坯料的嵌入件59、60固定住处理段56。夹具61在镦粗和施加扭曲的过程中稳定嵌入件。夹具和嵌入件由比经处理的坯料柔软的材料制成。
例1
在图1所示的装置中执行本发明的方法。参见图3A-3H来说明该方法。棒形坯料33的长度是其宽度的几倍。当开始处理时，坯料被装在支柱21、22上并被固定在夹具23、24之间。辊子3、4、5和炉子2一起使在支架12上的坯料段沿机架13移动。在这些图中，没有画出炉子2。
通常，用于处理的特定坯料段是没有限制的。但是，坯料段的选择取决于其随后的用途。如果要处理坯料33的中央，则坯料端头位于支柱21、22上并被夹具23、24固定住。因此，辊子3、4、5和炉子2一起使处理部分在支架12上移动。如果需要处理整个坯料33，则炉子2和辊子3、4、5从坯料一端如右侧开始移动。在这种情况下，辊子起到了支柱作用。
在把坯料33加热到变形温度以后，通过电动机38、39、编校器41、40和成对齿轮46-49使坯料转动。通过轧制坯料段并且由于辊子沿坯料横轴移动而进行压下。这种运动可以利用液压缸9-11来实现。为了改善坯料端压下情况并防止在非压下段的表面上形成突起(隆起)，转轴与坯料轴线有特定交角。在这种情况下，力沿坯料轴线作用。这个力产生了处理材料段局部在坯料轴线方向上的位移。位移量等于辊子的移动量。图3C画出了不在坯料端的那部分的截面缩小情况。通过夹具31、32作用拉伸力F。如在前一种情况下那样，由于辊子和夹具的压紧在坯料两端上产生了位移，所以没有形成突起。如上所述地，这个位移量等于由辊子移动的金属量。在图3C中，用虚线表示这种位移。缩小段的长度受被加热到变形温度的坯料部分的限制。图3D画出了缩小段的长度大于辊子长度。作用方向相反的力矩M被施加在坯料端部上。所述力矩M造成处理段塑性扭曲(图3E)。在塑性扭曲过程中，表面受到轧制，在扭曲后，根据棒材横截面大小，使辊子和炉子沿坯料轴线移动或进行镦粗。接着，开始处理下一个坯料段。
可以逐步地通过使辊子侧离开坯料、沿坯料轴线安放辊子并通过沿坯料轴线设置辊子对下个坯料段重复进行处理步骤来实现移向新的坯料段。辊子转轴与坯料轴线相交，同时使辊子沿坯料纵向和横向移动并施加拉力。
通过对坯料施加压力P来进行镦粗。经过处理的坯料段的轧制与镦粗同时进行以便产生变形均匀性。镦粗可以采用不同步骤。在图3D、3E中画出了一个步骤。在开始镦粗前，辊子移向坯料的一端、如右端。因此，在辊子和坯料左侧之间产生了间隙δ。右侧辊子和支柱的位置是固定的。所以，左侧支柱移动一个距离Δ。这个距离足以通过施加力P对处理坯料段的左侧进行镦粗。一直进行镦粗，直到间隙消失。
此外，沿整个处理坯料段的长度进行镦粗。支柱和移动力一起对坯料施加压力P。另外，辊子侧向移动并增大了应变区的直径以便轧制坯料表面并防止产生鼓肚。为了降低应变压力并增大变形均匀性，坯料段同时接受塑性扭曲和镦粗处理。镦粗可以与上述轧制同时进行。一直进行这种方法，直到支柱间的所有部分都被处理完为止，如图3F、3G所示。利用与在开始时所用的相同的步骤处理坯料粗端。在图3H中画出了坯料镦粗步骤。
例2
利用本发明的方法处理几种合金。这些处理是利用具有初始粗片层结构的双相钛合金“BT8”进行的。钛(α＋β)合金会显示出局部变形，但是，层状α相是稳定的。因此，这些合金没有象耐热镍合金那样容易地形成均匀的微晶组织。除了BT8合金外，处理多相耐热镍合金“Y1962”。为了降低成本，利用图4所示装置对粗15毫米且长50毫米的合金进行处理。
例2.1
经调查，这种处理在一段双相钛合金BT8样品中产生了特定微观组织，其中包括均匀的球状微晶微观组织。制造出几个样品。首先，样品具有片层状微观组织(图5)。转变β相晶粒的大小为1500-2000微米，α相晶团组织为200-300微米。要处理的片段具有10毫米长度和粗细。在压缩过程中，坯料段的横截面尺寸接近其原始直径。在950℃下，用本发明所述的方法处理样品1、2、3。根据表1所列条件处理样品4。表1还列出了处理结果。
表1
 样品号     处理条件     处理结果
    1 进行真应变为1的镦粗以便减小坯料段 局部组织球化，把板弯曲粉碎成碎片
    2 缩小的坯料段扭曲两圈并随后进行真应变为1的镦粗，坯料的平均总应变为3 85％形成球状组织，平均晶粒尺寸为5微米
    3 缩小的坯料段扭曲八圈并进行真应变为1的镦粗，坯料的平均总应变为8.5 95％形成球状组织，平均晶粒尺寸为5微米
    4 缩小的坯料段扭曲八圈并进行真应变为1的镦粗，坯料的平均总应变为8.5 在整个横截面内形成均匀的球状组织
例2.2
这种处理被设计用于利用本发明所设计的方法和步骤在耐热镍合金中产生微晶微观组织。平均晶粒尺寸为100微米的粗晶耐热镍合金(YI962)的样品如图3A-3H所示地被固定在夹具中。样品被加热到1080℃。在加热后，使坯料塑性扭曲。
一直施加扭曲，直到样品不再从平均量稳定接近5％。一直进行镦粗，直到坯料段直径约等于原直径。在施加应变的同时进行扭曲。平均总应变量为3.8。金相学分析结果表明，微孪晶微观组织形成了，其基体晶粒尺寸为3微米-4微米，中间金属相的晶粒尺寸为1微米-2微米。本发明的方法在不同材料中产生了晶体细化效果。另外，该方法确定可以产生结构不均匀的坯料。
例2.3
处理具有片层结构的钛合金样品(BT8)。这种处理产生了不均匀的15毫米粗且20毫米长的组织。粗端微观结构(离端部约5毫米)应该是微晶微观组织，其中心区由具有片层微观结构的粗晶构成。象在例2.1中那样处理彼此分开20毫米的两个10毫米片段。接着切除中心区。随后，样品接受镦粗。在950℃下，应变量为80％，应变速率为10-3s-1。为了对比，使具有均匀粗晶的坯料在相同条件下接受镦粗。结果表明，在结构不均匀的样品中，没有鼓肚和未变形区，同时形成了球状均匀微观结构。但是，具有粗晶的均匀样品显示出了没有变形和球状微观组织的“鼓肚”侧面和端部区域。这个例子显示出了本发明方法的优点。当用于过长坯料时该方法的理论结果和评估结果
利用全长粗坯料的处理是很昂贵的，因此，如本发明所述，进行不同条件和步骤的理论评估。施力变形量需要处理时间，评估在没有损失坯料结构稳定性的条件下开始镦粗所需的初始压力。结果表明，本发明所述的方法可以包括几个同时进行的变形步骤。例如，同时进行压下、拉拔、镦粗和扭曲可能产生细化晶粒。用于晶粒细化以及降低轴向压力的保持变形步骤产生了理想结果。例如，在施加扭曲的过程中，当应变速率为5毫米/分钟时，镦粗100毫米-250毫米粗的预定坯料段的压力小于10吨，当应变速率为50毫米/分钟时，所述压力小于60吨。为了进行无扭曲的镦粗，所施加的压力为上述的3至5倍。相反地，具有微晶组织的100毫米-250毫米粗的且由耐热镍钛合金制成的棒材可以通过挤压(压制)和施加几千吨力而产生。计算结果表明，以扭曲压力进行镦粗使坯料变形，而又没有造成结构稳定性损失。因此，所加力小于造成坯料弯曲的临界力。因而，100毫米-300毫米粗的坯料所需的扭矩为1-14tm。
在100毫米长坯料段内以上述应变速率产生细晶微观组织的时间为2分钟-10分钟，对于2米长且100毫米-300毫米粗的棒材来说，上述时间约为2小时。这些时间与等温镦粗200毫米粗且400毫米-500毫米长的坯料所需的时间差不多。
尽管在此描述了各种实施例，但从说明书中显然可以认识到，本领域普通技术人员可以设想出各种组合方式、变形或改进，并且这些组合、变形或改进落在本发明的范围内。

Claims (52)

1.一种金属和合金加工方法，它包括通过减小坯料横截面而至少使坯料的一部分变形，该方法包括：生产出一个长棒形坯料；通过使坯料沿其轴线和横向于其轴线移动而减小坯料横截面；轧制坯料表面；设置至少一个用于定位坯料的支承支柱；施加处于预定应变级的应变，其中施加应变的步骤包括使坯料变形，该变形步骤选自：施加扭曲和使坯料承受拉伸力；其中该支柱能够使坯料在一个温度下变形至足以产生具有固有物理机械性能的微观组织。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，减小坯料横截面的步骤包括用支柱和夹具沿坯料轴线施加压力。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，减小坯料横截面的步骤包括用辊子横向轧制坯料。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，减小坯料横截面的步骤包括通过辊子纵向和横向轧制坯料。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，减小坯料横截面的步骤包括轧制坯料并通过辊子施加倾斜指向坯料的力，其中转动轴线形成了与坯料轴线的交角。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，减小坯料横截面的步骤包括使坯料经过三个以120度间隔设置的辊子。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，变形坯料的长度不超过棒减小横截面的三个最小直径。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，减小坯料的步骤包括沿坯料纵轴线施加压缩力。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，变形步骤包括用辊子和支柱施加扭曲的步骤。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括施加反扭曲的步骤。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使坯料变形的步骤包括用异型辊子进行轧制，其中辊子的截面形状包括几个部分，其中包括一个具有最大横截面的中心区、一个处在中心区两侧的且具有最小横截面的中间区、以及两个端部区域。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括在绕其横轴线用辊子轧制变形后进行的坯料镦粗步骤，其中变形的坯料段相对于坯料横向变形移动。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，镦粗步骤是在沿坯料轴线纵向和横向轧制后进行的。
14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，镦粗步骤在这样的条件下与用辊子进行坯料轧制同时进行，即σu＞σi＜σe，其中σi是应变区的应力强度，它是在考虑了由辊子在轧制方法中产生的变形阻力而算出的，σu是由坯料稳定性的损失引起的应力，而σe是由在坯料变形区的压缩引起的应力。
15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，变形步骤被连续且按顺序地施加到坯料上。
16.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法在不小于3的真应变量下使单相合金坯料区变形，应变量为1.4，应变速率在(0.3-0.5)T熔体的温度下为10-1-10-2s-1，其中T熔体是熔点。
17.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法在不小于3的真应变量下使多相合金坯料区变形，应变量为1.4，应变速率在(0.5-0.85)T熔体的温度下为10-1-10-4s-1(其中T熔体是熔点)。
18.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法通过在轧制的同时施加扭曲和压下的步骤而使具有层状微观组织的钛合金坯料段在不小于3的真应变量下变形，该方法还包括与轧制步骤同时进行的镦粗步骤以及随后在700-Ta.t下和10-1-10-4s-1的应变速率下进行变形的步骤，其中Ta.t是同素异形转变温度。
19.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法通过压下步骤而使具有层状微观组织的钛合金坯料段在不小于3的真应变量下变形，施加扭曲的步骤与轧制步骤同时进行，该方法还包括与轧制同时进行的镦粗步骤以及随后通过在700-Ta.t下和10-1-10-4s-1的应变速率下进行的压下、镦粗和变形步骤而施加扭曲和矫直的步骤。
20.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法通过在Ta.t-Ta.t＋(10-50)下以不小于1.1倍的横截面压下率使具有层状微观组织的钛合金坯料段变形，接着以不小于1°/s的速率冷却坯料段，随后在不高于700-Ta.t的温度下以10-1-10-4s-1的应变速率施加扭曲和镦粗。
21.如权利要求17所述的方法，其特征在于，该方法使耐热镍坯料段在不超过γ’相全溶温度的温度下变形。
22.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法使坯料变形，直到应变量的单递增量在特定温度和应变量的10％-20％内，但不会导致大于5％-10％的应力流σf变化。
23.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法使坯料在特定温度和应变量ξ下变形，直到应变量变化不再导致灵敏度系数m＝(logN1－logN2)/(logξ1－logξ2)增加到0.3-0.8，其中N1、N2是在应变量从ξ1变到ξ2之前和之后施加的力矩压力、压缩压力或者拉伸压力的大小。
24.一种包括通过减小坯料横截面而使至少一段坯料变形的方法，它包括：提供一种坯料；通过移动坯料来压下坯料；轧制坯料；设置至少一个支承支柱以便定位和使坯料变形；施加处于预定应变级的应变，其中施加应变的步骤包括使坯料变形，变形步骤选自：施加扭曲和使坯料承受拉伸力；其中所述支柱能够使坯料在一个温度下变形至足以产生具有固有物理机械性能的微观组织。
25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，减小坯料横截面的步骤包括施加压力。
26.如权利要求24所述的方法，其特征在于，减小坯料横截面的步骤包括横向轧制坯料。
27.如权利要求24所述的方法，其特征在于，减小坯料横截面的步骤包括横向轧制和纵向轧制坯料。
28.如权利要求24所述的方法，其特征在于，减小坯料横截面的步骤包括轧制坯料并产生斜指向坯料的力。
29.如权利要求24所述的方法，其特征在于，减小坯料横截面的步骤包括通过许多辊子轧制坯料。
30.如权利要求24所述的方法，其特征在于，变形坯料的长度不超过棒材缩小横截面的三个最小直径。
31.如权利要求24所述的方法，其特征在于，减小坯料的步骤包括沿坯料纵轴线施加压缩。
32.如权利要求24所述的方法，其特征在于，变形步骤包括施加扭曲。
33.如权利要求24所述的方法，其特征在于，该方法还包括施加反扭曲的步骤。
34.如权利要求24所述的方法，其特征在于，坯料变形步骤包括轧制步骤。
35.如权利要求34所述的方法，其特征在于，轧制坯料的步骤包括用辊子进行轧制，其中辊子包括几个部分，其中包括一个具有最大横截面的中心区、一个处在中心区两侧的且具有最小横截面的中间区、以及两个端部区域。
36.如权利要求24所述的方法，其特征在于，该方法还包括在轧制变形后镦粗坯料，其中变形的坯料部分相对于坯料部分的侧向变形移动。
37.如权利要求36所述的方法，其特征在于，镦粗步骤是在纵向轧制和横向轧制步骤后进行的。
38.如权利要求37所述的方法，其特征在于，镦粗步骤与轧制步骤同时进行。
39.如权利要求38所述的方法，其特征在于，轧制步骤在这样的条件下进行，即σu＞σi＜σe，其中σi是应变区的应力强度，它是在考虑了由辊子在轧制方法中产生的变形阻力而算出的，σu是由坯料稳定性的损失引起的应力，以及σe是由在坯料变形区的压缩引起的应力。
40.如权利要求24所述的方法，其特征在于，变形步骤被连续并按顺序地施加到坯料上。
41.如权利要求24所述的方法，其特征在于，该方法在不小于3的真应变量下使单相合金坯料变形区变形，应变量为1.4，应变速率在(0.3-0.5)T熔体的温度下为10-1-10-2s-1，其中T熔体是熔点。
42.如权利要求24所述的方法，其特征在于，该方法在不小于3的真应变量下使多相合金坯料变形区变形，应变量为1.4，应变速率在(0.5-0.85)T熔体的温度下为10-1-10-4s-1(其中T熔体是熔点)。
43.如权利要求24所述的方法，其特征在于，该方法通过在轧制的同时施加扭曲和压下的步骤而使具有层状微观组织的钛合金坯料段在不小于3的真应变量下变形，该方法还包括与轧制步骤同时进行的镦粗步骤以及随后在700-Ta.t下和10-1-10-4s-1的应变速率下进行的变形，其中Ta.t是同素异形转变温度。
44.如权利要求24所述的方法，其特征在于，该方法通过压下步骤而使具有层状微观组织的钛合金坯料段在不小于3的真应变量下变形，施加扭曲的步骤与轧制步骤同时进行，该方法还包括与轧制同时进行的镦粗步骤以及随后通过在700-Ta.t下和10-1-10-4s-1的应变速率下进行的压下、镦粗和变形步骤而施加扭曲和矫直的步骤。
45.如权利要求24所述的方法，其特征在于，该方法通过在Ta.t-Ta.t＋(10-50)下以不小于1.1倍的横截面压下率使具有层状微观组织的钛合金坯料段变形，接着以不小于1°/s的速率冷却坯料段，随后在不高于700-Ta.t的温度下以10-1-10-4s-1的应变速率施加扭曲和镦粗的步骤。
46.如权利要求24所述的方法，其特征在于，该方法使耐热镍坯料段在不超过γ’相完全溶解温度的温度下变形。
47.如权利要求24所述的方法，其特征在于，该方法使坯料变形，直到应变量的单递增量在特定温度和应变量的10％-20％内，但不会导致大于5％-10％的应力流σf的变化。
48.如权利要求24所述的方法，其特征在于，该方法使坯料在特定温度和应变量ξ下变形，直到应变量变化不再导致灵敏度系数m＝(logN1－1ogN2)/(logξ1－logξ2)增加到0.3-0.8，其中N1、N2是在应变量从ξ1变到ξ2之前和之后施加的力矩压力、压缩压力或者拉伸压力的大小。
49.一种通过权利要求1所述的方法制成的产品。
50.一种通过权利要求24所述的方法制成的产品。
51.一种用于金属和合金加工的系统，所述加工包括通过减小坯料横截面而使至少一段坯料变形，该系统包括：提供一种长棒形坯料的装置；通过使坯料沿其轴线的纵向和横向移动来压下坯料的装置；轧制坯料表面的装置；定位坯料的装置，它包括至少一个支承支柱；施加处于预定应变级的应变的装置，其中施加应变的装置包括使坯料变形，变形装置选自：施加扭曲的装置和使坯料承受拉伸力的装置；其中所述支柱能够使坯料在一个温度下变形至足以产生具有固有物理机械性能的微观组织。
52.如权利要求51所述的系统，其特征在于，它还包括镦粗坯料的装置。
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