ES2611856T3 - Rutas de procesamiento de titanio y aleaciones de titanio - Google Patents

Rutas de procesamiento de titanio y aleaciones de titanio Download PDF

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Urban J. De Souza
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Abstract

Un metodo de refinado de un tamano de grano de una pieza de trabajo que comprende un material metalico seleccionado entre titanio y una aleacion de titanio, comprendiendo el metodo: el calentamiento de la pieza de trabajo a una temperatura de forja de la pieza de trabajo dentro de un campo de fase alfa + beta del material metalico, en donde la temperatura de forja de la pieza de trabajo esta en un intervalo de temperaturas de 55,6 oC por debajo de la temperatura de transicion beta (T) del material metalico a 388,9 oC por debajo de la temperatura de transicion beta de material metalico; y forja en varios ejes de la pieza de trabajo, en donde la forja en varios ejes comprende la forja por prensado de la pieza de trabajo a la temperatura de forja de la pieza de trabajo en la direccion de un primer eje ortogonal de la pieza de trabajo con una velocidad de deformacion en el intervalo de 0,2 s-1 a 0,8 s-1 y que es suficiente para calentar adiabaticamente una region interna de la pieza de trabajo a de 55,6 oC a 166,7 oC por encima de la temperatura de forja de la pieza de trabajo, permitir que la region interna calentada adiabaticamente de la pieza de trabajo se enfrie a la temperatura de forja de la pieza de trabajo, mientras se calienta una region de la superficie exterior de la pieza de trabajo a la temperatura de forja de la pieza de trabajo, la forja por prensado de la pieza de trabajo a la temperatura de forja de la pieza de trabajo en la direccion de un segundo eje ortogonal de la pieza de trabajo con una velocidad de deformacion en el intervalo de 0,2 s-1 a 0,8 s-1 y que es suficiente para calentar adiabaticamente la region interna de la pieza de trabajo a de 55,6 oC a 166,7 oC por encima de la temperatura de forja de la pieza de trabajo, permitir que la region interna calentada adiabaticamente de la pieza de trabajo se enfrie a la temperatura de forja de la pieza de trabajo, mientras se calienta la region de la superficie exterior de la pieza de trabajo a la temperatura de forja de la pieza de trabajo, la forja por prensado de la pieza de trabajo a la temperatura de forja de la pieza de trabajo en la direccion de un tercer eje ortogonal de la pieza de trabajo con una velocidad de deformacion en el intervalo de 0,2 s-1 a 0,8 s-1 y que es suficiente para calentar adiabaticamente la region interna de la pieza de trabajo a de 55,6 oC a 166,7 oC por encima de la temperatura de forja de la pieza de trabajo, permitir que la region interna calentada adiabaticamente de la pieza de trabajo se enfrie a la temperatura de forja de la pieza de trabajo, mientras se calienta la region de la superficie exterior de la pieza de trabajo a la temperatura de forja de la pieza de trabajo, y la repeticion de al menos una de las etapas anteriores de forja por prensado hasta que se consigue una deformacion real de al menos 3,5 en al menos una region de la pieza de trabajo.

Description

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DESCRIPCION
Rutas de procesamiento de titanio y aleaciones de titanio Antecedentes de la tecnologia Campo de la tecnolog^a
La presente descripcion se refiere a metodos para forjar titanio y aleaciones de titanio y a un aparato para la realizacion de tales metodos.
Descripcion de los antecedentes de la tecnologia
Los metodos para producir titanio y aleaciones de titanio que tienen una microestructura de grano grueso (CG), grano fino (FG), grano fino muy (VFG), o grano ultrafino (UFG) implican el uso de multiples recalentamientos y etapas de forja. Las etapas de forja pueden incluir una o mas etapas de forja por recalcado, ademas de forja por estiramiento en una prensa de matriz abierta.
En el presente documento, cuando se hace referencia a la microestructura de titanio y de aleacion de titanio: el termino "grano grueso" se refiere a tamanos de grano alfa de 400 |jm y mas de aproximadamente 14 |jm; el termino "grano fino" se refiere a tamanos de grano alfa en el intervalo de 14 jm a mas de 10 jm; el termino "grano muy fino" se refiere a tamanos de grano alfa de 10 jm a mas de 4,0 jm; y el termino "grano ultrafino" se refiere a tamanos de grano alfa de 4,0 jm o menos.
Los metodos comerciales conocidos de forja de titanio y aleaciones de titanio para producir microestructuras de grano grueso (CG) o grano fino (FG) emplean velocidades de deformacion de 0,03 s-1 a 0,10 s-1 utilizando multiples recalentamientos y etapas de forja.
Los metodos conocidos destinados a la fabricacion de microestructuras de granos finos (FG), muy finos (VFG) o ultrafinos (UFG) aplican un proceso de forja en varios ejes (MAF) a una velocidad de deformacion ultra lenta de 0,001 s-1 o mas lenta (vease G. Salishchev, et. al., Science Forum Materiales, Vol. 584-586, pp. 783-788 (2008)). El proceso de MAF generico se describe en C. Desrayaud, et al., Journal of Materials Processing Technology, 172, pp. 152-156 (2006).
R. M. Imayev et al, "Principles of Fabrication of Bulk Ultrafine-Grained and Nanostructured Materials by Multiple Isothermal Forging", Materials Science Forum, Vols. 638-642, pp. 1702-1707, enero de 2010, formula principios de fabricacion de materiales de grano ultrafino y nanoestructurados a granel por multiples forjados isotermicos y describe que los multiples forjados isotermicos es una tecnica de deformacion de alto rendimiento general para el refinamiento del grano en los metales y aleaciones que aprovecha al maximo el potencial de la recristalizacion dinamica.
La clave para el refinamiento del grano en el proceso de MAF a velocidad de deformacion ultra lenta es la capacidad de operar continuamente en un regimen de recristalizacion dinamica, que es el resultado de las velocidades de deformacion ultra lentas utilizadas, es decir, de 0,001 s-1 o mas lento. Durante la recristalizacion dinamica, los granos nuclean, crecen se acumulan dislocaciones al mismo tiempo. La generacion de dislocaciones dentro de los granos recien nucleados reduce continuamente la fuerza motriz para el crecimiento del grano, y la nucleacion de granos es energeticamente favorable. El proceso de MAF a velocidad de deformacion ultra lenta utiliza recristalizacion dinamica para recristalizar continuamente granos durante el proceso de forja.
Se pueden producir cubos relativamente uniformes de la aleacion UFG Ti-6-4 usando el proceso de MAF a velocidad de deformacion ultra lenta, pero el tiempo acumulado requerido para realizar la MAF puede ser excesivo en un entorno comercial. Ademas, el equipo de matriz de forja por prensado abierta a gran escala convencional disponible en el mercado puede no tener la capacidad de alcanzar las velocidades de deformacion ultra lentas requeridas en tales formas de realizacion y, por lo tanto, puede ser necesaria la creacion de equipos a medida para la MAF a velocidad de deformacion ultra lenta a escala de produccion.
En consecuencia, seria ventajoso desarrollar un proceso para la produccion de titanio y aleaciones de titanio que tuvieran una microestructura de grano gruesa, fina, muy fina o ultrafina que no requiera multiples recalentamientos y/o permita velocidades de deformacion mas altas, reduzca el tiempo necesario para el procesamiento, y elimine la necesidad de equipo de forja personalizado.
La invencion proporciona un metodo para el forjado multi-etapa de una pieza de trabajo de acuerdo con la reivindicacion 1 de las reivindicaciones adjuntas.
Segun un aspecto de la presente descripcion, un metodo de refinado del tamano de grano de una pieza de trabajo que comprende un material metalico seleccionado entre titanio y una aleacion de titanio comprende calentar la pieza de trabajo a una temperatura de forja de la pieza de trabajo dentro de un campo de fase alfa + beta del material
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metalico. La pieza de trabajo a continuacion se forja en varios ejes. La forja en varios ejes comprende la forja por prensado de la pieza de trabajo a la temperatura de forja de la pieza de trabajo en la direccion de un primer eje ortogonal de la pieza de trabajo con una velocidad de deformacion suficiente para calentar adiabaticamente una region interna de la pieza de trabajo. La forja en la direccion del primer eje ortogonal va seguida de permitir que la region interna calentada adiabaticamente de la pieza de trabajo se enfrie a la temperatura de forja de la pieza de trabajo, mientras se calienta una zona de la superficie exterior de la pieza de trabajo a la temperatura de forja de la pieza de trabajo. La pieza de trabajo a continuacion se forja por prensado a la temperatura de forja de la pieza de trabajo en la direccion de un segundo eje ortogonal de la pieza de trabajo con una velocidad de deformacion que es suficiente para calentar adiabaticamente la region interna de la pieza de trabajo. La forja en la direccion del segundo eje ortogonal va seguida de permitir que la region interna calentada adiabaticamente de la pieza de trabajo se enfrie a la temperatura de forja de la pieza de trabajo, mientras se calienta una zona de la superficie exterior de la pieza de trabajo a la temperatura de forja de la pieza de trabajo. La pieza de trabajo a continuacion se forja por prensado a la temperatura de forja de la pieza de trabajo en la direccion de un tercer eje ortogonal de la pieza de trabajo con una velocidad de deformacion que es suficiente para calentar adiabaticamente la region interna de la pieza de trabajo. La forja en la direccion del tercer eje ortogonal va seguida de permitir que la region interna calentada adiabaticamente de la pieza de trabajo se enfrie a la temperatura de forja de la pieza de trabajo, mientras se calienta una zona de la superficie exterior de la pieza de trabajo a la temperatura de forja de la pieza de trabajo. Las etapas de forja por prensado y permitir el calentamiento se repiten hasta que se consigue una deformacion de al menos 3,5 en al menos una region de la pieza de trabajo de aleacion de titanio. En una forma de realizacion no limitante, la velocidad de deformacion que se usa durante la forja por prensado se encuentra en el intervalo de 0,2 s-1 a 0,8 s-1, inclusive.
Breve descripcion de los dibujos
Las caracteristicas y ventajas de los aparatos y metodos descritos en este documento se pueden entender mejor por referencia a los estiramientos adjuntos en los que:
La FIG. 1 es un diagrama de flujo que enumera las etapas de una forma de realizacion de un metodo de acuerdo con la presente descripcion para el procesamiento de titanio y aleaciones de titanio para el refinamiento del tamano de grano;
La FIG. 2 es una representacion esquematica de una forma de realizacion de un metodo de forja en varios ejes a alta velocidad de deformacion mediante la gestion termica para el procesamiento de titanio y aleaciones de titanio para el refinamiento de tamanos de grano, en la que las Figs. 2 (a), 2 (c) y 2 (e) representan las etapas de forja por prensado, y las Figs. 2 (b), 2 (d), y 2 (f) representan etapas de enfriamiento y calentamiento de acuerdo con aspectos de esta descripcion;
La FIG. 3 es una representacion esquematica de una tecnica de forja en varios ejes de velocidad de deformacion lenta conocido por ser utilizado para refinar granos de muestras a pequena escala;
La FIG. 4 es una representacion esquematica de un diagrama de un proceso termomecanico de temperatura- tiempo para una forma de realizacion de un metodo de forja en varios ejes a alta velocidad de deformacion de acuerdo con la presente descripcion;
La FIG. 5 es una representacion esquematica de un diagrama de un proceso termomecanico de temperatura- tiempo para una forma de realizacion de un metodo de forja en varios ejes a varias temperaturas de alta velocidad de deformacion de acuerdo con la presente descripcion;
La FIG. 6 es una representacion esquematica de un diagrama de un proceso termomecanico de temperatura- tiempo para una forma de realizacion de un metodo de forja en varios ejes a alta velocidad a traves de transicion beta de acuerdo con la presente descripcion;
La FIG. 7 es una representacion esquematica de una forma de realizacion no limitante de un metodo multiple de recalcado y estiramiento para el refinamiento del tamano de grano, que no forma parte de la invencion tal como se reivindica en el presente documento;
La FIG. 8 es un diagrama de flujo que enumera las etapas de una forma de realizacion no limitante de un metodo para el procesamiento multiple de recalcado y estiramiento de titanio y aleaciones de titanio para refinar el tamano de grano, que no forma parte de la invencion tal como se reivindica en el presente documento;
La FIG. 9 es un diagrama de termomecanico de temperatura-tiempo para la forma de realizacion del ejemplo 1 de la presente descripcion;
La FIG. 10 es una micrografia del material beta recocido del Ejemplo 1, que muestra granos equiaxiales con tamanos de grano entre 10-30 |jm;
La FIG. 11 es una micrografia de una region central de la muestra forjada a-b-c del Ejemplo 1;
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La FIG. 12 es una prediccion de la modelizacion de elementos finitos de los tiempos de enfriamiento de la region interna de acuerdo con una forma de realizacion de la presente description;
La FIG. 13 es una micrografia del centro de un cubo despues de procesar de acuerdo con la forma de realizacion del metodo descrito en el Ejemplo 4;
La FIG. 14 es una fotografia de una section transversal de un cubo procesado segun el ejemplo 4;
La FIG. 15 representa los resultados de la modelizacion de elementos finitos para simular la deformation en forja en varios ejes gestionada termicamente de un cubo procesado segun el ejemplo 6;
La FIG. 16 (a) es una micrografia de una seccion transversal del centro de la muestra procesada de acuerdo con el Ejemplo 7; la FIG. 16 (b) es una seccion transversal de la superficie cerca de la muestra procesada de acuerdo con el Ejemplo 7, que no forma parte de la invention reivindicada;
La FIG. 17 es un diagrama termomecanico esquematico de temperatura-tiempo del proceso utilizado en el Ejemplo 9, que no forma parte de la invencion reivindicada;
La FIG. 18 es una macrofotografia de una seccion transversal de una muestra procesada de acuerdo con la forma de realizacion del Ejemplo 9;
La FIG. 19 es una micrografia de una muestra procesada de acuerdo con la forma de realizacion del Ejemplo 9 que muestra el tamano de grano muy fino; y
La FIG. 20 representa una simulation de la modelizacion de elementos finitos de deformacion de la muestra preparada en la forma de realizacion del ejemplo 9.
El lector apreciara los detalles que anteceden, asi como otros, al considerar la siguiente descripcion detallada de ciertas formas de realizacion de acuerdo con la presente descripcion.
Descripcion detallada de ciertas formas de realizacion no limitantes
Un aspecto de esta descripcion incluye formas de realizacion de un proceso de forja en varios ejes que incluye el uso de altas velocidades de deformacion durante las etapas de forja para refinar el tamano de grano en titanio y aleaciones de titanio. Estas formas de realizacion del metodo se denominan generalmente en esta descripcion como "forja en varios ejes a alta velocidad de deformacion" o "MAF de alta velocidad de deformacion".
Con referencia ahora al diagrama de flujo en la FIG. 1 y la representation esquematica en la FIG. 2, en una forma de realizacion de acuerdo con la presente descripcion, se representa un metodo 20 de uso de un proceso de forja en varios ejes a alta velocidad de deformacion (MAF) para refinar el tamano de grano de titanio o aleaciones de titanio. La forja en varios ejes (26), tambien conocida como forja "a-b-c", que es una forma de deformacion plastica severa, incluye calentamiento (etapa 22 en la FIG. 1) de una pieza de trabajo que comprende un material metalico seleccionado entre titanio y una aleacion de titanio 24 a una temperatura de forja de la pieza de trabajo dentro de un campo de fase alfa + beta del material metalico, seguido por MAF 26 utilizando una alta velocidad de deformacion.
Como sera evidente de una consideration de la presente descripcion, se utiliza una alta velocidad de deformacion en MAF de alta velocidad de deformacion para calentar adiabaticamente una region interna de la pieza de trabajo. Sin embargo, en una forma de realizacion de acuerdo con esta descripcion, en al menos la ultima secuencia de impactos a-b-c de MAF de alta velocidad de deformacion, la temperatura de la region interna de la pieza de trabajo de titanio o de aleacion de titanio 24 no debe exceder la temperatura de transition beta (Tp) de la pieza de trabajo de titanio o de aleacion de titanio. Por lo tanto, la temperatura de forja de la pieza de trabajo durante al menos la secuencia a-b-c final de impactos MAF de alta velocidad de deformacion se debe seleccionar para asegurar que la temperatura de la region interna de la pieza de trabajo durante la MAF de alta velocidad de deformacion no sea igual o superior a la temperatura de transicion beta del material metalico. En una forma de realizacion de acuerdo con esta descripcion, la temperatura de la region interna de la pieza de trabajo no excede de 20 °F (11,1 °C) por debajo de la temperatura de transicion beta del material metalico, es decir, Tp - 20 °F (Tp - 11,1 °C), durante al menos la secuencia de alta velocidad de deformacion final de impactos MAF a-b-c.
En una forma de realizacion de MAF de alta velocidad de deformacion de acuerdo con esta descripcion, la temperatura de forja de la pieza de trabajo comprende una temperatura dentro de un intervalo de la temperatura de forja de la pieza de trabajo. La temperatura de forja de la pieza de trabajo se encuentra en el intervalo de la temperatura de forja de una pieza de trabajo de 100 °F (55,6 °C) por debajo de la temperatura de transicion beta (Tp) del material metalico de titanio o de aleacion de titanio a 700 °F (388,9 °C) por debajo de la temperatura de transicion beta del material metalico de titanio o de aleacion de titanio. En aun otra forma de realizacion, la temperatura de forja de la pieza de trabajo se encuentra en un intervalo de temperaturas de 300 °F (166,7 °C) por debajo de la temperatura de transicion beta de titanio o de aleacion de titanio a 625 °F (347 °C) por debajo de la
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temperatura de transicion beta del titanio o aleacion de titanio. En una forma de realizacion, el extremo inferior del intervalo de la temperatura de forja de una pieza de trabajo es una temperatura en el campo de fase alfa + beta en la que no se produce un dano sustancial a la superficie de la pieza de trabajo durante el impacto de forja, como es sabido para una persona con conocimientos en la tecnica.
En una forma de realizacion, el intervalo de temperaturas de forja de la pieza de trabajo cuando se aplica la forma de realizacion de la presente descripcion de la FIG. 1 a una aleacion de Ti-6-4 (Ti-6Al-4V; n.° UNS R56400), que tiene una temperatura de transicion beta (Tp) de 1850 °F (1010 °C), puede ser de 1150 °F (621,1 °C) a 1750 °F (954,4 °C), o en otra forma de realizacion puede ser de 1225 °F (662,8 °C) a 1550 °F (843,3 °C).
En una forma de realizacion, antes de calentar 22 la pieza de trabajo de titanio o de aleacion de titanio 24 a una temperatura de forja de la pieza de trabajo dentro del campo de fase alfa + beta, la pieza de trabajo 24 opcionalmente se beta recuece y se enfria al aire (no mostrado). El recocido beta comprende calentar la pieza de trabajo 24 por encima de la temperatura de transicion beta del material metalico de titanio o de aleacion de titanio y mantener durante un tiempo suficiente para formar toda la fase beta en la pieza de trabajo. El recocido beta es un proceso bien conocido y, por lo tanto, no se describe con mas detalle en este documento. Una forma de realizacion no limitante de recocido beta puede incluir el calentamiento de la pieza de trabajo 24 a una temperatura de remojo beta de 50 °F (27,8 °C) por encima de la temperatura de transicion beta del titanio o de la aleacion de titanio y mantener la pieza de trabajo 24 a la temperatura durante 1 hora.
Haciendo referencia de nuevo a las Figs. 1 y 2, cuando la pieza de trabajo que comprende un material metalico seleccionado entre titanio y una aleacion de titanio 24 esta a la temperatura de forja de la pieza de trabajo, la pieza de trabajo se somete a MAF de alta velocidad de deformacion (26). En una forma de realizacion de acuerdo con esta descripcion, la MAF 26 comprende la forja por prensado (etapa 28, y se muestra en la FIG. 2 (a)) de la pieza de trabajo 24 a la temperatura de forja de la pieza de trabajo en la direccion (A) de un primer eje ortogonal 30 de la pieza de trabajo utilizando una velocidad de deformacion que es suficiente para calentar adiabaticamente la pieza de trabajo, o al menos calentar adiabaticamente una region interna de la pieza de trabajo, y deformar plasticamente la pieza de trabajo 24. En las formas de realizacion de esta descripcion, la frase "region interna" tal como se utiliza en el presente documento se refiere a una region interna que incluye un volumen del 20 %, o 30 %, o 40 %, o 50 % del volumen del cubo.
Se utilizan altas velocidades de deformacion y velocidades de pison rapidas para calentar adiabaticamente la region interna de la pieza de trabajo en las formas de realizacion de MAF de alta velocidad de deformacion de acuerdo con esta descripcion. En una forma de realizacion de acuerdo con esta descripcion, el termino "alta velocidad de deformacion" se refiere a un intervalo de velocidad de deformacion de 0,2 s-1 a 0,8 s-1, ambas inclusive. En otra forma de realizacion de acuerdo con esta descripcion, el termino "alta velocidad de deformacion" tal como se utiliza en el presente documento, se refiere a un intervalo de velocidad de deformacion de 0,2 s-1 a 0,4 s-1, ambas inclusive.
En una forma de realizacion de acuerdo con esta descripcion, con el uso de una alta velocidad de deformacion como se define anteriormente en esta memoria, la region interna de la pieza de trabajo de titanio o de aleacion de titanio se puede calentar adiabaticamente a 200 °F (111,1 °C) por encima de la temperatura de forja de la pieza de trabajo. En otra forma de realizacion, durante la forja por prensado la region interna se calienta adiabaticamente de 100 °F (55,6 °C) a 300 °F (166,7 °C) por encima de la temperatura de forja de la pieza de trabajo. En otra forma de realizacion, durante la forja por prensado la region interna se calienta adiabaticamente de 150 °F (83,3 °C) a 250 °F (138,9 °C) por encima de la temperatura de forja de la pieza de trabajo. Como se ha senalado anteriormente, ninguna parte de la pieza de trabajo se debe calentar por encima de la temperatura de transicion beta de titanio o de aleacion de titanio durante la ultima secuencia de impactos de MAF a-b-c de deformacion de alta velocidad.
En una forma de realizacion, durante la forja por prensado (28) la pieza de trabajo 24 se deforma plasticamente hasta una reduccion del 20 % al 50 % en altura u otra dimension. En otra forma de realizacion, durante la forja por prensado (28) la pieza de trabajo de aleacion de titanio 24 se deforma plasticamente hasta una reduccion del 30 % al 40 % en altura u otra dimension.
En la FIG. 3 se representa esquematicamente un proceso de forja en varios ejes de velocidad de deformacion lenta conocido. En general, un aspecto de la forja en varios ejes es que despues de cada tres golpes o "impactos" del aparato de forja, tales como una forja de matriz abierto, la forma de la pieza de trabajo se acerca a la de la pieza de trabajo justo antes del primer impacto. Por ejemplo, despues de forjar inicialmente una pieza cubica de 5 pulgadas (12,7 cm) de lado con un primer "impacto" en la direccion del eje "a", se hace girar 90 ° y se forja con un segundo impacto en la direccion del eje "b", y se hace girar 90 ° y se forja con un tercer impacto en la direccion del eje "c", la pieza de trabajo se parecera al cubo de partida con lados de 5 pulgadas (12,7 cm).
En otra forma de realizacion, una primera etapa de forja por prensado 28 que se muestra en la FIG. 2 (a), tambien denominada en este documento como "primer impacto", puede incluir la forja por prensado de la pieza de trabajo en una cara superior hasta una altura predeterminada del espaciador mientras la pieza de trabajo esta a una temperatura de forja de la pieza de trabajo. Una altura predeterminada del espaciador de una forma de realizacion es, por ejemplo, de 5 pulgadas (12,7 cm). Otras alturas del espaciador, tales como, por ejemplo, menos de 5
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pulgadas (12,7 cm), aproximadamente 3 pulgadas (7,6 cm), mayor de 5 pulgadas (12,7 cm), o de 5 pulgadas (12,7 cm) hasta 30 pulgadas (76,2 cm) estan dentro del alcance de las formas de realizacion en el presente documento, pero no se deben considerar como limitantes del alcance de la presente descripcion. Alturas del espaciador mas grandes solo estan limitadas por las capacidades de la forja y, como se vera en este documento, por las capacidades del sistema de gestion termica de acuerdo con la presente descripcion. Alturas del espaciador de menos de 3 pulgadas (7,6 cm) tambien estan dentro del alcance de las formas de realizacion descritas en este documento, y dichas alturas del espaciador relativamente pequenas solo estan limitadas por las caracteristicas deseadas de un producto terminado y, posiblemente, cualquier requisito economico prohibitivo que pueda aplicarse al empleo del metodo presente sobre pieza de trabajo que tienen tamanos relativamente pequenos. El uso de separadores de aproximadamente 30 pulgadas (76,2 cm), por ejemplo, proporciona la capacidad de preparar cubos de 30 pulgadas (76,2 cm) de lado del tamano de un lingote con un tamano de grano fino, un tamano de grano muy fino, o un tamano de grano ultrafino. Las formas cubicas del tamano de un lingote de las aleaciones convencionales se han empleado en la forja de alojamientos para la fabricacion de discos, anillos y piezas de la caja de turbinas aeronauticas o terrestres.
Despues de la forja por prensado 28 de la pieza de trabajo 24 en la direccion del primer eje ortogonal 30, es decir, en la direccion A que se muestra en la FIG. 2 (a), una forma de realizacion de un metodo de acuerdo con la presente descripcion comprende, ademas, permitir (etapa 32) que la temperatura de la region interna calentada adiabaticamente (no mostrada) de la pieza de trabajo se enfrie a la temperatura de forja de la pieza de trabajo, que se muestra en la FIG. 2 (b). Los tiempos de enfriamiento de la region interna, o los tiempos de espera, pueden oscilar, por ejemplo, en formas de realizacion no limitantes, de 5 segundos a 120 segundos, de 10 segundos a 60 segundos, o de 5 segundos a 5 minutos. Un experto en la tecnica reconocera que los tiempos de enfriamiento de la region interna requeridos para enfriar la region interna a la temperatura de forja de la pieza de trabajo dependen del tamano, la forma y la composicion de la pieza de trabajo 24, asi como de las condiciones de la atmosfera que rodea la pieza de trabajo 24.
Durante el periodo de tiempo de enfriamiento de la region interna, un aspecto de un sistema de gestion termica 33 de acuerdo con formas de realizacion descritas en el presente documento comprende el calentamiento (etapa 34) de una region de la superficie exterior 36 de la pieza de trabajo 24 a una temperatura a o proxima a la temperatura de forja de la pieza de trabajo. De esta manera, la temperatura de la pieza de trabajo 24 se mantiene en unas condiciones uniformes o casi uniformes y esencialmente isotermicas a o proximas a la temperatura de forja de la pieza de trabajo antes de cada impacto de la MAF de alta velocidad de deformacion. Al utilizar el sistema de gestion termica 33 para calentar la region de la superficie exterior 36, y permitir que la region interna calentada adiabaticamente se enfrie durante un tiempo de enfriamiento especificado de la region interna, la temperatura de la pieza vuelve a una temperatura esencialmente uniforme a o proxima a la temperatura de forja de la pieza de trabajo entre cada impacto de forja a-b-c. En otra forma de realizacion de acuerdo con esta descripcion, mediante el sistema de gestion termica 33 para calentar la region de la superficie exterior 36, y permitir que la region interna calentada adiabaticamente se enfrie durante un tiempo de enfriamiento especificado de la region interna, la temperatura de la pieza de trabajo vuelve a una temperatura esencialmente uniforme a o proxima a la temperatura de forja de la pieza de trabajo entre cada impacto de forja a-b-c. La utilizacion de un sistema de gestion termica 33 para calentar la region de la superficie exterior 36 de la pieza de trabajo a la temperatura de forja de la pieza de trabajo, y permitir que la region interna calentada adiabaticamente se enfrie a la temperatura de forja de la pieza de trabajo se puede denominar como "forja en varios ejes a alta velocidad de deformacion gestionada termicamente" o para los fines de este documento, simplemente como "forja en varios ejes a alta velocidad de deformacion".
En formas de realizacion de acuerdo con esta descripcion, la frase "region de la superficie exterior" se refiere a un volumen del 50 %, o 60 %, o 70 %, o 80 % del cubo, en la region exterior del cubo.
En una forma de realizacion, el calentamiento 34 de una region de la superficie exterior 36 de la pieza de trabajo 24 se puede llevar a cabo usando uno o mas mecanismos de calentamiento de la superficie exterior 38 del sistema de gestion termica 33. Ejemplos de posibles mecanismos de calentamiento de la superficie exterior 38 incluyen, pero no se limitan a, calentadores de llama para el calentamiento por llama; calentadores de induction para el calentamiento por induccion; y calentadores radiantes para el calentamiento radiante de la pieza de trabajo 24. Otros mecanismos y tecnicas para el calentamiento de una zona de la superficie exterior de la pieza de trabajo seran evidentes para los expertos al considerar la presente descripcion, y tales mecanismos y tecnicas estan dentro del alcance de la presente divulgation. Una forma de realizacion no limitante de un mecanismo de calentamiento de la region de la superficie exterior 38 puede comprender un horno de caja (no mostrado). Un horno de caja puede estar configurado con diferentes mecanismos de calentamiento para calentar la region de la superficie exterior de la pieza de trabajo utilizando uno o mas de los mecanismos de calentamiento por llama, mecanismos de calentamiento radiante, mecanismos de calentamiento por induccion, y/o cualquier otro mecanismo de calentamiento adecuado conocido ahora o en el futuro por una persona con conocimientos en la tecnica.
En otra forma de realizacion no limitante, la temperatura de la region de la superficie exterior 36 de la pieza de trabajo 24 se puede calentar 34 y se mantiene a o proxima a la temperatura de forja de la pieza de trabajo y dentro del intervalo de la temperatura de forja de la pieza de trabajo usando uno o mas calentadores de matriz 40 de un sistema de gestion termica 33. Los calentadores de matriz 40 se pueden usar para mantener las matrices 40 o las
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superficies de forja de la prensa de matriz 44 de las matrices a o proxima a la temperatura de forja de la pieza de trabajo o a temperaturas dentro del intervalo de la temperatura de forja de la pieza de trabajo. En una forma de realizacion no limitante, las matrices 40 del sistema de gestion termica se calientan a una temperatura dentro de un intervalo que incluye la temperatura de forja de la pieza de trabajo hasta 100 °F (55,6 °C) por debajo de la temperatura de forja de la pieza de trabajo. Los calentadores de matriz 40 pueden calentar las matrices 42 o la superficie de forja de la prensa de matriz 44 por cualquier mecanismo de calentamiento adecuado conocido ahora o en el futuro por una persona experta en la tecnica, incluyendo, pero no limitado a, mecanismos de calentamiento de llama, mecanismos de calentamiento radiantes, mecanismos de calentamiento de conduction, o mecanismos de calentamiento y/o induction. En una forma de realizacion no limitante, un calentador de matriz 40 puede ser un componente de un horno de caja (no mostrado). Aunque el sistema de gestion termica 33 se muestra en su lugar y se utiliza durante las etapas de enfriamiento 32, 52, 60 del proceso de forja en varios ejes 26 que se muestra en las Figs. 2 (b), (d) y (f), se reconoce que el sistema de gestion termica 33 puede o puede no estar en su lugar durante las etapas de forja por prensado 28, 46, 56 representadas en las Figs. 2 (a), (c), y (e).
Como se muestra en la FIG. 2 (c), un aspecto de un metodo de forja en varios ejes 26 de acuerdo con la presente description comprende la forja por prensado (etapa 46) de la pieza de trabajo 24 a la temperatura de forja de la pieza de trabajo en la direction (B) de un segundo eje ortogonal 48 de la pieza de trabajo 24 utilizando una velocidad de deformation que es suficiente para calentar adiabaticamente la pieza de trabajo 24, o al menos una region interna de la pieza de trabajo, y deformar plasticamente la pieza de trabajo 24. En una forma de realizacion, durante la forja por prensado (46), la pieza de trabajo 24 se deforma a una deformacion plastica con una reduction en altura u otra dimension del 20 % al 50 %. En otra forma de realizacion, durante la forja por prensado (46) la pieza de trabajo 24 se deforma plasticamente a una deformacion plastica con una reduccion en altura u otra dimension del 30 % al 40 %. En una forma de realizacion, la pieza de trabajo 24 se puede forjar por prensado (46) en la direccion del segundo eje ortogonal 48 a la misma altura del espaciador utilizada en la primera etapa de forja por prensado (28). En otra forma de realizacion no limitante de acuerdo con la divulgation, la region interna (no mostrada) de la pieza de trabajo 24 se calienta adiabaticamente durante la etapa de forja por prensado (46) a la misma temperatura que en la primera etapa de forja por prensado (28). En otras formas de realizacion, las altas velocidades de deformacion utilizadas para la forja por prensado (46) estan en los mismos intervalos de velocidad de deformacion, como se describe para la primera etapa de forja por prensado (28).
En una forma de realizacion, como se muestra por la flecha 50 en las Figs. 2 (b) y (d), la pieza de trabajo 24 se puede girar 50 a un eje ortogonal diferente entre las sucesivas etapas de forja por prensado (por ejemplo, 28, 46). Esta rotation se puede denominar rotation "a-b-c". Se entiende que mediante el uso de diferentes configuraciones de forja, puede ser posible girar el pison durante la forja en lugar de girar la pieza de trabajo 24, o una forja puede estar equipada con pisones en varios ejes, de manera que no es necesaria ni la rotacion de la pieza de trabajo ni de la forja. Obviamente, el aspecto importante es el movimiento relativo del pison y de la pieza de trabajo, y que la rotacion 50 de la pieza de trabajo 24 puede ser una etapa opcional. En la mayoria de los montajes de equipos industriales actuales, sin embargo, sera necesario girar la pieza de trabajo 50 a un eje ortogonal diferente entre las etapas de forja por prensado para completar el proceso de forja en varios ejes 26.
En formas de realizacion en las que se requiere la rotacion a-b-c 50, la pieza de trabajo 24 se puede girar manualmente por un operador de la forja o por un sistema de rotacion automatico (no mostrado) para proporcionar la rotacion a-b-c 50. Un sistema automatico de rotacion a-b-c puede incluir, pero no se limita a que incluya, una herramienta de manipulation de tipo abrazadera de balanceo libre o similar para permitir una forma de realizacion no limitante de forja en varios ejes a alta velocidad de deformacion gestionada termicamente descrita en este documento.
Despues de la forja por prensado 46 la pieza de trabajo 24 en la direccion del segundo eje ortogonal 48, es decir, en el direccion B, y como se muestra en la FIG. 2 (d), el proceso 20 comprende, ademas, permitir que (etapa 52) una region interna calentada adiabaticamente (no mostrada) de la pieza de trabajo se enfrie a la temperatura de forja de la pieza de trabajo, que se muestra en la FlG. 2 (d). Los tiempos de enfriamiento de la region interna, o los tiempos de espera, pueden oscilar, por ejemplo, en ciertas formas de realizacion, de 5 segundos a 120 segundos, o de 10 segundos a 60 segundos, o de 5 segundos hasta 5 minutos, y un experto en la tecnica reconoce que los tiempos minimos de enfriamiento dependen del tamano, la forma, y la composition de la pieza de trabajo 24, asi como de las caracteristicas del medio ambiente que rodea a la pieza de trabajo.
Durante el periodo de tiempo de enfriamiento de la region interna, un aspecto de un sistema de gestion termica 33 de acuerdo con ciertas formas de realizacion descritas en este documento comprende el calentamiento (etapa 54) de una region de la superficie exterior 36 de la pieza de trabajo 24 a una temperatura a o proxima a la temperatura de forja de la pieza de trabajo. De esta manera, la temperatura de la pieza de trabajo 24 se mantiene en unas condiciones uniformes o casi uniformes y esencialmente isotermicas a o proximas a la temperatura de forja de la pieza de trabajo antes de cada impacto de la MAF de alta velocidad de deformacion. En ciertas formas de realizacion, cuando se utiliza el sistema de gestion termica 33 para calentar la region de la superficie exterior 36, y permitir que la region interna calentada adiabaticamente se enfrie durante un tiempo de enfriamiento de la region interna especificado, la temperatura de la pieza de trabajo vuelve a una temperatura esencialmente uniforme a o proxima a la temperatura de forja de la pieza entre cada impacto de forja a-b-c. En otra forma de realizacion de
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acuerdo con esta descripcion, cuando se utiliza el sistema de gestion termica 33 para calentar la region de la superficie exterior 36, y permitir que la region interna calentada adiabaticamente se enfrie durante un tiempo especificado de mantenimiento del enfriamiento de la region interna, la temperatura de la pieza vuelve a una temperatura esencialmente uniforme dentro del intervalo de la temperatura de forja de la pieza de trabajo antes de cada impacto de la MAF de alta velocidad de deformacion.
En una forma de realization no limitante, el calentamiento 54 de una region de la superficie exterior 36 de la pieza de trabajo 24 se puede realizar usando uno o mas mecanismos de calentamiento de la superficie exterior 38 del sistema de gestion termica 33. Ejemplos de posibles mecanismos de calentamiento 38 pueden incluir, pero no se limitan a, calentadores de llama para el calentamiento por llama; calentadores de induction para el calentamiento por induccion; y/o calentadores radiantes para el calentamiento radiante de la pieza de trabajo 24. Una forma de realizacion no limitante de un mecanismo de calentamiento de la superficie 38 puede comprender un horno de caja (no mostrado). Otros mecanismos y tecnicas para el calentamiento de una superficie exterior de la pieza de trabajo seran evidentes para los expertos al considerar la presente descripcion, y tales mecanismos y tecnicas estan dentro del alcance de la presente descripcion. Un horno de caja puede estar configurado con diferentes mecanismos de calentamiento para calentar la superficie exterior de la pieza de trabajo, uno o mas de los mecanismos de calentamiento por llama, mecanismos de calentamiento radiante, mecanismos de calentamiento por induccion, y/o cualquier otro mecanismo de calentamiento conocido ahora o en el futuro por una persona experta en la tecnica.
En otra forma de realizacion no limitante, la temperatura de la region de la superficie exterior 36 de la pieza de trabajo 24 se puede calentar 54 y mantenerse a o proxima a la temperatura de forja de la pieza de trabajo y dentro del intervalo de la temperatura de forja de la pieza de trabajo usando uno o mas calentadores de matriz 40 de un sistema de gestion termica 33. Los calentadores de matriz 40 se pueden usar para mantener las matrices 40 o las superficies de forja de la prensa de matriz 44 de las matrices a o proxima a la temperatura de forja de la pieza de trabajo o a temperaturas dentro del intervalo de la temperatura de forja. Los calentadores de matriz 40 pueden calentar las matrices 42 o la superficie de forja de la prensa de matriz 44 por cualquier mecanismo de calentamiento adecuado conocido ahora o en el futuro por una persona experta en la tecnica, incluyendo, pero no limitado a, mecanismos de calentamiento de llama, mecanismos de calentamiento radiantes, mecanismos de calentamiento de conduction, y/o mecanismos de calentamiento por induccion. En una forma de realizacion no limitante, un calentador de matriz 40 puede ser un componente de un horno de caja (no mostrado). Aunque el sistema de gestion termica 33 se muestra en su lugar y se utiliza durante las etapas de equilibrado y enfriamiento 32, 52, 60 del proceso de forja en varios ejes 26 que se muestra en las figuras, 2 (b), (d) y (f), se reconoce que el sistema de gestion termica 33 puede o puede no estar en su lugar durante las etapas de forja por prensado 28, 46, 56 representadas en las Figs. 2 (a), (c), y (e).
Como se muestra en la FIG. 2 (e), un aspecto de una forma de realizacion de forja en varios ejes 26 de acuerdo con esta descripcion comprende la forja por prensado (etapa 56) de la pieza de trabajo 24 a la temperatura de forja de la pieza de trabajo en la direction (C) de un tercer eje ortogonal 58 de la pieza de trabajo 24 utilizando una velocidad del pison y una velocidad de deformacion que son suficientes para calentar adiabaticamente la pieza de trabajo 24, o al menos calentar adiabaticamente una region interna de la pieza de trabajo, y deformar plasticamente la pieza de trabajo 24. En una forma de realizacion no limitante, la pieza de trabajo 24 se deforma durante la forja por prensado 56 para una deformacion plastica de una reduction del 20-50 % en altura u otra dimension. En otra forma de realizacion no limitante, durante forja por prensado (56) la pieza de trabajo se deforma plasticamente a una deformacion plastica de una reduccion del 30 % al 40 % en altura u otra dimension. En una forma de realizacion no limitante, la pieza de trabajo 24 se puede forjar por prensado (56) en la direccion del segundo eje ortogonal 48 a la misma altura del espaciador utilizada en la primera etapa de forja por prensado (28). En otra forma de realizacion no limitante de acuerdo con la divulgation, la region interna (no mostrada) de la pieza de trabajo 24 se calienta adiabaticamente durante la etapa de forja por prensado (56) a las mismas temperaturas que en la primera etapa de forja por prensado (28). En otras formas de realizacion no limitantes, las altas velocidades de deformacion utilizadas para la forja por prensado (56) estan en los mismos intervalos de velocidad de deformacion, como se describe para la primera etapa de forja por prensado (28).
En una forma de realizacion no limitante, como se muestra por la flecha 50 en 2 (b), 2 (d), y 2 (e) la pieza de trabajo 24 se puede girar 50 a un eje ortogonal diferente entre etapas de forja por prensado sucesivas (por ejemplo, 46, 56). Como se ha descrito anteriormente, esta rotation se puede denominar rotation a-b-c. Se entiende que mediante el uso de diferentes configuraciones de forja, puede ser posible girar el pison en la forja en lugar de girar la pieza de trabajo 24, o una forja puede estar equipada con pisones en varios ejes, de manera que no es necesaria ni la rotacion de la pieza de trabajo ni de la forja. Por lo tanto, la rotacion 50 de la pieza de trabajo 24 puede ser una etapa opcional. En la mayoria de los montajes industriales actuales, sin embargo, sera necesario girar la pieza de trabajo 50 a un eje ortogonal diferente entre las etapas de forja por prensado para completar el proceso de forja en varios ejes 26.
Despues de la forja por prensado 56 de la pieza de trabajo 24 en la direccion del tercer eje ortogonal 58, es decir, en la direccion c, y como se muestra en la FIG. 2 (e), el proceso 20 comprende, ademas, permitir (etapa 60) que una region interna calentada adiabaticamente (no mostrada) de la pieza de trabajo se enfrie a la temperatura de forja de la pieza de trabajo, que se indica en la FIG. 2 (f). Los tiempos de enfriamiento de la region interna pueden variar, por
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ejemplo, de 5 segundos a 120 segundos, de 10 segundos a 60 segundos, o de 5 segundos a 5 minutos, y la persona experta en la tecnica reconoce que los tiempos de enfriamiento dependen del tamano, la forma, y la composition de la pieza de trabajo 24, asi como las caracteristicas del medio ambiente que rodea a la pieza de trabajo.
Durante el periodo de enfriamiento, un aspecto de un sistema de gestion termica 33 comprende el calentamiento (etapa 62) de una region de la superficie exterior 36 de la pieza de trabajo 24 a una temperatura a o proxima a la temperatura de forja de la pieza de trabajo. De esta manera, la temperatura de la pieza de trabajo 24 se mantiene en unas condiciones uniformes o casi uniformes y esencialmente isotermicas a o proximas a la temperatura de forja de la pieza de trabajo antes de cada impacto de la MAF de alta velocidad de deformation. En formas de realization, al utilizar el sistema de gestion termica 33 para calentar la region de la superficie exterior 36, y permitir que la region interna calentada adiabaticamente se enfrie durante un tiempo de enfriamiento especificado de la region interna, la temperatura de la pieza de trabajo vuelve a una temperatura esencialmente uniforme a o proxima a la temperatura de forja de la pieza entre cada impacto de forja a-b-c. En otra forma de realizacion no limitante de acuerdo con esta description, mediante el sistema de gestion termica 33 para calentar la region de la superficie exterior 36, y permitir que la region interna calentada adiabaticamente se enfrie durante un tiempo especificado de mantenimiento del enfriamiento de la region interna, la temperatura de la pieza de trabajo vuelve a unas condiciones esencialmente isotermicas dentro del intervalo de la temperatura de forja de la pieza entre cada impacto de forja a-b-c.
En una forma de realizacion, el calentamiento 62 de una region de la superficie exterior 36 de la pieza de trabajo 24 se puede realizar usando uno o mas mecanismos de calentamiento de la superficie exterior 38 del sistema de gestion termica 33. Ejemplos de posibles mecanismos de calentamiento 38 pueden incluir, pero no se limitan a, calentadores de llama para el calentamiento por llama; calentadores de induction para el calentamiento por induction; y/o calentadores radiantes para el calentamiento radiante de la pieza de trabajo 24. Otros mecanismos y tecnicas para el calentamiento de una superficie exterior de la pieza de trabajo seran evidentes para los expertos al considerar la presente descripcion, y tales mecanismos y tecnicas estan dentro del alcance de la presente descripcion. Una forma de realizacion no limitante de un mecanismo de calentamiento de la superficie 38 puede comprender un horno de caja (no mostrado). Un horno de caja puede estar configurado con diferentes mecanismos de calentamiento para calentar la superficie exterior de la pieza de trabajo utilizando uno o mas de los mecanismos de calentamiento por llama, mecanismos de calentamiento radiante, mecanismos de calentamiento por induccion, y/o cualquier otro mecanismo de calentamiento adecuado conocido ahora o en el futuro por una persona experta en la tecnica.
En otra forma de realizacion no limitante, la temperatura de la region de la superficie exterior 36 de la pieza de trabajo 24 se puede calentar 62 y se mantiene a o proxima a la temperatura de forja de la pieza de trabajo y dentro del intervalo de la temperatura de forja de la pieza de trabajo usando uno o mas calentadores de matriz 40 de un sistema de gestion termica 33. Los calentadores de matriz 40 se pueden usar para mantener las matrices 40 o las superficies de forja de la prensa de matriz 44 de las matrices a o proxima a la temperatura de forja de la pieza de trabajo o a temperaturas dentro del intervalo de la temperatura de forja. En una forma de realizacion no limitante, las matrices 40 del sistema de gestion termica se calientan a una temperatura dentro de un intervalo que incluye la temperatura de forja de la pieza de trabajo a 100 °F (55,6 °C) por debajo de la temperatura de forja de la pieza de trabajo. Los calentadores de matriz 40 pueden calentar las matrices 42 o la superficie de forja de la prensa de matriz 44 por cualquier mecanismo de calentamiento adecuado conocido ahora o en el futuro por una persona experta en la tecnica, incluyendo, pero no limitado a, mecanismos de calentamiento de llama, mecanismos de calentamiento radiantes, mecanismos de calentamiento de conduction, y/o mecanismos de calentamiento por induccion. En una forma de realizacion no limitante, un calentador de matriz 40 puede ser un componente de un horno de caja (no mostrado). Aunque el sistema de gestion termica 33 se muestra en su lugar y se utiliza durante las etapas de equilibrio, 32, 52, 60 del proceso de forja en varios ejes que se muestra en las Figs. 2 (b), (d) y (f), se reconoce que el sistema de gestion termica 33 puede o puede no estar en su lugar durante las etapas de forja por prensado 28, 46, 56 representadas en las Figs. 2 (a), (c), y (e).
Un aspecto de esta descripcion incluye una forma de realizacion no limitante en la que se repiten una o mas de las etapas de forja por prensado los tres ejes ortogonales, de enfriamiento, y de calentamiento de la superficie (es decir, se realizan con posterioridad a completar una secuencia inicial de las etapas de forja a-b-c, enfriamiento de la region interna, y calentamiento de la superficie de la region exterior) hasta que se consigue una deformacion real de al menos 3,5 en la pieza de trabajo. La frase "deformacion real" tambien se conoce para un experto en la tecnica como "deformacion logaritmica", y tambien como "tension eficaz". En referencia a la FIG. 1, esto se ejemplifica por la etapa (g), es decir, la repetition (etapa 64) de una o mas de las etapas (a)-(b), (c)-(d) y (e)-(f) hasta que se consigue una deformacion real de al menos 3,5 en la pieza de trabajo. En otra forma de realizacion no limitante, haciendo referencia de nuevo a la FIG.1, la repeticion 64 comprende la repeticion de una o mas de las etapas (a)-(b), (c)-(d) y
(e) -(f) hasta que se alcanza una deformacion real de al menos 4,7 en la pieza de trabajo. En todavia otras formas de realizacion no limitantes, haciendo referencia de nuevo a la FIG. 1, la repeticion 64 comprende la repeticion de una o mas de las etapas (a)-(b), (c)-(d) y (e)-(f) hasta que se consigue una deformacion real de 5 o mayor, o hasta que se consigue una deformacion real de 10 en la pieza de trabajo. En otra forma de realizacion no limitante, las etapas (a)-
(f) que se muestran en la FIG. 1 se repiten al menos 4 veces.
En formas de realizacion de forja en varios ejes a alta velocidad de deformacion gestionada termicamente no
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limitante de acuerdo con la presente descripcion, despues de una deformacion real de 3,7, la region interna de la pieza de trabajo comprende un tamano de grano de particulas alfa promedio de 4 |jm a 6 jm. En una forma de realizacion no limitante de forja en varios ejes controlada termicamente, despues de que se consigue una deformacion real de 4,7, la pieza de trabajo comprende un tamano promedio de grano en una region central de la pieza de trabajo de 4 jm. En una forma de realizacion no limitante de acuerdo con esta descripcion, cuando se alcanza una tension media de 3,7 o mayor, ciertas formas de realizacion no limitantes de los metodos de esta divulgacion producen granos que estan equiaxiales.
En una forma de realizacion no limitante de un proceso de forja en varios ejes utilizando un sistema de gestion termica, la interfaz de la pieza de trabajo-matriz de prensa esta lubricada con lubricantes conocidos por los expertos, tales como, pero no limitado a, grafito, vidrios, y/u otros lubricantes solidos conocidos.
En una forma de realizacion no limitante, la pieza de trabajo comprende una aleacion de titanio seleccionada del grupo que consiste en aleaciones de titanio alfa, aleaciones de titanio alfa + beta, aleaciones de titanio beta metaestable, y aleaciones de titanio beta. En otra forma de realizacion no limitante, la pieza de trabajo comprende una aleacion de titanio alfa + beta. En otra forma de realizacion no limitante, la pieza de trabajo comprende una aleacion de titanio beta metaestable. Aleaciones de titanio a modo de ejemplo que se pueden procesar utilizando formas de realizacion de metodos de acuerdo con la presente descripcion incluyen, pero no se limitan a: aleaciones de titanio alfa + beta, tales como, por ejemplo, de aleacion de Ti-6Al-4V (Numeros UNS R56400 y R54601) y aleacion de Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Numeros UNS R54620 y R54621); aleaciones de titanio casi-beta, tales como, por ejemplo, aleacion de Ti-10V-2Fe-3Al (UNS R54610)); y aleaciones de titanio beta metaestable, tal como, por ejemplo, aleacion de Ti-15Mo (UNS R58150) y aleacion de Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr (UNS no asignado). En una forma de realizacion no limitante, la pieza de trabajo comprende una aleacion de titanio que se selecciona de las aleaciones de titanio de calidades ASTM 5, 6,12, 19, 20, 21,23, 24, 25, 29, 32, 35, 36, y 38.
En una forma de realizacion no limitante, el calentamiento de una pieza de trabajo a una temperatura de forja de la pieza de trabajo dentro de un campo de fase alfa + beta del material metalico de titanio o de aleacion de titanio comprende calentar la pieza de trabajo a una temperatura de remojo beta; mantener la pieza de trabajo a la temperatura de remojo beta durante un tiempo de remojo suficiente para formar una microestructura al 100 % de fase de titanio beta en la pieza de trabajo; y enfriar la pieza de trabajo directamente a la temperatura de forja de la pieza de trabajo. En ciertas formas de realizacion no limitantes, la temperatura de remojo beta esta en un intervalo de temperaturas desde la temperatura de transicion beta del material metalico de titanio o de aleacion de titanio hasta 300 °F (111 °C) por encima de la temperatura de transicion beta del material metalico de titanio o de aleacion de titanio. Formas de realizacion no limitantes comprenden un tiempo de remojo beta de 5 minutos a 24 horas. Una persona experta en la tecnica comprendera que otras temperaturas de remojo beta y tiempos de remojo beta estan dentro del alcance de las formas de realizacion de esta descripcion y que, por ejemplo, pieza de trabajo relativamente grandes pueden requerir temperaturas de remojo beta relativamente mas altas y/o tiempos de remojo beta mas largos para formar una microestructura al 100 % de titanio de fase beta.
En ciertas formas de realizacion no limitantes en las que la pieza de trabajo se mantiene a una temperatura de remojo beta para formar una microestructura al 100 % de fase beta, la pieza de trabajo tambien se puede deformar plasticamente a una temperatura de deformacion plastica en el campo de fase beta del material metalico de titanio o de aleacion de titanio antes de enfriar la pieza de trabajo a la temperatura de forja de la pieza de trabajo. La deformacion plastica de la pieza de trabajo puede comprender al menos uno de forja por estiramiento, forja por recalcado, y forja en varios ejes a alta velocidad de deformacion de la pieza de trabajo. En una forma de realizacion no limitante, la deformacion plastica en la region de fase beta comprende la forja por recalcado de la pieza de trabajo a una deformacion de recalcado beta en el intervalo de 0,1-0,5. En formas de realizacion no limitantes, la temperatura de deformacion plastica esta en un intervalo de temperaturas que incluye la temperatura de transicion beta del material metalico de titanio o de aleacion de titanio hasta 300 °F (111 °C) por encima de la temperatura de transicion beta del material metalico de titanio o de aleacion de titanio.
La FIG. 4 es un diagrama de un proceso termomecanico esquematico de temperatura-tiempo de un metodo no limitante para deformar plasticamente la pieza de trabajo por encima de la temperatura de transicion beta y enfriar directamente a la temperatura de forja de la pieza de trabajo. En la FIG. 4, un metodo no limitante 100 comprende el calentamiento 102 de la pieza de trabajo a una temperatura de remojo beta 104 por encima de la temperatura de transicion beta 106 del material metalico de titanio o de aleacion de titanio y mantener o "remojar" 108 la pieza de trabajo a la temperatura de remojo beta 104 para formar una microestructura de titanio toda en fase beta en la pieza de trabajo. En una forma de realizacion no limitante de acuerdo con esta descripcion, despues de remojar la pieza de trabajo 108 se puede deformar plasticamente 110. En una forma de realizacion no limitante, la deformacion plastica 110 comprende la forja por recalcado. En otra forma de realizacion no limitante, la deformacion plastica 110 comprende la forja por recalcado a una deformacion real de 0,3. En otra forma de realizacion no limitante, deformar plasticamente la pieza de trabajo 110 comprende la forja en varios ejes a alta velocidad de deformacion gestionada termicamente (no mostrada en la FIG. 4) a una temperatura de remojo beta.
Todavia con referencia a la FIG. 4, despues de la deformacion plastica 110 en el campo de fase beta, en una forma de realizacion no limitante, la pieza de trabajo 112 se enfria a una temperatura de forja de la pieza de trabajo 114 en
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el campo de fase alfa + beta del material metalico de aleacion de titanio o de titanio. En una forma de realizacion no limitante, el enfriamiento 112 comprende el enfriamiento por aire. Despues del enfriamiento 112, la pieza de trabajo se somete a forja en varios ejes a alta velocidad de deformacion gestionada termicamente 114, de acuerdo con formas de realizacion no limitantes de la presente divulgacion. En la forma de realizacion no limitante de la FIG. 4, la pieza de trabajo se somete a impactos o forja por prensado 12 veces, es decir, los tres ejes ortogonales de la pieza de trabajo se someten a forja por prensado no secuencial un total de 4 veces cada uno. En otras palabras, en referencia a la FIG. 1, la secuencia que incluye las etapas (a)-(b), (c)-(d) y (e)-(f) se lleva a cabo 4 veces. En la forma de realizacion no limitante de la FIG. 4, despues de una secuencia de forja en varios ejes en la que participan 12 impactos, la deformacion real puede ser igual, por ejemplo, aproximadamente 3,7. Despues de una forja en varios ejes 114, la pieza de trabajo 116 se enfria a temperatura ambiente. En una forma de realizacion no limitante, el enfriamiento 116 comprende el enfriamiento por aire.
Un aspecto no limitante de esta descripcion incluye la forja en varios ejes a alta velocidad de deformacion gestionada termicamente a dos temperaturas en el campo de fase alfa + beta. La FIG. 5 es un diagrama de un proceso termomecanico esquematico de temperatura-tiempo de un metodo no limitante que comprende la forja en varios ejes de la pieza de trabajo de aleacion de titanio a la primera temperatura de forja de la pieza de trabajo que utiliza una forma de realizacion no limitante de la caracteristica de gestion termica descrita anteriormente, seguido de enfriamiento a una segunda temperatura de forja de la pieza de trabajo en la fase alfa + beta, y la forja en varios ejes de la pieza de trabajo de aleacion de titanio a la segunda temperatura de forja de la pieza de trabajo utilizando una forma de realizacion no limitante de la caracteristica de gestion termica descrita anteriormente.
En la FIG. 5, un metodo no limitante 130 comprende el calentamiento 132 de la pieza de trabajo a una temperatura de remojo beta 134 por encima de la temperatura de transicion beta 136 de la aleacion y el mantenimiento o remojo 138 de la pieza de trabajo a la temperatura de remojo beta 134 para formar una microestructura toda en fase beta en la pieza de titanio o de aleacion de titanio. Despues de remojar 138, la pieza de trabajo se puede deformar plasticamente 140. En una forma de realizacion no limitante, la deformacion plastica 140 comprende la forja por recalcado. En otra forma de realizacion no limitante, la deformacion plastica 140 comprende la forja por recalcado a una deformacion de 0,3. En otra forma de realizacion no limitante mas, deformar plasticamente la pieza de trabajo 140 comprende la forja en varios ejes a alta deformacion gestionada termicamente (no mostrado en la FIG. 5), a una temperatura de remojo beta.
Todavia con referencia a la FIG. 5, despues de la deformacion plastica 140 en el campo de fase beta, la pieza de trabajo 142 se enfria a una primera temperatura de forja de la pieza de trabajo 144 en el campo de fase alfa + beta del material metalico de aleacion de titanio o de titanio. En una forma de realizacion no limitante, el enfriamiento 142 comprende el enfriamiento por aire. Despues de enfriar 142, la pieza de trabajo se somete a forja en varios ejes a alta velocidad de deformacion 146 a la primera temperatura de forja de la pieza de trabajo que emplea un sistema de gestion termica de acuerdo con formas de realizacion no limitantes descritas en el presente documento. En la forma de realizacion no limitante de la FIG. 5, la pieza de trabajo se somete a impactos o forja por prensado a la primera temperatura de forja de la pieza de trabajo 12 veces con una rotacion de 90 ° entre cada impacto, es decir, los tres ejes ortogonales de la pieza de trabajo se someten a forja por prensado 4 veces cada uno. En otras palabras, en referencia a la FIG. 1, la secuencia que incluye las etapas (a)-(b), (c)-(d) y (e)-(f) se lleva a cabo 4 veces. En la forma de realizacion no limitante de la FIG. 5, despues de la forja en varios ejes a alta velocidad de deformacion 146 de la pieza de trabajo a la primera temperatura de forja de la pieza de trabajo, la pieza de trabajo de aleacion de titanio se enfria 148 a una segunda temperatura de forja de la pieza de trabajo 150 en el campo alfa + beta. Despues de enfriar 148, la pieza de trabajo se somete a forja en varios ejes a alta velocidad de deformacion 150 a la segunda temperatura de forja de la pieza de trabajo que emplea un sistema de gestion termica de acuerdo con las formas de realizacion descritas en este documento. En la forma de realizacion no limitante de la FIG. 5, la pieza de trabajo se somete a impactos o forja por prensado a la segunda temperatura de forja de la pieza de trabajo un total de 12 veces. Se reconoce que el numero de impactos aplicados a la pieza de trabajo de aleacion de titanio a la primera y segunda temperaturas de forja de la pieza de trabajo puede variar dependiendo de la deformacion real deseada y el tamano final de grano deseado, y que se puede determinar el numero de impactos apropiado sin experimentation excesiva. Despues de la forja en varios ejes 150 a la segunda temperatura de forja de la pieza de trabajo, la pieza de trabajo 152 se enfria a temperatura ambiente. En una forma de realizacion no limitante, el enfriamiento 152 comprende el enfriamiento por aire a temperatura ambiente.
En una forma de realizacion no limitante, la primera temperatura de forja de la pieza de trabajo esta en un primer intervalo de temperaturas de forja de la pieza de trabajo de mas de 200 °F (111,1 °C) por debajo de la temperatura de transicion beta del material metalico de aleacion de titanio o de titanio a 500 °F (277,8 °C) por debajo de la temperatura de transicion beta de la temperatura del material metalico de titanio o de aleacion de titanio, es decir, la primera temperatura de forja de la pieza de trabajo Ti se encuentra en el intervalo de Tp - 200 °F (111,1 °C) > Ti > Tp - 500 °F (277,8 °C). En una forma de realizacion no limitante, la segunda temperatura de forja de la pieza se encuentra en un segundo intervalo de la temperatura de forja de una pieza de trabajo de mas de 500 °F (277,8 °C) por debajo de la temperatura de transicion beta del material metalico de aleacion de titanio o de titanio a 700 °F (388,9 °C) por debajo de la temperatura de transicion beta de la temperatura del material metalico de titanio o de aleacion de titanio, es decir, la segunda temperatura de forja de la pieza de trabajo T2 se encuentra en el intervalo de Tp - 500 °F (277,8 °C) > T2 > Tp - 700 °F (388,9 °C). En una forma de realizacion no limitante, la pieza de trabajo de
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aleacion de titanio comprende la aleacion de Ti-6-4; la primera temperatura de la pieza de trabajo es de 1500 °F (815,6 °C); y la segunda temperatura de forja de la pieza de trabajo es de 1300 °F (704,4 °C).
La FIG. 6 es un diagrama esquematico del proceso termomecanico de temperatura-tiempo de un metodo no limitante de acuerdo con la presente descripcion para deformar plasticamente una pieza de trabajo que comprende un material metalico seleccionado entre titanio y una aleacion de titanio por encima de la temperatura de transicion beta y enfriar la pieza de trabajo a la temperatura de forja de la pieza de trabajo, mientras de forma simultanea se emplea la forja en varios ejes a alta velocidad de deformacion gestionada termicamente en la pieza de trabajo de acuerdo con formas de realizacion no limitantes de la presente divulgacion. En la FIG. 6, un metodo no limitante 160 de uso de forja en varios ejes a alta velocidad de deformacion gestionada termicamente para el refinado de grano de titanio o una aleacion de titanio comprende calentar 162 la pieza de trabajo a una temperatura de remojo beta 164 por encima de la temperatura de transicion beta 166 del material metalico de titanio o de aleacion de titanio y mantener o remojar la pieza de trabajo 168 a la temperatura de remojo beta 164 para formar una microestructura toda en fase beta en la pieza de trabajo. Despues de remojar la pieza de trabajo 168 a la temperatura de remojo beta, la pieza de trabajo se deforma plasticamente 170. En una forma de realizacion no limitante, la deformacion plastica 170 puede comprender la forja en varios ejes a alta velocidad de deformacion gestionada termicamente. En una forma de realizacion no limitante, la pieza de trabajo se somete de forma repetida a forja en varios ejes a alta velocidad de deformacion 172 utilizando un sistema de gestion termica como se describe en el presente documento a medida que la pieza de trabajo se enfria a traves de la temperatura de transicion beta. La FIG. 6 muestra tres etapas intermedias de forja en varios ejes a alta velocidad de deformacion 172, pero se entendera que puede haber mas o menos etapas intermedias de forja en varios ejes a alta velocidad de deformacion 172, segun se desee. Las etapas intermedias de forja en varios ejes a alta velocidad de deformacion 172 son intermedias a la etapa de forja en varios ejes a alta velocidad de deformacion inicial 170 a la temperatura de remojo, y la etapa de forja en varios ejes a alta velocidad de deformacion final en el campo de fase alfa + beta 174 del material metalico. Aunque la FIG. 6 muestra una etapa de forja en varios ejes a alta velocidad de deformacion final en la que la temperatura de la pieza de trabajo permanece por completo en el campo de fase alfa + beta, se entiende que para un mayor refinamiento del grano se podria realizar mas de una etapa de forja en varios ejes en el campo de fase alfa + beta. De acuerdo con formas de realizacion no limitantes de esta descripcion, al menos una ultima etapa de forja en varios ejes a alta velocidad de deformacion se lleva a cabo por completo a temperaturas en el campo de fase alfa + beta de la pieza de trabajo de titanio o de aleacion de titanio.
Debido a que las etapas de forja en varios ejes 170, 172, 174 tienen lugar a medida que la temperatura de la pieza de trabajo se enfria a traves de la temperatura de transicion beta del material metalico de titanio o de aleacion de titanio, una forma de realizacion del metodo tal como se muestra en la FIG. 6 se denomina en este documento como "forja en varios ejes a alta velocidad de deformacion mediante transicion beta". En una forma de realizacion no limitante, se utiliza el sistema de gestion termica (33 de la FIG. 2) de forja en varios ejes a alta velocidad de deformacion mediante transicion beta para mantener la temperatura de la pieza de trabajo a una temperatura uniforme o esencialmente uniforme antes de cada impacto a cada uno temperatura de forja mediante transicion beta y, opcionalmente, para retardar la velocidad de enfriamiento. Despues de la forja en varios ejes final 174 de la pieza de trabajo, la pieza de trabajo 176 se enfria a temperatura ambiente. En una forma de realizacion no limitante, el enfriamiento 176 comprende el enfriamiento por aire.
Se pueden utilizar formas de realizacion no limitantes de forja en varios ejes que usan un sistema de gestion termica, como se describe anteriormente en esta memoria, para procesar pieza de trabajo de titanio y de aleacion de titanio que tienen secciones transversales mayores de 4 pulgadas cuadradas (25,8 cm cuadrados) usando un equipo de prensa de forjado convencional, y el tamano de las piezas cubicas se puede ampliar para que coincida con las capacidades de una prensa individual. Se ha determinado que las laminillas alfa de la estructura p-recocida se descomponen facilmente en granos alfa finos y uniformes a las temperaturas de forja de la pieza de trabajo descritas en formas de realizacion no limitantes en el presente documento. Tambien se ha determinado que la disminucion de la temperatura de forja de la pieza de trabajo disminuye el tamano de particula alfa (tamano de grano).
Aunque no se desea limitarse a ninguna teoria particular, se cree que el refinamiento de grano que se produce en las formas de realizacion de la forja en varios ejes a alta velocidad de deformacion gestionada termicamente de acuerdo con esta divulgacion se produce mediante recristalizacion meta-dinamica. En el proceso de forja en varios ejes a velocidad de deformacion lenta de la tecnica anterior, la recristalizacion dinamica se produce instantaneamente durante la aplicacion de deformacion al material. Se cree que en la forja en varios ejes a alta velocidad de deformacion de acuerdo con esta descripcion, la recristalizacion meta-dinamica se produce al final de cada impacto de deformacion o forja, mientras esta caliente al menos la region interna de la pieza de trabajo por el calentamiento adiabatico. El calor adiabatico residual, los tiempos de enfriamiento de la region interna, y el calentamiento de la region superficial externa influyen en el grado de refinamiento del grano en los metodos de forja en varios ejes a alta velocidad de deformacion gestionada termicamente de acuerdo con esta descripcion.
Se ha observado que la forja en varios ejes utilizando un sistema de gestion termica y pieza de trabajo en forma de cubo que comprenden un material metalico seleccionado entre titanio y aleaciones de titanio, como se describe anteriormente en esta memoria, produce ciertos resultados suboptimos. Se cree que uno o mas de (1) la geometria de la pieza cubica utilizada en ciertas formas de realizacion de forja en varios ejes gestionada termicamente
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desveladas en el presente documento, (2) el enfriamiento de la matriz (es decir, dejar que la temperatura de las matrices caiga significativamente por debajo de la temperatura de forja de la pieza de trabajo) y (3) el uso de altas velocidades de deformacion concentra la tension en la region del nucleo de la pieza de trabajo.
Un aspecto alternativo descrito, pero que no forma parte de la invencion reivindicada, comprende metodos de forja que pueden conseguir un tamano de grano fino, de grano muy fino o de grano ultrafino generalmente uniforme en la aleacion de titanio del tamano de un lingote. En otras palabras, una pieza de trabajo procesada por dichos metodos puede incluir el tamano deseado de grano, tales como una microestructura de grano ultrafino a lo largo de la pieza de trabajo, en lugar de solo en la region central de la pieza de trabajo. Realizaciones no limitantes de dichos metodos utilizan multiples etapas de "recalcado y estiramiento" en lingotes que tienen secciones transversales mayores de 4 pulgadas cuadradas (25,8 cm cuadrado). Las multiples etapas de recalcado y estiramiento estan dirigidas a la consecucion de un tamano uniforme de grano fino, de grano muy fino o de grano ultrafino a lo largo de la pieza de trabajo, preservando considerablemente al mismo tiempo las dimensiones originales de la pieza de trabajo. Debido a que estos metodos de forja incluyen multiples etapas de recalcado y estiramiento, que se denominan en este documento formas de realizacion del metodo "MUD". El metodo MUD incluye deformacion plastica severa y puede producir granos ultrafinos uniformes en pieza de trabajo de aleacion de titanio del tamano de un lingote. En formas de realizacion no limitantes de acuerdo con esta descripcion, las velocidades de deformacion utilizadas para las etapas de forja por recalcado y forja por estiramiento del proceso MUD se encuentran en el intervalo de 0,001 s-1 a 0,02 s-1, ambos inclusive. En contraste, las velocidades de deformacion que se utilizan normalmente para la forja por recalcado de matriz abierta y estiramiento convencional se encuentran en el intervalo de 0,03 s-1 a 0,1 s-1. La velocidad de deformacion para el MUD es lo suficientemente lenta para evitar el calentamiento adiabatico a fin de mantener la temperatura de forja controlada, y sin embargo, la velocidad de deformacion es aceptable para las practicas comerciales.
Se proporciona una representacion esquematica de formas de realizacion no limitantes del metodo de recalcado y estiramiento multiple es decir, el metodo "MUD" en la FIG. 7 y un diagrama de flujo de ciertas formas de realizacion del metodo MUD se proporciona en la FIG. 8. En referencia a las Figs. 7 y 8, un metodo no limitante 200 para el refinado de granos en una pieza de trabajo que comprende un material metalico seleccionado entre titanio y una aleacion de titanio utilizando multiples etapas de forja por recalcado y estiramiento comprende el calentamiento 202 de una pieza de trabajo de material metalico de titanio o de aleacion de titanio con forma cilindrica a una temperatura de forja de la pieza de trabajo en el campo de fase alfa + beta del material metalico. En una forma de realizacion no limitante, la forma de la pieza de trabajo con forma cilindrica es un cilindro. En otra forma de realizacion no limitante, la forma de la pieza de trabajo con forma cilindrica es un cilindro octagonal o un octagono recto.
La pieza de trabajo con forma cilindrica tiene una dimension de partida de la seccion transversal. En una forma de realizacion no limitante del metodo MUD en el que la pieza de trabajo de partida es un cilindro, la dimension de partida de la seccion transversal es el diametro del cilindro. En una forma de realizacion no limitante del metodo MUD en el que la pieza de trabajo de partida es un cilindro octogonal, la dimension de partida de la seccion transversal es el diametro del circulo circunscrito de la seccion transversal octogonal, es decir, el diametro del circulo que pasa a traves de todos los vertices de la seccion transversal octogonal.
Cuando la pieza de trabajo con forma cilindrica esta a la temperatura de forja de la pieza de trabajo, la pieza de trabajo se somete a forja por recalcado 204. Despues de la forja por recalcado 204, en una forma de realizacion no limitante, la pieza de trabajo se hace girar (206) 90 ° y a continuation se somete a forja por estiramiento con multiples pasadas 208. La rotation real 206 de la pieza de trabajo es opcional, y el objetivo de la etapa es disponer la pieza de trabajo en la orientation correcta (consultar la FIG. 7) con relation a un dispositivo de forja para las etapas posteriores de forja por estiramiento con multiples pasadas 208.
La forja por estiramiento con multiples pasadas comprende el incremento la rotacion (representado por la flecha 210) de la pieza de trabajo en una direction de rotacion (indicada por la direction de la flecha 210), seguido por la forja por estiramiento 212 de la pieza de trabajo despues de cada incremento de la rotacion. En formas de realizacion no limitantes, el incremento la rotacion y la forja por estiramiento 214 se repiten hasta que la pieza de trabajo comprende la dimension de la seccion transversal de partida. En una forma de realizacion no limitante, las etapas de forja por recalcado y de forja por estiramiento con multiple pasadas se repiten hasta que se consigue una deformacion real de al menos 3,5 en la pieza de trabajo. Otra forma de realizacion no limitante comprende la repetition de las etapas de calentamiento, de forja por recalcado, y de forja por estiramiento con multiple pasadas hasta que se consigue una deformacion real de al menos 4,7 en la pieza de trabajo. En otra forma de realizacion no limitante, las etapas de calentamiento, de forja por recalcado, y de forja por estiramiento con multiple pasadas se repiten hasta que se consigue una deformacion real de al menos 10 en la pieza de trabajo. En formas de realizacion no limitantes se observa que cuando se confiere una deformacion real de 10 a la forja MUD, se produce una microestructura alfa UFG, y que el aumento de la deformacion real conferida a la pieza de trabajo produce tamanos medios de grano mas pequenos.
Un aspecto es el empleo de una velocidad de deformacion durante las etapas de recalcado y estiramiento multiple que es suficiente para dar lugar a una deformacion plastica severa de la pieza de trabajo de aleacion de titanio, que,
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en formas de realization no limitantes, resulta aun mas en tamanos de grano ultrafinos. En una forma de realization no limitante, la velocidad de deformation utilizada en la forja por recalcado se encuentra en el intervalo de 0,001 s-1 a 0,003 s-1. En otra forma de realizacion no limitante, la velocidad de deformacion utilizada en las multiples etapas de forja por estiramiento se encuentra en el intervalo de 0,01 s-1 a 0,02 s-1. Se determina que las velocidades de deformacion en estos intervalos no dan lugar a calentamiento adiabatico de la pieza de trabajo, lo que permite el control de la temperatura de la pieza de trabajo, y son suficientes para una practica comercial economicamente aceptable.
En una forma de realizacion no limitante, despues de la finalization del metodo MUD, la pieza de trabajo esencialmente tiene las dimensiones originales del cilindro de partida 214 o cilindro octagonal 216. En otra forma de realizacion no limitante, despues de la finalizacion del metodo MUD, la pieza de trabajo esencialmente tiene la misma section transversal que la pieza de trabajo de partida. En una forma de realizacion no limitante, un unico recalcado requiere muchos impactos de estiramiento para devolver la pieza de trabajo a una forma que incluye la seccion transversal de partida de la pieza de trabajo.
En una forma de realizacion no limitante del metodo MUD en el que la pieza de trabajo se encuentra en forma de cilindro que gira de forma incremental y la forja por estiramiento comprende ademas multiples etapas de rotation de la pieza de trabajo cilindrica en incrementos de 15 ° y posteriormente la forja por estiramiento, hasta que la pieza de trabajo cilindrica se hace girar 360 ° y se somete a forja por estiramiento en cada incremento. En una forma de realizacion no limitante del metodo MUD en el que la pieza de trabajo se encuentra en forma de cilindro, despues de cada forja por recalcado, se emplean veinticuatro etapas de rotacion incremental + forja por estiramiento para llevar la pieza de trabajo esencialmente a sus dimensiones en seccion transversal de partida. En otra forma de realizacion no limitante, cuando la pieza de trabajo esta en forma de cilindro octagonal que gira de forma incremental y la forja por estiramiento comprende ademas multiples etapas de la rotacion de la pieza de trabajo cilindrica en incrementos de 45 ° y posteriormente la forja por estiramiento, hasta que la pieza de trabajo cilindrica se hace girar 360 ° y se somete a forja por estiramiento en cada incremento. En una forma de realizacion no limitante del metodo MUD en el que la pieza de trabajo esta en forma de cilindro octogonal, despues de cada forja por recalcado, se emplean ocho etapas de rotacion incremental + forja por estiramiento para llevar la pieza de trabajo esencialmente a sus dimensiones en seccion transversal de partida. En formas de realizacion no limitantes del metodo MUD se observo que la manipulation de un cilindro octogonal con equipos de manipulation era mas precisa que la manipulation de un cilindro con equipos de manipulacion. Tambien se observo que la manipulacion de un cilindro octogonal con equipos de manipulacion en una forma de realizacion no limitante de un MUD era mas precisa que la manipulacion de una pieza de trabajo cubica usando pinzas de mano en formas de realizacion no limitantes del proceso de MAF a alta velocidad de deformacion gestionada termicamente desveladas en el presente documento. Se reconoce que otras cantidades de rotacion incrementales y etapas de forja por estiramiento para cilindro con forma de lingotes estan dentro del alcance de esta description, y dichas otras posibles cantidades de rotacion incrementales se pueden determinar por una persona experta en la tecnica sin experimentation indebida.
En una forma de realizacion no limitante de MUD una temperatura de forja de la pieza de trabajo comprende una temperatura dentro de un intervalo de la temperatura de forja de la pieza de trabajo. En una forma de realizacion no limitante, la temperatura de forja de la pieza de trabajo se encuentra en el intervalo de la temperatura de forja de una pieza de trabajo de 100 °F (55,6 °C) por debajo de la temperatura de transition beta (Tp) del material metalico de titanio o de aleacion de titanio a 700 °F (388,9 °C) por debajo de la temperatura de transicion beta del material metalico de titanio o de aleacion de titanio. En otra forma de realizacion no limitante, la temperatura de forja de la pieza de trabajo se encuentra en un intervalo de temperaturas de 300 °F (166,7 °C) por debajo de la temperatura de transicion beta del material metalico de aleacion de titanio o de titanio a 625 °F (347 °C) por debajo de la temperatura de transicion beta del material metalico de titanio o de aleacion de titanio. En una forma de realizacion no limitante, el extremo inferior del intervalo de la temperatura de forja de una pieza de trabajo es una temperatura en el campo de fase alfa + beta en la que no se produce un dano sustancial a la superficie de la pieza de trabajo durante el impacto de forja, como se puede determinar sin experimentacion excesiva por una persona experta en la tecnica.
En una forma de realizacion no limitante del MUD el intervalo de temperaturas de forja de la pieza de trabajo para una aleacion de Ti-6-4 (Ti-6Al-4V; n.° UNS R56400), que tiene una temperatura de transicion beta (Tp) de aproximadamente 1850 °F) (1010 °C), puede ser, por ejemplo, de 1150 °F (621,1 °C) a 1750 °F (954,4 °C), o en otra forma de realizacion puede ser de 1225 °F (662,8 °C) a 1550 °F (843,3 °C).
Formas de realizacion no limitantes comprenden multiples etapas de recalentamiento durante el metodo MUD. En una forma de realizacion no limitante, la pieza de trabajo de aleacion de titanio se calienta a la temperatura de forja de la pieza de trabajo despues de la forja por recalcado de la pieza de trabajo de aleacion de titanio. En otra forma de realizacion no limitante, la pieza de trabajo de aleacion de titanio se calienta a la temperatura de forja de la pieza de trabajo antes de una etapa de forja por estiramiento de la forja por estiramiento con multiple pasadas. En otra forma de realizacion no limitante, la pieza de trabajo se calienta segun sea necesario para llevar de nuevo la temperatura real de la pieza de trabajo a la temperatura de forja de la pieza de trabajo despues de una etapa de forja por recalcado o por estiramiento.
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Se determino que las formas de realizacion del metodo MUD confieren trabajo redundante o deformacion extrema, tambien denominado deformacion plastica severa, que tiene por objeto la creacion de granos ultrafinos en una pieza de trabajo que comprende un material metalico seleccionado entre titanio y una aleacion de titanio. Sin pretender estar ligado a ninguna teoria de operacion particular, se cree que la forma de seccion transversal redonda u octogonal de pieza de trabajo cilindricas y cilindricas octagonales, respectivamente, distribuye la tension de forma mas uniforme a traves del area de la seccion transversal de la pieza de trabajo durante un metodo MUD. El efecto perjudicial de la friccion entre la pieza de trabajo y la matriz de forja tambien se reduce mediante la reduccion del area de la pieza de trabajo en contacto con la matriz.
Ademas, tambien se determino que la disminucion de la temperatura durante el metodo MUD reduce el tamano final del grano a un tamano que es caracteristico de la temperatura especifica que se utiliza. En referencia a la FIG. 8, en una forma de realizacion no limitante de un metodo 200 para el refinado del tamano de grano de una pieza de trabajo, despues de la transformacion por el metodo MUD a la temperatura de forja de la pieza de trabajo, la temperatura de la pieza de trabajo se puede enfriar 216 a una segunda temperatura de forja de la pieza de trabajo. Despues de enfriar la pieza de trabajo a la segunda temperatura de forja de la pieza de trabajo, en una forma de realizacion no limitante, la pieza de trabajo se somete a forja por recalcado a la segunda temperatura de forja de la pieza de trabajo 218. La pieza de trabajo se hace girar 220 o se orienta para las etapas posteriores de forja por estiramiento. La pieza de trabajo se somete a forja por estiramiento en multiples etapas a la segunda temperatura de forja de la pieza de trabajo 222. La forja por estiramiento en multiples etapas a la segunda temperatura de forja de la pieza de trabajo 222 comprende la rotacion de forma incremental 224 de la pieza de trabajo en una direction de rotation (consultar la FIG. 7), y la forja por estiramiento a la segunda temperatura de forja de la pieza de trabajo 226 despues de cada incremento de rotacion. En una forma de realizacion no limitante, las etapas de recalcado que giran de forma incremental 224, y la forja por estiramiento 226 se repiten hasta que la pieza de trabajo comprende la dimension de partida en la seccion transversal. En otra forma de realizacion no limitante, las etapas de forja por recalcado a la segunda temperatura de la pieza de trabajo 218, en rotacion 220, y de varias etapas de forja por estiramiento 222 se repiten hasta que se consigue una deformacion real de 10 o mayor en la pieza de trabajo. Se reconoce que el metodo MUD se puede continuar hasta que se confiera cualquier deformacion real deseada a la pieza de trabajo de titanio o de aleacion de titanio.
En una forma de realizacion no limitante que comprende un metodo MUD a varias temperaturas, la temperatura de forja de la pieza de trabajo, o una primera temperatura de forja de la pieza de trabajo, es de aproximadamente 1600 °F (871,1 °C) y la segunda temperatura de forja de la pieza de trabajo es de aproximadamente 1500 °F (815,6 °C). Las temperaturas de forja de la pieza de trabajo subsiguientes que son mas bajas que la primera y segunda temperaturas de forja de la pieza de trabajo, tales como la tercera temperatura de forja de la pieza de trabajo, la cuarta temperatura de forja de la pieza de trabajo, y asi sucesivamente, estan dentro del alcance de formas de realizacion no limitantes de la presente divulgation.
A medida que avanza la forja, el refinamiento del grano dara lugar a una disminucion de la tension de flujo a una temperatura fija. Se determino que la disminucion de la temperatura de forja para las etapas secuenciales de recalcado y estiramiento mantiene constante la tension de flujo y aumenta la velocidad de refinamiento microestructural. Se ha determinado que en las formas de realizacion no limitantes de MUD de acuerdo con esta description, una deformacion real de 10 produce una microestructura de grano alfa ultrafino equiaxial uniforme en piezas de trabajo de titanio y de aleacion de titanio, y que la temperatura mas baja de un proceso MUD de dos temperaturas (o de varias temperaturas) puede ser determinante del tamano final del grano despues de que se confiere una deformacion real de 10 a la forja MUD.
Un aspecto incluye que despues de la transformacion por el metodo MUD, son posibles etapas de deformacion posteriores sin engrosamiento del tamano del grano refinado, siempre y cuando la temperatura de la pieza de trabajo no se caliente posteriormente por encima de la temperatura de transition beta de la aleacion de titanio. Por ejemplo, en una forma de realizacion no limitante, una deformacion posterior puesta en practica despues del procesamiento MUD puede incluir forja por estiramiento, forja por estiramiento multiple, forja por recalcado, o cualquier combination de dos o mas de estas etapas de forja a temperaturas en el campo de fase alfa + beta del titanio o aleacion de titanio. En una forma de realizacion no limitante, las etapas de deformacion o forja subsiguientes incluyen una combinacion de forja por estiramiento con multiples pasadas, forja por recalcado, y forja por estiramiento para reducir la dimension de la seccion transversal de partida de la pieza de trabajo con forma cilindrica a una fraction de la dimension de la seccion transversal, tal como, por ejemplo, pero no limitado a, la mitad de la dimension de la seccion transversal, un cuarto de la dimension de la seccion transversal, y asi sucesivamente, mientras que todavia se mantiene una estructura de grano fino uniforme, de grano muy fino o de grano ultrafino en la pieza de trabajo de titanio o de aleacion de Titanio.
En una forma de realizacion no limitante de un metodo MUD, la pieza de trabajo comprende una aleacion de titanio seleccionada del grupo que consiste en una aleacion de titanio alfa, una aleacion de titanio alfa + beta, una aleacion de titanio beta metaestable, y una aleacion de titanio beta. En otra forma de realizacion no limitante de un metodo MUD, la pieza de trabajo comprende una aleacion de titanio alfa + beta. En otra forma de realizacion no limitante del proceso de recalcado y estiramiento multiple descrita en este documento, la pieza de trabajo comprende una aleacion de titanio beta metaestable. En una forma de realizacion no limitante de un metodo MUD, la pieza de
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trabajo es una aleacion de titanio seleccionada entre aleaciones de titanio de los calidades ASTM 5, 6,12,19, 20, 21, 23, 24, 25, 29, 32, 35, 36, y 38.
Antes de calentar la pieza de trabajo a la temperatura de forja de la pieza de trabajo en el campo de fase alfa + beta de acuerdo con formas de realization del MUD, en una forma de realization no limitante la pieza de trabajo se puede calentar a una temperatura de remojo beta, se puede mantener a la temperatura de remojo beta durante un tiempo de remojo beta suficiente para formar una microestructura al 100 % de titanio en fase beta en la pieza de trabajo, y se enfria a temperatura ambiente. En una forma de realizacion no limitante, la temperatura de remojo beta esta en un intervalo de temperaturas de remojo beta que incluye la temperatura de transition beta del titanio o de la aleacion de titanio de hasta 300 °F (111 °C) por encima de la temperatura de transicion beta del titanio o de la aleacion de titanio. En otra forma de realizacion no limitante, el tiempo de remojo beta es de 5 minutos a 24 horas.
En una forma de realizacion no limitante, la pieza de trabajo es un lingote que esta recubierto en todas o en ciertas superficies con un recubrimiento lubricante que reduce la friction entre la pieza de trabajo y las matrices de forja. En una forma de realizacion no limitante, el recubrimiento lubricante es un lubricante solido tal como, pero no limitado a, uno de grafito y un lubricante de vidrio. Otros recubrimientos lubricantes conocidos ahora o en el futuro por una persona con conocimientos en la tecnica estan dentro del alcance de esta description. Ademas, en una forma de realizacion no limitante del metodo MUD que usa piezas de trabajo con forma cilindrica, el area de contacto entre la pieza de trabajo y las matrices de forja es pequena en relation con el area de contacto en la forja en varios ejes de una pieza de trabajo cubica. La reduction en el area de contacto produce menor friccion de matriz y una microestructura y una macroestructura de la pieza de aleacion de titanio mas uniforme.
Antes de calentar la pieza de trabajo que comprende un material metalico seleccionado entre titanio y aleaciones de titanio a la temperatura de forja de la pieza de trabajo en el campo de fase alfa + beta de acuerdo con formas de realizacion del MUD, en una forma de realizacion no limitante, la pieza de trabajo se deforma plasticamente a una temperatura de deformation plastica en el campo de fase beta del material metalico de titanio o de aleacion de titanio despues de mantenerse a un tiempo de remojo beta suficiente para formar el 100 % de la fase beta en el titanio o la aleacion de titanio y antes de enfriar a temperatura ambiente. En una forma de realizacion no limitante, la temperatura de deformacion plastica es equivalente a la temperatura de remojo beta. En otra forma de realizacion no limitante, la temperatura de deformacion plastica esta en un intervalo de temperaturas de deformacion plastica que incluye la temperatura de transicion beta del titanio o de la aleacion de titanio hasta 300 °F (111 °C) por encima de la temperatura de transicion beta del titanio o de la aleacion de titanio.
En una forma de realizacion no limitante, deformar plasticamente en el campo de fase beta del titanio o de la aleacion de titanio comprende al menos uno de forja por estiramiento, forja por recalcado, y forja en varios ejes a alta velocidad de deformacion de la pieza de trabajo de aleacion de titanio. En otra forma de realizacion no limitante, deformar plasticamente la pieza de trabajo en el campo de fase beta del titanio o de la aleacion de titanio comprende forja por recalcado y por estiramiento multiple de acuerdo con formas de realizacion no limitantes de esta descripcion, y en la que el enfriamiento de la pieza de trabajo a la temperatura de forja de la pieza de trabajo comprende enfriamiento al aire. En otra forma de realizacion no limitante, deformar plasticamente la pieza de trabajo en el campo de fase beta del titanio o de la aleacion de titanio comprende la forja por recalcado de la pieza de trabajo a una reduccion del 30-35 % en altura u otra dimension, tal como la longitud.
Otro aspecto de esta descripcion puede incluir el calentamiento de las matrices de forja durante la forja. Una forma de realizacion no limitante comprende matrices de calentamiento de una forja que se usa para forjar la pieza de trabajo a la temperatura en un intervalo de temperaturas delimitado por la temperatura de forja de la pieza a 100 °F (55,6 °C) por debajo de la temperatura de forja de la pieza de trabajo, inclusive.
Se cree que determinados metodos descritos en este documento tambien se pueden aplicar a metales y aleaciones de metales distintos del titanio y de aleaciones de titanio con el fin de reducir el tamano de grano de piezas de trabajo de dichas aleaciones. Otro aspecto de esta descripcion describe un metodo para la forja en varias etapas a alta velocidad de deformacion de metales y aleaciones de metales. Una forma de realizacion no limitante del metodo comprende calentar una pieza de trabajo que comprende un metal o una aleacion metalica a una temperatura de forja de la pieza de trabajo. Despues del calentamiento, la pieza de trabajo se forja a la temperatura de forja de la pieza de trabajo a una velocidad de deformacion suficiente para calentar adiabaticamente una region interna de la pieza de trabajo. Despues de la forja, se emplea un periodo de espera antes de la siguiente etapa de forja. Durante el periodo de espera, se permite que la temperatura de la region interna calentada adiabaticamente de la pieza de trabajo de la aleacion metalica se enfrie a la temperatura de forja de la pieza de trabajo, mientras al menos una region superficial de la pieza de trabajo se calienta a la temperatura de forja de la pieza de trabajo. Las etapas de forja de la pieza de trabajo y a continuation permitir que la region interna calentada adiabaticamente de la pieza de trabajo se equilibren a la temperatura de forja de la pieza de trabajo mientras se calienta al menos una region de la superficie de la pieza de trabajo de aleacion metalica a la temperatura de forja de la pieza de trabajo se repiten hasta que se obtiene una caracteristica deseada. En una forma de realizacion no limitante, la forja comprende una o mas de forja por prensado, forja por recalcado, forja por estiramiento, y forja por laminado. En otra forma de realizacion no limitante, la aleacion metalica se selecciona del grupo que consiste en aleaciones de titanio, circonio y aleaciones de circonio, aleaciones de aluminio, aleaciones ferrosas, y superaleaciones. En otra forma de realizacion no
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limitante, la caracteristica deseada es una o mas de una deformacion conferida, un tamano promedio de grano, una forma, y una propiedad mecanica. Las propiedades mecanicas incluyen, pero no se limitan a, resistencia, ductilidad, tenacidad a la fractura y la dureza.
A continuacion se dan varios ejemplos que ilustran ciertas formas de realizacion segun la presente divulgacion. Ejemplo 1
La forja en varios ejes utilizando un sistema de gestion termica se realizo sobre una pieza de trabajo de aleacion de titanio que consiste en una aleacion de Ti-6-4 que tiene granos alfa equiaxiales con tamanos de grano en el intervalo de 10 a 30 |jm. Se empleo un sistema de gestion termica que incluye matrices calentadas y calentamiento por llama para calentar la region de la superficie de la pieza de trabajo de aleacion de titanio. La pieza de trabajo consistia en un cubo de 4 pulgadas (10,16 cm) de lado. La pieza de trabajo se calento en un horno de caja de gas a una temperatura de recocido beta de 1940 °F (1060 °C), es decir, aproximadamente 50 °F (27,8 °C) por encima de la temperatura de transicion beta. El tiempo de remojo recocido beta fue de 1 hora. La pieza de trabajo beta recocida se enfria al aire a temperatura ambiente, es decir, aproximadamente a 70 °F (21,1 °C).
La pieza de trabajo beta recocida se calento entonces en un horno de caja de gas a la temperatura de forja de la pieza de trabajo de 1500 °F (815,6 °C), que se encuentra en el campo de fase alfa + beta de la aleacion. La pieza de trabajo beta recocida primero se sometio a forja por prensado en la direccion del eje A de la pieza de trabajo a una altura del espaciador de 3,25 pulgadas (8,26 cm). La velocidad del pison de la forja por prensado era de 1 pulgada (2,54 cm)/segundo, lo que corresponde a una velocidad de deformacion de 0,27 s-1. El centro de la pieza de trabajo que se calienta adiabaticamente y la region superficial de la pieza de trabajo que se calienta a la llama se dejaron equilibrar a la temperatura de forja de la pieza de trabajo durante aproximadamente 4,8 minutos. La pieza de trabajo se hizo girar y se sometio a forja por prensado en la direccion del eje B de la pieza de trabajo a una altura del espaciador de 3,25 pulgadas (8,26 cm). La velocidad del pison de la forja por prensado era de 1 pulgada (2,54 cm)/segundo, lo que corresponde a una velocidad de deformacion de 0,27 s-1. El centro de la pieza de trabajo que se calienta adiabaticamente y la region superficial de la pieza de trabajo que se calienta a la llama se dejaron equilibrar a la temperatura de forja de la pieza de trabajo durante aproximadamente 4,8 minutos. La pieza de trabajo se hizo girar y se sometio a forja por prensado en la direccion del eje C de la pieza de trabajo a una altura del espaciador de 4 pulgadas (10,16 cm). La velocidad del pison de la forja por prensado era de 1 pulgada (2,54 cm)/segundo, lo que corresponde a una velocidad de deformacion de 0,27 s-1. El centro de la pieza de trabajo que se calienta adiabaticamente y la region superficial de la pieza de trabajo que se calienta a la llama se dejaron equilibrar a la temperatura de forja de la pieza de trabajo durante aproximadamente 4,8 minutos. La forja a-b-c (en varios ejes) descrita anteriormente se repitio cuatro veces para un total de 12 impactos de forja, produciendo una deformacion real de 4,7. Despues de la forja en varios ejes, la pieza de trabajo se inactivo con agua. La ruta de procesamiento termomecanico para el Ejemplo 1 se muestra en la figura 9.
Ejemplo 2
Una muestra del material de partida del Ejemplo 1 y una muestra del material como ha sido procesado en el Ejemplo 1 se preparan metalograficamente y las estructuras de grano se observaron al microscopio. La FIG. 10 es una micrografia del material beta recocido del Ejemplo 1 que muestra los granos equiaxiales con tamanos de grano entre 10-30 jm. La FIG. 11 es una micrografia de una region central de la muestra forjada a-b-c del Ejemplo 1. La estructura de grano de la FIG. 11 tiene tamanos de grano equiaxiales del orden de 4 jm y se calificaria como material de "grano muy fino" (VGF). En la muestra, predominantemente se observaron granos de tamano VGF en el centro de la muestra. Los tamanos de grano de la muestra eran mas grandes que la distancia desde el centro de la muestra aumentada.
Ejemplo 3
Se utilizo la modelizacion de elementos finitos para determinar los tiempos de enfriamiento de la region interna necesarios para enfriar la region interna calentada adiabaticamente a una temperatura de forja de la pieza de trabajo. En el modelado, un diametro de 5 pulgadas (12,7 cm) por 7 pulgadas (17,8 cm) de largo de preforma de aleacion de titanio alfa-beta se calienta practicamente a una temperatura de forja en varios ejes de 1500 °F (815,6 °C). Las matrices de forja se simularon a un calentamiento de 600 °F (315,6 °C). La velocidad del pison se simulo a 1 pulgada (2,54 cm)/segundo, que corresponde a una velocidad de deformacion de 0,27 s-1. Se introdujeron diferentes intervalos para los tiempos de enfriamiento de la region interna para determinar un tiempo de enfriamiento de la region interna necesario para enfriar la region interna calentada adiabaticamente de la pieza de trabajo simulada a la temperatura de forja de la pieza de trabajo. A partir de la grafica de la FIG. 10, se observa que la modelizacion sugiere que se pueden usar tiempos de enfriamiento de la region interna de entre 30 y 45 segundos para enfriar la region interna calentada adiabaticamente a una temperatura de forja de la pieza de trabajo de aproximadamente 1500 °F (815,6 °C).
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Ejemplo 4
La forja en varios ejes a alta velocidad de deformacion utilizando un sistema de gestion termica se realizo sobre una pieza de trabajo de aleacion de titanio que consiste en un cubo de 4 pulgadas (10,16 cm) de lado de la aleacion de Ti-6-4. La pieza de trabajo de aleacion de titanio se sometio a beta recocido a 1940 °F (1060 °C) durante 60 minutos. Despues del recocido beta, la pieza de trabajo se enfrio al aire a temperatura ambiente. La pieza de trabajo de aleacion de titanio se calento a una temperatura de forja de pieza de trabajo de 1500 °F (815,6 °C), que se encuentra en el campo de fase alfa-beta de la pieza de trabajo de aleacion de titanio. La pieza de trabajo se sometio a forja en varios ejes mediante un sistema de gestion termica que comprende calentadores de llama de gas y matrices calientes de acuerdo con formas de realizacion no limitantes de esta descripcion para equilibrar la temperatura de la region de la superficie externa de la pieza de trabajo a la temperatura de forja de la pieza de trabajo entre los impactos de la forja en varios ejes. La pieza se sometio a forja por prensado a 3,2 pulgadas (8,13 cm). Con el uso de rotacion a-b-c, la pieza de trabajo posteriormente se somete a forja por prensado en cada impacto a 4 pulgadas (10,16 cm). Se utilizo una velocidad del pison de 1 pulgada por segundo (2,54 cm/s) en las etapas de forja por prensado, y una pausa, es decir, se utilizo un tiempo de enfriamiento de la region interna o un tiempo de equilibrado de 15 segundos entre impactos de la forja por prensado. El tiempo de equilibrado es el tiempo que se deja para que la region interna calentada adiabaticamente se enfrie a la temperatura de forja de la pieza de trabajo, mientras se calienta la region de la superficie externa a la temperatura de forja de la pieza de trabajo. Se utilizaron un total de 12 impactos a una temperatura de la pieza de trabajo de 1500 °F (815,6 °C), con una rotacion de la pieza de trabajo cubica de 90 ° entre impactos, es decir, la pieza cubica se sometio a forja a-b-c cuatro veces.
A continuacion, la temperatura de la pieza de trabajo se reduce a una segunda temperatura de forja de la pieza de trabajo de 1300 °F (704,4 °C). La pieza de trabajo de aleacion de titanio se sometio a forja en varios ejes a alta deformacion de acuerdo con formas de realizacion no limitantes de esta descripcion, usando una velocidad del pison de 1 pulgada por segundo (2,54 cm/s) y tiempos de enfriamiento de la region interna de 15 segundos entre cada impacto de forja. El mismo sistema de gestion termica que se utiliza para administrar la primera temperatura de forja de la pieza de trabajo se utiliza para administrar la segunda temperatura de forja de la pieza de trabajo. Se han aplicado un total de 6 impactos de forja a la segunda temperatura de forja de la pieza de trabajo, es decir, la pieza de trabajo cubica se sometio a forja a-b-c dos veces a la segunda temperatura de forja de la pieza de trabajo.
Ejemplo 5
En la FIG. 13 se muestra una micrografia del centro del cubo despues de la transformacion como se describe en el Ejemplo 4. En la FIG. 13, se observa que los granos en el centro del cubo tienen un tamano promedio de grano equiaxial de menos de 3 pm, es decir, un tamano de grano ultrafino.
Aunque el centro o la region interior del cubo que se procesa de acuerdo con el Ejemplo 4 tenian un tamano de grano ultrafino, tambien se observo que los granos de las regiones del cubo procesado externas a la region central no eran granos ultrafinos. Esto es evidente de la FIG. 14, que es una fotografia de una seccion transversal del cubo procesado de acuerdo con el Ejemplo 4.
Ejemplo 6
Se uso la modelizacion de elementos finitos para simular la deformacion en la forja en varios ejes gestionada termicamente de un cubo. La simulacion se llevo a cabo para un cubo de 4 pulgadas (10,16 cm) de lado de la aleacion de Ti-6-4 que se sometio a beta recocido a 1940 °F (1060 °C) hasta que se obtiene una microestructura toda beta. La simulacion utilizo forja en varios ejes isotermica, como se usa en ciertas formas de realizacion de un metodo descrito en el presente documento, realizada a 1500 °F (815,6 °C). La pieza de trabajo se sometio a forja por prensado a-b-c con doce impactos totales, es decir, cuatro grupos de forjas/rotaciones a los ejes ortogonales a-b-c. En la simulacion, el cubo se enfrio hasta 1300 °F (704,4 °C) y se sometio a forja por prensado a alta velocidad de deformacion para 6 impactos, es decir, dos grupos de forjas/rotaciones a los ejes ortogonales a-b-c. La velocidad simulada del pison fue de 1 pulgada por segundo (2,54 cm/s). Los resultados mostrados en la FIG. 15 predicen los niveles de deformacion en el cubo despues de la transformacion que se ha descrito anteriormente. El modelo de simulacion de elementos finitos predice una deformacion maxima de 16,8 en el centro del cubo. La deformacion mas alta, sin embargo, se encuentra muy localizada, y la mayoria de la seccion transversal no alcanza una deformacion mayor que 10.
Ejemplo 7 (que no forma parte de la invencion segun se reivindica)
Una pieza de trabajo que comprende la aleacion de Ti-6-4, en la configuration de un cilindro de cinco pulgadas (12,7 cm) de diametro que tiene 7 pulgadas (17,8 cm) de alto (es decir, medida a lo largo del eje longitudinal) se sometio a beta recocido a 1940 °F (1060 °C) durante 60 minutos. El cilindro beta recocido se enfrio al aire para preservar la microestructura toda beta. El cilindro beta recocido se calento a una temperatura de forja de la pieza de trabajo de 1500 °F (815,6 °C) y seguido por forja por recalcado y estiramiento multiple.
La secuencia de recalcado y estiramiento multiple incluia la forja por recalcado a una altura de 5,25 pulgadas (13,33
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Ejemplo 8 (que no forma parte de la invencion segun se reivindica)
En la FIG. 16 (a) se presenta una micrografia de una region central de una seccion transversal de la muestra preparada en el Ejemplo 7. En la FIG. 16 (b) se presenta una micrografia de la region cerca de la superficie de una seccion transversal de la muestra preparada en el Ejemplo 7. El examen de las Figs. 16 (a) y 16 (b) revela que la muestra procesada de acuerdo con el Ejemplo 7 consigue una estructura de grano uniforme y equiaxial que tiene un tamano de grano promedio de menos de 3 |jm, que se clasifica como de grano muy fino (VFG).
Ejemplo 9 (que no forma parte de la invencion segun se reivindica)
Una pieza de trabajo que comprende la aleacion de Ti-6-4 configurada como un lingote cilindrico de diez pulgadas (25,4 cm) de diametro que tiene una longitud de 24 pulgadas (60,96 cm) se recubrio con suspension de vidrio de silice lubricante. El lingote se sometio a beta recocido a 1940 °F (1060 °C). El lingote beta recocido se sometio a forja por recalcado de 24 pulgadas (60,96 cm) a una reduccion del 30-35 % en la longitud. Despues del recalcado beta, el lingote se sometio a forja por estiramiento con multiples pasadas, que comprendia incrementos de rotacion y forja por estiramiento del lingote a un cilindro octogonal de diez pulgadas (25,4 cm). El cilindro octogonal beta procesado se enfrio al aire a temperatura ambiente. Para el proceso de recalcado y estiramiento multiple, el cilindro octogonal se calento a una primera temperatura de forja de la pieza de trabajo de 1600 °F (871,1 °C). El cilindro octogonal se sometio a forja por recalcado a una reduccion del 20-30 % en longitud, y a continuacion a forja por estiramiento multiple, que incluye la rotacion de la pieza de trabajo en incrementos de 45 °, seguido de forja por estiramiento, hasta que el cilindro octagonal alcanzo su dimension de seccion transversal de partida. La forja por recalcado y forja por estiramiento con multiples pasadas a la primera temperatura de forja de la pieza de trabajo se repitio tres veces, y la pieza de trabajo se volvio a calentar segun lo necesario para llevar de nuevo la temperatura de la pieza a la temperatura de forja de la pieza de trabajo. La pieza de trabajo se enfria a una segunda temperatura de forja de la pieza de trabajo de 1500 °F (815,6 °C). El procedimiento de forja por recalcado y estiramiento multiple utilizado a la primera temperatura de forja de la pieza de trabajo se repitio a la segunda temperatura de forja de la pieza de trabajo. En la FIG. 17 se presenta un grafico termomecanico esquematico de temperatura-tiempo para la secuencia de etapas en este Ejemplo 9.
La pieza de trabajo se sometio a forja por estiramiento con multiples pasadas a una temperatura en el campo de fase alfa + beta usando parametros de forja convencionales y reduciendo el recalcado a la mitad. La pieza se sometio a forja por recalcado a una temperatura en el campo de fase alfa + beta usando parametros convencionales de forja a una reduccion del 20 % en la longitud. En una etapa de acabado, la pieza de trabajo se sometio a forja por estiramiento a un cilindro redondo de 5 pulgadas (12,7 cm) de diametro que tiene una longitud de 36 pulgadas (91,44 cm).
Ejemplo 10 (que no forma parte de la invencion segun se reivindica)
En la FIG. 18 se presenta una macrografia de una seccion transversal de una muestra procesada de acuerdo con la forma de realizacion no limitante del Ejemplo 9. Se observa que esta presente un tamano de grano uniforme en todo el lingote. En la FIG. 19 se presenta una micrografia de la muestra procesada de acuerdo con la forma de realizacion no limitante del Ejemplo 9. La micrografia demuestra que el tamano de grano se encuentra en el intervalo de tamano de grano muy fino.
Ejemplo 11 (que no forma parte de la invencion segun se reivindica)
Se utilizo modelizacion de elementos finitos para simular la deformacion de la muestra preparada en el Ejemplo 9. El modelo de elementos finitos se presenta en la FIG. 20. El modelo de elementos finitos predice de tensiones efectivas relativamente uniformes mayores que 10 para la mayoria del lingote redondo de 5 pulgadas (12,7 cm).

Claims (22)

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    REIVINDICACIONES
    1. Un metodo de refinado de un tamano de grano de una pieza de trabajo que comprende un material metalico seleccionado entre titanio y una aleacion de titanio, comprendiendo el metodo:
    el calentamiento de la pieza de trabajo a una temperatura de forja de la pieza de trabajo dentro de un campo de fase alfa + beta del material metalico, en donde la temperatura de forja de la pieza de trabajo esta en un intervalo de temperaturas de 55,6 °C por debajo de la temperatura de transition beta (Tp) del material metalico a 388,9 °C por debajo de la temperatura de transicion beta de material metalico; y forja en varios ejes de la pieza de trabajo, en donde la forja en varios ejes comprende
    la forja por prensado de la pieza de trabajo a la temperatura de forja de la pieza de trabajo en la direction de un primer eje ortogonal de la pieza de trabajo con una velocidad de deformation en el intervalo de 0,2 s-1 a 0,8 s-1 y que es suficiente para calentar adiabaticamente una region interna de la pieza de trabajo a de 55,6 °C a 166,7 °C por encima de la temperatura de forja de la pieza de trabajo,
    permitir que la region interna calentada adiabaticamente de la pieza de trabajo se enfrie a la temperatura de forja de la pieza de trabajo, mientras se calienta una region de la superficie exterior de la pieza de trabajo a la temperatura de forja de la pieza de trabajo,
    la forja por prensado de la pieza de trabajo a la temperatura de forja de la pieza de trabajo en la direccion de un segundo eje ortogonal de la pieza de trabajo con una velocidad de deformacion en el intervalo de 0,2 s-1 a 0,8 s-1 y que es suficiente para calentar adiabaticamente la region interna de la pieza de trabajo a de 55,6 °C a 166,7 °C por encima de la temperatura de forja de la pieza de trabajo,
    permitir que la region interna calentada adiabaticamente de la pieza de trabajo se enfrie a la temperatura de forja de la pieza de trabajo, mientras se calienta la region de la superficie exterior de la pieza de trabajo a la temperatura de forja de la pieza de trabajo,
    la forja por prensado de la pieza de trabajo a la temperatura de forja de la pieza de trabajo en la direccion de un tercer eje ortogonal de la pieza de trabajo con una velocidad de deformacion en el intervalo de 0,2 s-1 a 0,8 s-1 y que es suficiente para calentar adiabaticamente la region interna de la pieza de trabajo a de 55,6 °C a 166,7 °C por encima de la temperatura de forja de la pieza de trabajo,
    permitir que la region interna calentada adiabaticamente de la pieza de trabajo se enfrie a la temperatura de forja de la pieza de trabajo, mientras se calienta la region de la superficie exterior de la pieza de trabajo a la temperatura de forja de la pieza de trabajo, y
    la repetition de al menos una de las etapas anteriores de forja por prensado hasta que se consigue una deformacion real de al menos 3,5 en al menos una region de la pieza de trabajo.
  2. 2. El metodo de la reivindicacion 1, en el que la pieza de trabajo comprende una aleacion de titanio seleccionada del grupo que consiste en una aleacion de titanio alfa, una aleacion de titanio alfa + beta, una aleacion de titanio beta metaestable y una aleacion de titanio beta.
  3. 3. El metodo de la reivindicacion 1, en el que la pieza de trabajo comprende una aleacion de titanio alfa + beta.
  4. 4. El metodo de la reivindicacion 1, en el que la pieza de trabajo comprende una aleacion de titanio seleccionada entre aleaciones de titanio de calidad ASTM 5, 6, 12, 19, 20, 21,23, 24, 25, 29, 32, 35, 36, y 38.
  5. 5. El metodo de la reivindicacion 1, en el que el calentamiento de una pieza de trabajo a una temperatura de forja de la pieza de trabajo dentro de un campo de fase alfa + beta del material metalico comprende:
    el calentamiento de la pieza de trabajo a una temperatura de remojo beta del material metalico;
    mantener la pieza de trabajo a la temperatura de remojo beta durante un tiempo de remojo beta suficiente para
    formar una microestructura al 100 % de fase beta en la pieza de trabajo; y
    el enfriamiento de la pieza de trabajo a la temperatura de forja de la pieza de trabajo.
  6. 6. El metodo de la reivindicacion 5, en el que la temperatura de remojo beta esta en un intervalo de temperaturas de la temperatura de transicion beta del material metalico de hasta 300 °F (111 °C) por encima de la temperatura de transicion beta del material metalico, inclusive.
  7. 7. El metodo de la reivindicacion 5, en el que el tiempo de remojo beta es de 5 minutos a 24 horas.
  8. 8. El metodo de la reivindicacion 5, que ademas comprende deformar plasticamente la pieza de trabajo a una temperatura de deformacion plastica en el campo de fase beta del material metalico antes de enfriar la pieza de trabajo a la temperatura de forja de la pieza de trabajo.
  9. 9. El metodo de la reivindicacion 8, en el que la deformacion plastica de la pieza de trabajo a una temperatura de deformacion plastica en el campo de fase beta del material metalico comprende al menos una de forja por estiramiento, forja por recalcado y forja en varios ejes a alta velocidad de deformacion de la pieza de trabajo.
  10. 10. El metodo de la reivindicacion 8, en el que la temperatura de deformacion plastica se encuentra en un intervalo
    5
    10
    15
    20
    25
    30
    35
    40
    45
    50
    55
    60
    65
    de temperaturas de deformacion plastica de la temperatura de transicion beta del material metalico de hasta 300 °F (111 °C) por encima de la temperatura de transicion beta del material metalico, inclusive.
  11. 11. El metodo de la reivindicacion 8, en el que la deformacion plastica de la pieza de trabajo comprende la forja en varios ejes a alta velocidad de deformacion, y en el que el enfriamiento de la pieza de trabajo a la temperatura de forja de la pieza de trabajo comprende ademas la forja en varios ejes a alta velocidad de deformacion de la pieza de trabajo a medida que la pieza de trabajo se enfria a la temperatura de forja de la pieza de trabajo en el campo de fase alfa + beta del material metalico.
  12. 12. El metodo de la reivindicacion 8, en el que la deformacion plastica de la pieza de trabajo comprende la forja por recalcado de la pieza de trabajo a una deformacion de recalcado beta en el intervalo de 0,1 a 0,5, inclusive.
  13. 13. El metodo de la reivindicacion 1, en el que la region interna calentada adiabaticamente de la pieza de trabajo se deja enfriar durante un tiempo de enfriamiento de la region interna en el intervalo de 5 segundos a 120 segundos, inclusive.
  14. 14. El metodo de la reivindicacion 1, que ademas comprende la repeticion de una o mas etapas de la forja por prensado y permitir las etapas citadas en la reivindicacion 1 hasta que se consigue una deformacion promedio de 4,7 en la pieza de trabajo.
  15. 15. El metodo de la reivindicacion 1, en el que el calentamiento de la superficie exterior de la pieza de trabajo comprende el calentamiento usando uno o mas de calentamiento por llama, calentamiento por horno de caja, calentamiento por induccion y calentamiento radiante.
  16. 16. El metodo de la reivindicacion 1, en el que las matrices de forja que se usan para la forja por prensado de la pieza de trabajo se calientan a una temperatura en un intervalo de temperaturas de la temperatura de forja de la pieza de trabajo a 100 °F (55,6 °C) por debajo de la temperatura de forja de la pieza de trabajo, inclusive.
  17. 17. El metodo de la reivindicacion 1, en el que la repeticion comprende la repeticion de la forja por prensado y permitir las etapas citadas en la reivindicacion 1, al menos 4 veces.
  18. 18. El metodo de la reivindicacion 1, en el que despues de que se consigue una deformacion promedio de 3,7, la pieza de trabajo comprende un tamano de grano promedio de particulas alfa en el intervalo de 4 |jm a 6 |jm, inclusive.
  19. 19. El metodo de la reivindicacion 1, en el que despues de que se consigue una deformacion promedio de 4,7, la pieza de trabajo comprende un tamano promedio de grano de particulas alfa de 4 jm.
  20. 20. El metodo de cualquiera de las reivindicaciones 18 y 19, en el que despues de la finalizacion del metodo los granos de particulas alfa son equiaxiales.
  21. 21. El metodo de la reivindicacion 1, que comprende ademas:
    el enfriamiento de la pieza de trabajo a una segunda temperatura de forja de la pieza de trabajo en el campo de fase alfa + beta del material metalico;
    la forja por prensado de la pieza de trabajo a la segunda temperatura de forja de la pieza de trabajo en la direccion de un primer eje ortogonal de la pieza de trabajo con una velocidad de deformacion suficiente para calentar adiabaticamente la region interna de la pieza de trabajo;
    permitir que la region interna calentada adiabaticamente de la pieza de trabajo se enfrie a la segunda temperatura de forja de la pieza de trabajo, mientras se calienta la region de la superficie exterior de la pieza de trabajo a la segunda temperatura de forja de la pieza de trabajo;
    la forja por prensado de la pieza de trabajo a la segunda temperatura de forja de la pieza de trabajo en la
    direccion de un segundo eje ortogonal de la pieza de trabajo con una velocidad de deformacion que es suficiente
    para calentar adiabaticamente la region interna de la pieza de trabajo;
    permitir que la region interna calentada adiabaticamente de la pieza de trabajo se enfrie a la segunda temperatura de forja de la pieza de trabajo, mientras se calienta la region de la superficie exterior de la pieza de trabajo a la segunda temperatura de forja de la pieza de trabajo;
    la forja por prensado de la pieza de trabajo a la segunda temperatura de forja de la pieza de trabajo en la
    direccion de un tercer eje ortogonal de la pieza de trabajo con una velocidad de deformacion que es suficiente
    para calentar adiabaticamente la region interna de la pieza de trabajo;
    permitir que la region interna calentada adiabaticamente de la pieza de trabajo se enfrie a la segunda temperatura de forja de la pieza de trabajo, mientras se calienta una region de la superficie exterior de la pieza de trabajo a la segunda temperatura de forja de la pieza de trabajo; y
    la repeticion de una o mas de las etapas anteriores de forja por prensado y permitir las etapas hasta que se consigue una deformacion real de al menos 10 en al menos una region de la pieza de trabajo.
  22. 22. El metodo de la reivindicacion 1, en el que la pieza de trabajo comprende una aleacion de titanio beta metaestable.
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