ES2652295T3 - Rutas de procesamiento de titanio y aleaciones de titanio - Google Patents
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Abstract
Un método para refinar el tamaño de grano en una pieza de trabajo que comprende un material metálico seleccionado entre titanio y una de aleaciones de titanio ASTM de Grado 5, 6, 12, 19, 20, 21, 23, 24, 25, 29, 32, 35, 36 y 38, comprendiendo el método: 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 metálico, en donde la pieza de trabajo comprende una dimensión de sección transversal de inicio; la forja por recalcado de la pieza de trabajo a la temperatura de forja de la pieza de trabajo; y la forja por estiramiento de pase múltiple de la pieza de trabajo a la temperatura de forja de la pieza de trabajo; en el que la forja por estiramiento de paso múltiple comprende rotar incrementalmente la pieza de trabajo en una dirección de rotación seguida de forjar por estiramiento la pieza de trabajo; en el que se repiten incrementalmente la rotación y la forja por estiramiento hasta que la pieza de trabajo comprenda la dimensión de la sección transversal de inicio; en el que la velocidad de deformación utilizada en la forja por recalcado y la forja por estiramiento está en el intervalo de 0,001 s-1 a 0,02 s-1, inclusive; y en el que la pieza de trabajo se calienta según sea necesario para llevar la pieza de trabajo a la temperatura de forja de la pieza de trabajo después de una etapa de forja por recalcado o de forja por estiramiento.
Description
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DESCRIPCION
Rutas de procesamiento de titanio y aleaciones de titanio
Esta solicitud de patente es una solicitud divisional de la Solicitud de Patente Europea numero 11752026.2, que reivindica un metodo para la forja en multiples etapas de una pieza de trabajo que comprende un material metalico seleccionado entre un metal y una aleacion metalica, como se describe en este documento.
Declaracion respecto a la investigacion o el desarrollo patrocinado federalmente
Esta invencion se realizo con el apoyo del gobierno de los Estados Unidos bajo el Contrato Numero NIST 70NANB7H7038, otorgado por el Instituto Nacional de Patrones y Tecnologla (NIST), Departamento de Comercio de los Estados Unidos. El gobierno de los Estados Unidos puede tener ciertos derechos sobre la invencion.
Antecedentes de la tecnologfa
Campo de la tecnologfa
La presente descripcion se refiere a metodos para forjar titanio y aleaciones de titanio y a un aparato para la forma de realizacion de dichos metodos.
Descripcion de los antecedentes de la tecnologfa
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 pm y mas de aproximadamente 14 pm; el termino "grano fino" se refiere a tamanos de grano alfa en el intervalo de 14 pm a mas de 10 pm; el termino "grano muy fino" se refiere a tamanos de grano alfa de 10 pm a mas de 4,0 pm; y el termino "grano ultrafino" se refiere a tamanos de grano alfa de 4,0 pm 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).
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, serla 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.
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Sumario
La invencion proporciona un metodo para refinar el tamano de grano en una pieza de trabajo que comprende un material metalico seleccionado entre titanio y una aleacion de titanio de acuerdo con la reivindicacion 1 de las reivindicaciones adjuntas.
De acuerdo con la presente invencion, un metodo para refinar el tamano de grano de una pieza de trabajo que comprende un material metalico seleccionado entre titanio y uno de las aleaciones de titanio ASTM de Grado 5, 6, 12, 19, 20, 21, 23, 24, 25, 29, 32, 35, 36 y 38 comprende calentar la pieza de trabajo a temperatura que forja la pieza de trabajo dentro de un campo de fase alfa + beta del material metalico. La pieza de trabajo comprende una forma cillndrica y una dimension de seccion transversal de inicio. La pieza de trabajo esta recalcada a la temperatura de forja de la pieza de trabajo. Despues del recalcado, la pieza de trabajo se forja por estiramiento de paso multiple a la temperatura de forja de la pieza de trabajo. La forja por estiramiento de paso multiple comprende rotar de forma incremental la pieza de trabajo en una direccion de rotacion seguida de la forja por estiramiento de la pieza de trabajo despues de cada rotacion. Se repite el giro y la forja progresivo de la pieza de trabajo hasta que la pieza de trabajo comprende sustancialmente la misma dimension de seccion transversal inicial de la pieza de trabajo. La velocidad de deformacion utilizada en la forja por recalcado y la forja por estiramiento esta en el intervalo de 0,001 s' 1 a 0,02 s'1, inclusive.
Breve descripcion de los dibujos
Las caracterlsticas y ventajas de los aparatos y metodos descritos en este documento se pueden entender mejor por referencia a los dibujos en los que las Figuras 1 a 6, y la descripcion correspondiente, se refieren a los metodos MAF descritos y reivindicados en la solicitud de patente EP numero 11752026.2:
La FIG. 1 es un diagrama de flujo que enumera las etapas de un metodo para el procesamiento de titanio y aleaciones de titanio para el refinamiento del tamano de grano;
La FIG. 2 es una representacion esquematica 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;
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 de un metodo de forja en varios ejes a alta velocidad de deformacion;
La FIG. 5 es una representacion esquematica de un diagrama de un proceso termomecanico de temperatura- tiempo para de un metodo de forja en varios ejes a varias temperaturas de alta velocidad de deformacion;
La FIG. 6 es una representacion esquematica de un diagrama de un proceso termomecanico de temperatura- tiempo para de un metodo de forja en varios ejes a alta velocidad a traves de transicion beta;
Las FIG. 7 a 13, y la descripcion correspondiente, se refieren a realizaciones no limitantes del metodo MUD de la presente invencion.
La FIG. 7 es una representacion esquematica de una realizacion no limitante de un metodo de recalcado y estiramiento multiple para el refinamiento del tamano de grano de acuerdo con la presente invencion.
La FIG. 8 es un diagrama de flujo que enumera las etapas no limitante de un metodo de acuerdo con la presente descripcion para el procesamiento multiple de recalcado y estiramiento de titanio y aleaciones de titanio para refinar el tamano de grano;
La FIG. 9 (a) es una micrografla de una seccion transversal del centro de la muestra procesada de acuerdo con el Ejemplo 7; la FIG. 9 (b) es una seccion transversal de la superficie cerca de la muestra procesada de acuerdo con el Ejemplo 7;
La FIG. 10 es un diagrama termomecanico esquematico de temperatura-tiempo del proceso utilizado en el Ejemplo 9;
La FIG. 11 es una macrofotografla de una seccion transversal de una muestra procesada de acuerdo con la forma de realizacion no limitante del Ejemplo 9;
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La FIG. 12 es una micrografla de una muestra procesada de acuerdo con la forma de realizacion no limitante del Ejemplo 9 que muestra el tamano de grano muy fino; y
La FIG. 13 representa una simulacion 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, as! como otros, al considerar la siguiente descripcion detallada de ciertas formas de realizacion no limitantes de acuerdo con la presente descripcion.
Descripcion detallada de ciertas formas de realizacion no limitantes
Un aspecto de esta descripcion incluye una descripcion 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. Estos metodos se denominan generalmente en esta descripcion como "forja en varios ejes a alta velocidad de deformacion" o "MAF de alta velocidad de deformacion" y forman el objeto como se reivindica en la solicitud de patente europea numero 11752026.2.
Con referencia ahora al diagrama de flujo en la FIG. 1 y la representacion esquematica en la FIG. 2, 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.
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).
La FIG. 4 es un diagrama de un proceso termomecanico esquematico de temperatura-tiempo de un metodo 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 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. Despues de remojar la pieza de trabajo 108 se puede deformar plasticamente 110. La deformacion plastica 110 pude comprender 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, 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.
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 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 de la caracterlstica 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 de la caracterlstica de gestion termica descrita anteriormente.
La FIG. 6 es un diagrama esquematico del proceso termomecanico de temperatura-tiempo de un metodo 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.
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 enfrla 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". 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
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impacto a cada uno temperatura de forja mediante transition beta y, opcionalmente, para retardar la velocidad de enfriamiento.
La presente invention se refiere a metodos de forja que pueden conseguir un tamano de grano fino, de grano muy fino o de grano ultrafino generalmente uniforme en las aleaciones 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 cuadrados). Las multiples etapas de recalcado y estiramiento estan dirigidas a la consecution 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 realization del metodo "MUD". El metodo MUD incluye deformation plastica severa y puede producir granos ultrafinos uniformes en pieza de trabajo de aleacion de titanio del tamano de un lingote. De acuerdo con esta description, 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 representation esquematica de formas de realizacion no limitantes del metodo de recalcado y estiramiento multiple es decir, el metodo "MUD" de la presente invencion 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 cillndrica 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 cillndrica es un cilindro. En otra forma de realizacion no limitante, la forma de la pieza de trabajo con forma cillndrica es un cilindro octagonal o un octagono recto.
La pieza de trabajo con forma cillndrica tiene una dimension de partida de la section transversal. En una forma de realizacion no limitante del metodo MUD de acuerdo con esta descripcion 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 de acuerdo con esta descripcion 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 clrculo circunscrito de la seccion transversal octogonal, es decir, el diametro del clrculo que pasa a traves de todos los vertices de la seccion transversal octogonal.
Cuando la pieza de trabajo con forma cillndrica 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 de esta descripcion 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, en formas de realizacion no limitantes, resulta aun mas en tamanos de grano ultrafinos. En
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particular, la velocidad de deformacion 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 realization 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 cillndrica en incrementos de 15 ° y posteriormente la forja por estiramiento, hasta que la pieza de trabajo cillndrica 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 cillndrica en incrementos de 45 ° y posteriormente la forja por estiramiento, hasta que la pieza de trabajo cillndrica 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 numero de solicitud EP 11752026.2. 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 de acuerdo con esta descripcion, 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 de acuerdo con esta descripcion, 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 teorla de operacion particular, se cree que la forma de seccion transversal redonda u octogonal de pieza de trabajo cillndricas y cillndricas 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 caracterlstico de la temperatura especlfica 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 direccion de rotacion (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 as! sucesivamente, estan dentro del alcance de formas de realizacion no limitantes de la presente divulgacion.
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 descripcion, 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 de esta descripcion 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 transicion 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 combinacion 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 cillndrica a una fraccion 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 as! sucesivamente, mientras que todavla 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 es titanio o 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 realizacion del MUD de esta descripcion, en una forma de realizacion no limitante la pieza de trabajo se puede calentar a una temperatura de remojo beta, se puede mantener a la temperatura de remojo beta
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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 realization 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 de esta descripcion, 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 la pieza de trabajo 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.
Siguen varios ejemplos que ilustran ciertas realizaciones no limitantes de acuerdo con la presente descripcion. Los ejemplos 1 a 6 se refieren a ejemplos del metodo de forja multieje de la solicitud EP numero 11752026.2 y no se describen adicionalmente en el presente documento. Los ejemplos 7 a 11 se refieren a ejemplos del metodo de recalcado multiple y estiramiento distorsion de la presente invention.
Ejemplo 7 - de acuerdo con la invention
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 de acuerdo con formas de realizacion no limitantes de esta invencion. La secuencia de recalcado y estiramiento multiple incluia la forja por recalcado a una altura de 5,25 pulgadas (13,34 cm) (es decir, reduccion en la dimension a lo largo del eje longitudinal), y la forja por estiramiento multiple que incluye rotaciones incrementales de 45 ° alrededor del eje longitudinal y la forja por estiramiento para formar un cilindro octogonal que tiene un diametro del circulo circunscrito inicial y final de 4,75 pulgadas (12,07 cm). Se utilizaron un total de 36 forjas por estiramiento con rotaciones incrementales, sin tiempos de espera entre impactos.
Ejemplo 8
En la FIG. 9 (a) se presenta una micrografia de una region central de una section transversal de la muestra preparada en el Ejemplo 7. En la FIG. 9 (b) se presenta una micrografia de la region cerca de la superficie de una
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seccion transversal de la muestra preparada en el Ejemplo 7. El examen de las Figs. 9 (a) y 9 (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 pm, que se clasifica como de grano muy fino (VFG).
Ejemplo 9
Una pieza de trabajo que comprende la aleacion de Ti-6-4 configurada como un lingote cillndrico 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 sllice lubricante. El lingote se sometio a beta recocido a 1940 °C. El lingote beta recocido se sometio a forja por recalcado de 24 pulgadas (60,96 cm) a una reduction del 30-35 % en la longitud. Despues del recalcado beta, el lingote se sometio a forja por estiramiento con multiples pasadas, que comprendla incrementos de rotation 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 continuation 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 enfrla 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. 10 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
En la FIG. 11 se presenta una macrografla de una seccion transversal de una muestra procesada de acuerdo con la forma de realization no limitante del Ejemplo 9. Se observa que esta presente un tamano de grano uniforme en todo el lingote. En la FIG. 12 se presenta una micrografla de la muestra procesada de acuerdo con la forma de realizacion no limitante del Ejemplo 9. La micrografla demuestra que el tamano de grano se encuentra en el intervalo de tamano de grano muy fino.
Ejemplo 11
Se utilizo modelizacion de elementos finitos para simular la deformation de la muestra preparada en el Ejemplo 9. El modelo de elementos finitos se presenta en la FIG. 13. El modelo de elementos finitos predice de tensiones efectivas relativamente uniformes mayores que 10 para la mayorla del lingote redondo de 5 pulgadas (12,7 cm).
Claims (13)
- 5101520253035404550556065REIVINDICACIONES1. Un metodo para refinar el tamano de grano en una pieza de trabajo que comprende un material metalico seleccionado entre titanio y una de aleaciones de titanio ASTM de Grado 5, 6, 12, 19, 20, 21, 23, 24, 25, 29, 32, 35, 36 y 38, comprendiendo el metodo: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 metalico, en donde la pieza de trabajo comprende una dimension de seccion transversal de inicio;la forja por recalcado de la pieza de trabajo a la temperatura de forja de la pieza de trabajo; y la forja por estiramiento de pase multiple de la pieza de trabajo a la temperatura de forja de la pieza de trabajo; en el que la forja por estiramiento de paso multiple comprende rotar incrementalmente la pieza de trabajo en una direccion de rotacion seguida de forjar por estiramiento la pieza de trabajo;en el que se repiten incrementalmente la rotacion y la forja por estiramiento hasta que la pieza de trabajo comprenda la dimension de la seccion transversal de inicio;en el que la velocidad de deformacion utilizada en la forja por recalcado y la forja por estiramiento esta en el intervalo de 0,001 s-1 a 0,02 s-1, inclusive; yen el que la pieza de trabajo se calienta segun sea necesario para llevar la pieza de trabajo a la temperatura de forja de la pieza de trabajo despues de una etapa de forja por recalcado o de forja por estiramiento.
- 2. El metodo segun la reivindicacion 1, en el que la pieza de trabajo comprende una pieza de trabajo cillndrica y en el que la rotacion incremental y la forja por estiramiento comprenden ademas girar la pieza de trabajo cillndrica en incrementos de 15° seguido de forja por estiramiento despues de cada rotacion, hasta que la pieza de trabajo cillndrica gire 360°.
- 3. El metodo segun la reivindicacion 1, en el que la pieza de trabajo comprende una pieza de trabajo octogonal recta y el que la rotacion incremental y la forja por recalcado comprenden ademas girar la pieza de trabajo octogonal 45° seguido de forja por estiramiento despues de cada rotacion, hasta que la pieza de trabajo octogonal recta gire 360°.
- 4. El metodo de la reivindicacion 1, que comprende ademas:calentar la pieza de trabajo a una temperatura de remojo beta;en el que la temperatura de remojo beta esta en un intervalo de temperatura de la temperatura de transicion beta del material metalico hasta 300 °F (111 °C) por encima de la temperatura de transicion beta del material metalico, inclusive;mantener la pieza de trabajo a la temperatura de remojo beta durante un tiempo de remojo beta suficiente para formar una microestructura de fase beta al 100 % en la pieza de trabajo; yenfriar la pieza de trabajo a temperatura ambiente antes de 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 metalico.
- 5. El metodo de la reivindicacion 4, en el que el tiempo de remojo beta es de 5 minutos a 24 horas.
- 6. El metodo de la reivindicacion 4, que comprende ademas 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 temperatura ambiente.
- 7. El metodo de la reivindicacion 6, en el que la deformacion plastica de la pieza de trabajo comprende al menos uno de forja por estiramiento, forja por recalcado y forja de multiples ejes de alta deformacion de la pieza de trabajo.
- 8. El metodo de la reivindicacion 6, en el que la temperatura de deformacion plastica se encuentra en un intervalo de temperatura de deformacion plastica de la temperatura de transicion beta del material metalico hasta 300 °F (111 °C) por encima de la temperatura de transicion beta del material metalico, inclusive.
- 9. El metodo de la reivindicacion 6, en el que la deformacion plastica de la pieza de trabajo comprende la forja por recalcado y estiramiento multiple y en el que el enfriamiento de la pieza de trabajo a la temperatura de forja de la pieza de trabajo comprende el enfriamiento por aire de la pieza de trabajo.
- 10. El metodo segun la reivindicacion 1, en el que la temperatura de forja de la pieza de trabajo se encuentra en un intervalo de temperatura de forja de la pieza de trabajo de 100 °F (55,6 °C) por debajo de una temperatura de transicion beta del material metalico a 700 °F (388,9 °C) por debajo de la temperatura de transicion beta del material metalico, inclusive.
- 11. El metodo de la reivindicacion 1, que comprende ademas repetir las etapas de calentamiento, forja por recalcado y por estiramiento de paso multiple hasta que se consigue una verdadera deformacion de al menos 10 en la pieza de trabajo de aleacion de titanio.
- 12. El metodo de la reivindicacion 1, que comprende ademas troqueles de calentamiento de una forja utilizada para forjar la pieza de trabajo a una temperatura en un intervalo de temperatura de forja de la pieza de trabajo de 100 °F (55,6 °C) por debajo de la temperatura de forja de la pieza de trabajo, inclusive.5 13. El metodo de la reivindicacion 1, que comprende ademas:enfriar 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 recalcado de la pieza de trabajo a la segunda temperatura de forja de la pieza de trabajo; la forja por estiramiento de pase multiple de la pieza de trabajo a la segunda temperatura de 10 forja de la pieza de trabajo;en el que la forja por estiramiento de pase multiple comprende rotar incrementalmente la pieza de trabajo en una direccion de rotacion seguida de la forja por estiramiento de la pieza de trabajo despues de cada rotacion; y en el que se repiten incrementalmente la rotacion y la forja por estiramiento hasta que la pieza de trabajo comprenda la dimension de la seccion transversal de inicio; y15 repetir las etapas de forja por recalcado y forja por estiramiento de paso multiple a la segunda temperatura de forja de la pieza de trabajo hasta que se logre una verdadera deformacion de al menos 10 en la pieza de trabajo.
- 14. El metodo de la reivindicacion 13, que comprende ademas calentar la pieza de trabajo a la temperatura de forja de la pieza de trabajo despues de al menos una etapa de forja para elevar la temperatura real de la pieza de trabajo 20 a la segunda temperatura de forja de la pieza de trabajo.
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