JP2013539820A5

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Publication number: JP2013539820A5
Application number: JP2013529162A
Authority: JP
Filing date: 2011-08-22
Publication date: 2016-10-20
Anticipated expiration: 2031-08-22

Description

非限定的な実施形態において、α＋β相領域内のワークピース鍛造温度までチタンまたはチタン合金ワークピース２４を加熱する２２前に、ワークピース２４を場合によりβ焼純し、空冷する（図示せず）。β焼純は、チタンまたはチタン合金金属材料のβトランザス温度を超えてワークピース２４を加熱し、ワークピースにおいて全β相を形成するのに十分な時間の間保持することを含む。β焼純は、周知のプロセスであり、したがって、本明細書にはさらに詳細には記載しない。β焼純の非限定的な実施形態は、チタンまたはチタン合金のβトランザス温度を約５０°Ｆ（２７．８℃）超えたβ均熱温度までワークピース２４を加熱し、該温度でワークピース２４を約１時間保持することを含んでよい。

非限定的な実施形態において、チタンまたはチタン合金金属材料のα＋β相領域内のワークピース鍛造温度までワークピースを加熱することは、ワークピースをβ均熱温度まで加熱することと；ワークピースにおいて１００％のβ相微細構造を形成するのに十分な均熱時間の間、ワークピースをβ均熱温度において保持することと；ワークピースをワークピース鍛造温度まで直接冷却することとを含む。ある一定の非限定的な実施形態において、β均熱温度は、チタンまたはチタン合金金属材料のβトランザス温度を最大で３００°Ｆ（１１１℃）超える、チタンまたはチタン合金金属材料のβトランザス温度の範囲にある。非限定的な実施形態は、５分〜２４時間のβ均熱時間を含む。当業者は、他のβ均熱温度およびβ均熱時間が本開示の実施形態の範囲内であること、例えば、比較的大きいワークピースが、１００％のβ相チタン微細構造を形成するのに比較的より高いβ均熱温度および／またはより長いβ均熱時間を必要とし得ることを理解するだろう。

ワークピースが１００％のβ相微細構造を形成するβ均熱温度で保持されるある一定の非限定的な実施形態において、また、ワークピースを、ワークピース鍛造温度までワークピースを冷却する前に、チタンまたはチタン合金金属材料のβ相領域における塑性変形温度で塑性変形してよい。ワークピースの塑性変形は、ワークピースの引き抜き、据え込み鍛造、および高ひずみ速度多軸鍛造のうちの少なくとも１つを含むことができる。非限定的な実施形態において、β相領域における塑性変形は、０．１〜０．５の範囲内のβ据え込みひずみまでワークピースを据え込み鍛造することを含む。非限定的な実施形態において、塑性変形温度は、チタンまたはチタン合金金属材料のβトランザス温度を最大で３００°Ｆ（１１１℃）超える、チタンまたはチタン合金金属材料のβトランザス温度を含む温度範囲にある。

図４は、βトランザス温度を超えてワークピースを塑性変形し、ワークピース鍛造温度まで直接冷却する非限定的な方法に関する概略的な温度−時間の熱機械的なプロセスチャートである。図４において、非限定的な方法１００は、チタンまたはチタン合金金属材料のβトランザス温度１０６を超えるβ均熱温度１０４にワークピースを加熱する１０２ことと、ワークピースにおいて全βチタン相微細構造を形成するβ均熱温度１０４でワークピースを保持または「均熱」１０８することとを含む。本開示による非限定的な実施形態において、均熱１０８後、ワークピースを塑性変形する１１０ことができる。非限定的な実施形態において、塑性変形１１０は、据え込み鍛造を含む。別の非限定的な実施形態において、塑性変形１１０は、真のひずみが０．３になるまで据え込み鍛造することを含む。別の非限定的な実施形態において、ワークピースの塑性変形１１０は、β均熱温度における熱管理された高ひずみ速度多軸鍛造（図４に示さず）を含む。

図５において、非限定的な方法１３０は、合金のβトランザス温度１３６を超えるβ均熱温度１３４までワークピースを加熱する１３２ことと、チタンまたはチタン合金ワークピースにおいて全β相微細構造を形成するβ均熱温度１３４においてワークピースを保持または均熱する１３８こととを含む。均熱１３８後、ワークピースを塑性変形する１４０ことができる。非限定的な実施形態において、塑性変形１４０は、据え込み鍛造を含む。別の非限定的な実施形態において、塑性変形１４０は、ひずみが０．３になるまで据え込み鍛造することを含む。さらに別の非限定的な実施形態において、ワークピースの塑性変形１４０は、β均熱温度における熱管理された高ひずみ多軸鍛造（図５に示さず）を含む。

図６は、本開示の非限定的な実施形態に従って、ワークピースにおいて、熱管理された高ひずみ速度多軸鍛造を同時に使用しながら、チタンおよびチタン合金から選択される金属材料を含むワークピースを、βトランザス温度を超えて塑性変形することと、ワークピースをワークピース鍛造温度まで冷却することとを含む、本開示による非限定的な方法の概略的な温度−時間の熱機械的なプロセスチャートである。図６において、チタンまたはチタン合金の粒子の微細化のための熱管理された高ひずみ速度多軸鍛造を用いた非限定的な方法１６０は、チタンまたはチタン合金金属材料のβトランザス温度１６６を超えるβ均熱温度１６４までワークピースを加熱する１６２ことと、ワークピースにおいて全β相微細構造を形成するβ均熱温度１６４においてワークピースを保持または均熱する１６８こととを含む。β均熱温度でワークピースを均熱１６８した後、ワークピースを塑性変形する１７０。非限定的な実施形態において、塑性変形１７０は、熱管理された高ひずみ速度多軸鍛造を含むことができる。非限定的な実施形態において、ワークピースがβトランザス温度を通過して冷えるに従い、ワークピースを、本明細書に開示されている熱管理システムを用いて繰り返し高ひずみ速度多軸鍛造する１７２。図６は、３個の中間の高ひずみ速度多軸鍛造１７２ステップを示すが、所望により、より多くのまたはより少ない中間の高ひずみ速度多軸鍛造１７２ステップが存在し得ることが理解されよう。この中間の高ひずみ速度多軸鍛造１７２ステップは、均熱温度における最初の高ひずみ速度多軸鍛造ステップ１７０、および金属材料のα＋β相領域１７４における最終の高ひずみ速度多軸鍛造ステップに対する中間である。図６は、ワークピースの温度がα＋β相領域において全体に維持される、１つの最終の高ひずみ速度多軸鍛造ステップを示すが、１を超える多軸鍛造ステップを、α＋β相領域において、さらなる微粒化のために実施できることが理解される。本開示の非限定的な実施形態によると、少なくとも１つの最終の高ひずみ速度多軸鍛造ステップが、チタンまたはチタン合金ワークピースのα＋β相領域における温度において全体に行われる。

本開示のＭＵＤ実施形態により、α＋β相領域におけるワークピース鍛造温度までワークピースを加熱する前に、非限定的な実施形態において、ワークピースを、β均熱温度まで加熱し、ワークピースにおいて１００％のβ相微細構造を形成するのに十分なβ均熱時間の間、ワークピースをβ均熱温度において保持し、室温まで冷却してよい。非限定的な実施形態において、β均熱温度は、チタンまたはチタン合金のβトランザス温度からチタンまたはチタン合金のβトランザス温度を最大で３００°Ｆ（１１１℃）超えるまでを含むβ均熱温度範囲にある。別の非限定的な実施形態において、β均熱時間は、５分〜２４時間である。

本開示のＭＵＤ実施形態により、α＋β相領域におけるワークピース鍛造温度までチタンおよびチタン合金から選択される金属材料を含むワークピースを加熱する前に、非限定的な実施形態において、ワークピースを、ワークピースにおいて１００％のβ相微細構造を形成するのに十分なβ均熱時間で保持した後、室温まで冷却する前に、チタンまたはチタン合金金属材料のβ相領域における塑性変形温度で塑性変形する。非限定的な実施形態において、塑性変形温度は、β均熱温度に等しい。別の非限定的な実施形態において、塑性変形温度は、チタンまたはチタン合金のβトランザス温度からチタンまたはチタン合金のβトランザス温度を最大で３００°Ｆ（１１１℃）超える温度を含む塑性変形温度範囲にある。

実施例１
熱管理システムを用いた多軸鍛造を、１０〜３０μｍの範囲の粒径を有する等軸α粒子を有する合金Ｔｉ−６−４からなるチタン合金ワークピースにおいて実施した。使用した熱管理システムは、加熱された金型と、チタン合金ワークピースの表面領域を加熱するための火炎加熱とを含んだ。ワークピースは、４インチ面の立方体からなった。ワークピースを、ガス燃焼による箱型炉において、１９４０°Ｆ（１０６０℃）のβ焼純温度、すなわち、βトランザス温度を約５０°Ｆ（２７．８℃）超える温度まで加熱した。β焼純均熱時間は１時間であった。β焼純したワークピースを室温、すなわち、約７０°Ｆ（２１．１℃）まで空冷した。

Claims

チタンおよびチタン合金から選択される金属材料を含むワークピースの粒径を微細化する方法であって：
金属材料のα＋β相領域内のワークピース鍛造温度までワークピースを加熱することと；
ワークピースを多軸鍛造することと
を含み、多軸鍛造が：
ワークピースの内部領域を断熱加熱するのに十分なひずみ速度で、ワークピースの第１直交軸の方向にワークピース鍛造温度でワークピースをプレス鍛造することと、
ワークピース鍛造温度までワークピースの外側表面領域を加熱しながら、ワークピースの断熱加熱された内部領域をワークピース鍛造温度まで冷却させることと、
ワークピースの内部領域を断熱加熱するのに十分であるひずみ速度で、ワークピースの第２直交軸の方向にワークピース鍛造温度でワークピースをプレス鍛造することと、
ワークピース鍛造温度までワークピースの外側表面領域を加熱しながら、ワークピースの断熱加熱された内部領域をワークピース鍛造温度まで冷却させることと、
ワークピースの内部領域を断熱加熱するのに十分であるひずみ速度で、ワークピースの第３直交軸の方向にワークピース鍛造温度でワークピースをプレス鍛造することと、
ワークピース鍛造温度までワークピースの外側表面領域を加熱しながら、ワークピースの断熱加熱された内部領域をワークピース鍛造温度まで冷却させることと、
ワークピースの少なくともある領域において少なくとも３．５の真のひずみが達成されるまで、前記プレス鍛造および冷却させるステップの少なくとも１つを繰り返すこととを含む、方法。
プレス鍛造の間に用いられるひずみ速度が、０．２／秒〜０．８／秒の範囲にある、請求項１に記載の方法。
ワークピースがαチタン合金、α＋βチタン合金、準安定βチタン合金、およびβチタン合金からなる群から選択されるチタン合金を含む、請求項１に記載の方法。
ワークピースが、α＋βチタン合金を含む、請求項１に記載の方法。
ワークピースが、ＡＳＴＭグレード５、６、１２、１９、２０、２１、２３、２４、２５、２９、３２、３５、３６、および３８チタン合金から選択されるチタン合金を含む、請求項１に記載の方法。
金属材料のα＋β相領域内のワークピース鍛造温度までワークピースを加熱することが：
ワークピースを金属材料のβ浸漬温度まで加熱することと；
ワークピースにおいて１００％のβ相微細構造を形成するのに十分なβ浸漬時間の間、ワークピースをβ浸漬温度において保持することと；
ワークピースをワークピース鍛造温度まで冷却することとを含む、請求項１に記載の方法。
β浸漬温度が、金属材料のβトランザス温度から金属材料のβトランザス温度を３００°Ｆ（１１１℃）を超えるまでの温度範囲（両端を含む）にある、請求項６に記載の方法。
β浸漬時間が、５分〜２４時間である、請求項６に記載の方法。
ワークピースをワークピース鍛造温度まで冷却する前に、金属材料のβ相領域における塑性変形温度でワークピースを塑性変形することをさらに含む、請求項６に記載の方法。
金属材料のβ相領域における塑性変形温度でワークピースを塑性変形することが、ワークピースの引き抜き、据え込み鍛造、および高ひずみ速度多軸鍛造のうちの少なくとも１つをさらに含む、請求項９に記載の方法。
塑性変形温度が、金属材料のβトランザス温度から金属材料のβトランザス温度を最大で３００°Ｆ（１１１℃）を超えるまでの塑性変形温度範囲（両端を含む）にある、請求項９に記載の方法。
ワークピースを塑性変形することが、高ひずみ速度多軸鍛造を含み、ワークピースをワークピース鍛造温度まで冷却することが、ワークピースが金属材料のα＋β相領域におけるワークピース鍛造温度まで冷えるに従って、ワークピースを高ひずみ速度多軸鍛造することをさらに含む、請求項９に記載の方法。
ワークピースを塑性変形することが、ワークピースを０．１〜０．５の範囲（両端を含む）のβ据え込みひずみまで据え込み鍛造することを含む、請求項９に記載の方法。
ワークピース鍛造温度が、金属材料のβトランザス温度より１００°Ｆ（５５．６℃）低い温度から金属材料のβトランザス温度より７００°Ｆ（３８８．９℃）低い温度までの範囲にある、請求項１に記載の方法。
ワークピースの断熱加熱された内部領域が、５秒〜１２０秒の範囲（両端を含む）の内部領域冷却時間の間冷却される、請求項１に記載の方法。
ワークピースにおいて４．７の真のひずみが達成されるまで、請求項１に列挙したプレス鍛造および冷却させるステップのうちの１つ以上のステップを繰り返すことをさらに含む、請求項１に記載の方法。
ワークピースの外側表面を加熱することが、火炎加熱、箱型炉加熱、誘導加熱、および放射加熱のうちの１つ以上を用いた加熱を含む、請求項１に記載の方法。
ワークピースをプレス鍛造するのに用いられる鍛造型を、ワークピース鍛造温度からワークピース鍛造温度より１００°Ｆ（５５．６℃）低い温度の範囲（両端を含む）の温度に加熱することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
繰り返しが、請求項１に列挙したプレス鍛造および冷却させるステップを少なくとも４回繰り返すことを含む、請求項１に記載の方法。
３．７の真のひずみが達成された後、ワークピースが、４μｍ〜６μｍの範囲（両端を含む）の平均α粒子粒径を含む、請求項１に記載の方法。
４．７の真のひずみが達成された後、ワークピースが、４μｍの平均α粒子粒径を含む、請求項１に記載の方法。
完了時に、α粒子粒が等軸である、請求項２０および２１のいずれかに記載の方法。
さらに：
金属材料のα＋β相領域における第２ワークピース鍛造温度までワークピースを冷却することと；
ワークピースの内部領域を断熱加熱するのに十分なひずみ速度で、ワークピースの第１直交軸の方向に第２ワークピース鍛造温度でワークピースをプレス鍛造することと；
第２ワークピース鍛造温度までワークピースの外側表面領域を加熱しながら、ワークピースの断熱加熱された内部領域を第２ワークピース鍛造温度まで冷却させることと；
ワークピースの内部領域を断熱加熱するのに十分であるひずみ速度で、ワークピースの第２直交軸の方向に第２ワークピース鍛造温度でワークピースをプレス鍛造することと；
ワークピースの外側表面領域を第２ワークピース鍛造温度まで加熱しながら、ワークピースの断熱加熱された内部領域を第２ワークピース鍛造温度まで冷却させることと；
ワークピースの内部領域を断熱加熱するのに十分であるひずみ速度で、ワークピースの第３直交軸の方向に第２ワークピース鍛造温度でワークピースをプレス鍛造することと；
第２ワークピース鍛造温度までワークピースの外側表面領域を加熱しながら、ワークピースの断熱加熱された内部領域を第２ワークピース鍛造温度まで冷却させることと；
ワークピースの少なくともある領域において少なくとも１０の真のひずみが達成されるまで、前記プレス鍛造および冷却させるステップのうちの１つ以上を繰り返すこととを含む、請求項１に記載の方法。
チタンおよびチタン合金から選択される金属材料を含むワークピースにおいて粒径を微細化する方法であって：
金属材料のα＋β相領域内のワークピース鍛造温度範囲内のワークピース鍛造温度まで、円筒形様形状および開始断面寸法を含むワークピースを加熱することと；
ワークピース鍛造温度範囲内でワークピースを据え込み鍛造することと；
ワークピース鍛造温度範囲内でワークピースを複数回引き抜き鍛造することと；
を含み、
複数回の引き抜き鍛造が、ワークピースを回転方向に増分的に回転させ、続いて、引き抜き鍛造することを含み；
増分的回転および引き抜き鍛造が、ワークピースが開始断面寸法を含むまで繰り返される、方法。
据え込み鍛造および引き抜き鍛造において用いられるひずみ速度が、０．００１／秒〜０．０２／秒の範囲（両端を含む）にある、請求項２４に記載の方法。
ワークピースが、円筒形状ワークピースを含み、増分的回転および引き抜き鍛造が、１５°の増分で円筒形状ワークピースを回転させ、続いて、円筒形状ワークピースが３６０°を通して回転するまで、各回転後に引き抜き鍛造することをさらに含む、請求項２４に記載の方法。
ワークピースが、正八角形状ワークピースを含み、増分的回転および引き抜き鍛造が、該八角形状ワークピースを４５°回転させ、続いて、正八角形状ワークピースが３６０°を通して回転するまで、各回転後に引き抜き鍛造することをさらに含む、請求項２４に記載の方法。
チタン合金ワークピースを据え込み鍛造した後に、ワークピース鍛造温度までワークピースを加熱することをさらに含む、請求項２４に記載の方法。
少なくとも１つの鍛造ステップの後に、ワークピース鍛造温度までワークピースを加熱することをさらに含む、請求項２４に記載の方法。
ワークピースが、αチタン合金、α＋βチタン合金、準安定βチタン合金、およびβチタン合金からなる群から選択されるチタン合金を含む、請求項２４に記載の方法。
ワークピースが、α＋βチタン合金を含む、請求項２４に記載の方法。
ワークピースが、ＡＳＴＭグレード５、６、１２、１９、２０、２１、２３、２４、２５、２９、３２、３５、３６、および３８チタン合金のうちの１つを含む、請求項２４に記載の方法。
さらに：
β浸漬温度までワークピースを加熱すること；
ワークピースにおいて１００％のβ相微細構造を形成するのに十分なβ浸漬時間の間、ワークピースをβ浸漬温度において保持することと；
金属材料のα＋β相領域内のワークピース鍛造温度範囲内のワークピース鍛造温度までワークピースを加熱する前に、ワークピースを室温まで冷却することと
を含む、請求項２４に記載の方法。
β浸漬温度が、金属材料のβトランザス温度から金属材料のβトランザス温度を３００°Ｆ（１１１℃）を超えるまでの温度範囲（両端を含む）にある、請求項３３に記載の方法。
β浸漬時間が、５分〜２４時間である、請求項３３に記載の方法。
ワークピースを室温まで冷却する前に、金属材料のβ相領域における塑性変形温度でワークピースを塑性変形することをさらに含む、請求項３３に記載の方法。
ワークピースを塑性変形することが、ワークピースの引き抜き、据え込み鍛造、および高ひずみ速度多軸鍛造のうちの少なくとも１つを含む、請求項３６に記載の方法。
塑性変形温度が、金属材料のβトランザス温度から金属材料のβトランザス温度を３００°Ｆ（１１１℃）を超えるまでの塑性変形温度範囲（両端を含む）にある、請求項３６に記載の方法。
ワークピースを塑性変形することが、複数の据え込みおよび引き抜き鍛造を含み、ワークピースをワークピース鍛造温度まで冷却することが、ワークピースを空冷することを含む、請求項３６に記載の方法。
ワークピース鍛造温度が、金属材料のβトランザス温度より１００°Ｆ（５５．６℃）低い温度から金属材料のβトランザス温度より７００°Ｆ（３８８．９℃）低い温度までのワークピース鍛造温度範囲（両端を含む）にある、請求項２４に記載の方法。
チタン合金ワークピースにおいて少なくとも１０の真のひずみが達成されるまで、加熱、据え込み鍛造、および複数回の引き抜き鍛造ステップを繰り返すことをさらに含む、請求項２４に記載の方法。
完了時に、金属材料微細構造が、超微細粒径のα粒子を含む、請求項４１に記載の方法。
ワークピースを鍛造するのに用いた鍛造型を、ワークピース鍛造温度からワークピース鍛造温度より１００°Ｆ（５５．６℃）低い温度の範囲（両端を含む）の温度まで加熱することをさらに含む、請求項２４に記載の方法。
さらに：
金属材料のα＋β相領域における第２ワークピース温度までワークピースを冷却することと；
第２ワークピース鍛造温度でワークピースを据え込み鍛造することと；
第２ワークピース鍛造温度でワークピースを複数回引き抜き鍛造することにおいて、複数回の引き抜き鍛造が、ワークピースを回転方向に増分的に回転させ、続いて、各回転後に、チタン合金ワークピースを引き抜き鍛造することを含み；増分的回転および引き抜き鍛造が、ワークピースが開始断面寸法を含むまで繰り返されることと；
ワークピースにおいて少なくとも１０の真のひずみが達成されるまで、据え込み鍛造、および複数回の引き抜き鍛造ステップを繰り返すことと
を含む、請求項２４に記載の方法。
据え込み鍛造および引き抜き鍛造において用いられるひずみ速度が、０．００１／秒〜０．０２／秒の範囲（両端を含む）にある、請求項４４に記載の方法。
少なくとも１つの鍛造ステップ後に、ワークピース鍛造温度までワークピースを加熱して、実際のワークピース温度を最大でワークピース鍛造温度にすることをさらに含む、請求項４４に記載の方法。
金属および金属合金から選択される金属材料を含むワークピースの等温多段階鍛造方法であって：
ワークピース鍛造温度までワークピースを加熱することと；
ワークピースの内部領域を断熱加熱するのに十分なひずみ速度で、ワークピース鍛造温度でワークピースを鍛造することと；
ワークピース鍛造温度までワークピースの外側表面領域を加熱しながら、ワークピースの内部領域をワークピース鍛造温度まで冷却させることと；
所望の特徴が得られるまで、ワークピースを鍛造するステップと金属合金の表面領域を加熱しながらワークピースの内部領域を冷却させるステップとを繰り返すことと
を含む方法。
鍛造が、プレス鍛造、据え込み鍛造、引き抜き鍛造、およびロール鍛造のうちの１つ以上を含む、請求項４７に記載の方法。
金属材料が、チタンおよびチタン合金、ジルコニウムおよびジルコニウム合金、アルミニウムおよびアルミニウム合金、鉄および鉄合金、ならびに超合金からなる群から選択される、請求項４７に記載の方法。
所望の特徴が、所望の付与ひずみ、所望の平均粒径、所望の形状、所望の機械的特性のうちの１つ以上を含む、請求項４７に記載の方法。
ワークピースが準安定βチタン合金を含む、請求項１に記載の方法。
プレス鍛造の間に用いられるひずみ速度が、少なくとも０．２／秒である、請求項１に記載の方法。