JP2016512172A5

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Publication number: JP2016512172A5
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Filing date: 2014-03-03
Publication date: 2017-08-24
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Description

合金を鍛造するための物品、システム、および方法

本開示は、合金インゴットおよび他の合金加工物に関する。より具体的には、本開示は、合金インゴットおよび他の合金加工物を処理するための物品、システム、および方法に関する。

「鍛造」とは、塑性変形によって、固体状態の材料を加工および／または成形することを指す。鍛造は、固体状態の材料を形成する作業の他の主な分類、すなわち、機械加工（切断、研削、または別の方法で加工物から材料を除去することによる加工物の成形）および鋳造（成形型の形状を維持するように凝固させる液体材料の成形）から区別可能である。「鍛造性」は、不具合なく可塑的に変形する材料の相対的能力である。鍛造性は、例えば、鍛造条件（例えば、加工物温度、ダイ温度、および変形速度）ならびに材料特性（例えば、組成、微細構造、および表面構造）を含む、多数の要因によって様々である。所与の加工物の鍛造性に影響する別の要因は、相互作用するダイ表面および加工物表面の摩擦学である。鍛造作業におけるダイ表面と加工物表面との間の相互作用には、熱伝達、摩擦、および摩耗が含まれる。したがって、加工物と鍛造ダイとの間の断熱性および／または潤滑性が鍛造性に影響し得る。

種々の合金が、「亀裂感受性」であることを特徴とし得る。亀裂感受性合金からなるインゴットおよび他の加工物は、鍛造作業中それらの表面および／または縁に沿って、または内部的に表面と内側とで材料が異なる速度で移動する場合、亀裂を形成し得る。亀裂感受性合金から物品を形成することは、例えば、鍛造中または他の熱間加工作業中に形成された亀裂を加工された物品から除去する必要があり得、それが生産率を減少させる一方、作製時間および費用を増加させるため、問題であり得る。

潤滑剤を用いることによって鍛造作業中の摩擦を減少させることが当該分野で知られている。不十分なまたは不定の鍛造潤滑性は、一般的には所望されない加工物の不均一な塑性変形をもたらし得る。例えば、不均一な塑性変形は、鍛造作業中、加工物の「バレリング現象」および／または加工物内の空隙の形成をもたらし得る。しかしながら、従来の鍛造潤滑剤は、標準に満たない鍛造物品をもたらす様々な欠陥を有し得る。

現行の鍛造技術の欠点を鑑みて、より効率的および／またはより費用効果の高い、合金、特に亀裂感受性合金を鍛造する方法を提供することが、有利であろう。加えて、鍛造作業中、ダイと加工物との間の摩擦を減少させることが、有利であろう。より一般的には、合金インゴットおよび他の合金加工物を鍛造するための改善された方法を提供することが、有利であろう。

ある非限定的な実施形態に従って、合金インゴットおよび他の合金加工物を処理するための物品、システム、および方法が、記載される。

本開示に従う種々の非限定的な実施形態は、加工物を鍛造するためのシステムに関する。システムは、ダイと、合金加工物と、ダイの少なくとも一部分と合金加工物との中間に位置付けられるパッドと、を備え得る。パッドは、第１の熱抵抗および第１の摩擦係数を有する第１の層と、第２の熱抵抗および第２の摩擦係数を有する第２の層と、を含む、複数の層を備え得る。第１の熱抵抗は、第２の熱抵抗より大きくなり得、第１の摩擦係数は、第２の摩擦係数より大きくなり得る。種々の非限定的な実施形態では、第１の層は、ＫＡＯＷＯＯＬを含み、第２の層は、ガラス繊維を含む。

本開示に従う更なる非限定的な実施形態は、鍛造作業中に使用するための多層パッドに関し、多層パッドは、第１の潤滑層、第２の潤滑層、および第１の潤滑層と第２の潤滑層との中間に位置付けられる第１の絶縁層を備える。第１の潤滑層は、加工物接触表面を更に備え得、第２の潤滑層は、ダイ接触表面を更に備え得る。第１および第２の潤滑層のうちの少なくとも１つは、ガラス繊維を含み得、第１の絶縁層は、セラミック繊維を含み得る。第１および第２の潤滑層の摩擦係数は、第１の絶縁層の摩擦係数より小さくなり得、および／または第１の絶縁層の熱伝導度は、第１および第２の潤滑層の熱伝導度より小さくなり得る。種々の非限定的な実施形態では、多層パッドは、少なくとも第１および第２の潤滑層を互いに対して締結するための締結具を備え得る。更に、種々の非限定的な実施形態では、第１および第２の潤滑層は、絶縁層が中に配置されるスリーブを形成し得る。

本開示に従うなおも更なる非限定的な実施形態は、加工物を熱間加工するための方法に関し、方法は、周囲温度を超える温度に合金加工物を加熱することと、合金加工物とダイとの間に、潤滑層および熱抵抗層を備える多層パッドを位置付けることと、合金加工物を熱間加工することと、を含む。合金加工物を熱間加工することは、合金加工物にダイを用いて力を適用して合金加工物を可塑的に変形させることを含み得る。合金加工物にダイを用いて力を適用して合金加工物を可塑的に変形させることは、合金加工物を据え込み鍛造することを含み得る。方法は、合金加工物と少なくとも１つのダイとの間の複数の多層パッドを位置付けること、合金加工物を予備成形すること、および／または熱間加工された合金加工物から物品を製作することを更に含み得る。周囲温度を超える温度に加工物を曝露することが、合金の再結晶温度を超えかつ合金の融点温度を下回るように合金加工物を加熱することを含み得る。

本開示に従う更に非限定的な実施形態は、本開示の方法のうちのいずれかに従って作製または処理された合金加工物に関する。

本開示に従うなおも更に非限定的な実施形態は、本開示の方法のうちのいずれかに従って作製または処理された合金加工物からまたは合金加工物を含んで作製された製品に関する。そのような製品は、例えば、ジェットエンジン構成要素、陸上型タービン構成要素、バルブ、エンジン構成要素、シャフト、および締結具を含む。

本明細書に記載される種々の非限定的な実施形態は、添付の図面と併せて以下の説明を考慮することによってより良く理解され得る。

頭部付き締結具を形成するための圧入ダイ据え込み鍛造方法を示す断面模式図である。頭部付き締結具を形成するための圧入ダイ据え込み鍛造方法を示す断面模式図である。頭部付き締結具を形成するための圧入ダイ据え込み鍛造方法を示す断面模式図である。図１Ａ〜１Ｃに描写される圧入ダイ据え込み鍛造方法によって形成される頭部付き締結具の立面図である。図２Ａの頭部付き締結具の頭部の詳細図である。無摩擦条件下で自由ダイ据え込み鍛造システムが作業することを示す断面模式図である。高摩擦条件下で自由ダイ据え込み鍛造システムが作業することを示す断面模式図である。本開示の種々の非限定的な実施形態に従う、自由ダイと加工物との間に位置付けられた多層パッドを用いる自由ダイ据え込み鍛造作業を示す断面模式図である。本開示の種々の非限定的な実施形態に従う、自由ダイと加工物との間に位置付けられた多層パッドを用いる自由ダイ据え込み鍛造作業を示す断面模式図である。本開示の種々の非限定的な実施形態に従う、圧入ダイと加工物との間に位置付けられた多層パッドを用いる圧入ダイ据え込み鍛造システムを示す模式図である。本開示の種々の非限定的な実施形態に従う、図５に描写される圧入ダイ据え込み鍛造システムによって形成される頭部付き締結具の立面図である。本開示の種々の非限定的な実施形態に従う、図６Ａの頭部付き締結具の頭部の詳細図である。本開示の種々の非限定的な実施形態に従う、鍛造作業において使用するための多層パッドの斜視図である。本開示の種々の非限定的な実施形態に従う、図７の多層パッドの立面図である。本開示の種々の非限定的な実施形態に従う、鍛造作業において使用するための多層パッドの断面立面図である。本開示の種々の非限定的な実施形態に従う、図９の多層パッドの平面図である。本開示の種々の非限定的な実施形態に従う、部分的に組み立てられた構成の多層パッドを描写する、鍛造作業において使用するための多層パッドの平面図である。本開示の種々の非限定的な実施形態に従う、組み立てられた構成の多層パッドを描写する、図１１の多層パッドの平面図である。

開示される実施形態の種々の説明が、本開示の実施形態の明確な理解に関連するこれらの特性、態様、特徴等のみを例示するために簡略化されており、一方、明瞭さのために、他の特性、態様、特徴等が除外されていることを理解されたい。当該分野の当業者は、本開示の実施形態の本説明を考慮することにより、他の特性、態様、特徴等が、本開示の実施形態の特定の実装または適用において望ましい場合があることを認識する。しかしながら、そのような他の特性、態様、特徴等は、本開示の実施形態の本説明を考慮することにより当該分野の当業者によって容易に確認され実施され得るため、よって、本開示の実施形態の完全な理解の必要はなく、そのような特性、態様、特徴等の説明は、本明細書に提供されない。したがって、本明細書に記載される説明は、単に例示的な本開示の実施形態の例示であり、特許請求の範囲によってのみ定義されるように本発明の範囲を限定するものではないことを理解されたい。

本開示では、別途示されない以外は、量または特徴を表現する全ての数は、用語「約」によって全ての事例において前置きされ修正されるとして理解されるべきである。したがって、反対に示されない限り、以下の説明に記載される任意の数値パラメータは、本開示に従う実施形態において手に入れようとする所望の特性に応じて変化し得る。例えば、「約」という用語は、測定された量のための誤差の許容できる程度を指し得、測定の本質または精度を所与する。誤差の典型的例示的程度は、２０％以内、１０％以内、または所与の値または値の範囲の５％以内であってもよい。少なくとも、そして本特許請求の範囲に対する均等論の適用を制限する試みとしてではなく、本説明に記載される各数値パラメータは、報告された有効数字の数の見地からおよび通常の四捨五入技術を適用することによって、少なくとも解釈されるべきである。

また、本明細書に列挙されるいかなる数の範囲も、その中に組み込まれる全ての部分的範囲を含むことが意図される。例えば、「１〜１０」の範囲は、列挙された１の最小値および列挙された１０の最大値の間（およびそれらを含む）の全ての部分的範囲を含むことを意図し、１以上の最小値および１０以下の最大値を有する。本明細書に列挙される任意の最大数値限定は、その中に組み込まれる全てのより低い数値限定を含むことが意図され、本明細書に列挙される任意の最小数値限定は、その中に組み込まれる全てのより高い数値限定を含むことが意図される。したがって、出願者らは、本明細書に明示的に列挙された範囲内に組み込まれた任意の部分範囲を明示的に列挙するように、特許請求の範囲を含む本開示を修正する権利を留保する。全てのそのような範囲は、米国特許法第１１２条、第１段落、および米国特許法第１３２条（ａ）の要求事項に準拠する任意のそのような部分=範囲を明示的に列挙するように本明細書に本質的に開示されることが意図される。

本明細書に使用される、「１つの（ｏｎｅ）」、「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、および「１つの（ｔｈｅ）」という文法上の冠詞は、別途示されない限り、「少なくとも１つの」または「１つ以上の」を含むことが意図される。よって、冠詞は、冠詞の文法上の目的語のうちの１つまたは２つ以上（すなわち、少なくとも１つ）を指すように本明細書で使用される。例として、「構成要素」は、１つ以上の構成要素を意味し、よって、潜在的に、２つ以上の構成要素が考えられ、記載される実施形態の実装において用いられ得るかまたは使用され得る。

参照により本明細書に組み込まれると言及されるあらゆる特許、刊行物、または他の開示資料は、別途示されない限り、組み込まれた資料が、既存の定義、記述、または本開示に明示的に記載される他の開示資料と矛盾しない範囲内でのみ、その全体が本明細書に組み込まれる。したがって、必要な範囲で、本明細書に記載される明示された開示は、参照により本明細書に組み込まれるあらゆる矛盾する資料に優先する。参照により本明細書に組み込まれると言及されるが既存の定義、記述、または本開示に記載される他の開示資料と矛盾するあらゆる資料またはその部分は、その組み込まれた資料と既存の開示資料との間に矛盾が発生しない範囲内でのみ組み込まれる。出願者は、参照により本明細書に組み込まれる、あらゆる主題、またはその部分を明示的に列挙するように本開示を修正する権利を留保する。

本開示は、種々の非限定的な実施形態の描写を含む。本明細書に説明される全ての実施形態が、例示的な実例とする非限定的なものであることを理解されたい。よって、本発明は、種々の例示的な実例とする非限定的な実施形態の説明によって限定されない。むしろ、本発明は、本開示に明示的または本質的に説明されるかまたは本開示によって明示的または本質的にそのように支持される任意の特性を列挙するように修正され得る、特許請求の範囲によってのみ定義される。よって、全てのそのような修正は、米国特許法第１１２条、第１段落、および米国特許法第１３２条（ａ）の要求事項に準拠する。

本明細書に開示され説明される種々の非限定的な実施形態は、本明細書に多様に記載される、特性、態様、特徴、制限等、を含み得るか、からなり得るか、または本質的になり得る。本明細書に開示され説明される種々の非限定的な実施形態はまた、実際に実行されるように実装される、当該分野では既知であるかまたは種々の非限定的な実施形態にそのように含まれ得る更なるまたは任意の特性、態様、特徴、制限等を含むことができる。

本明細書に使用される、「熱間加工」という用語は、適用された力が加工物を可塑的に変形させる、周囲温度よりも高い任意の温度での固体状態加工物への力の適用を指す。

例えば、鍛造作業および押出成形作業のような熱間加工作業中、力は、加工物の再結晶温度を上回るような周囲温度を超える温度で、合金インゴットまたは他の合金加工物に適用され得、加工物を可塑的に変形させ得る。熱間加工作業を経る合金インゴットまたは他の合金加工物の温度は、加工物の表面に機械的に力を適用するように使用されたダイまたは他の構造の温度を超えてもよい。合金インゴットまたは他の合金加工物は、周囲空気への熱損失およびその表面間での熱勾配の相殺およびダイまたは他の構造と接触することによってその表面を冷却することが原因で、温度勾配を形成し得る。合金加工物表面と合金加工物の内側部分との間にもたらされる熱勾配の相殺は、インゴットの表面および／または縁に沿って熱間加工作業中にインゴットの亀裂を生じる一因となり得る。表面亀裂は、合金インゴットまたは他の合金加工物が亀裂感受性合金から形成される状況において特に問題である。

種々の合金は、亀裂感受性であることを特徴とし得る。亀裂感受性合金は、加工作業中に亀裂を形成する傾向がある。亀裂感受性合金インゴットから合金物品を作製するように使用された、亀裂感受性合金インゴットは、例えば、熱間加工作業中、亀裂を形成し得る。例えば、合金ビレットは、鍛造変換を用いて合金インゴットから形成され得る。他の合金物品は、押出成形または他の加工作業を用いて合金ビレットまたは合金インゴットから形成され得る。熱間加工作業を用いて亀裂感受性合金インゴットから形成された合金物品（例えば、合金ビレット）の生産収率は、熱間加工中（例えば、鍛造または押出成形中）の合金インゴットの表面亀裂の発生率のため、低い場合がある。作製収率は、加工されたインゴットから表面亀裂を研削して落とすかまたは別の方法で除去する必要性によって減少され得る。

種々の非限定的な実施形態に従うと、種々のニッケル基合金、鉄基合金、ニッケル−鉄基合金、チタン基合金、チタン−ニッケル基合金、コバルト基合金、およびニッケル基超合金のような超合金は、特に熱間加工作業中、亀裂感受性であり得る。合金インゴットまたは他の合金加工物は、そのような亀裂感受性合金および超合金から形成され得る。例えば、亀裂感受性合金加工物は、７１８合金（ＵＮＳ番号Ｎ０７７１８）、７２０合金（ＵＮＳ番号Ｎ０７７２０）、Ｒｅｎｅ４１合金（ＵＮＳ番号Ｎ０７０４１）、Ｒｅｎｅ６５合金、Ｒｅｎｅ８８合金、Ｗａｓｐａｌｏｙ（登録商標）合金（ＵＮＳ番号Ｎ０７００１）、およびＩｎｃｏｎｅｌ（登録商標）１００合金から選択される合金または超合金から形成され得るが、これらに限定されない。

図１Ａ〜１Ｃは、締結具が頭部付けされる熱間加工据え込み鍛造処理を描写する。種々の非限定的な実施形態では、圧入ダイ１０およびパンチ１２は、例えば、ワイヤまたは金属ロッド２０のような、加工物の一部分を据え込み鍛造するように使用され得る。ワイヤ２０は、例えば、ダイ１０および／またはパンチ１２が、周囲温度でおよび／または周囲温度未満で留まる際、周囲温度を超える温度に加熱され得る。主に図１Ａを参照すると、ワイヤ２０は、ダイ１０内に保持され得、ダイ１０の開口部または空洞１６内に延在し得る。種々の非限定的な実施形態では、パンチ１２は、ダイ１０に向かう方向「Ｘ」に移動し得る。例えば、パンチ１２は、ダイ１０の開口部１６内に移動でき、ワイヤ２０上に接触でき、ワイヤ２０に力を及ぼすことができる。種々の非限定的な実施形態では、パンチ１２によってワイヤ２０に及ぼされた力は、ワイヤ２０を変形して頭部２２（図１Ｂ）を形成することができる。言い換えれば、頭部２２は、パンチ１２の接触表面とダイ１０の接触表面との間に形成され得る。主に図１Ｃを参照すると、パンチ１２は、開口部１６から除去され得、ワイヤ２０は、ダイ１０を通って前進し得る。種々の非限定的な実施形態では、ブレード１４は、形成された締結具２４（図２Ａに図示される）が鍛造ダイ１０から放出されるように、ワイヤ２０を切断できる。

種々の非限定的な実施形態では、ワイヤ２０は、亀裂感受性合金を含み得る。例えば、ワイヤ２０は、７１８合金、７２０合金、Ｒｅｎｅ４１合金、Ｒｅｎｅ６５合金、Ｒｅｎｅ８８合金、Ｗａｓｐａｌｏｙ（登録商標）合金、およびＩｎｃｏｎｅｌ（登録商標）１００合金から選択される亀裂感受性合金から作製され得る。そのような実施形態では、ワイヤ２０とダイ１０の表面との間および／またはワイヤ２０に接触しているパンチ１２との間の熱勾配の相殺は、形成された締結具２４の表面および／または縁に沿って亀裂をもたらし得る。図２Ａおよび２Ｂを参照すると、図１Ａ〜１Ｃに描写される据え込み鍛造熱間加工処理によって作製された例示的な締結具２４は、その鍛造された表面に沿って様々な亀裂を含み得る。例えば、主に図２Ｂを参照すると、締結具頭部２６の表面２８は、頭部２６の鍛造中の熱勾配相殺からもたらされる様々な亀裂を含み得る。ある非限定的な実施形態では、締結具２４は、その表面２８から亀裂の入った材料を除去するために後続の機械加工を必要とし得る。

熱間加工中の合金インゴットまたは他の合金加工物の表面および縁上の亀裂形成を減少させるために使用される１つの技術は、熱間加工前に合金インゴットを合金缶内に置くことである。円柱状加工物を用いると、例えば、合金缶の内径は、合金加工物の外径よりやや大きく、よって、缶内への加工物の挿入が可能である。缶が加工物を緩く囲み、缶の内面と加工物との間に空隙を提供することができる。熱間加工作業中、ダイは、外部缶に接触し、缶は、空隙の作用によっておよび合金加工物が環境へ熱を放射するのを直接阻害することによってもまた合金加工物を断熱する。このようにして、缶は、断熱し、加工物の表面を機械的に保護し得、それは、加工中の加工物の表面亀裂の発生率を減少させ得る。

合金加工物のキャニング作業は、様々な不利点をもたらし得る。例えば、ダイと合金缶の外面との間の機械的接触は、缶をばらばらにし得る。１つの具体的な場合では、繰り返されるキャニングされた加工物の据え込み鍛造中、合金は、据え込み鍛造作業の間でばらばらになり得る。そのような場合には、合金加工物は、据え込み鍛造作業の間に再キャニングされる必要があり得、それは、処理の複雑性と費用を増加させる。別の具体的な場合では、キャニングされた加工物の据え込みおよび引き出し（ｕｐｓｅｔ−ａｎｄ−ｄｒａｗ）鍛造中、合金は、引き出し作業中にばらばらになり得る。そのような場合には、合金加工物が、複数の据え込みおよび引き出し鍛造作業の各据え込みおよび引き出し循環間に再キャニングされる必要があり得、それは、処理の複雑性と費用を増加させる。更に、合金は、亀裂および他の作業から生じた欠損のため、オペレータがキャニングされた合金加工物の表面を目視により監視することを損なわせる恐れがあり得る。

次の本出願人が所有する米国特許および特許出願は、熱間加工中の合金インゴットまたは他の合金加工物の表面亀裂の発生率を減少させるための種々のデバイスおよび／または方法に関し、それぞれその全体が参照により本明細書に組み込まれる。
−米国特許第８，２３０，８９９号、発明の名称「ＳＹＳＴＥＭＳＡＮＤＭＥＴＨＯＤＳＦＯＲＦＯＲＭＩＮＧＡＮＤＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧＡＬＬＯＹＩＮＧＯＴＳ」。
−米国特許出願公開第２０１１／０１９５２７０号として公開された、米国特許出願第１２／７００，９６３号、発明の名称「ＳＹＳＴＥＭＳＡＮＤＭＥＴＨＯＤＳＦＯＲＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧＡＬＬＯＹＩＮＧＯＴＳ」。
−米国特許出願公開第２０１２／０１８３７０８号として公開された、米国特許出願第１３／００７，６９２号、発明の名称「ＨＯＴＷＯＲＫＡＢＩＬＩＴＹＯＦＭＥＴＡＬＡＬＬＯＹＳＶＩＡＳＵＲＦＡＣＥＣＯＡＴＩＮＧ」。
−米国特許出願公開第２０１２／０２７９６７８号として公開された、米国特許出願第１３／５３３，１４２号、発明の名称「ＳＹＳＴＥＭＳＡＮＤＭＥＴＨＯＤＳＦＯＲＦＯＲＭＩＮＧＡＮＤＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧＡＬＬＯＹＩＮＧＯＴＳ」。

鍛造作業では、加工物表面とダイ表面との間の界面摩擦は、摩擦せん断応力として定量的に表わされ得る。摩擦せん断応力（Τ）は、変形材料（σ）とせん断摩擦係数（ｍ）との固体流動応力の関数として次の方程式によって表わされ得る。

せん断摩擦係数の値は、鍛造システムのための潤滑性の定量的測定を提供する。例えば、せん断摩擦係数は、潤滑剤なしでチタン合金加工物を鍛造する際、０．６〜１．０の範囲であり得る一方、ある溶融潤滑剤を用いてチタン合金加工物を熱鍛造する際、せん断摩擦係数は、０．１〜０．３の範囲であり得る。システムのせん断摩擦係数（ｍ）として定量化された潤滑性は、扁平リング形状の標本を圧縮して所定の高さに削減するリング圧縮試験を用いて測定され得る。リング圧縮試験は、当該分野の当業者に既知であり、概して、例えば、Ａｌｔａｎｅｔａｌ．，ＭｅｔａｌＦｏｒｍｉｎｇ：ＦｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ、第６章「ＦｒｉｃｔｉｏｎｉｎＭｅｔａｌＦｏｒｍｉｎｇ」ＡＳＭ：１９９３、に説明され、それは参照により本明細書に組み込まれる。

例えば、鍛造作業のためのせん断摩擦係数の比較的高い値によって特徴付けられる、不十分な鍛造潤滑性は、多くの有害作用を有し得る。鍛造では、材料の固体状態流動が、ダイから可塑的に変形する加工物に伝達された力によって引き起こされる。ダイ／加工物界面での摩擦条件は、金属流動、加工物内の表面応力および内部応力の形成、ダイに作用する応力、および負荷およびエネルギー要件に影響する。図３Ａおよび３Ｂは、自由ダイ据え込み鍛造作業に関連するある摩擦効果を示す。

図３Ａは、理想的な無摩擦条件下での円柱状加工物２０の自由ダイ据え込み鍛造を示す。図３Ｂは、高摩擦条件下での同一の円柱状加工物２０の自由ダイ据え込み鍛造を示す。上部ダイ３２は、加工物２０の初期の高さ（点線で図示される）から鍛造された高さＨに加工物２０を圧入する。据え込む力が、上部ダイ３２と下部ダイ３０によって、等しい大きさでかつ反対方向に加工物２０に適用される。加工物２０を形成する材料は、非圧縮性であり、よって、図３Ａおよび３Ｂに示される初期の加工物２０と最終的に鍛造された加工物２０ａおよび２０ｂの体積とは、それぞれ、等しい。図３Ａに示される無摩擦条件下で、加工物２０は、軸方向および半径方向に均一に変形する。これは、鍛造された加工物２０ａの線状外形２４ａによって示される。図３Ｂに示される高摩擦条件下で、加工物２０は、軸方向および半径方向に均一に変形しない。これは、鍛造された加工物２０ｂの曲線状外形２４ｂによって示される。

このようにして、鍛造された加工物２０ｂは、高摩擦条件下で「バレリング現象」を呈する一方で、鍛造された加工物２０ａは、無摩擦条件下でバレリング現象を少しも呈しない。鍛造中のダイ／加工物界面摩擦が原因の不均一な塑性変形のバレリング現象および他の効果は、概して、望ましくない。例えば、圧入ダイ鍛造では、界面摩擦は、材料を変形することがダイ内の全ての空洞を充填しない、空隙空間の形成を引き起こし得る。これは、加工物がより厳しい許容誤差内で鍛造される正味形状またはほぼ正味形状の鍛造作業において特に問題であり得る。高摩擦条件は、加工物がダイ（複数可）に固着する「ダイロック（ｄｉｅ−ｌｏｃｋ）」も引き起こし得る。「ダイロック」は、軸から離れて位置する加工物が、ダイロックし、ダイの輪郭を呈するように適切に変形されない場合がある輪郭形成されたダイ表面を含む鍛造作業において特に望ましくない場合がある。結果として、鍛造潤滑剤は、鍛造作業中、ダイ表面と加工物表面との間の界面摩擦を減少させるように用いられてもよい。

次の本出願人が所有する米国特許出願は、鍛造システムのためのせん断要因を減少させるための種々のデバイスおよび／または方法に関し、それぞれその全体が参照により本明細書に組み込まれる。
−米国特許出願公開第２０１１／０３０２９７８号として公開された、米国特許出願第１２／８１４，５９１号、発明の名称「ＬＵＢＲＩＣＡＴＩＯＮＰＲＯＣＥＳＳＥＳＦＯＲＥＮＨＡＮＣＥＤＦＯＲＧＥＡＢＩＬＩＴＹ」。
−米国特許出願公開第２０１１／０８０２９７９号として公開された、米国特許出願第１３／０２７，３２７号、発明の名称「ＬＵＢＲＩＣＡＴＩＯＮＰＲＯＣＥＳＳＥＳＦＯＲＥＮＨＡＮＣＥＤＦＯＲＧＥＡＢＩＬＩＴＹ」。

ある非限定的な実施形態に従うと、本開示に従う合金インゴットまたは他の合金加工物を熱間加工する方法は、概して、合金インゴットまたは他の合金加工物の表面亀裂を除外するかまたは減少させるように、合金インゴットまたは他の合金加工物と鍛造ダイまたは他の鍛造構造との間に多層パッドを用いることを含み得る。表面亀裂を除外するかまたは減少させることに加えて、本開示に従う多層パッドはまた、熱間加工作業中、合金インゴットまたは他の合金加工物の表面を潤滑することができる。多層パッドは、少なくとも２つの層を備え得る。種々の非限定的な実施形態では、多層パッドは、少なくとも３つの層を備え得る。少なくとも１つの非限定的な実施形態では、多層パッドは、例えば、合金インゴットまたは他の合金加工物とダイまたは他の鍛造構造との間の摩擦を減少させるように、少なくとも１つの潤滑層を備え得る。更なる少なくとも１つの非限定的な実施形態では、多層パッドは、例えば、ダイまたは他の鍛造構造から合金インゴットまたは他の合金加工物を断熱するように、少なくとも１つの絶縁層を備え得る。種々の非限定的な実施形態では、多層パッドは、２つの潤滑層の中間に位置付けられた断熱層を備え得る。種々の非限定的な実施形態では、絶縁層（複数可）および潤滑層（複数可）の厚さが、例えば、加工物の材料特質、加工物と鍛造ダイとの間の温度勾配、および多層パッドの材料（複数可）に応じて様々であり得る。ある非限定的な実施形態では、断熱層（複数可）は、ダイから加工物を断熱するのに十分な厚さであり得、潤滑層（複数可）は、鍛造中、加工物とダイとの間の摩擦を減少させるのに十分な厚さであり得る。種々の非限定的な実施形態では、断熱層（複数可）は、例えば、潤滑層（複数可）より厚くてもよく、逆もまた同様である。

ここから図７および８を参照すると、本発明に従って熱亀裂を減少させる多層パッド１００の非限定的な実施形態は、概して、複数の層１０２、１０４、１０６を備え得る。複数の層のうちの少なくとも１つは、潤滑層であり得、例えば、それは、合金インゴットまたは他の合金加工物とダイまたは他の鍛造構造との間の摩擦を減少させ得る。少なくとも１つの層は、断熱層であり得、例えば、それは、ダイまたは他の鍛造構造から合金インゴットまたは他の合金加工物を断熱することができる。少なくとも１つの層は、断熱層であり得、例えば、それは、ダイまたは他の鍛造構造から合金インゴットまたは他の合金加工物を断熱することができる。種々の非限定的な実施形態では、潤滑層は、潤滑層が、例えば加工物および／またはダイと接触するように、多層パッド１００の外表面を形成できる。ある非限定的な実施形態では、潤滑層は、潤滑層が、例えば加工物およびダイ、または他の鍛造構造と接触するように、多層パッド１００の外表面を形成できる。ある非限定的な実施形態では、例えば、第１の外潤滑層は、加工物接触表面を備えることができ、第２の外潤滑層は、ダイ接触表面を備えることができる。

なおも図７および８を参照すると、本開示の例示的な実施形態では、層１０２および１０４は、潤滑層であってもよく、それは、加工物とダイとの間の摩擦を減少させ得る。更には、層１０６は、断熱層であり得、それは、ダイから加工物を断熱することができる。種々の非限定的な実施形態では、絶縁層１０６は、潤滑層１０２と１０４との間に位置付けられ得る。種々の非限定的な実施形態では、多層パッド１００は、更なる層を含み得る。例えば、多層パッドは、外潤滑層の間に複数の絶縁層を含み得る。他の非限定的な実施形態では、多層パッドは、例えば、複数の交互の絶縁および潤滑層を含み得る。

種々の非限定的な実施形態では、多層パッドの層は、一緒に固定され保持され得る。例えば、ここから図９および１０を参照すると、止め金１１８は、多層パッド１１０の少なくとも２つの層１１２、１１４、１１６を一緒に固定し得る。ある非限定的な実施形態では、多層パッド１１０は、例えば、２つの潤滑層１１２と１１４（図９）との間に挟まれた断熱層１１６を備え得る。止め金１１８は、例えば、スリーブまたはポケットを形成するように潤滑層１１２および１１４を貫通し得る。種々の非限定的な実施形態では、断熱層１１６は、滑動され得るか、または連結されたかまたは止められた外潤滑層１１２および１１４によって形成されたスリーブ内にそのように位置付けられ得る。種々の非限定的な実施形態では、止め金１１８の列は、多層パッド１１０に沿って延在し得る。例えば、止め金１１８の列は、多層パッド１１０の２つの側方に沿って延在し得る。絶縁層１１６は、例えば、止められていない側および／または多層パッド１１０の部分を通って滑動され得る。種々の非限定的な実施形態では、少なくとも１つの止め金１１８は、内絶縁層１１６を貫通し得る。例えば、絶縁層１１６は、外潤滑層１１２と１１４との間に位置付けられ得、止め金１１８は、例えば、外層および内層１１２、１１４、および１１６を通って適用され得る。そのような非限定的な実施形態では、止め金１１８は、例えば、外潤滑層１１２および１１４に対する内絶縁層１１６を保持し得る。

ここから図１１および１２を参照すると、ステッチング１２８（図１２）は、多層パッド１２０の層１２２、１２４、１２６を一緒に固定し得る。ある非限定的な実施形態では、多層パッド１２０は、例えば、２つの潤滑層１２２と１２４との間に挟まれた断熱層１２６を備え得る。種々の非限定的な実施形態では、潤滑外層１２２および１２４は、潤滑材料のシートから形成され得る。潤滑材料のシートは、例えば、スリーブまたはポケットを形成するように線１２７に沿って折られてもよく、ステッチングは、外潤滑層１２２および１２４を一緒に保持し得る。ある非限定的な実施形態では、ステッチング１２８は、多層パッド１１０の全周の少なくとも一部分の周りに延在し得る。ステッチングは、例えば、多層パッド１２０の非折り縁部に沿って延在し得る。種々の非限定的な実施形態では、断熱層１２６は、滑動され得るかまたは外潤滑層１２２および１２４によって形成されたスリーブ内にそのように位置付けられ得る。ある非限定的な実施形態では、ステッチング１２８の少なくとも一部分は、内断熱層１２６を通って延在し得る。そのような非限定的な実施形態では、ステッチング１２８は、外潤滑層１２２および１２４に対する内断熱層１２６を保持し得る。

種々の非限定的な実施形態では、本開示に従って鍛造ダイから加工物を断熱するための断熱層は、複数のセラミック繊維を含み得る。ある非限定的な実施形態に従うと、複数のセラミック繊維は、バンドル、ストリップまたはトウ、繊維、および／またはボードを含み得る。概して本明細書に使用される、「繊維」という用語は、不織布材料かまたはそのように繊維が構成された材料に、織られるか、編まれるか、フェルト加工されるか、または融合される材料を指す。ある非限定的な実施形態では、繊維は、複数の繊維を一緒に保持する固着剤を含み得る。ある非限定的な実施形態では、繊維は、糸、毛布、マット、紙、フェルト等のうちの１つ以上を含み得る。ある非限定的な実施形態では、断熱層は、例えば、耐火粘土繊維を含むセラミック繊維のようなセラミック繊維を含み得る。例えば、断熱層は、当業者に既知のＫＡＯＷＯＯＬ繊維を含み得、それは、アルミナ−シリカ耐火粘土を含む。種々の実施形態では、断熱層は、冷却器ダイから熱間加工された加工物を保護する、および／または２つの本体の間の熱伝導を阻止するかまたは十分に減少させるように十分に熱抵抗があり得る。絶縁層の熱抵抗は、例えば、多層パッドの潤滑層の熱抵抗よりも大きい場合がある。種々の非限定的な実施形態では、絶縁材料の熱伝導度は、例えば、１５００°Ｆ〜２０００°Ｆ（８１６℃〜１０９３℃）の間の温度であるための１．４５ＢＴＵ・ｉｎ／（ｈｒ・ｆｔ２・°Ｆ）〜２．０９ＢＴＵ・ｉｎ／（ｈｒ・ｆｔ２・°Ｆ）の範囲であり得る。

多層パッドの絶縁層（複数可）の厚さは、繊維の熱伝導度に従って様々であってもよい。ある非限定的な実施形態では、繊維は、例えば、０．５インチ、１．０インチ、または２インチの厚さを有し得る。更には、多層パッドのうちの１つ以上の断熱層の形態および厚さは、例えば、加工される特定の合金に亀裂が入り始める温度等の合金が熱間加工され得る温度範囲全体を考慮してもよい。熱間加工作業のための所与の開始温度で、いくつかの合金は、合金に亀裂が入り始める温度差のため、他の合金よりも広い温度範囲にわたって効率的に熱間加工され得る。比較的小さい熱間加工の温度範囲（すなわち、合金が熱間加工され得る最低温度と亀裂が入り始める温度との間の差）を有する合金については、１つ以上の断熱層の厚さ、よって、多層パッドの厚さは、亀裂が入り始める脆性の温度範囲まで加工物が冷却されるのを阻害するかまたは阻止するように、比較的大きくてもよい。同様に、比較的大きい熱間加工の温度範囲を有する合金については、１つ以上の断熱層の厚さ、よって、多層パッドの厚さは、亀裂が入り始める脆性の温度範囲まで下層の合金インゴットまたは他の合金加工物が冷却されないように阻害するかまたは阻止するように、比較的小さくてもよい。種々の非限定的な実施形態では、複数の絶縁層は、所望の絶縁効果を提供するのに十分な厚さを達成するように積層化および／または層化され得る。

種々の非限定的な実施形態では、本開示に従って加工物と鍛造ダイとの間の摩擦を減少させるための潤滑層は、ガラス繊維を含み得る。ガラス繊維は、例えば、１６５０°Ｆ〜２０５０°Ｆ（８９９℃〜１１２１℃）の間に融点を含み得、例えば、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｂ_２Ｏ_３ＴｉＯ、および／またはＣａＯを含み得る。ある非限定的な実施形態では、潤滑層は、低摩擦係数を有し得る。潤滑層は、例えば、加工物および／またはダイの摩擦係数より少ない摩擦係数を有し得る。ある非限定的な実施形態では、潤滑層は、例えば、絶縁層の摩擦係数より少ない摩擦係数を有し得る。種々の実施形態では、鍛造温度での潤滑層のための摩擦係数は、例えば、０．８〜１．０の範囲であり得る。逆に、金属のための摩擦係数は、合金および温度に応じて、０．３〜０．９の範囲であり得る。

ある非限定的な実施形態に従うと、熱亀裂を減少させるために合金インゴットまたは他の合金加工物を処理する方法は、概して、加工物の初期形成を含む。本明細書に記載される合金インゴットまたは他の合金加工物は、例えば、従来の冶金技術または粉末冶金技術を用いて、形成されてもよい。例えば、種々の非限定的な実施形態では、合金インゴットまたは他の合金加工物は、ＶＩＭ−ＶＡＲ作業として知られる、真空誘導溶解（ＶＩＭ）と真空アーク再溶解（ＶＡＲ）との組み合わせによって形成されてもよい。種々の他の非限定的な実施形態では、合金加工物は、エレクトロスラグ再溶解（ＥＳＲ）作業がＶＩＭ作業とＶＡＲ作業との中間に実施され、ＶＩＭ−ＥＳＲ−ＶＡＲ（すなわち、３つのことから構成される溶解）シーケンスを提供する、３つのことから構成される溶解技術によって形成され得る。他の非限定的な実施形態では、合金加工物は、溶融合金の微粒化および得られる冶金粉末の収集および合金加工物への圧密化を含む粉末冶金作業を用いて形成され得る。

ある非限定的な実施形態では、合金インゴットまたは他の合金加工物は、溶射形成作業を用いて形成され得る。例えば、ＶＩＭを使用して、原料から塩基合金組成物を調製し得る。ＥＳＲ作業は、任意に、ＶＩＭの後に使用されてもよい。溶融合金は、ＶＩＭまたはＥＳＲ溶解プールから抽出され得、微粒化されて溶融液滴を形成し得る。溶融合金は、例えば、低温壁誘導ガイド（ｃｏｌｄｗａｌｌｉｎｄｕｃｔｉｏｎｇｕｉｄｅ）（ＣＩＧ）を用いて溶解プールから抽出されてもよい。溶融合金液滴は、溶射形成作業を用いて、成形型の中かまたはマンドレルまたは他の表面上に堆積されてもよく、凝固された合金加工物を形成する。

ある非限定的な実施形態では、合金インゴットまたは他の合金加工物は、熱間等方圧加圧（ＨＩＰ）を用いて形成され得る。ＨＩＰは、概して、粉末材料を一体化したプレフォームに圧縮し圧密化する、例えば、アルゴンのような高圧および高温ガスの等方圧適用を指す。粉末は、密封容器によって高圧および高温ガスから分離され得、圧縮され圧密化されたガスと粉末との間の圧力壁として機能する。密封容器は、可塑的に変形して粉末を圧縮し得、高温は、効率的に、個別の粉末粒子を一緒に焼結して一体化したプレフォームを形成し得る。均一な圧縮圧力は、粉末全体にわたって適用され得、均質な密度分布がプレフォームに達成され得る。例えば、ほぼ等原子比のニッケル−チタン合金粉末が、例えば、鋼缶のような金属容器に充填され得、脱ガスされて吸湿した水分および捕捉したガスを除去し得る。ほぼ等原子比のニッケル−チタン合金粉末を含有する容器は、例えば、溶接することによって、真空下で密封され得る。密封された容器は、次いで、容器におけるニッケル−チタン合金粉末の完全な高密度化を達成するのに十分な温度および圧力下でＨＩＰ化され得、それによって、完全に高密度化されたほぼ等原子比のニッケル−チタン合金のプレフォームを形成し得る。

初期の加工物形成の後に、熱亀裂を減少させるために合金インゴットまたは他の合金加工物を処理する非限定的な方法は、概して、加工物を加熱することおよび／または加工物の表面を調整することを含む。ある非限定的な実施形態では、合金加工物は、加工物の合金組成および微細構造を均質化するように高温に曝露され得る。高温は、合金の再結晶温度を超えるが合金の融点温度を下回っていてもよい。合金加工物は、例えば、研削および／または加工物の表面を剥離することによって、表面調整され得る。加工物はまた、例えば、紙やすりで磨かれてもよく、および／またはバフ研磨されてもよい。表面調整作業は、例えば、高温での均質化のような、任意の熱処理ステップの前におよび／または後に実施され得る。

ある非限定的な実施形態に従うと、熱亀裂を減少させるために合金インゴットまたは他の合金加工物を処理する方法は、概して、加工物を熱間加工することを含む。加工物を熱間加工することは、加工物に力を適用して加工物を可塑的に変形させることを含み得る。力は、例えば、ダイおよび／またはロールを用いて適用され得る。種々の非限定的な実施形態では、本開示に従う多層パッドは、加工物の少なくとも一部分とダイ（複数可）または他の鍛造構造の少なくとも一部分との間に位置付けられ得る。例えば、ここから図４Ａおよび４Ｂを参照すると、加工物４０を熱間加工することは、自由ダイにおいて加工物４０を据え込み鍛造することを含み得る。自由ダイは、例えば、第１のダイ部分５０および第２のダイ部分５２を含み得る。種々の非限定的な実施形態では、加工物４０は、第１のダイ部分５０と第２のダイ部分５２との間に固定され得、それによって加工物４０がその間で可塑的に変形される（図４Ｂ）。ある非限定的な実施形態では、多層パッド１３０、１４０は、加工物４０の少なくとも一部分とダイ部分５０、５２のうちの１つとの間に位置付けられ得る。例えば、第１の多層パッド１４０は、第１のダイ部分５０と加工物４０との間に位置付けられ得、第２の多層パッド１３０は、例えば、第２のダイ部分５２と加工物４０との間に位置付けられ得る。多層パッド１３０、１４０は、加工物４０および／またはダイ４０、５０に固定され得る。種々の実施形態では、多層パッド１３０、１４０は、加工物４０上に置かれ、例えば、重力によって所定の位置に保持され得る。多層パッド１３０、１４０は、予め変形された加工物４０および／または変形された加工物４０ａの少なくとも一部分を被覆するように任意の好適な幅および長さを有し得る。多層パッド１３０、１４０の幅および長さは、例えば、加工物４０およびダイ４０、５０の大きさおよび／または形状に従って様々であり得る。種々の非限定的な実施形態では、多層パッド１３０、１４０は、例えば、加工物４０とダイ部分５０、５２との間の全体の界面を被覆し得る。他の非限定的な実施形態では、多層パッド１３０、１４０は、例えば、加工物４０とダイ部分５０、５２との間の界面を部分的にのみ被覆し得る。

ここから図５を参照すると、加工物８０を熱間加工することは、圧入ダイ７０において加工物８０を据え込み鍛造することを含み得る。圧入ダイ７０は、例えば、パンチ７２を含み得、それは、例えば、圧入および／または実質的に扁平な穿孔表面を含み得る。種々の非限定的な実施形態では、加工物８０は、圧入ダイ７０とパンチ７２との間に固定され得、それによって加工物８０がその間で可塑的に変形される。ある非限定的な実施形態では、多層パッド１５０、１６０は、加工物８０の少なくとも一部分とダイ７０および／またはパンチ７２との間に位置付けられ得る。例えば、第１の多層パッド１５０は、パンチ７２の少なくとも一部と加工物８０の少なくとも一部との間に位置付けられ得、第２の多層パッド１６０は、例えば、圧入ダイ７０の少なくとも一部と加工物８０の少なくとも一部との間に位置付けられ得る。多層パッド１５０、１６０は、例えば、加工物８０および／またはダイ７０および／またはパンチ７２に固定され得る。種々の実施形態では、多層パッド１５０、１６０は、加工物８０上に置かれ、例えば、重力によって所定の位置に保持され得る。多層パッド１５０、１６０は、加工物８０の少なくとも一部分を被覆するように任意の好適な幅および長さを有し得る。多層パッド１５０、１６０の幅および長さは、加工物８０の大きさおよび／または形状に従って様々であり得る。種々の非限定的な実施形態では、多層パッド１５０、１６０は、例えば、加工物８０とダイ部分７０、７２との間の全体の界面を被覆し得る。他の非限定的な実施形態では、多層パッド１５０、１６０は、例えば、加工物８０とダイ部分７０、７２との間の界面を部分的にのみ被覆し得る。

ここから図６Ａおよび６Ｂを参照すると、図５に描写される、すなわち、加工物８０と圧入ダイ７０との間および加工物８０とパンチ７２との間に位置付けられた多層パッド１５０、１６０を用いて、圧入ダイ据え込み鍛造システムによって形成された締結具８４は、締結具頭部８６を含み得る。図６Ｂに示されるように、据え込み鍛造作業中に形成された締結具頭部８６は、例えば、実質的に表面亀裂を含まない外表面８８を備え得る。比較すると、図１Ａ〜１Ｃに描写される圧入ダイ据え込み鍛造作業によって、すなわち、多層パッドの使用なく形成された締結具２４（図２Ａおよび２Ｂ）は、その外表面２４上に著しくより大きい表面亀裂を含む。

ある非限定的な実施形態では、加工物を熱間加工することは、１５００°Ｆ〜２５００°Ｆの温度で加工物を熱間加工することを含み得る。当然、当業者には明白であるように、熱間加工が特定の合金加工物に起こり得る温度範囲は、例えば、合金組成および微細構造、加工物の大きさおよび形状、および用いられた特定の熱間加工技術を含む要因によって影響される。ある非限定的な実施形態では、加工物を熱間加工することは、鍛造作業および／または押出成形作業を含み得る。例えば、加工物は、据え込み鍛造および／または引き出し鍛造され得る。種々の非限定的な実施形態では、方法は、鍛造によって加工物を熱間加工することを含み得る。種々の非限定的な実施形態では、方法は、１５００°Ｆ〜２５００°Ｆの温度で鍛造によって加工物を熱間加工することを含み得る。種々の非限定的な実施形態では、方法は、押出成形によって加工物を熱間加工することを含み得る。種々の非限定的な実施形態では、方法は、１５００°Ｆ〜２５００°Ｆの温度で押出成形によって加工物を熱間加工することを含み得る。

据え込みおよび引き出し鍛造作業は、据え込み鍛造作業の１つ以上のシーケンスおよび引き出し鍛造作業の１つ以上のシーケンスを含み得る。据え込み鍛造作業中、合金インゴットまたは他の合金加工物の端表面は、加工物に力を適用し、加工物の長さを圧縮し加工物の断面を増大させる鍛造ダイの間に位置付けられてもよい。本開示に従う多層パッドは、例えば、鍛造ダイと合金インゴットまたは他の合金加工物の端表面との間に位置付けられ得る。引き出し作業中、側表面（例えば、円柱状加工物の周面）は、加工物の断面を圧縮し加工物の長さを増大させる合金インゴットまたは他の合金加工物に力を適用する鍛造ダイの間に位置付けられてもよい。本開示に従う多層パッドは、例えば、鍛造ダイと合金インゴットまたは他の合金加工物の側面との間に位置付けられ得る。

種々の非限定的な実施形態では、合金インゴットまたは他の合金加工物は、１つ以上の据え込みおよび引き出し鍛造作業に供され得る。例えば、３つのことから構成される据え込みおよび引き出し鍛造作業では、加工物は、最初に据え込み鍛造され、次いで引き出し鍛造され得る。据え込みおよび引き出しシーケンスは、合計で３つの連続する据え込みおよび引き出し鍛造作業に対して更に２回繰り返され得る。種々の非限定的な実施形態では、加工物は、１つ以上の押出成形作業に供され得る。例えば、押出成形作業では、円柱状加工物は、環状のダイを通って押し出され得、それによって、直径を減少させ加工物の長さを増大させ得る。他の熱間加工技術は、当業者には明らかであり、本開示に従う多層パッドおよび方法は、過度の実験方法の必要なく、そのような他の技術のうちの１つ以上の使用のために適合され得る。

本明細書に記載の方法は、亀裂感受性合金に関連して使用するために有利であるが、本方法は、概して、例えば、熱間加工温度で比較的低い延性によって特徴付けられる合金、１０００°Ｆ〜２２００°Ｆの温度で熱間加工された合金、および概して亀裂を起こしやすくない合金を含む任意の合金に対しても適用可能であることを理解されたい。本明細書に使用される、「合金」という用語は、従来の合金、超合金、および他の要素の偶発的レベルのみを含む金属を含む。当該分野の当業者によって理解されるように、超合金は、比較的良好な表面安定性、腐食および酸化抵抗性、高い強度、および高温での高クリープ抵抗性を呈する。

本明細書の種々の実施形態に従って処理され得る合金加工物は、任意の好適な形態であってもよい。特定の非限定的な実施形態では、例えば、合金加工物は、インゴット、ビレット、バー、プレート、管、焼結されたプレフォーム等を含んでもよい。

種々の非限定的な実施形態では、本明細書に開示される方法は、鋳型、圧密化、または溶射形成されたインゴットの形態の合金インゴットから鍛造されたビレットを作製するように使用されてもよい。ビレットまたは他の加工された物品へのインゴットの鍛造変換または押出成形変換は、以前の加工物に比べて物品のより細かい粒状構造を作製し得る。本明細書に説明される方法および処理は、本開示に従う多層パッドが、鍛造中および／または押出成形作業中、加工物の表面亀裂の発生率を減少させ得るため、加工物からの鍛造または押出成形された作製物（例えば、ビレットのような）の生産率を改善し得る。例えば、本開示に従って加工物の表面の少なくとも１つの領域とダイとの間に提供された多層パッドは、加工ダイによって生じた歪みに、より容易に耐容性を示し得ることが観察された。本開示に従って加工物の表面の少なくとも１つの領域とダイとの間に提供された多層パッドは、熱間加工中、加工ダイと加工物との間の温度差に、より容易に耐容性を示し得ることも観察された。このようにして、表面亀裂の開始が加工中に下層の合金加工物で阻止または減少されることが観察された。

種々の非限定的な実施形態では、本開示に従って種々の合金上に配置された多層パッドを有する種々の合金の合金インゴットまたは他の合金加工物は、種々の物品を製作するように使用され得る作製物を形成するように熱間加工されてもよい。例えば、本明細書に記載される処理の実施形態は、ニッケル基合金、鉄基合金、ニッケル−鉄基合金、チタン基合金、チタン−ニッケル基合金、コバルト基合金、ニッケル基超合金、および他の超合金のうちのいずれかからビレットを形成するように使用され得る。熱間加工されたインゴットまたは他の合金加工物から形成されたビレットまたは他の作製物を使用して、例えば、タービンエンジンおよび種々の陸上型タービンのためのディスクおよびリングのような、タービン構成要素を含む物品を製作し得るが、これらに限定されない。本明細書に記載の種々の非限定的な実施形態に従って処理された合金インゴットまたは他の合金加工物から製作された他の物品は、バルブ構成要素、エンジン構成要素、シャフト、および締結具を含み得るが、これらに限定されない。
本発明は以下の態様を含む。
[１]
加工物を鍛造するためのシステムであって、
ダイと、
合金加工物と、
前記ダイの少なくとも一部分と前記合金加工物の少なくとも一部分との中間に位置付けられたパッドと、を備え、前記パッドが、
第１の熱抵抗および第１の摩擦係数を含む、第１の層と、
第２の熱抵抗および第２の摩擦係数を含む、第２の層と、を含む、複数の層を含み、前記第１の熱抵抗が、前記第２の熱抵抗より大きく、前記第１の摩擦係数が、前記第２の摩擦係数より大きい、システム。
[２]
前記第２の層が、ガラス繊維を含む、[１]に記載のシステム。
[３]
前記第１の層が、ＫＡＯＷＯＯＬ（登録商標）を含む、[１]に記載のシステム。
[４]
前記第１の層が、耐火粘土繊維を含む、[１]に記載のシステム。
[５]
前記複数の層を一緒に保持するように適合された締結具を更に備える、[１]に記載のシステム。
[６]
第３の熱抵抗および第３の摩擦係数を含む第３の層を更に備え、前記第１の熱抵抗が、前記第３の熱抵抗より大きく、前記第１の摩擦係数が、前記第３の摩擦係数より大きく、前記第１の層が、前記第２の層と第３の層との中間に位置付けられる、[１]に記載のシステム。
[７]
前記第２の層が、加工物接触表面を更に備え、前記第３の層が、ダイ接触表面を更に備える、[６]に記載のシステム。
[８]
前記合金加工物が、インゴット、ビレット、バー、プレート、管、および焼結されたプレフォームのうちの１つを含む、[１]に記載のシステム。
[９]
前記合金加工物が、ニッケル基合金、ニッケル基超合金、鉄基合金、ニッケル−鉄基合金、チタン基合金、チタン−ニッケル基合金、およびコバルト基合金からなる群から選択される材料を含む、[１]に記載のシステム。
[１０]
前記合金加工物が、７１８合金（ＵＮＳ番号Ｎ０７７１８）、７２０合金（ＵＮＳ番号Ｎ０７７２０）、Ｒｅｎｅ４１合金（ＵＮＳ番号Ｎ０７０４１）、Ｒｅｎｅ６５合金、Ｒｅｎｅ８８合金、Ｗａｓｐａｌｏｙ（登録商標）合金（ＵＮＳ番号Ｎ０７００１）、およびＩｎｃｏｎｅｌ（登録商標）１００合金からなる群から選択される材料を含む、[９]に記載のシステム。
[１１]
前記ダイが、据え込み鍛造ダイおよびパンチを備え、前記パッドが、前記据え込み鍛造ダイの少なくとも一部分と前記合金加工物との間に位置付けられ、前記システムが、第２のパッドを更に備え、前記第２のパッドが、前記パンチの少なくとも一部分と合金加工物との間に位置付けられる、[１]に記載のシステム。
[１２]
鍛造作業中に使用するための多層パッドであって、
第１の潤滑層と、
第２の潤滑層と、
第１の絶縁層と、を備え、前記第１の絶縁層が、前記第１の潤滑層と第２の潤滑層との中間に位置付けられる、多層パッド。
[１３]
前記第１の潤滑層が、加工物接触表面を更に備え、前記第２の潤滑層が、ダイ接触表面を更に備える、[１２]に記載の多層パッド。
[１４]
前記第１および第２の潤滑層のうちの少なくとも１つが、ガラス繊維を含む、[１２]に記載の多層パッド。
[１５]
前記第１の絶縁層が、セラミック繊維を含む、[１２]に記載の多層パッド。
[１６]
前記第１の絶縁層が、ＫＡＯＷＯＯＬ（登録商標）を含む、[１２]に記載の多層パッド。
[１７]
前記第１および第２の潤滑層の前記摩擦係数が、前記第１の絶縁層の前記摩擦係数より小さい、[１２]に記載の多層パッド。
[１８]
前記第１の絶縁層の熱伝導度が、前記第１および第２の潤滑層の熱伝導度より小さい、[１２]に記載の多層パッド。
[１９]
少なくとも前記第１および第２の潤滑層を互いに対して締結するための締結具を更に備える、[１２]に記載の多層パッド。
[２０]
前記第１および第２の潤滑層が、前記絶縁層のためのスリーブを形成する、[１２]に記載の多層パッド。
[２１]
合金加工物を処理するための方法であって、
周囲温度を超える温度に前記合金加工物を加熱することと、
前記合金加工物とダイとの間に、多層パッドであって、潤滑層および熱抵抗層を備える、多層パッドを位置付けることと、
前記合金加工物を熱間加工することと、を含む、方法。
[２２]
前記合金加工物を熱間加工することが、前記合金加工物に前記ダイを用いて力を適用して前記合金加工物を変形させることを含む、[２１]に記載の方法。
[２３]
前記合金加工物に前記ダイを用いて力を適用して前記合金加工物を変形させることが、前記合金加工物を据え込み鍛造することを含む、[２２]に記載の方法。
[２４]
前記合金加工物と少なくとも１つのダイとの間に複数の多層パッドを位置付けることを更に含む、[２１]に記載の方法。
[２５]
前記合金加工物を予備成形することを更に含む、[２１]に記載の方法。
[２６]
前記熱間加工された合金加工物から物品を製作することを更に含み、前記物品が、ジェットエンジン構成要素、陸上型タービン構成要素、バルブ、エンジン構成要素、シャフト、および締結具からなる群から選択される、[２１]に記載の方法。
[２７]
周囲温度を超える温度に前記合金加工物を加熱することが、前記合金の再結晶温度を超えかつ前記合金の融点温度を下回るように前記合金加工物を加熱することを含む、[２１]に記載の方法。
[２８]
前記合金加工物が、インゴット、ビレット、バー、プレート、管、および焼結されたプレフォームのうちの１つを含む、[２１]に記載の方法。
[２９]
前記合金加工物が、亀裂感受性合金を含む、[２１]に記載の方法。
[３０]
前記合金加工物が、７１８合金（ＵＮＳ番号Ｎ０７７１８）、７２０合金（ＵＮＳ番号Ｎ０７７２０）、Ｒｅｎｅ４１合金（ＵＮＳ番号Ｎ０７０４１）、Ｒｅｎｅ６５合金、Ｒｅｎｅ８８合金、Ｗａｓｐａｌｏｙ（登録商標）合金（ＵＮＳ番号Ｎ０７００１）、およびＩｎｃｏｎｅｌ（登録商標）１００合金からなる群から選択される材料を含む、[２９]に記載の方法。
[３１]
前記潤滑層が、ガラス繊維を含む、[２２]に記載の方法。
[３２]
前記潤滑層の前記摩擦係数が、前記熱抵抗層の前記摩擦係数より小さい、[３１]に記載の方法。
[３３]
前記熱抵抗層が、ＫＡＯＷＯＯＬ（登録商標）を含む、[２１]に記載の方法。
[３４]
前記熱抵抗層の前記熱抵抗が、前記潤滑層の前記熱抵抗より大きい、[３３]に記載の方法。
[３５]
[２１]に記載の方法によって処理される合金加工物。
[３６]
[２１]に記載の方法によって合金加工物から形成される熱間加工物品。

本開示は、種々の例示的な実例とするおよび非限定的な実施形態を参照して記述されている。しかしながら、開示される実施形態（またはその部分）のうちのいずれかの種々の代替、修正、または組み合わせが、特許請求の範囲によってのみ定義されるように本発明の範囲から逸脱することなく行われ得ることが、当業者によって認識される。したがって、本開示が、本明細書に明示的に説明されていない更なる実施形態を包含することが考えられ理解される。そのような実施形態は、例えば、本明細書に記載される実施形態のうちの開示されたステップ、材料、構成物、構成要素、要素、特性、態様、特徴、制限等のうちのいずれかを、組み合わせること、修正すること、または再編成することによって、得られてもよい。よって、本開示は、種々の例示的な実例とする非限定的な実施形態の説明によっては限定されず、むしろ特許請求の範囲のみによる。このようにして、出願者らは、本明細書に多様に記載される通り、特性を付加するように起訴中特許請求の範囲を修正する権利を留保する。

Claims

加工物を鍛造するためのシステムであって、
ダイと、
合金加工物と、
前記ダイの少なくとも一部分と前記合金加工物の少なくとも一部分との中間に位置付けられたパッドと、を備え、前記パッドが、
第１の熱抵抗および第１の摩擦係数を含み、セラミック繊維を含む、断熱層である第１の層と、
第２の熱抵抗および第２の摩擦係数を含む、潤滑層である第２の層と、
第３の熱抵抗および第３の摩擦係数を含む、潤滑層である第３の層と、を含む、複数の層を含み、
ここで、
前記第２の層および前記第３の層のそれぞれはガラス繊維を含み、
前記第１の熱抵抗が、前記第２の熱抵抗および前記第３の熱抵抗より大きく、
前記第１の摩擦係数が、前記第２の摩擦係数および前記第３の摩擦係数より大きく、
前記複数の層のうち前記第２の層および前記第３の層は、一緒に固定されてスリーブを形成しており、そして
前記第１の層は前記スリーブの中に位置する、前記システム。
前記第１の層が、ＫＡＯＷＯＯＬ（登録商標）を含む、請求項１に記載のシステム。
前記第１の層が、耐火粘土繊維を含む、請求項１に記載のシステム。
前記第２の層が、加工物接触表面を更に備え、前記第３の層が、ダイ接触表面を更に備える、請求項１に記載のシステム。
前記合金加工物が、インゴット、ビレット、バー、プレート、管、および焼結されたプレフォームのうちの１つを含む、請求項１に記載のシステム。
前記合金加工物が、ニッケル基合金、ニッケル基超合金、鉄基合金、ニッケル−鉄基合金、チタン基合金、チタン−ニッケル基合金、およびコバルト基合金からなる群から選択される材料を含む、請求項１に記載のシステム。
前記合金加工物が、７１８合金（ＵＮＳ番号Ｎ０７７１８）、７２０合金（ＵＮＳ番号Ｎ０７７２０）、Ｒｅｎｅ４１合金（ＵＮＳ番号Ｎ０７０４１）、Ｒｅｎｅ６５合金、Ｒｅｎｅ８８合金、ＷＡＳＰＡＬＯＹ（登録商標）合金（ＵＮＳ番号Ｎ０７００１）、およびＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）１００合金からなる群から選択される材料を含む、請求項６に記載のシステム。
前記ダイが、据え込み鍛造ダイおよびパンチを備え、前記パッドが、前記据え込み鍛造ダイの少なくとも一部分と前記合金加工物との間に位置付けられ、前記システムが、第２のパッドを更に備え、前記第２のパッドが、前記パンチの少なくとも一部分と前記合金加工物との間に位置付けられる、請求項１に記載のシステム。
前記複数の層のうち前記第２の層および前記第３の層は、少なくとも一つの締結具によって一緒に固定されている、請求項１に記載のシステム。
前記複数の層のうち前記第２の層および前記第３の層は、少なくとも一つのステッチングまたは止め具によって一緒に固定されている、請求項１に記載のシステム。