JP2020032466A - 鍛造製品および他の加工製品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】未鍛造プリフォームと比較して改善された特性を提供する。【解決手段】鍛造製品および他の加工製品の製造方法として以下の方法を行う。一実施形態における方法は、金属造形プリフォームを製造するためにアディティブ・マニュファクチャリング（１００）を使用する工程と、前記使用工程（１００）後に前記金属造形プリフォームを最終鍛造製品に鍛造する工程（２００）とを含む。前記最終鍛造製品を場合により焼鈍（３００）することがある。【選択図】図２

Description

金属製品は、鍛造作業によって成形されることがある。金属製品を鍛造するために、幾つかの連続する金型（平板金型および／または違う形の金型）が部品ごとに使用されることがあり、この場合、最初の金型の平板金型または金型キャビティは、その特定の金型の形状によって画定される第一の形状に鍛造用素材を変形させるように設計されており、次の金型は、前記素材の鍛造変形における次の連続工程を行うための形をしており、そして最後の金型が鍛造部品に完全変形形状をもたらすまで同じように続く。米国特許第４，０５５，９７５号明細書を参照されたい。

概して、本特許出願は、加工金属製品（例えば、鍛造金属製品；他のタイプの熱間加工および／または冷間加工金属製品）の改善された製造方法に関する。

一実施形態における方法は、金属造形プリフォームを製造するためにアディティブ・マニュファクチャリング(additive manufacturing)を使用する工程を含む。その使用工程後、金属造形プリフォームは、最終鍛造製品に鍛造されうる。一実施形態において、鍛造工程は、単型鍛造工程を含む。一実施形態において、金属プリフォームは、チタン、アルミニウム、ニッケル、鋼およびステンレス鋼のうちの少なくとも１つを含む。一実施形態において、金属造形プリフォームは、チタン合金であってもよい。例えば、金属造形プリフォームは、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金を含むことがある。別の実施形態において、金属造形プリフォームは、アルミニウム合金であってもよい。さらに別の実施形態において、金属造形プリフォームは、ニッケル合金であってもよい。さらに別の実施形態において、金属造形プリフォームは、鋼およびステンレス鋼の一方であってもよい。別の実施形態において、金属造形プリフォームは、金属基複合材を含むことがある。さらに別の実施形態において、金属造形プリフォームは、チタンアルミナイドを含むことがある。例えば、一実施形態において、チタン合金は、少なくとも４８重量％Ｔｉと少なくとも１つのチタンアルミナイド相とを含むことがあり、前記少なくとも１つのチタンアルミナイド相は、Ｔｉ_３Ａｌ、ＴｉＡｌおよびこれらの組み合わせから成る群より選択される。別の実施形態において、チタン合金は、少なくとも４９重量％Ｔｉを含む。さらに別の実施形態において、チタン合金は、少なくとも５０重量％Ｔｉを含む。別の実施形態において、チタン合金は、５〜４９重量％アルミニウムを含む。さらに別の実施形態において、チタン合金は、３０〜４９重量％アルミニウムを含み、前記チタン合金は、少なくとも多少のＴｉＡｌを含む。さらに別の実施形態において、チタン合金は、５〜３０重量％アルミニウムを含み、前記チタン合金は、少なくとも多少のＴｉ_３Ａｌを含む。

鍛造工程は、金属造形プリフォームを素材温度に加熱する段階、および前記金属造形プリフォームを鍛造金型と接触させる段階を含むことがある。一実施形態において、接触段階を開始するとき、鍛造金型は、素材温度より少なくとも５．６℃（１０°Ｆ）低い温度であってもよい。別の実施形態において、接触段階を開始するとき、鍛造金型は、素材温度より少なくとも１３．９℃（２５°Ｆ）低い温度である。さらに別の実施形態において、接触段階を開始するとき、鍛造金型は、素材温度より少なくとも２７．８℃（５０°Ｆ）低い温度である。別の実施形態において、接触段階を開始するとき、鍛造金型は、素材温度より少なくとも５５．６℃（１００°Ｆ）低い温度である。さらに別の実施形態において、接触段階を開始するとき、鍛造金型は、素材温度より少なくとも１１１．１℃（２００°Ｆ）低い温度である。

一態様において、最終鍛造製品は、エンジンの構成要素である。一実施形態において、最終鍛造製品は、ジェットエンジンのブレードである。別の実施形態では、下で説明するように、最終鍛造製品は、エンジンコンテインメントリングである。

別の態様における方法は、金属造形プリフォームを製造するためにアディティブ・マニュファクチャリングを使用する工程、および前記使用工程と同時に、または前記使用工程の後に、前記金属造形プリフォームを、（ｉ）圧延、（ｉｉ）リング圧延、（ｉｉｉ）リング鍛造、（ｉｖ）造形圧延（shaped rolling）、（ｖ）押出および（ｖｉ）これらの組み合わせの少なくとも１つによって、最終加工製品に加工する工程を含むことがある。一実施形態において、前記加工は、圧延である。別の実施形態において、前記加工は、リング圧延である。さらに別の実施形態において、前記加工は、リング鍛造である。別の実施形態において、前記加工は、造形圧延である。さらに別の実施形態において、前記加工は、押出である。

金属造形プリフォームが、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金を含む場合、鍛造工程は、金属造形プリフォームを素材温度に加熱する段階、および前記金属造形プリフォームを鍛造金型と接触させる段階を含むことがある。これに関して、接触段階は、金属造形プリフォームを鍛造金型によって変形させることを含むことがある。一実施形態において、接触段階は、金属造形プリフォームを鍛造金型によって変形させて、０．０５から１．１０の真歪を前記金属造形プリフォームにおいて実現することを含む。別の実施形態において、接触段階は、金属造形プリフォームを鍛造金型によって変形させて、少なくとも０．１０の真歪を前記金属造形プリフォームにおいて実現することを含む。さらに別の実施形態において、接触段階は、金属造形プリフォームを鍛造金型によって変形させて、少なくとも０．２０の真歪を前記金属造形プリフォームにおいて実現することを含む。別の実施形態において、接触段階は、金属造形プリフォームを鍛造金型によって変形させて、少なくとも０．２５の真歪を前記金属造形プリフォームにおいて実現することを含む。さらに別の実施形態において、接触段階は、金属造形プリフォームを鍛造金型によって変形させて、少なくとも０．３０の真歪を前記金属造形プリフォームにおいて実現することを含む。別の実施形態において、接触段階は、金属造形プリフォームを鍛造金型によって変形させて、少なくとも０．３５の真歪を前記金属造形プリフォームにおいて実現することを含む。別の実施形態において、接触段階は、金属造形プリフォームを鍛造金型によって変形させて、１．００以下の真歪を前記金属造形プリフォームにおいて実現することを含む。さらに別の実施形態において、接触段階は、金属造形プリフォームを鍛造金型によって変形させて、０．９０以下の真歪を前記金属造形プリフォームにおいて実現することを含む。別の実施形態において、接触段階は、金属造形プリフォームを鍛造金型によって変形させて、０．８０以下の真歪を前記金属造形プリフォームにおいて実現することを含む。さらに別の実施形態において、接触段階は、金属造形プリフォームを鍛造金型によって変形させて、０．７０以下の真歪を前記金属造形プリフォームにおいて実現することを含む。別の実施形態において、接触段階は、金属造形プリフォームを鍛造金型によって変形させて、０．６０以下の真歪を前記金属造形プリフォームにおいて実現することを含む。さらに別の実施形態において、接触段階は、金属造形プリフォームを鍛造金型によって変形させて、０．５０以下の真歪を前記金属造形プリフォームにおいて実現することを含む。別の実施形態において、接触段階は、金属造形プリフォームを鍛造金型によって変形させて、０．４５以下の真歪を前記金属造形プリフォームにおいて実現することを含む。上で述べたように、鍛造工程は、金属造形プリフォームを素材温度に加熱する段階を含むことがある。

一態様において、鍛造工程は、金属造形プリフォームを素材温度に加熱する段階を含むことがある。１つのアプローチでは、金属造形プリフォームを８５０℃から９７８℃の素材温度に加熱する。一実施形態では、金属造形プリフォームを少なくとも９００℃の素材温度に加熱する。別の実施形態では、金属造形プリフォームを少なくとも９５０℃の素材温度に加熱する。さらに別の実施形態では、金属造形プリフォームを少なくとも９６０℃の素材温度に加熱する。別の実施形態では、金属造形プリフォームを９７５℃以下の素材温度に加熱する。さらに別の実施形態では、金属造形プリフォームを９７３℃以下の素材温度に加熱する。

一態様において、金属造形プリフォームを製造するためにアディティブ・マニュファクチャリングを使用する工程は、材料を、アディティブ・マニュファクチャリングによって、構築用支持体に付加し、それによって金属造形プリフォームを製造することを含むことがある。一実施形態において、前記材料は、第一の強度を有する第一の材料であり、前記構築用支持体は、第二の強度を有する第二の材料から成る。第一の材料は、第一の疲労特性を有することがあり、第二の材料は、第二の疲労特性を有することがある。例えば、低い強度および高い靭性を有する第一の材料の層を、アディティブ・マニュファクチャリングによって、高い強度および低い靭性を有する第二の材料から成る構築用支持体に付加し、それによって、例えば弾道用途に、有用な金属造形プリフォームを製造することができるだろう。

一実施形態において、構築用支持体は、第一の材料の第一のリングを含み、使用工程は、第二の材料を、アディティブ・マニュファクチャリングによって、前記第一のリングに付加し、それによって、前記第一のリングと一体である第二のリングを形成することを含む。これに関して、

別の態様では、前記方法が鍛造工程後に最終鍛造製品を焼鈍する工程を含むこともある。一実施形態において、金属造形プリフォームがＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金を含む場合、焼鈍工程は、最終鍛造製品を約６４０℃から約８１６℃の温度に加熱する段階を含むことがある。別の実施形態において、金属造形プリフォームがＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金を含む場合、焼鈍工程は、最終鍛造製品を約６７０℃から約７５０℃の温度に加熱する段階を含むことがある。さらに別の実施形態において、金属造形プリフォームがＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金を含む場合、焼鈍工程は、最終鍛造製品を約７００℃から約７４０℃の温度に加熱する段階を含むことがある。別の実施形態において、金属造形プリフォームがＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金を含む場合、焼鈍工程は、最終鍛造製品を約７３２℃の温度に加熱する段階を含むことがある。

最終鍛造製品の製造方法の一実施形態の略図である。

任意選択の焼鈍工程を含む、最終鍛造製品の製造方法の一実施形態の略図である。

実施例１のデータを示すグラフである。 実施例１のデータを示すグラフである。

一体化している構築用支持体を含む最終鍛造製品の製造方法の一実施形態の略図である。

一体化している構築用支持体を含む最終鍛造製品の製造方法の別の実施形態の略図である。

円筒形プリフォームの横方向および長手方向を示す説明図である。

横方向から撮影した、構築完了時Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ金属造形プリフォームの一実施形態の顕微鏡写真である。

横方向から撮影した、予熱Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ金属造形プリフォームの一実施形態の顕微鏡写真である。

横方向から撮影した、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ最終鍛造製品の一実施形態の顕微鏡写真である。

横方向から撮影した、焼鈍Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ最終鍛造製品の一実施形態の顕微鏡写真である。

次に、本開示が提供する新規技術の様々な関連実施形態の説明に少なくとも役立つ添付の図面に詳細に言及する。

鍛造金属製品の新規製造方法の一実施形態を図１に示す。図示する実施形態における方法は、アディティブ・マニュファクチャリングによって金属造形プリフォームを作製する工程（１００）、続いて前記金属造形プリフォームを最終鍛造製品（例えば、ネットシェイプ製品またはニアネットシェイプ製品）に鍛造する工程（２００）を含む。鍛造工程（２００）後、最終鍛造製品は、さらなる機械加工または他の加工処理工程を必要とせず、したがって、より低い総製造原価を助長しうる。さらに、最終鍛造製品は、（例えば、単なるアディティブ・マニュファクチャリングにより製造された構造要素に関して）改善された特性を実現しうる。

アディティブ・マニュファクチャリング工程（１００）は、金属造形プリフォームを作製する。アディティブ・マニュファクチャリング、すなわち３Ｄプリンティングは、デジタルプリント技術を用いて材料の層を次々に堆積させる製法である。したがって、精密設計製品を製造することができる。アディティブ・マニュファクチャリング工程（１００）によって製造される金属造形プリフォームは、例えば、数ある中でも、チタン、アルミニウム、ニッケル（例えば、ＩＮＣＯＮＥＬ）、鋼およびステンレス鋼の金属または合金を含む、アディティブ・マニュファクチャリングと鍛造の両方に適しているいずれの金属製であってもよい。チタンの合金は、主合金元素としてチタンを有する合金である。アルミニウムの合金は、主合金元素としてアルミニウムを有する合金である。ニッケルの合金は、主合金元素としてニッケルを有する合金である。鋼の合金は、主合金元素としての鉄と、少なくとも多少の炭素とを有する合金である。ステンレス鋼の合金は、主合金元素としての鉄と、少なくとも多少の炭素と、少なくとも多少のクロムとを有する合金である。一実施形態において、金属造形プリフォームは、ジェットエンジンのブレードの前駆体の形態の中間製品である。

図１を参照して、金属造形プリフォームを形成したら、その金属造形プリフォームを鍛造する（２００）。一実施形態において、鍛造工程（２００）は、単一のブロッカー(blocker)型を使用して、金属造形プリフォームを最終鍛造製品に型鍛造する。金属造形プリフォームの鍛造（２００）により、最終鍛造製品は、改善された特性、例えば、数ある中でも、改善された気孔率（例えば、より低い気孔率）、改善された表面粗度（例えば、より低い表面粗度、すなわち、より平滑な表面）および／またはより良好な機械的特性（例えば、改善された表面硬度）を実現しうる。

次に、図２を参照して、一実施形態では、鍛造工程（２００）中、鍛造プロセスの金型および／または成形用具は、金属造形プリフォームより低い温度である。この関連で、鍛造工程は、金属造形プリフォームを素材温度（鍛造前のプリフォームの目標温度）に加熱する段階（２１０）、および前記金属造形プリフォームを鍛造金型と接触させる段階（２２０）を含むことがある。一実施形態において、接触段階（２２０）を開始するとき、鍛造金型は、素材温度より少なくとも５．６℃（１０°Ｆ）低い温度である。別の実施形態において、接触段階（２２０）を開始するとき、鍛造金型は、素材温度より少なくとも１３．９℃（２５°Ｆ）低い温度である。さらに別の実施形態において、接触段階（２２０）を開始するとき、鍛造金型は、素材温度より少なくとも２７．８℃（５０°Ｆ）低い温度である。別の実施形態において、接触段階（２２０）を開始するとき、鍛造金型は、素材温度より少なくとも５５．６℃（１００°Ｆ）低い温度である。さらに別の実施形態において、接触段階（２２０）を開始するとき、鍛造金型は、素材温度より少なくとも１１１．１℃（２００°Ｆ）低い温度である。別の実施形態において、接触段階（２２０）を開始するとき、鍛造金型は、素材温度より少なくとも１６６．７℃（３００°Ｆ）低い温度である。さらに別の実施形態において、接触段階（２２０）を開始するとき、鍛造金型は、素材温度より少なくとも２２２．２℃（４００°Ｆ）低い温度である。別の実施形態において、接触段階（２２０）を開始するとき、鍛造金型は、素材温度より少なくとも２７７．８℃（５００°Ｆ）低い温度である。

一態様では、鍛造工程（２００）後、最終鍛造製品を場合により焼鈍すること（３００）がある。焼鈍工程（３００）は、鍛造工程（２００）に起因する金属造形プリフォームの残留応力の緩和を助長しうる。１つのアプローチでは、金属造形プリフォームは、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金を含み、焼鈍工程（３００）は、最終鍛造製品を約６４０℃（１１８４°Ｆ）から約８１６℃（１５００°Ｆ）の温度に、約０．５時間から約５時間、加熱する段階を含むことがある。一実施形態において、焼鈍工程（３００）は、最終鍛造製品を少なくとも約６４０℃（１１８４°Ｆ）の温度に加熱する段階を含むことがある。別の実施形態において、焼鈍工程（３００）は、最終鍛造製品を少なくとも約６７０℃（１２３８°Ｆ）の温度に加熱する段階を含むことがある。さらに別の実施形態において、焼鈍工程（３００）は、最終鍛造製品を少なくとも約７００℃（１２９２°Ｆ）の温度に加熱する段階を含むことがある。別の実施形態において、焼鈍工程（３００）は、最終鍛造製品を約７６０℃（１４００°Ｆ）以下の温度に加熱する段階を含むことがある。さらに別の実施形態において、焼鈍工程（３００）は、最終鍛造製品を約７５０℃（１３８２°Ｆ）以下の温度に加熱する段階を含むことがある。別の実施形態において、焼鈍工程（３００）は、最終鍛造製品を約７４０℃（１３６４°Ｆ）以下の温度に加熱する段階を含むことがある。さらに別の実施形態において、前記時間は、少なくとも約１時間である。別の実施形態において、前記時間は、少なくとも約２時間である。さらに別の実施形態において、前記時間は、約４時間以下である。別の実施形態において、前記時間は、約３時間以下である。さらに別の実施形態において、焼鈍工程（３００）は、最終鍛造製品を約７３２℃（１３５０°Ｆ）の温度に、約２時間の時間、加熱する段階を含むことがある。

接触段階（２２０）は、予め選択された量の真歪を金属造形プリフォームにおいて実現するのに十分な力を鍛造金型によって金属造形プリフォームに印加することを含むことがある。一実施形態において、前記十分な力の印加は、金属造形プリフォームを鍛造金型によって変形させることを含むことがある。本明細書において用いる場合の「真歪」（ε_ｔｒｕｅ）は、次の式によって与えられる：
ε_ｔｒｕｅ＝ｌｎ（Ｌ／Ｌ_０）
（式中、Ｌ_０は、材料の初期長であり、Ｌは、材料の最終長である）。一実施形態において、接触段階（２２０）は、約０．０５から約１．１０の真歪を金属造形プリフォームにおいて実現するのに十分な力を鍛造金型によって金属造形プリフォームに印加することを含むことがある。別の実施形態において、接触段階（２２０）は、少なくとも０．１０の真歪を金属造形プリフォームにおいて実現するのに十分な力を鍛造金型によって金属造形プリフォームに印加することを含むことがある。別の実施形態において、接触段階（２２０）は、少なくとも０．２０の真歪を金属造形プリフォームにおいて実現するのに十分な力を鍛造金型によって金属造形プリフォームに印加することを含むことがある。さらに別の実施形態において、接触段階（２２０）は、少なくとも０．２５の真歪を前記金属造形プリフォームにおいて実現するのに十分な力を鍛造金型によって金属造形プリフォームに印加することを含むことがある。別の実施形態において、接触段階（２２０）は、少なくとも０．３０の真歪を金属造形プリフォームにおいて実現するのに十分な力を鍛造金型によって金属造形プリフォームに印加することを含むことがある。さらに別の実施形態において、接触段階（２２０）は、少なくとも０．３５の真歪を金属造形プリフォームにおいて実現するのに十分な力を鍛造金型によって金属造形プリフォームに印加することを含むことがある。別の実施形態において、接触段階（２２０）は、１．００以下の真歪を金属造形プリフォームにおいて実現するのに十分な力を鍛造金型によって金属造形プリフォームに印加することを含むことがある。さらに別の実施形態において、接触段階（２２０）は、０．９０以下の真歪を金属造形プリフォームにおいて実現するのに十分な力を鍛造金型によって金属造形プリフォームに印加することを含むことがある。別の実施形態において、接触段階（２２０）は、０．８０以下の真歪を金属造形プリフォームにおいて実現するのに十分な力を鍛造金型によって金属造形プリフォームに印加することを含むことがある。さらに別の実施形態において、接触段階（２２０）は、０．７０以下の真歪を金属造形プリフォームにおいて実現するのに十分な力を鍛造金型によって金属造形プリフォームに印加することを含むことがある。別の実施形態において、接触段階（２２０）は、０．６０以下の真歪を金属造形プリフォームにおいて実現するのに十分な力を鍛造金型によって金属造形プリフォームに印加することを含むことがある。さらに別の実施形態において、接触段階（２２０）は、０．５０以下の真歪を金属造形プリフォームにおいて実現するのに十分な力を鍛造金型によって金属造形プリフォームに印加することを含むことがある。別の実施形態において、接触段階（２２０）は、０．４５以下の真歪を金属造形プリフォームにおいて実現するのに十分な力を鍛造金型によって金属造形プリフォームに印加することを含むことがある。さらに別の実施形態において、接触段階（２２０）は、約０．４０の真歪を金属造形プリフォームにおいて実現するのに十分な力を鍛造金型によって金属造形プリフォームに印加することを含むことがある。

一実施形態において、金属造形プリフォームは、低延性材料、例えば、金属基複合材または金属間材料である。一実施形態において、金属造形プリフォームは、チタンアルミナイドである。本明細書に開示する新規プロセスの使用は、かかる低延性材料からの最終鍛造製品のより経済的製造を助長しうる。例えば、低延性材料を、その低延性材料より低い温度である金型および／または成形用具を使用して、鍛造してもよい。したがって、一実施形態において、前記鍛造は、恒温鍛造不在であり（すなわち、鍛造プロセスは、恒温鍛造を含まず）、それ故、上の段落で述べた素材温度対金型温度差のいずれかを含みうる。

一態様において、金属造形プリフォームは、チタン（Ｔｉ）合金であり、したがって、主合金元素としてチタンを含む。一実施形態において、チタン合金は、少なくとも４８重量％Ｔｉを含む。別の実施形態において、チタン合金は、少なくとも４９重量％Ｔｉを含む。さらに別の実施形態において、チタン合金は、少なくとも５０重量％Ｔｉを含む。一実施形態において、チタン合金は、１つ以上のチタンアルミナイド相を含む。一実施形態において、チタンアルミナイド相（単数または複数）は、Ｔｉ_３ＡｌおよびＴｉＡｌのうちの１つ以上を含む。チタンアルミナイドが存在する場合、チタン合金は、５〜４９重量％アルミニウムを含みうる。一実施形態において、チタンアルミナイド相（単数または複数）は、ＴｉＡｌを含む。一実施形態において、チタン合金は、３０〜４９重量％アルミニウムを含み、前記チタン合金は、少なくとも多少のＴｉＡｌを含む。一実施形態において、チタンアルミナイド相（単数または複数）は、Ｔｉ_３Ａｌを含む。一実施形態において、チタン合金は、５〜３０重量％アルミニウムを含み、前記チタン合金は、少なくとも多少のＴｉ_３Ａｌを含む。一実施形態において、チタン合金は、アルミニウムおよびバナジウムを含む。

一実施形態において、金属造形プリフォームは、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金（約６重量％アルミニウムおよび約４重量％バナジウムを有するチタン合金）を含む。この関連で、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖプリフォームを約８５０℃（１５６２°Ｆ）から約９７８℃（１７９２°Ｆ）の素材温度に加熱することがある。一実施形態では、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖプリフォームを少なくとも９００℃（１６５２°Ｆ）の素材温度に加熱することがある。別の実施形態では、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖプリフォームを少なくとも９２５℃（１６９７°Ｆ）の素材温度に加熱することがある。別の実施形態では、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖプリフォームを少なくとも９５０℃（１７４２°Ｆ）の素材温度に加熱することがある。さらに別の実施形態では、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖプリフォームを少なくとも９６０℃（１７６０°Ｆ）の素材温度に加熱することがある。別の実施形態では、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖプリフォームを９７５℃（１７８７°Ｆ）以下の素材温度に加熱することがある。さらに別の実施形態では、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖプリフォームを９７３℃（１７８３°Ｆ）以下の素材温度に加熱することがある。

最終鍛造製品は、例えば航空宇宙、航空または医療産業に使用されうる。最終鍛造製品は、例えば、タービンまたはブレードであることができるだろう。一実施形態において、最終鍛造製品は、ジェットエンジンのブレードである。

上で述べたように、アディティブ・マニュファクチャリング工程（１００）後、金属造形プリフォームを鍛造（２００）して最終鍛造製品を作ることがある。他の実施形態では、アディティブ・マニュファクチャリング工程（１００）後、金属造形プリフォームを他の形態の加工（例えば、熱間加工）によって加工処理して、最終加工製品を作ることがある。例えば、金属造形プリフォームの加工は、最終加工製品を作るための圧延、リング圧延、リング鍛造、造形圧延、および／または押出を、さらにまたは代替的に、含むことがある。一部の実施形態において、最終加工製品は、改善された特性、例えば、数ある中でも、改善された気孔率（例えば、より低い気孔率）、改善された表面粗度（例えば、より低い表面粗度、すなわち、より平滑な表面）および／またはより良好な機械的特性（例えば、改善された表面硬度）を実現しうる。一部の実施形態において、最終加工製品は、所定の形状を実現しうる。一部の実施形態では、金属造形プリフォームをリング圧延、リング鍛造および／または押出（例えば、金型に押し通）して、中空最終加工製品を作ることがある。一部の実施形態では、金属造形プリフォームを圧延して、改善された気孔率を実現する最終加工製品を製造することがある。一部の実施形態では、金属造形プリフォームを造形圧延して、所定の形状（例えば、指定半径を有する曲線）を実現する最終加工製品を製造することがある。

本明細書において用いる場合、「リング圧延」は、より小さい直径のリング（例えば、第一の直径を有する第一のリング）を、より大きい直径のリング（例えば、第一の直径より大きい第二の直径を有するリング）であって、場合によっては異形断面を有する（例えば、第二のリングの断面積が、第一のリングの断面積とは異なる）リングに、２つの回転ローラ（前記リングの内径内に配置されているものと、前記リングの外径上に前記第一のものとは正反対に配置されている第二のもの）の使用によって圧延するプロセスを意味する。本明細書において用いる場合、「リング鍛造」はより小さい直径のリング（例えば、第一の直径を有する第一のリング）を、より大きい直径のリング（例えば、第一の直径より大きい第二の直径を有するリング）であって、場合によっては異形断面を有する（例えば、第二のリングの断面積が、第一のリングの断面積とは異なる）リングに、２つの成形用具または金型（前記リングの内径上のものと、外径上の正反対のもの）の間で前記リングを圧搾することによって鍛造するプロセスを意味する。本明細書において用いる場合、「造形圧延」は、ピース（すなわち、金属造形プリフォーム）を、異形であってもよいし、なくてもよい２つ以上のローラ間で、そのワークピース（すなわち、金属造形プリフォーム）に湾曲または形状を付与するように加工することによって造形または成形するプロセスを意味する。

アディティブ・マニュファクチャリングによって金属造形プリフォームを作製する工程（１００）は、構築用支持体を金属造形プリフォームに組み込むことを含むこともある。次に、図５を参照して、金属造形プリフォームに構築用支持体（４００）を組み込む一実施形態（５００）を明らかにする。図示する実施形態では、材料（４５０）を構築用支持体（４００）にアディティブ・マニュファクチャリング（１００）によって付加して、金属造形プリフォーム（５００）を製造する。本明細書において用いる場合、「構築用支持体」およびこれに類するものは、金属造形プリフォームに組み込まれることがある固体材料を意味する。構築用支持体（４００）を含む金属造形プリフォーム（５００）を最終鍛造製品（６００）に鍛造すること（２００）がある。したがって、最終鍛造製品（６００）は、一体ピースとして構築用支持体（４００）を含むことがある。

上で述べたように、最終鍛造製品は、接触段階２２０に起因して、ある量（例えば、予め選択された量）の真歪を実現しうる。一部の実施形態において、最終鍛造製品によって実現される歪は、例えば、鍛造金型の形状および／または金属造形プリフォームの形状に起因して、最終鍛造製品全体にわたって不均一でありうる。それ故、最終鍛造製品は、低歪エリアを実現することもあり、および／または高歪エリアを実現することもある。したがって、鍛造後に構築用支持体が最終鍛造製品の事前に決定された低歪エリアに位置するように、構築用支持体を金属造形プリフォームの事前に決定されたエリアに配置することがある。低歪エリアを予測模型製作に基づいて事前決定してもよいし、または実証的検定に基づいて事前決定してもよい。

次に、図６を参照して、金属造形プリフォーム（５１０）への構築用支持体（４１０）の組み込みの別の実施形態を明らかにする。図示する実施形態では、材料を構築用支持体（４１０）にアディティブ・マニュファクチャリング（１００）によって付加して、金属造形プリフォーム（５１０）を製造する。金属造形プリフォーム（５１０）を最終鍛造製品（６１０）に鍛造（２００）してもよい。最終鍛造製品（６１０）は、一体ピースとして構築用支持体（４１０）を含む。

構築用支持体は、事前に決定された形状および／または事前に決定された機械的特性（例えば、幾つか挙げると、強度、靭性）を有しうる。一実施形態において、構築用支持体は、加工済みの基板であってもよい。一実施形態では、構築用支持体の形状を、低歪エリアの形状に基づいて事前決定することがある。一実施形態では、構築用支持体の機械的特性を、金属造形プリフォームによって実現される平均真歪および／または低歪エリア内で実現される真歪に基づいて事前決定することがある。一実施形態では、２つ以上の構築用支持体を金属造形プリフォームに組み込むこともある。一実施形態において、構築用支持体は、加工済みの基板を含む。

構築用支持体は、例えば、数ある中でも、チタン、アルミニウム、ニッケル（例えば、ＩＮＣＯＮＥＬ）、鋼およびステンレス鋼の金属または合金を含む、アディティブ・マニュファクチャリングと鍛造の両方に適しているいずれの金属製であってもよい。一実施形態では、構築用支持体は、金属造形プリフォームの残部と同じ材料（単数または複数）製である。一実施形態において、金属造形プリフォームに付加される材料は、第一の材料であることがあり、これに対して構築用支持体は、第二の材料製であることがある。一実施形態において、第一の材料は、第一の強度を有することがあり、第二の材料は、第二の強度を有することがある。一実施形態において、第一の材料は、第一の疲労特性を有することがあり、第二の材料は、第二の疲労特性を有することがある。一例では、構築用支持体は、第一の材料の第一のリングであることがある。第二の材料をアディティブ・マニュファクチャリングによって前記リングに付加し、それによってその第一のリングと一体の、第二の材料の第二のリングを形成してもよい。かくして、２つの異なる材料を含むリング形金属造形プリフォームが製造されうる。次いで、そのリング形金属造形プリフォームを、２つの異なる材料を含むリング形最終鍛造製品に鍛造してもよい。一実施形態では、１つ以上のエンジンコンテインメントリング（例えば、１つ以上の航空宇宙エンジンコンテインメントリング）が上記方法によって形成されうる。例えば、構築用支持体は、高靭性を実現する材料の第一のリングを含むことがある。高強度を実現する第二の材料の第二のリングを前記第一のリングにアディティブ・マニュファクチャリングによって付加し、それによって金属造形プリフォームを形成してもよい。次いで、その金属造形プリフォームを、高靭性の内側リングと高強度の外側リングとを有するエンジンコンテインメントリングに鍛造してもよい。

＜実施例１：Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ＞
幾つかのＴｉ−６Ａｌ−４Ｖプリフォームをアディティブ・マニュファクチャリングによって製造した。具体的には円筒形のＴｉ−６Ａｌ−４ＶプリフォームをＥＯＳ ＧｍｂＨ（Ｒｏｂｅｒｔ−Ｓｔｉｒｌｉｎｇ−Ｒｉｎｇ １、８２１５２ Ｋｒａｉｌｌｉｎｇ／ミュンヘン、ドイツ）から入手可能なＥＯＳＩＮＴ Ｍ ２８０直接金属レーザ焼結（ＤＭＬＳ）アディティブ・マニュファクチャリングシステムによって製造した。チタンについての製造業者の標準推奨操作条件に従ってＴｉ−６Ａｌ−４Ｖプリフォームを製造した。その後、プリフォームを約９５８℃（１７５６°Ｆ）または約９７２℃（１７８２°Ｆ）の素材温度に加熱した。次に、様々な量の真歪下、約３９０℃〜４００℃（７３４°Ｆ〜７５２°Ｆ）の金型温度を用いて、それらの円筒形プリフォームの一部を鍛造して、円筒形最終鍛造製品を製造した。円筒形プリフォームに、円筒の軸に対して平行方向に真歪をかけた。残りのプリフォームは、未鍛造のままにした。その後、最終鍛造製品の一部を約７３２℃（１３５０°Ｆ）の温度でおおよそ２時間焼鈍して、焼鈍された最終鍛造製品を製造した。その後、引張降伏強度（ＴＹＳ）、極限引張強度（ＵＴＳ）および伸度（すべて方向でのもの）を含む、未鍛造プリフォーム、最終鍛造製品および焼鈍最終鍛造製品の機械的特性を、試験した。結果を図３〜４に示す。歪レベルごとに数個の試料を試験し、結果を平均した。ＴＹＳ、ＵＴＳおよび伸度を含む機械的特性をＡＳＴＭ Ｅ８に従って試験した。

示すとおり、鍛造Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ製品は、未鍛造Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖプリフォームと比較して改善された特性を達成した。具体的には、および図３を参照して、鍛造Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ製品は、未鍛造Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖプリフォームと比較して改善された極限引張強度（ＵＴＳ）を達成した。例えば、未鍛造Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖプリフォームは、約９６５ＭＰａ（１４０ｋｓｉ）のＵＴＳを達成した。対照的に、鍛造Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ製品は、改善された極限引張強度を実現し、約０．４の真歪に鍛造した後に約１０２７ＭＰａ（１４９ｋｓｉ）のＵＴＳを実現した。さらに、および図３に示すように、鍛造Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ製品は、未鍛造Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖプリフォームと比較して改善された引張降伏強度（ＴＹＳ）を達成した。例えば、未鍛造Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖプリフォームは、約８１４ＭＰａ（１１８ｋｓｉ）のＴＹＳを達成した。対照的に、鍛造Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ製品は、改善された引張降伏強度を実現し、約０．４の真歪に鍛造した後に約８４８ＭＰａ（１２３ｋｓｉ）のＴＹＳを実現した。図４に示すように、鍛造Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ製品は、良好な伸度を達成し、すべてが鍛造後に約１２％の伸度を達成した。

さらに、焼鈍最終鍛造製品は、焼鈍していない最終鍛造製品と比較して改善された特性を達成した。具体的には、および図３を参照して、焼鈍最終鍛造製品は、非焼鈍最終鍛造製品と比較して改善された引張降伏強度（ＴＹＳ）を達成した。例えば、約０．２の真歪に鍛造した焼鈍最終鍛造製品は、焼鈍されていない最終鍛造製品よりおおよそ１０％高いＴＹＳを達成した。さらに、および図３に示すように、焼鈍最終鍛造製品は、非焼鈍最終鍛造製品と同様の極限引張強度（ＵＴＳ）を達成した。したがって、最終鍛造製品の焼鈍は、ＵＴＳを犠牲にせずにＴＹＳを増加させた。図４に示すように、焼鈍最終鍛造製品は、非焼鈍最終鍛造製品と比較して改善された伸度を達成した。

図８〜１１は、実施例１の円筒形プリフォームおよび円筒形最終鍛造製品の微小構造を示す顕微鏡写真である。すべての顕微鏡写真を横方向から、円筒の中央地点で撮影した。次に、図７を参照して、円筒形最終鍛造製品の一実施形態を説明する。図示する実施形態において、最終鍛造製品は、Ｚ方向に鍛造したものである。図７に示すＸ−Ｙ面は、横方向であり、Ｘ−Ｚ面は、長手方向である。図８を参照して、アディティブ・マニュファクチャリングによって製造したＴｉ−６Ａｌ−４Ｖプリフォームの顕微鏡写真を示す。図８から分かるように、この微小構造は、以前のβ相粒子の痕跡がある、変態したβ相材料から成る。図９は、アディティブ・マニュファクチャリングにより製造したＴｉ−６Ａｌ−４Ｖプリフォームを約９５４．４℃（１７５０°Ｆ）の温度に予熱した後の顕微鏡写真である。図９から分かるように、加熱後の微小構造は、針状α相材料の形成および成長を伴う、変態したβ相材料である。初期α相材料は観察されない。図１０は、アディティブ・マニュファクチャリングにより製造したＴｉ−６Ａｌ−４Ｖプリフォームを約９５４．４℃（１７５０°Ｆ）の温度に予熱し、次いで約０．７の真歪に鍛造した後（例えば、最終鍛造製品）の顕微鏡写真である。図１０から分かるように、予熱および鍛造工程は、基質に散在する初期α相粒子の成核によって破裂した、より微細な粒子をもたらす。これらの散在する初期α相粒子は、小さい、白い、丸い点として観察される。図１１は、アディティブ・マニュファクチャリングにより製造したＴｉ−６Ａｌ−４Ｖプリフォームを約９５４．４℃（１７５０°Ｆ）の温度に予熱し、次いで約０．７の真歪に鍛造し、次いで約７３２℃（１３５０°Ｆ）の温度で焼鈍した後（例えば、焼鈍最終鍛造製品）の顕微鏡写真である。図１１から分かるように、基質中に散在する初期α相材料の小さい、丸い粒子に加えて、α相材料の一次粒子も形成した。

本開示の様々な実施形態を詳細に説明したが、それらの実施形態の変更形態および適応形態が当業者の心に浮かぶことは明らかである。だとしても、そのような変更形態および適用形態は本開示の趣旨および範囲内であることを、明確に理解されたい。

Claims (58)

1. （ａ）金属造形プリフォームを製造するためにアディティブ・マニュファクチャリングを使用する工程と、
   （ｂ）前記使用工程（ａ）後、前記金属造形プリフォームを最終鍛造製品に鍛造する工程と
   を含む方法。
2. 前記鍛造工程が、単型鍛造工程を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記金属プリフォームが、チタン、アルミニウム、ニッケル、鋼およびステンレス鋼のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記金属造形プリフォームが、チタン合金である、請求項１に記載の方法。
5. 前記金属造形プリフォームが、アルミニウム合金である、請求項１に記載の方法。
6. 前記金属造形プリフォームが、ニッケル合金である、請求項１に記載の方法。
7. 前記金属造形プリフォームが、鋼およびステンレス鋼の一方である、請求項１に記載の方法。
8. 前記金属造形プリフォームが、金属基複合材である、請求項１に記載の方法。
9. 前記金属造形プリフォームが、チタンアルミナイドを含む、請求項１に記載の方法。
10. 前記鍛造工程が、
    前記金属造形プリフォームを素材温度に加熱する段階と、
    前記金属造形プリフォームを鍛造金型と接触させる段階と
    を含む、請求項１〜９のいずれかに記載の方法。
11. 前記接触段階を開始するとき、前記鍛造金型が前記素材温度より少なくとも５．６℃（１０°Ｆ）低い温度である、請求項１０に記載の方法。
12. 前記接触段階を開始するとき、前記鍛造金型が前記素材温度より少なくとも１３．９℃（２５°Ｆ）低い温度である、請求項１０に記載の方法。
13. 前記接触段階を開始するとき、前記鍛造金型が前記素材温度より少なくとも２７．８℃（５０°Ｆ）低い温度である、請求項１０に記載の方法。
14. 前記接触段階を開始するとき、前記鍛造金型が前記素材温度より少なくとも５５．６℃（１００°Ｆ）低い温度である、請求項１０に記載の方法。
15. 前記接触段階を開始するとき、前記鍛造金型が前記素材温度より少なくとも１１１．１℃（２００°Ｆ）低い温度である、請求項１０に記載の方法。
16. 前記最終鍛造製品が、ジェットエンジンのブレードである、請求項１〜１５のいずれかに記載の方法。
17. 前記チタン合金が、少なくとも５０重量％ Ｔｉと少なくとも１つのチタンアルミナイド相とを含み、前記少なくとも１つのチタンアルミナイド相が、Ｔｉ_３Ａｌ、ＴｉＡｌおよびこれらの組み合わせから成る群より選択される、請求項４に記載の方法。
18. 前記チタン合金が、５〜４９重量％アルミニウムを含む、請求項１７に記載の方法。
19. 前記チタン合金が、３０〜４９重量％アルミニウムを含み、および前記チタン合金が少なくとも多少のＴｉＡｌを含む、請求項１７に記載の方法。
20. 前記チタン合金が、５〜３０重量％アルミニウムを含み、および前記チタン合金が少なくとも多少のＴｉ_３Ａｌを含む、請求項１７に記載の方法。
21. 前記使用工程（ａ）と同時に、または前記使用工程（ａ）の後に、前記金属造形プリフォームを、
    （ｉ）圧延、（ｉｉ）リング圧延、（ｉｉｉ）リング鍛造、（ｉｖ）造形圧延、（ｖ）押出および（ｖｉ）これらの組み合わせの少なくとも１つによって、最終加工製品に加工する工程
    を含む、請求項１〜２０のいずれかに記載の方法。
22. （ａ）金属造形プリフォームを製造するためにアディティブ・マニュファクチャリングを使用する工程と、
    （ｂ）前記使用工程（ａ）後、前記金属造形プリフォームを、
    （ｉ）圧延、（ｉｉ）リング圧延、（ｉｉｉ）リング鍛造、（ｉｖ）造形圧延、（ｖ）押出および（ｖｉ）これらの組み合わせの少なくとも１つによって、最終加工製品に加工する工程と
    を含む方法。
23. 前記加工が、圧延である、請求項２２に記載の方法。
24. 前記加工が、リング圧延である、請求項２２に記載の方法。
25. 前記加工が、リング鍛造である、請求項２２に記載の方法。
26. 前記加工が、造形圧延である、請求項２２に記載の方法。
27. 前記加工が、押出である、請求項２２に記載の方法。
28. 前記チタン合金が、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金である、請求項４に記載の方法。
29. 前記鍛造工程が、
    前記金属造形プリフォームを素材温度に加熱する段階と、
    前記金属造形プリフォームを鍛造金型と接触させる段階と
    を含む、請求項２８に記載の方法。
30. 前記接触段階が、前記金属造形プリフォームにおいて０．０５から１．１０の真歪を実現するために十分な力を前記鍛造金型によって前記金属造形プリフォームに印加することを含む、請求項２９に記載の方法。
31. 前記接触段階が、前記金属造形プリフォームにおいて少なくとも０．１０の真歪を実現するために十分な力を前記鍛造金型によって前記金属造形プリフォームに印加することを含む、請求項３０に記載の方法。
32. 前記接触段階が、前記金属造形プリフォームにおいて少なくとも０．２０の真歪を実現するために十分な力を前記鍛造金型によって前記金属造形プリフォームに印加することを含む、請求項３１に記載の方法。
33. 前記接触段階が、前記金属造形プリフォームにおいて少なくとも０．２５の真歪を実現するために十分な力を前記鍛造金型によって前記金属造形プリフォームに印加することを含む、請求項３２に記載の方法。
34. 前記接触段階が、前記金属造形プリフォームにおいて少なくとも０．３０の真歪を実現するために十分な力を前記鍛造金型によって前記金属造形プリフォームに印加することを含む、請求項３３に記載の方法。
35. 前記接触段階が、前記金属造形プリフォームにおいて少なくとも０．３５の真歪を実現するために十分な力を前記鍛造金型によって前記金属造形プリフォームに印加することを含む、請求項３４に記載の方法。
36. 前記接触段階が、前記金属造形プリフォームにおいて１．００以下の真歪を実現するために十分な力を前記鍛造金型によって前記金属造形プリフォームに印加することを含む、請求項３０に記載の方法。
37. 前記接触段階が、前記金属造形プリフォームにおいて０．９０以下の真歪を実現するために十分な力を前記鍛造金型によって前記金属造形プリフォームに印加することを含む、請求項３６に記載の方法。
38. 前記接触段階が、前記金属造形プリフォームにおいて０．８０以下の真歪を実現するために十分な力を前記鍛造金型によって前記金属造形プリフォームに印加することを含む、請求項３７に記載の方法。
39. 前記接触段階が、前記金属造形プリフォームにおいて０．７０以下の真歪を実現するために十分な力を前記鍛造金型によって前記金属造形プリフォームに印加することを含む、請求項３８に記載の方法。
40. 前記接触段階が、前記金属造形プリフォームにおいて０．６０以下の真歪を実現するために十分な力を前記鍛造金型によって前記金属造形プリフォームに印加することを含む、請求項３９に記載の方法。
41. 前記接触段階が、前記金属造形プリフォームにおいて０．５０以下の真歪を実現するために十分な力を前記鍛造金型によって前記金属造形プリフォームに印加することを含む、請求項４０に記載の方法。
42. 前記接触段階が、前記金属造形プリフォームにおいて０．４５以下の真歪を実現するために十分な力を前記鍛造金型によって前記金属造形プリフォームに印加することを含む、請求項４０に記載の方法。
43. 前記十分な力の印加が、前記鍛造金型によって前記金属造形プリフォームを変形させることを含む、請求項３０〜４２のいずれかに記載の方法。
44. 前記金属造形プリフォームを８５０℃から９７８℃の素材温度に加熱する、請求項２９に記載の方法。
45. 前記金属造形プリフォームを少なくとも９００℃の素材温度に加熱する、請求項４４に記載の方法。
46. 前記金属造形プリフォームを少なくとも９５０℃の素材温度に加熱する、請求項４５に記載の方法。
47. 前記金属造形プリフォームを少なくとも９６０℃の素材温度に加熱する、請求項４６に記載の方法。
48. 前記金属造形プリフォームを９７５℃以下の素材温度に加熱する、請求項４７に記載の方法。
49. 前記金属造形プリフォームを９７３℃以下の素材温度に加熱する、請求項４８に記載の方法。
50. 前記使用工程（ａ）が、
    材料をアディティブ・マニュファクチャリングによって構築用支持体に付加し、それによって金属造形プリフォームを製造することを含む、請求項１に記載の方法。
51. 前記構築用支持体が、第一の材料の第一のリングを含み、および前記使用工程（ａ）が、
    第二の材料をアディティブ・マニュファクチャリングによって前記リングに付加し、それによって前記第一のリングと一体である第二のリングを形成することを含む、請求項５０に記載の方法。
52. 前記材料が、第一の強度を有する第一の材料であり、および前記構築用支持体が、第二の強度を有する第二の材料から成る、請求項５０に記載の方法。
53. 前記材料が、第一の疲労特性を有する第一の材料であり、および前記構築用支持体が、第二の疲労特性を有する第二の材料から成る、請求項５０に記載の方法。
54. 前記鍛造工程（ｂ）後、最終鍛造製品を焼鈍する工程
    を含む、請求項１に記載の方法。
55. 前記金属造形プリフォームが、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金を含み、および前記焼鈍工程が、最終鍛造製品を約６４０℃から約８１６℃の温度に加熱する段階を含む、請求項５４に記載の方法。
56. 前記焼鈍工程が、最終鍛造製品を約６７０℃から約７５０℃の温度に加熱する段階を含む、請求項５５に記載の方法。
57. 前記焼鈍工程が、最終鍛造製品を約７００℃から約７４０℃の温度に加熱する段階を含む、請求項５６に記載の方法。
58. 前記焼鈍工程が、最終鍛造製品を約７３２℃の温度に加熱する段階を含む、請求項５７に記載の方法。