KR101835908B1

KR101835908B1 - 티타늄 및 티타늄 합금들을 위한 가공 루트들

Info

Publication number: KR101835908B1
Application number: KR1020137005622A
Authority: KR
Inventors: 존스 로빈 엠. 포브스; 존 브이. 만티온; 어반 제이. 드 수자; 장-필리프 토마스; 라메쉬 에스. 미니산드람; 리차드 엘. 케네디; 알. 마크 데이비스
Original assignee: 에이티아이 프로퍼티즈 엘엘씨
Priority date: 2010-09-15
Filing date: 2011-08-22
Publication date: 2018-04-19
Also published as: CA2810388A1; DK2616563T3; US10435775B2; RU2013116806A; CN103189530B; TWI591194B; CN103189530A; PT2616563T; EP2848708A1; TW201623657A; KR20140034715A; ES2611856T3; CN106834801A; BR112013005795B1; TW201221662A; TWI529256B; AU2015271901B2; IL225059A; EP2616563A1; CA3013617A1

Abstract

티타늄 및 티타늄 합금들의 결정립 크기를 정제하는 방법은 열 관리된 고 변형 속도 다축 단조를 포함한다. 고 변형 속도는 단조 동안 워크피스의 내부 영역을 단열 가열하며, 열 관리 시스템은 워크피스 단조 온도로 외부 표면 영역을 가열하기 위해 사용되지만, 내부 영역은 상기 워크피스 단조 온도까지 냉각되도록 허용된다. 추가 방법은 티타늄 및 티타늄 합금들의 종래의 개방 다이 단조에서 사용된 것보다 작은 변형 속도를 사용하여 티타늄 또는 티타늄 합금을 다중 업셋 및 드로우 단조하는 단계를 포함한다. 점증적인 워크피스 회전 및 드로우 단조는 티타늄 또는 티타늄 합금 단조에 가소성 변형 및 결정립 미세화를 야기한다.

Description

티타늄 및 티타늄 합금들을 위한 가공 루트들{PROCESSING ROUTES FOR TITANIUM AND TITANIUM ALLOYS}

연방 지원 연구 또는 개발에 관한 성명

본 발명은 미국 상무부, 미국 표준 기술 연구소(NIST)에 의해 결정된, NIST 계약 번호 70NANB7H7038 하에 미국 정부 지원으로 이루어졌다. 미국 정부는 본 발명에 특정 권한들을 가질 수 있다.

본 개시는 티타늄 및 티타늄 합금들을 위한 단조 방법들 및 이러한 방법들을 행하기 위한 장치에 관한 것이다.

조립자(CG), 미립자(FG), 극미립자(VFG), 또는 초미립자(UFG) 미세 구조를 가진 티타늄 및 티타늄 합금들을 생성하기 위한 방법들은 다수의 재가열들 및 단조 단계들의 사용을 수반한다. 단조 단계들은 개방 다이 프레스 상에서의 드로우 단조 이외에 하나 이상의 업셋 단조 단계들을 포함할 수 있다.

여기에 사용된 바와 같이, 티타늄 및 티타늄 합금 미세구조를 언급할 때, 용어 "조립(coarse grain)"은 400 ㎛ 내지 약 14 ㎛ 초과의 알파 결정립 크기들을 나타내고; 용어 "미립자(fine grain)"는 14 ㎛ 내지 10 ㎛ 초과의 범위에 있는 알파 결정립 크기들을 나타내고; 용어 "극미립자(very fine grain)"는 10 ㎛ 내지 4.0 ㎛ 이상의 알파 결정립 크기들을 나타내며; 용어 "초미립자(ultra fine grain)"는 4.0 ㎛ 이하의 알파 결정립 크기들을 나타낸다.

조립(CG) 또는 미립자(FG) 미세구조들을 생성하기 위해 티타늄 및 티타늄 합금들을 단조하는 알려진 상업적 방법들은 다수의 재가열들 및 단조 단계들을 사용하여 0.03s^-1 내지 0.10s^-1의 변형 속도들(strain rates)을 이용한다.

미립자(FG), 극미립자(VFG) 또는 초미립자(UFG) 미세구조들의 제조를 위한 의도된 알려진 방법들은 0.001s^-1 이하의 초저속 변형 속도에서의 다축 단조(multi-axis forging; MAF) 공정을 이용한다( G. Salishchev 등의 재료 과학 포럼, Vol. 584-586, 페이지 783-788(2008) 참조). 포괄적인 MAF 공정은 C. Desrayaud 등의 재료 가공 기술의 저널, 172, 페이지 152-156(2006)에 설명된다.

초저속 변형 속도 MAF 공정에서 결정립 미세화에 대한 키는 사용된 초저속 변형 속도들, 즉 0.001 s^-1 이하의 결과인 동적 재결정화의 체제에서 계속해서 동작하는 능력이다. 동적 재결정화 동안, 결정립들은 전위들을 동시에 응집시키고, 성장시키며 축적한다. 새롭게 응집된 결정립들 내의 전위들의 생성은 결정립 성장을 위한 추진력을 계속해서 감소시키며, 결정립 핵생성이 더 유리하다. 초저속 변형 속도 MAF 공정은 단조 공정 동안 결정립들을 계속해서 재결정화하기 위해 동적 재결정화를 사용한다.

UFG Ti-6-4 합금의 비교적 균일한 정육면체들은 초저속 변형 속도 MAF 공정을 사용하여 생성될 수 있지만, 상기 MAF를 수행하기 위해 걸린 누적 시간은 상업적 설정에서 과도할 수 있다. 또한, 종래의 대규모, 상업적으로 이용가능한 개방 다이 프레스 단조 장비는 이러한 실시예들에서 요구된 초저속 변형 속도를 달성하기 위한 능력을 가지지 않을 수 있으며, 그러므로 맞춤 단조 장비가 생산 규모 초저속 변형 속도 MAF를 위해 요구될 수 있다.

따라서, 다수의 재가열을 요구하지 않고 및/또는 보다 높은 변형 속도들을 수용하고, 가공에 필요한 시간을 감소시키며, 맞춤 단조 장비에 대한 요구를 제거하는 조립, 미립자, 극미립자 또는 초미립자 미세구조를 가진 티타늄 및 티타늄 합금들을 생산하기 위한 공정을 개발하는 것이 유리할 것이다.

본 개시의 일 양상에 따르면, 티타늄 및 티타늄 합금으로부터 선택된 금속 재료를 포함한 워크피스의 결정립 크기를 정제하는 방법은 금속의 알파+베타 상 영역(phase field) 내에서 워크피스 단조 온도로 워크피스를 가열하는 단계를 포함한다. 상기 워크피스는 그 후 다축 단조된다. 다축 단조는 상기 워크피스의 내부 영역을 단열 가열하기에 충분한 변형 속도에서, 상기 워크피스의 제 1 직교 축의 방향으로 상기 워크피스 단조 온도로 상기 워크피스를 프레스 단조하는 단계를 포함한다. 상기 제 1 직교 축의 방향으로 단조하는 단계는 상기 워크피스의 상기 단열 가열된 내부 영역이 상기 워크피스 단조 온도까지 냉각되도록 허용하는 반면, 상기 워크피스의 외부 표면 영역을 상기 워크피스 단조 온도로 가열하는 것으로 이어진다. 상기 워크피스는 그 후 상기 워크피스의 상기 내부 영역을 단열 가열하기에 충분한 변형 속도에서, 상기 워크피스의 제 2 직교 축의 방향으로 상기 워크피스 단조 온도레서 프레스-단조된다. 상기 제 2 직교 축의 방향으로 단조하는 단계는 상기 워크피스의 상기 단열 가열된 내부 영역이 상기 워크피스 단조 온도까지 냉각되도록 허용하는 반면, 상기 워크피스의 외부 표면 영역을 상기 워크피스 단조 온도로 가열하는 것으로 이어진다. 상기 워크피스는 그 후 상기 워크피스의 상기 내부 영역을 단열 가열하기에 충분한 변형 속도에서, 상기 워크피스의 제 3 직교 축의 방향으로 상기 워크피스 단조 온도에서 프레스-단조된다. 상기 제 3 직교 축의 방향으로 단조하는 단계는 상기 워크피스의 상기 단조 가열된 내부 영역이 상기 워크피스 단조 온도까지 냉각되도록 허용하는 반면, 상기 워크피스의 외부 표면 영역을 상기 워크피스 단조 온도로 가열하는 것으로 이어진다. 상기 프레스 단조 및 허용 단계들은 적어도 3.5의 변형률이 적어도 티타늄 합금 워크피스의 영역에서 달성될 때까지 반복된다. 비-제한적인 구현예에서, 프레스 단조 동안 사용된 변형 속도는 0.2 s^-1 내지 0.8 s^-1의 범위에 있다.

본 개시의 또 다른 양상에 따르면, 티타늄 및 티타늄 합금으로부터 선택된 금속 재료를 포함한 워크피스의 결정립 크기를 정제하는 방법은 상기 금속 재료의 알파+베타 상 영역 내에서 워크피스 단조 온도로 상기 워크피스를 가열하는 단계를 포함한다. 비-제한적인 구현예들에서, 상기 워크피스는 실린더-형 형상 및 개시 단면 치수를 포함한다. 상기 워크피스는 상기 워크피스 단조 온도에서 업셋 단조된다. 업셋 후, 상기 워크피스는 상기 워크피스 단조 온도에서 다중 패스 드로우 단조(multiple pass draw forge)된다. 다중 패스 드로우 단조는 각각의 회전 후 상기 워크피스를 드로우 단조하는 것에 앞서 회전 방향으로 상기 워크피스를 점증적으로 회전시키는 단계를 포함한다. 상기 워크피스를 점증적으로 회전시키고 드로우 단조하는 단계는 상기 워크피스가 상기 워크피스의 실질적으로 동일한 시작 단면 치수를 포함할 때까지 반복된다. 비-제한적인 구현예에서, 업셋 단조 및 드로우 단조에 사용된 변형 속도는 0.001 s^-1 내지 0.02 s^-1의 범위이다.

본 개시의 추가적인 양상에 따르면, 금속 및 금속 합금으로부터 선택된 금속 재료를 포함한 워크피스의 등온 다단계 단조를 위한 방법은 워크피스 단조 온도로 상기 워크피스를 가열하는 단계를 포함한다. 상기 워크피스는 상기 워크피스의 내부 영역을 단열 가열하기에 충분한 변형 속도로 상기 워크피스 단조 온도에서 단조된다. 상기 워크피스의 내부 영역은 상기 워크피스 단조 온도까지 냉각시키도록 허용되는 반면, 상기 워크피스의 외부 표면 영역은 상기 워크피스 단조 온도로 가열된다. 상기 워크피스를 단조하고 상기 금속 합금의 외부 표면 영역을 가열하면서 상기 워크피스의 내부 영역을 냉각시키도록 허용하는 단계들은 원하는 특성이 획득될 때까지 반복된다.

여기에 설명된 장치 방법들의 특징들 및 이점들은 첨부한 도면들을 참조하여 보다 양호하게 이해될 수 있다.
도 1은 결정립 크기 정제를 위한 티타늄 및 티타늄 합금들을 가공하기 위한 본 개시에 따른 방법의 비-제한적인 구현예의 단계들을 열거한 흐름도이다;
도 2는 결정립 크기들의 정제를 위한 티타늄 및 티타늄 합금들을 가공하기 위한 열 관리를 사용한 고 변형 속도 다축 단조 방법의 비-제한적인 구현예의 개략적인 표현이며, 여기서 도 2(a), 도 2(c), 및 도 2(e)는 비-제한적인 프로세스 단조 단계들을 나타내고, 도 2(b), 도 2(d), 및 도 2(f)는 본 개시의 비-제한적인 양상들에 따른 비-제한적인 냉각 및 가열 단계들을 나타낸다;
도 3은 소규모 샘플들의 결정립들을 정제하기 위해 사용되는 것으로 알려진 저 변형 속도 다축 단조 기술의 개략적인 표현이다;
도 4는 본 개시에 따른 고 변형 속도 다축 단조 방법의 비-제한적인 구현예를 위한 온도-시간 열기계적 가공 차트의 개략적인 표현이다;
도 5는 본 개시에 따른 다중-온도 고 변형 속도 다축 단조 방법의 비-제한적인 구현예를 위한 온도-시간 열기계적 가공 차트의 개략적인 표현이다;
도 6은 본 개시에 따른 쓰루 베타 변태 고 변형 속도 다축 단조 방법의 비-제한적인 구현예에 대한 온도-시간 열기계적 가공 차트의 개략적인 표현이다;
도 7은 본 개시에 따른 결정립 크기 정제를 위한 다수의 업셋 및 드로우 방법의 비-제한적인 구현예의 개략적인 표현이다;
도 8은 결정립 크기를 정제하기 위해 다수의 업셋 및 드로우 가공 티타늄 및 티타늄 합금들을 위한 본 개시에 따른 방법의 비-제한적인 구현예의 단계들을 열거한 흐름도이다;
도 9는 본 개시의 실시예 1의 비-제한적인 구현예에 대한 온도-시간 열기계적 차트이다;
도 10은 10 내지 30㎛ 사이의 결정립 크기들을 가진 등축 결정립들을 보여주는 실시예 1의 베타 어닐링 재료의 마이크로그래프이다;
도 11은 실시예 1의 a-b-c 단조된 샘플의 중심 영역의 마이크로그래프이다;
도 12는 본 개시의 비-제한적인 구현예에 따른 내부 영역 냉각 시간들의 유한 요소 모델링 예측이다;
도 13은 실시예 4에 설명된 비-제한적인 방법의 실시예에 따른 가공 후 정육면체의 중심의 마이크로그래프이다;
도 14는 실시예 4에 따라 가공된 정육면체의 단면의 사진이다;
도 15는 실시예 6에 따라 가공된 정육면체의 열 관리된 다축 단조에서의 변형을 시뮬레이션하기 위한 유한 요소 모델링의 결과들을 나타낸다;
도 16(a)은 실시예 7에 따라 가공된 샘플의 중심으로부터의 단면의 마이크로그래프이며; 도 16(b)은 실시예 7에 따라 가공된 샘플의 가까운 표면으로부터의 단면이다;
도 17은 실시예 9에 사용된 공정의 개략적인 열기계적 온도-시간 차트이다;
도 18은 실시예 9의 비-제한적인 구현예에 따라 가공된 샘플의 단면의 확대-사진이다;
도 19는 극미립자 크기를 보여주는 실시예 9의 비-제한적인 구현예에 따라 가공된 샘플의 마이크로그래프이다;
도 20은 실시예 9의 비-제한적인 구현예에서 준비된 샘플의 변형의 유한 요소 모델링 시뮬레이션을 나타낸다.
판독자는 본 개시에 따른 특정 비-제한적인 구현예들의 다음의 상세한 설명을 고려할 때, 앞서 말한 상세들, 뿐만 아니라 다른 것들을 이해할 것이다.

동작 예들에서 이외에 또는 달리 표시되는, 비-제한적인 구현예들에 대한 본 설명에서, 양들 또는 특성들을 표현하는 모든 숫자들은 모든 인스턴스들에서 용어 "약"에 의해 변경되는 것처럼 이해된다. 따라서, 반대로 표시되지 않는다면, 다음의 설명에서 제시된 임의의 수치 파라미터들은 본 개시에 따른 방법들에 의해 획득하고자 하는 원하는 특성들에 의존하여 변할 수 있는 근사치들이다. 적어도, 및 청구항들의 범위에 대한 등가물들의 원칙의 적용을 제한하려는 시도로서가 아닌, 각각의 수치 파라미터는 적어도 보고된 유효 숫자들의 수에 비추어 및 평범한 반올림 기술들을 적용함으로써 해석되어야 한다.

여기에서 참조로서 통합되는 것으로 일컬어지는, 임의의 특허, 공개, 또는 다른 개시 자료는 전체적으로 또는 부분적으로 단지 통합된 자료가 기존의 정의들, 서술들, 또는 본 개시에 제시된 다른 개시 자료와 충돌하지 않는 정도로 여기에 통합된다. 이와 같이, 및 필요한 정도로, 여기에 개시된 개시물은 참조로서 여기에 통합된 임의의 충돌 자료를 대체한다. 여기에 참조로서 통합되는 것으로 일컬어지지만, 기존의 정의들, 서술들, 또는 여기에 제시된 다른 개시 자료와 충돌하는 임의의 자료 또는 그 일부는 단지 통합된 자료 및 기존의 개시 자료 사이에서 충돌이 발생하지 않는 정도로 통합된다.

본 개시의 일 양상은 티타늄 및 티타늄 합금들에서의 결정립 크기를 정제하기 위해 단조 단계들 동안 높은 변형 속도들을 사용하는 단계를 포함하는 다축 단조 공정의 비-제한적인 구현예들을 포함한다. 이들 방법 실시예들은 일반적으로 "고 변형 속도 다축 단조" 또는 "고 변형 속도 MAF"로서 본 개시물에 참조된다.

이제 도 1에서의 흐름도 및 도 2에서의 개략적인 표현을 참조하면, 본 개시에 따른 비-제한적인 구현예에서, 티타늄 또는 티타늄 합금들의 결정립 크기를 정제하기 위한 고 변형 속도 다축 단조(multi-axis forging; MAF) 공정을 사용하는 방법(20)이 묘사된다. 강소성 변형(severe plastic deformation)의 형태이며, "a-b-c" 단조로서 또한 알려진, 다축 단조(26)는 높은 변형 속도를 사용한 MAF(26)에 앞서, 금속 재료의 알파+베타 상 영역 내에서 티타늄 및 티타늄 합금(24)으로부터 선택된 금속 재료를 포함한 워크피스를 워크피스 단조 온도로 가열하는 단계(도 1에서 단계 22)를 포함한다.

본 개시의 고려사항으로부터 명백해질 바와 같이, 높은 변형 속도는 워크피스의 내부 영역을 단열 가열하기 위해 고 변형 속도 MAF에 사용된다. 그러나, 본 개시에 따른 비-제한적인 구현예에서, 고 변형 속도 MAF의 a-b-c 히트들의 적어도 마지막 시퀀스에서, 상기 티타늄 또는 티타늄 합금 워크피스(24)의 내부 영역의 온도는 티타늄 또는 티타늄 합금 워크피스의 베타-변태 온도(T_β)를 초과하지 않아야 한다. 그러므로, 고 변형 속도 MAF 히트들의 적어도 최종 a-b-c- 시퀀스에 대한 워크피스 단조 온도는 고 변형 속도 MAF 동안 상기 워크피스의 내부 영역의 온도가 금속 재료의 베타-변태 온도와 같거나 또는 이를 초과하지 않음을 보장하기 위해 선택되어야 한다. 본 개시에 따른 비-제한적인 구현예에서, a-b-c MAF 히트들의 적어도 최종 고 변형 속도 시퀀스 동안, 상기 워크피스의 내부 영역 온도는 상기 금속 재료의 배타 변태 온도 아래로 20℉(11.1℃), 즉 T_β-20℃(T_β-11.1℃)를 넘지 않는다.

본 개시의 고 변형 속도 MAF의 비-제한적인 구현예에서, 워크피스 단조 온도는 워크피스 단조 온도 범위 내의 온도를 포함한다. 비-제한적인 구현예에서, 상기 워크피스 단조 온도는 티타늄 또는 티타늄 합금 금속 재료의 베타 변태 온도(T_β) 아래로 100℉(55.6℃) 내지 티타늄 또는 티타늄 합금 금속 재료의 베타 변태 온도 아래로 700℉(388.9℃)의 워크피스 단조 온도 범위에 있다. 또 다른 비-제한적인 구현예에서, 상기 워크피스 단조 온도는 티타늄 또는 티타늄 합금의 베타 전이 온도 아래의 300℉(166.7℃) 내지 티타늄 또는 티타늄 합금의 베타 전이 온도 아래의 625℉(347℃)의 온도 범위에 있다. 비-제한적인 구현예에서, 워크피스 단조 온도 범위의 하단은 이 기술분야의 숙련자에게 알려진 바와 같이, 단조 히트 동안 워크피스의 표면에 대해 실질적인 손상이 발생하지 않는 알파+베타 상 영역에서의 온도이다.

비-제한적인 구현예에서, 도 1의 본 개시의 실시예를, 약 1850℉(1010℃)의 베타 변태 온도(T_β)를 가진, Ti-6-4 합금(Ti-6Al-4V; UNS No. R56400)에 적용할 때 워크피스 단조 온도 범위는 1150℉(621.1℃)에서 1750℉(954.4℃)까지이거나, 또는 또 다른 실시예에서 1225℉(662.8℃)에서 1550℉(843.3℃)까지일 수 있다.

비-제한적인 구현예에서, 티타늄 또는 티타늄 합금 워크피스(24)를 상기 알파+베타 상 영역 내에서의 워크피스 단조 온도로 가열하기(22) 전에, 상기 워크피스(24)는 선택적으로 베타 어닐링되고 공기 냉각된다(도시되지 않음). 베타 어닐링은 상기 티타늄 또는 티타늄 합금 금속 재료의 베타 변태 온도 이상으로 워크피스(24)를 가열하는 단계 및 상기 워크피스에 모든 베타 상을 형성하기에 충분한 시간 동안 유지하는 단계를 포함한다. 베타 어닐링은 잘 알려진 공정이며, 그러므로 여기에서 추가로 상세히 설명되지 않는다. 베타 어닐링의 비-제한적인 구현예는 상기 티타늄 또는 티타늄 합금의 베타 변태 온도 위로 약 50℉(27.8℃)의 베타 침지 온도로 상기 워크피스(24)를 가열하는 단계 및 약 1시간 동안 상기 온도로 워크피스(24)를 유지하는 단계를 포함할 수 있다.

도 1 및 도 2를 다시 참조하면, 티타늄 및 티타늄 합금(24)으로부터 선택된 금속 재료를 포함한 워크피스가 상기 워크피스 단조 온도에 있을 때, 상기 워크피스는 고 변형 속도 MAF(26)가 된다. 본 개시에 따른 비-제한적인 구현예에서, MAF(26)는 상기 워크피스를 단열 가열하거나, 또는 적어도 상기 워크피스의 내부 영역을 단열 가열하고, 상기 워크피스(24)를 가소적으로 변형하기에 충분한 변형 속도를 사용하여 상기 워크피스의 제 1 직교 축(30)의 방향(A)으로 상기 워크피스 단조 온도에서 상기 워크피스(24)를 프레스 단조하는 단계(단계 28, 및 도 2(a)에 도시됨)를 포함한다. 본 개시의 비-제한적인 구현예들에서, 여기에 사용된 바와 같은 구절 "내부 영역"은 정육면체의 볼륨의 약 20%, 또는 약 30%, 또는 약 40%, 또는 약 50%의 볼륨을 포함한 내부 영역을 나타낸다.

고 변형 속도들 및 고속 램 속도들은 본 개시에 따른 고 변형 속도 MAF의 비-제한적인 구현예들에서 상기 워크피스의 내부 영역을 단열 가열하기 위해 사용된다. 본 개시에 따른 비-제한적인 구현예에서, 용어 "고 변형 속도(high strain rate)"는 약 0.2 s^-1 내지 약 0.8 s^-1의 변형 속도 범위를 나타낸다. 본 개시에 따른 또 다른 비-제한적인 구현예에서, 여기에 사용된 바와 같은 용어 "고 변형 속도"는 약 0.2 s^-1 내지 약 0.4 s^-1의 변형 속도를 나타낸다.

본 개시에 따른 비-제한적인 구현예에서, 상기 정의된 바와 같은 고 변형 속도를 사용하여, 티타늄 또는 티타늄 합금 워크피스의 내부 영역은 워크피스 단조 온도 위 약 200℉로 단열 가열될 수 있다. 또 다른 비-제한적인 구현예에서, 프레스 단조 동안, 상기 내부 영역은 상기 워크피스 단조 온도 위 약 100℉(55.6℃) 내지 300℉(166.7℃)로 단열 가열된다. 또 다른 비-제한적인 구현예에서, 프레스 단조 동안, 내부 영역은 상기 워크피스 단조 온도 위 약 150℉(83.3℃) 내지 250℉(138.9℃)로 단열 가열된다. 상기 주지된 바와 같이, 어떤 워크피스의 부분도 고 변형 속도 a-b-c MAF 히트들의 마지막 시퀀스 동안 티타늄 또는 티타늄 합금의 베타-변태 온도 이상으로 가열되지 않아야 한다.

비-제한적인 구현예에서, 프레스 단조(28) 동안, 상기 워크피스(24)는 높이 또는 또 다른 치수에서 20% 내지 50% 감소로 가소적으로 변형된다. 또 다른 비-제한적인 구현예에서, 프레스 단조(28) 동안, 상기 티타늄 합금 워크피스(24)는 높이 또는 또 다른 치수에서 30% 내지 40% 감소로 가소적으로 변형된다.

알려진 저 변형 속도 다축 단조 공정은 도 3에 개략적으로 묘사된다. 일반적으로, 다축 단조의 일 양상은 개방 다이 단조와 같은, 단조 장치의 매 3개의 스트로크들 또는 "히트들" 후, 상기 워크피스의 형상이 제 1 히트 직전의 워크피스의 것에 근접한다는 것이다. 예를 들면, 5-인치 면을 가진 정육면체 워크피스가 초기에 "a" 축의 방향에서 제 1 "히트"로 단조되고, 90°회전되며 "b" 축의 방향에서 제 2 축으로 단조되고, 90°회전되며 "c"축의 방향에서 제 3 히트로 단조된 후, 상기 워크피스는 5-인치 면들을 가진 개시 정육면체와 비슷할 것이다.

또 다른 비-제한적인 구현예에서, 도 2(a)에 도시되며, 또한 "제 1 히트"로서 여기에 나타내어지는, 제 1 프레스 단조 단계(28)는 워크피스가 워크피스 단조 온도에 있는 동안 미리 결정된 스페이서 높이에 이르기까지 윗면 상에서의 상기 워크피스를 프레스 단조하는 단계를 포함할 수 있다. 비-제한적인 구현예의 미리 결정된 스페이서 높이는 예를 들면 5인치이다. 예를 들면, 5인치 미만, 약 3인치, 5인치 이상, 또는 5인치들에서 30인치들까지와 같은, 다른 스페이서 높이들이 여기에서의 실시예드의 범위 내에 있지만, 본 개시의 범위를 제한하는 것으로서 해석되어서는 안된다. 보다 큰 스페이서 높이들이 단지 상기 단조의 능력들, 및 여기에 보여질 바와 같이, 본 개시에 따른 열 관리 시스템의 능력들에 의해서만 제한된다. 3 인치 미만의 스페이서 높이들이 또한 여기에 개시된 실시예들의 범위 내에 있으며, 이러한 비교적 작은 스페이서 높이들은 단지 완제품의 원하는 특성들, 및 가능하게는 비교적 작은 크기들을 가진 워크피스들 상에서 본 발명을 이용하는데 적용할 수 있는 임의의 엄청나게 비싼 경제학들에 의해서만 제한된다. 약 30인치의 스페이서들의 사용은 예를 들면, 미립자 크기, 극미립자 크기, 또는 초미립자 크기를 가진 빌릿(billet)-크기의 30-인치 면을 가진 정육면체들을 준비하기 위한 능력을 제공한다. 종래의 합금들의 빌릿-크기 정육면체 형태들은 항공 또는 지상 터빈들을 위한 디스크, 링, 및 케이스 부품들을 제조하기 위한 하우스들을 단조하는데 이용되어 왔다.

제 1 직교 축(30)의 방향에서, 즉 도 2(a)에 도시된 A-방향에서 워크피스(24)를 프레스 단조(28)한 후, 본 개시에 따른 방법의 비-제한적인 구현예는 상기 워크피스의 상기 단열 가열된 내부 영역(도시되지 않음)의 온도가 도 2(b)에 도시된 워크피스 단조 온도까지 냉각되도록 허용하는 단계(단계 32)를 추가로 포함한다. 내부 영역 냉각 시간들, 또는 대기 시간들은 예를 들면, 비-제한적인 구현예들에서, 범위가 5초 내지 120초, 10초 내지 60초, 또는 5초 내지 5분에 이를 수 있다. 상기 워크피스 단조 온도로 상기 내부 영역을 냉각시키기 위해 요구된 내부 영역 냉각 시간들은 상기 워크피스(24)의 크기, 형상, 및 구성, 뿐만 아니라 상기 워크피스(24)를 둘러싸는 대기의 상태들에 의존할 것임이 이 기술분야의 숙련자에게 인지될 것이다.

내부 영역 냉각 시간 기간 동안, 여기에 개시된 비-제한적인 구현예들에 따른 열 관리 시스템(33)의 일 양상은 상기 워크피스 단조 온도에서 또는 그에 가까운 온도로 상기 워크피스(24)의 외부 표면 영역(36)을 가열하는 단계(단계 34)를 포함한다. 이러한 방식으로, 상기 워크피스(24)의 온도는 균일하거나 또는 거의 균일하고 각각의 고 변형 속도 MAF 히트 이전에 상기 워크피스 단조 온도에 또는 그에 가깝게 실질적으로 등온 상태로 유지된다. 비-제한적인 구현예들에서, 상기 단열 가열된 내부 영역이 특정 내부 영역 냉각 시간 동안 냉각되도록 허용하는 단계와 함께, 상기 외부 표면 영역(36)을 가열하기 위해 상기 열 관리 시스템(33)을 사용할 때, 상기 워크피스의 온도는 각각의 a-b-c 단조 히트 사이에서의 상기 워크피스 단조 온도에서 또는 그에 가깝게 실질적으로 균일한 온도로 돌아간다. 본 개시에 따른 또 다른 비-제한적인 구현예에서, 상기 단열 가열된 내부 영역이 특정 내부 영역 냉각 시간 동안 냉각되도록 허용하는 단계와 함께, 상기 외부 표면 영역(36)을 가열하기 위해 상기 열 관리 시스템(33)을 사용할 때, 상기 워크피스의 온도는 각각의 a-b-c- 단조 히트 사이에서의 상기 워크피스 단조 온도 범위 내에서 실질적으로 균일한 온도로 돌아간다. 상기 단열 가열된 내부 영역이 상기 워크피스 단조 온도까지 냉각되도록 허용하는 것과 함께, 상기 워크피스 단조 온도로 상기 워크피스의 외부 표면 영역을 가열하기 위해 열 관리 시스템(33)을 이용함으로써, 본 개시에 따른 비-제한적인 구현예는 "열 관리된, 고 변형 속도 다축 단조"로서 또는 여기에서 목적들을 위해, 간단히 "고 변형 속도 다축 단조"로서 불리울 수 있다.

본 개시에 따른 비-제한적인 구현예들에서, 구 "외부 표면 영역"은 상기 정육면체의 외부 표면에서, 상기 정육면체의 약 50%, 또는 약 60%, 또는 약 70%, 또는 약 80%의 볼륨을 나타낸다.

비-제한적인 구현예에서, 상기 워크피스(24)의 외부 표면 영역(36)을 가열하는 단계(34)는 상기 열 관리 시스템(33)의 하나 이상의 외부 표면 가열 메커니즘들(38)을 사용하여 달성될 수 있다. 가능한 외부 표면 가열 메커니즘들(38)의 예들은, 이에 제한되지 않지만, 상기 워크피스(24)의, 불꽃 가열을 위한 플레임 히터들; 유도 가열을 위한 인덕션 히터들; 및 복사 가열을 위한 복사 히터를 포함한다. 상기 워크피스의 외부 표면 영역을 가열하기 위한 다른 메커니즘들 및 기술들은 본 개시를 고려할 때 이 기술분야의 숙련자들에게 명백할 것이며, 이러한 메커니즘들 및 기술들은 본 개시의 범위 내에 있다. 외부 표면 영역 가열 메커니즘(38)의 비-제한적인 구현예는 박스로(box furnace)(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 박스로는 불꽃 가열 메커니즘들, 복사 가열 메커니즘들, 유도 가열 메커니즘들, 및/또는 현재 또는 이후에 이 기술분야의 숙련자에게 알려진 임의의 다른 적절한 가열 메커니즘 중 하나 이상을 사용하여 상기 워크피스의 외부 표면 영역을 가열하기 위한 다양한 가열 메커니즘들을 갖고 구성될 수 있다.

또 다른 비-제한적인 구현예에서, 상기 워크피스(24)의 외부 표면 영역(36)의 온도는 상기 워크피스 단조 온도에서 또는 그 가까이에서 및 열 관리 시스템(33)의 하나 이상의 다이 히터들(40)을 사용하여 상기 워크피스 단조 온도 범위 내에서 가열되고(34) 유지될 수 있다. 다이 히터들(40)은 상기 워크피스 단조 온도에서 또는 그 가까이에서 또는 상기 워크피스 온도 단조 범위 내에서의 온도에서 상기 다이들(40) 또는 상기 다이들의 다이 프레스 단조 표면들(44)을 유지하기 위해 사용될 수 있다. 비-제한적인 구현예에서, 상기 열 관리 시스템의 다이들(40)은 상기 워크피스 단조 온도 아래로 100℉(55.6℃)까지 워크피스 단조 온도를 포함하는 범위 내의 온도로 가열된다. 다이 히터들(40)은 이에 제한되지 않지만, 불꽃 가열 메커니즘들, 복사 가열 메커니즘들, 전도 가열 메커니즘들, 및/또는 유도 가열 메커니즘들을 포함한 이 기술분야의 숙련자들에게 이제 또는 이후에 알려진 임의의 적절한 가열 메커니즘에 의해 상기 다이들(42) 또는 상기 다이 프레스 단조 표면(44)을 가열할 수 있다. 비-제한적인 구현예에서, 다이 히터(40)는 박스로(도시되지 않음)의 구성요소일 수 있다. 열 관리 시스템(33)이 가동 중이며 도 2(b), 도 2(d), 및 도 2(f)에 도시된 다축 단조 공정(26)의 냉각 단계들(32, 52, 60) 동안 사용된다고 도시되지만, 열 관리 시스템(33)은 도 2(a), 도 2(c), 및 도 (e)에 묘사된 프레스 단조 단계들(28, 46, 56) 동안 가동 중이거나 또는 가동 중이지 않을 수 있다는 것이 인지된다.

도 2(c)에 도시된 바와 같이, 본 개시에 따른 다축 단조 방법(26)의 비-제한적인 구현예의 일 양상은 상기 워크피스(24), 또는 적어도 상기 워크피스의 내부 영역을 단열 가열하고 상기 워크피스(24)를 가소적으로 변형하기에 충분한 변형 속도를 사용하여 상기 워크피스(24)의 제 2 직교 축(48)의 방향(B)에서 상기 워크피스 단조 온도로 상기 워크피스(24)를 프레스 단조하는 단계(단계 46)를 포함한다. 비-제한적인 구현예에서, 프레스 단조(46) 동안, 상기 워크피스(24)는 높이 또는 또 다른 치수에서 20% 내지 50% 감소의 소성 변형으로 변형된다. 또 다른 비-제한적인 구현예에서, 프레스 단조(46) 동안, 상기 워크피스(24)는 높이 또는 또 다른 치수에서 30% 내지 40%의 소성 변형으로 가소적으로 변형된다. 비-제한적인 구현예에서, 상기 워크피스(24)는 제 1 프레스 단조 단계(28)에 사용된 동일한 스페이서 높이로 제 2 직교 축(48)의 방향에서 프레스 단조(46)될 수 있다. 본 개시에 따른 또 다른 비-제한적인 구현예에서, 상기 워크피스(24)의 내부 영역(도시되지 않음)은 상기 프레스 단조 단계(46) 동안 제 1 프레스 단조 단계(28)와 동일한 온도로 단열 가열된다. 다른 비-제한적인 구현예에서, 프레스 단조(46)를 위해 사용된 고 변형 속도들은 제 1 프레스 단조 단계(28)를 위해 개시된 것과 동일한 변형 속도 범위들에 있다.

비-제한적인 구현예에서, 도 2(b) 및 도 2(d)에 화살표(50)로 도시된 바와 같이, 워크피스(24)는 연속적인 프레스 단조 단계들(예로서, 28, 46) 사이에서 상이한 직교 축으로 회전(50)될 수 있다. 이러한 회전은 "a-b-c" 회전으로 불리울 수 있다. 상이한 단조 구성들을 사용함으로써, 상기 워크피스(24)를 회전시키는 대신에 상기 단조 상에서의 램을 회전시키는 것이 가능할 수 있거나, 또는 상기 워크피스 및 상기 단조의 회전 모두가 요구되지 않도록 단조가 다축 램들을 갖출 수 있다는 것이 이해된다. 명백하게, 중요한 양상은 상기 램 및 상기 워크피스의 상대적인 움직임이며, 상기 워크피스(24)를 회전시키는 것(50)은 선택적인 단계일 수 있다. 그러나 대부분의 현재 산업적 장비 셋-업들에서, 프레스 단조 단계들 사이에서 상이한 직교 축으로 상기 워크피스를 회전시키는 것(50)은 상기 다축 단조 공정(26)을 완료하기 위해 요구될 것이다.

a-b-c 회전(50)이 요구되는 비-제한적인 구현예들에서, 상기 워크피스(24)는 a-b-c 회전(50)을 제공하기 위해 단조 운영자에 의해 수동으로 또는 자동 회전 시스템(도시되지 않음)에 의해 회전될 수 있다. 자동 a-b-c 회전 시스템은, 이에 제한되지 않지만, 여기에 개시된 비-제한적인 열 관리 고 변형 속도 다축 단조 실시예를 가능하게 하기 위해 자유-스윙잉 클램프-형 조작기 금형(free-swinging clamp-style manipulator tooling) 등을 포함할 수 있다.

제 2 직교 축(48)의 방향에서, 즉 B-방향에서 상기 워크피스(24)를 프레스 단조(46)한 후 및 도 2(d)에 도시된 바와 같이, 공정(20)은 상기 워크피스의 단열 가열된 내부 영역(도시되지 않음)이 도 2(d)에 도시되는 워크피스 단조 온도까지 냉각되도록 허용하는 단계(단계 52)를 추가로 포함한다. 내부 영역 냉각 시간들, 또는 대기 시간들은 예를 들면, 비-제한적인 구현예들에서, 범위가 5초 내지 120초, 또는 10초 내지 60초, 또는 5초에서 5분까지 이를 수 있으며, 최소 냉각 시간은 상기 워크피스(24)의 크기, 형상, 및 구성, 뿐만 아니라 상기 워크피스를 둘러싸는 환경의 특성들에 종속한다는 것이 이 기술분야의 숙련자에게 인식된다.

내부 영역 냉각 시간 기간 동안, 여기에 개시된 특정의 비-제한적인 구현예들에 따른 열 관리 시스템(33)의 일 양상은 상기 워크피스 단조 온도에서의 또는 그에 가까운 온도로 상기 워크피스(24)의 외부 표면 영역(36)을 가열하는 단계(단계 54)를 포함한다. 이러한 방식으로, 상기 워크피스(24)의 온도는 균일하거나 또는 거의 균일하게 및 각각의 고 변형 속도 MAF 히트 이전에 상기 워크피스 단조 온도에서 또는 그 가까이에서 실질적으로 등온 상태로 유지된다. 비-제한적인 구현예들에서, 상기 단열 가열된 내부 영역이 특정 내부 영역 냉각 시간 동안 냉각되도록 허용하는 것과 함께, 외부 표면 영역(36)을 가열하기 위해 상기 열 관리 시스템(33)을 사용할 때, 상기 워크피스의 온도는 각각의 a-b-c 단조 히트들 사이에서의 워크피스 단조 온도에서 또는 그 가까이에서 실질적으로 균일한 온도로 돌아간다. 본 개시에 따른 또 다른 비-제한적인 구현예에서, 상기 단열 가열된 내부 영역이 특정 내부 영역 냉각 유지 기간 동안 냉각되도록 허용하는 것과 함께, 상기 외부 표면 영역(36)을 가열하기 위해 상기 열 관리 시스템(33)을 사용할 때, 상기 워크피스의 온도는 각각의 고 변형 속도 MAF 히트 이전에 상기 워크피스 단조 온도 범위 내에서 실질적으로 균일한 온도로 돌아간다.

비-제한적인 구현예에서, 상기 워크피스(24)의 외부 표면 영역(36)을 가열하는 단계(54)는 상기 열 관리 시스템(33)의 하나 이상의 외부 표면 가열 메커니즘들(38)을 사용하여 달성될 수 있다. 가능한 가열 메커니즘들(38)의 예들은, 이에 제한되지 않지만, 상기 워크피스(24)의 불꽃 가열을 위한 플레임 히터들; 유도 가열을 위한 인덕션 히터들; 및/또는 복사 가열을 위한 복사 히터들을 포함할 수 있다. 표면 가열 메커니즘(38)의 비-제한적인 구현예는 박스로(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 상기 워크피스의 외부 표면을 가열하기 위한 다른 메커니즘들 및 기술들은 본 개시를 고려할 때 이 기술분야의 숙련자들에게 명백할 것이며, 이러한 메커니즘들 및 기술들은 본 개시의 범위 내에 있다. 박스로는 불꽃 가열 메커니즘들, 복사 가열 메커니즘들, 유도 가열 메커니즘들, 및/또는 이 기술분야의 숙련자에게 이제 또는 이후 알려진 임의의 다른 가열 메커니즘 중 하나 이상을 사용하여, 상기 워크피스의 외부 표면을 가열하기 위해 다양한 가열 메커니즘들을 갖고 구성될 수 있다.

또 다른 비-제한적인 구현예에서, 상기 워크피스(24)의 외부 표면 영역(36)의 온도는 열 관리 시스템(33)의 하나 이상의 다이 히터들(40)을 사용하여 상기 워크피스 단조 온도 범위 내에서 및 상기 워크피스 단조 온도에서 또는 그 가까이에서 가열되고(54) 유지될 수 있다. 다이 히터들(40)은 상기 워크피스 단조 온도에서 또는 그 가까이에서 또는 상기 온도 단조 범위 내에서의 온도들에서 상기 다이들(40) 또는 상기 다이들의 다이 프레스 단조 표면들(44)을 유지하기 위해 사용될 수 있다. 다이 히터들(40)은 이에 제한되지 않지만, 불꽃 가열 메커니즘들, 복사 가열 메커니즘들, 전도 가열 메커니즘들, 및/또는 유도 가열 메커니즘들을 포함한 이 기술분야의 숙련자들에게 이제 또는 이후에 알려진 임의의 적절한 가열 메커니즘에 의해 상기 다이들(42) 또는 상기 다이 프레스 단조 표면(44)을 가열할 수 있다. 비-제한적인 구현예에서, 다이 히터(40)는 박스로(도시되지 않음)의 구성요소일 수 있다. 열 관리 시스템(33)이 가동 중이며 도 2(b), 도 2(d), 및 도 2(f)에 도시된 다축 단조 공정(26)의 평형 및 냉각 단계들(32, 52, 60) 동안 사용된다고 도시되지만, 열 관리 시스템(33)은 도 2(a), 도 2(c), 및 도 2(e)에 묘사된 프레스 단조 단계들(28, 46, 56) 동안 가동 중이거나 또는 가동 중이지 않을 수 있다는 것이 인지된다.

도 2(e)에 도시된 바와 같이, 본 개시에 따른 다축 단조(26)의 일 실시예의 일 양상은 상기 워크피스(24)를 단열 가열하거나, 또는 적어도 상기 워크피스의 내부 영역을 단열 가열하며 상기 워크피스(24)를 가소적으로 변형하기에 충분한 램 속도 및 변형 속도를 사용하여 상기 워크피스(24)의 제 3 직교 축(58)의 방향(C)으로 상기 워크피스 단조 온도에서 상기 워크피스(24)를 프레스 단조하는 단계(단계 56)를 포함한다. 비-제한적인 구현예에서, 상기 워크피스(24)는 프레스 단조(56) 동안 높이 또는 또 다른 치수에서 20 내지 50% 감소의 소성 변형으로 변형된다. 또 다른 비-제한적인 구현예에서, 프레스 단조(56) 동안, 상기 워크피스는 높이 또는 또 다른 치수에서 30% 내지 40% 감소의 소성 변형으로 가소적으로 변형된다. 비-제한적인 구현예에서, 상기 워크피스(24)는 제 1 프레스 단조 단계(28)에 사용된 동일한 스페이서 높이로 제 3 직교 축(58)의 방향에서 프레스 단조(56)될 수 있다. 본 개시에 따른 또 다른 비-제한적인 구현예에서, 상기 워크피스(24)의 내부 영역(도시되지 않음)은 상기 프레스 단조 단계(56) 동안 제 1 프레스 단조 단계(28)에서와 동일한 온도들로 단열 가열된다. 다른 비-제한적인 구현예들에서, 프레스 단조(56)를 위해 사용된 고 변형 속도들은 제 1 프레스 단조 단계(28)를 위해 개시된 것과 동일한 변형 속도 범위들에 있다.

비-제한적인 구현예에서, 도 2(b), 도 2(d), 및 도 2(e)에서 화살표(50)에 의해 도시된 바와 같이, 상기 워크피스(24)는 연속적인 프레스 단조 단계들(예로서, 46, 56) 사이에서 상이한 직교 축으로 회전(50)될 수 있다. 이러한 회전은 "a-b-c" 회전으로 불리울 수 있다. 상이한 단조 구성들을 사용함으로써, 상기 워크피스(24)를 회전시키는 대신에 상기 단조 상에서의 램을 회전시키는 것이 가능할 수 있거나, 또는 상기 워크피스 및 상기 단조의 회전 모두가 요구되지 않도록 단조가 다축 램들을 갖출 수 있다는 것이 이해된다. 그러므로, 상기 워크피스(24)를 회전시키는 것(50)은 선택적인 단계일 수 있다. 그러나 대부분의 현재 산업적 장비 셋-업들에서, 프레스 단조 단계들 사이에서 상이한 직교 축으로 상기 워크피스를 회전시키는 것(50)은 상기 다축 단조 공정(26)을 완료하기 위해 요구될 것이다.

제 3 직교 축(58)의 방향에서, 즉 C-방향에서 상기 워크피스(24)를 프레스 단조(56)한 후, 및 도 2(e)에 도시된 바와 같이, 공정(20)은 상기 워크피스의 단열 가열된 내부 영역(도시되지 않음)이 도 2(f)에 표시되는, 상기 워크피스 단조 온도까지 냉각되도록 허용하는 단계(단계 60)를 추가로 포함한다. 내부 영역 냉각 시간들은 예를 들면, 범위가 5초 내지 120초, 또는 10초 내지 60초, 또는 5초에서 5분까지 이를 수 있으며, 냉각 시간은 상기 워크피스(24)의 크기, 형상, 및 구성, 뿐만 아니라 상기 워크피스를 둘러싸는 환경의 특성들에 종속한다는 것이 이 기술분야의 숙련자에게 인식된다.

냉각 기간 동안, 여기에 개시된 비-제한적인 구현예들에 따른 열 관리 시스템(33)의 일 양상은 워크피스 단조 온도에서의 또는 그에 가까운 온도로 상기 워크피스(24)의 외부 표면 영역(36)을 가열하는 단계(단계 62)를 포함한다. 이러한 방식으로, 상기 워크피스(24)의 온도는 균일하거나 또는 거의 균일하게 그리고 각각의 고 변형 속도 MAF 히트 이전에 상기 워크피스 단조 온도에서 또는 그에 가까운 온도에서 실질적으로 등온 상태로 유지된다. 비-제한적인 구현예들에서, 상기 단열 가열된 내부 영역이 특정 내부 영역 냉각 시간 동안 냉각되도록 허용하는 것과 함께, 외부 표면 영역(36)을 가열하기 위해 상기 열 관리 시스템(33)을 사용할 때, 상기 워크피스의 온도는 각각의 a-b-c 단조 히트들 사이에서의 워크피스 단조 온도에서의 또는 그에 가까운 온도에서 실질적으로 균일한 온도로 돌아간다. 본 개시에 따른 또 다른 비-제한적인 구현예에서, 상기 단열 가열된 내부 영역이 특정 내부 영역 냉각 유지 기간 동안 냉각되도록 허용하는 것과 함께, 상기 외부 표면 영역(36)을 가열하기 위해 상기 열 관리 시스템(33)을 사용할 때, 상기 워크피스의 온도는 각각의 a-b-c 단조 히트 사이에서의 상기 워크피스 단조 온도 범위 내에서 실질적으로 등온 상태로 돌아간다.

비-제한적인 구현예에서, 상기 워크피스(24)의 외부 표면 영역(36)을 가열하는 단계(62)는 상기 열 관리 시스템(33)의 하나 이상의 외부 표면 가열 메커니즘들(38)을 사용하여 달성될 수 있다. 가능한 가열 메커니즘들(38)의 예들은 이에 제한되지 않지만, 상기 워크피스(24)의 불꽃 가열을 위한 플레임 히터들; 유도 가열을 위한 인덕션 히터들; 및/또는 복사 가열을 위한 복사 히터들을 포함할 수 있다. 상기 워크피스의 외부 표면을 가열하기 위한 다른 메커니즘들 및 기술들은 본 개시를 고려할 때 이 기술분야의 숙련자들에게 명백할 것이며, 이러한 메커니즘들 및 기술들은 본 개시의 범위 내에 있다. 표면 가열 메커니즘(38)의 비-제한적인 구현예는 박스로(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 박스로는 불꽃 가열 메커니즘들, 복사 가열 메커니즘들, 유도 가열 메커니즘들, 및/또는 이 기술분야의 숙련자에게 이제 또는 이후 알려진 임의의 다른 가열 메커니즘 중 하나 이상을 사용하여, 상기 워크피스의 외부 표면을 가열하기 위해 다양한 가열 메커니즘들로 구성될 수 있다.

또 다른 비-제한적인 구현예에서, 상기 워크피스(24)의 외부 표면 영역(36)의 온도는 상기 워크피스 단조 온도에서 또는 그 가까이에서, 및 열 관리 시스템(33)의 하나 이상의 다이 히터들(40)을 사용하여 상기 워크피스 단조 온도 범위 내에서 가열되고(62) 유지될 수 있다. 다이 히터들(40)은 상기 워크피스 단조 온도에서 또는 그 가까이에서 또는 상기 온도 단조 범위 내에서의 온도에서 상기 다이들(40) 또는 상기 다이들의 다이 프레스 단조 표면들(44)을 유지하기 위해 사용될 수 있다. 비-제한적인 구현예에서, 상기 열 관리 시스템의 다이들(40)은 상기 워크피스 단조 온도 아래로 100℉(55.6℃)까지 워크피스 단조 온도를 포함하는 범위 내의 온도로 가열된다. 다이 히터들(40)은 이에 제한되지 않지만, 불꽃 가열 메커니즘들, 복사 가열 메커니즘들, 전도 가열 메커니즘들, 및/또는 유도 가열 메커니즘들을 포함한 이 기술분야의 숙련자들에게 이제 또는 이후에 알려진 임의의 적절한 가열 메커니즘에 의해 상기 다이들(42) 또는 상기 다이 프레스 단조 표면(44)을 가열할 수 있다. 비-제한적인 구현예에서, 다이 히터(40)는 박스로(도시되지 않음)의 구성요소일 수 있다. 열 관리 시스템(33)이 가동 중이며 도 2(b), 도 2(d), 및 도 2(f)에 도시된 다축 단조 공정의 평형 단계들(32, 52, 60) 동안 사용된다고 도시되지만, 열 관리 시스템(33)은 도 2(a), 도 2(c), 및 도 (e)에 묘사된 프레스 단조 단계들(28, 46, 56) 동안 가동 중이거나 또는 가동 중이지 않을 수 있다는 것이 인지된다.

본 개시의 일 양상은 적어도 3.5의 진변형률이 워크피스에서 달성될 때까지 3개의 직교 축 프레스 단조, 냉각, 및 표면 가열 단계들 중 하나 이상이 반복되는(즉, a-b-c 단조, 내부 영역 냉각, 및 외부 표면 영역 가열 단계들의 초기 시퀀스를 완료에 이어 행해진다) 비-제한적인 구현예를 포함한다. 구 "진변형률(true strain)"은 또한 "대수 변형률", 및 또한 "유효 변형률"로서 이 기술분야의 숙련자들에게 알려져 있다. 도 1을 참조하면, 이것은 단계 (g)에 의해, 즉 적어도 3.5의 진변형률이 워크피스에 달성될 때까지 단계들((a)-(b), (c)-(d), 및 (e)-(f)) 중 하나 이상을 반복함으로써(단계 64) 대표된다. 또 다른 비-제한적인 구현예에서, 도 1을 다시 참조하면, 반복 단계(64)는 적어도 4.7의 진변형률이 상기 워크피스에 달성될 때까지 단계들((a)-(b), (c)-(d), 및 (e)-(f)) 중 하나 이상을 반복하는 단계를 포함한다. 다른 비-제한적인 구현예들에서, 도 1을 다시 참조하면, 반복 단계(64)는 5 이상의 진변형률이 달성될 때까지, 또는 10의 진변형률이 상기 워크피스에서 달성될 때까지 단계들((a)-(b), (c)-(d), 및 (e)-(f)) 중 하나 이상을 반복하는 단계를 포함한다. 또 다른 비-제한적인 구현예에서, 도 1에 도시된 단계들((a) 내지 (f))은 적어도 4번 반복된다.

본 개시에 따른 열 관리된, 고 변형 속도 다축 단조의 비-제한적인 구현예들에서, 3.7의 진변형률 후, 상기 워크피스의 내부 영역은 4 ㎛로부터 6 ㎛까지의 평균 알파 입자 결정립 크기를 포함한다. 열 제어된 다축 단조의 비-제한적인 구현예에서, 4.7의 진변형률이 달성된 후, 상기 워크피스는 4 ㎛의 워크피스의 중심 영역에서 평균 결정립 크기를 포함한다. 본 개시에 따른 비-제한적인 구현예에서, 3.7 이상의 평균 변형률이 달성될 때, 본 개시의 방법들의 특정 비-제한적인 구현예들은 등축되는 결정립들을 생성한다.

열 관리 시스템을 사용한 다축 단조의 공정의 비-제한적인 구현예에서, 상기 워크피스-프레스 다이 계면은 이에 제한되지 않지만, 흑연, 유리, 및/또는 다른 알려진 고체 윤활제들과 같은, 이 기술분야의 숙련자들에게 알려진 윤활제들로 매끄럽게 된다.

비-제한적인 구현예에서, 상기 워크피스는 알파 티타늄 합금들, 알파+베타 티타늄 합금들, 준안정 베타 티타늄 합금들, 및 베타 티타늄 합금들로 이루어진 그룹으로부터 선택된 티타늄 합금을 포함한다. 또 다른 비-제한적인 구현예에서, 상기 워크피스는 알파+베타 티타늄 합금을 포함한다. 또 다른 비-제한적인 구현예에서, 상기 워크피스는 준안정 베타 티타늄 합금을 포함한다. 본 개시에 따른 방법들의 실시예들을 사용하여 가공될 수 있는 대표적인 티타늄 합금들은 이에 제한되지 않지만: 예를 들면, Ti-6Al-4V 합금(UNS 번호들 R56400 및 R54601) 및 Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo 합금(UNS 번호들 R54620 및 R54621)과 같은 알파+베타 티타늄 합금들; 예를 들면, Ti-10V-2Fe-3Al 합금(UNS R54610)과 같은, 근-베타 티타늄 합금들; 및 예를 들면, Ti-15Mo 합금(UNS R58150) 및 Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr 합금(UNS 미할당)과 같은 준안정 베타 티타늄 합금들을 포함한다. 비-제한적인 구현예에서, 상기 워크피스는 ASTM 등급들 5, 6, 12, 19, 20, 21, 23, 24, 25, 29, 32, 35, 36, 및 38 티타늄 합금으로부터 선택되는 티타늄 합금을 포함한다.

비-제한적인 구현예에서, 티타늄 또는 티타늄 합금 금속 재료의 알파+베타 상 영역 내에서의 워크피스 단조 온도로 워크피스를 가열하는 단계는 베타 침지 온도로 상기 워크 피스를 가열하는 단계; 상기 워크피스에서 100% 티타늄 베타 상 미세구조를 형성하기에 충분한 침지 시간 동안 상기 베타 침지 온도에서 상기 워크피스를 유지하는 단계; 및 상기 워크피스 단조 온도로 직접 상기 워크피스를 냉각시키는 단계를 포함한다. 특정 비-제한적인 구현예들에서, 상기 베타 침지 온도는 티타늄 또는 티타늄 합금 금속 재료의 베타 변태 온도 위로 300℉(111℃)까지 상기 티타늄 또는 티타늄 합금 금속 재료의 베타 변태 온도의 온도 범위에 있다. 비-제한적인 구현예들은 5분에서 24시간까지의 베타 침지 시간을 포함한다. 이 기술분야의 숙련자는 다른 베타 침지 온도들 및 베타 침지 시간들이 본 개시의 실시예들의 범위 내에 있으며, 예를 들면, 비교적 큰 워크피스들이 100% 베타 상 티타늄 미세구조를 형성하기 위해 비교적 더 높은 베타 침지 온도들 및/또는 보다 긴 베타 침지 시간들을 요구할 수 있다는 것을 이해할 것이다.

상기 워크피스가 100% 베타 상 미세구조를 형성하기 위해 베타 침지 온도에서 유지되는 특정 비-제한적인 구현예들에서, 상기 워크피스는 또한 상기 워크피스를 상기 워크피스 단조 온도까지 냉각시키기 전에 티타늄 또는 티타늄 합금 금속 자료의 베타 상 영역에서 소성 변형 온도로 가소적으로 변형될 수 있다. 상기 워크피스의 소성 변형은 상기 워크피스를 드로잉하는 것, 업셋 단조하는 것, 및 고 변형 속도 다축 단조하는 것 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 비-제한적인 구현예에서, 상기 베타 상 영역에서의 소성 변형은 0.1 내지 0.5의 범위에 있는 베타-업셋 변형률로 상기 워크피스를 업셋 단조하는 단계를 포함한다. 비-제한적인 구현예들에서, 상기 소성 변형 온도는 상기 티타늄 또는 티타늄 합금 금속 자료의 베타 변태 온도 위로 300℉(111℃)까지 티타늄 또는 티타늄 합금 금속 자료의 베타 변태 온도를 포함한 온도 범위에 있다.

도 4는 상기 베타 변태 온도 이상으로 상기 워크피스를 가소적으로 변형하고 상기 워크피스 단조 온도로 직접 냉각하는 비-제한적인 방법을 위한 개략적인 온도-시간 열기계적 공정 차트이다. 도 4에서, 비-제한적인 방법(100)은 티타늄 또는 티타늄 합금 금속 자료의 베타 변태 온도(106) 이상의 베타 침지 온도(104)로 상기 워크피스를 가열하는 단계(102) 및 상기 워크피스에 모든 베타 티타늄 상 미세구조를 형성하기 위해 상기 베타 침지 온도(104)로 상기 워크피스를 유지 또는 "침지"(108)시키는 단계를 포함한다. 본 개시에 따른 비-제한적인 구현예에서, 침지(108) 후, 상기 워크피스는 가소적으로 변형될 수 있다(110). 비-제한적인 구현예에서, 소성 변형(110)은 업셋 단조를 포함한다. 또 다른 비-제한적인 구현예에서, 소성 변형(110)은 0.3의 진변형률로 업셋 단조하는 단계를 포함한다. 또 다른 비-제한적인 구현예에서, 상기 워크피스를 가소적으로 변형하는 단계(110)는 베타 침지 온도에서 열 관리된 고 변형 속도 다축 단조(도 4에 도시되지 않음)를 포함한다.

계속해서 도 4를 참조하면, 상기 베타 상 영역에서의 소성 변형(110) 후, 비-제한적인 구현예에서, 상기 워크피스는 상기 티타늄 또는 티타늄 합금 금속 자료의 알파+베타 상 영역에서 워크피스 단조 온도(114)까지 냉각된다(112). 비-제한적인 구현예에서, 냉각(112)은 공기 냉각을 포함한다. 냉각(112) 후, 상기 워크피스는 본 개시의 비-제한적인 구현예들에 따라, 열 관리된 고 변형 속도 다축 단조된다(114). 도 4의 비-제한적인 구현예에서, 상기 워크피스는 12회 히트 또는 프레스 단조되며, 즉 상기 워크피스의 3개의 직교 축들은 각각 총 4회 비-순차적으로 프레스 단조된다. 다시 말해서, 도 1을 참조하면, 단계들((a)-(b), (c)-(d), 및 (e)-(f))을 포함한 시퀀스는 4회 수행된다. 도 4의 비-제한적인 구현예에서, 12개의 히트들을 수반한 다축 단조 시퀀스 후, 진변형률은 동일하며, 예를 들면, 대략 3.7일 수 있다. 다축 단조(114) 후, 상기 워크피스는 실온으까지 냉각된다(116). 비-제한적인 구현예에서, 냉각(116)은 공기 냉각을 포함한다.

본 개시의 비-제한적인 양상은 알파+베타 상 영역에서 두 개의 온도들로 열 관리된 고 변형 속도 다축 단조를 포함한다. 도 5는 상기 알파+베타 상에서의 제 2 워크피스 단조 온도까지 냉각시키는 것에 앞서, 상기 개시된 열 관리 특징의 비-제한적인 구현예를 이용하는 제 1 워크피스 단조 온도로 티타늄 합금을 다축 단조하는 단계 및 상기 개시된 열 관리 특징의 비-제한적인 구현예를 이용하는 제 2 워크피스 단조 온도에서 상기 티타늄 합금을 다축 단조하는 단계를 포함하는 비-제한적인 방법에 대한 개략적인 온도-시간 열기계적 공정 차트이다.

도 5에서, 비-제한적인 방법(130)은 상기 합금의 베타 변태 온도(136) 이상의 베타 침지 온도(134)로 상기 워크피스를 가열하는 단계(132) 및 티타늄 또는 티타늄 합금 워크피스에 모든 베타 상 미세구조를 형성하기 위해 상기 베타 침지 온도(134)로 상기 워크피스를 유지 또는 침지시키는 단계(138)를 포함한다. 침지(138) 후, 상기 워크피스는 가소적으로 변형될 수 있다(140). 비-제한적인 구현예에서, 소성 변형(140)은 업셋 단조를 포함한다. 또 다른 비-제한적인 구현예에서, 소성 변형(140)은 0.3의 변형률로 업셋 단조하는 단계를 포함한다. 또 다른 비-제한적인 구현예에서, 상기 워크피스를 가소적으로 변형하는 단계(140)는 베타 침지 온도에서, 열 관리된 고 변형률 다축 단조(도 5에 도시되지 않음)하는 단계를 포함한다.

계속해서 도 5를 참조하면, 상기 베타 상 영역에서의 소성 변형(140) 후, 상기 워크피스는 티타늄 또는 티타늄 합금 금속 자료의 알파+베타 상 영역에서 제 1 워크피스 단조 온도(144)까지 냉각된다(142). 비-제한적인 구현예에서, 냉각(142)은 공기 냉각을 포함한다. 냉각(142) 후, 상기 워크피스는 여기에 개시된 비-제한적인 구현예들에 따라 열 관리 시스템을 이용하는 제 1 워크피스 단조 온도로 고 변형 속도 다축 단조(146)된다. 도 5의 비-제한적인 구현예에서, 상기 워크피스는 각각의 히트 사이에서 90°회전을 갖고 상기 제 1 워크피스 단조 온도에서 12회 히트 또는 프레스 단조되며, 즉 상기 워크피스의 3개의 직교 축들이 각각 4회 프레스 단조된다. 다시 말해서, 도 1을 참조하면, 단계들((a)-(b), (c)-(d), 및 (e)-(f))을 포함한 시퀀스는 4회 수행된다. 도 5의 비-제한적인 구현예에서, 상기 제 1 워크피스 단조 온도에서 상기 워크피스를 고 변형 속도 다축 단조한 후(146), 상기 티타늄 합금 워크피스는 상기 알파+베타 상 영역에서 제 2 워크피스 단조 온도(150)까지 냉각된다(148). 냉각(148) 후, 상기 워크피스는 여기에 개시된 비-제한적인 구현예들에 따라 열 관리 시스템을 이용하는 제 2 워크피스 단조 온도로 고 변형 속도 다축 단조된다(150). 도 5의 비-제한적인 구현예에서, 상기 워크피스는 총 12회 제 2 워크피스 단조 온도로 히트되거나 또는 프레스 단조된다. 상기 제 1 및 제 2 워크피스 단조 온도들로 티타늄 합금 워크피스에 인가된 히트들의 수는 원하는 진변형률 및 원하는 최종 결정립 크기에 의존하여 변할 수 있으며, 적절한 히트들의 수는 과도한 실험 없이 결정될 수 있다는 것이 인지된다. 제 2 워크피스 단조 온도에서 다축 단조한 후(150), 상기 워크피스는 실온으까지 냉각된다(152). 비-제한적인 구현예에서, 냉각(152)은 실온으로 공기 냉각하는 것을 포함한다.

비-제한적인 구현예에서, 상기 제 1 워크피스 단조 온도는 티타늄 또는 티타늄 합금 금속 재료의 베타 변태 온도 아래 200℉(111.1℃) 이상 내지 티타늄 또는 티타늄 합금 금속 재료의 베타 변태 온도 아래 500℉(277.8℃)의 제 1 워크피스 단조 온도 범위에 있으며, 즉 제 1 워크피스 단조 온도(T₁)는 T_β-200℉ > T₁ ≥ T_β-500℉의 범위에 있다. 비-제한적인 구현예에서, 제 2 워크피스 단조 온도는 티타늄 또는 티타늄 합금 금속 재료의 베타 변태 온도 아래 500℉(277.8℃) 이상 베타 변태 온도 아래 700℉(388.9℃)의 제 2 워크피스 단조 온도 범위에 있으며, 즉 제 2 워크피스 단조 온도(T₂)는 T_β-500℉ > T₂ ≥ T_β-700℉의 범위에 있다. 비-제한적인 구현예에서, 티타늄 합금 워크피스는 Ti-6-4 합금을 포함하며; 제 1 워크피스 온도는 1500℉(815.6℃)이며; 제 2 워크피스 단조 온도는 1300℉(704.4℃)이다.

도 6은 베타 변태 온도 이상으로 티타늄 및 티타늄 합금으로부터 선택된 금속 재료를 포함한 워크피스를 가소적으로 변형하고 상기 워크피스 단조 온도로 상기 워크피스를 냉각시키면서 동시에 본 개시의 비-제한적인 구현예에 따라 상기 워크피스 상에 열 관리된 고 변형 속도 다축 단조를 이용하는 것을 포함하는 본 개시에 따른 비-제한적인 방법의 개략적인 온도-시간 열기계적 공정 차트이다. 도 6에서, 티타늄 또는 티타늄 합금의 결정립 정제를 위한 열 관리된 고 변형 속도 다축 단조를 사용하는 비-제한적인 방법(160)은 상기 티타늄 또는 티타늄 합금 금속 재료의 베타 변태 온도(166) 이상의 베타 침지 온도(164)로 상기 워크피스를 가열하는 단계(162) 및 상기 워크피스에서 모든 베타 상 미세구조를 형성하기 위해 상기 베타 침지 온도(164)로 상기 워크피스를 유지 또는 침지시키는 단계(168)를 포함한다. 상기 베타 침지 온도로 상기 워크피스를 침지시킨 후(168), 상기 워크피스는 가소적으로 변형된다(170). 비-제한적인 구현예에서, 소성 변형(170)은 열 관리된 고 변형 속도 다축 단조를 포함할 수 있다. 비-제한적인 구현예에서, 상기 워크피스는 상기 워크피스가 베타 변태 온도를 통해 냉각하는 것으로서 여기에 개시된 바와 같이 열 관리 시스템을 사용하여 반복적으로 고 변형 속도 다축 단조된다(172). 도 6은 3개의 중간 고 변형 속도 다축 단조(172) 단계들을 도시하지만, 원하는 대로, 보다 많거나 또는 보다 적은 중간 고 변형 속도 다축 단조(172) 단계들이 존재할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 중간 고 변형 속도 다축 단조(172) 단계들은 침지 온도에서 초기 고 변형 속도 다축 단조 단계(170), 및 금속 재료의 알파+베타 상 영역(174)에서의 최종 고 변형 속도 다축 단조 단계에 대해 중간이다. 도 6은 워크피스의 온도가 전체적으로 상기 알파+베타 상 영역에 남아있는 하나의 최종 고 변형 속도 다축 단조 단계를 도시하지만, 하나 이상의 다축 단조 단계가 추가 결정립 정제를 위해 알파+베타 상 영역에서 수행될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 본 개시의 비-제한적인 구현예들에 따르면, 적어도 하나의 최종 고 변형 속도 다축 단조 단계는 전체적으로 티타늄 또는 티타늄 합금 워크피스의 알파+베타 상 영역에서의 온도들에서 발생한다.

상기 다축 단조 단계들(170, 172, 174)은 상기 워크피스의 온도가 상기 티타늄 또는 티타늄 합금 금속 재료의 배타 변태 온도를 통해 냉각되는 것처럼 발생하기 때문에, 도 6에 도시된 바와 같은 방법 실시예는 "스루 베타 변태 고 변형 속도 다축 단조"로서 여기에 나타내어진다. 비-제한적인 구현예에서, 열 관리 시스템(도 2의 33)은 각각의 스루 베타 변태 단조 온도에서의 각각의 히트 이전에 균일하거나 또는 실질적으로 균일한 온도로 상기 워크피스의 온도를 유지하기 위해, 및 선택적으로 상기 냉각 속도를 낮추기 위해 스루 베타 변태 다축 단조에서 사용된다. 상기 워크피스를 최종 다축 단조한 후(174), 상기 워크피스는 실온으까지 냉각된다(176). 비-제한적인 구현예에서, 냉각(176)은 공기 냉각을 포함한다.

상기 개시된 바와 같이, 열 관리 시스템을 사용한 다축 단조의 비-제한적인 구현예들은 종래의 단조 프레스 장비를 사용하여 4 평방 인치들보다 큰 단면들을 가진 티타늄 및 티타늄 합금 워크피스들을 가공하기 위해 사용될 수 있으며, 정육면체 워크피스들의 크기는 개개의 프레스의 능력들에 매칭하기 위해 스케일링될 수 있다. β-어닐링 구조로부터의 알파 라멜라(alpha lamellae)는 여기에서의 비-제한적인 구현예들에 개시된 워크피스 단조 온도들에서 미세한 균일한 알파 결정립들로 쉽게 허물어뜨린다고 결정되어 왔다. 상기 워크피스 단조 온도를 감소시키는 것은 상기 알파 입자 크기(결정립 크기)를 감소시킨다고 또한 결정되어 왔다.

임의의 특별한 이론에 수용되길 원하지는 않지만, 본 개시에 따른 열 관리된 고 변형 속도 다축 단조의 비-제한적인 구현예들에서 발생하는 결정립 미세화는 준동적 재결정화를 통해 발생한다고 여겨진다. 종래 기술에서, 저 변형 속도 다축 단조 공정, 동적 재결정화는 상기 재료로의 변형률의 인가 동안 즉시 발생한다. 본 개시에 따른 고 변형 속도 다축 단조에서, 준동적 재결정화는 각각의 변형 또는 단조 히트의 끝에서 발생하지만, 적어도 상기 워크피스의 내부 영역은 단열 가열로 인해 뜨겁다고 여겨진다. 잔여 단열 열, 내부 영역 냉각 시간들, 및 외부 표면 영역 가열은 본 개시에 따른 열 관리된 고 변형 속도 다축 단조의 비-제한적인 방법들에서 결정립 미세화의 정도에 영향을 미친다.

상기에 개시된 바와 같이, 열 관리 시스템을 사용한 다축 단조 및 티타늄 및 티타늄 합금들로부터 선택된 금속 재료를 포함한 정육면체-형 워크피스들은 특정한 최적보다 낮은 결과들을 생성하기 위해 관찰되어 왔다. (1) 여기에 개시된 열 관리된 다축 단조의 특정 실시예들에서 사용된 정육면체 워크피스 기하학적 구조, (2) 다이 칠(die chill)(즉, 상기 다이들의 온도를 상기 워크피스 단조 온도보다 상당히 아래로 내려가게 하는), 및 (3) 고 변형 속도의 사용 중 하나 이상이 상기 워크피스의 코어 영역에 변형률을 집중시킨다고 여겨진다.

본 개시의 일 양상은 일반적으로 빌릿-크기 티타늄 합금들에서 균일한 미립자, 극미립자, 또는 초미립자 크기를 달성할 수 있는 단조 방법들을 포함한다. 다시 말해서, 이러한 방법들에 의해 가공된 워크피스는 단지 상기 워크피스의 중심 영역에서라기보다는, 상기 워크피스 전체에 걸쳐 초미립자 미세구조와 같이, 원하는 결정립 크기를 포함할 수 있다. 이러한 방법들의 비-제한적인 구현예들은 4 평방 인치들보다 큰 단면들을 갖는 빌릿들 상에서 "다수의 업셋 및 드로우" 단계들을 사용한다. 다수의 업셋 및 드로우 단계들은 상기 워크피스 전체에 걸쳐 균일한 미립자, 극미립자, 또는 초미립자 크기를 달성하는 것을 목표로 삼으면서, 상기 워크피스의 원래 치수들을 실질적으로 보존한다. 이들 단조 방법들이 다수의 업셋 및 드로우 단계들을 포함하기 때문에, 그것들은 "MUD" 방법의 실시예들로서 여기에서 불리운다. 상기 MUD 방법은 강소성 변형을 포함하며 빌릿 크기 티타늄 합금 워크피스들에 균일한 초미립자들을 생성할 수 있다. 본 개시에 따른 비-제한적인 구현예들에서, 상기 MUD 공정의 업셋 단조 및 드로우 단조 단계들을 위해 사용된 변형 속도들은 0.001 s^-1 내지 0.02 s^-1의 범위에 있다. 반대로, 종래의 개방 다이 업셋 및 드로우 단조를 위해 통상적으로 사용된 변형 속도들은 0.03 s^-1 내지 0.1 s^-1의 범위에 있다. MUD를 위한 변형 속도는 상기 단조 온도를 제어하기 위해 단열 가열을 방지하기에 충분히 낮지만, 변형 속도는 상관례들을 위해 수용가능하다.

다수의 업셋 및 드로우, 즉 "MUD" 방법의 비-제한적인 구현예들의 개략적인 표현이 도 7에 제공되며, 상기 MUD 방법의 특정 실시예들의 흐름도가 도 8에 제공된다. 도 7 및 도 8을 참조하면, 다수의 업셋 및 드로우 단조 단계들을 사용하여 티타늄 및 티타늄 합금으로부터 선택된 금속 재료를 포함한 워크피스에 결정립들을 정제하기 위한 비-제한적인 방법(200)은 실린더-형 티타늄 또는 티타늄 합금 금속 재료 워크피스를 상기 금속 재료의 알파+베타 상 영역에서 워크피스 단조 온도로 가열하는 단계(202)를 포함한다. 비-제한적인 구현예에서, 상기 실린더-형 워크피스의 형상은 실린더이다. 또 다른 비-제한적인 구현예에서, 상기 실린더-형 워크피스의 형상은 8각형 실린더 또는 우측 8각형이다.

원통-형 워크피스는 개시 단면 치수를 가진다. 개시 워크피스가 실린더인 본 개시에 따른 MUD 방법의 비-제한적인 구현예에서, 상기 개시 단면 치수는 실린더의 지름이다. 개시 워크피스가 8각형 실린더인 본 개시에 따른 MUD 방법의 비-제한적인 구현예에서, 상기 개시 단면 치수는 상기 8각형 단면의 국한된 원의 지름, 즉 상기 8각형 단면의 꼭짓점 모두를 통과하는 원의 지름이다.

실린더-형 워크피스가 워크피스 단조 온도에 있을 때, 상기 워크피스는 업셋 단조된다(204). 업셋 단조(204) 후, 비-제한적인 구현예에서, 상기 워크피스는 90°도 회전되며(206) 그 후 다중 패스 드로우 단조(208) 된다. 상기 워크피스의 실제 회전(206)은 선택적이며, 상기 단계의 목표는 그 뒤의 다중 패스 드로우 단조(208) 단계들을 위한 단조 디바이스에 대하여 정확한 방향(도 7 참조)으로 상기 워크피스를 배치하는 것이다.

다중 패스 드로우 단조는 회전 방향으로(화살표(210)의 방향으로 표시된) 상기 워크피스를 점증적으로 회전시키는 단계(화살표(210)에 의해 묘사된)에 이어, 회전의 각각의 증분 후, 상기 워크피스를 드로우 단조하는 단계(212)를 포함한다. 비-제한적인 구현예들에서, 점증적으로 회전시키는 단계 및 드로우 단조 단계는 상기 워크피스가 개시 단면 치수를 포함할 때까지 반복된다(214). 비-제한적인 구현예에서, 상기 업셋 단조 및 다중 패스 드로우 단조 단계들은 적어도 3.5의 진변형률이 상기 워크피스에서 달성될 때까지 반복된다. 또 다른 비-제한적인 구현예는 적어도 4.7의 진변형률이 상기 워크피스에서 달성될 때까지 상기 가열, 업셋 단조, 및 다중 패스 드로우 단조 단계들을 반복하는 단계를 포함한다. 또 다른 비-제한적인 구현예에서, 상기 가열, 업셋 단조, 및 다중 패스 드로우 단조 단계들은 적어도 10의 진변형률이 상기 워크피스에서 달성될 때까지 반복된다. 비-제한적인 구현예에서, 10의 진변형률이 MUD 단조에 부여될 때, UFG 알파 미세구조가 생성되며, 상기 워크피스에 부여된 진변형률을 증가시키는 것은 보다 작은 평균 결정립 크기들을 야기한다는 것이 관찰된다.

본 개시의 일 양상은, 충분한 업셋 및 다중 드로잉 단계들 동안, 비-제한적인 구현예들에서, 초미립자 크기를 야기하는 티타늄 합금 워크피스의 강소성 변형을 초래하기에 충분한 변형 속도를 이용하는 것이다. 비-제한적인 구현예에서, 업셋 단조에 사용된 변형 속도는 0.001 s^-1 내지 0.003 s^-1의 범위에 있다. 또 다른 비-제한적인 구현예에서, 다중 드로우 단조 단계들에 사용된 변형 속도는 0.01 s^-1 내지 0.02 s^-1의 범위이다. 이들 범위들에서의 변형 속도는 워크피스 온도 제어를 가능하게 하는, 상기 워크피스의 단열 가열을 초래하지 않으며, 경제적으로 수용가능한 상관례임이 결정된다.

비-제한적인 구현예에서, MUD 방법의 완료 후, 상기 워크피스는 개시 실린더(214) 또는 8각형 실린더(216)의 실질적으로 원래 치수들을 가진다. 또 다른 비-제한적인 구현예에서, 상기 MUD 방법의 완료 후, 상기 워크피스는 상기 개시 워크피스와 실질적으로 동일한 단면을 가진다. 비-제한적인 구현예에서, 단일 업셋은 상기 워크피스의 개시 단면을 포함하는 형상으로 상기 워크피스를 리턴시키기 위해 많은 드로우 히트들을 요구한다.

상기 워크피스가 실린더의 형상에 있는 상기 MUD 방법의 비-제한적이 실시예에서, 점증적 회전 및 드로우 단조는 상기 실린더 워크피스가 360°회전되고 각각의 증분에서 드로우 단조될 때까지 15°증분들로 상기 실린더 워크피스를 회전시키고 그 후 드로우 단조하는 다수의 단계들을 포함한다. 상기 워크피스가 실린더의 형상에 있는 MUD 방법의 비-제한적인 구현예에서, 각각의 업셋 단조 후, 24개의 증분 회전 + 드로우 단조 단계들이 상기 워크피스를 실질적으로 그것의 개시 단면 치수로 이끌기 위해 이용된다. 또 다른 비-제한적인 구현예에서, 상기 워크피스가 8각형 실린더의 형상에 있을 때, 점증적 회전 및 드로우 단조는 상기 실린더 워크피스가 360°를 통해 회전되고 각각의 중분에서 드로우 단조될 때까지, 45°증분들로 상기 실린더 워크피스를 회전시키고 그 뒤에 드로우 단조하는 다수의 단계들을 추가로 포함한다. 상기 워크피스가 8각형 실린더의 형상에 있는 MUD 방법의 비-제한적인 구현예에서, 각각의 업셋 단조 후, 8개의 점증적 회전 + 드로우 단조 단계들은 상기 워크피스를 실질적으로 그것의 개시 단면 치수로 이끌기 위해 이용된다. 상기 MUD 방법의 비-제한적인 구현예들에서, 핸들링 장비에 의한 8각형 실린더의 조작은 핸들링 장비에 의한 실린더의 조작보다 더 정확하다는 것이 관찰되었다. MUD의 비-제한적인 구현예에서 핸들링 장비에 의한 8각형 실린더의 조작은 여기에 개시된 열 관리된 고 변형 속도 MAF 공정의 비-제한적인 구현예들에서 손집게들을 사용한 정육면체 워크피스의 조작보다 저 정확하다는 것이 또한 관찰되었다. 실린더-형 빌릿들에 대한 다른 양들의 점증적 회전 및 드로우 단조 단계들은 본 개시의 범위 내에 있으며, 이러한 다른 가능한 양들의 점증적 회전은 과도한 실험 없이 이 기술분야의 숙련자에 의해 결정될 수 있다는 것이 인식된다.

본 개시에 따른 MUD의 비-제한적인 구현예에서, 워크피스 단조 온도는 워크피스 단조 온도 범위 내의 온도를 포함한다. 비-제한적인 구현예에서, 상기 워크피스 단조 온도는 상기 티타늄 또는 티타늄 합금 금속 재료의 베타 변태 온도(T_β) 아래의 100℉(55.6℃) 내지 상기 티타늄 또는 티타늄 합금 금속 재료의 베타 변태 온도 아래의 700℉(388.9℃)의 워크피스 단조 온도 범위에 있다. 또 다른 비-제한적인 구현예에서, 상기 워크피스 단조 온도는 상기 티타늄 또는 티타늄 합금 금속 재료의 베타 전이 온도 아래의 300℉(166.7℃) 내지 상기 티타늄 또는 티타늄 합금 금속 재료의 베타 전이 온도 아래의 625℉(347℃)의 온도 범위에 있다. 비-제한적인 구현예에서, 워크피스 단조 온도 범위의 하단부는 이 기술분야의 숙련자에 의한 과도한 실험 없이 결정될 수 있기 때문에, 단조 히트 동안 상기 워크피스의 표면에 실질적인 손상이 발생하지 않는 알파+베타 상 영역에서의 온도이다.

본 개시에 따른 비-제한적인 MUD 실시예에서, 약 1850℉(1010℃)의 베타 변태 온도(T_β)를 갖는 Ti-6-4 합금(Ti-6Al-4V; UNS 번호 R56400)에 대한 상기 워크피스 단조 온도 범위는 예를 들면, 1150℉(621.1℃) 내지 1750℉(954.4℃)일 수 있거나, 또는 또 다른 실시예에서, 1225℉(662.8℃) 내지 1550℉(843.3℃)일 수 있다.

비-제한적인 구현예들은 MUD 방법 동안 다수의 재가열 단계들을 포함한다. 비-제한적인 구현예에서, 상기 티타늄 합금 워크피스는 상기 티타늄 합금 워크피스를 업셋 단조한 후 상기 워크피스 단조 온도로 가열된다. 또 다른 비-제한적인 구현예에서, 상기 티타늄 합금 워크피스는 다중 패스 드로우 단조의 드로우 단조 단계 이전에 상기 워크피스 단조 온도로 가열된다. 또 다른 비-제한적인 구현예에서, 상기 워크피스는 업셋 또는 드로우 단조 단계 후 실제 워크피스 온도를 상기 워크피스 단조 온도로 다시 이끌기 위해 요구된 대로 가열된다.

MUD 방법의 실시예들은, 티타늄 및 티타늄 합금으로부터 선택된 금속 재료를 포함한 워크피스에서 초미립자들을 생성하는 것을 목표로 삼는, 강소성 변형으로서 또한 불리우는, 중복 작업 또는 극 변형을 부여한다고 결정되었다. 동작에 대한 임의의 특별한 이론에 제한하고자 의도하지 않고, 실린더 및 8각형 실린더 워크피스들 원형 또는 8각형 단면 형상은 각각 MUD 방법 동안 상기 워크피스의 단면 면적에 걸쳐 보다 균일하게 변형률을 분배한다고 여겨진다. 상기 워크피스 및 단조 다이 사이의 마찰의 해로운 효과가 또한 상기 다이와 접촉하는 상기 워크피스의 면적을 감소시킴으로써 감소된다.

또한, 상기 MUD 방법 동안 온도를 감소시키는 것은 상기 미립자 크기를 사용되는 특정 온도의 특성인 크기로 감소시킨다고 또한 결정되었다. 도 8을 참조하면, 워크피스의 결정립 크기를 정제하기 위한 방법(200)의 비-제한적인 구현예에서, 상기 MUD 방법에 의해 상기 워크피스 단조 온도로 가공한 후, 상기 워크피스의 온도는 제 2 워크피스 단조 온도까지 냉각될 수 있다(216). 상기 워크피스를 상기 제 2 워크피스 단조 온도까지 냉각시킨 후, 비-제한적인 구현예에서, 상기 워크피스는 상기 제 2 워크피스 단조 온도에서 업셋 단조된다(218). 상기 워크피스는 그 다음의 드로우 단조 단계들을 위해 회전되거나(220) 또는 배향된다. 상기 워크피스는 상기 제 2 워크피스 단조 온도에서 다단계 드로우 단조된다(222). 상기 제 2 워크피스 단조 온도에서의 다단계 드로우 단조(222)는 회전 방향으로(도 7 참조) 상기 워크피스를 점증적으로 회전시키는 단계(224), 및 회전의 각각의 중분 후 상기 제 2 워크피스 단조 온도로 드로우 단조하는 단계(226)를 포함한다. 비-제한적인 구현예에서, 업셋, 점증적 회전(224), 및 드로우 단조의 단계들은 상기 워크피스가 개시 단면 치수를 포함할 때까지 반복된다(226). 또 다른 비-제한적인 구현예에서, 제 2 워크피스 온도(218)에서의 업셋 단조, 회전(220), 및 다단계 드로우 단조(222)의 단계들은 상기 워크피스에서 10 이상의 진변형률이 달성될 때까지 반복된다. 상기 MUD 공정은 임의의 원하는 진변형률이 상기 티타늄 또는 티타늄 합금 워크피스에 부여될 때까지 계속될 수 있다는 것이 인식된다.

다중-온도 MUD 방법을 포함한 비-제한적인 구현예에서, 상기 워크피스 단조 온도, 또는 제 1 워크피스 단조 온도는 약 1600℉(871.1℃) 및 제 2 워크피스 단조 온도는 약 1500℉(815.6℃)이다. 제 3 워크피스 단조 온도, 제 4 워크피스 단조 온도 등과 같이, 제 1 및 제 2 워크피스 단조 온도들보다 낮은 그 다음의 워크피스 단조 온도들은 본 개시의 비-제한적인 구현예들의 범위 내에 있다.

단조가 진행됨에 따라, 결정립 미세화는 고정된 온도에서의 감소하는 유동 응력을 초래한다. 순차적인 업셋 및 드로우 단계들을 위한 단조 온도를 감소시키는 것은 유동 응력을 일정하게 유지하며 미세구조 미세화의 속도를 증가시킨다고 결정되었다. 본 개시에 따른 MUD의 비-제한적인 구현예들에서, 10의 진변형률은 티타늄 및 티타늄 합금 워크피스들에서 균일한 등축 알파 초미립자 미세구조를 초래하며, 2-온도(또는 다중-온도) MUD 공정의 보다 낮은 온도는 10의 진변형률이 상기 MUD 단조에 부여된 후 미립자 크기의 결정 요인일 수 있다는 것이 결정되었다.

본 개시의 일 양상은 상기 MUD 방법에 의한 가공 후, 그 다음의 변형 단계들이, 상기 워크피스의 온도가 그 뒤에 상기 티타늄 합금의 베타 변태 온도 이상으로 가열되지 않는 한, 상기 정제된 결정립 크기를 굵어지게 하지 않고 가능하다는 것을 포함한다. 예를 들면, 비-제한적인 구현예에서, MUD 가공 후 다음의 변형 실시는 티타늄 또는 티타늄 합금의 알파+베타 상 영역에서의 온도들에서 드로우 단조, 다중 드로우 단조, 업셋 단조, 또는 이들 단조 단계들 중 둘 이상의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 비-제한적인 구현예에서, 그 다음의 변형 또는 단조 단계들은 티타늄 또는 티타늄 합금 워크피스에서 균일한 미립자, 극미립자, 또는 초미립자 구조를 여전히 유지하면서, 예를 들면, 이에 제한되지 않지만, 단면 치수의 1/2, 단면 치수의 1/4 등과 같은, 단면 치수의 조각으로 상기 실린더-형 워크피스의 개시 단면 치수를 감소시키기 위해 다중 패스 드로우 단조, 업셋 단조, 및 드로우 단조의 조합을 포함한다.

MUD 방법의 비-제한적인 구현예에서, 상기 워크피스는 알파 티타늄 합금, 알파+베타 티타늄 합금, 준안정 베타 티타늄 합금, 및 베타 티타늄 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 티타늄 합금을 포함한다. MUD 방법의 또 다른 비-제한적인 구현예에서, 상기 워크피스는 알파+베타 티타늄 합금을 포함한다. 여기에 개시된 다중 업셋 및 드로우 공정의 또 다른 비-제한적인 구현예에서, 상기 워크피스는 준안정 베타 티타늄 합금을 포함한다. MUD 방법의 비-제한적인 구현예에서, 상기 워크피스는 ASTM 등급들 5, 6, 12, 19, 20, 21, 23, 24, 25, 29, 32, 35, 36, 및 38 티타늄 합금들로부터 선택된 티타늄 합금이다.

본 개시의 MUD 실시예들에 따른 알파+베타 상 영역에서 상기 워크피스 단조 온도로 상기 워크피스를 가열하기 전에, 비-제한적인 구현예에서, 상기 워크피스는 베타 침지 온도로 가열되고, 상기 워크피스에 100% 베타 상 티타늄 미세구조르 형성하기에 충분한 베타 침지 시간 동안 상기 베타 침지 온도로 유지되며, 실온으까지 냉각될 수 있다. 비-제한적인 구현예에서, 상기 베타 침지 온도는 상기 티타늄 또는 티타늄 합금의 베타 변태 온도 위로 300℉(111℃)까지 상기 티타늄 또는 티타늄 합금의 베타 변태 온도를 포함하는 베타 침지 온도 범위에 있다. 또 다른 비-제한적인 구현예에서, 상기 베타 침지 시간은 5분에서 24시간까지이다.

비-제한적인 구현예에서, 상기 워크피스는 상기 워크피스 및 상기 단조 다이들 사이에서의 마찰을 감소시키는 윤활 코팅으로 모두 또는 특정 표면들 상에 코팅되는 빌릿이다. 비-제한적인 구현예에서, 상기 윤활 코팅은 이에 제한되지 않지만, 흑연 및 유리 윤활제 중 하나와 같은 고체 윤활제이다. 이 기술분야의 숙련자에게 이제 또는 이후에 알려진 다른 윤활 코팅들은 본 개시의 범위 내에 있다. 또한, 실린더-형 워크피스들을 사용한 MUD 방법의 비-제한적인 구현예에서, 상기 워크피스 및 상기 단조 다이들 사이에서의 접촉 영역은 정육면체 워크피스의 다축 단조에서의 접촉 영역에 비해 작다.

본 개시의 MUD 실시예들에 따른 알파+베타 상자에서 상기 워크피스 단조 온도로 티타늄 및 티타늄 합금들로부터 선택된 금속 재료를 포함한 워크피스를 가열하기 전에, 비-제한적인 구현예에서, 상기 워크피스는 상기 티타늄 또는 티타늄 합금에 100% 베타 상을 형성하기에 충분한 베타 침지 시간에 유지된 후 및 실온으까지 냉각시키기 전에 상기 티타늄 또는 티타늄 합금 금속 재료의 상기 베타 상 영역에서 소성 변형 온도로 가소적으로 변형된다. 비-제한적인 구현예에서, 상기 소성 변형 온도는 상기 베타 침지 온도와 동일하다. 또 다른 비-제한적인 구현예에서, 상기 소성 변형 온도는 상기 티타늄 또는 티타늄 합금의 베타 변태 온도 위로 300℉(111℃)까지 상기 티타늄 또는 티타늄 합금의 베타 변태 온도를 포함하는 소성 변환 온도 범위에 있다.

비-제한적인 구현예에서, 상기 티타늄 또는 티타늄 합금의 베타 상 영역을 가소적으로 변형하는 단계는 상기 티타늄 합금 워크피스를 드로잉, 업셋 단조, 및 고 변형 속도 다축 단조하는 단계 중 적어도 하나를 포함한다. 또 다른 비-제한적인 구현예에서, 상기 티타늄 또는 티타늄 합금의 베타 상 영역에서 상기 워크피스를 가소적으로 변형하는 단계는 본 개시의 비-제한적인 구현예에 따라 다중 업셋 및 드로우 단조하는 단계를 포함하며, 여기에서 상기 워크피스를 상기 워크피스 단조 온도까지 냉각시키는 것은 공기 냉각을 포함한다. 또 다른 비-제한적인 구현예에서, 상기 티타늄 또는 티타늄 합금의 베타 상 영역에서 상기 워크피스를 가소적으로 변형하는 단계는 높이 또는 길이와 같은 또 다른 치수에서 30 내지 35% 감소로 상기 워크피스를 업셋 단조하는 단계를 포함한다.

본 개시의 또 다른 양상은 단조 동안 상기 단조 다이들을 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 비-제한적인 구현예는 상기 워크피스 단조 온도 아래 100℉(55.6℃)까지 상기 워크피스 단조 온도에 의해 제한된 온도 범위에서의 온도로 상기 워크피스를 단조하기 위해 사용된 단조의 다이들을 가열하는 단계를 포함한다.

여기에 개시된 특정 방법들은 또한 이들 합금들의 워크피스들의 결정립 크기를 감소시키기 위해 티타늄 및 티타늄 합금들 이외의 다른 금속들 및 금속 합금들에 적용될 수 있다고 여겨진다. 본 개시의 또 다른 양상은 금속들 및 금속 합금들의 고 변형 속도 다단계 단조를 위한 방법의 비-제한적인 구현예들을 포함한다. 상기 방법의 비-제한적인 구현예는 금속 또는 금속 합금을 포함한 워크피스를 워크피스 단조 온도로 가열하는 단계를 포함한다. 가열 후에, 상기 워크피스는 상기 워크피스의 내부 영역을 단열 가열하기에 충분한 변형 속도로 상기 워크피스 단조 온도에서 단조된다. 단조 후에, 대기 기간은 다음 단조 단계 이전에 이용된다. 대기 기간 동안, 상기 금속 합금 워크피스의 상기 단열 가열된 내부 영역의 온도는 상기 워크피스 단조 온도까지 냉각시키도록 허용되지만, 상기 워크피스의 적어도 하나의 표면 영역은 상기 워크피스 단조 온도로 가열된다. 상기 워크피스를 단조하고 그 후 상기 금속 합금 워크피스의 적어도 하나의 표면 영역을 상기 워크피스 단조 온도로 가열하면서 상기 워크피스의 상기 단열 가열된 내부 영역이 상기 워크피스 단조 온도로 균형을 유지하도록 허용하는 단계들은 원하는 특성이 획득될 때까지 반복된다. 비-제한적인 구현예에서, 단조는 프레스 단조, 업셋 단조, 드로우 단조, 및 롤 단조 중 하나 이상을 포함한다. 또 다른 비-제한적인 구현예에서, 상기 금속 합금은 티타늄 합금들, 지르코늄 및 지르코늄 합금들, 알루미늄 합금들, 철 합금들, 및 초합금들로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 또 다른 비-제한적인 구현예에서, 원하는 특성은 부여된 변형률, 평균 결정립 크기, 형상, 및 기계적 특성 중 하나 이상이다. 기계적 특성들은 이에 제한되지 않지만, 강도, 연성, 파괴 인성, 및 경도를 포함한다.

본 개시에 다른 특정한 비-제한적인 구현예들을 도시한 여러 개의 예들이 이어진다.

실시예 1

열 관리 시스템을 사용한 다축 단조가 10 내지 30 ㎛의 범위에 있는 결정립 크기들을 갖는 등축 알파 결정립들을 가진 합금 Ti-6-4로 이루어진 티타늄 합금 워크피스 상에서 수행되었다. 상기 티타늄 합금 워크피스의 표면 영역을 가열하기 위해 가열된 다이들 및 불꽃 가열을 포함한 열 관리 시스템이 이용되었다. 상기 워크피스는 4-인치 면을 가진 정육면체로 이루어진다. 상기 워크피스는 가스 연소 박스로에서 1940℉(1060℃), 즉 상기 베타 변태 온도 위 약 50℉(27.8℃)의 베타 어닐링 온도로 가열된다. 상기 베타 어닐 침지 시간은 1시간이었다. 상기 베타 어닐링된 워크피스는 실온, 즉 약 70℉(21.1℃)으로 공기 냉각되었다.

상기 베타 어닐링된 워크피스는 그 후 가스 연소 박스로에서, 상기 합금의 알파+베타 상 영역에 있는, 1500℉(815.6℃)의 워크피스 단조 온도로 가열되었다. 상기 베타 어닐링된 워크피스는 3.25인치의 스페이서 높이로 상기 워크피스의 A 축의 방향에서 제 1 프레스 단조되었다. 상기 프레스 단조의 램 속도는 0.27 s^-1의 변형 속도에 대응하는, 1인치/초였다. 상기 워크피스의 단열 가열된 중심 및 상기 워크피스의 불꽃 가열된 표면 영역은 약 4.8분 동안 상기 워크피스 단조 온도로 균형을 유지하도록 허용된다. 상기 워크피스는 3.25 인치의 스페이서 높이로 상기 워크피스의 B 축의 방향에서 회전되고 프레스 단조되었다. 상기 프레스 단조의 램 속도는 0.27 s^-1의 변형 속도에 대응하는 1인치/초였다. 상기 워크피스의 단열 가열된 중심 및 상기 워크피스의 불꽃 가열된 표면 영역은 약 4.8분 동안 워크피스 단조 온도로 균형을 유지하도록 허용되었다. 상기 워크피스는 4인치의 스페이서 높이로 상기 워크피스의 C 축의 방향에서 회전되고 프레스 단조된다. 상기 프레스 단조의 램 속도는 0.27 s^-1의 변형 속도에 대응하는 1인치/초였다. 상기 워크피스의 단열 가열된 중심 및 상기 워크피스의 불꽃 가열된 표면 영역은 약 4.8분 동안 상기 워크피스 단조 온도로 균형을 유지하도록 허용되었다. 상기 설명된 a-b-c(다축) 단조는 총 12 단조 히트들 동안 4회 반복되었으며 4.7의 진변형률을 생성한다. 다축 단조 후, 상기 워크피스는 물 담금질되었다. 실시예 1을 위한 열기계적 가공 경로는 도 9에 도시된다.

실시예 2

실시예 1의 시재료의 샘플 및 실시예 1에서 가공된 것과 같은 재료의 샘플은 금속 현미경용으로 준비되었으며 결정립 구조들은 극미로 관찰된다. 도 10은 10 내지 30 ㎛ 사이의 결정립 크기들을 가진 등축 결정립들을 도시한 실시예 1의 베타 어닐링된 재료의 마이크로그래프이다. 도 11은 실시예 1의 a-b-c 단조된 샘플의 중심 영역의 마이크로그래프이다. 도 11의 결정립 구조는 약 4 ㎛의 등축 결정립 크기들을 가지며 "극미립자"(VFG) 재료로서의 자격을 얻을 것이다. 상기 샘플에서, 상기 VFG 크기의 결정립들은 대개 상기 샘플의 중심에서 관찰되었다. 상기 샘플에서 결정립 크기들은 상기 샘플의 중심으로부터의 거리가 증가할수록 더 커졌다.

실시예 3

유한 요소 모델링은 상기 단열 가열된 내부 영역을 워크피스 단조 온도까지 냉각시키기 위해 요구된 내부 영역 냉각 시간들을 결정하기 위해 사용되었다. 상기 모델링에서, 5인치 직경×7인치 길이의 알파-베타 티타늄 합금 프리폼은 사실상 1500℉(815.6℃)의 다축 단조 온도로 가열되었다. 상기 단조 다이들은 600℉(315.6℃)로 가열되도록 시뮬레이션되었다. 램 속도는 0.27 s^-1의 변형 속도에 대응하는 1인치/초로 시뮬레이션되었다. 상기 내부 영역 냉각 시간들에 대한 상이한 간격들은 상기 시뮬레이션된 워크피스의 상기 단열 가열된 내부 영역을 상기 워크피스 단조 온도까지 냉각시키기 위해 요구된 내부 영역 냉각 시간을 결정하기 위해 입력되었다. 도 10의 플롯으로부터, 상기 모델링은 30 및 45초 사이의 내부 영역 냉각 시간이 상기 단열 가열된 내부 영역을 약 1500℉(815.6℃)의 워크피스 단조 온도까지 냉각시키기 위해 사용될 수 있음을 제안한다는 것이 이해된다.

실시예 4

열 관리 시스템을 사용한 고 변형 속도 다축 단조가 합금 Ti-6-4의 4인치(10.16 cm) 면을 가진 정육면체로 이루어진 티타늄 합금 워크피스 상에서 수행되었다. 상기 티타늄 합금 워크피스는 60분 동안 1940℉(1060℃)로 베타 어닐링되었다. 베타 어닐링 후, 상기 워크피스는 실온으로 공기 냉각되었다. 상기 티타늄 합금 워크피스는 상기 티타늄 합금 워크피스의 알파+베타 상 영역에 있는 1500℉(815.6℃)의 워크피스 단조 온도로 가열되었다. 상기 워크피스는 다축 단조의 히트들 사이에서 상기 워크피스 단조 온도로 상기 워크피스의 외부 표면 영역의 온도의 균형을 유지하기 위해 본 개시의 비-제한적인 구현예들에 따라 가열된 다이들 및 가스 플레임 히터들을 포함하는 열 관리 시스템을 사용하여 다축 단조되었다. 상기 워크피스는 3.2 인치(8.13 cm)로 프레스 단조되었다. a-b-c 회전을 사용하여, 상기 워크피스는 그 다음에 각각의 히트에서 4 인치(10.16 cm)로 프레스 단조되었다. 초당 1인치(2.54 cm/s)의 램 속도는 프레스 단조 단계들에서 사용되었으며 휴지(pause), 즉 15초의 내부 영역 냉각 시간 또는 평형 시간이 프레스 단조 히트들 사이에 사용되었다. 상기 평형 시간은 상기 단열 가열된 내부 영역이 상기 외부 표면 영역을 상기 워크피스 단조 온도로 가열하면서 상기 워크피스 단조 온도까지 냉각시키도록 허용되는 시간이다. 총 12 히트들이 히트들 사이에서의 정육며체 워크피스의 90°회전으로, 1500℉(815.6℃) 워크피스 온도에서 사용되었으며, 즉 상기 정육면체 워크피스는 4회 a-b-c 단조되었다.

상기 워크피스의 온도는 그 후 1300℉(704.4℃)의 제 2 워크피스 단조 온도로 낮아졌다. 상기 티타늄 합금 워크피스는 초당 1인치(2.54 cm/s)의 램 속도 및 각각의 단조 히트 사이에서 15초의 내부 영역 냉각 시간을 사용하여, 본 개시의 비-제한적인 구현예들에 따라 고 변형 속도 다축 단조되었다. 상기 제 1 워크피스 단조 온도를 관리하기 위해 사용된 동일한 열 관리 시스템은 상기 제 2 워크피스 단조 온도를 관리하기 위해 사용되었다. 총 6개의 단조 히트들이 제 2 워크피스 단조 온도에 적용되었으며, 즉 정육면체 워크피스가 상기 제 2 워크피스 단조 온도에서 2회 a-b-c 단조되었다.

실시예 5

실시예 4에 설명된 바와 같이 가공한 후 상기 정육면체의 중심의 마이크로그래프가 도 13에 도시된다. 도 13으로부터, 상기 정육면체의 중심에서의 결정립들은 3 ㎛ 미만의 등축 평균 결정립 크기, 즉 초미립자 크기를 가진다는 것이 관찰된다.

실시예 4에 따라 가공된 정육면체의 중심 또는 내부 영역이 초미립자 크기를 갖지만, 상기 중심 영역의 외부에 있는 상기 가공된 정육면체의 영역들에서의 결정립들은 초미립자들이 아님이 또한 관찰되었다. 이것은 실시예 4에 따라 가공된 정육면체의 단면의 사진인, 도 14로부터 명백하다.

실시예 6

유한 요소 모델링은 정육면체의 열 관리된 다중 축 단조에서의 변형을 시뮬레이션하기 위해 사용되었다. 상기 시뮬레이션은 모든 베타 미세구조가 획득될 때까지 1940℉(1060℃)으로 베타 어닐링된 Ti-6-4 합금의 4인치 면을 가진 정육면체에 대해 실행되었다. 여기에 개시된 방법의 특정한 비-제한적인 구현예들에서 사용된 바와 같이, 시뮬레이션 사용된 등온 다축 단조가 1500℉(815.6℃)에서 행해졌다. 상기 워크피스는 12개의 총 히트들, 즉 4 세트들의 a-b-c 직교 축 단조들/회전들을 갖고 a-b-c 프레스 단조되었다. 상기 시뮬레이션에서, 상기 정육면체는 1300℉(704.4℃)까지 냉각되었고 6개의 히트들, 즉 2 세트들의 a-b-c 직교 축 단조들/회전들에 대해 고 변형 속도 프레스 단조되었다. 상기 시뮬레이션된 램 속도는 초당 1인치(2.54 cm/s)였다. 도 15에 도시된 결과들은 상기 설명된 바와 같이 가공한 후 상기 정육면체에서의 변형률의 레벨들을 예측한다. 유한 요소 모델링 시뮬레이션은 상기 정육면체의 중심에서 16.8의 최대 변형률을 예측한다. 그러나, 최고 변형률은 매우 국소화되며 상기 단면의 대부분은 10보다 큰 변형률을 달성하지 않는다.

실시예 7

높이가 7인치인(즉, 세로 축을 따라 측정된) 5-인치 지름 실린더의 구성에서 합금 Ti-6-4을 포함한 워크피스가 60분 동안 1940℉(1060℃)에서 베타 어닐링되었다. 상기 베타 어닐링된 실린더는 모든 베타 미세구조를 보존하기 위해 공기 담금질되었다. 상기 베타 어닐링된 실린더는 1500℉(815.6℃)의 워크피스 단조 온도로 가열되었으며 본 개시의 비-제한적인 구현예들에 따라 다중 업셋 및 드로우 업셋으로 이어졌다. 상기 다중 업셋 및 드로우 시퀀스는 4.75 인치의 개시 및 마감 외접원 지름을 가진 8각형 실린더를 형성하기 위해 5.25 인치 높이(즉, 세로 축을 따라 치수가 감소된)로의 업셋 단조, 및 세로 축에 대해 45°의 점증적 회전들 및 드로우 단조를 포함한 다중 드로우 단조를 포함하였다. 점증적 회전들을 가진 총 36개의 드로우 단조들이 히트들 사이에서의 대기 시간들 없이 사용되었다.

실시예 8

실시예 7에 준비된 샘플의 단면의 중심 영역의 마이크로그래프가 도 16(a)에 보여진다. 실시예 7에 준비된 샘플의 단면의 근 표면 영역의 마이크로그래프는 도 16(b)에 보여진다. 도 16(a) 및 도 16(b)의 시험은 실시예 7에 따라 가공된 샘플이 극미립자(VFG)로서 분류되는 3 ㎛ 미만의 평균 결정립 크기를 가진 균일한 등축 결정립 구조를 달성하였음을 드러낸다.

실시예 9

24 인치의 길이를 가진 10-인치 지름 실린더 빌릿으로서 구성된 합금 Ti-6-4을 포함한 워크피스는 실리카 유리 슬러리 윤활제로 코팅되었다. 상기 빌릿은 1940℃에서 베타 어닐링되었다. 상기 베타 어닐링된 빌릿은 길이에서 24 인치로부터 30 내지 35% 감소로 업셋 단조되었다. 베타 업셋 후, 상기 빌릿은 다중 패스 드로우 단조되었으며, 이것은 10-인치 8각형 실린더로 상기 빌릿을 점증적으로 회전 및 드로우 단조하는 것을 포함한다. 상기 베타 가공된 8각형 실린더는 실온으로 공기 냉각되었다. 상기 다중 업셋 및 드로우 공정에 대해, 상기 8각형 실린더는 1600℉(871.1℃)의 제 1 워크피스 단조 온도로 가열되었다. 상기 8각형 실린더는, 상기 8각형 실린더가 그것의 개시 다면 치수를 달성할 때까지, 길이에서 20 내지 30% 감소로 업셋 단조되고, 그 후, 드로우 단조에 앞서 45°증분들로 상기 작업을 회전시키는 것을 포함하여, 다중 드로우 단조되었다. 제 1 워크피스 단조 온도에서의 업셋 단조 및 다중 패스 드로우 단조는 3회 반복되었으며, 상기 워크피스는 상기 워크피스 온도를 상기 워크피스 단조 온도로 다시 이끌기 위해 요구되는 대로 재가열되었다. 상기 워크피스는 1500℉(815.6℃)의 제 2 워크피스 단조 온도까지 냉각되었다. 상기 제 1 워크피스 단조 온도에서 사용된 다중 업셋 및 드로우 단조 절차는 제 2 워크피스 단조 온도에서 반복되었다. 이러한 실시예 9에서의 단계들의 시퀀스를 위한 개략적인 열기계적 온도-시간 차트가 도 17에 보여진다.

상기 워크피스는 종래의 단조 파라미터들을 사용하여 상기 알파+베타 상 영역에서의 온도로 다중 패스 드로우 단조되며 업셋을 위해 반으로 절단되었다. 상기 워크피스는 종래의 단조 파라미터들을 사용하여 상기 알파+베타 상 영역에서의 온도로 길이에서의 20% 감소까지 업셋 단조되었다. 마감 단계에서, 상기 워크피스는 36인치의 길이를 가진 5인치 지름 원형 실린더로 드로우 단조되었다.

실시예 10

실시예 9의 비-제한적인 구현예에 따라 가공된 샘플의 단면의 확대-사진이 도 18에 보여진다. 균일한 결정립 크기가 상기 빌릿 전체에 걸쳐 제공된다는 것이 보여진다. 실시예 9의 비-제한적인 구현예에 따라 가공된 샘플의 마이크로그래프가 도 19에 보여진다. 상기 마이크로그래프는 상기 결정립 크기가 극미립자 크기 범위에 있다는 것을 보여준다.

실시예 11

유한 요소 모델링은 실시예 9에 준비된 샘플의 변형을 시뮬레이션하기 위해 사용되었다. 상기 유한 요소 모델은 도 20에 보여진다. 상기 유한 요소 모델은 5-인치 원형 빌릿의 대부분에 대해 10 초과의 비교적 균일한 유효 변형률을 예측한다.

본 설명은 본 발명의 명료한 이해와 관련된 본 발명의 상기 양상들을 도시한다는 것이 이해될 것이다. 이 기술분야의 숙련자들에게 명백하고, 그러므로 본 발명의 보다 양호한 이해를 가능하게 하지 않을 특정한 양상들은 본 설명을 간략화하기 위해 제공되지 않는다. 비록 본 발명의 단지 제한된 수의 실시예들이 필수적으로 여기에 설명되지만, 이 기술분야의 숙련자는 앞서 말한 설명을 고려할 때, 본 발명의 많은 변경들 및 변형들이 이용될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 본 발명의 모든 이러한 변형들 및 변경들이 앞서 말한 설명 및 다음의 청구항들에 의해 커버되도록 의도된다.

Claims

티타늄 및 티타늄 합금으로부터 선택된 금속 재료를 포함한 워크피스의 결정립 크기를 정제하는 방법에 있어서,
상기 금속 재료의 알파+베타 상 영역 내에서 워크피스 단조 온도로 상기 워크피스를 가열하는 단계; 및
상기 워크피스를 다축 단조하는 단계로서,
상기 워크피스의 내부 영역을 단열 가열하기에 충분한 변형 속도에서, 상기 워크피스의 제 1 직교 축의 방향으로 상기 워크피스 단조 온도에서 상기 워크피스를 프레스 단조하는 단계,
상기 워크피스의 적어도 하나의 표면 영역을 상기 워크피스 단조 온도로 가열하면서, 상기 워크피스의 상기 단열 가열된 내부 온도가 상기 워크피스 단조 온도까지 냉각되도록 허용하는 단계,
상기 워크피스의 상기 내부 영역을 단열 가열하기에 충분한 변형 속도에서, 상기 워크피스의 제 2 직교 축의 방향으로 상기 워크피스 단조 온도에서 상기 워크피스를 프레스 단조하는 단계,
상기 워크피스의 상기 적어도 하나의 표면 영역을 상기 워크피스 단조 온도로 가열하면서, 상기 워크피스의 상기 단열 가열된 내부 영역이 상기 워크피스 단조 온도까지 냉각되도록 허용하는 단계,
상기 워크피스의 상기 내부 영역을 단열 가열하기에 충분한 변형 속도에서, 상기 워크피스의 제 3 직교 축의 방향으로 상기 워크피스 단조 온도에서 상기 워크피스를 프레스 단조하는 단계,
상기 워크피스의 상기 적어도 하나의 표면 영역을 상기 워크피스 단조 온도로 가열하면서, 상기 워크피스의 상기 단열 가열된 내부 영역이 상기 워크피스 단조 온도까지 냉각되도록 허용하는 단계, 및
상기 워크피스의 적어도 한 영역에서 적어도 3.5의 진변형률이 달성될 때까지 상기 프레스 단조 및 상기 허용 단계들 중 적어도 하나를 반복하는 단계를 포함하는, 상기 다축 단조 단계를 포함하는, 워크피스의 결정립 크기를 정제하는 방법.
제 1 항에 있어서,
프레스 단조 동안 사용된 변형 속도는 0.2 s^-1 내지 0.8 s^-1의 범위에 있는, 워크피스의 결정립 크기를 정제하는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 워크피스는 알파 티타늄 합금, 알파+베타 티타늄 합금, 준안정 베타 티타늄 합금, 및 베타 티타늄 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 티타늄 합금을 포함하는, 워크피스의 결정립 크기를 정제하는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 워크피스는 알파+베타 티타늄 합금을 포함하는, 워크피스의 결정립 크기를 정제하는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 워크피스는 ASTM 등급 5, 6, 12, 19, 20, 21, 23, 24, 25, 29, 32, 35, 36, 및 38 티타늄 합금들로부터 선택된 티타늄 합금을 포함하는, 워크피스의 결정립 크기를 정제하는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 금속 재료의 알파+베타 상 영역 내에서 워크피스 단조 온도로 워크피스를 가열하는 단계는,
상기 금속 재료의 베타 침지 온도로 상기 워크피스를 가열하는 단계;
상기 워크피스에 100% 베타 상 미세구조를 형성하기에 충분한 베타 침지 시간 동안 상기 베타 침지 온도로 상기 워크피스를 유지하는 단계; 및
상기 워크피스 단조 온도로 상기 워크피스를 냉각시키는 단계를 포함하는, 워크피스의 결정립 크기를 정제하는 방법.
제 6 항에 있어서,
상기 베타 침지 온도는 상기 금속 재료의 베타 변태 온도 위로 300℉(111℃)까지 상기 금속 재료의 상기 베타 변태 온도의 온도 범위에 있는, 워크피스의 결정립 크기를 정제하는 방법.
제 6 항에 있어서,
상기 베타 침지 시간은 5분 내지 24시간까지인, 워크피스의 결정립 크기를 정제하는 방법.
제 6 항에 있어서,
상기 워크피스를 상기 워크피스 단조 온도까지 냉각시키기 전에 상기 금속 재료의 상기 베타 상 영역에서 소성 변형 온도로 상기 워크피스를 가소적으로 변형시키는 단계를 추가로 포함하는, 워크피스의 결정립 크기를 정제하는 방법.
제 9 항에 있어서,
상기 금속 재료의 상기 베타 상 영역에서 소성 변형 온도로 상기 워크피스를 가소적으로 변형시키는 단계는 상기 워크피스를 드로잉하는 단계, 업셋 단조하는 단계, 및 고 변형 속도 다축 단조하는 단계 중 적어도 하나를 포함하는, 워크피스의 결정립 크기를 정제하는 방법.
제 9 항에 있어서,
상기 소성 변형 온도는 상기 금속 재료의 상기 베타 변태 온도 위 300℉(111℃)까지 상기 금속 재료의 상기 베타 변태 온도의 소성 변형 온도 범위에 있는, 워크피스의 결정립 크기를 정제하는 방법.
제 9 항에 있어서,
상기 워크피스를 가소적으로 변형시키는 단계는 고 변형 속도 다축 단조 단계를 포함하며, 상기 워크피스를 상기 워크피스 단조 온도까지 냉각시키는 단계는 상기 워크피스가 상기 금속 재료의 상기 알파+베타 상 영역 내의 상기 워크피스 단조 온도까지 냉각함에 따라서, 상기 워크피스를 고 변형 속도 다축 단조하는 단계를 추가로 포함하는, 워크피스의 결정립 크기를 정제하는 방법.
제 9 항에 있어서,
상기 워크피스를 가소적으로 변형시키는 단계는 0.1 내지 0.5의 범위에서 베타-업셋 변형률로 상기 워크피스를 업셋 단조하는 단계를 포함하는, 워크피스의 결정립 크기를 정제하는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 워크피스 단조 온도는 상기 금속 재료의 상기 베타 변태 온도 아래 100℉(55.6℃) 내지 상기 금속 재료의 상기 베타 변태 온도 아래 700℉(388.9℃)의 온도 범위에 있는, 워크피스의 결정립 크기를 정제하는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 워크피스의 상기 단열 가열된 내부 영역은 5초 내지 120초의 범위에서의 내부 영역 냉각 시간 동안 냉각되도록 허용되는, 워크피스의 결정립 크기를 정제하는 방법.
제 1 항에 있어서,
4.7의 진변형률이 상기 워크피스에서 달성될 때까지 제 1 항에 나열된 상기 프레스 단조 및 허용 단계들 중 하나 이상의 단계들을 반복하는 단계를 추가로 포함하는, 워크피스의 결정립 크기를 정제하는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 워크피스의 상기 적어도 하나의 표면을 가열하는 단계는 불꽃 가열, 박스로 가열, 유도 가열, 및 복사 가열 중 하나 이상을 사용하여 가열하는 단계를 포함하는, 워크피스의 결정립 크기를 정제하는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 워크피스를 프레스 단조하기 위해 사용된 단조의 다이를, 상기 워크피스 단조 온도로부터 상기 워크피스 단조 온도보다 100℉(55.6℃) 낮은 온도까지의 범위의 온도로 가열하는 단계를 추가로 포함하는, 워크피스의 결정립 크기를 정제하는 방법.
제 1 항에 있어서,
반복 단계는 제 1 항에 나열된 상기 프레스 단조 및 허용 단계들을 적어도 4회 반복하는 단계를 포함하는, 워크피스의 결정립 크기를 정제하는 방법.
제 1 항에 있어서,
3.7의 진변형률이 달성된 후, 상기 워크피스는 4 ㎛ 내지 6 ㎛의 범위에서의 평균 알파 입자 결정립 크기를 포함하는, 워크피스의 결정립 크기를 정제하는 방법.
제 1 항에 있어서,
4.7의 진변형률이 달성된 후, 상기 워크피스는 4 ㎛의 평균 알파 입자 결정립 크기를 포함하는, 워크피스의 결정립 크기를 정제하는 방법.
제 20 항 또는 제 21 항에 있어서,
상기 방법의 완료시, 상기 알파 입자 결정립들은 등축되는, 워크피스의 결정립 크기를 정제하는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 금속 재료의 상기 알파+베타 상 영역 내의 제 2 워크피스 단조 온도로 상기 워크피스를 냉각시키는 단계;
상기 워크피스의 상기 내부 영역을 단열 가열하기에 충분한 변형 속도에서, 상기 워크피스의 제 1 직교 축의 방향으로 상기 제 2 워크피스 단조 온도에서 상기 워크피스를 프레스 단조하는 단계;
상기 워크피스의 상기 적어도 하나의 표면 영역을 상기 제 2 워크피스 단조 온도로 가열하면서, 상기 워크피스의 상기 단열 가열된 내부 영역이 상기 제 2 워크피스 단조 온도까지 냉각되도록 허용하는 단계;
워크피스의 상기 내부 영역을 단열 가열하기에 충분한 변형 속도에서, 상기 워크피스의 제 2 직교 축의 방향으로 상기 제 2 워크피스 단조 온도에서 상기 워크피스를 프레스 단조하는 단계;
상기 워크피스의 상기 적어도 하나의 표면 영역을 상기 제 2 워크피스 단조 온도로 가열하면서, 상기 워크피스의 상기 단열 가열된 내부 영역이 상기 제 2 워크피스 단조 온도까지 냉각되도록 허용하는 단계;
상기 워크피스의 상기 내부 영역을 단열 가열하기에 충분한 변형 속도에서, 상기 워크피스의 제 3 직교 축의 방향으로 상기 제 2 워크피스 단조 온도에서 상기 워크피스를 프레스 단조하는 단계;
상기 워크피스의 상기 적어도 하나의 표면 영역을 상기 제 2 워크피스 단조 온도로 가열하면서, 상기 워크피스의 상기 단열 가열된 내부 영역이 상기 제 2 워크피스 단조 온도까지 냉각되도록 허용하는 단계;
적어도 10의 진변형률이 상기 워크피스의 적어도 한 영역에서 달성될 때까지 상기 프레스 단조 및 허용 단계들 중 하나 이상을 반복하는 단계를 추가로 포함하는, 워크피스의 결정립 크기를 정제하는 방법.
티타늄 및 티타늄 합금으로부터 선택된 금속 재료를 포함한 워크피스에서 결정립 크기를 정제하는 방법에 있어서,
상기 금속 재료의 알파+베타 상 영역 내의 워크피스 단조 온도 범위 내의 워크피스 단조 온도까지 상기 워크피스를 가열하는 단계로서, 상기 워크피스는 실린더-형 형상 및 개시 단면 치수를 포함하는, 상기 워크피스 가열 단계;
상기 워크피스 단조 온도 범위 내에서 상기 워크피스를 업셋 단조하는 단계; 및
상기 워크피스 단조 온도 범위 내에서 상기 워크피스를 다중 패스 드로우 단조하는 단계를 포함하며,
다중 패스 드로우 단조 단계는 상기 워크피스를 드로우 단조하는 단계에 앞서 회전 방향으로 상기 워크피스를 점증적으로 회전시키는 단계를 포함하며,
점증적 회전 단계 및 드로우 단조 단계는 상기 워크피스 내에서 적어도 3.5의 진변형률이 달성될 때까지 반복되는, 워크피스에서 결정립 크기를 정제하는 방법.
제 24 항에 있어서,
업셋 단조 및 드로우 단조에 사용된 변형률은 0.001 s^-1 내지 0.02^-1의 범위에 있는, 워크피스에서 결정립 크기를 정제하는 방법.
제 24 항에 있어서,
상기 워크피스는 실린더 워크피스를 포함하며, 점증적 회전 단계 및 드로우 단조 단계는 상기 실린더 워크피스가 360°까지 회전될 때까지, 각각의 회전 후 드로우 단조 단계에 앞서 15°증분들로 상기 실린더 워크피스를 회전시키는 단계를 추가로 포함하는, 워크피스에서 결정립 크기를 정제하는 방법.
제 24 항에 있어서,
상기 워크피스는 정확한 8각형 워크피스를 포함하며, 점증적 회전 단계 및 드로우 단조 단계는 상기 정확한 8각형 워크피스가 360°까지 회전될 때까지, 각각의 회전 후 드로우 단조 단계에 앞서 45°까지 상기 8각형 워크피스를 회전시키는 단계를 추가로 포함하는, 워크피스에서 결정립 크기를 정제하는 방법.
제 24 항에 있어서,
상기 티타늄 합금 워크피스를 업셋 단조한 후 상기 워크피스를 상기 워크피스 단조 온도로 가열하는 단계를 추가로 포함하는, 워크피스에서 결정립 크기를 정제하는 방법.
제 24 항에 있어서,
적어도 하나의 단조 단계 후 상기 워크피스를 상기 워크피스 단조 온도로 가열하는 단계를 추가로 포함하는, 워크피스에서 결정립 크기를 정제하는 방법.
제 24 항에 있어서,
상기 워크피스는 알파 티타늄 합금, 알파+베타 티타늄 합금, 준안정 베타 티타늄 합금, 및 베타 티타늄 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 티타늄 합금을 포함하는, 워크피스에서 결정립 크기를 정제하는 방법.
제 24 항에 있어서,
상기 워크피스는 알파+베타 티타늄 합금을 포함하는, 워크피스에서 결정립 크기를 정제하는 방법.
제 24 항에 있어서,
ASTM 등급 5, 6, 12, 19, 20, 21, 23, 24, 25, 29, 32, 35, 36, 및 38 티타늄 합금들 중 하나를 포함하는, 워크피스에서 결정립 크기를 정제하는 방법.
제 24 항에 있어서,
상기 워크피스를 베타 침지 온도로 가열하는 단계;
상기 워크피스에 100% 베타 상 미세구조를 형성하기에 충분한 베타 침지 시간 동안 상기 베타 침지 온도로 상기 워크피스를 유지하는 단계; 및
상기 금속 재료의 알파+베타 상 영역 내의 워크피스 단조 온도 범위에서 워크피스 단조 온도로 상기 워크피스를 가열하기 전에 상기 워크피스를 실온으까지 냉각시키는 단계를 추가로 포함하는, 워크피스에서 결정립 크기를 정제하는 방법.
제 33 항에 있어서,
상기 베타 침지 온도는 상기 금속 재료의 베타 변태 온도로부터 상기 금속 재료의 베타 변태 온도보다 300℉(111℃) 높은 온도까지의 온도 범위에 있는, 워크피스에서 결정립 크기를 정제하는 방법.
제 33 항에 있어서,
상기 베타 침지 시간은 5분 내지 24시간까지인, 워크피스에서 결정립 크기를 정제하는 방법.
제 33 항에 있어서,
상기 워크피스를 실온으까지 냉각시키기 전에 상기 금속 재료의 상기 베타 상 영역 내의 소성 변형 온도로 상기 워크피스를 가소적으로 변형시키는 단계를 추가로 포함하는, 워크피스에서 결정립 크기를 정제하는 방법.
제 36 항에 있어서,
상기 워크피스를 가소적으로 변형시키는 단계는 상기 워크피스를 드로잉하는 단계, 업셋 단조하는 단계, 및 고 변형 속도 다축 단조하는 단계 중 적어도 하나를 포함하는, 워크피스에서 결정립 크기를 정제하는 방법.
제 36 항에 있어서,
상기 소성 변형 온도는 상기 금속 재료의 상기 베타 변태 온도 위 300℉(111℃) 이하까지 금속 재료의 상기 베타 변태 온도의 소성 변형 온도 범위에 있는, 워크피스에서 결정립 크기를 정제하는 방법.
제 36 항에 있어서,
상기 워크피스를 가소적으로 변형시키는 단계는 다중 업셋 및 드로우 단조 단계를 포함하며, 상기 워크피스를 상기 워크피스 단조 온도까지 냉각시키는 단계는 상기 워크피스를 공기 냉각시키는 단계를 포함하는, 워크피스에서 결정립 크기를 정제하는 방법.
제 24 항에 있어서,
상기 워크피스 단조 온도는 상기 금속 재료의 베타 변태 온도 아래 100℉(55.6℃) 내지 상기 금속 재료의 상기 베타 변태 온도 아래 700℉(388.9℃) 이하의 워크피스 단조 온도 범위에 있는, 워크피스에서 결정립 크기를 정제하는 방법.
제 24 항에 있어서,
적어도 10의 진변형률이 상기 티타늄 합금 워크피스에서 달성될 때까지 상기 가열, 업셋 단조 및 다중 패스 드로우 단조 단계들을 반복하는 단계를 추가로 포함하는, 워크피스에서 결정립 크기를 정제하는 방법.
제 41 항에 있어서,
상기 방법의 완료시, 금속 재료 미세구조는 초미립자 크기의 알파 결정립들을 포함하는, 워크피스에서 결정립 크기를 정제하는 방법.
제 24 항에 있어서,
상기 워크피스 단조 온도 내지 상기 워크피스 단조 온도 아래 100℉(55.6℃) 이하까지의 온도 범위에서 하나의 온도로 상기 워크피스를 단조하기 위해 사용된 단조의 다이들을 가열하는 단계를 추가로 포함하는, 워크피스에서 결정립 크기를 정제하는 방법.
제 24 항에 있어서,
상기 워크피스 단조 온도 범위 내의 워크피스 다중 패스 드로우 단조에 이어서:
상기 금속 재료의 상기 알파+베타 상 영역 내의 제 2 워크피스 온도 범위 내의 온도로 상기 워크피스를 냉각시키는 단계;
상기 제 2 워크피스 단조 온도 범위 내에서 상기 워크피스를 업셋 단조하는 단계;
상기 제 2 워크피스 단조 온도 범위에서 상기 워크피스를 다중 패스 드로우 단조하는 단계로서,
다중 패스 드로우 단조 단계는 각각의 회전 후 상기 티타늄 합금 워크피스를 드로우 단조하기 전에 회전 방향으로 상기 워크피스를 점증적으로 회전시키는 단계를 포함하며,
점증적 회전 단계 및 드로우 단조 단계는 상기 워크피스가 상기 개시 단면 치수를 포함할 때까지 반복되는, 상기 다중 패스 드로우 단조 단계; 및
적어도 10의 진변형률이 상기 워크피스에서 달성될 때까지 상기 제 2 워크피스 단조 온도에서 상기 업셋 단조, 및 다중 패스 드로우 단조 단계들을 반복하는 단계를 추가로 포함하는, 워크피스에서 결정립 크기를 정제하는 방법.
제 44 항에 있어서,
업셋 단조 및 드로우 단조에서 사용된 변형 속도는 0.001 s^-1 내지 0.02^-1의 범위에 있는, 워크피스에서 결정립 크기를 정제하는 방법.
제 44 항에 있어서,
실제 워크피스 온도를 상기 워크피스 단조 온도까지 이끌기 위해 적어도 하나의 단조 단계 후 상기 워크피스를 상기 워크피스 단조 온도로 가열하는 단계를 추가로 포함하는, 워크피스에서 결정립 크기를 정제하는 방법.
금속 및 금속 합금으로부터 선택된 금속 재료를 포함한 워크피스의 등온 다단계 단조를 위한 방법에 있어서,
상기 워크피스를 워크피스 단조 온도로 가열하는 단계;
상기 워크피스의 내부 영역을 단열 가열하기에 충분한 변형 속도로 상기 워크피스 단조 온도에서 상기 워크피스를 단조하는 단계;
상기 워크피스의 적어도 하나의 표면 영역을 상기 워크피스 단조 온도로 가열하면서, 상기 워크피스의 상기 내부 영역이 상기 워크피스 단조 온도까지 냉각되도록 허용하는 단계; 및
원하는 특성이 획득될 때까지 상기 워크피스를 단조하고 상기 워크피스의 상기 표면 영역을 가열하면서 상기 워크피스의 상기 내부 영역이 냉각되도록 허용하는 단계들을 반복하는 단계를 포함하는, 워크피스의 다단계 단조를 위한 방법.
제 47 항에 있어서,
단조는 프레스 단조, 업셋 단조, 드로우 단조, 및 롤 단조 중 하나 이상을 포함하는, 워크피스의 등온 다단계 단조를 위한 방법.
제 47 항에 있어서,
상기 금속 재료는 티타늄 및 티타늄 합금들, 지르코늄 및 지르코늄 합금들, 알루미늄 및 알루미늄 합금들, 철 및 철 합금들, 및 초합금들로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 워크피스의 등온 다단계 단조를 위한 방법.
제 47 항에 있어서,
상기 원하는 특성은 원하는 전달 변형률, 원하는 평균 결정립 크기, 원하는 형상, 및 원하는 기계적 특성 중 하나 이상을 포함하는, 워크피스의 등온 다단계 단조를 위한 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 워크피스는 준안정 베타 티타늄 합금을 포함하는, 워크피스의 결정립 크기를 정제하는 방법.
제 1 항에 있어서,
프레스 단조 동안 이용되는 변형 속도는 적어도 0.2 s^-1인, 워크피스의 결정립 크기를 정제하는 방법.