KR20110020236A

KR20110020236A - 적어도 하나의 층에 제어된 다공률을 갖는 복합 프리폼 및 제조 방법과 용도

Info

Publication number: KR20110020236A
Application number: KR1020107026262A
Authority: KR
Inventors: 비렌드라 에스 와크; 스티븐 제이 마슬
Original assignee: 바디코트 아이엠티 인코포레이티드; 비렌드라 에스 와크; 스티븐 제이 마슬
Priority date: 2008-04-24
Filing date: 2009-04-24
Publication date: 2011-03-02
Also published as: BRPI0910614A2; US20090269605A1; CN102083574A; CA2725311C; RU2010147810A; KR101370751B1; WO2009132278A1; US20120085811A1; EP2282858A1; CA2725311A1; MX2010011681A; RU2468890C2; JP2011518952A

Abstract

본 발명은 완전 치밀 구조적 구성요소와, 구조적 구성요소의 유동 응력과 정합하는 유동 응력을 제공하도록 사전결정된 다공률의 특수 합금의 부분 치밀 구성요소를 갖는 중공형 2성분 복합 빌릿의 압출에 의해 클래드 파이프 및 배관을 포함하지만 이것으로 한정되지 않는 클래드 제품을 제조하는 열간 가공 소성 변형 방법을 위한 클래드 빌릿을 제공한다. 구성요소는 빌릿 구성요소를 열간 등압 압축하는 것을 비롯하여 일정 시간에 걸쳐 열 및 압력을 가함으로써 특수 구성요소의 사전결정된 다공률에 맞추어 확산 접합된다. 유동 응력 정합성을 얻기 위한 처리 조건을 결정하기 위해 컴퓨터 모델링 기술이 사용될 수 있다.

Description

적어도 하나의 층에 제어된 다공률을 갖는 복합 프리폼 및 제조 방법과 용도{COMPOSITE PREFORM HAVING A CONTROLLED FRACTION OF POROSITY IN AT LEAST ONE LAYER AND METHODS FOR MANUFACTURE AND USE}

본 발명은 클래드 파이프(clad pipe) 및 배관과 다른 클래드 제품을 제조하기 위한 입력 재료로서 사용되는 통상 "빌릿(billet)"으로 불리는 복합 프리폼(preform)과, 이들 복합 프리폼을 제조하는 방법에 관한 것이다.

파이프 또는 배관을 제조하기 위해 통상 사용되는 합금은 종종, 일반적인 적용을 위해서는 필요하지만 높은 부식성 또는 그렇지 않으면 액체, 가스 및 슬러리를 비롯한 공격적인 유체와 관련한 확대된 사용에는 적합하지 않을 수 있는 벌크(bulk) 구조 특성을 갖는다. 덜 통상적으로 사용되는 다른 합금은 내부식성 또는 내마모서이 더 크거나 다른 바람직한 특성이 있을 수 있지만, 복잡하고 값비싼 합금 성분을 포함하거나, 또는 더 통상적인 합금에 대한 실용적인 대안을 제공하기에 충분한 구조적 또는 다른 특성을 결하고 있을 수 있다. 요구되는 구조적 특성과 특정의 특수한 특성 둘 모두를 획득하는 하나의 방법은 하나의 합금을 다른 합금에 피복하여 여러 합금의 접합된 층을 갖는 복합 제품을 제조하고, 따라서 각각의 단점을 완화시키면서 각 합금 구성요소의 품질 및 이점을 공유하는 것이다. 구조적 구성요소가 때때로 내마모성 또는 내부식성 구성요소에 접합되며, 내마모성 및 내부식성 구성요소는 공격적인 유체를 마주 대하고, 구조적 구성요소는 내마모성 및 내부식성 구성요소를 지지한다.

예를 들어, 클래드 강은 종종 증대된 수명 또는 다른 특수한 특성을 필요로 하는 가혹한 환경에서 사용된다. 강 합금은 강하지만, 연장된 기간 동안 소정의 가혹한 조건에 견디지 못할 수 있다. 예를 들어, 스페셜 메탈스 코포레이션(Special Metals Corporation)으로부터의 인코넬(Inconel^®) 625를 비롯하여 니켈계 초합금과 함께 연강 클래드로 제조된 이음매 없는 배관은 인코넬 625측에 소정의 액체 및 슬러리에 대한 증대된 내부식성을 제공할 수 있는 반면, 강은 필요한 강도를 제공한다. 인코넬 클래드 강과 같은 클래드 제품은 전형적으로 인코넬 단독보다 덜 비싸며, 강으로만 제조된 제품과 비교하여 증대된 성능을 갖는다. 그러나, 인코넬 및 강은 보통 열간 가공 소성 변형 기술에 의한 클래드 배관의 효율적인 생산에 적합한 특성을 나타내지 않는다. 복합 재료의 열간 가공을 경험한 연구자 및 산업 전문가들은, 다수의 층의 유동 응력(flow stress)이 대략 2.3의 계수보다 더 큰만큼 다를 수 없다는 것을 알았다. 유동 응력은 특정 열간 가공 온도에서 재료를 소성 변형시키기 위해 필요한 응력이다.

열간 가공 공정에 들어가는 복합 빌릿은 다수의 층으로 구성된다. 각 층은 최초에 개별적으로 제조될 수 있다. 복합 빌릿의 개별 층을 구성하는 이들 구성요소는 그 다음에 조립되어 복합 빌릿을 만든다. 인접 층들이 하나 안에 나머지가 위치하도록 포개질 수 있거나, 또는 용접, 납땜, 확산 접합 또는 캡슐화(encapsulation)를 비롯한 다양한 기술에 의해 서로 기계적으로 또는 야금학적으로 접합될 수 있다.

복합 다성분 빌릿의 소성 변형은 종종 낮은 수율을 제공한다. 압출, 필거 밀링(Pilger milling) 또는 다른 소성 변형 기술에 의해서와 같이 구조의 치수를 영구적으로 변화시키기에 충분한 전단력이 몇몇 유형의 구조적 실패 중 어느 것이든지 야기할 수 있다. 몇 개 예를 들자면, 구성요소 유동이 균일하지 않을 수 있고, 하나의 구성요소의 직경이 나머지 구성요소의 직경과 비례하여 변하지 않거나 전혀 변하지 않을 수 있으며, 하나의 구성요소 또는 나머지 구성요소가 파손될 수 있다.

복합 다성분 빌릿을 열간 가공할 때 각 구성요소 층의 유동 응력의 차이에 의해 가해진 제한을 극복하기 위해 다양한 시도가 이루어지고 있다. 압출 또는 필거 밀링과 같은 이들 공정은 효율적인 방법으로 긴 길이의 클래드 파이프 및 배관의 제조를 가능하게 하기 때문에 매력적이다. 빌릿 내의 층을 포함하는 구성요소는 파손 및 단절 또는 다른 문제를 회피하기 위해 유사한 압출 또는 다른 가공 특성을 갖는 경향이 있는 구성요소의 군으로부터 선택될 수 있다.

온도를 비롯한 처리 조건은 각 구성요소에 대해서 변경될 수 있다. "종래 기술"의 표시가 되어 있는 도 16의 어둡게 표시된 구역에 의해 도시된 바와 같이, 탄소 강에 적용되는 내부식성 또는 내마모성 합금에 대해서 수용 가능한 유동 응력의 범위는 구성요소 온도의 변경에도 불구하고 많은 후보를 배제한다. 일단 구성요소가 서로 접촉하면 구성요소의 온도는 신속하게 평형을 이루는 경향이 있기 때문에, 온도를 변경하는 것은 빌릿의 신속한 처리를 필요로 한다. 몇몇 경우에, 상대적으로 높은 처리 온도에서의 다층 빌릿의 변형은 우수한 제품을 생산하는 기회를 높일 수 있지만, 고온 처리가 관련 재료에 해로울 수 있으며, 이것은 결정 성장, 침전물 조대화 및 다른 바람직하지 않은 일이 발생하는 것으로 귀착되며, 수용 가능한 파라미터의 범위가 약간 제한된다.

소성 변형 처리에 의해 다성분 프리폼으로부터 클래드 파이프 및 배관과 다른 제품을 제조하기 위한 대안적이고 문제가 덜한 해법을 개발하는 것이 바람직할 것이다.

본 발명은 적어도 하나의 구성요소 또는 층이 분말 야금(powder metallurgy, "PM") 기술을 이용하여 제조되는 빌릿 또는 프리폼과, 적어도 하나의 PM 구성요소 내의 다공성의 양 및 특성을 제어하는 단계와, 소성 변형 하에서 나머지 구성요소의 유동 응력과 정합하는 유동 응력을 제공하도록 빌릿의 분말 구성요소 중 적어도 하나의 세공 용적을 조정하는 단계를 포함하는 빌릿을 제조하는 방법을 제공한다. 제어될 수 있는 PM 구성요소 내의 다공성의 특성은 세공 용적, 세공 크기 및 세공 크기 분포를 포함한다. 유동 응력의 정합성은 접합된 빌릿 구성요소가 실패 가능성이 낮게 소성 변형을 겪는 것을 가능하게 하고, 그것에 의해 얻어진 제품이 구성요소 사이의 접합 완전성을 보유하는 것을 가능하게 한다.

구체적인 실시예에서, 클래드 파이프 또는 배관은 적어도 하나의 PM 구성요소의 다공성이 빌릿을 구성하는 나머지 구성요소 또는 층의 유동 응력과 정합하는 유동 응력을 제공하도록 제어되는 본 발명의 실시에 의해 빌릿으로부터 제조될 수 있다. 구성요소의 다공성의 특성, 그리고 따라서 유동 응력은 사전결정된 압력, 온도 및 시간의 조건에서 열간 등압 압축하는 단계와, 사전결정된 압력 및 시간의 조건에서 냉간 등압 압축하는 단계와, 이어서 소성 변형시 야기된 대응 유동 응력이 적어도 하나의 다른 구성요소의 유동 응력에 접근하도록 소결하는 단계를 비롯하여 몇몇 방법 중 어느 것에 의해서든 제어될 수 있다.

예를 들어, 높은 내부식성 니켈계 초합금인 탄소강 및 인코넬 625는 보통 문제없는 소성 변형 처리에 정합하지 않을 정도로 다른 유동 응력을 갖고 있다. 본 발명의 실시에 의해, 탄소강과 함께 빌릿 내의 인코넬 625의 다공성은 인코넬 625의 유동 응력을 감소시키고 2.3 미만의 탄소강에 대한 인코넬 625의 유동 응력 비를 제공하도록 사전결정된 수준으로 조정될 수 있다. 처리 동안 인코넬 625의 유동은 동심형이어야 하고, 처리 동안 실패 가능성은 이들 조건 하에서 감소된다.

본 발명의 방법의 실시의 구체적인 실시예에서, 예를 들어 단련 탄소강, 주물 또는 분말 야금 강으로 중공형 블랭크(blank)가 제조된다. 시트 금속으로 캡슐이 제작되고, 블랭크에 용접되어 탄소강이 클래드 배관의 내부 및/또는 외부 표면을 형성할 것인지에 따라서 내부 및/또는 외부 환형 캐비티를 형성한다. 예를 들어 내부식성 합금 또는 내마모성 합금을 비롯한 바람직한 특성을 갖는 합금의 구형 입자의 합금 분말로 환형 캐비티가 채워지는 동안 탄소강 블랭크 및 캡슐의 조립체가 진동된다. 분말은 전형적으로 이론상 전밀도(full density)의 약 62 내지 72%인 패킹 밀도를 최대화하기 위해 진동된다. 전밀도는 구형 분말 입자들 사이에 세공이 존재하지 않는 재료의 밀도이다. 그 후, 캡슐은 공기, 수증기 및 다른 가스가 배기되고, 가스 불순물을 추가로 제거하기 위해 가열되며, 밀봉된다. 밀봉된 캡슐은 그 다음에 온도, 압력 및 사이클 시간의 조건 하에서 분말을 압밀하도록 열간 등압 압축(hot isostatic pressing, "HIP")된다. 사용된 구체적인 온도, 압력 및 사이클 시간은 그 구성요소에 사전-선택된 세공 밀도를 제공하도록 선택된다. 그 세공 밀도 값은 복합 빌릿 내의 층을 구성하는 나머지 구성요소의 유동 응력과 정합하는 유동 응력을 가질 구성요소를 생산하도록 선택된다.

열간 등압 압축, 또는 소결에 의한 열의 적용이 뒤따르는 냉간 등압 압축(cold isostatic pressing, "CIP")을 비롯하여 제어된 압력, 온도 및 시간을 적용하는 다른 기술은 분말 입자들 사이에 야금학적 접합을 형성하고, 결과로서 생기는 PM 구성요소 내의 세공 용적을 제어하며, 따라서 또한 그 구성요소의 유동 응력을 제어한다. 빌릿을 구성하는 특정 층 또는 구성요소 내의 다공률을 제어함으로써, 그 구성요소 유동 응력들은 충분히 비슷하도록 제어될 수 있다. 그 다음에 2성분 빌릿은 소성 변형을 겪고 원하는 제품을 생산할 수 있다.

변형 실시예에서, 그들 구성요소 분말 야금은 환형 공간을 분말로 채우기 보다는 개별적으로 준비될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 이 경우, 분말 구성요소는 사전선택된 다공률을 달성하도록 처리되며, 다공성 구성요소는 그 다음에 나머지 구성요소에 인접하게 배치된다. 예를 들어, 인코넬 625 합금의 다공성 블랭크는 기계가공되고, 단련 또는 주조 슬리브 내로 포개지며, 그 다음에 원한다면 이들 층을 접합하도록 처리된다. HIP, CIP 및 소결 또는 다른 유사한 접합 방법이, 만약 사전선택된 밀도가 이미 달성되었다면 분말 층의 추가의 압축을 피하면서 구성요소들을 접합하는 조건에서 이루어질 수 있다. 대안적으로, 만약 목표 밀도에 도달하기 위해 추가의 압축이 필요하다면, 접합 조건은 원하는 목표 밀도를 달성하도록 변경될 수 있다. 추가의 변형 실시예에서, 2개의 구성요소보다 많은 구성요소가 사용될 수 있으며, 그것 중 적어도 하나는 조정 가능한 다공도의 분말이다. 구성요소 각각은 원한다면 PM 기술을 이용하여 제조될 수 있다.

상이한 분말 구성요소로 두 측면 상에 클래딩될 단련 또는 주조 블랭크가 본 발명의 실시에서 사용될 수 있다. 그 구성요소는 금속, 합금, 플라스틱, 세라믹 및 복합 재료를 포함할 수 있다. 처리의 이 단계에서, 접합 단계 및 심지어 캡슐화 단계가 생략될 수 있으며, 만약 목표 밀도가 개별적으로 형성된 적어도 하나의 분말 구성요소에서 이미 달성되었다면 구성요소는 소성 변형에 의해 접합된다. 이 단계에서 접합이 일어나지 않는다고 하더라도 포개진 구성요소들 사이의 경계면으로부터 가스 불순물을 제거하기 위해 캡슐화가 유용할 수 있다.

따라서, 본 발명은, 다른 것 중에서도, 통상의 구조적 재료의 전형적으로 2성분 중공형 빌릿인 복합 다성분 빌릿에 종종 내마모성 및 내부식성인 약간 특수화된 특성을 갖는 재료를 제공한다. 하나 이상의 층은 실패 없이 압출과 같은 성형 처리에서 발생하는 소성 변형이 가능하여야 하는 복합 빌릿을 제공하기 위해 충분히 작은 사전선택된 유동 응력 비를 제공하도록 상호 관련된 사전결정된 다공성 특성을 달성하기 위해 PM 기술을 이용하여 열간 등압 압축되거나 또는 다르게 제조될 수 있다.

바람직하고 예시적인 실시예를 도시하는 첨부 도면과 함께 취해진 다음의 발명의 상세한 설명을 고찰할 때, 본 발명의 전술한 그리고 다른 이점 및 특징과 그것이 성취되는 방법이 더 쉽게 이해될 것이다.

도 1은 본 발명에 따라 준비된 중공형 2성분 복합 프리폼 또는 빌릿을 나타내는 사시도,
도 2는 제어된 다공률 상태에 있는 중공형 프리폼의 내부 고형물 층 또는 코어를 도시하는 도 1의 프리폼의 종축방향 단면도,
도 3은 도 1의 프리폼의 평면도,
도 4는 도 1의 프리폼의 저면도,
도 5는 제어된 다공률 상태에 있는 구성요소의 내측 및 외측 층이 완전 치밀(fully dense) 구성요소를 사이에 끼우고 있는 본 발명의 중공형 복합 프리폼 또는 빌릿을 나타내는 종축방향 단면도,
도 6은 패킹 밀도를 최대화하기 위해 분말로 채운 후, 그리고 베이킹-아웃(baking-out), 배기 및 밀봉 전의 캡슐화된 2성분 빌릿을 나타내는 종축방향 단면도,
도 7은 패킹 밀도를 최대화하기 위해 분말로 채운 후, 그리고 베이킹-아웃, 배기 및 밀봉 전의 캡슐화된 3성분 빌릿을 나타내는 종축방향 단면도,
도 8은 여러 밀도의 HIP(열간 등압 압축) 압밀된 인코넬 합금 625에 대한, 그리고 1175℃ 및 4/초의 변형 속도의 단련 조건에서의 AISI 8620에 대한 압축 시험(진 응력 대 진 변형)의 결과를 나타내는 그래프,
도 9는 3개의 상이한 변형 속도에 대해서 여러 상대 밀도에서의 평균 유동 응력을 보여주는 인코넬 합금 625에 관한 것으로서, 인코넬 625를 열간 등압 압축하여 밀도는 낮추는 것은 소성 변형을 위해 필요한 응력을 감소시킨다는 것을 뒷받침하는 도면,
도 10은 인코넬 합금 625의 여러 밀도에서 AISI 강 8620에 대한 인코넬 합금 625에 관하여 상대 밀도에 대한 평균 유동 응력의 비를 나타내는 도면,
도 11은 구성요소의 바람직한 다공률을 결정하고 2성분 프리폼을 제조하는 본 발명의 방법의 단계를 나타내는 순서도,
도 12a는 복합 다성분 빌릿을 형성하고 빌릿을 압출하여 클래프 파이프를 제조하는 본 발명의 일 방법의 단계를 나타내는 순서도,
도 12b는 복합 다성분 빌릿을 형성하고 빌릿을 압출하여 클래드 파이프를 제조하기 위한, 도 12a의 방법에 대안적인 방법의 단계를 나타내는 순서도,
도 13은 본 발명의 2성분 빌릿을 조립 및 처리하는 단계를 나타내는 개략도,
도 14는 도 13의 단계에 대한 대안을 나타내는 개략도로서, 분말 구성요소가 다른 구성요소와 접촉하기 전에 부분적으로 압축되어 있는 도면,
도 15는 상대 밀도(다공률)와 압력, 온도 및 시간 사이의 관계를 보여주는 인코넬 합금 625에 대한 종래 기술의 열간 등압 압축 맵,
도 16은 탄소강 및 인코넬 합금 625를 비롯한 여러 합금에 관하여 처리 온도에 대한 유동 응력을 나타내는 종래 기술의 도면으로서, 빌릿의 일 층이 완전 치밀 탄소강이 되는 공압출에 대한 유동 응력 정합성의 범위를 나타내기 위해 어둡게 표시되어 있는 도면.

몇몇 도면의 전체에 걸쳐 대응하는 참조 부호는 대응하는 부분을 지시한다.

본 발명은 도면에 예시된 구체적인 실시예 및 이하에 설명되는 변형예를 참조하여 가장 잘 이해될 수 있다. 본 발명이 그렇게 기술될 것이지만, 본 발명이 예시 및 설명된 실시예로 한정되는 것을 의도하지 않음을 이해하여야 한다. 반대로, 본 발명은 첨부된 청구의 범위에 의해 규정된 본 발명의 사상 및 범위 내에 포함될 수 있는 모든 대안, 변경 및 동등물을 포함한다.

도 1은 본 발명의 중공 원통형 2성분 복합 빌릿(billet)을 사시도에 일반적으로 도면부호 20으로 나타낸다. 빌릿(20)은 전밀도(full density) 단련 상태의 "AISI"(American Iron and Steel Institute) 8620 강의 외측 표면 또는 슬리브(22)를 갖는다. 슬리브는 일 단부에서 테이퍼 형상으로 되어 소성 변형을 위해 압출기(이 도면에는 도시되지 않음) 내로 들어가기 위한 원추형 부분(24)을 형성한다. 원추형 부분은 평평한 상부 표면(25)까지 챔퍼링(chamfering)되어 있다. 고 니켈 함량 초합금인 인코넬(Inconel) 합금 625의 내부 코어 층(26)이 슬리브(22) 안에 점선으로 도시되며, 열간 등압 압축(hot isostatic pressing, "HIP") 또는 다른 접합 기술에 의해 슬리브의 내측 표면에 야금학적으로 접합되었다. 열간 등압 압축 조건은 인코넬의 고형물 코어 층에 사전결정된 다공률을 형성 또는 유지하도록 제어되어, 슬리브(22) 및 코어(26)의 유동 응력은 처리에 적합하다.

도 2는 단련 강의 완전 치밀 외측 슬리브(22') 및 부분 치밀 합금(625)의 내측 코어(26')를 비롯하여, 종방향 단면도에 도 1의 빌릿을 일반적으로 도면부호 20'로 도시한다. 외측 슬리브(22')에 그려진 해칭선은 슬리브가 완전 치밀 구성요소임을 나타낸다. 내측 코어 부분(26')에 그려진 해칭선은 분말이 압밀(consolidation)된 것을 나타내고, 점은 압밀이 부분 밀도임을 나타내며, 이것은 다공률이 유지됨을 말하는 것이다. 다공률은 1) 온도, 압력 및 HIP 사이클의 시간, 2) 그 사전결정된 다공률에서 소성 변형을 겪는 분말 구성요소 - 도 2에서 합금 625임 - 에 의해 나타내어지는 유동 응력, 3) 나머지 구성요소 또는 빌릿 조립체의 구성요소 - 도 2에서 단련된 AISI 8620 강의 외측 슬리브(22)임 - 에 의해 나타내어지는 유동 응력에 기초하여, 컴퓨터 모델링 기술에 의해 사전결정될 수 있다.

도 3 및 도 4는 각각 도 1의 빌릿의 평면도 및 저면도를 나타낸다. 도 3은 원추형 슬리브 표면(24)과 합금 코어의 평평한 상부 표면의 중간에 있는 강 슬리브(22)(도 1)의 평평한 상부 표면(25)을 도시한다.

공-압출(co-extrusion), 공-인발, 공-롤링 또는 소성 변형을 위한 다른 열간 가공 처리를 통해 다층 관형 제품을 제조하는 동안, 재료는 완성된 제품의 치수보다 길이는 더 짧지만 직경은 더 큰 다층 원통형 빌릿의 형태로 소송 변형 공정에 들어간다. 여러 이유로 개개의 층 또는 구성요소가 선택된다. 완성된 제품을 제공하는 구조적 강도 때문에 한 층이 선택될 수 있고, 우수한 내마모성 또는 내부식성을 제공하기 때문에 다른 층이 선택될 수 있다. 우수한 전기 또는 열 전도성을 갖기 때문에 다른 층이 선택될 수 있다. 빌릿 내에 층을 구성하는 재료의 비용은 항상 고려 요인이다. 본 발명의 예시를 위해 인코넬 625 및 연강(mild steel)의 선택이 본 발명의 문맥, 다양한 구성요소, 소성 변형 공정 및 제품 형태에의 적용 폭에서 고려되어야 한다.

도 5는 일반적으로 도면부호 28로 도시되며, 각각 완전 치밀 구성요소 층(36)을 사이에 끼우고 있는 제어된 다공률 상태에 있는 분말 구성요소의 내측 및 외측 층(32, 30)을 갖는 중공형 복합 빌릿의 종축방향 단면도인 본 발명의 변형 실시예를 나타낸다. 샌드위치 층(36)이 완전 치밀 고형물 구조 층인 것으로 도시되어 있으며, 예를 들어 단련 또는 주조 AISI 8620 강을 포함할 수 있다. 구조 층(36)은 구조 층(36)의 내부 및 외부 표면 상에서 분말 층(32, 30)에 의해 사이에 끼워지며, 분말 층은 부분 압밀된 상태에 있는 것으로 도시되어 있으며 사전결정된 다공률을 갖고, 다공률은 열간 가공 및 소성 변형에 의한 처리를 위해 구조 층의 유동 응력과 정합하는 유동 응력 비를 제공하도록 사전결정된다. 내측 및 외측 층 중 하나 또는 둘 모두는 동일 또는 상이한 재료로부터 유래하는 분말 야금 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 각 층은 내부식성을 위해 인코넬 625를 포함할 수 있다. 구성요소는 또한 다시 요구되는 특성에 따라서 예를 들어 일 층에서 내마모성 합금 그리고 나머지 층에서 내부식성 또는 다른 합금을 비롯하여 상이할 수 있다.

구성요소가 분말 구성요소에서의 사전결정된 다공률에 맞추어 열, 온도 및 압력에 의해 처리되어 열간 가공 소성 변형 공정을 위해 나머지 빌릿 구성요소와 정합하는 유동 응력을 제공하는 한, 구조 층 및 분말 층은 필요에 따라 그리고 최종 제품의 적용에 따라서 빌릿 형태로 배치될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 도 1에 도시된 프리폼(20)은 중공형 빌릿의 내부 표면 상에 배치된 내부식성 합금을 갖는다. 필요에 따라서 내부식성 합금이 빌릿의 외부에 배치될 수 있고, 단련 탄소강이 빌릿의 내부에 배치될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 예를 들어, 그 안에서 부식성 유체가 냉각 또는 가열 매체로서 사용되는 클래드 강 열교환기는 내부식성 합금이 외부 표면으로서 외측 상에 클래딩되는 것을 필요로 할 수 있다. 프리폼은, 다시 의도된 사용 환경에 따라서, 구조적 특성을 위해 선택된 합금의 내측 표면과 외측 표면 둘 모두 상에 내부식성 합금 또는 다른 특수 합금이 배치된 형태로 형성될 수 있다(도 5).

분말 층은 빌릿 조립체 내의 제자리에 또는 빌릿 조립체 내에의 배치 전에 고형물로서 준비될 수 있다는 것을 또한 이해하여야 한다. 목표 밀도는 원하는 유동 응력 및 여러 밀도에서 구성요소에 의해 나타내어지는 유동 응력에 따라서 부분 밀도부터 전밀도까지 변할 수 있다. 만약 미리 목표 밀도로 준비된다면, 별개의 단계로서 성취된다면 추가의 치밀화를 회피하는 조건에서 확산 접합이 전형적으로 행해질 것이다. 만약 목표 밀도 아래로 준비된다면, 조건은 목표 밀도에 도달하도록 선택되어야 한다. 대안적으로, 만약 목표 밀도가 도달되면, 소성 변형에 의해 접합이 행해질 수 있으며, 그 경우에 모든 구성요소는 압출을 비롯하여 소성 변형의 제품에서 완전 치밀하게 된다.

도 6은 HIP 처리 전의 도 1 및 도 2의 2성분 빌릿의 실시예를 종방향 단면도에서 일반적으로 도면부호 38로 나타낸다. 빌릿(38)은 캡슐(40)에 의해 캡슐화되고, 캡슐(40)은 고형물 강 구성요소(43)에 인접하게 분말 구성요소(42)를 수용하기 위해, 그리고 증기 또는 오염 가스 불순물을 배기할 수 있는 공간을 제공하기 위해 사용된 금속의 완전 치밀 박층이다. 그러나, 캡슐(40)은 빌릿용 용기를 위한 몇몇 잠재적인 형태 중 하나이다. 비록 캡슐이 때때로 종래의 처리시 빌릿 상에 남아 있어 압출 또는 다른 처리 기술을 돕는데 유용할 수 있다는 것을 이해하여야 하지만, 도 1은 압출 전에 빌릿으로부터 제거된 캡슐(40)을 도시한다. 유체 정역학 압출을 비롯한 몇몇 압출 기술은 전형적으로 캡슐이 존재하는 것을 필요로 한다. 캡슐은 전형적으로 압출 또는 다른 소성 변형 기술 전이든 후이든 기계가공 또는 피클링(pickling)에 의해 제거된다.

캡슐(40)은 분말(42)을 수용하기 위한 환형 공간을 제공하는 내부 벽(44)을 갖는다. 분말(42)은 금속 포트 또는 관(46)을 통해 환형 공간 안으로 들어간다. 전형적으로, 빌릿 캡슐을 분말로 채우기 위해, 캡슐은 진동 테이블 상에 배치되고, 호퍼(hopper)가 포트(46)에 분말을 공급한다. 진동은 전형적으로 구형 분말의 경우 이론상 전밀도의 약 62 내지 72%인 최대 밀도에서의 분말 패킹을 가능하게 하며, 그 전밀도는 구멍이 존재하지 않는다. 채워진 캡슐은 예를 들어 550 내지 750℉까지 가열된 상부-개방 오븐 및 배기 시스템을 비롯한 베이크-아웃(bake-out) 스테이션으로 운반된다. 베이크-아웃 동안, 포트(46)에서 진공이 형성되어 분말 상에 그리고 캡슐 내에 존재하는 공기, 수증기 및 다른 가스를 제거한다. 배기된 빌릿은 그 다음에 크림핑 관(46)에 의해 진공 하에서 밀봉되고, 튜브(46)가 제거 및 용접되어 밀폐 밀봉을 보장한다.

도 7은 HIP 처리하여 층을 확산 접합하기 전의 도 5의 다성분 복합 빌릿의 실시예를 종방향 단면도에서 일반적으로 도면부호 46으로 나타내며, 이 점에서 있어서는 도 6과 유사한 도면이다. 빌릿(46)은 유사한 방식으로 캡슐(47)에 의해 캡슐화되고, 내측 분말 층(52) 및 외측 분말 층(54)에 각각 독립 로딩 및 진공 포트(48, 50)를 제공한다. 내측 및 외측 분말 층(48, 50)은 도 5와 관련하여 논의된 바와 같이 치밀 금속 층(56)을 사이에 끼운다. 금속 층(56)은 캡슐화 전에 부분 치밀 고형물 또는 완전 치밀 고형물 구성요소로서 분말 야금에 의해 준비될 수 있고, 그 다음에 확산 접합 및 목표 밀도로 처리될 수 있다는 것을 또한 이해하여야 한다.

도 8은 1175℃ 및 4/초의 변형 속도에서 완전 치밀 AISI 8620 단련 강과 비교한, 여러 다른 밀도 수준으로 HIP 압밀된 인코넬 625 초합금의 4개의 샘플에 대한 압축 시험의 결과를 보여주는 그래프이다. 4개의 인코넬 625 샘플은 세공이 없는 밀도의 83%, 92%, 98% 및 99.9%의 밀도 상태에 있다. 진 변형(true strain)에 대한 진 응력(true stress)을 작성하였다. 기계적 시험을 위한 샘플을 제작하기 위해, 합금 625 금속 분말을 원통형 스테인리스 스틸(AISI 304) 캡슐(1.5인치 외경 × 6인치 길이, 0.0625인치 벽 두께) 안에 채웠다. 약 0.65의 최대 패킹 밀도가 달성되는 것을 보장하도록 채우는 동안 캡슐에 진동을 가했다. 이어서, 캡슐을 배기하고, 베이크-아웃하고, 밀봉하였다.

4개의 밀도 수준(83%, 92%, 98%, 99.9%)이 다공률 및 유동 응력 관계를 특징짓는데 적합한 것으로 확인되었다. 이 특징은 합금 625 및 AISI 8620 강의 동시 처리를 위한 이상적인 목표 밀도 수준을 확인하게 하였다. 이들 다양한 밀도 수준을 달성하기 위한 HIP 조건을 결정하기 위해, 캠브리지 대학교의 엠.에프. 애시비(M.F. Ashby) 교수에 의해 개발되었고 공공 문헌에서 입수할 수 있는, 제목이 "소결 및 열간 등압 압축을 위한 구성 맵용 소프트웨어"(1990)인 "HIP 6.0" 프로세스 소프트웨어를 이용하였다. 이들 HIP 처리 파라미터를 아래의 표 1에 명시하였고, 도 15에 제시된 것과 유사한 HIP 맵으로부터 결정하였다. HIP 후에, 스테인리스 스틸 캡슐은 기계가공에 의해 압밀된 초합금 분말로부터 제거될 것이다.

(HIP 6.0 모델 및 문헌으로부터의 데이터를 이용하여 판단된) 목표 밀도를 생성하기 위한 HIP 조건

목표 상대 밀도 (% 이론상)	온도 (℉)	압력 (PSI)	시간 (시간)
83	1600	5000	1
92	1700	5000	1
98	1700	10,000	1
99.9	1900	10,000	1

4개의 밀도 수준에서 단련 상태의 AISI 8620 강 및 합금 625의 유동 응력을 결정하기 위해 변형 팽창계를 이용하여 3개 수준의 변형 속도에서 압축 시험을 행하였다. 압축 시험을 위한 샘플은 단련 AISI 8620 로드(rod) 및 HIP 압밀된 합금 625 바아(bar)로부터 기계가공하였다. 압축 시험을 위한 시험 매트릭스를 이하의 표 2에 명시하였다.

압축 시험을 위한 시험 매트릭스

재료	이론상 밀도의 %	진 변형 속도(1/초)
재료	이론상 밀도의 %	4	8	12
합금 625	83	4	8	12
합금 625	92	4	8	12
합금 625	98	4	8	12
합금 625	99.9	4	8	12
AISI 8620 강	세공 없음	4	8	12

표 2에 기재된 각 시험 조건에 대해서, 샘플을 10℃/분의 공칭 속도로 1175℃ +/-5℃까지 가열하였다. 시험품을 이 온도에서 5분 동안 유지하였고, 그 다음에 적어도 0.5의 전체 변형량까지 압축하였다. 시험 전체에 걸쳐서 일정한 진 변형 속도를 유지하기 위해 시험 기계를 변형 제어 모드로 가동하였고, 시험 동안 응력/변형 곡선의 변화 전부를 포착하기 위해 데이터를 고속으로 수집하였다는 것을 아는 것이 중요하다. 결과의 일관성을 보장하기 위해 표 2에 기재된 각 시험 조건을 3회 반복하였다.

도 8은 1175℃ 및 4/초 변형 속도에서 수행된 일 세트의 시험으로부터 수집된 데이터를 보여준다. 이 그래프로부터, 합금 625의 소성 변형을 위해 필요한 유동 응력이 밀도가 감소하고 반대로 다공률이 증가하는 샘플에서 감소한다는 것이 명백하다. AISI 8620 강의 유동 응력은 83% 이론상 밀도에서 합금 625보다 더욱더 낮다. 이들 결과는 표 2에 기재된 모든 다른 변형 속도에 대해서 일치함을 확인하였다.

표 2의 각 시험 조건에서의 진 응력-변형 곡선 및 그것의 반복으로부터 합금 625의 밀도와 유동 응력의 관계를 정량화하기 위해, 아래의 방정식 1을 이용하여 평균 유동 응력을 평가하였다.

방정식 1

여기서,

및

은 각각 소성 변형의 상한 및 하한이다. 방정식 1을 이용한 평균 유동 응력의 계산 결과가 아래의 그래프에 개략적으로 도시된다. 아래의 그래프에서 어둡게 표시된 영역인 응력 및 변형 곡선 아래의 구역은 방정식 1에 적분항을 나타내며, 수치 적분법에 의해 평가된다.

<방정식 1을 이용한 유동 응력의 개략도>

이제 도면을 참조하면, 도 9는 3개의 다른 변형 속도에 대해서 다양한 상대 밀도에서의 평균 유동 응력을 보여주는 인코넬 625에 관한 도면으로서, 인코넬 625를 열간 등압 압축하여 밀도를 낮추는 것은 소성 변형을 위해 필요한 응력을 감소시킨다는 것을 뒷받침한다. 합금 625에 대한 평균 유동 응력은 3개 수준의 변형 속도에서 밀도에 따라 변한다. 도 9의 각 데이터 점은 3번의 시험 반복의 평균값이다. 도 9의 그래프는 합금 625를 영구적으로 변형시키기 위해 필요한 평균 유동 응력이 그것을 열간 등압 압축하여 밀도를 낮춤으로써 모든 변형 속도에서 크게 감소될 수 있다는 것을 뒷받침한다.

이전의 조사 연구는 내부식성 합금/탄소강 프리폼의 성공적인 열간 가공을 위해서는 유동 응력의 비가 2.3보다 작아야 한다고 말한다. 도 10은 각 수준의 변형 속도에서, 합금 625의 밀도와 함께, AISI 8620 강의 평균 유동 응력에 대한 합금 625의 평균 유동 응력의 비의 4, 8 및 12/초의 3개의 상이한 변형 속도에서의 변화를 도시한다. 성공적인 압출을 위한 한계 비인 2.3이 또한 비교를 위해 수평방향의 검은 선으로 도 10에 도시된다. 두 금속으로 이루어지는 프리폼이 이 선 위에서 성공적으로 열간 가공될 수 있을 것 같지는 않다. 이 그래프는 HIP 처리 동안 합금 625의 최종 밀도를 조정함으로써 유동 응력의 비가 2.3 아래로 크게 낮아질 수 있다는 것을 명백하게 나타낸다. 또한 유동 응력의 비에 대한 변형 속도의 영향이 최소인 것을 알만한 가치가 있다. 4 내지 12/초의 변형 속도에서, 밀도가 전밀도의 92% 이하인 합금 625 층이 본 발명에 따른 처리에 적합할 것이다.

도 11은 프리폼의 구성요소의 바람직한 다공률을 결정하기 위한 본 발명의 방법의 단계의 순서도를 예시한다. 처음에, 빌릿 구성요소가 단계 60에 따라서 선택되고, 바람직한 유동 응력 값이 구성요소에 기초하여 결정된다. 예를 들어, 슬리브(케이스) 및 코어 및 만약 있다면 추가 층을 위한 재료가 전형적으로 구조적 특성, 내부식성 및 내마모성과 가격을 비롯한 요인들에 따라서 선택될 것이다. 제품의 최종 용도에 따라서 다른 요인들이 중요할 수 있다. 그 후, 단계 62에 따라서, 완전 치밀 상태 - 이것은 애스-캐스트(as-cast) 또는 단조 상태임 - 에 있는 제안된 구성요소에 대해서, 또는 단련 연강과 같이 주조 또는 단조 상태에 있는 본 발명의 실시에 사용하기 위해 제안된 구성요소를 비롯하여 전밀도로 압밀된 PM 재료에 대해서, 유동 응력 값이 결정된다. 다성분 빌릿의 구성요소 모두 또는 대부분이 원한다면 분말로부터 준비될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 만약 이들 유동 응력의 비가 아마 2.3만큼 높을 대략 2.0보다 크기 않다면, 단계 64에 따라서, 종래의 공-압출 또는 다른 종래의 소성 변형 기술이 사용될 수 있거나, 또는 본 발명의 방법이 원하는 대로 실시될 수 있다. 만약 완전 치밀 고형물 구성요소의 유동 응력의 비가 2.0 초과 내지 약 2.3이면, 단계 66에 따라서, 다양한 유동 응력 값이 분말 야금으로부터 준비될 구성요소의 다공률과 상호 관련될 것이다. 다공률이 단계 68에 따라서 상호 관련으로부터 확인된 적합한 유동 응력에 기초하여 결정되며, 온도, 압력 및 시간의 조건이 단계 70에 따라서 사전선택된 다공률에 도달하도록 선택된다. 이들 조건은 열간 등압 압축, 소결이 뒤따르는 냉간 등압 압축 또는 다른 기술에 의해 충족될 수 있다. 그 후, 복합 빌릿이 단계 72에 따라서 이 정보에 기초하여, 그리고 도 12a 및 도 12b와 관련하여 또는 다른 곳에서 설명되는 바와 같이 조립 및 준비될 수 있다.

도 12a는 분말로부터의 적어도 하나의 구성요소 및 고형물 금속으로부터의 하나의 구성요소를 갖는 복합 다성분 중공형 프리폼을 형성 및 압출하기 위한 본 발명의 방법의 단계의 순서도이며, 여기서 분말 구성요소는 프리폼 안에 조립될 때까지 압밀되지 않는다. 2성분 중공형 빌릿의 도 12a가 관련되는 도 1의 도시 내용은 배타적인 것으로 의도되지 않으며, 반대로 본 발명의 실시에 유용한 매우 다양한 잠재적인 형태 및 재료를 나타낸다는 것을 이해하여야 한다. 도 11에 따라서 결정된 정보를 이용하여, 전술한 바와 같이 그리고 도 12b와 관련하여 도시된 바와 같이, 분말 구성요소는 사전-압밀되고, 그 다음에 원한다면 빌릿 내로 조립되며, 층을 용융 접합하도록 처리될 수 있다.

도 12a는 예를 들어 압출용 빌릿에 적합한 사전결정된 치수의 단련 강을 비롯하여 고형물 구성요소를 캡슐화하는 초기 단계를 단계 76으로 도시한다. 캡슐은 분말 구성요소가 채워질 환형 공간을 제공한다(단계 78). 캡슐은 분말 패킹 밀도를 최대화하기 위해 채움 동안 진동되며(단계 80), 그 다음에 도 6과 관련하여 전술한 바와 같이 배기, 베이크-아웃 및 밀봉된다(단계 82). 구성요소를 확산 접합하기 위해 그리고 공-압출 또는 다른 처리를 위해 구성요소가 적합한 밀도가 되게 하기 위해, 캡슐은 열간 등압 압축되거나 그렇지 않으면 다르게 온도, 압력 및 시간의 조건에 처해진다(단계 84). 전형적으로, 분말 구성요소는 전밀도보다 약간 낮은 정도까지 압밀될 것이다. 조립 및 열간 등압 압축된 빌릿은 그 다음에 주위 온도까지 냉각되고, 그 후 압출 온도까지 재가열되며(단계 88), 압출된다(단계 90).

종래의 전기, 오일 또는 가스 노 또는 유도 가열이 빌릿을 재가열하기 위해 사용될 수 있다. 확산 접합된 표면의 경계면의 금속간 화합물을 분해하기 위해, 재가열된 빌릿을 소정 시간 동안 고온에 유지하는 것 - 때때로 빌릿을 "소킹(soaking)"하는 것으로 불림 - 과 같은 추가의 단계가 전형적으로 포함될 수 있다. 인코넬 625 합금 및 단련 강의 경우, 소킹 온도는 전형적으로 1.5시간 내지 4시간 사이에서 변동하는 빌릿의 직경에 적합한 시간 동안 약 900 내지 1200℃일 것이다.

도 12b는 빌릿 구성요소를 개별적으로 준비하고, 적어도 하나의 구성요소가 부분 압축된 이들 구성요소를 조립하는 단계를 예시하는 순서도이다. 단계 77에 따라서, 제 1 구성요소가 단련, 주조 또는 분말로부터 준비된다. 제 2 구성요소가 분말로부터 준비되고, 목표 다공률에 맞추어 열, 압력 및 온도에 처해진다(단계 79). 원한다면, 제 2 구성요소는 목표 다공률보다 낮게 처리될 수 있다. 캡슐이 제 2 구성요소로부터 제거된다. 다음, 제 1 및 제 2 구성요소, 또는 만약 2개 층보다 많은 층의 다성분 빌릿 조립체가 의도된다면 추가의 구성요소가 포개져 함께 끼워진다(단계 80). 이 단계에서, 원한다면, 빌릿 조립체는 선택적으로 캡슐화될 수 있고, 구성요소들 사이의 공간이 배기될 수 있다(단계 83). 빌릿 조립체는 또한 원한다면 목표 밀도에 도달하고 구성요소를 확산접합하도록, 또는 이전에 얻어진 목표 밀도를 유지하고 구성요소를 확산접합하도록 처리될 수 있으며, 실온으로의 냉각이 이어진다(단계 85). 그 후, 빌릿 조립체는 압출 온도까지 가열되고, 압출되거나 그렇지 않으면 다르게 소성 변형에 처해진다.

도 12a와 관련하여 기술된 조립, 압밀 및 분말로부터의 빌릿의 압출이 도 13과 관련하여 개략적으로 도시되어 있다. 조립은 단련 또는 주조 강 블랭크(blank)(92)나, 계획된 빌릿에 적합한 사전결정된 치수의 다른 고형물 완전 치밀 금속 형태부터 시작할 수 있다. 대안적으로, 조립은 분말 강 또는 다른 금속 및 캡슐 조립체(94)부터 시작할 수 있으며, 캡슐(93)은 분말 금속(95)을 최대 패킹 밀도로 수용한다. 분말 강 조립체는, 그 경우에 고형물 블랭크(92)를 갖는 완전 치밀 고형물을 비롯하여 사전결정된 다공률을 갖는 고형물(96)이 되도록 열간 등압 압축되거나 그렇지 않으면 다르게 압력, 온도 및 시간의 조건에서 처리된다. 블랭크(96)로부터 캡슐은 전형적으로 기계 가공 또는 피클링에 의해 본 발명의 빌릿을 조립하는 것에 착수하기 전에 제거될 것이다.

일반적으로 도면부호 98로 지시된 조립체에 캡슐(97)이 제공되고, 이것은 분말 - 이 경우에 내부식성 합금(corrosion resistant alloy, "CRA") 분말(99)임 - 을 위한 환형 공간을 형성하며, 도 6과 관련하여 전술된 방식으로 빌릿(98)이 조립된다. 분말을 단련 또는 이전에 압밀된 층에 확산 접합하기 위해 그리고 CRA 분말의 필요한 다공률을 제공하기 위해, 조립된 빌릿은 열간 등압 압축되거나, 그렇지 않으면 다르게 압력, 온도 및 시간의 조건 하에서 처리된다(도면부호 100). 열간 등압 압축된 빌릿은 그 다음에 재가열 및 소킹되고(도면부호 102), 전형적으로 윤활이 적용되어 압출된다(도면부호 104). 압출 또는 다른 열간 가공 소성 변형 공정은 층이 변형되기 때문에 층에 전밀도를 형성하며, 도 13은 압출 오리피스를 통과할 때 부분 치밀 층(103)이 완전 치밀로 되는 것을 나타낸다. 도 13의 도시에서, 압출은 압출 오리피스(110)을 통과하는 지지 맨드릴(108) 상의 중공형 2성분 빌릿(102)의 램(ram)(106)에 의해 클래드 파이프(104)를 형성하는 직접 압출이다.

그러나, 직접 압출은 다양한 형상을 만들기 위해 본 발명과 관련하여 사용될 수 있는 소성 변형을 위한 매우 다양한 기술의 일 예이다. 본 발명의 실시에 유용한 소성 변형을 위한 공정들 중 일부는 필거 밀링(Pilger milling)과 직접 및 간접 압출을 포함한다. 비록 반드시 동등 결과를 나타내는 것은 아니지만, 인발, 만네스만 밀링(Mannesmann milling) 및 몇몇 다른 것이 또한 적합할 것이다.

소성 변형은 장력, 압축력, 전단, 굽힘 또는 비틀림을 비롯하여 가해진 힘 또는 응력으로 인해 물체의 형상 또는 크기의 비가역적 변화로 규정될 수 있다. 만약 재료가 응력 파손된다면, 그것의 소성 변형 한계가 초과된 것이다. 슬리브 또는 코어의 파손이나 비균일 또는 불균형 유동으로 인해 실패로서 기술되는 클래드 이음매 없는 파이프를 형성하는데 있어서의 문제 중 하나가 또한 가해진 변형에 대해 너무 철저히 다른 반응을 갖는 구성요소의 견지에서 이해될 수 있다. 전형적으로, 하나의 구성요소에 대한 소성 변형의 한계는 나머지 구성요소에 대한 소성 변형의 한계 이전에 초과된다. 본 발명은 실패하지 않는 제품을 제공하도록 성공적으로 소성 변형될 수 있는 빌릿을 제공한다.

도 14는 순서도 도 12b에 대응하는 도 13의 단계에 대한 대안의 개략도이며, 여기서 분말 구성요소는 다른 구성요소와 접촉하기 전에 부분 압축된다. 도 13의 경우에서와 같이, 조립은 단련 또는 주조 강 블랭크(92) 또는 다른 치밀 금속이나, 분말로 되어 있고 적어도 부분 압축된 블랭크(95)부터 시작될 수 있다. 그러나, 도 14에서, 내부식성 합금 또는 다른 합금 분말(112)이 캡슐화되고 조립체와 독립적으로 압축되어 블랭크(114)를 형성한다. 이 블랭크(114)는 빌릿(116) 내에 포개지는 것에 의한 조립 전에 내부 및 외부 표면 상에 기계 가공될 필요가 있을 수 있다. 빌릿(114)은 그 다음에 층을 확산 접합하기 위해 그리고 분말 층에 관한 목표 밀도에 도달하기 위해 선택적으로 열간 등압 압축되거나, 그렇지 않으면 다르게 압력, 온도 및 시간의 조건 하에서 처리된다. 최초로 HIP 또는 다른 처리에 처해졌을 때 분말 층이 이미 목표 밀도에 도달했을 수 있음을 이해하여야 한다. 이 경우, 빌릿을 캡슐화하여 구성요소 사이의 경계면을 배기하고 그 다음에 가열, 소킹 및 압출 - 이것은 구성요소를 접합시킬 것이다 - 에 착수하는 것이 바람직할 수 있다. 원한다면, 도면부호 116에서 접합이 일어날 수 있으며, 다공률을 유지하면서 확산 접합을 제공하도록 조건이 도면부호 116에서 관리된다. 재가열, 소킹 및 압출은 도 13에서와 동일하다.

비록 반드시 동등한 결과를 나타내지는 않지만, 최종 제품에서 요구되는 특성에 따라서 본 발명의 원리가 다양한 금속, 세라믹 및 열가소성 구성요소에 적용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 본 발명의 실시와 관련하여 그리고 클래드 파이프 또는 배관을 제조하기 위해 만들어진 프리폼은 보통 복합 다성분 중공형 또는 중실형 원통형상 블록으로서 기술될 수 있으며, 전형적으로 여러 금속 합금의 2개의 동심형 층으로 제조된 2성분 블럭이다. 다성분 구조에서, 야금 접합 또는 특정 기계적 특성을 향상시키기 위해 여러 합금 또는 다른 재료의 추가의 동심형 층이 포함될 수 있다. 이들 추가 층은 "중간층"으로 불릴 수 있으며, 전형적으로 슬리브와 코어의 사이에 배치된다. 다수의 층이 도 5와 관련하여 설명된 바와 같이 선택되는 다성분 구조가 또한 포함되는 것으로 의도된다.

본 발명은 현재 클래드 파이프를 제조하기에 적합한 재료 조합에 상당한 확대를 제공한다. 본 명세서에 설명된 본 발명은 복합 빌릿의 PM 구성요소들 중 적어도 하나의 다공성을 조정함으로써 구성요소의 범위를 확대한다. 본 발명은 바람직한 실시예를 구체적으로 참조하여 기술되었다. 그러나, 위의 명세서에 기재되고 첨부된 청구의 범위에 규정된 본 발명의 범위 및 사상 내에서 변형이 이루어질 수 있다.

Claims

금속간 접합된 적어도 제 1 및 제 2 구성요소를 갖는 다성분 클래드 빌릿(clad billet)에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 구성요소는 소성 변형에 응답하여 각각 제 1 및 제 2 유동 응력을 나타내며,
상기 제 1 및 제 2 구성요소 중 적어도 하나는 0보다 큰 세공 용적(pore volume)을 갖고, 상기 세공 용적은 나머지 구성요소의 유동 응력과 정합하는 대응 유동 응력을 제공하도록 사전결정된
클래드 빌릿.
제 1 항에 있어서,
상기 빌릿은 중공형 2성분 빌릿이고, 상기 제 1 구성요소는 완전 치밀(fully dense) 탄소강이며, 제 2 구성요소는 전밀도(full density)의 92%의 밀도 이하로 부분적으로 압밀된 니켈계 합금 분말인
클래드 빌릿.
제 2 항에 있어서,
상기 밀도는 전밀도의 약 83 내지 92%의 범위인
클래드 빌릿.
제 1 항에 있어서,
상기 세공 용적은 구형 분말에 대한 이론상 전밀도의 약 62 내지 72% 이상인
클래드 빌릿.
제 1 항에 있어서,
상기 빌릿은 열간 등압 압축된 빌릿이고, 상기 세공 용적은 시간, 온도 및 압력의 열간 등압 압축 조건에 의해 결정되는
클래드 빌릿.
제 1 항에 있어서,
상기 세공 용적, 밀집도 및 상기 구성요소 내에서의 분포는 상기 제 1 및 제 2 구성요소의 사이에 정합하는 유동 응력을 제공하는
클래드 빌릿.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 구성요소의 상기 유동 응력의 비는 약 2.0 이하인
클래드 빌릿.
제 1 항에 있어서,
상기 소성 변형은 열간 가공인
클래드 빌릿.
제 1 항에 있어서,
상기 소성 변형은 인발, 직접 압출, 간접 압출, 필거 밀링(Pilger milling) 및 만네스만 롤링(Mannesmann rolling)으로 이루어진 군으로부터 선택된 튜브 제조 공정인
클래드 빌릿.
제 1 항에 있어서,
상기 빌릿은 클래드 파이프 또는 배관용 프리폼(preform)인
클래드 빌릿.
제 1 항에 있어서,
상기 빌릿은 외부 클래드, 내부 클래드 또는 블랭크(blank)의 양측 상의 클래드이고, 상기 세공 용적이 0보다 큰 상기 구성요소는 상기 클래드를 제공하며, 상기 구성요소 중 나머지는 상기 블랭크를 제공하는
클래드 빌릿.
제 1 항에 있어서,
상기 세공 용적이 0보다 큰 상기 구성요소는 내부식성, 내마모성, 강도, 전기적 특성, 열 특성 및 이것의 조합을 나타내는 구성요소로 이루어진 군으로부터 선택된
클래드 빌릿.
제 1 항에 있어서,
상기 세공 용적이 0보다 큰 상기 구성요소는 니켈계 합금이고, 상기 나머지 구성요소는 강 합금인
클래드 빌릿.
제 1 항에 있어서,
상기 클래드 빌릿은 두 금속으로 이루어지는
클래드 빌릿.
내마모성 또는 내부식성 분말 야금 합금 구성요소에 접합된 구조적 구성요소를 갖는 클래드 빌릿에 있어서,
상기 분말 야금 합금 구성요소는 상기 구조적 구성요소의 유동 응력과 충분히 유사한 소성 변형에 대한 유동 응력 응답을 제공하여 소성 변형 후 상기 접합을 유지하도록 상호 관련된 0보다 큰 사전결정된 세공 용적을 갖는
클래드 빌릿.
소성 변형을 위한 클래드 빌릿을 제조하는 방법에 있어서,
a) 제 1 빌릿 구성요소를 제공하는 단계와;
b) 상기 제 1 빌릿 구성요소에 인접하게 제 2 빌릿 구성요소를 제공하는 단계와;
c) 상기 빌릿 구성요소 중 하나의 다공도를 사전결정된 값으로 조정하는 단계로서, 상기 사전결정된 값은 소성 변형에 응답하여 나머지 구성요소의 유동 응력과 정합하는 유동 응력을 제공하도록 상호 관련된, 상기 조정 단계와;
d) 상기 제 1 및 제 2 구성요소의 사이에 접합부를 형성하는 단계를 포함하는
클래드 빌릿을 제조하는 방법.
제 16 항에 있어서,
상기 제 1 빌릿 구성요소를 제공하는 단계는, 소성 변형에 응답하여 사전결정된 치수 및 유동 응력의 단련 탄소강 블랭크를 제공하는 단계를 포함하는
클래드 빌릿을 제조하는 방법.
제 16 항에 있어서,
상기 제 1 빌릿 구성요소에 인접하게 제 2 빌릿 구성요소를 제공하는 단계는,
a) 상기 제 1 빌릿에 캡슐을 용접하여 환형 캐비티를 형성하는 단계와;
b) 내부식성 또는 내마모성 합금 분말로 상기 환형 캐비티를 채우는 단계와;
c) 상기 캐비티를 채우는 동안 상기 합금 분말을 진동시키는 단계와;
d) 상기 캡슐을 배기, 베이킹(baking) 및 밀봉하는 단계를 포함하는
클래드 빌릿을 제조하는 방법.
제 18 항에 있어서,
상기 빌릿 구성요소 중 하나의 다공도를 조정하는 단계와 상기 빌릿 구성요소의 사이에 접합부를 형성하는 단계는, 상기 캡슐을 사전결정된 온도 및 압력의 조건에서 사전결정된 시간 동안 열간 등압 압축하여 상기 접합부를 형성하고 사전결정된 다공도를 형성하는 것을 포함하는
클래드 빌릿을 제조하는 방법.
제 19 항에 있어서,
상기 빌릿 구성요소의 경계면에 형성된 금속간 요소를 분해하는 단계를 더 포함하는
클래드 빌릿을 제조하는 방법.
제 20 항에 있어서,
상기 금속간 요소를 분해하는 단계는, 상기 클래드 빌릿을 압출 온도까지 가열하고 상기 빌릿을 소킹(soaking)하는 것을 포함하는
클래드 빌릿을 제조하는 방법.
제 21 항에 있어서,
상기 빌릿에 윤활유를 바르고 사전결정된 압출비로 압출하는 단계를 더 포함하는
클래드 빌릿을 제조하는 방법.
제 16 항에 있어서,
상기 접합부의 완전함을 초음파 검사하는 단계를 더 포함하는
클래드 빌릿을 제조하는 방법.
클래드 파이프 또는 배관을 제조하는 방법에 있어서,
a) 단련 강(wrought steel) 블랭크를 제공하는 단계와;
b) 상기 블랭크에 캡슐을 용접하여 환형 캐비티를 형성하는 단계와;
c) 상기 환형 캐비티를 내부식성 또는 내마모성 합금 분말로 채우는 단계와;
d) 상기 캐비티를 채우는 동안 상기 합금 분말을 진동시키는 단계와;
e) 상기 캡슐을 배기, 베이킹 및 밀봉하는 단계와;
f) 강 블랭크 및 합금 분말의 캡슐화된 조립체를, 사전결정된 유동 응력과 상호 관련된 합금에 소정 다공도를 제공하고 상기 합금 분말을 상기 강 블랭크에 접합하도록 사전결정된 압력 및 온도에서 사전결정된 소정 시간 동안 열간 등압 압축("HIP")하는 단계와;
g) 상기 캡슐화된 조립체를 실온까지 냉각하고, 상기 캡슐로부터 상기 조립체를 제거하는 단계와;
h) 열간 등압 압축된 구성요소의 경계면으로부터 금속간 요소를 제거하는 단계와;
i) 상기 열간 등압 압축된 구성요소를 사전결정된 압출비로 압출하는 단계를 포함하는
클래드 파이프 또는 배관을 제조하는 방법.
제 24 항에 있어서,
상기 열간 등압 압축된 구성요소를 압출하는 단계는, 상기 구성요소를 가열하는 것을 포함하는
클래드 파이프 또는 배관을 제조하는 방법.