KR20150095613A - 티타늄 합금들을 프로세싱하기 위한 방법들 - Google Patents
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Abstract
티타늄 합금 워크피스의 입자 크기를 미세화하는 방법들은 워크피스를 베타 어닐링하는 단계, 베타 어닐링된 워크피스를 티타늄 합금의 베타 트랜서스 온도 아래 온도로 냉각시키는 단계, 및 워크피스를 고 변형 속도 다중-축 단조하는 단계를 포함한다. 고 변형 속도 다중-축 단조는 적어도 1의 총 변형률이 티타늄 합금 워크피스에서 달성될 때까지, 또는 적어도 1 및 3.5까지의 총 변형률이 티타늄 합금 워크피스에서 달성될 때까지 이용된다. 워크피스의 티타늄 합금은 알파 상 침전 및 성장 속도론을 감소시키는데 효과적인 입자 피닝 합금 첨가물들 및 베타 안정화 함유물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
Description
연방 지원 연구 또는 개발에 관한 성명
본 발명은 미국 상무부, 미국 국립 표준 기술 연구소(NIST)에 의해 부여된, NIST 계약 번호 70NANB7H7038 하에서 미국 정부 지원으로 이루어졌다. 미국 정부는 본 발명에서의 특정한 권한들을 가질 수 있다.
본 발명은 티타늄 합금들을 프로세싱하기 위한 방법들에 관한 것이다.
조립자(CG; coarse grain), 미립자(FG; fine grain), 극미립자(VFG; very fine grain), 또는 초미립자(UFG; ultrafine grain) 미세구조를 가진 티타늄 및 티타늄 합금들을 생성하기 위한 방법들은 다수의 재열들(reheats) 및 단조(forging) 단계들의 사용을 수반한다. 단조 단계들은 개방 다이 프레스(open die press) 상에서의 드로우 단조(draw forging) 외에 하나 이상의 업셋 단조(upset forging) 단계들을 포함할 수 있다.
여기에 사용된 바와 같이, 티타늄 합금들의 미세구조를 나타낼 때: 용어 “조립자”는 400 ㎛에서 약 14 ㎛초과에 이르는 알파 입자 크기들을 나타내고; 용어 “미립자”는 14 ㎛에서 10 ㎛초과에 이르는 범위의 알파 입자 크기들을 나타내고; 용어 “극미립자”는 10 ㎛에서 4.0 ㎛초과에 이르는 알파 입자 크기들을 나타내며; 용어 “초미립자”는 4.0 ㎛이하의 알파 입자 크기들을 나타낸다.
조립자 또는 미립자 미세구조들을 생성하기 위해 티타늄 및 티타늄 합금들을 단조하는 공지된 상업적인 방법들은 다수의 재열들 및 단조 단계들을 사용하여 0.03 s-1 내지 0.10 s-1의 변형 속도들을 이용한다.
미립자, 극미립자, 또는 초미립자 미세구조들의 제조를 위해 의도된 공지된 방법들은 0.001 s-1 이하의 초저속 변형 속도(예를 들면, G. Salishchev 외, 재료 과학 포럼( Materials Science Forum ), Vol. 584-586, pp. 783-788 (2008) 참조)에서 다중-축 단조(multi-axis forging; MAF) 프로세스를 적용한다. 일반적인 MAF 프로세스는, 예를 들면, C. Desrayaud 외, 재료 프로세싱 기술의 저널( Journal of Materials Processing Technology ), 172, pp. 152-156 (2006)에 설명된다.
초저속 변형 속도 MAF 프로세스에서의 입자 미세화에 대한 핵심은 사용되는 초저속 변형 속도들, 즉, 0.001 s-1 이하의 결과인 동적 재결정화(dynamic recrystallization)의 체제에서 계속해서 동작하는 능력이다. 동적 재결정화 동안, 입자들은 전위들(dislocations)을 동시에 응집, 성장, 및 축적한다. 새롭게 응집된 입자들 내에서의 전위들의 생성은 입자 성장을 위한 추진력을 계속해서 감소시키며, 입자 핵생성(nucleation)은 강력히 우호적이다. 초저속 변형 속도 MAF 프로세스는 단조 프로세스 동안 입자들을 계속해서 재결정화하기 위해 동적 재결정화를 사용한다.
초미립자 Ti-6-4 합금(UNS R56400)의 비교적 균일한 입방체들은 초저속 변형 속도 MAF 프로세스를 사용하여 생성될 수 있지만, MAF 단계들을 수행하기 위해 걸리는 누적 시간은 상업적 설정에서 과도할 수 있다. 또한, 종래의 대규모, 상업적으로 이용 가능한 개방 다이 프레스 단조 장비는 이러한 실시예들에서 요구되는 초저속 변형 속도들을 달성하기 위한 능력을 갖지 않을 수 있으며, 그래서, 맞춤 단조 장비가 생산-규모 초저속 변형 속도 MAF를 수행하기 위해 요구될 수 있다.
따라서, 다수의 재열들을 요구하지 않으며, 보다 높은 변형 속도들을 수용하고, 프로세싱을 위해 필요한 시간을 감소시키며, 및/또는 맞춤 단조 장비를 위한 요구를 제거하는 조립자, 미립자, 극미립자, 또는 초미립자 미세구조를 가진 티타늄 합금들을 생성하기 위한 프로세스를 개발하는 것이 바람직할 것이다.
상기 본 발명의 비-제한적인 측면에 따르면, 티타늄 합금을 포함하는 워크피스의 입자 크기를 미세화하는 방법은 상기 워크피스를 베타 어닐링하는 단계를 포함한다. 베타 어닐링 후, 상기 워크피스는 상기 티타늄 합금의 베타 트랜서스 온도 아래의 온도로 냉각된다. 상기 워크피스는 그 후 다중-축 단조된다. 다중-축 단조는: 상기 워크피스의 내부 영역을 단열적으로 가열하기에 충분한 변형 속도를 갖고 상기 워크피스의 제 1 직교 축의 방향으로 워크피스 단조 온도 범위 내 워크피스 단조 온도에서 상기 워크피스를 프레스 단조하는 단계; 상기 워크피스의 상기 내부 영역을 단열적으로 가열하기에 충분한 변형 속도를 갖고 상기 워크피스의 제 2 직교 축의 방향으로 상기 워크피스 단조 온도 범위 내 워크피스 단조 온도에서 상기 워크피스를 프레스 단조하는 단계; 및 상기 워크피스의 상기 내부 영역을 단열적으로 가열하기에 충분한 변형 속도를 갖고 상기 워크피스의 제 3 직교 축의 방향으로 상기 워크피스 단조 온도 범위 내 워크피스 단조 온도에서 상기 워크피스를 프레스 단조하는 단계를 포함한다. 선택적으로, 연속적인 프로세스 단조 단계들에 대해 중간에, 상기 워크피스의 단열적으로 상기 가열된 내부 영역은 상기 워크피스 단조 온도 범위 내 상기 워크피스 단조 온도에서 또는 그 가까이에서의 온도로 냉각하도록 허용되며, 상기 워크피스의 외부 표면 영역은 상기 워크피스 단조 온도 범위 내 상기 워크피스 단조 온도에서 또는 그 가까이에서의 온도로 가열된다. 상기 프레스 단조하는 단계들 중 적어도 하나는 적어도 1.0의 총 변형률이 적어도 상기 워크피스의 영역에서 달성될 때까지 반복된다. 다른 비-제한적인 실시예에서, 상기 프레스 단조하는 단계들 중 적어도 하나는 적어도 1.0에서 3.5 미만까지의 총 변형률이 적어도 상기 워크피스의 영역에서 달성될 때까지 반복된다. 비-제한적인 실시예에서, 프레스 단조 동안 사용되는 변형 속도는 0.2 s-1 내지 0.8 s-1의 범위에 있다.
본 발명의 다른 비-제한적인 측면에 따르면, 티타늄 합금을 포함하는 워크피스의 입자 크기를 미세화하는 방법의 비-제한적인 실시예는 상기 워크피스를 베타 어닐링하는 것을 포함한다. 베타 어닐링 후, 상기 워크피스는 상기 티타늄 합금의 베타 트랜서스 온도 아래의 온도로 냉각된다. 상기 워크피스는 그 후 다음의 단조 단계들을 포함하는 시퀀스를 사용하여 다중-축 단조된다.
상기 워크피스는 상기 워크피스의 내부 영역을 단열적으로 가열하기에 충분한 변형 속도를 갖고 주요 감소 스페이서 높이로 상기 워크피스의 제 1 직교 A-축의 방향으로 워크피스 단조 온도 범위 내 워크피스 단조 온도에서 프레스 단조된다. 여기에 사용되는 바와 같이, 주요 감소 스페이서 높이는 상기 워크피스의 각각의 직교 축에 대해 요구되는 최종 단조 치수와 같은 거리이다.
상기 워크피스는 제 1 블로킹 감소 스페이서 높이로의 제 1 블로킹 감소에서 상기 워크피스의 제 2 직교 B-축의 방향으로 상기 워크피스 단조 온도 범위 내 상기 워크피스 단조 온도에서 프레스 단조된다. 상기 제 1 블로킹 감소는 상기 워크피스를 실질적으로 상기 워크피스의 사전-단조 형태로 되돌리기 위해 적용된다. 상기 제 1 블로킹 감소의 상기 변형 속도는 상기 워크피스의 내부 영역을 단열적으로 가열하기에 충분할 수 있지만, 비-제한적인 실시예에서, 상기 제 1 블로킹 감소 동안 단열 가열은 상기 제 1 블로킹 감소에서 발생된 총 변형률이 상기 워크피스를 상당히 단열적으로 가열하기에 충분하지 않을 수 있기 때문에 발생하지 않을 수 있다. 상기 제 1 블로킹 감소 스페이서 높이는 상기 주요 감소 스페이서 높이보다 더 크다.
상기 워크피스는 제 2 블로킹 감소 스페이서 높이로의 제 2 블로킹 감소에서 상기 워크피스의 제 3 직교 C-축의 방향으로 상기 워크피스 단조 온도 범위 내 상기 워크피스 단조 온도에서 프레스 단조된다. 상기 제 2 블로킹 감소는 상기 워크피스를 실질적으로 상기 워크피스의 상기 사전-단조 형태로 되돌리기 위해 적용된다. 상기 제 2 블로킹 감소의 상기 변형 속도는 상기 워크피스의 내부 영역을 단열적으로 가열하기에 충분할 수 있지만, 비-제한적인 실시예에서, 상기 제 2 블로킹 감소 동안 단열 가열은 상기 제 2 블로킹 감소에서 발생된 상기 총 변형률이 상기 워크피스를 상당히 단열적으로 가열하기에 충분하지 않을 수 있기 때문에 발생하지 않을 수 있다. 상기 제 2 블로킹 감소 스페이서 높이는 상기 주요 감소 스페이서 높이보다 더 크다.
상기 워크피스는 상기 워크피스의 내부 영역을 단열적으로 가열하기에 충분한 변형 속도를 갖고 상기 주요 감소 스페이서 높이로 상기 워크피스의 제 2 직교 B-축의 방향으로 상기 워크피스 단조 온도 범위에서의 워크피스 단조 온도에서 프레스 단조된다.
상기 워크피스는 상기 제 1 블로킹 감소 스페이서 높이로의 제 1 블로킹 감소에서 상기 워크피스의 제 3 직교 C-축의 방향으로 상기 워크피스 단조 온도 범위에서의 상기 워크피스 단조 온도에서 프레스 단조된다. 상기 제 1 블로킹 감소는 상기 워크피스를 실질적으로 상기 워크피스의 상기 사전-단조 형태로 되돌리기 위해 적용된다. 상기 제 1 블로킹 감소의 상기 변형 속도는 상기 워크피스의 내부 영역을 단열적으로 가열하기에 충분할 수 있지만, 비-제한적인 실시예에서, 상기 제 1 블로킹 감소 동안 단열 가열은 상기 제 1 블로킹 감소에서 발생된 상기 총 변형률이 상기 워크피스를 상당히 단열적으로 가열하기에 충분하지 않을 수 있기 때문에 발생하지 않을 수 있다. 상기 제 1 블로킹 감소 스페이서 높이는 상기 주요 감소 스페이서 높이보다 더 크다.
상기 워크피스는 상기 제 2 블로킹 감소 스페이서 높이로의 제 2 블로킹 감소에서 상기 워크피스의 제 1 직교 A-축의 방향으로 상기 워크피스 단조 온도 범위 내 상기 워크피스 단조 온도에서 프레스 단조된다. 상기 제 2 블로킹 감소는 상기 워크피스를 실질적으로 상기 워크피스의 상기 사전-단조 형태로 되돌리기 위해 적용된다. 상기 제 2 블로킹 감소의 상기 변형 속도는 상기 워크피스의 내부 영역을 단열적으로 가열하기에 충분할 수 있지만, 비-제한적인 실시예에서, 상기 제 2 블로킹 감소 동안 단열 가열은 상기 제 2 블로킹 감소에서 발생된 상기 총 변형률이 상기 워크피스를 상당히 단열적으로 가열하기에 충분하지 않을 수 있기 때문에 발생하지 않을 수 있다. 상기 제 2 블로킹 감소 스페이서 높이는 상기 주요 감소 스페이서 높이보다 더 크다.
상기 워크피스는 상기 워크피스의 내부 영역을 단열적으로 가열하기에 충분한 변형 속도를 갖고 상기 주요 감소 스페이서 높이로의 주요 감소에서 상기 워크피스의 제 3 직교 C-축의 방향으로 상기 워크피스 단조 온도 범위 내 상기 워크피스 단조 온도로 프레스 단조된다.
상기 워크피스는 상기 제 1 블로킹 감소 스페이서 높이로의 제 1 블로킹 감소에서 상기 워크피스의 상기 제 1 직교 A-축의 방향으로 상기 워크피스 단조 온도 범위 내 상기 워크피스 단조 온도에서 프레스 단조된다. 상기 제 1 블로킹 감소는 상기 워크피스를 실질적으로 상기 워크피스의 상기 사전-단조 형태로 되돌리기 위해 적용된다. 상기 제 1 블로킹 감소의 상기 변형 속도는 상기 워크피스의 내부 영역을 단열적으로 가열하기에 충분할 수 있지만, 비-제한적인 실시예에서, 상기 제 1 블로킹 감소 동안 단열 가열은 상기 제 1 블로킹 감소에서 발생된 상기 총 변형률이 상기 워크피스를 상당히 단열적으로 가열하기에 충분하지 않을 수 있기 때문에 발생하지 않을 수 있다. 상기 제 1 블로킹 감소 스페이서 높이는 상기 주요 감소 스페이서 높이보다 더 크다.
상기 워크피스는 상기 제 2 블로킹 감소 스페이서 높이로의 제 2 블로킹 감소에서 상기 워크피스의 상기 제 2 직교 B-축의 방향으로 상기 워크피스 단조 온도 범위에서의 상기 워크피스 단조 온도에서 프레스 단조된다. 상기 제 2 블로킹 감소는 상기 워크피스를 실질적으로 상기 워크피스의 상기 사전-단조 형태로 되돌리기 위해 적용된다. 상기 제 2 블로킹 감소의 상기 변형 속도는 상기 워크피스의 내부 영역을 단열적으로 가열하기에 충분할 수 있지만, 비-제한적인 실시예에서, 상기 제 2 블로킹 감소 동안 단열 가열은 상기 제 2 블로킹 감소에서 발생된 상기 총 변형률이 상기 워크피스를 상당히 단열적으로 가열하기에 충분하지 않을 수 있기 때문에 발생하지 않을 수 있다. 상기 제 2 블로킹 감소 스페이서 높이는 상기 주요 감소 스페이서 높이보다 더 크다.
선택적으로, 앞서 말한 방법 실시예의 연속적인 프레스 단조하는 단계들의 중간에, 상기 워크피스의 상기 단열적으로 가열된 내부 영역은 대략 상기 워크피스 단조 온도 범위 내 상기 워크피스 단조 온도로 냉각하도록 허용되며, 상기 워크피스의 상기 외부 표면 영역은 대략 상기 워크피스 단조 온도 범위 내 상기 워크피스 단조 온도로 가열된다. 상기 방법 실시예의 앞서 말한 프레스 단조하는 단계들 중 적어도 하나는 적어도 1.0의 총 변형률이 적어도 상기 워크피스의 영역에서 달성될 때까지 반복된다. 상기 방법의 비-제한적인 실시예에서, 상기 프레스 단조하는 단계들 중 적어도 하나는 적어도 1.0 및 3.5 미만까지의 총 변형률이 적어도 상기 워크피스의 영역에서 달성될 때까지 반복된다. 비-제한적인 실시예에서, 프레스 단조 동안 사용되는 변형 속도는 0.2 s-1 내지 0.8 s-1의 범위에 있다.
여기에 설명되는 장치 및 방법들의 특징들 및 이점들은 첨부한 도면들에 대한 참조에 의해 보다 양호하게 이해될 수 있다.
도 1은 온도의 함수로서 Ti-6-4, Ti-6-2-4-6, 및 Ti-6-2-4-2 합금들에 존재하는 평형 알파 상의 부피 분율의 산출된 예측량을 그린 그래프이다.
도 2는 본 발명에 따른 티타늄 합금들을 프로세싱하기 위한 방법의 비-제한적인 실시예의 단계들을 나열한 흐름도이다.
도 3은 입자 크기들의 미세화를 위해 티타늄 합금들을 프로세싱하기 위한 열적 관리를 사용하는 고 변형 속도 다중-축 단조 방법의 비-제한적인 실시예의 측면들의 개략적인 표현이고, 도 2(a), 도 2(c), 및 도 2(e)는 비-제한적인 프레스 단조 단계들을 나타내며, 도 2(b), 도 2(d), 및 도 2(f)는 본 발명의 비-제한적인 측면들에 따른 선택적 비-제한적인 냉각 및 가열 단계들을 나타낸다.
도 4는 소규모 샘플들의 입자 크기를 미세화하기 위해 사용되도록 공지된 종래 기술의 저속 변형 속도 다중-축 단조 기술의 측면들의 개략적인 표현이다.
도 5는 워크피스의 최종 원하는 치수에 대한 주요 직교 감소들 및 제 1 및 제 2 블로킹 감소들을 포함하는 본 발명에 따른 티타늄 합금들을 프로세싱하기 위한 방법의 비-제한적인 실시예의 단계들을 나열한 흐름도이다.
도 6은 본 발명에 따른 고 변형 속도 다중-축 단조 방법의 비-제한적인 실시예에 대한 온도-시간 열기계적 프로세스 차트이다.
도 7은 본 발명에 따른 다중-온도 고 변형 속도 다중-축 단조 방법의 비-제한적인 실시예에 대한 온도-시간 열기계적 프로세스 차트이다.
도 8은 본 발명에 따른 스루(through) 베타 트랜서스 고 변형 속도 다중-축 단조 방법의 비-제한적인 실시예에 대한 온도-시간 열기계적 프로세스 차트이다.
도 9는 본 발명에 따른 입자 크기 미세화를 위한 다중 업셋 및 드로우 방법의 비-제한적인 실시예의 측면들의 개략적인 표현이다.
도 10은 본 발명에 따른 입자 크기를 미세화하기 위해 티타늄 합금들을 다중 업셋 및 드로우 프로세싱하기 위한 방법의 비-제한적인 실시예의 단계들을 나열한 흐름도이다.
도 11(a)는 상업적으로 단조되며 프로세싱된 Ti-6-2-4-2 합금의 미세구조의 현미경 사진이다.
도 11(b)는 본 발명의 예 1에 설명된 열적 관리된 고 변형 MAF 실시예에 의해 프로세싱된 Ti-6-2-4-2 합금의 미세구조의 현미경 사진이다.
도 12(a)는 상업적으로 단조되며 프로세싱된 Ti-6-2-4-6 합금의 미세구조를 도시한 현미경 사진이다.
도 12(b)는 본 발명의 예 2에 설명된 열적 관리된 고 변형 MAF 실시예에 의해 프로세싱된 Ti-6-2-4-6 합금의 미세구조의 현미경 사진이다.
도 13은 본 발명의 예 3에 설명된 열적 관리된 고 변형 MAF 실시예에 의해 프로세싱된 Ti-6-2-4-6 합금의 미세구조의 현미경 사진이다.
도 14는 각각의 축 상에서 동일한 변형률을 적용하는, 본 발명의 예 4에 설명된 열적 관리된 고 변형 MAF 실시예에 의해 프로세싱된 Ti-6-2-4-2 합금의 미세구조의 현미경 사진이다.
도 15는 본 발명의 예 5에 설명된, 열적 관리된 고 변형 MAF 실시예에 의해 프로세싱된 Ti-6-2-4-2 합금의 미세구조의 현미경 사진이며, 블로킹 감소들이 각각의 주요 감소 후 발생하는 워크피스의 벌징(bulging)을 최소화하기 위해 사용된다.
도 16(a)는 본 발명의 예 6에 설명된 스루 베타 트랜서스 MAF를 이용하는 열적 관리된 고 변형 MAF 실시예에 의해 프로세싱된 Ti-6-2-4-2 합금의 중심 영역의 미세구조의 현미경 사진이다.
도 16(b)는 본 발명의 예 6에 설명되는 스루 베타 트랜서스 MAF를 이용하는 열적 관리된 고 변형 MAF 실시예에 의해 프로세싱된 Ti-6-2-4-2 합금의 표면 영역의 미세구조의 현미경 사진이다.
본 발명에 따른 특정한 비-제한적인 실시예들의 다음의 상세한 설명을 고려할 때, 독자는 앞서 말한 세부사항들, 뿐만 아니라 다른 것들을 이해할 것이다.
도 1은 온도의 함수로서 Ti-6-4, Ti-6-2-4-6, 및 Ti-6-2-4-2 합금들에 존재하는 평형 알파 상의 부피 분율의 산출된 예측량을 그린 그래프이다.
도 2는 본 발명에 따른 티타늄 합금들을 프로세싱하기 위한 방법의 비-제한적인 실시예의 단계들을 나열한 흐름도이다.
도 3은 입자 크기들의 미세화를 위해 티타늄 합금들을 프로세싱하기 위한 열적 관리를 사용하는 고 변형 속도 다중-축 단조 방법의 비-제한적인 실시예의 측면들의 개략적인 표현이고, 도 2(a), 도 2(c), 및 도 2(e)는 비-제한적인 프레스 단조 단계들을 나타내며, 도 2(b), 도 2(d), 및 도 2(f)는 본 발명의 비-제한적인 측면들에 따른 선택적 비-제한적인 냉각 및 가열 단계들을 나타낸다.
도 4는 소규모 샘플들의 입자 크기를 미세화하기 위해 사용되도록 공지된 종래 기술의 저속 변형 속도 다중-축 단조 기술의 측면들의 개략적인 표현이다.
도 5는 워크피스의 최종 원하는 치수에 대한 주요 직교 감소들 및 제 1 및 제 2 블로킹 감소들을 포함하는 본 발명에 따른 티타늄 합금들을 프로세싱하기 위한 방법의 비-제한적인 실시예의 단계들을 나열한 흐름도이다.
도 6은 본 발명에 따른 고 변형 속도 다중-축 단조 방법의 비-제한적인 실시예에 대한 온도-시간 열기계적 프로세스 차트이다.
도 7은 본 발명에 따른 다중-온도 고 변형 속도 다중-축 단조 방법의 비-제한적인 실시예에 대한 온도-시간 열기계적 프로세스 차트이다.
도 8은 본 발명에 따른 스루(through) 베타 트랜서스 고 변형 속도 다중-축 단조 방법의 비-제한적인 실시예에 대한 온도-시간 열기계적 프로세스 차트이다.
도 9는 본 발명에 따른 입자 크기 미세화를 위한 다중 업셋 및 드로우 방법의 비-제한적인 실시예의 측면들의 개략적인 표현이다.
도 10은 본 발명에 따른 입자 크기를 미세화하기 위해 티타늄 합금들을 다중 업셋 및 드로우 프로세싱하기 위한 방법의 비-제한적인 실시예의 단계들을 나열한 흐름도이다.
도 11(a)는 상업적으로 단조되며 프로세싱된 Ti-6-2-4-2 합금의 미세구조의 현미경 사진이다.
도 11(b)는 본 발명의 예 1에 설명된 열적 관리된 고 변형 MAF 실시예에 의해 프로세싱된 Ti-6-2-4-2 합금의 미세구조의 현미경 사진이다.
도 12(a)는 상업적으로 단조되며 프로세싱된 Ti-6-2-4-6 합금의 미세구조를 도시한 현미경 사진이다.
도 12(b)는 본 발명의 예 2에 설명된 열적 관리된 고 변형 MAF 실시예에 의해 프로세싱된 Ti-6-2-4-6 합금의 미세구조의 현미경 사진이다.
도 13은 본 발명의 예 3에 설명된 열적 관리된 고 변형 MAF 실시예에 의해 프로세싱된 Ti-6-2-4-6 합금의 미세구조의 현미경 사진이다.
도 14는 각각의 축 상에서 동일한 변형률을 적용하는, 본 발명의 예 4에 설명된 열적 관리된 고 변형 MAF 실시예에 의해 프로세싱된 Ti-6-2-4-2 합금의 미세구조의 현미경 사진이다.
도 15는 본 발명의 예 5에 설명된, 열적 관리된 고 변형 MAF 실시예에 의해 프로세싱된 Ti-6-2-4-2 합금의 미세구조의 현미경 사진이며, 블로킹 감소들이 각각의 주요 감소 후 발생하는 워크피스의 벌징(bulging)을 최소화하기 위해 사용된다.
도 16(a)는 본 발명의 예 6에 설명된 스루 베타 트랜서스 MAF를 이용하는 열적 관리된 고 변형 MAF 실시예에 의해 프로세싱된 Ti-6-2-4-2 합금의 중심 영역의 미세구조의 현미경 사진이다.
도 16(b)는 본 발명의 예 6에 설명되는 스루 베타 트랜서스 MAF를 이용하는 열적 관리된 고 변형 MAF 실시예에 의해 프로세싱된 Ti-6-2-4-2 합금의 표면 영역의 미세구조의 현미경 사진이다.
본 발명에 따른 특정한 비-제한적인 실시예들의 다음의 상세한 설명을 고려할 때, 독자는 앞서 말한 세부사항들, 뿐만 아니라 다른 것들을 이해할 것이다.
동작 예들에서가 아닌 또는 그 외 표시된, 비-제한적인 실시예들의 본 설명에서, 수량들 또는 특성들을 표현하는 모든 숫자들은 용어 “약”에 의해 모든 인스턴스들에서 수정되는 것으로서 이해될 것이다. 따라서, 반대로 표시되지 않는다면, 다음의 설명에 제시된 임의의 수치 파라미터들은 본 발명에 따른 방법들에 의해 획득하고자 하는 원하는 속성들에 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 통상의 반올림 기술들을 적용함으로써 해석되어야 한다.
또한, 여기에 열거된 임의의 수치 범위는 그 안에 포함된 모든 하위-범위들을 포함하도록 의도된다. 예를 들면, “1 내지 10”의 범위는 1의 언급된 최소값 및 10의 언급된 최대값 사이(및 이를 포함하여)의 모든 부분-범위들을 포함하도록 의도되며, 즉 1 이상의 최소값 및 10 이하의 최대값을 갖는다. 여기에 언급된 임의의 최대 수치 한정은 그 안에 포함된 모든 하위 숫자 제한들을 포함하도록 의도되며 여기에 열거된 임의의 최소 숫자 한정은 그 안에 포함된 모든 상위 수치 제한들을 포함하도록 의도된다. 따라서, 출원인들은 여기에 명시적으로 언급된 범위들 내에 포함되는 임의의 부분-범위를 명시적으로 언급하도록 청구항들을 포함하여, 본 명세서를 보정하기 위한 권한을 보유한다. 모든 이러한 범위들은 임의의 이러한 부분-범위들을 명시적으로 언급하기 위해 보정하는 것이 35 U.S.C. § 112 제 1 단락, 및 35 U.S.C. § 132(a)의 요건들을 준수하도록, 본질적으로 여기에 개시되도록 의도된다.
여기에 사용된 바와 같이, 문법적 관사들 “하나의”, 단수표현(“a”, “an”), 및 상기(“the”)는 달리 표시되지 않는다면, “적어도 하나” 또는 “하나 이상의”를 포함하도록 의도된다. 따라서, 관사들은 관사의 문법적 대상들 중 하나 또는 하나보다 많은(즉, 적어도 하나)을 나타내기 위해 사용된다. 예로서, “구성요소”는 하나 이상의 구성요소들을 의미하며, 따라서, 가능하게는, 하나보다 많은 구성요소가 고려되며 설명된 실시예들의 구현에 이용되거나 또는 사용될 수 있다.
본 명세서는 다양한 실시예들의 설명들을 포함한다. 여기에 설명되는 모든 실시예들은 대표적이고, 예시적이며, 비-제한적이라는 것이 이해될 것이다. 따라서, 본 발명은 다양한 대표적, 예시적, 및 비-제한적인 실시예들의 설명에 의해 제한되지 않는다. 오히려, 본 발명은 단지 청구항들에 의해 정의되며, 이것은 본 발명에 명확하게 또는 본질적으로 설명되거나 또는 그 외 본 발명에 의해 명확하게 또는 본질적으로 지원되는 임의의 특징들을 나열하기 위해 보정될 수 있다.
여기에 참조로서 통합되는 것으로 말하여지는, 임의의 특허, 공개, 또는 다른 개시 자료는, 전체적으로 또는 부분적으로, 통합된 자료가 기존의 정의들, 서술들, 또는 본 발명에 제시된 다른 개시 자료와 상충되지 않는 정도로만 여기에 통합된다. 이와 같이, 및 필요한 정도로, 여기에 제시된 바와 같은 발명은 참조로서 여기에 통합된 임의의 상충되는 자료를 대신한다. 여기에 참조로서 통합되는 것으로 말하여지며, 기존의 정의들, 서술들, 또는 여기에 제시된 다른 개시 자료와 상충되는, 임의의 자료, 또는 그것의 부분은 단지 상기 통합된 자료 및 기존의 개시 자료 사이에서 어떤 상충도 일어나지 않는 정도로만 통합된다.
본 발명의 측면은 입자 크기를 미세화하기 위해 단조 단계들 동안 높은 변형 속도들의 적용을 포함하는 티타늄 합금들에 대한 다중-축 단조 프로세스의 비-제한적인 실시예들에 관한 것이다. 이들 방법 실시예들은 일반적으로 “고 변형 속도 다중-축 단조(high strain rate multi-axis forging)” 또는 “고 변형 속도 MAF”로서 본 발명에 나타내어진다. 여기에 사용된 바와 같이, 용어들 “감소” 및 “히트”는 개개의 프레스 단조 단계를 상호 교환 가능하게 나타내며, 여기에서 워크피스(workpiece)는 다이 표면들(die surfaces) 사이에서 단조된다. 여기에 사용된 바와 같이, 구절 “스페이서 높이(spacer height)”는 상기 축을 따른 감소 후 하나의 직교 축을 따라 측정된 워크피스의 치수 또는 두께를 나타낸다. 예를 들면, 4.0 인치의 스페이서 높이로의 특정한 축을 따르는 프레스 단조 감소 후, 상기 축을 따라 측정된 프레스 단조된 워크피스의 두께는 약 4.0 인치일 것이다. 스페이서 높이들의 개념 및 사용은 프레스 단조의 분야에서의 숙련자들에게 잘 알려져 있으며, 여기에 추가로 논의될 필요는 없다.
또한 “Ti-6-4” 합금으로서 불리울 수 있는, Ti-6Al-4V 합금(ASTM 등급 5; UNS R56400)과 같은 합금들에 대해, 워크피스가 적어도 3.5의 총 변형률로 단조된, 고 변형 속도 다중-축 단조가 초미립자 빌릿들(billets)을 준비하기 위해 사용될 수 있다는 것이 이전에 결정되었다. 이러한 프로세스는 “티타늄 및 티타늄 합금들을 위한 프로세싱 라우트들(Processing Routes for Titanium and Titanium Alloys)”이라는 제목의, 2010년 9월 15일에 출원된, 미국 특허 출원 일련 번호 제12/882,538호(“‘538 출원”)에 개시되며, 이것은 여기에 전체적으로 참조로서 통합된다. 적어도 3.5의 변형률을 부여하는 것은 상당한 프로세싱 시간 및 복잡도를 요구할 수 있으며, 이것은 비용을 부가하며 예상되지 않는 문제점들에 대한 기회를 증가시킨다. 본 발명은 적어도 1.0에서 3.5 미만까지의 범위에서의 총 변형률을 사용하여 초미립자 구조들을 제공할 수 있는 고 변형 속도 다중-축 단조 프로세스를 개시한다.
본 발명에 따른 방법들은 Ti-6-4 합금보다 더 느린 유효 알파 침전 및 성장 속도론(kinetics)을 보이는 티타늄 합금들에 대한, ‘538 출원에 개시된 다중 업셋 및 드로우(muptiple upset and draw; MUD) 프로세스와 같은, 다중-축 단조 및 그것의 파생물들의 적용을 수반한다. 특히, 또한 “Ti-6-2-4-2” 합금으로서 불리울 수 있는, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.08Si 합금(UNS R54620)은 Si와 같은 부가적인 입자 피닝(pinning) 원소들의 결과로서 Ti-6-4 합금보다 더 느린 유효 알파 속도론을 가진다. 또한, “Ti-6-2-4-6” 합금으로서 불리울 수도 있는, Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo 합금(UNS R56260)은 증가된 베타 안정화 함유량의 결과로서 T-6-4 합금보다 더 느린 유효 알파 속도론을 가진다. 합금 원소들에 대하여, 알파 상의 성장 및 침전은 티타늄-계 합금에서의 합금 원소의 확산 속도의 함수라는 것이 인식된다. 몰리브덴은 모든 티타늄 합금 첨가물들의 보다 느린 확산 속도들 중 하나를 갖는 것으로 알려져 있다. 게다가, 몰리브덴과 같은, 베타 안정제들은 합금의 베타 트랜서스 온도(Tβ)를 낮추며, 여기에서 보다 낮은 Tβ은 합금에 대한 프로세싱 온도에서 합금에서의 원자들의 일반적인 보다 느린 확산을 야기한다. Ti-6-2-4-2 및 Ti-6-2-4-6 합금들의 비교적 느린 유효 알파 침전 및 성장 속도론의 결과는 본 발명의 실시예들에 따른 MAF 이전에 사용되는 베타 열 처리가 Ti-6-4 합금 상에서의 이러한 프로세싱의 결과에 비교할 때 미세하며 안정된 알파 라스(alpha lath) 크기를 생성한다는 것이다. 또한, 베타 열 처리 및 냉각 후, Ti-6-2-4-2 및 Ti-6-2-4-6 합금들은 알파 입자 성장의 속도론을 제한하는 미세 베타 입자 구조를 소유한다.
알파 성장의 유효 속도론은 베타 트랜서스 바로 아래의 온도에서 가장 느린 확산 종들을 식별함으로써 평가될 수 있다. 이러한 접근법은 문헌(Semiatin 외, 야금 및 재료 트랜잭션들 A: 물리적 야금학 및 재료 과학( Metallurgical and Materials Transactions A: Physical Metallurgy and Materials Science ) 38 (4), 2007, pp. 910-921 참조)에서 이론적으로 개괄되며 실험적으로 증명되어 왔다. 티타늄 및 티타늄 합금들에서, 잠재적인 합금 원소들의 모두에 대한 확산도 데이터는 쉽게 이용 가능하지 않지만, Lutjering 및 Williams에 의한, 티타늄( Titanium ) (제 2 판, 2007)에서의 것과 같은 문헌 조사들은 일반적으로 몇몇 공통적인 합금 원소들에 대한 다음의 상대적인 랭킹에 동의한다.
DMo<DNb<DAl~DV~DSn~DZr~DHf<DCr~DNi~DCr~DCo~DMn~DFe
그러므로, 몰리브덴을 포함하는, Ti-6-2-4-6 합금 및 Ti-6-2-4-2 합금과 같은 합금들은 속도론이 알루미늄의 확산에 의해 제어되는 Ti-6-4 합금보다 비교적 더 낮은 변형률에서 초미립자 미세구조들을 달성하기 위해 요구되는 바람직한, 느린 알파 속도론을 보여준다. 주기율표 그룹 관계들에 기초하여, 또한 탄탈럼 및 텅스텐이 느린 확산기들의 그룹에 속한다는 것을 합리적으로 가정할 수 있다.
알파 상의 유효 속도론을 감소시키기 위해 느린 확산 원소들의 포함 이외에, 알루미늄 확산에 의해 제어되는 합금들의 베타 트랜서스 온도를 감소시키는 것은 유사한 효과를 가질 것이다. 100°C의 베타 트랜서스 온도 감소는 베타 트랜서스 온도에서 대략 10배수만큼 베타 상에서의 알루미늄의 확산도를 감소시킬 것이다. ATI 425® 합금(Ti-4Al-2.5V; UNS 54250) 및 Ti-6-6-2 합금(Ti-6Al-6V-2SN; UNS 56620)과 같은 합금들에서의 알파 속도론은 알루미늄 확산에 의해 제어될 가능성이 크지만, Ti-6Al-4V 합금에 대한 이들 합금들의 보다 낮은 베타 트랜서스 온도들은 또한 바람직한, 보다 느린 유효 알파 속도론을 야기한다. 보통, Ti-6Al-4V의 생물 의학 버전인, Ti-6Al-7Nb 합금(UNS R56700)은 또한 니오븀 함유량으로 인해 보다 느린 유효 알파 속도론을 보일 수 있다.
Ti-6-4 합금이 아닌 알파+베타 합금들은 알파 상의 유사한 부피 분율들을 야기할 온도들에서 '538 출원에 개시된 것들과 유사한 상태들 하에서 프로세싱될 수 있다는 것이 처음에 예상되었다. 예를 들면, 미국, 위스콘신, 매디슨, Computherm, LLC로부터 이용 가능한 상업적으로 이용 가능한 계산 툴인, PANDAT 소프트웨어를 사용한 예측들에 따르면, 1500°F (815.6°C)에서 Ti-6-4 합금은 1600°F (871.1°C)에서의 Ti-6-2-4-2 합금 및 1200°F (648.9°C)에서의 Ti-6-2-4-6 합금 양쪽 모두와 대략 동일한 알파 상의 부피 분율을 가져야 한다는 것이 예측되었다(도 1 참조). 그러나, Ti-6-4 합금이 그것이 예측된 온도들을 사용하여 ‘538 출원에서 프로세싱된 방식으로 프로세싱될 때 심각하게 부서진 Ti-6-2-4-2 및 Ti-6-2-4-6 합금들 양쪽 모두가 알파 상의 유사한 부피 분율을 생성할 것이다. 알파의 보다 낮은 평형 부피 분율들을 야기하는 훨씬 더 높은 온도들, 및/또는 패스당 상당히 감소된 변형률이 Ti-6-2-4-2 및 Ti-6-2-4-6 합금들을 성공적으로 프로세싱하기 위해 요구되었다.
알파/베타 단조 온도(들), 변형 속도, 히트당 변형률, 히트들 사이의 유지 시간, 재열들의 수 및 지속 기간, 및 중간 열 처리들을 포함하는, 고 변형 속도 MAF 프로세스에 대한 변형들은 각각 결과적인 미세구조 및 균열의 존재 및 정도에 영향을 미칠 수 있다. 보다 낮은 총 변형률들은 처음에 초미립자 구조들이 발생할 것이라는 임의의 예측 없이, 균열을 역제하기 위해 시도되었다. 그러나, 검사될 때, 보다 낮은 총 변형률들을 사용하여 프로세싱된 샘플들은 초미립자 구조들을 생성하는 상당한 가능성을 보였다. 이러한 결과는 전체적으로 예기치 않았었다.
본 발명에 따른 특정한 비-제한적인 실시예들에서, 초미립자 크기들을 생성하기 위한 방법은 다음의 단계들을 포함한다: 1) Ti-6-4 합금보다 느린 유효 알파-상 성장 속도론을 보이는 티타늄 합금을 선택하는 단계; 2) 미세한, 안정된 알파 라스 크기를 생성하기 위해 티타늄 합금을 베타 어닐링하는 단계; 및 3) 적어도 1.0의 총 변형률로, 또는 또 다른 실시예에서 적어도 1.0에서 3.5 미만까지의 총 변형률로의 고 변형 속도 MAF(또는 ‘538 출원에 개시된 다중 업셋 및 드로우(MUD) 프로세스와 같은, 유사한 파생 프로세스). 여기에 사용된 바와 같이, 입자 및 라스 크기들을 설명하기 위한 단어 “미세한”은 달성될 수 있는 가장 작은 입자 및 라스 크기를 나타내며, 이것은 비-제한적인 실시예들에서, 약 1 μm이다. 단어 “안정된”은 다중-축 단조 단계들이 알파 입자 크기를 상당히 굵어지게 하지 않으며, 약 100% 이상만큼 알파 입자 크기를 증가시키지 않음을 의미하기 위해 여기에서 사용된다.
도 2에서의 흐름도 및 도 3에서의 개략적인 표현은 티타늄 합금들의 입자를 미세화하기 위해 고 변형 속도 다중-축 단조(MAF)를 사용하는 방법(16)의 본 발명에 따른 비-제한적인 실시예의 측면들을 예시한다. 다중-축 단조(26) 이전에, 티타늄 합금 워크피스(24)는 베타 어닐링되며(18) 냉각된다(20). 공기 냉각은 예를 들면, 4 인치 입방들과 같은, 보다 작은 워크피스들을 갖고 가능하지만, 물 또는 액체 냉각이 또한 사용될 수 있다. 보다 빠른 냉각 속도들은 보다 미세한 라스 및 알파 입자 크기들을 야기한다. 베타 어닐링(18)은 워크피스(24)의 티타늄 합금의 베타 트랜서스 온도 위에서 워크피스(24)를 가열하는 것 및 워크피스(24)에서 모든 베타 상을 형성하기에 충분한 시간 동안 유지하는 것을 포함한다. 베타 어닐링(18)은 이 기술분야의 숙련자에게 잘 알려진 프로세스이며, 그러므로 여기에 상세히 설명되지 않는다. 베타 어닐링의 비-제한적인 실시예는 티타늄 합금의 베타 트랜서스 온도 위 약 50°F (27.8°C)인 베타 어닐링 온도로 워크피스(24)를 가열하는 것 및 약 1시간 동안 상기 온도에서 워크피스(24)를 유지하는 것을 포함할 수 있다.
베타 어닐링(18) 후, 워크피스(24)는 워크피스(24)의 티타늄 합금의 베타 트랜서스 온도 아래의 온도로 냉각된다(20). 본 발명의 비-제한적인 실시예에서, 워크피스는 주위 온도로 냉각된다. 여기에 사용된 바와 같이, “주위 온도”는 환경들의 온도를 나타낸다. 예를 들면, 비-제한적인 상업적 생산 시나리오에서, “주위 온도”는 공장 환경들의 온도를 나타낸다. 비-제한적인 실시예에서, 냉각(20)은 담금질(quenching)을 포함할 수 있다. 담금질은 물, 기름, 또는 다른 적절한 액체에 워크피스(24)를 액침(immersing)시키는 것을 포함하며, 야금 기술들(metallurgical arts)에서의 숙련자에 의해 이해된 프로세스이다. 다른 비-제한적인 실시예들에서, 특히 보다 작은 크기의 워크피스들에 대해, 냉각(20)은 공기 냉각을 포함할 수 있다. 이 기술분야의 숙련자에게 알려진 티타늄 합금 워크피스(24)를 냉각시키는 임의의 방법은 이제 또는 이후 본 발명의 범위 내에 있다. 또한, 특정한 비-제한적인 실시예들에서, 냉각(20)은 후속 고 변형 속도 다중-축 단조를 위해 워크피스 단조 온도 범위 내 워크피스 단조 온도로 직접 냉각시키는 것을 포함한다.
워크피스를 냉각(20)시킨 후, 워크피스는 고 변형 속도 다중-축 단조(26)의 대상이 된다. 이 기술분야의 숙련자들에게 이해되는 바와 같이, 또한 “A-B-C” 단조로서 불리울 수 있는 다중-축 단조(“MAF”)는 심각한 플라스틱 변형의 형태이다. 본 발명의 비-제한적인 실시예에 따른, 고 변형 속도 다중-축 단조(26)는 고 변형 속도를 사용하는 MAF(26)에 앞서, 티타늄 합금의 알파+베타 상 필드 내에 있는 워크피스 단조 온도 범위 내 워크피스 단조 온도로 티타늄 합금을 포함하는 워크피스(24)를 가열하는 것(도 2에서의 단계(22))을 포함한다. 냉각 단계(20)가 워크피스 단조 온도 범위 내 온도로 냉각시키는 것을 포함하는 실시예에서, 가열 단계(22)는 필요하지 않다는 것이 분명하다.
고 변형 속도는 고 변형 속도 MAF에서 워크피스의 내부 영역을 단열적으로 가열하기 위해 사용된다. 그러나, 본 발명에 따른 비-제한적인 실시예들에서, 적어도 사이클에서의 고 변형 속도 MAF의 A-B-C 히트들의 마지막 사이클에서, 티타늄 합금 워크피스(24)의 내부 영역의 온도는 티타늄 합금 워크피스의 베타 트랜서스 온도(Tβ)를 초과하지 않아야 한다. 그러므로, 이러한 비-제한적인 실시예들에서, 고 변형 속도 MAF의, 적어도 A-B-C 히트들의 최종 사이클, 또는 적어도 사이클의 마지막 히트에 대한 워크피스 단조 온도는 고 변형 속도 MAF 동안, 워크피스의 내부 영역의 온도가 합금의 베타 트랜서스 온도를 초과하거나 동일하지 않아야 함을 보장하기 위해 선택되어야 한다. 예를 들면, 본 발명에 따른 비-제한적인 실시예에서, 워크피스의 내부 영역의 온도는 적어도 MAF에서의 A-B-C 히트들의 최종 고 변형 레이트 사이클 동안 또는 적어도 1.0 또는 적어도 1.0에서 3.5 미만까지의 범위에 있는 총 변형률이 적어도 워크피스의 영역에서 달성될 때 적어도 마지막 프레스 단조 히트 동안, 합금의 베타 트랜서스 온도, 즉, Tβ - 20°F (Tβ -11.1°C) 아래 20°F (11.1°C)를 초과하지 않는다.
본 발명에 따른 고 변형 속도 MAF의 비-제한적인 실시예에서, 워크피스 단조 온도는 워크피스 단조 온도 범위 내의 온도를 포함한다. 비-제한적인 실시예에서, 워크피스 단조 온도 범위는 워크피스의 티타늄 합금의 베타 트랜서스 온도(Tβ) 아래 100°F (55.6°C) 내지 티타늄 합금의 베타 트랜서스 온도 아래 700°F (388.9°C)까지이다. 또 다른 비-제한적인 실시예에서, 워크피스 단조 온도 범위는 티타늄 합금의 베타 트랜서스 온도 아래 300°F (166.7°C) 내지 티타늄 합금의 베타 트랜서스 온도 아래 625°F (347°C)까지이다. 비-제한적인 실시예에서, 워크피스 단조 온도 범위의 하단은 알파+베타 상 필드에서의 온도이며 여기에서 예를 들면, 균열 형성 및 가우징(gouging)과 같은 손상이 단조 히트 동안 워크피스의 표면에 발생하지 않는다.
약 1820°F (996°C)의 베타 트랜서스 온도(Tβ)를 갖는, Ti-6-2-4-2 합금에 적용되는 도 2에 도시된 비-제한적인 방법 실시예에서, 워크피스 단조 온도 범위는 1120°F (604.4°C)에서 1720°F (937.8°C)까지일 수 있거나, 또는 다른 실시예에서 1195°F (646.1°C)에서 1520°F (826.7°C)까지일 수 있다. 약 1720°F (940°C)의 베타 트랜서스 온도(Tβ)를 갖는, Ti-6-2-4-6 합금에 적용된 도 2에 도시된 비-제한적인 방법 실시예에서, 워크피스 단조 온도 범위는 1020°F (548.9°C)에서 1620°F (882.2°C)까지일 수 있거나, 또는 또 다른 실시예에서 1095°F (590.6°C)에서 1420°F (771.1°C)까지일 수 있다. 또 다른 비-제한적인 실시예에서, 또한 “Ti-4Al-2.5V” 합금으로서 불리울 수 있으며, 약 1780°F (971.1°C)의 베타 트랜서스 온도(Tβ)를 갖는, ATI 425® 합금 (UNS R54250)에 도 2에 도시된 실시예를 적용할 때, 워크피스 단조 온도 범위는 1080°F (582.2°C)에서 1680°F (915.6°C)까지일 수 있거나, 또는 다른 실시예에서 1155°F (623.9°C)에서 1480°F (804.4°C)까지일 수 있다. 또 다른 비-제한적인 실시예에서, 또한 “Ti-6-6-2” 합금으로서 불리울 수 있으며, 약 1735°F (946.1°C)의 베타 트랜서스 온도(Tβ)를 갖는, Ti-6Al-6V-2Sn 합금 (UNS 56620)에 도 2의 본 발명의 실시예를 적용할 때, 워크피스 단조 온도 범위는 1035°F (527.2°C)에서 1635°F (890.6°C)까지일 수 있거나, 또는 또 다른 실시예에서 1115°F (601.7°C)에서 1435°F (779.4°C)까지일 수 있다). 본 발명은 Ti-6-4 합금보다 더 느린 유효 알파 침전 및 성장 속도론을 소유하는 티타늄 합금들에 대한, ‘538 출원에 개시된 MUD 방법과 같은, 고 변형 속도 다중-축 단조 및 그것의 파생물들의 적용을 수반한다.
도 2 및 도 3을 다시 참조하면, 티타늄 합금 워크피스(24)가 워크피스 단조 온도에 있을 때, 워크피스(24)는 고 변형 속도 MAF(26)의 대상이 된다. 본 발명에 따른 비-제한적인 실시예에서, MAF(26)는 워크피스를 단열적으로 가열하거나, 또는 적어도 워크피스의 내부 영역을 단열적으로 가열하며, 워크피스(24)를 소성 변형하기에 충분한 변형 속도를 사용하여 워크피스의 제 1 직교 축(30)의 방향(A)으로 워크피스 단조 온도에서 워크피스(24)를 프레스 단조하는 것(단계(28), 도 3(a)에 도시됨)을 포함한다.
고 변형 속도들 및 빠른 램(ram) 속도들은 본 발명에 따른 고 변형 속도 MAF의 비-제한적인 실시예들에서 워크피스의 내부 영역을 단열적으로 가열하기 위해 사용된다. 본 발명에 따른 비-제한적인 실시예에서, 용어 “고 변형 속도”는 약 0.2 s-1 내지 약 0.8 s-1의 범위의 변형 속도를 나타낸다. 본 발명에 따른 또 다른 비-제한적인 실시예에서, 용어 “고 변형 속도”는 약 0.2 s-1 내지 약 0.4 s-1의 범위에서의 변형 속도를 나타낸다.
상기 정의된 바와 같은 고 변형 속도를 사용하는 본 발명에 따른 비-제한적인 실시예에서, 티타늄 합금 워크피스의 내부 영역은 워크피스 단조 온도 위 약 200°F (111.1°C)으로 단열적으로 가열될 수 있다. 또 다른 비-제한적인 실시예에서, 프레스 단조 동안, 내부 영역은 워크피스 단조 온도 위 약 100°F (55.6°C) 내지 약 300°F (166.7°C)의 범위의 온도로 단열적으로 가열된다. 또 다른 비-제한적인 실시예에서, 프레스 단조 동안, 내부 영역은 워크피스 단조 온도 위 약 150°F (83.3°C) 내지 약 250°F (138.9°C)의 범위에서의 온도로 단열적으로 가열된다. 상기 언급된 바와 같이, 비-제한적인 실시예들에서, 워크피스의 어떤 부분도 고 변형 속도 A-B-C MAF 히트들의 마지막 사이클 동안, 또는 직교 축 상에서의 마지막 히트 동안 티타늄 합금의 베타 트랜서스 온도 위에서 가열되어서는 안 된다.
비-제한적인 실시예에서, 프레스 단조(28) 동안, 워크피스(24)는 20% 내지 50%의 범위에 있는 높이 또는 또 다른 치수의 감소로 소성 변형되며, 즉, 치수는 상기 범위 내의 퍼센티지만큼 감소된다. 또 다른 비-제한적인 실시예에서, 프레스 단조(28) 동안, 워크피스(24)는 30% 내지 40%의 범위에서 높이 또는 다른 치수의 감소로 소성 변형된다.
공지된 초-저속 변형 속도(0.001 s-1 이하) 다중-축 단조 프로세스가 도 4에 개략적으로 도시된다. 일반적으로, 다중-축 단조의 측면은 단조 장치(예를 들면, 개방 다이 단조일 수 있는)에 의한 매 3-스트로크,(즉, “3-히트”) 사이클 후, 워크피스의 형태 및 크기가 상기 3-히트 사이클의 제 1 히트 직전에 워크피스의 것에 도달한다는 것이다. 예를 들면, 5-인치 면 입방체-형태의 워크피스가 처음에 “a” 축의 방향으로 제 1 “히트”로 단조되고, 90° 회전되며 직교 “b” 축의 방향으로 제 2 히트로 단조되며, 그 후 90° 회전되며 직교 “c” 축의 방향으로 제 3 히트로 단조된 후, 워크피스는 개시 입방체와 유사하며 대략 5-인치 면들을 포함할 것이다. 다시 말해서, 3-히트 사이클은 개개의 히트들 및 각각의 히트 동안 감소의 선택 사이에서의 워크피스의 재배치의 결과로서, 입방체의 3개의 직교 축들을 따라 3개의 단계들에서 입방체를 변형하였지만, 3개의 단조 변형들의 전체 결과는 대략 그것의 원래 형태 및 크기로 입방체를 복구하는 것이다.
본 발명에 따른 다른 비-제한적인 실시예에서, 여기에서 “제 1 히트”로서도 불리우는, 도 2(a)에 도시된, 제 1 프레스 단조 단계(28)는 워크피스가 워크피스 단조 온도 범위에 있는 온도에 있는 동안 미리 결정된 스페이서 높이 아래로 최상부 면 상의 워크피스를 프레스 단조하는 것을 포함할 수 있다. 여기에 사용된 바와 같이, 용어 “스페이서 높이”는 특정한 프레스 단조 감소의 완료 시 워크피스의 치수를 나타낸다. 예를 들면, 5 인치의 스페이서 높이에 대해, 워크피스는 약 5 인치의 치수로 단조된다. 본 발명의 방법의 특정한 비-제한적인 실시예에서, 스페이서 높이는 예를 들어, 5 인치이다. 또 다른 비-제한적인 실시예에서, 스페이서 높이는 3.25 인치이다. 예를 들면, 5 인치 미만, 약 4 인치, 약 3 인치, 5 인치 이상, 또는 5 인치에서 30 인치까지와 같은, 다른 스페이서 높이들은 여기에서의 실시예들의 범위 내에 있지만, 본 발명의 범위를 제한하는 것으로서 고려되지 않아야 한다. 스페이서 높이들은 단지 단조의 성능들 및 선택적으로, 여기에 보여질 바와 같이, 워크피스 단조 온도에서 워크피스를 유지하기 위해 본 발명의 비-제한적인 실시예들에 따른 열적 관리 시스템의 성능들에 의해서만 제한된다. 3 인치 미만의 스페이서 높이들은 또한 여기에 개시된 실시예들의 범위 내에 있으며, 이러한 비교적 작은 스페이서 높이들은 완제품의 원하는 특성들에 의해서만 제한된다. 예를 들면, 본 발명에 따른 방법들에서 약 30 인치의 스페이서 높이들의 사용은 미립자 크기, 극미립자 크기, 또는 초미립자 크기를 갖는 빌릿-크기(예로서, 30-인치 면) 입방체-형태의 티타늄 합금 형태들의 생성을 허용한다. 종래의 합금들의 빌릿-크기 입방체-형태의 형태들은 예를 들면, 항공 또는 육지-기반 터빈들을 위한 디스크, 링, 및 케이스 부품들로 단조되는 워크피스들로서 이용되어 왔다.
본 발명에 따른 방법들의 다양한 비-제한적인 실시예들에서 이용되어야 하는 미리 결정된 스페이서 높이들은 본 발명을 고려할 때 과도한 실험 없이 이 기술분야의 숙련자에 의해 결정될 수 있다. 특정한 스페이서 높이들은 과도한 실험 없이 이 기술분야의 숙련자에 의해 결정될 수 있다. 특정 스페이서 높이들은 단조 동안 균열에 대한 특정 합금의 민감성에 의존적이다. 균열에 보다 높은 민감성을 가진 합금들은 보다 큰 스페이서 높이들, 즉, 균열을 방지하기 위해 히트당 적은 변형을 요구할 것이다. 단열 가열 한계는 또한, 적어도 히트들의 마지막 사이클에서, 워크피스 온도가 합금의 Tβ를 능가하지 않아야 하기 때문에, 스페이서 높이를 선택할 때 고려되어야 한다. 또한, 단조 프레스 성능 한계는 스페이서 높이를 선택할 때 고려될 필요가 있다. 예를 들면, 4-인치 면 입방체 워크피스의 프레싱 동안, 단면적은 프레싱 단계 동안 증가한다. 이와 같이, 요구된 변형 속도에서 계속해서 워크피스 변형을 유지하기 위해 요구되는 총 부하는 증가한다. 부하는 단조 프레스의 성능들을 넘어 증가할 수 없다. 또한, 워크피스 기하학적 구조는 스페이서 높이들을 선택할 때 고려될 필요가 있다. 큰 변형들은 워크피스의 벌징을 야기할 수 있다. 너무 큰 감소는 워크피스의 상대적인 플래트닝(flattening)을 야기할 수 있으며, 따라서 상이한 직교 축의 방향에서 다음 단조 히트는 워크피스의 휨을 야기할 수 있다.
특정한 비-제한적인 실시예들에서, 각각의 직교 축 히트에 대해 사용되는 스페이서 높이들은 동등하다. 특정한 다른 비-제한적인 실시예들에서, 각각의 직교 축 히트를 위해 사용되는 스페이서 높이들은 동등하지 않다. 각각의 직교 축에 대한 비-등가 스페이서 높이들을 사용하는 고 변형 속도 MAF의 비-제한적인 실시예들이 이하에 제공된다.
제 1 직교 축(30)의 방향에서, 즉, 도 2(a)에 도시된 A-방향에서 워크피스(24)를 프레스 단조(28)한 후, 본 발명에 따른 방법의 비-제한적인 실시예는 워크피스의 단열적으로 가열된 내부 영역(도시되지 않음)의 온도가 워크피스 단조 온도 범위 내 워크피스 단조 온도에서 또는 그 가까이에서의 온도로 냉각하게 하는 단계(단계(32))를 더 포함하며, 이것은 도 3(b)에 도시된다. 다양한 비-제한적인 실시예들에서, 내부 영역 냉각 시간, 또는 “대기”시간은 범위가, 예를 들면, 5초에서 120초까지, 10초에서 60초까지, 또는 5초에서 5분까지 이를 수 있다. 본 발명에 따른 다양한 비-제한적인 실시예들에서, 여기에 사용된 바와 같은, 워크피스의 “단열적으로 가열된 내부 영역”은 워크피스의 중심으로부터 바깥쪽으로 연장되며 워크피스의 적어도 약 50%, 또는 적어도 약 60%, 또는 적어도 약 70%, 또는 적어도 약 80%의 용적을 갖는 영역을 나타낸다. 워크피스 단조 온도에서 또는 그 가까이에서의 온도로 워크피스의 내부 영역을 냉각시키기 위해 요구되는 시간이 워크피스(24)의 크기, 형태, 및 조성, 뿐만 아니라 워크피스(24)를 둘러싸는 대기의 상태들에 의존할 것이라는 것이 이 기술분야의 숙련자에 의해 인식될 것이다.
내부 영역 냉각 기간 동안, 여기에 개시된 특정한 비-제한적인 실시예들에 따른 열적 관리 시스템(33)의 측면은 선택적으로 워크피스 단조 온도에서 또는 그 가까이에서의 온도로 워크피스(24)의 외부 표면 영역(36)을 가열하는 단계(단계(34))를 포함한다. 이러한 방식으로, 워크피스(24)의 온도는 각각의 고 변형 속도 MAF 히트 이전에 워크피스 단조 온도에서 또는 그 가까이에서 균일하거나 또는 거의 균일하며 실질적으로 등온 상태에 있다. 각각의 A-축 히트 후, 각각의 B-축 히트 후, 및/또는 각각의 C-축 히트 후 워크피스(24)의 외부 표면 영역(36)을 선택적으로 가열(34)하는 것이 본 발명의 범위 내에 있다는 것이 인식된다. 비-제한적인 실시예들에서, 워크피스의 외부 표면은 선택적으로 A-B-C 히트들의 각각의 사이클 후 가열(34)된다. 또 다른 비-제한적인 실시예들에서, 외부 표면 영역은 선택적으로, 워크피스의 전체 온도가 단조 프로세스 동안 워크피스 단조 온도 범위 내에서 유지되는 한, 임의의 히트 또는 히트들의 사이클 후 가열된다. 워크피스가 각각의 고 변형 속도 MAF 히트 이전에 워크피스 단조 온도에서 또는 그 가까이에서 균일한 또는 거의 균일하며 실질적으로 등온 상태에 있는 워크피스(24)의 온도를 유지하기 위해 가열되어야 하는 시간은 워크피스의 크기에 의존할 수 있으며, 이것은 과도한 실험 없이 이 기술분야의 숙련자에 의해 결정될 수 있다. 본 발명에 따른 다양한 비-제한적인 실시예들에서, 여기에 사용된 바와 같은, 워크피스의 “외부 표면 영역”은 워크피스의 외부 표면으로부터 안쪽으로 연장되며 워크피스의 적어도 약 50%, 또는 적어도 약 60%, 또는 적어도 약 70%, 또는 적어도 약 80%의 용적을 갖는 영역을 나타낸다. 그것은 언제라도 중간임이 인식된다.
비-제한적인 실시예들에서, 워크피스(24)의 외부 표면 영역(36)을 가열하는 것(34)은 열적 관리 시스템(33)의 하나 이상의 표면 가열 메커니즘들(38)을 사용하여 성취될 수 있다. 가능한 가열 메커니즘들의 연속적인 프레스 단조 단계들의 예들로서, 전체 워크피스는 노(furnace)에 위치될 수 있거나 또는 그 외 워크피스 단조 온도 범위를 가진 온도로 가열될 수 있다.
특정한 비-제한적인 실시예들에서, 선택적 특징으로서, 각각의 A, B, 및 C 단조 히트들 사이에서, 열적 관리 시스템(33)은 워크피스의 외부 표면 영역(36)을 가열하기 위해 사용되며, 단열적으로 가열된 내부 영역은 선택된 워크피스 단조 온도에서 또는 그 가까이에서 실질적으로 균일한 온도로 워크피스의 온도를 복구하도록 내부 영역 냉각 시간 동안 냉각하도록 허용된다. 본 발명에 따른 특정한 다른 비-제한적인 실시예들에서, 선택적 특징으로서, 각각의 A, B, 및 C 단조 히트들 사이에서, 열적 관리 시스템(33)은 워크피스의 외부 표면 영역(36)을 가열하기 위해 사용되며, 단열적으로 가열된 내부 영역은 워크피스의 온도가 워크피스 단조 온도 범위 내 실질적으로 균일한 온도로 복구하도록 내부 영역 냉각 시간 동안 냉각하도록 허용된다. (1) 워크피스 단조 온도 범위 내 온도로 워크피스의 외부 표면 영역을 가열하기 위한 열적 관리 시스템(33) 및 (2) 단열적으로 가열된 내부 영역이 워크피스 단조 온도 범위 내 온도로 냉각시키는 동안의 기간 양자 모두를 이용하는 본 발명에 따른 방법의 비-제한적인 실시예들은 여기에서 “열적 관리된, 고 변형 속도 다중-축 단조”.(38)로서 나타내어질 수 있으며, 이에 제한되지 않지만, 워크피스(24)의 외부 표면의 화염 가열(flame heating)을 위해 적응된 화염 가열기들; 유도 가열(induction heating)을 위해 적응된 유도 가열기들; 및 방사 가열(radiant heating)을 위해 적응된 방사 가열기들을 포함한다. 워크피스의 외부 표면 영역을 가열하기 위한 다른 메커니즘들 및 기술들은 본 발명을 고려할 때 이 기술분야의 숙련자들에게 명백할 것이며, 이러한 메커니즘들 및 기술들은 본 발명의 범위 내에 있다. 외부 표면 영역 가열 메커니즘(38)의 비-제한적인 실시예는 박스로(box furnace)(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 박스로는 화염 가열 메커니즘들, 방사 가열 메커니즘들, 유도 가열 메커니즘들, 및 이제 또는 이후 이 기술분야의 숙련자에게 알려진 임의의 다른 적절한 가열 메커니즘 중 하나 이상을 사용하여 워크피스의 외부 표면 영역을 가열하기 위해 다양한 가열 메커니즘들을 갖고 구성될 수 있다.
또 다른 비-제한적인 실시예에서, 워크피스(24)의 외부 표면 영역(36)의 온도는 워크피스 단조 온도에서 또는 그 가까이에서 및 열적 관리 시스템(33)의 하나 이상의 다이 가열기들(40)을 사용하여 워크피스 단조 온도 범위 내에서 선택적으로 가열(34)되며 유지된다. 다이 가열기들(40)은 워크피스 단조 온도에서 또는 그 가까이에서 또는 워크피스 단조 온도 범위 내 온도들에서 다이들(42) 또는 다이들의 다이 프레스 단조 표면들(44)을 유지하기 위해 사용될 수 있다. 비-제한적인 실시예에서, 열적 관리 시스템의 다이들(42)은 워크피스 단조 온도에서 워크피스 단조 온도 아래 100°F (55.6°C)에 이르기까지를 포함하는 범위 내 온도로 가열된다. 다이 가열기들(40)은 이에 제한되지 않지만, 화염 가열 메커니즘들, 방사 가열 메커니즘들, 전도 가열 메커니즘들, 및/또는 유도 가열 메커니즘들을 포함하여, 이제 또는 이후 이 기술분야의 숙련자에 의해 알려진 임의의 적절한 가열 메커니즘에 의해 다이들(42) 또는 다이 프레스 단조 표면(44)을 가열할 수 있다. 비-제한적인 실시예에서, 다이 가열기(40)는 박스로(도시되지 않음)의 구성요소일 수 있다. 열적 관리 시스템(33)이 도 2(b), 도 2(d), 및 도 2(f)에 도시된 다중-축 단조 프로세스(26)의 냉각 단계들((32), (52), (60)) 동안 사용되며 가동 중인 것으로 도시되지만, 열적 관리 시스템(33)은 도 2(a), 도 2(c), 및 도 2(e)에 도시된 프레스 단조 단계들((28), (46), (56)) 동안 가동 중일 수 있거나 또는 가동 중이 아닐 수 있다는 것이 인식될 것이다.
도 3(c)에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 다중-축 단조 방법(26)의 비-제한적인 실시예의 측면은 워크피스(24), 또는 적어도 워크피스(24)의 내부 영역을 단열적으로 가열하며, 워크피스(24)를 소성 변형하기에 충분한 변형 속도를 사용하여 워크피스(24)의 제 2 직교 축(48)의 방향(B)으로 워크피스 단조 온도 범위 내 워크피스 단조 온도에서 워크피스(24)를 프레스 단조하는 단계(단계(46))를 포함한다. 비-제한적인 실시예에서, 프레스 단조(46) 동안, 워크피스(24)는 높이 또는 또 다른 치수의 20% 내지 50% 감소의 소성 변형으로 변형된다. 또 다른 비-제한적인 실시예에서, 프레스 단조(46) 동안, 워크피스(24)는 높이 또는 또 다른 치수에서의 30% 내지 40% 감소의 소성 변형으로 소성 변형된다. 비-제한적인 실시예에서, 워크피스(24)는 제 1 프레스 단조 단계(28)에서 사용되는 동일한 스페이서 높이로 제 2 직교 축(48)의 방향으로 프레스 단조될 수 있다(46). 또 다른 비-제한적인 실시예에서, 워크피스(24)는 제 1 프레스 단조 단계(28)에서 사용되는 것과 상이한 스페이서 높이로 제 2 직교 축(48)의 방향으로 프레스 단조될 수 있다. 또 다른 비-제한적인 실시예에서, 워크피스(24)의 내부 영역(도시되지 않음)은 제 1 프레스 단조 단계(28)와 동일한 온도로 프레스 단조 단계(46) 동안 단열적으로 가열된다. 다른 비-제한적인 실시예들에서, 프레스 단조(46)를 위해 사용되는 고 변형 속도들은 제 1 프레스 단조 단계(28)에 대해 개시된 바와 동일한 변형 속도 범위들에 있다.
비-제한적인 실시예에서, 도 2(b) 및 도 2(d)에 도시된 바와 같이, 워크피스(24)는 단조 표면들로 상이한 직교 축을 제공하기 위해 연속적인 프레스 단조 단계들(예로서, (28), (46), (56)) 사이에서 회전될 수 있다(50). 이러한 회전은 “A-B-C” 회전으로서 불리울 수 있다. 상이한 단조 구성들을 사용함으로써, 워크피스(24)를 회전시키는 대신에 단조 상에서 램을 회전시키는 것이 가능할 수 있거나, 또는 단조는 워크피스의 회전도 단조의 회전도 요구되지 않도록 다중-축 램들을 구비할 수 있다는 것이 이해된다. 분명히, 중요한 측면은 사용되는 램 및 워크피스의 위치의 상대적인 변화이며, 워크피스(24)를 회전시키는 것(50)은 불필요하거나 또는 선택적일 수 있다. 그러나, 대부분의 현재 산업용 장비 셋-업들에서, 프레스 단조 단계들 사이의 상이한 직교 축으로 워크피스를 회전시키는 것(50)은 다중-축 단조 프로세스(26)를 완료하기 위해 요구될 것이다.
A-B-C 회전(50)이 요구되는 비-제한적인 실시예들에서, 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 열적 관리된 고 변형 속도 다중-축 단조 실시예를 가능하게 하기 위해 자유롭게 흔들리는 클램프-스타일 조작기 툴링 등을 포함할 수 있다.
제 2 직교 축(48)의 방향으로, 즉, B-방향으로 워크피스(24)를 프레스 단조(46)한 후, 및 도 3(d)에 도시된 바와 같이, 프로세스(20)는 선택적으로 워크피스의 단열적으로 가열된 내부 영역(도시되지 않음)이 워크피스 단조 온도에서 또는 그 가까이에서의 온도로 냉각하도록 허용하는 단계(단계(52))를 더 포함하며, 이것은 도 3(d)에 도시된다. 특정한 비-제한적인 실시예들에서, 내부 영역 냉각 시간, 또는 대기 시간은 범위가, 예를 들면 5초에서 120초까지, 또는 10초에서 60초까지, 또는 5초에서 5분까지 이를 수 있다. 최소 냉각 시간은 워크피스(24)의 크기, 형태, 및 조성, 뿐만 아니라 워크피스를 둘러싸는 환경의 특성들에 의존한다는 것이 이 기술분야의 숙련자에 의해 인식될 것이다.
선택적 내부 영역 냉각 기간 동안, 여기에 개시된 특정한 비-제한적인 실시예들에 따른 열적 관리 시스템(33)의 선택적 측면은 워크피스 단조 온도에서 또는 그 가까이의 워크피스 단조 온도 범위 내 온도로 워크피스(24)의 외부 표면 영역(36)을 가열하는 단계(단계(54))를 포함한다. 이러한 방식으로, 워크피스(24)의 온도는 각각의 고 변형 속도 MAF 히트 이전에 워크피스 단조 온도에서 또는 그 가까이에서 균일하거나 또는 거의 균일하며 실질적으로 등온 상태에서 유지된다. 비-제한적인 실시예들에서, 단열적으로 가열된 내부 영역이 특정된 내부 영역 냉각 시간 동안 냉각하도록 허용하는 것과 함께, 외부 표면 영역(36)을 가열하기 위해 열적 관리 시스템(33)을 사용할 때, 워크피스의 온도는 각각의 A-B-C 단조 히트 사이에서 워크피스 단조 온도에서 또는 그 가까이에서 실질적으로 균일한 온도로 복구한다. 본 발명에 따른 다른 비-제한적인 실시예에서, 단열적으로 가열된 내부 영역이 특정된 내부 영역 냉각 시간 동안 냉각하도록 허용하는 것과 함께, 외부 표면 영역(36)을 가열하기 위해 열적 관리 시스템(33)을 사용할 때, 워크피스의 온도는 각각의 고 변형 속도 MAF 히트 이전의 워크피스 단조 온도 범위 내 실질적으로 균일한 온도로 복구한다.
비-제한적인 실시예에서, 워크피스(24)의 외부 표면 영역(36)을 가열하는 것은(54) 열적 관리 시스템(33)의 하나 이상의 외부 표면 가열 메커니즘들(38)을 사용하여 성취될 수 있다. 가능한 가열 메커니즘들(38)의 예들은, 이에 제한되지 않지만, 워크피스(24)의 화염 가열을 위해 적응된 화염 가열기들; 유도 가열을 위해 적응된 유도 가열기들; 및/또는 방사 가열을 위해 적응된 방사 가열기들을 포함할 수 있다. 표면 가열 메커니즘(38)의 비-제한적인 실시예는 박스로(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 워크피스의 외부 표면을 가열하기 위한 다른 메커니즘들 및 기술들은 본 발명을 고려할 때 이 기술분야의 숙련자들에게 명백할 것이며, 이러한 메커니즘들 및 기술들은 본 발명의 범위 내에 있다. 박스로는 워크피스의 외부 표면을 가열하기 위해 다양한 가열 메커니즘들을 갖고 구성될 수 있으며, 이러한 가열 메커니즘들은 화염 가열 메커니즘들, 방사 가열 메커니즘들, 유도 가열 메커니즘들, 및/또는 이제 또는 이후 이 기술분야의 숙련자에게 알려진 임의의 다른 가열 메커니즘 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
다른 비-제한적인 실시예에서, 워크피스(24)의 외부 표면 영역(36)의 온도는 워크피스 단조 온도에서 또는 그 가까이에서 및 열적 관리 시스템(33)의 하나 이상의 다이 가열기들(40)을 사용하는 워크피스 단조 온도 범위 내에서 가열(54)되며 유지될 수 있다. 다이 가열기들(40)은 워크피스 단조 온도에서 또는 그 가까이에서 또는 워크피스 단조 온도 범위 내 온도들에서 다이들(42) 또는 다이들의 다이 프레스 단조 표면들(44)을 유지하기 위해 사용될 수 있다. 다이 가열기들(40)은 이에 제한되지 않지만, 화염 가열 메커니즘들, 방사 가열 메커니즘들, 전도 가열 메커니즘들, 및/또는 유도 가열 메커니즘들을 포함하여, 이제 또는 이후 이 기술분야의 숙련자에 의해 알려진 임의의 적절한 가열 메커니즘에 의해 다이들(42) 또는 다이 프레스 단조 표면들(44)을 가열할 수 있다. 비-제한적인 실시예에서, 다이 가열기(40)는 박스로(도시되지 않음)의 구성요소일 수 있다. 열적 관리 시스템(33)은 도 2(b), 도 2(d), 및 도 2(f)에 도시된 다중-축 단조 프로세스(26)의 평형 및 냉각 단계들((32), (52), (60)) 동안 사용되며 가동 중인 것으로 도시되지만, 열적 관리 시스템(33)은 도 2(a), 도 2(c), 및 도 2(e)에 도시된 프레스 단조 단계들((28), (46), (56)) 동안 가동 중이거나 또는 가동 중이 아닐 수 있다는 것이 인식된다.
도 3(e)에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 다중-축 단조(26)의 실시예의 측면은 워크피스(24)를 단열적으로 가열하거나 또는 적어도 워크피스의 내부 영역을 단열적으로 가열하며, 워크피스(24)를 소성 변형하기에 충분한 램 속도 및 변형 속도를 사용하여 워크피스(24)의 제 3 직교 축(58)의 방향(C)으로 워크피스 단조 온도 범위 내 워크피스 단조 온도에서 워크피스(24)를 프레스 단조하는 단계(단계(56))를 포함한다. 비-제한적인 실시예에서, 워크피스(24)는 높이 또는 또 다른 치수의 20% 내지 50% 감소의 소성 변형으로 프레스 단조(56) 동안 변형된다. 또 다른 비-제한적인 실시예에서, 프레스 단조(56) 동안, 워크피스는 높이 또는 다른 치수의 30% 내지 40% 감소의 소성 변형으로 소성 변형된다. 비-제한적인 실시예에서, 워크피스(24)는 제 1 프레스 단조 단계(28) 및/또는 제 2 단조 단계(46)에서 사용되는 동일한 스페이서 높이로 제 3 직교 축(58)의 방향으로 프레스 단조될 수 있다(56). 또 다른 비-제한적인 실시예에서, 워크피스(24)는 제 1 프레스 단조 단계(28)에서 사용되는 것과 상이한 스페이서 높이로 제 3 직교 축(58)의 방향으로 프레스 단조될 수 있다. 본 발명에 따른 다른 비-제한적인 실시예에서, 워크피스(24)의 내부 영역(도시되지 않음)은 제 1 프레스 단조 단계(28)에서와 동일한 온도로 프레스 단조 단계(56) 동안 단열적으로 가열된다. 다른 비-제한적인 실시예들에서, 프레스 단조(56)를 위해 사용되는 고 변형 속도들은 제 1 프레스 단조 단계(28)에 대해 개시된 것과 동일한 변형 속도 범위들에 있다.
비-제한적인 실시예에서, 도 3(b), 도 3(d), 및 도 3(e)에서의 화살표(50)에 의해 도시된 바와 같이, 워크피스(24)는 연속적인 프레스 단조 단계들(예로서, 46, 56) 사이에서 상이한 직교 축으로 회전(50)될 수 있다. 상기 논의된 바와 같이, 이러한 회전은 A-B-C 회전으로 불리울 수 있다. 상이한 단조 구성들을 사용함으로써, 워크피스(24)를 회전시키는 대신에 단조 상에서 램을 회전시키는 것이 가능할 수 있거나, 또는 단조는 워크피스의 회전도 단조의 회전도 요구되지 않도록 다중-축 램들을 구비할 수 있다는 것이 이해된다. 그러므로, 워크피스(24)를 회전시키는 것(50)은 불필요하거나 또는 선택적 단계일 수 있다. 그러나, 대부분의 현재 산업적 셋-업들에서, 프레스 단조 단계들 사이에서 상이한 직교 축으로 워크피스를 회전시키는 것(50)은 다중-축 단조 프로세스(26)를 완료하기 위해 요구될 것이다.
제 3 직교 축(58)의 방향으로, 즉, C-방향으로 및 도 3(e)에 도시된 바와 같이, 워크피스(24)를 프레스 단조(56)한 후, 프로세스(20)는 선택적으로 워크피스의 단열적으로 가열된 내부 영역(도시되지 않음)이 워크피스 단조 온도에서 또는 그 가까이에서의 온도로 냉각하도록 허용하는 단계(단계(60))를 더 포함하며, 이것은 도 3(f)에 표시된다. 내부 영역 냉각 시간은 범위가, 예를 들면, 5초에서 120초까지, 10초에서 60초까지, 또는 5초에서 5분까지 이를 수 있으며, 냉각 시간은 워크피스(24)의 크기, 형태, 및 조성, 뿐만 아니라 워크피스를 둘러싸는 환경의 특성들에 의존적임이 이 기술분야의 숙련자에 의해 인식된다.
선택적 냉각 기간 동안, 여기에 개시된 비-제한적인 실시예들에 따른 열적 관리 시스템(33)의 선택적 측면은 워크피스 단조 온도에서 또는 그 가까이에서의 온도로 워크피스(24)의 외부 표면 영역(36)을 가열하는 단계(단계(62))를 포함한다. 이러한 방식으로, 워크피스(24)의 온도는 각각의 고 변형 속도 MAF 히트 이전에 워크피스 단조 온도에서 또는 그 가까이에서 균일하거나 또는 거의 균일하며 실질적으로 등온 상태에서 유지된다. 비-제한적인 실시예들에서, 단열적으로 가열된 내부 영역이 특정된 내부 영역 냉각 시간 동안 냉각하도록 허용하는 것과 함께, 외부 표면 영역(36)을 가열하기 위해 열적 관리 시스템(33)을 사용함으로써, 워크피스의 온도는 각각의 A-B-C 단조 히트 사이에서 워크피스 단조 온도에서 또는 그 가까이에서 실질적으로 균일한 온도로 복구한다. 본 발명에 따른 다른 비-제한적인 실시예에서, 단열적으로 가열된 내부 영역이 특정된 내부 영역 냉각 시간 동안 냉각하도록 허용하는 것과 함께, 외부 표면 영역(36)을 가열하기 위해 열적 관리 시스템(33)을 사용함으로써, 워크피스의 온도는 연속적인 A-B-C 단조 히트들 사이에서 워크피스 단조 온도 범위 내 실질적으로 등온 상태로 복구한다.
비-제한적인 실시예에서, 워크피스(24)의 외부 표면 영역(36)을 가열하는 것(62)은 열적 관리 시스템(33)의 하나 이상의 외부 표면 가열 메커니즘들(38)을 사용하여 성취될 수 있다. 가능한 가열 메커니즘들(38)의 예들은 이에 제한되지 않지만, 워크피스(24)의 화염 가열을 위한 화염 가열기들; 유도 가열을 위한 유도 가열기들; 및/또는 방사 가열을 위한 방사 가열기들을 포함할 수 있다. 워크피스의 외부 표면을 가열하기 위한 다른 메커니즘들 및 기술들은 본 발명을 고려할 때 이 기술분야의 숙련자들에게 명백하 것이며, 이러한 메커니즘들 및 기술들은 본 발명의 범위 내에 있다. 표면 가열 메커니즘(38)의 비-제한적인 실시예는 박스로(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 박스로는 화염 가열 메커니즘들, 방사 가열 메커니즘들, 유도 가열 메커니즘들, 및 이제 또는 이후 이 기술분야의 숙련자에게 알려진 임의의 다른 적절한 가열 메커니즘 중 하나 이상을 사용하여 워크피스의 외부 표면 영역을 가열하기 위해 다양한 가열 메커니즘들을 갖고 구성될 수 있다.
다른 비-제한적인 실시예에서, 워크피스(24)의 외부 표면 영역(36)의 온도는 워크피스 단조 온도에서 또는 그 가까이에서 및 열적 관리 시스템(33)의 하나 이상의 다이 가열기들(40)을 사용하는 워크피스 단조 온도 범위 내에서 가열(62)되며 유지될 수 있다. 다이 가열기들(40)은 워크피스 단조 온도에서 또는 그 가까이에서 또는 워크피스 단조 온도 범위 내 온도에서 다이들(42) 또는 다이들의 다이 프레스 단조 표면들(44)을 유지하기 위해 사용될 수 있다. 비-제한적인 실시예에서, 열적 관리 시스템의 다이들(42)은 워크피스 단조 온도 내지 워크피스 단조 온도 아래 100°F (55.6°C)를 포함하는 범위 내 온도로 가열된다. 다이 가열기들(40)은 이에 제한되지 않지만, 화염 가열 메커니즘들, 방사 가열 메커니즘들, 전도 가열 메커니즘들, 및/또는 유도 가열 메커니즘들을 포함하여, 이제 또는 이후 이 기술분야의 숙련자에 의해 알려진 임의의 적절한 가열 메커니즘에 의해 다이들(42) 또는 다이 프레스 단조 표면(44)을 가열할 수 있다. 비-제한적인 실시예에서, 다이 가열기(40)는 박스로(도시되지 않음)의 구성요소일 수 있다. 열적 관리 시스템(33)이 도 2(b), 도 2(d), 및 도 2(f)에 도시된 다중-축 단조 프로세스의 평형 단계들((32), (52), (60)) 동안 사용되며 가동 중인 것으로 도시되지만, 열적 관리 시스템(33)은 도 2(a), 도 2(c), 및 도 2(e)에 도시된 프레스 단조 단계들(28, 46, 56) 동안 가동 중이거나 또는 가동 중이 아닐 수 있다.
본 발명의 측면은 워크피스의 3개의 직교 축들을 따르는 프레스 단조 단계들 중 하나 이상이 적어도 1.0의 총 변형률이 워크피스에서 달성될 때까지 반복되는 비-제한적인 실시예를 포함한다. 총 변형률은 총 진 변형률(true strain)이다. 구절 “진 변형률”은 또한 “대수 변형률(logarithmic strain)” 또는 “유효 변형률(effective strain)”로서 이 기술분야의 숙련자에게 알려져 있다. 도 2를 참조하면, 이것은 단계(g), 즉, 적어도 1.0, 또는 적어도 1.0에서 3.5 미만까지의 범위에서의 총 변형률이 워크피스에서 달성될 때까지 프레스 단조 단계들((28), (46), (56)) 중 하나 이상을 반복하는 단계(단계(64))에 의해 예시된다. 원하는 변형률이 프레스 단조 단계들((28) 또는 (46) 또는 (56)) 중 임의의 단계에서 달성되고 추가 프레스 단조가 불필요하며, 선택적 평형 단계들((즉, 워크피스의 내부 영역이 워크피스 단조 온도((32) 또는 (52) 또는 (60))에서 또는 그 가까이에서의 온도로 냉각하도록 허용하며 워크피스 단조 온도에서 또는 그 가까이에서의 온도로 워크피스((34) 또는 (54) 또는 (62))의 외부 표면을 가열하는)이 요구되지 않은 후, 워크피스는 비-제한적인 실시예에서, 액체에서의 담금질에 의해, 또는 또 다른 비-제한적인 실시예에서, 공기 냉각 또는 임의의 보다 빠른 속도의 냉각에 의해, 주위 온도로 간단히 냉각될 수 있다는 것이 추가로 인식된다.
비-제한적인 실시예에서, 총 변형률은 여기에 개시된 바와 같이, 다중-축 단조 후 전체 워크피스에서의 총 변형률임이 이해될 것이다. 본 발명에 따른 비-제한적인 실시예들에서, 총 변형률은 각각의 직교 축 상에서의 동일한 변형률들을 포함할 수 있거나, 또는 총 변형률은 하나 이상의 직교 축들 상에서의 상이한 변형률들을 포함할 수 있다.
비-제한적인 실시예에 따르면, 베타 어닐링 후, 워크피스는 알파-베타 상 필드에서 두 개의 상이한 온도들로 다중-축 단조될 수 있다. 예를 들면, 도 3을 참조하면, 도 2의 반복 단계(64)는 특정한 변형률이 달성될 때까지 알파-베타 상 필드에서 제 1 온도로 단계들((a)-(선택적 b), (c)-(선택적 d), 및 (e)-(선택적 f)) 중 하나 이상을 반복하는 단계, 및 그 후 최종 프레스 단조 단계((a), (b), 또는 (c))((즉, (28), (46), (56)) 후, 적어도 1.0의 또는 적어도 1.0에서 3.5 미만까지의 범위에서의 총 변형률이 워크피스에서 달성될 때까지 알파-베타 상 필드에서 제 2 온도로 단계들((a)-(선택적 b), (c)-(선택적 d), 및 (e)-(선택적 f)) 중 하나 이상을 반복하는 단계를 포함할 수 있다. 비-제한적인 실시예에서, 알파-베타 상 필드에서의 제 2 온도는 알파-베타 상 필드에서의 제 1 온도보다 낮다. 둘 이상의 MAF 프레스 단조 온도들에서 단계들((a)-(선택적 b), (c)-(선택적 d), 및 (e)-(선택적 f)) 중 하나 이상을 반복하기 위해 방법을 행하는 것은 온도들이 단조 온도 범위 내에 있는 한 본 발명의 범위 내에 있다는 것이 인식된다. 비-제한적인 실시예에서, 알파-베타 상 필드에서의 제 2 온도는 알파-베타 상 필드에서의 제 1 온도보다 높다는 것이 또한 인식된다.
본 발명에 따른 다른 비-제한적인 실시예에서, 상이한 감소들은 모든 방향들에서 균등화된 변형률을 제공하기 위해 A-축 히트, B-축 히트, 및 C-축 히트를 위해 사용된다. 모든 방향들에서 균등화된 변형률을 도입하기 위해 고 변형 속도 MAF를 적용하는 것은 워크피스의 적은 균열, 및 그에 대한 보다 등축 알파 입자 구조를 야기한다. 예를 들면, 비-균등화된 변형률은 3.0 인치의 높이로 A-축 상에서 단조된 고 변형 속도인 4-인치 입방으로 시작함으로써 입방 워크피스로 도입될 수 있다. A-축 상에서의 이러한 감소는 워크피스가 B-축 및 C-축을 따라 증가하게 한다. B-축 방향에서의 제 2 감소가 B-축 치수를 3.0 인치로 감소시킨다면, 보다 많은 변형률이 A-축 상에서보다 B-축 상에서의 워크피스에서 도입된다. 마찬가지로, C-축 치수를 3.0 인치로 감소시키기 위해 C-축 방향에서의 후속 히트는 A-축 또는 B-축 상에서보다 C-축 상에서의 워크피스로 보다 많은 변형률을 도입할 것이다. 또 다른 예로서, 모든 직교 방향들에서 균등화된 변형률을 도입하기 위해, 4-인치 입방 워크피스가 3.0 인치의 높이로 A-축 상에서 단조(“히트”)되고, 90도 회전하며 3.5 인치의 높이로 B-축 상에서 히트되며, 그 후 90도 회전되고 4.0 인치의 높이로 C-축 상에서 히트된다. 이러한 후자 시퀀스는 대략 4 인치 측면들을 가지며 입방체의 각각의 직교 방향에서 균등화된 변형률을 포함하는 입방체를 야기할 것이다. 고 변형 속도 MAF 동안 입방 워크피스의 각각의 직교 축 상에서의 감소를 산출하기 위한 일반적인 등식이 등식 1에 제공된다.
등식 1: 변형률 = -ln(스페이서 높이/개시 높이)
총 변형률을 산출하기 위한 일반적인 등식은 등식 2에 의해 제공된다:
등식 2: 총 변형률 = 
-ln (스페이서 높이/개시 높이)
상이한 감소들이 상이한 스페이서 높이들을 제공하는 단조 장치에서의 스페이서들을 사용함으로써, 또는 이 기술분야의 숙련자에게 알려진 임의의 대안적인 방식에 의해 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 비-제한적인 실시예에서, 이제 도 5를 참조하며, 도 3을 고려할 때, 초미립자 티타늄 합금의 생성을 위한 프로세스(70)는: 티타늄 합금 워크피스를 베타 어닐링(beta annealing)하는 단계(71); 워크피스의 티타늄 합금의 베타 트랜서스 온도 아래의 온도로 베타 어닐링된 워크피스(24)를 냉각시키는 단계(72); 워크피스의 티타늄 합금의 알파+베타 상 필드 내에 있는 워크피스 단조 온도 범위 내 워크피스 단조 온도로 워크피스(24)를 가열하는 단계(73); 및 워크피스를 고 변형 속도 MAF하는 단계(74)로서, 상이한 스페이서 높이들로 워크피스의 직교 축들로의 감소들을 프레소 단조하는 단계를 포함하는, 상기 고 변형 속도 MAF하는 단계(74)를 포함한다. 본 발명에 따른 다중-축 단조(74)의 비-제한적인 실시예에서, 워크피스(24)는 제 1 직교 축(A-축) 상에서 주요 감소 스페이서 높이로 프레스 단조된다(75). 여기에 사용된 바와 같이, 구절 “주요 감소 스페이서 높이로 … 프레스 단조되는”은 특정한 직교 축을 따라 워크피스의 원하는 최종 치수로 직교 축을 따라 워크피스를 프레스 단조하는 것을 나타낸다. 그러므로, 용어 “주요 감소 스페이서 높이”는 각각의 직교 축을 따라 워크피스의 최종 치수를 달성하기 위해 사용된 스페이서 높이로서 정의된다. 주요 감소 스페이서 높이들로의 모든 프레스 단조 단계들은 워크피스의 내부 영역을 단열적으로 가열하기에 충분한 변형 속도를 사용하여 발생해야 한다.
도 3(a)에 도시된 바와 같이 주요 감소 스페이서 높이로 제 1 직교 A-축의 방향으로 워크피스(24)를 프레스 단조(75)한 후, 프로세스(70)는 선택적으로 워크피스의 단열적으로 가열된 내부 영역(도시되지 않음)이 워크피스 단조 온도에서 또는 그 가까이에서의 온도로 냉각하도록 허용하는 단계(단계(76), 도 3(b)에 표시됨)를 더 포함한다. 내부 영역 냉각 시간은 그 범위가, 예를 들면, 5초에서 120초까지, 10초에서 60초까지, 또는 5초에서 5분까지에 이를 수 있으며, 이 기술분야의 숙련자는 요구된 냉각 시간이 워크피스의 크기, 형태, 및 조성, 뿐만 아니라 워크피스를 둘러싸는 환경의 특성들에 의존할 것임을 인식할 것이다.
선택적 내부 영역 냉각 시간 기간 동안, 여기에 개시된 비-제한적인 실시예들에 따른 열적 관리 시스템(33)의 측면은 워크피스 단조 온도에서 또는 그 가까이에서의 온도로 워크피스(24)의 외부 표면 영역(36)을 가열하는 단계(단계(77))를 포함할 수 있다. 이러한 방식으로, 워크피스(24)의 온도는 각각의 고 변형 속도 MAF 히트 이전에 워크피스 단조 온도에서 또는 그 가까이에서 균일하거나 또는 거의 균일하며 실질적으로 등온 상태에서 유지된다. 단열적으로 가열된 내부 영역이 특정된 내부 영역 냉각 시간 동안 냉각하도록 허용하는 것과 함께, 외부 표면 영역(36)을 가열하기 위해 열적 관리 시스템(33)을 사용하는 특정한 비-제한적인 실시예들에서, 워크피스의 온도는 각각의 A, B, 및 C 단조 히트들의 중간에 워크피스 단조 온도에서 또는 그 가까이에서의 실질적으로 균일한 온도로 복구한다. 단열적으로 가열된 내부 영역이 특정된 내부 영역 냉각 시간 동안 냉각하도록 허용하는 것과 함께, 외부 표면 영역(36)을 가열하기 위해 열적 관리 시스템(33)을 사용하여 본 발명에 따른 다른 비-제한적인 실시예들에서, 워크피스의 온도는 각각의 A, B, 및 C 단조 히트들의 중간에 워크피스 단조 온도 범위 내의 실질적으로 균일한 온도로 복구한다.
비-제한적인 실시예에서, 워크피스(24)의 외부 표면 영역(36)을 가열하는 단계(77)는 열적 관리 시스템(33)의 하나 이상의 외부 표면 가열 메커니즘들(38)을 사용하여 성취될 수 있다. 가능한 외부 표면 가열 메커니즘들(38)의 예들은, 이에 제한되지 않지만, 워크피스(24)의 화염 가열을 위해 적응된 화염 가열기들; 유도 가열을 위해 적응된 유도 가열기들; 및 방사 가열을 위해 적응된 방사 가열기들을 포함한다. 워크피스의 외부 표면 영역을 가열하기 위한 다른 메커니즘들 및 기술들은 본 발명을 고려할 때 이 기술분야의 숙련자들에게 명백할 것이며, 이러한 메커니즘들 및 기술들은 본 발명의 범위 내에 있다. 외부 표면 영역 가열 메커니즘(38)의 비-제한적인 실시예는 박스로(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 박스로는 예를 들면, 화염 가열 메커니즘들, 방사 가열 메커니즘들, 유도 가열 메커니즘들, 및/또는 이제 또는 이후 이 기술분야의 숙련자에게 알려진 임의의 다른 적절한 가열 메커니즘 중 하나 이상을 사용하여 워크피스의 외부 표면 영역을 가열하기 위해 다양한 가열 메커니즘들을 갖고 구성될 수 있다.
또 다른 비-제한적인 실시예에서, 워크피스(24)의 외부 표면 영역(36)의 온도는 워크피스 단조 온도에서 또는 그 가까이에서 및 열적 관리 시스템(33)의 하나 이상의 다이 가열기들(40)을 사용하여 워크피스 단조 온도 범위 내에서 가열(34)되며 유지될 수 있다. 다이 가열기들(40)은 워크피스 단조 온도에서 또는 그 가까이에서 또는 워크피스 단조 온도 범위 내의 온도들에서 다이들(42) 또는 다이들의 다이 프레스 단조 표면들(44)을 유지하기 위해 사용될 수 있다. 비-제한적인 실시예에서, 열적 관리 시스템의 다이들(42)은 워크피스 단조 온도에서 워크피스 단조 온도 아래 100°F (55.6°C)에 이르기까지를 포함하는 범위 내의 온도로 가열된다. 다이 가열기들(40)은 이에 제한되지 않지만, 화염 가열 메커니즘들, 방사 가열 메커니즘들, 전도 가열 메커니즘들, 및/또는 유도 가열 메커니즘들을 포함하여, 이제 또는 이후 이 기술분야의 숙련자에 의해 알려진 임의의 적절한 가열 메커니즘에 의해 다이들(42) 또는 다이 프레스 단조 표면(44)을 가열할 수 있다. 비-제한적인 실시예에서, 다이 가열기(40)는 박스로(도시되지 않음)의 구성요소일 수 있다. 열적 관리 시스템(33)은 다중-축 단조 프로세스의 냉각 단계들 동안 사용되며 가동 중인 것으로 도시되지만, 열적 관리 시스템(33)은 프레스 단조 단계들 동안 가동 중이거나 또는 가동 중이 아닐 수 있다는 것이 인식된다.
비-제한적인 실시예에서, 또한 여기에서 감소(" A ")로서 불리우는, A-축(도 3 참조) 상에서 주요 감소 스페이서 높이(75)로 프레스 단조한 후, 및 선택적 허용(76) 및 가열(77) 단계들 후, 적용된다면, 선택적 가열 및 냉각 단계들을 포함할 수 있는, 후속 프레스 단조들 내지 블로킹 감소 스페이서 높이들은 B 및 C 축들 상에서 워크피스를 “스퀘어-업(square-up)”하기 위해 적용된다. 그 외 여기에서 제 1 블로킹 감소 스페이서 높이로의 프레스 단조((78), (87), (96)) 및 제 2 블로킹 감소 스페이서로의 프레스 단조((81), (90), (99))로서 나타내어진, 구절 “… 블로킹 감소 스페이서 높이로 프레스 단조”는 주요 감소 스페이서 높이로의 프레스 단조 후 임의의 면의 중심 가까이에서 발생하는 벌징을 감소시키거나 또는 “스퀘어-업”하기 위해 사용되는 프레스 단조 단계로서 정의된다. 임의의 면의 중심에서 또는 그 가까이에서의 벌징은 면들로 도입되는 3축 응력 상태를 야기하며, 이것은 워크피스의 균열을 야기할 수 있다. 또한 여기에서 제 1 블로킹 감소, 제 2 블로킹 감소, 또는 간단히 블로킹 감소들로서 불리우는, 제 1 감소 스페이서 높이로의 프레스 단조 및 제 2 블로킹 감소 스페이서 높이로의 프레스 단조의 단계들은 벌징된 면들을 변형하기 위해 이용되며, 따라서 워크피스의 면들은 직교 축을 따라 주요 감소 스페이서 높이로의 다음 프레스 단조 전에 편평하거나 또는 상당히 편평하다. 블로킹 감소들은 주요 감소 스페이서 높이로의 프레스 단조의 각각의 단계에서 사용된 스페이서 높이보다 큰 스페이서 높이로 프레스 단조하는 것을 수반한다. 여기에 개시된 제 1 및 제 2 블로킹 감소들의 모두의 변형 속도는 워크피스의 내부 영역을 단열적으로 가열하기에 충분할 수 있지만, 비-제한적인 실시예에서, 제 1 블로킹 및 제 2 블로킹 감소들 동안의 단열적 가열은 제 1 및 제 2 블로킹 감소들에서 발생된 총 변형률이 워크피스를 상당히 단열적으로 가열하기에 충분하지 않을 수 있기 때문에 발생하지 않을 수 있다. 블로킹 감소들이 주요 감소 스페이서 높이로 프레스 단조하는데 사용된 것들보다 큰 스페이서 높이들로 수행되기 때문에, 블로킹 감소에서 워크피스에 부가된 변형률은 워크피스의 내부 영역을 단열적으로 가열하기에 충분하지 않을 수 있다. 보여질 바와 같이, 고 변형 속도 MAF 프로세스에서의 제 1 및 제 2 블로킹 감소들의 통합은, 비-제한적인 실시예들에서, A -B-C- B -C-A- C 로 이루어진 적어도 하나의 사이클의 단조 시퀀스를 야기하며, 여기에서 A , B , 및 C 는 주요 감소 스페이서 높이로 프레스 단조하는 것을 포함하며, 여기에서 B, C, C, 및 A는 제 1 또는 제 2 블로킹 감소 스페이서 높이들로 프레스 단조하는 것을 포함하거나; 또는 다른 실시예에서 A -B-C- B -C-A- C -A-B로 이루어진 적어도 하나의 사이클을 야기하고, 여기에서 A , B , 및 C 는 주요 감소 스페이서 높이로 프레스 단조하는 것을 포함하며, 여기에서 B, C, C, A, A, 및 B는 제 1 또는 제 2 블로킹 감소 스페이서 높이들로 프레스 단조하는 것을 포함한다.
도 3 및 도 5를 다시 참조하면, 비-제한적인 실시예에서, 제 1 직교 축 상에서 주요 감소 스페이서 높이(75)로 프레스 단조한 단계( A 감소) 후, 및 적용된다면, 상기 설명된 바와 같이, 선택적 허용(76) 및 가열(77) 단계들 후, 워크피스는 B-축 상에서 제 1 블로킹 감소 스페이서 높이로 프레스 단조된다(78). 제 1 블로킹 감소의 변형 속도가 워크피스의 내부 영역을 단열적으로 가열하기에 충분할 수 있지만, 비-제한적인 실시예에서, 제 1 블로킹 감소 동안 단열적 가열은 제 1 블로킹 감소에서 발생된 변형률이 워크피스를 상당히 단열적으로 가열하기에 충분하지 않을 수 있기 때문에 발생하지 않을 수 있다. 선택적으로, 워크피스의 단열적으로 가열된 내부 영역은 워크피스 단조 온도에서 또는 그 가까이에서의 온도로 냉각하도록 허용(79)되는 반면, 워크피스의 외부 표면 영역은 워크피스 단조 온도에서 또는 그 가까이에서의 온도로 가열(80)된다. 상기 및 본 발명의 다른 실시예들에서 개시된 A 감소(75)를 위한 모든 냉각 시간 및 가열 방법들은 단계들((79) 및 (80))을 위해 및 워크피스의 내부 영역이 냉각하도록 허용하며 워크피스의 외부 표면 영역을 가열하는 모든 선택적 후속 단계들에 적용 가능하다.
그 다음 워크피스는 주요 감소 스페이서 높이보다 높은 제 2 블로킹 감소 스페이서 높이로 C-축 상에서 프레스 단조된다(81). 제 1 및 제 2 블로킹 감소들은 워크피스를 실질적으로 워크피스의 사전-단조 형태로 되돌리기 위해 적용된다. 제 2 블로킹 감소의 변형 속도는 워크피스의 내부 영역을 단열적으로 가열하기에 충분할 수 있지만, 비-제한적인 실시예에서, 제 2 블로킹 감소 동안의 단열적 가열은 제 2 블로킹 감소에서 발생된 변형률이 워크피스를 상당히 단열적으로 가열하기에 충분하지 않을 수 있기 때문에 발생하지 않을 수 있다. 선택적으로, 워크피스의 단열적으로 가열된 내부 영역은 워크피스 단조 온도에서 또는 그 가까이에서의 온도로 냉각하도록 허용(82)되는 한편, 워크피스의 외부 표면 영역은 워크피스 단조 온도에서 또는 그 가까이에서의 온도로 가열(83)된다.
그 다음 워크피스는 제 2 직교 축, 또는 B-축의 방향으로 주요 감소 스페이서 높이(84)로 프레스 단조된다. B-축(84) 상에서 주요 감소 스페이서 높이로 프레스 단조하는 것은 여기에서 B 감소로서 불리운다. B 감소(84) 후, 선택적으로, 워크피스의 단열적으로 가열된 내부 영역은 워크피스 단조 온도에서 또는 그 가까이에서의 온도로 냉각하도록 허용(85)되는 반면, 워크피스의 외부 표면 영역은 워크피스 단조 온도에서 또는 그 가까이에서의 온도로 가열(86)된다.
그 다음 워크피스는 주요 감소 스페이서 높이보다 큰 제 1 블로킹 감소 스페이서 높이로 C-축 상에서 프레스 단조(87)된다. 제 1 블로킹 감소의 변형 속도가 워크피스의 내부 영역을 단열적으로 가열하기에 충분할 수 있지만, 비-제한적인 실시예에서, 제 1 블로킹 감소 동안의 단열적 가열은 제 1 블로킹 감소에서 발생된 변형률이 워크피스를 상당히 단열적으로 가열하기에 충분하지 않을 수 있기 때문에 발생하지 않을 수 있다. 선택적으로, 워크피스의 단열적으로 가열된 내부 영역은 워크피스 단조 온도에서 또는 그 가까이에서의 온도로 냉각하도록 허용(88)되는 한편, 워크피스의 외부 표면 영역은 워크피스 단조 온도에서 또는 그 가까이에서의 온도로 가열(89)된다.
그 다음 워크피스는 주요 감소 스페이서 높이보다 큰 제 2 블로킹 감소 스페이서 높이로 A-축 상에서 프레스 단조(90)된다. 제 1 및 제 2 블로킹 감소들은 워크피스를 실질적으로 워크피스의 사전-단조 형태로 되돌리기 위해 적용된다. 제 2 블로킹 감소의 변형 속도는 워크피스의 내부 영역을 단열적으로 가열하기에 충분할 수 있지만, 비-제한적인 실시예에서, 제 2 블로킹 감소 동안의 단열적 가열은 제 2 블로킹 감소에서 발생된 변형률이 워크피스를 상당히 단열적으로 가열하기에 충분하지 않을 수 있기 때문에 발생하지 않을 수 있다. 선택적으로, 워크피스의 단열적으로 가열된 내부 영역은 워크피스 단조 온도에서 또는 그 가까이에서의 온도로 냉각하도록 허용(91)되는 반면, 워크피스의 외부 표면 영역은 워크피스 단조 온도에서 또는 그 가까이에서의 온도로 가열(92)된다.
그 다음 워크피스는 제 3 직교 축, 또는 C-축의 방향으로 주요 감소 스페이서 높이(93)로 프레스 단조된다. C-축(93) 상에서 주요 감소 스페이서 높이로 프레스 단조하는 것은 여기에서 C 감소로서 불리운다. C 감소(93) 후, 선택적으로, 워크피스의 단열적으로 가열된 내부 영역은 워크피스 단조 온도에서 또는 그 가까이에서의 온도로 냉각하도록 허용(94)되는 한편, 워크피스의 외부 표면 영역은 워크피스 단조 온도에서 또는 그 가까이에서의 온도로 가열된다(95).
그 다음 워크피스는 주요 감소 스페이서 높이보다 큰 제 1 블로킹 감소 스페이서 높이로 A-축 상에서 프레스 단조된다(96). 제 1 블로킹 감소의 변형 속도가 워크피스의 내부 영역을 단열적으로 가열하기에 충분할 수 있지만, 비-제한적인 실시예에서, 제 1 블로킹 감소 동안의 단열적 가열은 제 1 블로킹 감소에서 발생된 변형률이 워크피스를 상당히 단열적으로 가열하기에 충분하지 않을 수 있기 때문에 발생하지 않을 수 있다. 선택적으로, 워크피스의 단열적으로 가열된 내부 영역은 워크피스 단조 온도에서 또는 그 가까이에서의 온도로 냉각하도록 허용(97)되는 한편, 워크피스의 외부 표면 영역은 워크피스 단조 온도에서 또는 그 가까이에서의 온도로 가열(98)된다.
그 다음 워크피스는 주요 감소 스페이서 높이보다 큰 제 2 블로킹 감소 스페이서 높이로 B-축 상에서 프레스 단조(99)된다. 제 1 및 제 2 블로킹 감소들은 워크피스를 실질적으로 워크피스의 사전-단조 형태로 되돌리기 위해 적용된다. 제 2 블로킹 감소의 변형 속도는 워크피스의 내부 영역을 단열적으로 가열하기에 충분할 수 있지만, 비-제한적인 실시예에서, 제 2 블로킹 감소 동안 단열적 가열은 제 2 블로킹 감소에서 발생된 변형률이 워크피스를 상당히 단열적으로 가열하기에 충분하지 않을 수 있기 때문에 발생하지 않을 수 있다. 선택적으로, 워크피스의 단열적으로 가열된 내부 영역은 워크피스 단조 온도에서 또는 그 가까이에서의 온도로 냉각하도록 허용(100)되는 한편, 워크피스의 외부 표면 영역은 워크피스 단조 온도에서 또는 그 가까이에서의 온도로 가열(101)된다.
도 5를 참조하면, 비-제한적인 실시예들에서, 프레스 단조 단계들((75), (78), (81), (84), (87), (90), (93), (96), 및 (99)) 중 하나 이상은 적어도 1.0의 총 변형률이 티타늄 합금 워크피스에서 달성될 때까지 반복된다(102). 다른 비-제한적인 실시예에서, 프레스 단조 단계들((75), (78), (81), (84), (87), (90), (93), (96), 및 (99)) 중 하나 이상은 적어도 1.0에서 3.5 미만까지의 범위에 있는 총 변형률이 티타늄 합금 워크피스에서 달성될 때까지 반복된다(102). 적어도 1.0의 원하는 변형률, 또는 대안적으로 적어도 1.0에서 3.5 미만까지의 범위에서의 원하는 변형률을 달성한 후, 프레스 단조 단계들((75), (78), (81), (84), (87), (90), (93), (96), 및 (99)) 중 임의의 단계에서, 선택적 중간 평형 단계들((즉, 워크피스의 내부 영역이 냉각하도록 허용하는 단계((76), (79), (82), (85), (88), (91), (94), (97), 또는 (100)), 및 워크피스의 외부 표면을 가열하는 단계((77), (80), (83), (86), (89), (92), (95), (98), 또는 (101))이 요구되지 않으며, 워크피스는 주위 온도로 냉각될 수 있다는 것이 인식될 것이다. 비-제한적인 실시예에서, 냉각은 예를 들면, 물 담금질과 같은 액체 담금질을 포함한다. 또 다른 비-제한적인 실시예에서, 냉각은 공기 냉각의 냉각 속도 이상을 갖고 냉각시키는 것을 포함한다.
상기 설명된 프로세스는 제 1 및 제 2 블로킹 감소 스페이서 높이들로 프레스 단조하는 것에 앞서 주요 감소 스페이서 높이로 프레스 단조하는 반복된 시퀀스를 포함한다. 상기 설명된 비-제한적인 실시예에 개시된 바와 같은 하나의 총 MAF 사이클을 나타내는 단조 시퀀스는 A -B-C- B -C-A- C -A-B로서 표현될 수 있으며, 여기에서 볼드체이며 밑줄이 그어진 감소들(히트들)은 주요 감소 스페이서 높이로의 프레스 단조들이며, 볼드체가 아니면 밑줄이 그어지지 않은 감소들은 제 1 또는 제 2 블로킹 감소들이다. 본 발명에 따른 MAF 프로세스의 주요 감소 스페이서 높이들 및 제 1 및 제 2 블로킹 감소들로의 프레스 단조를 포함하는, 모든 프레스 단조 감소들은 워크피스의 내부 영역을 단열적으로 가열하기에 충분한 고 변형 속도, 예로서, 및 제한 없이, 0.2 s-1 내지 0.8 s-1의 범위에 있거나, 또는 0.2 s-1 내지 0.4 s-1의 범위에 있는 변형 속도를 갖고 행해진다는 것이 이해될 것이다. 단열 가열은 주 감소들과 비교하여, 이들 감소들에서의 보다 낮은 정도의 변형으로 인해 제 1 및 제 2 블로킹 감소들 동안 실질적으로 발생하지 않을 수 있다는 것이 또한 이해될 것이다. 선택적 단계들로서, 연속적인 프레스 단조 감소들 중간에, 워크피스의 단열적으로 가열된 내부 영역은 워크피스 단조 온도에서 또는 그 가까이에서의 온도로 냉각하도록 허용되며, 워크피스의 외부 표면은 여기에 개시된 열적 관리 시스템을 이용하는 워크피스 단조 온도에서 또는 그 가까이에서의 온도로 가열된다는 것이 또한 이해될 것이다. 이들 선택적 단계들은 방법이 보다 큰 크기의 워크피스들을 프로세싱하기 위해 사용될 때 보다 유리할 수 있다고 믿어진다. 여기에 설명된 A -B-C- B -C-A- C -A-B 단조 시퀀스 실시예는 적어도 1.0 또는 적어도 1.0에서 3.5 미만까지의 범위에 있는 총 변형률이 워크피스에서 달성될 때까지 전체적으로 또는 부분적으로 반복될 수 있다는 것이 추가로 이해된다.
워크피스에서의 벌징은 워크피스의 중심 가까이에서의 보다 뜨거운 재료의 존재 및 표면 다이 락(die lock)의 조합으로부터 기인한다. 벌징이 증가함에 따라, 각각의 면 중심은 점점 더 균열을 개시할 수 있는 3축 부하들의 대상이 된다. A -B-C- B -C-A- C -A-B 시퀀스에서, 주요 감소 스페이서 높이로의 각각의 프레스 단조 중간에 블로킹 감소들의 사용은 워크피스에서 균열 형성에 대한 경향을 감소시킨다. 비-제한적인 실시예에서, 워크피스가 입방체의 형태에 있을 때, 제 1 블로킹 감소에 대한 제 1 블로킹 감소 스페이서 높이는 주요 감소 스페이서 높이보다 40-60% 더 큰 스페이서 높이로 있을 수 있다. 비-제한적인 실시예에서, 워크피스가 입방체의 형태에 있을 때, 제 2 블로킹 감소에 대한 제 2 블로킹 감소 스페이서 높이는 주요 감소 스페이서 높이보다 15-30% 더 큰 스페이서 높이로 있을 수 있다. 또 다른 비-제한적인 실시예에서, 제 1 블로킹 감소 스페이서 높이는 제 2 블로킹 감소 스페이서 높이와 실질적으로 등가일 수 있다.
본 발명에 따른 열적 관리된, 고 변형 속도 다중-축 단조의 비-제한적인 실시예들에서, 적어도 1.0, 또는 적어도 1.0에서 3.5 미만까지의 범위에 있는 총 변형률 후, 워크피스는 초미립자(UFG) 크기로 고려되는, 4 ㎛이하의 평균 알파 입자 크기를 포함한다. 본 발명에 따른 비-제한적인 실시예에서, 적어도 1.0, 또는 적어도 1.0에서 3.5 미만까지의 범위에 있는 총 변형률을 이용하는 것은 등축인 입자들을 생성한다.
선택적 열적 관리 시스템의 사용 및 다중-축 단조를 포함하는 본 발명에 따른 프로세스의 비-제한적인 실시예에서, 워크피스-프레스 다이 계면은 이에 제한되지 않지만, 흑연, 유리들, 및/또는 다른 알려진 고체 윤활제들과 같은, 이 기술분야의 숙련자들에게 알려진 윤활제들을 이용하여 윤활된다.
본 발명에 따른 방법들의 특정한 비-제한적인 실시예들에서, 워크피스는 알파+베타 티타늄 합금들 및 준안정(metastable) 베타 티타늄 합금들로부터 선택된 티타늄 합금을 포함한다. 다른 비-제한적인 실시예에서, 워크피스는 알파+베타 티타늄 합금을 포함한다. 또 다른 비-제한적인 실시예에서, 워크피스는 준안정 베타 티타늄 합금을 포함한다. 비-제한적인 실시예에서, 본 발명에 따른 방법에 의해 프로세싱된 티타늄 합금은 Ti-6-4 합금 (UNS R56400)의 것들보다 느린 유효 알파 상 침전 및 성장 속도론을 포함하며, 이러한 속도론은 여기에서 “보다 느린 알파 속도론”으로서 불리울 수 있다. 비-제한적인 실시예에서, 보다 느린 알파 속도론들은 티타늄 합금에서의 가장 느린 확산 합금 종들의 확산도가 베타 트랜서스 온도(Tβ)에서 Ti-6-4 합금에서의 알루미늄의 확산도보다 느릴 때 달성된다. 예를 들면, Ti-6-2-4-2 합금은 Ti-6-2-4-2 합금에서, 실리콘과 같은, 부가적인 입자 피닝 원소들의 존재의 결과로서 Ti-6-4 합금보다 더 느린 알파 속도론을 보인다. 또한, Ti-6-2-4-6 합금은 T-6-4 합금보다 더 높은 몰리브덴 함유량과 같은, 부가적인 베타 안정화 합금 첨가물들의 존재의 결과로서 Ti-6-4 합금보다 더 느린 알파 속도론을 가진다. 이들 합금들에서의 보다 느린 알파 속도론들의 결과는 고 변형 속도 MAF 이전에 Ti-6-2-4-6 및 Ti-6-2-4-2 합금들을 베타 어닐링하는 것이 Ti-6-2-4-6 및 Ti-6-2-4-2 합금들보다 더 빠른 알파 상 침전 및 성장 속도론을 보이는 Ti-6-4 합금 및 특정한 다른 티타늄 합금들과 비교하여 비교적 미세하며 안정된 알파 라스 크기 및 미세한 베타-상 구조를 생성한다는 것이다. 구절 “보다 느린 알파 속도론”은 본 발명에서 이전에 추가로 상세히 논의된다. 본 발명에 따른 방법들의 실시예들을 사용하여 프로세싱될 수 있는 대표적인 티타늄 합금들은, 이에 제한되지 않지만, Ti-6-2-4-2 합금, Ti-6-2-4-6 합금, ATI 425® 합금 (Ti-4Al-2.5V 합금), Ti-6-6-2 합금, 및 Ti-6Al-7Nb 합금을 포함한다.
본 발명에 따른 방법의 비-제한적인 실시예에서, 베타 어닐링은: 베타 어닐링 온도로 워크피스를 가열하는 것; 워크피스에 100% 티타늄 베타 상 미세구조를 형성하기에 충분한 어닐링 시간 동안 베타 어닐링 온도에서 워크피스를 유지하는 것; 및 워크피스 단조 온도에서 또는 그 가까이에서의 온도로 직접 워크피스를 냉각시키는 것을 포함한다. 특정한 비-제한적인 실시예들에서, 베타 어닐링 온도는 티타늄 합금의 베타 트랜서스 온도에서 티타늄 합금의 베타 트랜서스 온도 위 300°F (111°C)까지의 온도 범위에 있다. 비-제한적인 실시예들은 5분에서 24시간까지의 베타 어닐링 시간을 포함한다. 본 설명을 판독할 때, 이 기술분야의 숙련자는 다른 베타 어닐링 온도들 및 베타 어닐링 시간이 본 발명의 실시예들의 범위 내에 있으며, 예를 들면, 비교적 큰 워크피스들이 100% 베타 상 티타늄 미세구조를 형성하기 위해 비교적 더 높은 베타 어닐링 온도들 및/또는 더 긴 베타 어닐링 시간을 요구할 수 있다는 것을 이해할 것이다.
워크피스가 100% 베타 상 미세구조를 형성하기 위해 베타 어닐링 온도에서 유지되는 특정한 비-제한적인 실시예들에서, 워크피스는 또한 워크피스 단조 온도에서 또는 그 가까이에서의 온도로 또는 주위 온도로 워크피스를 냉각시키기 전에 티타늄 합금의 베타 상 필드에서 소성 변형 온도로 소성 변형될 수 있다. 워크피스의 소성 변형은 워크피스를 드로잉하는 것, 업셋 단조하는 것, 및 고 변형 속도 다중-축 단조하는 것 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 비-제한적인 실시예에서, 베타 상 영역에서의 소성 변형은 0.1 내지 0.5의 범위에서 베타-업셋 변형률로 워크피스를 업셋 단조하는 것을 포함한다. 특정한 비-제한적인 실시예들에서, 소성 변형 온도는 티타늄 합금의 베타 트랜서스 온도에서 티타늄 합금의 베타 트랜서스 온도 위 300°F (111°C)까지를 포함한 온도 범위에 있다.
도 6은 베타 트랜서스 온도 위에서 워크피스를 소성 변형하고 워크피스 단조 온도로 직접 냉각시키는 비-제한적인 방법에 대한 온도-시간 열기계적 프로세스 차트이다. 도 6에서, 비-제한적인 방법(200)은 Ti-6-4 합금의 것들보다 더 느린 알파 침전 및 성장 속도론을 가진 티타늄 합금을 포함하는 워크피스를, 예를 들면, 티타늄 합금의 베타 트랜서스 온도(206) 위 베타 어닐링 온도(204)로 가열하는 단계(202), 및 워크피스에서 모든 베타 티타늄 상 미세구조를 형성하기 위해 베타 어닐링 온도(204)에서 워크피스를 유지 또는 “침지(soaking)”하는 단계(208)를 포함한다. 본 발명에 따른 비-제한적인 실시예에서, 침지(208) 후, 워크피스는 소성 변형(210)될 수 있다. 비-제한적인 실시예에서, 소성 변형(210)은 업셋 단조를 포함한다. 비-제한적인 실시예에서, 소성 변형(210)은 0.3의 진 변형률로 업셋 단조하는 것을 포함한다. 비-제한적인 실시예에서, 소성 변형(210)하는 것은 베타 어닐링 온도에서 열적 관리된 고 변형 속도 다중-축 단조(도 6에 도시되지 않음)를 포함한다.
여전히 도 6을 참조하면, 베타 상 필드에서의 소성 변형(210) 후, 비-제한적인 실시예에서, 워크피스는 티타늄 합금의 알파+베타 상 필드에서 워크피스 단조 온도(214)로 냉각(212)된다. 비-제한적인 실시예에서, 냉각(212)은 공기 냉각을 통해 달성된 것보다 빠른 속도로 공기 냉각 또는 냉각시키는 것을 포함한다. 또 다른 비-제한적인 실시예에서, 냉각은 이에 제한되지 않지만, 물 담금질과 같은 액체 담금질을 포함한다. 냉각(212) 후, 워크피스는 본 발명의 특정한 비-제한적인 실시예들에 따라 고 변형 속도 다중-축 단조(214)된다. 도 6의 비-제한적인 실시예에서, 워크피스는 12회 히트 또는 프레스 단조되며, 즉, 워크피스의 3개의 직교 축들이 각각 총 4회 비-순차적으로 프레스 단조된다. 다시 말해서, 도 2 및 도 6을 참조하면, 단계들((a)-(선택적 b), (c)-(선택적 d), 및 (e)-(선택적 f))을 포함하는 사이클이 4회 수행된다. 도 6의 비-제한적인 실시예에서, 12개의 히트들을 수반하는 다중-축 단조 시퀀스 후, 총 변형률은, 예를 들면, 적어도 1.0과 같을 수 있거나, 또는 적어도 1.0에서 3.5 미만까지의 범위에 있을 수 있다. 다중-축 단조(214) 후, 워크피스는 주위 온도로 냉각(216)된다. 비-제한적인 실시예에서, 냉각(216)은 공기 냉각을 통해 달성된 것보다 빠른 속도로 공기 냉각 또는 냉각시키는 것을 포함하지만, 이에 제한되지 않지만 유체 또는 액체 담금질과 같은 다른 형태들의 냉각이 여기에 개시된 실시예들의 범위 내에 있다.
본 발명의 비-제한적인 측면은 알파+베타 상 필드에서 두 개의 온도들로의 고 변형 속도 다중-축 단조를 포함한다. 도 7은 제 1 워크피스 단조 온도에서 티타늄 합금 워크피스를 다중-축 단조하는 단계; 상기 개시된 열적 관리 특징의 비-제한적인 실시예를 선택적으로 이용하는 단계; 알파+베타 상에서 제 2 워크피스 단조 온도로 냉각시키는 단계; 제 2 워크피스 단조 온도에서 티타늄 합금 워크피스를 다중-축 단조하는 단계; 및 여기에 개시된 열적 관리 특징의 비-제한적인 실시예를 선택적으로 이용하는 단계를 포함하는 본 발명에 따른 비-제한적인 방법에 대한 시간-온도 열기계적 프로세스 차트이다.
도 7에서, 본 발명에 따른 비-제한적인 방법(230)은 합금의 베타 트랜서스 온도(236) 위 베타 어닐링 온도(234)로 워크피스를 가열하는 단계(232) 및 티타늄 합금 워크피스에서 모든 베타 상 미세구조를 형성하기 위해 베타 어닐링 온도(234)에서 워크피스를 유지 또는 침지하는 단계(238)를 포함한다. 침지(238) 후, 워크피스는 소성 변형(240)될 수 있다. 비-제한적인 실시예에서, 소성 변형(240)은 업셋 단조를 포함한다. 다른 비-제한적인 실시예에서, 소성 변형(240)은 0.3의 변형률로 업셋 단조하는 것을 포함한다. 또 다른 비-제한적인 실시예에서, 워크피스를 소성 변형(240)하는 것은 베타 어닐링 온도에서 고 변형 다중-축 단조(도 7에 도시되지 않음)를 포함한다.
여전히 도 7을 참조하면, 베타 상 필드에서 소성 변형(240) 후, 워크피스는 티타늄 합금의 알파+베타 상 필드에서 제 1 워크피스 단조 온도(244)로 냉각(242)된다. 비-제한적인 실시예들에서, 냉각(242)은 공기 냉각 및 액체 담금질 중 하나를 포함한다. 냉각(242) 후, 워크피스는 제 1 워크피스 단조 온도에서 고 변형 속도 다중-축 단조(246)되며, 선택적으로 여기에 개시된 비-제한적인 실시예들에 따른 열적 관리 시스템이 이용된다. 도 7의 비-제한적인 실시예에서, 워크피스는 각각의 히트 사이에서 90° 회전을 갖고 제 1 워크피스 단조 온도에서 12회 히트되거나 또는 프레스 단조되며, 즉, 워크피스의 3개의 직교 축들이 각각 4회 프레스 단조된다. 다시 말해서, 도 2를 참조하면, 단계들((a)-(선택적 b), (c)-(선택적 d), 및 (e)-(선택적 f))을 포함하는 사이클이 4회 수행된다. 도 7의 비-제한적인 실시예에서, 제 1 워크피스 단조 온도에서 워크피스를 고 변형 속도 다중-축 단조(246)한 후, 티타늄 합금 워크피스는 알파+베타 상 필드에서 제 2 워크피스 단조 온도(250)로 냉각된다(248). 냉각(248) 후, 워크피스는 제 2 워크피스 단조 온도에서 고 변형 속도 다중-축 단조(250)되며, 선택적으로 여기에 개시된 비-제한적인 실시예들에 따른 열적 관리 시스템이 이용된다. 도 7의 비-제한적인 실시예에서, 워크피스는 제 2 워크피스 단조 온도에서 총 12회 히트되거나 또는 프레스 단조된다. 제 1 및 제 2 워크피스 단조 온도들에서 티타늄 합금 워크피스에 적용된 히트들의 수는 원하는 진 변형률 및 원하는 최종 입자 크기에 의존하여 변할 수 있으며, 적절한 히트들의 수는 본 발명을 고려할 때 과도한 실험 없이 결정될 수 있다는 것이 인식된다. 제 2 워크피스 단조 온도에서 다중-축 단조(250)한 후, 워크피스는 주위 온도로 냉각(252)된다. 비-제한적인 실시예들에서, 냉각(252)은 주위 온도로의 공기 냉각 및 액체 담금질 중 하나를 포함한다.
비-제한적인 실시예에서, 제 1 워크피스 단조 온도는 티타늄 합금의 베타 트랜서스 온도 아래 100°F (55.6°C) 초과 내지 티타늄 합금의 베타 트랜서스 온도 아래 500°F (277.8°C)의 제 1 워크피스 단조 온도 범위에 있으며, 즉, 제 1 워크피스 단조 온도(T1)는 Tβ - 100°F > T1 ≥ Tβ - 500°F의 범위에 있다. 비-제한적인 실시예에서, 제 2 워크피스 단조 온도는 티타늄 합금의 베타 트랜서스 온도 아래 200°F (277.8°C) 초과 내지 베타 트랜서스 온도 아래 700°F (388.9°C)의 제 2 워크피스 단조 온도 범위에 있으며, 즉, 제 2 워크피스 단조 온도(T2 )는 Tβ - 200°F > T2 ≥ Tβ - 700°F의 범위에 있다. 비-제한적인 실시예에서, 티타늄 합금 워크피스는 Ti-6-2-4-2 합금을 포함하고; 제 1 워크피스 온도는 1650°F (898.9°C)이며; 제 2 워크피스 단조 온도는 1500°F (815.6°C)이다.
도 8은 동시에 여기에서의 비-제한적인 실시예들에 따라 워크피스 상에서 열적 관리된 고 변형 속도 다중-축 단조를 이용하면서, 베타 트랜서스 온도 위에서 티타늄 합금을 포함하는 워크피스를 소성 변형하며 워크피스를 워크피스 단조 온도로 냉각시키기 위한 본 발명에 따른 비-제한적인 방법의 온도-시간 열기계적 프로세스 차트이다. 도 8에서, 티타늄 합금의 입자 미세화를 위해 열적 관리된 고 변형 속도 다중-축 단조를 사용하는 비-제한적인 방법(260)은 티타늄 합금의 베타 트랜서스 온도(266) 위의 베타 어닐링 온도(264)로 워크피스를 가열하는 단계(262) 및 워크피스에서 모든 베타 상 미세구조를 형성하기 위해 베타 어닐링 온도(264)에서 워크피스를 유지 또는 침지하는 단계(268)를 포함한다. 베타 어닐링 온도에서 워크피스를 침지(268)한 후, 워크피스는 소성 변형(270)된다. 비-제한적인 실시예에서, 소성 변형(270)은 열적 관리된 고 변형 속도 다중-축 단조를 포함할 수 있다. 비-제한적인 실시예에서, 워크피스는 워크피스가 베타 트랜서스 온도를 통해 냉각하는 것으로 여기에 개시된 바와 같이 선택적 열적 관리 시스템을 사용하여 반복적으로 고 변형 속도 다중-축 단조(272)된다. 도 8은 3개의 중간의 고 변형 속도 다중-축 단조(272) 단계들을 도시하지만, 원하는 대로 보다 많거나 또는 보다 적은 중간의 고 변형 속도 다중-축 단조(272) 단계들이 있을 수 있다는 것이 이해될 것이다. 중간의 고 변형 속도 다중-축 단조(272) 단계들은 침지 온도에서의 초기 고 변형 속도 다중-축 단조 단계(270) 및 티타늄 합금의 알파+베타 상 필드(274)에서의 최종 고 변형 속도 다중-축 단조 단계에 중간이다. 도 8은 워크피스의 온도가 알파+베타 상 필드에 전체적으로 남아있는 하나의 최종 고 변형 속도 다중-축 단조 단계를 도시하지만, 본 설명을 판독할 때 하나보다 많은 다중-축 단조 단계가 추가 입자 미세화를 위해 알파+베타 상 필드에서 수행될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 본 발명의 비-제한적인 실시예들에 따르면, 적어도 하나의 최종 고 변형 속도 다중-축 단조 단계는 티타늄 합금 워크피스의 알파+베타 상 필드에서의 온도들에서 전체적으로 발생한다.
다중-축 단조 단계들(270, 272, 274)은 워크피스의 온도가 티타늄 합금의 베타 트랜서스 온도를 통해 냉각할 때 발생하기 때문에, 도 8에 도시된 바와 같은 방법 실시예는 여기에서 “스루 베타 트랜서스 고 변형 속도 다중-축 단조”로서 불리운다. 비-제한적인 실시예에서, 열적 관리 시스템(도 3의 33)은 베타 트랜서스 단조 온도를 통해 각각에서의 각각의 히트 이전에 균일하거나 또는 실질적으로 균일한 온도에서 워크피스의 온도를 유지하기 위해, 및 선택적으로 냉각 속도를 늦추기 위해 스루 베타 트랜서스 다중-축 단조에서 사용된다. 알파+베타 상 필드에서 워크피스 단조 온도를 최종 다중-축 단조(274)한 후, 워크피스는 주위 온도로 냉각(276)된다. 비-제한적인 실시예에서, 냉각(276)은 공기 냉각을 포함한다.
상기 개시된 바와 같이, 열적 관리 시스템을 사용하는 다중-축 단조의 비-제한적인 실시예들은 종래의 단조 프레스 장비를 사용하여 4 평방 인치보다 큰 단면들을 가진 티타늄 합금 워크피스들을 프로세싱하기 위해 사용될 수 있으며, 입방체-형 워크피스들의 크기는 개개의 프레스의 능력들과 일치시키기 위해 스케일링될 수 있다. β-어닐링된 구조로부터의 알파 층판(lamellae) 또는 라스들(laths)이 여기에서의 비-제한적인 실시예들에 개시된 워크피스 단조 온도들에서 미세한 균일 알파 입자들로 용이하게 분해된다고 결정되어 왔다. 워크피스 단조 온도를 감소시키는 것은 알파 미립자 크기(입자 크기)를 감소시킨다는 것 또한 결정되어 왔다.
임의의 특정한 이론에 고정되기를 원하는 것은 아니나, 본 발명에 따른 열적 관리된, 고 변형 속도 다중-축 단조의 비-제한적인 실시예들에서 발생하는 입자 미세화는 준-동적 재결정화를 통해 발생한다고 믿어지고 있다. 종래 기술의 저속 변형 속도 다중-축 단조 프로세스에서, 동적 재결정화는 재료에 변형을 적용하는 동안 즉시 발생한다. 본 발명에 따른 고 변형 속도 다중-축 단조에서, 준-동적 재결정화는 각각의 변형 또는 단조 히트의 말에 발생하지만, 적어도 워크피스의 내부 영역은 단열적 가열로부터 뜨거워진다고 믿어진다. 잔여 단열 가열, 내부 영역 냉각 시간, 및 외부 표면 영역 가열은 본 발명에 따른 열적 관리된, 고 변형 속도 다중-축 단조의 비-제한적인 방법들에서 입자 미세화의 정도에 영향을 미친다.
본 발명자들은 다중-축 단조를 포함하여 상기 설명된 바와 같은 프로세스에 대하여 특정한 이점들을 제공하며 티타늄 합금을 포함하는 입방-형 워크피스 및 열적 관리 시스템을 사용하는 본 발명에 따른 대안적인 방법들을 추가로 개발하여 왔다. (1) 여기에 개시된 열적 관리된 다중-축 단조의 특정한 실시예들에서 사용된 입방 워크피스 기하학적 구조, (2) 다이 칠(die chill)(즉, 다이들의 온도가 워크피스 단조 온도 아래로 상당히 내려가도록 허용하는), 및 (3) 고 변형 속도들의 사용 중 하나 이상이 워크피스의 코어 영역 내에서 변형률을 불리하게 집중시킬 수 있다고 믿어지고 있다.
본 발명에 따른 대안적인 방법들은 빌릿 크기 티타늄 합금 워크피스 전체에 걸쳐 일반적으로 균일한 미립자, 극미립자, 또는 초미립자 크기를 달성할 수 있다. 다시 말해서, 이러한 대안적인 방법들에 의해 프로세싱된 워크피스는 워크피스 전체에 걸쳐, 및 뿐만 아니라 워크피스의 중심 영역에서, 초미립자 미세구조와 같은 원하는 입자 크기를 포함할 수 있다. 이러한 대안적인 방법들의 비-제한적인 실시예들은 4 평방 인치보다 큰 단면들을 가진 빌릿들 상에서 수행되는 “다중 업셋 및 드로우” 단계들을 포함한다. 다중 업셋 및 드로우 단계들은 워크피스의 원래 치수들을 상당히 보존하면서, 워크피스 전체에 걸쳐 균일한 미립자, 극미립자, 또는 초미립자 미세구조를 부여하도록 의도된다. 이들 대안적인 방법들은 다수의 업셋 및 드로우 단계들을 포함하기 때문에, 그것들은 여기에서 “MUD” 방법의 실시예들로서 불리워진다. MUD 방법은 심각한 소성 변형을 포함하며 빌릿-크기(예로서, 길이가 30 인치(76.2 cm)) 티타늄 합금 워크피스들에서 균일한 초미립자들을 생성할 수 있다. 본 발명에 따른 MUD 방법의 비-제한적인 실시예들에서, 업셋 단조 및 드로우 단조들을 위해 사용되는 변형 속도들은 0.001 s-1 내지 0.02 s-1의 범위에 있다. 반대로, 통상적으로 종래의 개방 다이 업셋 및 드로우 단조를 위해 사용되는 변형 속도들은 0.03 s-1 내지 0.1 s-1의 범위에 있다. MUD를 위한 변형 속도는 단조 온도를 제어 범위 내에 유지하기 위해 워크피스에서의 단열적 가열을 방지하기에 충분히 느리지만, 변형 속도는 상업적 관례들을 위해 수용 가능하다.
MUD 방법의 비-제한적인 실시예들의 개략적인 표현이 도 9에 제공되며, MUD 방법의 특정한 실시예들의 흐름도가 도 10에 제공된다. 도 9 및 도 10을 참조하면, 다중 업셋 및 드로우 단조 단계들을 사용하여 티타늄 합금을 포함하는 워크피스에서 입자들을 미세화하기 위한 비-제한적인 방법(300)은 가늘고 긴 티타늄 합금 워크피스(302)를 티타늄 합금의 알파+베타 상 필드에서 워크피스 단조 온도로 가열하는 단계를 포함한다. 비-제한적인 실시예에서, 가늘고 긴 워크피스의 형태는 원통 또는 원통-형 형태이다. 또 다른 비-제한적인 실시예에서, 워크피스의 형태는 팔각형 원통 또는 정팔각형이다.
가늘고 긴 워크피스는 개시 단면 치수를 가진다. 예를 들면, 개시 워크피스가 원통형인 본 발명에 따른 MUD 방법의 비-제한적인 실시예에서, 개시 단면 치수는 원통의 직경이다. 개시 워크피스가 팔각형 원통인 본 발명에 따른 MUD 방법의 비-제한적인 실시예에서, 개시 단면 치수는 팔각형 단면의 외접원의 직경, 즉, 팔각형 단면의 꼭짓점들 모두를 통과하는 원의 직경이다.
가늘고 긴 워크피스가 워크피스 단조 온도에 있을 때, 워크피스는 업셋 단조(304)된다. 업셋 단조(304) 후, 비-제한적인 실시예에서, 워크피스는 배향(306)으로 90도 회전되며, 그 후 다중 패스 드로우 단조(312)의 대상이 된다. 워크피스의 실제 회전은 선택적이며, 단계의 목표는 후속 다중 패스 드로우 단조(312) 단계들을 위한 단조 디바이스에 대해 정확한 배향(도 9 참조)으로 워크피스를 배치하는 것이다.
다중 패스 드로우 단조는 회전의 각각의 증분 후 워크피스를 드로우 단조(312)하는 것에 앞서, 회전 방향(화살표(310)의 방향으로 표시된)으로 워크피스를 점차적으로 회전(화살표(310)에 의해 도시된)하는 것을 포함한다. 비-제한적인 실시예들에서, 증분적 회전(310) 및 드로우 단조(312)는 워크피스가 개시 단면 치수를 포함할 때까지 반복된다. 비-제한적인 실시예에서, 업셋 단조 및 다중 패스 드로우 단조 단계들은 적어도 1.0의 총 변형률이 워크피스에서 달성될 때까지 반복된다. 다른 비-제한적인 실시예는 적어도 1.0에서 3.5 미만까지의 범위에서의 총 변형률이 워크피스에서 달성될 때까지 가열, 업셋 단조, 및 다중 패스 드로우 단조 단계들을 반복하는 것을 포함한다. 또 다른 비-제한적인 실시예에서, 가열, 업셋 단조, 및 다중 패스 드로우 단조 단계들은 적어도 10의 총 변형률이 워크피스에서 달성될 때까지 반복된다. 10의 총 변형률이 MUD 단조에 부여될 때, 초미립자 알파 미세구조가 생성되며, 워크피스에 부여된 총 변형률을 증가시키는 것은 보다 작은 평균 입자 크기들을 야기한다는 것이 예상된다.
본 발명의 측면은 비-제한적인 실시예들에서, 추가로 초미립자 크기를 야기하는, 티타늄 합금 워크피스의 심각한 소성 변형을 야기하기에 충분한 업셋 및 다중 패스 드로잉 단계들 동안 변형 속도를 이용하는 것이다. 비-제한적인 실시예에서, 업셋 단조에서 사용된 변형 속도는 0.001 s-1 내지 0.003 s-1의 범위에 있다. 다른 비-제한적인 실시예에서, 다중 패스 드로우 단조 단계들에서 사용되는 변형 속도는 0.01 s-1 내지 0.02 s-1의 범위이다. ‘538 출원에, 이들 범위들에서의 변형 속도들이, 워크피스 온도 제어를 가능하게 하는, 워크피스의 단열 가열을 야기하지 않으며, 경제적으로 수용 가능한 상업적 관례를 위해 충분하다고 발견되었다는 것이 개시된다.
비-제한적인 실시예에서, MUD 방법의 완료 후, 워크피스는 예를 들면, 원통(314) 또는 팔각형 원통(316)과 같은, 개시하는 가늘고 긴 물품의 원래 치수들을 실질적으로 가진다. 다른 비-제한적인 실시예에서, MUD 방법의 완료 후, 워크피스는 실질적으로 개시 워크피스와 동일한 단면을 가진다. 비-제한적인 실시예에서, 단일 업셋은 워크피스를 워크피스의 개시 단면을 포함하는 형태로 복구하기 위해 다수의 드로우 히트들 및 중간 회전들을 요구한다.
워크피스가 원통의 형태인 MUD 방법의 비-제한적인 실시예에서, 예를 들면, 점차적으로 회전 및 드로우 단조하는 것은, 원통형 워크피스가 360°를 통해 회전되며 각각의 증분으로 드로우 단조될 때까지, 15° 증분으로 원통형 워크피스를 회전시키며 그 뒤에 드로우 단조하는 다수의 단계들을 더 포함한다. 워크피스가 원통의 형태인 MUD 방법의 비-제한적인 실시예에서, 각각의 업셋 단조 후, 연속적인 드로우 단조 단계들 사이의 중간 증분 회전을 가진 24개의 드로우 단조 단계들은 워크피스를 실질적으로 그것의 개시 단면 치수로 되돌리기 위해 이용된다. 워크피스가 팔각형 원통의 형태인 다른 비-제한적인 실시예에서, 원통 워크피스가 360°를 통해 회전되며 각각의 증분으로 드로우 단조될 때까지, 점차적으로 회전하는 것 및 드로우 단조하는 것은 45° 증분으로 원통형 워크피스를 회전시키며 그 뒤에 드로우 단조하는 다수의 단계들을 더 포함한다. 워크피스가 팔각형 원통의 형태인 MUD 방법의 비-제한적인 실시예에서, 각각의 업셋 단조 후, 워크피스의 증분적 회전에 의해 분리된 8개의 단조 단계들은 워크피스를 실질적으로 그것의 개시 단면 치수로 되돌리기 위해 이용된다. MUD 방법의 비-제한적인 실시예들에서, 핸들링 장비에 의한 팔각형 원통의 조작이 핸들링 장비에 의한 원통의 조작보다 더 정확하다는 것이 관찰되었다. MUD 방법의 비-제한적인 실시예에서 핸들링 장비에 의한 팔각형 원통의 조작은 여기에 개시된 열적 관리된 고 변형 속도 MAF 프로세스의 비-제한적인 실시예들에서 손 집게를 사용한 입방체-형태 워크피스의 조작보다 더 정확하다는 것이 또한 관찰되었다. 본 설명을 고려할 때, 각각이 다수의 드로우 단조 단계들 및 특정한 수의 각도들의 중간 증분적 회전들을 포함하는, 다른 드로우 단조 시퀀스들이 드로우 단조 후 워크피스의 최종 형태가 업셋 단조 이전에 워크피스의 개시 형태와 실질적으로 동일하도록 다른 단면 빌릿 형태들을 위해 사용될 수 있다는 것이 인식될 것이다. 이러한 다른 가능한 시퀀스들이 과도한 실험 없이 이 기술분야의 숙련자에 의해 결정될 수 있으며 본 발명의 범위 내에 포함된다.
본 발명에 따른 MUD 방법의 비-제한적인 실시예에서, 워크피스 단조 온도는 워크피스 단조 온도 범위 내의 온도를 포함한다. 비-제한적인 실시예에서, 워크피스 단조 온도는 티타늄 합금의 베타 트랜서스 온도(Tβ) 아래 100°F (55.6°C) 내지 티타늄 합금의 베타 트랜서스 온도 아래 700°F (388.9°C)의 워크피스 단조 온도 범위에 있다. 또 다른 비-제한적인 실시예에서, 워크피스 단조 온도는 티타늄 합금의 베타 트랜서스 온도 아래 300°F (166.7°C) 내지 티타늄 합금의 베타 트랜서스 온도 아래 625°F (347°C)의 온도 범위에 있다. 비-제한적인 실시예에서, 이 기술분야의 숙련자에 의해 과도한 실험 없이 결정될 수 있는 바와 같이, 워크피스 단조 온도 범위의 하단은 단조 히트 동안 상당한 손상이 워크피스의 표면에 발생하지 않는 알파+베타 상 필드에서의 온도이다.
본 발명에 따른 MUD 방법의 비-제한적인 실시예에서, 약 1820°F (993.3°C)의 베타 트랜서스 온도(Tβ)를 갖는, Ti-6-2-4-2 합금의 워크피스 단조 온도 범위는 예를 들면, 1120°F (604.4C)에서 1720°F (937.8°C)까지일 수 있거나, 다른 실시예에서 1195°F (646.1°C)에서 1520°F (826.7°C)까지일 수 있다.
MUD 방법의 비-제한적인 실시예들은 다수의 재열 단계들을 포함한다. 비-제한적인 실시예에서, 티타늄 합금 워크피스는 티타늄 합금 워크피스를 업셋 단조한 후 워크피스 단조 온도로 가열된다. 또 다른 비-제한적인 실시예에서, 티타늄 합금 워크피스는 다중 패스 드로우 단조의 드로우 단조 단계 이전에 워크피스 단조 온도로 가열된다. 또 다른 비-제한적인 실시예에서, 워크피스는 실제 워크피스 온도를 업셋 또는 드로우 단조 단계 후 워크피스 단조 온도로 또는 그 가까이로 되돌리기 위해 요구된 대로 가열된다.
MUD 방법의 실시예들은 티타늄 합금을 포함하는 워크피스에서 초미립자들을 생성하는 것을 목표로 하는, 심각한 소성 변형으로서 또한 불리우는, 중복 작업 또는 극단적인 변형을 부여한다. 동작의 임의의 특정한 이론에 제한되도록 의도하지 않고, 둥근 또는 팔각형 단면 형태의 원통 및 팔각형 원통 워크피스들 각각은 MUD 방법 동안 워크피스의 단면적에 걸쳐 정사각형 또는 직사각형 단면 형태의 워크피스들보다 더 균일하게 변형률을 분배한다고 믿어지고 있다. 워크피스 및 단조 다이 사이에서의 마찰의 유해 효과는 다이와 접촉하는 워크피스의 면적을 감소시킴으로써 또한 감소된다.
또한, MUD 방법 동안 온도를 감소시키는 것은 사용되는 특정 온도의 특성인 크기로 미립자 크기를 감소시킨다고 또한 결정된다. 도 10을 참조하면, 워크피스의 입자 크기를 미세화하기 위한 방법(400)의 비-제한적인 실시예에서, 워크피스 단조 온도로 MUD 방법에 의해 워크피스를 프로세싱한 후, 워크피스의 온도는 제 2 워크피스 단조 온도로 냉각(416)될 수 있다. 비-제한적인 실시예에서, 제 2 워크피스 단조 온도로 워크피스를 냉각시킨 후, 워크피스는 제 2 워크피스 단조 온도(418)에서 업셋 단조된다. 워크피스는 회전(420)되거나 또는 그 외 후속 드로우 단조 단계들을 위해 단조 프레스에 대하여 배향된다. 워크피스는 제 2 워크피스 단조 온도(422)에서 다-단계 드로우 단조된다. 제 2 워크피스 단조 온도(422)에서의 다-단계 드로우 단조는 회전 방향으로 워크피스를 점차적으로 회전시키는 것(424)(도 9 참조) 및 회전의 각각의 증분 후 제 2 워크피스 단조 온도(426)에서 드로우 단조하는 것을 포함한다. 비-제한적인 실시예에서, 업셋, 점차적으로 회전하는 것(424), 및 드로우 단조하는 것의 단계들은 워크피스가 개시 단면 치수를 포함할 때까지 반복(426)된다. 또 다른 비-제한적인 실시예에서, 제 2 워크피스 온도에서 업셋 단조(418), 회전(420), 및 다 단계 드로우 단조(422)의 단계들은 적어도 1.0, 또는 1.0에서 3.5 미만까지, 또는 10 이상까지의 범위에서의 총 변형률이 워크피스에서 달성될 때까지 반복된다. MUD 방법은 임의의 원하는 총 변형률이 티타늄 합금 워크피스에 부여될 때까지 계속될 수 있다는 것이 인식된다.
다중-온도 MUD 방법 실시예를 포함하는 비-제한적인 실시예에서, 워크피스 단조 온도, 또는 제 1 워크피스 단조 온도는 약 1600°F (871.1°C)이며, 제 2 워크피스 단조 온도는 약 1500°F (815.6°C)이다. 제 3 워크피스 단조 온도, 제 4 워크피스 단조 온도 등과 같은, 제 1 및 제 2 워크피스 단조 온도들보다 낮은 후속 워크피스 단조 온도들은 본 발명의 비-제한적인 실시예들의 범위 내에 있다.
단조가 진행됨에 따라, 입자 미세화는 고정 온도에서 감소하는 유동 응력을 야기한다. 순차적 업셋 및 드로우 단계들을 위한 단조 온도를 감소시키는 것은 유동 응력을 일정하게 유지하며 미세구조 미세화의 속도를 증가시킨다고 결정된다. 본 발명에 따른 MUD의 비-제한적인 실시예들에서, 적어도 1.0의, 적어도 1.0에서 3.5 미만까지, 또는 10까지의 범위에서의 총 변형률이 티타늄 합금 워크피스들에서 균일한 등축 알파 초미립자 미세구조를 야기하며, 2-온도(또는 다중-온도) MUD 방법의 보다 낮은 온도는 10까지의 총 변형률이 MUD 단조에 부여된 후 미립자 크기를 결정할 수 있다는 것이 예상된다.
본 발명의 측면은 MUD 방법에 의해 워크피스를 프로세싱한 후, 후속 변형 단계들이, 워크피스의 온도가 그 뒤에 티타늄 합금의 베타 트랜서스 온도 위에서 가열되지 않는 한, 미세화된 입자 크기를 굵어지게 하지 않고 수행되는 가능성을 포함한다. 예를 들면, 비-제한적인 실시예에서, MUD 방법 후 후속 변형 실시는 티타늄 합금의 알파+베타 상 필드에서의 온도들로 드로우 단조, 다중 드로우 단조, 업셋 단조, 또는 이들 단조 기술들 중 둘 이상의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 비-제한적인 실시예에서, 후속 변형 또는 단조 단계들은 예를 들면, 이에 제한되지 않지만, 단면 치수의 1/2, 단면 치수의 1/4 등과 같은, 단면 치수의 부분으로 원통-형 또는 다른 가늘고 긴 워크피스의 개시 단면 치수를 감소시키기 위해 다중 패스 드로우 단조, 업셋 단조, 및 드로우 단조의 조합을 포함하며, 여전히 티타늄 합금 워크피스에서 균일한 미립자, 극미립자, 또는 초미립자 구조를 유지한다.
MUD 방법의 비-제한적인 실시예에서, 워크피스는 알파+베타 티타늄 합금 및 준안정 베타 티타늄 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 티타늄 합금을 포함한다. MUD 방법의 또 다른 비-제한적인 실시예에서, 워크피스는 알파+베타 티타늄 합금을 포함한다. 여기에 개시된 다중 업셋 및 드로우 프로세스의 또 다른 비-제한적인 실시예에서, 워크피스는 준안정 베타 티타늄 합금을 포함한다. MUD 방법의 비-제한적인 실시예에서, 워크피스는 Ti-6-2-4-2 합금, Ti-6-2-4-6 합금, ATI 425® 티타늄 합금 (Ti-4Al-2.5V), 및 Ti-6-6-2 합금으로부터 선택된 티타늄 합금이다.
본 발명의 MUD 실시예들에 따른 알파+베타 상 필드에서의 워크피스 단조 온도로 워크피스를 가열하기 전에, 비-제한적인 실시예에서, 워크피스는 베타 어닐링 온도로 가열되고, 워크피스에 100% 베타 상 티타늄 미세구조를 형성하기에 충분한 베타 어닐링 시간 동안 베타 어닐링 온도에서 유지되며, 주위 온도로 냉각될 수 있다. 비-제한적인 실시예에서, 베타 어닐링 온도는 티타늄 합금의 베타 트랜서스 온도에서 티타늄 합금의 베타 트랜서스 온도 위 300°F (111°C)까지를 포함하는 베타 어닐링 온도 범위에 있다. 비-제한적인 실시예에서, 베타 어닐링 시간은 5분에서 24시간까지이다.
비-제한적인 실시예에서, 워크피스는 워크피스 및 단조 다이들 사이에서의 마찰을 감소시키는 윤활 코팅을 갖고 모든 또는 특정한 표면들 상에서 코팅되는 빌릿이다. 비-제한적인 실시예에서, 윤활 코팅은 이에 제한되지 않지만, 흑연 및 유리 윤활제 중 하나와 같은 고체 윤활제이다. 이제 또는 이후 이 기술분야의 숙련자에게 알려진 다른 윤활 코팅들은 본 발명의 범위 내에 있다. 또한, 원통-형 또는 다른 가늘고 긴-형태 워크피스들을 사용하는 MUD 방법의 비-제한적인 실시예에서, 워크피스 및 단조 다이들 사이에서의 접촉 면적은 입방체-형태 워크피스의 다중-축 단조에서의 접촉 면적에 비하여 작다. 예를 들면, 4 인치 입방체를 갖고, 입방체의 전체 4인치 X 4인치 면들 중 두 면이 다이와 접촉한다. 5 피트 길이 빌릿을 갖고, 빌릿 길이는 통상적인 14 인치 길이 다이보다 크며, 감소된 접촉 면적은 감소된 다이 마찰 및 보다 균일한 티타늄 합금 워크피스 미세구조 및 매크로구조를 야기한다.
본 발명의 MUD 실시예들에 따른 알파+베타 상 필드에서의 워크피스 단조 온도로 티타늄 합금을 포함하는 워크피스를 가열하기 전에, 비-제한적인 실시예에서, 워크피스는 티타늄 합금에서 100% 베타 상을 형성하기에 충분한 베타 어닐링 시간에서 유지된 후 및 주위 온도로 합금을 냉각시키기 이전에 티타늄 합금의 베타 상 필드에서의 소성 변형 온도에서 소성 변형된다. 비-제한적인 실시예에서, 소성 변형 온도는 베타 어닐링 온도와 같다. 다른 비-제한적인 실시예에서, 소성 변형 온도는 티타늄 합금의 베타 트랜서스 온도에서 티타늄 합금의 베타 트랜서스 온도 위 300°F (111°C)까지를 포함하는 소성 변형 온도 범위에 있다.
MUD 방법의 비-제한적인 실시예에서, 티타늄 합금의 베타 상 필드에서의 워크피스를 소성 변형하는 것은 티타늄 합금 워크피스를 드로잉하는 것, 업셋 단조하는 것, 및 고 변형 속도 다중-축 단조하는 것 중 적어도 하나를 포함한다. 또 다른 비-제한적인 실시예에서, 티타늄 합금의 베타 상 필드에서 워크피스를 소성 변형하는 것은 본 발명의 비-제한적인 실시예들에 따라 다중 업셋 및 드로우 단조하는 것을 포함하며, 여기서 워크피스 단조 온도에서 또는 그 가까이에서의 온도로 워크피스를 냉각시키는 것은 공기 냉각을 포함한다. 또 다른 비-제한적인 실시예에서, 티타늄 합금의 베타 상 필드에서 워크피스를 소성 변형하는 것은 높이 또는 길이와 같은 다른 치수의 30-35% 감소로 워크피스를 업셋 단조하는 것을 포함한다.
본 발명의 MUD 방법의 다른 측면은 단조 동안 단조 다이들을 가열하는 것을 포함할 수 있다. 비-제한적인 실시예는 워크피스 단조 온도 아래 100°F (55.6°C)에 이르기까지 워크피스 단조 온도에 의해 제한되는 온도 범위 내 온도로 워크피스를 단조하기 위해 사용되는 단조의 다이들을 가열하는 것을 포함한다.
본 발명에 따른 MUD 방법의 비-제한적인 실시예들에서, 초미립자 티타늄 합금들의 생성을 위한 방법은: Ti-6-4 합금보다 더 느린 알파 침지 및 성장 속도론을 가진 티타늄 합금을 선택하는 단계; 미세하며 안정된 알파 라스 구조를 제공하기 위해 합금을 베타 어닐링하는 단계; 및 본 발명에 따라, 적어도 1.0의 또는 적어도 1.0에서 3.5 미만까지의 범위에서의 총 변형률로 합금을 고 변형 속도 다중-축 단조하는 단계를 포함한다. 티타늄 합금은 베타 어닐링 후 미세하며 안정된 알파 라스 구조를 제공하는 준안정 베타 티타늄합금들 및 알파+베타 티타늄 합금들로부터 선택될 수 있다.
여기에 개시된 특정한 방법들은 또한 이들 합금들의 워크피스들의 입자 크기를 감소시키기 위해 티타늄 합금들이 아닌 금속들 및 금속 합금들에 적용될 수 있다고 믿어지고 있다. 본 발명의 또 다른 측면은 금속들 및 금속 합금들의 고 변형 속도 다-단계 단조를 위한 방법의 비-제한적인 실시예들을 포함한다. 방법의 비-제한적인 실시예는 금속 또는 금속 합금을 포함하는 워크피스를 워크피스 단조 온도로 가열하는 단계를 포함한다. 가열 후, 워크피스는 워크피스의 내부 영역을 단열적으로 가열하기에 충분한 변형 속도로 워크피스 단조 온도에서 단조된다. 단조 후, 대기 시간은 다음 단조 단계 전에 이용된다. 대기 기간 동안, 금속 합금 워크피스의 단열적으로 가열된 내부 영역의 온도는 워크피스 단조 온도로 냉각시키기 위해 허용되는 한편, 워크피스의 적어도 하나의 표면 영역은 워크피스 단조 온도로 가열된다. 금속 합금 워크피스의 적어도 하나의 표면 영역을 워크피스 단조 온도로 가열하면서 워크피스를 단조하고 그 후 워크피스의 단열적으로 가열된 내부 영역이 워크피스 단조 온도로 평형시키도록 허용하는 단계들은 원하는 특성이 획득될 때까지 반복된다. 비-제한적인 실시예에서, 단조는 프레스 단조, 업셋 단조, 드로우 단조, 및 롤 단조 중 하나 이상을 포함한다. 또 다른 비-제한적인 실시예에서, 금속 합금은 티타늄 합금들, 지르코늄 및 지르코늄 합금들, 알루미늄 합금들, 철 합금들, 및 초합금들로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 또 다른 비-제한적인 실시예에서, 원하는 특성은 부여된 변형률, 평균 입자 크기, 형태, 및 기계적 속성 중 하나 이상이다. 기계적 속성들은, 이에 제한되지 않지만, 강도, 연성, 파괴 인성, 및 경도를 포함한다.
이어지는 실시예들은 본 발명의 범위를 제한하지 않고 특정한 비-제한적 실시예들을 추가로 설명하도록 의도된다. 이 기술분야의 숙련자들은 다음의 예들의 변형들이 본 발명의 범위 내에서 가능하며, 이것은 단지 청구항들에 의해서만 정의된다는 것을 이해할 것이다.
예 1
Ti-6-2-4-2 합금의 바(bar)는 통상적으로 Ti-6-2-4-2 합금을 프로세싱하기 위해 사용되는, 산업에서 규격 번호 AMS 4976에 의해 식별되는, 상업용 단조 프로세스에 따라 프로세싱되었다. AMS 4976 규격에 대한 참조에 의해, 이 기술분야의 숙련자들은 상기 규격에서 시작된 기계적 속성들 및 미세구조를 달성하기 위해 프로세스의 세부사항들을 이해한다. 프로세싱 후, 합금은 금속 현미경용으로 준비되며 미세구조가 미시적으로 평가되었다. 도 11(a)로서 포함되는 준비된 합금의 현미경에서 도시된 바와 같이, 미세구조는 약 20 ㎛이상에 있는 알파 입자들(이미지에서 보다 밝은 컬러링된 영역들)을 포함한다.
본 발명 내의 비-제한적인 실시예에 따르면, Ti-6-2-4-2 합금의 4.0 인치 입방체-형태 워크피스는 1시간 동안 1950°F (1066°C)에서 베타 어닐링되며 그 후 주위 온도로 냉각된다. 냉각 후, 베타 어닐링된 입방체-형태 워크피스는 1600°F (871.1°C)의 워크피스 단조 온도로 가열되며 고 변형 속도 MAF의 4개의 히트들을 사용하여 단조되었다. 히트들은 다음의 시퀀스: A-B-C-A에서, 다음의 직교 축들을 위한 것이었다. 히트들은 3.25 인치의 스페이서 높이를 위한 것이며, 램 속도는 초당 1 인치였다. 4.0 인치 입방체들을 제외하고, 프레스 상에 어떤 변형 속도 제어도 없으며, 이러한 램 속도는 0.25 s-1의 프레싱 동안 최소 변형 속도를 야기한다. 연속적인 직교 히트들 사이에서의 시간은 약 15초였다. 워크피스에 적용된 총 변형률은 1.37이었다. 이러한 방식으로 프로세싱된 Ti-6-2-4-2 합금의 미세구조는 도 11(b)의 현미경 사진에 도시된다. 대다수의 알파 미립자들(보다 밟은 컬러링된 면적들)은 약 4 ㎛이하이며, 이것은 상기 논의되며 도 11(a)의 현미경 사진에 의해 표현된 상업용 단조 프로세스에 의해 생성된 알파 입자들보다 상당히 더 미세하다.
예 2
Ti-6-2-4-6 합금의 바는 통상적으로 Ti-6-2-4-6 합금을 위해 사용되는 상업용 단조 프로세스에 따라, 즉 규격 AMS 4981에 따라, 프로세싱되었다. AMS 4981 규격에 대한 참조에 의해, 이 기술분야의 숙련자들은 상기 규격에서 시작된 기계적 속성들 및 미세구조를 달성하기 위해 프로세스의 세부사항들을 이해한다. 프로세싱 후, 합금은 금속 현미경용으로 준비되며 미세구조가 미시적으로 평가되었다. 도 12(a)에 도시된 준비된 합금의 현미경에서 도시된 바와 같이, 미세구조는 약 10 ㎛이상에 있는 알파 입자들(보다 밝은 컬러링된 영역들)을 보인다.
본 발명에 따른 비-제한적인 실시예에 따르면, Ti-6-2-4-6 합금의 4.0 인치 입방체-형태 워크피스는 1시간 동안 1870°F (1066°C)에서 베타 어닐링되며 그 후 공기 냉각되었다. 냉각 후, 베타 어닐링된 입방체-형태 워크피스는 1500°F (815.6°C)의 워크피스 단조 온도로 가열되며 고 변형 속도 MAF의 4개의 히트들을 사용하여 단조되었다. 히트들은 다음의 직교 축들을 위한 것이며 다음의 시퀀스: A-B-C-A로 이어진다. 히트들은 3.25 인치의 스페이서 높이를 위한 것이며, 램 속도는 초당 1 인치였다. 4.0 인치 입방체들을 제외하고, 프레스 상에 어떤 변형 속도 제어도 없으며, 이러한 램 속도는 0.25 s-1의 프레싱 동안 최소 변형 속도를 야기한다. 연속적인 직교 히트들 사이의 시간은 약 15초였다. 워크피스에 적용된 총 변형률은 1.37이었다. 이러한 방식으로 프로세싱된 합금의 미세구조는 도 12(b)의 현미경 사진에 도시된다. 대다수의 알파 미립자들(보다 밟은 컬러링된 면적들)은 약 4 ㎛이하이며, 임의의 경우에 상기 논의되며 도 12(a)의 현미경 사진에 의해 나타낸 상업용 단조 프로세스에 의해 생성된 알파 입자들보다 훨씬 더 미세하다는 것이 이해된다.
예 3
본 발명에 따른 비-제한적인 실시예에서, Ti-6-2-4-6 합금의 4.0 인치 입방체-형태 워크피스는 1시간 동안 1870°F (1066°C)에서 베타 어닐링되며 그 후 공기 냉각되었다. 냉각 후, 베타 어닐링된 입방체-형태 워크피스는 1500°F (815.6°C)의 워크피스 단조 온도로 가열되고, 하나가 각각 A, B, 및 C 축들 상에 있는, 고 변형 속도 MAF의 3개의 히트들(즉, 히트들은 다음의 직교 축들을 위한 것이며 다음의 시퀀스이다: A-B-C)을 사용하여 단조되었다. 히트들은 3.25 인치의 스페이서 높이를 위한 것이며, 램 속도는 초당 1 인치였다. 4.0 인치 입방체들을 제외하고, 프레스 상에 어떤 변형 속도 제어도 없으며, 이러한 램 속도는 0.25 s-1의 프레싱 동안 최소 변형 속도를 야기한다. 연속적인 히트들 사이의 시간은 약 15초였다. 히트들의 A-B-C 사이클 후, 워크피스는 30분 동안 1500°F (815.6°C)로 재열되었다. 입방체는 그 후 A, B, 및 C 축들 상에서 각각 하나의 히트를 갖고 고 변형 속도 MAF되며, 즉, 히트들은 다음의 직교 축들로 및 다음의 시퀀스: A-B-C에 있다. 히트들은 동일한 스페이서 높이를 위한 것이며 히트들의 제 1 A-B-C 시퀀스에서 사용된 바와 동일한 히트들 사이의 램 속도 및 시간을 사용하였다. A-B-C 히트들의 제 2 시퀀스 후, 워크피스는 30분 동안 1500°F (815.6°C)로 재열되었다. 입방체는 그 후 A, B, 및 C 축들, 즉, A-B-C 시퀀스의 각각에서 하나의 히트를 갖고 고 변형 속도 MAF 되었다. 히트들은 동일한 스페이서 높이들을 위한 것이며 A-B-C 히트들의 제 1 시퀀스와 동일한 히트들 사이의 램 속도 및 시간을 사용하였다. 고 변형 속도 다중-축 단조 프로세스의 이러한 실시예는 3.46의 변형률을 부여하였다. 이러한 방식으로 프로세싱된 합금의 미세구조는 도 13의 현미경 사진에 도시된다. 대다수의 알파 미립자들(보다 밟은 컬러링된 면적들)은 약 4 ㎛이하에 있다는 것이 이해된다. 알파 미립자들은 개개의 알파 입자들로 구성되며 알파 입자들의 각각은 4 ㎛이하의 입자 크기를 가지며 형태가 등축이라는 것이 가능성 있게 믿어지고 있다.
예 4
본 발명에 따른 비-제한적인 실시예에서, Ti-6-2-4-2 합금의 4.0 인치 입방체-형태 워크피스는 1시간 동안 1950°F (1066°C)에서 베타 어닐링되며 그 후 공기 냉각되었다. 냉각 후, 베타 어닐링된 입방체-형태 워크피스는 1700°F (926.7°C)의 워크피스 단조 온도로 가열되며 1시간 동안 유지된다. 2개의 고 변형 속도 MAF 사이클들(총 6개의 히트들에 대해, 3개의 A-B-C 히트들의 2개의 시퀀스들)이 1700°F (926.7°C)에서 이용되었다. 연속적인 히트들 사이의 시간은 약 15초였다. 단조 시퀀스는: 3 인치 스톱으로의 A 히트; 3.5 인치 스톱으로의 B 히트; 및 4.0 인치 스톱으로의 C 히트였다. 이러한 단조 시퀀스는 매 3-히트 MAF 시퀀스마다 모든 3개의 직교 축들에 동일한 변형률을 제공한다. 램 속도는 초당 1 인치였다. 4.0 인치 입방체들을 제외하고, 프레스 상에 어떤 변형 속도 제어도 없으며, 이러한 램 속도는 0.25 s-1의 프레싱 동안 최소 변형 속도를 야기한다. 사이클당 총 변형률은, 이전 예들에서처럼, 각각의 방향에서 3.25 인치 감소로의 단조보다 작다.
워크피스는 1650°F (898.9°C)로 가열되며 3개의 부가적인 히트들을 위한 고 변형 속도 MAF(즉, 1개의 부가적인 A-B-C 고 변형 속도 MAF 사이클)의 대상이 되었다. 단조 시퀀스는: 3 인치 스톱으로의 A 히트; 3.5 인치 스톱으로의 B 히트; 및 4.0 인치 스톱으로의 C 히트였다. 단조 후, 워크피스에 부여된 총 변형률은 2.59였다.
예 4의 단조된 워크피스의 미세구조는 도 14의 현미경 사진에 도시된다. 대다수의 알파 미립자들(보다 밝은 컬러링된 영역들)은 네트워킹된 구조에 있다는 것이 이해된다. 알파 미립자들은 개개의 알파 입자들로 구성되며 알파 입자들의 각각은 4 ㎛이하의 입자 크기를 가지며 형태가 등축이라는 것이 가능성 있게 믿어지고 있다.
예 5
본 발명에 따른 비-제한적인 실시예에서, Ti-6-2-4-2 합금의 4.0 인치 입방체-형태 워크피스는 1시간 동안 1950°F (1066°C)에서 베타 어닐링되며 그 후 공기 냉각되었다. 냉각 후, 베타 어닐링된 입방체-형태 워크피스는 1700°F (926.7°C)의 워크피스 단조 온도로 가열되며 1시간 동안 유지된다. 본 발명에 따른 MAF는 주요 감소 스페이서 높이에 대한 6개의 프레스 단조들( A , B , C , A , B , C )을 입방체-형태 워크피스에 적용하기 위해 이용되었다. 또한, 3.25 인치 주요 감소 스페이서 높이로의 각각의 프레스 단조 사이에서, 제 1 및 제 2 블록화 감소들은 워크피스를 "스퀘어 업"하기 위해 다른 축들 상에서 행해졌다. 사용된 전체 단조 시퀀스는 다음과 같으며, 여기에서 볼드체이며 밑줄 그어진 히트들은 주요 감소 스페이스 높이로의 프레스 단조들이다: A -B-C- B -C-A- C -A-B- A -B-C- B -C-A- C .
이용된 주요, 제 1 블로킹, 및 제 2 블로킹 스페이서 높이들(인치로)을 포함하는 단조 시퀀스는 이하의 표에 개괄되었다. 램 속도는 초당 1 인치였다. 4.0 인치 입방체들을 제외하고, 프레스 상에 어떤 변형 속도 제어도 없으며, 이러한 램 속도는 0.25 s-1의 프레싱 동안 최소 변형 속도를 야기한다. 히트들 사이에서 경과된 시간은 약 15초였다. 이러한 비-제한적인 실시예에 따른 열적 관리된 MAF 후 총 변형률은 2.37이었다.
| 축들 및 스페이서 높이들 (인치) | |||
| 히트 | A | B | C |
| 1 | 3.25 | ||
| 2 | 4.25 | ||
| 3 | 4.25 | ||
| 4 | 3.25 | ||
| 5 | 4.75 | ||
| 6 | 4 | ||
| 7 | 3.25 | ||
| 8 | 4.75 | ||
| 9 | 4 | ||
| 10 | 3.25 | ||
| 11 | 4.75 | ||
| 12 | 4 | ||
| 13 | 3.25 | ||
| 14 | 4.75 | ||
| 15 | 4 | ||
| 16 | 3.25 | ||
| 총 변형률 | 2.37 | ||
이러한 예 5에 설명된 프로세스에 의해 단조된 워크피스의 미세구조는 도 15의 현미경 사진에 도시된다. 대다수의 알파 미립자들(보다 밝은 컬러링된 영역들)이 가늘고 길다는 것이 이해된다. 알파 미립자들은 개개의 알파 입자들로 구성되며 알파 입자들의 각각은 4 ㎛이하의 입자 크기를 가지며 형태가 등축이라는 것이 가능성 있게 믿어지고 있다.
예 6
본 발명에 따른 비-제한적인 실시예에서, Ti-6-2-4-2 합금의 4.0 인치 입방체-형태 워크피스는 1시간 동안 1950°F (1066°C)에서 베타 어닐링되며 그 후 공기 냉각되었다. 본 발명의 실시예들에 따른, 열적 관리된 고 변형 속도 MAF는 1900°C에서의 6 히트들(2 A-B-C MAF 사이클들)을 포함하여, 워크피스 상에서 수행되었으며, 30초가 각각의 히트 사이에서 유지된다. 램 속도는 초당 1 인치였다. 4.0 인치 입방체들을 제외하고, 프레스 상에 어떤 변형 속도 제어도 없으며, 이러한 램 속도는 0.25 s-1의 프레싱 동안 최소 변형 속도를 야기한다. 중간 유지들을 가진 6개의 히트들의 시퀀스는 MAF 동안 베타 트랜서스 온도를 통해 조각의 표면을 가열하도록 설계되었으며, 이것은 그러므로 스루 트랜서스 고 변형 속도 MAF로서 불리울 수 있다. 프로세스는 표면 구조들을 미세화하는 것 및 후속 단조 동안 균열을 최소화하는 것을 야기한다. 워크피스는 그 후 1650°F (898.9°C)에서, 즉, 1시간 동안 베타 트랜서스 온도 아래에서 가열되었다. 본 발명의 실시예들에 따른 MAF는 히트들 사이에 약 15초를 갖는 6 히트들(두 개의 A-B-C MAF 사이클들)을 포함하여, 워크피스에 적용되었다. 첫 번째 3개의 히트들(제 1 A-B-C MAF 사이클에서의 히트들)은 3.5 인치 스페이서 높이를 갖고 수행되었으며, 두 번째 3개의 히트들(제 2 A-B-C MAF 사이클에서의 히트들)은 3.25 인치 스페이서 높이를 갖고 수행되었다. 워크피스는 1650°F로 가열되며 3.5 인치 스페이서를 가진 히트들 및 3.25 인치 스페이서를 가진 히트들 사이에서 30분 동안 유지되었다. 첫 번째 3개의 히트들을 위해 사용된 보다 작은 감소(즉, 보다 큰 스페이서 높이)는 보다 작은 감소가 균열을 이끌 수 있는 경계 구조들을 분해하기 때문에 균열을 금지하도록 설계되었다. 워크피스는 1시간 동안 1500°F (815.6°C)로 재열되었다. 본 발명의 실시예들에 따른 MAF는 그 후 3개의 A-B-C 히트들(하나의 MAF 사이클)을 사용하여 각각의 히트 사이에 15초를 갖고 3.25 인치 감소들에 적용되었다. 이러한 시퀀스의 보다 많은 감소들은 부가적인 작업을 비-경계 구조들에 더하도록 설계된다. 예 6에 설명된 모든 히트들에 대한 램 속도는 초당 1인치였다.
3.01의 총 변형률은 예 6의 워크피스에 부여되었다. 예 6의 열적 관리된 MAF 워크피스의 중심으로부터의 대표적인 현미경 사진이 도 16(a)에 도시된다. 예 6의 열적 관리된 MAF 워크피스의 표면의 대표적인 현미경 사진은 도 16(b)에 보여진다. 표면 미세구조(도 16(b))는 상당히 미세화되며 대다수의 미립자들 및/또는 입자들은 약 4 ㎛이하의 크기를 갖고, 이것은 초미립자 미세구조이다. 도 16(a)에 도시된 중심 미세구조는 고도로 미세화된 입자들을 도시하며 알파 미립자들은 개개의 알파 입자들로 구성되고 알파 입자들의 각각은 4 ㎛이하의 입자 크기를 가지며 형태가 등축이라는 것이 가능성 있게 믿어지고 있다.
본 설명은 본 발명의 명확한 이해에 관련된 본 발명의 이들 측면들을 예시한다는 것이 이해될 것이다. 이 기술분야의 숙련자들에게 명백할 것이며 그러므로 본 발명의 보다 양호한 이해를 용이하게 하지 않을 특정한 측면들이 본 설명을 간략화하기 위해 제공되지 않았다. 본 발명의 제한된 수의 실시예들만이 반드시 여기에 설명되지만, 이 기술분야의 숙련자는 앞서 말한 설명을 고려할 때, 본 발명의 많은 수정들 및 변형들이 이용될 수 있다는 것을 인식한다. 본 발명의 모든 이러한 변형들 및 수정들은 앞서 말한 설명 및 다음의 청구항들에 의해 커버되도록 의도된다.
Claims (46)
- 티타늄 합금을 포함하는 워크피스(workpiece)의 입자 크기를 미세화하는 방법에 있어서,
상기 워크피스를 베타 어닐링(beta annealing)하는 단계;
상기 베타 어닐링된 워크피스를 상기 티타늄 합금의 베타 트랜서스 온도(transus temperature) 아래의 온도로 냉각시키는 단계; 및
상기 워크피스를 다중-축 단조(forging)하는 단계로서,
상기 워크피스의 내부 영역을 단열적으로 가열하기에 충분한 변형 속도를 갖고 상기 워크피스의 제 1 직교 축의 방향으로 워크피스 단조 온도 범위 내 워크피스 단조 온도에서 상기 워크피스를 프레스 단조(press forging)하는 단계,
상기 워크피스의 상기 내부 영역을 단열적으로 가열하기에 충분한 변형 속도를 갖고 상기 워크피스의 제 2 직교 축의 방향으로 상기 워크피스 단조 온도 범위 내 워크피스 단조 온도에서 상기 워크피스를 프레스 단조하는 단계,
상기 워크피스의 상기 내부 영역을 단열적으로 가열하기에 충분한 변형 속도를 갖고 상기 워크피스의 제 3 직교 축의 방향으로 상기 워크피스 단조 온도 범위 내 워크피스 단조 온도에서 상기 워크피스를 프레스 단조하는 단계, 및
적어도 1.0의 총 변형률이 상기 워크피스에서 달성될 때까지 상기 프레스 단조 단계들 중 적어도 하나를 반복하는 단계를 포함하는, 상기 다중-축 단조하는 단계를 포함하는, 입자 크기를 미세화하는 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 프레스 단조하는 단계들 중 적어도 하나는 적어도 1.0에서 3.5 미만까지의 범위에서의 총 변형률이 상기 워크피스에서 달성될 때까지 반복되는, 입자 크기를 미세화하는 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 프레스 단조 동안 사용되는 변형 속도는 0.2 s-1 내지 0.8 s-1의 범위에 있는, 입자 크기를 미세화하는 방법. - 청구항 에 있어서,
상기 워크피스는 알파+베타 티티늄 합금 및 준안정(metastable) 베타 티타늄 합금 중 하나를 포함하는, 입자 크기를 미세화하는 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 워크피스는 알파+베타 티타늄 합금을 포함하는, 입자 크기를 미세화하는 방법. - 청구항 4 또는 청구항 5에 있어서,
상기 티타늄 합금은 알파 상 침전 및 성장 속도론을 감소시키는데 효과적인 입자 피닝(pinning) 합금 첨가물들 및 베타 안정화 함유물 중 적어도 하나를 포함하는, 입자 크기를 미세화하는 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 워크피스는 Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo 합금 (UNS R56260), Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.08Si 합금 (UNS R54620), Ti-4Al-2.5V 합금 (UNS R54250), Ti-6Al-7Nb 합금 (UNS R56700), 및 Ti-6Al-6V-2Sn 합금 (UNS R56620)으로부터 선택되는 티타늄 합금을 포함하는, 입자 크기를 미세화하는 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 베타 어닐링된 워크피스를 냉각시키는 단계는 상기 워크피스를 주위 온도로 냉각시키는 단계를 포함하는, 입자 크기를 미세화하는 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 베타 어닐링된 워크피스를 냉각시키는 단계는 상기 워크피스를 상기 워크피스 단조 온도에서 또는 그 가까이에서의 온도로 냉각시키는 단계를 포함하는, 입자 크기를 미세화하는 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 워크피스를 베타 어닐링하는 단계는 상기 티타늄 합금의 상기 베타 트랜서스 온도에서 상기 티타늄 합금의 상기 베타 트랜서스 온도 위 300°F (111°C)까지의 범위의 베타 어닐링 온도에서 상기 워크피스를 가열하는 단계를 포함하는, 입자 크기를 미세화하는 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 워크피스를 베타 어닐링하는 단계는 5분 내지 24시간까지의 범위의 시간 동안 베타 어닐링 온도에서 상기 워크피스를 가열하는 단계를 포함하는, 입자 크기를 미세화하는 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 베타 어닐링된 워크피스를 냉각시키기는 단계 이전에 상기 티타늄 합금의 상기 베타 상 필드에서 소성 변형 온도로 상기 워크피스를 소성 변형하는 단계를 더 포함하는, 입자 크기를 미세화하는 방법. - 청구항 12에 있어서,
상기 티타늄 합금의 상기 베타 상 필드에서 소성 변형 온도로 상기 워크피스를 소성 변형하는 단계는 상기 워크피스를 드로잉(drawing)하는 단계, 업셋 단조(upset forging)하는 단계, 및 고 변형 속도 다중-축 단조하는 단계 중 적어도 하나를 포함하는, 입자 크기를 미세화하는 방법. - 청구항 12에 있어서,
상기 소성 변형 온도는 상기 티타늄 합금의 상기 베타 트랜서스 온도에서 상기 티타늄 합금의 상기 베타 트랜서스 온도 위 300°F (111°C)까지의 범위에 있는, 입자 크기를 미세화하는 방법. - 청구항 12에 있어서,
상기 워크피스를 소성 변형하는 단계는 고 변형 속도 다중-축 단조하는 단계를 포함하며, 상기 워크피스를 냉각시키는 단계는 상기 워크피스가 상기 티타늄 합금의 상기 알파+베타 상 필드에서 상기 워크피스 단조 온도로 냉각시킴에 따라 상기 워크피스를 고 변형 속도 다중-축 단조하는 단계를 포함하는, 입자 크기를 미세화하는 방법. - 청구항 12에 있어서,
상기 워크피스를 소성 변형하는 단계는 0.1 내지 0.5의 범위의 베타-업셋 변형률로 상기 워크피스를 업셋 단조하는 단계를 포함하는, 입자 크기를 미세화하는 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 워크피스 단조 온도는 상기 티타늄 합금의 상기 베타 트랜서스 온도 아래 100°F (55.6°C) 내지 상기 티타늄 합금의 상기 베타 트랜서스 온도 아래 700°F (388.9°C)의 범위에 있는, 입자 크기를 미세화하는 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 워크피스의 상기 단열적으로 가열된 내부 영역이 상기 워크피스 단조 온도 범위 내 상기 워크피스 단조 온도에서 또는 그 가까이에서의 온도로 냉각하도록 허용하며, 상기 워크피스 단조 온도 범위 내 상기 워크피스 단조 온도에서 또는 그 가까이에서의 온도로 상기 워크피스의 상기 외부 표면을 가열하는, 중간의 연속적으로 프레스 단조하는 단계들을 더 포함하는, 입자 크기를 미세화하는 방법. - 청구항 18에 있어서,
상기 워크피스의 상기 단열적으로 가열된 내부 영역은 5초 내지 120초의 범위의 내부 영역 냉각 시간 동안 냉각하도록 허용되는, 입자 크기를 미세화하는 방법. - 청구항 18에 있어서,
상기 워크피스의 상기 외부 표면을 가열하는 단계는 화염 가열(flame heating), 박스로 가열(box furnace heating), 유도 가열(induction heating), 및 방사 가열(radiant heating) 중 하나 이상을 사용하여 가열하는 단계를 포함하는, 입자 크기를 미세화하는 방법. - 청구항 18에 있어서,
상기 워크피스를 프레스 단조하기 위해 사용되는 단조의 다이들(dies)은 상기 워크피스 단조 온도 내지 상기 워크피스 단조 온도 아래 100°F (55.6°C)의 범위의 온도로 가열되는, 입자 크기를 미세화하는 방법. - 청구항 1에 있어서,
적어도 1.0의 총 변형률이 달성된 후, 상기 워크피스는 4 ㎛이하의 범위에 있는 평균 알파 미립자 크기를 포함하는, 입자 크기를 미세화하는 방법. - 청구항 1에 있어서,
적어도 1.0의 총 변형률이 상기 워크피스에서 달성될 때까지 상기 프레스 단조하는 단계들 중 적어도 하나를 반복하는 단계는 제 2 워크피스 단조 온도에서 상기 워크피스를 프레스 단조하는 단계를 포함하며, 상기 제 2 워크피스 단조 온도는 상기 워크피스의 상기 티타늄 합금의 알파-베타 상 필드 내에 있으며, 상기 제 2 워크피스 단조 온도는 상기 워크피스 단조 온도보다 낮은, 입자 크기를 미세화하는 방법. - 티타늄 합금을 포함하는 워크피스의 입자 크기를 미세화하는 방법에 있어서,
상기 워크피스를 베타 어닐링하는 단계;
상기 베타 어닐링된 워크피스를 상기 티타늄 합금의 베타 트랜서스 온도 아래의 온도로 냉각시키는 단계; 및
상기 워크피스를 다중-축 단조하는 단계로서,
상기 워크피스의 내부 영역을 단열적으로 가열하기에 충분한 변형 속도를 갖고 주요 감소 스페이서 높이로 상기 워크피스의 제 1 직교 A-축의 방향으로 워크피스 단조 온도 범위에서의 워크피스 단조 온도에서 상기 워크피스를 프레스 단조하는 단계,
제 1 블로킹 감소 스페이서(blocking reduction height) 높이로 상기 워크피스의 제 2 직교 B-축의 방향으로 상기 워크피스 단조 온도에서 상기 워크피스를 프레스 단조하는 단계,
제 2 블로킹 감소 스페이서 높이로 상기 워크피스의 제 3 직교 C-축의 방향으로 상기 워크피스 단조 온도에서 상기 워크피스를 프레스 단조하는 단계,
상기 워크피스의 내부 영역을 단열적으로 가열하기에 충분한 변형 속도를 갖고 상기 주요 감소 스페이서 높이로 상기 워크피스의 상기 제 2 직교 B-축의 방향으로 상기 워크피스 단조 온도에서 상기 워크피스를 프레스 단조하는 단계,
상기 제 1 블로킹 감소 스페이서 높이로 상기 워크피스의 상기 제 3 직교 C-축의 방향으로 상기 워크피스 단조 온도에서 상기 워크피스를 프레스 단조하는 단계,
상기 제 2 블로킹 감소 스페이서 높이로 상기 워크피스의 상기 제 1 직교 A-축의 방향으로 상기 워크피스 단조 온도에서 상기 워크피스를 프레스 단조하는 단계,
상기 워크피스의 내부 영역을 단열적으로 가열하기에 충분한 변형 속도를 갖고 상기 주요 감소 스페이서 높이로 상기 워크피스의 상기 제 3 직교 C-축의 방향으로 상기 워크피스 단조 온도에서 상기 워크피스를 프레스 단조하는 단계,
상기 제 1 블로킹 감소 스페이서 높이로 상기 워크피스의 상기 제 1 직교 A-축의 방향으로 상기 워크피스 단조 온도에서 상기 워크피스를 프레스 단조하는 단계,
상기 제 2 블로킹 감소 스페이서 높이로 상기 워크피스의 상기 제 2 직교 B-축의 방향으로 상기 워크피스 단조 온도에서 상기 워크피스를 프레스 단조하는 단계, 및
적어도 1.0의 총 변형률이 상기 워크피스에서 달성될 때까지 이전 프레스 단조 단계들 중 적어도 하나를 반복하는 단계를 포함하는, 상기 다중-축 단조하는 단계를 포함하는, 입자 크기를 미세화하는 방법. - 청구항 24에 있어서,
상기 프레스 단조하는 단계들 중 적어도 하나는 적어도 1.0에서 3.5 미만까지의 총 변형률이 상기 워크피스에서 달성될 때까지 반복되는, 입자 크기를 미세화하는 방법. - 청구항 24에 있어서,
프레스 단조 동안 사용되는 변형 속도는 0.2 s-1 to 0.8 s-1의 범위에 있는, 입자 크기를 미세화하는 방법. - 청구항 24에 있어서,
상기 워크피스는 알파+베타 티타늄 합금 및 준안정 베타 티타늄 합금 중 하나를 포함하는, 입자 크기를 미세화하는 방법. - 청구항 24에 있어서,
상기 워크피스는 알파+베타 티타늄 합금을 포함하는, 입자 크기를 미세화하는 방법. - 청구항 27 또는 청구항 28에 있어서,
상기 티타늄 합금은 알파 상 침전 및 알파 상 성장 속도론을 감소시키기 위해 입자 피닝 합금 첨가물들 및 베타 안정화 함유물 중 적어도 하나를 포함하는, 입자 크기를 미세화하는 방법. - 청구항 24에 있어서,
상기 워크피스는 Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo 합금 (UNS R56260), Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.08Si 합금 (UNS R54620), Ti-4Al-2.5V 합금 (UNS R54250), Ti-6Al-7Nb 합금 (UNS R56700), 및 Ti-6Al-6V-2Sn 합금 (UNS R56620)으로부터 선택된 티타늄 합금을 포함하는, 입자 크기를 미세화하는 방법. - 청구항 24에 있어서,
상기 베타 어닐링된 워크피스를 냉각시키는 단계는 상기 워크피스를 주위 온도로 냉각시키는 단계를 포함하는, 입자 크기를 미세화하는 방법. - 청구항 24에 있어서,
상기 베타 어닐링된 워크피스를 냉각시키는 단계는 상기 워크피스를 상기 워크피스 단조 온도로 냉각시키는 단계를 포함하는, 입자 크기를 미세화하는 방법. - 청구항 24에 있어서,
상기 워크피스를 베타 어닐링하는 단계는 상기 티타늄 합금의 상기 베타 트랜서스 온도에서 상기 티타늄 합금의 상기 베타 트랜서스 온도 위 300°F (111°C)까지의 범위 내 베타 어닐링 온도에서 상기 워크피스를 가열하는 단계를 포함하는, 입자 크기를 미세화하는 방법. - 청구항 24에 있어서,
상기 워크피스를 베타 어닐링하는 단계는 5분 내지 24시간 범위의 시간 동안 베타 어닐링 온도에서 상기 워크피스를 가열하는 단계를 포함하는, 입자 크기를 미세화하는 방법. - 청구항 24에 있어서,
상기 베타 어닐링된 워크피스를 상기 티타늄 합금의 상기 베타 트랜서스 온도 아래 온도로 냉각시키기 단계 이전에 상기 티타늄 합금의 상기 베타 상 필드에서 소성 변형 온도로 상기 워크피스를 소성 변형하는 단계를 더 포함하는, 입자 크기를 미세화하는 방법. - 청구항 35에 있어서,
상기 티타늄 합금의 상기 베타 상 필드에서 소성 변형 온도로 상기 워크피스를 소성 변형하는 단계는 상기 워크피스를 드로잉하는 단계, 업셋 단조하는 단계, 및 고 변형 속도 다중-축 단조하는 단계 중 적어도 하나를 포함하는, 입자 크기를 미세화하는 방법. - 청구항 35에 있어서,
상기 소성 변형 온도는 상기 워크피스의 상기 티타늄 합금의 상기 베타 트랜서스 온도에서 상기 워크피스의 상기 티타늄 합금의 상기 베타 트랜서스 온도 위 300°F (111°C)까지의 범위에 있는, 입자 크기를 미세화하는 방법. - 청구항 35에 있어서,
상기 워크피스를 소성 변형하는 단계는 고 변형 속도 다중-축 단조하는 단계를 포함하며, 상기 베타 어닐링된 워크피스를 냉각시키는 단계는 상기 워크피스가 상기 티타늄 합금의 상기 알파+베타 상 필드에서 상기 워크피스 단조 온도로 냉각함에 따라 상기 워크피스를 고 변형 속도 다중-축 단조하는 단계를 포함하는, 입자 크기를 미세화하는 방법. - 청구항 35에 있어서,
상기 워크피스를 소성 변형하는 단계는 0.1 내지 0.5의 범위에서의 베타-업셋 변형률로 상기 워크피스를 업셋 단조하는 단계를 포함하는, 입자 크기를 미세화하는 방법. - 청구항 24에 있어서,
상기 워크피스 단조 온도는 상기 티타늄 합금의 상기 베타 트랜서스 온도 아래 100°F (55.6°C) 내지 상기 티타늄 합금의 상기 베타 트랜서스 온도 아래 700°F (388C)의 범위에 있는, 입자 크기를 미세화하는 방법. - 청구항 24에 있어서,
연속적으로 프레스 단조하는 단계들 중간에, 상기 워크피스의 상기 단열적으로 가열된 내부 영역은 상기 워크피스 단조 온도 범위 내 상기 워크피스 단조 온도에서 또는 그 가까이에서의 온도로 냉각하도록 허용되며, 상기 워크피스의 상기 외부 표면 영역은 상기 워크피스 단조 온도 범위 내 상기 워크피스 단조 온도에서 또는 그 가까이에서의 온도로 가열되는, 입자 크기를 미세화하는 방법. - 청구항 41에 있어서,
상기 워크피스의 상기 단열적으로 가열된 내부 영역은 5초 내지 120초 범위의 시간 동안 냉각하도록 허용되는, 입자 크기를 미세화하는 방법. - 청구항 41에 있어서,
상기 워크피스의 상기 외부 표면을 가열하는 단계는 화염 가열, 박스로 가열, 유도 가열, 및 방사 가열 중 하나 이상을 사용하여 가열하는 단계를 포함하는, 입자 크기를 미세화하는 방법. - 청구항 41에 있어서,
상기 워크피스를 프레스 단조하기 위해 사용되는 단조의 다이들은 상기 워크피스 단조 온도 내지 상기 워크피스 단조 온도 아래 100°F (55.6°C)의 범위의 온도로 가열되는, 입자 크기를 미세화하는 방법. - 청구항 24에 있어서,
적어도 1.0의 총 변형률이 달성된 후, 상기 워크피스는 4 ㎛이하의 평균 알파 미립자 크기를 포함하는, 입자 크기를 미세화하는 방법. - 청구항 24에 있어서,
적어도 1.0의 총 변형률이 상기 워크피스에서 달성될 때까지 상기 프레스 단조하는 단계들 중 적어도 하나를 반복하는 단계는 제 2 워크피스 단조 온도에서 상기 워크피스를 프레스 단조하는 단계를 포함하며, 상기 제 2 워크피스 단조 온도는 상기 티타늄 합금 워크피스의 상기 알파-베타 상 필드 내에 있으며, 상기 제 2 워크피스 단조 온도는 상기 워크피스 단조 온도보다 낮은, 입자 크기를 미세화하는 방법.
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