MX2012008976A - Sistemas y metodos para formar y procesar lingotes aleados. - Google Patents

Abstract

Se describen procesos y métodos relacionados para producir, procesar, y elaborar en caliente lingotes aleados. Se forma un lingote aleado que incluye un núcleo interno del lingote y una capa externa metalúrgicamente unida al núcleo interno del lingote. Los procesos y métodos se caracterizan por una reducción en la incidencia del agrietamiento superficial del lingote aleado durante la elaboración en caliente.

Description

SISTEMAS Y MÉTODOS PARA FORMAR Y PROCESAR LINGOTES ALEADOS CAMPO TÉCNICO La presente descripción se dirige a los sistemas, aparatos, y procesos para formar lingotes aleados. La presente descripción se dirige además a los sistemas, aparatos, y métodos para procesar lingotes aleados. La presente descripción se dirige también a los lingotes aleados y otros artículos formados y procesados como se describe en la presente descripción.

ANTECEDENTES Los productos aleados de metal pueden prepararse, por ejemplo, usando operaciones metalúrgicas de los lingotes. Las operaciones metalúrgicas de los lingotes involucran la fusión de la materia prima de aleación y la colada del material fundido para formar un lingote. Un ejemplo no limitante de una operación metalúrgica del lingote es una técnica de "triple fusión", que incluye tres operaciones de fusión: (1) fusión por inducción al vacío (VIM) para preparar una composición de aleación deseada a partir de la materia prima; (2) refusión con electroescorias (ESR), que puede reducir los niveles de, por ejemplo, inclusiones que contienen oxígeno; y (3) refusión por arco en vacío (VAR), que puede reducir los niveles de los componentes volátiles de la aleación y la segregación de la composición que puede ocurrir durante la solidificación después de la ESR.

Los lingotes aleados formados a partir de operaciones metalúrgicas de los lingotes pueden elaborarse en caliente para producir otros productos aleados. Por ejemplo, después de la solidificación para formar un lingote aleado, el lingote puede someterse a forjado y/o extrusión para formar una palanquilla u otro artículo aleado a partir del lingote.

SUMARIO Las modalidades descritas en la presente descripción se dirigen a un proceso para formar un lingote aleado. El proceso comprende colocar un revestimiento de aleación en un crisol para usar en un aparato de refusión por arco en vacío. Un electrodo aleado se somete a refusión en un aparato de refusión por arco en vacío. El electrodo aleado se somete a refusión por arco en vacío en revestimiento de aleación en el crisol. De esta manera, se forma un lingote aleado que comprende una capa externa metalúrgicamente unida a un núcleo interno del lingote.

Otras modalidades se dirigen a un método para procesar un lingote aleado.

El método comprende aplicar fuerza a un lingote aleado para deformar el lingote aleado. El lingote aleado comprende una capa externa metalúrgicamente unida a un núcleo interno del lingote. La capa externa comprende una aleación que es más dúctil que la aleación que comprende el núcleo interno del lingote. La capa externa reduce la incidencia de agrietamiento superficial del lingote aleado durante la aplicación de fuerza al lingote aleado.

Se entiende que la invención divulgada y descrita en la presente descripción no se limita a las modalidades descritas en este Sumario.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Varias características de las modalidades no limitantes divulgadas y descritas en la presente descripción pueden entenderse mejor con referencia a las figuras que se acompañan, en las que: La Figura 1 es un diagrama esquemático que ilustra un aparato de refusión por arco en vacío (VAR); La Figura 2 es un diagrama esquemático que ilustra un aparato de VAR con un revestimiento de aleación colocado en el crisol del aparato; La Figura 3 es un diagrama esquemático que ilustra un aparato de refusión con doble electrodo de arco en vacío con un revestimiento de aleación colocado en el crisol del aparato; Las Figuras 4A y 4B son diagramas esquemáticos de un lingote aleado cilindrico que tiene una capa externa metalúrgicamente unida a un núcleo interno del lingote; la Figura 4A es una vista terminal del lingote; la Figura 4B es una vista en perspectiva del lingote que muestra la capa externa parcialmente eliminada para revelar la superficie subyacente del núcleo interno del lingote; La Figura 5A es un diagrama esquemático que ¡lustra una operación de forjado estirado realizada en un lingote aleado; la Figura 5B es un diagrama esquemático de la sección transversal del lingote que se ilustra en la Figura 5A después del forjado; la Figura 5C es un diagrama esquemático que ilustra una operación de forjado estirado realizada en un lingote aleado que tiene una capa externa metalúrgicamente unida a un núcleo interno del lingote; la Figura 5D es un diagrama esquemático de la sección transversal del lingote que se ilustra en la Figura 5C después del forjado; La Figura 6A es un diagrama esquemático que ¡lustra una operación de forjado por recalcado realizada en un lingote aleado; la Figura 6B es un diagrama esquemático de la sección transversal del lingote que se ¡lustra en la Figura 6A después del forjado; la Figura 6C es un diagrama esquemático que ¡lustra una operación de forjado por recalcado realizada en un lingote aleado que tiene una capa externa metalúrgicamente unida a un núcleo interno del lingote; la Figura 6D es un diagrama esquemático de la sección transversal del lingote que se ilustra en la Figura 6C después del forjado; La Figura 7 es una fotografía de una sección transversal macro-grabada de un lingote que tiene una capa externa metalúrgicamente unida a un núcleo interno del lingote que muestra la macro-estructura interna del lingote; La Figura 8A es una micrografía óptica de la capa externa del lingote que se muestra en la Figura 7; la Figura 8B es una micrografía óptica del núcleo interno del lingote del lingote que se muestra en la Figura 7 tomada justo dentro de la interfase entre la capa externa y el núcleo interno del lingote; la Figura 8C es una micrografía óptica del núcleo interno del lingote del lingote que se muestra en la Figura 7 tomada en un lugar del radio medio dentro del lingote; la Figura 8D es una micrografía óptica de la interfase entre la capa externa y el núcleo interno del lingote del lingote que se muestra en la Figura 7; y La Figura 9 es una micrografía SEM de la interfase entre la capa externa y el núcleo interno del lingote del lingote que se muestra en las Figuras 7 y 8A-8D.

El lector apreciará los detalles anteriores, así como otros, al considerar la siguiente descripción detallada de varias modalidades no limitantes de acuerdo con la presente descripción. Además, el lector puede comprender los detalles adicionales al implementar o usar las modalidades descritas en la presente descripción.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LAS MODALIDADES NO LIMITANTES Debe entenderse que varias descripciones de las modalidades descritas se simplificaron para ilustrar solamente aquellos rasgos, aspectos, características, y similares que son relevantes para una clara comprensión de las modalidades descritas, mientras que se eliminaron, por propósitos de claridad, otros rasgos, aspectos, características, y similares. Las personas que tienen un conocimiento ordinario en la materia, al considerar la presente descripción de las modalidades descritas, reconocerán que pueden ser deseables otros rasgos, aspectos, características, y similares en una implementación o aplicación particular de las modalidades descritas. Sin embargo, debido a que esos otros rasgos, aspectos, características, y similares pueden ser fácilmente determinados e implementados por las personas con conocimiento ordinario en la materia al considerar la presente descripción de las modalidades descritas, y no son, por lo tanto, necesarios para una comprensión completa de las modalidades descritas, en la presente descripción no se proporciona una descripción de tales rasgos, aspectos, características, y similares. Como tal, debe entenderse que la descripción que se expone en la presente descripción es meramente ejemplar e ilustrativa de las modalidades descritas y no pretende limitar el alcance de la invención según se define únicamente por las reivindicaciones.

En la presente descripción, además de donde se indique de cualquier otra forma, todos los números que expresan cantidades o características se entienden que son precedidos y modificados en todos los casos por el término "aproximadamente." En correspondencia, a menos que se indique lo contrario, cualquier parámetro numérico que se expone en la siguiente descripción puede variar dependiendo de las propiedades deseadas que se buscan obtener en las modalidades de acuerdo con la presente descripción. Como mínimo, y no como un intento de limitar la aplicación de la doctrina de los equivalentes al alcance de las reivindicaciones, cada parámetro numérico descrito en la presente descripción deberá construirse al menos a la luz del número de dígitos significativos reportados y mediante la aplicación de técnicas de redondeo ordinarias.

Además, cualquier intervalo numérico enumerado en la presente descripción pretende incluir todos los sub-intervalos incluidos en la misma. Por ejemplo, un intervalo de "1 a 10" pretende incluir todos los sub-intervalos entre (y que incluyen) el valor mínimo enumerado de 1 y el valor máximo enumerado de 10, o sea, tener un valor mínimo igual a o mayor que 1 y un valor máximo de igual a o menor que 10. Cualquier limitación numérica máxima enumerada en la presente descripción pretende incluir todas las limitaciones numéricas inferiores incluidas en la misma y cualquier limitación numérica mínima enumerada en la presente descripción pretende incluir todas las limitaciones numéricas superiores incluidas en la misma. En correspondencia, los solicitantes se reservan el derecho de enmendar la presente descripción, incluyendo las reivindicaciones, para enumerar expresamente cualquier sub-intervalo incluido dentro de los intervalos que se enumeran expresamente en la presente descripción. Todos esos intervalos pretenden estar descritos intrínsecamente en la presente descripción de manera que la enmienda de cualquiera de los sub-intervalos expresamente enumerados cumpla con los requisitos de 35 U.S.C. § 1 12, primer párrafo, y 35 U.S.C. § 132(a).

Los artículos gramaticales "uno", "un", "una", y "el/la", como se usan en la presente, pretenden incluir "al menos uno" o "uno o más", a menos que se indique de cualquier otra forma. Así, los artículos se usan en la presente descripción para referirse a uno o más de uno (es decir, por lo menos a uno) de los objetos gramaticales del artículo. A modo de ejemplo, "un componente" significa uno o más componentes, y así, posiblemente, se contempla más de un componente y puede emplearse o usarse en una implementación de las modalidades descritas.

Cualquier patente, publicación, u otro material divulgado que se mencione incorporado como referencia en la presente descripción se incorpora en su totalidad a menos que se indique de cualquier otra forma, pero sólo en la extensión en la que el material incorporado no cause conflicto con las definiciones, declaraciones u otro material divulgado existente que se expongan expresamente en esta descripción. Como tal, y en la extensión necesaria, la descripción expresa que se expone en la presente descripción suplanta cualquier material conflictivo que se incorpora como referencia en la presente descripción. Cualquier material, o porción de este, que se mencione incorporado como referencia en la presente descripción, pero que entre en conflicto con las definiciones, declaraciones, u otro material divulgado existente que se expongan en la presente descripción, se incorpora solamente en la extensión en la que no surjan conflictos entre el material incorporado y el material divulgado existente Los solicitantes se reservan el derecho de enmendar la presente descripción para enumerar expresamente cualquier materia, o porción de esta, incorporada como referencia en la presente descripción.

La presente descripción incluye descripciones de varias modalidades no limitantes. Se entenderá que todas las modalidades descritas en la presente descripción son ejemplares, ilustrativas, y no limitantes. De esta forma, la invención no se limita por la descripción de varias modalidades ejemplares, ilustrativas, y no limitantes. En su lugar, la invención se define sólo por las reivindicaciones, que pueden enmendarse para enumerar cualquier característica expresamente o intrínsecamente descrita en, o expresamente o intrínsecamente soportada de cualquier otra forma, por la presente descripción. Por lo tanto, cualquiera de estas enmiendas cumpliría con los requisitos de 35 U.S.C. § 1 12, primer párrafo, y 35 U.S.C. § 132(a).

Las distintas modalidades no limitantes divulgadas y descritas en la presente descripción pueden comprender, consistir en, o consistir prácticamente en, los rasgos, aspectos, características, limitaciones, y similares, como se describe de forma diversa en la presente descripción. Las distintas modalidades no limitantes divulgadas y descritas en la presente descripción pueden comprender además rasgos, aspectos, características, limitaciones, y similares adicionales u opcionales, que se conocen en la materia o que pueden incluirse de cualquier otra forma en las distintas modalidades no limitantes como implementados en la práctica.

Varias aleaciones pueden caracterizarse como sensibles al agrietamiento.

Las aleaciones sensibles al agrietamiento tienden a formar grietas durante las operaciones de elaboración. Los lingotes aleados sensibles al agrietamiento, por ejemplo, pueden formar grietas durante las operaciones de elaboración en caliente usadas para producir artículos aleados a partir de los lingotes aleados sensibles al agrietamiento. Por ejemplo, pueden formarse palanquillas de aleación a partir de lingotes aleados usando la conversión por forjado. Otros artículos aleados pueden formarse a partir de palanquillas de aleación o lingotes aleados usando la extrusión u otras operaciones de elaboración. El rendimiento de producción de los artículos aleados, (por ejemplo, palanquillas de aleación) formados a partir de lingotes aleados sensibles al agrietamiento usando operaciones de elaboración en caliente puede ser inferior bajo debido a la incidencia del agrietamiento superficial de los lingotes aleados durante la elaboración en caliente (por ejemplo, durante el forjado o la extrusión). Los rendimientos de producción pueden reducirse por la necesidad de pulir o de cualquier otra forma eliminar las grietas superficiales de un lingote elaborado.

Como se usa en la presente descripción, el término "elaboración en caliente" se refiere a la aplicación de fuerza a una pieza de trabajo a una temperatura mayor que la temperatura ambiente, en donde la fuerza aplicada deforma plásticamente la pieza de trabajo.

Durante las operaciones de elaboración en caliente, tales como, por ejemplo, forjado o extrusión, se forma un gradiente de temperatura natural debido al enfriamiento de la superficie del lingote aleado por la pérdida de calor al aire ambiente. Más aun, la temperatura de un lingote aleado que se somete a la operación de elaboración puede ser mayor que la temperatura de las matrices usadas para aplicar fuerza mecánicamente a las superficies del lingote. La compensación del gradiente térmico resultante entre las superficies del lingote y las porciones interiores del lingote puede contribuir al agrietamiento superficial del lingote durante la elaboración en caliente, particularmente para los lingotes que se forman a partir de aleaciones sensibles al agrietamiento, tales como, por ejemplo, las aleaciones y superaleaciones a base de níquel, a base de hierro, a base de níquel-hierro y a base de cobalto.

Una forma en la cual se reduce la formación de grietas en las superficies de los lingotes aleados durante la elaboración en caliente es colocar los lingotes aleados en un camisa de aleación antes de la elaboración en caliente. Con los lingotes cilindricos, por ejemplo, el diámetro interior de la camisa de aleación es ligeramente mayor que el diámetro exterior del lingote aleado, y así permite la inserción del lingote en la camisa. La camisa rodea libremente el lingote, y proporciona la retención térmica usando espacios de aire y recintos de radiación. Durante las operaciones de elaboración, las matrices contactan la camisa externa, la cual encierra, al menos parcialmente, el lingote interno. De esta manera, el contenedor puede aislarse térmicamente y proteger mecánicamente la superficie del lingote encerrado al menos parcialmente, lo que puede reducir la incidencia de agrietamiento superficial del lingote durante la elaboración.

Una operación de encamisado del lingote puede resultar en varias desventajas. El contacto mecánico entre las superficies externas de la camisa y las matrices de elaboración puede romper la camisa. Por ejemplo, durante el forjado por recalcado y estirado de un lingote encamisado, la camisa puede romperse durante una operación de estirado. En ese caso, el lingote puede necesitar ser reencamisado entre cada ciclo de recalcado y estirado de una operación de forjado por recalcado y estirado múltiple, lo que aumenta la complejidad y los costos del proceso. Más aun, la camisa dificulta que el operador controle visualmente la superficie de un lingote encamisado de las grietas y otros defectos inducidos por la elaboración durante una operación de elaboración.

Las modalidades descritas en la presente descripción se dirigen a procesos para conformar un lingote aleado y a los métodos para procesar un lingote aleado. En varias modalidades no limitantes, un proceso para conformar un lingote aleado puede comprender colocar un revestimiento de aleación en un crisol para usar en un aparato de refusión por arco en vacío (VAR). Un electrodo aleado puede someterse a refusión por arco en vacío en el aparato de refusión por arco en vacío. El electrodo aleado puede someterse a refusión por arco en vacío en el revestimiento de aleación en el crisol. De esta manera, puede formarse un lingote aleado que comprende una capa externa metalúrgicamente unida a un núcleo interno del lingote. La capa externa comprende la aleación que comprende inicialmente el revestimiento (la aleación de revestimiento). El núcleo interno del lingote comprende la aleación que comprende inicialmente el electrodo VAR (la aleación del electrodo).

La refusión por arco en vacío es una operación metalúrgica del lingote que se usa para mejorar la limpieza y retinar la estructura de los lingotes aleados. En una operación VAR, el lingote aleado que se somete a refusión puede referirse como un electrodo aleado. Un electrodo aleado que se somete a refusión en una operación VAR puede formarse, por ejemplo, usando fusión con aire (por ejemplo, en un horno de arco eléctrico (EAF)), fusión al vacío (por ejemplo, fusión por inducción al vacío (VIM)), refusión con electroescorias (ESR), procesos de fusión en crisol, procesos de formación de aerosol, y/u otras operaciones de colada de la masa fundida o formación del lingote. La VAR puede incluir la refusión continua de un electrodo aleado consumible por un arco eléctrico bajo vacío. Una alimentación de energía de corriente directa (DC) puede conectarse eléctricamente al electrodo aleado y a una placa base de un crisol en un aparato de VAR. La alimentación de energía de DC pulsa un arco eléctrico entre un extremo libre del electrodo aleado y la placa base del crisol. El calor generado por la energía descargada a través del arco eléctrico funde el extremo libre del electrodo. La VAR se describe generalmente, por ejemplo, en Donachie y otros, Superallovs: A Technical Guide, ASM International, 2002, incorporada como referencia en la presente descripción.

La Figura 1 es un diagrama esquemático que ilustra una modalidad no limitante de un aparato de VAR 10. El aparato de VAR 10 incluye un crisol 12 que tiene una placa base 14. El crisol 12 se enfría con agua por una coraza de agua 16. La coraza de agua 16 incluye una entrada de agua y una salida de agua y permite que el flujo de agua pase a las superficies externas del crisol 12. El flujo de agua pasa el crisol 12 y extrae calor del crisol 12, lo que a su vez extrae el calor de la mezcla de aleación fundida 42 dentro del crisol 12, y facilita así la solidificación de la mezcla de aleación fundida 42 en un lingote sometido a refusión por arco en vacío 40. El lingote sometido a refusión por arco en vacío 40 se moldea por las superficies internas del crisol 12. El flujo de agua que pasa el crisol 12 extrae además el calor del lingote 40. El crisol 12 se asocia con un cabezal de VAR 20 para formar una cámara del horno sellada 22. El cabezal de VAR 20 incluye un puerto de vacío 24, que permite que se produzca un vacío dentro de la cámara del horno 22.

Un extremo de un electrodo aleado 30 se conecta a un pistón 32 que se extiende en la cámara del horno 22 del aparato de VAR 10. El pistón 32 conduce el extremo libre del electrodo 30 en el volumen abierto del crisol 12. El pistón 32 coloca verticalmente el electrodo aleado 30 en el crisol 12 cuando el electrodo aleado 30 se funde, y la aleación fundida 36 cae a través del espacio del arco del electrodo 46 en la mezcla de aleación fundida 42 en la superficie superior del lingote 40. De esta manera, el pistón 32 puede avanzar hacia la placa base 14 para mover el electrodo aleado 30 y mantener un espacio relativamente constante del arco del electrodo 46 dentro de las tolerancias de operación. El pistón 32 se coloca de forma desplazable a través de una abertura sellada 38 en el cabezal de VAR 20 de manera que puede mantenerse un vacío en la cámara del horno 22 durante una operación de VAR.

El electrodo aleado 30 se funde debido al calor generado por la energía descargada a través de un arco eléctrico que se forma inicialmente entre el extremo libre del electrodo 30 y la placa base del crisol 14. El electrodo 30 y la placa base 14 se conectan eléctricamente a una alimentación de energía 26. El arco eléctrico se forma inicialmente entre el extremo libre del electrodo 30 y la placa base 14 a través de un espacio del arco del electrodo 46. La acción de colocar verticalmente el pistón 32 mantiene el espacio del arco del electrodo 46 y el arco eléctrico que se forma entre el extremo libre del electrodo 30 y el lingote solidificado 40 después que la aleación fundida cubre la placa base 14 y comienza a rellenar el volumen abierto dentro del crisol 12.

La Figura 2 es un diagrama esquemático que ilustra una modalidad no limitante de un aparato de VAR 50. El aparato de VAR 50 incluye un crisol 52 que tiene una placa base 54. Un revestimiento de aleación 90 se coloca en el crisol 52. Aunque la Figura 2 muestra el revestimiento de aleación 90 abierto en los dos extremos opuestos, en varias modalidades alternativas el revestimiento de aleación puede estar parcialmente o completamente cerrado en el extremo colocado adyacente a la placa base de un aparato de VAR. El crisol 52 se enfría con agua por una coraza de agua 56. La coraza de agua 56 incluye una entrada de agua y una salida de agua y permite que el flujo de agua pase a las superficies externas del crisol 52. El flujo de agua pasa el crisol 52 y extrae calor del crisol 52, lo que a su vez extrae calor del revestimiento de aleación 90 y la mezcla de aleación fundida 82 dentro del revestimiento de aleación 90, y facilita así la solidificación de la mezcla de aleación fundida 82 en un núcleo interno del lingote 80 sometido a refusión por arco en vacío. De esta manera, se forma un lingote aleado que comprende una capa externa metalúrgicamente unida a un núcleo interno del lingote. La capa externa comprende material que comprende inicialmente el revestimiento de aleación 90, y el núcleo interno del lingote comprende material que comprende inicialmente un electrodo aleado 70. El crisol 52 se asocia con un cabezal de VAR 60 para formar una cámara del horno sellada 62. El cabezal de VAR 60 incluye una puerto de vacío 64, que permite que se produzca un vacío dentro de la cámara del horno 62.

Un extremo del electrodo aleado 70 se conecta a un pistón 72 en el aparato de VAR 50. El pistón 72 conduce el extremo libre del electrodo 70 en el espacio abierto dentro del revestimiento de aleación 90. El pistón 72 coloca verticalmente el electrodo aleado 70 en el revestimiento de aleación 90 cuando el electrodo aleado 70 se funde y la aleación fundida 76 gotea a través del espacio del arco del electrodo 86 en la mezcla de aleación fundida 82. De esta manera, el pistón 72 puede controlarse para mantener un espacio relativamente constante del arco del electrodo 86 dentro de las tolerancias de operación. El pistón 72 se coloca de forma desplazable a través de una abertura sellada 78 en el cabezal de VAR 60 de manera que puede mantenerse un vacío en la cámara del horno 62 durante una operación de VAR.

El electrodo aleado 70 se funde debido al calor generado por la energía descargada a través de un arco eléctrico que se forma inicialmente entre el extremo libre del electrodo 70 y la placa base del crisol 54. El electrodo 70 y la placa base 54 se conectan eléctricamente a una alimentación de energía 66. El arco eléctrico se forma inicialmente entre el extremo libre del electrodo 70 y la placa base 54 a través de un espacio del arco del electrodo. La acción de colocar verticalmente el pistón 72 mantiene el espacio del arco del electrodo 86 y el arco eléctrico que se forma entre el extremo libre del electrodo 70 y el lingote solidificado 80 después que la aleación fundida cubre la placa base del crisol 54 y comienza a rellenar el volumen dentro del revestimiento de aleación 90. De esta manera, el electrodo aleado 70 puede someterse a refusión por arco en vacío en el revestimiento de aleación 90, el cual se coloca en el crisol 52 en el aparato de refusión por arco en vacío 50.

Como se usa en la presente descripción, los términos "refusión por arco en vacío" y "VAR" incluyen variaciones de VAR, tales como, por ejemplo, refusión con doble electrodo de arco en vacío (VADER). La Figura 3 es un diagrama esquemático que ilustra una modalidad no limitante de un aparato de VAR 150 que comprende un aparato de VADER. El aparato de VAR 150 incluye un crisol 52 que tiene una placa base 154. Un revestimiento de aleación 190 se coloca en el crisol 152. Aunque la Figura 3 muestra el revestimiento de aleación 190 abierto en los dos extremos opuestos, en varias modalidades alternativas, el revestimiento de aleación puede estar parcialmente o completamente cerrado en el extremo colocado adyacente a la placa base de un aparato de VAR. El crisol 152 se enfría con agua por una coraza de agua 156. La coraza de agua 156 incluye una entrada de agua y una salida de agua y permite que el flujo de agua pase a las superficies externas del crisol 152. El flujo de agua pasa el crisol 152 y extrae calor del crisol 152, lo que a su vez extrae calor del revestimiento de aleación 190 y la mezcla de aleación fundida 182 dentro del revestimiento de aleación 190, y facilita así la solidificación de la mezcla de aleación fundida 182 en un núcleo interno del lingote 180 sometido a refusión por arco en vacío. De esta manera, se forma un lingote aleado que comprende una capa externa metalúrgicamente unida a un núcleo interno del lingote. La capa externa comprende material que comprende inicialmente el revestimiento de aleación 190 y el núcleo interno del lingote comprende material que comprende inicialmente dos electrodo aleados 170. El crisol 152 se asocia con un cabezal de VAR 160 para formar una cámara del horno sellada 162. El cabezal de VAR 160 incluye un puerto de vacío 164, que permite que se produzca un vacío dentro de la cámara del horno 162.

Un extremo de cada electrodo aleado 170 se conecta a un pistón 172 en el aparato de VAR 150. Los pistones 172 conducen los extremos libres de los electrodos 170 uno hacia el otro, manteniendo un espacio del arco del electrodo 186. Los pistones 172 colocan horizontalmente los electrodos aleados 170 uno con respecto al otro cuando los electrodos aleados 170 se funden y la aleación fundida 176 gotea en la mezcla de aleación fundida 182. De esta manera, los pistones 172 pueden controlarse para mantener un espacio relativamente constante del arco del electrodo 186 dentro de las tolerancias de operación.

Los electrodos aleados 170 se funden debido al calor generado por la energía descargada a través de un arco eléctrico formado entre los extremos libres de cada electrodo 170. Los electrodos 170 se conectan eléctricamente a una alimentación de energía (no mostrada). El arco se forma entre los extremos libres del electrodo 170 a través del espacio del arco del electrodo 186. La acción de colocar horizontalmente los pistones 172 mantiene el espacio del arco del electrodo 186 y el arco eléctrico formado entre los extremos libres del electrodo 170. De esta manera, los electrodo aleados 170 pueden someterse a refusión por arco en vacío en el revestimiento de aleación 190, que se coloca en el crisol 152 en el aparato de VAR 150.

En varias modalidades no limitantes, un proceso para formar un lingote aleado puede comprender un proceso de refusión por arco en vacío. El proceso de refusión por arco en vacío puede comprender colocar un revestimiento de aleación en un crisol en un aparato de refusión por arco en vacío. Al menos un electrodo aleado puede someterse a refusión por arco en vacío en el revestimiento de aleación colocado en el crisol en el aparato de refusión por arco en vacío. Como la aleación del electrodo fundido gotea fundida a partir de un electrodo aleado en la mezcla fundida colocada dentro del revestimiento de aleación, el calor puede fundir parcialmente el revestimiento de aleación en regiones adyacente a la mezcla fundida. Como la aleación del electrodo fundida y la aleación del revestimiento al menos parcialmente fundida solidifican dentro del crisol, el revestimiento de aleación y la aleación del electrodo solidificada se funden y se unen metalúrgicamente, y forman así un lingote aleado que comprende una capa externa metalúrgicamente unida a un núcleo interno del lingote. La capa externa del lingote comprende la aleación del revestimiento. El núcleo interno del lingote del lingote comprende la aleación del electrodo.

Las Figuras 4A y 4B son diagramas esquemáticos de un lingote aleado 200 formado de acuerdo con varias modalidades no limitantes descritas en la presente descripción. El lingote aleado 200 comprende una capa externa 202 metalúrgicamente unida a un núcleo interno del lingote 203. La interfase 205 entre la capa externa 202 y el núcleo interno del lingote 203 comprende una unión metalúrgica formada entre la aleación del revestimiento que comprende la capa externa 202 y la aleación del electrodo que comprende el núcleo interno del lingote 203.

En varias modalidades no limitantes, la unión metalúrgica puede comprender una fusión inter-metálica o coalescencia de la aleación del revestimiento que comprende la capa externa 202 y la aleación del electrodo que comprende el núcleo interno del lingote 203. Por ejemplo, cuando un electrodo aleado se somete a refusión en un revestimiento de aleación, la aleación del electrodo fundida puede fundirse en la superficie interna del revestimiento de aleación, y forma así la interfase metalúrgicamente unida entre una capa externa (que comprende la aleación del revestimiento) y un núcleo interno del lingote (que comprende la aleación del electrodo). La energía calorífica que porta la aleación del electrodo fundida puede fundir al menos parcialmente la superficie interna del revestimiento de aleación, la cual puede fusionarse parcialmente con la aleación del electrodo fundida, y formar así una interfase metalúrgicamente unida entre la capa externa y el núcleo interno del lingote con la solidificación.

En varias modalidades no limitantes, la unión metalúrgica puede comprender una región del gradiente de aleación en la cual la composición del lingote transiciona a lo largo de un gradiente de la composición de la aleación del electrodo a la composición de la aleación del revestimiento. El gradiente de aleación puede formarse debido al mezclado de la aleación del electrodo y la aleación del revestimiento en la región del gradiente de aleación. Cuando el electrodo aleado se funde en el revestimiento de aleación, la aleación del electrodo fundida puede mezclarse al menos parcialmente con al menos una porción de la aleación del revestimiento fundida, la que puede fundirse al menos parcialmente debido a la energía calorífica de la aleación del electrodo que gotea fundida en la mezcla fundida dentro del revestimiento de aleación. De esta manera, puede formarse un lingote que comprende una capa externa formada a partir de la aleación del revestimiento, un núcleo interno del lingote formado a partir de la aleación del electrodo, y una región del gradiente de aleación formada a partir de una mezcla de la aleación del electrodo y la aleación del revestimiento, caracterizado porque la mezcla transiciona de la aleación del electrodo a la aleación del revestimiento dentro de la región del gradiente de aleación.

En varias modalidades, la capa externa (que comprende la aleación del revestimiento) y el núcleo interno del lingote (que comprende la aleación del electrodo) no están juntos metalúrgicamente unidos. Por ejemplo, si la temperatura del punto de fusión de la aleación del revestimiento es mucho mayor que la temperatura del punto de fusión de la aleación del electrodo, entonces la aleación del electrodo fundida solidificará dentro del revestimiento de aleación sin que el revestimiento de aleación se funda o de cualquier otra forma se fusione al núcleo interno del lingote solidificado. De esta manera, el revestimiento de aleación funciona como un molde en el cual la aleación del electrodo solidifica en un núcleo interno del lingote físicamente asociado con, pero no metalúrgicamente unido a, una capa externa.

El grado de coalescencia o mezclado de la aleación del revestimiento y la aleación del electrodo, y a su vez, el volumen de la región de interfase entre la capa externa y el núcleo interno del lingote en modalidades metalúrgicamente unidas, puede controlarse, por ejemplo, mediante la selección de aleaciones respectivas con temperaturas del punto de fusión especificadas. Por ejemplo, si la temperatura del punto de fusión de la aleación del revestimiento es suficientemente mayor que la temperatura del punto de fusión de la aleación del electrodo, entonces la aleación del electrodo fundida se fundirá metalúrgicamente en la superficie interna del revestimiento de aleación, lo que resulta en una región de interfase relativamente pequeña.

Sin embargo, si la temperatura del punto de fusión de la aleación del revestimiento es mucho menor que la temperatura del punto de fusión de la aleación del electrodo, entonces el revestimiento de aleación puede fundirse completamente y mezclarse con la aleación del electrodo fundida. Esto puede ser indeseable debido a que pudiera cambiar significativamente la composición química del núcleo interno del lingote del lingote resultante, lo que puede resultar que la aleación del electrodo esté fuera de la especificación. En varias modalidades no limitantes, se selecciona una aleación del revestimiento para una aleación del electrodo determinada que resulta en una unión metalúrgica fuerte entre la capa externa y el núcleo interno del lingote, pero que además no se funde excesivamente cuando contacta con la aleación del electrodo fundida. De esta manera, la aleación que comprende el núcleo interno del lingote puede permanecer dentro de la especificación.

En varias modalidades no limitantes, la aleación del electrodo (la cual comprende posteriormente el núcleo interno del lingote) puede comprender una aleación sensible al agrietamiento. Por ejemplo, varias aleaciones y superaleaciones a base de níquel, a base de hierro, a base de níquel-hierro, y a base de cobalto pueden ser sensibles al agrietamiento, especialmente durante las operaciones de elaboración en caliente. Un electrodo aleado puede formarse a partir de tales aleaciones y superaleaciones sensibles al agrietamiento. Un electrodo aleado sensible al agrietamiento puede formarse a partir de una aleación o superaleación que incluye, pero sin limitarse a, Aleación 718, Aleación 720, aleación Rene 41™, aleación Rene 88™, aleación Waspaloy®, y aleación Inconel® 100. Las modalidades descritas en la presente descripción se aplican generalmente a cualquier aleación caracterizada por una ductilidad relativamente baja a temperaturas de elaboración en caliente. Como se usa en la presente descripción el término "aleación" incluye aleaciones y superaleaciones convencionales, en donde las superaleaciones exhiben estabilidad superficial, resistencia a la corrosión y a la oxidación, alta fortaleza, y alta resistencia a la fluencia a altas temperaturas relativamente buenas.

La aleación del revestimiento (que comprende posteriormente la capa externa) puede ser una aleación que es más dúctil y/o maleable que la aleación del electrodo (y, posteriormente, el núcleo interno del lingote subyacente) a las temperaturas de elaboración particulares que se usan. La aleación del revestimiento puede ser una aleación que exhibe una dureza mayor que y/o una dureza menor que la aleación que comprende el electrodo aleado (y el núcleo interno del lingote subyacente) a las temperaturas de elaboración particulares que se usan cuando el lingote formado se elabora en caliente. En varias modalidades no limitantes, la capa externa aisla el núcleo interno del lingote subyacente de la exposición al aire ambiente y/o del contacto con las superficies de las matrices de elaboración en caliente, y previene así el enfriamiento del núcleo interno del lingote subyacente a una temperatura a la cual la aleación del electrodo que comprende el núcleo interno del lingote se hace frágil y se agrieta más fácilmente durante la elaboración en caliente.

La aleación del revestimiento (y la capa externa) puede comprender una aleación que es resistente a la oxidación. En varias modalidades no limitantes, la capa externa no se oxida en una extensión apreciable durante la elaboración en caliente o de cualquier otra forma. La capa externa puede comprender una aleación que muestra una rigidez relativamente alta (por ejemplo, un módulo elástico relativamente bajo). En varias modalidades no limitantes, la capa externa no disminuye sustancialmente durante la elaboración en caliente (por ejemplo, donde la aplicación de fuerza por una o más matrices pudiera causar que la aleación de rigidez relativamente baja disminuya en el núcleo interno del lingote subyacente).

En varias modalidades no limitantes, la aleación que comprende el revestimiento de aleación (y la capa externa) y la aleación que comprende el electrodo aleado (y el núcleo interno del lingote subyacente) pueden comprender el mismo metal base. Por ejemplo, si el electrodo aleado (y el núcleo interno del lingote) comprende una aleación o superaleación a base de níquel (por ejemplo, Aleación 718, Aleación 720, aleación Rene 88™, o aleación Waspaloy®), entonces el revestimiento de aleación (y la capa externa) puede comprender además una base de aleación de níquel, tal como, por ejemplo, Aleación 625.

En varias modalidades no limitantes, la aleación que comprende el revestimiento de aleación (y la capa externa) y la aleación que comprende el electrodo aleado (y el núcleo interno del lingote subyacente) pueden comprender un metal base diferente. Por ejemplo, si el electrodo aleado (y el núcleo interno del lingote) comprende una aleación o superaleación a base de níquel (por ejemplo, Aleación 718, Aleación 720, aleación Rene 88™, o aleación Waspaloy®), entonces el revestimiento de aleación (y la capa externa) puede comprender una aleación de base hierro, tal como, por ejemplo, acero inoxidable Type 304.

El espesor de la pared del revestimiento de aleación puede seleccionarse de manera que la capa externa pueda formarse con un espesor suficiente para proteger el núcleo interno del lingote subyacente de las superficies de las matrices de contacto, y prevenir así el enfriamiento del núcleo interno del lingote subyacente a una temperatura a la cual una superficie subyacente pueda agrietarse más fácilmente durante la elaboración en caliente. De esta manera, temperaturas superiores de elaboración en caliente pueden correlacionarse generalmente con un espesor mayor de la capa externa. En varias modalidades no limitantes, el revestimiento de aleación puede tener un espesor de pared de 0.25 pulgadas a 0.5 pulgadas.

Un electrodo aleado puede formarse usando una operación metalúrgica del lingote o una operación de metalurgia de polvos. Por ejemplo, en varias modalidades no limitantes, un electrodo aleado puede formarse por VIM. En varias modalidades no limitantes, un electrodo aleado puede formarse por VIM-ESR. De esta manera, un proceso de triple fusión de acuerdo con varias modalidades no limitantes puede comprender VIM-ESR-VAR, caracterizado porque la operación de VAR comprende fundir un electrodo aleado (o dos electrodos en una operación VADER) en un revestimiento de aleación colocado en el crisol de un aparato de VAR. En varias modalidades no limitantes, una operación de metalurgia de polvos puede involucrar la atomización de la aleación fundida y la recogida y consolidación de los polvos metalúrgicos solidificados en un electrodo. Un ejemplo no limitante de una operación de metalurgia de polvos incluye las etapas de: (1) VIM para preparar una composición de aleación deseada a partir de una materia prima de alimentación; (2) atomización de la aleación fundida en gotas de aleación fundida que solidifican en el polvo de aleación; (3) opcionalmente, tamizar el polvo de aleación para reducir las inclusiones; (4) encamisar y desgasificar una cantidad del polvo de aleación; y (5) prensar el polvo de aleación para consolidar el polvo de aleación en un electrodo aleado.

En varias modalidades no limitantes, una capa extremo puede depositarse sobre al menos un extremo de un lingote aleado que tiene una capa externa metalúrgicamente unida a un núcleo interno del lingote. Por ejemplo, después que el electrodo aleado cilindrico se somete a refusión en un revestimiento de aleación tubular para formar un lingote aleado cilindrico que comprende una capa externa metalúrgicamente unida a un núcleo interno del lingote, el núcleo interno del lingote puede permanecer expuesto por uno o ambos extremos opuestos del lingote cilindrico. Una capa de un material aleado puede depositarse sobre al menos una porción expuesta del núcleo interno del lingote por uno o ambos extremos opuestos del lingote. De esta manera, el núcleo interno del lingote de un lingote cilindrico puede encerrarse dentro de una capa circunferencial externa y una o dos capas extremo en uno o ambos extremos del lingote cilindrico.

En varias modalidades no limitantes, una capa extremo aleada puede depositarse y unirse metalúrgicamente a uno o ambos extremos opuestos de un lingote aleado. Por ejemplo, una capa extremo aleada puede depositarse como un depósito de soldadura sobre una superficie extremo de un lingote. Un depósito de soldadura puede unirse metalúrgicamente a al menos una región de una superficie extremo de una aleación usando operaciones de soldadura que incluyen, pero sin limitarse a, soldadura con gas inerte y metal (MIG), soldadura con gas inerte y tungsteno (TIG), soldadura por plasma, soldadura por arco sumergido, y soldadura por rayo electrónico.

Una capa extremo aleada puede comprender un material aleado que es más dúctil y/o maleable que la aleación del núcleo interno del lingote subyacente a las temperaturas de elaboración particulares que se usan. La capa extremo aleada puede comprender un material aleado que exhibe mayor dureza que y/o menor dureza que la aleación del núcleo interno del lingote subyacente a la temperatura de elaboración particular que se usa. En varias modalidades no limitantes, una capa extremo aleada aisla la superficie subyacente del núcleo interno del lingote de las superficies de las matrices de contacto, y así previene el enfriamiento de la superficie subyacente a una temperatura a la cual la superficie es frágil y puede agrietarse más fácilmente durante la elaboración en caliente.

La capa extremo aleada puede comprender un material aleado que es resistente a la oxidación. En varias modalidades no limitantes, la capa extremo aleada no se oxida durante la elaboración en caliente o de cualquier otra forma. La capa extremo aleada puede comprender un material aleado que muestra una rigidez relativamente alta (por ejemplo, un módulo elástico relativamente bajo). En varias modalidades no limitantes, la capa extremo aleada no disminuye sustancialmente durante la elaboración en caliente (por ejemplo, donde la aplicación de fuerza por una o más matrices pudiera causar que el material metálico de rigidez relativamente baja disminuya en la superficie subyacente del lingote).

En varias modalidades no limitantes, el material aleado que forma una capa extremo y la aleación que forma el núcleo interno del lingote subyacente puede comprender el mismo metal base. Por ejemplo, si el núcleo interno del lingote comprende una aleación o superaleación a base de níquel (por ejemplo, Aleación 718, Aleación 720, aleación Rene 88™, o aleación Waspaloy®), entonces el material aleado de la capa extremo puede comprender además una aleación a base de níquel, tal como, por ejemplo, una aleación de soldadura a base de níquel (por ejemplo, la aleación Techalloy 606™, disponible de Techalloy Company/Central Wire). La capa extremo aleada puede depositarse a un espesor suficiente para aislar la superficie subyacente del núcleo interno del lingote de las superficies de las matrices de contacto, y así prevenir el enfriamiento de la superficie subyacente a una temperatura a la cual la superficie subyacente puede agrietarse más fácilmente durante la elaboración en caliente. De esta manera, temperaturas superiores de elaboración en caliente pueden correlacionarse generalmente con un mayor espesor de la capa de material metálico. En varias modalidades no limitantes, la capa de material metálico puede depositarse a un espesor de 0.25 pulgadas a 0.5 pulgadas sobre al menos una región de una superficie de un lingote aleado.

En varias modalidades no limitantes, el material aleado que forma una capa extremo metalúrgicamente unida a un núcleo interno del lingote y el material aleado que forma una capa circunferencial externa metalúrgicamente unida al núcleo interno del lingote pueden comprender el mismo metal base. En varias modalidades no limitantes, el material aleado que forma una capa extremo metalúrgicamente unida a un núcleo interno del lingote y el material aleado que forma una capa circunferencial externa metalúrgicamente unida al núcleo interno del lingote son la misma aleación. En varias modalidades no limitantes, el material aleado que forma una capa extremo metalúrgicamente unida a un núcleo interno del lingote y el material aleado que forma una capa circunferencial externa metalúrgicamente unida al núcleo interno del lingote son aleaciones diferentes. En varias modalidades no limitantes, el material aleado que forma una capa extremo metalúrgicamente unida a un núcleo interno del lingote y el material aleado que forma una capa circunferencial externa metalúrgicamente unida al núcleo interno del lingote comprenden metales base diferentes.

Después de la formación de un lingote que comprende una capa externa metalúrgicamente unida a un núcleo interno del lingote (y, opcionalmente, una o dos capas extremos metalúrgicamente unidas a los extremos opuestos del núcleo interno del lingote), el lingote aleado puede tratarse con calor. Por ejemplo, en varias modalidades no limitantes, un lingote aleado puede exponerse a altas temperaturas para homogeneizar la composición de aleación y la micro-estructura del núcleo interno del lingote. Las altas temperaturas pueden estar por encima de la temperatura de recristalización de la aleación que comprende el núcleo interno del lingote, pero por debajo de la temperatura del punto de fusión de las aleaciones que comprenden la capa externa y el núcleo interno del lingote. En varias modalidades, un lingote que comprende una capa externa metalúrgicamente unida a un núcleo interno del lingote (y, opcionalmente, una o dos capas extremos metalúrgicamente unidas a los extremos opuestos del núcleo interno del lingote), no mostrarán ninguna desunión de la capa externa (y/o una o dos capa extremos) del núcleo interno del lingote durante o después de la homogenización u otros tratamientos con calor.

Varias modalidades no limitantes descritas en la presente descripción se dirigen además a los métodos para procesar los lingotes y los procesos de elaboración en caliente que se caracterizan por una reducción en la incidencia del agrietamiento superficial de un lingote aleado durante una operación de elaboración en caliente. En varias modalidades no limitantes, los métodos y procesos descritos pueden comprender formar un lingote aleado que tiene una capa externa metalúrgicamente unida a un núcleo interno del lingote. La capa externa puede comprender una aleación que es más dúctil que la aleación que comprende el núcleo interno del lingote. La capa externa puede reducir la incidencia de agrietamiento superficial del lingote aleado durante la aplicación de fuerza al lingote aleado. En varias modalidades no limitantes, un lingote aleado puede elaborarse en caliente al aplicar una fuerza al lingote aleado. La fuerza puede aplicarse a la capa externa del lingote aleado. La fuerza aplicada puede deformar el lingote aleado.

En varias modalidades no limitantes, una operación de elaboración en caliente puede comprender una operación de forjado y/o una operación de extrusión. Por ejemplo, un lingote aleado que comprende una capa externa metalúrgicamente unida a un núcleo interno del lingote puede ser forjado por recalcado y/o forjado estirado.

Una operación de forjado por recalcado y estirado puede comprender una o más secuencias de una operación de forjado por recalcado y una o más secuencias de una operación de forjado estirado. Durante una operación de recalcado, las superficies extremo de un lingote pueden estar en contacto con las matrices de forjado que aplican fuerza al lingote que comprime la longitud del lingote e incrementa la sección transversal del lingote. Durante una operación de estirado, las superficies laterales (por ejemplo, la superficie circunferencial de un lingote cilindrico) puede estar en contacto con las matrices de forjado que aplican fuerza al lingote que comprime la sección transversal del lingote e incrementa la longitud del lingote.

Las Figuras 5A y 5C ilustran una operación de forjado estirado. Las matrices de forjado 280/280' aplican fuerza a un lingote 220/220'. La fuerza se aplica generalmente perpendicular al eje longitudinal 201/201 ' del lingote 220/220', como lo indican las flechas 285/285'. Las matrices de forjado 280/280' aplican fuerza al lingote 220/220' a lo largo generalmente de la longitud completa del lingote 220/220' al moverse generalmente paralelo al eje longitudinal 201/201 ' del lingote 220/220', como lo indican las flechas 287/287'. La Figura 5A muestra un lingote 220 sin una capa externa. La superficie circunferencial del lingote 220 está en contacto con las matrices de forjado 280 (Figura 5A). La Figura 6C muestra un lingote 220' que tiene una capa externa 222 metalúrgicamente unida a un núcleo interno del lingote 223'. La capa externa 222 del lingote 220' está en contacto con las matrices de forjado 280' (Figura 5C).

Las Figuras 5B y 5D ilustran las superficies de contacto con la matriz de los lingotes 220 y 220' después del estirado forjado como se ilustra en la Figuras 5A y 5C, respectivamente. Como se muestra en la Figura 5B, la superficie de contacto con la matriz 290 del lingote 220 muestra agrietamiento superficial. Como se muestra en la Figura 5D, la superficie de contacto con la matriz 290' del lingote 220', que incluye la capa externa 222 metalúrgicamente unida al núcleo interno del lingote 223, no muestra agrietamiento superficial. La capa externa 222 reduce la incidencia del agrietamiento superficial en un lingote aleado forjado en relación con otro lingote aleado forjado de cualquier otra forma idéntico que carece de dicha capa externa.

Las Figuras 6A y 6C ilustran una operación de forjado por recalcado. Las matrices de forjado 380/380' aplican fuerza en los extremos opuestos de un lingote 320/320'. La fuerza se aplica generalmente paralela al eje longitudinal 301/301 ' del lingote 320/320', como lo indican las flechas 385/385'. La Figura 6A muestra un lingote 320 sin una capa externa. Los extremos del lingote 320 están en contacto con las matrices de forjado 380 (Figura 6A). La Figura 6C muestra un lingote 320' que incluye una capa externa 322 metalúrgicamente unida al núcleo interno del lingote 323. La capa externa 322 está metalúrgicamente unida a un núcleo interno del lingote de forma generalmente cilindrica 323 a lo largo de la superficie circunferencial del núcleo interno del lingote 323. La capa externa 322 está además metalúrgicamente unida a los extremos opuestos del núcleo interno del lingote 323. La capa externa 322 está en contacto con las matrices de forjado 380' (Figura 6C).

Las Figuras 6B y 6D ilustran una superficie de contacto con la matriz de cada uno de los lingotes 320 y 320' después del forjado por recalcado como se ilustra en la Figuras 6A y 6C, respectivamente. Como se muestra en la Figura 6B, la superficie de contacto con la matriz 390 del lingote 320 muestra agrietamiento superficial. Como se muestra en la Figura 6D, la superficie de contacto con la matriz 390' del lingote 320', que incluye la capa externa 322 metalúrgicamente unida al núcleo interno del lingote 323, no muestra agrietamiento superficial. La capa externa 322 reduce la incidencia del agrietamiento superficial en un lingote aleado forjado en relación con otro lingote aleado forjado de cualquier otra forma idéntico que carece de dicha capa externa.

En varias modalidades no limitantes, un lingote que tiene una capa externa metalúrgicamente unida a un núcleo interno del lingote puede someterse a una o más operaciones de forjado por recalcado y estirado. Por ejemplo, en una operación de forjado por recalcado y estirado triple, un lingote puede ser primero forjado por recalcado y después forjado estirado. La secuencia de recalcado y estirado puede repetirse dos veces más por un total de tres operaciones de forjado por recalcado y estirado secuenciales. Una o más de las superficies de contacto con la matriz del lingote pueden tener una capa externa que está metalúrgicamente unida a un núcleo interno del lingote.

En varias modalidades no limitantes, un lingote que tiene una capa externa que está metalúrgicamente unida a un núcleo interno del lingote puede someterse a una o más operaciones de extrusión. Por ejemplo, en una operación de extrusión, un lingote cilindrico puede forzarse a través de una matriz circular, y disminuir asi el diámetro e incrementar la longitud del lingote. Una o más de las superficies de contacto con la matriz del lingote pueden tener una capa externa que está metalúrgicamente unida a un núcleo interno del lingote.

En varias modalidades no limitantes, los métodos y procesos descritos en la presente descripción pueden usarse para producir una palanquilla elaborada a partir de un lingote que comprende una capa externa que está metalúrgicamente unida a un núcleo interno del lingote. La conversión por forjado o la conversión por extrusión de un lingote a una palanquilla u otro artículo elaborado pueden producir una estructura de grano más fina en el artículo comparado con el artículo antes de la conversión por forja o extrusión. Los métodos y procesos descritos en la presente descripción pueden mejorar el rendimiento de los productos forjados o extruidos (tales como, por ejemplo, palanquillas) a partir de lingotes aleados debido a que la capa externa puede reducir la incidencia de agrietamiento superficial del lingote durante las operaciones de forjado y/o extrusión. Por ejemplo, un artículo que incluye una capa de aleación externa relativamente más dúctil metalúrgicamente unida a un núcleo interno del lingote de aleación relativamente menos dúctil puede tolerar más fácilmente la deformación bajo carga inducida por las matrices de trabajo que un artículo de cualquier otra forma idéntico que carece de la capa externa de aleación relativamente más dúctil. Una capa externa metalúrgicamente unida a un núcleo interno del lingote puede tolerar también más fácilmente la temperatura diferencial entre el aire ambiente y el lingote, y/o entre las matrices de trabajo y el lingote, durante la elaboración en caliente. De esta manera, una capa externa puede mostrar un agrietamiento superficial menor o cero durante la elaboración del artículo, mientras que se previene o reduce el inicio del agrietamiento superficial en el núcleo interno del lingote subyacente durante la elaboración.

En varias modalidades no limitantes, después de la elaboración en caliente, al menos una porción de una capa externa puede eliminarse del producto formado a partir del lingote durante la elaboración en caliente. Por ejemplo, una operación de triturado, decapado, y/u otra operación de torneado puede usarse para eliminar al menos una porción de la capa externa. En varias modalidades no limitantes, al menos una porción de una capa externa puede eliminarse de una palanquilla (formada al elaborar un lingote) por decapado (torneado en torno) y/o triturado de la palanquilla y/o usando otras técnicas adecuadas.

En varias modalidades no limitantes, los lingotes que tienen una capa externa pueden elaborarse en caliente para formar productos que pueden usarse para fabricar varios artículos. Por ejemplo, los procesos descritos en la presente descripción pueden usarse para formar palanquillas de aleación o superaleación a base de níquel, a base de hierro, a base de níquel-hierro, o a base de cobalto. Las palanquillas u otros productos formados a partir de lingotes elaborados en caliente pueden usarse para fabricar artículos que incluyen, pero sin limitarse a, componentes de turbina, tales como, por ejemplo, discos y anillos para máquinas turbinas y varias turbinas ubicadas en tierra. Otros artículos fabricados a partir de lingotes procesados de acuerdo con varias modalidades no limitantes descritas en la presente descripción pueden incluir, pero sin limitarse a, válvulas, componentes de motores, ejes, y sujetadores.

Los ejemplos ilustrativos y no limitantes que siguen pretenden describir adicionalmente varias modalidades no limitantes sin restringir el alcance de las modalidades. Las personas con conocimiento ordinario en la materia apreciarán que son posibles variaciones de los Ejemplos dentro del alcance de la invención como se define solamente por las reivindicaciones. Todas las partes y porcentajes son en peso a menos que se indique de cualquier otra forma.

EJEMPLOS Ejemplo 1 Se formó un lingote cilindrico que comprende una capa externa metalúrgicamente unida a un núcleo interno del lingote. Se formó un revestimiento de aleación cilindrico que comprende Aleación 625 una aleación a base de níquel (UNS06625). La Aleación 625 tiene una especificación química nominal como se proporciona en la Tabla 1.

Tabla 1 Una sección de 6-pulgadas de tubería de Aleación 625 (5.9375-pulgadas OD x 4.5945-pulgadas ID) se usó para formar el revestimiento de aleación. La sección de 6-pulgadas se maquinó a un OD de 5.625-pulgadas para formar un espesor de pared de aproximadamente 0.50-0.52 pulgadas. El revestimiento de aleación pesó aproximadamente 14.75 Ib.

El revestimiento de aleación se colocó dentro de un crisol de VAR de cobre.

El conjunto del crisol y el revestimiento de aleación se colocaron dentro de un aparato de VAR y se aseguró a una placa base del crisol. Un electrodo aleado a base de níquel Aleación 718 se colocó además dentro del aparato de VAR y se aseguró a un pistón. La Aleación 718 tiene una especificación química nominal como se proporciona en la Tabla 2.

Tabla 2 El electrodo de Aleación 718 se sometió a refusión por arco en vacío a 3.5 kilo-amperes y 25 voltios. El arco eléctrico se encendió inicialmente a aproximadamente 2 kilo-amperes, y la corriente del arco se elevó rápidamente a 3.5 kilo-amperes. Durante un tiempo de fusión de aproximadamente 7 minutos, 30 Ib del electrodo de Aleación 718 se fundieron en el revestimiento de Aleación 625 (velocidad promedio de fusión de 4.3 lb/min).

Con referencia a la Figura 7, el lingote 400 resultante comprendió una capa externa 402 metalúrgicamente unida a un núcleo interno del lingote 403. La interface 405 entre la capa externa 402 y el núcleo interno del lingote 403 comprendió una unión metalúrgica. El núcleo interno del lingote 403 y la capa externa 402 se dispusieron concéntricamente. La Figura 7 muestra la sección transversal longitudinal interna del lingote después del ataque con cloruro férrico/solución de ataque Canadá. Como se muestra en la fotografía de la Figura 7, se alcanzó una unión metalúrgica fuerte y uniforme entre el revestimiento de aleación (Aleación 625) y la aleación del electrodo fundida (Aleación 718), y se forma así un lingote que tiene una capa externa de Aleación 625 metalúrgicamente unida a un núcleo interno del lingote de Aleación 718.

Ejemplo 2 La micro-estructura del lingote formado de acuerdo con el Ejemplo 1 se exploró usando el microscopio óptico. La Figura 8A es una micrografía óptica de la capa externa de Aleación 625 del lingote. La Figura 8B es una micrografía óptica del núcleo interno del lingote de Aleación 718 del lingote, justo dentro de la interfase entre la capa externa y el núcleo interno del lingote. La Figura 8C es una micrografía óptica del núcleo interno del lingote del lingote de Aleación 718 en el lugar del radio medio dentro del núcleo interno del lingote. La Figura 8D es una micrografía óptica de la interfase entre la capa externa del lingote y el núcleo interno del lingote. Como se muestra en la Figura 8D, se formó una unión metalúrgica fuerte y uniforme entre la capa externa del lingote y el núcleo interno del lingote.

Ejemplo 3 La química del lingote formado de acuerdo con el Ejemplo 1 se analizó cuantitativamente usando Microscopía Electrónica de Barndo / Espectroscopia de Energía Dispersiva (SEM/EDS). La Figura 9 es una micrografía SEM de la interfase entre la capa externa del lingote de Aleación 625 y el núcleo interno del lingote del lingote de Aleación 718. Como se muestra en la Figura 9, se formó una unión metalúrgica fuerte y uniforme entre la capa externa del lingote y el núcleo interno del lingote.

Las composiciones químicas de la capa externa del lingote de Aleación 625, el núcleo interno del lingote de Aleación 718, y la región interfase metalúrgicamente unida entre la capa externa y el núcleo interno del lingote determinado usando SEM/EDS se presentan en la Tabla 3. Las mediciones SEM/EDS para la capa externa y el núcleo interno del lingote se tomaron unos cuantos micrometros hacia el exterior y hacia el interior a partir de la región de interfase, respectivamente.

Tabla 3 La composición química de la capa externa de Aleación 625 estaba dentro de las especificaciones para el grado de aleación para todos los elementos constituyentes (Tabla 1). La composición química del núcleo interno del lingote de Aleación 718 estaba dentro de las especificaciones para el grado de aleación para todos los elementos constituyentes excepto para níquel, niobio, y molibdeno (Tabla 2). La composición química de la región interfase fue generalmente intermedia de la composición química de la capa externa de Aleación 625 y la composición del núcleo interno del lingote de Aleación 718, aparte de ser relativamente pobre en titanio y relativamente rica en cromo.

La composición química del núcleo interno del lingote de Aleación 718 se midió dos veces más usando SEM/EDS a aproximadamente una y media pulgadas y una pulgada hacia adentro de la región interfase. Los resultados se presentan en la Tabla 4.

Tabla 4 Las composiciones químicas medidas para el núcleo interno del lingote de Aleación 718 estaban dentro de las especificaciones para el grado de aleación para todos los elementos constituyentes excepto para el nivel de titanio medido a una y media pulgadas de la región interfase.

Ejemplo 4 La composición química del núcleo interno del lingote del lingote formado de acuerdo con el Ejemplo 1 se analizó cuantitativamente usando la espectrometría de fluorescencia de rayos X (XRF), técnicas de combustión y fusión, y espectroscopia de emisión óptica por chispa (OES). Los análisis de espectrometría XRF se realizaron de acuerdo con AST E2465 - 06: El método de prueba estándar para análisis de aleaciones a base de Ni por espectrometría de fluorescencia de rayos X se incorpora como referencia en la presente descripción. Las técnicas de combustión y fusión se realizaron de acuerdo con ASTM E 019 -08: Los métodos de prueba estándar para la determinación del carbono, azufre, nitrógeno, y oxígeno en las aleaciones de acero, hierro, níquel, y cobalto por varias técnicas de combustión y fusión, se incorporan como referencia en la presente descripción.

La composición química del electrodo de Aleación 718 se analizó cuantitativamente además usando la espectrometría XRF, técnicas de combustión y fusión, y OES por chispa. Las composiciones químicas medidas se presentan en la Tabla 5.

Tabla 5 Las composiciones químicas medidas para el núcleo interno del lingote de Aleación 718 y el electrodo inicial de Aleación 718 estaban dentro de las especificaciones para el grado de aleación para todos los elementos constituyentes. Además, no se observó ningún cambio apreciable en la composición química volumétrica del material de Aleación 718 después que el electrodo aleado se sometió a refusión en el revestimiento de aleación para formar un lingote que comprende una capa externa metalúrgicamente unida a un núcleo interno del lingote. Esto demuestra poca o ninguna infiltración/dilución de la composición química del electrodo por el material del revestimiento de aleación. Por lo tanto, la capa externa puede eliminarse fácilmente para formar un lingote de Aleación 718 dentro de la especificación. Alternativamente, el lingote puede elaborarse en caliente, por ejemplo, forjado para formar una palanquilla y la capa externa puede eliminarse fácilmente para formar una palanquilla forjada de Aleación 718 dentro de la especificación que muestre una incidencia de agrietamiento superficial reducida.

La presente descripción se ha escrito con referencia a varias modalidades ejemplares, ilustrativas, y no limitantes. Sin embargo, las personas con conocimiento ordinario en la materia reconocerán que pueden realizarse varias sustituciones, modificaciones, o combinaciones de cualquiera de las modalidades descritas (o porciones de estas) sin apartarse del alcance de la invención como se define solamente por las reivindicaciones. Así, se contempla y entiende que la presente descripción abarca modalidades adicionales que no se exponen expresamente en la presente descripción. Tales modalidades pueden obtenerse, por ejemplo, al combinar, modificar, o reorganizar cualquiera de las etapas descritas, ingredientes, constituyentes, componentes, elementos, rasgos, aspectos, características, limitaciones, y similares, de las modalidades descritas en la presente descripción. Así, esta descripción no se limita por la descripción de las distintas modalidades ejemplares, ilustrativas, y no limitantes, sino solamente por las reivindicaciones. De esta manera, los solicitantes se reservan el derecho de enmendar las reivindicaciones durante el proceso para adicionar varias características como las descritas en la presente descripción.

Claims (22)

REIVINDICACIONES

1. Un proceso para formar un lingote aleado que comprende: colocar un revestimiento de aleación en un crisol de un aparato de refusión por arco en vacío; y someter a refusión por arco en vacío un electrodo aleado en el revestimiento de aleación en el crisol, y formar así un lingote aleado que comprende una capa externa metalúrgicamente unida a un núcleo interno del lingote.

2. El proceso de la reivindicación 1 , en donde el revestimiento de aleación comprende una aleación que es más dúctil que la aleación que comprende el electrodo aleado.

3. El proceso de la reivindicación 1 , en donde el electrodo aleado comprende una aleación seleccionada del grupo que consiste de una aleación a base de níquel, una aleación a base de hierro, una aleación a base de níquel-hierro, y una aleación a base de cobalto.

4. El proceso de la reivindicación 1 , en donde el electrodo aleado comprende una aleación seleccionada del grupo que consiste de Aleación 718, Aleación 720, Rene 41™, aleación Rene 88™, y aleación Waspaloy®.

5. El proceso de la reivindicación 1 , en donde el revestimiento de aleación comprende una aleación a base de níquel.

6. El proceso de la reivindicación 1 , que además comprende: elaborar en caliente el lingote aleado, en donde la elaboración en caliente comprende aplicar fuerza sobre la capa externa, y en donde la fuerza deforma plásticamente el lingote aleado.

7. El proceso de la reivindicación 6, en donde la elaboración en caliente del lingote aleado comprende forjado con recalcado y estirado del lingote aleado.

8. El proceso de la reivindicación 6, que además comprende eliminar al menos una porción de la capa externa del lingote aleado después de la elaboración en caliente del lingote aleado.

9. El proceso de la reivindicación 6, en donde el proceso mejora el rendimiento de los productos forjados superaleados a base de níquel formados a partir de lingotes superaleados a base de níquel.

10. El proceso de la reivindicación 6, en donde el proceso produce una palanquilla elaborada superaleada a base de níquel a partir de un lingote superaleado fundido.

1 1. El proceso de la reivindicación 1 , que además comprende proporcionar el electrodo aleado usando una operación de fusión por inducción al vacío.

12. El proceso de la reivindicación 1 , que además comprende proporcionar el electrodo aleado usando una operación de fusión por inducción al vacío -refusión con electroescorias.

13. Un lingote aleado formado por el proceso de la reivindicación 1.

14. Un método para procesar un lingote aleado que comprende: aplicar fuerza a un lingote aleado para deformar plásticamente el lingote aleado, en donde el lingote comprende una capa externa metalúrgicamente unida a un núcleo interno del lingote, y en donde la capa externa comprende una aleación que es más dúctil que la aleación que comprende el núcleo interno del lingote, y en donde la capa externa reduce una incidencia de agrietamiento superficial del lingote aleado.

15. El método de la reivindicación 14, que además comprende eliminar al menos una porción de la capa externa del lingote aleado después que el lingote aleado se deforma.

16. El método de la reivindicación 14, en donde el núcleo interno del lingote comprende una aleación seleccionada del grupo que consiste de una aleación a base de níquel, una aleación a base de hierro, una aleación a base de níquel-hierro, y una aleación a base de cobalto.

17. El método de la reivindicación 14, en donde el núcleo interno del lingote comprende una aleación seleccionada del grupo que consiste de Aleación 718, Aleación 720, aleación Rene 41™, aleación Rene 88™ y aleación Waspaloy®.

18. El método de la reivindicación 14, en donde el núcleo interno del lingote comprende una superaleacion a base de níquel y la región externa comprende una aleación a base de níquel.

19. El método de la reivindicación 14, en donde aplicar fuerza al lingote aleado comprende el forjado con recalcado y estirado del lingote aleado.

20. El método de la reivindicación 14, en donde el método mejora el rendimiento de los productos forjados superaleados a base de níquel formados a partir de lingotes superaleados a base de níquel.

21. El método de la reivindicación 14, en donde el método produce una palanquilla elaborada superaleada a base de níquel a partir de un lingote superaleado a base de níquel fundido.

22. Un artículo elaborado en caliente formado a partir de un lingote aleado por el método de la reivindicación 14. RESUMEN Se describen procesos y métodos relacionados para producir, procesar, y elaborar en caliente lingotes aleados. Se forma un lingote aleado que incluye un núcleo interno del lingote y una capa externa metalúrgicamente unida al núcleo interno del lingote. Los procesos y métodos se caracterizan por una reducción en la incidencia del agrietamiento superficial del lingote aleado durante la elaboración en caliente.