PT2531627T - Sistemas e métodos para formação e processamento de lingotes de liga - Google Patents

Description

DESCRIÇÃO

SISTEMAS E MÉTODOS PARA A FORMAÇÃO E PROCESSAMENTO DE LINGOTES

DE LIGA

CAMPO TÉCNICO

A presente divulgação é dirigida a sistemas, aparelhos, e processos psira a formação de lingotes de liga. A presente divulgação é também dirigida a sistemas, aparelhos e métodos para o processamento de lingotes de liga. A presente divulgação é além disso dirigida a lingotes de liga e outros artigos formados e processados como descrito no presente documento. ANTECEDENTES

Os produtos de liga metálica podem ser preparados, por exemplo, utilizando operações de metalurgia de lingotes. As operações de metalurgia de lingotes envolvem a fusão da matéria-prima da liga e a fundição do material derretido para formar um lingote. Um exemplo não limitativo de uma operação de metalurgia de lingotes é uma técnica de "fusão tripla", que inclui três operações de fusão: (1) fusão por indução a vácuo (VIM) para preparar uma composição da liga desejada a partir de matéria-prima, (2) refinação por eletroescória (ESR), que pode reduzir níveis de, por exemplo, inclusões contendo oxigénio, e (3) refusão a arco sob vácuo (VAR) , que pode reduzir gs níveis de componentes voláteis da liga e a segregação composicional que possa ocorrer durante a solidificação após a ESR.

Os lingotes de liga formados a partir de operações de metalurgia de lingotes pGdem ser trabalhados a quente para produzir outros produtos de liga. Por exemplo, após solidificação para formar um lingote de liga, o lingote pode ser submetido a forjamento e/ou extrusão para formar um boleto ou outro artigo de liga a partir do lingote. 0 Pedido de Patente nos EUA 2006/07564 divulga um método para fabricar um componente grande tal com uma turbina de gás ou disco compressor a partir de materiais propensos a segregação, tais como a Liga 706 ou Liga 718. Um lingote com núcleo interno sólido é formado até um primeiro diâmetro (Dl) , tal como por utilização de um processo de fusão tripla incluindo fusão por indução a vácuo (VIM), refinação por eletrGescória (ESR), e refusão a arco sob vácuo (VAR). É então adicionado material à superfície externa do núcleo para aumentar o seu tamanho até uma dimensão (D2) requerida para a operação de forjamento. Pode ser utilizada uma metalurgia de pó ou um processo de deposição por pulverização para aplicar o material adicionado. A Patente Japonesa 2003 239025 divulga um método para a prevenção de defeitos de superfície de um lingote de metal com ponto alto de fusão, aplicando um material de revestimento com uma espessura de 0,1 a 1 mm numa superfície interna de um molde de cobre refrigerado a água que é utilizado num processo de fusão a arco sob vácuo do tipo elétrodo consumivel.

SUMÁRIO A invenção fornece um processo para a formação de urn lingote de liga de acordo com a reivindicação 1 das reivindicações anexadas.

As formas de realização divulgadas no presente documento são dirigidas a um processo para a formação de urn lingote de liga. 0 processo compreende posicionar um revestimento de liga num cadinho para utilização num aparelho de refusão a arco sob vácuo. Um elétrodo de liga é refundido no aparelho de refusão a arco sob vácuo. 0 elétrodo é refundido a arco sob vácuo no revestimento de liga dentro do cadinho. Desta maneira, um lingote de liga é formado compreendendo uma camada externa ligada metalurgicamente a um núcleo de lingote interno.

Outras formas de realização são dirigidas a um método para o processamento de um lingote de liga. 0 método compreende a aplicaçâG de uma força a um lingote de liga para deformar o lingote de liga. 0 lingote de liga compreende uma camada externa ligada metalurgicamente a um núcleo de lingote interno. A camada externa compreende uma liga que é mais dúctil que uma liga que compreende o núcleo de lingote interno. A camada externa, reduz uma incidência, de rachaduras de superfície do lingote de liga durante a aplicação de força ao lingote de liga. É entendido que a invenção divulgada e descrita no presente documento não está limitada às formas de realização divulgadas neste Sumário.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS Várias características das formas de realização não limitativas divulgadas e descritas no presente documento podem ser entendidas melhor pela referência, âs figuras anexadas, nas quais: A Figura 1 ê um diagrama esquemático ilustrando um aparelho de refusão a arco sob vácuo (VAR); A Figura 2 é diagrama esquemático divulgando um aparelho VAR que tem um revestimento de liga posicionado no cadinho do aparelho ? A Figura 3 é um diagrama esquemático ilustrando um aparelho de refusão a. arco de elétrodo duplo sob vácuo com um revestimento de liga posicionado no cadinho do aparelho; As Figuras 4A e 4B são diagramas esquemáticos de um lingote de liga cilíndrico com uma camada externa ligada metalurgicamente a um núcleo de lingote interno; A Figura 4A é uma vista traseira do lingote; A Figura 4B é uma vista em perspetiva do lingote mostrandG a camada externa parcialmente removida para revelar a superfície subjacente do núcleo de lingote interno; A Figura 5A é um diagrama esquemático ilustrando uma operação de forjamento por estiramento realizada num lingote de liga? A Figura 5B é um diagrama esquemático da secção transversal do lingote ilustrado na Figura 5A após forjamento; A Figura 5C é um diagrama esquemático ilustrando uma operação de forjamento por estiramento realizada num lingote de liga tendo uma camada externa ligada metalurgicamente a um núcleo de lingote interno; A Figura 5D é uma diagrama esquemático da secção transversal do lingote ilustrado na Figura 5C após forjamento; A Figura 6A é um diagrama esquemático ilustrando uma operação de forjamento por recalque realizada num lingote de liga; A Figura 6B é um diagrama esquemático do corte transversal do lingote ilustrado na Figura 6A após forjamento; A Figura 6C ê um diagrama esquemático ilustrando uma operação de forj amento por recalque realizada num lingote de liga com uma camada externa ligada metalurgicamente a um núcleo de lingote interno; A Figura 6D é um diagrama esquemático da secção transversal do lingote ilustrado na Figura 6C após forj amento; A Figura 7 é uma fotografia de uma secção transversal macrográfica de um lingote tendo uma camada externa ligada metalurgicamente a um, núcleo de lingote interno mostrando a macroestrutura interna do lingote; A Figura 8A é uma micrografia ótica da camada externa do lingote mostrado na Figura 7; A Figura 8B é uma micrografia ótica do núcleo de lingote interno do lingote mostrado na Figura 7 tirada imediatamente dentro da interface entre a camada externa e o núcleo de lingote interno; A Figura 8C é uma micrografia ótica do núcleo de lingote interno do lingote mostrado na Figura 7 tirada numa localização a meio-raio dentro do lingote; A Figura 8D é uma micrografia ótica da interface entre a camada externa e o núcleo de lingote interno do lingote mostrado na Figura 7; e A Figura 9 é uma micrografia MEV da interface entre a camada externa e o núcleo de lingote interno do lingote mostrada nas Figuras 7 e 8A-SD. 0 leitor apreciará os detalhes anteriores, assim como outros, ao considerar a descrição detalhada seguinte de várias formas de realização não limitativas de acordo com a presente divulgação. 0 leitor também pGderã compreender detalhes adicionais ao implementar ou utilizar formas de realização descritas no presente documento.

DESCRIÇÃO DETALHADA DE FORMAS DE REALIZAÇÃO NÃO LIMITATIVAS

Deve ser entendido que várias descrições das formas de realização divulgadas foram simplificadas para ilustrar apenas aqueles elementos, aspetos, características, e semelhantes que sâG relevantes para um entendimento claro das formas de realização divulgadas, eliminando ao mesmo tempo, com o propósito de claridade, outros elementos, aspetos, caracterí sticcis, e semelhantes. As pessoas peritas na especialidade, ao considerarem a presente descrição das formas de realização divulgadas, irão reconhecer que outros elementos, aspetos, características, e semelhantes poderão ser desejáveis numa implementação ou aplicação particular das formas de realização divulgadas. No entanto, porque tais outros elementos, as petos, características, e semelhantes podem ser prontamente apurados e implementados por pessoas com perícia comum na especialidade ao considerarem a presente descrição das formas de realização divulgadas, e são, portanto, não necessárias para um entendimento completo das formas de realização divulgadas, uma descrição de tais elementos, aspetos, características, e semelhantes não é fornecida no presente documento. Cgitío tal, deve ser entendidG que a descrição apresentada no presente documento é meramente exemplar e ilustrativa das formas de realização divulgadas e não é destinada a limitar o âmbito da invenção tal como definida apenas pelas reivindicações.

Na presente forma de divulgação, a não ser onde indicado de outra forma, todos os números que expressam quantidades ou características devem ser entendidos como sendo prefaciados e modificados em todos os casos pelo termo "cerca de". Em conformidade, a não ser que indicado em contrário, quaisquer parâmetros numéricos apresentados na descrição seguinte podem variar dependendo das propriedades desejadas que alguém procure obter nas formas de realização de acordo com a presente divulgação. No mínimo, e não como uma tentativa de limitar a aplicação da doutrina de equivalentes ao âmbito das reivindicações, cada parâmetro numérico descrito na presente descrição deve pelo menos ser interpretado d 1 U. 2 do número de algarismos significativos reportados e pela aplicação de técnicas comuns de arredondamento.

Além disso, qualquer intervalo numérico recitadG no presente documento é pretendido que inclua todos os subintervalos subsumidos respetivamente. Por exemplo, um intervalo de "1 até 10" é pretendido que inclua todos os subintervalos entre (e incluindo) o valor mínimo recitado de 1 e o valor máximo recitado de 10, ou seja, tendo um valor mínimo igual a ou maior que 1 e um valor máximo igual a ou menor que 10. Qualquer limitação numérica máxima recitada no respetivo documento ê pretendida que inclua todas as limitações numéricas mais baixas subsumidas aí e qualquer limitação numérica mínima recitada no respetivo documento é pretendida que inclua todas as limitações numéricas mais altas subsumidas aí. Em conformidade, os Requerentes reservam o direito de aditar a presente divulgação, incluindo as reivindicações, para recitar expressamente qualquer subintervalo subsumido dentro dos intervalos expressamente recitados no presente documento.

Os artigos gramaticais “um/unsa", “o/a", cgitío utilizados no presente documento, sáo pretendidos que incluam "pelo menos um/uma" ou "um/uma ou mais", a não ser que indicado de outra forma. Assim, os artigos são utilizados no presente documento para se referirem a um ou mais de um (ou seja, a pelo menos um) dos objetos gramaticais do artigo. A título de exemplo, "um componente" significa um ou mais componentes, e assim, possivelmente, é contemplado mais do que um componente e pode ser empregue ou utilizado numa implementação das formas de realização descritas. A presente divulgação inclui descrições de várias formas de realização não limitativas. Deve ser entendido que todas as formas de realização descritas no presente documento são exemplares, ilustrativas, e não limitativas. Assim, a invenção não está limitada pela descrição das várias formas de realização exemplares, ilustrativas, e não limitativas. Sm vez disso, a invenção é definida apenas pelas reivindicações, que podem ser aditadas para recitar quaisquer elementos expressamente ou inerentemente descritos nelas ou de outra forma expressamente ou inerentemente suportadas pela presente divulgação.

As várias formas de realização não limitativas divulgadas e descritas no presente documento podem compreender, consistir de, ou consistir essencialmente de, elementos, aspetos, características, limitações, e semelhantes, como variadamente descritos no presente documento. As várias formas de realização não limitativas divulgadas e descritas no presente documento também podem compreender elementos adicionais ou opcionais, aspetos, características, limitações, e semelhantes, que são conhecidos na especialidade ou que podem ser de outra forma incluídos em várias formas de realização não limitativas como implementados na prática. Várias ligas podem ser caracterizadas como sensíveis a rachas. As ligas sensíveis a rachas tendem a formar rachas durante as operações de trabalho. Os lingotes de liga sensíveis a rachas, por exemplo, pGderrt formar rachas durante as operações de trabalho a quente utilizadas para produzir artigos de liga a partir dos lingotes de liga sensíveis a rachas. Por exemplo, boletos de liga podem ser formados a partir de lingotes de liga utilizando conversão de forja. Outras partículas de liga podem ser formadas a partir de boletos de liga ou de lingotes de liga utilizando extrusão ou outras operações de trabalho. 0 rendimento da produção dos artigos de liga (por exemplo, boletos de liga) formados a partir de lingotes de liga sensíveis a rachas utilizando operações de trabalho a quente pode ser baixo por causa da incidência de rachaduras de superfície dos lingotes de liga durantes o trabalho a quente (por exemplo, durante o forjamento gu extrusão). Os rendimentos de prGdução podem ser reduzidos por uma necessidade de esmerilar ou de outra forma remover as rachas de superfície dum lingote trabalhado.

Tal como utilizado no presente documento, o termo "trabalho a quente" refere-se à aplicação de força a uma peça a uma temperatura maior que a temperatura ambiente, em que a força aplicada deforma plasticamente a peça.

Durante as operações de trabalho a quente, tais como, por exemplo, forjamento ou extrusão, ê formado um gradiente de temperatura natural devido ao arrefecimento da superfície do lingote de liga por perda de calor para o ar ambiente. Além disso, a temperatura de um lingote de liga submetido à operação de trabalho pode ser maior que a temperatura das matrizes utilizadas para. aplicar força mecanicamente às superfícies do lingote. 0 gradiente térmico resultante entre as superfícies do lingote e as porções internas do lingote pode contribuir para rachaduras de superfície do lingote durante o trabalho a quente, particularmente em lingotes formados a partir de ligas sensíveis a rachas, tais como, por exemplo, à base de níquel, à base de ferro, à base de níquel-ferro, e ligas à base de cobalto e superligas.

Uma maneira de reduzir a formação de rachas nas superfícies dos lingotes de liga durante o trabalho a quente é colocar os lingotes de liga numa lata de liga antes do trabalho a quente. Com lingotes cilíndricos, por exemplo o diâmetro interno do recipiente de liga é ligeiramente maior que o diâmetro externo do lingote de liga, deste modo permitindo a inserção do lingote no recipiente. A lata rodeia folgadamente o lingote, fornecendo retenção térmica por utilização de caixas de ar e confinamento da radiação. Durante as operações de trabalho, as matrizes contactam a lata externa, que pelo menos confina parcialmente o lingGte interno. Desta maneira, a lata pode isolar termicamente e proteger mecanicamente a superfície de pelo menos o lingote confinado parcialmente, o que pode reduzir a incidência de rachaduras de superfície do lingote durante g trabalho.

Uma operação de enlatamento do lingote pode resultar em várias desvantagens. 0 contacto mecânico entre as superfícies externas da lata e as matrizes de trabalho podem partir a lata. Por exemplo, durante o forjamento por recalque e estiramento de um lingote enlatado, a lata pode partir-se durante a operação de estiramento. Em tal caso, o lingote pode precisar de ser enlatado novamente entre cada ciclo de recalque e estiramento de uma operação de forjamento de recalque e estiramento múltiplo, o que aumenta, a complexidade e custo do processo. Além disso, a lata impede um operador de monitorizar visualmente a superfície de um lingote enlatado para rachas e outros defeitos induzidos pelo trabalho durante uma operação de trabalho.

Formas de realização divulgadas no presente documento são dirigidas a processos para formar um lingote de liga e a métodos para o processamento de um lingote de liga. Sm várias formas de realização não limitativas, um processo para a formação de um lingote de liga pode compreender posicionar um revestimento de liga num cadinho para utilização num aparelho de refusão a arco sob vácuo (VAR). Um elétrodo de liga pode ser refundido a arco sob vácuo no aparelho de refusão a arco sob vácuo. 0 elétrodo de liga pode ser refundido a arco sob vácuo no revestimento de liga no cadinho. Desta maneira, um lingote de liga pode ser formado compreendendo uma camada externa ligada metalurgicamente a um núcleo de lingote interno. A camada externa compreende a liga que compreende inicialmente o revestimento (a liga do revestimento) . 0 núcleo de liga interno compreende a liga que compreende inicialmente o elétrodo VAR (a liga do elétrodo). A refusão a arco sob vácuo ê uma. operação de metalurgia de lingotes utilizada para melhorar a limpeza e refinar a estrutura dos lingotes de liga. Numa operação VAR, o lingote de liga a ser refundido pode ser referido como um elétrodo de liga. Um elétrodo de liga a. ser refundido numa operação VAR pode ser formado, por exemplo, por utilização de fusão ao ar (por exemplo, num forno de arco elétrico (EAF)), fusão a vácuo (por exemplo, fusão por indução a vácuo (VIM)), refinação por eletroescória (ESR), processos de fusão de soleira, processos de formaçâG por pulverização, e/ou moldagem por fusão ou operações de formação de lingotes. 0 VAR pode incluir a refusão contínua de um elétrodo de liga consumivel por um arco elétrico sob vácuo. Uma fonte de energia de corrente contínua (CC) pode estar ligada eletricamente ao elétrodo de liga e a uma placa de base dum cadinho num aparelho de VAR. A fonte de energia CC cria um arco elétrico entre um terminal livre do elétrodo de liga e a placa de bctse do cadinho. G calor gerado pela energia descarregada através do arco elétrico derrete o terminal livre do elétrodo. A VAR é geralmente descrita, por exemplo, em Donachie et al., Superailoys: A Technical Guide, ASM International, 2002. A Figura 1 é um diagrama esquemático que ilustra uma fGrma de realização não limitativa de um aparelho de VAR 10. 0 aparelho de VAR 10 inclui um cadinho 12 tendo uma placa de base 14. 0 cadinho 12 é refrigerado a água por câmara de água 16. A câmara de água inclui uma entrada de água e uma saída de água que permite o fluxo da água pelas superfícies externas do cadinho 12. 0 fluxo da água pelo cadinho 12 remove calor do cadinho 12, que por sua vez remove calor da piscina de liga derretida 42 dentro do cadinho 12, facilitando deste modo a solidificação da piscina de liga derretida 42 num lingote refundido a arco sob vácuo 40. 0 lingote refundido a arco sob vácuo 40 é moldado pelas superfícies internas do cadinho 12. 0 fluxo de água pelo cadinho 12 também remove calor do lingote 40.0 cadinho 12 encaixa numa cabeça VAR 2 0 para formar um câmara de forno selada 22. A cabeça VAR 20 inclui uma porta de vácuo 24, que permite que se crie um vácuo dentro da câmara do forno 22 .

Um terminal de um elétrodo de liga 30 está ligado a um aríete 32 que se estende para dentro da câmara do forno 22 do aparelho de VAR 10. 0 aríete 32 dirige o terminal livre do elétrodo 3 0 para dentro dG volume aberto do cadinho 12 . O aríete 32 posiciona verticalmente o elétrodo de liga 30 no cadinho 12 enquanto o elétrodo de liga 30 derrete, e a liga derretida 36 cai através do espaço do arco do elétrodo 46 para dentro da piscina de liga derretida 42 na superfície superior do lingote 40. Desta maneira, o aríete 32 pode ser avançado em direção a placa de base 14 para mover o elétrodo de liga 30 e manter um espaço do arco do elétrodo relativamente constante 46 dentro das tolerâncias operativas. 0 aríete 32 é posicionado de uma forma movível através de uma abertura selada 38 na cabeça VAR 20 para que possa ser mantido um vácuo na câmara do forno 22 durante a operação de VAR. 0 elétrodo de liga 30 derrete devido ao calor gerado pela energia descarregada através de um arco elétrico formado inicialmente entre o terminal livre do elétrodo 30 e a placa de base do cadinho 14. 0 elétrodo 30 e a placa de base 14 estão eletricamente ligados a uma fonte de energia 26 . 0 arco elétrico forma-se inicialmente entre o terminal livre do elétrodo 30 e a placa de base 14 através de um espaço do arco do elétrodo 46. A ação de posicionamento vertical do aríete 32 mantém o espaço do arco do elétrodo 46 e o arco elétrico formado entre o terminal livre do elétrodo 30 e o lingote em solidificação 40 após a liga derretida cobrir a placa de base 14 e começar a encher o volume aberto dentro do cadinho 12. A Figura 2 é um diagrama esquemático ilustrando uma forma de realização não limitativa de um aparelho de VAR 50. 0 aparelho de VAR 50 inclui um cadinho 52 que tem uma placa de base 54, Um revestimento de liga 90 é posicionado no cadinho 52, Apesar da Figura 2 mostrar o revestimento de liga 90 aberto em ambas as extremidades opostas, em várias formas de realização alternativas o revestimento de liga pode estar parcialmente ou inteiramente fechado na extremidade posicionada adjacente à placa de base de um aparelho de VAR. 0 cadinho 52 é refrigerado a água por uma câmara de água. 56. A câmara de água 56 inclui uma entrada de água e uma saída de água que permite o fluxo da água pelas superfícies externas do cadinho 52. 0 fluxo da água que passa pelo cadinho 52 remove calor do cadinho 52, que por sua vez remove calor do revestimento de liga 90 e da piscina de liga derretida S2 dentro do revestimento de liga 90, facilitando deste modo a solidificação da piscina de liga derretida 82 num núcleo de lingote interno refundido a arco sob vácuo 80. Desta maneira, um lingote de liga é formado compreendendo uma camada externa ligada metalurgicamente a um núcleo de lingote interno. A camada externa compreende material que compreende inicialmente o revestimento de liga 90, e o núcleo de lingote interno compreende material que compreende inicialmente um elétrodo de liga 70. 0 cadinho 52 encaixa numa cabeça VAR 60 para formar uma câmara de forno selada 62. A cabeça VAR 60 inclui uma porta de vácuo 64, que permite criar um vácuo dentro da câmara do forno 62 .

Um terminal do elétrodo de liga 70 está ligado a um aríete 72 no aparelho de VAR 50. 0 aríete 72 dirige o terminal livre do elétrodo 70 para dentro do volume aberto dentro do revestimento de liga 90. 0 aríete 72 posiciona verticalmente o elétrodo de liga 70 no revestimento de liga 90 enquanto o elétrodo de liga 70 derrete, e a liga derretida 76 pinga através do espaço do arco do elétrodo 86 para dentro da piscina de liga derretida 82. Desta maneira, o aríete 72 pode ser controlado para manter um espaço do arco do elétrodo relativamente constante 86 dentro das tolerâncias operativas. 0 aríete 72 é posicionado de uma forma movível através de uma abertura selada 78 na cabeça VAR 6 0 para que possa ser mantido um vácuo na câmara do forno 62 durante a operação de VAR. O elétrodo de liga 70 derrete devido ao calor gerado pela energia descarregada através de um arco elétrico formado inicialmente entre o terminal livre do elétrodo 70 e a placa de base do cadinho 54. 0 elétrodo 70 e a placa de base 54 estão eletricamente ligadas a uma fonte de energia 66.0 arco elétrico forma-se inicialmente entre o terminal livre do elétrodo 70 e a placa de base 54 através de um espaço do arco do elétrodG. A ação de posicionamento vertical do aríete 72 mantém o espaço do arco do elétrodo 86 e o arco elétrico formado entre o terminal livre do elétrodo 70 e o lingote em solidificação 80 após a liga derretida cobrir a placa de base 54 e começar a encher o volume aberto dentro do revestimento de liga 90. Desta maneira, o elétrodo de liga 70 pode ser refundido a arco sob vácuo no revestimento de liga 90, que está posicionadG no cadinho 52 no aparelho de refusão a arco sob vácuo 50.

Tal como são utilizados no presente documento, os termos "refusão a arco sob vácuo" e "VAR" incluem variações da VAR, tais como, por exemplo, refusão de elétrodo duplo a arco sob vácuo (VADER) . A Figura 3 é um diagrama esquemático ilustrando uma forma de realização não limitativa de um aparelho de VAR 150 compreendendo um aparelho VADER. 0 aparelho de VAR 150 inclui um cadinho 152 tendo uma placa de base 154. Um revestimento de liga ISO está posicionado no cadinho 152. Apesar da Figura 3 mostrar o revestimento de liga 190 como aberto nas duas extremidades opostas, em várias formas de realização alternativas, o revestimento de liga pode estar parcialmente ou inteiramente fechado na extremidade posicionada adjacente à placa de base de um, aparelho de VAR. 0 cadinho 152 é refrigerado a água por uma câmara de água 156. A câmara de água 156 inclui uma entrada de água e uma saída de água que permite o fluxo da água pelas superfícies externas do cadinho 152. 0 fluxo da água que passa pelo cadinho 152 remove Ccilor do cadinho 152, que por sua vez remove calor do revestimento de liga 190 e da piscina de liga derretida 182 dentro do revestimento de liga 190, facilitando deste modo a solidificação da piscina de liga derretida 182 num núcleo de lingote interno refundido a arco sob vácuo 180. Desta maneira, um lingote de liga é formado compreendendo uma camada externa ligada metalurgicamente a um núcleo de lingote interno. A camada externa compreende material que compreende inicialmente o revestimento de liga 190, e o núcleo de lingote interno compreende material que compreende inicialmente dois elétrodos de liga 170. O cadinho 152 encaixa numa cabeça VAR 160 para formar uma câmara de forno selada 162. A cabeça VAR 160 inclui uma porta de vácuo 164, que permite criar um vácuo dentro da câmara do forno 162.

Um terminal do elétrodo de liga 170 está ligado a um aríete 172 no aparelho de VAR 150. 0 aríete 172 dirige os terminais livres dos elétrodos 170 um para o outro, mantendo um espaço do arco do elétrodo 186. Os arietes 172 posicionam horizontalmente os elétrodos de liga 170 em relação um ao outro enquanto os elétrodos de liga 70 derretem e a liga derretida 176 pinga para dentro da piscina de liga derretida 182. Desta maneira, os aríetes 172 podem ser controlados para manter um espaço do arco do elétrodo relativamente constante 186 dentro das tolerâncias operativas.

Os elétrodos de liga 170 derretem devido ao calor gerado pela energia descarregada através de um arco elétrico formado entre os terminais livres de cada elétrodo 170. Os elétrodos 170 estão eletricamente ligados a uma fonte de energia (não mostrada). 0 arco elétrico forma-se entre os terminais livres dos elétrodos 170 através do espaço do arco do elétrodo 186. A ação de posicionamento horizontal dos aríetes 172 mantém o espaço do arco do elétrodo 186 e o arco elétrico formado entre os terminais livres do elétrodo 170. Desta maneira, os elétrodos de liga 170 podem ser refundidos a arco sob vácuo no revestimento de liga 190, que está posicionado no cadinho 152 no apsirelho de VAR 150.

Em várias formas de realização não limitativas, um processo para formar um lingote de liga pode compreender um processo de refusão a arco sob vácuo. 0 processo de refusão a arco sob vácuo pode compreender posicionar um revestimento de liga num cadinho dentro de um aparelho de refusão a arco sob vácuo. Pelo menos um elétrodo de liga poderá ser refundido a arco sob vácuo no revestimento de liga, posicionado no cadinho dentro do aparelho de refusão a arco sob vácuo. À medida que a liga de elétrodo derretida pinga a partir de um elétrodo de liga para a piscina derretida posicionada dentro do revestimento de liga, o calor pode derreter parcialmente o revestimento de liga em regiões adjacentes à piscina derretida, À medida que a liga de elétrodo derretida e a pelo menos parcialmente derretida liga de revestimento solidificam dentro do cadinho, o revestimento de liga e o elétrodo solidificado fundem-se e ligam-se metalurgicamente, formando deste modo um lingote de liga que compreende uma camada externa metalurgicamente ligada a um núcleo de lingote interno. A camada externa do lingote compreende a liga de revestimento. 0 núcleo de lingote interno do lingote compreende a liga do elétrodo.

As figuras 4A e 4B são diagramas esquemáticos de um lingote de liga 200 formado de acordo com várias formas de realização não limitativas descritas no presente documento. 0 lingote de liga 200 compreende uma camada externa 202 ligada metalurgicamente a um núcleo de liga interno 203. A interface 205 entre a camada externa 202 e o núcleo de lingote interno 203 compreende uma ligação metalúrgica formada entre a liga de revestimento que compreende a camada externa 202 e a liga de elétrodo que compreende o núcleo de lingote interno 203.

Em várias formas de realização não limitativas, a ligação metalúrgica pode compreender uma fusão intermetãlica ou coalescência da liga de revestimento que compreende a camada externa 202 e a liga de elétrodo que compreende um núcleo de lingote interno 203. Por exemplo, quando uma liga de elétrodo é refundida num revestimento de liga, a liga de elétrodo pode fundir-se à superfície interna do revestimento de liga, formando deste modo uma interface ligada metalurgicamente entre uma camada externa (que compreende a liga de revestimento) e um núcleo de lingote interno (que compreende a liga de elétrodo) , A energia do calor transportada pela liga de elétrodo derretida pode derreter pelo menos parcialmente a superfície interna do revestimento de liga, que pode coalescer parcialmente com a liga de elétrodo derretida, deste modo formando uma interface ligada metalurgicamente entre a camada externa e o núcleo de lingote interno aquando a. solidificação.

Em várias formas de realização não limitativas, a ligação metalúrgica pode compreender uma região de gradiente de liga na qual a composição do lingote transita ao longo de um gradiente da composição da ligai de elétrodo para ει composição da liga de revestimento, 0 gradiente de liga pode formar-se devido a uma mistura da liga de elétrodo e da liga de revestimento na região do gradiente de liga. Quando o elétrodo de liga é derretido no revestimento de liga, a liga de elétrodo derretida pode misturar-se pelo menos parcialmente com pelo menos uma porção da liga de revestimento derretida, que pode pelo menos parcialmente derreter devido à energia do calor do elétrodo que pinga derretido na piscina derretida dentro do revestimento de liga. Desta maneira, pode ser formado um lingote que compreende uma camada externa formada a partir da liga de revestimento, um núcleo de lingote interno formado a partir da liga de elétrodo, e uma região de gradiente de ligai formada a partir de uma mistura da liga de elétrodo e a liga de revestimento, caracterizado por a mistura transitar da liga de elétrodo para a liga de revestimento dentro da região do gradiente de liga.

Em várias formas de realização, a camada externa (que compreende a liga de revestimento) e o núcleo de lingote interno (que compreende a liga de elétrodo) não estão ligadas metalurgicamente. Por exemplo, se a temperatura do ponto de fusâG da liga de revestimento for muito mais alta que a temperatura do ponto de fusão da liga de elétrodo, então a liga de elétrodo derretida irá solidificar dentro do revestimento de liga sem o revestimento de liga derreter ou de outro modo fundir-se ao núcleo de lingote interno solidificado. Desta maneira, o revestimento de liga funciona como um molde no qual a liga de elétrodo solidifica, num núcleo de lingote interno associado fisicamente com, mas não metalurgicamente ligado a, uma camada externa. 0 grau de coalescência ou mistura da liga de revestimento e da liga de elétrodo, e por sua vez, o volume da região de interface entre a camada externa e o núcleo de lingote interno em formas de realização ligadas metalurgicamente, pode ser controlada, por exemplo, selecionando ligas respetivas com temperaturas de ponto de fusão específicas. Por exemplo, se a temperatura do ponto de fusão da liga de revestimento for suficientemente mais alta que a temperatura do ponto de fusão da liga de elétrodo, então a liga de elétrodo derretida irá fundir-se metalurgicamente à superfície internet da liga de revestimento, resultando numa região de interface relativamente pequena.

No entanto, se a temperatura do ponto de fusão da liga. de revestimento é muito mais baixa que a temperatura do ponto de fusão da liga de elétrodo, então a liga de revestimento pode derreter inteiramente e misturar-se com a liga de elétrodo derretida.. Isto poderá ser indesejado porque poderia mudar significativamente a química do núcleo de lingote interno do lingote resultante, o que pode resultar na liga de elétrodo estar fora das especificações. Em várias formas de realização não limitativas, é selecionada uma liga de revestimento para uma dada liga de elétrodo que resulte numa ligação metalúrgica forte entre a camada externa e o núcleo de lingote interno, mas que também não derreta excessivamente quando é contactada pela liga de elétrodo derretida. Desta maneira, a liga que compreende o núcleo de liga interno pode permanecer dentro das especificações.

Em várias formas de realização não limitativas, a liga de elétrodo (que compreende subsequentemente o núcleo de lingote interno) pode compreender uma liga sensível a rachas. Por exemplo, várias ligas à base de níquel, â base de ferro, a base de níquel-ferro, e à base de cobalto e superligas podem ser sensíveis a rachas, especialmente durante operações de trabalho a quente. Um elétrodo de liga pode ser formado a psirtir de tais ligas sensíveis a rachas e superligas. Um elétrodo de liga sensível a rachas pode ser formado Cl partir de uma liga ou superliga, incluindo, mas não limitado a, Liga 718, Liga 720, liga Rene 41™, liga Rene 88™, liga Waspaloy®, e liga Inconel® 100. As formas de realização descritas no presente documento são geralmente aplicáveis a qualquer liga caracterizada por uma ductilidade relativamente baixa a temperaturas de trabalho a quente. Tal como utilizado no presente documento, o termo "liga" inclui ligas convencionais e superligas, em que as superligas exibem uma estabilidade de superfície relatívamente boa, resistência à corrosão e oxidação, alta resistência, e alta resistência à fluência a altas temperaturas. A liga de revestimento (que subsequentemente compreende a camada externa) pode ser uma liga que é mais dúctil e/ou maleável que a liga de elétrodo (e, subsequentemente, o núcleo de lingote interno subjacente) à temperatura de trabalho particular a ser utilizada. A liga de revestimento pode ser uma liga que exibe uma tenacidade maior e/ou dureza menor que a liga e compreende o elétrodo de liga (e o núcleo de lingote interno subjacente) às temperaturas de trabalho particulares a serem utilizadas quando se trabalha a quente o lingote formado. Em várias formas de realização náo limitativas, a camada externa isGla o núcleo de lingote interno subjacente da exposição ao ar ambiente e/ou contacto com as superfícies de matrizes de trabalho a quente, prevenindo deste modo que o núcleo de lingote interno subjacente arrefeça até uma temperatura à qual a liga de elétrodo que compreende o núcleo de lingote interno se torne quebradiça e possa mais prontamente rachar durante o trabalho a quente. A liga de revestimento (e a camada externa) pode compreender uma liga que seja resistente à oxidação. Em várias formas de realização não limitativas, a camada externa não oxida de forma considerável durante o trabalho a quente ou de outro modo. A camada externa pode compreender uma liga que exiba uma rigidez relativamente alta (por exemplo, um módulo de elasticidade relativamente baixo). Em várias formas de realização não limitativas, a camada externa não fica substancialmente desbastada durante o trabalho a quente (por exemplo, onde a aplicação de força por uma ou mais matrizes causaria que uma liga com rigidez relativamente baixa ficasse desbastada no núcleo de lingote interno subjacente).

Em várias fGrmas de realização não limitativas, a liga que compreende o revestimento de liga (e a camada externa) e a liga que compreende o elétrodo de liga (e o núcleo de lingote interno subjacente) pode compreender o mesmo metal de base. Por exemplo, se o elétrodo de liga (e núcleo de lingote interno) compreende uma liga à base de níquel ou uma superliga (por exemplo, Liga 718, Liga 720, Rene 88™, liga Waspaloy®) , então o revestimento de liga (e a camada externa) pode compreender também uma liga à base de níquel, tal como, por exemplo, a Liga 625.

Em várias formas de realização não limitativas, a liga que compreende o revestimento de liga (e a camada externa) e a liga que compreende a liga de elétrodo (e o núcleo de lingote interno subjacente) pode compreender um metal de base diferente. Por exemplo, se o elétrodo de liga (e núcleo de lingote interno) compreende uma liga à base de níquel ou uma superliga (por exemplo, Liga 71S, Liga 720, Rene 88™, liga Waspaloy®), então o revestimento de liga íe a camada externa) pode compreender uma liga à base de ferro, tal como por exemplo, aço inoxidável Tipo 304. A espessura da parede do revestimento de liga pode ser selecionado tal que a camada externa possa ser formada com uma espessura suficiente para blindar o núcleo de lingote interno subjacente das superfícies das matrizes em contacto, prevenindo deste modo que o núcleo de lingote interno arrefeça até uma temperatura à qual uma superfície subjacente possa mais prontamente rachar durante o trabalho a quente. Desta maneira, temperaturas mais altas de trabalho a quente podem geralmente correlacionar-se com maiores espessuras da camada externa. Em várias formas de realização não limitativas, o revestimento de liga pode ter uma espessura de parede de 0,635 cm até 1,27 cm (0,25 polegadas até 0,5 polegadas).

Um elétrodo de liga pode ser formado utilizando uma operação de metalurgia, de lingote ou uma operação de metalurgia de pó. Por exemplo, em várias formas de realização não limitativas, um elétrodo de liga pode ser formado pGr VIM. Em várias formas de realização não limitativas, um elétrodo de liga pode ser formado por VIM-ESR. Desta maneira, um processo de fusão tripla de acordo com várias formas de realização não limitativas pode compreender VIM-ESR-VAR, caracterizado por a operação de VAR compreender fundir um elétrodo de liga (ou dois elétrodos numa operação VADER) num revestimento de liga posicionado no cadinho de um aparelho de VAR. Em várias formas de realização não limitativas, uma operação de metalurgia de pó pode envolver atomização de liga fundida e a recolha e consolidação de põs metalúrgicos solidificados num elétrodo. Um exemplo não limitativo de uma operação de metalurgia de pó inclui as etapas de: (1) VIM para preparar uma composição de liga desejada a partir de matéria-prima; (2) atomização de liga fundida em gotas de liga derretida que solidificam num pó de liga; (3) opcionalmente, peneirar o pó de liga para reduzir inclusões, (4) enlatamento e desaaseificação de uma quantidade de pó de liga; e (5) pressionar o pó de liga para consolidar o pó de liga num elétrodo de liga.

Em várias formas de realização não limitativas, pode ser depositada uma camada final em pelo menos uma extremidade de um lingote de liga tendo uma camada externa ligada metalurgicamente a um núcleo de lingote interno. Por exemplo, após um elétrodo de liga cilíndrico ser refundido num revestimento de liga tubular para formar um lingote de liga cilindrico que compreende uma camada externa ligada metalurgicamente a um núcleo de lingote interno, o núcleo de lingote interno pode permanecer exposto numa ou em ambas as extremidades opostas do lingote cilíndrico. Pode ser depositada uma camada de material de liga em pelo menos uma porção do núcleo de lingote interno exposto numa ou ambas as extremidades opostas do lingote. Desta maneira, o núcleo de lingote interno de um lingote cilíndrico pode ser fechado dentro de uma camada circunferencial externa, e uma ou duas camadas finais em uma ou ambas as extremidades do lingote cilíndrico.

Em várias formas de realização não limitativas, pode ser depositada uma camada final de liga e ligada metalurgicamente a uma ou ambas as extremidades opostas de um lingote de liga. Por exemplo, uma camada final pode ser depositada como deposito de solda numa superfície das extremidades dum lingote. Um depósito de solda pode ser ligado metalurgicamente a pelo menos uma região de uma superfície das extremidades de uma liga utilizando operações de soldagem incluindo, mas não limitadas a, soldagem com gãs inerte metálico (MIG), soldagem com gãs inerte de tungsténio (TIG), soldagem a plasma, soldagem por arco submerso, soldagem por feixe de eletrões.

Uma camada final de liga pode compreender um material de liga que é mais dúctil e/ou maleável que uma liga do núcleo de lingote interno subjacente, às temperaturas de trabalho particulares a serem utilizadas. A camada final de liga pode compreender um material de liga que exibe mais tenacidade e/ou menos dureza que a liga do núcleo de lingote interno subjacente à temperatura de trabalho particular a ser utilizada . Em várias formas de realização não limitativas, uma camada final de liga isola a superfície subjacente do núcleo de lingote interno das superfícies das matrizes em contacto, prevenindo deste modo que a superfície subjacente arrefeça até uma temperatura à qual a superfície é quebradiça e possa mais facilmente rachar durante o trabalho a quente. A camada final de liga pode compreender um material de liga que seja resistente à oxidação. Em várias formas de realização não limitativcLS, a camada final de liga não oxida durante o trabalho a quente ou de outro modo. A camada externa pode compreender um material de liga que exiba uma rigidez relativamente alta (por exemplo, um módulo de elasticidade relativamente baixo). Em várias formas de realização não limitativas, a camada final de liga não fica substancialmente desbastada durante o trabalho a quente (por exemplo, onde a aplicação de força por uma ou mais matrizes causaria que uma liga com rigidez relativamente baixa ficasse desbastada no núcleo de lingote interno subjacente).

Em várias formas de realização não limitativas, o material de liga que compreende uma camada final de liga e a liga que forma o núcleo de lingote interno subjacente podem compreender o mesmo metal de base. Por exemplo, se o núcleo de lingote interno compreende uma liga à base de níquel ou uma superliga (por exemplo, Liga 718, Liga 720, Rene 88™, liga Waspaloy®), então o material de liga da camada finai pode compreender também uma liga à base de níquel, tal como por exemplo, uma liga de solda à base de níquel (por exemplo, liga de Techalloy 606™, disponível pela Techalloy Company/Centrai Wire). A camada final de liga pode ser depositada até uma espessura suficiente para isolar a superfície subjacente de arrefecer até uma temperatura, à qual a superfície subjacente possa mais prontamente rachar durante o trabalho a quente. Desta maneira, temperaturas mais altas de trabalho a quente podem geralmente correlacionar-se com maiores espessuras da camada de material metálico. Em várias formas de realização não limitativas, a camada de material metálico pode ser depositada até uma espessura de 0,635 cm até 1,27 cm (0,25 polegadas até 0,5 polegadas) em pelo menos uma região de uma superfície de um lingote de liga.

Em várias formas de realização não limitativas, o material de liga que forma uma camada final ligada metalurgicamente a um núcleo de lingote interno e o material de liga que forma uma camada circunferência! externa ligada metalurgicamente ao núcleo de lingote interno pode compreender o mesmo metal de base. Em várias formas de realização não limitativas, o material de liga que forma uma camada final ligada metalurgicamente a um núcleo de lingote interno e o material de liga que forma uma camada circunferencial externa liga metalurgicamente ao núcleo de lingote interno são a mesma liga. Em várias formas de realização não limitativas, o material de liga que forma uma camada final ligada metalurgicamente a um núcleo de lingote interno e g material de liga que forma uma camada circunferencial externa ligada metalurgicamente ao núcleo de lingote interno são ligas diferentes. Em várias formas de realização não limitativas, o material de liga que forma uma camada finai ligada metalurgicamente a um núcleo de lingote interno e o material de liga que forma uma camada circunferencial externa ligada metalurgicamente ao núcleo de lingote interno compreendem metais de base diferentes.

Após a formação de um lingote que compreende uma camada externa ligada metalurgicamente a um núcleo de lingote interno (e, opcionalrnente, uma ou duas camadas finais ligadas metalurgicamente às extremidades opostas do núcleo de lingote interno) , o lingote de liga pode ser tratado termicamente. Por exemplo, em várias formas de realização não limitativas, um lingote de liga pode ser exposto a altas temperaturas para homogeneizar a composição da liga e a microestrutura do lingote de liga interno. As altas temperaturas podem estar acima da temperatura de recristalizaçãc· da liga que compreende o núcleo de lingote interno, mas abaixo da temperatura do ponto de fusão das ligas que compreendem a camada externa e o núcleo de lingote interno. Em várias formas de realização, um lingote que compreende uma camada externa ligada metalurgicamente a um núcleo de lingote interno (e, opcionalmente, uma ou duas camadas finais ligadas metalurgicamente às extremidades opostas do núcleo de lingote interno), não irão exibir nenhum desligamento da camada externa (e/ou a uma ou duas camadas finais) do núcleo de lingote interno durante ou após homogeneização ou outros trateimentos térmicos. Várias formas de realização não limitativas divulgadas no presente documento são também dirigidas a métodos de processamento de lingotes e processos de trabalho a quente caracterizados por uma redução na incidência de rachaduras de superfície de um lingote de liga durante uma operação de trabalho a quente. Em várias formas de realização não limitativas, os métodos descritos e processos podem compreender a formação de um lingote de liga com uma camada externa ligada metalurgicamente a um núcleo de lingote interno. A camada externa pode compreender uma liga que é mais dúctil que a liga que compreende um núcleo de lingote interno. A camada externa pode reduzir a incidência de rachaduras de superfície do lingote de liga durante a aplicação de força ao lingote de liga. Em várias formas de realização não limitativas, um lingote de liga pode ser trabalhado a quente aplicando uma força ao lingote de liga. A força pode ser aplicada à camada externa do lingote de liga. A força aplicada pode deformar o lingote de liga.

Em várias formas de realização não limitativas, uma operação de trabalho a quente pode compreender uma operação de forjamento e/ou uma operação de extrusão. Por exemplo, um lingote de liga que compreende uma camada externa ligada metalurgicamente a um núcleo de lingote interno pode ser forjado por recalque e/ou forjado por estiramento.

Uma operação de forjamento por recalque e estiramento pode compreender uma ou mais sequências de uma operação de forjamento por recalque e uma ou mais sequências de uma operação de forjamento por estiramento. Durante uma operação de recalque, as superfícies das extremidades de um lingote podem estar em contacto com matrizes de forjamento que aplicam força ao lingote que comprimem o comprimento do lingote e aumentam a secção transversal do lingote. Durante uma operação de estiramento, as superfícies laterais (por exemplo, a superfície circunferencial de um lingote cilíndrico) podem estar em contacto com matrizes de forjamento que aplicam força ao lingote que comprimem a secção transversal do lingote e aumentam o comprimento do lingote.

As Figuras 5A e 5C ilustram uma operação de forjamento.

As matrizes de forjamento 280/280' aplicam força a um lingote 220/220" . A força é aplicada geraimente de forma perpendicular ao eixo longitudinal 201/201' do lingote 220/220', como indicado pelas setas 285/285'. As matrizes de forjamento 280/280' aplicam força ao lingote 220/220' ao longo de geralmente todo o comprimento do lingote 220/220' através do movimento geraimente paralelo ao eixo longitudinal 201/201' do lingote 220/220', como indicado pelas setas 287/287'. A Figura 5A mostra um lingote 220 sem uma camada externa. A superfície circunferencial do lingote 220 está em contacto com as matrizes de forjamento 280 (Figura 5Ά) . A Figura 6C mostra um lingote 220' com uma camada externa 222 ligada metalurgicamente a um núcleo de lingote interno 223". A camada externa 222 do lingote 220' está em contacto com as matrizes de forjamento 280' (Figura 5C).

As Figuras 5B e 5D ilustram as superfícies de contacto dos lingotes 22 0' e 22 0' com as matrizes após forjamento por estiramento como ilustrado nas Figuras 5A e 5C, respetivarnente. Como mostrado na Figura 5B, a superfície de contacto com a matriz 290 do lingote 220 exibe rachaduras de superfície. Como mostrado na Figura 5D, a superfície de contacto com a matriz 290' do lingote 220' , que inclui a camada externa 222 ligada metalurgicamente ao núcleo do lingote interno 223, não exibe rachaduras de superfície. A camada externa 222 reduz a incidência de rachaduras de superfície num lingote de forjamento de liga relativamente a um de outro modo idêntico lingote de liga forjado desprovido de tal camada externa.

As Figuras 6A e 6C ilustram uma operação de forjamento por recalque. As matrizes de forjamento 380/380' aplicam força aos lados opostos de um lingote 320/320'. h força é geraimente aplicada paralela ao eixo longitudinal 301/301' do lingote 320/320', como indicado pelas setas 385/385'. A Figura 6A mostra um lingote 320 sem uma camada externa. As extremidades do lingote 320 estão em contacto com as matrizes de forjamento 380 (Figura 6A) . A Figura 6A mostra um lingote 320' incluindo a camada externa 322 ligada metalurgicamente ao núcleo de lingote interno 323. A camada externa 322 é ligada metalurgicamente a um núcleo de lingote interno de forma geral com uma forma cilíndrica 323 aG lGngo da superfície circunferencial do núcleo de lingote interno 323. A camada externa 322 é também ligada metalurgicamente às extremidades opostas do núcleo de lingote interno 323 . A camada externa 322 está em contacto com as matrizes de forjamento 380' (Figura 6C) .

As Figuras 6B e 6D ilustram uma superfície de contacto com a matriz de cada um dos lingotes 320 e 320' após forjamento por recalque como ilustrado nas Figuras 6A e 6C, respetivamente. Como mostrado na Figura 6B, a superfície de contacto com a matriz 390 do lingote 320 exibe rachaduras de superfície. Como mostrado na Figura 6D, a superfície de contacto com a matriz 390' do lingote 320', que inclui uma camada externa 322 ligada metalurgicamente ao núcleo de lingote interno 323, não exibe rachaduras de superfície. A camada externa 322 reduz a incidência de rachaduras de superfície num lingote de liga forjadG relativamente a um de outro mGdo idêntico lingote de liga forjado desprovido de tal camada externa.

Em várias formas de realização não limitativas, um lingote com uma camada externa ligada metalurgicamente a um núcleo de lingote interno pode ser sujeito a uma ou mais operações de forjamento por recalque e estiramento. Por exemplo, numa operação de forjamento por recalque e estiramento tripla, um lingote pode ser primeiramente forjado por recalque e de seguida forjado por estiramento. A sequência de recalque e estiramento pode ser repetida duas vezes mais para um total de três operações de forjamento por recalque e estiramento sequenciais. Uma ou mais das superfícies de contacto com a matriz do lingote podem ter uma camada externa que é ligada metalurgicamente a um núcleo de lingote interno.

Em várias formas de realização não limitativas, um lingote que tem uma camada externa que está ligada metalurgicamente a um núcleo de lingote interno pode ser sujeita a uma ou mais operações de extrusão, Por exemplo, numa operação de extrusão, um lingote cilíndrico pode ser forçado através de uma matriz circular, diminuindo deste modo o diâmetro e aumentado o comprimento do lingote. Uma ou mais das superfícies de contacto com a matriz do lingote podem ter uma camada externa que está ligada metalurgicamente a um núcleo de lingote interno.

Em várias formas de realização não limitativas, os métodos e processos descritos no presente documento podem ser utilizados para produzir um boleto forjado de um lingote que compreende uma camada externa que está ligada metalurgicamente a um núcleo de lingote interno. A conversão por forja ou conversão por extrusão de um lingote para um boleto ou outro artigo trabalhado pode produzir uma estrutura granular mais fina no artigo quando comparado com o artigo antes da conversão por forja ou extrusão. Os métodos e processos descritos no presente documento podem melhorar o rendimento de produtos forjados ou extrudidos (tais como, por exemplo, boletos) de lingotes de liga porque a camada externa pode reduzir a incidência de rachaduras de superfície do lingote durante as operações de forjamento e/ou extrusão. Por exemplo, um artigo que inclui uma camada externa de liga. relativamente mais dúctil ligada metalurgicamente a um núcleo de lingote interno relativamente menos dúctil pode tolerar mais prontamente a pressão induzida por matrizes de trabalho do que um artigo de outro modo idêntico desprovido da camada externa de liga relativamente mais dúctil. Uma camada externa ligada metalurgicamente a um núcleo de lingote interno pode também tolerar mais prontamente o diferencial de temperatura entre o ar ambiente e o lingote, e/ou entre as matrizes de trabalho e o lingote, durante o trabalho a quente. Desta maneira, uma camada externa pode exibir nenhumas ou mínimas rachaduras de superfície durante o trabalho deste artigo, enquanto que o desencadear de rachas de superfície é prevenido ou reduzido no núcleo de lingote interno subjacente durante o trabalho.

Em várias formas de realização não limitativas, após o trabalho a quente, pode ser removida pelo menos uma porção de uma camada externa do produto formado a partir do lingote durante o trabalho a quente. For exemplo, pode ser utilizada uma moagem, descasque, e/ou outra operação de torneamento para remover pelo menos uma porção da camada externa. Em varias formas de realização não limitativas, pode ser removida pelo menos uma porção de uma camada externa de um boleto (formado por trabalho de um lingote) por descasque (torneamento) e/ou moagem do boleto e/ou utilizando outras técnicas adequadas.

Em várias formas de realização não limitativas, lingotes com uma camada externa podem ser trabalhados a quente para formar produtos que podem ser utilizados para fabricar vários artigos. Por exemplo, os processos descritos no presente documento podem ser utilizados para formar boletos de liga ou de superliga â base de níquel, à base de ferro, à base de níquel-ferro, ou à base de cobalto. Os boletos ou outros produtos formados a partir de lingotes trabalhados a quente podem ser utilizados para fabricar artigos incluindo, mas não limitados a, componentes de turbina, tais como, por exemplo, discos e anéis para motores de turbina e várias turbinas terrestres. Outros artigos fabricados a partir de lingotes processados de acordo com várias formas de realização não limitativas descritas no presente documento pGdem incluir, mas não estão limitados a, válvulas, componentes de motor, eixos e parafusos.

Os exemplos ilustrativos e não limitativos que se seguem são pretendidos descrever adicionalmente várias formas de realização não limitativas sem restringir o âmbito das formas de realização. As pessoas peritas na especialidade apreciarão que são possíveis variações dos Exemplos dentro do âmbito da invenção como definida somente pelas reivindicações. Todas as partes e percentagens são em peso a não ser que seja de outro modo i nd i c ado. EXEMPLOS Exemplo 1

Foi formado um lingote cilíndrico que compreende uma camada externa ligada metalurgicamente a um núcleo de lingote interno. Fgí formado um revestimento de liga cilíndrico que compreende uma liga à base de níquel Liga 625 (UNS06625). A Liga 625 tem uma especificação química nominal como fornecida no Quadro 1.

Quadro 1

Foi utilizada uma secção de 15,24 cm (6-polegadas) de um tubo de Liga 625 (15,08125 cm DE X 11,67003 cm Dl (5,9375-inch DE x 4,5945-inch Dl) ) para formar o revestimento de liga. A secção de 15,24 cm (6-polegadas) foi maquinada até 14,288 cm (5,625-polegadas) DE para formar uma espessura de parede de cerca de 1,27-1,32 cm (0,50-0,52 polegadas). 0 revestimento de liga pesava aproximadamente 6,7 kg (14,75 libras). 0 revestimento de liga foi posicionadG dentro dum cadinho de cobre VAR. A montagem cadinho e revestimento de liga foi posicionada dentro de um aparelho de VAR e fixada a uma. placa de base de um cadinho. Foi também posicionado um elétrodo de liga à base de níquel Liga 718 dentro do aparelho de VAR e fixado a um aríete. A Liga 718 tem uma especificação química nominal como fornecida no Quadro 2.

Quadro 2

0 elétrodo de Liga 718 foi refundido a arco sob vácuo a 3,5 kilo-amps e 25 volts. Q arco elétrico foi inicialmente prGduzido a 2 kilo-amps, e a corrente do arco subiu rapidamente para 3,5 kilo-amps. Durante aproximadamente 7 minutos de tempo de fusão, foram derretidos 13,62 kg {30 Ibs) do elétrodo de Liga 718 no revestimento de Liga 625 (taxa de fusão média de 1,95 kg/min (4,3 Ibs/min)).

Com referência à Figura 7, o lingote resultante 400 compreendeu uma camada externa 402 ligada metalurgicamente a um núcleo de lingote interno 403 . A interface 405 entre a camada externa 402 e o núcleo de lingote interno 403 compreendeu uma ligação metalúrgica. 0 núcleo de lingote interno 403 e a camada externa 402 foram dispostos concentricamente. A Figura 7 mostra a secção transversal longitudinal interna do lingote após decapagem com decapante de cloreto férrico/Canada. Tal como mostrado na fotografia da Figura 7, foi conseguida uma ligação metalúrgica forte e uniforme entre o revestimento de liga (Liga 625) e a liga de elétrodo fundida (Liga 718) , deste modo formando um lingote com uma camada externa de Liga 625 ligada metalurgicamente a um núcleo de lingote interno de Liga 718.

Exemplo 2 A microestrutura dc· lingote formado de acordo com o Exemplo 1 foi vista em imagem utilizando microscopia ótica. A Figura 8A é uma micrograf ia ótica da camada externa da Liga 625 do lingote. A Figura 8B é uma micrografia ótica do núcleo de lingote interno da Liga 718 do lingote, imediatamente dentro da interface entre a camada externa e o núcleo de lingote interno. A Figura 8C é uma micrografia ótica do núcleo de lingote interno do lingote da Liga 718 a uma localização de meio-raio dentro do núcleo de lingote interno. A Figura 8D ê uma micrografia ótica da interface entre a camada externa do lingote e o núcleo interno do lingote. Tal como mostradG na Figura 8D, uma ligação metalúrgica forte e uniforme foi formada entre a camada externa do lingote e o núcleo do lingote interno. Exemplo 3 A química do lingote formado de acordo com o Exemplo 1 foi analisada quantitativamente utilizando Microscopia Eletrónica de Varrimento (Espetroscopia por Energia Dispersiva (MEV/EDS) . A Figura 9 é uma micrografia MEV da interface entre a camada externa do lingote da Liga 625 e núcleo de lingote interno da Liga 718. Tal como mostrado na Figura 9, foi formada uma ligação metalúrgica forte e uniforme entre a camada externa do lingote e o núcleo de lingote interno.

As composições químicas da camada externa do lingote de Liga 625, núcleo de lingote interno de Liga 718, e a região de interface ligada metalurgicamente entre a camada externa e o núcleo de lingote interno determinada utilizando MEV/EDS são apresentadas no Quadro 3 . As medições de MEV/EDS para a camada externa do núcleo de lingote interno foram feitas a alguns micrómetros para fora. e para dentro da região de interface, respetivamente. _ Quadro 3 _

A composição química da camada externa da Liga 625 esteve dentro das especificações para a qualidade da liga para todos os elementos constituintes (Quadro 1) . A composição química do núcleo de lingote interno da Liga 718 esteve dentro das especificações para a qualidade da liga para todos os elementos constituintes exceto para o níquel, nióbic·, e molibdénio (Quadro 2), A composição química da região de interface foi geralmente intermédia da composição química da camada externa da Liga 625 e da composição do núcleo de lingote interno da Liga 718, à parte de ser relativamente reduzida em titânio e relativa rica em crómio. A composição química do núcleo de lingote interno da Liga 718 foi medida duas vezes mais utilizando MEV/EDS a aproximadamente 1,27 cm (meia-polegada) e 2,54 cm (uma polegada) para dentro da registo de interface. Os resultstdos são apresentados no Quadro 4.

Quadro 4

As composições químicas medidas para o núcleo de lingote interno da Liga 718 estiveram dentro das especificações para a qualidade da liga para todos os elementos constituintes exceto para o nível de titânio medido a uma meia-polegada da região de interface.

Exemplo 4 A química do núcleo de lingote interno do lingote formado de acordo com o Exemplo 1 foi analisada quantitativamente utilizando espetroscopia de fluorescência de raios-X (FRX), técnicas de combustão e fusão, e espetroscopia de emissão ótica por faísca (OES) . As análises de espetroscopia FRX foram conduzidas de acordo com o ATSTM E2465-06: Método de Teste Padrão para Análises de Ligas à Base de Mi por Espetroscopia de Fluorescência de Raios-X, incorporado por referência no respetivo documento. As técnicas de combustão e fusão foram conduzidas de cicordo com os ATSTM E1019-Q8: Métodos de Teste Padrão para Determinação de Carbono, Enxofre, Azoto, eOxigénio nas Ligas de Aço, Ferro, Níquel, e Cobalto por Várias Técnicas de Combustão e Fusão, incorporadas por referência no presente documento. A química do elétrodo de Liga 718 foi também analisada quantitativamente utilizando espetrometria de FRX, técnicas de combustão e fusão, e OES por faísca. As composições químicas medidas são apresentadas no Quadro 5. _ Quadro

5 _

As composições químicas medidas para o núcleo de lingote interno da Liga 718 e o elétrodo da Liga 718 inicial estiveram dentro das especificações para a qualidade da liga para todos os elementos constituintes. Mais ainda, não foi observada nenhuma mudança apreciável na maior parte da química do material da Liga 71S após o elétrodo de liga ter sido refundido no revestimento de liga para formar um lingote compreendendo uma camada externa ligada metalurgicamente a um núcleo de lingote interno. Isto demonstra muito pouca ou nenhuma infiltraçâG/diluição da química do elétrodo pelo material do revestimento de liga. Portanto, a camada externa pode ser removida prontamente para formar um lingote de Liga 718 conforme especificação. Alternativamente, o lingote pode ser trabalhado a quente, por exemplo, forjado para formar um boleto e a camada externa pode ser prontamente removida para formar um boleto de Liga 718 forjado conforme especificação exibindo uma incidência reduzida de rachaduras de superfície.

DOCUMENTOS REFERIDOS NA DESCRIÇÃO

Esta lista de documentos referidos pelo autor do presente pedido de patente foi elaborada apenas para informação do leitor. Não é parte integrante do documento de patente europeia. Não obstante o cuidado na sua elaboração, ο IEP não assume qualquer responsabilidade por eventuais erros ou omissões,

Documentos de patente referidos na descrição ® US 200607564 B [0004] ® JP 2003239025 A [0005]

Documentos de não patente citados na descrição • DONACHIE et al, Superalloys: A Technical Guide. ASM International, 2002 [0024]

Claims (21)

REIVINDICAÇÕES

1. Um processo para formar um lingote de liga que compreende: posicionar um revestimento de liga num cadinho de um aparelho de refusão a arco sob vácuo; e a refusão a arco sob vácuo de um elétrodo de liga num revestimento de liga num cadinho, deste modo formando um lingote de liga que compreende uma camada externa ligada a um núcleo de lingote interno.

2. 0 processo da reivindicação 1, em que o revestimento de liga compreende uma liga que é mais dúctil que a liga que compreende o elétrodo de liga.

3. 0 processo da reivindicação 1, em que o elétrodo de liga compreende uma liga selecionada do grupo que consiste de uma liga à base de níquel, uma liga à base de ferro, uma liga à base de níquel-ferro, e uma liga à base de cobalto.

4. 0 processo da reivindicação 1, em que o elétrodo de liga compreende uma liga selecionada do grupo que consiste na Liga 718, Liga 720, liga Rene 41 (TM) , liga Rene 88 (TM) , e liga Waspaloy(R).

5. 0 processo da reivindicação 1, em que o revestimento de liga compreende uma liga à base de níquel.

6. 0 processo da reivindicação 1, que compreende além disso: o trabalho a quente do lingote de liga, em que o trabalho a quente compreende aplicar força na camada externa, e em que a força deforma plasticamente o lingote de liga.

7 . 0 processo da reivindicação 6, em que o trabalho a quente do lingote de liga compreende forjar por recalque e estiramento o lingote de liga.

8. 0 processo da reivindicação 6, que compreende além disso a remoção de pelo menos uma porção da camada externa do lingote de liga após o trabalho a quente do lingote de liga..

9. 0 processo da reivindicação 6, em que g processo melhora o rendimento de produtos de superliga à base de níquel forjadas formadas a partir de lingotes de superliga à base de níquel.

10. 0 processo da reivindicação 6, em que o processo produz um boleto de superliga à base de níquel trabalhado a partir de um lingote de superliga à base de níquel fundido.

11. O processo da reivindicação 1, que compreende além disso o fornecimento do elétrodo de liga utilizando uma operação de fusão por indução a vácuo.

12. 0 processo da reivindicação 1, que compreende além disso o fornecimento do elétrodo de liga utilizando uma operação de fusão por indução a vácuo-refinação por eletroescória.

13. 0 processo da reivindicação 1, em que o elétrodo de liga compreende uma liga que compreende, em percentagem de peso, 0 até 0,08 de carbono, 0 até 0,35 de manganês, 0 até 0,35 de silício, 0 até 0,015 de enxofre, 0 até 0,015 de fósforo, 17,0 até 21,0 de crómio, 50,0 até 55,0 de níquel, 0 até 1,0 de cobalto, 2,8 até 3,3 de molibdénio, 0,65 até 1,15 de titânio, 0,2 até 0,8 de alumínio, 0 até 0,006 de boro, 5,0 até 5,5 de nióbio e/ou tântalo, ferro de balanço e impurezas incidentais.

14. 0 processo da reivindicação 1, em que a camada externa compreende uma liga que é mais dúctil que a liga que compreende o núcleo de lingote interno, e em que a camada externa reduz a incidência de rachaduras de superfície do lingote de liga, e compreende além disso a etapa de aplicação de uma força ao lingote de liga para deformar plasticamente o lingote de liga.

15. 0 método da reivindicação 14, compreendendo ainda a remoção de pelo menos uma porção da camada externa do lingote de liga após o lingote de liga estar deformado.

16. 0 método da reivindicação 14, em que o núcleo de lingote interno compreende uma liga selecionada do grupo que consiste numa liga à base de níquel, uma liga à base de ferro, uma liga à base de níquel-ferro, e uma liga à base de cobalto.

17. 0 método da reivindicação 14, em que o núcleo de lingote interno compreende uma liga selecionada do grupo que consiste na Liga 718, Liga 720, liga Rene 41(TM), liga Rene 88(TM) e liga Waspaloy(R).

18. 0 método da reivindicação 14, em que o núcleo de lingote interno compreende uma superliga à base de níquel e a região externa compreende uma liga à base de níquel.

19. O método da reivindicação 14, em que a aplicação de força ao lingote de liga compreende fornamento por recalque e estiramento do lingote de liga.

20. O método da reivindicação 14, em que o método melhora o rendimento de produtos de superliga à base de níquel formados a partir de lingotes de superliga à base de níquel.

21. 0 método da reivindicação 14, em que o método produz um boleto de superliga à base de níquel trabalhado a partir de um lingote de superliga à base de níquel fundido.