TW201439333A - 處理鈦合金之方法 - Google Patents

Abstract

一鈦合金工件之晶粒大小之細化方法包括：β退火該工件；將該經β退火工件冷卻至低於該鈦合金的β轉變溫度之一溫度；及高應變速率多軸鍛造該工件。採用高應變速率多軸鍛造直到在該鈦合金工件中達成總應變為至少1，或直到在該鈦合金工件中達成總應變為至少1及高至3.5。該工件之該鈦合金可包括晶粒釘紮合金添加劑及對減少α相沉澱及生長動力有效之β穩定含量之至少一者。

Description

處理鈦合金之方法 【相關申請案之交叉參考】

本申請案根據35 U.S.C.§ 120主張作為2010年9月15日申請，標題為「Processing Routes for Titanium and Titanium Alloys」之共同待審的美國專利申請案第12/882,538號之部分接續的優先權，該案之全部內容以引用的方式併入本文中。

【關於聯邦贊助之研究或發展之聲明】

本發明係在美國政府支持下，在由美國商務部，國家標準技術研究所(NIST)授予之編號為70NANB7H7038的NIST合同下製作。美國政府可對本發明具有特定權利。

【技術背景】

本揭示內容係關於用於處理鈦合金之方法。

用於製造具有粗晶粒(CG)、精細晶粒(FG)、極細晶粒(VFG)或超細晶粒(UFG)微結構之鈦與鈦合金的方法包含使用多個重新加熱及鍛造步驟。鍛造步驟可包括除在開模壓機上拉取鍛件以外還可包含一個或多個頂鍛步驟。

如本文所使用，當提及鈦合金之微結構時，術語「粗晶粒」指代400μm低至大於約14μm之α晶粒大小；術語「精細晶粒」指代範圍在14μm低至大於10μm之α晶粒大小；術語「極細晶粒」指代10μm低至大於4.0μm之α晶粒大小；及術語「超細晶粒」指代4.0μm或更小之α晶粒大小。

鍛造鈦與鈦合金來產生粗晶粒或精細晶粒微結構之已知商業方法使用多個重新加熱及鍛造步驟採用0.03s^-1至0.10s^-1應變速率。

旨在製造精細晶粒、極細晶粒或超細晶粒微結構之已知方法以0.001s^-1或更緩慢速率之超緩慢應變速率應用多軸鍛造(MAF)製程(例如，參考G.Salishchev等人之Materials Science Forum,Vol.584-586,pp.783-788(2008))。例如，在C.Desrayaud等人之Journal of Materials Processing Technology,172,pp.152-156(2006)中描述一般的MAF製程。

超緩慢應變速率MAF製程中晶粒細化之關鍵在於以由所使用之超緩慢應變速率(即，0.001s^-1或更緩慢)形成的動態再結晶體系持續操作的能力。在動態再結晶期間，晶粒同時成核、生長並累積位錯。位錯在新成核之晶粒內的產生持續減小晶粒生長之驅動力，並且晶粒成核係積極有利的。超緩慢應變速率MAF製程使用動態再結晶以在鍛造製程期間持續再結晶晶粒。

可使用超緩慢應變速率MAF製程來製造超細晶粒Ti-6-4合金(UNS R56400)之相對均勻立方體，但是執行MAF步驟所花費之總時間在商業設定中可能過久。此外，習知大型商業上可購得之開模壓鍛器材可能不具有達成此等實施例中所需之超緩慢應變速率的能力，且因此可能需要客製鍛造器材來實行大規模之超緩慢應變速率MAF。

因此，將有利的是，研發一種用於製造具有粗、精細、極細或超細晶粒微結構之鈦合金的製程，其無需多次重新加熱、適應較高應變速率、減少處理所需之時間，及/或免除對客製鍛造器材之需求。

根據本揭示內容之非限制性態樣，一種細化包括鈦合金之工件之晶粒大小之方法包括β退火該工件。在β退火後，工件被冷卻至低於鈦合金之β轉變溫度的溫度。接著多軸鍛造工件。多軸鍛造包括：用足以隔熱地加熱工件之內部區域的應變速率在工件之第一正交軸的方向上在工件鍛造溫度範圍中的工件鍛造溫度下壓鍛工件；用足以隔熱地加熱工件之內部區域的應變速率在工件之第二正交軸的方向上在工件鍛造溫度範圍中的工件鍛造溫度下壓鍛工件；及用足以隔熱地加熱工件之內部區域的應變速率在工件之第三正交軸的方向上在工件鍛造溫度範圍中的工件鍛造溫度下壓鍛工件。視需要，連續壓鍛步驟之中間步驟，允許工件之經隔熱地加 熱的內部區域冷卻至處於或接近工件鍛造溫度範圍中的工件鍛造溫度的溫度，且工件之外表面區域被加熱至處於或接近工件鍛造溫度範圍中的工件鍛造溫度之溫度。重複該等壓鍛步驟之至少一者直到在工件之至少一區域中達成總應變為至少1.0。在另一非限制性實施例中，重複該等壓鍛步驟之至少一者直到在工件之至少一區域中達成總應變為至少1.0高至小於3.5。在非限制性實施例中，壓鍛期間使用的應變速率係在0.2s^-1至0.8s^-1之範圍中。

根據本揭示內容之另一非限制性態樣，細化包括鈦合金之工件的晶粒大小之方法的非限制性實施例包含β退火工件。在β退火後，工件被冷卻至低於鈦合金之β轉變溫度的溫度。接著使用包括下列鍛造步驟之序列多軸鍛造該工件。

用足以隔熱地加熱工件之內部區域的應變速率在工件之第一正交A軸的方向上在工件鍛造溫度範圍中的工件鍛造溫度下將工件壓鍛至主減小間隔物高度。如本文所使用，主減小隔離物高度係等效於工件之每一正交軸所要的最終鍛造尺寸之距離。

在第一阻擋減小中在工件之第二正交B軸的方向上在工件鍛造溫度範圍中的工件鍛造溫度下將工件壓鍛至第一阻擋減小隔離物高度。應用第一阻擋減小來使工件恢復至工件之基本上預鍛形狀。儘管第一阻擋減小之應變速率可能足以隔熱地加熱工件之內部區域，但是在非限制性實施例中，在第一阻擋減小期間隔熱加熱可能不會發生，原因在於在第一阻擋減小中引起之總應變可能不足以明顯隔熱地加熱工件。第一阻擋減小隔離物高度大於主減小隔離物高度。

在第二阻擋減小中在工件之第三正交C軸的方向上在工件鍛造溫度範圍中的工件鍛造溫度下將工件壓鍛至第二阻擋減小隔離物高度。應用第二阻擋減小來使工件恢復至工件之基本上預鍛形狀。儘管第二阻擋減小之應變速率可足以隔熱地加熱工件之內部區域，但是在非限制性實施例中，第二阻擋減小期間之隔熱加熱可能不會發生，原因在於在第二阻擋減小中引起之總應變可能不足以明顯隔熱地加熱工件。第二阻擋減小隔離物高度大於主減小隔離物高度。

用足以隔熱地加熱工件之內部區域的應變速率在工件之第二正交B軸的方向上在工件鍛造溫度範圍中的工件鍛造溫度下將工件壓鍛至主減小隔離物高度。

在第一阻擋減小中在工件之第三正交C軸的方向上在工件鍛造溫度範圍中的工件鍛造溫度下將工件壓鍛至第一阻擋減小隔離物高度。應用第一阻擋減小來使工件恢復至工件之基本上預鍛形狀。儘管第一阻擋減小之應變速率可足以隔熱地加熱工件之內部區域，但是在非限制性實施例中，第一阻擋減小期間的隔熱加熱可能不會發生，原因在於第一阻擋減小中引起之總應變可能不足以明顯地隔熱地加熱工件。第一阻擋減小隔離物高度大於主減小隔離物高度。

在第二阻擋減小中在工件之第一正交A軸的方向上在工件鍛造溫度範圍中的工件鍛造溫度下將工件壓鍛至第二阻擋減小隔離物高度。應用第二阻擋減小來使工件恢復至工件之基本上預鍛形狀。儘管第二阻擋減小之應變速率可足以隔熱地加熱工件之內部區域，但是在非限制性實施例中，第二阻擋減小期間的隔熱加熱可能不會發生，原因在於第二阻擋減小中引起之總應變可能不足以明顯地隔熱地加熱工件。第二阻擋減小隔離物高度大於主減小隔離物高度。

用足以隔熱地加熱工件之內部區域的應變速率在主減小中工件之第三正交C軸的方向上在工件鍛造溫度範圍中的工件鍛造溫度下將工件壓鍛至主減小隔離物高度。

在第一阻擋減小中在工件之第一正交A軸的方向上在工件鍛造溫度範圍中之工件鍛造溫度下將工件壓鍛至第一阻擋減小隔離物高度。應用第一阻擋減小來使工件恢復至工件之基本上預鍛形狀。儘管第一阻擋減小之應變速率可足以隔熱地加熱工件之內部區域，但是在非限制性實施例中，第一阻擋減小期間的隔熱加熱可能不會發生，原因在於第一阻擋減小中引起之總應變可能不足以明顯地隔熱地加熱工件。第一阻擋減小隔離物高度大於主減小隔離物高度。

在第二阻擋減小中在工件之第二正交B軸的方向上在工件鍛造溫度範圍中的工件鍛造溫度下將工件壓鍛至第二阻擋減小隔離物高 度。應用第二阻擋減小來使工件恢復至工件之基本上預鍛形狀。儘管第二阻擋減小之應變速率可足以隔熱地加熱工件之內部區域，但是在非限制性實施例中，第二阻擋減小期間的隔熱加熱可能不會發生，原因在於第二阻擋減小中引起之總應變可能不足以明顯地隔熱地加熱工件。第二阻擋減小隔離物高度大於主減小隔離物高度。

視需要，鍛造方法實施例之中間連續壓鍛步驟，允許工件之經隔熱地加熱的內部區域冷卻至工件鍛造溫度範圍中之約工件鍛造溫度，且工件之外表面區域被加熱至工件鍛造溫度範圍中之約工件鍛造溫度。重複方法實施例之前述壓鍛步驟之至少一者直到在工件之至少一區域中達成總應變為至少1.0。在本方法之非限制性實施例中，重複該等壓鍛步驟之至少一者直到在工件之至少一區域中達成總應變為至少1.0及高至小於3.5。在非限制性實施例中，在壓鍛期間之應變速率係在0.2s^-1至0.8s^-1之範圍內。

16‧‧‧使用高應變速率多軸鍛造(MAF)來細化鈦合金之晶粒大小之方法

18，20，22，26，28，32，34，46，52，54，56，60，62，64‧‧‧使用高應變速率多軸鍛造(MAF)來細化鈦合金之晶粒大小之方法中之步驟

24‧‧‧工件

30‧‧‧第一正交軸

33‧‧‧熱管理系統

36‧‧‧外表面區域

38‧‧‧加熱機構

40‧‧‧壓模加熱器

42‧‧‧壓模

44‧‧‧壓模壓鍛表面

48‧‧‧第二正交軸

50‧‧‧旋轉

70‧‧‧製造超細晶粒鈦合金之製程

71~102‧‧‧製造超細晶粒鈦合金之製程中的步驟

200‧‧‧方法

202‧‧‧加熱

204‧‧‧退火溫度

206‧‧‧轉變溫度

208‧‧‧保持或浸泡

210‧‧‧塑性變形

212‧‧‧冷卻

214‧‧‧鍛造溫度

230‧‧‧方法

232‧‧‧加熱

234‧‧‧退火溫度

236‧‧‧轉變溫度

238‧‧‧保持或浸泡

240‧‧‧塑性變形

242‧‧‧冷卻

244‧‧‧鍛造溫度

246‧‧‧多軸鍛造

248‧‧‧冷卻

250‧‧‧鍛造溫度

252‧‧‧冷卻

260‧‧‧方法

262‧‧‧加熱

264‧‧‧退火溫度

266‧‧‧轉變溫度

268‧‧‧保持或浸泡

270‧‧‧塑性變形

272‧‧‧多軸鍛造

274‧‧‧多軸鍛造

276‧‧‧冷卻

300‧‧‧方法

302‧‧‧長形鈦合金工件

304‧‧‧工件經頂鍛

306‧‧‧工件被旋轉90度至定向

310‧‧‧旋轉方向

312‧‧‧工件經受多道拉鍛

314‧‧‧圓筒形

316‧‧‧八邊形圓筒形

400‧‧‧細化工件之晶粒大小之方法

402，404，406，408，410，412，414，416，418，420，422，424，426，428‧‧‧細化工件之晶粒大小之方法中的步驟

參考附圖可更好地瞭解本文所述之設備及方法的特徵及優點，其中：圖1係存在於Ti-6-4、Ti-6-2-4-6及Ti-6-2-4-2合金中之平衡α相之作為溫度的函數之經計算體積分數預測；圖2係根據本揭示內容之用於處理鈦合金之方法的非限制性實施例之流程圖清單步驟；圖3係使用用於處理鈦合金以細化晶粒大小之熱管理之高應變速率多軸鍛造方法之非限制性實施例之態樣的示意表示，其中圖3(a)、圖3(c)及圖3(e)表示非限制性壓鍛步驟，且圖3(b)、圖3(d)及圖3(f)表示根據本揭示內容之非限制性態樣之選用非限制性冷卻及加熱步驟；圖4係已知被用來細化小型樣本之晶粒大小之先前技術的緩慢應變速率多軸鍛造技術之態樣的示意表示；圖5係根據本揭示內容之用於處理鈦合金(包括工件之最終所要尺寸的主正交減小以及第一及第二阻擋減小)之方法的非限制性實施 例的流程圖清單步驟；圖6係根據本揭示內容之高應變速率多軸鍛造方法之非限制性實施例之溫度-時間熱機械流程圖；圖7係根據本揭示內容之多溫高應變速率多軸鍛造方法之非限制性實施例之溫度-時間熱機械流程圖；圖8係根據本揭示內容之貫穿β轉變高應變速率多軸鍛造方法之非限制性實施例之溫度-時間熱機械流程圖；圖9係根據本揭示內容之晶粒大小細化之多頂鍛及拉取方法之非限制性實施例的態樣的示意表示；圖10係根據本揭示內容之用來細化晶粒大小之多頂鍛及拉取處理鈦合金之方法的非限制性實施例之流程圖清單步驟；圖11(a)係商業鍛造及處理的Ti-6-2-4-2合金之微結構的顯微圖；圖11(b)係由本揭示內容之實例1中描述之熱管理高應變MAF實施例處理的Ti-6-2-4-2合金之微結構的顯微圖；圖12(a)係描繪商業鍛造及處理的Ti-6-2-4-6合金之微結構的顯微圖；圖12(b)係由本揭示內容之實例2中所描述之熱管理高應變MAF實施例處理的Ti-6-2-4-6合金之微結構的顯微圖；圖13係由本揭示內容之實例3中所描述之熱管理高應變MAF實施例處理的Ti-6-2-4-6合金之微結構的顯微圖；圖14係由本揭示內容之實例4中所描述之熱管理高應變MAF實施例處理的Ti-6-2-4-2合金之微結構的顯微圖，其對每一軸施加相等應變；圖15係由本揭示內容之實例5中所描述之熱管理高應變MAF實施例處理的Ti-6-2-4-2合金之微結構的顯微圖，其中阻擋減小被用來最小化在每一主減小之後發生的工件膨脹；圖16(a)係由利用本揭示內容之實例6中所描述之貫穿β轉變MAF之熱管理的高應變MAF實施方案處理的Ti-6-2-4-2合金之中央 區域的微結構的顯微圖；及圖16(b)係由利用本揭示內容之實例6中所描述之貫穿β轉變MAF之熱管理的高應變MAF實施方案處理的Ti-6-2-4-2合金之表面區域的微結構的顯微圖；在考量根據本揭示內容之特定非限制性實施例之下列詳細描述後，閱讀者應明白前述細節以及其他內容。

在非限制性實施例之本描述中，除在操作實例中以外或除非另有指示，否則表示數量或特性之全部數字應被理解為在全部實例中由術語「約」修飾。因此，除非有相反指示，否則下列描述中陳述之任何數值參數係可根據吾人藉由根據本揭示內容之方法獲得之所要性質而改變之近似值。最終，且並非試圖將等效物之教條的應用限制於申請專利範圍之範疇，每一數值參數應至少根據報告的有效數字位數以及藉由應用一般的四捨五入法來解釋。

又，本文所述之任何數值範圍旨在包含其中所歸入之全部子範圍。例如，範圍「1至10」旨在包含所述最小值1與所述最大值10之間之全部子範圍(且包括1與10)，即具有等於或大於1之最小值及等於或小於10之最大值。本文所述之任何最大數值限制旨在包括本文所歸入之全部較低數值限制且本文所述之任何最小數值限制旨在包含本文所歸入之全部較高數值限制。因此，申請人保留修改本揭示內容(包括申請專利範圍)之權利以明確闡述歸入本文所明確闡述之範圍內的任何子範圍。所有此等範圍旨在固有地揭示于本文中使得修改來明確闡述任何此等子範圍將遵從35 U.S.C.§ 112第一段及35 U.S.C.§ 132(a)之要求。

如本文所使用，語法上之冠詞「一個」、「一」及「該」旨在包含「至少一個」或「一個或多個」，除非另有指示。因此，冠詞在本文中用來指代冠詞之一個或一個以上(即，至少一個)語法物件。舉例而言，「組件」意味一個或多個組件，且因此可能預期一個以上元件並且可在所述實施例之實施方式中採用或使用該一個以上組件。

本揭示內容包括各種實施例之描述。應瞭解本文所述之全部 實施例係例示性的、闡釋性的，且非限制性的。因此，本發明不受各種例示性、闡釋性及非限制性實施例之描述限制。而是，本發明僅由申請專利範圍定義，申請專利範圍可經修改來闡述明確或固有地描述於本揭示內容中或以另外方式明確或固有地由本揭示內容支持之任何特徵。

被認為係以引用的方式併入本文中之任何專利、公開案或其他揭示材料之全部或部分被併入本文中僅就所併入材料不與既有定義、聲明或本揭示內容中陳述之其他揭示材料衝突而言。因此，且在必要的情況下，如本文所陳述之揭示內容取代以引用的方式併入本文之任何衝突材料。被認為以引用的方式併入本文中之任何材料或其部分僅就該併入材料與既有揭示材料之間不引起衝突而言而併入。

本揭示內容之態樣係關於鈦合金之多軸鍛造製程之非限制性實施例，其包括在鍛造步驟期間應用高應變速率來細化晶粒大小。此等方法實施例在本揭示內容中一般被稱為「高應變速率多軸鍛造」或「高應變速率MAF」。如本文所使用，術語「減小」或「撞擊」可互換地指代個別壓鍛步驟，其中在壓模表面之間鍛造工件。如本文所使用，用語「隔離物高度」指代在沿著一個正交軸減小後沿著該軸所量測之工件的尺寸或厚度。例如，在沿著特定軸壓鍛減小至4.0英寸隔離物高度之後，沿著該軸量測之壓鍛工件之厚度將為約4.0英寸。壓鍛領域中之一般技術者已熟習隔離物高度之概念及使用且無需在本文中作進一步描述。

先前判定對於諸如Ti-6Al-4V合金(ASTM級5；UNS R56400)(其亦可被稱為「Ti-6-4」合金)之合金，可使用高應變速率多軸鍛造(其中工件至少被鍛造至總應變為3.5)來製備超細晶粒鋼坯。在2010年9月15日申請，標題為「Processing Routes for Titanium and Titanium Alloys」之美國專利申請案第12/882,538號(‘538申請案)中揭示了此製程，該案之全部內容以引用的方式併入本文中。賦予至少3.5的應變可能需要大量處理時間及複雜度，其增加成本並且增加不曾預料之問題之機會。本揭示內容揭示一種高應變速率多軸鍛造製程，其可使用在自至少1.0高至小於3.5的範圍中之總應變提供超細晶粒結構。

根據本揭示內容之方法包含應用多軸鍛造及其衍生方法(諸 如’538申請案中所揭示之多頂鍛及拉取(MUD)製程)於展現比Ti-6-4合金緩慢的有效α沉澱及生長動力之鈦合金。特定言之，Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.08Si合金(UNS R54620)(其亦可被稱為「Ti-6-2-4-2」合金)之有效α動力因額外晶粒釘紮元素(諸如Si)而比Ti-6-4合金緩慢。又，Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo合金(UNS R56260)(其亦被稱為「Ti-6-2-4-6」)之有效α動力因β穩定含量增加而比T-6-4合金緩慢。應認知，就合金元素而言，α相之生長及沉澱係鈦基合金中之合金元素的擴散速率之函數。已知鉬具有全部鈦合金添加劑之較緩慢擴散速率中之一者。此外，β穩定劑(諸如鉬)降低合金之β轉變溫度(T_β)，其中較低T_β導致在合金之處理溫度下合金中之原子擴散一般較緩慢。Ti-6-2-4-2與Ti-6-2-4-6合金之相對較緩慢有效α沉澱及生長動力之結果在於當與此類處理對Ti-6-4合金之影響比較時在根據本揭示內容之實施例之MAF產生精細並穩定之α板條大小之前所使用之β加熱處理。此外，在β加熱處理及冷卻之後，Ti-6-2-4-2與Ti-6-2-4-6合金處理限制α晶粒生長之動力之精細β晶粒結構。

可藉由在恰低於β轉變溫度之溫度下識別最緩慢擴散物種而評估α生長之有效動力。此途徑已在理論上概述並在文獻(參考Semiatin等人之「Metallurgical and Materials Transactions A：Physical Metallurgy and Materials Science」38(4),2007,pp.910-921))中予以實驗驗證。在鈦與鈦合金中，全部潛在合金元素之擴散性資料並非可輕易利用；然而，諸如在Lutjering及Williams之「Titanium」(第二版，2007)之文獻調查大體贊同一些普遍合金元素之下列相對等級：D_Mo<D_Nb<D_Al~D_V~D_Sn~D_Zr~D_Hf<D_Cr~D_Ni~D_Cr~D_Co~D_Mn~D_Fe

因此，諸如Ti-6-2-4-6合金及Ti-6-2-4-2合金之合金(其包含鉬)展示在相對低於Ti-6-4合金之應變下(其中動力由鉬之擴散控制)達成超細晶粒微結構所需之所要緩慢α動力。基於週期表群組關係，吾人亦可合理假定鉭及鎢屬於緩慢擴散體之群組。

除了包含緩慢擴散元素來減小α相之有效動力以外，減小合金中由鋁擴散控制之β轉變溫度亦將具有類似效應。β轉變溫度減小100℃將在轉變溫度下使β相之鋁的擴散性減小近似一數量級。合金(諸如ATI 425^®合金(Ti-4Al-2.5V；UNS 54250)及Ti-6-6-2合金(Ti-6Al-6V-2SN；UNS 56620))之α動力可能由鋁擴散控制；然而，此等合金相對於Ti-6Al-4V合金β轉變溫度較低亦導致所要較緩慢有效α動力。Ti-6Al-7Nb合金(UNS R56700)(通常係生物醫學版之Ti-6Al-4V合金)亦可因鈮含量而展現較緩慢α動力。

最初預期α+β合金而非Ti-6-4合金可在將導致α相之類似體積分數的溫度下在類似於'538申請案中所揭示之條件的條件下處理。例如，根據預測，使用PANDAT軟體，可從美國，威斯康辛州，麥迪森Computherm,LLC購得之商業上可購得的計算工具，預測在1500℉(815.6℃)下，Ti-6-4合金之α相的體積分數應與Ti-6-2-4-2合金在1600℉(871.1℃)下及Ti-6-2-4-6合金在1200℉(648.9℃)下之體積分數近似相同，參考圖1。然而，當以其中在‘538申請案中使用所預測的將產生與α相類似的體積分數之溫度處理Ti-6-4合金之方式處理時，Ti-6-2-4-2及Ti-6-2-4-6合金兩者均發生嚴重龜裂。溫度高出很多，則導致α相之較低均衡體積分數，及/或需要每道應變明顯減小以成功處理Ti-6-2-4-2及Ti-6-2-4-6合金。

高應變速率MAF製程之變動(包括α/β鍛造溫度、應變速率、每次撞擊之應變、撞擊之間的保持時間、重新加熱之次數及持續時間以及中間加熱處理)每者可影響所得微結構以及龜裂之存在及程度。起初嘗試較低總應變以抑制龜裂，而不做將產生超細晶粒結構之任何預期。然而，當檢查時，使用較低總應變處理之樣本展示產生超細晶粒結構之相當大的希望。此結果係完全未預期的。

在根據本揭示內容之特定非限制性實施例中，一種產生超細晶粒大小之方法包括下列步驟：1)選擇展現比Ti-6-4合金緩慢之有效α相生長動力之鈦合金；2)β退火鈦合金以產生精細穩定α板條大小；及3)高應變速率MAF(或類似衍生製程，諸如'538申請案中揭示之多頂鍛及拉取(MUD))，其總應變達到至少1.0，或在另一實施例中，其總應變達到至少1.0高至小於3.5。如本文所使用，用於描述晶粒及板條大小之字詞「精細」指代可達成之最小晶粒及板條大小，其在非限制性實施例中為1μm等 級。字詞「穩定」在本文中用來意味多軸鍛造步驟不明顯粗化α晶粒大小，且α晶粒大小增加不超過約100%。

圖2中之流程及圖3中之示意圖示出使用高應變速率多軸鍛造(MAF)來細化鈦合金之晶粒大小之方法(16)之根據本揭示內容之非限制性實施方案之態樣。在多軸鍛造(26)之前，鈦合金工件24經β退火(18)及冷卻(20)。對於較小工件(舉例而言，諸如4立方英寸)，空氣冷卻是可行的；然而，亦可使用水或液體冷卻。較快冷卻速率導致較精細板條及α晶粒大小。β退火(18)包括將工件24加熱至高於工件24之鈦合金的β轉變溫度並保持足以在工件24中形成全部β相之時間。β退火(18)係一般技術者所熟習之製程且因此在本文中不予以詳細描述。β退火之非限制性實施例可包括將工件24加熱至高出鈦合金之β轉變溫度約50℉(27.8℃)之β退火溫度及將工件24保持在該溫度下持續約1小時。

在β退火(18)後，工件24被冷卻(20)至低於工件24之鈦合金之β轉變溫度的溫度。在本揭示內容之非限制性實施例中，工件被冷卻至環境溫度。如在本文所使用，「環境溫度」指代周圍環境之溫度。例如，在非限制性商業生產方案中，「環境溫度」指代工廠周圍環境之溫度。在非限制性實施例中，冷卻(20)可包括淬火。淬火包含將工件24浸沒在水、油或另一合適液體中且係熟習冶金學技術者所瞭解之製程。在其他非限制性實施例中，尤其對於大小較小之工件，冷卻(20)可包括空氣冷卻。目前或今後熟習此項技術者瞭解之任何冷卻鈦合金工件24的方法係在本揭示內容之範疇內。此外，在特定非限制性實施例中，冷卻(20)包括直接冷卻至在工件鍛造溫度範圍中之工件鍛造溫度以進行後續高應變速率多軸鍛造。

在冷卻(20)該工件後，工件經受高應變速率多軸鍛造(26)。如此項技術之一般技術者所瞭解，多軸鍛造(「MAF」)(其亦可被稱為「A-B-C」鍛造)係劇烈的塑性變形之形式。根據本揭示內容之非限制性實施例之高應變速率多軸鍛造(26)包含將包括鈦合金之工件24加熱(圖2中之步驟22)至在工件鍛造溫度範圍中且在鈦合金之α+β相區內之工件鍛造溫度，接著係使用高應變速率之MAF(26)。應明白在其中冷卻步驟(20) 包括冷卻至在工件鍛造溫度範圍中之溫度的實施例中，加熱步驟(22)並非必需。

在高應變速率MAF中使用高應變速率來隔熱地加熱工件之內部區域。然而，在根據本揭示內容之非限制性實施例中，在高應變速率MAF在循環中之最後一個A-B-C撞擊循環中，鈦合金工件24之內部區域之溫度不應超過鈦合金工件之β轉變溫度(T_β)。因此，在此類非限制性實施例中，高應變速率MAF之至少最後一個A-B-C撞擊循環之工件鍛造溫度或至少該循環之最後撞擊應經選擇來確保在高應變速率MAF期間，工件之內部區域的溫度不等於或超過合金之β轉變溫度。例如，在根據本揭示內容之非限制性實施例中，在MAF中之A-B-C撞擊之至少最後一個高應變速率循環期間，或當在工件之至少一區域中達成總應變為至少1.0或在至少1.0高至小於3.5之範圍中時至少最後一次壓鍛期間，工件之內部區域之溫度不超過低於合金之β轉變溫度20℉(11.1℃)，即，T_β-20℉(T_β-11.1℃)。

在根據本揭示內容之高應變速率MAF之非限制性實施例中，工件鍛造溫度包括在工件鍛造溫度範圍內之溫度。在非限制性實施例中，工件鍛造溫度範圍係低於工件之鈦合金之β轉變溫度(T_β)100℉(55.6℃)至低於鈦合金之β轉變溫度700℉(388.9℃)。在又一非限制性實施例中，工件鍛造溫度範圍係低於鈦合金之β轉變溫度300℉(166.7℃)至低於鈦合金之β轉變溫度625℉(347℃)。在非限制性實施例中，工件鍛造溫度範圍之低端係α+β相區中之溫度，其中在鍛造撞擊期間工件之表面不會出現損壞，舉例而言，諸如龜裂形成及溝槽。

在應用於Ti-6-2-4-2合金(其β轉變溫度(T_β)為約1820℉(996℃))之圖2所示之非限制性方法實施例中，工件鍛造溫度範圍可為自1120℉(604.4℃)至1720℉(937.8℃)，或在另一實施例中，可為自1195℉(646.1℃)至1520℉(826.7℃)。在應用於Ti-6-2-4-6合金(其β轉變溫度(T_β)為約1720℉(940℃))之圖2所示之非限制性方法實施例中，工件鍛造溫度範圍可為自1020℉(548.9℃)至1620℉(882.2℃)，或在另一實施例中，可為自1095℉(590.6℃)至1420℉(771.1℃)。在又一非限制性實施例中，當應用圖2所示之實施例於ATI 425^®合金(UNS R54250)(其 亦可被稱為「Ti-4Al-2.5V」合金且其β轉變溫度(T_β)為約1780℉(971.1℃))時，工件鍛造溫度範圍可為自1080℉(582.2℃)至1680℉(915.6℃)，或在另一實施例中，可為自1155℉(623.9℃)至1480℉(804.4℃)。在又一非限制性實施例中，當應用圖2之本揭示內容之實施例於Ti-6Al-6V-2Sn合金(UNS 56620)(其亦可被稱為「Ti-6-6-2」合金且其β轉變溫度(T_β)為約1735℉(946.1℃))，工件鍛造溫度範圍可為自1035℉(527.2℃)至1635℉(890.6℃)，或在另一實施例中，可為自1115℉(601.7℃)至1435℉(779.4℃)。本揭示內容包含應用高應變速率多軸鍛造及其衍生方法(諸如'538申請案中所揭示之MUD方法)於擁有比Ti-6-4合金緩慢之有效α沉澱及生長動力之鈦合金。

再參考圖2及圖3，當鈦合金工件24係在工件鍛造溫度下時，工件24經受高應變速率MAF(26)。在根據本揭示內容之非限制性實施例中，MAF(26)包括使用足以隔熱地加熱工件或至少隔熱地加熱工件之內部區域之應變速率，在工件之第一正交軸30之方向(A)上在工件鍛造溫度下壓鍛(圖3(a)中所示之步驟28)工件24，及使工件24塑性變形。

在根據本揭示內容之高應變速率MAF之非限制性實施例中，高應變速率及快速衝擊速度被用來隔熱地加熱工件之內部區域。在根據本揭示內容之非限制性實施例中，術語「高應變速率」指代範圍在約0.2s^-1至約0.8s^-1之應變速率。在根據本揭示內容之另一非限制性實施例中，術語「高應變速率」指代範圍在約0.2s^-1至約0.4s^-1之應變速率。

在使用如上文所定義之高應變速率之根據本揭示內容之非限制性實施例中，鈦合金工件之內部區域可被隔熱地加熱至高於工件鍛造溫度約200℉(111.1℃)。在另一非限制性實施例中，在壓鍛期間，內部區域被隔熱地加熱至在高於工件鍛造溫度約100℉(55.6℃)至約300℉(166.7℃)之範圍中之溫度。在又一非限制性實施例中，在壓鍛期間，內部區域被隔熱地加熱至高於工件鍛造溫度之約150℉(83.3℃)至約250℉(138.9℃)之範圍中之溫度。如上所述，在非限制性實施例中，在高應變速率A-B-C MAF撞擊之最後一個循環期間或在正交軸上之最後一次撞擊期 間，工件中沒有一個部分應被加熱至高於鈦合金之β轉變溫度。

在非限制性實施例中，在壓鍛(28)期間，工件24被塑性變形至處於20%至50%之範圍中之高度或另一尺寸減小，即尺寸按在該範圍內之百分比減小。在另一非限制性實施例中，在壓鍛(28)期間，工件24被塑性變形至在30%至40%之範圍中之高度或另一尺寸減小。

圖4中示意描繪已知的超緩慢應變速率(0.001s-1或更緩慢)多軸鍛造製程，一般而言，多軸鍛造之態樣在於在藉由鍛造設備(舉例而言，其可為開模鍛造)之每三衝程(即，「三次撞擊」)循環之後，工件之形狀及大小接近恰在該三次撞擊循環之第一次撞擊之前的工件之形狀及大小。舉例而言，在邊長為5英寸之立方體形狀的工件最初用第一次「撞擊」在「a」軸方向上鍛造、旋轉90。並用第二次撞擊在正交「b」軸方向上鍛造，且接著旋轉90。並用第三次撞擊在正交「c」軸方向上鍛造，工件將與起始立方體相似且包括近似5英寸邊長。換言之，儘管三次撞擊循環已經在三個步驟中沿著立方體之三個正交軸使立方體變形，但是由於將工件重新定位在個別撞擊之間以及在每次撞擊期間選擇減小，三次鍛造變形之整體結果使立方體返回至近似其原始形狀及大小。

在根據本揭示內容之另一非限制性實施例中，示於圖2(a)中、在本文中亦被稱為「第一次撞擊」之第一壓鍛步驟(28)可包括在頂面上將工件向下壓鍛至預定隔離物高度，同時工件處於在工件鍛造溫度範圍中之溫度下。如本文所使用，術語「隔離物高度」指代特定壓鍛減小完成時工件之尺寸。例如，對於5英寸之隔離物高度，工件被鍛造至約5英寸之尺寸。在本揭示內容之方法之特定非限制性實施例中，隔離物高度係例如5英寸。在另一非限制性實施例中，隔離物高度係3.25英寸。其他隔離物高度(舉例而言，諸如小於5英寸、約4英寸、約3英寸、大於5英寸、或5英寸高至30英寸)係在本文實施例之範疇內，但不應被視為限制本揭示內容之範疇。隔離物高度僅受鍛造之能力及視需要(如本文將所見)根據本揭示內容之非限制性實施例之熱管理系統維持工件在工件鍛造溫度下之能力的限制。小於3英寸之隔離物高度亦在本文揭示之實施例之範疇內，且此類相對小的隔離物高度僅受成品之所要特性的限制。例如在根據 本揭示內容之方法中使用約30英寸之隔離物高度允許生產具有精細晶粒大小、極細晶粒大小或超細晶粒大小之鋼坯大小(例如，30英寸邊長)立方體形狀之鈦合金形式。已經採用鋼坯大小立方體形狀形式之習知合金作為鍛造成例如圓盤、環及用於航空或陸基渦輪機之殼體部件之工件。

根據本揭示內容之方法之各種非限制性實施例中應採用之預定隔離物高度可由此項技術之一般技術者在考量本揭示內容時判定而無需做過度實驗。特定隔離物高度可由一般技術者確定而無需過度實驗。特定隔離物高度取決於特定合金在鍛造期間對龜裂之易感性。對龜裂具有較高易感性之合金將需要更大隔離物高度，即每次撞擊之較小變形，來防止龜裂。當選擇隔離物高度時亦必須考量隔熱加熱限制，此係因為至少在最後一個撞擊循環中，工件溫度不應超過合金之T_β。此外，當選擇隔離物高度時，需考量壓鍛能力限制。例如，在壓鍛邊長為4英寸之立方體工件期間，橫截面積在壓鍛步驟期間增加。因此，在所需應變速率下保持工件變形所需之總負載增加。負載不會增加至超出壓鍛能力。又，當選擇隔離物高度時，需考量工件幾何形狀。大的變形可導致工件膨脹。減小過大可導致工件之相對平坦化，使得在不同正交軸之方向上之下一鍛造撞擊可能導致工件彎曲。

在特定非限制性實施例中，每一正交軸撞擊使用的隔離物高度係等效的。在特定其他非限制性實施例中，每一正交軸衝擊使用的隔離物高度並非等效。下文提出每一正交軸使用非等效隔離物高度之高應變速率MAF之非限制性實施例。

在第一正交軸30之方向上，即圖2(a)所示之A方向上，壓鍛(28)工件24之後，根據本揭示內容之方法之非限制性實施例視需要進一步包括如下步驟：允許(步驟32)工件之經隔熱地加熱的內部區域(未示出)之溫度冷卻至處於或接近工件鍛造溫度範圍中之工件鍛造溫度之溫度，其在圖3(b)中示出。在各種非限制性實施例中，內部區域冷卻時間、或「等待時間」之範圍可為例如自5秒至120秒、自10秒至60秒、或自5秒至5分鐘。在根據本揭示內容之各種非限制性實施例中，如本文所使用之工件之「經隔熱地加熱之內部區域」指代自工件之中央向外延伸且體積 為工件之至少約50%、或至少約60%、或至少約70%、或至少約80%之區域。此項技術之一般技術者應認知將工件之內部區域冷卻至處於或接近工件鍛造溫度之溫度將取決於工件24之大小、形狀及組合物，以及工件24周圍之氛圍條件。

在內部區域冷卻週期期間，根據本文所揭示之特定非限制性實施例之熱管理系統33之態樣視需要包括將工件24之外表面區域36加熱(步驟34)至處於或接近工件鍛造溫度之溫度。以此方式，工件24之溫度在每次高應變速率MAF撞擊之前係均勻的或接近均勻的並且基本上係在處於或接近工件鍛造溫度之等溫條件。應認知在每一A軸加熱、在每一B軸撞擊、及/或在每一C軸撞擊之後視需要加熱(34)工件24之外表面區域36係在本揭示內容之範疇內。在非限制性實施例中，在每一A-B-C撞擊循環之後視需要加熱(34)工件之外表面。在其他非限制性實施例中，在任何撞擊或撞擊循環之後視需要加熱外表面區域，只要在鍛造製程期間工件之整體溫度維持在工件鍛造溫度範圍內。在每次高應變速率MAF撞擊之前維持工件24之溫度均勻或接近均勻且在基本上處於或接近工件鍛造溫度之等溫條件應對工件加熱之次數可取決於工件之大小，且此可由此項技術之一般技術者判定而無需過度實驗。在根據本揭示內容之各種非限制性實施例中，如本文所使用，工件之「外表面區域」指代自工件之外表面向內延伸且體積為工件之至少約50%或至少約60%、或至少約70%、或至少約80%之區域。應認知任何時間。

在非限制性實施例中，可使用熱管理系統33之一個或多個表面加熱機構38完成加熱(34)工件24之外表面區域36。可能的表面加熱機構連續壓鍛步驟之實例，整個工件可被放置在爐中或否則被加熱至在工件鍛造溫度範圍內之溫度。

在特定非限制性實施例中，作為A、B及C鍛造撞擊之每者之間的選用特徵，熱管理系統33被用來加熱工件之外表面區域36，且允許經隔熱地加熱的內部區域冷卻達內部區域冷卻時間以使工件之溫度返回至處於或接近選定工件鍛造溫度之基本上均勻溫度。在根據本揭示內容之特定其他非限制性實施例中，作為A、B及C鍛造之每者之間的選用特徵， 熱管理系統33被用來加熱工件之外表面區域36，且允許經隔熱地加熱的內部區域冷卻達內部區域冷卻時間使得工件之溫度返回至在工件鍛造溫度範圍內之基本上均勻溫度。利用(1)熱管理系統33來將工件之外表面區域加熱至在工件鍛造溫度範圍內之溫度及(2)利用經隔熱地加熱的內部區域冷卻至工件鍛造溫度範圍內之溫度期間之週期之根據本揭示內容之方法的非限制性實施例在本文中可被稱為「熱管理、高應變速率多軸鍛造」。38包含但不限於經調適用於火焰加熱之火焰加熱器、經調適用於電感加熱之電感加熱器；及經調適用於工件24之外表面之輻射加熱之輻射加熱器。在考量本揭示內容後，此項技術之一般技術者應明白用於加熱工件之外表面區域之其他機構及技術，且此類機構及技術係在本揭示內容之範疇內。外表面區域加熱機構38之非限制性實施例可包括箱式爐(未示出)。箱式爐可經組態具有各種加熱機構以使用火焰加熱機構、輻射加熱機構、電感加熱機構及目前或今後此項技術之一般技術者瞭解之任何其他合適加熱機構來加熱工件之外表面區域。

在另一非限制性實施例中，工件24之外表面區域36之溫度視需要使用熱管理系統33之一個或多個壓模加熱器40被加熱(34)或維持在或接近工件鍛造溫度且在工件鍛造溫度範圍內。壓模加熱器40可被用來將壓模42或壓模之壓模壓鍛表面44維持在或接近工件鍛造溫度或在工件鍛造溫度範圍內之溫度下。在非限制性實施例中，熱管理系統之壓模42被加熱至包含低至低於工件鍛造溫度100℉(55.6℃)之工件鍛造溫度之範圍內的溫度。壓模加熱器40可藉由目前或今後此項技術之一般技術者所瞭解之任何合適加熱機構(包含，但不限於火焰加熱機構、輻射加熱機構、傳導加熱機構、及/或電感加熱機構)加熱壓模42或壓模壓鍛表面44。在非限制性實施例中，壓模加熱器40可為箱式爐(未示出)之組件。儘管熱管理系統33被示為放置在適當位置且在圖2(b)、圖2(d)及圖2(f)中所示之多軸鍛造製程(26)之冷卻步驟(32)、(52)、(60)期間使用，但是應認知熱管理系統33在圖2(a)、圖2(c)及圖2(e)所描繪之壓鍛步驟(28)、(46)、(56)期間可能或無法放置在適當位置。

如圖3(c)所示，根據本揭示內容之多軸鍛造方法(26) 之非限制性實施例之態樣包括使用足以隔熱地加熱工件24或至少工件24之內部區域之應變速率在工件24之第二正交軸48之方向(B)上在工件鍛造溫度範圍中之工件鍛造溫度下壓鍛(步驟46)工件24，及使工件24塑性變形。在非限制性實施例中，在壓鍛(46)期間，工件24被變形至高度或另一尺寸減小20%至50%之塑性變形。在另一非限制性實施例中，在壓鍛(46)期間，工件24被塑性變形至高度或另一尺寸減小30%至40%之塑性變形。在非限制性實施例中，工件24可在第二正交軸48的方向上被壓鍛(46)至與第一壓鍛步驟(28)中所使用相同之隔離物高度。在另一非限制性實施例中，工件24可在第二正交軸48的方向上被壓鍛至不同於第一壓鍛步驟(28)中所使用之隔離物高度。在另一非限制性實施例中，工件24之內部區域(未示出)在壓鍛步驟(46)期間被隔熱地加熱至與第一壓鍛步驟(28)相同之溫度。在其他非限制性實施例中，用於壓鍛(46)之高應變速率與第一壓鍛步驟(28)所揭示之應變速率範圍相同。

在非限制性實施例中，如圖2(b)及圖2(d)所示，工件24可在連續壓鍛步驟(例如，(28)、(46)、(56))之間旋轉(50)以呈現不同正交軸給鍛造表面。此旋轉可被稱為「A-B-C」旋轉。應瞭解，藉由使用不同鍛造組態，可行的是旋轉在鍛造爐上之鐵槌而非旋轉工件24，或鍛造爐可被配備有多軸鐵槌使得既不需要工件之旋轉亦不需要鍛造爐之旋轉。顯然，重要態樣係工件及所使用之鐵槌之位置的相對改變，且旋轉(50)工件24可以係不必要的或選用的。然而，在最流行產業器材安裝中，將需要在壓鍛步驟之間旋轉(50)工件至不同正交軸以完成多軸鍛造製程(26)。

在其中需要A-B-C旋轉(50)之非限制性實施例中，工件24可由鍛造爐操作者手動旋轉或由自動旋轉系統(未示出)旋轉以提供A-B-C旋轉(50)。自動A-B-C旋轉系統可包含但不限於包含自由擺動夾子式操縱工具等等以實現本文揭示之非限制性熱管理高應變速率多軸鍛造實施例。

在第二正交軸48(即，B方向上)且如圖3(d)所示壓鍛(46)工件24之後，製程(20)視需要進一步包括允許(步驟52)工件之經隔熱地加熱的內部區域(未示出)冷卻至處於或接近工件鍛造溫度之溫 度，其在圖3(d)中示出。在特定非限制性實施例中，內部區域冷卻次數或等待次數之範圍可為例如自5秒至120秒，或自10秒至60秒、或自5秒高至5分鐘。一般技術者應認知最小冷卻時間取決於工件24之大小、形狀及組合物，以及工件周圍環境之特性。

在選用的內部區域冷卻週期期間，根據本文所揭示之特定非限制性實施例之熱管理系統33之選用的態樣包括將工件24之外表面區域36加熱(步驟54)至在工件鍛造溫度範圍中處於或接近工件鍛造溫度之溫度。以此方式，在每次高應變速率MAF撞擊之前工件24之溫度被維持均勻或接近均勻且基本上維持在處於或接近工件鍛造溫度之等溫條件。在非限制性實施例中，當使用熱管理系統33來加熱外表面區域36，以及允許經隔熱地加熱的內部區域冷卻達指定的內部區域冷卻時間時，工件之溫度在每次A-B-C鍛造撞擊之間返回至處於或接近工件鍛造溫度之基本上均勻溫度。在根據本揭示內容之另一非限制性實施例中，當使用熱管理系統33來加熱外表面區域36，以及允許經隔熱地加熱的內部區域冷卻達指定的內部區域冷卻時間時，工件之溫度在每次高應變速率MAF撞擊之前返回至在工件鍛造溫度範圍內之基本上均勻溫度。

在非限制性實施例中，可使用熱管理系統33之一個或多個外表面加熱機構38完成加熱(54)工件24之外表面區域36。可行加熱機構38之實例可包含但不限於經調適用於火焰加熱之火焰加熱器；經調適用於電感加熱之電感加熱器；及/或經調適用於工件24之輻射加熱之輻射加熱器。表面加熱機構38之非限制性實施例可包括箱式爐(未示出)。在考量本揭示內容後，一般技術者應明白用於加熱工件之外表面之其他機構及技術，且此類機構及技術係在本揭示內容之範疇內。箱式爐可被組態有各種加熱機構來加熱工件之外表面，且此類加熱機構可包括火焰加熱機構、輻射加熱機構、電感加熱機構及/或此項技術之一般技術者目前或今後瞭解之任何其他加熱機構之一者或多者。

在另一非限制性實施例中，工件24之外表面區域36之溫度可使用熱管理系統33之一個或多個壓模加熱器40被加熱(54)且維持在或接近工件鍛造溫度且在工件鍛造溫度範圍內。壓模加熱器40可被用來將 壓模42或壓模之壓模壓鍛表面44維持在或接近工件鍛造溫度或在工件鍛造溫度範圍內之溫度。壓模加熱器40可藉由此項技術之一般技術者目前或今後瞭解之任何合適加熱機構(包含但不限於火焰加熱機構、輻射加熱機構、傳導加熱機構、及/或電感加熱機構)加熱壓模42或壓模壓鍛表面44。在非限制性實施例中，壓模加熱器40可為箱式爐(未示出)之組件。儘管熱管理系統33被示為放置在適當位置且在圖2(b)、圖2(d)及圖2(f)中示出之多軸鍛造製程(26)之平衡及冷卻步驟(32)、(52)、(60)期間使用，但應認知熱管理系統33在圖2(a)、圖2(c)及圖2(e)中描繪之壓鍛步驟(28)、(46)、(56)期間可能或無法放置在適當位置。

如圖3(e)所示，根據本揭示內容之多軸鍛造(26)之實施例之態樣包括使用足以隔熱地加熱工件24或至少隔熱地加熱工件之內部區域之衝擊速度及應變速率在工件24之第三正交軸58的方向(C)上在工件鍛造溫度範圍中之工件鍛造溫度下壓鍛(步驟56)工件24，及使工件24塑性變形。在非限制性實施例中，在壓鍛(56)期間工件24被變形至高度或另一尺寸減小20%至50%之塑性變形。在另一非限制性實施例中，在壓鍛(56)期間，工件被塑性變形至高度或另一尺寸減小30%至40%之塑性變形。在非限制性實施例中，工件24可在第三正交軸58之方向上被壓鍛(56)至與第一鍛造步驟(28)及/或第二鍛造步驟(46)中所使用之隔離物高度相同的隔離物高度。在另一非限制性實施例中，工件24可在第三正交軸58之方向上被壓鍛至不同於在第一壓鍛步驟(28)中所使用之隔離物高度。在根據本揭示內容之另一非限制性實施例中，工件24之內部區域(未示出)在壓鍛步驟(56)期間被隔熱地加熱至與第一壓鍛步驟(28)中相同之溫度。在其他非限制性實施例中，壓鍛(56)所使用之高應變速率係在與第一壓鍛步驟(28)所揭示相同之應變速率範圍中。

在非限制性實施例中，如由圖3(b)、圖3(d)及圖3(e)中之箭頭50所示，工件24可被旋轉(50)至連續壓鍛步驟(例如，46、56)之間之不同正交軸。如上文所論述，此旋轉可被稱為A-B-C旋轉。應瞭解藉由使用不同鍛造組態，可行的是旋轉在鍛造爐上之鐵槌而非旋轉工件24，或鍛造爐可被配備有多軸鐵槌使得既不需要工件旋轉亦不需要鍛造 爐旋轉。因此，旋轉50工件24可能不是必需的或可能係選用步驟。然而，在最流行之產業安裝中，將需要旋轉50工件至壓鍛步驟之間之不同正交軸以完成多軸鍛造製程(26)。

在第三正交軸58之方向上(即，在C方向上)且如圖3(e)所示壓鍛56工件24之後，製程20視需要進一步包括允許(步驟60)工件之經隔熱地加熱的內部區域(未示出)冷卻至處於或接近工件鍛造溫度之溫度，其指示在圖3(f)中。內部區域冷卻時間之範圍可為例如自5秒至120秒，自10秒至60秒，或自5秒高至5分鐘，且熟習此項技術者應認知冷卻時間取決於工件24之大小、形狀及組合物，以及工件周圍環境之特性。

在選用之冷卻週期期間，根據本文所揭示之非限制性實施例之熱管理系統33之選用態樣包括將工件24之外表面區域36加熱(步驟62)至處於或接近工件鍛造溫度之溫度。以此方式，在每次高應變速率MAF撞擊之前，工件24之溫度維持均勻或接近均勻且基本上係在處於或接近工件鍛造溫度之等溫條件。在非限制性實施例中，藉由使用熱管理系統33來加熱外表面區域36，以及允許經隔熱地加熱的內部區域冷卻達指定的內部區域冷卻時間，工件之溫度在每次A-B-C鍛造撞擊之間返回至處於或接近工件鍛造溫度之基本上均勻溫度。在根據本揭示內容之另一非限制性實施例中，藉由使用熱管理系統33來加熱外表面區域36，以及允許經隔熱地加熱的內部區域冷卻達指定的內部區域冷卻時間，工件之溫度在連續的A-B-C鍛造撞擊之間返回至在工件鍛造溫度範圍內之基本上等溫條件。

在非限制性實施例中，可使用熱管理系統33之一個或多個外表面加熱機構38完成加熱(62)工件24之外表面區域36。可行的加熱機構38之實例可包含但不限於用於火焰加熱之火焰加熱器；用於電感加熱之電感加熱器；及/或用於工件24之輻射加熱之輻射加熱器。在考量本揭示內容之後，一般技術者應明白用於加熱工件之外表面之其他機構及技術，且此類機構及技術係在本揭示內容之範疇內。表面加熱機構38之非限制性實施例可包括箱式爐(未示出)。箱式爐可經組態具有各種加熱機構以使用火焰加熱機構、輻射加熱機構、電感加熱機構及/或目前或今後此項技術之一般技術者所瞭解之任何其他合適加熱機構之一者或多者來加熱工件之外表面。

在另一非限制性實施例中，工件24之外表面區域36之溫度可使用熱管理系統33之一個或多個壓模加熱器40被加熱(62)且維持在或接近工件鍛造溫度且在工件鍛造溫度範圍內。壓模加熱器40可被用來將壓模42或壓模之壓鍛表面44維持在或接近工件鍛造溫度或在溫度鍛造範圍內之溫度。在非限制性實施例中，熱管理系統之壓模42被加熱至在包含工件鍛造溫度至低於工件鍛造溫度100℉(55.6℃)之範圍內的溫度。壓模加熱器40可藉由目前或今後熟習此項技術者所瞭解之任何合適加熱機構(包含但不限於火焰加熱機構、輻射加熱機構、傳導加熱機構、及/或電感加熱機構)加熱壓模42或壓模壓鍛表面44。在非限制性實施例中，壓模加熱器40可為箱式爐(未示出)之組件。儘管熱管理系統33被示為放置在適當位置且在圖2(b)、圖2(d)及圖2(f)中所示之多軸鍛造製程之平衡步驟(32)、(52)、(60)期間使用，但是應認知在圖2(a)、圖2(c)及圖2(e)中描繪之壓鍛步驟28、46、56期間，熱管理系統33可能或無法放置在適當位置。

本揭示內容之態樣包含其中重複沿著工件之三個正交軸之一個或多個壓鍛步驟直到在工件中達成總應變為至少1.0。總應變為總真實應變。熟習此項技術者亦將片語「真實應變」稱為「對數應變」或「有效應變」。參考圖2，此由步驟(g)例示，即，重複(步驟64)壓鍛步驟(28)、(46)、(56)之一者或多者直到在工件中達成總應變為至少1.0或在至少1.0高至小於3.5之範圍中。應進一步認知在於壓鍛步驟(28)或(46)或(56)之任一者中達成所要應變之後，其他壓鍛係不必要的，且無需選用之平衡步驟(即，允許工件之內部區域冷卻至處於或接近工件鍛造溫度之溫度(32)或(52)或(60)以及將工件之外表面加熱(34)或(54)或(62)至處於或接近工件鍛造溫度之溫度)，工件在一非限制性實施例中可藉由用液體淬火，或在另一非限制性實施例中藉由空氣冷卻或任何更快速率之冷卻而被簡單地冷卻至環境溫度。

應瞭解在非限制性實施例中，總應變係如本文所揭示，在多軸鍛造後整個工件之總應變。在根據本揭示內容之非限制性實施例中，總應變可包括每一正交軸上之相等應變，或總應變可包括在一個或多個正交軸上之不同應變。

根據非限制性實施例，在β退火後，工件可在α-β相區之兩個不同溫度下予以多軸鍛造。例如，參考圖3，重複圖2之步驟(64)可包含在α-β相區之第一溫度下重複步驟(a)-(選用b)、步驟(c)-(選用d)及步驟(e)-(選用f)之一者或多者直到達成特定應變，且接著在α-β相區之第二溫度下重複步驟(a)-(選用b)、步驟(c)-(選用d)及步驟(e)-(選用f)之一者或多者直到在最終壓鍛步驟(a)、(b)或(c)(即，(28)、(46)、(56))之後，在工件中達成總應變為至少1.0或在至少1.0高至小於3.5之範圍中。在非限制性實施例中，α-β相區之第二溫度低於α-β相區之第一溫度。應認知執行該方法以在超過兩個MAF壓鍛溫度下重複步驟(a)-(選用b)、步驟(c)-(選用d)及步驟(e)-(選用f)之一者或多者係在本揭示內容之範疇內，只要該等係在鍛造溫度範圍內。亦應認知在非限制性實施例中，α-β相區之第二溫度高於α-β相區之第一溫度。

在根據本揭示內容之另一非限制性實施例中，A-軸撞擊、B軸撞擊及C軸撞擊使用不同減小來在所有方向上提供均等應變。應用高應變速率MAF來在所有方向上引進均等應變導致工件龜裂較少以及α晶粒結構更為等軸。例如，可藉由以4英寸立方體(其在A軸上被高應變速率鍛造至3.0英寸高度)為起始而引進至立方體工件中。在A軸上之此減小導致工件沿著B軸及C軸隆起。若在B軸方向上之第二減小將B軸尺寸減小至3.0英寸，則在B軸上引進工件中之應變比在A軸上多。同樣地，用來將C軸尺寸減小至3.0英寸之在C軸方向上之後續撞擊在C軸上引進工件中之應變比在A軸或B軸上多。作為另一實例，為了在所有正交方向上引進均等應變，4英寸立方體工件在A軸上被鍛造(「撞擊」)至3.0英寸高度、旋轉90度且在B軸上撞擊至3.5英寸高度，且接著旋轉90度且在C軸上撞擊至4.0英寸高度。此隨後序列將導致立方體具有近似4英寸邊長且在立方體之每一正交方向上包含均等應變。在方程式1中提供用於計算在高應變速率MAF期間立方體工件在每一正交軸上的減小之一般方程式。

方程式1：應變=-ln(隔離物高度/起始高度)

用於計算總應變之一般方程式由方程式2提供： 可藉由使用鍛造設備中提供不同隔離物高度之隔離物或藉由此項技術之一般 技術者已知之任何替代方式執行不同減小。

在根據本揭示內容之非限制性實施例中，現在參考圖5，且考量圖3，用於製造超細晶粒鈦合金之製程(70)包含：β退火(71)鈦合金工件；將經β退火工件24冷卻(72)至低於工件之鈦合金之β轉變溫度之溫度；將工件24加熱(73)至在工件鍛造溫度範圍內且在工件之鈦合金之α+β相區內之工件鍛造溫度；及高應變速率MAF(74)工件，其中高應變速率MAF(74)包含對於工件之正交軸壓鍛減小至不同隔離物高度。在根據本揭示內容之多軸鍛造(74)之非限制性實施例中，工件24在第一正交軸(A軸)上被壓鍛(75)至主減小隔離物高度。如本文所使用，片語「被壓鍛至主減小隔離物高度」指代沿著正交軸將工件壓鍛至工件沿著特定正交軸之所要最終尺寸。因此，術語「主減小隔離物高度」被定義為用來獲得工件沿著每一正交軸之最終尺寸之隔離物高度。至主減小隔離物高度之所有壓鍛步驟應使用足以可隔熱地加熱工件之內部區域之應變速率而發生。

在第一正交A軸的方向上將工件24壓鍛(75)至如圖3(a)所示之主減小隔離物高度後，製程(70)視需要進一步包括允許(步驟76，指示於圖3(b)中)工件之經隔熱地加熱的內部區域(未示出)冷卻至處於或接近工件鍛造溫度之溫度。內部區域冷卻時間之範圍可在例如自5秒至120秒，自10秒至60秒，或自5秒高至5分鐘，且一般技術者應認知所需冷卻時間將取決於工件之大小、形狀及組合物，以及工件周圍環境之特性。

在選用之內部區域冷卻時段期間，根據本文所揭示之非限制性實施例之熱管理系統33之態樣可包括將工件24之外表面區域36加熱(步驟77)至處於或接近工件鍛造溫度之溫度。以此方式，工件24之溫度在每次高應變速率MAF撞擊之前被維持均勻或接近均勻且在處於或接近工件鍛造溫度之基本上等溫條件。在使用熱管理系統33來加熱外表面區域36以及允許經隔熱地加熱的內部區域冷卻達指定內部區域冷卻時間之特定非限制性實施例中，在A、B及C鍛造撞擊之每者中間，工件之溫度返回至處於或接近工件鍛造溫度之基本上均勻溫度。在使用熱管理系統33來加熱外表面區36以及允許經隔熱地加熱的內部區域來冷卻達指定內部區域冷卻時間之根據本揭示內容之其他非限制性實施例中，在A、B及C鍛造撞擊之每者中間，工件之溫度返回至工件鍛造溫度範圍內之基本上均勻溫度。

在非限制性實施例中，可使用熱管理系統33之一個或多個外表面加熱機構38完成加熱(77)工件24之外表面區域36。可行的外表面加熱機構38之實例包含但不限於經調適用於火焰加熱之火焰加熱器；經調適用於電感加熱之電感加熱器；及經調適用於工件24之輻射加熱之輻射加熱器。在考量本揭示內容後，一般技術者應明白用於加熱工件之外表面區域之其他機構及技術，且此類機構及技術係在本揭示內容之範疇內。外表面區域加熱機構38之非限制性實施例可包括箱式爐(未示出)。箱式爐可經組態具有各種加熱機構以使用例如火焰加熱機構、輻射加熱機構、電感加熱機構及/或目前或今後此項技術之一般技術者所瞭解之任何其他合適加熱機構之一者或多者來加熱工件之外表面區域。

在另一非限制性實施例中，工件24之外表面區域36之溫度可使用熱管理系統33之一個或多個壓模加熱器40被加熱(34)且維持在或接近工件鍛造溫度且在工件鍛造溫度範圍內。壓模加熱器40可被用來將壓模42或壓模之壓模壓鍛表面44維持在或接近工件鍛造溫度或在工件鍛造溫度範圍內之溫度。在非限制性實施例中，熱管理系統之壓模42被加熱至包含工件鍛造溫度低至低於工件鍛造溫度100℉(55.6℃)之範圍內的溫度。壓模加熱器40可藉由目前或今後熟習此項技術者所瞭解之任何合適加熱機構(包含但不限於火焰加熱機構、輻射加熱機構、傳導加熱機構、及/或電感加熱機構)來加熱壓模42或壓模壓鍛表面44。在非限制性實施例中，壓模加熱器40可為箱式爐(未示出)之組件。儘管熱管理系統33被示為放置在適當位置且在多軸鍛造製程之冷卻步驟期間使用，但是應認知熱管理系統33在壓鍛步驟期間可能或無法放置在適當位置。

在非限制性實施例中，在於A軸上壓鍛至主減小隔離物高度(75)(參考圖3)(其在本文中亦被稱為減小「 A 」)之後，且在選用之允許(76)及加熱(77)步驟之後(若有應用)，在B軸及C軸上應用至阻擋減小隔離物高度之後續壓鍛(其可包含選用之加熱及冷卻步驟)以「擺正」工件。在本文中以另外方式被稱為壓鍛至第一阻擋減小隔離物高度((78)、(87)、(96))及壓鍛至第二阻擋減小隔離物((81)、(90)、(99))之術語「壓鍛至……阻擋減小隔離物高度」被定義為用來減小或「擺正」在壓鍛至主減小隔離物後在任何表面中央附近發生之膨脹之壓鍛步驟。在任何表面之中央 處或附近之膨脹導致三軸應力狀態被引進表面中，其可導致工件龜裂。在本文中亦被稱為第一阻擋減小、第二阻擋減小或簡單地被稱為阻擋減小之壓鍛至第一減小隔離物高度及壓鍛至第二阻擋減小隔離物高度之步驟被用來使膨脹的表面變形，使得工件之表面在沿著正交軸至主減小隔離物高度之下一壓鍛之前係平坦的或基本上平坦。阻擋減小包含壓鍛至大於至主減小隔離物高度之每一壓鍛步驟中所使用之隔離物高度之隔離物高度。儘管本文所揭示之全部第一及第二阻擋減小之應變速率可足以隔熱地加熱工件之內部區域，但是在非限制性實施例中，在第一阻擋及第二阻擋減小期間之隔熱加熱可能不會因第一及第二阻擋減小中引起之總應變可能不足以明顯隔熱地加熱工件而發生。由於執行阻擋減小至大於至主減小隔離物高度之壓鍛中使用之隔離物高度之隔離物高度，故在阻擋減小中添加至工件之應變可能不足以隔熱地加熱工件之內部區域。如將可見，在非限制性實施例中高應變速率MAF製程之第一及第二阻擋減小之併入導致至少一個循環之鍛造序列，其由 A -B-C- B -C-A- C 組成，其中 A 、 B 及 C 包括壓鍛至主減小隔離物高度，且其中B、C、C及A包括壓鍛至第一或第二阻擋減小隔離物高度；或在另一非限制性實施例中，至少一個循環由 A -B-C- B -C-A- C -A-B組成，其中 A 、 B 及 C 包括壓鍛至主減小隔離物高度，且其中B、C、C、A、A及B包括壓鍛至第一或第二阻擋減小隔離物高度。

再次參考圖3及圖5，在非限制性實施例中，在第一正交軸上壓鍛至主減小隔離物高度(75)(A減小)之步驟後，及若有應用，在如上所述選用之允許(76)及加熱(77)後，工件在B軸上被壓鍛(78)至第一阻擋減小隔離物高度。儘管第一阻擋減小之應變速率可足以隔熱地加熱工件之內部區域，但是在非限制性實施例中，第一阻擋減小期間之隔熱加熱可能不會因第一阻擋減小中引起之應變可能不足以明顯地隔熱地加熱工件而發生。視需要，允許(79)工件之經隔熱地加熱的內部區域冷卻至處於或接近工件鍛造溫度之溫度，同時工件之外表面區域被加熱(80)至處於或接近工件鍛造溫度之溫度。上文及本揭示內容之其他實施例中揭示之A減小(75)之全部冷卻時間及加熱方法適用於步驟(79)及(80)以及允許工件之內部區域冷卻及加熱工件之外部表面區域之全部選用的後續步驟。

接著工件在C軸上被壓鍛(81)至大於主減小隔離物高度之 第二阻擋減小隔離物高度。應用第一及第二阻擋減小以使工件恢復至工件之基本上預鍛形狀。儘管第二阻擋減小之應變速率可能足以隔熱地加熱工件之內部區域，但是在非限制性實施例中，第二阻擋減小期間之隔熱加熱可能不會因第二阻擋減小中引起之應變可能不足以明顯地隔熱地加熱工件而發生。視需要，允許(82)工件之隔熱地加熱的內部區域冷卻至在或接近工件鍛造溫度之溫度，同時工件之外表面區域被加熱(83)至處於或接近工件鍛造溫度之溫度。

接著工件在第二正交軸或B軸的方向上被壓鍛至主減小隔離物高度(84)。在B軸上壓鍛至主減小隔離物高度(84)在本文中被稱為B減小。在B減小(84)後，視需要，允許(85)工件之經隔熱地加熱的工件冷卻至處於或接近工件鍛造溫度之溫度，同時工件之外表面區域被加熱(86)至處於或接近工件鍛造溫度之溫度。

接著工件在C軸上被壓鍛(87)至大於主減小隔離物高度之第一阻擋減小隔離物高度。儘管第一阻擋減小之應變速率可能足以隔熱地加熱工件之內部區域，但是在非限制性實施例中，第一阻擋減小期間之隔熱加熱可能不會因第一阻擋減小中引起之應變可能不足以明顯地隔熱地加熱工件而發生。視需要，允許(88)工件之經隔熱地加熱的內部區域冷卻至處於或接近工件鍛造溫度之溫度，同時工件之外表面區域被加熱(89)至處於或接近工件鍛造溫度之溫度。

接著工件在A軸上被壓鍛(90)至大於主減小隔離物高度之第二阻擋減小隔離物高度。應用第一及第二阻擋減小以使工件恢復至工件之基本上預鍛形狀。儘管第二阻擋減小之應變速率可能足以隔熱地加熱工件之內部區域，但是在非限制性實施例中，第二阻擋減小期間之隔熱加熱可能不會因第二阻擋減小中引起之應變可能不足以明顯地加熱工件而發生。視需要，允許(91)工件之經隔熱地加熱的內部區域冷卻至處於或接近工件鍛造溫度之溫度，同時工件之外表面區域被加熱(92)至處於或接近工件鍛造溫度之溫度。

接著工件在第三正交軸或C軸的方向上被壓鍛至主減小隔離物高度(93)。在C軸上壓鍛至主減小隔離物高度在本文中被稱為C減小。在C減小(93)之後，視需要，允許(94)工件之經隔熱地加熱的內部區域 冷卻至處於或接近工件鍛造溫度之溫度，同時工件之外表面區域被加熱(95)至處於或接近工件鍛造溫度之溫度。

接著工件在A軸上被壓鍛(96)至大於主減小隔離物高度之第一阻擋減小隔離物高度。儘管第一阻擋減小之應變速率可能足以隔熱地加熱工件之內部區域，但是在非限制性實施例中，第一阻擋減小期間之隔熱加熱可能不會因第一阻擋減小中引起之應變可能不足以明顯地加熱工件而發生。視需要，允許(97)工件之經隔熱地加熱的內部區域冷卻至處於或接近工件鍛造溫度之溫度，同時工件之外表面區域被加熱(98)至處於或接近工件鍛造溫度之溫度。

接著工件在B軸上被壓鍛(99)至大於主減小隔離物高度之第二阻擋減小隔離物高度。應用第一及第二阻擋減小以使工件恢復至工件之基本上預鍛形狀。儘管第二阻擋減小之應變速率可能足以隔熱地加熱工件之內部區域，但是在非限制性實施例中，第二阻擋減小期間之隔熱加熱可能不會因第二阻擋減小中引起之應變可能不足以明顯地隔熱地加熱工件而發生。視需要，允許(100)工件之隔熱地加熱的內部區域冷卻至處於或接近工件鍛造溫度之溫度，同時工件之外表面區域被加熱(101)至處於或接近工件鍛造溫度之溫度。

參考圖5，在非限制性實施例中，重複(102)壓鍛步驟(75)、(78)、(81)、(84)、(87)、(90)、(93)、(96)及(99)之一者或多者直到在鈦合金工件中達成總應變為至少1.0。在另一非限制性實施例中，重複(102)壓鍛步驟(75)、(78)、(81)、(84)、(87)、(90)、(93)、(96)及(99)中之一者或多者直到在鈦合金工件中達成總應變之範圍在至少1.0高至小於3.5。應認知在壓鍛步驟(75)、(78)、(81)、(84)、(87)、(90)、(93)、(96)及(99)之任一者中達成至少1.0的所要應變，或替代地範圍在至少1.0高至小於3.5之所要應變之後，無需選用之中間平衡步驟(即，允許工件之內部區域冷卻(76)、(79)、(82)、(85)、(88)、(91)、(94)、(97)或(100)，及加熱工件之外表面(77)、(80)、(83)、(86)、(89)、(92)、(95)、(98)或(101))，且工件可被冷卻至環境溫度。在非限制性實施例中，冷卻包括液體淬火，舉例而言，諸如水淬火。在另一非限制性實施例中，冷卻包括以空氣冷卻之冷卻速率或更快之冷卻速率冷卻。

上述製程包含至主減小隔離物高度之重複序列的壓鍛，接著係至第一及第二阻擋減小隔離物高度之壓鍛。表示如在上述非限制性實施例中所揭示之一個總MAF循環之鍛造序列可被表示為A-B-C-B-C-A-C-A-B，其中粗體且加有下劃線之減小(撞擊)係至主減小隔離物高度之壓鍛，且非粗體或未加下劃線之減小係第一或第二阻擋減小。應瞭解根據本揭示內容之MAF製程之全部壓鍛減小(包含至主減小隔離物高度之壓鍛及第一及第二阻擋減小)以足以隔熱地加熱工件之內部區域之高應變速率進行，例如，且無限制，應變速率範圍在0.2s^-1至0.8s^-1，或在0.2s^-1至0.4s^-1。亦應瞭解在第一及第二阻擋減小期間，由於與主減小相比此等減小之變形程度較低，故可能基本上不會發生隔熱加熱。亦應瞭解作為選用步驟，中間連續壓鍛減小允許工件之隔熱地加熱的內部區域冷卻至處於或接近工件鍛造溫度之溫度，且利用本文所揭示之熱管理系統將工件之外表面加熱至處於或接近工件鍛造溫度之溫度。據信當該方法用於處理較大大小之工件時，此等選用步驟可能更加有利。應進一步瞭解可全部或部分重複本文所描述之 A -B-C- B -C-A- C -A-B鍛造序列實施例直到在工件中達成總應變為至少1.0，或範圍在至少1.0高至小於3.5。

工件之膨脹由表面壓模鎖及工件中央附近之較熱材料的存在之組合而引起。隨著膨脹增加，每一表面中央經受可引發龜裂之逐漸增加的三軸負載。在 A -B-C- B -C-A- C -A-B序列中，至主減小隔離物高度之每一壓鍛中間之阻擋減小的使用減小工件之龜裂形成的趨勢。在非限制性實施例中，當工件呈立方體形狀時，第一阻擋減小之第一阻擋減小隔離物高度可為比主減小隔離物高度大40%-60%之隔離物高度。在非限制性實施例中，當工件呈立方體形狀時，第二阻擋減小之第二阻擋減小隔離物高度可為比主減小隔離物高度大15%-30%之隔離物高度。在另一非限制性實施例中，第一阻擋減小隔離物高度可基本上等效於第二阻擋減小隔離物高度。

在根據本揭示內容之熱管理高應變速率多軸鍛造之非限制性實施例中，在總應變為至少1.0，或在至少1.0高至小於3.5之範圍中之後，工件包括4μm或更小之平均α粒子晶粒大小，其被視為超細晶粒(UFG)大小。在根據本揭示內容之非限制性實施例中，應用至少1.0或在至少1.0高至小於3.5之範圍中的總應變製造等軸晶粒。

在根據本揭示內容之包括多軸鍛造及使用選用的熱管理系統之製程之非限制性實施例中，工件-壓模介面用一般技術者已知之潤滑劑潤滑，諸如但不限於石墨、玻璃及/或其他已知固體潤滑劑。

在根據本揭示內容之方法之特定非限制性實施例中，工件包括選自α+β鈦合金及亞穩β鈦合金之鈦合金。在另一非限制性實施例中，工件包括α+β鈦合金。在又一非限制性實施例中，工件包括亞穩β鈦合金。在非限制性實施例中，由根據本揭示內容之方法處理之鈦合金包括比Ti-6-4合金(UNS R56400)緩慢之有效α相沉澱及生長動力，且此等動力在本文中可被稱為「較緩慢α動力」。在非限制性實施例中，當在β轉變溫度(T_β)下鈦合金中之最緩慢擴散合金物種之擴散性比Ti-6-4合金中之鋁的擴散性緩慢時達成較緩慢α動力。例如，Ti-6-2-4-2合金展現比Ti-6-4合金緩慢之α動力，原因在於Ti-6-2-4-2合金中存在額外晶粒釘紮元素(諸如矽)。又，Ti-6-2-4-6合金具有比Ti-6-4合金緩慢之α動力，原因在於其存在額外β穩定合金添加劑，諸如比T-6-4合金高之鉬含量。此等合金之較緩慢α動力之結果在於在高應變速率MAF產生與Ti-6-4合金以及展現比Ti-6-2-4-6及Ti-6-2-4-2合金更快的α相沉澱及生長動力之特定其他鈦合金相比相對較細且穩定之α板條大小及精細β相結構之前β退火Ti-6-2-4-6及Ti-6-2-4-2合金。術語「較緩慢α動力」已在本揭示內容之先前內容中作了進一步詳細論述。可使用根據本揭示內容之方法之實施例處理的例示性鈦合金包含但不限於Ti-6-2-4-2合金、Ti-6-2-4-6合金、ATI 425^®合金(Ti-4Al-2.5V合金)、Ti-6-6-2合金及Ti-6Al-7Nb合金。

在根據本揭示內容之方法之非限制性實施例中，β退火包括：將工件加熱至β退火溫度；將工件保持在β退火溫度下持續足以在工件中形成100%鈦β相微結構之退火時間；及將工件直接冷卻至處於或接近工件鍛造溫度之溫度。在特定非限制性實施例中，β退火溫度係在鈦合金之β轉變溫度高至高於鈦合金之β轉變溫度300℉(111℃)之溫度範圍中。非限制性實施例包含自5分鐘至24小時之β退火時間。在閱讀本描述之後，熟習此項技術者應瞭解其他β退火溫度及β退火時間係在本揭示內容之實施例之範疇內且例如相對較大工件可能需要相對較高的β退火溫度及/或較長的β退火時間來形成100% β相鈦微結構。

在其中工件被保持在β退火溫度以形成100% β相微結構之特定非限制性實施例中，工件亦可在將工件冷卻至處於或接近工件鍛造溫度之溫度或至環境溫度之前在鈦合金之β相區中之塑性變形溫度下被塑性變形。工件之塑性變形可包括拉取、頂鍛及高應變速率多軸鍛造工件之至少一者。在非限制性實施例中，β相區域中之塑性變形包括將工件頂鍛至範圍在0.1至0.5的β頂鍛應變。在特定非限制性實施例中，塑性變形溫度係在包含鈦合金之β轉變溫度高至高於鈦合金之β轉變溫度300℉(111℃)之溫度範圍中。

圖6係在高於β轉變溫度下使工件塑性變形並直接冷卻至工件鍛造溫度之非限制性方法之溫度-時間熱機械流程圖。在圖6中，非限制性方法200包括將包括具有比Ti-6-4合金緩慢之α沉澱及生長動力之鈦合金的工件加熱202例如至高於鈦合金之β轉變溫度206的β退火溫度204，及使工件保持或「浸泡」208在β退火溫度204以在工件中形成全部β鈦相微結構。在根據本揭示內容之非限制性實施例中，在浸泡208之後，工件可被塑性變形210。在非限制性實施例中，塑性變形210包括頂鍛。在非限制性實施例中，塑性變形210包括頂鍛至真實應變0.3。在非限制性實施例中，塑性變形210包括在β退火溫度下熱管理高應變速率多軸鍛造(圖6所示)。

仍參考圖6，在β相區中之塑性變形210之後，在非限制性實施例中，工件被冷卻212至鈦合金之α+β相區中之工件鍛造溫度214。在非限制性實施例中，冷卻212包括空氣冷卻或以比透過空氣冷卻達成之速率更快的速率冷卻。在另一非限制性實施例中，冷卻包括液體淬火，諸如但不限於水淬火。在冷卻212之後，根據本揭示內容之特定非限制性實施例工件經高應變速率多軸鍛造214。在圖6之非限制性實施例中，工件被撞擊或壓鍛12次，即工件之三個正交軸每者總共經非依序鍛造4次。換言之，參考圖2及圖6，執行包括步驟(a)-(選用b)、(c)-(選用d)及(e)-(選用f)之循環4次。在圖6之非限制性實施例中，在包含12次撞擊之多軸鍛造序列之後，總應變可等於例如至少1.0，或可在至少1.0高至小於3.5之範圍中。在多軸鍛造214之後，工件被冷卻216至環境溫度。在非限制性實施例中，冷卻216包括空氣冷卻或速率比透過空氣冷卻達成之速率更快之冷卻，但是其他形式之冷卻(諸如但不限於流體或液體淬火)係在本文所揭示之實施例 之範疇內。

本揭示內容之非限制性態樣包含在α+β相區中之兩個溫度下之高應變速率多軸鍛造。圖7係根據本揭示內容之非限制性方法之溫度-時間熱機械流程圖，該方法包括在第一工件鍛造溫度下多軸鍛造鈦合金工件；視需要利用上文所揭示之熱管理特徵之非限制性實施例；冷卻至α+β相中之第二工件鍛造溫度；在第二工件鍛造溫度下多軸鍛造鈦合金工件；及視需要利用本文所揭示之熱管理特徵之非限制性實施例。

在圖7中，根據本揭示內容之非限制性方法230包括將工件加熱232至高於合金之β轉變溫度236之β退火溫度234及將工件保持或浸泡238在β退火溫度234下以在鈦合金工件中形成全部β相微結構。在浸泡238之後，工件可被塑性變形240。在非限制性實施例中，塑性變形240包括頂鍛。在另一非限制性實施例中，塑性變形240包括頂鍛至應變0.3。在又一非限制性實施例中，使工件塑性變形240包括在β退火溫度下之高應變多軸鍛造(圖7中未示出)。

仍參考圖7，在β相區中之塑性變形240之後，工件被冷卻242至鈦合金之α+β相區中之第一工件鍛造溫度244。在非限制性實施例中，冷卻242包括空氣冷卻及液體淬火中之一者。在冷卻242之後，工件在第一工件鍛造溫度下經高應變速率多軸鍛造246，且視需要採用根據本文所揭示之非限制性實施例之熱管理系統。在圖7之非限制性實施例中，工件在第一工件鍛造溫度下撞擊或壓鍛12次，每次撞擊之間旋轉90°，即工件之三個正交軸之每者被壓鍛4次。換言之，參考圖2，執行包含步驟(a)-(選用b)、(c)-(選用d)及(e)-(選用f)之循環4次。在圖7之非限制性實施例中，在第一工件鍛造溫度下高應變速率多軸鍛造246工件之後，鈦合金工件被冷卻248至α+β相區之第二工件鍛造溫度250。在冷卻248之後，工件在第二工件鍛造溫度下經高應變速率多軸鍛造250，且視需要採用根據本文所揭示之非限制性實施例之熱管理系統。在圖7之非限制性實施例中，工件在第二工件鍛造溫度下被總共撞擊或壓鍛12次。應認知在第一及第二工件鍛造溫度下應用於鈦合金工件之撞擊次數可根據所要真實應變及所要最終晶粒大小而改變，且在考量本揭示內容之後，合適的撞擊次數可在無需過度實驗之情況下判定。在第二工件鍛造溫度下多軸鍛造250之後，工件被冷卻252至 環境溫度。在非限制性實施例中，冷卻252包括至環境溫度之空氣冷卻及液體淬火中之一者。

在非限制性實施例中，第一工件鍛造溫度係在低於鈦合金之β轉變溫度超過100℉(55.6℃)至低於鈦合金之β轉變溫度500℉(277.8℃)之第一工件鍛造溫度範圍中，即，第一工件鍛造溫度T₁係在T_β-100℉>T₁ T_β-500℉之範圍中。在非限制性實施例中，第二工件鍛造溫度係在低於鈦合金之β轉變溫度超過200℉(277.8℃)至低於β轉變溫度700℉(388.9℃)之第二工件鍛造溫度範圍中，即第二工件鍛造溫度T₂係在T_β-200℉>T₂ T_β-700℉之範圍中。在非限制性實施例中，鈦合金工件包括Ti-6-2-4-2合金；第一工件溫度係1650℉(898.9℃)；且第二工件鍛造溫度係1500℉(815.6℃)。

圖8係根據本揭示內容之非限制性方法實施例之溫度-時間熱機械流程圖，該方法實施例係用於在高於β轉變溫度下使包括鈦合金之工件塑性變形及將工件冷卻至工件鍛造溫度，同時根據本文之非限制性實施例在工件上採用熱管理高應變速率多軸鍛造。在圖8中，使用熱管理高應變速率多軸鍛造來細化鈦合金晶粒之非限制性方法260包括將工件加熱262至高於鈦合金之β轉變溫度266之β退火溫度264及將工件保持或浸泡268在β退火溫度264以在工件中形成全部β相微結構。在將工件浸泡268在β退火溫度之後，工件被塑性變形270。在非限制性實施例中，塑性變形270可包括熱管理的高應變速率多軸鍛造。在非限制性實施例中，當工件透過β轉變溫度冷卻時使用如本文揭示之選用之熱管理系統工件經重複性高應變速率多軸鍛造272。圖8示出三個中間高應變速率多軸鍛造272步驟，但是應瞭解根據需要，可能存在更多或更少之中間高應變速率多軸鍛造272步驟。中間高應變速率多軸鍛造272步驟係在於浸泡溫度下之起始高應變速率多軸鍛造步驟270與鈦合金之α+β相區274中之最終高應變速率多軸鍛造步驟中間。儘管圖8示出一個最終高應變速率多軸鍛造步驟，其中工件之溫度保持完全在α+β相區中，但是在閱讀本描述之後，應瞭解可在α+β相區中執行一個以上多軸鍛造步驟以作進一步晶粒細化。根據本揭示內容之非限制性實施例，至少一個最終高應變速率多軸鍛造步驟完全在鈦合金工件之α+β相區中的溫度下發生。

由於當工件之溫度透過鈦合金之β轉變溫度冷卻時多軸鍛造步驟270、272、274發生，故諸如圖8中示出之方法實施例在本文中被稱為「透過β轉變高應變多軸鍛造」。在非限制性實施例中，在貫穿β轉變多軸鍛造中使用熱管理系統(圖3之33)以在各透過β轉變鍛造溫度之每次撞擊之前將工件之溫度維持在均勻或基本上均勻溫度且視需要減緩冷卻速率。在α+β相區中之鍛造溫度下最終多軸鍛造274工件之後，工件被冷卻276至環境溫度。在非限制性實施例中，冷卻276包括空氣冷卻。

如上文所揭示，使用熱管理系統之多軸鍛造之非限制性實施例可用於使用習知壓鍛器材處理橫截面大於4立方英寸之鈦合金工件，且立方體形狀工件之大小可經製定尺寸以匹配個別壓鍛之能力。已判定α薄板或板條在本文之非限制性實施例中所揭示之工件鍛造溫度下易自經β退火結構斷裂至精細均勻α晶粒。亦已判定降低工件鍛造溫度減小α粒子大小(晶粒大小)。

儘管不想保持於任何特定理論，但是據信在根據本揭示內容之熱管理高應變速率多軸鍛造之非限制性實施例中發生的晶粒細化經由亞動態再結晶而發生。在先前技術之緩慢應變速率多軸鍛造製程中，動態再結晶在施加應變於材料期間即刻發生。據信在根據本揭示內容之高應變速率多軸鍛造中，亞動態再結晶在每次變形或鍛造撞擊結束時發生，同時工件之至少內部區域因隔熱加熱而變熱。在根據本揭示內容之熱管理高應變速率多軸鍛造之非限制性方法中，殘餘隔熱熱量、內部區域冷卻時間及外表面區域加熱影響晶粒細化之程度。

本發明者已進一步研發了根據本揭示內容之替代方法，其相對於如上所述包含多軸鍛造及使用熱管理系統及包括鈦合金之立方體形狀工件之製程提供特定優點。據信(1)本文所揭示之熱管理多軸鍛造之特定實施例中所使用之立方體工件幾何形狀，(2)壓模冷卻(即，允許壓模之溫度浸漬在明顯低於工件鍛造溫度之溫度下)，(3)及使用高應變速率之一者或多者可不利地將應變集中於工件之核心區域內。

根據本揭示內容之替代方法可在整個鋼坯大小鈦合金工件中達成大體均勻精細晶粒、極細晶粒或超細晶粒大小。換言之，由此等替代方法處理之工件可在整個工件中而並非僅在工件之中央區域中包含所要 晶粒大小，諸如超細晶粒微結構。此等替代方法之非限制性實施例包括在具有大於4立方英寸之橫截面的鋼坯上執行之「多頂鍛及拉取」步驟。多頂鍛及拉取步驟旨在在整個工件中賦予均勻精細晶粒、極細晶粒、或超細晶粒微結構，同時保留工件之基本上原始尺寸。由於此等替代方法包含多個頂鍛及拉取步驟，故其在本文中被稱為「MUD」方法之實施例。MUD方法包含劇烈的塑性變形且可在鋼板大小(例如，長度為30英寸(76.2cm))鈦合金工件中產生均勻超細晶粒。在根據本揭示內容之MUD方法之非限制性實施例中，頂鍛及拉鍛步驟所使用之應變速率係在0.001s^-1至0.02s^-1之範圍中。相比之下，習知開模頂鍛及拉鍛通常所使用之應變速率係在0.03s^-1至0.1s^-1之範圍中。MUD之應變速率足夠緩慢來防止工件中之隔熱加熱以保持鍛造溫度處於控制之中，然在商業實踐中該應變速率係可接受的。

在圖9中提供MUD方法之非限制性實施例之示意表示，且在圖10中提供MUD方法之特定實施例之流程圖。參考圖9及圖10，用於使用多頂鍛及拉鍛步驟細化包括鈦合金之工件中的晶粒之非限制性方法300包括將長形鈦合金工件302加熱至鈦合金之α+β相區中之工件鍛造溫度。在非限制性實施例中，長形工件之形狀係圓筒形或類圓筒形形狀。在另一非限制性實施例中，工件之形狀係八邊形圓筒或正八邊形圓筒。

長形工件具有起始橫截面尺寸。例如，在其中起始工件係圓筒形之根據本揭示內容之MUD方法之非限制性實施例中，起始橫截面尺寸係圓筒形之直徑。在其中起始工件是八邊形圓筒形之本揭示內容之MUD方法之非限制性實施例中，起始橫截面尺寸係八邊形橫截面之外接圓之直徑，即經過八邊形橫截面之全部頂點之圓的直徑。

當長形工件處於工件鍛造溫度下時，工件經頂鍛304。在頂鍛304之後，在非限制性實施例中，工件被旋轉90度至定向306且接著經受多道拉鍛312。工件之實際旋轉係選用的，且步驟之目標係將工件安置於相對於鍛造裝置之正確定向(參考圖9)以進行後續多道拉鍛312步驟。

多道拉鍛包括在旋轉方向(由箭頭310之方向指示)上增量型旋轉(由箭頭310描繪)工件，接著在每次增量型旋轉之後拉鍛312工件。在非限制性實施例中，重複增量型旋轉310及拉鍛312直到工件包括起始橫截面尺寸。在非限制性實施例中，重複頂鍛及多道拉鍛步驟直到在 工件中達成總應變為至少1.0。另一非限制性實施例包括重複加熱、頂鍛及多道拉鍛步驟直到在工件中達成總應變在至少1.0高至小於3.5之範圍中。在又一非限制性實施例中，重複加熱、頂鍛及多道拉鍛步驟直到在工件中達成總應變為至少10。預期當對MUD鍛造賦予總應變10時，產生超細晶粒α微結構，且增加賦予給工件之總應變導致平均晶粒大小較小。

本揭示內容之態樣係在頂鍛及多道拉取步驟期間採用足以導致鈦合金工件之劇烈塑性變形的應變速率，其在非限制性實施例中進一步導致超細晶粒大小。在非限制性實施例中，頂鍛中所使用之應變速率係在0.001s^-1至0.003s^-1之範圍中。在另一非限制性實施例中，多道拉鍛步驟中所使用之應變速率係在0.01s^-1至0.02s^-1之範圍中。在'538申請案中揭示此等範圍中之應變速率不會導致工件之隔熱加熱，其實現工件溫度控制，且發現足以進行經濟上可接受之商業實踐。

在非限制性實施例中，在完成MUD方法之後，工件具有起始長形物件之基本上原始尺寸，舉例而言，諸如圓筒形314或八邊形圓筒形316。在另一非限制性實施例中，在完成MUD方法之後，工件具有與起始工件基本上相同之橫截面。在非限制性實施例中，單個頂鍛需要大量拉取撞擊及中間旋轉以使工件返回至包含工件之起始橫截面之形狀。

在其中工件呈圓筒形之形狀的MUD方法之非限制性實施例中，例如增量型旋轉及拉鍛進一步包括多個步驟：以15°增量旋轉圓筒形工件及隨後拉鍛，直到圓筒形工件旋及360°且在每次增量下拉鍛。在其中工件呈圓筒形形狀之MUD方法之非限制性實施例中，在每次頂鍛之後，採用連續拉鍛步驟之間進行中間增量型旋轉之24個拉鍛步驟來使工件恢復至其基本上起始橫截面尺寸。在另一非限制性實施例中，其中工件呈八邊形圓筒形之形狀，增量型旋轉及拉鍛進一步包括多個步驟：以45°增量旋轉圓筒形工件及隨後拉鍛，直到圓筒形工件旋及360°且在每次增量下被拉鍛。在其中工件呈八邊形圓筒形之形狀之MUD方法之非限制性實施例中，在每次頂鍛之後，採用由工件之增量旋轉分開之八個鍛造步驟來使工件基本上恢復至其起始橫截面尺寸。在MUD方法之非限制性實施例中觀察到由處置器材操縱八邊形圓筒形比由處置器材操縱圓筒形更精確。亦觀察到在MUD方法之非限制性實施例中由處置器材操縱八邊形圓筒形比在本文揭示之熱 管理高應變速率MAF製程之非限制性實施例中使用手鉗操縱立方體形狀工件更精確。在考量本描述之時，應認知其他拉鍛序列(每者包含多個拉鍛步驟及特定數量之度數的中間增量型旋轉)可被用於其它橫截面鋼坯形狀使得在拉鍛後工件之最終形狀與頂鍛之前工件之起始形狀基本上相同。此等其他可行序列可由熟習此項技術者判定而無需過度實驗且包含在本揭示內容之範疇內。

在根據本揭示內容之MUD方法之非限制性實施例中，工件鍛造溫度包括在工件鍛造溫度範圍內之溫度。在非限制性實施例中，工件鍛造溫度係在低於鈦合金之β轉變溫度(T_β)100℉(55.6℃)至低於鈦合金之β轉變溫度700℉(388.9℃)之工件鍛造溫度範圍中。在又一非限制性實施例中，工件鍛造溫度係在低於鈦合金之β轉變溫度300℉(166.7℃)至低於鈦合金之β轉變溫度625℉(347℃)之溫度範圍中。在非限制性實施例中，工件鍛造溫度範圍之低端係如熟習此項技術者可在不需要過度實驗之情況下判定，鍛造撞擊期間工件之表面不會發生大量損壞之α+β相區中之溫度。

在根據本揭示內容之MUD方法之非限制性實施例中，Ti-6-2-4-2合金之工件鍛造溫度範圍(其具有約1820℉(993.3℃)之β轉變溫度(T_β))可為例如自1120℉(604.4C)至1720℉(937.8℃)，或在另一實施例中，可為自1195℉(646.1℃)至1520℉(826.7℃)。

MUD方法之非限制性實施例包括多個重新加熱步驟。在非限制性實施例中，在頂鍛鈦合金工件之後，鈦合金工件被加熱至工件鍛造溫度。在另一非限制性實施例中，在多道拉鍛之拉鍛步驟之前，鈦合金工件被加熱至工件鍛造溫度。在另一非限制性實施例中，在頂鍛或拉鍛步驟之後，工件根據需要被加熱以使實際工件溫度恢復至或接近工件鍛造溫度。

已判定MUD方法之實施例賦予多餘工作或極端變形，亦被稱為劇烈塑性變形，其目的在於在包括鈦合金之工件中產生超細晶粒。在無意限於任何特定操作理論之情況下，據信在MUD方法期間圓筒形及八邊形圓筒形工件之各自圓形或八邊形橫截面形狀分佈之應變比具有橫跨工件之橫截面面積之正方形或長方形橫截面形狀的工件更均勻。工件與鍛造壓模之間的摩擦的有害影響亦藉由減小工件與壓模的接觸面積而減小。

此外，亦判定在MUD方法期間降低溫度將最終晶粒大小減小至作為所使用之特定溫度之特性之大小。參考圖10，在用於細化工件之晶粒大小之方法400之非限制性實施例中，在藉由MUD方法在工件鍛造溫度下處理工件之後，工件之溫度可被冷卻416至第二工件鍛造溫度。在非限制性實施例中，在將工件冷卻至第二工件鍛造溫度之後，工件在第二工件鍛造溫度418下被頂鍛。工件被旋轉420，或以另外方式相對於壓鍛定向以進行後續拉鍛步驟。工件係在第二工件鍛造溫度422下多步驟拉鍛。在第二工件鍛造溫度422下之多步驟拉鍛包括在旋轉方向上增量型旋轉424工件(參考圖9)且在每次增量型旋轉之後在第二工件鍛造溫度426下拉鍛。在非限制性實施例中，重複426頂鍛、增量型旋轉424及拉鍛之步驟直到工件包括起始橫截面尺寸。在另一非限制性實施例中，重複在第二工件溫度418下頂鍛、旋轉420及多步驟拉鍛422之步驟直到在工件中達成總應變為至少1.0或在1.0高至小於3.5之範圍中、或高至10或更大。應認知MUD方法可繼續直到任何所要總應變被賦予給鈦合金工件。

在包括多溫MUD方法實施例之非限制性實施例中，工件鍛造溫度或第一工件鍛造溫度係約1600℉(871.1℃)，且第二工件鍛造溫度係約1500℉(815.6℃)。低於第一及第二工件鍛造溫度之後續工件鍛造溫度(諸如第三工件鍛造溫度、第四工件鍛造溫度等等)係在本揭示內容之非限制性實施例之範疇內。

隨著鍛造進行，晶粒細化導致在固定溫度下流動應力減小。已判定對於依序的頂鍛及拉鍛步驟降低鍛造溫度保持流動應力恆定且增加微結構細化之速率。預期在根據本揭示內容之MUD之非限制性實施例中，總應變為至少1.0、在至少1.0高至小於3.5之範圍中、或高至10導致鈦合金工件中之均勻等軸α超細晶粒微結構，且在高至10的總應變被賦予給MUD鍛造之後，兩個溫度(或多溫)MUD方法之較低溫度可對最終晶粒大小具有決定性。

本揭示內容之態樣包含如下可能性：在藉由MUD方法處理工件之後，執行後續變形步驟而無需粗化經細化的晶粒大小，只要工件之溫度隨後不被加熱至高於鈦合金之β轉變溫度。例如，在非限制性實施例中，在MUD方法之後的後續變形實踐可包含拉鍛、朵拉鍛、頂鍛或在鈦合 金之α+β相區中之溫度下此等鍛造技術之兩者或更多者之任何組合。在非限制性實施例中，後續變形或鍛造步驟包含多道拉鍛、頂鍛及拉鍛之組合以將類圓筒形或其他長形工件之起始橫截面尺寸減小至橫截面尺寸的一小部分，舉例而言，諸如但不限於橫截面尺寸之二分之一、橫截面尺寸之四分之一等等，同時仍維持鈦合金工件中之均勻精細晶粒、極細晶粒或超細晶粒結構。

在MUD方法之非限制性實施例中，工件包括選自由α+β鈦合金及亞穩β鈦合金組成之群組的鈦合金。在MUD方法之另一非限制性實施例中，工件包括α+β鈦合金。在本文所揭示之多頂鍛及拉取製程之又一非限制性實施例中，工件包括亞穩β鈦合金。在MUD方法之非限制性實施例中，工件係選自Ti-6-2-4-2合金、Ti-6-2-4-6合金、ATI 425^®鈦合金(Ti-4Al-2.5V)及Ti-6-6-2合金之鈦合金。

在根據本揭示內容之MUD實施例將工件加熱至α+β相區中之工件鍛造溫度之前，在非限制性實施例中，工件可被加熱至β退火溫度、保持在β退火溫度持續足以在工件中形成100% β相鈦微結構之β退火時間，且被冷卻至環境溫度。在非限制性實施例中，β退火溫度係在包含鈦合金之β轉變溫度高至高於鈦合金之β轉變溫度300℉(111℃)之β退火溫度範圍中。在非限制性實施例中，β退火時間係自5分鐘至24小時。

在非限制性實施例中，工件係塗覆在具有減小工件與鍛造壓模之間的摩擦之潤滑塗層之全部或特定表面上之鋼坯。在非限制性實施例中，潤滑塗層係固體潤滑劑，諸如但不限於石墨及玻璃潤滑劑中之一者。目前或今後熟習此項技術者瞭解之其他潤滑塗層係在本揭示內容之範疇內。此外，在使用類圓筒形或其他長形形狀工件之MUD方法之非限制性實施例中，工件與鍛造壓模之間的接觸面積相對於立方體形狀工件之多軸鍛造中的接觸面積較小。例如，在4英寸立方體之情況下，立方體之整個4英寸×4英寸表面中之兩個與壓模接觸。在5英寸長的鋼坯之情況下，鋼坯長度大於典型的14英寸長壓模，且接觸面積之減小導致壓模摩擦減小及鈦合金工件微結構更均勻。

在將包括鈦合金之工件加熱至根據本揭示內容之MUD實施例之α+β相區中之工件鍛造溫度之前，在非限制性實施例中，工件在被 保持在足以在鈦合金中形成100% β相之β退火時間之後且在將合金冷卻至環境溫度之前，在鈦合金之β相區中之塑性變形溫度下被塑性變形。在非限制性實施例中，塑性變形溫度等效於β退火溫度。在另一非限制性實施例中，塑性變形溫度係在包括鈦合金之β轉變溫度高至高於鈦合金之β轉變溫度300℉(111℃)之塑性變形溫度範圍中。

在MUD方法之非限制性實施例中，在鈦合金之β相區中使工件塑性變形包括拉取、頂鍛及高應變多軸鍛造鈦合金工件之至少一者。在另一非限制性實施例中，在鈦合金之β相區中使工件塑性變形包括根據本揭示內容之非限制性實施例之多頂鍛及拉鍛，且其中將工件冷卻至處於或接近工件鍛造溫度之溫度包括空氣冷卻。在又一非限制性實施例中，在鈦合金之β相區中使工件塑性變形包括將工件頂鍛至高度或另一尺寸(諸如長度)減小30%-35%。

本揭示內容之MUD方法之另一態樣可包含在頂鍛期間加熱鍛造壓模。非限制性實施例包括將用來鍛造工件之鍛造爐的壓模加熱至在由工件鍛造溫度低至低於工件鍛造溫度100℉(55.6℃)劃定界限之溫度範圍中的溫度。

在根據本揭示內容之MUD方法之非限制性實施例中，一種用於製造超細晶粒鈦合金之方法包含：選擇具有比Ti-6-4合金緩慢之α沉澱及生長動力之鈦合金；β退火合金以提供精細且穩定之α板條結構；及高應變速率多軸鍛造合金，根據本揭示內容，鍛造至總應變為至少1.0，或在至少1.0高至小於3.5之範圍中。鈦合金可選自α+β鈦合金及亞穩β鈦合金，其在β退火後提供精細且穩定的α板條結構。

據信本文所揭示之特定方法亦可應用於除鈦合金以外之金屬與金屬合金以減小該等合金之工件的晶粒大小。本揭示內容之另一方面包含高應變速率多步驟鍛造金屬與金屬合金之方法之非限制性實施例。本發明之非限制性實施例包括將包括金屬或金屬合金之工件加熱至工件鍛造溫度。在加熱後，工件以足以隔熱地加熱工件之內部區域的應變速率在工件鍛造溫度下鍛造。在鍛造後，在下一鍛造步驟之前採用等待週期。在等待週期期間，允許金屬合金工件之經隔熱地加熱的內部區域的溫度冷卻至工件鍛造溫度，同時工件之至少一表面區域被加熱至工件鍛造溫度。重複 鍛造工件及接著允許工件之經隔熱地加熱的內部區域平衡至工件鍛造溫度同時將金屬合金工件之至少一外表面區域加熱至工件鍛造溫度之步驟直到獲得所要特性。在非限制性實施例中，鍛造包括壓鍛、頂鍛、拉鍛及輥鍛之一者或多者。在另一非限制性實施例中，金屬合金選自由鈦合金、鋯與鋯合金、鋁合金、鐵合金及超合金組成之群組。在又一非限制性實施例中，所要特性係賦予的應變、平均晶粒大小、形狀及機械性質之一者或多者。機械性質包含但不限於強度、展延性、破裂韌性及硬度。

以下實例旨在進一步描述特定非限制性實施例，而不限制本發明之範疇。熟習此項技術者應明白下列實例之變動在僅由申請專利範圍定義之本發明之範疇內係可行的。

實例1

根據在產業中由說明書號AMS 4976識別之商業鍛造製程(其通常用來處理Ti-6-2-4-2合金)處理一條Ti-6-2-4-2合金。藉由參考AMS4976說明書，一般技術者瞭解該說明書中陳述之製程達成機械性質及微結構的詳情。在處理之後，合金以合金法製備且微結構在顯微鏡下評估。如作為圖11(a)包含之經製備合金之顯微圖中所示，微結構包含20μm或更大之等級之α晶粒(影像中顏色較淺之區域)。

根據在本揭示內容內之非限制性實施例，Ti-6-2-4-2合金之4.0英寸立方體形狀工件在1950℉(1066℃)下被β退火持續1小時且接著被冷卻至環境溫度。在冷卻之後，經β退火之立方體形狀工件被加熱至1600℉(871.1℃)之工件鍛造溫度且使用四次高應變速率MAF撞擊鍛造。撞擊係以下列序列至下列正交軸：A-B-C-A。撞擊係至3.25英寸之隔離物高度，且衝擊速度係每秒1英寸。對壓鍛不具有應變速率控制，但對於4.0英寸立方體，此衝擊速度在0.25s^-1壓鍛期間導致最小應變速率。連續正交撞擊之間的時間係約15秒。施加於工件之總應變係1.37。以此方式處理之Ti-6-2-4-2合金之微結構被描繪於圖11(b)之顯微圖中。大部分α粒子(顏色較淺之區域)係4μm或更小之等級，其基本上比藉由上述商業鍛造製程製造且由圖11(a)之顯微圖表示之α晶粒精細。

實例2

根據T-6-2-4-6合金通常使用之商業鍛造製程(即，根據說明 書AMS 4981)處理一條Ti-6-2-4-6合金。藉由參考AMS 4981說明書，一般技術者瞭解該說明書中陳述之製程達成機械性質及微結構的詳情。在處理之後，合金以合金法製備且微結構在顯微鏡下評估。如圖12(a)中所示之經製備合金之顯微圖中所示，微結構展現10μm或更大之等級之α晶粒(顏色較淺之區域)。

在根據本揭示內容之非限制性實施例中，Ti-6-2-4-6合金之4.0英寸立方體形狀工件在1870℉(1066℃)下被β退火持續1小時且接著被冷卻。在冷卻之後，經β退火之立方體形狀工件被加熱至1500℉(815.6℃)之工件鍛造溫度且使用四次高應變速率MAF撞擊鍛造。撞擊係以下列序列至下列正交軸：A-B-C-A。撞擊係至3.25英寸之隔離物高度，且衝擊速度係每秒1英寸。對壓鍛不具有應變速率控制，但對於4.0英寸立方體，此衝擊速度在0.25s^-1壓鍛期間導致最小應變速率。連續正交撞擊之間的時間係約15秒。施加於工件之總應變係1.37。以此方式處理之合金之微結構被描繪於圖12(b)之顯微圖中。可見大部分α粒子(顏色較淺之區域)係4μm或更小之等級，且在任何情況下比藉由上述商業鍛造製程製造且由圖12(a)之顯微圖表示之α晶粒精細很多。

實例3

在根據本揭示內容之非限制性實施例中，Ti-6-2-4-6合金之4.0英寸立方體形狀工件在1870℉(1066℃)下被β退火持續1小時且接著被冷卻。在冷卻之後，經β退火之立方體形狀工件被加熱至1500℉(815.6℃)之工件鍛造溫度且使用三次高應變速率MAF撞擊鍛造，一次各在A軸、B軸及C軸上(即撞擊係以下列序列至下列正交軸：A-B-C)。撞擊係至3.25英寸之隔離物高度，且衝擊速度係每秒1英寸。對壓鍛不具有應變速率控制，但對於4.0英寸立方體，此衝擊速度在0.25s^-1壓鍛期間導致最小應變速率。連續撞擊之間的時間係約15秒。在A-B-C撞擊循環之後，工件被重新加熱至1500℉(815.6℃)持續30分鐘。立方體接著進行高應變速率MAF，其中一次撞擊各在A軸、B軸及C軸上，即，撞擊係以下列序列至下列正交軸：A-B-C。撞擊係至相同隔離物高度且其使用之衝擊速度及撞擊之間的時間與第一A-B-C序列之撞擊中所使用相同。在第二序列之A-B-C撞擊之後，工件被重新加熱至1500℉(815.6℃)持續30分鐘。立方 體接著進行高應變速率MAF，其中一次撞擊在A軸、B軸及C軸之各者上，即，A-B-C序列。撞擊係至相同隔離物高度且其使用之衝擊速度及撞擊之間的時間與第一序列之A-B-C撞擊中所使用相同。高應變速率多軸鍛造製程之此實施例賦予3.46之應變。以此方式處理之合金的微結構被描繪在圖13之顯微圖中。可見大部分α粒子(顏色較淺之區域)係4μm或更小之等級。據信α粒子可能由個別α晶粒組成且α晶粒之每者具有4μm或更小之晶粒大小且形狀上係等軸的。

實例4

在根據本揭示內容之非限制性實施例中，Ti-6-2-4-2合金之4.0英寸立方體形狀的工件在1950℉(1066℃)下被β退火持續1小時且接著經空氣冷卻。在冷卻之後，經β退火的立方體形狀工件被加熱至1700℉(926.7℃)的工件鍛造溫度且被保持1小時。在1700℉(926.7℃)下採用兩個高應變速率MAF循環(2個序列之三次A-B-C撞擊，其係針對總共6次撞擊)。連續撞擊之間的時間係約15秒。鍛造序列係：A撞擊至3英寸停止；B撞擊至3.5英寸停止；且C撞擊至4.0英寸停止。此鍛造序列以每三次撞擊MAF序列提供相等應變至全部三個正交軸。衝擊速度係每秒1英寸。對壓鍛不具有應變速率控制，但對於4.0英寸立方體，此衝擊速度在0.25s^-1壓鍛期間導致最小應變速率。每一循環之總應變小於在每一方向上鍛造至3.25英寸減小，如在先前實例中般。

工件被加熱至1650℉(898.9℃)且其三次額外撞擊經受高強度MAF(即，一個額外A-B-C高應變速率MAF循環)。鍛造序列係：A撞擊至3英寸停止；B撞擊至3.5英寸停止；且C撞擊至4.0英寸停止。在鍛造之後，賦予給工件之總應變為2.59。

在圖14之顯微圖中描繪實例4之鍛造工件之微結構。可見大部分α粒子(顏色較淺之區域)係呈網狀結構。據信α粒子由個別α晶粒組成且α晶粒之各者具有4μm或更小之晶粒大小且形狀上係等軸的。

實例5

在根據本揭示內容之非限制性實施例中，Ti-6-2-4-2合金之4.0英寸正方體形狀工件在1950℉(1066℃)下被β退火持續1小時且接著經空氣冷卻。在冷卻之後，經β退火的立方體形狀工件被加熱至1700℉ (926.7℃)之工件鍛造溫度且被保持1小時。採用根據本揭示內容之MAF來應用至主減小隔離物高度( A 、 B 、 C 、 A 、 B 、 C )之6次壓鍛於立方體形狀的工件。此外，在至3.25英寸主減小隔離物高度之每一壓鍛之間，在其他軸上進行第一及第二阻擋減小以「擺正」工件。所使用之整體鍛造序列如下，其中粗體及有下劃線之撞擊係至主減小隔離物高度之壓鍛： A -B-C- B -C-A- C -A-B- A -B-C- B -C-A- C 。

所利用之鍛造序列(包含主、第一阻擋及第二阻擋隔離物高度(以英寸為單位))在下表中概述。衝擊速度為每秒1英寸。對壓鍛不具有應變速率控制，但對於4.0英寸立方體，此衝擊速度在0.25s^-1壓鍛期間導致最小應變速率。撞擊之間消逝的時間為約15秒。在根據此非限制性實施例之熱管理MAF之後的總應變係2.37。

由此實例5中所描述之製程鍛造之工件的微結構被描述於圖15之顯微圖中。可見大部分α粒子(顏色較淺之區域)係長形的。據信可能α粒子由個別α晶粒組成且α粒子晶粒之每者具有4μm或更小之晶粒大小且 在形狀上係等軸的。

實例6

在根據本揭示內容之非限制性實施例中，Ti-6-2-4-2合金之4.0英寸正方體形狀工件在1950℉(1066℃)下被β退火持續1小時且接著經空氣冷卻。在工件上執行根據本揭示內容之實施例之熱管理高應變速率MAF，包括在1900℃下之6次撞擊(2個A-B-C MAF循環)，其中每次撞擊之間保持30秒。衝擊速度為每秒1英寸。對壓鍛不具有應變速率控制，但對於4.0英寸立方體，此衝擊速度在0.25s^-1壓鍛期間導致最小應變速率。具有中間保持之6次撞擊序列經設計來在MAF期間透過β轉變溫度加熱工件之表面，且此可因此被稱為透過轉變高應變速率MAF。該製程導致細化表面結構且使後續鍛造期間之龜裂最小化。接著在1650℉(898.9℃)，即低於β轉變溫度之溫度下加熱工件持續1小時。根據本揭示內容之實施例之MAF被應用於工件，包含6次撞擊(兩個A-B-C MAF循環)，其中每次撞擊之間保持約15秒。以3.5英寸隔離物高度執行第一三次撞擊(第一A-B-C MAF循環中之撞擊)，且以3.25英寸隔離物高度執行第二3次撞擊(第二A-B-C MAF循環中之撞擊)。工件被加熱至1650℉且在3.5英寸隔離物之撞擊與3.25英寸隔離物之撞擊之間保持30分鐘。第一3次撞擊使用之較小減小(即，較大隔離物高度)經設計來在較小減小分裂邊界結構(其可能造成龜裂)時抑制龜裂。工件被重新加熱至1500℉(815.6℃)持續1小時。接著使用至3.25英寸減小之3次A-B-C撞擊(一個MAF循環)(其中每次撞擊之間持續15秒)應用根據本揭示內容之MAF。此序列之較大減小經設計以將額外工作投入非邊界結構中。實例6中所描述之全部撞擊的衝擊速度係每秒1英寸。

總應變3.01被賦予給實例6之工件。圖16(a)中示出實例6之熱管理MAF工件之中央之代表性顯微圖。圖16(b)中展示實例6之熱管理MAF工件之表面的代表性顯微圖。表面微結構(圖16(b))被基本上細化且粒子及/或晶粒之大部分具有約4μm或更小之大小，其係超細晶粒微結構。圖16(a)中所示之中央微結構示出高度細化晶粒，且據信可能α粒子由個別α晶粒組成且α晶粒之各者具有4μm或更小之晶粒大小且在形狀上係等軸的。

應瞭解本描述示出與對本發明之清晰瞭解相關之本發明的該等態樣。未提出此項技術之一般技術者將明白及因此將不促進對本發明之更好瞭解之特定態樣以簡化本描述。儘管僅本發明之有限數量的實施例在本文中係必須描述的，但是在考量前述說明時，應認知可採用本發明之許多修改及變動。本發明之所有此等變動及修改旨在由前述描述及下列申請專利範圍涵蓋。

Claims (46)

1. 一種細化包括鈦合金之一工件的晶粒大小之方法，該方法包括：β退火該工件；將該經β退火工件冷卻至低於該鈦合金的β轉變溫度之一溫度；及多軸鍛造該工件，其中該多軸鍛造包括：用足以隔熱地加熱該工件之一內部區域之一應變速率在該工件之一第一正交軸的方向上在工件鍛造溫度範圍中的一工件鍛造溫度下壓鍛該工件，用足以隔熱地加熱該工件之該內部區域之一應變速率在該工件之一第二正交軸的方向上在工件鍛造溫度範圍中之一工件鍛造溫度下壓鍛該工件，用足以隔熱地加熱該工件之該內部區域之一應變速率在該工件之一第三正交軸的方向上在工件鍛造溫度範圍中之一工件鍛造溫度下壓鍛該工件，及重複該等壓鍛步驟之至少一者直到在該工件中達成一總應變為至少1.0。
2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中重複該等壓鍛步驟之至少一者直到在該工件中達成一總應變在至少1.0高至小於3.5的範圍中。
3. 如申請專利範圍第1項之方法，其中在壓鍛期間使用之一應變速率係在0.2s^-1至0.8s^-1之範圍中。
4. 如申請專利範圍之方法，其中該工件包括α+β鈦合金及亞穩β鈦合金中之一者。
5. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該工件包括α+β鈦合金。
6. 如申請專利範圍第4項或第5項之方法，其中該鈦合金包括晶粒釘紮合金添加劑及對減少α相沉澱及生長動力之β穩定含量之至少一者。
7. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該工件包括選自Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo合金(UNS R56260)、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.08Si合金(UNS R54620)、Ti-4Al-2.5V合金(UNS R54250)、Ti-6Al-7Nb合金(UNS R56700)及Ti-6Al-6V-2Sn合金(UNS R56620)之鈦合金。
8. 如申請專利範圍第1項之方法，其中冷卻該經β退火工件包括將該工件冷卻至環境溫度。
9. 如申請專利範圍第1項之方法，其中冷卻該經β退火工件包將該工件冷卻至處於或接近該工件鍛造溫度之一溫度。
10. 如申請專利範圍第1項之方法，其中β退火該工件包括在該鈦合金的β 轉變溫度高至高於該鈦合金的β轉變溫度300℉(111℃)之一範圍內的β退火溫度下加熱該工件。
11. 如申請專利範圍第1項之方法，其中β退火該工件包括在一β退火溫度下加熱該工件達處於5分鐘至24小時範圍內的時段。
12. 如申請專利範圍第1項之方法，其進一步包括在冷卻該經β退火工件之前在該鈦合金的β相區之一塑性變形溫度下使該工件塑性變形。
13. 如申請專利範圍第12項之方法，其中在該鈦合金的β相區之塑性變形溫度下使該工件塑性變形包括拉取、頂鍛及高應變速率多軸鑄鍛該工件之至少一者。
14. 如申請專利範圍第12項之方法，其中該塑性變形溫度係在該鈦合金的β轉變溫度高至高於該鈦合金的β轉變溫度300℉(111℃)之一範圍中。
15. 如申請專利範圍第12項之方法，其中使該工件塑性變形包括高應變速率多軸鑄造，且其中冷卻該工件包括當該工件冷卻至該鈦合金的α+β相區之工件鍛造溫度時，高應變速率多軸鍛造該工件。
16. 如申請專利範圍第12項之方法，其中使該工件塑性變形包括將該工件頂鍛至範圍在0.1至0.5之β頂鍛應變。
17. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該工件鍛造溫度係在低於該鈦合金之β轉變溫度100℉(55.6℃)至低於該鈦合金之β轉變溫度700℉(388.9℃)之一範圍中。
18. 如申請專利範圍第1項之方法，其進一步包括中間連續壓鍛步驟，允許該工件之該經隔熱地加熱的內部區域冷卻至處於或接近在該工件鍛造溫度範圍中的該工件鍛造溫度之一溫度及將該工件之外表面加熱至處於或接近在該工件鍛造溫度範圍中的該工件鍛造溫度之一溫度。
19. 如申請專利範圍第18項之方法，其中允許該工件之該經隔熱地加熱的內部區域冷卻達處於5秒至120秒範圍中的內部區域冷卻時間。
20. 如申請專利範圍第18項之方法，其中加熱該工件之該外表面包括使用火焰加熱、箱式爐加熱、電感加熱及輻射加熱之一者或多者來加熱。
21. 如申請專利範圍第18項之方法，其中用於壓鍛該工件之一鍛造爐的壓模被加熱至在該工件鍛造溫度至低於該工件鍛造溫度100℉(55.6℃)之一範圍中之一溫度。
22. 如申請專利範圍第1項之方法，其中在達成一總應變為至少1.0之後，該工件包括在4μm或更小之一平均α粒子晶粒大小。
23. 如申請專利範圍第1項之方法，其中重複該等壓鍛步驟之至少一者直到在該工件中達成一總應變為至少1.0包括在第二工件鍛造溫度下壓鍛該工件，其中該第二工件鍛造溫度係在該工件之鈦合金的α-β相區內，且其中該第二工件鍛造溫度低於該工件鍛造溫度。
24. 一種細化包括鈦合金之一工件的晶粒大小之方法，該方法包括：β退火該工件；將該經β退火工件冷卻至低於該鈦合金的β轉變溫度之一溫度；及多軸鍛造該工件，其中該多軸鍛造包括：用足以隔熱地加熱該工件之一內部區域的一應變速率在該工件之一第一正交A軸的方向上在一工件鍛造溫度範圍中之一工件鍛造溫度下將該工件壓鍛至一主減小隔離物高度，在該工件之一第二正交B軸的方向上在該工件鍛造溫度下將該工件壓鍛至一第一阻擋減小隔離物高度，在該工件之一第三正交C軸的方向上在該工件鍛造溫度下將該工件壓鍛至一第二阻擋減小隔離物高度，在用足以隔熱地加熱該工件之一內部區域之一應變速率在該工件之該第二正交B軸的方向上在該工件鍛造溫度下將該工件壓鍛至該主減小隔離物高度，在該工件之該第三正交C軸的方向上在該工件鍛造溫度下將該工件壓鍛至該第一阻擋減小隔離物高度，在該工件之該第一正交A軸的方向上在該工件鍛造溫度下將該工件壓鍛至該第二阻擋減小隔離物高度，用足以隔熱地加熱該工件之一內部區域之一應變速率在該工件之該第三正交C軸的方向上在該工件鍛造溫度下將該工件壓鍛至該主減小隔離物高度，在該工件之該第一正交A軸的方向上在該工件鍛造溫度下將該工件壓鍛至該第一阻擋減小隔離物高度，在該工件之該第二正交B軸的方向上在該工件鍛造溫度下將該工件壓鍛至 該第二阻擋減小隔離物高度，及重複該等前述壓鍛步驟之至少一者直到在該工件中達成一總應變為至少1.0。
25. 如申請專利範圍第24項之方法，其中重複該等壓鍛步驟之至少一者直到在該工件中達成一總應變為至少1.0高至小於3.5。
26. 如申請專利範圍第24項之方法，其中在壓鍛期間使用之一應變速率係在0.2s^-1至0.8s^-1的範圍中。
27. 如申請專利範圍第24項之方法，其中該工件包括α+β鈦合金及亞穩β鈦合金中之一者。
28. 如申請專利範圍第24項之方法，其中該工件包括α+β鈦合金。
29. 如申請專利範圍第27項或第28項之方法，其中該鈦合金包括晶粒釘紮合金添加劑及減少α相沉澱及α相生長動力之β穩定含量之至少一者。
30. 如申請專利範圍第24項之方法，其中該工件包括選自Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo合金(UNS R56260)、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.08Si合金(UNS R54620)、Ti-4Al-2.5V合金(UNS R54250)、Ti-6Al-7Nb合金(UNS R56700)及Ti-6Al-6V-2Sn合金(UNS R56620)之鈦合金。
31. 如申請專利範圍第24項之方法，其中冷卻該經β退火工件包括將該工件冷卻至環境溫度。
32. 如申請專利範圍第24項之方法，其中冷卻該經β退火工件包括將該工件冷卻至該工件鍛造溫度。
33. 如申請專利範圍第24項之方法，其中β退火該工件包括在該鈦合金之β轉變溫度高至高於該鈦合金之β轉變溫度300℉(111℃)之一範圍中之一β退火溫度下加熱該工件。
34. 如申請專利範圍第24項之方法，其中β退火該工件包括在一β退火溫度下加熱該工件達處於5分鐘至24小時範圍中之時段。
35. 如申請專利範圍第24項之方法，其進一步包括在將該經β退火工件冷卻至低於該鈦合金的β轉變溫度之一溫度之前在該鈦合金的β相區之一塑性變形溫度下使該工件塑性變形。
36. 如申請專利範圍第35項之方法，其中在該鈦合金的β相區的塑性變形溫度下使該工件變形包括拉取、頂鍛及高應變速率多軸鍛造該工件之至少 一者。
37. 如申請專利範圍第35項之方法，其中該塑性變形溫度係在該工件之該鈦合金的β轉變溫度高至高於該工件之該鈦合金的β轉變溫度300℉(111℃)之一範圍中。
38. 如申請專利範圍第35項之方法，其中使該工件塑性變形包括高應變速率多軸鍛造，且其中冷卻該經β退火工件包括當該工件冷卻至該鈦合金之α+β相區的工件鍛造溫度時高應變速率多軸鍛造該工件。
39. 如申請專利範圍第35項之方法，其中塑性變形該工件包括將該工件頂鍛至範圍在0.1至0.5中之β頂鍛應變。
40. 如申請專利範圍第24項之方法，其中該工件鍛造溫度係在低於該鈦合金之β轉變溫度100℉(55.6℃)至低於該鈦合金之β轉變溫度700℉(388C)之一範圍中。
41. 如申請專利範圍第24項之方法，其中中間連續壓鍛步驟，允許該工件之經隔熱地加熱的內部區域冷卻至處於或接近該工件鍛造溫度範圍中之該工件鍛造溫度之一溫度且該工件之該外表面區域被加熱至處於或接近該工件鍛造溫度範圍中之該工件鍛造溫度之一溫度。
42. 如申請專利範圍第41項之方法，其中允許該工件之該經隔熱地加熱的內部區域冷卻達在5秒至120秒範圍中之時段。
43. 如申請專利範圍第41項之方法，其中加熱該工件之外表面包括使用火焰加熱、箱式爐加熱、電感加熱及輻射加熱之一者或多者來加熱。
44. 如申請專利範圍第41項之方法，其中用於壓鍛該工件之一鍛造爐的壓模被加熱至在該工件鍛造溫度至低於該工件鍛造溫度100℉(55.6℃)之一範圍中之一溫度。
45. 如申請專利範圍第24項之方法，其中在達成一總應變為至少1.0之後，該工件包括4μm或更小之一平均α粒子晶粒大小。
46. 如申請專利範圍第24項之方法，其中重複該等壓鍛步驟之至少一者直到在該工件中達成一總應變為至少1.0包括在一第二工件鍛造溫度下壓鍛該工件，其中該第二工件鍛造溫度係在該鈦合金工件的α-β相區內，且其中該第二工件鍛造溫度低於該工件鍛造溫度。