TW201722577A - 加工合金錠之系統及方法 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示一種關於加工及熱加工合金錠之製程及方法。令金屬材料層沉積於一合金錠之一表面之至少一區域上，然後熱加工該合金錠。該等製程及方法之特徵為降低熱加工期間該合金錠之表面破裂的發生率。

Description

加工合金錠之系統及方法
本發明係關於用於加工合金錠之系統及方法。本發明亦係關於用於熱加工合金錠之製程。
金屬合金產品(例如)可使用錠冶金操作或粉末冶金操作製得。錠冶金操作可包括熔化合金原料並澆鑄經熔融之材料成一錠。錠冶金操作之非限制實例係「三重熔化」技術，其包括三種熔化操作：(1)真空感應熔煉(VIM)以由原料製備所需合金組合物；(2)電渣精煉(ESR)，其可降低(例如)含氧包合體之含量，及(3)真空電弧再熔(VAR)，其可降低ESR後固化期間可發生之組成分離。錠可在VAR操作後固化期間形成。 粉末冶金操作可包括霧化熔融合金及收集及固結經固化之冶金粉末成一錠。粉末冶金操作之非限制實例包括以下步驟：(1)VIM以由原料製備所需合金組合物；(2)將熔融合金霧化成熔融合金液滴，其固化成合金粉末；(3)視需要篩分以減少包合體；(4)裝罐及脫氣；及(5)壓縮以固結合金粉末成合金錠。 可熱加工由錠冶金操作及粉末冶金操作形成之合金錠以製造其他合金產品。例如，固化或固結形成合金錠後，該錠經受鍛造及/或擠壓以由該錠形成小坯或其他合金物件。
本文所揭示實施例係關於一種錠加工方法。錠加工方法可包含將金屬材料層沉積於一合金錠之一表面之至少一區域上。該錠加工方法之特徵為金屬材料層降低熱加工期間合金錠之表面破裂發生率。 本文所揭示之其他實施例係關於一種熱加工製程。該熱加工製程可包含對一合金錠施力以使該合金錠變形。合金錠可包括沉積於該合金錠之一表面的至少一區域上之金屬材料層。熱加工製程之特徵為力係施加於該金屬材料層上。 本文所揭示之其他實施例係關於錠加工系統。錠加工系統可包含錠定位設備。錠定位設備可經組態以使一錠繞該錠之長軸旋轉。錠加工系統亦可包含一焊接設備。焊接設備可經組態以將金屬材料層以焊縫沉積物形式沉積於一錠之一表面之至少一區域上。 應瞭解本文所揭示及描述之本發明不限於此發明內容中所揭示之實施例。
經由參照附圖，可更好理解本文所揭示及描述之非限制實施例的各種特徵。 考慮以下根據本發明之各種非限制實施例的詳細描述時，讀者將會意識到下述細節以及其他細節。於實施或利用本文所述實施例時，讀者亦可理解額外細節。 應瞭解已簡化本文所揭示實施例的各種描述以僅闡述與明確瞭解所揭示實施例有關之彼等特徵、態樣、特性及諸如此類，而為達明晰之目的略去其他特徵、態樣、特性及諸如此類。一般技術者於考慮本發明所揭示實施例的描述時，將認識到在特定實施或應用所揭示實施例中，其他特徵、態樣、特性及諸如此類係合意的。然而，由於一般技術者於考量本發明揭示實施例描述時可輕易確定及實施該等其他特徵、態樣、特性及諸如此類，故其等並非為全面瞭解所揭示實施例所需要的，因此本文不提供該等特徵、態樣、特性及諸如此類之描述。如此，應瞭解本文所闡明之描述僅係例示及說明所揭示之實施例，而非意欲限制如單獨藉由專利申請範圍所界定之本發明的範圍。 在本發明中，除另有指明外，表示量或特性的所有數字皆應理解為在所有情況下係以術語「約」開始或經其修飾。因此，除另指明為相反外，闡明於以下描述之任何數字參數可依根據本發明實施例中設法獲得之所期望性質而變化。至少且並非試圖限制同等於專利申請範圍之教義的應用，本發明所述之各數字參數應至少鑒於所記錄之有效數字及藉由應用一般捨入技術而理解。 此外，本文所述之任何數字範圍係意欲包括本文中所包含之所有子範圍。例如，「1至10」之範圍係意欲包括介於所述最小值1及所述最大值10間(及包括兩者)之所有子範圍，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字限制係意欲包括其中所包含之所有較低數字限制及本文所述之任何最小數字限制係意欲包括其中所包含之所有較高數字限制。因此，申請人保有修正本發明(包括專利申請範圍)之權利以明確陳述包含於本文所明確陳述範圍內之任何子範圍。確定所有該等範圍為本文所固有揭示以使修正至明確陳述任何該等子範圍將遵守35 U.S.C. § 112第一段及35 U.S.C. § 132(a)之要求。 除另有指明外，如本文所用之語法冠詞「一」及「該」係意欲包括「至少一」或「一或多」。因此，本文所用冠詞係指一或多於一(即至少一)之冠詞語法對象。舉例而言，「一組件」意指一或多個組件，因此可考量多於一個組件及多於一個組件可應用於或用於實施所述實施例。 除另有指明外，據說以引用之方式併入本文中之任何專利、公開案或其他揭示材料係以全部內容併入本文中，但僅至所併入之材料不與本發明中明確闡明之既有定義、陳述或其他揭示材料相衝突之程度。如此及至所需程度，如本文所闡明之表述內容替代以引用方式併入本文中之任何衝突材料。據說以引用之方式併入本文中但與本發明中明確闡明之既有定義、陳述或其他揭示材料相衝突之任何材料或其部份係僅以在所併入之材料及既有揭示內容間無衝突出現之程度併入。申請人保有修正本發明以明確陳述以引用方式併入本文中之任何標的物或其部份之權利。 本發明包括各種實施例之描述。應瞭解本文所述之所有實施例係例示性、說明性且非限制性。因此，本發明不受限於各種例示性、說明性及非限制實施例的描述。甚者，本發明係僅受專利申請範圍所界定，該專利申請範圍可經修正以陳述本發明中明確或固有描述或另外藉由本發明明確或固有支持的任何特徵。因此，任何該等修正將遵守35 U.S.C. § 112第一段及35 U.S.C. § 132 (a)之要求。 本文所揭示及描述之各種實施例可包括如本文各種不同描述之特徵、態樣、特性及諸如此類，尤其組成或實質上由其組成。本文所揭示及描述之各種實施例亦可包含技術中已知或於事務上實施時另外歸入各種實施例之額外或可選用特徵、態樣、特性及諸如此類。 各種合金的特徵為破裂敏感。在加工操作期間，破裂敏感合金易形成裂紋。例如在用以由破裂敏感合金錠製造合金物件之熱加工操作期間，破裂敏感合金錠(例如)可形成裂紋。例如，利用鍛造轉化，可由合金錠形成合金小坯。利用擠壓或其他加工操作，可由合金小坯或合金錠形成其他合金物件。由於在熱加工期間(例如，在鍛造或擠壓期間)合金錠發生表面破裂，故利用熱加工操作，由破裂敏感合金錠形成合金物件之生産率較低。 如本文所用，術語「熱加工」係指在大於環境溫度之溫度下對一工件施力，其中所施加力使該工件變形。 在熱加工操作，諸如(例如)鍛造或擠壓期間，經受加工操作之合金錠的溫度可大於用以機械施力於錠表面之模具的溫度。介於錠表面與接觸模具間所產生之熱梯度偏移可促進熱加工期間該錠之表面破裂，尤其係由破裂敏感合金所形成之錠，諸如(例如)鎳基、鐵基、鎳-鐵基及鈷基合金及超合金。 本文所揭示之實施例亦係關於錠加工方法及熱加工製程，其特徵為降低在熱加工操作期間合金錠之表面破裂的發生率。在各種實施例中，所述方法及/或製程可包含將金屬材料層沉積於一合金錠之一表面之至少一區域上。藉由在具有經沉積之金屬材料層的表面區域處對合金錠施力可熱加工該合金錠。所施加之力可使合金錠變形。 在各種實施例中，合金錠可包含破裂敏感合金。例如，各種鎳基、鐵基、鎳-鐵基及鈷基合金及超合金可係破裂敏感，尤其於熱加工操作期間。合金錠可係由該等破裂敏感合金及超合金形成。破裂敏感合金錠可由合金或超合金，包括(但不限於)合金718、合金720、Rene 41TM 合金、Rene 88TM 合金、Waspaloy®合金及Inconel® 100合金形成。本文所述方法、製程、及系統通常適用於任何合金，該等合金之特徵為在熱加工溫度下之延性相對較低。如本文所用，術語「合金」包括習知合金及超合金，其中超合金在高溫下展現相對良好之表面穩定性、抗腐蝕及抗氧化能力、高強度及高抗蠕變性。 利用錠冶金操作或粉末冶金操作可形成合金電極。例如，在各種實施例中，藉由VIM，然後VAR(VIM-VAR操作)可形成合金錠。在各種實施例中，藉由三重熔化可形成合金錠，其中ESR操作係在VIM操作及VAR操作中間進行(VIM-ESR-VAR操作)。在其他實施例中，利用粉末冶金操作可形成合金錠，其中該粉末冶金操作包括霧化熔融合金及收集及固結所得冶金粉末成錠。 在各種實施例中，利用噴塗成形操作可形成合金錠。例如，VIM可用於由原料製備基底金屬組合物。VIM後，可視需要利用ESR操作。可自VIM或ESR熔池提取出熔融合金並霧化以形成熔融液滴。例如，利用冷壁感應導板(CIG)可自熔池提取出熔融合金。利用噴塗成形操作可沉積熔融合金液滴以形成固化錠。 初始錠形成後，但在金屬材料層沉積於錠上及隨後熱加工該錠前，可熱處理及/或表面調理合金錠。例如，在各種實施例中，可使合金錠暴露於高溫以均勻化錠之合金組成及微結構。高溫可係高於合金之再結晶溫度但低於合金之熔點溫度。 例如藉由研磨或剝離錠之表面可表面調理合金錠。亦可砂磨及/或拋光合金錠。可在任何視需要之熱處理步驟，諸如(例如)在高溫下均勻化之前及/或後進行表面調理操作。 在各種實施例中，一金屬材料層可沉積於及冶金黏合於合金錠之一表面的至少一區域。例如，金屬材料層可以焊縫沉積物形式沉積於錠表面上。利用焊接操作，包括(但不限於)金屬惰性氣體(MIG)焊接、鎢惰性氣體(TIG)焊接、電漿焊接、潛弧焊接及電子束焊接，焊縫沉積物可冶金黏合於合金錠之一表面的至少一區域。 金屬材料層可包含在欲使用之特定加工溫度下比下層錠之合金更具延性及/或更可鍛造之金屬材料。金屬材料層可包含在欲使用之特定加工溫度下比下層錠之合金展現較大韌性及/或較小硬度之金屬材料。在各種實施例中，金屬材料層隔離下層錠表面與接觸模具之表面，由此防止下層錠表面冷卻至該表面在熱加工期間更輕易破裂之脆化溫度。 金屬材料層可包含抗氧化之金屬材料。在各種實施例中，金屬材料層在熱加工期間或其他情況下不氧化。金屬材料層可包含展現相對高剛性(例如相對低彈性模數)之金屬材料。在各種實施例中，在熱加工期間，合金末端層實質上不變薄(例如，藉由一或多個模具施力將使相對低剛性之金屬材料在下層錠表面上變薄)。 在各種實施例中，形成下層錠之金屬材料及合金可包含相同基底金屬。例如，若合金錠包含鎳基合金或超合金(例如，合金720、Rene 88TM 合金或Waspaloy®合金)，則沉積層之金屬材料亦可包含鎳基合金，諸如(例如)鎳基焊接合金(例如，購自Techalloy Company/Central Wire之Techalloy 606TM 合金)。 金屬材料層可沉積於足以隔離下層錠表面與接觸模具之表面的厚度，由此防止下層錠表面冷卻至該下層表面在熱加工期間可更輕易破裂之溫度。如此，更大之熱加工溫度通常與更大之金屬材料層厚度有關。在各種實施例中，在合金錠之表面之至少一區域上，金屬材料層可沉積至0.25英吋至0.5英吋之厚度。 合金可有效熱加工之溫度範圍係基於引起合金破裂之溫度。在熱加工操作之既定起始溫度下，由於引起合金破裂之溫度差異，故一些合金可在比其他合金更大之溫度範圍內有效地熱加工。對於具有相對較小之熱加工溫度範圍(即起始溫度與引起破裂之溫度間的差異)之合金，需要相對較大之金屬材料層的厚度以防止下層錠冷卻至引起破裂的脆化溫度範圍。同樣地，對於具有相對較大之熱加工溫度範圍之合金，金屬材料層之厚度可相對較小且仍可防止下層錠冷卻至引起破裂的脆化溫度範圍。 在各種實施例中，金屬材料層可沉積於合金錠之至少一末端上。圖1A及1B圖示具有相對末端13a及13b之拉長合金錠10。金屬材料層15a及15b係沉積於合金錠10之末端13a及13b上。雖然圖1A及1B顯示在錠10之兩個末端13a與13b上之金屬材料層，但在各種實施例中，金屬材料層可僅沉積於經拉長合金錠之一末端及另一相對末端可不具有經沉積之金屬材料層。雖然圖1A及1B顯示完全覆蓋錠10之末端的金屬材料層，但在各種實施例中，金屬材料層可僅沉積於經拉長合金錠之一或兩個相對末端表面之一部份或區域上。在各種實施例中，金屬材料層可比錠之合金更具延性。 金屬材料層可沉積於圓柱形合金錠之圓周表面之至少一區域上。圖2說明具有相對末端23a及23b及圓周表面27(如虛線所示)之合金錠20。金屬材料層25係沉積於合金錠20之圓周表面27上。雖然圖2顯示完全覆蓋圓周表面27之金屬材料層，但在各種實施例中，金屬材料層可僅沉積於圓柱形合金錠之圓周表面的一部份或區域上。 圖3A及3B說明具有相對末端33a及23b及圓周表面37(如虛線所示)之合金錠30。金屬材料層35係沉積於合金錠30之圓周表面37及末端33a與33b上。如此，合金錠30係經沉積之金屬材料層35完全覆蓋。下層錠之表面係如圖3A及3B中之虛線所示。雖然圖3A及3B顯示金屬材料層完全覆蓋錠30之末端及圓周表面，但在各種實施例中，金屬材料層亦可僅沉積於拉長圓柱形合金錠之一或兩個相對末端表面及/或圓周表面之一部份或區域上。 在各種實施例中，藉由繞錠之長軸旋轉一錠並將金屬材料以焊縫沉積物形式沉積於旋轉錠之圓周表面的第一區域上，將該金屬材料層以焊縫沉積物形式沉積於合金錠之表面之至少一區域上。可利用至少一固定焊槍沉積金屬材料層。當錠旋轉及表面穿過該槍下方時，焊槍可使金屬材料沉積於錠之表面。如此，當錠前進穿過至少一圈時，可將金屬材料之環狀層沉積於圓柱形錠之圓周表面的第一區域上。 在旋轉錠前進穿過至少一圈且金屬材料之環狀層沉積於錠之圓周表面之區域上後，至少一焊槍可重新定位於鄰近金屬材料所沉積之環狀層的位置。藉由相對於錠移動至少一焊槍及/或相對於至少一焊槍移動錠可進行重新定位。然後經重新定位之焊槍可將額外金屬材料以焊縫沉積物形式沉積於旋轉錠之圓周表面之第二或隨後區域上。如此，可形成鄰近事先沉積之環狀金屬材料層的第二或隨後環狀金屬材料層。在各種實施例中，可依次形成鄰近彼此及與彼此接觸的金屬材料之環狀層，以使金屬材料層總體形成一覆蓋圓柱形錠之圓周表面的至少一區域的連續層。 可依次重複至少一焊槍之重新定位及金屬材料之環狀層之沉積直至合金錠之圓周表面實質上經連續金屬材料層覆蓋。在各種實施例中，可預定及/或積極控制焊接操作參數、焊槍定位及錠定位以形成均勻金屬材料層於合金錠之表面之至少一區域上。 圖4A-4D總體說明將金屬材料以焊縫沉積物形式沉積於合金錠之表面之至少一區域上的實施例。合金錠100如箭頭102所示繞長軸101旋轉。當錠100繞長軸101旋轉時，焊槍110保持固定及沉積金屬材料150於錠100之圓周表面170上。當錠係處於加工錠100之溫度下，金屬材料150可比合金錠100之合金更具延性及/或更可鍛造。當圓周表面170穿過焊槍110下方時，焊槍110沉積金屬材料150於錠100之圓周表面170之第一區域171上。焊槍110保持固定直至錠100前進穿過至少一圈，及金屬材料150之環狀層沉積於錠100之圓周表面170之第一區域171上(圖4C)。 如圖4C所示，在藉由旋轉錠100穿過至少一圈而使金屬材料之環形層沉積於錠100之圓周表面170的第一區域171上後，藉由如圖4C之箭頭112所示，沿平行於錠100之長軸101的方向移動焊槍一段距離以重新定位焊槍110。重新定位焊槍110以使焊槍110係位於第一區域171之鄰近處並因此鄰近已沉積之金屬材料150的環形層(圖4D)。雖然圖4C說明藉由平行長軸101移動焊槍110以重新定位焊槍110，但焊槍110相對於錠100之位置亦可藉由平行長軸101移動錠100而變化。 如圖4D所示，當錠100繞長軸101旋轉時，重新定位之焊槍110將額外金屬材料150'以焊縫沉積物形式沉積於錠100之圓周表面170之第二區域172上。如此，金屬材料150'之第二環形層係沉積鄰近於金屬材料150之第一環形層。例如，如圖2所示，可依次重複改變焊槍110與錠100之相對位置及沉積金屬材料之環形層直至合金錠100之圓周表面170實質上經金屬材料覆蓋。 在各種實施例中，藉由朝錠之長軸方向沿著圓柱形錠之圓周表面的第一區域移動至少一焊槍，可將金屬材料層以焊縫沉積物形式沉積於錠之表面之至少一區域上。至少一焊槍可朝錠之長軸方向沿著圓柱形錠之圓周表面的第一區域移動，而圓柱形錠保持固定。或者，至少一焊槍保持固定，而圓柱形錠係朝錠之長軸方向移動及圓柱形錠之圓周表面的第一區域係穿過至少一焊槍下方。至少一焊槍可平行於錠之長軸沉積金屬材料於錠之圓周表面的第一區域上。如此，金屬材料層通常可平行於錠之長軸地沉積於錠之圓周表面上。 在金屬材料層平行於錠之長軸沉積於錠之圓周表面上後，可重新定位圓柱形錠以遠離至少一焊槍地移動經沉積之金屬材料層(及圓周表面之相應區域)及朝著至少一焊槍移動圓周表面之第二或隨後區域。在以此方式重新定位圓柱形錠後，藉由平行於錠之長軸的方向法移動至少一焊槍以朝錠之圓周表面的第二或隨後區域可將額外金屬材料以焊縫沉積物形式沉積於錠之圓柱形表面上。 至少一焊槍可朝著平行於錠之長軸方向，沿圓柱形錠之圓周表面的第二或隨後區域移動，而圓柱形錠係保持固定。或者，至少一焊槍保持固定，而圓柱形錠係平行於錠之長軸移動及圓柱形錠之圓周表面的第二或隨後區域穿過至少一焊槍下方。至少一焊槍可沉積金屬材料於錠之圓周表面的第二或隨後區域上。如此，金屬材料之額外軸向層通常可平行於錠之長軸沉積於錠之圓周表面上並鄰近亦通常平行錠之長軸地沉積的金屬材料之預先沉積層並與其接觸。在各種實施例中，可移動至少一焊槍及錠兩者之位置以使至少一焊槍的位置相對錠之圓周表面變化。 可依次重複圓柱形錠與至少一焊槍之相對重複定位並沿平行於錠之長軸的方向沉積金屬材料層於錠之圓周表面上直至合金錠之圓周表面實質上經金屬材料覆蓋。在各種實施例中，可預定及/或積極控制焊接操作參數、焊槍定位及錠定位以於合金錠之表面之至少一區域上形成均勻金屬材料層。 圖5A-5D總體說明將金屬材料以焊縫沉積物形式沉積於合金錠之表面之至少一區域上的實施例。參照圖5A，顯示具有長軸201及圓周表面270之合金錠200。顯示金屬材料層250係沿平行於長軸201之方向定位，沉積於錠200之圓周表面250之區域271上。當焊槍210如箭頭212所示朝平行於長軸201之方向沿著區域272移動時，焊槍210將額外金屬材料以焊縫沉積物形式250'沉積於圓周表面270之區域272上。焊槍210如箭頭212所示般移動直至金屬材料層250通常係沿著錠200之整個長度沉積於圓周表面270之區域272中(圖5C)。 如圖5C與5D所示，金屬材料層250沉積於區域272中後，重新定位錠200以遠離焊槍210地移動金屬材料250層(及區域272)及朝著焊槍210移動圓周表面270之區域273。錠200可藉以如由圖5A-5D中之希臘字母theta (q)所示之預定分度角旋轉錠200重新定位。 如圖5D所示，重新定位錠200後，藉由朝平行於長軸201方向(如箭頭212所示)沿著圓柱形錠200之圓周表面270的區域273移動焊槍210而將金屬材料之另一層以焊縫沉積物形式250''沉積於錠200之圓柱形表面270的區域273上。如此，形成彼此鄰近及與錠200之圓周表面270周圍接觸的金屬材料250之額外層。金屬材料之第一層係沉積於圓周表面270之區域271上。然後使合金錠200以預定之分度角q1 旋轉。金屬材料之第二層係沉積於圓周表面270之區域272上。然後使合金錠以預定之分度角q2 旋轉。顯示第三層係沿平行於長軸201之方向沉積於圖4D中圓周表面270之區域273上。例如，如圖2所示，可依次重複重新定位錠200，移動焊槍210及沉積金屬材料層直至合金錠200之圓周表面270實質上經金屬材料覆蓋。 圖5A-5D顯示焊槍210朝平行於長軸201之方向(藉由箭頭212所示)沿錠200之圓周表面270的區域(271、272、273)移動，而錠200係保持固定。或者，焊槍210可保持固定及錠200可沿長軸201之方向移動以使錠200之圓周表面270的區域(271、272、273)穿過固定焊槍210之下方。焊槍210可將金屬材料層250沉積於錠200之圓周表面270的區域(271、272、273)上。如此，例如金屬材料之額外層通常可平行於錠200之長軸201及彼此鄰近地沉積於錠200之圓周表面270上直至錠200實質上係經金屬材料覆蓋，如圖2所示。 在各種實施例中，藉由繞錠之長軸旋轉錠及將金屬材料以焊縫沉積物形式沉積於旋轉錠之圓周表面上，金屬材料層可以焊縫沉積物形式沉積於錠之表面之。利用至少一移動焊槍可沉積金屬材料層。至少一焊槍可平行於錠之長軸移動並於錠旋轉時，沉積金屬材料於錠之表面上。如此，當錠旋轉及至少一焊槍移動時，金屬材料沉積物可以螺旋方式沉積於圓柱形錠之圓周表面上。 圖6A說明將金屬材料以焊縫沉積物形式沉積於合金錠之表面之至少一區域上。顯示具有長軸301及圓周表面370之合金錠300。顯示以螺旋形式沉積於錠300之圓周表面370上之金屬材料350沉積物。當焊槍310平行於長軸301(如藉由箭頭312所示)移動時，焊槍310沉積金屬材料層350於圓周表面370上，而錠300同時繞長軸301(如藉由箭頭302所示)旋轉。焊槍310如箭頭312所示移動及錠300如箭頭302所示旋轉直至金屬材料層350通常沿著整個圓周表面370沉積(圖6B)。 藉由施力於合金錠可熱加工包括沉積於合金錠之表面的至少一區域上之金屬材料層的合金錠。可在具有沉積於至少一區域上之金屬材料層的合金錠之至少一表面的至少一區域中對合金錠施力。如此，藉由對沉積於錠上之金屬材料層施力可將力施於錠。在各種實施例中，一種熱加工操作可包含鍛造操作及/或擠壓操作。例如，可鐓鍛及/或拉拔鍛造具有沉積於合金錠之表面之至少一區域上之金屬材料層的合金錠。 鐓鍛及拉拔鍛造操作可包含鐓鍛操作之一或多個次序及拉拔鍛造操作之一或多個次序。在鐓鍛期間，錠之末端表面係與施力於錠(壓縮錠之長度及增加錠之橫截面)之鍛造模具接觸。在拉拔操作期間，側面(例如，圓柱形錠之圓周表面)可與施力於錠(壓縮錠之橫截面及增加錠之長度)之鍛造模具接觸。 圖7A及7C圖示一鐓鍛操作。鍛造模具480/480'施力於錠400/400'之相對末端。如箭頭485/485'所示，通常平行於錠400/400'之長軸401/401'施力。圖7A顯示在錠400之相對末端上無沉積之金屬材料層的錠400。圖7C顯示錠400'，其包括沉積於錠400'之相對末端上之金屬材料層450。錠400之末端係與鍛造模具480接觸(圖7A)。金屬材料層450係與鍛造模具480'接觸(圖7C)。 圖7B及7D分別圖示如於圖7A與7C中所述般在鐓鍛後之每一錠400與400'的模具接觸表面。如圖7B所示，錠400之模具接觸表面490展現表面破裂。如圖7D所示，包括金屬材料層450的錠400'之模具接觸表面490'不展現表面破裂。相對於另外缺少此金屬材料層的相同鍛造合金錠，經沉積之金屬材料層450降低鍛造合金錠中表面破裂的發生率。 圖8A及8C圖示拉拔鍛造操作。鍛造模具580/580'施力於一錠500/500'。通常垂直於錠500/500'之長軸501/501'(如箭頭585/585'所示)施力。鍛造模具580/580'通常沿著錠500/500'之全長藉由通常平行於錠500/500'之長軸501/501'(如箭頭587/587'所示)移動而施力於錠500/500'。圖8A顯示無金屬材料層之錠500。圖8C顯示錠500'，其具有沉積於錠500'之圓周表面上之金屬材料層550。錠500之圓周表面係與鍛造模具580接觸(圖8A)。金屬材料層550係與鍛造模具580'接觸(圖8C)。 圖8B及8D分別圖示如於圖8A與8C中所述在拉拔鍛造後之錠500與500'的模具接觸表面。如圖8B所示，錠500之模具接觸表面590展現表面破裂。如圖8D所示，包括金屬材料層550的錠500'之模具接觸表面590'不展現表面破裂。相對於另外缺少此金屬材料層的相同鍛造合金錠，經沉積之金屬材料層550降低鍛造合金錠中表面破裂的發生率。 在各種實施例中，具有沉積於合金錠之表面之至少一區域上之金屬材料層的錠可經受一或多次鐓鍛及拉拔鍛造。例如，在三重鐓鍛及拉拔鍛造操作中，先鐓鍛，然後拉拔鍛造一錠。對於總共連續進行三次鐓鍛及拉拔鍛造操作，鐓鍛及拉拔次序可再重複兩次。鍛造錠前，錠之一或多個模具-接觸表面可具有沉積於錠之模具-接觸表面上之金屬材料層。 在各種實施例中，具有沉積於錠之表面之至少一區域上之金屬材料層的錠可經受一或多次擠壓鍛造。例如，在一擠壓操作中，一圓柱形錠可係經由一圓柱形模具施力，由此減小錠之直徑及增加錠之長度。擠壓錠之前，錠之一或多個模具-接觸表面可具有沉積於錠之模具-接觸表面上之金屬材料層。 在各種實施例中，本文所述方法及製程係用來由經澆鑄、固結或噴塗形成之錠製造鍛造小坯。將錠鍛造轉化或擠壓轉化為小坯或其他加工物件相較於前者錠可在物件中製造出更精細的顆粒結構。由於金屬材料層可降低在鍛造及/或擠壓操作期間錠之表面破裂的發生率，故本文所述方法及製程可改良由合金錠鍛造或擠壓產品(諸如(例如)小坯)之產量。例如，已觀察到沉積於延性相對較小之合金錠之表面之至少一區域上的延性相對更大之金屬材料層可更輕易承受因加工模具所引起之應變。亦已觀察到沉積於合金錠之表面之至少一區域上的金屬材料層亦可更輕易承受熱加工期間加工模具與錠間之溫度差異。如此，已觀察到經沉積之金屬材料層可展現零或微小的表面破裂，同時在加工期間可於下層錠中防止或減少表面開始破裂。 在各種實施例中，熱加工後，可自熱加工期間由錠形成之產品中移除經沉積之金屬材料之至少一部份。例如，研磨、剝離及/或車削操作可用以移除金屬材料層之至少一部份。在各種實施例中，藉由剝離(車削車床加工)及/或研磨小坯可自小坯(藉由加工一錠所形成)移除經沉積之金屬材料層之至少一部份。 在各種實施例中，可熱加工具有經沉積之金屬材料層之錠以形成用以製造各種物件的產品。例如，本文所述製程可用以形成鎳基、鐵基、鎳-鐵基或鈷基合金或超合金小坯。由熱加工錠形成之小坯或其他產品可用以製造物件，包括(但不限於)渦輪組件，諸如(例如)渦輪引擎之圓盤及環狀物及各種地基渦輪。由根據本文所述之各種實施例加工的錠所製得的其他物件可包括(但不限於)閥、發動機組件、軸及緊固件。 本文揭示實施例亦係關於一種錠加工系統及錠加工設備。錠加工系統及設備可包含錠定位設備及焊接設備。錠定位設備可包含經組態以繞錠之長軸轉動一錠之錠旋轉設備。焊接設備可經組態以將金屬材料層以焊縫沉積物形式沉積於錠之表面之至少一區域上。 在各種實施例中，錠旋轉設備可包含經組態以繞錠之長軸轉動一錠之車床。例如視焊接設備之組態而定，錠旋轉設備可連續穿過一或多個完整圈旋轉或錠旋轉裝置可依序以預定分度角間歇地旋轉錠。 焊接設備可包含至少一焊槍，諸如(例如)饋線MIG焊槍。至少一焊槍可經組態以將一金屬材料層以焊縫沉積物形式沉積於錠之表面之至少一區域上。至少一焊槍可經組態以將金屬材料層以焊縫沉積物形式沉積於錠之末端表面之至少一區域上。至少一焊槍可經組態以將金屬材料層以焊縫沉積物形式沉積於圓柱形錠之圓周表面之至少一區域上。至少一焊槍可經組態以沉積金屬材料於圓柱形錠之圓周表面的上端上。如此，可減小或除去經沉積之焊珠的重力作用。 在各種實施例中，至少一焊槍可係MIG焊槍。至少一焊槍可具有饋線。至少一焊槍可定位於離錠表面之一預定距離。可以預定饋線速度、預定線電壓及/或預定惰性氣體清洗流速組態至少一焊槍。可預定焊槍-錠表面距離、饋線速度、電壓、惰性氣體清洗流速及/或各種其他焊接操作參數以使金屬材料層係均勻焊接沉積於錠上。各種其他焊接操作參數之同一性可視所用特定類型之焊接操作(例如，MIG、TIG等)而定。在各種實施例中，可於金屬材料經焊接沉積於上之錠表面上維持實質上均勻之特定焊接操作所用之熱輸入(例如每長度之能量)。如此，可減少或除去下層錠表面之與焊接有關之破裂，及可增強下層錠與焊縫沉積物間之冶金黏合品質。在各種實施例中，可使在焊接操作期間錠之熱輸入最小化。 焊接設備可包含一焊槍、一兩個或多個焊槍之線性陣列或三個或多個焊槍之二維或三維陣列。例如，圖4A-4D、5A-5D顯示三個焊槍之線性陣列。圖6A顯示一焊槍。包含焊接設備之焊槍的數量及組態可依所述錠加工方法、系統及設備之特定執行而變化。 在各種實施例中，錠加工系統可包含控制系統。控制系統可經組態以連同錠定位設備移動及定位焊接設備以均勻沉積金屬材料層於錠之表面之至少一區域上。控制系統可控制焊槍-表面距離、焊接操作參數、至少一焊槍相對錠表面之移動及定位及/或錠之移動及定位。例如，控制系統可經組態以沿通常平行於錠之長軸之線性方式及沿著平行於長軸的錠之圓周表面區域移動至少一焊槍。控制系統亦可經組態以定位至少一焊槍以將金屬材料以焊縫沉積物形式沉積於錠之相對末端表面上。 在各種實施例中，控制系統可經組態以控制至少一焊槍以均勻沉積金屬材料於錠之粗糙表面上。例如，在各種實施例中，可積極控制MIG焊槍中之可消耗性電極之饋線速度、線狀電極之電壓、焊槍-錠表面距離及焊槍移動/定位以在旋轉或固定錠上傳遞穩定電弧。如此，可於錠上沉積實質上均勻金屬材料層。 控制系統可經組態以將金屬材料層以焊縫沉積物形式自動沉積於合金錠之至少一末端上。控制系統可經組態以將金屬材料層以焊縫沉積物形式自動沉積於圓柱形合金錠之圓柱形表面上。 錠加工系統可經組態以利用至少一固定焊槍將金屬材料以焊縫沉積物形式沉積於旋轉圓柱形錠之圓周表面之第一區域上。如此，錠加工系統可圍繞圓柱形錠之圓周表面沉積金屬材料之環形層。錠加工系統可經組態以於旋轉圓柱形錠前進穿過至少一圈後，重新定位至少一焊槍鄰近於經沉積之金屬材料之環形層。錠加工系統可經組態以利用至少一重新定位固定焊槍，將金屬材料以焊縫沉積物形式沉積於旋轉圓柱形錠之圓周表面之第二或隨後區域上。如此，錠加工系統可沉積金屬材料之另一環形層於圓柱形錠之圓周表面上。錠加工系統可經組態以利用自動化方式，重複至少一焊槍之重新定位及金屬材料環狀層之沉積直至圓柱形錠之圓周表面實質上係經金屬材料層覆蓋。 錠加工系統可經組態以利用經組態以平行錠之長軸，並沿第一區域移動之至少一焊槍，沿著平行於錠之長軸方向將金屬材料以焊縫沉積物形式沉積於固定錠之圓周表面之第一區域上。如此，錠加工系統可沉積金屬材料層於圓柱形錠之圓周表面的第一區域上。錠加工系統可經組態以重新定位圓柱形錠以遠離至少一焊槍移動圓周表面之第一區域及朝著至少一焊槍移動圓周表面之第二區域。例如，藉由錠旋轉裝置可使錠以預定分度角旋轉。 錠加工系統可經組態以利用經組態以平行錠之長軸，並沿第二區域移動之至少一焊槍，沿著平行於錠之長軸方向將金屬材料以焊縫沉積物形式沉積於固定錠之圓周表面之第二或隨後區域上。如此，錠加工系統可沉積金屬材料層於圓柱形錠之圓周表面的第二區域上。錠加工系統可經組態以利用自動化方式重複錠之重新定位及金屬材料層沿平行於錠之長軸方向沉積直至圓柱形錠之圓周表面實質上係經金屬材料層覆蓋。 藉由繞錠之長軸旋轉錠及同時平行於錠之長軸移動焊槍，錠加工系統可經組態以將金屬材料以焊縫沉積物形式沉積於錠表面上。利用受控於控制系統之至少一移動焊槍可沉積金屬材料層。如此，當錠繞長軸旋轉及當至少一焊槍平行長軸移動時，金屬材料之沉積物可以螺旋方式沉積於圓柱形錠之圓周表面上。 以下說明性及非限制實例係用以進一步描述各種非限制實施例而不限制實施例的範圍。一般技術者將瞭解實例之變體可於如專利申請範圍單獨界定之本發明範圍內。除非另作說明，所有分數及百分比係以重量計。實例 實例 1 於熱加工操作中使用Rene 88TM 合金之三英吋立方體。立方體係自Rene 88TM 小坯之碎片部份隨意剪下。在2100℉下熱處理立方體4小時以增加合金立方體之粒度以匹配Rene 88TM 錠之可加工性特性。藉於盤式研磨機上研磨，接著以帶式砂磨機砂磨可調理各立方體之一表面。利用MIG焊接(0.045英吋直徑TechAlloy 606線，220英吋/分鐘，18 V線電壓，50立方英尺/分鐘氬氣沖洗)可將TechAlloy 606TM 合金層以焊縫沉積物形式沉積於各立方體之調理表面上。允許焊接沉積之TechAlloy 606TM 合金層完全固化及冷卻至室溫。圖9係兩個Rene 88TM 合金之3英吋立方體的照片，各立方體具有焊接沉積於上表面(如照片中之取向)上之TechAlloy 606TM 合金層。 使具有TechAlloy 606TM 合金層之Rene 88TM 合金立方體加熱至2000℉超過一小時並在此溫度下壓縮鍛造。定位具有TechAlloy 606TM 合金層之表面以與底模接觸及定位缺少TechAlloy 606TM 合金層之相對表面與上模接觸。利用約1英吋/分應變速率將3英吋立方體壓縮鍛造成1英吋扁圓片。 圖10A及10B係由3英吋立方體壓縮鍛造而成之1英吋扁圓片的相對面之照片。圖10A顯示扁圓片之非分層側面，及圖10B顯示具有TechAlloy 606TM 合金層之側面。在圖10A中所示之經鍛造、非分層表面上明顯看出Rene 88TM 合金之裂縫敏感性。在如圖10A所示之缺少TechAlloy 606TM 合金層的表面上明顯可見表面破裂。如圖10B中所示，TechAlloy 606TM 合金層實質上降低鍛造期間合金之表面破裂的發生率。 圖11係由如上所述3英吋合金立方體壓縮鍛造而成之1英吋扁圓片的截面照片。在中半徑位置處(圖11中標記為「11A」)利用光學顯微學使介於TechAlloy 606TM 合金層與下層鍛造Rene 88TM 間之介面成像，其相當於扁圓片焊接表面之截面(如照片中取向之上表面)。圖11A係於如圖11所示中半徑位置處所取得之顯微照片。 如圖11A所示，TechAlloy 606TM 合金層與下層Rene 88TM 間形成強烈及均勻金屬黏合。冶金黏合承受壓縮鍛造並未觀察到分層或剝離。TechAlloy 606TM 合金層之暴露表面及介於TechAlloy 606TM 合金層與下層經鍛造之Rene 88TM 間的介面實質上均係無裂紋。移除TechAlloy 606TM 合金層(例如藉由研磨)將顯露下層經鍛造之Rene 88TM 實質上無表面裂紋。 參照各種例示性、說明性及非限制實施例已書寫本發明。然而，一般技術者應瞭解在不脫離如單獨以專利申請範圍所界定之本發明範圍下可作出任何所揭示實施例(或其部份)的各種替代、修飾或組合。因此，應考量及瞭解本發明包含本文未明確闡明的額外實施例。此等實施例可(例如)藉由組合、修飾或重組本文所述實施例的任何所揭示步驟、成份、組成要素、組份、元素、特徵、態樣、特性、限制及諸如此類而獲得。因此，本發明不受限於各種例示性、說明性及非限制實施例的描述，但僅受專利申請範圍所限制。如此，申請人保有在起訴增加如本文所述不同特徵期間修正專利申請範圍之權利。
10‧‧‧合金錠
13a‧‧‧末端
13b‧‧‧末端
15a‧‧‧金屬材料層
15b‧‧‧金屬材料層
20‧‧‧合金錠
23a‧‧‧末端
23b‧‧‧末端
25‧‧‧金屬材料層
27‧‧‧圓周表面
30‧‧‧合金錠
33a‧‧‧末端
33b‧‧‧末端
35‧‧‧金屬材料層
37‧‧‧圓周表面
100‧‧‧合金錠
101‧‧‧長軸
102‧‧‧箭頭
110‧‧‧焊槍
112‧‧‧箭頭
150‧‧‧金屬材料
150'‧‧‧金屬材料
170‧‧‧圓周表面
171‧‧‧第一區域
172‧‧‧第二區域
200‧‧‧合金錠
201‧‧‧長軸
210‧‧‧焊槍
212‧‧‧箭頭
250‧‧‧金屬材料層
250'‧‧‧焊縫沉積物
250''‧‧‧焊縫沉積物
270‧‧‧圓周表面
271‧‧‧區域
272‧‧‧區域
273‧‧‧區域
300‧‧‧合金錠
301‧‧‧長軸
302‧‧‧箭頭
310‧‧‧焊槍
312‧‧‧箭頭
350‧‧‧金屬材料層
370‧‧‧圓周表面
400‧‧‧錠
400'‧‧‧錠
401‧‧‧長軸
401'‧‧‧長軸
450‧‧‧金屬材料層
480‧‧‧鍛造模具
480'‧‧‧鍛造模具
485‧‧‧箭頭
485'‧‧‧箭頭
490‧‧‧模具接觸表面
490'‧‧‧模具接觸表面
500‧‧‧錠
500'‧‧‧錠
501‧‧‧長軸
501'‧‧‧長軸
550‧‧‧金屬材料層
580‧‧‧鍛造模具
580'‧‧‧鍛造模具
585‧‧‧箭頭
585'‧‧‧箭頭
587‧‧‧箭頭
587'‧‧‧箭頭
590‧‧‧模具接觸表面
590'‧‧‧模具接觸表面
圖1A係具有一金屬材料層沉積於錠之末端表面上之一錠之側視圖，及圖1B係圖1A所示錠之透視圖； 圖2係具有一金屬材料層沉積於錠之圓周表面上之一錠之透視圖； 圖3A係具有一金屬材料層沉積於錠之末端表面及圓周表面上之錠之側視圖，及圖3B係圖3A所示錠之透視圖； 圖4A-4D係說明一種將金屬材料以堆焊形式沉積於一錠之圓周表面上的方法之透視圖； 圖5A-5D係說明另一種將金屬材料以堆焊形式沉積於錠之圓周表面上的方法之透視圖； 圖6A係說明一種將金屬材料以焊縫沉積物形式沉積於錠之圓周表面上的方法之另一實施例之透視圖，及圖6B係圖6A所示且具有以焊縫沉積物形式沉積於錠之整個圓周表面上之金屬材料層的錠之透視圖； 圖7A係在鐓鍛操作中錠的側面截面圖，圖7B係鐓鍛後圖7A所示錠之放大部份側面截面圖，圖7C係在鐓鍛操作中且具有沉積於錠之末端表面上的金屬材料層之錠的側面截面圖，及圖7D係鐓鍛後圖7C所示錠之放大部份側面截面圖； 圖8A係在拉拔鍛造操作中錠的側面截面圖，圖8B係拉拔鍛造後圖8A所示錠之放大部份側面截面圖，圖8C係在拉拔鍛造操作中且具有沉積於錠之圓周表面上的金屬材料層之錠的側面截面圖，及圖8D係拉拔鍛造後圖8C所示錠之放大部份側面截面圖； 圖9係兩個3英吋合金立方體之照片，該等合金立方體各具有藉由焊接操作沉積於立方體上表面上之金屬材料層(如照片中之取向)； 圖10A及10B係1英吋扁圓片的兩個模具-接觸面之照片，該扁圓片係由具有藉由焊接操作沉積於合金立方體之一模具-接觸面上的金屬材料層的3英吋合金立方體壓縮鍛造而成；及 圖11係1英吋扁圓片之截面的照片，該扁圓片係由具有藉由焊接操作沉積於合金立方體之一模具-接觸面(如照片中取向之上表面)上的金屬材料層的3英吋合金立方體壓縮鍛造而成，及圖11A係沿如圖11所示之焊接表面的截面取得之顯微照片。
100‧‧‧合金錠
101‧‧‧長軸
110‧‧‧焊槍
112‧‧‧箭頭
150‧‧‧金屬材料
170‧‧‧圓周表面
171‧‧‧第一區域
172‧‧‧第二區域

Claims (20)

  1. 一種錠加工方法，其包含： 沉積金屬材料層於圓柱形合金錠上，該圓柱形合金錠包含三個外表面，其包含二個相對之圓形末端表面，及與該等二個圓形末端表面相交且連接該等二個圓形末端表面之圓周表面，其中該金屬材料係較該合金更具延性。
  2. 如請求項1之錠加工方法，其進一步包含熱加工該合金錠，其中該熱加工包含施力於該金屬材料層上。
  3. 如請求項2之錠加工方法，其中熱加工該合金錠包含鍛造操作與擠壓操作中之至少一者。
  4. 如請求項2之錠加工方法，其中熱加工該合金錠包含鐓鍛及拉拔鍛造操作，其包含： 鐓鍛該合金錠，其中鍛造模具接觸且施力於該等圓形末端表面之一或二者上之該金屬材料層，以壓縮該錠之長度及增加該錠之橫截面；及 拉拔鍛造該經鐓鍛之該合金錠，其中鍛造模具接觸且施力於該圓周表面上之該金屬材料層，以壓縮該錠之橫截面及增加該錠之長度。
  5. 如請求項2之錠加工方法，其進一步包含熱加工該合金錠後，自該合金錠移除該金屬材料層。
  6. 如請求項1之錠加工方法，其進一步包含研磨或剝離該合金錠之表面，然後沉積該金屬層。
  7. 如請求項1之錠加工方法，其中該合金錠包含選自由鎳基合金、鐵基合金、鎳-鐵基合金及鈷基合金所組成之群之材料。
  8. 如請求項1之錠加工方法，其中該合金錠包含鎳基超合金。
  9. 如請求項1之錠加工方法，其中該合金錠及該金屬材料層包含相同基底金屬，該基底金屬選自由鎳、鐵及鈷組成之群。
  10. 如請求項1之錠加工方法，其中該合金錠包含鎳基超合金及該金屬材料層包含鎳基焊接合金。
  11. 如請求項1之錠加工方法，其中沉積該金屬材料層包括沉積作為焊縫沉積物之該金屬材料層。
  12. 如請求項11之錠加工方法，其中沉積作為焊縫沉積物之該金屬材料層包含選自由金屬惰性氣體(MIG)焊接、鎢惰性氣體(TIG)焊接及電漿焊接組成之群之焊接操作。
  13. 如請求項11之錠加工方法，其中： 沉積作為焊縫沉積物之該金屬材料層包含： 旋轉該圓柱形錠；及 利用至少一固定焊槍，將作為焊縫沉積物之該金屬材料沉積於該旋轉圓柱形錠之該圓周表面之第一區域上，藉此沉積該金屬材料之環形層於該圓柱形錠之該圓周表面上。
  14. 如請求項13之錠加工方法，其進一步包含： 旋轉圓柱形錠前進穿過至少一圈後，重新定位至少一焊槍鄰近該金屬材料之沉積環形層；及 利用至少一重新定位之固定焊槍，將作為焊縫沉積物之金屬材料沉積於該旋轉圓柱形錠之該圓周表面之第二區域上。
  15. 如請求項14之錠加工方法，其進一步包含重複該重新定位步驟及該沉積步驟直至該圓柱形錠之該圓周表面實質上經該金屬材料覆蓋。
  16. 如請求項11之錠加工方法，其中： 沉積作為焊縫沉積物之該金屬材料層包含： 沿著該圓柱形錠的該圓周表面的第一區域，平行於該錠之長軸移動至少一焊槍，而保持該圓柱形錠固定，藉此將金屬材料層作為焊縫沉積物沉積於該圓柱形錠之該圓周表面之該第一區域上； 重新定位該圓柱形錠以遠離至少一焊槍移動該圓周表面的該第一區域及朝著至少一焊槍移動該圓周表面之第二區域；及 沿著該圓柱形錠之該圓周表面的該第二區域，平行於該錠之該長軸移動至少一焊槍，而保持該圓柱形錠固定，藉此將金屬材料層作為焊縫沉積物沉積於該圓柱形錠之該圓周表面的該第二區域上。
  17. 如請求項16之錠加工方法，其進一步包含重複該重新定位步驟及該移動步驟直至該錠之該圓周表面實質上經該金屬材料覆蓋。
  18. 如請求項1之錠加工方法，其進一步包含利用真空感應熔煉-真空電弧再熔操作或真空感應熔煉-電渣精煉-真空電弧再熔操作提供該圓柱形合金錠。
  19. 如請求項1之錠加工方法，其中該金屬材料層利用錠加工系統沉積於該圓柱形合金錠上，該錠加工系統包含：經組態以繞該錠之長軸轉動該圓柱形錠之錠旋轉設備；及 經組態以沉積作為焊縫沉積物之該金屬材料層於該圓柱形合金錠之該圓周表面之至少一區域上之焊接設備。
  20. 如請求項19之錠加工方法，其中該錠旋轉設備包含經組態以繞該錠之該長軸轉動該圓柱形合金錠之車床；及其中該焊接設備包含至少一個經組態以沉積作為焊縫沉積物之該金屬材料層於該圓柱形合金錠之該圓周表面之至少一區域上之MIG焊槍。
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