TWI593828B - 藉由表面塗覆改良金屬合金之熱加工性 - Google Patents

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Description

藉由表面塗覆改良金屬合金之熱加工性
本揭示內容係關於合金錠及其他合金工件、其處理方法，且特定而言係關於藉由在上面提供表面塗層來改良合金錠及其他合金工件之熱加工性之方法。
可將各種合金描述為「具有破裂敏感性」。由破裂敏感性合金構成之錠及其他工件在熱加工操作期間可沿其表面及/或邊緣形成裂紋。自破裂敏感性合金形成物件可能會產生一定問題，此乃因(例如)在鍛造或其他熱加工操作期間形成之裂紋可能需要磨掉或以其他方式移除，從而增加了生產時間及費用並減小了良率。
在某些熱加工操作(例如鍛造及擠壓)期間，沖模向合金工件施加力以使該工件變形。沖模表面與合金工件表面之間之相互作用可涉及熱傳遞、摩擦及磨損。用於在熱加工期間減小表面及邊緣破裂之一種習用技術係在熱加工前在金屬合金罐中包封合金工件。舉例而言，對於圓柱形工件，合金罐之內徑可略大於工件之外徑。合金工件可插入合金罐中以便合金罐鬆散地環繞該工件，且沖模與該合金罐之外表面接觸。合金罐使包封之工件熱絕緣且對其進行機械保護，由此消除或減小在工件上形成裂紋之可能性。合金罐係藉由工件與合金罐內表面之間之空氣間隙作用以及藉由直接抑制合金工件向環境中輻射熱量來 使合金工件熱絕緣。
合金工件罐裝操作可產生各種缺點。舉例而言，沖模與合金罐外表面之間之機械接觸可使合金罐破裂。在一具體情形下，在罐裝工件之鍛粗及鍛細鍛造(upset-and-draw forging)期間，合金罐可在鍛細操作期間發生破裂。在此一情形下，合金工件可需要在多個鍛粗及鍛細鍛造操作之每一鍛粗及鍛細循環之間重新罐裝，此增加製程複雜性及費用。另外，合金罐可不利地影響操作者目視監測罐裝合金工件表面之裂紋及其他加工誘導之缺陷。
考慮到上述缺點，可有利地提供熱加工破裂敏感性合金之更有效及/或成本更有效之方法。更一般而言，可有利地提供改良合金錠及其他合金工件之熱加工性之方法。
根據某些非限制性實施例，闡述處理合金錠及其他合金工件之方法。
本文所揭示之各個非限制性實施例係關於藉由在上面提供表面塗層來改良合金工件之熱加工性的方法。在本揭示內容之一非限制性實施例中，處理合金工件之方法包含：將玻璃材料沈積於合金工件之至少一部分上；及加熱該玻璃材料以在該合金工件上形成表面塗層以減少該合金工件之熱損失。在該方法之各個非限制性實施例中，玻璃材料可選自玻璃織物、玻璃顆粒及玻璃帶。在各個非限制性實施例中，將玻璃材料沈積於工件之至少一部分上可包含以下操作中之至少一者：佈置、噴霧、噴塗、噴灑、輥壓、浸漬、纏繞及捆紮。在各個非限制性實施例中，加熱玻璃材料包含將玻璃材料加熱至1000℉至2200℉之溫度。在各個非限制性實施例中，工件包括選自以下之材料：鎳基質合金、鎳基質超合金、鐵基質合金、鎳-鐵基質合金、鈦基質合金、鈦-鎳基質合金及鈷基質合金。在該方法之各個非限制性實施例 中，工件可包括或選自錠、坯段、桿、板、管、燒結預成型件及諸如此類。在該方法之各個非限制性實施例中，該方法在加熱玻璃材料後進一步包含一或多個選自以下之步驟：使用沖模及輥中之至少一者向工件施加力以使該工件變形；對該工件實施熱加工，其中熱加工包括鍛造及擠壓中之至少一者；冷卻該工件；藉由以下中之至少一者自該工件移除表面塗層之至少一部分：噴砂、研磨、剝離及車削及其任一組合。
在本揭示內容之一其他非限制性實施例中，熱加工工件之方法包含：將玻璃纖維覆層佈置於合金工件表面之至少一部分上；加熱該玻璃纖維覆層以在該工件上形成表面塗層；使用沖模及輥中之至少一者向該工件施加力以使該工件變形，其中該沖模及該輥中之至少一者與該工件表面上之該表面塗層接觸；及自該工件移除該表面塗層之至少一部分。在各個非限制性實施例中，沖模及輥中之至少一者與工件表面上之表面塗層之至少一個剩餘部分接觸。在該方法之各個非限制性實施例中，工件可包括或選自錠、坯段、桿、板、管、燒結預成型件及諸如此類。
本揭示內容之其他非限制性實施例係關於根據本揭示內容之任一方法製得或處理的合金工件。
本揭示內容之其他非限制性實施例係關於製品，該等製品係自根據本揭示內容之任一方法製得或處理之合金工件製得或包含該等合金工件該製品包含(例如)噴射引擎組件、地面渦輪組件、閥、引擎組件、軸及緊固件。
圖1係本文所揭示方法之某些非限制性實施例之流程圖。
圖2係本文所揭示一非限制性實施例之合金工件之照片。
圖3係本文所揭示一非限制性實施例中包括佈置於上面之玻璃纖 維覆層之圖2工件之照片。
圖4係本文所揭示一非限制性實施例中在上面包括減小工件之熱損失之表面塗層之圖3合金工件之照片，其中已對該工件進行熱加工。
圖5係繪示以下兩種情形下之表面溫度及時間之圖表：在鍛造圖6及7中所展示之沒有表面塗層之合金工件期間及在鍛造圖6及7中所展示之包含表面塗層之工件期間。
圖6及7係沒有表面塗層之經鍛造合金工件(每一照片中右側之工件)及圖4中包含表面塗層之經鍛造工件(每一照片中左側之工件)之照片。
圖8係本文所揭示非限制性實施例中在冷卻以下合金工件期間溫度及時間之圖表：在上面沒有表面塗層之合金工件(「空氣冷卻」)及包含表面塗層之合金工件。
圖9係本文所揭示一非限制性實施例中在上面包含表面塗層之合金工件之照片。
圖10係本文所揭示一非限制性實施例之熱鍛造合金工件(包括在上面沒有表面塗層之一部分及包含表面塗層之一部分)之照片。
圖11係在自工件移除表面塗層之至少一部分後圖10工件之區域之照片。
圖12係本文所揭示一非限制性實施例中在上面具有表面塗層之合金工件之照片。
圖13係本文所揭示一非限制性實施例中包括佈置於上面之玻璃帶之合金工件之照片。
藉由結合附圖考慮下述闡述可更好地理解本文所述之各個非限制性實施例。
如本文通常所使用，術語「基本上由...組成」及「由...組成」體現於術語「包括」中。
如本文通常所使用，除非另有所述，否則冠詞「一個」(one、a、an)及「該(the)」係指「至少一個」或「一或多個」。
如本文通常所使用，術語「包含」及「具有」意指「包括」。
如本文通常所使用，術語「軟化點」係指特定玻璃材料不再表現為剛性固體且開始在其自身重量下下彎之最小溫度。
如本文通常所使用，術語「約」係指考慮到所量測之性質或精確性所量測量之誤差之可接受程度。誤差之典型實例性程度可為在給定值或值範圍之20%內、10%內或5%內。
除非另有所述，否則本文所述之所有數值量在所有情形下皆應理解為由術語「約」修飾。本文所揭示之數值量係近似值且每一數值意欲意指所述值及該值周圍之功能等效範圍二者。無論如何，且並非試圖限制申請專利範圍之等效項之原則的應用，每一數值皆應至少根據所報告有效位之數量且藉由應用普通舍入技術來解釋。儘管本文所述之數值量係近似值，但在實際量測值之具體實例中闡述之數值量應儘可能精確地報告。
本文所述之所有數值範圍包含其中涵蓋之所有子範圍。舉例而言，範圍「1至10」及「介於1與10之間」意欲包含在所述最小值1與所述最大值10之間且包含其的所有子範圍。本文所述之任一最大數值限制皆意欲包含所有較低數值限制。本文所述之任一最小數值限制皆意欲包含所有較高數值限制。
在下列闡述中，闡述某些細節以充分理解本文所述之物件及方法的各個非限制性實施例。熟習此項技術者應理解，可在沒有該等細節之情形下實踐本文所述之非限制性實施例。在其他情形下，與該等物件及方法有關之結構及方法可能並未詳細展示或闡述以避免不必要地 模糊本文所述之非限制性實施例的闡述。
本揭示內容闡述物件及方法之各個非限制性實施例之各個特徵、態樣及優點。然而，應理解，本揭示內容涵蓋諸多替代性實施例，該等替代性實施例可藉由以熟習此項技術者發現可能有用之任一組合或子組合來組合本文所述之各個非限制性實施例之各個特徵、態樣及優點中的任一者來達成。
在熱加工操作(例如，鍛造操作及擠壓操作)期間，可在大於環境溫度之溫度下(例如高於工件之重結晶溫度)向合金錠或其他合金工件施加力以使該工件發生塑性變形。經受加工操作之合金錠或其他合金工件之溫度可大於用於以機械方式向工件表面施加力之沖模或其他結構的溫度。工件可因其表面冷卻(因向環境空氣中發生熱損失)及其表面與接觸沖模或其他結構之間的熱梯度偏移而形成溫度梯度。溫度梯度可在熱加工期間造成工件之表面破裂。在合金錠或其他合金工件自破裂敏感性合金形成之情況下，表面破裂尤其會產生一定問題。
根據某些非限制性實施例，合金工件可包括破裂敏感性合金。舉例而言，各種鎳基質合金、鐵基質合金、鎳-鐵基質合金、鈦基質合金、鈦-鎳基質合金、鈷基質合金及超合金(例如鎳基質超合金)可具有破裂敏感性，尤其在熱加工操作期間亦如此。合金錠或其他合金工件可自該等破裂敏感性合金及超合金形成。舉例而言，破裂敏感性合金工件可自選自但不限於以下之合金或超合金形成：合金718(UNS編號：N07718)、合金720(UNS編號：N07720)、Rene 41TM合金(UNS編號：N07041)、Rene 88TM合金、Waspaloy®合金(UNS編號：N07001)及Inconel®100合金。儘管本文所述之方法可有利地結合破裂敏感性合金來使用，但應理解，該等方法亦通常適用於任一合金，包含(例如)特徵在於在熱加工溫度下具有相對較低延展性之合金、在1000℉至2200℉之溫度下熱加工之合金及通常不易於破裂之合金。本文所用之術語 「合金」包含習用合金及超合金。如彼等熟習此項技術者所理解，超合金在高溫下展現相對良好之表面穩定性、抗腐蝕及抗氧化性、高強度及高抗蠕變性。在各個非限制性實施例中，合金工件可包括或選自錠、坯段、桿、板、管、燒結預成型件及諸如此類。
可使用(例如)習用冶金技術或粉末冶金技術來形成合金錠或其他合金工件。舉例而言，在各個非限制性實施例中，可藉由真空感應熔煉(VIM)與真空電弧重熔(VAR)之組合(稱為VIM-VAR操作)來形成合金錠或其他合金工件。在各個非限制性實施例中，可藉由三重熔煉技術來形成合金工件，其中在VIM操作與VAR操作之間實施電渣重熔(ESR)操作，從而提供VIM-ESR-VAR(亦即，三重熔煉)序列。在其他非限制性實施例中，可使用粉末冶金操作來形成合金工件，其中涉及將熔融合金霧化及收集所得冶金粉末並固結成合金工件。
在某些非限制性實施例中，可使用噴霧成型操作來形成合金錠或其他合金工件。舉例而言，可使用VIM自原料來製備基質合金組合物。可視需要在VIM後使用ESR操作。可自VIM或ESR熔化池提取熔融合金並霧化以形成熔融液滴。舉例而言，可使用冷壁感應引導(CIG)自熔化池提取熔融合金。可使用噴霧成型操作沈積熔融合金液滴以形成固化之合金工件。
在某些非限制性實施例中，可使用熱等壓壓製(HIP)形成合金錠或其他合金工件。HIP通常係指等壓施加高壓及高溫氣體(例如，氬)以將粉末材料壓實並固結成整體預成型件。可藉由密封容器將粉末與高壓及高溫氣體分離，該密封容器用作氣體與所壓實及固結之粉末之間之壓力障壁。密封容器可發生塑性變形以壓實粉末，且高溫可有效地將個別粉末顆粒一起燒結以形成整體預成型件。可向全部粉末施加均勻壓實壓力，且可在預成型件中達成均質密度分佈。舉例而言，可將近等原子之鎳-鈦合金粉末裝載至金屬容器(例如，鋼罐)中，且排氣 以移除吸附之水分及夾帶氣體。可在真空下(例如)藉由焊接來密封含有近等原子之鎳-鈦合金粉末的容器。然後可在足以達成完全緻密化容器中之鎳-鈦合金粉末之溫度及壓力下對密封容器實施HIP，由此形成完全緻密化之近等原子之鎳-鈦合金預成型件。
根據某些非限制性實施例，處理合金錠或其他合金工件之方法通常可包括將無機材料沈積於合金工件之至少一部分上，及加熱該無機材料以在該工件上形成表面塗層來減少該工件之熱損失。無機材料可包括熱絕緣材料中之一或多者，包括(例如)選自纖維、顆粒及帶之材料。無機材料可包括(例如)以下中之一或多者：氧化鋁、氧化鈣、氧化鎂、二氧化矽、氧化鋯、氧化鈉、氧化鋰、氧化鉀、氧化硼及諸如此類。無機材料可具有500℉或更高(例如，500℉至2500℉及1000℉至2200℉)之熔點或軟化點。該方法可包括(例如)將無機材料沈積於合金工件表面之至少一部分上及加熱該無機材料以在該工件上形成表面塗層並減小該工件之熱損失。在各個非限制性實施例中，加熱無機材料包含將無機材料加熱至鍛造溫度(例如1000℉至2200℉)。可選擇無機材料之組成及形式以在鍛造溫度下形成黏性表面塗層。表面塗層可黏附至合金工件之表面。可將表面塗層描述為黏附性表面塗層。除消除或減小表面破裂外，本揭示內容之表面塗層亦可在熱加工操作期間潤滑合金錠或其他合金工件之表面。
參照圖1，本揭示內容中處理合金工件以減小熱破裂之方法之非限制性實施例通常可包括：將無機玻璃材料沈積於合金錠或其他合金工件之一部分上及加熱該玻璃材料以在該工件上形成表面塗層並減小該工件之熱損失。玻璃材料可包括熱絕緣材料，包括玻璃纖維、玻璃顆粒及玻璃帶中之一或多者。在將提供於工件上之玻璃材料加熱至適宜溫度時，該玻璃材料可在該工件上形成黏性表面塗層。可選擇玻璃材料之組成及形式以在鍛造溫度下形成黏性表面塗層。玻璃材料表面 塗層可黏附至工件表面並直至熱加工時及在熱加工期間保留於表面上。可將玻璃材料表面塗層描述為黏附性表面塗層。藉由加熱玻璃材料提供之玻璃材料表面塗層可減小合金工件之熱損失，且使該合金工件相對於沒有此一表面塗層之原本相同合金工件消除或減小自鍛造、擠壓或其他形式加工發生表面破裂的可能性。除消除或減小表面破裂外，本揭示內容之玻璃材料表面塗層亦可在熱加工操作期間潤滑合金工件之表面。
在某些非限制性實施例中，無機纖維可包括玻璃纖維。玻璃纖維可包括連續纖維及/或不連續纖維。不連續纖維可(例如)藉由切割或短切連續纖維製得。玻璃纖維可包括(例如)SiO2、Al2O3、及MgO中之一或多者。玻璃纖維可包括(例如)鋁矽酸鎂纖維。玻璃纖維可包括(例如)選自由以下組成之群之鋁矽酸鎂纖維：E-玻璃纖維、S-玻璃纖維、S2-玻璃纖維及R-玻璃纖維。E-玻璃纖維可包括以下中之一或多者：SiO2、Al2O3、B2O3、CaO、MgO及其他氧化物。S-玻璃纖維及S2-玻璃纖維可包括SiO2、Al2O3、MgO中之一或多者。R-玻璃纖維可包括SiO2、Al2O3、CaO及MgO中之一或多者。在某些非限制性實施例中，無機纖維可包括耐火陶瓷纖維。耐火陶瓷纖維可為非晶型且包括SiO2、Al2O3及ZrO2中之一或多者。
根據某些非限制性實施例，複數根玻璃纖維可包括束帶、條帶或絲束、織物及板材中之一或多者。如本文通常所使用，術語「織物」係指可為織造、針織、氈合、熔合或非織造材料、或以其他方式由纖維構成之材料。織物可包括黏合劑以將複數根纖維固持至一起。在某些非限制性實施例中，織物可包括紗、覆層、墊子、紙張、毛氈及諸如此類。在某些非限制性實施例中，玻璃纖維可包括玻璃覆層。玻璃覆層可包括(例如)E-玻璃纖維。用於本揭示內容之實施例中之包括E-玻璃纖維之實例性玻璃覆層包含但不限於：以商標名「Style 412」及 「Style 412B」購自Anchor Industrial Sales公司(Kernersville,NC)且厚度為0.062英吋之纖維、重量為24盎司/yd2且額定溫度為1000℉之E-玻璃纖維。玻璃織物可包括(例如)玻璃纖維覆層，例如，E-玻璃覆層。織物可具有任一適宜寬帶及長度以覆蓋工件之至少一部分。織物之寬帶及長度可根據工件之尺寸及/或形狀而有所變化。織物之厚度可根據織物之導熱率而有所變化。在某些非限制性實施例中，織物之厚度可為1-25mm，例如5-20mm或8-16mm。
根據某些非限制性實施例，無機顆粒可包括玻璃顆粒。玻璃顆粒可稱為「玻璃料」或「填充劑」。玻璃顆粒可包括(例如)以下中之一或多者：氧化鋁、氧化鈣、氧化鎂、二氧化矽、氧化鋯、鈉及氧化鈉、氧化鋰、氧化鉀、氧化硼及諸如此類。在某些非限制性實施例中，玻璃顆粒(例如)可不含鉛或包括僅痕量鉛。在某些實施例中，玻璃顆粒可具有1400-2300℉之金屬熱加工範圍，例如，1400-1850℉、1850-2050℉、1850-2100℉或1900-2300℉。用於本揭示內容之實施例中之實例性玻璃顆粒包含以商標名「Oxylub-327」、「Oxylub-811」、「Oxylub-709」及「Oxylub-921」購自Advance Technical Products(Cincinnati,OH)的材料。
根據某些非限制性實施例，無機帶可包括玻璃帶。在某些實施例中，玻璃帶可包括玻璃背襯及黏著劑。玻璃背襯可包括(例如)以下中之一或多者：氧化鋁、氧化鈣、氧化鎂、二氧化矽、氧化鋯、鈉及氧化鈉、氧化鋰、氧化鉀、氧化硼及諸如此類。玻璃背襯可包括玻璃纖維，例如玻璃紗、玻璃織物及玻璃布。玻璃背襯可包括玻璃長絲。在各個非限制性實施例中，玻璃帶可包括玻璃纖維長絲增強之包裝帶。在各個非限制性實施例中，玻璃帶可包括含有玻璃布背襯之黏著劑帶或經玻璃紗或長絲浸漬之帶。在各個非限制性實施例中，玻璃帶可包括經連續玻璃紗增強之聚丙烯背襯。在各個非限制性實施例中，玻璃 帶可具有包含以下之特性：鋼板黏著力為約55盎司/英吋寬度(60N/100mm寬度，根據ASTM測試方法D-3330)；拉伸強度為約300磅/英吋寬度(5250N/100mm寬度，根據ASTM測試方法D-3759)；斷裂伸長率為約4.5%(根據ASTM測試方法D-3759)；及/或總厚度為約6.0密耳(0.15mm，根據ASTM測試方法D-3652)。用於本揭示內容之實施例中之實例性玻璃帶係以商標名SCOTCH®絲帶893購自3M公司(St.Paul,MN)。
根據某些非限制性實施例，以減小熱加工期間之熱破裂之方式處理合金錠或其他合金工件之方法通常可包括將玻璃織物佈置於工件表面的至少一部分上。在某些非限制性實施例中，可將織物佈置於工件表面之大部分上。合金工件之表面可包括(例如)圓周表面及佈置於圓周表面中每一端上之兩個橫向表面。在某些非限制性實施例中，可將織物佈置於圓柱形合金工件之圓周表面的大部分上。在某些非限制性實施例中，可將織物佈置於圓柱形工件之圓周表面上及圓柱形工件之至少一個橫向表面上。在至少一個非限制性實施例中，可將玻璃覆層佈置於圓柱形合金工件之圓周表面之至少一部分上及圓柱形工件之至少一個橫向表面上。在某些非限制性實施例中，可將一種以上玻璃織物(例如兩種、三種或更多種)各自佈置於圓柱形工件表面之至少一部分上及/或圓柱形工件之至少一個橫向表面上。舉例而言，可藉由圍繞圓周工件表面橫向纏繞織物來佈置織物。熟習此項技術者應理解，在某些非限制性實施例中，可使用黏著劑及/或機械緊固件(例如，玻璃帶及捆絲)來將玻璃織物固定於工件上。
在某些非限制性實施例中，處理合金錠或其他合金工件以減小熱加工期間之熱破裂之方法可包括重複以下步驟：將玻璃織物佈置於工件表面之至少一部分上。舉例而言，可圍繞工件將織物纏繞至少一次、兩次、三次、四次或四次以上。在某些非限制性實施例中，可圍 繞工件纏繞織物直至達到預定厚度為止。另一選擇為，可將一種以上之玻璃織物佈置於圓柱形工件中圓周表面之至少一部分上及圓柱形工件中每一橫向表面中之至少一者上直至達到預定厚度為止。舉例而言，預定厚度可為1mm至50mm，例如10mm至40mm。在至少一個非限制性實施例中，該方法可包括將第一玻璃織物佈置於工件表面之至少一部分上及將第二玻璃織物佈置於第一玻璃織物及工件表面之至少一部分中之至少一者上。第一玻璃織物及第二玻璃織物可包括相同或不同無機材料。舉例而言，第一玻璃織物可包括第一E-玻璃覆層且第二玻璃織物可包括第二E-玻璃織物。在一非限制性實施例中，第一玻璃織物可包括E-玻璃覆層且第二玻璃織物可包括陶瓷覆層(例如，KAOWOOL覆層，其係自氧化鋁-二氧化矽耐火黏土產生之材料)。
根據某些非限制性實施例，處理工件以減小熱破裂之方法通常可包括將玻璃顆粒沈積於工件表面之至少一部分上。在某些非限制性實施例中，可將顆粒沈積於工件表面之大部分上。在某些非限制性實施例中，可將顆粒沈積於圓柱形工件之圓周表面上及/或圓柱形工件之至少一個橫向表面上。將顆粒沈積於工件表面上可包括(例如)以下中之一或多者：輥壓、浸泡、噴霧、刷塗及噴灑。該方法可包括在沈積顆粒前將工件加熱至預定溫度。舉例而言，可將工件加熱至鍛造溫度(例如1000℉至2000℉及1500℉)，且在玻璃顆粒床中輥壓以將玻璃顆粒沈積於工件表面上。
根據某些非限制性實施例，處理合金錠或其他合金工件以減小熱破裂之方法通常可包括將玻璃帶佈置於工件表面之至少一部分上。在某些非限制性實施例中，可將帶佈置於工件表面之大部分上。在某些非限制性實施例中，可將該帶佈置於圓柱形工件之圓周表面上及/或工件之至少一個橫向表面上。將該帶佈置於工件表面上可包括(例如)纏繞及捆紮中之一或多者。在各個非限制性實施例中，舉例而言，可 藉由圍繞工件之圓周表面橫向纏繞帶來佈置帶。在某些非限制性實施例中，可藉由將帶黏附於工件表面上來將帶佈置於表面上。在某些非限制性實施例中，可將帶佈置於圓柱形合金工件表面之至少一部分上及/或玻璃覆層之至少一部分上。舉例而言，圖13係呈合金錠形式之合金工件之照片，且該合金工件包含佈置於工件之圓周表面上及工件之相對端或面上的玻璃帶。
在某些非限制性實施例中，處理合金錠或其他合金工件以減小熱破裂之方法可包括：重複將玻璃帶佈置於工件表面之至少一部分上的步驟一或多次。舉例而言，該帶可圍繞工件纏繞至少一次、兩次、三次、四次或四次以上。在至少一個非限制性實施例中，該方法可包括將第一玻璃帶纏繞於工件表面之至少一部分上，及將第二玻璃帶纏繞於第一玻璃帶及工件之未捆紮表面之至少一部分上中的至少一者上。在至少一個非限制性實施例中，該方法可包括將第一玻璃帶捆紮至工件表面之至少一部分上，及將第二玻璃帶捆紮至第一玻璃帶及工件之未捆紮表面之至少一部分中的至少一者上。第一玻璃帶及第二玻璃帶可包括相同或不同無機材料。在某些非限制性實施例中，可將帶佈置於合金工件上直至達到預定厚度為止。另一選擇為，可將一種以上玻璃帶佈置於圓柱形合金錠或其他合金工件之圓周表面之至少一部分上及圓柱形工件中每一橫向表面中之至少一者上直至達到預定厚度為止。預定厚度可(例如)小於1mm至50mm，例如10mm至40mm。
根據某些非限制性實施例，在加熱提供於合金工件上之玻璃材料時，該玻璃材料可在該工件上形成黏性表面塗層。可在爐中加熱上面包括玻璃材料之工件。可選擇玻璃材料之組成以在鍛造溫度下形成黏性表面塗層。舉例而言，可選擇構成玻璃材料之氧化物以提供在預定溫度(例如鍛造溫度)下具有熔點或軟化點之玻璃材料。在另一實例中，可選擇玻璃材料之形式(亦即，纖維、顆粒、帶及其任一組合)以 在預定溫度(例如鍛造溫度)下形成黏性表面塗層。在將提供於工件表面上之玻璃織物(例如)在1900℉至2100℉之溫度下於爐中加熱時，該玻璃材料可在工件上形成黏性表面塗層。在將提供於工件表面上之玻璃顆粒(例如)在1450℉至1550℉之溫度下於爐中加熱時，該玻璃材料可在工件上形成黏性表面塗層。在將提供於工件表面上之玻璃帶(例如)在1900℉至2100℉之溫度下於爐中加熱時，該玻璃材料可在工件上形成黏性表面塗層。
根據某些非限制性實施例，可將提供於合金錠或其他合金工件之表面上之表面塗層描述為黏附性表面塗層。在冷卻黏性表面塗層時，該表面塗層可形成黏附性表面塗層。舉例而言，在將包括黏性表面塗層之工件自爐中取出時，該表面塗層可形成黏附性表面塗層。在表面塗層並不立即流出工件表面時，可將該表面塗層描述為「黏附性」。舉例而言，在各個非限制性實施例中，在將合金錠或其他合金工件自爐中取出時，若表面塗層並不立即流出表面，則該塗層可視為「黏附性」。在另一實例中，在各種非限制性實施例中，當具有縱向軸及圓周表面之合金工件經佈置以便縱向軸垂直定向(例如，相對於水平表面成45°至135°)時，當該工件之圓周表面上之表面塗層並未立即流出圓周表面時，該塗層可視為具有「黏附性」。在將工件自爐中取出時，若表面塗層立即流出工件表面，則可將該表面塗層描述為「非黏附性」表面塗層。
可熱加工合金之溫度範圍可能需考慮到合金開始破裂之溫度及無機材料之組成及形式。在熱加工操作之給定起始溫度下，可在大於其他合金之溫度範圍中有效地熱加工一些合金，此乃因合金開始破裂之溫度有所不同。對於具有相對較小熱加工溫度範圍(亦即，可熱加工合金之最低溫度與開始破裂之溫度間之差值)之合金，無機材料之厚度可相對較大以抑制或防止下伏工件冷卻至開始破裂之脆性溫度範 圍。同樣，對於具有相對較大熱加工溫度範圍之合金，無機材料之厚度可相對較小以抑制或防止下伏合金錠或其他合金工件冷卻至開始破裂之脆性溫度範圍。
根據某些非限制性實施例，處理合金錠或其他合金工件以減小熱破裂之方法通常可包括加熱無機材料以在該工件上形成表面塗層。加熱無機材料可包括(例如)將無機材料加熱至溫度為500-2500℉(例如，500-1500℉、1000-2000℉、1500℉-2000℉或2000-2500℉)以形成表面塗層。在某些非限制性實施例中，可將無機纖維(例如玻璃覆層及玻璃帶)加熱至溫度為2000-2500℉。在某些非限制性實施例中，可將無機顆粒(例如玻璃顆粒)加熱至溫度為1500-2000℉。在某些非限制性實施例中，溫度可大於無機材料之熔點。在某些非限制性實施例中，溫度可大於無機材料之額定溫度。在各個非限制性實施例中，溫度可大於玻璃織物、玻璃顆粒及/或玻璃帶之熔點。在一非限制性實施例中，溫度可大於玻璃覆層之熔點。如熟習此項技術者所理解，無機材料可能並不具有具體熔點且可能其特徵在於「軟化點」。舉例而言，ASTM測試方法C338-93(2008)提供測定玻璃軟化點之標準測試方法。因此，在某些非限制性實施例中，可將無機材料加熱至至少為無機材料之軟化點之溫度。
在某些非限制性實施例中，表面塗層可形成於合金工件表面之至少一部分上。在某些非限制性實施例中，表面塗層可形成於工件表面之大部分上。在某些非限制性實施例中，表面塗層可完全覆蓋工件表面。在某些非限制性實施例中，表面塗層可形成於合金工件之圓周表面上。在某些非限制性實施例中，表面塗層可形成於工件之圓周表面上及工件之至少一個橫向面上。在某些非限制性實施例中，表面塗層可形成於工件之圓周表面上及工件之每一橫向面上。在某些非限制性實施例中，表面塗層可形成於工件表面上不含無機材料之至少一部分 上。舉例而言，可將無機材料沈積於工件表面之一部分上。無機材料可在加熱時熔化。熔化之無機材料可流向工件表面上並未沈積無機材料之一部分上。
可將無機材料沈積至足以在加熱時在上面形成表面塗層之厚度，其中該表面塗層使下伏工件表面與接觸沖模之表面絕緣，由此抑制或防止下伏工件表面冷卻至該下伏工件表面在熱加工期間可能更易於破裂的溫度。在此方式下，較大熱加工溫度通常可偏向於產生較大表面塗層厚度。在某些非限制性實施例中，表面塗層可具有適於減小工件熱損失之厚度。在某些非限制性實施例中，表面塗層可具有0.1mm至2mm之厚度，例如，0.5mm至1.5mm及約1mm。不意欲受限於任一特定理論，表面塗層可減小合金工件之熱損失及/或增加工件在熱加工期間相對於沖模或其他接觸表面之滑動。表面塗層可用作熱障壁來防止工件經由對流、傳導及/或輻射產生之熱損失。在某些非限制性實施例中，表面塗層可減小合金工件之表面摩擦並用作潤滑劑，並由此增加工件在熱加工操作(例如，鍛造及擠壓)期間之滑動。在某些非限制性實施例中，無機材料可沈積至足以在熱加工操作期間潤滑工件之厚度。
根據某些非限制性實施例，處理合金錠或其他合金工件以減小熱破裂之方法通常可包括冷卻包含表面塗層之工件。冷卻工件可包括冷卻表面塗層。在某些非限制性實施例中，冷卻工件可包括空氣冷卻工件。在某些非限制性實施例中，冷卻工件可包括將陶瓷覆層(例如，KAOWOOL覆層)佈置於表面塗層及工件表面之至少一部分中之至少一者上。在某些非限制性實施例中，可將工件表面冷卻至室溫。
根據某些非限制性實施例，處理合金錠或其他合金工件以減小熱破裂之方法通常可包括移除表面塗層之至少一部分及/或工件表面塗層之剩餘部分中之至少一者。在某些非限制性實施例中，該方法可包 括在熱加工後移除表面塗層之一部分及/或藉由熱加工工件形成之產品中表面塗層的剩餘部分中之至少一者。移除表面塗層或剩餘部分可包括(例如)以下中之一或多者：噴砂、研磨、剝離及車削。在某些非限制性實施例中，剝離熱加工工件可包括車床切削。
初始工件形成後但在沈積無機材料及/或隨後熱加工合金工件前，處理合金錠或其他合金工件以減小熱破裂之非限制性方法通常可包括加熱工件及/或處理工件表面。在某些非限制性實施例中，可將合金工件暴露於高溫下以均質化工件之合金組合物及微結構。高溫可高於合金之重結晶溫度但低於合金之熔點溫度。舉例而言，可將工件加熱至鍛造溫度，可在上面沈積無機材料，且可再加熱工件以在上面形成表面塗層。可在沈積無機材料前加熱工件以減小使工件達到鍛造溫度所需之爐內處理時間。可(例如)藉由研磨及/或剝離工件表面來對合金工件進行表面處理。亦可對工件進行噴砂及/或磨光。表面處理操作可在任一可選熱處理步驟(例如，在高溫下均質化)之前及/或之後實施。
根據某些非限制性實施例，處理合金錠或其他合金工件以減小熱破裂之方法通常可包括熱加工工件。熱加工工件可包括向工件施加力以使工件變形。可使用(例如)沖模及/或輥施加力。在某些非限制性實施例中，熱加工工件可包括在1500℉至2500℉之溫度下熱加工該工件。在某些非限制性實施例中，熱加工工件可包括鍛造操作及/或擠壓操作。舉例而言，可將具有沈積於工件表面之至少一個區域上之表面塗層的工件翻轉鍛造及/或拉拽鍛造。在各個非限制性實施例中，該方法可包括在工件上形成表面塗層後藉由鍛造來熱加工工件。在各個非限制性實施例中，該方法可包括在工件上形成表面塗層後藉由在1500℉至2500℉之溫度下鍛造來熱加工工件。在各個非限制性實施例中，該方法可包括在工件上形成表面塗層後藉由擠壓來熱加工工件。 在各個非限制性實施例中，該方法可包括在在工件上形成表面塗層後藉由在1500℉至2500℉之溫度下擠壓來熱加工工件。
鍛粗及鍛細鍛造操作可包括一或多個序列之翻轉鍛造操作及一或多個序列之拉拽鍛造操作。在翻轉操作期間，工件之末端表面可與鍛造沖模接觸，該鍛造沖模向該工件施加力以壓縮工件之長度並增大工件之橫截面。在拉拽操作期間，側表面(例如，圓柱形工件之圓周表面)可與鍛造沖模接觸，該鍛造沖模向該工件施加力以壓縮工件之橫截面並增加工件之長度。
在各個非限制性實施例中，在工件表面之至少一個區域上沈積有表面塗層之合金錠或其他合金工件可經受一或多個鍛粗及鍛細鍛造操作。舉例而言，在三重鍛粗及鍛細鍛造操作中，可首先對工件實施翻轉鍛造且然後實施拉拽鍛造。對於總共三個連續鍛粗及鍛細鍛造操作，可將鍛粗及鍛細序列再重複兩次。在各個非限制性實施例中，在工件表面之至少一個區域上沈積有表面塗層之工件可經受一或多個擠壓操作。舉例而言，在擠壓操作中，可經由圓形沖模來向圓柱形工件施力，由此降低工件之直徑並增加其長度。彼等熟習此項技術者應明瞭其他熱加工技術，且本揭示內容之方法無需過多實驗即可適用於該等其他技術中之一或多者中。
在各個非限制性實施例中，本文所揭示之方法可用於自澆注、固結或噴霧形成錠形式之合金錠來產生鍛造坯段。錠至坯段或其他加工物件之鍛造轉化或擠壓轉化可與先前工件相比在物件中產生較精細之微粒結構。本文所述之方法及過程可改良來自工件之鍛造或擠壓產品(例如，坯段)之良率，此乃因表面塗層可減小在鍛造及/或擠壓操作期間工件發生表面破裂之可能性。舉例而言，據觀察，本揭示內容中提供於工件表面之至少一個區域上之表面塗層可更易於耐受由加工沖模誘導之應變。亦觀察到，本揭示內容中提供於合金工件表面之至少一 部分上之表面塗層亦可更易於在熱加工期間耐受加工沖模與工件間之溫度差。在此方式下，據觀察，本揭示內容之表面塗層可展現零或較小表面破裂，同時防止或減小下伏工件在加工期間之表面裂紋萌生。
在各個非限制性實施例中，可將本揭示內容中具有表面塗層之各種合金之錠或其他工件熱加工以形成可用於製造各種物件之產品。舉例而言，本文所述之過程可用於自以下合金形成坯段：鎳基質合金、鐵基質合金、鎳-鐵基質合金、鈦基質合金、鈦-鎳基質合金、鈷基質合金、鎳基質超合金及其他超合金。自熱加工錠或其他合金工件形成之坯段或其他產品可用於製造包含但不限於渦輪組件之物件，該等渦輪組件係(例如)用於渦輪引擎及各種地面渦輪之圓盤及圓圈。自根據本文所述之各個非限制性實施例處理之合金錠或其他合金工件製得之其他物件可包含但不限於閥、引擎組件、軸及緊固件。
可根據本文中之各個實施例處理之合金工件可呈任一適宜形式。舉例而言，在特定非限制性實施例中，合金工件可包括或呈現以下形式：錠、坯段、桿、板、管、燒結預成型件及諸如此類。
在結合下列代表性實例闡釋時，可更好地理解本文所述之各個非限制性實施例。包含下列實例以用於闡釋目的而非予以限制。
實例1
參照圖2-8，在本揭示內容之某些非限制性實施例中，合金工件可包括圓柱形合金錠。將兩個長度為103/8英吋且寬度為6英吋之呈錠形式之大致圓柱形工件(如圖2中大致所示)在2100℉下熱處理3小時。將每一工件纏繞於KAOWOOL陶瓷覆層中並冷卻。移除KAOWOOL陶瓷覆層。將一個工件纏繞於雙層E-玻璃覆層中，如圖3中所展示。使用捆絲將E-玻璃覆層固定至工件上。將包括ATP-610材料(購自Advanced Technical Products,Cincinnati,OH)之無機漿液刷塗至覆層之外表面上。第二工件並不使用任一材料進行覆蓋。將兩個工件中之 每一者均置於2040℉爐中保持約17小時。然後在一定溫度下將每一工件鍛造成具有5英吋×4.5英吋橫截面之工件。圖4係在鍛造期間包括表面塗層之工件之照片。
圖5繪示在鍛造塗覆及未塗覆工件期間之工件表面溫度及時間。如圖5中所展示，在鍛造期間塗覆工件(「纏繞」)之表面溫度通常比未塗覆工件(「未纏繞」)高約50℃。使用紅外線溫度計量測表面溫度。圖6及7係經鍛造塗覆工件(在兩個照片之左側)及經鍛造未塗覆工件(在兩個照片之右側)之照片。在圖6中，在塗覆工件之表面上可看到表面塗層之固化剩餘部分。而圖7展示藉由噴砂移除塗層之剩餘部分後之塗覆工件。考慮到圖6及7可發現，儘管經鍛造塗覆工件展示一些裂紋，但發生嚴重破裂之可能性遠小於經鍛造未塗覆工件。在藉由捆絲將E-玻璃覆層固定至工件之情形下，經鍛造塗覆工件會發生破裂，且據信，在施加鍛造力時捆絲可向工件施加應力，此可導致形成裂紋。在表面上可看到沒有表面塗層之鍛造工件具有較高破裂敏感性。
實例2
圖8係繪示在鍛造操作期間冷卻三個6英吋直徑合金718錠工件之溫度及時間之圖線。在環境空氣中冷卻每一工件。使用埋入式熱電偶量測每一工件之溫度。在每一工件之下列位置處評價溫度：在工件之中心表面上；在低於工件左側區域之表面0.5英吋處；及低於工件右側區域之表面0.5英吋處。將三個工件中之第一個纏繞於使用捆絲固定至工件上之E-玻璃覆層中。將包括ATP-790材料(購自Advanced Technical Products,Cincinnati,OH)之無機漿液刷塗至E-玻璃覆層之外表面上。將第二工件表面之一部分纏繞於E-玻璃覆層及1英吋厚KAOWOOL陶瓷覆層中。第三工件之左側並未塗覆。將工件加熱至鍛造溫度，且第一及第二工件上之E-玻璃覆層/無機漿液及E-玻璃覆層/ KAOWOOL覆層分別在工件上形成黏附至工件表面之表面塗層。
如圖8中所展示，表面塗層之存在顯著降低了塗覆工件之冷卻速率。據信，降低冷卻速率可減小在鍛造、擠壓或其他熱加工操作期間工件表面發生破裂之可能性。不含表面塗層之工件較包括表面塗層之工件顯著更快地冷卻。未塗覆工件經小於3小時之時間自鍛造溫度(約1950℉)冷卻至300℉至600℉(端視溫度量測位置而定)。圖9係包括E-玻璃覆層/KAOWOOL表面塗層之工件之照片。包括E-玻璃覆層/ATP-790無機漿液表面塗層之工件較包括E-玻璃覆層/陶瓷覆層表面塗層之工件更快地冷卻。包括E-玻璃覆層/ATP-790無機漿液表面之工件經約5小時至6小時之時間自鍛造溫度冷卻至400℉至600℉(端視溫度量測位置而定)。包括E-玻璃覆層/陶瓷覆層表面塗層之工件經超過12小時之時間自鍛造溫度冷卻至400℉至600℉。
實例3
將718Plus®合金(UNS編號：N07818)之大致圓柱形未塗覆錠形式之合金工件自直徑為20英吋熱鍛造至直徑為14英吋。在鍛造操作期間工件產生較大表面裂紋。將鍛造工件車削至12英吋直徑以移除表面裂紋。然後將車削之工件自12英吋熱鍛造至10英吋，且工件之一個末端在鍛造期間發生巨大破裂。然後藉由噴砂對工件進行表面處理且將工件之第一末端自10英吋熱鍛造至6英吋。纏繞E-玻璃覆層並固定至鍛造工件之第二末端，且將工件置於溫度為1950℉之爐中並加熱。E-玻璃覆層在加熱時於第二末端上形成表面塗層。圖10係在自爐中取出工件後部分鍛造且部分塗覆之工件之照片。將包括表面塗層之末端自12英吋鍛造至6英吋，冷卻，且然後噴砂以移除表面塗層。表面塗層在鍛造操作期間黏附至工件之第二末端之表面，從而減小了第二末端之熱損失。圖11係展示在噴砂後工件中經鍛造未塗覆末端(左側照片)及工件中經鍛造塗覆末端(右側照片)之照片。在噴砂後處於經鍛造塗覆 工件表面上之黑色斑點係表面塗層之剩餘部分。自圖11中經鍛造未塗覆工件之照片顯而易見，很可能因鍛造而發生表面破裂。與之相比，自圖11中經鍛造塗覆工件之圖式顯而易見，塗覆工件末端發生破裂之可能性顯著減小(亦即，顯著減小破裂敏感性)。因此，據信，無機塗層在鍛造期間顯著減小了發生表面破裂之可能性。
實例4
將呈1.5英吋直徑之大致圓柱形鈦Ti-6Al-4V合金(UNS編號：R56400)錠形式之合金錠在1500℉溫度之爐中加熱1.5小時。將加熱之工件在包括Oxylub-327材料(購自Advance Technical Products,Cincinnati,OH，其金屬熱加工範圍為1400-1850℉)之玻璃顆粒中輥壓。然後將工件置於爐中再保持30分鐘，且玻璃顆粒在加熱操作期間於工件上形成表面塗層。然後將塗覆工件在三個獨立方向上鍛造三次。圖12係鍛造後之工件照片，且黏附性表面塗層在該照片中顯而易見。表面塗層在鍛造操作期間黏附至工件表面並減小了工件之熱損失。
除非另有所述，否則在本文中所引用之所有文件皆以引用方式併入本文中。對任何文件之引用不應理解為允諾其為關於本發明之先前技術。若本文件中術語之任何意義或定義與以引用方式併入之文件中相同術語之任何意義或定義矛盾，則以本文件中該術語之指定意義或定義為準。
儘管已闡釋並闡述了本發明之特定非限制性實施例，但對於彼等熟習此項技術者而言顯而易見，在不背離本發明精神及範圍之情況下可作出各種其他改變及修改。因而，在隨附申請專利範圍中意欲涵蓋屬於本發明範圍內之所有該等改變及修改。

Claims (22)

  1. 一種處理合金工件之方法，包括：將玻璃纖維織物佈置於合金工件之上；加熱該玻璃纖維織物形成至少一部分熔融黏性表面塗層至合金工件之至少一部分上；及熱加工該合金工件。
  2. 如請求項1之方法，其進一步包括：將玻璃顆粒漿液沈積於該合金工件上之該玻璃纖維織物上；其中該玻璃纖維織物及該玻璃顆粒漿料經加熱以形成該至少一部分熔融黏性表面塗層至該合金工件之至少一部分上。
  3. 如請求項1之方法，其進一步包括：將玻璃帶佈置於該合金工件上之該玻璃纖維織物之至少一部分上；其中該玻璃纖維織物及該玻璃帶經加熱以形成該至少一部分熔融黏性表面塗層至該合金工件之至少一部分上。
  4. 如請求項1之方法，其進一步包括：將陶瓷纖維織物佈置於該合金工件上之該玻璃纖維織物上；及加熱該玻璃纖維織物及該陶瓷纖維織物形成該至少一部分熔融黏性表面塗層至該合金工件之至少一部分上。
  5. 如請求項1之方法，其中將該玻璃纖維織物佈置於該合金工件上包括纏繞該玻璃纖維織物於圓柱形合金工件之圓周表面上。
  6. 如請求項1之方法，其中將該玻璃纖維織物佈置於該合金工件上包括纏繞該玻璃纖維織物於圓柱形合金工件之圓周表面上，且將該玻璃纖維織物佈置於該圓柱形合金工件之至少一末端表面上。
  7. 如請求項1之方法，其中該玻璃纖維織物係經加熱至1000℉至 2200℉之溫度。
  8. 如請求項1之方法，其中在1500℉至2500℉之溫度下開始熱加工該合金工件。
  9. 如請求項1之方法，其進一步包括，該熱加工後，冷卻該合金工件至室溫，且自該合金工件移除至少一部分之該表面塗層。
  10. 如請求項9之方法，其中自該合金工件移除至少一部分之該表面塗層包括噴砂、研磨、剝離及車削該合金工件中之至少一者。
  11. 如請求項1之方法，其中該合金工件包括選自由以下組成之群之合金：鎳基質合金、鎳基質超合金、鐵基質合金、鎳-鐵基質合金、鈦基質合金、鈦-鎳基質合金及鈷基質合金。
  12. 如請求項1之方法，其中該合金工件包括鎳基質超合金。
  13. 如請求項1之方法，其中該合金工件包括鎳基質超合金，且該玻璃纖維織物包括E-玻璃纖維織物。
  14. 如請求項1之方法，其中該合金工件包含錠、坯段、桿、板、管及燒結預成型件之一者。
  15. 如請求項1之方法，其中熱加工該合金工件包括鍛造或擠壓該合金工件。
  16. 一種處理合金工件之方法，包含：將玻璃顆粒漿液沈積於合金工件上；加熱該經沈積玻璃顆粒漿液形成至少一部分熔融黏性表面塗層至該合金工件之至少一部分上；熱加工該合金工件；冷卻該合金工件至室溫；且自該合金工件移除至少一部分之該表面塗層。
  17. 如請求項16之方法，其中：沈積該玻璃顆粒漿液包括噴霧、刷塗、流塗及浸泡中之至少一 者。
  18. 如請求項16之方法，其進一步包括，在沈積該玻璃顆粒漿液前，預加熱該合金工件。
  19. 如請求項16之方法，其中自該合金工件移除至少一部分之該表面塗層包括噴砂、研磨、剝離及車削該合金工件中之至少一者。
  20. 如請求項16之方法，其中該合金工件包括鎳基質超合金。
  21. 如請求項16之方法，其中該合金工件包含錠、坯段、桿、板、管及燒結預成型件之一者。
  22. 如請求項16之方法，其中熱加工該合金工件包括鍛造或擠壓該合金工件。
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