生產性能增強的金屬材料的方法
【技術領域】
[0001]本申請涉及金屬材料的生產，并且更特別地，涉及例如金屬、金屬合金、金屬間化合物以及金屬基體復合材料的性能增強型金屬材料的生產。
【背景技術】
[0002]當與當前狀態的本技術領域的金屬材料相比，本領域對具有顯著增強屬性(例如，屈服強度和極限強度、斷裂韌性、疲勞強度、耐摩擦和環境輔助損傷、機械加工性、可成形性以及可接合性)的金屬材料有一種危急且日益增長的需求。該目標將改善在商業和軍事飛行器、衛星、武器、電子和防御系統、宇宙飛船和發射系統中的組件的成本、運輸以及可靠性。
[0003]例如，燃料成本在例如客機和貨機的商業交通工具的運行中是顯著的經濟因素。因此，飛行器設計人員以及制造人員繼續尋求方法以改善飛行器的總體燃料效率，并且進而減少總體飛行器工作費用。用于增加燃料效率以及增強總體飛行器性能的一種已確立的技術是減少飛行器的結構重量。這可通過使用具有高強度-重量比的材料(例如，鋁、鈦以及鎂合金)設計飛行器的各種結構組件來完成，進而減少了飛行器的總體結構重量，并且因此提高了燃料經濟性。
[0004]納米晶體(NC)和超細粒度(UFG)金屬材料已經顯示出了滿足增強性能的前述目標的希望。它們以實驗室的規模被常規地合成，并且在了解它們的行為的過程中已經獲得重大的進步。但是，由于大量NC/UFG金屬材料的潛力，具體地說，由于它們的非常高的強度帶來的興奮已經被它們的令人失望的低可塑性和韌性減輕，因而限制了 NC/UFG金屬材料的大多數工程應用。此外，在實驗室范圍之外的NC/UFG金屬材料的商業應用穩固地取決于在保留它們的納米晶體和/或超細粒度尺寸的同時使這些材料成為大量的組件的成功壓實和/或熱機械處理。由于NC/UFG金屬材料的不良的熱穩定性導致的晶粒增長嚴重地限制了這種關鍵的處理步驟。
[0005]因此，本領域的技術人員需要開發生成性能增強的金屬材料的生產方法。
【發明內容】
[0006]在一個實施例中，公開了用于從半成品的金屬坯料中生產金屬材料的方法，半成品的金屬坯料包含納米晶體微觀結構和/或超細粒度微觀結構，該方法包含以下步驟:(I)使半成品金屬坯料經受旋轉遞增成形工藝以形成中間鍛造的金屬坯料，和(2)使中間鍛造的金屬坯料經受高速成形工藝。
[0007]在另一個實施例中，公開了用于生產鋁合金的方法，該方法可以包含以下步驟:(I)提供半成品鋁合金坯料，該半成品鋁合金坯料包含納米晶體微觀結構和/或超細粒度微觀結構，(2)使該半成品鋁合金坯料經受旋轉旋鍛過程以形成中間鍛造的鋁合金產品，以及(3)使中間鍛造的鋁合金產品經受高速擠壓過程。
[0008]在又一實施例中，公開了用于生產金屬材料的方法，該方法可以包含以下步驟:(I)提供金屬材料粉末，(2)使金屬材料粉末經受低溫球磨過程以形成具有納米晶體微觀結構和/或超細粒度微觀結構的已低溫球磨的金屬材料粉末，(3)使已低溫球磨的金屬材料粉末經受除氣過程以形成已除氣的金屬材料粉末，(4)使已除氣的金屬材料粉末經受壓實過程(例如，熱等靜壓過程)以形成半成品金屬坯料，該半成品金屬坯料包括納米晶體和/或超細粒度的微觀結構，(5)使半成品金屬坯料經受旋轉遞增成形過程以形成中間鍛造的金屬產品，以及(6)使中間鍛造的金屬產品經受高速成形過程。
[0009]用于生產金屬材料的所公開方法的其他實施例將通過以下【具體實施方式】、附圖以及所附權利要求變得顯然。
【附圖說明】
[0010]圖1是描繪用于生產性能增強的金屬材料的所公開方法的一個實施例的流程圖；
[0011]圖2是描繪用于生產具有納米晶體微觀結構和/或超細粒度微觀結構的半成品金屬坯料的一個示例方法的流程圖；
[0012]圖3是在相同的退火條件中，將示例性超高性能6061鋁合金與傳統6061鋁合金的變形行為和強度相比較的應力與應變曲線的圖示。
【具體實施方式】
[0013]以下【具體實施方式】涉及說明了本公開的具體實施例的附圖。具有不同結構和操作的其他實施例沒有背離本公開的范圍。相同的參考編記可以在不同附圖中指代相同的元件或組件。
[0014]參考圖1，公開了通常被標記為10的用于生產性能增強的金屬材料的方法的一個實施例。方法10可以包含被配置為例如用鍛造的形式生產高性能或超高性能金屬材料(例如金屬產品、金屬合金產品、金屬間化合物產品以及金屬基體復合材料)的一個或多個熱機械過程。
[0015]如在本文使用的，“高性能”指的是當與具有相似成分的傳統微粒狀態的本領域材料相比時，在目標屬性方面20%到50%的提升。“超高性能”指的是當與具有相似成分的傳統微粒狀態的本領域材料相比時，在目標屬性方面至少50 %的提升。
[0016]如在方塊12中顯示的，方法10可以開始于提供半成品金屬坯料的步驟。半成品金屬坯料可以包含納米晶體微觀結構、超細粒度微觀結構或者納米晶體微觀結構以及超細粒度微觀結構。
[0017]半成品金屬坯料可以由各種金屬材料或者金屬的組合構成。例如，半成品金屬坯料可以由鋁、鋁合金、鈦、鈦合金、鐵基合金(如，碳和合金鋼、工具鋼以及不銹鋼)、超級合金(如，镲、镲合金、鈷和鈷合金)、難恪金屬、難恪合金、鎂、鎂合金、銅、銅合金、貴金屬、貴金屬合金、鋅、鋅合金、鋯、鋯合金、鉿、鉿合金、金屬間化合物以及金屬基質復合材料形成或者可以包含鋁、鋁合金、鈦、鈦合金、鐵基合金(如，碳和合金鋼、工具鋼以及不銹鋼)、超級合金(如，镲、镲合金、鈷和鈷合金)、難恪金屬、難恪合金、鎂、鎂合金、銅、銅合金、貴金屬、貴金屬合金、鋅、鋅合金、錯、錯合金、給、給合金、金屬間化合物以及金屬基質復合材料。
[0018]半成品金屬坯料可以由任何合適的方法生產。正如一個通常的示例，半成品金屬坯料可以通過壓實小型納米晶體/超細粒度簇形成。正如另一通常示例，半成品金屬坯料可以通過分解微晶單元形成。具體地但不限于，用于產生半成品金屬坯料的技術包含惰性氣體冷凝；電鍍；機械合金化；低溫球磨；從非晶態金屬材料中結晶；劇烈塑性變形；等離子體合成；化學氣相沉積；物理氣相沉積；噴鍍；脈沖電子束沉積；電火花腐蝕等等。
[0019]如在方塊14處顯示的，半成品金屬坯料(如，半成品鋁合金坯料)可以經受被配置為使半成品金屬坯料定形和/或形成(如減小橫截面面積)中間鍛造的金屬坯料(如，中間鍛造的鋁合金坯料)的旋轉遞增成形過程或操作(如，主要熱機械過程)。旋轉遞增成形過程可以包含旋轉旋鍛過程、旋轉鑄造過程、旋轉沖孔過程、旋轉皮爾格式軋管(rotarypilgering)過程等等。如具體示例，半成品金屬坯料可以經受熱旋轉旋鍛過程，以便產生具有橫截面面積小于半成品金屬坯料的橫截面面積的中間鍛造的金屬坯料。
[0020]旋轉遞增成形過程可以包含一個或多個旋轉遞增成形過程參數，例如旋轉遞增成形過程溫度、旋轉遞增成形過程平均等量應變速率以及旋轉遞增成形過程縮小比。如具體示例，熱旋轉旋鍛過程可以由在旋鍛過程參數(如旋轉遞增成形過程參數)下運行的任何合適的旋轉旋鍛裝置執行。半成品金屬坯料可以在旋鍛溫度下被定形。旋轉旋鍛裝置可以主軸旋轉速度運行，并且半成品金屬坯料可以在旋轉旋鍛裝置的鍛模的每轉(如，一個工作循環)中以減少百分比被減小，并且可以通過旋轉旋鍛裝置(如，旋轉遞增成形過程縮小比)以進給速率(如，進給速度)被處理。通過使用商業購得的旋轉旋鍛機，旋轉旋鍛過程可以被執行。
[0021]在一個實現中，旋轉遞增成形過程溫度(開氏溫度)可以是半成品金屬坯料的熔化溫度Tm(開氏溫度)的函數。作為一個示例，旋轉遞增成形過程溫度可以在從約5° K到半成品金屬坯料的熔化溫度Tm的約20%的范圍內。作為另一個示例，旋轉遞增成形過程溫度可以在從Tm的約20%到Tm的約40%的范圍內。作為另一示例，旋轉遞增成形過程溫度可以在從Tm的約40%到Tm的約60%的范圍內。作為另一示例，旋轉遞增成形過程溫度可以在從Tm的約60%到T M的約90%的范圍內。作為又一示例，旋轉遞增成形過程溫度可以最多為Tm的約90%。
[0022]在一個示例性實施方式中，旋轉遞增成形過程縮小比(如，初始橫截面面積與最終橫截面面積的比率)可以大于10:1。在另一示例實施方式中，旋轉遞增成形過程縮小比可以在從約10:1到約5:1的范圍內。在又一示例實