用于形成和處理合金錠的系統和方法

專利名稱：用于形成和處理合金錠的系統和方法
技術領域：
本發明公開一種用于形成合金錠的系統、設備及工藝。本發明也涉及一種用于加工合金錠的系統、設備及方法。本發明進一步涉及如本文所述形成及加工的合金錠及其它制品。背景金屬合金產品(例如)可使用錠冶金操作制得。錠冶金操作包括熔化合金原料并澆鑄經熔融的材料以形成一錠。錠冶金操作的非限制性實例是“三重熔化(triple melt)”技術，其包括三種熔化操作(I)真空感應熔煉(VIM)，由原料制備所需合金組合物；(2)電 渣精煉(ESR)，其可降低(例如)含氧包合體(inclusion)的含量，及(3)真空電弧重熔(VAR)，其可降低ESR后揮發性合金組份的含量及減少固化期間可發生的組成分離。可熱加工由錠冶金操作形成的合金錠以制造其它合金產品。例如，固化形成合金錠后，該錠經受鍛造和/或擠壓以由該錠形成坯段或其它合金制品。概述本文所公開的實施方案涉及一種用于形成合金錠的工藝。該工藝包括將合金襯墊置于供真空電弧重熔設備使用的坩堝中。將合金電極重熔于真空電弧重熔設備中。使該合金電極真空電弧重熔于該坩堝的合金襯墊中。如此，形成合金錠，其包含冶金結合于內部錠芯的外層。其它實施方案涉及一種用于加工合金錠的方法。該方法包含對合金錠施力以使該合金錠變形。該合金錠包含冶金結合于內部錠芯的外層。該外層包含較包含內部錠芯的該合金更具延展性的合金。該外層降低施力于該合金錠期間該合金錠的表面破裂的發生率。應了解本文所公開及描述的本發明不限于此概述中所公開的實施方案。附圖
簡述經由參照附圖，可更好理解本文所公開及描述的非限制性實施方案的各種特征。圖I是圖不真空電弧重溶(VAR)設備的不意圖；圖2是圖示VAR設備的示意圖，該設備具有置于其坩堝中的合金襯墊；圖3是圖示真空電弧雙電極重熔設備的示意圖，該設備具有置于其坩堝中的合金襯墊；圖4A及4B是具有冶金結合于內部錠芯的外層的圓柱形合金錠的示意圖；|1|4A是該錠的端視圖；圖4B是該錠的透視圖，其顯示該外層經部分移除以露出該內部錠芯的下層表面；圖5A是圖示在合金錠上進行的拉拔鍛造操作的示意圖；圖5B是圖5A所示的錠在鍛造后的橫截面的示意圖；圖5C是圖示在外層冶金結合于內部錠芯的合金錠上進行的拉拔鍛造操作的示意圖；圖是圖5C所示的錠在鍛造后的橫截面的示意圖；圖6A是圖示在合金錠上進行的鐓鍛操作的示意圖；圖6B是圖6A所示的錠在鍛造后的橫截面的示意圖；圖6C是圖示在外層冶金結合于內部錠芯的合金錠上進行的鐓鍛操作的示意圖；圖6D是圖6C所示的錠在鍛造后的橫截面的示意圖7是外層冶金結合于內部錠芯的錠的宏觀蝕刻截面的照片，其顯示該錠的內部宏觀結構；圖8A是圖7所示的錠的外層的光學顯微照片；圖SB是圖7所示的錠的內部錠芯在外層與內部錠芯之間的接口內所取得的光學顯微照片；圖8(是圖7所示的錠的內部錠芯在該錠內部的中心半徑位置所取得的光學顯微照片；圖80是圖7所示的錠的外層與內部錠芯之間的接口的光學顯微照片；及圖9是圖7與圖8A-8D所示的錠的外層與內部錠芯之間的接口的SEM顯微照片。考慮以下根據本發明的各種非限制性實施方案的詳細描述時，讀者將會意識到下述細節以及其它細節。于實施或利用本文所述的實 施方案時，讀者也可理解額外細節。非限制性實施方案的詳述應了解，已簡化本文所公開的實施方案的各種描述以僅闡述與明確了解所公開實施方案有關的那些特征、方面、特性等，而為了明晰的目的消除其它特征、方面、特性等。本領域普通技術人員于考慮本發明所公開的實施方案的描述時，將認識到在特定實施或應用所公開的實施方案中，其它特征、方面、特性等是可取的。然而，由于本領域普通技術人員于考慮本發明公開的實施方案描述時可輕易確定及實施此類其它特征、方面、特性等，故其等并非為全面了解所公開的實施方案所需要的，因此本文不提供此類特征、方面、特性等的描述。如此，應了解，本文所闡明的描述僅是示例性的并且說明所公開的實施方案，而非意欲限制如單獨通過權利要求所界定的本發明的范圍。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是以術語“約”開始或被其修飾。因此，除另指明為相反外，闡明于以下描述的任何數字參數可依根據本發明實施方案中設法獲得的所期望性質而變化。至少且并非試圖限制等同于權利要求的教義的應用，本發明所述的各數字參數應至少鑒于所記錄的有效數字及通過應用一般舍入技術而理解。此外,本文所述的任何數字范圍意欲包括本文中所包含的所有子范圍。例如,“I至10”的范圍意欲包括介于所述最小值I及所述最大值10之間(及包括兩者)的所有子范圍，即具有等于或大于I的最小值及等于或小于10的最大值。本文所述的任何最大數字限制意欲包括其中所包含的所有較低數字限制并且本文所述的任何最小數字限制意欲包括其中所包含的所有較高數字限制。因此，申請人保有修改本發明(包括權利要求)的權利以明確陳述包含于本文所明確陳述的范圍內的任何子范圍。確定所有此類范圍為本文所固有公開以使修改至明確陳述任何此類子范圍將遵守35U. S. C. § 112第一段及35U.
S.C. § 132(a)的要求。除另有指明外，如本文所用的語法冠詞“一(one)”、“一(a)”、“一(an)”和“該(the)”意欲包括“至少一”或“一或多”。因此，本文所用冠詞是指一個或多于一個(即至少一個)的冠詞語法對象。舉例而言，“一組件”意指一或多個組件，因此可考慮多于一個組件及多于一個組件可應用于或用于實施所述的實施方案。除另有指明外，據說以引用的方式并入本文中的任何專利、公布或其它公開材料是以整體并入本文中，但僅至所并入的材料不與本發明中明確闡明的既有定義、陳述或其它公開材料相沖突的程度。如此及至所需程度，如本文所闡明的表述內容替代以引用方式并入本文中的任何沖突材料。據說以引用的方式并入本文中但與本發明中明確闡明的既有定義、陳述或其它公開材料相沖突的任何材料或其部分是僅以在所并入的材料及既有公開內容之間無沖突出現的程度并入。申請人保有修改本發明以明確陳述以引用方式并入本文中的任何主題或其部分的權利。本發明包括各種非限制性實例的描述。應了解本文所述的所有實施方案是例示性、說明性且非限制性。因此，本發明不受限于各種例示性、說明性及非限制性實例的描述。相反，本發明僅受權利要求所界定，該權利要求可經修改以陳述本發明中明確或固有描述或另外通過本發明明確或固有支持的任何特征。因此，任何此類修改將遵守35U. S. C. §112 第一段及 35 U. S. C. § 132(a)的要求。本文所公開及描述的各種非限制性實施方案可包括如本文不同描述的特征、方面、特性、限制等，由其組成或基本上由其組成。本文所公開及描述的各種非限制性實施方案也可包含本領域已知或于實踐中實施時另外歸入各種非限制性實施方案的額外或可選用特征、方面、特性、限制等。各種合金的特征為破裂敏感性(crack sensitive)。在加工操作期間,破裂敏感性 合金易形成裂紋。例如在用于由破裂敏感性合金錠制造合金制品的熱加工操作期間，破裂敏感性合金錠(例如)可形成裂紋。例如，利用鍛造轉化，可由合金錠形成合金坯段。利用擠壓或其它加工操作，可由合金坯段或合金錠形成其它合金制品。由于在熱加工期間(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，由破裂敏感性合金錠形成合金制品的生產率較低。產率可因需要自經加工的錠磨去或以其它方式移去表面裂紋而降低。如本文所用，術語“熱加工”是指在大于環境溫度的溫度下對工件施力，其中所施加力使該工件塑性變形。在諸如(例如)鍛造或擠壓的熱加工操作期間，由于合金錠表面因熱損失至周圍空氣而冷卻，故形成天然溫度梯度。另外，經受加工操作的合金錠的溫度可大于用于機械施力于錠表面的模具的溫度。介于錠表面與錠內部分之間所產生的熱梯度偏移可促進熱加工期間該錠的表面破裂，尤其是由破裂敏感性合金形成的錠，諸如(例如)鎳基、鐵基、鎳-鐵基及鈷基合金及超合金。一個減少熱加工期間合金錠表面上的裂紋形成的方法是在熱加工前將合金錠置入合金罐中。在圓柱形錠的情況下，例如合金罐的內徑略大于合金錠的外徑，由此允許錠插入該罐中。該罐松弛地包圍該錠，利用空氣間隙及輻射包體提供保溫。在加工操作期間，模具與至少部分包圍內部錠的外罐接觸。如此，罐可熱絕緣及機械保護經至少部分包圍的錠的表面，此可降低加工期間錠的表面破裂的發生。錠裝罐操作可引起各種缺點。罐外表面及加工模具間的機械接觸可使罐破裂。例如，在鐓鍛及拉拔鍛造裝罐錠期間，罐可于拉拔操作期間分裂。在這種情況下，在多次鐓鍛及拉拔鍛造操作的每次鐓鍛及拉拔循環之間錠必須重新罐裝，此增加工藝的復雜性及費用。此外，在加工操作期間，罐因視覺監控裝罐錠表面的裂紋及其它加工引起的缺陷而傷害操作員。本文所公開的實施方案涉及一種用于形成合金錠的工藝及一種用于加工合金錠的方法。在各種非限制性實施方案中，一種用于形成合金錠的工藝可包括將合金襯墊置于供真空電弧重熔(VAR)設備使用的坩堝中。合金電極可真空電弧重熔于真空電弧重熔設備中。該合金電極可真空電弧重熔于該坩堝的合金襯墊中。如此，可形成合金錠，其包含冶金結合于內部錠芯的外層。該外層包含最初包含襯墊(襯墊合金)的合金。內部錠芯包含最初包含VAR電極(電極合金)的合金。真空電弧重熔用于改良清潔度及精煉合金錠結構的錠冶金操作。在VAR操作中，待重熔的合金錠可稱為合金電極。例如利用大氣熔煉(例如在電弧爐(EAF))、真空熔煉(例如真空感應熔煉(VIM))、電渣精煉(ESR)、爐床熔化方法、噴涂成形法和/或其它熔化澆鑄或錠形成操作可形成待熔于VAR操作中的合金電極。VAR可包括可消耗性合金電極通過低于真空的電弧連續重熔。直流(DC)電源可電連接于合金電極及VAR設備中的坩堝的底板。DC電源在合金電極的自由端及坩堝底板間擊出一電弧。經由電弧釋放的能量所產生的熱量熔化電極的自由端。VAR通常述于(例如)Donachie等人的Superalloys: A TechnicalGuide, ASM International, 2002中，其引用的方式并入本文中。圖I是說明VAR設備10的非限制性實施方案的示意圖。VAR設備10包括具有底 板14的坩堝12。坩堝12通過水夾套16水冷卻。水夾套16包括允許水流經坩堝12的外表面的進水口及出水口。流經坩堝12的水移去坩堝12的熱量，其接著自坩堝12內的熔融合金池42移去熱量，因此有助于將熔融合金池42固化成真空電弧重熔錠40。真空電弧重熔錠40通過坩堝12的內表面模制而成。流經坩堝12的水也移除錠40的熱量。坩堝12與VAR頭20緊密配合以形成密封爐室22。VAR頭20包括真空口 24，其允許將爐室22內抽至真空。合金電極30的一末端是連接于延伸入VAR設備10的爐室22中的撞錘32。撞錘32驅使電極30的自由端進入坩堝12的開放容積中。當合金電極30熔化并且熔融合金36經由電極弧隙46落入錠40的上表面的熔融合金池42中時，撞錘32使合金電極30垂直置于坩堝12中。如此，撞錘32可朝著底板14前進移動合金電極30并維持操作耐受度內的相對恒定電極弧隙46。撞錘32可移動地放置穿過VAR頭20中的密封開口 38以使VAR操作期間可維持爐室22內的真空。由于經由最初形成于電極30的自由端與坩堝底板14之間的電弧釋放能量所產生的熱量，故合金電極30熔化。電極30及底板14電連接于電源26。經由電極弧隙46電弧最初形成于電極30的自由端與底板14之間。熔融合金覆蓋底板14并開始填充坩堝12內的開放容積后，撞錘32的垂直定位作用維持電極弧隙46與電極30的自由端與固化錠40之間所形成的電弧。圖2是說明VAR設備50的非限制性實施方案的示意圖。VAR設備50包括具有底板54的坩堝52。合金襯墊90置于坩堝52中。雖然圖2顯示合金襯墊90在兩個相對末端處為開放，但在各種替代實施方案中，合金襯墊在位于VAR設備底板鄰近的末端處為部分或完全封閉。坩堝52通過水夾套56水冷卻。水夾套56包括允許水流經坩堝52的外表面的進水口及出水口。流經坩堝52的水移去坩堝52的熱量，其接著自合金襯墊90及合金襯墊90內的熔融合金池82移去熱量，因此有助于將熔融合金池82固化成真空電弧重熔內部錠芯80。如此，形成合金錠，其包含冶金結合于內部錠芯的外層。外層包含最初包含合金襯墊90的材料及內部錠芯包含最初包含合金電極70的材料。坩堝52與VAR頭60緊密配合以形成密封爐室62。VAR頭60包括真空口 64，其允許將爐室62內抽至真空。合金電極70的一末端是連接于VAR設備50中的撞錘72。撞錘72驅使電極70的自由端進入合金襯墊90內的開放空間中。當合金電極70熔化并且熔融合金76穿過電極弧隙86滴入熔融合金池82中時，撞錘72垂直定位合金電極70于合金襯墊90中。如此，可控制撞錘72以維持操作耐受度內的相對恒定電極弧隙86。撞錘72可移動地放置穿過VAR頭60中的密封開口 78以使VAR操作期間可維持爐室62內的真空。由于經由最初形成于電極70的自由端與坩堝底板54之間的電弧釋放能量所產生的熱量，故合金電極70熔化。電極70及底板54電連接于電源66。經由電極弧隙，電弧最初形成于電極70的自由端與底板54之間。熔融合金覆蓋坩堝的底板54并開始填充合金襯墊90內的容積后，撞錘72的垂直定位作用維持電極弧隙86與電極70的自由端與固化錠80之間形成的電弧。如此，合金電極70可真空電弧重熔于合金襯墊90中，其位于真空電弧重熔設備50中的坩堝52中。
如本文所用，術語“真空電弧重熔”及“VAR”包括VAR的變體，諸如(例如)真空電弧雙電極重熔(VADER)。圖3是說明包含VADER設備的VAR設備150的非限制性實施方案的示意圖。VAR設備150包括具有底板154的坩堝152。合金襯墊190置于坩堝152中。雖然圖3顯不在兩個相對末端處為開放的合金襯墊190,但在各種替代實施方案中,合金襯墊在位于VAR設備的底板鄰近末端處可部分或完全封閉。坩堝152通過水夾套156水冷卻。水夾套156包括允許水流經坩堝152的外表面的進水口及出水口。流經坩堝152的水移去坩堝152的熱量，其接著自合金襯墊190及合金襯墊190內的熔融合金池182移去熱量，因此有助于將熔融合金池182固化成真空電弧雙電極重熔內部錠芯180。如此，形成合金錠，其包含冶金結合于內部錠芯的外層。外層包含最初包含合金襯墊190的材料并且內部錠芯包含最初包含兩個合金電極170的材料。坩堝152與VAR頭160緊密配合以形成密封爐室162。VAR頭160包括真空口 164，其允許將爐室162內抽至真空。各合金電極170的一末端是連接于VAR設備150中的撞錘172。撞錘172驅使電極170的自由端朝向彼此以維持電極弧隙186。當合金電極170熔化并且熔融合金176滴入熔融合金池182中時，撞錘172相對彼此水平放置合金電極170。如此，可控制撞錘172以維持操作耐受度內的相對恒定電極弧隙186。由于經由各電極170的自由端間形成的電弧釋放能量所產生熱量，故合金電極170熔化。該電極170電連接于電源(未顯示)。經由電極弧隙186，電弧形成于電極170的自由端間。撞錘172的水平定位作用維持電極弧隙186和于電極170的自由端之間形成的電弧。如此，合金電極170可真空電弧重熔于合金襯墊190中，其位于VAR設備150的坩堝152中。在各種非限制性實施方案中，一種用于形成合金錠的工藝可包括真空電弧重熔工藝。真空電弧重熔工藝可包括將合金襯墊置于真空電弧重熔設備的坩堝中。至少一合金電極可真空電弧重熔于該真空電弧重熔設備的該坩堝中所放置的合金襯墊里。當熔化電極合金液滴自合金電極熔化至位于合金襯墊內的熔池中，熱量可部分熔化鄰近熔池區域的合金襯墊。當熔融電極合金及至少經部分熔化的襯墊合金固化于坩堝內時，合金襯墊及經固化的電極合金熔融并冶金結合，由此形成包含冶金結合于內部錠芯的外層的合金錠。錠的外層包含襯墊合金。錠的內部錠芯包含電極合金。圖4A與4B是根據本文所述的各種非限制性實施方案形成的合金錠200的示意圖。合金錠200包含冶金結合于內部錠芯203的外層202。介于外層202與內部錠芯203之間的接口 205包含形成于包含外層202的襯墊合金與包含內部錠芯203的電極合金之間
的金屬結合。在各種非限制性實施方案中，金屬結合可包含襯墊合金(包含外層202)與電極合金(包含內部錠芯203)的內金屬熔融或聚結。例如，當合金電極重熔于合金襯墊中時，熔融電極合金可熔融至合金襯墊的內表面，由此形成外層(包含襯墊合金)與內部錠芯(包含電極合金)間的冶金結合界面。通過熔融電極合金所攜載的熱能可至少部分熔化合金襯墊的內表面，其可與熔融電極合金部分聚結，由此于固化時形成外層與內部錠芯之間的冶金結合接口。在各種非限制性實施方案中，金屬結合可包含合金梯度區域，其中錠的組成沿電極合金組成至襯墊合金組成的梯度轉變。由于在合金梯度區域中混合電極合金與襯墊合金，故形成合金梯度。當合金電極熔融于合金襯墊中時，經熔融的電極合金至少部分與至少一部分經熔融的襯墊合金混合,經熔融的襯墊合金由于熔入合金襯墊內的熔池的熔化電極 合金液滴的熱能而可至少部分熔化。如此，可形成錠，其包含由襯墊合金形成的外層，由電極合金形成的內部錠芯及由電極合金與襯墊合金的混合物形成的合金梯度區域，其特征為該混合物自電極合金轉變為合金梯度區域內的襯墊合金。在各種實施方案中，夕卜層(包括襯墊合金)與內部錠芯(包含電極合金)并未冶金結合在一起。例如，若襯墊合金的熔點溫度遠高于電極合金的熔點溫度，則經熔融的電極合金將于合金襯墊內部固化而不使合金襯墊熔化或另外熔融至經固化的內部錠芯。如此，合金襯墊發揮作為模具的作用，其中電極合金固化于物理上與外層結合而非冶金結合于外層的內部錠芯中。在冶金結合的實施方案中，襯墊合金與電極合金的聚結或摻合程度及接著介于外層與內部錠芯間的接口區域的體積可(例如)通過選擇具有指定熔點溫度的相應合金控制。例如，若襯墊合金的熔點溫度足夠高于電極合金的熔點溫度，則經熔融的電極合金將冶金熔融于合金襯墊的內表面，產生相對小的接口區域。然而，若襯墊合金的熔點溫度遠低于電極合金的熔點溫度，則合金襯墊可完全融化并與經熔融的電極合金混合。由于其可明顯改變所得錠的內部錠芯的化學作用，可能產生不合規格的電極合金，故此可以是不需要的。在各種非限制性實施方案中，針對既定電極合金選擇襯墊合金，該電極合金在外層與內部錠芯之間形成強烈冶金結合，但與經熔融的電極合金接觸時，其也不會過度熔融。如此，包含內部錠芯的合金可保持于規格內。在各種非限制性實施方案中，電極合金(其隨后包含內部錠芯)可包含破裂敏感性合金。例如，各種鎳基、鐵基、鎳-鐵基及鈷基合金及超合金可以是破裂敏感性的，尤其于熱加工操作期間。合金電極可由此類破裂敏感性合金及超合金形成。破裂敏感性金電極可由合金或超合金，包括(但不限于)合金718、合金720、Rene 41 、Rene 88 合金、Waspaioy' 合金及丨nconei(g) 100合金形成。本文所述的實施方案通常適用于任何合金，此類合金的特征為在熱加工溫度下的相對低延展性。如本文所用，術語“合金”包括常規合金及超合金，其中超合金在高溫下展現相對良好的表面穩定性、抗腐蝕及氧化能力、高強度及高抗蠕變性。襯墊合金(隨后包含外層)可在欲使用的特定加工溫度下比電極合金(及隨后下層內部錠芯)更具延展性和/或可鍛造的合金。襯墊合金可在熱加工所形成的錠時所使用的特定加工溫度下比包含合金電極(及下層內部錠芯)的合金展現更大的韌性和/或更小硬度的合金。在各種非限制性實施方案中，外層隔離下層內部錠芯免于暴露于環境空氣和/或與熱加工模具表面接觸，由此防止下層內部錠芯冷卻至包含內部錠芯的電極合金在熱加工期間變脆及更輕易破裂的溫度。襯墊合金(及外層)可包含抗氧化的合金。在各種非限制性實施方案中，在熱加工期間或其它情況，外層不氧化至可感知程度。外層可包含展現相對高剛性(例如相對低彈性模數)的合金。在各種非限制性實施方案中，在熱加工期間，外層實質上不變薄(例如，通過一或多個模具施力將使相對低剛性的合金在下層內部錠芯上變薄)。在各種非限制性實施方案中，包含合金襯墊(及外層)的合金及包含合金電極(及下層內部錠芯)的合金可包含相同的基底金屬。例如，如果合金電極(及內部錠芯)包含鎳基合金或超合金(例如，合金718、合金720、Rene 88 合金、或Waspaloy_ 合金)，則合金襯墊(及外層)也可包含鎳基合金，諸如(例如)合金625。 在各種非限制性實施方案中，包含合金襯墊(及外層)的合金及包含合金電極(及下層內部錠芯)的合金可包含不同的基底金屬。例如，如果合金電極(及內部錠芯)包含鎳基合金或超合金(例如，合金718、合金720、Rene 88 合金、或\Vaspaloy_ 合金)，則合金襯墊(及外層)可包含鐵基合金，諸如(例如)304型不銹鋼。可選擇合金襯墊的壁厚度以使可形成具有足以保護下層內部錠芯免于接觸模具表面的厚度的外層，由此防止下層內部錠芯冷卻至下層表面在熱加工期間可更輕易破裂的溫度。如此，更大的熱加工溫度通常與更大的外層厚度有關。在各種非限制性實施方案中，合金襯墊可具有O. 25英寸至O. 5英寸的壁厚度。利用錠冶金操作或粉末冶金操作可形成合金電極。例如，在各種非限制性實施方案中，通過VM可形成合金電極。在各種非限制性實施方案中，通過VM-ESR可形成合金電極。如此，根據各種非限制性實施方案的三重熔化工藝可包含VM-ESR-VAR，其特征為VAR操作包括將合金電極(或VADER操作中的兩個電極)熔于位于VAR設備的坩堝的合金襯墊中。在各種非限制性實施方案中，粉末冶金操作可包括霧化熔融合金和收集及固結經固化的冶金粉末成電極。粉末冶金操作的非限制性實施方案包括以下步驟(I)VIM由原料制備所需合金組合物；(2)將熔融合金霧化成熔融合金液滴，其固化為合金粉末；(3)任選地篩分合金粉末以減少包合體；(4)裝罐及脫氣適量的合金粉末 '及(5)壓縮合金粉末以固結合金粉末成合金電極。在各種非限制性實施方案中，末端層可沉積于具有冶金結合于內部錠芯的外層的合金錠的至少一末端上。例如，在將圓柱形合金電極重熔成管狀合金襯墊以形成包含冶金結合于內部錠芯的外層的圓柱形合金錠后，內部錠芯可保持暴露于圓柱形錠的相對末端的一或兩者上。合金材料的層可沉積于錠的相對末端的一或兩者上的所暴露內部錠芯的至少一部分上。如此，圓柱形錠的內部錠芯可包含于外部圓周層內及圓柱形錠的一或兩個末端上的一或多個末端層內。在各種非限制性實施方案中，末端層可沉積并且冶金結合于合金錠的相對末端的一或兩者上。例如，合金末端層可以焊縫沉積物形式沉積于錠的末端表面上。利用焊接操作，包括(但不限于)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可將焊縫沉積物冶金結合于合金的末端表面的至少一區域。
合金末端層可包含在欲使用的特定加工溫度下比下層內部錠芯的合金更具延展性和/或可鍛造的合金材料。合金末端層可包含在欲使用的特定加工溫度下展現比下層內部錠芯的合金更大的韌性和/或更小硬度的合金材料。在各種非限制性實施方案中，合金末端層隔離內部錠芯的下層表面與接觸模具的表面，由此防止下層表面冷卻至該表面在熱加工期間變脆及可更輕易破裂的溫度。合金末端層可包含抗氧化的合金材料。在各種非限制性實施方案中，合金末端層在熱加工期間或其它情況下不氧化。合金末端層可包含展現相對高剛性(例如相對低彈性模數)的合金材料。在各種非限制性實施方案中，在熱加工期間，合金末端層實質上不變薄(例如，通過一或多個模具施力將使相對低剛性的金屬材料在下層內部錠芯上變薄)。在各種非限制性實施方案中，形成末端層的合金材料及形成下層內部錠芯的合金可包含相同的基底金屬。例如，若內部錠芯包含鎳基合金或超合金(例如，合金718、合金720、Rene 88 合金或Waspaloy⑨合金)，則末端層的合金材料也可包含鎳基合金,諸、如(例如)鎳基焊接合金(例如，從Techalloy Company/Central Wire可得的Techalloy606TM合金)。合金末端層可沉積至足以隔離內部錠芯的下層表面與接觸模具的表面的厚度，由此防止下層表面冷卻至該下層表面在熱加工期間可更輕易破裂的溫度。如此，更大的熱加工溫度通常可與更大的金屬材料層厚度有關。在各種非限制性實施方案中，在合金錠的表面的至少一區域上，金屬材料層可沉積至O. 25英寸至O. 5英寸的厚度。在各種非限制性實施方案中，形成冶金結合于內部錠芯的末端層的合金材料及形成冶金結合于該內部錠芯的外圓周層的合金材料可包含相同基底金屬。在各種非限制性實施方案中，形成冶金結合于內部錠芯的末端層的合金材料及形成冶金結合于該內部錠芯的外圓周層的合金材料是相同合金。在各種非限制性實施方案中，形成冶金結合于內部錠芯的末端層的合金材料及形成冶金結合于該內部錠芯的外圓周層的合金材料是不同合金。在各種非限制性實施方案中，形成冶金結合于內部錠芯的末端層的合金材料及形成冶金結合于該內部錠芯的外圓周層的合金材料包含不同基底金屬。在形成包含冶金結合于內部錠芯(及任選的，冶金結合于該內部錠芯的相對末端的一或兩個末端層)的外層的錠后，可熱處理合金錠。例如，在各種非限制性實施方案中，可使合金錠暴露于高溫中以均勻化該內部錠芯的合金組成及微結構。高溫可高于包含內部錠芯的合金的再結晶溫度，但低于包含外層與內部錠芯的合金的熔點溫度。在各種實施方案中，包含冶金結合于內部錠芯的外層(及任選的，冶金結合于該內部錠芯的相對末端的一或兩個末端層)的錠于均勻化或其它熱處理期間或之后不展現外層(和/或一或兩個末端層)與內部錠芯的任何脫結合。本文所公開的各種非限制性實施方案也涉及錠加工方法及熱加工工藝，其特征為降低熱加工操作期間合金錠的表面破裂的發生率。在各種非限制性實施方案中，所述方法及工藝可包括形成具有冶金結合于內部錠芯的外層的合金錠。外層可包含比可包含內部錠芯的合金更具延展性的合金。外層可降低在施力于合金錠期間該合金錠的表面破裂的發生率。在各種非限制性實施方案中，通過對合金錠施加力可熱加工合金錠。可將力施加于合金錠的外層。所施加的力可使合金錠變形。在各種非限制性實施方案中，一種熱加工操作可包括鍛造操作和/或擠壓操作。例如，可鐓鍛和/或拉拔鍛造包括冶金結合于內部錠芯的外層的合金錠。
鐓鍛及拉拔鍛造操作可包含鐓鍛操作的一或多個次序及拉拔鍛造操作的一或多個次序。在鐓鍛操作期間，錠的末端表面可與施力于錠(壓縮錠的長度及增加錠的橫截面)的鍛模接觸。在拉拔操作期間，側面(例如，圓柱形錠的圓周表面)可與施力于錠(壓縮錠的橫截面及增加錠的長度)的鍛模接觸。圖5A及5C圖示拉拔鍛造操作。鍛模280/280’施力于錠220/220’。通常垂直于錠220/220’的長軸201/201’(如箭頭285/285’所示)施力。鍛模280/280’通常沿著錠220/220’的全長，通常通過平行于錠220/220’的長軸201/201’(如箭頭287/287’所示)移動而施力于錠220/220’。圖5A顯示無外層的錠220。錠220的圓周表面與鍛模280接觸(圖5A)。圖6C顯示錠220’，其具有冶金結合于內部錠芯223’的外層222。錠220’的外層222與鍛模280’接觸(圖5C)。圖5B及分別圖示如于圖5A與5C中所述的拉拔鍛造后錠220與220’的模具接觸表面。如圖5B所示，錠220的模具接觸表面290展現表面破裂。如圖所示，包括冶金結合于內部錠芯223的外層222的錠220’的模具接觸表面290’不展現表面破裂。相對于另外缺少此外層的相同鍛造合金錠，外層222降低鍛造合金錠中表面破裂的發生率。 圖6A及6C圖示鐓鍛操作。鍛模380/380’施力于錠320/320’的相對末端。如箭頭385/385’所示，通常平行于錠320/320’的長軸301/301’施力。圖6A顯示無外層的錠320。錠320的末端與鍛模380接觸(圖6A)。圖6C顯示包括冶金結合于內部錠芯323的外層322的錠320’。外層322沿著內部錠芯323的圓周表面冶金結合于通常為圓柱形的內部錠芯323。外層322也冶金結合于內部錠芯323的相對末端。外層322與鍛模380’接觸(圖 6C)。圖6B及6D分別圖示如于圖6A與6C中所述的鐓鍛鍛造后錠320與320’中的每一個的模具接觸表面。如圖6B所示，錠320的模具接觸表面390展現表面破裂。如圖6D所示，包括冶金結合于內部錠芯323的外層322的錠320’的模具接觸表面390’不展現表面破裂。相對于另外缺少此外層的相同鍛造合金錠，外層322降低鍛造合金錠中表面破裂的發生率。在各種非限制性實施方案中，具有冶金結合于內部錠芯的外層的合金錠可經受一或多個鐓鍛及拉拔鍛造操作。例如，在三重鐓鍛及拉拔鍛造操作中，先鐓鍛，然后拉拔鍛造錠。對于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復兩次。錠的一或多個模具接觸表面可具有冶金結合于內部錠芯的外層。在各種非限制性實施方案中，具有冶金結合于內部錠芯的外層的錠可經受一或多個擠壓操作。例如，在擠壓操作中，圓柱形錠可經圓柱形模具施力，由此減小錠的直徑及增加錠的長度。錠的一或多個模具接觸表面可具有冶金結合于內部錠芯的外層。在各種非限制性實施方案中，本文所述方法及工藝用于由包含冶金結合于內部錠芯的外層的錠制造鍛造坯段。將錠的鍛造轉化或擠壓轉化為坯段或其它加工制品相較于鍛造或擠壓轉化前的制品可使制品產生更精細的顆粒結構。由于外層可降低鍛造和/或擠壓操作期間錠的表面破裂的發生率，故本文所述的方法及工藝可提高由合金錠產生鍛造或擠壓產品(諸如(例如)坯段)的產量。例如，包含冶金結合于相對延展性較小的合金內部錠芯的相對延展性較高的合金外層的制品可比另外缺少相對延展性較高的合金外層的相同制品更輕易忍受加工模具所引起的應變。冶金結合于內部錠芯的外層也可更輕易忍受熱加工期間周圍空氣與錠之間和/或加工模具與錠之間的溫差。如此，在加工對象期間，外層可展現零或微小表面破裂，同時可在加工期間可于下層內部錠芯中防止或減少表面開始破
ο在各種非限制性實施方案中，熱加工后，可自熱加工期間由錠形成的產品中移除至少一部分外層。例如，研磨、剝離和/或其它車削操作可用于移除外層的至少一部分。在各種非限制性實施方案中，通過剝離(車削車床加工)和/或研磨坯段和/或利用其它適宜技術自坯段(由加工錠所形成)移除至少一部分外層。在各種非限制性實施方案中，可熱加工具有外層的錠以形成可用于制造各種制品的產品。例如，本文所述工藝可用于形成鎳基、鐵基、鎳-鐵基或鈷基合金或超合金坯段。由熱加工錠所形成的坯段或其它產品可用于制造制品，包括(但不限于)渦輪組件，諸如(例如)渦輪發動機的圓盤及環狀物及各種地基渦輪。由根據本文所述的各種非限制性實施方案加工的錠所制造的其它對象可包括(但不限于)閥、發動機組件、軸及緊固件。
以下說明性及非限制性實施例意欲進一步描述各種非限制性實施方案而不限制實施方案的范圍。本領域普通技術人員將了解實施例的變體可在如通過權利要求單獨界定的本發明范圍內。除非另作說明，所有分數及百分比均以重量計。
實施例實施例I形成包含冶金結合于內部錠芯的外層的圓柱形錠。形成包含合金625鎳基合金(UNS06625)的圓柱形合金襯墊。合金625具有如表I中所提供的標稱化學規格。
......涵.......衙——運——^..........■-I.........己。........j—fe—I——j-—〒丨-—.^I—.....1廠~———-———......-.......................................................:——;..........函—~liT~ —-— ——I—I-O—'I——-——:——·Os
L%—0-10—I—聽.........I—0-50—I—.0:015—I—0:0了5—i.........23-0——:――I—1-Q—f.........5-0—I........1^0—!—0-40...... ι 0.40 Γ 4.1 S表I合金625管的6英寸截面(5. 9375英寸0DX4. 5945英寸ID)用于形成合金襯墊。將6英寸截面機器加工成5. 625英寸OD以形成約O. 50-0. 52英寸的壁厚度。合金襯墊的重量為約14. 751bs0合金襯墊置于銅VAR坩堝內。坩堝及合金襯墊套組置于VAR設備內并固定于坩堝底板。合金718鎳基合金電極也置于VAR設備內并固定于撞錘。合金718具有如表2中所提供的標稱化學規格。
IWW..............................I..................C.................I.............MfTl..................Si...................I.......................S........................j........................P.......................I................Cr..............丨.................Ni.................Γ^—ψ^-τ-^γ-fi"|...-..遍一!...目..一! γ--1- I -~ - t - ; - no SQ^o |~~·~"Υ"Βα ΓTe~om""~o-2O - -.....&.o I轟^合金718電極在3. 5千安培及25伏特下真空電弧重熔。電弧最初在約2千安培下擊出，然后將電弧電流快速升至3. 5千安培。在約7分鐘的熔融時間內，使301bs的合金718電極熔融成合金625襯墊(平均熔融速率為4. 31bs/min)。參照圖7，所得錠400包含冶金結合于內部錠芯403的外層402。介于外層402與內部錠芯403間的接口 405包含冶金結合。同軸配置內部錠芯403及外層402。圖7顯示用氯化鐵/Canada的蝕刻劑蝕刻后錠的內部縱向截面。如圖7的照片所示，在合金襯墊(合金625)與經熔融的電極合金(合金718)之間獲得強烈及均勻的冶金結合，由此形成具有冶金結合于合金718的內部錠芯的合金625的外層的錠。實施例2利用光學顯微學使根據實施例I形成的錠的微結構成像。圖8A是錠的合金625的外層的光學顯微照片。圖8B是恰好在介于外層與內部錠芯間的接口內的錠的合金718的內部錠芯的光學顯微照片。圖8C是在內部錠芯內的中間半徑位置處合金718的錠內部錠芯的光學顯微照片。圖8D是介于錠外層與內部錠芯之間的接口的光學顯微照片。如圖8D所示，在錠的外層與內部錠芯之間形成強烈及均勻的冶金結合。實施例3利用掃描電子顯微術/能量分散光譜學(SEM/EDS)定量分析根據實施例I所形成的錠的化學。圖9是介于合金625的錠外層與合金718的錠內部錠芯之間的接口的SEM顯微照片。如圖9所示，在錠的外層與內部錠芯間形成強烈及均勻的冶金結合。表3中呈現利用SEM/EDS所確定的合金625的錠外層、合金718的內部錠芯及介于外層與內部錠芯之間的冶金結合接口區域的化學組成。外層與內部錠芯的SEM/EDS測量可分別自接口區域向外和向內取數微米。
權利要求
1.一種用于形成合金錠的工藝，其包括 將合金襯墊置于真空電弧重熔設備的坩堝中；及 將合金電極真空電弧重熔于所述坩堝的合金襯墊中，由此形成包含冶金結合于內部錠芯的外層的合金錠。
2.如權利要求I所述的工藝，其中所述合金襯墊包含比包含所述合金電極的合金更具延展性的合金。
3.如權利要求I所述的工藝，其中所述合金電極包含選自由鎳基合金、鐵基合金、鎳-鐵基合金和鈷基合金組成的組的合金。
4.如權利要求I所述的工藝，其中所述合金電極包含選自由合金718、合金720、Rene41 、Rene 88 合金和Waspaloy 合金組成的組的合金。
5.如權利要求I所述的工藝，其中所述合金襯墊包含鎳基合金。
6.如權利要求I所述的工藝，其還包括 熱加工所述合金錠，其中所述熱加工包括施力于所述外層上，并且其中所述力使所述合金錠塑性變形。
7.如權利要求6所述的工藝，其中熱加工所述合金錠包括鐓鍛及拉拔鍛造所述合金錠。
8.如權利要求6所述的工藝，其還包括在熱加工所述合金錠后從所述合金錠移除所述外層的至少一部分。
9.如權利要求6所述的工藝，其中所述工藝提高由鎳基超合金錠形成的經鍛造鎳基超合金產品的產量。
10.如權利要求6所述的工藝，其中所述工藝由澆鑄鎳基超合金錠制造經鍛造的鎳基超合金坯段。
11.如權利要求I所述的工藝，其還包括使用真空感應熔煉操作提供所述合金電極。
12.如權利要求I所述的工藝，其還包括使用真空感應熔煉-電渣精煉操作提供所述合金電極。
13.一種合金錠，其通過權利要求I所述的工藝形成。
14.一種用于加工合金錠的方法，其包括 施加力于合金錠以使所述合金錠塑性變形； 其中所述錠包含冶金結合于內部錠芯的外層，以及 其中所述外層包含比包含所述內部錠芯的合金更具延展性的合金，并且其中所述外層降低所述合金錠的表面破裂的發生率。
15.如權利要求14所述的方法，其還包括在使所述合金錠變形后從所述合金錠移除所述外層的至少一部分。
16.如權利要求14所述的方法，其中所述內部錠芯包含選自由鎳基合金、鐵基合金、鎳-鐵基合金和鈷基合金組成的組的合金。
17.如權利要求14所述的方法，其中所述內部錠芯包含選自由合金718、合金720、Rene41 合金、Rene 88 合金和Waspaloy 合金組成的組的合金。
18.如權利要求14所述的方法，其中所述內部錠芯包含鎳基超合金并且所述外區域包含鎳基合金。
19.如權利要求14所述的方法，其中施加力于所述合金錠包括鐓鍛及拉拔鍛造所述合金錠。
20.如權利要求14所述的方法，其中所述方法提高由鎳基超合金錠形成的經鍛造鎳基超合金產品的產量。
21.如權利要求14所述的方法，其中所述方法由澆鑄鎳基超合金錠制造經鍛造的鎳基超合金坯段。
22.—種經熱加工的制品，其通過權利要求14所述的方法由合金錠形成。
全文摘要
公開了涉及制造、加工和熱加工合金錠的工藝及方法。形成了合金錠，其包括內部錠芯和冶金結合于所述內部錠芯的外層。所述工藝及方法的特征為降低熱加工期間所述合金錠的表面破裂的發生率。
文檔編號C22F1/16GK102741435SQ201180008238
公開日2012年10月17日 申請日期2011年1月24日 優先權日2010年2月5日
發明者R.S.米尼桑德拉姆 申請人:Ati資產公司