用于难以锻造的、应变路径敏感的钛基和镍基合金的划分道次开模锻造

摘要

划分道次锻造工件以启始微观结构细化包括在第一锻造方向上压力锻造金属材料工件一次或多次直至所述金属材料的减小塑性极限以在所述第一锻造方向上赋予足以启始微观结构细化的总应变；旋转所述工件；在第二锻造方向上开式压模锻造所述工件一次或多次直至所述减小塑性极限以在所述第二锻造方向上赋予启始微观结构细化的总应变；并且在第三和任选地一个或多个额外方向上重复旋转和开式压模锻造直到在所述工件的整个体积中赋予启始微观结构细化的应变的总量为止。

说明书

关于联邦资助的研究或研发的声明

本发明是在美国政府的支持下、根据美国商务部的国家标准和技 术研究所(National Institute of Standards and Technology；NIST)授予的 NIST合同号70NANB7H7038来进行的。美国政府可享有本发明的某 些权利。

技术背景

技术领域

本公开涉及锻造金属合金，包括由于低塑性而难以锻造的金属合 金的方法。根据本公开的某些方法以最大化金属颗粒晶体结构和/或 第二相粒子中的解取向的积累，同时最小化所锻造的材料中的裂纹启 始和扩展的风险的方式来赋予应变。根据本公开的某些方法预期影响 金属合金中的微观结构细化。

技术背景描述

塑性是任何给定金属材料(即，金属和金属合金)的固有性质。在 锻造过程期间，金属材料的塑性通过锻造温度和金属材料的微观结构 来调节。当塑性较低，例如，因为金属材料具有固有低塑性，或必须 使用低锻造温度，或塑性微观结构还未在金属材料中产生时，通常的 做法是在每个锻造重复期间减小此减少量。举例来说，代替直接将 22英寸八边形工件锻造成20英寸八边形，本领域普通技术人员可考 虑最初用八边形的每个端面上的锻造道次来锻造成21英寸八边形， 将工件再加热，并且用八边形的每个端面上的锻造道次来锻造成20 英寸八边形。然而，如果金属展现应变路径敏感性并且在产品中获得 特定最终微观结构，此方法可能不合适。当在给定步骤下必须赋予临 界量的应变以触发颗粒细化机制时，可观察到应变路径敏感性。对于 在拉伸期间获得的减小过于轻微的锻造实践，可能无法实现微观结构 细化。

在金属材料具有低温敏感性并且在低温下倾向于裂化的情况下， 模具上时间必须缩短。实现此举的方法是例如使用锻造20英寸八边 形坯段所需要的仅一半道次将22英寸八边形坯段锻造成20英寸圆角 正方形坯段(RCS)。然后，20英寸RCS坯段可再加热并且应用第二 一半道次以形成20英寸八边形坯段。锻造低温敏感金属材料的另一 个解决方案是首先锻造工件的一个末端，将工件再加热，然后锻造工 件的另一个末端。

在双相微观结构中，微观结构细化开始于亚界限产生和解取向积 累作为例如像成核、再结晶和/或第二相球化的过程的前体。需要解 取向积累来细化微观结构的合金的实例是在α-β相场中锻造的 Ti-6Al-4V合金(UNS R56400)。在这类合金中，当在工件旋转之前在 给定方向中赋予较大减小时，锻造在微观结构细化方面更有效。这可 在实验室规模上使用多轴锻造(MAF)来完成。对于小工件(少许英寸 根据侧)在(接近)恒温条件下并且使用极低应变率与适当润滑来执行 的MAF能够相当均匀地赋予应变；但是脱离任何这些条件(小规模、 接近恒温与润滑)可产生优先赋予中心的不均匀应变以及塑性问题与 冷表面开裂。用于钛合金的工业规模颗粒细化的MAF过程公开于美 国专利公开号2012/0060981 A1中，其全部以引用方式并入本文。

需要开发有效地经由锻造来为金属材料提供足够应变以启始微 观结构细化机制，同时限制塑性问题的加工方法。

发明内容

根据本公开的非限制性方面，锻造金属材料工件的方法包括在锻 造温度下、在第一锻造方向上开式压模锻造工件直至金属材料的减小 塑性极限。开式压模锻造工件直至金属材料的减小塑性极限在锻造温 度下、在第一锻造方向上重复一次或多次直到在第一锻造方向上赋予 的应变的总量足以启始微观结构细化为止。然后，工件旋转所需旋转 度。

旋转的工件在锻造温度下、在第二锻造方向上开式压模锻造直至 金属材料的减小塑性极限。开式压模锻造工件直至金属材料的减小塑 性极限在锻造温度下、在第二锻造方向上重复一次或多次直到在第二 锻造方向上赋予的应变的总量足以启始微观结构细化为止。

旋转、开式压模锻造和重复开式压模锻造的步骤在第三锻造以及 任选地一个或多个额外方向上重复直到在工件的整个体积中赋予启 始颗粒细化的应变的总量为止。工件不旋转直到在第三和一个或多个 额外方向中的每个方向上赋予足以启始微观结构细化的应变的总量 为止。

根据本公开的另一个非限制性实施方案，划分道次开式模锻造金 属材料工件以启始微观结构细化的方法包括提供包含金属材料的混 合八边形-RCS工件。将工件镦粗锻造。随后将工件旋转在第一对角 端面上、在混合八边形-RCS工件的X′方向上进行开式模拉伸。工件 在X′方向上多道次拉伸锻造直至微观结构细化启始的应变阈值。每个 多道次拉伸锻造步骤包括至少两个开式压力拉伸锻造步骤，减小直至 金属材料的减小塑性极限。

将工件旋转以在第二对角端面上、在混合八边形-RCS工件的Y′ 方向上进行开式模拉伸。工件在Y′方向上多道次拉伸锻造直至微观结 构细化启始的应变阈值。每个多道次拉伸锻造步骤包括至少两个开式 压力拉伸锻造步骤，减小直至金属材料的减小塑性极限。

将工件旋转以在第一RCS端面上、在混合八边形-RCS工件的Y 方向上进行开式模拉伸。工件在Y方向上多道次拉伸锻造直至微观 结构细化启始的应变阈值。每个多道次拉伸锻造步骤包括至少两个开 式压力拉伸锻造步骤，减小直至金属材料的减小塑性极限。

将工件旋转以在第二RCS端面上、在混合八边形-RCS工件的X 方向上进行开式模拉伸。工件在X方向上多道次拉伸锻造直至颗粒 细化启始的应变阈值。每个多道次拉伸锻造步骤包括至少两个开式压 力拉伸锻造步骤，减小直至金属材料的减小塑性极限。镦粗和多个拉 伸锻造循环的步骤可根据需要重复以进一步启始和或增强金属材料 中的微观结构细化。

附图说明

本文所述的设备和方法的特征和优势可通过参考附图来更好地 了解：

图1是根据本公开的划分道次开式模锻造金属材料的方法的非 限制性实施方案的流程图；

图2是根据本公开的非限制性实施方案的混合八边形-RCS工件 的示意图；并且

图3A至图3E是根据本公开的划分道次开式模锻造金属材料混 合八边形-RCS工件的方法的非限制性实施方案的示意性说明。

在考虑以下根据本公开的某些非限制性实施方案的详述之后，读 者将了解前述详细描述以及其它内容。

某些非限制性实施方案的详述

应理解的是，已对本文所公开的实施方案的某些描述进行了简 化，以便仅说明与清楚理解所公开的实施方案相关的那些要素、特征 以及方面，同时为了清晰起见，去除了其它要素、特征以及方面。本 领域的普通技术人员在考虑所公开的实施方案的本描述之后，将认识 到其它要素和/或特征在所公开的实施方案的具体实施或应用中可能 是合意的。然而，由于在本领域的普通技术人员在考虑所公开的实施 方案的本描述之后可以容易地确定和实施这类其它要素和/或特征， 并且因此，对于所公开的实施方案的完整理解来说，这类其它要素和 /或特征是不必要的，因而本文未提供这类要素和/或特征的描述。因 此，应理解的是本文给出的描述仅仅是所公开的实施方案的示例和说 明，且并不意在限制仅由权利要求书所限定的本发明的范围。

本文引用的任何数值范围意在包括其中纳入的所有子范围。例 如，“1至10”或“从1至10”的范围意在包括在引用的最小值1与引用 的最大值10(含1及10)之间的所有子范围，即，具有等于或大于1 的最小值以及等于或小于10的最大值。本文引用的任何最大数值限 制意在包括纳入其中的所有较小数值限制，且本文引用的任何最小数 值限制意在包括纳入其中的所有较大数值限制。因此，申请人保留修 正本公开(包括权利要求书)的权利，以便明确引用纳入本文所明确引 用的范围内的任何子范围。所有这类范围意在在本文中以固有方式公 开，以使得修正以明确引用任何这类子范围将符合美国法典35篇112 条的第一段和美国法典35篇132条(a)款的要求。

除非另外指明，否则本文使用的语法修饰词“一个(种)(one)”、“一 个(种)(a)”、“一个(种)(an)”以及“所述(the)”意在包括“至少一个(种)”或 “一个或多个(一种或多种)”。因此，冠词在本文中用来指代冠词的语 法对象的一个或一个以上(即，指代至少一个)。通过举例，“一个部件” 指一个或多个部件，因此可能在所述实施方案的实施方式中考虑且采 用或使用超过一个部件。

所有百分比和比率基于具体金属材料组合物的总重量来计算，除 非另外指示。

被描述成以引用方式全文或部分并入本文的任何专利、出版物或 其它公开材料仅在以下情况下并入本文中：并入的材料不得与本公开 内容中阐明的现有定义、声明或其它公开材料冲突。因此，并且在必 要情况下，本文中阐明的公开内容优先于以引用方式并入本文的任何 冲突材料。被描述成以引用方式并入本文中、但与本文阐明的现有定 义、声明或其它公开材料冲突的任何材料，或其部分，仅在并入材料 与现有公开材料之间不出现冲突的情况下并入。

本公开包括各个实施方案的描述。应理解的是，本文描述的所有 实施方案是示例性的、说明性的以及非限制性的。因此，本发明并不 局限于各个示例性、说明性以及非限制性实施方案的描述。事实上， 本发明仅由权利要求书限定，所述权利要求书可以修正以引用本公开 中明确地或固有地描述的、或本公开以其它方式明确地或固有地支持 的任何特征。

如本文使用，术语“金属材料”是指金属，如工业纯的金属和金属 合金。

如本文使用，术语“初轧”、“锻造”和“开式压模锻造”是指热机械 处理(“TMP”)形式，在本文中也可称为“热机械加工”。“热机械加工” 在本文中定义为总体上涵盖将受控热和变形处理组合以获得协同效 应，例如像并且不限于改进强度而不损失韧性的各种金属材料成形过 程。热机械加工的此定义与在例如ASM Materials Engineering  Dictionary，J.R.Davis编，ASM International(1992)，第480页中归结的 含义一致。如本文使用，术语“开式压模锻造”是指在模具之间锻造金 属材料，其中伴随着每个模具进程的压力机的单一工作行程，材料流 动不完全受机械或液压力所限制。开式压模锻造的此定义与在例如 ASM Materials Engineering Dictionary，J.R.Davis编，ASM International (1992)，第298和343页中归结的含义一致。如本文使用，术语“初轧” 是指在将铸块加工成坯段时，用于改进或细化金属材料颗粒的热机械 减小过程。初轧的此定义与在例如ASM Materials Engineering Dictionary，J.R.Davis编，ASM International(1992)，第79页中归结的 含义一致。

如本文使用，术语“坯段”是指通过锻造、轧制或挤塑来热加工的 固体半制成圆形或正方形产品。坯段的此定义与在例如ASM Materials Engineering Dictionary，J.R.Davis编，ASM International (1992)，第40页中归结的含义一致。如本文使用，术语“棒材”是指从 坯段锻造成具有锋利或圆形边缘，并且与其横截面尺寸呈较长关系， 具有对称横截面的形状，如圆形、六边形、八边形、正方形或长方形 的固体部分。棒材的此定义与在例如ASM Materials Engineering  Dictionary，J.R.Davis编，ASM International(1992)，第32页中归结的 含义一致。

如本文使用，术语“塑性极限”是指金属材料可承受而不断裂或开 裂的减小或塑性变形的极限或最大量。此定义与在例如ASM  Materials Engineering Dictionary，J.R.Davis编，ASM International (1992)，第131页中归结的含义一致。如本文使用，术语“减小塑性极 限”是指金属材料在开裂或断裂之前可承受的减小的量或程度。

如本文使用，短语“启始微观结构细化”和“微观结构细化启始的 应变阈值”是指在金属材料的微观结构中赋予应变以在晶体结构和/ 或第二相粒子中产生解取向(例如，位移和亚边界)的积累，从而导致 材料颗粒大小的减小。在本公开的方法非限制性实施方案的实践期 间，或在后续热机械加工步骤期间赋予金属材料应变。在基本上单相 镍基或钛基合金(至少90％的呈镍形式的γ相或呈钛形式的β相)中， 微观结构细化启始的应变阈值是指首先重结晶颗粒的成核。它可从在 所感兴趣的温度和应变率下经由单轴压缩或拉伸所测量的应力-应变 曲线来估计。它通常为约0.1至0.3应变。在锻造双相镍基和钛基合 金时，微观结构演化慢得多。例如，在单一拉伸下，第二相的球化可 能无法实现或甚至启始。然后关注经由多个锻造步骤的累积来有效地 建立解取向所需要的应变。微观结构细化则是指从其母颗粒或原始取 向逐渐解取向来形成较小亚颗粒。这与动态回复(位移累积至亚边界 中)相关联，其效应也可在呈流动软化形式的应力-应变曲线中发现。 通常获得0.1至0.3的相似阈值并且可用作在每个拉伸或锻造操作中 需要达到的应变阈值的定性估计值。在拉伸期间促进解取向建立增加 了以下概率：在旋转以进行下一次拉伸之后，亚颗粒甚至更进一步解 取向，而非使其取向回到其母颗粒的取向。

根据本公开的划分道次开式模锻造的方法的方面，划分道次开式 模锻造依赖于精确控制在每个道次赋予工件的应变量以限制工件的 开裂。如果在给定锻造方向上所采用的在此给定方向上启始微观结构 细化过程的减小不充分，开式压模锻造在相同端面上、在相同方向上 重复直至所锻造的金属材料的减小塑性极限，直到在此方向上赋予足 够减小以启始微观结构细化为止。

如果在任何道次赋予工件以启始微观结构细化的所需减小量超 过在一个拉伸锻造道次中可采用而不导致过多材料开裂的最大减小 量，即，减小量超过材料减小塑性极限，那么减小道次应划分成两个 或更多个道次以使得1)在任何道次中赋予的应变小于材料在锻造温 度下的减小塑性极限，并且2)在一个锻造方向上赋予的总应变足以启 始符合要求的微观结构细化。仅在赋予足够应变以驱动微观结构演化 并且在一个方向上启始微观结构细化之后，将工件旋转以在下一个减 小道次中、在第二方向上锻造。

参看图1，根据本公开的一个非限制性方面，锻造金属材料工件 以启始微观结构细化的方法100包括在锻造温度下、在第一锻造方向 上开式压模锻造102金属材料工件直至金属材料的减小塑性极限。如 本文使用的短语，金属材料的减小塑性极限，可通过断裂应变(ε_f)来 定性地估计，所述断裂应变是试样在单轴抗拉试验期间断裂的工程应 变。可使用的一种具体单轴抗拉试验描述于ASTM E8/E8M-11， “Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials”， ASTM International，West Conshohocken，PA，USA(2011)中。真实断裂 应变ε_f是基于原始面积A₀和断裂之后的面积A_f的真实应变，并且通 过方程(1)给出。本领域普通技术人员可从方程(1)容易地估计具体金 属材料的减小塑性极限，因此，特定金属材料的减小塑性极限需要包 含在本文中。

方程(1)：ε_f＝ln(A₀/A_f)

在锻造温度下、在第一锻造方向上开式压模锻造102金属材料工 件直至金属材料的减小塑性极限之后，工件在锻造温度下、在第一锻 造方向上开式压模锻造直至金属材料的减小塑性极限104一次或多 次直到第一锻造方向上的应变的总量足以启始微观结构细化为止。然 后，工件旋转106所需旋转度以准备下一个锻造道次。

应认识到所需旋转度通过工件的几何形状来确定。举例来说，八 边形圆柱体形状的工件可在任何端面上锻造，然后旋转90°并锻造， 然后旋转45°并锻造，然后旋转90°并锻造。为了消除八边形圆柱体 的端面的膨胀，八边形圆柱体可精轧，方法是通过旋转45°并精轧， 然后旋转90°并精轧，然后旋转45°并精轧，然后旋转90°并精轧。如 本领域普通技术人员理解，如本文使用，术语“精轧”和其形式是指平 滑、刨平或精整金属材料工件的表面，方法是将较轻的开模压力锻造 冲程施加至金属工件的表面以使工件(例如，坯段或棒材)达到所需构 型和尺寸。本领域普通技术人员可容易地确定具有任何具体横截面形 状，例如像圆形、正方形或长方形横截面形状的工件的所需旋转度。

在旋转106金属材料工件所需旋转度之后，工件在锻造温度下、 在第二锻造方向上开式压模锻造108至金属材料的减小塑性极限。工 件的开式压模锻造一次或多次在锻造温度下、在第二锻造方向上重复 110直至减小塑性极限直到为止第二锻造方向上的应变的总量足以启 始金属材料中的微观结构细化。

旋转、开式模锻造和重复开式模锻造的步骤在第三和任选地一个 或多个额外方向上重复112直到所有端面锻造至一定大小以使得在 整个体积，或整个工件中赋予足以启始微观结构细化的应变的总量。 对于微观结构细化需要在此过程中的此时点启动的第三和一个或多 个额外方向中的每一个方向，重复开式压模锻造直至减小塑性极限并 且工件不旋转直到此特定方向中赋予足够应变量为止。并且对于只需 要形状控制或精轧的第三和一个或多个额外方向中的每一个方向，开 式压模锻造只执行至减小塑性极限。本领域普通技术人员，在阅读本 说明书后，可容易地确定所需旋转度和使用本文描述的方法加工特定 工件几何形状所需要的锻造方向的数量。

根据本公开的方法的实施方案不同于例如施加应变以从具有圆 形或八边形横截面的工件形成平板的加工方法。举例来说，代替继续 加工以提供平坦的产品，只轧边以控制宽度，在根据本公开的非限制 性实施方案中，在工件的额外端面上执行类似重复道次以保持略微各 向同性形状，其基本上不偏离可为例如长方形、正方形、圆形或八边 形坯段或棒材的目标最终形状。

如果必须赋予较大的冗余应变，根据本公开的拉伸方法可与镦粗 组合。多次镦粗和拉伸依赖于重复反复出现形状和大小的模式。本发 明的具体实施方案涉及八边形和RCS横截面的混合物，其旨在通过 在每一个镦粗和拉伸循环中使端面和对角方向交替来使在拉伸期间 在两个轴上赋予的应变最大化。此非限制性实施方案模拟在立方体状 MAF样品中赋予应变的方法，同时允许按比例扩大至工业规模。

因此，如图2中示出，在根据本公开的镦粗锻造和拉伸锻造的方 法的非限制性实施方案中，坯段的特殊横截面形状200是八边形与 RCS的混合物，其在本文中被称为混合八边形-RCS形状。在非限制 性实施方案中，在新的镦粗之前，每个拉伸锻造步骤产生此反复出现 混合八边形-RCS形状。为了促进镦粗，工件长度可小于混合八边形 -RCS的最小端面至端面大小的三倍。此混合形状中的主要参数是在 一方面RCS的0°和90°端面(图2中标记D的箭头)与另一方面45°和 135°的对角端面(图2中标记D_diag的箭头)之间的大小的比率，使得它 外观略微像八边形。在非限制性实施方案中，此比率可相对于镦粗减 小来设定以使得镦粗之前的45°/135°对角(D_diag)的大小与镦粗之后的 0°/90°(D)对角的大小大约相同。

在混合八边形-RCS形状的一个非限制性示例性计算中，考虑U 的镦粗减小(或作为百分比(100XU))。在镦粗锻造U减小之后，对 角大小变成：

$\frac{D_{diag}}{\sqrt{1-U}}=\frac{\beta D}{\sqrt{1-U}}.$

然后，新的对角减小成端面定义为R，并且：

$1-R=\frac{D}{\beta D/\sqrt{1-U}}=\frac{\sqrt{1-U}}{\beta }.$

重新安排给出：

$\beta =\frac{\sqrt{1-U}}{1-R}.$

在镦粗之后，主要端面之间的大小是：

$\frac{D}{\sqrt{1-U}}.$

因此，成为新的对角的端面减小是

$r-1-\frac{D_{diag}}{D/\sqrt{1-U}}-1-\beta \sqrt{1-U}-1-\frac{1-U}{1-R}.$

这意味着为了定义减小r(正)，U必须大于或等于R。在其中U＝R 的情况下，在理论上，不需要加工端面以变成新的对角。然而，实际 上，锻造导致端面的一些膨胀，并且需要锻造。

使用这些方程，根据本公开的非限制性实施方案考虑其中D＝24 英寸，U＝26％，和R＝25％的情况。

这给出：$\beta =\frac{\sqrt{0.74}}{0.75}~\mathrm{1.147.}$

那么，对角尺寸是：

D_dias＝βD～1.147×24～27.5，并且：

$r=1-\frac{0.74}{0.75}~1.3\%.$

然而，对角上加工的减小部分膨胀成端面，因此所执行的形成并 控制新对角的大小的减小实际上必须大于1.3％。控制端面所需要的 锻造时间表简单定义为限制膨胀并控制新对角大小的少许道次。

划分道次开式模锻造300的非限制性实例示意性地在图3A至图 3E中示出。参看图3A，包含难以锻造金属材料的混合八边形-RCS 工件提供用于开式模镦粗锻造302。镦粗锻造之前的工件的尺寸由虚 线304示出，并且镦粗锻造之后的工件的尺寸由实线306示出。代表 混合八边形-RCS工件的初始RCS部分的端面在图3A-E中标记为0、 90、180和270。工件的Y方向在垂直于0和180度端面的方向上。 工件的X方向在垂直于90和270度端面的方向上。代表混合八边形 -RCS工件的初始对角八边形部分的端面在图3A-E中标记为45、135、 225和315。工件的对角X′方向在垂直于45和225度端面的方向上。 工件的对角Y′方向在垂直于135和315度端面的方向上。

镦粗锻造之后，工件旋转(箭头308)以在第一对角端面(X′方向) 上进行开式模拉伸，并且具体来说在本实施方案中旋转(箭头308)至 45度对角端面以进行拉伸锻造。然后，工件在对角端面上多道次拉 伸锻造(箭头310)至微观结构细化启始的应变阈值而不超过减小塑性 极限。每个多道次拉伸锻造步骤包括至少两个开式压力拉伸锻造步 骤，减小直至金属材料的减小塑性极限。

参看图3B，在45度对角端面上的多道次拉伸锻造之后的工件由 参考数字312来描绘(未按比例绘制)。在此特定实施方案中，将工件 旋转90度(箭头314)至135第二对角端面(Y′方向)以进行多道次拉伸 锻造316。然后，工件在对角端面上多道次拉伸锻造(箭头316)至微 观结构细化启始的应变阈值。每个多道次拉伸锻造步骤包括至少两个 开式压力拉伸锻造步骤，减小直至金属材料的减小塑性极限。

参看图3C，在非限制性实施方案中，将工件镦粗锻造318。镦 粗锻造之前的工件的尺寸由虚线320示出，并且镦粗锻造之后的工件 的尺寸由实线322示出。

镦粗锻造之后，工件旋转(箭头324)以在第一RCS端面上进行开 式模拉伸，并且具体来说在本实施方案中旋转(箭头324)至180度对 角端面(第一RCS端面；Y方向)以进行拉伸锻造。然后，工件在第一 RCS端面上多道次拉伸锻造(箭头326)至微观结构细化启始的应变阈 值。每个多道次拉伸锻造步骤包括至少两个开式压力拉伸锻造步骤， 减小直至金属材料的减小塑性极限。

参看图3D，在180度端面上的多道次拉伸锻造之后的工件由参 考数字328来描绘(未按比例绘制)。在此特定实施方案中，将工件旋 转90度(箭头330)至270度第二RCS端面(X方向)以进行多道次拉伸 锻造332。然后，工件在第二RCS端面上多道次拉伸锻造(箭头322) 至微观结构细化启始的应变阈值。每个多道次拉伸锻造步骤包括至少 两个开式压力拉伸锻造步骤，减小直至金属材料的减小塑性极限。

参看图3E，发现根据本文上述的非限制性实施方案锻造的混合 八边形-RCS工件334具有与原始混合八边形-RCS工件基本上相同的 尺寸。最终锻造工件包含颗粒细化微观结构。这是以下各项产生的结 果：(1)构成沿着工件Z轴的减小的镦粗，随后多个拉伸X′(参考数字 312)、Y′(参考数字316)、Y(参考数字326)和X轴(参考数字332)；(2) 多个拉伸的每个道次接近减小塑性极限的事实；以及(3)每个轴上的 多个拉伸提供直至微观结构细化所需要的应变阈值的总应变的事实。 在根据本公开的非限制性实施方案中，镦粗锻造包括开式压模锻造至 小于金属材料的塑性极限的长度减小，并且锻造赋予在镦粗锻造方向 上启始微观结构细化的足够应变。通常，镦粗仅在一次减小中赋予， 因为与在拉伸期间所使用的较高应变率相比，镦粗通常在塑性极限本 身倾向于更大的较慢应变率下执行。但是如果减小超过塑性极限，它 可划分成两个或更多个减小以及中间再加热。

已知V形模具天然地在第一减小道次中产生显著侧向膨胀。划 分道次方法的非限制性实施方案包括在90°旋转之后，首先减小至原 始大小，然后才进行减小。举例来说，以2英寸的最大道次从20英 寸到达16英寸，可在第一侧面上减小至18英寸，然后旋转90°并且 减小至20英寸以控制膨胀，然后在同一侧面上再减小至18英寸，然 后再减小至16英寸。将工件旋转90°并且减小至18英寸以控制膨胀， 然后再减小至16英寸。将工件旋转90°并且减小至18英寸以控制膨 胀，然后再次减小至16英寸。在此时点，与精轧和16英寸道次相关 联的两个旋转应完成确保在任何道次中减小不超过2英寸的过程。

根据本公开的一个方面，根据本文中的非限制性实施方案来处理 的金属材料包括钛合金和镍合金之一。在某些非限制性实施方案中， 金属材料包括镍基超级合金，例如像(UNS N07001)、ATI 合金(UNS N07818)和合金720(UNS N07720)之一。在某些非 限制性实施方案中，金属材料包括钛合金，或α-β钛合金和亚稳态-β 钛合金之一。在非限制性实施方案中，通过本文公开的方法的实施方 案来处理的α-β钛合金包括Ti-6Al-4V合金(UNS R56400)、Ti-6Al-4V ELI合金(UNS R56401)、Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo合金(UNS R56260)、 Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo合金(UNS R54620)、Ti-10V-2Fe-3Al合金(AMS 4986)和Ti-4Al-2.5V-1.5Fe合金(UNS 54250)之一。

在根据本公开的划分道次锻造方法的非限制性实施方案中，开式 压模锻造包括在横跨低于α-β钛合金的β-转变温度1100°F直至50°F 温度的温度范围内的锻造温度下锻造。在另一个非限制性实施方案 中，根据本公开的方法进一步包括在任何开式压模锻造步骤中间再加 热或退火工件中的一个。

应认识到在任何开放道次压力锻造步骤中间再加热工件在本公 开的方法的范围内。还应认识到在任何开放道次压力锻造步骤中间将 工件退火在本公开的方法的范围内。再加热和退火金属材料的特定细 节本领域普通技术人员为已知或可容易确定，因此不必在本文中规 定。

以下实施例旨在进一步描述某些非限制性实施方案而不限制本 发明的范围。本领域的普通技术人员将认识到，可能存在在本发明范 围内的以下实施例的变化形式，本发明的范围仅由权利要求书限定。

实施例1

将包含Ti-4Al-2.5V-1.5Fe合金的24英寸八边形坯段加热至1600 °F的锻造温度。合金在锻造温度下的减小塑性极限估计为至少2英寸 /减小并且不能以重复方式在没有广泛开裂的情况下耐受比2英寸/减 小大得多的减小。坯段在第一方向上、在八边形坯段的任何端面上开 式压模锻造至22英寸。然后，坯段在第一方向上开式压模锻造至20 英寸。坯段旋转90°至第二方向以进行开式压模锻造。虽然原始八边 形坯段尺寸是24英寸，由于在锻造期间在第一方向上交替端面的膨 胀，坯段在第二方向上开式压模锻造至24英寸。然后，坯段在第二 方向上开式压模锻造两次至22英寸，然后至20英寸。将坯段再加热 至锻造温度。将坯段旋转45°，然后在第三锻造方向上划分道次锻造 2英寸/减小至24英寸，然后至22英寸，然后至20英寸。根据本公 开，将坯段旋转90°，然后在另一个锻造方向上划分道次锻造2英寸/ 减小至24英寸，然后至22英寸，然后至20英寸。

坯段随后通过以下步骤来精轧：旋转坯段45°并且使用开式压模 锻造使侧面成正方形至20英寸；旋转坯段90°并且使用开式压模锻造 使侧面成正方形至20英寸；旋转坯段45°并且使用开式压模锻造使侧 面成正方形至20英寸；并且旋转坯段90°并且使用开式压模锻造使侧 面成正方形至20英寸。此方法确保没有单一道次赋予超过减小塑性 极限2英寸的尺寸变化，同时每个所需方向上的每次总减少量为至少 4英寸，其对应于在合金的微观结构中启始微观结构细化所需要的应 变阈值。

作为多个镦粗和拉伸系列、本实施例的划分道次模锻制方法的一 部分，Ti-4Al-2.5V-1.5Fe合金的微观结构由具有1μm至5μm范围内 的平均颗粒大小的球状或等轴α相粒子组成。

实施例2

提供包含Ti-6Al-4V合金的金属材料的混合八边形-RCS坯段。 混合八边形-RCS形状是24英寸RCS，其具有形成八边形的27.5英 寸对角。长度定义为不超过3×24英寸或72英寸，并且在此实施例 中坯段为70英寸长度。为了启始微观结构细化，坯段在1600°F下镦 粗锻造至26％减小。在镦粗减小之后，坯段为约51英寸长并且它的 混合八边形-RCS横截面为约27.9英寸×32英寸。将坯段拉伸锻造， 方法是将32英寸对角减小回到24英寸端面，其为8英寸减小，或对 角高度的25％。在此过程中，预期另一个对角膨胀超过32英寸。在 本实施例中，在1600°F范围内的锻造温度下的减小塑性极限的合理 估计是没有道次超过2.5英寸减小。因为在开式压模锻造中，可能不 一次性赋予对角从32英寸至24英寸的减小，由于这超过材料的减小 塑性极限，所以将根据本公开的划分道次方法用于此特定非限制性实 施方案。

为了将旧对角锻造缩小为新端面，将32英寸高端面开式压力锻 造至29.5英寸，然后开式压力锻造至27.0英寸。将混合八边形-RCS 坯段旋转90°，开式压模锻造至30.5英寸，然后开式压模锻造至28 英寸。然后，将混合八边形-RCS坯段在旧端面上锻造以控制新的对 角大小。将混合八边形-RCS坯段旋转45°并且开式压模锻造至27英 寸；然后旋转90°并且开式压模锻造至27.25英寸。混合八边形-RCS 坯段在旧对角上开式压模锻造以使得其成为新端面，方法是旋转混合 八边形-RCS坯段45°并且开式压模锻造至25.5英寸，随后将同一端 面开式压模锻造至23.25英寸。将混合八边形-RCS坯段旋转90°并压 力锻造至28英寸，然后在另一个划分道次中开式压模锻造至25.5英 寸，然后在进一步划分道次中、在同一端面上开式压模锻造至23.25。 将混合八边形-RCS坯段旋转90°并且开式压模锻造至24英寸，然后 旋转90°并锻造至24英寸。最后，将混合八边形-RCS坯段的新对角 精轧，方法是旋转混合八边形-RCS坯段45°并开式压模锻造至27.25 英寸，随后旋转混合八边形-RCS坯段90°并开式压模锻造至27.5英 寸。

作为多个镦粗和拉伸系列、本实施例的划分道次模锻制方法的一 部分，Ti-6Al-4V合金的微观结构由具有1μm至5μm范围内的平均 颗粒大小的球状或等轴α相粒子组成。

应了解本描述示出与清晰了解本发明相关的本发明的那些方面。 对于本领域普通技术人员显而易知并且因此不促进更好了解本发明 的某些方面未予以呈现以便简化本描述。虽然本文中仅必要地描述了 有限数量的本发明实施方案，但是本领域普通技术人员在考虑前述描 述后了解可使用本发明的许多改进和变化。本发明的所有这些变化和 改进意图由前述描述和以下权利要求书来涵盖。