专利名称：用于近净形锻造的系统及方法
技术领域：
本发明主要涉及用于近净形锻造的系统及方法。具体而言，本发明的实施例提供用于在α-β温度范围内近净形锻造钛构件的系统及工艺。
背景技术：
商用设备通常包括由钛或钛合金制造的构件。例如，压缩机和涡轮通常包括交替的静止导叶级和旋转叶片级。在飞行器发动机和燃气轮机中，压缩机和涡轮的旋转叶片通常具有由强度高、重量轻的钛或钛合金锻造的相对复杂和弯曲的轮廓。具体而言，旋转叶片可在α-β温度范围内由钛合金锻造。近净形锻造是指物件初始形状非常接近于(“近")最终(“净")形状的技术。例如，近净形锻造使坯段(billet)变形成初始形状，很少或不需要表面机加工或磨削以达到最终形状。然而，在α-β温度范围内的钛合金的近净形锻造通常需要昂贵的模具材料，该材料能经受α-β温度范围的升高锻造温度。具体而言，在温度范围中的钛合金近净形锻造期间取决于特定的钛合金，模具温度通常保持处于或接近大约1600° F 至1800° F的坯段温度，以便最大限度地减少在锻造过程期间对钛坯段的任何冷却。近净形锻造工艺通常在真空中执行，以便在锻造过程期间在模具与坯段之间保持接近等温的状态。模具和相关设备的高成本通常妨碍了近净形锻造选择成本效益合算的方式来在 α - β温度范围内锻造钛构件。结果，由钛和钛金属制成的压缩机和涡轮旋转叶片通常在多步骤过程中锻造，该过程包括开模锻造、闭模锻造、一个或多个热处理，以及昂贵的精加工 (finishing)。该多步骤过程导致大量的材料浪费、附加的精加工成本，以及在成品中未达到最佳晶粒结构。当前，在不要求处于或接近温度范围的升高模具温度的情况下，并不存在于α-β温度范围内近净形锻造钛或钛合金的锻造技术。因此，不要求模具温度处于或接近α-β温度范围的用于在α-β温度范围中对钛和钛合金进行近净形锻造的改进方法将是有用的。
发明内容
本发明的方面和优点于下文在以下说明中阐述，或可根据该说明而清楚，或可通过实施本发明而懂得。本发明的一个实施例为一种用于近净形锻造钛构件的方法。该方法包括将钛坯段加热至处在α-β温度范围内的温度，以及将钛坯段挤压到具有比钛坯段温度低大约 500° F的温度的第一模具中。本发明的另一实施例为一种用于近净形锻造钛构件的方法，其包括将钛坯段加热至处在α-β温度范围内的温度，以及在钛坯段与第一模具之间产生大约500° F的温差。本发明还包括一种用于近净形锻造钛构件的系统。该系统包括具有处在α - β温度范围内的温度的钛坯段，以及与钛坯段接触的冲头(punch)。邻近钛坯段以便收纳钛坯段的第一模具具有比钛坯段温度低大约500° F的温度。本领域的普通技术人员在浏览说明书时将更好地理解这些实施例以及其它的特征和方面。
在包括参照附图的余下说明书中，向本领域的普通技术人员更为具体地阐述了本发明包括其最佳模式的完整和能够实施的公开内容，在附图中图1、图2和图3示出了根据本发明一个实施例的用于近净形锻造的系统；图4和图5示出了根据本发明第二实施例的用于近净形锻造的系统；图6、图7和图8示出了根据本发明第三实施例的用于近净形锻造的系统；以及图9和图10示出了根据本发明第四实施例的用于近净形锻造的系统。
具体实施例方式现在将详细地参照发明的本实施例，其中的一个或多个实例在附图中示出。详细说明使用数字和字母标记来指代附图中的特征。附图和说明中相似或类似的标记已用于指代本发明的相似或类似的部分。各实例均是以阐释本发明来提供的，而并非对本发明的限制。实际上，本领域的普通技术人员将清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中作出修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可在另一实施例上使用以产生又一个实施例。因此，期望的是，本发明涵盖归入所附权利要求及其等同物的范围内的这些修改和变型。本发明的各种实施例提供了一种用于在α 温度范围内进行近净形锻造钛(包括钛合金)的系统及方法。在特定实施例中，α-β温度范围内的钛坯段沿径向且顺序地挤压穿过或进入模具中，同时模具温度良好地保持在钛的α-β温度范围以下。挤压速率可经控制以将坯段中产生的绝热加热量调节至大致等于损失的热量或传递至较低温度模具的热量。此外，挤压工艺的速率和顺序可经控制以将所期望的晶粒大小和流动和/或残余压应力给予在变形的坯段中。晶粒大小和流动直接地影响变形坯段的循环疲劳性能，以及残余压应力增强了变形坯段的抗裂纹增长性。综合来说，顺序的挤压工艺因而容许单个变形坯段具有带不同尺寸和定向的晶粒以及在变形坯段中的不同位置处具有残余压应力。 尽管以将钛坯段锻造到燕尾部或压缩机叶片或涡轮叶片中为背景描述和示出了本发明的各种实施例，但本领域的普通技术人员将容易认识到，本发明不限于特定坯段材料或最终产品，除非在权利要求中明确指出。图1、图2和图3示出了根据本发明一个实施例的用于近净形锻造的系统10及方法。如图所示，系统10主要包括坯段12、冲头(punch) 14、挤压容器16和模具18。坯段12 可包括使用本领域普通技术人员公知的任何热源而加热至处在α-β温度范围内的温度的钛或钛合金。α-β温度范围的实际温度取决于使用的特定钛合金，且可取决于使用的特定钛合金而为大约1600° F至1800° F。冲头14与坯段12接触，且可连接到本领域中公知的任何适合的压力机(未示出)上以便将所期望的力或应变供送至冲头14，从而经由挤压容器16将坯段12挤压进入或穿过模具18。挤压容器16提供在挤压之前用于保持坯段12的容积，且可包括能够经受所使用的特定钛合金的α-β温度范围内的温度的任何适合结构。模具18邻近坯段12以便收纳坯段12，且提供用于锻造坯段12的期望形状。模具 18可包括能够经受高达大约500° F至1300° F的温度的任何适合结构。如图1中所示，坯段12可包含在挤压容器16内。冲头14可定位在第一开口 20 处，以及模具18可定位在挤压容器16的第二开口 22处。以此种方式，如图2和图3中渐进地所示那样，施加到冲头14上的力可使冲头14相对于挤压容器16和模具18移动，以便将坯段12挤压进入或穿过模具18。模具18可具有温度显著低于坯段12的温度，以便减少模具18所需的材料成本。 例如，模具18可具有大约500° F、600° FUOOO0 F或远低于坯段12温度的温度，以便在模具18与坯段12之间产生大约500° F、600° FUOOO0 F或更高的对应温差。模具18与坯段12之间的温差导致坯段12的传导冷却和/或对流冷却。系统10的工艺参数可经控制或调整以便调节挤压过程期间在坯段12中产生的绝热加热量。例如，挤压容器16的尺寸或直径和/或由冲头14所施加的应变率可经控制或调整以便在挤压过程期间将坯段12 中产生的绝热加热量变为大致匹配传递至模具18的热。取决于特定系统、钛合金、模具18 尺寸和各种其它工艺参数，绝热加热可将坯段12的温度升高50° F、70° F或更高。结果， 系统10在挤压过程期间将坯段12的温度保持在α - β温度范围内，从而产生图3中看到的近净形钛燕尾部Μ，其具有所期望的晶粒大小和方向，且很少或不需要磨削或其它精加工过程。图4和图5以及图6、图7和图8示出了根据本发明备选实施例的用于中间锻造的系统30和方法。图4和图5以及图6、图7和图8中所示的系统30可结合或独立于前文相对于图1、图2和图3所述和所示的系统10来使用。例如，使用参照图1、图2和图3示出和描述的系统10所产生的钛燕尾部M还可使用图4和图5或图6、图7和图8中所示的任一实施例锻造。作为备选，图4和图5或图6、图7和图8中所示的系统30可用作用于锻造中间钛坯段的独立系统。图4和图5以及图6、图7和图8中所示的系统30主要包括如前文参照图1、图2 和图3所述的坯段32。具体而言，坯段32可包括使用本领域普通技术人员公知的任何热源而加热至处在α-β温度范围内的温度的钛或钛合金。此外，系统30包括静止冲头34和模具36。静止冲头34与坯段32接触且将坯段32保持就位。如图4和图6中所示，模具36邻近坯段32以便收纳坯段32，且提供对于锻造坯段 32的期望形状。模具36可包括能够经受高达大约500° F至1300° F的温度的任何适合结构，且可包括可顺序和/或逐渐地独立于彼此移动的多个区段。例如，如图4和图5以及图6、图7和图8中所示，模具36可包括第一区段38和第二区段40。压力机(未示出)可逐渐和/或顺序地使第一区段38和第二区段40相对于静止冲头34移动，以便将坯段32渐进地挤压进入或穿过模具36。通过逐渐和/或顺序地施加压力至模具36的多个区段，减少了模具36与坯段32之间的接触点。结果，锻造坯段32所需的应变率减小，从而容许较小能力的压力机提供对于锻造坯段32的期望应变率。此外，模具36的多个区段逐渐和/或顺序的运动在坯段32中产生所期望的残余压应力，这增强了锻造坯段32中的抗裂纹增长性。正如参照第一实施例所述的模具18，图4和图5以及图6、图7和图8中所示的模具36可具有显著低于坯段32温度的温度，以便降低模具36所需的材料成本。例如，模具 36可具有比坯段32的温度低大约500° F、600° FUOOO0 F或更多的温度，从而在模具 36与坯段32之间产生大约500° F、600° FUOOO0 F或更高的对应温差。模具36与坯段 32之间的温差再次导致坯段32的传导冷却和/或对流冷却。结果，系统30的工艺参数可再次控制或调整，以便调节挤压过程期间在坯段32中所产生的绝热加热量。例如，由压力机交替地和/或顺序地施加到第一区段38和第二区段40上的应变率可控制或调整，以便改变挤压过程期间在坯段32中产生的绝热加热量。取决于特定系统、钛合金、模具36的区段38，40尺寸和数目以及各种其它工艺参数，绝热加热可按大致匹配传递至模具36的热所需那样来升高坯段32的温度。结果，系统30在挤压过程期间再次将坯段32的温度保持在 α - β温度范围内，从而产生在图5和图8中所示的中间坯段32。图9和图10示出了根据本发明第四实施例的用于近净形锻造的系统50。正如前述实施例那样，图9和图10中所示的系统50可结合或独立于前文描述和示出的系统10， 30来使用。例如，使用参照图4和图5或图6、图7和图8所述和示出的系统30产生的中间坯段32还可使用图9和图10中所示的实施例来锻造以产生近净形构件。图9和图10中所示的系统50主要包括如前文参照图4和图5以及图6、图7和图8中所示的实施例描述的坯段52、静止冲头M和模具56。具体而言，坯段52可包括使用本领域普通技术人员公知的热源而加热至处在α-β温度范围内的温度的钛或钛合金。 此外，静止冲头M与坯段52接触且将坯段52保持就位，且模具56再次邻近坯段52以便收纳坯段52。模具56可包括能够经受高达大约500° F至1300° F的温度的任何适合的结构， 且可包括可独立于彼此顺序和/或逐渐地移动的多个区段。例如，如图9和图10中所示， 模具56可包括第一区段58和第二区段60。压力机(未示出)可逐渐地和/或顺序地使第一区段58和第二区段60相对于静止冲头M移动，以便将坯段52渐进地挤压进入模具56 中。通过逐渐和/或顺序地施加压力至模具56的多个区段，模具56的多个区段与坯段52 之间的接触点减少。结果，锻造坯段52所需的应变率减小，从而容许较小能力的压力机提供用于锻造坯段52的期望应变率。此外，模具56的多个区段逐渐和/或顺序的运动在坯段56中产生期望的残余压应力，这增强了锻造坯段52中的抗裂纹增长性。正如前述实施例那样，模具56可具有显著低于坯段52温度的温度，以便降低模具 56所需的材料成本。例如，模具56可具有比坯段52温度低大约500° F、600° FUOOO0 F 或更多的温度，从而在模具56与坯段52之间产生大约500° F、600° F、1000° F或更高的对应温差。模具56与坯段52之间的温差再次导致对坯段52的传导冷却和/或对流冷却。 结果，系统50的工艺参数可再次经控制或调整以便调节挤压过程期间在坯段52中所产生的绝热加热量。例如，由压力机交替和/或顺序地施加到第一区段58和第二区段60上的应变率可经控制或调整以改变挤压过程期间在坯段52中所产生的绝热加热量。取决于特定系统、钛合金、模具56的区段58，60尺寸和数目以及各种其它工艺参数，绝热加热可如大致匹配传递至模具56的热所需那样升高坯段52的温度。结果，系统50在挤压过程期间再次将坯段52温度保持在α-β温度范围内，从而产生图10中所示的近净形坯段52，其具有期望的晶粒大小和定向以及残余压应力，且很少或不需要磨削或其它精加工过程。本领域的普通技术人员将容易认识到的是，前述实施例可顺序地以任何次序相结合以提供用于锻造具有复杂曲线的近净形钛构件的系统和方法。例如，使用参看图1、图2 和图3所述和示出的第一模具18而锻造的钛坯段12可随后使用参照图4和图5或图6、图 7和图8所述的第二模具36来锻造，且中间钛坯段32可随后使用参照图9和图10所述的第三模具56来锻造。如前文所述，应用于各模具18，36，56的顺序、量和应变率可经调整或控制以便调节在锻造坯段中所产生的绝热加热量，从而容许使用较为便宜的模具，同时仍将坯段温度保持在α-β温度范围内。此外，应用于各模具18，36，56的顺序、量和应变率可经调整或控制以便在各种钛坯段12，32，52中产生期望的晶粒结构尺寸、位置和定向，和 /或残余压应力。结果，前文所述和示出的实施例的结合可产生具有多区的钛产品，其具有不同的晶粒和压应力特征，而不需要附加的精加工或处理。最后，模具的逐渐和/或顺序运动导致模具与坯段之间接触点的减少，从而避免需要具有应变能力增大的压力机。
本书面说明使用了包括最佳模式的实例来公开本发明，且还使本领域的普通技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何所结合的方法。本发明可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域普通技术人员所构思出的其它实例。如果这些其它实例包括与权利要求的字面语言并无不同的结构元件，或如果这些其它实例包括与权利要求的字面语言无实质差别的同等结构元件，则认为这些其它实例落在权利要求的范围内。
权利要求
1.一种用于近净形锻造钛构件的方法，包括a.将钛坯段(12)加热至处在α-β温度范围内的温度；以及b.将所述钛坯段(1 挤压到具有比所述钛坯段(1 的温度低大约500°F的温度的第一模具(18)中。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将所述钛坯段(1 挤压到具有比所述钛坯段(12)的温度低大约600° F的温度的所述第一模具(18)中。
3.根据任一前述权利要求所述的方法，其特征在于，所述方法还包括绝热地加热所述钛坯段(12)。
4.根据任一前述权利要求所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将所述钛坯段 (12)的温度保持在所述α-β温度范围内。
5.根据任一前述权利要求所述的方法，其特征在于，所述方法还包括相对所述钛坯段 (12)逐渐地移动所述第一模具(18)的第一区段(38)。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括相对所述钛坯段(12)逐渐地移动所述第一模具(18)的第二区段00)。
7.根据任一前述权利要求所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将所述钛坯段 (12)挤压到第二模具(36)中，其中，所述第二模具(36)具有比所述钛坯段的温度低大约 500° F的温度。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括相对所述钛坯段(12)逐渐地移动所述第二模具(36)的第一区段(38)。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括相对所述钛坯段(12)逐渐地移动所述第二模具(36)的第二区段00)。
10.一种用于近净形锻造钛构件的系统(10)，包括a.钛坯段(12)，其中，所述钛坯段(1 具有处在α-β温度范围内的温度；b.与所述钛坯段(12)接触的冲头(14)；以及c.邻近所述钛坯段(1 以便收纳所述钛坯段(1 的第一模具(18)，其中，所述第一模具(18)具有比所述钛坯段(12)的温度低大约500° F的温度。
11.根据权利要求10所述的系统(10)，其特征在于，所述第一模具(18)具有比所述钛坯段(12)的温度低大约600° F的温度。
12.根据权利要求10至权利要求11中任一项所述的系统(10)，其特征在于，所述第一模具(18)构造成用以相对于所述冲头(14)移动。
13.根据权利要求10至权利要求12中任一项所述的系统(10)，其特征在于，所述第一模具(18)包括第一区段(38)和第二区段00)。
14.根据权利要求13所述的系统(10)，其特征在于，所述第一模具(18)的第一区段 (38)构造成用以独立于所述第一模具(18)的第二区段00)而移动。
15.根据权利要求13至权利要求14中任一项所述的系统(10)，其特征在于，在每次所述第一模具(18)的仅一部分与所述钛坯段(1 接触。
16.根据权利要求10至权利要求13中任一项所述的系统(10)，其特征在于，所述系统 (10)还包括从所述第一模具(18)接收所述钛坯段(1 的第二模具(36)。
全文摘要
本发明涉及用于近净形锻造的系统及方法。具体而言，用于近净形锻造钛构件的方法包括将钛坯段(12)加热至处在α-β温度范围内的温度，且将钛坯段(12)挤压到具有比钛坯段(12)温度低大约500°F的温度的第一模具(18)中。用于近净形锻造钛构件的系统(10)包括具有处在α-β温度范围内的温度的钛坯段(12)和与钛坯段(12)接触的冲头(14)。邻近钛坯段(12)以便收纳钛坯段(12)的第一模具(18)具有比钛坯段(12)温度低大约500°F的温度。
文档编号B21K3/04GK102527893SQ201110354260
公开日2012年7月4日 申请日期2011年10月25日 优先权日2010年10月25日
发明者M·马泰, R·J·斯托尼特施 申请人:通用电气公司