熱加工亞穩(wěn)合金的均勻晶粒尺寸的制作方法
【專利說明】熱加工亞穩(wěn)合金的均勻晶粒尺寸
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請要求提交于2013年3月15日的序列號為61/793，690的美國臨時專利申請的優(yōu)先權(quán)，其內(nèi)容通過引用完全并入本文。
【背景技術(shù)】
[0003]本公開涉及一種制備晶粒尺寸均勾的熱加工Cu-N1-Sn亞穩(wěn)合金(spinodalalloys)的方法。通常，所述方法可用于產(chǎn)生沒有開裂的晶粒尺寸均勻的亞穩(wěn)合金而無需進行勻質(zhì)化步驟。代替勻質(zhì)化步驟的是，鑄態(tài)(as-cast)金屬合金經(jīng)特定的熱處理步驟而產(chǎn)生晶粒尺寸均勻的亞穩(wěn)合金。
[0004]傳統(tǒng)上，用于產(chǎn)生晶粒尺寸均勻的金屬合金的方法包括與其他熱處理和/或冷加工步驟組合的勻質(zhì)化步驟。勻質(zhì)化是通用術(shù)語，通常用來描述旨在糾正存在于界面處的溶質(zhì)元素分布和金屬間結(jié)構(gòu)改變方面的微觀缺陷的熱處理。勻質(zhì)化處理的一個可以接受的結(jié)果是，鑄態(tài)金屬的元素分布變得更加均勻。另一個結(jié)果包括形成大的金屬間顆粒，其在鑄造過程中形成并可在加熱過程中被破碎和除去。
[0005]在進行冷乳或其他熱加工工序之前，通常需要進行勻質(zhì)化工序以將金屬轉(zhuǎn)化成更可用的形式和/或改善乳制產(chǎn)品的最終性能。進行勻質(zhì)化以使微觀濃度梯度均衡。通常通過如下方式進行勻質(zhì)化:加熱鑄件至高溫(高于轉(zhuǎn)變溫度，通常接近其熔點)達幾小時至幾天，不對鑄件進行機械加工，然后冷卻回到環(huán)境溫度。
[0006]由于在鑄造產(chǎn)品中發(fā)現(xiàn)了由凝固的早期階段或最終階段而導(dǎo)致的微觀組織缺陷，因此需要均質(zhì)化步驟。這類缺陷包括晶粒大小不均勻和化學(xué)偏析。凝固后的開裂由鑄造過程中產(chǎn)生的宏觀應(yīng)力引起，其導(dǎo)致在凝固完成前開裂以穿晶方式形成。凝固前的開裂也是由鑄造過程中產(chǎn)生的宏觀應(yīng)力所導(dǎo)致的。
[0007]生產(chǎn)均勻晶粒尺寸的傳統(tǒng)方法具有公認的局限性。主要地，它們通常需要勻質(zhì)化步驟，這會引起促進開裂的不需要的宏觀應(yīng)力。
[0008]希望提供在不進行勻質(zhì)化步驟的情況下制備晶粒尺寸均勻的亞穩(wěn)合金的方法。這種方法將是有利的，因為它們減少了在亞穩(wěn)合金中出現(xiàn)宏觀應(yīng)力和開裂的機會。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本公開涉及將鑄態(tài)亞穩(wěn)合金轉(zhuǎn)變?yōu)榫Я３叽缇鶆虻腻懺飚a(chǎn)品的方法。通常，不需要勻質(zhì)化步驟。概括而言，加熱所述合金的鑄件，然后熱加工，接著空氣冷卻至室溫。所述加熱一熱加工一空氣冷卻是重復(fù)進行的。所得工件具有均勻的晶粒尺寸。意想不到的是，發(fā)現(xiàn)具有高溶質(zhì)含量的合金不需要單獨的熱勻質(zhì)化處理，并且還發(fā)現(xiàn)在較高的溫度下進行機械加工之前，在較低的溫度下進行機械加工產(chǎn)生了均勻的晶粒結(jié)構(gòu)。
[0010]本文的多種實施方案公開了用于制備制品的方法，依次包括:加熱鑄件至約1100° F至約1400° F的第一溫度持續(xù)約10小時至約14小時的第一時間，所述鑄件包括亞穩(wěn)合金；進行所述鑄件的第一熱加工壓縮(hot work reduct1n);空氣冷卻所述鑄件至第一環(huán)境溫度；加熱所述鑄件到至少1600° F的第二溫度持續(xù)第二時間；使所述鑄件暴露于第三溫度下持續(xù)第三時間；進行所述鑄件的第二熱加工壓縮；以及空氣冷卻所述鑄件至最終環(huán)境溫度以產(chǎn)生制品。無需勻質(zhì)化步驟。
[0011]在某些實施方案中，所述第三溫度比所述第二溫度高至少約50° F，且所述第三時間為約2小時至約6小時。
[0012]在其他實施方案中，所述第三溫度比所述第二溫度低至少約50° F，且所述第三時間為約2小時至約6小時，并且將所述鑄件從所述第二溫度空氣冷卻降至所述第三溫度。
[0013]所述第二溫度可為1600° F至約1800° F。所述第二時間可為約12小時至約48小時。
[0014]所述第三溫度可為約1600° F至約1750° F。所述第三時間可為約4小時。
[0015]所述第一環(huán)境溫度和所述第二環(huán)境溫度通常是室溫，即23 °C -25 °C。
[0016]所述鑄態(tài)亞穩(wěn)合金通常是銅-鎳-錫合金。所述銅-鎳-錫合金可包含約8至約20重量%的鎳和約5至約11重量％的錫，余量為銅。在更具體的實施方案中，所述銅-鎳-錫鑄態(tài)亞穩(wěn)合金包含約8至約10重量％的鎳和約5至約8重量％的錫。
[0017]所述第一熱加工壓縮可將鑄件面積減小至少30%。相似的，所述第二熱加工壓縮可將鑄件面積減小至少30%。
[0018]所述第一溫度可為約1200° F至約1350° F。所述第二溫度可為約1650° F至約 1750° F0
[0019]在特定實施方案中，所述第一時間為約12小時；所述第一溫度為約1350° F。在其他實施方案中，所述第二時間為約24小時；所述第二溫度為約1700° F0
[0020]還公開了一種制備具有均勻晶粒尺寸的亞穩(wěn)合金的方法(S100)，包括:在1300° F和1400° F之間加熱鑄態(tài)亞穩(wěn)合金持續(xù)約12小時，然后熱加工壓縮所述合金；空氣冷卻所述亞穩(wěn)合金；加熱所述亞穩(wěn)合金至約1700° F持續(xù)約12小時至約48小時；加熱所述亞穩(wěn)合金至約1750° F持續(xù)約4小時；進行熱加工壓縮；以及空氣冷卻所述亞穩(wěn)合金以產(chǎn)生具有均勻晶粒尺寸的亞穩(wěn)合金。
[0021]還公開了一種制備具有均勻晶粒尺寸的亞穩(wěn)合金的方法(S200)，包括:在1300° F和1400° F之間加熱鑄態(tài)亞穩(wěn)合金持續(xù)約12小時，然后熱加工壓縮所述合金；空氣冷卻所述亞穩(wěn)合金；加熱所述亞穩(wěn)合金至約1700° F持續(xù)約12小時至約48小時；爐內(nèi)冷卻所述亞穩(wěn)合金至約1600° F并加熱持續(xù)約4小時；進行熱加工壓縮；以及空氣冷卻所述亞穩(wěn)合金以產(chǎn)生具有均勻晶粒尺寸的亞穩(wěn)合金。
[0022]下面將更充分地討論本公開的這些和其他非限制性特征。
【附圖說明】
[0023]下面是附圖的簡述，其為舉例說明而非限制本文所公開的示例性實施方案的目的。
[0024]圖1是制備具有均勻晶粒尺寸的熱加工亞穩(wěn)合金的第一示例性方法的流程圖。
[0025]圖2是制備具有均勻晶粒尺寸的熱加工亞穩(wěn)合金的第二示例性方法的流程圖。
[0026]圖3是實驗數(shù)據(jù)的流程圖，所述實驗數(shù)據(jù)表明在對Cu-N1-Sn亞穩(wěn)合金圓柱體進行勻質(zhì)化之后，當(dāng)在壓縮條件下在1750° F下進行空氣冷卻或爐內(nèi)冷卻時，超過一半的所述圓柱體開裂。
[0027]圖4是示出下面的一種傳統(tǒng)方法的數(shù)據(jù)圖，該傳統(tǒng)方法包括:(1)在1700° F下進行勻質(zhì)化步驟持續(xù)3天，(2)在1200° F下再加熱I天，然后熱加工，和(3)在1750° F下進行第二再加熱持續(xù)I天，并且進行第二熱加工，其中所有三個步驟之后均進行水淬。
[0028]圖5是示出改進方法的數(shù)據(jù)圖，所述改進方法包括圖4中所使用的相同步驟(1-3)，但是在各步驟之后使用空氣冷卻代替水冷卻。
[0029]圖6是示出用于形成晶粒尺寸均勻的亞穩(wěn)合金的示例性方法的數(shù)據(jù)圖。在這種示例性方法中無勾質(zhì)化步驟。
[0030]圖7是示出用于形成晶粒尺寸均勻的亞穩(wěn)合金的第二示例性方法的數(shù)據(jù)圖，所述第二示例性方法在第二熱加工中使用較低的溫度。
【具體實施方式】
[0031]參照附圖可更完整地理解本文所公開的組件、方法和裝置。為了便于和易于說明本發(fā)明，這些附圖僅是示意性表示，因此并非旨在表示所述設(shè)備或其部件的相對大小和尺寸，和/或限定或限制示例性實施方案的范圍。
[0032]盡管為了清楚起見，在以下的描述中使用了特定術(shù)語，這些術(shù)語旨在僅指代被選擇在附圖中示出的實施方案的具體結(jié)構(gòu)，并非旨在限定或限制本公開的范圍。在附圖和下面的描述中應(yīng)理解，相似的數(shù)字標(biāo)號指代的是具有相似功能的組件。
[0033]如在說明書和權(quán)利要求書中使用的，術(shù)語“包括”可包括“由……組成”和“基本上由……組成”的實施方案。如本文中使用的術(shù)語“包含”、“包括”、“具有”、“有”、“能夠”、“含有”及其變化形式旨在表示開放式的連接短語、術(shù)語或詞語，其要求具有所提到的成分/步驟，并且允許具有其他成分/