專利名稱：無任何熔融地制造金屬制品的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金屬制品的制造，其利用了一種不熔融金屬材料的工藝。
背景技術(shù)：
金屬制品可利用很多可能適于該金屬和制品自然屬性的任一技術(shù)來制造。在一種普通的方法中，將含有金屬的礦石精煉以產(chǎn)生一種熔融金屬，然后進(jìn)行鑄造。金屬要進(jìn)行精煉是因?yàn)楸仨氁セ驕p少不需要的微量元素的含量。精煉金屬的成分也可以通過加入所需合金元素而改變。這些精煉和合金化步驟可在初始熔融工藝期間或凝固和重熔之后進(jìn)行。在生產(chǎn)出一種所需成分的金屬之后，對于一些合金成分來說其可以以鑄態(tài)形式使用(即鑄造合金)，或者對于其它合金成分來說可再進(jìn)行加工以形成所需形狀的金屬(即鍛造合金)。在每種情況下，都可應(yīng)用例如熱處理、機(jī)械加工、表面涂覆等進(jìn)一步加工。
由于金屬制品的應(yīng)用已經(jīng)變得更加需要以及由于有關(guān)成分、結(jié)構(gòu)、加工和性能之間關(guān)系的冶金知識已經(jīng)得到提高，在基本制造工藝中已經(jīng)融入了很多變化。隨著改進(jìn)的工藝克服了每一性能局限，進(jìn)一步的性能局限就變得很明顯并且必須被重視。有時，性能局限很容易被突破，而在其它情況時突破該限制的能力受到與制造工藝有關(guān)的基本物理法則以及金屬固有屬性的阻礙。每一次對工藝技術(shù)的可能改變以及其所引起的性能改進(jìn)都與工藝變化的成本進(jìn)行權(quán)衡，以確定其在經(jīng)濟(jì)上是否可以接受。
由工藝改變而產(chǎn)生的不斷增加的性能改進(jìn)在很多領(lǐng)域仍是可能的。然而，本發(fā)明者在通向本發(fā)明的工作中已經(jīng)認(rèn)識到，在其他場合基礎(chǔ)的制造方法帶來了不能以任何合理成本突破的基本性能局限。他們已經(jīng)認(rèn)識到一種對于在制造工藝中背離常規(guī)思維的需要，這將突破這些基本局限。本發(fā)明滿足了這個需要，并進(jìn)一步提供了相關(guān)優(yōu)點(diǎn)。
發(fā)明簡述本發(fā)明提供了一種金屬制品的制造方法，其中金屬從不被熔融。以前的制造技術(shù)需要在加工中的某些點(diǎn)熔融該金屬。經(jīng)常涉及多次熔融和凝固步驟的熔融操作成本很高并且對最終金屬制品的性能帶來了一些基本限制。在一些情況下，無法突破這些基本限制，而在其它情況下只能以巨大的成本突破。很多這些限制的根源可直接追溯到在制造工藝的某個點(diǎn)熔融金屬以及與從熔融凝固相關(guān)的事實(shí)。本方法通過在非金屬性前體形態(tài)和最終金屬制品之間工藝的任何點(diǎn)都不熔融金屬完全避免了這些限制。
一種制造由金屬組元(metallic constituent element)所構(gòu)成的金屬制品的方法包括步驟提供該金屬組元的非金屬性前體化合物的混合物，化學(xué)還原該非金屬性前體化合物的混合物以產(chǎn)生初始金屬材料，而不熔化該初始金屬材料，并固結(jié)該初始金屬材料以產(chǎn)生固結(jié)的金屬制品而不熔融該初始金屬材料和不熔融該固結(jié)的金屬制品。也就是，金屬從沒有熔融。
該非金屬性前體化合物可為固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)。在一個具體實(shí)施例中，該非金屬性前體化合物優(yōu)選地是固態(tài)的金屬氧化物前體化合物。它們也可由該金屬性組元的氣相可還原的、化合的非金屬性化合物所替換。在最受關(guān)注的一個應(yīng)用中，非金屬性前體化合物的混合物含有比其它任何金屬元素更多的鈦，以致最終制品是鈦基制品。然而，本方法并不限于鈦基合金。當(dāng)前可感興趣的其它合金包括鋁基合金、鐵基合金、鎳基合金和鎂基合金，但是本方法對于任何具有非金屬性前體化合物且能被還原成金屬狀態(tài)的合金都是可行的。
該非金屬性前體化合物的混合物能夠以任何可行的形式提供。例如，混合物可作為非金屬性前體化合物的顆粒、粉末或薄片的壓制塊而提供，其通常具有比所需最終金屬制品要大的外部尺寸。壓制塊可通過壓制和燒結(jié)而制成。在另一個示例中，該非金屬性前體化合物的混合物可更細(xì)碎并可不壓制成具體的形狀。在另一個示例中，該混合物可以是該前體化合物的氣相混合物。
化學(xué)還原步驟可產(chǎn)生該初始金屬材料海綿體。替代地，其可產(chǎn)生該初始金屬材料的顆粒。優(yōu)選的化學(xué)還原方法利用了熔鹽電解法或氣相還原法。
固結(jié)步驟可通過任何可行的技術(shù)進(jìn)行。優(yōu)選的技術(shù)是熱等靜壓、鍛造、壓制并燒結(jié)、或者罐裝擠壓該初始金屬材料。
固結(jié)的金屬制品可以固結(jié)形式使用。在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境中，可用公知的成形技術(shù)將其成形為其它形狀，例如軋制、鍛造、擠壓等。也可用公知的技術(shù)對其進(jìn)行后處理，例如機(jī)械加工、表面涂覆、熱處理等。
本發(fā)明與現(xiàn)有方法的區(qū)別在于沒有在整體上熔融金屬。熔融以及例如鑄造等與其相關(guān)的工藝很昂貴并且還會產(chǎn)生不可避免或者只能用額外昂貴的工藝改變來改變的微觀結(jié)構(gòu)。本方法降低了成本并且避免了與熔融和鑄造相關(guān)的結(jié)構(gòu)和缺陷，以提高最終金屬制品的機(jī)械性能。在某些情況下，其還會導(dǎo)致改進(jìn)的性能以制造出特殊形狀以及更易于成形，并且更易于對這些制品進(jìn)行檢查。相對于具體的合金系統(tǒng)，已認(rèn)識到另外的益處，例如減少在敏感的鈦合金中的α殼缺陷和α晶團(tuán)結(jié)構(gòu)。
在現(xiàn)有技術(shù)中使用了幾種類型的固態(tài)固結(jié)。其示例包括熱等靜壓、壓制并燒結(jié)、裝罐并擠壓、以及鍛造。然而，在所有已知技術(shù)中使用的是開始于以前熔融過的金屬材料的固態(tài)加工技術(shù)。本方法開始于非金屬性前體化合物，將這些前體化合物還原成初始金屬材料，并固結(jié)該初始金屬材料。其中沒有出現(xiàn)金屬態(tài)的熔融。
本方法的優(yōu)選形式還具有基于一種粉末狀前體的優(yōu)點(diǎn)。不熔融地產(chǎn)生例如海綿體等金屬粉末或粉末基材料避免了一種帶有例如非平衡的微觀和宏觀水平上的元素偏析等相關(guān)缺陷的鑄造結(jié)構(gòu)、一種具有對于很多應(yīng)用晶粒度范圍和形態(tài)必須均勻化的鑄造微觀結(jié)構(gòu)、內(nèi)部氣泡以及雜質(zhì)。這種基于粉末的方法產(chǎn)生了一致的、細(xì)晶的、均勻的、無孔隙的、無氣孔的以及低雜質(zhì)的最終產(chǎn)品。
初始金屬材料的細(xì)晶、無晶團(tuán)結(jié)構(gòu)為后續(xù)的固結(jié)以及例如鍛造、熱等靜壓、軋制和擠壓等金屬加工工序提供了極好的開端。常規(guī)的始于鑄造的材料必須要加工以改變和減少晶團(tuán)結(jié)構(gòu)，而本方法無需這樣的加工。
本方法的另一個重要的益處是與鑄造一鍛造產(chǎn)品相比改善了可檢查性能。用于斷裂臨界用途中的大型金屬制品在制造過程期間以及結(jié)束時要進(jìn)行多次檢查。由例如α-β鈦合金等金屬制成并用于例如氣輪機(jī)盤等關(guān)鍵應(yīng)用中的鑄造一鍛造產(chǎn)品在超聲波檢查中表現(xiàn)出了高的噪聲等級，原因在于當(dāng)鑄件或鍛件冷卻時經(jīng)歷β-α相變期間所產(chǎn)生的晶團(tuán)結(jié)構(gòu)。在一個標(biāo)準(zhǔn)的平底孔檢測過程中，晶團(tuán)結(jié)構(gòu)的存在以及相關(guān)的噪聲等級將小缺陷的檢查能力限制在尺寸約為2/64-3/64英寸的缺陷。
由本方法所生產(chǎn)的制品沒有粗晶團(tuán)結(jié)構(gòu)。于是，它們在超聲波檢查中表現(xiàn)出了顯著降低的噪聲等級。因此可檢測到1/64英寸或更小范圍的缺陷?？蓹z測缺陷大小的降低允許制造和檢查更大的制品，因而就允許采用更經(jīng)濟(jì)的制造工藝，和/或?qū)Ω∪毕葸M(jìn)行檢測。例如，由于晶團(tuán)結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的對于可檢查性能的限制在加工的中間階段將一些由α-β鈦合金制成的制品限制到最大直徑約為10英寸。通過降低與檢查過程相關(guān)的噪聲，可對更大直徑的中間階段制品進(jìn)行加工和檢查。因而，例如，可對16英寸直徑的中間階段鍛件進(jìn)行檢查并直接鍛造成最終的零件，而不是通過中間加工步驟。這樣就減少了加工步驟和成本，并且最終產(chǎn)品的檢查質(zhì)量具有更高的可信度。
本方法特別優(yōu)選地應(yīng)用于制造鈦基制品。目前由礦石提煉出鈦的生產(chǎn)是昂貴的、含雜質(zhì)的、對環(huán)境有危害的過程，其利用了難以控制的危險的反應(yīng)劑以及很多加工步驟。本方法只使用了一個帶有用堿金屬處理過的相對良性的、液相熔鹽或汽相反應(yīng)劑還原步驟。另外，用常規(guī)方法制得的α-β鈦合金易于出現(xiàn)例如α殼等缺陷，這在本方法得到了避免。由本方法所取得的最終產(chǎn)品成本的降低也使得輕質(zhì)鈦合金在成本驅(qū)使的應(yīng)用中相對于例如鋼等其它便宜得多的材料而言更經(jīng)濟(jì)。
從下述結(jié)合附圖對于優(yōu)選具體實(shí)施例更詳細(xì)的說明中，本發(fā)明的其它特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將會很明顯，說明以舉例的方式示出了本發(fā)明的原理。然而，本發(fā)明的范圍并不限于這個優(yōu)選的具體實(shí)施例。


圖1是根據(jù)本方法制備的一種金屬制品的立體圖；圖2是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的一種方法的方塊流程圖；圖3是初始金屬材料海綿體的立體圖。
發(fā)明詳述本方法可用于制造很多種的金屬制品20。一個令人感興趣的示例是圖1所示的氣輪機(jī)壓縮機(jī)葉片22。壓縮機(jī)葉片22包括一翼面24、一用于將該結(jié)構(gòu)固定至一壓縮機(jī)輪盤(未示出)的固定件26、以及位于翼面24和固定件26之間的一平臺28。壓縮機(jī)葉片22只是可用本方法制造的制品20的一個類型的示例。其它示例包括例如風(fēng)扇葉片、風(fēng)扇輪盤、壓縮機(jī)輪盤、葉輪機(jī)葉片、葉輪機(jī)輪盤、軸承、整體葉盤(blisk)、殼體和軸等其它氣輪機(jī)零件、汽車零件、生物醫(yī)學(xué)制品、以及例如機(jī)身部件等結(jié)構(gòu)件。對于可用這種方法制造的制品類型沒有已知的限制。
圖2示出了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的一個優(yōu)選具體實(shí)施例。通過首先提供該金屬組元的非金屬性前體化合物的一種混合物，步驟40，而制造金屬制品20?！胺墙饘傩郧绑w化合物”是最終構(gòu)成該金屬制品20的金屬的非金屬性化合物?？梢允褂萌魏慰刹僮鞯姆墙饘傩郧绑w化合物。對于固相還原來說，該金屬的可還原氧化物是優(yōu)選的非金屬性前體化合物，但是例如硫化物、碳化物、鹵化物和氮化物等其它類型的非金屬性化合物也是可行的。對于氣相還原來說，該金屬的可還原鹵化物是優(yōu)選的非金屬性前體化合物。
選擇非金屬性前體化合物以提供最終金屬制品中所需的金屬，并且將其與適當(dāng)?shù)谋壤旌掀饋硪援a(chǎn)生這些金屬在金屬制品中所需的比例。例如，如果最終制品要含有特定重量比例為90∶6∶4的鈦、鋁、釩，那么該非金屬性前體化合物對于固相還原方法來說優(yōu)選地是氧化鈦、氧化鋁和氧化釩，或者對于氣相還原來說是四氯化鈦、氯化鋁和氯化釩。也可以使用用作最終金屬制品中多于一種金屬的來源的非金屬性前體化合物。提供這些前體化合物并將其以適當(dāng)?shù)谋壤旌掀饋硪允沟们绑w化合物的混合物中的鈦∶鋁∶釩的比例是形成最終制品的金屬性合金中所需的比例(在示例中重量比為90∶6∶4)。在這個示例中，最終金屬性制品是鈦基合金，其具有按重量計算比任何其它元素都要多的鈦。
非金屬性前體化合物可以以任何可行的物理形態(tài)提供。用于固相還原的非金屬性前體化合物優(yōu)選地初始為細(xì)碎形態(tài)以確保其在后續(xù)步驟中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。這種細(xì)碎形態(tài)包括，例如易于生產(chǎn)且在市場上可購得的粉末、顆粒、薄片或小球。這種細(xì)碎形態(tài)優(yōu)選的最大尺寸是約100微米，雖然優(yōu)選地這個最大尺寸小于約10微米以確保良好的均勻性。這種細(xì)碎形態(tài)的非金屬性前體化合物可通過下述其余工序而進(jìn)行處理。在這種方法的一個變型中，這種細(xì)碎形態(tài)的非金屬性前體化合物可被壓制在一起，例如通過壓制和燒結(jié)，以產(chǎn)生一種由其余工序進(jìn)行處理的預(yù)制坯。在后一種情況中，非金屬性前體化合物的壓制塊在外部尺寸上要大于所需最終金屬制品的尺寸，因?yàn)檫@個外部尺寸在后續(xù)加工中會減小。
此后，利用任何可行的技術(shù)在化學(xué)還原非金屬性前體化合物的混合物以產(chǎn)生初始金屬材料，步驟42，而不熔融該初始金屬材料。在本文中，“不熔融”、“非熔融”以及相關(guān)概念指的是材料宏觀上或整體上沒有被熔融以致于液化或失去其形狀。例如，由于低熔點(diǎn)元素熔融并與不熔融的較高熔點(diǎn)元素分散地合金化可能有少量局部熔融。即使在這種情況下，材料的整體形狀仍保持不變。
在一種由于非金屬性前體化合物作為固體提供而被稱作固相還原的方法中，可通過熔鹽電解進(jìn)行化學(xué)還原。熔鹽電解是一種公知的技術(shù)，這種技術(shù)在例如已出版的專利申請WO99/64638中進(jìn)行了說明，該公開物整體地以參考的方式引用于此。簡言之，在熔鹽電解中，非金屬性前體化合物的混合物在一個低于形成該非金屬性前體化合物的金屬的熔融溫度的溫度下浸沒在一種例如氯化鹽等熔鹽電解質(zhì)的電解槽中。非金屬性前體化合物的混合物構(gòu)成具有一惰性陽極的該電解槽的陰極。與非金屬性前體化合物中金屬相結(jié)合的元素，例如在氧化物型非金屬性前體化合物的優(yōu)選情況中的氧氣，通過化學(xué)還原(即化學(xué)氧化的逆反)而從混合物中除去。這種反應(yīng)在升高的溫度下進(jìn)行以促進(jìn)氧氣或其它氣體從陰極擴(kuò)散出去。對陰極電位進(jìn)行控制以確保非金屬性前體化合物的還原會發(fā)生，而不是例如熔鹽分解等其它可能的化學(xué)反應(yīng)。電解質(zhì)是一種鹽，優(yōu)選地是一種比正被精煉的金屬的等效鹽更穩(wěn)定的鹽并且理想地非常穩(wěn)定以將氧氣或其它氣體去除至低水平。鋇、鈣、銫、鋰、鍶和釔的氯化物及其氯化物的混合物優(yōu)選地用作熔鹽?；瘜W(xué)還原可進(jìn)行至完成，以使得非金屬性前體化合物被完全還原。替代地，化學(xué)還原也可部分地進(jìn)行，以致于仍殘留一些非金屬性前體化合物。
在另一種由于非金屬性前體化合物作為汽相或氣相提供而被稱作氣相還原的方法中，化學(xué)還原可通過利用一種液態(tài)堿金屬或一種液態(tài)堿土金屬還原基體金屬和合金元素鹵化物的混合物而進(jìn)行。例如，作為鈦的來源的四氯化鈦以及合金元素的氯化物(例如作為鋁的來源的氯化鋁)以氣態(tài)的形式提供。這些氣體適量的混合物與熔融鈉相接觸，以使得那些金屬鹵化物被還原成金屬形態(tài)。金屬性合金與鈉分離。這個還原在低于該金屬性合金熔點(diǎn)的溫度進(jìn)行，以使得該合金不會熔融。這種方法在美國專利5,779,761和5,958,106中進(jìn)行了更全面的說明，這些公開物整體地以參考的方式引用于此。
步驟42完成時初始金屬材料的物理形態(tài)取決于非金屬性前體化合物的混合物在步驟42開始時的物理形態(tài)。如果非金屬性前體化合物的混合物是可自由流動的細(xì)碎固體微粒、粉末、顆粒、薄片等，初始金屬材料也呈現(xiàn)同樣的形態(tài)，除了其尺寸更小并且通常有些孔隙之外。如果非金屬性前體化合物的混合物是細(xì)碎固體微粒、粉末、顆粒、薄片等的壓制塊，那么初始金屬材料的最終物理形態(tài)通常是有些孔隙的海綿狀金屬60的形態(tài)，如圖3所示。海綿狀金屬的外部尺寸比非金屬性前體化合物壓制塊的尺寸要小，因?yàn)樵谶€原的步驟42中去除了氧氣和/或其它化合元素。如果非金屬性前體化合物的混合物為氣態(tài)，那么金屬性合金的最終物理形態(tài)通常為可進(jìn)一步處理的細(xì)粉末。
初始金屬材料的化學(xué)成分由步驟40所提供的非金屬性前體化合物混合物中金屬的種類和數(shù)量所決定。在一個所關(guān)注的情況中，初始金屬材料具有比任何其它元素都要多的鈦，以制出一種鈦基初始金屬材料。
初始金屬材料呈現(xiàn)對于大多應(yīng)用而言在結(jié)構(gòu)上無用的形態(tài)。因此，隨后固結(jié)該初始金屬材料以產(chǎn)生一種固結(jié)的金屬制品，步驟44，而不熔融該初始金屬材料且不熔融固結(jié)的金屬制品。固結(jié)操作從初始金屬材料中去除孔隙，理想地將其相對密度提高至或接近100％?？墒褂萌魏晤愋涂尚械墓探Y(jié)方法。優(yōu)選地，固結(jié)44通過在適當(dāng)?shù)臏囟群蛪毫l件下熱等靜壓該初始金屬材料而進(jìn)行，但是溫度要低于該初始金屬材料和固結(jié)的金屬制品的熔點(diǎn)(兩者的熔點(diǎn)通常相等或者非常接近)。也可使用壓制和固態(tài)燒結(jié)或擠壓罐裝材料，尤其當(dāng)初始金屬材料呈現(xiàn)粉末形態(tài)時。固結(jié)縮小了初始金屬材料塊的外部尺寸，但是這種尺寸的縮小對于具體成分而言可由經(jīng)驗(yàn)而預(yù)知。固結(jié)處理44還可用于獲得金屬制品的進(jìn)一步合金化。例如，用于熱等靜壓的罐可能未被排空以使得其中有殘留氧氣/氮?dú)夂俊Ｔ谶M(jìn)行熱等靜壓的加熱時，殘留氧氣/氮?dú)鈹U(kuò)散入鈦合金并與之合金化。
固結(jié)的金屬制品，例如如圖1所示，可以以其類固結(jié)形態(tài)使用。替代地，在適當(dāng)?shù)那闆r下，固結(jié)的金屬制品可以任選地，通過任何可行的金屬成形工藝所成形，步驟46，例如通過鍛造、擠壓、軋制等。一些金屬成分服從于這樣的成形工藝，而其它的則不會。
固結(jié)的金屬制品也可以任選地通過任何可行的方法進(jìn)行后處理，步驟48。這種后處理步驟可包括，例如熱處理、表面涂覆、機(jī)械加工等。步驟46和48可以按所示順序進(jìn)行，或者步驟48可在步驟46之前進(jìn)行。
金屬材料從不加熱至高于其熔點(diǎn)。另外，其可保持在低于其自身熔點(diǎn)的具體溫度。例如，當(dāng)一種α-β鈦合金被加熱至高于β相變溫度，就形成了β相。當(dāng)合金冷卻至低于該β相變溫度時，β相轉(zhuǎn)變?yōu)棣料唷τ谝恍?yīng)用，希望金屬合金不被加熱至其β相變溫度以上的溫度。在這種情況下要注意，海綿狀合金或其它金屬形態(tài)在任何時候處理過程中不能被加熱至高于其β相變溫度。這樣就能得到一種具有良好微觀結(jié)構(gòu)的無α相晶團(tuán)的結(jié)構(gòu)并且可制造得比一種粗微觀結(jié)構(gòu)更易于具有超塑性。因?yàn)椴牧陷^低的流變應(yīng)力，簡化了隨后的制造操作，因此可使用更小、成本更低的鍛壓機(jī)或其它金屬加工機(jī)械，并且對機(jī)器的磨損更少。
在其它情況下，例如一些飛機(jī)機(jī)身部件和結(jié)構(gòu)件，希望將合金加熱至高于其β相變溫度并進(jìn)入β相范圍，從而產(chǎn)生β相并且提高了最終產(chǎn)品的韌性。在這種情況下，在該工藝中金屬性合金可被加熱至高于β相變溫度的溫度，但是在任何情況下都不能高于合金的熔點(diǎn)。當(dāng)加熱至高于β相變溫度的制品再被冷卻至低于β相變溫度的溫度時，形成了一種能妨礙對該制品進(jìn)行超聲波檢查的晶團(tuán)結(jié)構(gòu)。在那種情況下，可能希望制品在低溫下進(jìn)行制造和超聲波檢查，而未曾被加熱至高于β相變溫度的溫度，以使得其處于無晶團(tuán)狀態(tài)。在完成超聲波檢查以確定制品無缺陷之后，然后其可在高于β相變溫度的溫度進(jìn)行熱處理并冷卻。最終制品比尚未加熱至高于β相變溫度的制品更不易檢查，但是無缺陷狀態(tài)已經(jīng)形成。由于從這種工藝所得到的細(xì)顆粒尺寸，要在最終制品中達(dá)到一種微細(xì)結(jié)構(gòu)就需要更少的工作，從而得到了低成本的產(chǎn)品。
制品的微觀結(jié)構(gòu)類型、形態(tài)和量級由初始材料和加工所決定。當(dāng)使用固相還原技術(shù)時，由本方法所產(chǎn)生的制品的晶粒通常對應(yīng)于初始材料的粉末微粒的形態(tài)和大小。因而，一種5微米的原始粒度產(chǎn)生量級約為5微米的最終晶粒度。對于大多數(shù)應(yīng)用，優(yōu)選的晶粒度小于約10微米，雖然晶粒度也可高達(dá)100微米或更大。如前所述，本方法避免了由于相變的粗β相晶粒而產(chǎn)生的粗α相晶團(tuán)結(jié)構(gòu)，粗β晶粒在常規(guī)的以熔融為基礎(chǔ)的工藝中當(dāng)熔體冷卻入相圖的β相區(qū)時會產(chǎn)生。在本方法中，金屬從不熔融并且從不從熔融狀態(tài)冷卻入β相區(qū)，因此不會出現(xiàn)粗β相晶粒。β相晶?？赡軙谌缟纤龊罄m(xù)處理過程中產(chǎn)生，但是它們在低于熔點(diǎn)的較低溫度下產(chǎn)生，因而比常規(guī)實(shí)踐中從熔體冷卻所得到的β相晶粒精細(xì)得多。在常規(guī)得以熔融為基礎(chǔ)的實(shí)踐中，后續(xù)金屬加工工藝設(shè)計為破碎并球化與晶團(tuán)結(jié)構(gòu)相關(guān)的粗α相結(jié)構(gòu)。在本方法中并不需要這樣的處理，因?yàn)樗a(chǎn)生的結(jié)構(gòu)是精細(xì)的并且不包含α片。
本方法在從沒有將最終金屬形態(tài)的金屬加熱至高于其熔點(diǎn)的情況下將非金屬性前體化合物的混合物加工成最終的金屬形態(tài)。因此，這種加工避免了與熔融操作相關(guān)的成本，例如對于鈦基合金的控制氣氛或真空爐成本。沒有發(fā)現(xiàn)與熔融相關(guān)的通常為大晶粒結(jié)構(gòu)、鑄造缺陷和晶團(tuán)結(jié)構(gòu)的微觀結(jié)構(gòu)。沒有這些缺陷，制品在重量上可以減輕。對于敏感的鈦基合金，由于還原環(huán)境的存在也降低或避免了α殼形成的發(fā)生率。例如靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度等機(jī)械性能也得到提高。
本方法在從沒有將最終金屬形態(tài)的金屬加熱至高于其熔點(diǎn)的情況下將非金屬性前體化合物的混合物加工成最終的金屬形態(tài)。因此，這種工藝避免了與熔融操作相關(guān)的成本，例如對于鈦基合金的控制氣氛或真空爐成本。沒有發(fā)現(xiàn)與熔融相關(guān)的通常表現(xiàn)為大晶粒結(jié)構(gòu)和鑄造缺陷的微觀結(jié)構(gòu)。沒有這些缺陷，制品在重量上可以減輕，因?yàn)榭梢匀∠切┍灰胍匝a(bǔ)償這些缺陷的額外材料。用上述更好的可檢查性得到的制品無缺陷狀態(tài)的較大可信度，也導(dǎo)致了那些不然必須有的額外材料的減少。對于敏感的鈦基合金，由于還原環(huán)境的存在也降低或避免了α殼形成的發(fā)生率。
盡管為了說明而詳細(xì)地描述了本發(fā)明的一個具體實(shí)施例，但是在不偏離本發(fā)明主旨和范圍之下，可對本發(fā)明進(jìn)行很多變型和改進(jìn)。因此，本發(fā)明除了所附的權(quán)利要求外不受限制。
權(quán)利要求
1.一種制造由金屬組元所構(gòu)成的金屬制品(20)的方法，包括步驟提供該金屬組元的非金屬性前體化合物的混合物；化學(xué)還原該非金屬性前體化合物的混合物以產(chǎn)生初始金屬材料，而不熔融該初始金屬材料；和固結(jié)該初始金屬材料以產(chǎn)生固結(jié)的金屬制品(20)，而不熔融該初始金屬材料且不熔融該固結(jié)的金屬制品(20)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中提供該混合物的步驟包括以下步驟提供非金屬性前體化合物的壓制塊。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中提供該混合物的步驟包括以下步驟提供在尺寸上大于所需的最終金屬制品(20)的非金屬性前體化合物的壓制塊。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中提供該混合物的步驟包括以下步驟提供含有金屬氧化物前體化合物的該混合物。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中提供該混合物的步驟包括以下步驟提供含有鈦比其它任何金屬元素都要多的該混合物。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中化學(xué)還原步驟包括以下步驟制備初始金屬材料海綿體(60)。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中化學(xué)還原步驟包括以下步驟通過固相還原來化學(xué)還原該非金屬性前體化合物的混合物。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中化學(xué)還原步驟包括以下步驟通過氣相還原來化學(xué)還原該化合物的混合物。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中化學(xué)還原步驟包括以下步驟制備含有鈦比任何其它元素都要多的初始金屬材料。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中固結(jié)步驟包括以下步驟固結(jié)初始金屬材料以產(chǎn)生基本上無晶團(tuán)結(jié)構(gòu)的固結(jié)金屬制品(20)。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其中固結(jié)步驟包括以下步驟使用選自熱等靜壓、鍛造、壓制并燒結(jié)以及罐裝擠壓的一種技術(shù)固結(jié)該初始金屬材料。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其中在固結(jié)步驟之后包括一個附加步驟形成該固結(jié)的金屬制品(20)。
13.一種制造由金屬組元所構(gòu)成的金屬制品(20)的方法，包括步驟提供該金屬組元氧化物的混合物的壓制塊；通過熔鹽電解法化學(xué)還原該氧化物以產(chǎn)生初始金屬材料海綿體(60)，而不熔融該初始金屬材料；和固結(jié)該初始金屬材料海綿體(60)以產(chǎn)生固結(jié)的金屬制品(20)，而不熔融該初始金屬材料，且不熔融該固結(jié)的金屬制品(20)。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中提供該混合物的步驟包括以下步驟提供在尺寸上大于所需的最終金屬制品(20)的非金屬性前體化合物的壓制塊。
15.如權(quán)利要求13所述的方法，其中提供該混合物的步驟包括以下步驟提供含有鈦比其它任何金屬元素都要多的該混合物。
16.如權(quán)利要求13所述的方法，其中固結(jié)步驟包括以下步驟使用選自熱等靜壓、鍛造、壓制并燒結(jié)以及罐裝擠壓的一種技術(shù)固結(jié)該初始金屬材料。
17.如權(quán)利要求13所述的方法，其中在固結(jié)步驟之后包括一個附加步驟形成該固結(jié)的金屬制品(20)。
全文摘要
一種由金屬組元構(gòu)成的金屬制品(20)由該金屬組元的非金屬性前體化合物的混合物所制造?；瘜W(xué)還原該非金屬性前體化合物的混合物以產(chǎn)生初始金屬材料，而不熔融該初始金屬材料。固結(jié)該初始金屬材料以產(chǎn)生固結(jié)的金屬制品(20)，而不熔融該初始金屬材料且不熔融該固結(jié)的金屬制品(20)。
文檔編號B22F9/16GK1658990SQ03813794
公開日2005年8月24日 申請日期2003年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月14日
發(fā)明者A·P·伍德菲爾德, E·A·奧特, C·E·香布倫 申請人:通用電氣公司