特許 6109738 チタンおよびチタン合金の処理経路

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6109738

(24)【登録日】2017年3月17日

(45)【発行日】2017年4月5日

(54)【発明の名称】チタンおよびチタン合金の処理経路

(51)【国際特許分類】

   C22F 1/18 20060101AFI20170327BHJP

   C22C 14/00 20060101ALI20170327BHJP

   C22F 1/04 20060101ALI20170327BHJP

   C22F 1/10 20060101ALI20170327BHJP

   C21D 8/00 20060101ALI20170327BHJP

   C22F 1/00 20060101ALN20170327BHJP

【ＦＩ】

   C22F1/18 H

   C22C14/00 Z

   C22F1/18 E

   C22F1/04 Z

   C22F1/10 Z

   C21D8/00 Z

   !C22F1/00 604

   !C22F1/00 605

   !C22F1/00 601

   !C22F1/00 624

   !C22F1/00 630A

   !C22F1/00 630B

   !C22F1/00 630C

   !C22F1/00 630K

   !C22F1/00 691B

   !C22F1/00 691C

   !C22F1/00 683

   !C22F1/00 694Z

   !C22F1/00 694B

   !C22F1/00 692A

   !C22F1/00 692B

   !C22F1/00 694A

【請求項の数】44

【全頁数】36

(21)【出願番号】特願2013-529162(P2013-529162)

(86)(22)【出願日】2011年8月22日

(65)【公表番号】特表2013-539820(P2013-539820A)

(43)【公表日】2013年10月28日

(86)【国際出願番号】US2011048546

(87)【国際公開番号】WO2012036841

(87)【国際公開日】20120322

【審査請求日】2014年7月24日

(31)【優先権主張番号】12/882,538

(32)【優先日】2010年9月15日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】501187033

【氏名又は名称】エイティーアイ・プロパティーズ・エルエルシー

(74)【代理人】

【識別番号】100140109

【弁理士】

【氏名又は名称】小野 新次郎

(74)【代理人】

【識別番号】100075270

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 泰

(74)【代理人】

【識別番号】100096013

【弁理士】

【氏名又は名称】富田 博行

(74)【代理人】

【識別番号】100092967

【弁理士】

【氏名又は名称】星野 修

(74)【代理人】

【識別番号】100161595

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 梓

(72)【発明者】

【氏名】フォーブズ・ジョーンズ，ロビン・エム

(72)【発明者】

【氏名】マンティオーネ，ジョン・ヴイ

(72)【発明者】

【氏名】デ・ソーザ，アーバン・ジェイ

(72)【発明者】

【氏名】トマス，ジャン−フィリップ

(72)【発明者】

【氏名】ミニサンドラム，ラメッシュ・エス

(72)【発明者】

【氏名】ケネディ，リチャード・エル

(72)【発明者】

【氏名】デイビス，アール・マーク

【審査官】 高木 康晴

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２００５／０１４５３１０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 国際公開第９８／１７８３６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開平１１−２１６４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 Renat Imayev,Ayrat Nazarov,Radik Mulyukov，Principles of Fabrication of Bulk Ultrafine-Grained and Nanostructured Materials by Multiple Isothermal Forging，Materials Science Forum，米国，２０１０年 １月，Vols.638-642，pp.1702-1707

【文献】 G.A.Salishchev, et al.，Effect of Deformation Conditions on Grain Size and Microstructure Homogeneity of β-Rich Titanium Alloys，Journal of Materials Engineering and Performance，２００５年，Vol.14/No.6，pp.709-716

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ２２Ｆ １／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

チタンおよびチタン合金から選択される金属材料を含むワークピースの粒径を微細化する方法であって：
金属材料のα＋β相領域内のワークピース鍛造温度までワークピースを加熱することと；
ワークピースを多軸鍛造することと
を含み、多軸鍛造が：
ワークピースの内部領域を断熱加熱するのに十分なひずみ速度で、ワークピースの第１直交軸の方向に前記ワークピース鍛造温度でワークピースをプレス鍛造することと、
前記ワークピース鍛造温度までワークピースの外側表面領域を加熱しながら、ワークピースの断熱加熱された内部領域を前記ワークピース鍛造温度まで冷却させることと、
ワークピースの内部領域を断熱加熱するのに十分であるひずみ速度で、ワークピースの第２直交軸の方向に前記ワークピース鍛造温度でワークピースをプレス鍛造することと、
前記ワークピース鍛造温度までワークピースの外側表面領域を加熱しながら、ワークピースの断熱加熱された内部領域を前記ワークピース鍛造温度まで冷却させることと、
ワークピースの内部領域を断熱加熱するのに十分であるひずみ速度で、ワークピースの第３直交軸の方向に前記ワークピース鍛造温度でワークピースをプレス鍛造することと、
前記ワークピース鍛造温度までワークピースの外側表面領域を加熱しながら、ワークピースの断熱加熱された内部領域を前記ワークピース鍛造温度まで冷却させることと、
ワークピースの少なくともある領域において少なくとも３．５の真のひずみが達成されるまで、前記プレス鍛造および冷却させるステップの少なくとも１つを繰り返すこととを含み、
前記ワークピース鍛造温度が、金属材料のβトランザス温度より１００°Ｆ（５５．６℃）低い温度から金属材料のβトランザス温度より７００°Ｆ（３８８．９℃）低い温度までの範囲にあり、そして
プレス鍛造の間に用いられるひずみ速度が、０．２／秒〜０．８／秒の範囲にある、
方法。

【請求項2】

ワークピースがαチタン合金、α＋βチタン合金、準安定βチタン合金、およびβチタン合金からなる群から選択されるチタン合金を含む、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

ワークピースが、α＋βチタン合金を含む、請求項１に記載の方法。

【請求項4】

ワークピースが、ＡＳＴＭグレード５、６、１２、１９、２０、２１、２３、２４、２５、２９、３２、３５、３６、および３８チタン合金から選択されるチタン合金を含む、請求項１に記載の方法。

【請求項5】

金属材料のα＋β相領域内の前記ワークピース鍛造温度までワークピースを加熱することが：
ワークピースを金属材料の均熱温度まで加熱することと；
ワークピースにおいて１００％のβ相微細構造を形成するのに十分な均熱時間の間、ワークピースを前記均熱温度において保持することと；
ワークピースを前記ワークピース鍛造温度まで冷却することとを含む、請求項１に記載の方法。

【請求項6】

前記均熱温度が、金属材料のβトランザス温度から金属材料のβトランザス温度を３００°Ｆ（１１１℃）を超えるまでの温度範囲（両端を含む）にある、請求項５に記載の方法。

【請求項7】

前記均熱時間が、５分〜２４時間である、請求項５に記載の方法。

【請求項8】

ワークピースを前記ワークピース鍛造温度まで冷却する前に、金属材料のβ相領域における塑性変形温度でワークピースを塑性変形することをさらに含む、請求項５に記載の方法。

【請求項9】

金属材料のβ相領域における塑性変形温度でワークピースを塑性変形することが、ワークピースの引き抜き、据え込み鍛造、および高ひずみ速度多軸鍛造のうちの少なくとも１つをさらに含む、請求項８に記載の方法。

【請求項10】

塑性変形温度が、金属材料のβトランザス温度から金属材料のβトランザス温度を最大で３００°Ｆ（１１１℃）を超えるまでの塑性変形温度範囲（両端を含む）にある、請求項８に記載の方法。

【請求項11】

ワークピースを塑性変形することが、高ひずみ速度多軸鍛造を含み、ワークピースを前記ワークピース鍛造温度まで冷却することが、ワークピースが金属材料のα＋β相領域における前記ワークピース鍛造温度まで冷えるに従って、ワークピースを高ひずみ速度多軸鍛造することをさらに含む、請求項８に記載の方法。

【請求項12】

ワークピースを塑性変形することが、ワークピースを０．１〜０．５の範囲（両端を含む）のβ据え込みひずみまで据え込み鍛造することを含む、請求項８に記載の方法。

【請求項13】

ワークピースの断熱加熱された内部領域が、５秒〜１２０秒の範囲（両端を含む）の内部領域冷却時間の間冷却される、請求項１に記載の方法。

【請求項14】

ワークピースにおいて４．７の真のひずみが達成されるまで、請求項１に列挙したプレス鍛造および冷却させるステップのうちの１つ以上のステップを繰り返すことをさらに含む、請求項１に記載の方法。

【請求項15】

ワークピースの外側表面を加熱することが、火炎加熱、箱型炉加熱、誘導加熱、および放射加熱のうちの１つ以上を用いた加熱を含む、請求項１に記載の方法。

【請求項16】

ワークピースをプレス鍛造するのに用いられる鍛造型を、前記ワークピース鍛造温度から前記ワークピース鍛造温度より１００°Ｆ（５５．６℃）低い温度の範囲（両端を含む）の温度に加熱することをさらに含む、請求項１に記載の方法。

【請求項17】

繰り返しが、請求項１に列挙したプレス鍛造および冷却させるステップを少なくとも４回繰り返すことを含む、請求項１に記載の方法。

【請求項18】

３．７の真のひずみが達成された後、ワークピースが、４μｍ〜６μｍの範囲（両端を含む）の平均α粒子粒径を含む、請求項１に記載の方法。

【請求項19】

４．７の真のひずみが達成された後、ワークピースが、４μｍの平均α粒子粒径を含む、請求項１に記載の方法。

【請求項20】

完了時に、α粒子粒が等軸である、請求項１８および１９のいずれかに記載の方法。

【請求項21】

さらに：
金属材料のα＋β相領域における第２ワークピース鍛造温度までワークピースを冷却することと；
ワークピースの内部領域を断熱加熱するのに十分なひずみ速度で、ワークピースの第１直交軸の方向に前記第２ワークピース鍛造温度でワークピースをプレス鍛造することと；
前記第２ワークピース鍛造温度までワークピースの外側表面領域を加熱しながら、ワークピースの断熱加熱された内部領域を前記第２ワークピース鍛造温度まで冷却させることと；
ワークピースの内部領域を断熱加熱するのに十分であるひずみ速度で、ワークピースの第２直交軸の方向に前記第２ワークピース鍛造温度でワークピースをプレス鍛造することと；
ワークピースの外側表面領域を前記第２ワークピース鍛造温度まで加熱しながら、ワークピースの断熱加熱された内部領域を前記第２ワークピース鍛造温度まで冷却させることと；
ワークピースの内部領域を断熱加熱するのに十分であるひずみ速度で、ワークピースの第３直交軸の方向に前記第２ワークピース鍛造温度でワークピースをプレス鍛造することと；
前記第２ワークピース鍛造温度までワークピースの外側表面領域を加熱しながら、ワークピースの断熱加熱された内部領域を前記第２ワークピース鍛造温度まで冷却させることと；
ワークピースの少なくともある領域において少なくとも１０の真のひずみが達成されるまで、前記プレス鍛造および冷却させるステップのうちの１つ以上を繰り返すこととを含み、
前記第２ワークピース鍛造温度は金属材料のβトランザス温度より５００°Ｆ（２７７．８℃）を超えて低い温度から、βトランザス温度より７００°Ｆ（３８８．９℃）低い温度までの温度範囲にある、
請求項１に記載の方法。

【請求項22】

チタンおよびチタン合金から選択される金属材料を含むワークピースにおいて粒径を微細化する方法であって：
金属材料のα＋β相領域内のワークピース鍛造温度範囲内のワークピース鍛造温度まで、円筒形様形状および開始断面寸法を有するワークピースを加熱することと；
前記ワークピース鍛造温度範囲内でワークピースを据え込み鍛造することと；
前記ワークピース鍛造温度範囲内でワークピースを複数回引き抜き鍛造することと；
を含み、
複数回の引き抜き鍛造が、ワークピースを回転方向に、回転角度における増分だけ回転させ、続いて、引き抜き鍛造することを含み；
増分の回転および引き抜き鍛造が、ワークピースが前記開始断面寸法を有するまで繰り返され、そして
前記ワークピース鍛造温度が、金属材料のβトランザス温度より１００°Ｆ（５５．６℃）低い温度から金属材料のβトランザス温度より７００°Ｆ（３８８．９℃）低い温度までの範囲にある、方法。

【請求項23】

据え込み鍛造および引き抜き鍛造において用いられるひずみ速度が、０．００１／秒〜０．０２／秒の範囲（両端を含む）にある、請求項２２に記載の方法。

【請求項24】

ワークピースが、円筒形状ワークピースを含み、増分の回転および引き抜き鍛造が、１５°の増分で円筒形状ワークピースを回転させ、続いて、円筒形状ワークピースが３６０°を通して回転するまで、各回転後に引き抜き鍛造することをさらに含む、請求項２２に記載の方法。

【請求項25】

ワークピースが、正八角形状ワークピースを含み、増分の回転および引き抜き鍛造が、該八角形状ワークピースを４５°回転させ、続いて、正八角形状ワークピースが３６０°を通して回転するまで、各回転後に引き抜き鍛造することをさらに含む、請求項２２に記載の方法。

【請求項26】

チタン合金ワークピースを据え込み鍛造した後に、前記ワークピース鍛造温度までワークピースを加熱することをさらに含む、請求項２２に記載の方法。

【請求項27】

少なくとも１つの鍛造ステップの後に、前記ワークピース鍛造温度までワークピースを加熱することをさらに含む、請求項２２に記載の方法。

【請求項28】

ワークピースが、αチタン合金、α＋βチタン合金、準安定βチタン合金、およびβチタン合金からなる群から選択されるチタン合金を含む、請求項２２に記載の方法。

【請求項29】

ワークピースが、α＋βチタン合金を含む、請求項２２に記載の方法。

【請求項30】

ワークピースが、ＡＳＴＭグレード５、６、１２、１９、２０、２１、２３、２４、２５、２９、３２、３５、３６、および３８チタン合金のうちの１つを含む、請求項２２に記載の方法。

【請求項31】

さらに：
均熱温度までワークピースを加熱すること；
ワークピースにおいて１００％のβ相微細構造を形成するのに十分な均熱時間の間、ワークピースを前記均熱温度において保持することと；
金属材料のα＋β相領域内の前記ワークピース鍛造温度範囲内の前記ワークピース鍛造温度までワークピースを加熱する前に、ワークピースを室温まで冷却することと
を含む、請求項２２に記載の方法。

【請求項32】

前記均熱温度が、金属材料のβトランザス温度から金属材料のβトランザス温度を３００°Ｆ（１１１℃）を超えるまでの温度範囲（両端を含む）にある、請求項３１に記載の方法。

【請求項33】

前記均熱時間が、５分〜２４時間である、請求項３１に記載の方法。

【請求項34】

ワークピースを室温まで冷却する前に、金属材料のβ相領域における塑性変形温度でワークピースを塑性変形することをさらに含む、請求項３１に記載の方法。

【請求項35】

ワークピースを塑性変形することが、ワークピースの引き抜き、据え込み鍛造、および高ひずみ速度多軸鍛造のうちの少なくとも１つを含む、請求項３４に記載の方法。

【請求項36】

塑性変形温度が、金属材料のβトランザス温度から金属材料のβトランザス温度を３００°Ｆ（１１１℃）を超えるまでの塑性変形温度範囲（両端を含む）にある、請求項３４に記載の方法。

【請求項37】

ワークピースを塑性変形することが、複数の据え込みおよび引き抜き鍛造を含み、ワークピースを前記ワークピース鍛造温度まで冷却することが、ワークピースを空冷することを含む、請求項３４に記載の方法。

【請求項38】

チタン合金ワークピースにおいて少なくとも１０の真のひずみが達成されるまで、加熱、据え込み鍛造、および複数回の引き抜き鍛造ステップを繰り返すことをさらに含む、請求項２２に記載の方法。

【請求項39】

完了時に、金属材料微細構造が、超微細粒径のα粒子を含む、請求項３８に記載の方法。

【請求項40】

ワークピースを鍛造するのに用いた鍛造型を、前記ワークピース鍛造温度から前記ワークピース鍛造温度より１００°Ｆ（５５．６℃）低い温度の範囲（両端を含む）の温度まで加熱することをさらに含む、請求項２２に記載の方法。

【請求項41】

さらに：
金属材料のα＋β相領域における第２ワークピース温度までワークピースを冷却することと；
前記第２ワークピース鍛造温度でワークピースを据え込み鍛造することと；
前記第２ワークピース鍛造温度でワークピースを複数回引き抜き鍛造することにおいて、複数回の引き抜き鍛造が、ワークピースを回転方向に、回転角度における増分だけ回転させ、続いて、各回転後に、チタン合金ワークピースを引き抜き鍛造することを含み；増分の回転および引き抜き鍛造が、ワークピースが前記開始断面寸法を有するまで繰り返されることと；
ワークピースにおいて少なくとも１０の真のひずみが達成されるまで、据え込み鍛造、および複数回の引き抜き鍛造ステップを繰り返すことと
を含み、
前記第２ワークピース鍛造温度は金属材料のβトランザス温度より５００°Ｆ（２７７．８℃）を超えて低い温度から、βトランザス温度より７００°Ｆ（３８８．９℃）低い温度までの温度範囲にある、
請求項２２に記載の方法。

【請求項42】

据え込み鍛造および引き抜き鍛造において用いられるひずみ速度が、０．００１／秒〜０．０２／秒の範囲（両端を含む）にある、請求項４１に記載の方法。

【請求項43】

少なくとも１つの鍛造ステップ後に、前記ワークピース鍛造温度までワークピースを加熱して、実際のワークピース温度を最大で前記ワークピース鍛造温度にすることをさらに含む、請求項４１に記載の方法。

【請求項44】

ワークピースが準安定βチタン合金を含む、請求項１に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

連邦支援の研究または開発に関する記述
本発明は、米商務省の米国標準技術局（ＮＩＳＴ）によって授与されたＮＩＳＴ契約番号７０ＮＡＮＢ７Ｈ７０３８の合衆国政府支援によってなされた。合衆国政府は、この発明においてある一定の権利を有することができる。

【0002】

技術分野
本開示は、チタンおよびチタン合金の鍛造方法ならびにかかる方法を行うための装置を対象とする。

【背景技術】

【0003】

粗粒子（ＣＧ）、微粒子（ＦＧ）、極微粒子（ＶＦＧ）、または超微粒子（ＵＦＧ）微細構造を有するチタンおよびチタン合金を生成するための方法は、複数の再加熱および鍛造ステップの使用を含む。鍛造ステップは、開放型プレスにおける引き抜き鍛造に加えて、１以上の据え込み鍛造ステップを含み得る。

【0004】

本明細書において用いられるように、チタンおよびチタン合金微細構造を称するとき：用語「粗粒子」は、４００μｍ〜約１４μｍ超のα粒径を称し；用語「微粒子」は、１４μｍ〜１０μｍ超の範囲のα粒径を称し；用語「極微粒子」は、１０μｍ〜４．０μｍ超のα粒径を称し；用語「超微粒子」は、４．０μｍ以下のα粒径を称する。

【0005】

チタンおよびチタン合金を鍛造して粗粒子（ＣＧ）または微粒子（ＦＧ）微細構造を生成する公知の工業的な方法は、複数の再加熱および鍛造ステップを用いて、０．０３／秒〜０．１０／秒のひずみ速度を使用する。

【0006】

微粒子（ＦＧ）、極微粒子（ＶＦＧ）または超微粒子（ＵＦＧ）微細構造の製造を意図した公知の方法は、０．００１／秒以下の超低ひずみ速度で多軸鍛造（ＭＡＦ）プロセスを適用する（Ｇ．Ｓａｌｉｓｈｃｈｅｖら、Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｏｒｕｍ、Ｖｏｌ．５８４−５８６、ｐｐ．７８３−７８８（２００８）を参照されたい）。全体的なＭＡＦプロセスは、Ｃ．Ｄｅｓｒａｙａｕｄら、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、１７２、ｐｐ．１５２−１５６（２００６）に記載されている。

【0007】

超低ひずみ速度ＭＡＦプロセスにおける微細化への手がかりは、超低ひずみ速度、すなわち、０．００１／秒以下を用いる結果である動的再結晶のレジメンにおいて連続して作動できることである。動的再結晶の間、同時に、粒子が核を成して成長し、転位を蓄積する。新しく核成長した粒子内での転位の発生は、粒子成長の駆動力を連続して低減し、粒子核生成がエネルギー的に好ましい。超低ひずみ速度ＭＡＦプロセスは、動的再結晶を用いて、鍛造プロセスの間に粒子を連続して再結晶する。

【0008】

ＵＦＧ Ｔｉ−６−４合金の比較的均一な立方体は、超低ひずみ速度ＭＡＦプロセスを用いて生成され得るが、ＭＡＦを実施するのにかかる累積時間が、工業的設定において過剰である可能性がある。加えて、従来の大規模な、工業的に利用可能な開放型プレス鍛造設備は、かかる実施形態において必要とされる超低ひずみ速度を達成する能力を有さない場合があるため、生産規模の超低ひずみ速度ＭＡＦプロセスには、特注の鍛造設備が必要とされる場合がある。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

したがって、複数の再加熱を必要とせずおよび／またはより高いひずみ速度に適応し、処理に必要な時間を低減し、特注の鍛造設備の必要性を排除する、粗粒子、微粒子、極微粒子または超微粒子微細構造を有するチタンおよびチタン合金を生成するためのプロセスを開発することが有利である。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本開示の態様によると、チタンおよびチタン合金から選択される金属材料を含むワークピースの粒径を微細化する方法は、金属材料のα＋β相領域内のワークピース鍛造温度までワークピースを加熱することを含む。次いで、ワークピースを多軸鍛造する。多軸鍛造は、ワークピースの内部領域を断熱加熱するのに十分なひずみ速度で、ワークピースの第１直交軸の方向にワークピース鍛造温度でワークピースをプレス鍛造することを含む。第１直交軸の方向の鍛造に続いて、ワークピース鍛造温度までワークピースの外側表面領域を加熱しながら、ワークピースの断熱加熱された内部領域をワークピース鍛造温度まで冷却させる。次いで、ワークピースの内部領域を断熱加熱するのに十分であるひずみ速度で、ワークピースの第２直交軸の方向にワークピース鍛造温度でワークピースをプレス鍛造する。第２直交軸の方向の鍛造に続いて、ワークピース鍛造温度までワークピースの外側表面領域を加熱しながら、ワークピースの断熱加熱された内部領域をワークピース鍛造温度まで冷却させる。次いで、ワークピースの内部領域を断熱加熱するのに十分であるひずみ速度で、ワークピースの第３直交軸の方向にワークピース鍛造温度でワークピースをプレス鍛造する。第３直交軸の方向の鍛造に続いて、ワークピース鍛造温度までワークピースの外側表面領域を加熱しながら、ワークピースの断熱加熱された内部領域をワークピース鍛造温度まで冷却させる。プレス鍛造ステップおよび冷却させるステップを、チタン合金ワークピースの少なくともある領域において少なくとも３．５のひずみが達成されるまで、繰り返す。非限定的な実施形態において、プレス鍛造の間に用いられるひずみ速度は、０．２／秒〜０．８／秒（両端を含む）の範囲である。

【0011】

本開示の別の態様によると、チタンおよびチタン合金から選択される金属材料を含むワークピースの粒径を微細化する方法は、金属材料のα＋β相領域内のワークピース鍛造温度までワークピースを加熱することを含む。非限定的な実施形態において、ワークピースは、円筒形様形状および開始断面寸法を含む。ワークピースをワークピース鍛造温度において据え込み鍛造する。据え込み後、ワークピースをワークピース鍛造温度において複数回引き抜き鍛造する。複数回の引き抜き鍛造は、ワークピースを回転方向に増分的に回転させ、続いて、各回転後に引き抜き鍛造することを含む。ワークピースを増分的に回転させ、引き抜き鍛造することを、ワークピースが自身と実質的に同じ開始断面寸法を含むまで繰り返す。非限定的な実施形態において、据え込み鍛造および引き抜き鍛造において用いられるひずみ速度は、０．００１／秒〜０．０２／秒（両端を含む）の範囲である。

【0012】

本開示のさらなる態様によると、金属および金属合金から選択される金属材料を含むワークピースの等温多段階鍛造方法は、ワークピースをワークピース鍛造温度まで加熱することを含む。ワークピースの内部領域を断熱加熱するのに十分なひずみ速度で、ワークピース鍛造温度でワークピースを鍛造する。ワークピース鍛造温度までワークピースの外側表面領域を加熱しながら、ワークピースの内部領域をワークピース鍛造温度まで冷却させる。ワークピースを鍛造するステップおよび金属合金の外側表面領域を加熱しながらワークピースの内部領域を冷却させるステップを、所望の特徴が得られるまで繰り返す。

【0013】

本明細書に記載の装置および方法の特徴および利点は、添付の図を参照することによってさらに理解することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】図１は、チタンおよびチタン合金を処理して粒径を微細化するための本開示による方法の非限定的な実施形態のステップを列挙するフローチャートである。

【図2】図２は、チタンおよびチタン合金を処理して粒径を微細化するための、熱管理を用いた高ひずみ速度多軸鍛造方法の非限定的な実施形態の概略表示であり、図２（ａ）、２（ｃ）、および２（ｅ）は、非限定的なプレス鍛造ステップを表し、図２（ｂ）、２（ｄ）、および２（ｆ）は、本開示の非限定的な態様による非限定的な冷却および加熱ステップを表す。

【図3】図３は、小規模なサンプルの粒子を微細化するのに用いられることが知られている低ひずみ速度多軸鍛造技術の概略表示である。

【図4】図４は、本開示による高ひずみ速度多軸鍛造方法の非限定的な実施形態に関する温度−時間の熱機械的なプロセスチャートの概略表示である。

【図5】図５は、本開示による、多重温度の高ひずみ速度多軸鍛造方法の非限定的な実施形態に関する温度−時間の熱機械的なプロセスチャートの概略表示である。

【図6】図６は、本開示による、βトランザス通過型高ひずみ速度多軸鍛造方法の非限定的な実施形態に関する温度−時間の熱機械的なプロセスチャートの概略表示である。

【図7】図７は、本開示による、粒径を微細化するための複数回の据え込みおよび引き抜きの方法の非限定的な実施形態の概略表示である。

【図8】図８は、チタンおよびチタン合金を複数回据え込みおよび引き抜き処理して粒径を微細化するための本開示による方法の非限定的な実施形態のステップを列挙するフローチャートである。

【図9】図９は、本開示の実施例１の非限定的な実施形態の温度−時間の熱機械的なチャートである。

【図10】図１０は、１０〜３０μｍの間の粒径を有する等軸粒子を示す、実施例１のβ焼鈍した材料の顕微鏡写真である。

【図11】図１１は、実施例１のａ−ｂ−ｃ鍛造したサンプルの中心領域の顕微鏡写真である。

【図12】図１２は、本開示の非限定的な実施形態による内部領域冷却時間の有限要素モデリング予測である。

【図13】図１３は、実施例４に記載の非限定的な方法の実施形態による処理の後の立方体の中心の顕微鏡写真である。

【図14】図１４は、実施例４によって処理した立方体の断面の写真である。

【図15】図１５は、実施例６によって処理した立方体の熱管理された多軸鍛造における変形をシミュレートする有限要素モデリングの結果を表す。

【図16】図１６（ａ）は、実施例７によって処理したサンプルの中心からの断面の顕微鏡写真であり；図１６（ｂ）は、実施例７によって処理したサンプルの表面付近からの断面である。

【図17】図１７は、実施例９において用いたプロセスの、概略的な、熱機械的な温度−時間チャートである。

【図18】図１８は、実施例９の非限定的な実施形態によって処理したサンプルの断面の超接写写真である。

【図19】図１９は、極微細粒径を示す、実施例９の非限定的な実施形態によって処理したサンプルの顕微鏡写真である。

【図20】図２０は、実施例９の非限定的な実施形態において調製したサンプルの変形の有限要素モデリングシミュレーションを表す。

【発明を実施するための形態】

【0015】

読者は、本開示によるある一定の非限定的な実施形態の以下の詳細な記載を考慮して、上記の詳細などを理解するだろう。

【0016】

操作例または別途示されているもの以外の非限定的な実施形態の本記載において、量または特徴を表現する全ての数は、全ての場合において、用語「約」によって修飾されるとして理解されるべきである。したがって、反対であることを示さない限り、以下の記載におけるいずれの数値パラメータも、本開示による方法によって得ようとする所望の特性に応じて変動し得る近似値である。各数値パラメータは、最低限でも、特許請求の範囲の均等論の適用を制限する企図としてではなく、報告されている有意な桁数に照らして、通常の周辺技術を適用することによって少なくとも解釈されるべきである。

【0017】

参照により本明細書に組み込まれると言われているいずれの特許、公開公報または他の開示材料も、その全てまたは一部において、組み込まれた材料が本開示に記載されている既存の定義、記述、または他の開示物に矛盾しない程度でのみ本明細書に組み込まれる。本明細書に記載の開示は、こうして、必要な程度に、参照により本明細書に組み込まれるいずれの矛盾する材料にも優先する。参照により本明細書に組み込まれると言われているが、本明細書に記載の既存の定義、記述、または他の開示材料と矛盾するいずれの材料またはその一部も、かかる組み込まれた材料と既存の開示材料との間で矛盾が生じない程度にのみ組み込まれる。

【0018】

本開示の態様は、鍛造ステップの間、高いひずみ速度を用いて、チタンおよびチタン合金において粒径を微細化することを含む多軸鍛造プロセスの非限定的には実施形態を含む。これらの方法の実施形態を、本開示において「高ひずみ速度多軸鍛造」または「高ひずみ速度ＭＡＦ」と概して称する。

【0019】

図１のフローチャートおよび図２の概略表示をここで参照すると、本開示による非限定的な実施形態において、チタンまたはチタン合金の粒径を微細化するための高ひずみ速度多軸鍛造（ＭＡＦ）プロセスを用いる方法２０が示されている。「ａ−ｂ−ｃ」鍛造としても知られている多軸鍛造（２６）は、重大な塑性変形の形態であり、チタンおよびチタン合金から選択される金属材料を含むワークピース２４を金属材料のα＋β相領域内のワークピース鍛造温度まで加熱して（図１においてはステップ２２）、続いて、高いひずみ速度を用いてＭＡＦ２６を行うことを含む。

【0020】

本開示の考慮から明らかであるように、高いひずみ速度を高ひずみ速度ＭＡＦにおいて用いて、ワークピースの内部領域を断熱加熱する。しかし、本開示による非限定的な実施形態では、チタンまたはチタン合金ワークピース２４の内部領域の温度は、高ひずみ速度ＭＡＦのａ−ｂ−ｃ衝撃の少なくとも最後のシーケンスにおいて、チタンまたはチタン合金ワークピースのβトランザス温度（Ｔ_β）を超えるべきではない。したがって、高ひずみ速度ＭＡＦ衝撃の少なくとも最終のａ−ｂ−ｃ−シーケンスのワークピース鍛造温度は、高ひずみ速度ＭＡＦの間のワークピースの内部領域の温度が、確実に、金属材料のβトランザス温度未満であるように選択されるべきである。本開示による非限定的な実施形態において、ワークピースの内部領域温度は、ａ−ｂ−ｃＭＡＦ衝撃の少なくとも最終の高ひずみ速度シーケンスの間、金属材料のβトランザス温度よりも２０°Ｆ（１１．１℃）低い、すなわち、Τ_β−２０℃（Ｔ_ｐ−１１．１℃）を超えない。

【0021】

本開示による高ひずみ速度ＭＡＦの非限定的な実施形態において、ワークピース鍛造温度は、ワークピース鍛造温度範囲内の温度を含む。非限定的な実施形態において、ワークピース鍛造温度は、チタンまたはチタン合金金属材料のβトランザス温度（Ｔ_β）よりも１００°Ｆ（５５．６℃）低い温度からチタンまたはチタン合金金属材料のβトランザス温度よりも７００°Ｆ（３８８．９℃）低い温度までのワークピース鍛造温度範囲にある。なお別の非限定的な実施形態において、ワークピース鍛造温度は、チタンまたはチタン合金のβ遷移温度よりも３００°Ｆ（１６６．７℃）低い温度からチタンまたはチタン合金のβ遷移温度よりも６２５°Ｆ（３４７℃）低い温度までの温度範囲にある。非限定的な実施形態において、ワークピース鍛造温度範囲の下端は、当業者に公知であるように、鍛造衝撃の間、ワークピースの表面に実質的な損傷が生じないα＋β相領域内の温度である。

【0022】

非限定的な実施形態において、Ｔｉ−６−４合金（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ；ＵＮＳ Ｎｏ．Ｒ５６４００）に図１の本開示の実施形態を適用するときのワークピース鍛造温度範囲は、約１８５０°Ｆ（１０１０℃）のβトランザス温度（Ｔ_β）を有していて、１１５０°Ｆ（６２１．１℃）〜１７５０°Ｆ（９５４．４℃）であってよく、別の実施形態では、１２２５°Ｆ（６６２．８℃）〜１５５０°Ｆ（８４３．３℃）であってよい。

【0023】

非限定的な実施形態において、α＋β相領域内のワークピース鍛造温度までチタンまたはチタン合金ワークピース２４を加熱する２２前に、ワークピース２４を場合によりβ焼純し、空冷する（図示せず）。β焼純は、チタンまたはチタン合金金属材料のβトランザス温度を超えてワークピース２４を加熱し、ワークピースにおいて全β相を形成するのに十分な時間の間保持することを含む。β焼純は、周知のプロセスであり、したがって、本明細書にはさらに詳細には記載しない。β焼純の非限定的な実施形態は、チタンまたはチタン合金のβトランザス温度を約５０°Ｆ（２７．８℃）超えたβ均熱温度までワークピース２４を加熱し、該温度でワークピース２４を約１時間保持することを含んでよい。

【0024】

図１および２を再び参照すると、チタンおよびチタン合金２４から選択される金属材料を含むワークピースがワークピース鍛造温度にあるとき、ワークピースが高ひずみ速度ＭＡＦ（２６）に付される。本開示による非限定的な実施形態において、ＭＡＦ２６は、ワークピースを断熱加熱して、またはワークピースの内部領域を少なくとも断熱加熱して、ワークピース２４を塑性変形するのに十分であるひずみ速度を用いて、ワークピースの第１直交軸３０の方向（Ａ）にワークピース鍛造温度でワークピース２４をプレス鍛造する（ステップ２８、図２（ａ）に示す）ことを含む。本開示の非限定的な実施形態において、句「内部領域」は、本明細書において用いられるとき、立方体の体積の約２０％、約３０％、約４０％、または約５０％の体積を含む内部領域を称する。

【0025】

本開示による高ひずみ速度ＭＡＦの非限定的な実施形態において、高いひずみ速度および高いラム速度を用いてワークピースの内部領域を断熱加熱する。本開示による非限定的な実施形態において、用語「高いひずみ速度」は、約０．２／秒〜約０．８／秒（両端を含む）のひずみ速度範囲を称する。本開示による別の非限定的な実施形態において、用語「高いひずみ速度」は、本明細書において用いられるとき、約０．２／秒〜約０．４／秒（両端を含む）のひずみ速度を称する。

【0026】

本開示による非限定的な実施形態において、上記に定義した高ひずみ速度を用いて、チタンまたはチタン合金ワークピースの内部領域を、ワークピース鍛造温度を約２００°Ｆ超えて断熱加熱してよい。別の非限定的な実施形態において、プレス鍛造の間、内部領域を、ワークピース鍛造温度を約１００°Ｆ（５５．６℃）〜３００°Ｆ（１６６．７℃）超えて断熱加熱する。なお別の非限定的な実施形態において、プレス鍛造の間、内部領域を、ワークピース鍛造温度を約１５０°Ｆ（８３．３℃）〜２５０°Ｆ（１３８．９℃）超えて断熱加熱する。先に記述したように、ワークピースのいずれの部分も、高ひずみ速度ａ−ｂ−ｃＭＡＦ衝撃の最後のシーケンスの間、チタンまたはチタン合金のβトランザス温度を超えて加熱するべきでない。

【0027】

非限定的な実施形態において、プレス鍛造（２８）の間、ワークピース２４を高さまたは別の寸法が２０％〜５０％低減するまで塑性変形する。別の非限定的な実施形態において、プレス鍛造（２８）の間、チタン合金ワークピース２４を高さまたは別の寸法が３０％〜４０％低減するまで塑性変形する。

【0028】

公知の低ひずみ速度多軸鍛造プロセスを図３に概略的に示す。一般に、多軸鍛造の態様は、鍛造装置の３回の全てのストロークまたは「衝撃」、例えば開放型鍛造の後、ワークピースの形状が第１衝撃の直前にワークピースの形状に近づくことである。例えば、５インチ面の立方体状ワークピースを「ａ」軸の方向に第１「衝撃」によって最初に鍛造し、９０°回転させ、「ｂ」軸の方向に第２衝撃によって鍛造し、９０°回転させ、「ｃ」軸の方向に第３衝撃によって鍛造した後に、ワークピースが、５インチ面を有する開始立方体と類似することとなる。

【0029】

別の非限定的な実施形態において、本明細書において「第１衝撃」とも称される、図２（ａ）に示す第１プレス鍛造ステップ２８は、ワークピースをワークピース鍛造温度にしながら、所定のスペーサ高さまで下げた上面においてワークピースをプレス鍛造することを含んでよい。非限定的な実施形態の所定のスペーサ高さは、例えば、５インチである。例えば、５インチ未満、約３インチ、５インチ超、または５インチから３０インチまでの他のスペーサ高さは、本明細書における実施形態の範囲内であるが、本開示の範囲を限定するとしてみなされるべきではない。より高いスペーサ高さは、鍛造の機能、および本明細書において分かる、本開示による熱管理システムの機能によってのみ限定される。３インチ未満のスペーサ高さもまた、本明細書に開示されている実施形態の範囲内であり、かかる比較的小さなスペーサ高さは、最終生成物の所望の特徴、恐らくは、比較的小さなサイズを有するワークピースにおいて本方法を使用することに適用する場合があるあらゆる高価な経済状態によってのみ限定される。約３０インチのスペーサの使用は、例えば、微細粒径、極微細粒径、または超微細粒径を有する、ビレットサイズの３０インチ面の立方体を調製する能力を提供する。ビレットサイズの立方体形態の従来の合金は、航空または陸上タービン用の円盤、リング、およびケース部を製造するために、鍛造ハウジングに使用されてきた。

【0030】

第１直交軸３０の方向、すなわち、図２（ａ）に示すＡ方向にワークピース２４をプレス鍛造２８した後に、本開示による方法の非限定的な実施形態は、図２（ｂ）に示す、ワークピースの断熱加熱された内部領域（図示せず）の温度をワークピース鍛造温度まで冷却させること（ステップ３２）をさらに含む。内部領域冷却時間、または待機時間は、例えば、非限定的な実施形態において、５秒〜１２０秒、１０秒〜６０秒、または５秒〜５分の範囲であってよい。内部領域をワークピース鍛造温度まで冷却するのに必要とされる内部領域冷却時間は、ワークピース２４のサイズ、形状、および組成、ならびにワークピース２４の周囲の雰囲気の条件に依存することが当業者によって認識されるだろう。

【0031】

内部領域冷却時間の間、本明細書に開示されている非限定的な実施形態による熱管理システム３３の態様は、ワークピース２４の外側表面領域３６をワークピース鍛造温度または該温度付近の温度に加熱する（ステップ３４）ことを含む。このように、ワークピース２４の温度を、それぞれの高ひずみ速度ＭＡＦ衝撃の前に、ワークピース鍛造温度または該温度付近における均一または略均一の実質的に等温な条件に維持する。非限定的な実施形態において、断熱加熱された内部領域を特定の内部領域冷却時間の間冷却させることと併せて外側表面領域３６を加熱する熱管理システム３３を用いて、ワークピースの温度を、各ａ−ｂ−ｃ鍛造衝撃間に、ワークピース鍛造温度または該温度付近の実質的に均一な温度に戻す。本開示による別の非限定的な実施形態において、断熱加熱された内部領域を特定の内部領域冷却時間の間冷却させることと併せて外側表面領域３６を加熱する熱管理システム３３を用いて、ワークピースの温度を、各ａ−ｂ−ｃ鍛造衝撃間に、ワークピース鍛造温度または該温度付近の実質的に均一な温度に戻す。断熱加熱された内部領域をワークピース鍛造温度まで冷却させることと併せてワークピースの外側表面領域をワークピース鍛造温度まで加熱する熱管理システム３３を利用することによって、本開示による非限定的な実施形態を、「熱管理された高ひずみ速度多軸鍛造」と称することができ、または、本明細書における目的で、単に「高ひずみ速度多軸鍛造」と称することができる。

【0032】

本開示による非限定的な実施形態において、句「外側表面領域」は、立方体の外側領域において、立方体の約５０％、約６０％、約７０％、または約８０％の体積を称する。

【0033】

非限定的な実施形態において、ワークピース２４の外側表面領域３６の加熱３４を、熱管理システム３３の１個以上の外側表面加熱機構３８を用いて達成することができる。可能な外側表面加熱機構３８の例として、限定されないが、ワークピース２４の、火炎加熱用火炎加熱器；誘導加熱用誘導加熱器；および放射加熱用放射加熱器が挙げられる。ワークピースの外側表面領域を加熱するための他の機構および技術は、本開示を考慮する際に当業者に明らかであり、かかる機構および技術は、本開示の範囲内である。外側表面領域加熱機構３８の非限定的な実施形態は、箱型炉（図示せず）を含むことができる。箱型炉は、種々の加熱機構によって構成されて、火炎加熱機構、放射加熱機構、誘導加熱機構、および／または当業者に現在公知もしくは今後公知となるあらゆる他の好適な加熱機構の１個以上を用いてワークピースの外側表面領域を加熱することができる。

【0034】

別の非限定的な実施形態において、ワークピース２４の外側表面領域３６の温度を、熱管理システム３３の１個以上の金型加熱器４０を用い、加熱して３４、ワークピース鍛造温度またはその付近に、およびワークピース鍛造温度範囲内に維持することができる。金型加熱器４０を用いて、金型４０または金型の金型プレス鍛造表面４４をワークピース鍛造温度もしくは該温度付近に、またはワークピース温度鍛造範囲内の温度に維持することができる。非限定的な実施形態において、熱管理システムの金型４０を、ワークピース鍛造温度より最大で１００°Ｆ（５５．６℃）低いワークピース鍛造温度を含む範囲内の温度まで加熱する。金型加熱器４０は、限定されないが、火炎加熱機構、放射加熱機構、伝導加熱機構、および／または誘導加熱機構を含めた、当業者に現在公知または今後公知となる任意の好適な加熱機構によって、金型４２または金型プレス鍛造表面４４を加熱することができる。非限定的な実施形態において、金型加熱器４０は、箱型炉（図示せず）の構成要素であってよい。図２（ｂ）、（ｄ）、および（ｆ）においては、熱管理システム３３は、定位置に示されていて、多軸鍛造プロセス２６の冷却ステップ３２、５２、６０の間に用いられているが、図２（ａ）、（ｃ）、および（ｅ）に表示されるように、熱管理システム３３は、プレス鍛造ステップ２８、４６、５６の間、定位置にあってもなくてもよいことが認識される。

【0035】

図２（ｃ）に示すように、本開示による多軸鍛造方法２６の非限定的な実施形態の態様は、ワークピース２４、またはワークピースの少なくとも内部領域を弾性加熱し、ワークピース２４を塑性変形するのに十分であるひずみ速度を用いて、ワークピース２４の第２直交軸４８の方向（Ｂ）にワークピース鍛造温度でワークピース２４をプレス鍛造すること（ステップ４６）を含む。非限定的な実施形態において、プレス鍛造（４６）の間、ワークピース２４を高さまたは別の寸法が２０％〜５０％低減する塑性変形となるまで変形する。別の非限定的な実施形態において、プレス鍛造（４６）の間、ワークピース２４を高さまたは別の寸法が３０％〜４０％低減する塑性変形となるまで塑性変形する。非限定的な実施形態において、ワークピース２４を、第１プレス鍛造ステップ（２８）において用いたときと同じスペーサ高さまで第２直交軸４８の方向にプレス鍛造する（４６）ことができる。本開示による別の非限定的な実施形態において、ワークピース２４の内部領域（図示せず）を、第１プレス鍛造ステップ（２８）における場合と同じ温度まで、プレス鍛造ステップ（４６）の間、断熱加熱する。他の非限定的な実施形態、プレス鍛造（４６）に用いる高いひずみ速度は、第１プレス鍛造ステップ（２８）に関して開示されているように、同じひずみ速度範囲にある。

【0036】

非限定的な実施形態において、図２（ｂ）および（ｄ）における矢印５０によって示すように、ワークピース２４を、連続的なプレス鍛造ステップ（例えば、２８、４６）の間、異なる直交軸に回転させる５０ことができる。この回転を「ａ−ｂ−ｃ」回転と称することがある。種々の鍛造構成を用いることによって、ワークピース２４を回転させる代わりに鍛造においてラムを回転することが可能であること、またはワークピースの回転も鍛造も必要としないように鍛造に多軸ラムを備えることができることが理解される。明らかに、重要な態様は、ラムおよびワークピースの相対移動であり、ワークピース２４の回転５０は、場合によるステップであってよいということである。しかし、最新の工業設備の設定では、プレス鍛造ステップ間に異なる直交軸にワークピースを回転させること５０が、多軸鍛造プロセス２６を完了させるのに必要とされる。

【0037】

ａ−ｂ−ｃ回転５０が必要とされる非限定的な実施形態において、ワークピース２４を鍛造オペレータによって手動でまたは自動回転システム（図示せず）によって回転させてａ−ｂ−ｃ回転５０を付与することができる。自動ａ−ｂ−ｃ回転システムは、限定されないが、自由揺動式クランプスタイルのマニピュレータツールなどを含んで、本明細書に開示されている、非限定的な熱管理された高ひずみ速度多軸鍛造実施形態を可能にすることができる。

【0038】

図２（ｄ）に示すように、第２直交軸４８の方向、すなわち、Ｂ方向にワークピース２４をプレス鍛造４６した後、プロセス２０は、ワークピースの断熱加熱された内部領域（図示せず）をワークピース鍛造温度まで冷却させること（ステップ５２）をさらに含み、これを図２（ｄ）に示す。内部領域冷却時間、または待機時間は、例えば、非限定的な実施形態において、５秒〜１２０秒、１０秒〜６０秒、または５秒から最大で５分の範囲であってよく、最小冷却時間は、ワークピース２４のサイズ、形状および組成、ならびにワークピースの周囲の環境の特徴に依ることが認識される。

【0039】

内部領域冷却時間の間、本明細書に開示されているある一定の非限定的な実施形態による熱管理システム３３の態様は、ワークピース鍛造温度または該温度付近の温度までワークピース２４の外側表面領域３６を加熱すること（ステップ５４）を含む。このように、ワークピース２４の温度を、それぞれの高ひずみ速度ＭＡＦ衝撃の前に、ワークピース鍛造温度または該温度付近の均一またはほぼ均一な実質的に等温の条件に維持する。非限定的な実施形態において、断熱加熱された内部領域を特定の内部領域冷却時間の間冷却させることと併せて外側表面領域３６を加熱する熱管理システム３３を用いると、ワークピースの温度は、各ａ−ｂ−ｃ鍛造衝撃間に、ワークピース鍛造温度または該温度付近の実質的に均一な温度に戻る。本開示による別の非限定的な実施形態において、断熱加熱された内部領域を特定の内部領域冷却保持時間の間冷却させることと併せて外側表面領域３６を加熱する熱管理システム３３を用いると、ワークピースの温度は、それぞれの高ひずみ速度ＭＡＦ衝撃の前に、ワークピース鍛造温度範囲内の実質的に均一な温度に戻る。

【0040】

非限定的な実施形態において、ワークピース２４の外側表面領域３６の加熱５４を、熱管理システム３３の１個以上の外側表面加熱機構３８を用いて達成することができる。可能な加熱機構３８の例として、限定されないが、ワークピース２４の、火炎加熱用火炎加熱器；誘導加熱用誘導加熱器；および／または放射加熱用放射加熱器を挙げることができる。表面加熱機構３８の非限定的な実施形態は、箱型炉（図示せず）を含むことができる。ワークピースの外側表面を加熱するための他の機構および技術は、本開示を考慮する際に当業者に明らかであり、かかる機構および技術は、本開示の範囲内である。箱型炉は、種々の加熱機構によって構成されて、火炎加熱機構、放射加熱機構、誘導加熱機構、および／または当業者に現在公知もしくは今後公知となるあらゆる他の加熱機構の１個以上によりワークピースの外側表面を加熱することができる。

【0041】

別の非限定的な実施形態において、ワークピース２４の外側表面領域３６の温度を、熱管理システム３３の１個以上の金型加熱器４０を用い、加熱して５４、ワークピース鍛造温度またはその付近に、およびワークピース鍛造温度範囲内に維持することができる。金型加熱器４０を用いて、金型４０または金型の金型プレス鍛造表面４４をワークピース鍛造温度もしくは該温度付近において、またはワークピース温度鍛造範囲内に維持することができる。金型加熱器４０は、限定されないが、火炎加熱機構、放射加熱機構、伝導加熱機構、および／または誘導加熱機構を含めた、当業者に現在公知または今後公知となる任意の好適な加熱機構によって金型４２または金型プレス鍛造表面４４を加熱することができる。非限定的な実施形態において、金型加熱器４０は、箱型炉（図示せず）の構成要素であってよい。図２（ｂ）、（ｄ）、および（ｆ）においては、熱管理システム３３は、定位置に示されていて、多軸鍛造プロセス２６の冷却ステップ３２、５２、６０の間に用いられているが、図２（ａ）、（ｃ）、および（ｅ）に表示されるように、熱管理システム３３は、プレス鍛造ステップ２８、４６、５６の間、定位置にあってもなくてもよいことが認識される。

【0042】

図２（ｅ）に示すように、本開示による多軸鍛造２６の実施形態の態様は、ワークピース２４を断熱加熱して、またはワークピースの内部領域を少なくとも断熱加熱して、ワークピース２４を塑性変形するのに十分であるラム速度およびひずみ速度を用いて、ワークピース２４の第３直交軸５８の方向（Ｃ）にワークピース鍛造温度でワークピース２４をプレス鍛造すること（ステップ５６）を含む。非限定的な実施形態において、プレス鍛造５６の間、ワークピース２４を高さまたは別の寸法が２０％〜５０％低減する塑性変形となるまで変形する。別の非限定的な実施形態において、プレス鍛造（５６）の間、チタン合金ワークピース２４を高さまたは別の寸法が３０％〜４０％低減する塑性変形となるまで塑性変形する。非限定的な実施形態において、ワークピース２４を、第１プレス鍛造ステップ（２８）において用いたときと同じスペーサ高さまで第３直交軸５８の方向にプレス鍛造する（５６）ことができる。本開示による別の非限定的な実施形態において、ワークピース２４の内部領域（図示せず）を、第１プレス鍛造ステップ（２８）における場合と同じ温度まで、プレス鍛造ステップ（５６）の間、断熱加熱する。他の非限定的な実施形態、プレス鍛造（５６）に用いる高いひずみ速度は、第１プレス鍛造ステップ（２８）に関して開示されているように、同じひずみ速度範囲にある。

【0043】

非限定的な実施形態において、２（ｂ）、２（ｄ）、および２（ｅ）における矢印５０によって示すように、ワークピース２４を、連続的なプレス鍛造ステップ（例えば、４６、５６）の間に、異なる直交軸に回転させること５０ができる。先に議論したように、この回転を「ａ−ｂ−ｃ」回転と称することがある。種々の鍛造構成を用いることによって、ワークピース２４を回転させる代わりに鍛造においてラムを回転させることが可能であること、またはワークピースの回転も鍛造も必要としないように鍛造に多軸ラムを備えることができることが理解される。したがって、ワークピース２４の回転５０は、場合によるステップであってよい。しかし、最新の工業設備の設定では、プレス鍛造ステップ間に異なる直交軸にワークピースを回転させること５０は、多軸鍛造プロセス２６を完了させるのに必要とされる。

【0044】

図２（ｅ）に示すように、第３直交軸５８の方向、すなわち、Ｃ方向にワークピース２４をプレス鍛造５６した後、プロセス２０は、ワークピースの断熱加熱された内部領域（図示せず）をワークピース鍛造温度まで冷却させること（ステップ６０）をさらに含み、これを図２（ｆ）に示す。内部領域冷却時間は、例えば、５秒〜１２０秒、１０秒〜６０秒、または５秒から最大で５分の範囲であってよく、冷却時間は、ワークピース２４のサイズ、形状および組成、ならびにワークピースの周囲の環境の特徴に依ることが当業者によって認識される。

【0045】

冷却期間の間、本明細書に開示されている非限定的な実施形態による熱管理システム３３の態様は、ワークピース鍛造温度または該温度付近の温度にワークピース２４の外側表面領域３６を加熱すること（ステップ６２）を含む。このように、ワークピース２４の温度を、それぞれの高ひずみ速度ＭＡＦ衝撃の前に、ワークピース鍛造温度または該温度付近の均一またはほぼ均一の実質的に等温の条件に維持する。非限定的な実施形態において、断熱加熱された内部領域を特定の内部領域冷却時間の間冷却させることと併せて外側表面領域３６を加熱する熱管理システム３３を用いることで、ワークピースの温度は、各ａ−ｂ−ｃ鍛造衝撃間に、ワークピース鍛造温度においてまたは該温度付近の実質的に均一な温度に戻る。本開示による別の非限定的な実施形態において、断熱加熱された内部領域３６を特定の内部領域冷却保持時間の間冷却させることと併せて外側表面領域３６を加熱する熱管理システム３３を用いことで、ワークピースの温度は、各ａ−ｂ−ｃ鍛造衝撃間に、ワークピース鍛造温度範囲内の実質的に均一な温度に戻る。

【0046】

非限定的な実施形態において、ワークピース２４の外側表面領域３６の加熱６２を、熱管理システム３３の１個以上の外側表面加熱機構３８を用いて達成することができる。可能な外側表面加熱機構３８の例として、限定されないが、ワークピース２４の、火炎加熱用火炎加熱器；誘導加熱用誘導加熱器；および／または放射加熱用放射加熱器を挙げることができる。ワークピースの外側表面を加熱するための他の機構および技術は、本開示を考慮する際に当業者に明らかであり、かかる機構および技術は、本開示の範囲内である。外側表面領域加熱機構３８の非限定的な実施形態は、箱型炉（図示せず）を含むことができる。箱型炉は、種々の加熱機構によって構成されて、火炎加熱機構、放射加熱機構、誘導加熱機構、および／または当業者に現在公知もしくは今後公知となるあらゆる他の好適な加熱機構の１個以上を用いてワークピースの外側表面領域を加熱することができる。

【0047】

別の非限定的な実施形態において、ワークピース２４の外側表面領域３６の温度を、熱管理システム３３の１個以上の金型加熱器４０を用い、加熱して６２、ワークピース鍛造温度またはその付近に、およびワークピース鍛造温度範囲内に維持することができる。金型加熱器４０を用いて、金型４０または金型の金型プレス鍛造表面４４をワークピース鍛造温度もしくは該温度付近において、またはワークピース温度鍛造範囲内の温度に維持することができる。非限定的な実施形態において、熱管理システムの金型４０を、ワークピース鍛造温度より１００°Ｆ（５５．６℃）低いワークピース鍛造温度を含む範囲内の温度まで加熱する。金型加熱器４０は、限定されないが、火炎加熱機構、放射加熱機構、伝導加熱機構、および／または誘導加熱機構を含めた、当業者に現在公知または今後公知となる任意の好適な加熱機構によって金型４２または金型プレス鍛造表面４４を加熱することができる。非限定的な実施形態において、金型加熱器４０は、箱型炉（図示せず）の構成要素であってよい。図２（ｂ）、（ｄ）、および（ｆ）においては、熱管理システム３３は、定位置に示されていて、多軸鍛造プロセスの冷却ステップ３２、５２、６０の間に用いられているが、図２（ａ）、（ｃ）、および（ｅ）に表示されるように、熱管理システム３３は、プレス鍛造ステップ２８、４６、５６の間、定位置にあってもなくてもよいことが認識される。

【0048】

本開示の態様は、ワークピースにおいて少なくとも３．５の真のひずみが達成されるまで、３個の直交軸のプレス鍛造、冷却および表面加熱ステップの１つ以上を繰り返す（すなわち、ａ−ｂ−ｃ鍛造、内部領域冷却、および外側表面領域加熱ステップの最初のシーケンスを完了した後に行う）非限定的な実施形態を含む。句「真のひずみ」は、「対数ひずみ」として、また「有効ひずみ」としても当業者に公知である。図１を参照すると、これは、ステップ（ｇ）、すなわち、ワークピースにおいて少なくとも３．５の真のひずみが達成されるまで、ステップ（ａ）〜（ｂ）、（ｃ）〜（ｄ）、および（ｅ）〜（ｆ）の１つ以上を繰り返す（ステップ６４）ことによって例示される。別の非限定的な実施形態において再び図１を参照すると、繰り返し６４は、ワークピースにおいて少なくとも４．７の真のひずみが達成されるまで、ステップ（ａ）〜（ｂ）、（ｃ）〜（ｄ）、および（ｅ）〜（ｆ）の１つ以上を繰り返すことを含む。さらに他の非限定的な実施形態において、再び図１を参照すると、繰り返し６４は、ワークピースにおいて５以上の真のひずみが達成されるまでまたは１０の真のひずみが達成されるまで、ステップ（ａ）〜（ｂ）、（ｃ）〜（ｄ）、および（ｅ）〜（ｆ）の１つ以上を繰り返すことを含む。別の非限定的な実施形態において、図１に示すステップ（ａ）〜（ｆ）を少なくとも４回繰り返す。

【0049】

本開示による熱管理された高ひずみ速度多軸鍛造の非限定的な実施形態において、３．７の真のひずみの後に、ワークピースの内部領域は、４μｍ〜６μｍの平均α粒子粒径を含む。熱制御された多軸鍛造の非限定的な実施形態において、４．７の真のひずみが達成された後、ワークピースは、ワークピースの中心領域において４μｍの平均粒径を含む。本開示による非限定的な実施形態において、３．７以上の平均ひずみが達成されると、ある本開示の方法の一定の非限定的な実施形態は、等軸となっている粒子を生成する。

【0050】

熱管理システムを用いた多軸鍛造プロセスの非限定的な実施形態において、ワークピース−プレス金型の界面は、限定されないが、グラファイト、ガラス、および／または他の公知の固体潤滑剤などの当業者に公知の潤滑剤によって潤滑される。

【0051】

非限定的な実施形態において、ワークピースは、αチタン合金、α＋βチタン合金、準安定βチタン合金、およびβチタン合金からなる群から選択されるチタン合金を含む。別の非限定的な実施形態において、ワークピースは、α＋βチタン合金を含む。なお別の非限定的な実施形態において、ワークピースは、準安定βチタン合金を含む。本開示による方法の実施形態を用いて処理され得る例示的なチタン合金として、限定されないが：α＋βチタン合金、例えば、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金（ＵＮＳ番号Ｒ５６４００およびＲ５４６０１）およびＴｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−２Ｍｏ合金（ＵＮＳ番号Ｒ５４６２０およびＲ５４６２１）など；近βチタン合金、例えば、Ｔｉ−１０Ｖ−２Ｆｅ−３Ａｌ合金（ＵＮＳ Ｒ５４６１０））など；ならびに準安定βチタン合金、例えば、Ｔｉ−１５Ｍｏ合金（ＵＮＳ Ｒ５８１５０）およびＴｉ−５Ａｌ−５Ｖ−５Ｍｏ−３Ｃｒ合金（ＵＮＳは割り当てられていない）などが挙げられる。非限定的な実施形態において、ワークピースは、ＡＳＴＭグレード５、６，１２、１９、２０、２１、２３、２４、２５、２９、３２、３５、３６、および３８チタン合金から選択されるチタン合金を含む。

【0052】

非限定的な実施形態において、チタンまたはチタン合金金属材料のα＋β相領域内のワークピース鍛造温度までワークピースを加熱することは、ワークピースをβ均熱温度まで加熱することと；ワークピースにおいて１００％のβ相微細構造を形成するのに十分な均熱時間の間、ワークピースをβ均熱温度において保持することと；ワークピースをワークピース鍛造温度まで直接冷却することとを含む。ある一定の非限定的な実施形態において、β均熱温度は、チタンまたはチタン合金金属材料のβトランザス温度を最大で３００°Ｆ（１１１℃）超える、チタンまたはチタン合金金属材料のβトランザス温度の範囲にある。非限定的な実施形態は、５分〜２４時間のβ均熱時間を含む。当業者は、他のβ均熱温度およびβ均熱時間が本開示の実施形態の範囲内であること、例えば、比較的大きいワークピースが、１００％のβ相チタン微細構造を形成するのに比較的より高いβ均熱温度および／またはより長いβ均熱時間を必要とし得ることを理解するだろう。

【0053】

ワークピースが１００％のβ相微細構造を形成するβ均熱温度で保持されるある一定の非限定的な実施形態において、また、ワークピースを、ワークピース鍛造温度までワークピースを冷却する前に、チタンまたはチタン合金金属材料のβ相領域における塑性変形温度で塑性変形してよい。ワークピースの塑性変形は、ワークピースの引き抜き、据え込み鍛造、および高ひずみ速度多軸鍛造のうちの少なくとも１つを含むことができる。非限定的な実施形態において、β相領域における塑性変形は、０．１〜０．５の範囲内のβ据え込みひずみまでワークピースを据え込み鍛造することを含む。非限定的な実施形態において、塑性変形温度は、チタンまたはチタン合金金属材料のβトランザス温度を最大で３００°Ｆ（１１１℃）超える、チタンまたはチタン合金金属材料のβトランザス温度を含む温度範囲にある。

【0054】

図４は、βトランザス温度を超えてワークピースを塑性変形し、ワークピース鍛造温度まで直接冷却する非限定的な方法に関する概略的な温度−時間の熱機械的なプロセスチャートである。図４において、非限定的な方法１００は、チタンまたはチタン合金金属材料のβトランザス温度１０６を超えるβ均熱温度１０４にワークピースを加熱する１０２ことと、ワークピースにおいて全βチタン相微細構造を形成するβ均熱温度１０４でワークピースを保持または「均熱」１０８することとを含む。本開示による非限定的な実施形態において、均熱１０８後、ワークピースを塑性変形する１１０ことができる。非限定的な実施形態において、塑性変形１１０は、据え込み鍛造を含む。別の非限定的な実施形態において、塑性変形１１０は、真のひずみが０．３になるまで据え込み鍛造することを含む。別の非限定的な実施形態において、ワークピースの塑性変形１１０は、β均熱温度における熱管理された高ひずみ速度多軸鍛造（図４に示さず）を含む。

【0055】

図４をさらに参照すると、β相領域における塑性変形１１０の後、非限定的な実施形態において、ワークピースをチタンまたはチタン合金金属材料のα＋β相領域におけるワークピース鍛造温度１１４まで冷却する１１２。非限定的な実施形態において、冷却１１２は、空冷を含む。冷却１１２後、ワークピースにおいて、本開示の非限定的な実施形態により、熱管理された高ひずみ速度多軸鍛造１１４を行う。図４の非限定的な実施形態において、ワークピースを１２回衝撃またはプレス鍛造し、すなわち、ワークピースの３個の直交軸を、それぞれ合計４回、非逐次的にプレス鍛造する。換言すると、図１を参照すると、ステップ（ａ）〜（ｂ）、（ｃ）〜（ｄ）、および（ｅ）〜（ｆ）を含むシーケンスを４回実施する。図４の非限定的な実施形態において、１２の衝撃を含む多軸鍛造シーケンスの後、真のひずみは、例えば、およそ３．７に等しくてよい。多軸鍛造１１４後、ワークピースを室温まで冷却する１１６。非限定的な実施形態において、冷却１１６は、空冷を含む。

【0056】

本開示の非限定的な態様は、α＋β相領域における２種類の温度で熱管理された高ひずみ速度多軸鍛造を行うことを含む。図５は、上記に開示した熱管理特徴の非限定的な実施形態を利用して第１ワークピース鍛造温度においてチタン合金ワークピースを多軸鍛造し、続いてα＋β相における第２ワークピース鍛造温度まで冷却することと、上記に開示した熱管理特徴の非限定的な実施形態を利用して第２ワークピース鍛造温度でチタン合金ワークピースを多軸鍛造することとを含む非限定的な方法に関する概略的な温度−時間の熱機械的なプロセスチャートである。

【0057】

図５において、非限定的な方法１３０は、合金のβトランザス温度１３６を超えるβ均熱温度１３４までワークピースを加熱する１３２ことと、チタンまたはチタン合金ワークピースにおいて全β相微細構造を形成するβ均熱温度１３４においてワークピースを保持または均熱する１３８こととを含む。均熱１３８後、ワークピースを塑性変形する１４０ことができる。非限定的な実施形態において、塑性変形１４０は、据え込み鍛造を含む。別の非限定的な実施形態において、塑性変形１４０は、ひずみが０．３になるまで据え込み鍛造することを含む。さらに別の非限定的な実施形態において、ワークピースの塑性変形１４０は、β均熱温度における熱管理された高ひずみ多軸鍛造（図５に示さず）を含む。

【0058】

図５をさらに参照すると、β相領域における塑性変形１４０の後、チタンまたはチタン合金金属材料のα＋β相領域における第１ワークピース鍛造温度１４４までワークピースを冷却する１４２。非限定的な実施形態において、冷却１４２は、空冷を含む。冷却１４２後、ワークピースを、本明細書に開示されている非限定的な実施形態による熱管理システムを使用して、第１ワークピース鍛造温度において高ひずみ速度多軸鍛造する１４６。図５の非限定的な実施形態において、ワークピースを各衝撃間に９０°回転させて１２回、第１ワークピース鍛造温度１２において衝撃またはプレス鍛造する、すなわち、ワークピースの３個の直交軸をそれぞれ４回プレス鍛造する。換言すると、図１を参照すると、ステップ（ａ）〜（ｂ）、（ｃ）〜（ｄ）、および（ｅ）〜（ｆ）を含むシーケンスを４回実施する。図５の非限定的な実施形態において、第１ワークピース鍛造温度におけるワークピースの高ひずみ速度多軸鍛造１４６の後、α＋β相領域における第２ワークピース鍛造温度１５０までチタン合金ワークピースを冷却する１４８。冷却１４８後、ワークピースにおいて、本明細書に開示されている非限定的な実施形態による熱管理システムを使用して、第２ワークピース鍛造温度において高ひずみ速度多軸鍛造を行う１５０。図５の非限定的な実施形態において、ワークピースを合計１２回、第２ワークピース鍛造温度において衝撃またはプレス鍛造する。第１および第２ワークピース鍛造温度においてチタン合金ワークピースに適用される衝撃回数が、所望の真のひずみおよび所望の最終粒径に応じて変動し得ること、ならびに、適切である衝撃回数が、必要以上の実験を行うことなく決定され得ることが認識される。第２ワークピース鍛造温度における多軸鍛造１５０の後、ワークピースを室温まで冷却する１５２。非限定的な実施形態において、冷却１５２は、室温までの冷却を含む。

【0059】

非限定的な実施形態において、第１ワークピース鍛造温度は、チタンまたはチタン合金金属材料のβトランザス温度より２００°Ｆ（１１１．１℃）を超えて低い温度から、チタンまたはチタン合金金属材料のβトランザス温度より５００°Ｆ（２７７．８℃）低い温度までの第１ワークピース鍛造温度範囲にあり、すなわち、第１ワークピース鍛造温度Ｔ_１は、Τ_β−２００°Ｆ＞Τ_１≧Ｔ_β−５００°Ｆの範囲にある。非限定的な実施形態において、第２ワークピース鍛造温度は、チタンまたはチタン合金金属材料のβトランザス温度より５００°Ｆ（２７７．８℃）を超えて低い温度から、βトランザス温度より７００°Ｆ（３８８．９℃）低い温度までの第２ワークピース鍛造温度範囲にあり、すなわち、第２ワークピース鍛造温度Ｔ_２は、Τ_β−５００°Ｆ＞Ｔ_２≧Ｔ_β−７００°Ｆの範囲にある。非限定的な実施形態において、チタン合金ワークピースは、Ｔｉ−６−４合金を含み；第１ワークピース温度は、１５００°Ｆ（８１５．６℃）であり；第２ワークピース鍛造温度は、１３００°Ｆ（７０４．４℃）である。

【0060】

図６は、本開示の非限定的な実施形態に従って、ワークピースにおいて、熱管理された高ひずみ速度多軸鍛造を同時に使用しながら、チタンおよびチタン合金から選択される金属材料を含むワークピースを、βトランザス温度を超えて塑性変形することと、ワークピースをワークピース鍛造温度まで冷却することとを含む、本開示による非限定的な方法の概略的な温度−時間の熱機械的なプロセスチャートである。図６において、チタンまたはチタン合金の粒子の微細化のための熱管理された高ひずみ速度多軸鍛造を用いた非限定的な方法１６０は、チタンまたはチタン合金金属材料のβトランザス温度１６６を超えるβ均熱温度１６４までワークピースを加熱する１６２ことと、ワークピースにおいて全β相微細構造を形成するβ均熱温度１６４においてワークピースを保持または均熱する１６８こととを含む。β均熱温度でワークピースを均熱１６８した後、ワークピースを塑性変形する１７０。非限定的な実施形態において、塑性変形１７０は、熱管理された高ひずみ速度多軸鍛造を含むことができる。非限定的な実施形態において、ワークピースがβトランザス温度を通過して冷えるに従い、ワークピースを、本明細書に開示されている熱管理システムを用いて繰り返し高ひずみ速度多軸鍛造する１７２。図６は、３個の中間の高ひずみ速度多軸鍛造１７２ステップを示すが、所望により、より多くのまたはより少ない中間の高ひずみ速度多軸鍛造１７２ステップが存在し得ることが理解されよう。この中間の高ひずみ速度多軸鍛造１７２ステップは、均熱温度における最初の高ひずみ速度多軸鍛造ステップ１７０、および金属材料のα＋β相領域１７４における最終の高ひずみ速度多軸鍛造ステップに対する中間である。図６は、ワークピースの温度がα＋β相領域において全体に維持される、１つの最終の高ひずみ速度多軸鍛造ステップを示すが、１を超える多軸鍛造ステップを、α＋β相領域において、さらなる微粒化のために実施できることが理解される。本開示の非限定的な実施形態によると、少なくとも１つの最終の高ひずみ速度多軸鍛造ステップが、チタンまたはチタン合金ワークピースのα＋β相領域における温度において全体に行われる。

【0061】

多軸鍛造ステップ１７０、１７２、１７４は、ワークピースの温度がチタンまたはチタン合金金属材料のβトランザス温度を通過して低下するに従って起こるため、図６に示されているような方法の実施形態を、本明細書において「βトランザス通過型高ひずみ速度多軸鍛造」と称する。非限定的な実施形態において、熱管理システム（図２の３３）をβトランザス通過型の多軸鍛造において用いて、それぞれの、βトランザスを通過した鍛造温度における各衝撃の前に、均一または実質的に均一な温度でワークピースの温度維持し、場合により、冷却速度を遅らせる。ワークピースの最終多軸構造１７４の後に、ワークピースを室温まで冷却する１７６。非限定的な実施形態において、冷却１７６は、空冷を含む。

【0062】

上記に開示されている熱管理システムを用いた多軸鍛造の非限定的な実施形態は、従来の鍛造プレス設備を用いて、４ｃｍ^２を超える断面を有するチタンおよびチタン合金ワークピースを処理するのに用いられ得、立方体状のワークピースのサイズは、個々のプレス能力と適合するようにスケーリングされ得る。β焼純構造に由来するαラメラが、本明細書において非限定的な実施形態に開示されているワークピース鍛造温度において微細で均一なα粒子まで容易に破壊することが分かった。また、ワークピース鍛造温度の減少がα粒子径（粒径）を減少させることも分かった。

【0063】

いずれの特定の理論に拘束されることも望まないが、本開示による熱管理された高ひずみ速度多軸鍛造の非限定的な実施形態において起こる微粒化は、メタ動的再結晶を介して起こると考えられる。従来技術の低ひずみ速度多軸鍛造プロセスにおいて、動的再結晶は、ひずみを材料に適用する間に同時に起こる。本開示による高ひずみ速度多軸鍛造においては、メタ動的再結晶は、それぞれの変形または鍛造衝撃の終わりに起こるが、少なくともワークピースの内部領域は、断熱加熱に起因して熱いことが考えられる。残りの断熱加熱、内部領域冷却時間、および外部表面領域加熱は、本開示による熱管理された高ひずみ速度多軸鍛造の非限定的な方法における微粒化の程度に影響する。

【0064】

熱管理システムならびにチタンおよびチタン合金から選択される金属材料を含む立方体形状のワークピースを用いた多軸構造は、上記に開示されているように、最適な結果に劣るある一定の結果をもたらすことが認められた。（１）本明細書に開示されている熱管理された多軸鍛造のある一定の実施形態において用いられる立方体状ワークピースの幾何学的形状、（２）金型の冷却（すなわち、金型の温度を、ワークピース鍛造温度よりも有意に低く低下させる）、および（３）高いひずみ速度の使用のうちの１つ以上が、ワークピースのコア領域にひずみを集中させると考えられる。

【0065】

本開示の態様は、ビレットサイズのチタン合金において、概して均一な微粒子径、極微粒子径または超微粒子径を達成することができる鍛造方法を含む。換言すると、かかる方法によって処理されるワークピースは、ワークピースの中心領域においてのみよりも、むしろワークピースの全体にわたって所望の粒径、例えば超微粒子微細構造を含むことができる。かかる方法の非限定的な実施形態は、４ｃｍ^２を超える断面を有するビレットにおいて「複数の据え込みおよび引き抜き」ステップを用いる。複数の据え込みおよび引き抜きステップは、ワークピースの元の寸法を実質的に保存しながら、ワークピース全体にわたって均一な微粒子径、極微粒子径または超微粒子径を達成することを目的としている。これらの鍛造方法は、複数の据え込みおよび引き抜きステップを含むため、本明細書において「ＭＵＤ」法の実施形態と称される。ＭＵＤ法は、重大な塑性変形を含み、ビレットサイズのチタン合金ワークピースにおいて均一な超微粒子を生成することができる。本開示による非限定的な実施形態において、ＭＵＤプロセスの据え込み鍛造および引き抜き鍛造ステップに用いられるひずみ速度は、０．００１／秒〜０．０２／秒（両端を含む）の範囲にある。対照的に、従来の開放型据え込みおよび引き抜き鍛造に典型的に用いられるひずみ速度は、０．０３／秒〜０．１／秒の範囲にある。ＭＵＤのひずみ速度は、制御して鍛造温度を保つために断熱加熱を抑制するには十分に遅いが、該ひずみ速度は、工業的実施で許容される。

【0066】

複数の据え込みおよび引き抜きの非限定的な実施形態の概略表示、すなわち、「ＭＵＤ」法を図７に提供し、ＭＵＤ法のある一定の実施形態のフローチャートを図８に提供する。図７および８を参照すると、複数の据え込みおよび引き抜き鍛造ステップを用いて、チタンおよびチタン合金から選択される金属材料を含むワークピースを微細化するための非限定的な方法２００は、金属材料のα＋β相領域におけるワークピース鍛造温度まで円筒形状のチタンまたはチタン合金金属材料ワークピースを加熱する２０２ことを含む。非限定的な実施形態において、円筒形状ワークピースの形状は円筒形である。別の非限定的な実施形態において、円筒形状ワークピースの形状は、八角形状の円筒形または正八角形である。

【0067】

円筒形状ワークピースは、開始断面寸法を有する。開始ワークピースが円筒形である本開示によるＭＵＤ法の非限定的な実施形態において、開始断面寸法は、円筒形の直径である。開始ワークピースが八角形状の円筒形である本開示によるＭＵＤ法の非限定的な実施形態において、開始断面寸法は、八角形状断面の外接円の直径、すなわち、八角形状断面の全ての頂点を通過する円の直径である。

【0068】

円筒形状ワークピースがワークピース鍛造温度にあるとき、ワークピースを据え込み鍛造する２０４。据え込み鍛造２０４後、非限定的な実施形態において、ワークピースを９０°回転させ（２０６）、次いで複数回の引き抜き鍛造２０８に付す。ワークピースの実際の回転２０６は場合によるものであり、該ステップの目的は、後の複数回の引き抜き鍛造２０８ステップ用の鍛造デバイスに対して正確な配向（図７を参照）にワークピースを配置することである。

【0069】

複数回の引き抜き鍛造は、（矢印２１０の方向によって示す）回転方向にワークピースを増分的に回転させ（矢印２１０によって表示される）、続いて、回転のそれぞれの増分の後にワークピースを引き抜き鍛造２１２することを含む。非限定的な実施形態において、増分的回転および引き抜き鍛造を、ワークピースが開始断面寸法を含むまで繰り返す２１４。非限定的な実施形態において、据え込み鍛造および複数回の引き抜き鍛造ステップをワークピースにおいて少なくとも３．５の真のひずみが達成されるまで繰り返す。別の非限定的な実施形態は、ワークピースにおいて少なくとも４．７の真のひずみが達成されるまで、加熱、据え込み鍛造、および複数回の引き抜き鍛造ステップを繰り返すことを含む。なお別の非限定的な実施形態では、加熱、据え込み鍛造、および複数回の引き抜き鍛造ステップを、ワークピースにおいて少なくとも１０の真のひずみが達成されるまで繰り返す。非限定的な実施形態においては、１０の真のひずみがＭＵＤ鍛造に付与されたとき、ＵＦＧ α微細構造が生成されること、およびワークピースに付与される真のひずみを増加させることで、より小さな平均粒径が得られることが観測される。

【0070】

本開示の態様は、チタン合金ワークピースの重大な塑性変形をもたらすのに十分であるひずみ速度を、据え込みおよび複数の引き抜きステップの間に使用することであり、非限定的な実施形態において、結果として、超微粒径をさらに生ずる。非限定的な実施形態において、据え込み鍛造において用いられるひずみ速度は、０．００１／秒〜０．００３／秒の範囲にある。別の非限定的な実施形態において、複数の引き抜き鍛造ステップに用いられるひずみ速度は、０．０１／秒〜０．０２／秒の範囲にある。これらの範囲内のひずみ速度は、ワークピースの断熱加熱をもたらさず、ワークピースの温度制御を可能にすること、および経済的に許容される工業的実施に十分であることが見出される。

【0071】

非限定的な実施形態において、ＭＵＤ法の完了後、ワークピースは、開始円筒形２１４または八角形状円筒形２１６の実質的に元の寸法を有する。さらに別の非限定的な実施形態において、ＭＵＤ法の完了後、ワークピースは、開始ワークピースと実質的に同じ断面を有する。非限定的な実施形態において、単一の据え込みは、ワークピースをワークピースの開始断面を含めた形状に戻すのに多くの引き抜き衝撃を必要とする。

【0072】

ワークピースが円筒形の形状であるＭＵＤ法の非限定的な実施形態において、増分的回転および引き抜き鍛造は、円筒形状ワークピースを３６０°を通して回転させて各増分において引き抜き鍛造するまで、１５°の増分で円筒形状ワークピースを回転させ、その後引き抜き鍛造する複数のステップをさらに含む。ワークピースが円筒形の形状であるＭＵＤ法の非限定的な実施形態において、各据え込み鍛造の後、２４回の増分的な回転＋引き抜き鍛造ステップを使用して、ワークピースを実質的にその開始断面寸法とする。ワークピースが八角形状円筒形の形状であるときの別の非限定的な実施形態において、増分的な回転および引き抜き鍛造は、円筒形状ワークピースを３６０°を通して回転させて各増分において引き抜き鍛造するまで、４５°の増分で円筒形状ワークピースを回転させ、その後引き抜き鍛造する複数のステップをさらに含む。ワークピースが八角形状円筒形の形状であるＭＵＤ法の非限定的な実施形態において、各据え込み鍛造の後、８回の増分的な回転＋引き抜き鍛造ステップを使用して、ワークピースを実質的にその開始断面寸法とする。ＭＵＤ法の非限定的な実施形態において、取り扱い設備によって八角形状円筒形を操作する方が、取り扱い設備によって円筒形を操作するよりも正確であることが観測された。また、ＭＵＤの非限定的な実施形態において、取り扱い設備によって八角形状円筒形を操作する方が、本明細書に開示されている熱管理された高ひずみ速度ＭＡＦプロセスの非限定的な実施形態においてハンドトングを用いて立方体状ワークピースを操作するよりも正確であることも観測された。円筒形状ビレットに関する他の増分的回転量および引き抜き鍛造ステップは、本開示の範囲内であり、かかる他の可能な増分的回転量は、必要以上の実験を行うことなく当業者によって決定されてよいことが認識される。

【0073】

本開示によるＭＵＤの非限定的な実施形態において、ワークピース鍛造温度は、ワークピース鍛造温度範囲内の温度を含む。非限定的な実施形態において、ワークピース鍛造温度は、チタンまたはチタン合金金属材料のβトランザス温度（Ｔ_β）より１００°Ｆ（５５．６℃）低い温度からチタンまたはチタン合金金属材料のβトランザス温度より７００°Ｆ（３８８．９℃）低い温度までのワークピース鍛造温度範囲にある。なお別の非限定的な実施形態において、ワークピース鍛造温度は、チタンまたはチタン合金金属材料のβ遷移温度より３００°Ｆ（１６６．７℃）低い温度からチタンまたはチタン合金金属材料のβ遷移温度より６２５°Ｆ（３４７℃）低い温度までの温度範囲にある。非限定的な実施形態において、ワークピース鍛造温度範囲の下端は、鍛造衝撃の間にワークピースの表面に実質的な損傷を起こさないα＋β相領域における温度であり、必要以上の実験を行うことなく当業者によって決定されてよい。

【0074】

本開示による非限定的なＭＵＤ実施形態において、約１８５０°Ｆ（１０１０℃）のβトランザス温度（Ｔ_β）を有するＴｉ−６−４合金（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ；ＵＮＳ Ｎｏ．Ｒ５６４００）のワークピース鍛造温度範囲は、例えば、１１５０°Ｆ（６２１．１℃）〜１７５０°Ｆ（９５４．４℃）であってよく、別の実施形態では、１２２５°Ｆ（６６２．８℃）〜１５５０°Ｆ（８４３．３℃）であってよい。

【0075】

非限定的な実施形態は、ＭＵＤ法の間に複数の再加熱ステップを含む。非限定的な実施形態において、チタン合金ワークピースの据え込み鍛造の後に、チタン合金ワークピースをワークピース鍛造温度まで加熱する。別の非限定的な実施形態において、複数回の引き抜き鍛造の引き抜き鍛造ステップの前に、チタン合金ワークピースをワークピース鍛造温度まで加熱する。別の非限定的な実施形態において、据え込みまたは引き抜き鍛造ステップの後、ワークピースを必要に応じて加熱して、実際のワークピース温度をワークピース鍛造温度に戻す。

【0076】

チタンおよびチタン合金から選択される金属材料を含むワークピースにおいて超微粒子を作り出すことを目的としているＭＵＤ法の実施形態は、重大な塑性変形とも称される、余分な仕事または極端な変形を付与することが見出された。いずれの特定の操作理論にも拘束されることを意図しないが、円筒形状のおよび八角形状円筒形のワークピースの円形または八角形状断面の形状は、それぞれ、ＭＵＤ法の間に、ワークピースの断面に対してより均等にひずみを分配すると考えられる。ワークピースと鍛造金型との間の摩擦による悪影響もまた、金型と接触するワークピースの面積を低減することによって低減される。

【0077】

加えて、ＭＵＤ法の間の温度を減少させることにより、最終粒径を、用いられる具体的な温度に特徴的であるサイズに低減させることも見出された。図８を参照すると、ワークピースの粒径を微細化する方法２００の非限定的な実施形態において、ワークピース鍛造温度でＭＵＤ法によって処理した後、ワークピースの温度を第２ワークピース鍛造温度まで冷却する２１６ことができる。第２ワークピース鍛造温度までワークピースを冷却した後、非限定的な実施形態において、ワークピースを第２ワークピース鍛造温度において据え込み鍛造する２１８。ワークピースを回転させ２２０、または後の引き抜き鍛造ステップに向ける。ワークピースを第２ワークピース鍛造温度において多段階引き抜き鍛造する２２２。第２ワークピース鍛造温度における多段階引き抜き鍛造２２２は、回転方向（図７を参照）にワークピースを増分的に回転させること２２４と、各回転増分の後に第２ワークピース鍛造温度において引き抜き鍛造する２２６こととを含む。非限定的な実施形態において、据え込み、増分的回転２２４、および引き抜き鍛造のステップを、ワークピースが開始断面寸法を含むまで繰り返す２２６。別の非限定的な実施形態において、第２ワークピース温度における据え込み鍛造２１８、回転２２０、および多段階引き抜き鍛造２２２のステップを、ワークピースにおいて１０以上の真のひずみが達成されるまで繰り返す。チタンまたはチタン合金ワークピースに任意の所望の真のひずみが付与されるまで、ＭＵＤプロセスを継続できることが認識される。

【0078】

多重温度のＭＵＤ法を含む非限定的な実施形態において、ワークピース鍛造温度、または第１ワークピース鍛造温度は、約１６００°Ｆ（８７１．１℃）であり、第２ワークピース鍛造温度は、約１５００°Ｆ（８１５．６℃）である。第１および第２ワークピース鍛造温度より低い、後のワークピース鍛造温度、例えば、第３ワークピース鍛造温度、第４ワークピース鍛造温度などは、本開示の非限定的な実施形態の範囲内である。

【0079】

鍛造が進行するに従い、微粒化により、一定の温度において流動応力の減少が生ずる。逐次的な据え込みおよび引き抜きステップで鍛造温度を減少させることで、流動応力が一定に保たれ、微細構造の微細化速度が増加することが見出された。本開示によるＭＵＤの非限定的な実施形態において、真のひずみが１０であると、チタンおよびチタン合金ワークピースにおいて均一な等軸のα超微粒子微細構造が生じること、および二温度（または多重温度）のＭＵＤプロセスの低い方の温度が、１０の真のひずみをＭＵＤ鍛造に付与した後の最終粒径を決定できることが見出された。

【0080】

本開示の態様は、ワークピースの温度を、その後、チタン合金のβトランザス温度を超えて加熱する限り、ＭＵＤ法による処理の後に、微細化された粒径を粗くすることなく、後の変形ステップが可能であることを含む。例えば、非限定的な実施形態において、ＭＵＤ処理後の、後の変形の実施は、チタンまたはチタン合金のα＋β相領域における温度での、引き抜き鍛造、複数の引き抜き鍛造、据え込み鍛造、またはこれらの鍛造ステップの２つ以上のあらゆる組み合わせを含むことができる。非限定的な実施形態において、後の変形または鍛造ステップは、チタンまたはチタン合金ワークピースにおいて均一な微粒子、極微粒子または超微粒子構造を依然として維持しながら、円筒形様ワークピースの開始断面寸法を断面寸法の一部分、例えば、限定されないが、断面寸法の２分の１、断面寸法の４分の１などに低減する、複数回の引き抜き鍛造、据え込み鍛造、および引き抜き鍛造の組み合わせを含む。

【0081】

ＭＵＤ法の非限定的な実施形態において、ワークピースは、αチタン合金、α＋βチタン合金、準安定βチタン合金、およびβチタン合金からなる群から選択されるチタン合金を含む。ＭＵＤ法の別の非限定的な実施形態において、ワークピースは、α＋βチタン合金を含む。本明細書に開示されている複数の据え込みおよび引き抜きプロセスのさらに別の非限定的な実施形態において、ワークピースは、準安定βチタン合金を含む。ＭＵＤ法の非限定的な実施形態において、ワークピースは、ＡＳＴＭグレード５、６、１２、１９、２０、２１、２３、２４、２５、２９、３２、３５、３６、および３８チタン合金から選択されるチタン合金である。

【0082】

本開示のＭＵＤ実施形態により、α＋β相領域におけるワークピース鍛造温度までワークピースを加熱する前に、非限定的な実施形態において、ワークピースを、β均熱温度まで加熱し、ワークピースにおいて１００％のβ相微細構造を形成するのに十分なβ均熱時間の間、ワークピースをβ均熱温度において保持し、室温まで冷却してよい。非限定的な実施形態において、β均熱温度は、チタンまたはチタン合金のβトランザス温度からチタンまたはチタン合金のβトランザス温度を最大で３００°Ｆ（１１１℃）超えるまでを含むβ均熱温度範囲にある。別の非限定的な実施形態において、β均熱時間は、５分〜２４時間である。

【0083】

非限定的な実施形態において、ワークピースは、ワークピースと鍛造金型との間の摩擦を低減する潤滑コーティングと全表面またはある一定の表面において接触しているビレットである。非限定的な実施形態において、潤滑コーティングは、固体潤滑剤、例えば、限定されないが、グラファイトおよびガラス潤滑剤のうちの一方である。当業者に現在公知もしくは今後公知となる他の潤滑コーティングは、本開示の範囲内である。加えて、円筒形様ワークピースを用いたＭＵＤ法の非限定的な実施形態において、ワークピースと鍛造金型との間の接触面積は、立方体状ワークピースの多軸鍛造における接触面積と比較して小さい。接触面積が低減されると、金型の摩擦が低減され、チタン合金ワークピースの微細構造およびマクロ構造がより均一になる。

【0084】

本開示のＭＵＤ実施形態により、α＋β相領域におけるワークピース鍛造温度までチタンおよびチタン合金から選択される金属材料を含むワークピースを加熱する前に、非限定的な実施形態において、ワークピースを、ワークピースにおいて１００％のβ相微細構造を形成するのに十分なβ均熱時間で保持した後、室温まで冷却する前に、チタンまたはチタン合金金属材料のβ相領域における塑性変形温度で塑性変形する。非限定的な実施形態において、塑性変形温度は、β均熱温度に等しい。別の非限定的な実施形態において、塑性変形温度は、チタンまたはチタン合金のβトランザス温度からチタンまたはチタン合金のβトランザス温度を最大で３００°Ｆ（１１１℃）超える温度を含む塑性変形温度範囲にある。

【0085】

非限定的な実施形態において、チタンまたはチタン合金のβ相領域における塑性変形は、チタン合金ワークピースの引き抜き、据え込み鍛造、および高ひずみ速度多軸鍛造の少なくとも１つを含む。別の非限定的な実施形態において、チタンまたはチタン合金のβ相領域における塑性変形は、本開示の非限定的な実施形態による複数の据え込みおよび引き抜き鍛造を含み、ここで、ワークピースをワークピース鍛造温度まで冷却することは、空冷を含む。なお別の非限定的な実施形態において、チタンまたはチタン合金のβ相領域においてワークピースを塑性変形することは、ワークピースを高さまたは別の寸法、例えば長さが３０％〜３５％低減するまで据え込み鍛造することを含む。

【0086】

本開示の別の態様は、鍛造の間に鍛造金型を加熱することを含むことができる。非限定的な実施形態は、ワークピースを鍛造するのに用いられる鍛造型を、ワークピース鍛造温度からワークピース鍛造温度より１００°Ｆ（５５．６℃）低い温度（両端を含む）によって囲まれる温度範囲内の温度に加熱することを含む。

【0087】

また、本明細書に開示されているある一定の方法を、チタンおよびチタン合金以外の金属および金属合金のワークピースの粒径を低減するために、該金属および金属合金に適用してよいことも考えられる。本開示の別の態様は、金属および金属合金の高ひずみ速度多段階鍛造のための方法の非限定的な実施形態を含む。該方法の非限定的な実施形態は、金属または金属合金を含むワークピースをワークピース鍛造温度まで加熱することを含む。加熱後、ワークピースを、ワークピースの内部領域を断熱加熱するのに十分なひずみ速度でワークピース鍛造温度において鍛造する。鍛造後、次の鍛造ステップの前に待機期間を使用する。待機期間の間、ワークピースの少なくとも１つの表面領域をワークピース鍛造温度まで加熱しながら、金属合金ワークピースの断熱加熱された内部領域の温度をワークピース鍛造温度まで冷却させる。金属合金ワークピースの少なくとも１つの表面領域をワークピース鍛造温度まで加熱しながら、ワークピースを鍛造し、次いで、ワークピースの断熱加熱された内部領域をワークピース鍛造温度まで平衡化させるステップを、所望の特徴が得られるまで繰り返す。非限定的な実施形態において、鍛造は、プレス鍛造、据え込み鍛造、引き抜き鍛造、およびロール鍛造の１つ以上を含む。別の非限定的な実施形態において、金属合金は、チタン合金、ジルコニウムおよびジルコニウム合金、アルミニウム合金、鉄合金、ならびに超合金からなる群から選択される。なお別の非限定的な実施形態において、所望の特徴は、付与ひずみ、平均粒径、形状、および機械的特性のうちの１つ以上である。機械的特性として、限定されないが、強度、延性、破壊靱性、および硬度が挙げられる

【実施例】

【0088】

本開示によるある一定の非限定的な実施形態を説明するいくつかの実施例を以下に続ける。

【0089】

実施例１
熱管理システムを用いた多軸鍛造を、１０〜３０μｍの範囲の粒径を有する等軸α粒子を有する合金Ｔｉ−６−４からなるチタン合金ワークピースにおいて実施した。使用した熱管理システムは、加熱された金型と、チタン合金ワークピースの表面領域を加熱するための火炎加熱とを含んだ。ワークピースは、４インチ面の立方体からなった。ワークピースを、ガス燃焼による箱型炉において、１９４０°Ｆ（１０６０℃）のβ焼純温度、すなわち、βトランザス温度を約５０°Ｆ（２７．８℃）超える温度まで加熱した。β焼純均熱時間は１時間であった。β焼純したワークピースを室温、すなわち、約７０°Ｆ（２１．１℃）まで空冷した。

【0090】

次いで、β焼純したワークピースを、ガス燃焼による箱型炉において、合金のα＋β相領域における１５００°Ｆ（８１５．６℃）のワークピース鍛造温度まで加熱した。β焼純したワークピースを、まず、３．２５インチのスペーサ高さまでワークピースのＡ軸の方向にプレス鍛造した。プレス鍛造のラム速度は１インチ／秒であり、これは、０．２７／秒のひずみ速度に相当した。ワークピースの断熱加熱した中心およびワークピースの火炎加熱した表面領域をワークピース鍛造温度に約４．８分間平衡化させた。ワークピースを回転させ、３．２５インチのスペーサ高さまでワークピースのＢ軸の方向にプレス鍛造した。プレス鍛造のラム速度は１インチ／秒であり、これは、０．２７／秒のひずみ速度に相当した。ワークピースの断熱加熱した中心およびワークピースの火炎加熱した表面領域をワークピース鍛造温度に約４．８分間平衡化させた。ワークピースを回転させ、４インチのスペーサ高さまでワークピースのＣ軸の方向にプレス鍛造した。プレス鍛造のラム速度は１インチ／秒であり、これは、０．２７／秒のひずみ速度に相当した。ワークピースの断熱加熱した中心およびワークピースの火炎加熱した表面領域をワークピース鍛造温度に約４．８分間平衡化させた。上記のａ−ｂ−ｃ（多軸）鍛造を合計１２の鍛造衝撃について４回繰り返し、４．７の真のひずみを生成した。多軸鍛造後、ワークピースを水急冷した。実施例１の熱機械処理経路を図９に示す。

【0091】

実施例２
実施例１の出発材料のサンプルおよび実施例１において処理した材料のサンプルを金属組織的に調製し、粒子構造を顕微鏡により観察した。図１０は、１０〜３０μｍの間の粒径を有する等軸粒子を示す、実施例１のβ焼鈍した材料の顕微鏡写真である。図１１は、実施例１のａ−ｂ−ｃ鍛造したサンプルの中心領域の顕微鏡写真である。図１１の粒子構造は、およそ４μｍの等軸粒径を有し、「極微粒子」（ＶＦＧ）材料として適している。サンプルにおいて、ＶＦＧサイズの粒子をサンプルの中心において優先的に観察した。サンプルにおける粒径は、サンプルの中心からの距離が増加するに従って、より大きかった。

【0092】

実施例３
有限要素モデリングを用いて、断熱加熱された内部領域をワークピース鍛造温度まで冷却するのに必要な内部領域冷却時間を決定した。該モデリングにおいて、直径５インチ、長さ７インチのα−βチタン合金プリフォームを１５００°Ｆ（８１５．６℃）の多軸鍛造温度まで仮想的に加熱した。鍛造金型を６００°Ｆ（３１５．６℃）まで加熱するようシミュレートした。ラム速度を１インチ／秒でシミュレートし、これは、０．２７／秒のひずみ速度に相当した。内部領域冷却時間について異なる間隔を入力し、シミュレートしたワークピースの断熱加熱された内部領域をワークピース鍛造温度まで冷却するのに必要な内部領域冷却時間を決定した。図１０のプロットから、該モデリングが、３０〜４５秒の間の内部領域冷却時間を用いることで、断熱加熱された内部領域を約１５００°Ｆ（８１５．６℃）のワークピース鍛造温度まで冷却できることを示唆していることが分かる。

【0093】

実施例４
熱管理システムを用いた高ひずみ速度多軸鍛造を、４インチ（１０．１６ｃｍ）面の立方体の合金Ｔｉ−６−４からなるチタン合金ワークピースにおいて実施した。チタン合金ワークピースを１９４０°Ｆ（１０６０℃）において６０分間β焼純した。β焼純後、ワークピースを室温まで空冷した。チタン合金ワークピースを、チタン合金ワークピースのα−β相領域における１５００°Ｆ（８１５．６℃）のワークピース鍛造温度まで加熱した。ワークピースを、本開示の非限定的な実施形態により、ガス火炎加熱器および加熱した金型を含む熱管理システムを用いて多軸鍛造して、多軸鍛造の衝撃間にワークピース鍛造温度までワークピースの外部表面領域の温度を平衡化させた。ワークピースを３．２インチ（８．１３ｃｍ）までプレス鍛造した。ａ−ｂ−ｃ回転を用いて、ワークピースを各衝撃において４インチ（１０．１６ｃｍ）まで逐次的にプレス鍛造した。１インチ／秒（２．５４ｃｍ／秒）のラム速度をプレス鍛造ステップにおいて用い、休止、すなわち、１５秒の内部領域冷却時間または平衡化時間をプレス鍛造衝撃間で用いた。平衡化時間は、外部表面領域をワークピース鍛造温度まで加熱しながら、断熱加熱された内部領域をワークピース鍛造温度まで冷却させる時間である。衝撃間の立方体状ワークピースの回転を９０°にして、合計１２の衝撃を１５００°Ｆ（８１５．６℃）のワークピース温度で用い、すなわち、立方体状ワークピースを４回ａ−ｂ−ｃ鍛造した。

【0094】

次いで、ワークピースの温度を１３００°Ｆ（７０４．４℃）の第２ワークピース鍛造温度まで低下させた。各鍛造衝撃間に１インチ／秒（２．５４ｃｍ／秒）のラム速度および１５秒の内部領域冷却時間を用い、チタン合金ワークピースにおいて、本開示の非限定的な実施形態による高ひずみ多軸鍛造を行った。第１ワークピース鍛造温度を管理するのに用いたのと同じ熱管理システムを用いて、第２ワークピース鍛造温度を管理した。合計６の鍛造衝撃を第２ワークピース鍛造温度で適用し、すなわち、立方体状ワークピースを第２ワークピース鍛造温度において２回ａ−ｂ−ｃ鍛造した。

【0095】

実施例５
実施例４に記載したように処理した後の立方体の中心の顕微鏡写真を図１３に示す。図１３から、立方体の中心の粒子は、等軸平均粒径が３μｍ未満、すなわち、超微細粒径であることが観察される。

【0096】

実施例４に従って処理した立方体の中心または内部領域は超微細粒径を有したが、処理した立方体の中心領域よりも外部の領域における粒子は超微粒子でないことも観察された。これは、実施例４に従って処理した立方体の断面の写真である図１４から明らかである。

【0097】

実施例６
有限要素モデリングを用いて、熱管理された多軸鍛造における立方体の変形をシミュレートした。シミュレーションを、全β微細構造が得られるまで１９４０°Ｆ（１０６０℃）でβ焼純した４インチ面の立方体のＴｉ−６−４合金に関して行った。シミュレーションは、本明細書に開示されている方法のある一定の非限定的な実施形態において用いるように、１５００°Ｆ（８１５．６℃）で行う等温多軸鍛造を用いた。ワークピースを合計１２の衝撃、すなわち、４セットのａ−ｂ−ｃ直交軸鍛造／回転でａ−ｂ−ｃプレス鍛造した。該シミュレーションにおいて、立方体を１３００°Ｆ（７０４．４℃）まで冷却し、６衝撃、すなわち、２セットのａ−ｂ−ｃ直交軸鍛造／回転で高ひずみ速度プレス鍛造を行った。シミュレートしたラム速度は、１インチ／秒（２．５４ｃｍ／秒）であった。図１５に示す結果は、上記の処理の後の立方体におけるひずみのレベルを予測するものである。有限要素モデリングシミュレーションでは、立方体の中心において１６．８の最大ひずみが予測される。しかし、最大ひずみは、非常に局在化しており、断面の大部分が、１０超のひずみを達成しない。

【0098】

実施例７
高さが７インチである（すなわち、縦軸に沿って測定）直径５インチの円筒形の構成で合金Ｔｉ−６−４を含むワークピースを１９４０°Ｆ（１０６０℃）で６０分間β焼純した。β焼純した円筒を空気急冷し、全β微細構造を保存した。β焼純した円筒を１５００°Ｆ（８１５．６℃）のワークピース鍛造温度まで加熱し、続いて本開示の非限定的な実施形態による複数の据え込みおよび引き抜き鍛造を行った。複数の据え込みおよび引き抜きシーケンスは、５．２５インチの高さまでの据え込み鍛造（すなわち、縦軸に沿った寸法が低減されている）と、縦軸の周りの４５°の増分的回転、ならびに開始および最後の外接円の直径が４．７５インチである八角形状円筒形を形成する引き抜き鍛造を含む複数の引き抜き鍛造を含んだ。増分的回転による合計３６の引き抜き鍛造を、衝撃間の待機時間無しに用いた。

【0099】

実施例８
実施例７において調製したサンプルの断面の中心領域の顕微鏡写真を図１６（ａ）に提示する。実施例７において調製したサンプルの断面の近表面領域の顕微鏡写真を図１６（ｂ）に提示する。図１６（ａ）および（ｂ）の実験により、実施例７に従って処理したサンプルが、極微粒子（ＶＦＧ）に分類される、平均粒径が３μｍ未満の均一な等軸粒子構造を達成したことが明らかになる。

【0100】

実施例９
２４インチの長さを有する直径１０インチの円筒形状ビレットとして構成された、合金Ｔｉ−６−４を含むワークピースを、シリカガラススラリー潤滑剤によってコーティングした。該ビレットを１９４０℃でβ焼純した。β焼純したビレットを、２４インチから、長さが３０〜３５％低減するまで据え込み鍛造した。β据え込み後、ビレットを、増分的回転および１０インチの八角形状円筒形までのビレットの引き抜き鍛造を含んだ複数回の引き抜き鍛造に付した。β処理した八角形状円筒形を室温まで空冷した。複数の据え込みおよび引き抜きプロセスにおいて、八角形状円筒形を１６００°Ｆ（８７１．１℃）の第１ワークピース鍛造温度まで加熱した。八角形状円筒形を、長さが２０〜３０％低減するまで据え込み鍛造し、次いで、４５°の増分だけ運転を回転させて、続いて八角形状円筒形が開始断面寸法に達するまで引き抜き鍛造することを含む複数の引き抜き鍛造を行った。第１ワークピース鍛造温度における据え込み鍛造および複数回の引き抜き鍛造を３回繰り返し、ワークピースを必要に応じて再加熱して、ワークピース温度をワークピース鍛造温度に戻した。ワークピースを１５００°Ｆ（８１５．６°Ｆ）の第２ワークピース鍛造温度まで冷却した。第１ワークピース鍛造温度で用いた複数の据え込みおよび引き抜き鍛造手順を第２ワークピース鍛造温度において繰り返した。この実施例９におけるステップのシーケンスに関する概略的な熱機械的な温度−時間チャートを図１７に提示する。

【0101】

ワークピースを、従来の鍛造パラメータを用いてα＋β相領域における温度で複数回引き抜き鍛造し、据え込みに関しては半分縮小した。ワークピースを、長さが２０％低減するまで、従来の鍛造パラメータを用いてα＋β相領域における温度で複数回引き抜き鍛造した。最後のステップにおいて、ワークピースを、３６インチの長さを有する直径５インチの円形の円筒形にまで引き抜き鍛造した。

【0102】

実施例１０
実施例９の非限定的な実施形態によって処理したサンプルの断面の超接写写真を図１８に提示する。均一な粒径がビレット全体にわたって存在することが分かる。実施例９の非限定的な実施形態によって処理したサンプルの顕微鏡写真を図１９に提示する。該顕微鏡写真は、粒径が極微細粒径範囲にあることを実証している。

【0103】

実施例１１
有効要素モデリングを用いて、実施例９において調製したサンプルの変形をシミュレートした。有限要素モデルを図２０に提示する。有限要素モデルにより、５インチの円形ビレットの大部分について、１０を超える比較的均一な有効ひずみが予測される。

【0104】

本明細書は、本発明の明確な理解に適切である本発明の態様を説明していることが理解されよう。当業者に明確であるため、本発明のより良好な理解の手助けとならないある一定の態様は、本明細書を簡潔にするために提示していない。本発明の実施形態を限定された数でのみ必然的に本明細書に記載しているが、当業者は、以上の明細書を考慮する際に、本発明の多くの変更および変形が使用され得ることを認識するだろう。本発明の全てのかかる変形および変更は、以上の明細書および以下の特許請求の範囲によってカバーされることが意図される。

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図2D】

【図2E】

【図2F】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】