金属材料的高温形成方法.pdf

一种形成金属制品的方法包括将金属制品的局部区域直接和/或间接感应加热至形成温度。所述金属制品可以包括选自钛合金、镍基合金和特殊钢（例如，不锈钢、高强度低合金钢、装甲钢合金等）的材料。所述形成温度可以在组成制品的金属材料的0.2至0.5的熔化温度的形成温度范围中。在局部区域中形成金属制品。公开了用于间接和直接感应加热金属制品的局部区域的器件。也公开了根据本发明教导的方法和/或器件处理的制品（包括金属制品）。

权利要求书一种形成金属制品的方法，所述方法包括：
将金属制品的局部区域感应加热至形成温度，其中所述形成温度在材料的0.20至0.50的熔化温度的形成温度范围中；以及
在所述局部区域中形成所述金属制品。
如权利要求1所述的方法，其中形成所述金属制品包括弯曲、拉制、冲孔、冲压和滚轧形成中的至少一个步骤。
如权利要求1所述的方法，其中所述金属制品包括选自钛合金、镍基合金、不锈钢合金、高强度低合金钢和装甲钢合金的材料。
如权利要求1所述的方法，其中所述金属制品选自钢锭、钢坯、初轧方坯、圆钢、方钢、压成品、管、管子、平板、薄片和板。
如权利要求1所述的方法，其中所述金属制品为板，所述局部区域包括线形区域，并且形成所述金属制品包括使所述金属制品在所述线形区域中弯曲。
如权利要求1所述的方法，其中所述金属制品包括钛合金。
如权利要求1所述的方法，其中所述金属制品包括选自由以下项组成的组的材料：ASTM等级5、6、12、19、20、21、23、24、25、29、32、35、36和38钛合金。
如权利要求1所述的方法，其中所述金属制品包括特殊钢。
如权利要求1所述的方法，其中所述金属制品包括选自以下项的材料：500BHN钢装甲、600BHN钢装甲、700BHN钢装甲、高强度低合金钢、RHA合金、HHA合金和UHH合金。
如权利要求1所述的方法，其中所述金属制品包括镍基合金。
如权利要求1所述的方法，其中金属制品具有至少0.125英寸(3.175mm)的厚度。
如权利要求1所述的方法，其中所述金属制品具有至少0.1875英寸(4.763mm)的厚度。
如权利要求1所述的方法，其中所述金属制品包括Ti‑4Al‑2.5V‑1.5Fe‑0.25O2钛合金(UNS54250)，并且所述形成温度范围是728°F至874°F（387°C至468°C）。
如权利要求1所述的方法，其中所述金属制品包括钛合金，并且所述形成温度范围是700°F至900°F。
如权利要求1所述的方法，其中感应加热所述局部区域包括用至少一个感应加热器将所述局部区域加热至所述形成温度范围中的温度。
如权利要求1所述的方法，其中在所述局部区域中形成所述金属制品包括将所述局部区域中的所述金属制品弯曲至至少2t的半径。
如权利要求1所述的方法，其中在所述局部区域中形成所述金属制品包括将所述局部区域中的所述金属制品弯曲至至少1t的半径。
如权利要求1所述的方法，其中在形成后，所述金属制品的所述局部区域没有线性显示和裂缝。
一种使金属板弯曲的方法，所述方法包括：
将金属板的线形区域感应加热至弯曲温度，其中所述弯曲温度在所述金属板的0.2至0.5的熔化温度的弯曲温度范围中；以及
使所述金属板在所述线形区域中弯曲。
如权利要求19所述的方法，其中所述金属板包括选自钛合金、镍基合金、不锈钢合金、高强度低合金钢和装甲钢合金的材料。
如权利要求19所述的方法，其中所述金属板包括钛合金。
如权利要求19所述的方法，其中所述金属板包括选自由以下项组成的组的材料：ASTM等级5、6、12、19、20、21、23、24、25、29、32、35、36和38钛合金。
如权利要求19所述的方法，其中所述金属板包括特殊钢。
如权利要求19所述的方法，其中所述金属板包括选自以下项的材料：400BHN钢装甲、500BHN钢装甲、600BHN钢装甲、700BHN钢装甲、高强度低合金钢、RHA合金、HHA合金和UHH合金。
如权利要求19所述的方法，其中所述金属板具有至少0.125英寸(3.175mm)的厚度。
如权利要求19所述的方法，其中所述金属板具有至少0.1875英寸(4.763mm)的厚度。
如权利要求19所述的方法，其中所述金属板包括Ti‑4Al‑2.5V‑1.5Fe‑0.25O2钛合金(UNS54250)，并且所述弯曲温度范围是728°F至874°F（387°C至468°C）。
如权利要求19所述的方法，其中所述金属板包括钛合金，并且所述弯曲温度范围是700°F至900°F。
如权利要求19所述的方法，其中感应加热所述线形区域包括用至少一个感应加热器将所述线形区域加热至所述弯曲温度范围中的温度。
如权利要求19所述的方法，其中使所述金属板在所述线形区域中弯曲包括将所述线形区域中的所述金属板弯曲至至少2t的半径。
如权利要求19所述的方法，其中使所述金属板在所述线形区域中弯曲包括将所述线形区域中的所述金属板弯曲至至少1t的半径。
如权利要求19所述的方法，其中在形成后，所述金属制品的所述局部区域没有线性显示和裂缝。
一种形成金属材料的方法，所述方法包括：
将金属制品放置在铁合金表面上，所述金属制品包括选自金属和金属合金的材料；
将与所述金属制品的局部区域接触的所述铁合金表面的局部区域感应加热至预定温度，并且由此将所述金属制品的所述局部区域导电加热至形成温度范围内的形成温度；以及
在所述金属制品的所述局部区域中形成所述金属制品。
如权利要求33所述的方法，其中所述金属制品包括选自钛合金、镍基合金、不锈钢合金、高强度低合金钢和装甲钢合金的材料。
如权利要求33所述的方法，其中所述形成温度范围是所述金属材料的0.2至0.5的熔化温度。
如权利要求33所述的方法，其中所述金属制品包括钛合金。
如权利要求33所述的方法，其中所述金属制品包括选自由以下项组成的组的材料：ASTM等级5、6、12、19、20、21、23、24、25、29、32、35、36和38钛合金。
如权利要求33所述的方法，其中所述金属制品包括镍基合金。
如权利要求33所述的方法，其中所述金属制品包括特殊钢。
如权利要求33所述的方法，其中所述金属制品包括选自以下项的材料：400BHN钢装甲、500BHN钢装甲、600BHN钢装甲、700BHN钢装甲、高强度低合金钢、RHA合金、HHA合金和UHH合金。
如权利要求33所述的方法，其中所述金属制品为板，所述局部区域包括线形区域，并且在所述局部区域中形成所述金属制品包括使所述板在所述线形区域中弯曲。
如权利要求33所述的方法，其中所述金属制品具有至少0.125英寸(3.175mm)的厚度。
如权利要求33所述的方法，其中所述金属制品具有至少0.1875英寸(4.763mm)的厚度。
如权利要求33所述的方法，其中所述金属制品包括Ti‑4Al‑2.5V‑1.5Fe‑0.25O2钛合金(UNS54250)，并且所述形成温度范围是728°F至874°F（387°C至468°C）。
如权利要求33所述的方法，其中所述金属制品包括钛合金，并且所述形成温度范围是700°F至900°F。
如权利要求33所述的方法，其中感应加热所述铁合金表面的所述局部区域包括用至少一个感应加热器加热所述铁合金表面的所述局部区域。
如权利要求33所述的方法，其中在所述局部区域中形成所述金属制品包括将所述局部区域中的所述金属制品弯曲至至少2t的半径。
如权利要求33所述的方法，其中在所述局部区域中形成所述金属制品包括将所述局部区域中的所述金属制品弯曲至至少1t的半径。
如权利要求33所述的方法，其中在形成后，所述局部区域没有线性显示和裂缝。
如权利要求33所述的方法，其中所述金属制品选自钢锭、钢坯、初轧方坯、圆钢、方钢、压成品、管、管子、平板、薄片和板。
一种使金属板弯曲的方法，所述方法包括：
将金属板放置在铁合金表面上，所述金属板包括选自金属和金属合金的材料；
将与所述金属板的线形区域接触的所述铁合金表面的线形区域感应加热至预定温度，并且由此将所述金属板的所述线形区域导电加热至弯曲温度范围内的弯曲温度；以及
使所述金属板在所述金属板的所述线形区域中弯曲。
如权利要求51所述的方法，其中所述弯曲温度范围是所述材料的0.2至0.5的熔化温度。
如权利要求51所述的方法，其中所述金属板包括选自钛合金、镍基合金、不锈钢合金、高强度低合金钢和装甲钢合金的材料。
如权利要求51所述的方法，其中所述金属板包括钛合金。
如权利要求51所述的方法，其中所述金属板包括选自由以下项组成的组的材料：ASTM等级5、6、12、19、20、21、23、24、25、29、32、35、36和38钛合金。
如权利要求51所述的方法，其中所述金属板包括镍基合金。
如权利要求51所述的方法，其中所述金属板包括特殊钢。
如权利要求51所述的方法，其中所述金属板包括选自以下项的材料：500BHN钢装甲、600BHN钢装甲、700BHN装甲、高强度低合金钢、RHA合金、HHA合金和UHH合金。
如权利要求51所述的方法，其中所述金属板具有至少0.125英寸(3.175mm)的厚度。
如权利要求51所述的方法，其中所述金属板具有至少0.1875英寸(4.763mm)的厚度。
如权利要求51所述的方法，其中所述金属板包括Ti‑4Al‑2.5V‑1.5Fe‑0.25O2钛合金(UNS R54250)，并且所述弯曲温度范围是728°F至874°F（387°C至468°C）。
如权利要求51所述的方法，其中所述金属板包括钛合金，并且所述弯曲温度范围为700°F至900°F。
如权利要求51所述的方法，其中感应加热所述铁合金表面的所述线形区域包括用至少一个感应加热器加热所述铁合金表面的所述线形区域。
如权利要求51所述的方法，其中使所述金属板在所述线形区域中弯曲包括将所述线形区域中的所述金属板弯曲至至少2t的弯曲半径。
如权利要求51所述的方法，其中使所述金属板沿着所述线形区域弯曲包括将所述线形区域中的所述金属板弯曲至至少1t的弯曲半径。
如权利要求51所述的方法，其中在弯曲后，所述线形区域没有线性显示和裂缝。
一种用于局部加热金属制品的器件，所述金属制品包括选自金属和金属合金的材料，所述器件包括：
包括铁合金表面的支撑；以及
至少一个感应加热器件；
其中所述至少一个感应加热器件被定位成和适合于感应加热所述铁合金表面的局部区域，以及
其中所述铁合金表面的所述感应加热的局部区域适合于将金属制品的局部区域加热至预定温度，所述金属制品包括选自位于所述铁合金表面上的金属和金属合金的材料。
如权利要求67所述的器件，其中所述支撑包括包括所述铁合金表面的铁合金片和包括所述铁合金表面的铁合金板中的至少一个。
如权利要求67所述的器件，其中所述铁合金表面包括钢合金表面。
如权利要求67所述的器件，其中所述铁合金表面包括选自碳钢、钢合金和不锈钢的一种或多种材料。
如权利要求67所述的器件，其中所述至少一个感应加热器件被调整以感应加热所述铁合金表面的预定局部区域。
如权利要求67所述的器件，其中所述至少一个感应加热器件被定位在所述铁合金表面的对面并且适合于感应加热所述铁合金表面的预定线形区域。
一种用于局部加热金属制品的器件，所述金属制品包括选自金属和金属合金的材料，所述器件包括：
包括支撑表面的支撑；以及
至少一个感应加热器件；
其中所述至少一个感应加热器件被定位成和适合于将位于所述支撑表面上的金属制品的局部区域感应加热至预定温度，
其中所述支撑和所述支撑表面包括不由所述至少一个感应加热器件加热的材料。
如权利要求73所述的器件，其中所述支撑和支撑表面包括耐火材料。
如权利要求73所述的器件，其中所述支撑和支撑表面包括氧化铝、氧化硅、铝硅酸盐、氧化镁、氧化锆、氧化钙、碳化硅、耐火粘土、耐火砖、菱镁矿、白云石矿、铬矿中的一种或多种。
如权利要求73所述的器件，其中所述至少一个感应线圈的频率被调整以加热组成所述金属制品的所述材料。
如权利要求76所述的器件，其中所述特定金属合金为钛合金，并且所述感应线圈的所述频率被调到1KHz。
一种用于使金属制品弯曲的系统，所述金属制品包括选自金属和金属合金的材料，所述系统包括：
加热器件，其包括：
包括铁合金表面的支撑，以及
至少一个感应加热器件；
其中所述至少一个感应加热器件被定位成和适合于感应加热所述铁合金表面的预定线形区域；以及
其中所述铁合金表面的所述感应加热的线形区域适合于将位于所述铁合金表面上的金属制品的线形区域导电加热至弯曲温度范围中的弯曲温度；以及
金属材料弯曲装置，其定位成接近所述铁合金表面并且适合于在所述线形区域冷却低于所述弯曲温度范围前，使所述金属制品在所述线形区域中弯曲。
一种使金属制品弯曲的系统，所述金属制品包括选自金属和金属合金的材料，所述系统包括：
加热器件，其包括：
包括支撑表面的支撑，以及
至少一个感应加热器件；
其中所述至少一个感应加热器件被定位成和适合于将位于所述支撑表面上的金属制品的局部区域感应加热至弯曲温度范围中的弯曲温度；以及
其中所述支撑和所述支撑表面包括不由所述至少一个感应加热器件加热的材料；以及
金属材料弯曲装置，其定位成接近所述支撑和所述支撑表面并且适合于在所述线形区域冷却低于所述弯曲温度范围前，使所述金属制品在所述线形区域中弯曲。
一种形成防弹装甲板，其包括：
钛合金、镍基合金和特殊钢合金、不锈钢合金、高强度低合金钢(HSLA)和装甲钢合金中的至少一种；以及
具有至少2t的弯曲半径的至少一个弯曲区域。
如权利要求80所述的形成防弹装甲板，其中所述形成防弹装甲板具有至少0.125英寸(3.175mm)的厚度。
如权利要求80所述的形成防弹装甲板，其中所述形成防弹装甲板具有至少0.1875英寸(4.763mm)的厚度。
如权利要求80所述的形成防弹装甲板，其中所述形成防弹装甲板为单片船体、V形船体、机腹爆炸防护车辆和外壳中的一个。
一种包括如权利要求80至83中任一项所述的形成防弹装甲板的制品。

说明书金属材料的高温形成方法
发明人：Njall Stefansson
        Andrew Nichols
        Michael Cleppe
技术背景
技术领域
本公开涉及使用局部直接或间接感应加热形成难以形成的金属材料（即，金属和金属合金）的方法。
发明背景
通常已知某些金属和金属合金，包括例如钛、钛合金、镍基合金和特殊钢（例如，不锈钢、高强度低合金钢(HSLA)、装甲钢合金等）难以形成。此类金属材料在本文统称为“难以形成的”金属材料。难以形成的金属材料一般随着其厚度、宽度和/或长度的增加而更难以形成。许多难以形成的金属材料在没有使用一组广泛和昂贵的处理步骤的情况下不能有效和高效地形成为所需的形状或部件。用难以形成的金属材料制造零件的常规技术可以包括：将多个部分焊接在一起；加工或拱起全断面以提供所需的形状；以及先进的形成技术，例如，终型浇铸、锻造、超塑形成等。许多常规零件制造技术由于金属特性退化而具有限制，故将这些技术排除在使用难以形成的金属材料之外。例如，热影响区可能由焊接造成，并且可能存在不容易检测的加工和铸造缺陷。难以形成的金属材料的常规形成通常涉及对于表面修复、平整度控制、尺寸稳定性、表面上的小修小补，以及所需的机械特性的调整/恢复的重要的后形成操作。
制造者已通过典型的开放火炬技术（例如，玫瑰花蕾火炬技术）使用难以形成的金属和金属合金的直接加热。然而，这些方法有成功的也有失败的，并且一般随着部件或零件的大小增加而不太成功。温度控制差和加热均匀性差是此类方法的常见的缺点。例如，用于加热α+β钛合金板的弯曲区域的开放火炬技术的使用可能由于温度控制差而产生不良相位变换，从而在板的表面产生β相，以致于增加浓度的α+β相微结构移动到板中心线。
使难以形成的金属材料弯曲的其它已知方法一般涉及在形成之前和/或期间进行高温加热。此类工序可能需要多个加热步骤以使能够形成零件。另外，高温形成通常需要后形成操作，例如，退火、表面修整、酸洗、尺度稳定处理和/或额外的返工。此外，取决于零件的大小和形成部件的尺寸，此类高温工作可能需要大型熔炉。从操作、调度和成本的角度看，物流、可行性和费用可能使此类处理变得不切实际。
已试图开发用于形成难以形成的金属材料的改进技术。例如，美国专利号6,071,360公开一种用于超塑性形成厚的钛合金板的方法。将板加热至超塑性温度，例如，1650°F(898.9°C)，并且使用压力机滑块发生形成。通过加工形成板实现零件的完成。'360专利陈述7.87英寸(20cm)的厚板可以被弯曲至约130°，其中5英寸(12.7cm)至6英寸(15.24cm)的内半径弯曲。在'360专利的实施方案中，2英寸(5.08cm)的厚板形成有在30×60英寸(76.2×152.4cm)的面积上超过12英寸(30.48cm)深度的复杂的曲率。'360专利中所述的方法的一个缺点是需要实现合金板的超塑性所需的高温和专用设备。
鉴于上述论述，需要用于弯曲和以其它方式形成难以形成的金属材料的改进方法。
发明概要
根据本公开的一个方面，一种形成金属制品的方法包括将金属制品的局部区域感应加热至形成温度。在非限制性实施方案中，形成温度在组成金属制品的材料的0.20至0.50的熔化温度的形成温度范围中。在感应加热局部区域后，在局部区域中形成金属制品。在非限制性实施方案中，形成金属制品包括弯曲、拉制、冲孔、冲压和滚轧形成金属制品中的至少一个步骤。在某些非限制性实施方案中，金属制品包括选自钛合金、镍基合金、不锈钢合金、高强度低合金钢和装甲钢合金的材料。
根据本公开的另一方面，一种使金属板弯曲的方法包括将金属板的线形区域感应加热至弯曲温度。在非限制性实施方案中，弯曲温度在组成金属板的金属材料的0.2至0.5的熔化温度的弯曲温度范围中。在感应加热金属板的线形区域后，使板沿着线形区域（即，在线形区域中）弯曲。在非限制性实施方案中，组成金属板的金属材料为选自钛合金、镍基合金、不锈钢合金、高强度低合金钢和装甲钢合金的材料。
根据本公开的另一方面，一种形成金属材料的方法包括将金属制品放置在铁合金表面上，金属制品包括选自金属和金属合金的材料。在与金属制品的局部区域接触的铁合金表面的局部区域中将铁合金表面感应加热至预定温度，并且由此将金属制品的局部区域导电加热至形成温度范围内的形成温度。在局部区域中形成金属制品。在非限制性实施方案中，金属制品包括选自钛合金、镍基合金、不锈钢合金、高强度低合金钢和装甲钢合金的金属材料。在另一非限制性实施方案中，形成温度范围是金属材料的0.2至0.5的熔化温度。
根据本公开的另一方面，一种使金属板弯曲的方法包括将金属板放置在铁合金表面上，金属板包括选自金属和金属合金的金属材料。将与板的线形区域接触的铁合金表面的线形区域感应加热至预定温度，并且由此将金属板的线形区域导电加热至弯曲温度范围内的弯曲温度。使金属板在金属板的线形区域中弯曲。在非限制性实施方案中，弯曲温度范围是金属材料的0.2至0.5的熔化温度。在其它非限制性实施方案中，金属板包括选自钛合金、镍基合金、不锈钢合金、高强度低合金钢和装甲钢合金的金属材料。
根据本公开的另一方面，一种间接局部加热包括选自金属和金属合金的材料的金属制品的器件包括包括铁合金表面的支撑，以及至少一个感应加热器件。至少一个感应加热器件被定位成和适合于感应加热铁合金表面的局部区域。铁合金表面的感应加热的局部区域适合于将位于铁合金表面上的金属制品的局部区域加热至预定温度。
根据本公开的另一方面，一种直接局部加热包括选自金属和金属合金的材料的金属制品的器件包括包括支撑表面的支撑。至少一个感应加热器件被定位成和适合于将位于支撑表面上的金属制品的局部区域感应加热至预定温度。支撑和支撑表面包括不由至少一个感应加热器件感应加热的材料。
本公开的额外的方面涉及一种用于使金属制品弯曲的系统，金属制品包括选自金属和金属合金的材料。系统包括包括铁合金表面的支撑，以及至少一个感应加热器件。至少一个感应加热器件被定位成和适合于感应加热铁合金表面的预定线形区域。铁合金表面的感应加热的线形区域适合于将位于铁合金表面上的金属制品的线形区域导电加热至弯曲温度范围中的弯曲温度。系统进一步包括金属材料弯曲装置，其定位成接近铁合金表面和适合于在线形区域冷却低于弯曲温度范围之前使金属制品沿着线形区域弯曲。
本公开的另一方面涉及一种形成防弹装甲板，其包括选自钛合金、镍基合金、不锈钢合金、高强度低合金钢和装甲钢合金的金属材料，并且其中板具有具至少2t的弯曲半径的至少一个弯曲区域。例如，可以提供形成防弹板作为单片船体、V形船体、机腹爆炸防护车辆或外壳。
本公开的另一方面涉及一种制品，包括根据本公开的形成防弹装甲板。例如，形成防弹板可以呈单片船体、V形船体、机腹爆炸防护车辆或外壳的形式。在某些实施方案中，形成防弹板可以包括钛合金、镍基合金、不锈钢合金、高强度低合金钢和装甲钢合金中的一种，并且可以包括具有至少2t的弯曲半径的至少一个弯曲区域。
附图简述
通过参看附图，可以更好地理解本文所述的某些非限制性实施方案的特征和优点，其中：
图1为根据本公开的用于形成包括难以形成的金属材料的制品的方法的非限制性实施方案的流程图；
图2为根据本公开的包括感应加热难以形成的金属材料的板或薄片的线形区域的方法的非限制性实施方案的示意图；
图3为根据本公开的用于弯曲或以其它方式形成难以形成的金属材料的板、薄片或其它制品的方法的非限制性实施方案的流程图；
图4为根据本公开的利用间接感应加热以间接地加热难以形成的金属板、薄片或其它制品的线形或其它局部区域来形成金属制品的方法的非限制性实施方案的示意图；
图5为器件的非限制性实施方案的示意图，器件包括包括铁合金表面的支撑和至少一个感应加热器。至少一个感应加热器被定位成和适合于以大体上均匀的方式感应加热铁合金表面的局部区域，以由此以大体上均匀的方式导电加热金属制品的局部区域；
图6为器件的非限制性实施方案的示意图，器件包括支撑和至少一个感应加热器。至少一个感应加热器被定位成和适合于以大体上均匀的方式感应加热位于支撑的表面上的金属制品的局部区域。支撑包括不由至少一个感应加热器感应加热的材料；
图7a和图7b描绘用于直接和间接感应加热金属制品的局部区域的器件的支撑的非限制性实施方案的示意图；
图8描绘用于形成金属制品的系统的非限制性实施方案，其中器件包括感应加热器件和形成装置，感应加热器件适合于加热金属制品的局部区域，形成装置位于感应加热器件附近以使能够在金属制品的局部区域的温度冷却低于形成温度范围之前形成金属制品；
图9为根据本公开的具有约2t的至少一个弯曲半径的形成防弹装甲板的非限制性实施方案的示意图；
图10为根据本公开的以加热台形式的加热器件的非限制性实施方案的照片；
图11为使用根据本公开的方法的非限制性实施方案，弯曲至1t至6t的增加半径的1英寸(2.54cm)厚的(Ti‑4Al‑2.5V‑1.5Fe‑0.25O2(UNS R54250))板样品的照片；以及
图12为被感应加热达900秒然后冷却达60秒的钛合金的局部区域内的温度随着与加热的局部区域的中心线的距离而变的曲线图。
在考虑根据本公开的某些非限制性实施方案的以下详细描述后，读者将了解上述细节以及其它内容。
具体实施方式
在非限制性实施方案的本描述中，除了在操作实例中或在另有指示的情况下，表达数量或特征的所有数字应在一切情况下被理解为由术语“大约”修饰。因此，除非被指示与此相反，否则以下描述中陈述的任何数值参数是可以根据人们企图借助于根据本公开的方法获得的所需特性而变化的近似值。至少，而不是试图将等同原则的应用限于权利要求书的范围，应至少根据报告的有效数字的数量和通过应用普通的舍入技术来解释每个数值参数。此外，本文提供的所有范围包括指示的边界或限制。例如，“0.2至0.5”的特定温度的温度范围包括0.2和0.5的特定温度的指示的边界。
整体或部分地被认为以引用方式并入本文的任何专利、公布或其它公开材料只在并入的材料不与本公开中陈述的现有的定义、陈述或其它公开材料冲突的范围内并入本文。因此，并且在必要的程度上，本文陈述的公开取代以引用方式并入本文的任何冲突的材料。被认为以引用方式并入本文，但是与本文陈述的现有的定义、陈述或其它公开材料冲突的任何材料或材料的部分只在并入的本文与现有的公开材料之间不出现冲突的范围内被并入。
需要用于弯曲和以其它方式形成难以形成的金属材料的改进方法。例如，本发明者得出的结论是提供一种形成难以形成的金属材料的方法将是有利的，这种方法不需要使用开放火炬、大型熔炉和相关联物流，或将材料加热至超塑性温度。本发明者相信，这种方法可以降低形成部件的成本、提高生产率，和/或减少目前用于形成许多难以形成的金属材料所需的热机械处理设备基础设施。本发明者也相信，这种方法将提供新的零件设计基础，即，用由于常规生产技术的限制而先前不用于此类零件的合金生产零件。
图1为示意地提供根据本公开的用于高温形成包括难以形成的金属材料的金属制品的方法的非限制性实施方案的流程图。本文所用的术语“难以形成的金属材料”指的是在形成温度下具有高强度和低延展性的金属和金属合金，以及在变形后即流软化的金属和金属合金。在非限制性实施方案中，难以形成的金属材料具有在形成温度下小于10%的抗拉强度和抗屈强度的差异。在另一非限制性实施方案中，例如，难以形成的金属材料为呈现高回弹（例如，与钛合金一样）的金属或金属合金。例如，本文所用的难以形成的金属材料包括钛合金、镍基合金和特殊钢（例如，不锈钢、高强度低合金钢(HSLA)和装甲钢合金）。此外，本文所用的“金属”指的是包括金属和/或金属合金的材料或制品。
尽管图1中公开的实施方案指的是特定的难以形成的金属材料，但是本文所述的实施方案也可以用于形成高纯金属、工业纯金属，和被认为或不被认为是难以形成的金属材料的其它金属合金。（此外，为了减少在本论述中的重复，在根据本公开的实施方案的随后论述中对“金属合金”的任何提及包括非合金基金属。）可以根据本文公开的实施方案处理的难以形成的高纯金属的一个非限制性实例是高纯锆。
参照图1，根据本公开的用于形成金属制品（即，包括难以形成的金属或金属合金制品的制品）的非限制性方法10包括将金属制品的局部区域感应加热至形成温度范围中的形成温度(12)。当局部区域处于所需的形成温度时，使制品弯曲或以其它方式在已被感应加热的局部区域中形成制品(14)。
在非限制性实施方案中，形成温度在组成金属制品的金属或金属合金的0.2至0.5的熔化温度(Tm)的形成温度范围中。在另一非限制性实施方案中，形成温度在组成金属制品的金属或金属合金的0.24至0.3的熔化温度的形成温度范围中。在另一非限制性实施方案中，形成温度范围在约0.2的熔化温度至小于组成金属制品的金属或金属合金的再结晶温度的温度。本文所用的“熔化温度”被定义为发生金属或金属合金的初熔所用的最低温度。本文所用的“再结晶温度”被定义为在长期加热期间，冷加工的金属或金属合金的扭曲的晶粒结构被新的无应变晶粒结构取代所用的最低温度。
本文所用的“钛合金”为包括钛作为主要元素的金属合金。本文所用的“镍基合金”为包括镍作为主要元素的金属合金。本文所用的“特殊钢”选自以下钢类：包括（但不限于）电炉钢、合金钢、不锈钢（包括铁素体、马氏体、奥氏体、超级奥氏体、双相和释出硬化不锈钢）、工具钢、马氏体时效钢、装甲钢合金、高强度低合金钢和耐磨钢。
再次参看图1，形成金属制品(14)可以包括（但不限于）选自弯曲、拉制、冲孔、冲压和滚轧形成的技术。在另一非限制性实施方案中，金属制品包括轧制成品。本文所用的“轧制成品”为被制成的使用或被进一步制造成成品的任何金属（即，金属或金属合金）制品。在根据本公开的非限制性实施方案中，轧制成品选自钢锭、钢坯、初轧方坯、圆钢、方钢、压成品、管、管子、平板、薄片和板。在根据本公开的另一非限制性实施方案中，金属制品包括金属板，被感应加热的金属板的局部区域包括线形区域，并且形成金属板(14)包括使金属板弯曲在金属板的线形区域中。
本文所用的“局部区域”为在形成步骤期间将塑性变形的金属制品的区域。“局部区域”也可以包括紧邻将塑性变形的金属制品的区域的一个或多个区域。例如，在根据本公开的某些非限制性实施方案中，局部区域可以延伸达到约0.5英寸(1.27cm)、约1英寸(2.54cm)、约2英寸(5.04cm)、约3英寸(7.62cm)、约4英寸(10.16cm)，或与将塑性变形的金属制品的区域的更大的距离。例如，可以设想，当在较厚的金属制品上实施这种方法时，除感应加热将塑性变形的区域之外，可能需要感应加热紧邻将塑性变形的区域的一个或多个区域，和/或需要更好地确保在形成步骤期间塑性变形的金属制品的区域处于形成温度。
在根据本公开的方法的非限制性实施方案中，感应加热的局部区域为线形区域。本文所用的“线形区域”为包括金属板或其它制品的预期的弯曲线（即，弯曲的中心线）的细长区域。线形区域也可以延伸与预期的弯曲线的距离。例如，线形区域可以延伸达到约0.5英寸(1.27cm)、约1英寸(2.54cm)、约2英寸(5.04cm)、约3英寸(7.62cm)、约4英寸(10.16cm)，或沿着预期的弯曲线的长度的所有或一个区域与预期的弯曲线的更大的距离。在某些实施方案中，定义线形区域的边界的与预期的弯曲线的距离随着使用本文的方法弯曲或以其它方式形成的板或其它制品的厚度的增加而增加。
在根据本公开的非限制性实施方案中，感应加热线形区域或其它局部区域涉及利用位于接近板或其它制品的局部区域的一个或多个感应加热线圈。图2为根据本公开的感应加热20难以形成的金属或金属合金的板24的线形区域22的方法的非限制性实施方案的示意图。在图2中，线形区域22以线22a为边界。在图2表示的非限制性实施方案中，线形区域22由位于接近板24的线形区域22的相对的表面28、29的两个感应线圈26感应加热。尽管图2描绘用于加热板24的线形区域22的两个感应线圈26，但是应理解一个感应线圈26或超过两个的感应线圈26可以用于加热板24的线形区域22。因此，例如，定位一个或多个感应线圈接近金属板或其它制品的线形区域或其它局部区域的一个或两个相对的表面以将制品的局部区域加热至形成温度是在本公开的范围内的。应理解，涉及数量和感应线圈相对于金属制品的局部区域的定位的上述论述适用于可以用于根据本公开的方法的局部区域的任何几何结构。
为了实现本文的目的，使用感应线圈的布置，例如，经定位直接与金属或金属合金制品（例如，板24）相邻的感应线圈26进行感应加热在本文被称为“直接”感应加热。在直接感应加热中，一个或多个感应线圈或其它感应加热器件包括金属制品的局部区域中的电流，并且由此使局部区域的温度增加。直接感应加热可以与“间接”感应加热截然不同，其中在金属物体的区域中产生电流，由此电流加热金属物体的区域，并且通过将热从感应加热的金属物体传导至金属制品，金属物体加热金属制品的局部区域。因此，在直接感应加热中，感应加热器件感应加热弯曲或以其它方式形成的金属或金属合金制品，而无需依靠感应加热插入的金属或金属合金物体。
感应加热为用于通过电磁感应加热导电物体（例如，金属或金属合金物体）的技术，其中高频交流电通过电磁铁和感应线圈。感应线圈位于接近金属物体，并且线圈内的电流产生物体内的涡电流。金属物体内的电阻引起焦耳加热物体。必须用于感应加热特定金属或金属合金物体的交流电的频率取决于物体大小、金属或金属合金的组合物、感应线圈与待加热物体之间的特定耦合，以及感应涡电流的穿透深度。在根据本公开的非限制性实施方案中，用于加热包括难以形成的金属材料的制品的线形区域或其它局部区域的感应加热器件使用被特别地调整以高效地和充分地加热金属制品的交流电频率。感应加热为本领域普通技术人员已知，并且用于实施技术的原理和方式的进一步阐述被认为在本公开中是不必要的。
在根据本公开的某些非限制性实施方案中，形成或弯曲温度在约0.2倍的难以形成的金属或金属合金的熔化温度(0.2Tm)至约0.5倍的难以形成的金属或金属合金的熔化温度(0.5Tm)的范围内。因此，假设利用相对较低的温度，根据本公开的非限制性实施方案的一个方面是实施方案可以被认为是“温形成”方法。本发明者意想不到和惊奇的是，可以在大体上低于材料的熔化温度的温度下弯曲或以其它方式形成难以形成的金属材料（例如但不限于钛合金、镍基合金和特殊钢），而在形成期间不压裂材料，并且其中在形成后，塑性变形区域完全或大体上没有产生于弯曲或其它形成步骤的表面缺陷，例如，以宏观表面和微观表面裂缝的形式的线性显示。
在根据本公开的非限制性实施方案中，其中在钛合金制品上执行方法，形成或弯曲温度范围可以在750°F(398.9°C)至850°F(454.4°C)的形成或弯曲温度范围中，或在800°F(426.7°C)至850°F(454.4°C)的形成或弯曲温度范围中。根据一个非限制性实施方案，钛合金制品的形成或弯曲温度为约800°F(426.7°C)，而在另一非限制性实施方案中，钛合金制品的形成或弯曲温度为约850°F(454.4°C)。根据某些非限制性实施方案，当被弯曲或以其它方式塑性变形的金属制品包括或包括Ti‑4Al‑2.5V‑1.5Fe‑0.25O2合金(UNS R54250)时，形成或弯曲温度范围可以是728°F至874°F（387°C至468°C）。在根据本公开的其它非限制性实施方案中，其中金属制品包括或包括钛合金，形成或弯曲温度范围可以是低于钛合金的β转变温度(Τβ)约1000°F(555.6°C)至低于钛合金的β转变温度约700°F(388.9°C)，即，在Tβ‑1000°F至Τβ‑700°F（Tβ‑555.6°C至Τβ‑388.9°C）的温度范围中。
用于形成钛合金的大多数常规工序使用大于1000°F(537.8°C)的温度。在这些“热形成”温度下，钛合金的表面可以氧化，从而形成α层。α层为在将钛和其合金暴露于加热空气或氧气时产生的富氧相。因为α层易碎并且倾向于在合金中引起疲劳裂缝，所以通常在后续处理步骤中移除α层。在本文公开的形成方法的各种非限制性实施方案中使用的形成温度下，很少或没有α层形成。
另外，在高于约1000°F(537.8°C)下，钛合金的机械特性可以改变。例如，装甲应用的钛合金所需的防弹特性（例如，高韧性）可能对在热形成温度下热机械处理钛合金不起作用。在这种情况下，可能需要在热形成之后热处理以恢复在合金中所需的机械特性。对于一些难以形成的金属材料，也许不可能使用后形成热处理恢复所需的机械特性。本发明者观察到，使钛合金和其它金属合金遭受在本文公开的非限制性实施方案中使用的相对较低的形成温度不显著影响合金的重要机械特性。作为建议，特别重要的机械特性可以是防弹装甲和/或其它应用所需的那些特性。
在根据本公开的弯曲或以其它方式形成钛合金的方法的某些非限制性实施方案中，在弯曲或形成温度降低时，形成或弯曲以使半径变紧的能力和方法的重现性减少。例如，在弯曲或形成温度降低时，出现弯曲或以其它方式形成的板或其它制品的“弹回”的更高发生率。如本领域中已知，例如，在使板弯曲后出现弹回，弯曲的板回到比使板弯曲更大的弯曲半径。此外，在使用的弯曲温度降低时，在弯曲线中将出现微裂缝的风险增加。因此，在根据本公开的用于弯曲或以其它方式形成钛合金制品的方法的非限制性实施方案中，弯曲或其它形成温度的下限是约750°F(398.9°C)。在根据本公开的用于弯曲或以其它方式形成钛合金制品的方法的另一非限制性实施方案中，弯曲或其它形成温度的下限是约700°F(371.1°C)。在根据本公开的用于弯曲或以其它方式形成钛合金制品的方法的另一非限制性实施方案中，弯曲或其它形成温度的下限是约700°F(371.1°C)至约900°F(482.2°C)的形成温度范围中。一般来说，在根据本公开的用于弯曲和以其它方式形成包括难以形成的金属材料的金属和金属合金的方法的各种非限制性实施方案中，难以形成的金属材料是例如（但不限于）钛合金、镍基合金和特殊钢（例如，不锈钢、高强度低合金钢(HSLA)、装甲钢合金等），形成温度范围的下限是约0.2Tm。此外，在根据本公开的用于弯曲和以其它方式形成包括难以形成的金属材料的金属和金属合金的方法的各种非限制性实施方案中，难以形成的金属材料是例如（但不限于）钛合金、镍基合金和特殊钢（例如，不锈钢、高强度低合金钢(HSLA)、装甲钢合金等），形成温度范围是约0.2Tm至约0.5Tm。
在用于形成或弯曲难以形成的金属材料的“温形成”方法的开发期间，本发明者观察到，可以将整个板在熔炉中加热至本文公开的弯曲温度，并且在板冷却超出弯曲温度范围之前，在将板从熔炉转移到压弯机时使板成功地弯曲。然而，能够加热整个板的熔炉必须相对较大，并且将整个板加热至均匀温度可能花费大量的时间，从而减少产量和使从熔炉到形成设备的处理复杂化。
在根据本公开的实施方案中，可以相对较快地完成金属制品的线形或其它局部区域的局部感应加热。在某些非限制性实施方案中，可以例如在5至10秒、不超过1分钟、不超过2分钟、不超过20分钟、不超过30分钟或不超过60分钟内完成感应加热线形或其它局部区域。在某些非限制性实施方案中可能的其它感应加热时间可以是约3分钟至约20分钟。可以延长加热时间以更好地确保“冷点”不出现在加热的线形区域或其它局部区域中。本文所用的“冷点”为在比所需的弯曲或其它形成温度更凉并且在弯曲或其它形成温度范围之外的线形或其它局部区域内的区域。更厚的金属板和其它更厚的金属制品可能需要更长的加热时间来达到所需的形成温度。然而，在根据本公开的某些非限制性实施方案中，如果一个或多个感应线圈被适当地调整以与将塑性变形的金属或金属合金制品耦合并加热金属或金属合金制品，并且使感应线圈相对于板或其它制品的线形或其它局部区域适当地定位，那么可以在30秒或更短的时间内将局部区域加热至所需的形成温度，而不出现冷点。在非限制性实施方案中，可以在10分钟内将1英寸厚18英寸×120英寸钛合金板的线形区域直接感应加热至约850°F(454.4°C)的均匀弯曲温度，而不出现冷点。
再次参看图1，在感应加热难以形成的金属板或其它制品后，将制品转移到形成装置。在图2中所示的非限制性实施方案中，例如，感应线圈26将板24的线形区域22迅速地感应加热至弯曲温度范围内的弯曲温度，然后，使板24在形成装置（未示出）上弯曲至所需的弯曲半径。在根据本公开的非限制性实施方案中，在压弯机或其它形成装置上完成弯曲或形成。形成装置可以位于接近感应加热器件以更好地确保在局部区域的温度冷却至低于形成温度范围的温度之前，可以弯曲或以其它方式形成金属板或其它制品的感应加热的线形或其它局部区域。
尽管在图2中示意地所示的非限制性实施方案涉及在将板24加热至弯曲温度后使板24弯曲，但是将认识到用于塑性变形加热制品的其它形成工序在本文公开的实施方案的范围内。例如，此类其它形成工序包括（但不限于）拉制、冲孔、冲压、滚轧形成和类似的形成工序。此外，尽管本文所述的某些实施方案涉及感应加热线形或其它局部区域和使加热制品弯曲，但是应理解本发明不限于此类布置。例如，根据本公开的涉及冲压或压印工序的非限制性实施方案可以涉及直接和/或间接感应加热将在冲压或压印操作中塑性变形的金属制品的局部区域。涵盖在本公开内的金属制品的局部区域的感应加热的其它配置可以特定于其它形成工序，并且考虑本公开的本领域普通技术人员可以使本文的方法适合于此类应用，而无需过度的实验。
根据本公开的可以使用温形成的某些非限制性实施方案形成的钛合金包括（但不限于）近α型钛合金、α+β钛合金和β型钛合金（例如，包括近β型钛合金和亚稳β型钛合金）。在某些非限制实施方案中，可以使用根据本公开的温形成方法弯曲或以其它方式形成的钛合金包括（但不限于）ASTM等级5、6、12、19、20、21、23、24、25、29、32、35、36和38钛合金。在某些非限制性实施方案中，根据本文的温形成方法的实施方案，感应加热等级38钛合金(UNS R54250)的制品的局部区域，并且使制品弯曲或以其它方式在局部区域中形成制品。在另一非限制性实施方案中，根据本文公开的实施方案，感应加热等级5钛合金(UNS R56400)（也被称为Ti‑6‑4合金和Ti‑6Al‑4V合金）的制品的局部区域，并且使制品温弯曲或以其它方式在局部区域中温形成制品。在另一非限制性实施方案中，根据本文公开的实施方案，感应加热等级35钛合金(UNS R56340)的局部区域，并且使钛合金温弯曲或以其它方式在局部区域中温形成钛合金，等级35钛合金以基于总合金重量的重量百分比为单位，名义上包括4.5%铝、2%钼、1.6%钒、0.5%铁、0.3%硅以及平衡钛和附带的杂质。
根据本公开的非限制性方面，根据本公开的温形成方法包括将由高硬特殊钢组成的金属制品的线形区域或其它局部区域感应加热至形成温度，以及通过塑性变形线形或其它局部区域弯曲或以其它方式形成高硬特殊钢制品。根据本公开的非限制性实施方案，根据本文的方法处理为高硬特殊钢装甲的高硬特殊钢。根据某些非限制性实施方案，由本文的方法处理的高硬特殊钢选自由以下项组成的组：400BHN钢装甲、500BHN钢装甲合金、600BHN钢装甲合金、700BHN钢装甲和高强度低合金钢。
一般可以根据硬度分类或识别装甲钢合金如下：根据MIL‑A‑12560H具有212‑388BHN（布氏硬度数）的硬度范围的轧制均质装甲(“RHA”)合金；根据MIL‑DTL‑46100E具有477‑535BHN的硬度范围的高硬装甲(“HHA”)合金；以及根据MIL‑DTL‑32332具有570BHN的最低硬度的超高硬装甲(“UHH”)合金。根据某些非限制性实施方案，由本文的方法处理的装甲钢合金包括（但不限于）RHA、HHA和UHH合金。
在非限制性实施方案中，根据本文公开的实施方案，感应加热包括RHA合金、HHA合金和UHH合金中的一个的装甲钢合金的板或其它制品的局部区域，并且使板或其它制品温弯曲或以其它方式局部区域中形成板或其它制品。在另一非限制性实施方案中，根据本文公开的实施方案，感应加热500BHN钢装甲合金的板或其它制品的局部区域，并且使板或其它制品温弯曲或以其它方式在局部区域中形成板或其它制品。可以根据本公开处理的500BHN钢装甲合金的一个非限制性实例为可商购自ATI Defense，华盛顿，宾夕法尼亚州（PA），阿勒格尼技术公司的市场部门团队的高硬特殊钢装甲合金。在另一非限制性实施方案中，根据本文公开的实施方案，感应加热600BHN钢装甲合金的板或其它制品的局部区域，并且使板或其它制品温弯曲或以其它方式在局部区域中形成板或其它制品。可以根据本公开处理的600BHN钢装甲合金的非限制性实例为可商购自ATI Defense的ATI高硬特殊钢装甲。
应认识到，随着制品的厚度增加，金属和金属合金制品的弯曲或其它形成变得日益困难。如上所述，本发明者惊奇地发现，可以在局部区域中将难以形成的金属材料的板感应加热至相对较低的形成温度，并且弯曲或以其它方式形成板，而不导致弯曲表面缺陷（例如，微裂缝）的形成。在非限制性实施方案中，由本文的方法处理的金属或金属合金板或其它制品为至少0.125英寸(3.175mm)厚。在另一非限制性实施方案中，使用本文的方法处理的金属或金属合金板或其它制品为至少0.1875英寸(4.763mm)厚。能够根据本文公开的非限制性实施方案弯曲或以其它方式形成的板或其它制品的厚度多达约2英寸(5.08cm)，或在一些情况下，多达约1英寸(2.54cm)，其中在这种方法中厚度是在将塑性变形的区域中。根据本公开的用于弯曲或以其它方式形成钛合金板的方法的非限制性实施方案，具有1000吨至1500吨（8.896MN至13.34MN）的容量的压弯机或其它形成设备足以使1.5英寸(3.81cm)的厚板弯曲。相信，可以根据本文的温形成方法的实施方案弯曲或以其它方式形成的板的厚度只受使用的压弯机或其它形成设备的容量限制。应认识到，金属和金属合金片（即，具有小于0.1875英寸(4.763mm)的厚度的产品）的弯曲或其它形成也在本文公开的实施方案的范围内。
因为用于本文的方法中的形成温度（例如，在0.2Tm至0.5Tm的温度范围中的形成温度）相对较低，所以感应加热的金属或金属合金制品的线形或其它局部区域的某些机械特性在弯曲或其它形成步骤后不大体上改变。如本文所用，如果特性从原值不改变或改变不大于10%，或在一些情况下不大于5%，那么机械特性不“大体上改变”。
本发明者特别惊奇的是，根据本公开的某些非限制性实施方案，可以将难以形成的金属材料，例如（但不限于）钛合金、镍基合金和特殊钢（例如，不锈钢、高强度低合金钢(HSLA)、装甲钢合金等）局部感应加热至相对较低的温度并且弯曲至紧密的半径。例如，根据本文的包括感应加热金属制品的线形区域和使金属制品弯曲的非限制性实施方案，其中金属制品选自钛合金板、镍基合金板和特殊钢板，将形状弯曲至至少6t的弯曲半径。本文所用的“弯曲半径”为测量内曲率的半径，可以使板或其它金属制品弯曲至这个内曲率而不破裂、形成表面裂缝，或显著降级弯曲区域中的金属制品的机械特性。相对于板或其它制品的厚度“t”给出弯曲半径的值。例如，弯曲至半径1t的板包括具有在弯曲曲率的内部测量的半径的弯曲，这个半径等于板的厚度。在包括感应加热金属制品的线形区域和使金属制品弯曲的其它非限制性实施方案中，其中金属制品选自钛合金板、镍基合金板和特殊钢板，使制品弯曲至至少4t，或至少2t的半径。在包括感应加热金属制品的线形区域和使金属制品弯曲的另一非限制性实施方案中，其中金属制品选自钛合金板、镍基合金板和特殊钢板，使制品弯曲至至少1t的半径。
本公开的非限制性方面使用间接感应加热以加热金属板或其它制品的线形或其它局部区域，以及使用形成步骤以温形成金属制品。图3为根据本公开的用于弯曲或以其它方式形成例如难以形成的金属材料的板或其它制品的方法30的非限制性实施方案的流程图，难以形成的金属材料例如是钛合金、镍基合金或特殊钢（例如，不锈钢、高强度低合金钢(HSLA)、装甲钢等）。图4为用于根据本公开的非限制性实施方案的材料和设备的布置40的示意图，其中间接感应加热用于间接地加热金属板或其它制品的线形或其它局部区域以温形成金属制品。
分别参看图3和图4的方法30和布置40，用于温形成金属制品的间接感应加热的非限制性实施方案包括将金属制品42放置在铁合金表面44上(32)。在非限制性实施方案中，金属制品42包括难以形成的金属材料。在将金属制品42放置在铁合金表面44上后，将与金属制品42的局部区域48（示意地以线48a为边界）接触的铁合金表面44的局部区域46感应加热至预定温度(34)。感应加热铁合金表面44可以将金属制品42的局部区域48导电加热至形成温度范围内的形成温度。
在非限制性实施方案中，加热铁合金表面44的局部区域46达到的预定温度为金属制品42的形成温度。在另一非限制性实施方案中，加热铁合金表面44的局部区域46达到的预定温度为金属制品42的形成温度范围中的形成温度。在另一非限制性实施方案中，加热铁合金表面44的局部区域46达到的预定温度高于金属制品42的形成温度。然而，优选地，导电加热金属制品42的局部区域48达到的温度不超过金属制品42的形成温度范围的上限。
如图4中进一步所示，在布置40中，感应加热铁合金表面44的局部区域46可以利用位于被感应加热的铁合金表面44的局部区域46的对面52上的一个或多个感应线圈50。尽管图4描绘一个感应线圈50加热铁合金表面44的局部区域46的布置，但是应理解超过一个的感应线圈可以用于加热铁合金表面44的局部区域46。也应理解，如图4的非限制性实施方案中所示，涉及感应线圈的可能数量和感应线圈用于加热局部区域的位置的以上论述同样适用于在本公开的范围内的可以用于各种类型的温形成操作的其它局部区域几何结构。
在根据本公开的利用间接感应加热的非限制性实施方案中，当金属制品42的局部区域48由铁合金表面44的局部区域46导电加热至形成温度范围中的形成温度时，然后通过在金属制品42的局部区域48中塑性变形金属制品42，弯曲或以其它方式形成金属制品42(14)。
在根据本公开的非限制性实施方案中，本文公开的间接感应加热方法可以用于弯曲和以其它方式形成包括难以形成的金属材料的金属制品，难以形成的金属材料例如（但不限于）钛合金、镍基合金和特殊钢（例如，不锈钢、高强度低合金钢(HSLA)、装甲钢等）。此外，在根据本公开的非限制性实施方案中，本文公开的间接感应加热方法将金属制品的局部区域加热至形成温度，所述形成温度在组成金属制品的金属或金属合金的0.2至0.5的熔化温度的形成温度范围中。在根据本公开的另一非限制性实施方案中，本文公开的间接感应加热方法将金属制品的局部区域加热至形成温度，所述形成温度在组成金属制品的金属或金属合金的0.24至0.30的熔化温度的形成温度范围中。
在本文公开的方法的某些非限制性实施方案中，并且特别参照图3和图4，形成36包括工序，例如（但不限于）弯曲、拉制、冲孔、冲压和滚轧形成。在另一非限制性实施方案中，金属制品42包括或包括轧制成品，例如，钢锭、钢坯、初轧方坯、圆钢、方钢、压成品、管、管子、平板、薄片和板。在另一非限制性实施方案中，金属制品42为金属合金板，金属合金板的局部区域为线形区域，并且形成36包括使金属合金板在金属合金板的线形区域中弯曲。
再次参看图4，在非限制性实施方案中，金属制品42的局部区域48包括紧邻将在形成步骤36期间塑性变形的金属材料的金属材料的区域。在非限制性实施方案中，局部区域48包括延伸达到约0.5英寸(1.27cm)、约1英寸(2.54cm)、约2英寸(5.04cm)、约3英寸(7.62cm)、约4英寸(10.16cm)，或与将在形成步骤36期间塑性变形的制品42的金属材料相距更大距离的金属材料的区域。可以设想，为了形成较厚的产品形式，局部区域的面积可以增加以确保在形成期间经历塑性变形的金属材料的区域处于所需的弯曲温度或其它形成温度。
在根据本公开的涉及间接感应加热的非限制性实施方案中，金属制品42的局部区域48为线形区域。在利用间接感应加热的某些非限制性实施方案中，线形区域为包括和围绕将弯曲的板或其它金属制品的弯曲线的区域，并且线形区域可以延伸达到约0.5英寸(1.27cm)、约1英寸(2.54cm)、约2英寸(5.04cm)、约3英寸(7.62cm)、约4英寸(10.16cm)，或沿着弯曲线的全部或部分在弯曲线的一侧或两侧的更大的距离。可以设想，为了使较厚的板弯曲，线形区域的面积也可以增加。
在利用用于温形成金属制品42的间接感应加热的非限制性实施方案中，金属制品42包括钛合金。在某些非限制性实施方案中，钛合金选自ASTM等级5、6、12、19、20、21、23、24、25、29、32、35、36和38钛合金。
在利用用于温形成金属制品42的间接感应加热的另一非限制性实施方案中，金属制品包括高硬特殊钢。在非限制性实施方案中，金属制品42包括选自400BHN钢装甲合金、500BHN钢装甲合金、600BHN钢装甲合金、700BHN钢装甲合金、高强度低合金钢、RHA合金、HHA合金和UHH合金的材料。
特别参照图4，根据本公开的非限制性方面包括使用间接感应加热以使在板42的配置中的金属制品弯曲。在非限制性实施方案中，板的局部区域48包括线形区域，并且形成板(36)包括使板在线形区域中弯曲。
在非限制性实施方案中，金属制品42具有至少0.125英寸(3.175mm)的厚度。在其它非限制性实施方案中，金属制品42具有至少0.1875英寸(4.763mm)的厚度。
在非限制性实施方案中，当组成板42的金属材料为Ti‑4Al‑2.5V‑1.5Fe‑0.25O2钛合金(UNS54250)时，形成温度范围为728°F至874°F（387°C至468°C）。在另一非限制性实施方案中，当金属材料为钛合金时，形成温度范围为700°F至900°F。
在非限制性实施方案中，金属制品42的局部区域48可以在形成36后具有至少1t的弯曲半径。在其它非限制性实施方案中，金属制品42的局部区域48可以在形成36后具有至少6t、至少4t或至少2t的弯曲半径。
在某些非限制性实施方案中，金属制品为轧制成品。在另一非限制性实施方案中，金属制品42为钢锭、钢坯、初轧方坯、圆钢、方钢、压成品、管、管子、平板、薄片和板中的一个。
本公开的非限制性方面涉及一种用于使用局部间接感应加热使金属板弯曲的方法。因为金属板为金属制品的一个实施方案，所以再次参考图3和图4。用于使金属板42弯曲的方法30和布置40包括：将包括选自金属和金属合金的材料的金属板42放置在铁合金表面44上(32)；将与金属板42的线形区域48接触的铁合金表面44的线形表面区域46感应加热至预定温度（34）并且由此将板42的线形区域48导电加热至弯曲温度范围内的弯曲温度；以及使板42在线形区域48中弯曲（36）。
弯曲为形成的一个实施方案。因此，应理解，可用于温形成金属制品的局部间接感应加热的本文所述的所有条件同样适用于温弯曲金属板的局部间接感应加热的非限制性实施方案。另外，金属板可以包括本文在各种非限制性实施方案和其它实施方案中特别公开的任何金属材料，并且板可以由本文所述的局部间接感应加热的各种非限制性实施方案处理。
在非限制性实施方案中，金属板42具有至少0.125英寸(3.175mm)的厚度。在另一非限制性实施方案中，金属板具有至少0.1875英寸(4.763mm)的厚度。
本公开的一个非限制性方面涉及一种用于局部间接感应加热制品的器件，制品包括选自金属和金属合金的金属材料。现在参看图5，在非限制性实施方案中，器件60包括包括铁合金表面64的支撑62，和至少一个感应加热器件66。至少一个感应加热器件66被定位成和适合于感应加热铁合金表面的局部区域67（以线67a为边界）。尽管图5描绘用于加热铁合金表面64的局部区域67的一个感应加热器件66，但是应理解超过一个的感应加热器件66可以用于加热铁合金表面64的局部区域67。此外，尽管图5描绘用于感应加热具有大体上线形配置的局部区域67的器件，但是应理解本公开的范围也包括改变感应线圈的数量、形状和/或位置，感应线圈用于感应加热具有其它几何形状和/或定位并且可以用于各种类型的形成操作的局部区域。在非限制性实施方案中，铁合金表面的感应加热的局部区域适合于将金属制品的局部区域导电加热至预定温度，金属制品包括选自位于铁合金表面上的金属和金属合金的材料。
在形成操作中，例如在使金属板或其它金属制品弯曲的操作中，例如，至少一个感应加热器件66被通电以将铁合金表面64的局部区域67感应加热至预定温度。在非限制性实施方案中，预定温度为将弯曲的金属或金属合金板或其它制品的弯曲温度。与铁合金表面64接触地放置将弯曲的金属或金属合金制品（未示出）。将与铁合金板的感应加热的局部区域67接触的金属或金属合金板的局部区域导电加热至预定温度，在非限制性实施方案中，预定温度为在使金属或金属合金板弯曲时金属或金属合金板处于的温度。
在非限制性实施方案中，铁合金表面64和支撑62包括相同的铁合金。在另一非限制性实施方案中，铁合金表面64和支撑62为一体式的，并且铁合金表面62为支撑62的表面。在一个非限制性实施方案中，支撑62包括铁合金片和铁合金板中的至少一个。在某些非限制性实施方案中，铁合金表面包括选自碳钢、钢合金和不锈钢的材料。在其它非限制性实施方案中，铁合金表面64为支撑62的表面，并且表面64和支撑62由低碳钢、钢合金和铁素体不锈钢合金中的至少一个组成。
在根据本公开的非限制性实施方案中，感应加热器件66中的一个或多个包括一个或多个感应线圈。在另一非限制性实施方案中，将一个或多个感应加热器件66调到与铁合金表面的特定材料耦合的频率。例如，铁合金表面64可以由钢合金组成，并且调整感应线圈的交变磁场的频率以最优地加热钢合金。用于加热特定材料的感应线圈的调谐为本领域技术人员已知并且不需要在这里进一步加以详细说明。在另一非限制性实施方案中，至少一个感应加热器件位于铁合金表面64的对面并且适合于感应加热铁合金表面64的线形区域。
在某些非限制性实施方案中，器件60可以呈包括腿68的感应加热台的形式。另外，可选择地，器件可以在远离局部区域67的区域中包括隔热层69以在局部区域69内更好地容纳热和使水冷式感应线圈66隔热。
本公开的一个非限制性方面涉及一种用于直接感应加热金属板或其它金属制品的局部区域的器件。参看图6，在非限制性实施方案中，器件70包括包括支撑表面72的支撑71，和至少一个感应加热器件73。支撑71和支撑表面72用不由至少一个感应加热器件73感应加热的一种或多种材料建构。例如，支撑71和支撑表面72可以用不导电并且因此不可以使用感应加热的一种或多种材料建构。在非限制性实施方案中，支撑71和支撑表面72包括耐火材料。本文所用的术语“耐火材料”指的是具有允许材料承受高温（例如，大于1,000°F(538°C)的温度）的化学和物理特性的非金属材料。可以用于制造支撑71和支撑表面72的耐火材料包括（但不限于）氧化铝、氧化硅、铝硅酸盐、氧化镁、氧化锆、氧化钙、碳化硅、耐火粘土、耐火砖、菱镁矿、白云石矿、铬矿和上述混合物。在非限制性实施方案中，支撑71和支撑表面72包括相同的耐火材料。然而，应理解，支撑71和支撑表面72可以包括不同的耐火材料，或其它适合的材料。
至少一个感应加热器件73被定位成和适合于感应加热位于支撑71的支撑表面72上的金属制品75的局部区域74（以线74a为边界）。应理解，金属制品75不是器件70的元件，并且在图6中包括金属制品75以更好地说明器件70的功能。尽管图6描绘用于加热安置在支撑表面72上的金属制品75的局部区域74的一个感应加热器件73，但是应理解超过一个的感应加热器件73可以用于加热位于支撑表面72上的金属制品75的局部区域74。另外，尽管图6的非限制性实施方案描绘位于支撑71下方的感应线圈73，但是在另一非限制性实施方案中，至少一个感应线圈或其它感应加热器件73可以嵌入支撑中。此外，尽管图6描绘用于直接感应加热具有大体上线形配置的局部区域74的器件，但是应理解本公开的范围也包括改变感应线圈的数量、形状和/或位置，感应线圈用于直接感应加热具有其它几何形状和/或定位并且可以用于各种类型的形成操作的局部区域。
在形成操作中，例如在使金属板或其它金属制品弯曲的操作中，例如，器件70的至少一个感应加热器件73被通电以将金属制品75的局部区域74直接感应加热至预定温度。在金属制品75为金属板并且形成操作为弯曲操作的非限制性实施方案中，预定温度为在弯曲温度范围内的金属板75的弯曲温度。
在感应加热器件73为一个或多个水冷式感应线圈的某些非限制性实施方案中，器件70可以呈包括腿76的感应加热台的形式。另外，可选择地，器件可以包括隔热层77以在局部区域74内更好地容纳热和使水冷式感应线圈73隔热。
关于根据本公开的局部直接和间接感应加热的各种非限制性实施方案，应了解感应线圈相对于加热的局部区域的定位影响加热的局部区域中的温度分布。图7a和图7b为用于直接感应加热器件70和间接感应加热器件60以便加热金属制品的局部区域的支撑62、71的非限制性实施方案的示意图。支撑62、71包括包括表面64、72和相对的表面80。在器件60、70的非限制性实施方案中，至少一个感应线圈66、73可以位于接近相对的表面。图7a和图7b的非限制性实施方案描绘六个感应线圈66、73的部分，其中每个线圈66、73的末端连接到电磁铁电源。然而，也可以将图7a和图7b的描绘解释为表示包括一个感应线圈的非限制性实施方案，这个感应线圈位于接近相对的表面并且具有蜿蜒的形状，并且其中只有线圈66、73的最外面的部分连接到电磁铁电源。在那些图中未示出连接图7a和图7b中所示的线圈的部分的蜿蜒的感应线圈的弯曲部分。
在图7a和图7b中，至少一个感应线圈66、73与相对的表面的距离由箭头A表示。在非限制性实施方案中，距离A为约0.5英寸(1.27cm)。线圈或至少一个线圈66、73的部分之间的距离由箭头B表示。在非限制性实施方案中，距离B为约3英寸(7.62cm)。支撑62、71的厚度由箭头C表示。在非限制性实施方案中，距离C为约1英寸(2.54cm)。
在器件60、70的非限制性实施方案中，选择电磁铁电源的频率和功率以有效地加热间接感应加热器件60中的铁合金表面64的局部区域67，或直接感应加热器件70中的特定金属制品75的局部区域74。在用于加热钛和钛合金的直接感应加热器件的非限制性实施方案中，可以在150KW和1KHz下在约6KA下操作电磁铁电源。
现在参看图8，本公开的另一非限制性方面涉及一种用于弯曲或以其它方式形成包括选自金属和金属合金的材料的金属板或其它金属制品的系统。在非限制性实施方案中，系统包括加热器件60、70，如例如在本文的各种非限制性实施方案中所述；以及弯曲装置80或其它形成装置，其位于邻近或接近加热器件，并且适合于在线形或其它局部区域的温度冷却低于所需的温度范围之前，沿着线形或其它局部区域（即，在线形或其它局部区域中）弯曲或以其它方式形成金属制品。在非限制性实施方案中，加热器件60、70将线形或局部区域加热至弯曲温度或其它形成温度范围中的弯曲温度或其它形成温度。在非限制性实施方案中，弯曲或形成装置位于邻近加热器件和适合于在线形或其它局部区域的温度冷却低于弯曲或其它形成温度范围之前，沿着线形或其它局部区域（即，在线形或其它局部区域中）弯曲或以其它方式形成金属制品。
参看图9，本公开的另一方面涉及一种形成防弹装甲板90。在非限制性实施方案中，根据本公开的形成防弹装甲板90具有由箭头92a和箭头92b指定的厚度“t”，并且包括具有约2t的弯曲半径（由箭头96所示）的至少一个弯曲区域94。在根据本公开的非限制性实施方案中，防弹装甲板90具有至少0.125英寸(3.175mm)或至少0.1875英寸(4.763mm)的厚度“t”。尽管图9描绘具有具约2t的弯曲半径96的两个弯曲区域94的形成防弹装甲板90，但是根据本公开的形成防弹装甲板90的其它非限制性实施方案具有具至少1t、至少2t、至少4t或至少6t的弯曲半径96的至少一个弯曲区域94。在另一实施方案中，形成防弹装甲板包括钛合金、镍基合金和特殊钢（例如，不锈钢、高强度低合金钢(HSLA)、装甲钢等）中的一种。在根据本公开的另一非限制性实施方案中，防弹装甲板90的弯曲区域94没有表面缺陷、线性显示和裂缝。
本公开的另一方面涉及一种包括本公开的形成防弹装甲板90的实施方案的制品。根据某些非限制性实施方案，制品包括或包括以单片船体、V形船体、机腹爆炸防护车辆（用于防雷和其它引爆器件）和防爆外壳中的一个的形式的形成防弹装甲板90。
说明根据本公开的某些非限制性实施方案的几个实例如下。
实例1
以感应加热台的形式建构感应加热器件。在图10中提供加热台的照片。将具有0.5英寸(1.27cm)的厚度的钢合金板用作支撑和铁合金表面。将腿焊接至钢板以支撑板。铜感应线圈位于钢合金板的底面上并且适合于加热钢合金板的线形区域，由此加热钢合金板的铁合金表面。用射频（RF）功率变压器使用适合于加热铁合金（例如，钢合金板的钢合金）的频率通电感应线圈。感应加热器件可以用于导电加热包括难以形成的金属材料和其它金属材料的金属板和其它制品的局部区域。然后，可以弯曲或以其它方式形成导电加热的形状，例如，如结合本文的各种实施方案所述。
实例2
从ATI Wah Chang，Albany OR，阿勒格尼技术股份有限公司得到具有1英寸(2.54cm)的厚度的钛合金（Ti‑4Al‑2.5V‑1.5Fe‑0.25O2合金，UNS R54250）的板。通过常规轧制工艺热轧板并且在轧制退火条件下接收板。板被锯成12英寸×30英寸的样品。在实例1中所描述的感应加热台被配置成将铁合金表面的局部线形区域感应加热至800°F(428°C)的温度。将钛合金板样品相继定位在感应加热台上，以使得每个样品的预期的弯曲线定位在感应加热台的加热的局部区域上，并且由此导电加热每个样品的局部区域。更具体地说，通过与铁合金表面接触，将每个样品的线形区域（包括预期的弯曲线和紧邻区域）在约12分钟内导电加热至800°F(428°C)。在可能发生任何显著的冷却前，使样品沿着位于感应加热台附近的压弯机上的加热的弯曲线弯曲。将样品弯曲至1t至6t的增加半径。在图11的照片中示出弯曲样品。
检查弯曲样品以评估每个样品的弯曲区域的条件。在弯曲区域中观察不到表面缺陷、线性显示或裂缝。
实例3
从ATI Wah Chang得到在与实例2中使用的相同的轧制退火条件下，具有1英寸(2.54cm)的厚度的钛合金板。板的长度和宽度为100英寸(2.54m)×80英寸(2.032m)。板位于实例1中所述的感应加热台上，并且在约20分钟内将板的线形区域（包括预期的弯曲线和相邻区域）导电加热至800°F(426°C)。在板的加热的线形区域经历任何显著的冷却前将板转移到压弯机，并且使板沿着弯曲线弯曲至2t的半径。板被放回感应加热台上并且布置成将包括另一预期的弯曲线的不同的线形区域导电加热至850°F(454.4°C)。然后，将板转移到压弯机并且在发生线形区域的任何显著冷却前使板沿着弯曲线弯曲至2t的半径。重复这个工序直到在六个不同的位置将板弯曲至2t半径。在六个弯曲区域中观察不到表面缺陷或裂缝。
实例4
使用在实例3中一般描述的包括一个或多个弯曲的工序形成板。板可以包括例如Ti‑4Al‑2.5V‑1.5Fe‑0.25O2合金、另一钛合金或装甲合金，例如，500BHN钢装甲合金、600BHN钢装甲合金、700BHN钢装甲合金、高强度低合金钢、RHA合金、HHA合金或UHH合金。将形成板焊接至装甲或其它车辆的底盘。形成板充当车辆的机腹防弹装甲板。形成板的形状、定位和/或组合物适合于驱散由在车辆下面爆炸的引爆器件产生的爆炸能量。
实例5
使用本文公开并且在图6中所示的局部直接感应加热器件的非限制性实施方案，直接感应加热85英寸(215.9cm)长、1英寸(2.54cm)厚的钛合金板的局部区域。感应加热器件包括蜿蜒形的感应线圈，其具有在平面中隔开约3英寸(7.62cm)并且被定位成与耐火支撑相距约0.5英寸(1.27cm)的六个部分，如图7中所示。耐火支撑的厚度为约1英寸(2.54cm)。在150KW、1KHz和1A下通电感应线圈达900秒。然后，切断感应线圈的电源，并且允许用空气冷却板。在900秒的局部感应加热后和在60秒的空气冷却后，测量随着与加热区的中心线的距离而变的板的顶部和底部的温度。图12含有在加热后和在冷却达60秒后，板的顶部和底部的测量温度的曲线图。在900秒的感应加热后，在加热区的中心区域中板的顶部和底部的温度从约1200°F(648.9°C)变化到约900°F(482°C)，并且加热区在将弯曲的板区域的中心线的每侧延伸约11英寸(27.94cm)。在环境空气中冷却达约60秒后，加热区的中心区域中的温度在约900°F(482°C)至约1000°F(537.8°C)的范围中，所述范围在可以弯曲或以其它方式形成板所用的温度范围中。
应理解，本描述说明与本发明的清晰的理解有关的本发明的那些方面。未提供本领域普通技术人员将显见并且因此将不便于更好理解本发明的某些方面，以便简化本描述。尽管只在本文中必要地描述本发明的有限数量的实施方案，但是本领域普通技术人员在考虑以上描述后将认识到可以使用本发明的许多修改和变化。本发明的所有此类变化和修改意图由以上描述和以下权利要求书覆盖。