具体实施方式

包括附图的以下描述提供了本发明的各种示例。从本发明的描述中可以清楚地看出，本发明不限于这些图示的实施例，而是本发明还包括各种修改和其实施例。因此，本说明书应被视为说明性的而非限制性的。虽然本发明易于进行各种修改和替代性构造，但是应当理解的是，并不旨在将本发明限制于所公开的特定形式，而是相反，本发明将覆盖落入权利要求所限定的本发明的精神和范围内的所有修改、替代构造和等同物。

在先前描述的和相关的应用中，描述了各种方法和技术，其中所描述的技术和装置(称为ShAPE)被示出提供了许多显著的优点，包括通过横截面厚度控制微结构(诸如晶体织构)的能力，同时还提供了执行各种其他任务的能力。在本说明书中，我们提供了关于使用ShAPE技术形成具有非圆形中空轮廓的材料的信息，以及用于制造高熵合金的方法，这些高熵合金在各种应用(例如射弹)中是有用的。下面将更详细地讨论示例性应用。

现在首先参考图1a和图1b，提供了ShAPE装置和布置的示例。在例如图1中布置的布置中，在特定条件下将旋转模具10推入材料20中，由此模具面12和模具柱塞16的旋转力和剪切力结合，以在模具面12和材料20的界面处塑化材料20，并使塑化的材料在期望的方向上流动。(在其他实施例中，材料20可以旋转，并且模具10被轴向推入到材料20中，以便在材料面处提供这种力的组合)。在任一情况下，轴向力和旋转力的组合在与模具面12的界面处塑化材料20。塑化材料的流动然后可以被引导到另一位置，在该位置，预选长度的模具支承表面24有助于塑化材料重新组合成这样的布置，在该布置中可以进行微观水平上的新的和更好的晶粒尺寸和织构控制。然后，这转化为具有期望的特性的挤压产品22。这种工艺在宏观层面上实现了更好的强度和耐腐蚀性，以及更高和更好的性能。这种工艺消除了对附加的加热和固化的需要，并且使得该工艺能够在包括坯料、粉末或薄片的各种形式的材料的情况下起作用，而不需要大量的准备过程(诸如“钢罐装”)。这种布置还提供了用于执行其他步骤的方法，诸如包覆、对贯穿壁厚和其他特性的增强控制。

这种布置不同于现有技术的用于挤压的方法，并提供了优于现有技术的用于挤压的方法的多种优点。首先，在挤压过程中，力在开始时达到峰值，然后一旦挤压开始就下降。这称为突破性进展。在这个ShAPE过程中，突破性进展点处的温度非常低。例如，对于镁管，OD为2″、壁厚为75mil的ZK60管突破性进展处的温度小于＜150℃。这种较低的温度突破性进展被认为是所得到的挤压产品的优越构造和性能的部分原因。

另一特征是低挤压系数kf，该挤压系数描述了挤压阻力(即较低的kf意味着较低的挤压力/压力)。对于分别由ZK60-T5棒材和ZK60铸件制成的挤压件(2″OD、75mil壁厚)，Kf被计算为2.55MPa和2.43MPa。冲压力和kf与常规挤压镁相比非常低，其中kf在68.9至137.9MPa之间。由此，与常规挤压相比，ShAPE工艺实现了20至50分之一的kf(由此冲压力)。这不仅有助于所得到的材料的性能，还降低了制造所需的能耗。例如，在此工艺中，挤压ZK60-T5棒材和ZK60铸件(2″OD、750mil壁厚)所需的电功率为11.5kW。这比使用加热容器/坯料的常规方法低得多。

ShAPE工艺与摩擦搅拌反挤压(Friction Stir Back Extrusion，FSBE)显著不同。在FSBE，旋转心轴被冲压到所包含的坯料中，很像钻孔操作。涡旋凹槽推动材料向外，并且材料围绕心轴反向挤压以形成管，而不是被推动通过模具。结果，只有非常小的挤压比是可能的，管没有通过壁厚完全加工，挤压物不能从心轴推出，并且管长度受到心轴的长度的限制。相比之下，ShAPE利用模具面上的螺旋凹槽通过模具并围绕在与挤压物相同的方向上行进的心轴向内进送材料。由此，更大的外径和挤压比是可能的，材料通过壁厚均匀加工，挤压物可以像在常规挤压中那样自由推离心轴，并且挤压物长度仅受坯料的起始体积限制。

图1b中示出了使用ShAPE装置和心轴18的布置的示例。这种装置和相关联的工艺有潜力成为制备各种材料的低成本制造技术。如下文将更详细描述的那样，除了修改工艺的各种参数，诸如进给速率、热量、压力和旋转速率之外，工具的各种机械元件有助于实现各种期望的结果。例如，挤压模具12的面上的变化的涡旋图案14可以用于影响/控制所得到的材料的各种特征。这可以包括控制沿挤压件的长度的晶粒尺寸和晶体织构的以及挤压管材的穿壁厚度和其它特征。参数的改变可以用于有利地改变诸如延展性和强度的体材料特性，并允许针对特定的工程应用进行调整，包括改变抗挤压性、压力或弯曲性。

ShAPE工艺已被用于由各种材料形成各种结构，包括下表所述的布置。

表1

除了上述的圆盘、杆和管之外，本公开还提供了对使用由发明人称为入口桥接模头的特殊构造的涡旋部件的描述，该部件允许制造具有非圆形中空轮廓的ShAPE挤压件。这种构型允许使用特殊形成的入口桥接模具和相关工具制造具有非圆形和多区域中空轮廓的挤压件。

图2a至图2c示出了具有修改的涡旋面的入口桥接模具设计的各种视图，该修改的涡旋面对于ShAPE过程中的操作是独特的。图2a示出了入口桥接模具的顶部上的涡旋面的等距视图，并且图2b示出了心轴可见的入口桥接模具的底部的等距视图。

在本实施例中，模具10的面12上的凹槽13、15将塑化材料引导朝向孔口17。塑化材料然后通过孔口12，其中塑化材料被引导到类似于常规的入口桥接模具挤压的焊接腔室内的模具支承表面24。在这个说明性的示例中，在坯料和模具在旋转时被推动相互抵靠时，使用四个端口17将材料流分成四个不同的流。

在模具面上的外凹槽15朝向端口17向内进送材料时，模具面上的内凹槽13朝向端口17径向向外进送材料。在这个说明性示例中，对于总共四个向外流动的凹槽，一个凹槽13朝向每个端口17径向向外进送材料。模具表面12上的外凹槽15朝向端口17径向向内进送材料。在这个说明性的示例中，对于总共八个向内的进送凹槽15，两个凹槽朝向每个端口17径向向内进送材料。除了这两组凹槽之外，如图2c所示的模具的外周边上的周边凹槽19被定向为与模具旋转相反，以便提供背压，从而在挤压期间使容器和模具之间的材料溢料最小化。

图2b示出了入口桥接模具12的底部透视图。在这个视图中，模具示出了一系列完全穿透的端口17。在使用中，由上述向内引导的凹槽15和向外引导的凹槽13汇集的塑化材料流穿过这些穿透部分17，然后在焊接腔室21中重新结合，然后围绕心轴18流动，以产生期望的横截面。在旋转期间使用涡旋凹槽13、15、19向端口17进送——作为将原料(例如粉末、薄片、坯段等)的材料流分离成不同的流的手段——是我们所知的从未有过的。这种布置能够形成具有非圆形中空横截面的物品。

图3示出了在ShAPE加工期间使用入口桥接模具方法将镁合金ZK60分离成多个流。(在这种情况下，为了分离特征的效果和说明，材料被允许分离，而不是通过模具支承面以进行组合)。常规挤压不旋转，并且凹槽的增加会大大阻碍材料流动。但是当诸如在ShAPE或摩擦挤压中存在旋转时，涡旋不仅有助于流动，而且显著有助于入口桥接模具挤压件17起作用和随后形成非圆形中空轮廓挤压件。如果没有涡旋凹槽向入口进送，则通过入口桥接模具方法使用包括旋转的工艺(如ShAPE)进行挤压，对于制造具有这种构型的物品是无效的。现有技术的常规线性挤压工艺没有教导在挤压期间使用表面特征来将材料引导到入口17中。

在先前描述的和相关的应用中，描述了各种方法和技术，其中ShAPE技术和装置被示出提供了许多显著的优点，包括通过横截面厚度控制微结构(诸如晶体织构)的能力，同时还提供执行各种其他任务的能力。在本说明书中，我们提供了关于使用ShAPE技术形成具有非圆形中空轮廓的材料的信息，以及用于制造高熵合金的方法，这些高熵合金在各种应用(例如射弹)中是有用的。下面将更详细地讨论这两个示例性应用。

图4a示出了ShAPE工艺的示意图，该工艺利用旋转工具施加载荷/压力，并且同时旋转有助于施加扭转力/剪切力，以在工具和原料之间的界面处生成热量，从而有助于固结材料。在这个特定实施例中，ShAPE方案的布置被构造成以便将高熵合金(HEA)电弧熔化圆盘固结成致密圆盘。在这种布置中，旋转冲压工具由铬镍铁合金(lnconel alloy)制成，并且具有25.4mm的外径(outer diameter，OD)，并且冲压面上的涡旋深度为0.5mm，并且具有4mm的节距，总共2.25圈。在这种情况下，冲压表面结合有热电偶，以记录加工期间界面处的温度。(参见图4b)该方案使冲压件能够以从25至1500RPM的速度旋转。

在使用中，轴向力和旋转力两者被施加到感兴趣的材料上，从而导致该材料塑化。在挤压应用中，塑化材料然后在模具支承表面上流动，该模具支承表面的尺寸被确定为以允许以具有比传统挤压加工中可能的更优异的粒度分布和排列来重新组合塑化材料。如现有相关申请中所述，这个方法提供了常规现有技术挤压工艺单独无法实现的许多优点和特征。

高熵合金通常是由五种或更多的主元素以相等或接近相等的摩尔(或原子)比形成的固溶体合金。虽然这种布置可以提供各种优点，但是它特别是在成形方面也提供了各种挑战。而常规合金通常包含一种主元素，该主元素在很大程度上控制该合金系统(例如镍基合金、钛基合金、铝基合金等)的基本冶金性，在HEA中，HEA的五个(或更多个)成分中的每一个都可以被认为是主元素。这种材料生产方面的进步可能为它们最终在各种应用中的应用打开大门。然而，标准成形工艺在这方面展现出很大的局限性。利用ShAPE类型的工艺证明了获得这样的结果的希望。

在一个示例中，形成了“低密度”AICuFe(Mg)Ti HEA。从弧熔合金小球(button)作为前标体(pre-cursor)开始，ShAPE工艺被用来同时加热、均匀化和固结HEA，从而产生了克服与现有技术应用相关的各种问题并提供各种优点的材料。在这个特定的示例中，使用商业纯铝、镁、钛、铜和铁在10^-6托真空下的炉中电弧熔化HEA小球。由于镁的高蒸气压，大部分镁蒸发并形成Al1Mg0.1Cu2.5Fe1Ti1.5，而不是预期的Al1Mg1Cu1Fe1Ti1合金。上一段中描述的电弧熔化小球很容易用锤子压碎，并用于填充模腔/粉末腔室(图4c)，并且剪切辅助挤压工艺开始。所填充的材料的体积分数小于75％，但是当工具在负载控制下以500RPM旋转(其中最大载荷被设定处于85MPa和175MPa)时，该材料被固结。

电弧熔化的材料和在ShAPE工艺下开发的材料的比较显示了各种区别。LWHEA的电弧熔化的小球展现出有核的枝晶微结构，以及包含金属间颗粒和孔隙的区域。使用ShAPE工艺，消除了这些微观结构缺陷，从而形成了单相、细化晶粒和无孔隙的LWHEA样品。

图5a示出了铸态/电弧熔化的样品的反向散射SEM(BSE-SEM)图像。电弧熔化的样品具有有核的枝晶微结构(其中枝晶富含铁、铝和钛)，并且直径为15-30μm，而枝晶间区域富含铜、铝和镁。铝均匀分布在整个微结构中。这种微结构是典型的HEA合金。枝晶间区域看起来富含Al-Cu-Ti金属间化合物，并通过XRD验证为AICu₂Ti。XRD也证实了Cu₂Mg相，其不是由EDS分析确定的，并且整个基质是BCC相。金属间化合物在枝晶间区域形成共晶结构，并且长度和宽度约为5-10μm。枝晶间区域在它们之间也具有大约1-2vol％的孔隙率，因此难以测量其密度。

典型地，这种微结构通过持续加热持续几个小时以保持接近合金的熔点的温度而被均匀化。在缺乏这种新合金系统的热力学数据和扩散动力学的情况下，很难预测各种相形成或沉淀的确切点，特别是与各种温度和冷却速率有关的点。另外，

即使在热处理之后关于金属间相的持久性的不可预测性及其形态的保留会导致进一步的复杂化。典型的层状和长金属间相在进行常规加工(诸如挤压和轧制)时很麻烦，并且对机械性能(伸长率)也是有害的。

ShAPE工艺的使用能够在不进行均匀化热处理的情况下细化微结构，并为上述复杂性提供了解决方案。电弧熔化的小球(由于其各自的多孔隙率和金属间相的存在)很容易破碎成小件，以填充ShAPE设备的模腔。如表1所述，进行两次单独的运行，其中两个工艺均产生直径为25.4mm并且高度约为6mm的圆盘。随后在中心处对圆盘进行切片，以评估作为其深度的函数的微结构变化。通常，在ShAPE固结过程期间；剪切作用导致界面处的结构变形并且使界面温度升高；这与rpm和扭矩成比例；同时线性运动和由剪切生成的热量导致固结。根据操作的时间和所施加的力，也可以获得接近整个厚度的固结。

表2：用于LWHEA的固结加工条件

图6a至图6d示出了范围从基本上未加工的圆盘底部到工具坯料界面处的完全固结区域的一系列BSE-SEM图像。从圆盘底部到界面存在微观结构方面的逐渐变化。圆盘的底部具有类似于图5中描述的微结构的微结构。但是在圆盘被检查朝向界面移动时，这些枝晶的大小变得紧密间隔(图6b)。金属间相仍然存在于枝晶间区域，但是孔隙率被完全消除。在宏观尺度上，圆盘看起来更加连续，并且从顶部到底部3/4部分没有任何孔隙。图6c示出了剪切作用更加突出的界面。这个区域清楚地将铸态枝晶结构与由剪切作用引起的混合和塑性变形区分开。从这个区域到圆盘的顶部观察到螺旋图案。这是指示搅拌作用，并且这是由于工具的表面上的涡旋图案。这种剪切作用还导致金属间颗粒的粉碎，并且还有助于均匀化材料，如图6c和图6d所示。应该注意的是，整个过程仅持续了180秒，以使金属间化合物颗粒均匀化、分散和粉碎。这些得到的金属间颗粒中的一些重新溶解到基体中的可能性非常高。均匀化区域距离圆盘的表面近0.3mm。

ShAPE装置和技术的使用展示出了用于无需预热坯料进行加工的新的单步骤方法。使用这种新方法，使材料均匀化所需的时间显著减少。基于早期工作，剪切作用和涡旋的存在有助于次级相的粉碎，并产生螺旋模式。所有这些为最终产品的成本降低提供了重要的机会，而又不损害性能，并同时将微结构调整到所期望的性能。

许多种类的合金表现出室温和高温下的高强度、良好的机械加工性、高耐磨性和耐腐蚀性。这种材料可以被视为各种应用的替代品。难熔的HE合金可以代替用于应用(诸如燃气轮机)中的昂贵的超合金和用于煤气化热交换器的昂贵的lnconel合金。重量轻的HE合金可以代替铝和镁合金用于汽车和飞机。使用ShAPE过程来执行挤压将实现这些类型的部署。

虽然示出和描述了本发明的各种优选实施例，但是应当清楚地理解，本发明不限于此，而是可以在所附权利要求的范围内以各种方式体现以便实施。从前面的描述中，显而易见的是，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种改变。