稳定初级凝固期间铸造铝合金中的过渡金属沉淀的系统和方法技术方案

用于铸造铝合金的系统包括用于容纳处于第一温度的第一熔体的第一腔室，用于容纳处于低于第一温度的第二温度的第二熔体的第二腔室，与第一腔室和第二腔室连通用于同时接收来自第一腔室的第一熔体和来自第二腔室的第二熔体并将其混合的混合腔室，以及与混合腔室连通并用于接收混合熔体的模具腔室。

【技术实现步骤摘要】
稳定初级凝固期间铸造铝合金中的过渡金属沉淀的系统和方法
本专利技术涉及一种稳定初级凝固期间铸造铝合金中的过渡金属沉淀的系统和方法。
技术介绍
该引言总体呈现本专利技术的上下文。目前提及的专利技术人在本引言中描述的范围内的工作以及在提交时可以不以其他方式作为现有技术的描述的各方面既不明示也不暗示地被承认为本专利技术的现有技术。因为良好铸造性，耐腐蚀性，机械加工性和高强度重量比，所以铝铸造合金在汽车、航空航天和一般工程行业的结构部件中具有广泛的应用。关于铸造性，具有较低硅含量的合金组合物由于较宽的冷冻范围和降低的潜热而被认为固有地产生较差的铸件。较低的硅合金难以铸造，它们具有较少的用于填充模具的流动性和较低的用以供给凝固收缩的潜热。此外，较低的硅合金在凝固过程中倾向于发生热撕裂缺陷，其中部分凝固的铸件因冷却时铸件收缩而将自身撕开，这会留下可能导致泄漏，降低的机械性能并降低的疲劳寿命的裂缝。由于这些制造问题，所以向金属组合物中加入过渡金属会加剧可铸性和疲劳性能。或者，具有较高硅含量的合金组合物越来越难以机械加工，并且由于较粗糙的初级硅颗粒而具有较低的延展性和断裂韧性。一般来说，铝合金的铸造性能取决于几个因素，包括合金组成、铸造和凝固条件以及铸造后工艺或热处理。在尝试扩大或改进铝合金在可以获得铝合金所提供的益处的其他应用中的用途时，现有的铝合金铸造组合物和工艺在高温应用中失败。具有约7至10重量百分比的硅的铝合金被认为有助于铸造工艺。硅在凝固过程中膨胀，这补偿了凝固期间合金总收缩的一些，使合金具有更多的能量，增加熔体的流动性以改善模具的填充，并且铸件通常比不包括硅的那些铸件更好地凝固。然而，铝合金熔体中硅的存在会毒化或降低合金形成高温相的能力。这降低了这些合金用于一些高温应用的能力。高温相的减少降低了铸件在高温应用中的耐久性。
技术实现思路
在一个示例性方面中，用于铸造铝合金的系统包括用于容纳处于第一温度的第一熔体的第一腔室，用于容纳处于低于第一温度的第二温度的第二熔体的第二腔室，与第一腔室和第二腔室连通用于同时接收来自第一腔室的第一熔体和来自第二腔室的第二熔体并将其混合的混合腔室，以及与混合腔室连通并用于接收混合熔体的模具腔室。在另一个示例性方面中，第一熔体包括铝和至少一种包晶过渡金属元素。在另一个示例性方面中，第一熔体包括锆、钪、钴、铬、铌、钽、钛、钒、钨、钼、铪和硼中的一种。在另一个示例性方面中，第二熔体具有比第一熔体包含更高百分比的硅的组合物。在另一个示例性方面中，第二熔体具有比第一熔体包含更高百分比的铜的组合物。在另一个示例性方面中，第二熔体具有比第一熔体包含更高百分比的镁的组合物。在另一个示例性方面中，第一温度高于第一熔体中铝沉淀的液相线温度，第二温度低于第一熔体中铝沉淀的液相线温度并高于混合熔体的液相线温度。在另一个示例性方面中，铝沉淀包括铝-钒沉淀、铝-锆沉淀、铝-钛沉淀、铝-钪沉淀、铝-钴沉淀、铝-铬沉淀、铝-铌沉淀和铝-钽沉淀、以及铝-钨沉淀、铝-钼沉淀、铝-铪沉淀和铝-硼沉淀中的至少一种。以这种方式，提供了铸造铝合金的改进的高温、耐磨性和/或其他性能。此外，初级沉淀的形成提高了合金的自晶粒细化能力，从而降低或消除了通过晶粒细化剂添加外源晶粒细化材料(比如，例如二硼化钛或钛铝化物颗粒)的需要。即使与这种晶粒细化材料相结合，晶粒细化也可以比先前单独使用外源添加剂进一步改善。这提供了改进的可铸性和减少的铸造缺陷。根据下面提供的具体实施方式，本专利技术的其他应用领域将变得显而易见。应该理解的是，具体实施方式和具体实例仅旨在用于说明的目的，而不旨在限制本专利技术的范围。本专利技术的上述特征和优点以及其他特征和优点从包括权利要求以及示例性实施例的具体实施方式中并结合附图而显而易见。附图说明根据具体实施方式和附图将更全面地理解本专利技术，其中：图1是根据本专利技术的示例性铸造系统的示意图；图2是铝-锆的相图；图3是铝-钛的相图；图4是铝-硅的相图；图5A是具有作为杂质的少量硅的铝-锆合金的相图；以及图5B是具有用于可铸性的约百分之十的硅，以及用于可淬硬性的约1.5％的铜和0.4％的镁的铝-锆合金的相图。具体实施方式图1是根据本专利技术的示例性铸造系统100的示意图。铸造系统100包括第一腔室102和第二腔室104。第一腔室102容纳处于第一温度的第一熔体，第二腔室104容纳处于第二温度的第二熔体。第一温度高于第二温度。系统100还包括与第一腔室102和第二腔室104中的每一个连通的混合腔室106。混合腔室106进一步与模具108连通。在一个示例性方法中，可以同时将第一熔体和第二熔体引入混合腔室106中，由此在混合期间热量将在第一与第二熔体之间快速交换，这从第一熔体中组分中引起稳定的铝化物沉淀的弥散体的快速成核。以这种方式，低温第二熔体与第一熔体的混合进行液体骤冷，其中在混合熔体中形成高温稳定的沉淀。包含高温沉淀的混合熔体然后从混合腔室流入模具中，在该模具中发生混合熔体的凝固。从混合腔室快速过渡到模具中使得高温沉淀(或“弥散体”)的聚集最小化。此外，所得到的过渡金属原子的低扩散最小化了在模具中的混合熔体凝固期间弥散体转变成更复杂的金属间相并且在任何随后的热处理期间或在使用期间铸件经历的温度过程中抑制溶解。这导致具有稳定的高温性能的铸件。在一个示例性实施例中，第一熔体包括铝和包晶过渡金属元素中的一种，并且在高于第一熔体的液相线温度的温度下保持在第一腔室102内，并且第二熔体包括铝合金并且在低于第一熔体的液相线温度并高于混合熔体的液相线温度的温度下保持在第二腔室104内。第二熔体还可以包括对高温沉淀形成反应是已知毒物的硅，但是可以在第二熔体内提供硅以改善铸造期间混合熔体的可铸性。以这种方式，分别制备含有较高硅组分的第二熔体。第二熔体也可以含有时效硬化元素，比如，例如铜和镁。以这种方式，可调整两种前体熔体的组成，温度和体积以优化铝化物体积分数和分散体以提供最佳性能。低熔点共晶第二熔体保持在比第一熔体更低的温度下，引起第一熔体在混合阶段中的温度迅速降低，这恰好在引入到模具和随后的即将凝固前引发混合熔体中高温沉淀弥散体的成核。因此，本专利技术的方法提供了两种相互排斥的凝固反应，其在所得铸件中提供高度晶粒细化的主要过渡金属铝化物。表1表1示出了一组示例性的熔体组成和温度，其在恰好引入模腔之前混合在一起导致具有改进特性的目标合金。第一熔体保持在第一腔室102中的1000摄氏度的温度下并且第二熔体保持在第二腔室104中的600摄氏度的温度下。第一熔体含有过渡金属元素，比如，例如锆和钒，其通常在与混合腔室106中的第二熔体混合期间通过包晶反应凝固。因为包晶反应的性质，所以在凝固期间可能仅形成非常少量的弥散体，并且因为形成的相的高温性质，所以随后不能使用固态热处理工艺来形成弥散相。相比之下，第二熔体含有比第一熔体高得多的硅、铜和镁的浓度。如上所述，那些元素改善了混合熔体的可铸性并提供了沉淀强化的益处。虽然图1示出了位于铸模108外部的混合腔室106，但是混合腔室106可以位于其他位置，比如，例如但不限于模具内的浇注腔室。一般而言，混合应在将混合熔体引入铸造腔室之前进行，使得熔体在铸模内均匀，以在整个铸件中提供一致的品质和特性。铸件质量特性的不一致或差异是本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于铸造铝合金的系统，其包括：用于容纳处于第一温度的第一熔体的第一腔室；用于容纳处于低于所述第一温度的第二温度的第二熔体的第二腔室；与所述第一腔室和所述第二腔室连通用于同时接收来自所述第一腔室的所述第一熔体和来自所述第二腔室的所述第二熔体并将其混合的混合腔室；以及与所述混合腔室连通并用于接收所述混合熔体的模具腔室。

【技术特征摘要】
2017.05.31 US 15/6091551.一种用于铸造铝合金的系统，其包括：用于容纳处于第一温度的第一熔体的第一腔室；用于容纳处于低于所述第一温度的第二温度的第二熔体的第二腔室；与所述第一腔室和所述第二腔室连通用于同时接收来自所述第一腔室的所述第一熔体和来自所述第二腔室的所述第二熔体并将其混合的混合腔室；以及与所述混合腔室连通并用于接收所述混合熔体的模具腔室。2.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一熔体包含铝和至少一种包晶过渡金属元素。3.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一熔体包含锆、钪、钴、铬、铌、钽、钛、钒、钨、钼、铪和硼中的一种。4.根据权利要求1所述的系统，其中所述第二熔体具有包含比所述第一熔体更高百分比的硅的组成。5.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：H·W·多蒂，D·R·赫斯，Q·王，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US