来自高强度耐腐蚀铝合金的带材和粉末制造技术

铝合金，其通过快速凝固工艺制造，具有高强度、高延展性、高耐腐蚀性、高耐蠕变性、和良好的可焊性。

Strips and Powders from High Strength Corrosion Resistant Aluminum Alloys

Aluminum alloy, which is manufactured by rapid solidification process, has high strength, high ductility, high corrosion resistance, high creep resistance and good weldability.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】来自高强度耐腐蚀铝合金的带材和粉末本申请要求2016年7月5日提交的美国序列号62/358,400和2017年3月28日提交的美国序列号62/477,838的申请日的权益。本专利技术是在由DOD/美国陆军通过PTENortheasternUniversity授予的PTE联邦决定号W911NF-15-2-0026，子决定号504062-78050的政府支持下完成的。政府在本专利技术中拥有一些权利。领域这一申请涉及具有高强度和延展性、优异耐腐蚀性和可焊接的一系列铝合金。所公开的合金尤其有益于改进航空航天、汽车和最近研发的增材制造或所谓的“3D打印”部件的性能并且有益于形成对镁或铝部件的保护性涂层。背景铝合金在航空航天、汽车、海洋、线缆、电子、核能、和消费品工业中的轻质结构中具有广泛的应用。通常，通过传统的铸造工艺制备铝合金，在该传统的铸造工艺中将铝合金熔化然后倾倒至模具中。铸造件可为接近成品形状(nearnet-shape)或为板坯或方坯形式，随后将其轧制以形成片材和板材产品或将其挤压以制备型材。因此最终产品的性质取决于铝合金的化学组成、铸造凝固速率和随后的热-机械加工。在传统的铸造工艺过程中铝合金的凝固速率相对低(<50℃/s)。因此，仅可通过传统的铸造工艺获得铝合金中的某些铸造显微组织。在过去的几十年中研发的快速凝固工艺(RSP)可实现细化的晶粒尺寸和扩大的合金化元素固溶度，并形成非平衡亚稳定相。与通过传统的铸造方法制造的合金相比，这些增强了合金的性质。RSP需要凝固速率高于1000℃/s。在熔融的铝和淬火介质之间的接触时间被限制为千分之几秒。淬火介质例如铜、水、或液氮在短时间内使熔融铝的温度显著地降低至小于其固相线温度，因此通过非常快的冷却速率实现了快速凝固。参见美国专利号4,347,076。已经研发了许多不同的RSP，包括气体雾化、喷雾沉积、熔体纺丝、熔体提取和波束上釉(beamglazing)。所制造的产品可为带材、纤维、薄片、层片、颗粒和粉末的形式。通常加工(冷等静压压缩、热压和挤压)这些小的单独的碎片以制造最终产品。由RSP制造的铝合金的应用是在赛车、汽车、航空航天、运动、医疗部件、电子、和光学工业中。已经做出在现有技术中最近的努力来通过RSP制备铝-镁-钪合金。这些合金通常含有高浓度的镁(3至5重量％)和钪(0.7-1.4重量％)。通过Al3ScLl2-结构的纳米析出物和含有镁的铝基体固溶体的组合来强化合金。在凝固和随后的在从250至350℃温度范围内时效过程中形成Al3Sc纳米析出物。纳米析出物还有助于良好的可焊性。参见美国专利号5,624,632。然而，通过RSP制备的Al-Mg-Sc合金存在几个缺陷。钪是非常昂贵的(是银的十倍贵)。因此，Al-Mg-Sc合金的成本非常高，其严重地限制该合金的商业应用。这种合金还具有有限的热加工窗口(<375℃)。超过这一温度，永久地失去Al3Sc纳米析出物的有益强化，因为Al3Sc纳米析出物迅速地粗化并变得不起作用。这将挤压温度限制为小于375℃，其是获得完全致密的挤压部件所不期望的。因此，期望改进由RSP制备的Al-Mg-Sc合金的缺陷，同时维持其他性质的相同组合。这些包括在室温和升高的温度下的高强度、高耐蠕变性、良好的可焊性和高耐腐蚀性。概述本文所述的实施方案涉及通过任何快速凝固工艺制造并且可经热处理(时效)以实现析出和弥散强化的铝合金。它们具有高强度和延展性、高耐蠕变性、优异的耐腐蚀性、和可焊性。在一些实施方案中，合金在高达400℃的温度下是耐热和耐蠕变的。这些合金包含1至10重量％的镁，0.3-3重量％的锆且优选0.45-3重量％的锆，任选的0.3-1.5重量％的钒，而铝作为余量。该铝合金含有Al3Zr一次析出物的同步分散，其具有范围从0.05至1.5μm的平均直径，和在铝基体中具有Ll2晶体结构的Al3Zr纳米析出物分散，其具有范围从3至50nm的平均直径。已经发现在RSP过程中形成热稳定的Al3Zr一次析出物并且在Al-Mg-Zr合金随后的时效工艺过程中形成热稳定的Al3Zr纳米析出物。由于锆在铝中的低扩散性，直至425℃的工作温度Al3Zr一次析出物和纳米析出物都是稳定的和耐粗化的。其导致在室温和升高的温度下长期时间段内具有高强度的铝合金。该合金完全不含钪或至少没有有意添加钪并且作为杂质存在的任何钪不超过0.05重量％。这导致低的材料成本。由于非常高的热稳定性，可在与Al-Mg-Sc合金(仅最高至350℃)相比更高的热加工窗口(最高至450℃)挤压所公开的材料。前述导致更低的挤压力，从而降低挤压成本。利用所公开的合金还导致更致密的(更少孔的)挤压材料，因此更高品质的挤压零件。在一些实施方案中，铝合金包含镁和选自以下的至少一种元素：第4B族元素Ti、Zr和Hf，第5B族元素V、Nb和Ta，和第6B族元素Cr、Mo和W。这些合金拥有在室温和升高的温度下的高强度、高耐蠕变性、高耐腐蚀性和良好的可焊性。利用诸如增材制造、喷雾沉积、或压缩的方法由快速凝固的粉末或带材制造的部件具有夹在固溶体中的大浓度合金化元素。当所制造的部件经受如以下讨论的单步骤热处理时，形成了纳米级铝-过渡金属析出物。这区别于常规合金，常规合金经常需要由在大于约450℃的温度下的“固溶化”或“均匀化”热处理然后在约100和200℃之间的温度下的析出热处理组成的两步骤热处理。附图简要说明图1是通过熔体纺丝制备的带材形式的基准的Al-4.5Mg、Al-4.5Mg-0.5Sc和所公开的实施方案Al-4.5Mg-0.5Zr原子％合金(分别为Al-4Mg、Al-4Mg-0.8Sc和Al-4Mg-1.7Zr重量％)的随着最高时效温度变化的努普显微硬度演变。以具有25℃/2h增量的等时时效形式进行热处理。图2是通过在不同轮速12m/s和40m/s下熔体纺丝制备的基准的Al-4.5Mg和所公开的实施方案Al-4.5Mg-0.5Zr原子％合金(分别为Al-4Mg和Al-4Mg-1.7Zr重量％)的随着最高时效温度变化的努普显微硬度演变。以具有25℃/2h增量的等时时效形式进行热处理。图3显示通过熔体纺丝工艺制造的实例合金Al-4Mg-1.7Zr重量％合金的显微组织的扫描电子显微镜图像。图4显示在采用25℃/2小时增量的等时时效过程中通过在12m/s下熔体纺丝制备的所公开的实施方案Al-4.5Mg-0.5TM原子％合金的峰值显微硬度，其中TM是所指出的过渡金属(第4B族元素Ti、Zr和Hf，第5B族元素V、Nb和Ta，和第6B族元素Cr和Mo)。图5显示在采用25℃/1小时增量的等时时效过程中通过在12m/s下熔体纺丝制备的所公开的实施方案Al-4Mg-0.5Zr-0.1TM原子％合金的峰值显微硬度，其中TM是所指出的过渡金属(第4B族元素Ti和Hf，和第5B族元素V、Nb和Ta)。图6显示在打印状态和峰时效两种条件下的几个3D打印部件的维氏显微硬度图，该3D打印部件来自Al-3.6Mg-1.2Zr重量％粉末，具有相同的合金组成但使用不同参数3D打印。图7显示在打印状态条件下来自Al-3.6Mg-1.2Zr重量％粉末的3D打印部件的显微组织的扫描电子显微照片。图8显示在打印状态本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.铝合金，包含约1至约10重量％的镁；约0.45至约3重量％的锆；作为余量的铝；和其中该合金完全不含任何有意添加的钪、铒、铥、镱或镥。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.07.05 US 62/358,400;2017.03.28 US 62/477,8381.铝合金，包含约1至约10重量％的镁；约0.45至约3重量％的锆；作为余量的铝；和其中该合金完全不含任何有意添加的钪、铒、铥、镱或镥。2.权利要求1的铝合金，其中该合金包含具有Ll2晶体结构的Al3Zr纳米析出物在铝基体中的分散，其具有范围从约3nm至约50nm的平均直径。3.权利要求1的铝合金，还包含约0.3至约1.5重量％的钛、铪、钒、铌和钽中至少一种。4.权利要求1的铝合金，其中该合金包含Al3Zr一次析出物的分散，其具有范围从约0.05μm至约1.5μm的平均直径。5.权利要求1的铝合金，其中通过快速凝固工艺制备该合金。6.权利要求1的铝合金，其中该合金包含不大于约0.05重量％的钪、铒、铥、镱或镥中至少一种作为杂质。7.权利要求1的铝合金，其中该合金在最高至约425℃的工作温度是热稳定的。8.权利要求1的铝合金，其中可在最高至约450℃的热加工窗口下挤压该合金。9.权利要求1的铝合金，其中将该合金制造为粉末形式，可在增材制造方法中使用该粉末形式。10.权利要求1的铝合金，其中该合金具有平均晶粒直径在约200nm和约2μm之间的细晶粒组织。11.由权利要求1的铝合金形成的挤压部件。12.权利要求11的挤压部件，其中使该挤压部件适合于使用在选自以下组的至少一种应用中：航空航天、汽车和海洋应用。13.由权利要求1的铝合金制造的带材。14.权利要求13的带材，其中使该带材适合于切割成切片，然后通过热等静压、单轴热压或任何其他压力辅助方法压缩，并且最终挤压为部件。15.由权利要求1的铝合金制造的粉末。16.权利要求15的粉末，其中使该粉末适合于通过热等静压、单轴热压或任何其他压力辅助方法压缩，并且最终挤压为部件。17.权利要求15的粉末，其中使该粉末适合于通过冷喷涂工艺使用以形成对镁或铝部件的保护性涂层。18.权利要求1的铝合金的制成形式，该制成形式选自以下组：粉末、切片、带材、线材、片材、板材和箔材。19.由权利要求1中合金的气体雾化粉末制成的增材制造部件。20.权利要求19的增材制造...

【专利技术属性】
技术研发人员：N·Q·沃，J·R·克罗图，D·巴颜山，A·萨纳蒂亚扎德，E·拉莫斯，
申请(专利权)人：纳诺尔有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US