CN1030447A - 高温用快速凝固含硅铝基合金 - Google Patents
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Abstract
一种基本上含有式Al余FeaSibVc的快速凝固
铝基合金，其中a的范围是3.0-7.1原子％，b的范围
是1.0-3.0原子％，c的范围是0.25-1.25原子％，剩
余部分是铝及伴随的杂质，但须i)Fe+V与Si的比
例范围大约是2.33∶1-3.33∶1和ii)Fe与V的比
例范围是11.5∶1-5∶1。该合金具有高强度、高韧
性和高断裂韧性，特别适合在高温结构中应用，例如
燃气轮机部件，汽车发动机部件，导弹和飞机部件
等。
Description
本申请是美国专利申请No782774（申请日1985.10.2）的延续，该申请的名称为“高温用快速凝固含硅铝基合金”。
本发明涉及在室温及高温下具有高强度、高延性和高韧性的含硅铝基合金以及由这种合金生产的粉末制品。更具体地说，本发明涉及Al-Fe-Si-V合金，该合金从熔体快速凝固并通过形变热处理形成具有高强度、高延性和高断裂韧性配合的结构零件。
yle等人在美国专利2963780中，Roberts等人 专利2967351和3462248中曾描述了提高铝基合金在 0℃下的抗拉强度的方法。Lyle和Roberts等人所教导的这种合金，是利用高速气流将液态金属雾化成细小的液滴而制成的。以大约104℃/秒的速度的对流冷却来冷却这些液滴。由于这种快速冷却的结果，Lyle和Roberts等人所制造的合金，其过渡元素含量远远高于迄今所能得到的含量。
使用较高冷却速度的对流冷却，例如喷涂细片冷却和熔体离心铸造，已经用以产生大约105-106℃/秒的冷速。这种冷速使熔融铝合金在凝固期间形成的金属间沉淀物减至最少。上述金属间沉淀物是造成过早拉伸失稳的主要原因。Hildeman等人的美国专利4379719描述了含4-12重量%Fe和1-7重量%Ce或其他镧系稀土金属的快淬铝合金粉末。Adam的美国专利4347076描述了含5-15重量%Fe和1-5重量%其他过渡元素的快淬铝合金粉末。
Ray等人的美国专利4347076描述了在大约350℃下使用的高强度铝合金，该合金是利用快速凝固技术制造的。但是，这些合金在室温下具有低的工程延性和断裂韧性，这就阻碍了这种合金在要求最低拉伸延伸率约3%的结构中应用。这种应用的例子之一是P.T.Millan，Jr.所描述的小型燃气涡轮发动机（Journalof Metals，Volume 35（3），page 76，1983）。
Ray等人所论述的铝合金由过渡金属元素和铝的亚稳定面心立方固熔体组成。其铸造条带在弯曲时是易碎的，很容易粉碎成粉末。这种粉末被压制成在室温下具有高达76千磅力/平方英寸抗拉强度的固结制品。Ray等人没有详细论述这些合金的拉伸延性或断裂韧性。然而，由NASA报告（NASI-17578 May1984）可知，Ray等人所提出的许多这类合金，在制成工程试棒时不具备足以供结构零件使用的室温延性或断裂韧性。
因而常规的铝合金，例如Ray等人提出的这些铝合金，缺乏足够的工程延性，不适合用于结构部件。
本发明提供一种制造燃气涡轮机、汽车发动机和导弹部件的铝基合金，这种合金大体上由式Al余FeaSibVc组成，其中a的范围为3.0-7.1原子%、b的范围为1.0-3.0原子%、c的范围为0.25-1.25原子%，其余是铝加伴随的杂质，但须ⅰ）Fe+V与Si之比范围为2.33∶1-3.33∶1，以及ⅱ）Fe与V之比范围为11.5∶1-5∶1。
发动机控制罩（engine control housing）和其他燃气涡轮发动机的静态结构对材料的要求包括在高达550°F（288℃）的温度下、在环境大气中或在工作流体中工作。工作流体的压力范围是6000-8000磅/平方英寸（表压）。在这些结构设计中的一个越来越重要的设计准则是节约钛的用量，钛是目前最广泛应用的材料。在发动机控制罩中使用高温铝合金代表一种应用，这种应用迄今为止要求使用钛合金，其原因不是因为钛合金的极高温度性能，而是由于普通高温铝合金不能在特殊温度/压力状态下使用。本发明的合金由于有极高的热稳定性，所以是发动机控制罩的极好的选用材料。适合于本发明合金的挤压件和锻件的其他应用包括，民用和军用飞机，例如直升飞机、飞机骨架、导弹、燃气涡轮发动机的结构部件以及汽车发动机部件，例如进气阀、活塞、连杆、阀挺杆等等。
为了提供所期望的延性、韧性和高温强度水平（这些性能是工业用燃气轮机和汽车发动机部件以及飞机结构零件所需要的），对本发明合金进行改变其显微组织的快速凝固处理。在所述快速凝固处理方法中，使合金处于熔融态，然后以至少大约105-107℃/秒的冷速冷却，形成一种固态物质。该方法最好是以大于约106℃/秒冷速，即通过熔体离心铸造，喷涂细片冷却或平面流动浇注冷却熔融金属，从而形成一种固体条带或薄板。这些合金具有铸态显微组织，该显微组织取决于特定合金的化学组成，变动于显微共晶体与显微网状组织结构之间。在本发明合金中这些组织的相对比例不是关键性的。
固结制品是通过压制一种大体上由式Al余FeaSibVc组成的铝基合金颗粒而制得的，其中a的范围是3.00-7.1原子%，b的范围是1.0-3.0原子%，C的范围是0.25-1.25原子%，余量为铝及伴随的杂质，但须ⅰ）Fe+V与Si的比例范围是2.33∶1-3.33∶1，以及ⅱ）Fe与V的比例范围是11.5∶1～5∶1。在压制工序中，颗粒在真空中被加热至压制温度，其范围大约是300～500℃，这使弥散金属间相的粗化减至最低程度。作为一种供选择的替代方法，将颗粒放进一个容器中抽成真空，加热至300～500℃，然后密封。该密封容器在环境大气中加热至300～500℃并进行压紧。这种压制制品是利用通常采用的方法例如挤压或锻造而制成的，再由该固结制品加工成成品形状。
本发明所制造的燃气涡轮机、导弹和汽车发动机部件，由一种含有大体上均匀分布的弥散金属间沉淀相〔其组成大致为Al12（Fe，V）3Si1〕的铝固溶相构成。这种沉淀相是所有线性尺寸都小于100毫微米的细小金属间化合物。含有这些细小弥散金属间化合物的本发明合金，可以承受一般固结和成形工艺如锻造、轧制和挤压中所涉及的加热温度和压力，而基本上没有金属间化合物长大或粗化，这样的长大或粗化会使固结制品的强度和延性降低到不合格的水平。由于本发明合金中弥散颗粒的热稳定性，该合金可通过挤压或锻造用于制造细网状制品，例如发动机控制罩、压气机叶轮、汽车发动机部件、飞机结构零件和导弹部件。该合金不但在室温而且在大约350℃的高温都有强度和良好的延性配合。
因而，本发明的制品更适合于在发动机控制罩、压气机叶轮、汽车发动机部件、导弹部件、飞机结构零件等中的高温结构应用。
为了提供工业用燃气涡轮发动机所需要的强度、延性和韧性水平，由熔体快速凝固对制造这些铝基合金是特别有用的。本发明的合金主要由式Al余FeaSibVc组成，其中a的范围是3.0～7.1原子%，b的范围是1.0～3.0原子%，c的范围是0.25～1.25原子%，余量是铝及伴随的杂质，但须ⅰ）Fe+V与Si之比范围是约2.33∶1～3.33∶1，ⅱ）Fe与V之比范围是11.5∶1～5∶1。快速凝固处理一般采用浇铸方法，使合金处于熔融状态，然后以至少约105～107℃/秒的冷速在快速移动的浇注基底上进行冷却，形成固体条带或薄板。这种方法将提供保护熔潭免受由于与移动的浇注表面一道进行的空气界面层而引起的烧损、过分氧化和物理损伤的条件。例如这种保护可由一个环绕喷咀的罩盖装置来提供，该罩盖装置内充有保护气体例如空气或CO2和SF6的混合物、还原气体例如CO或一种惰性气体。另外，盖罩装置排除了可能干扰熔潭的外来空气流。
将成分为Al余FeaSibVc（但须上述的〔Fe+V〕∶Si和Fe∶V比例）快速凝固合金加工成带，然后用普通粉碎机例如粉磨机、切碎机、旋转离心破碎机等制成颗粒。经过粉碎的粉末颗粒尺寸范围最好大约是40～200目（美国标准筛眼孔径）。
将颗粒放进至少10-4托（1.33×10-2pa），最好低于10-5托（1.33×10-3pa）的真空中，然后利用一般粉末冶金技术进行压制。此外，在大约300～550℃，最好在325～450℃加热颗粒，使其中的金属间相的长大或粗化减至最小程度。粉末颗粒的加热最好在压制阶段进行。适用的粉末冶金技术包括，将粉末放进一个抽成真空并在真空下密封的金属容器中进行直接粉末挤压、真空热压、在挤压机或锻压机上的封闭模压、直接或间接挤压、普通锻造和冲锻、冲挤以及这些工艺的组合。本发明的压制固结制品基本上由在铝固溶体基本上均匀弥散分布有十分细小的金属间沉淀相所构成。通过适当的形变热处理，这些金属间沉淀物可以获得最佳尺寸组合，例如直径和粒子间距的配合。这些特性提供所期望的高强度和高延性的配合。上述沉淀物是细小的，通常是球形的，其所有线性尺寸都小于100毫微米。这些细小金属间沉淀相的体积份数范围大约是16～45%，而最好是20～37%，以提供改善的性能。粗大金属间沉淀相（即沉淀物按其最大尺寸大于约100毫微米）的体积份数不大于约1%。
本发明的固结制品中的细小金属间沉淀物的组成大致为Al12（Fe，V）3Si1。对于本发明合金来说，这种金属间化合物大约是固结制品中细小弥散的金属间沉淀物的95～100%，而最好是100%。当合金成分被描述为式Al余FeaSibVc（但须附带〔Fe+V〕∶Si和Fe∶V的比例）时，向Al-Fe-Si合金中添加V，使这种亚稳定的四元金属间沉淀物稳定化，形成大致为Al12（Fe、V）3Si的总成分。有关〔Fe+V〕∶Si和Fe∶V比例的附加条件限定了约95～100%（最好100%）的细小弥散金属间沉淀相具有上述总成分的成分界限。
所推荐的稳定金属间沉淀相具有体心立方结构，晶格参数约为1.25～1.28毫微米。
本发明的含有这种细小弥散金属间沉淀相的合金，可以承受常规粉末冶金工艺的加热温度和压力而不致使金属间化合物过分长大或粗化，否则这种长大或粗化将使固结制品的强度和延性降至不合格水平。另外，本发明合金在加工期间能经受住异常高的加工温度并能经受长时间曝露于高温之下。例如，上述温度和时间在利用锻造生产细网状制品和利用轧制生产薄板或中厚板时会遇到。因此，本发明的合金特别适于高强度固结铝合金制品的成形。因为该合金能在很宽的固结温度范围内进行压制并且还能在压制产品中提供所需要的强度和延性配合，所以该合金是特别有利的。
此外，通过使大约95～100%、最好100%的细小弥散金属间沉淀相具有Al12（Fe、V）3Si1的总成分及使用〔Fe+V〕∶Si和Fe∶V的比例附加条件，能提高抗裂纹扩展和断裂韧性等工程应用性能。
下面介绍实施例，以供更充分了解本发明。本发明的专门工艺、条件、材料和比例是示范性的，不应解释为对本发明范围的限制。
实施例1至24
根据本发明的成分式和方法浇注本发明的合金并将它们列于表1中。
表1
1.Al93.55Fe4.24V0.44Si1.77
2.Al93.56Fe4.13V0.44Si1.86
3.Al93.52Fe4.03V0.58Si1.86
4.Al92.93Fe4.77V0.48Si1.86
5.Al92.92Fe4.67V0.59Si1.86
6.Al92.93Fe4.49V0.75Si1.86
7.Al92.39Fe5.12V0.51Si1.99
8.Al92.41Fe4.99V0.62Si1.99
9.Al92.36Fe4.84V0.81Si1.99
10.Al93.52Fe4.06V0.75Si1.67
11.Al93.57Fe4.29V0.47Si1.67
12.Al94.12Fe3.92V0.50Si1.46
13.Al93.22Fe4.33V0.73Si1.72
14.Al90.82Fe6.06V0.65Si2.47
15.Al93.46Fe4.37V0.47Si1.70
16.Al93.45Fe4.27V0.58Si1.70
17.Al93.44Fe4.11V0.75Si1.70
18.Al91.92Fe5.40V0.59Si2.10
19.Al91.88Fe5.29V0.73Si2.10
20.Al91.89Fe5.09V0.93Si2.09
21.Al91.44Fe5.73V0.62Si2.22
22.Al91.45Fe5.57V0.76Si2.21
23.Al91.42Fe5.36V0.99Si2.22
24.Al89.29Fe7.07V0.77Si2.86
实施例25至33
下面表2示出在应变速率近似为5×10-4/秒和不同高温下以单轴拉伸测量的具体合金的机械性能。每种所选定的合金粉末在350℃真空热压一小时，形成95～100%密度的预成形金属棒。这些金属棒在385～400℃保持一小时后在该温度下以18∶1的挤压比挤压成矩形棒。
表2
极限抗拉强度（UTS）MPa和断裂伸长（ef）%
实施例 合金 试验温度
20 150 204 260 315
25 Al93.44Fe4.11V0.75Si1.70UTS 478 397 367 322 262
ef13.0 7.0 7.2 8.5 12.0
26 Al93.44Fe4.37V0.47Si1.70UTS 469 381 355 311 259
ef13.1 6.9 8.4 9.8 12.0
27 Al91.89Fe5.09V0.93Si2.09UTS 571 462 435 373 294
ef9.4 5.2 6.0 8.1 10.8
28 Al91.92Fe5.40V0.59Si2.10UTS 596 466 424 368 296
ef10.0 5.2 4.8 6.7 11.2
29 Al91.42Fe5.36V0.99Si2.22UTS 592 440 457 384 317
ef10.7 4.4 5.0 6.9 10.0
30 Al91.44Fe5.73V0.62Si2.22UTS 592 491 455 382 304
ef10.0 5.2 5.8 8.3 10.0
31 Al93.57Fe4.29V0.47Si1.67UTS 462 380 351 306 244
ef13.0 7.8 9.0 10.5 12.4
32 Al93.52Fe4.06V0.75Si1.67UTS 437 372 341 308 261
ef10.0 7.0 8.0 9.0 9.0
33 Al90.82Fe6.06V0.65Si2.47UTS 578 474 441 383 321
ef6.2 3.8 4.3 5.8 6.8
实施例34至35
本发明合金能制造在室温下具有高断裂韧性的固结制品。下面表3示出本发明的部分固结制品的断裂韧性。每种粉末制品都在350℃利用真空热压压实，随后在385℃以18∶1的挤压比挤压。按ASTM E399标准用本发明固结制品的紧凑拉伸（CT）试样测定断裂韧性。
表3
实施例 合金 断裂韧性（MPa 
）
34 Al93.52Fe4.06V0.75Si1.6730.4
35 Al93.44Fe4.11V0.75Si1.7032.3
实施例36
本发明合金能制造与本发明之外的合金相比具有改善的抗裂纹扩展性能的固结制品。下面表4示出基本上具有与本发明之外的固结制品相同断裂体积和显微组织特征的本发明固结制品的这种改善的抗裂纹生长性能。每种粉末制品都在350℃进行真空热压制，随后在385℃以18∶1的挤压比进行挤压。按ASTME-647标准，用紧凑拉伸（CT）试样测定裂纹扩展速率。
表4
合金 在K＝6MPa 下的裂纹
扩展速率（×10-8m/循环）
Al93.52Fe4.06V0.75Si1.673.47
Al93.67Fe3.98V0.82Si1.537.90
（非本发明）
实施例37
下面表5示出本发明的一种特有合金的室温机械性能，这种合金已经利用锻造固结用于压缩机叶轮。该合金粉末在350℃下真空热压制一小时，得到95～100%密度的预制坯。随后这些予制坯在大约450～500℃保持一小时后在该温度下进行锻造。
表5
合金 拉伸性能
极限抗拉强度（UTS）MPa和断
裂伸长（ef）%
试验温度（℃）
20 150 204 260 315
Al93.52Fe4.06V0.75Si1.67UTS 462 372 338 290 248
ef12.0 6.0 6.0 8.0 9.0
实施例38
由3.25×3.25英寸、成分基本上由Al93.52Fe4.06V0.75Si1.67组成的合金挤压件制成发动机控制罩。该挤压件是通过真空包壳固结该合金的快速凝固粉末颗粒、在350℃下压成坯料随后在385℃以大约9∶1的挤压比进行挤压而制成的。挤压件的性能示于下表6
表6
拉伸性能
合金 极限抗拉强度（UTS）MPa和断
裂伸长（ef）%
试验温度（℃）
20 150 204 260 315
Al93.52Fe4.06V0.75Si1.67UTS 437 372 341 308 261
ef10 7.0 8.0 9.0 9.0
在如此详尽地描述了本发明之后，很显然，不应将这些详述理解为必须严格遵守的，只要不超出如所附的权利要求所规定的本发明范围，所属技术领域的技术人员可以提出自己的改动和改进。
Claims (11)
1、一种基本上由式Al余FeaSibVc组成的快速凝固铝基合金固结的挤压件，其中a的范围是3.0～7.1原子%，b的范围是1.0～3.0原子%，c的范围是0.25-1.25原子%，剩余部分是铝及伴随的杂质，但须i)[Fe+V]∶Si之比范围大约是2.33∶1～3.33∶1，ii)Fe∶V之比范围是11.5∶11～5∶1。
2、权利要求1所述挤压件，上述挤压件包括结构部件。
3、权利要求2所述的挤压件，其中所述的结构部件包括直升飞机和导弹零件，飞机骨架，燃气涡轮机部件或汽车发动机部件。
4、权利要求1所述的挤压件，所述挤压件包括发动机控制罩。
5、权利要求3所述的挤压件，其中所述汽车发动机部件包括进气阀。
6、一种基本上由式Al余FeaSibVc组成的铝基合金颗粒固结的锻件，其中a的范围是3.0～7.1原子%，b的范围是1.0～3.0原子%，c的范围是0.25～1.25原子%，剩余部分是铝及伴随的杂质，但须ⅰ）Fe+V与Si的比例范围是2.33∶1～3.33∶1，ⅱ）Fe与V的比例范围是11.5∶1～5∶1，上述固结制品由一种铝固溶体构成，该固溶体中含有基本上均匀分布的弥散金属间沉淀相，上述每一沉淀相的所有尺寸都小于约100毫微米。
7、权利要求6所述的锻件，上述锻件包括结构部件。
8、权利要求7所述的锻件，其中所述结构部件包括直升飞机和导弹零件，飞机骨架，燃气轮机部件或汽车发动机部件。
9、权利要求7所述的锻件，所述锻件包括发动机控制罩。
10、权利要求7所述的锻件，其中所述汽车发动机部件包括进气阀、活塞或连杆零件。
11、权利要求8所述的锻件，其中所述燃气轮机部件是压气机叶轮。
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